通氣阻力對口罩防護(hù)性能的影響

戴有剛，孫祖軍，成松濤

（江蘇省紡織產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210000）

口罩是疫情期間極為重要的防護(hù)物資，而過濾效率、通氣阻力和防護(hù)效果是評價口罩質(zhì)量的重要指標(biāo)。過濾效率表明了罩體材料過濾顆粒物的能力；通氣阻力是人體佩戴口罩呼吸時產(chǎn)生的阻力大小，與熔噴過濾材料的孔徑、厚度等因素有關(guān)；防護(hù)效果是評價口罩阻隔顆粒物的整體能力。佩戴口罩時，影響自吸過濾式防護(hù)口罩防護(hù)效果的因素較多，主要?dú)w結(jié)于兩點(diǎn)：一是防護(hù)口罩濾材本身具有過濾性能；二是口罩輪廓邊緣與人體面部臉頰、鼻梁之間的密合度不佳而導(dǎo)致的滲漏程度[1-2]。口罩的密合性與口罩的形狀、耳帶、鼻夾質(zhì)量等因素有關(guān)。過濾效率是口罩熔噴布的核心指標(biāo)，在測定過濾效率時，同時得到該條件下口罩兩端的壓力值。由于該結(jié)果是在口罩四周密封的條件下測得的，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠且完全反映了氣體通過口罩材料的阻力大小，因此稱其為口罩的通氣阻力。通氣阻力除了對佩戴舒適性有影響外，也影響口罩與佩戴者面部的氣體流動狀態(tài)。穿透口罩熔噴布的通氣阻力與口罩和面部結(jié)合處的泄漏阻力是相互影響的動態(tài)平衡關(guān)系。下文研究了通氣阻力對口罩防護(hù)效果的影響及其對優(yōu)化口罩濾材設(shè)計、提升口罩質(zhì)量的重要作用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 樣品

在自留檢測樣品中，選取尺寸一致的主流尺寸口罩（平面口罩約為175 mm×95 mm，立體折疊式口罩尺寸約為鼻高60 mm、中高65 mm、下顎高65 mm）。測試時，各口罩與頭模具有相似的良好貼合程度。相似的尺寸和結(jié)構(gòu)旨在排除口罩樣式、尺寸對試驗(yàn)結(jié)果的影響，各平面口罩和折疊式口罩樣式相似，如圖1所示。

圖1 兩種口罩樣式

1.2 設(shè)備

設(shè)備選擇美國TSI 8130自動濾料檢測儀、防護(hù)效果試驗(yàn)儀。

1.3 方法

過濾效率、防護(hù)效果按照GB/T 32610—2016[3]測定。過濾效率的氣流量為85 L/min，鹽性介質(zhì)。測定過濾效率時，記錄試樣兩面的壓力，作為試樣通氣阻力。

數(shù)據(jù)分析采用SPSS進(jìn)行兩因素線性回歸分析，得出回歸模型，并通過F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)評價模型和各因素對防護(hù)效果影響的顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

本試驗(yàn)分別測試平面口罩和折疊立體口罩的過濾效率、通氣阻力和防護(hù)效果，檢驗(yàn)結(jié)果如表1、表2、表3、表4所示；平面口罩和折疊立體口罩的統(tǒng)計數(shù)據(jù)差異如表5所示。

表1 平面口罩的結(jié)果及統(tǒng)計

表2 線性回歸分析結(jié)果（n=30）

表3 折疊立體口罩的結(jié)果及統(tǒng)計

表4 線性回歸分析結(jié)果（n=20）

表5 平面口罩和折疊立體口罩的統(tǒng)計數(shù)據(jù)差異

2.2 分析和討論

2.2.1 通氣阻力對防護(hù)效果的影響機(jī)理

口罩的防護(hù)效果不僅與熔噴布的過濾效率有關(guān)，還與口罩的密閉性能有關(guān)。當(dāng)佩戴者吸氣時，口罩腔體內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓（P負(fù)）。在內(nèi)外壓力差的作用下，氣體由口罩外向口罩內(nèi)流動。口罩具有一定的密合性，在良好的佩戴條件下，氣體在口罩邊緣處發(fā)生顯著泄漏時需達(dá)到一定壓力（P泄）。當(dāng)口罩熔噴布的通氣阻力（P通）較小時，P泄遠(yuǎn)大于P通。在負(fù)壓（P負(fù)）的作用下，氣體穿透熔噴布進(jìn)入口罩，使P負(fù)減小，P負(fù)小于P泄，口罩邊緣不發(fā)生泄漏或泄漏程度較低。此時，環(huán)境顆粒物被口罩過濾介質(zhì)阻隔而起到防護(hù)作用，當(dāng)通氣阻力P通增大時，氣體穿透熔噴布的量減少，吸氣產(chǎn)生的負(fù)壓無法降低，在口罩邊緣泄漏阻力小于口罩內(nèi)負(fù)壓的情況下，攜有顆粒物的氣體將從邊緣泄漏，導(dǎo)致防護(hù)效果下降。

需要注意的是，在實(shí)際佩戴過程中，當(dāng)口罩的密閉性不良時，口罩邊緣天然存在空隙，在吸氣時必然發(fā)生邊緣泄漏。因此，P泄不是產(chǎn)生泄漏的壓力閾值，而是某一泄漏量發(fā)生時所需的壓力值，且P泄是動態(tài)變化的。假設(shè)在理想狀態(tài)下，空隙的尺寸、形狀保持不變，在泄漏一定量的情況下，口罩內(nèi)外壓力差決定了通過空隙的流速大小，最終決定了泄漏量。因此，當(dāng)P通較大時，口罩內(nèi)P負(fù)較大，若P負(fù)大于P泄，會使邊緣泄漏量增加，反之，泄漏量則減少。

2.2.2 通氣阻力對平面口罩防護(hù)效果的影響

由表1、表2可知，以平面口罩的過濾效率和通氣阻力作為自變量、防護(hù)效果作為因變量進(jìn)行線性回歸分析，回歸模型公式如下：防護(hù)效果=34.957＋0.540×過濾效率－0.229×通氣阻力，模型R2為0.866。R2的數(shù)值反映了在因變量的變動中由自變量變動所解釋的百分比，即因變量的變化中有多少百分比可由控制的自變量來解釋。因此，過濾效率和通氣阻力可以解釋平面口罩防護(hù)效果發(fā)生86.60%變化的原因。F檢驗(yàn)（F=87.419，p=0<0.05）表明過濾效率和通氣阻力對防護(hù)效果的影響極為顯著，線性回歸模型具有代表性。過濾效率的回歸系數(shù)為0.817（t=16.411，p=0<0.01），通氣阻力的回歸系數(shù)為﹣0.368（t=﹣23.920，p=0<0.01）。結(jié)果表明，過濾效率會對平面口罩的防護(hù)效果產(chǎn)生極顯著的正向影響，而通氣阻力會對平面口罩的防護(hù)效果產(chǎn)生極顯著的負(fù)向影響，且過濾效率的影響程度大于通氣阻力。

2.2.3 通氣阻力對折疊立體口罩防護(hù)效果的影響

由表3、表4可知，折疊立體口罩的線性回歸公式如下：防護(hù)效果=﹣8.252＋0.902×過濾效率－0.063×通氣阻力，模型R2為0.530。因此，對于折疊立體口罩，過濾效率和通氣阻力可以解釋防護(hù)效果發(fā)生53.00%變化的原因。F檢驗(yàn)（F=9.570，p=0.002<0.05）表明過濾效率和通氣阻力對防護(hù)效果會產(chǎn)生極顯著的影響，線性回歸模型具有代表性。過濾效率的回歸系數(shù)為0.902（t=3.885，p=0.001<0.01），表明過濾效率會對防護(hù)效果產(chǎn)生極顯著的正向影響。通氣阻力的回歸系數(shù)為﹣0.063（t=﹣2.158，0.01

2.2.4 通氣阻力對平面口罩和折疊立體口罩防護(hù)效果的影響差異

由表5可知，平面口罩的通氣阻力回歸系數(shù)為﹣0.368，折疊立體口罩的通氣阻力回歸系數(shù)為﹣0.063，通氣阻力對平面口罩的影響程度大于折疊立體口罩。這是因?yàn)榱Ⅲw口罩的閉合性優(yōu)于平面口罩，平面口罩貼合處存在更大的空隙，當(dāng)材料的通氣阻力較大時，空氣易從四周進(jìn)入，使口罩內(nèi)負(fù)壓降低。例如平面樣品20，當(dāng)通氣阻力達(dá)到259.0 Pa時，防護(hù)效果只有28.00%，明顯低于相同過濾效率的樣品；對于立體口罩，由于閉合性優(yōu)于平面口罩，短時間內(nèi)空氣從四周泄漏的量相對較少，使口罩內(nèi)交換空氣總量較少，易產(chǎn)生死腔和憋悶感。由于未發(fā)生大量泄漏和穿透，折疊立體口罩仍取得了較好的防護(hù)效果。由此可見，通氣阻力對平面口罩的影響明顯大于立體口罩。例如立體樣品19，其通氣阻力高達(dá)300.00 Pa，仍可測得71.00%的防護(hù)效果。

2.2.5 其他因素對平面口罩和折疊立體口罩防護(hù)效果的影響

由表5可知，平面口罩的回歸模型R2為0.866，大于折疊立體口罩的0.530。過濾效率和通氣阻力是平面口罩防護(hù)效果的主要影響因素，而對于折疊立體口罩，過濾效率和通氣阻力以外的其他因素對其防護(hù)效果也有較大影響。平面口罩的結(jié)構(gòu)相對簡單，本試驗(yàn)選擇的樣品尺寸幾乎一致，鼻夾良好，因此，其他影響因素較少；而立體口罩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，口罩的鼻部、下頜尺寸和弧度、貼合部位的軟硬程度、耳帶拉力等細(xì)節(jié)設(shè)計直接影響閉合性差異，因此，良好的設(shè)計對立體口罩更重要。

2.2.6 平面口罩和立體口罩的其他性能差異

由表5可知，平面口罩的防護(hù)效果為50.70%，通氣阻力為132.0 Pa，兩者低于折疊立體口罩的65.10%、153.3 Pa。總體來看，立體口罩的防護(hù)效果更好，平面口罩通氣阻力較小，舒適性更高。

3 結(jié)論

（1）通氣阻力決定了吸入空氣通過過濾材料的容易程度，通氣阻力越大，口罩負(fù)壓較大，易發(fā)生泄漏。

（2）過濾效率和通氣阻力是影響口罩防護(hù)性能的重要因素，防護(hù)效果與過濾效率、通氣阻力具有一定的線性關(guān)系，可建立二元線性回歸模型。

（3）口罩的過濾效率對防護(hù)效果的影響大于通氣阻力。

（4）通氣阻力對平面口罩防護(hù)效果的影響程度大于折疊立體口罩。

（5）折疊立體口罩的防護(hù)效果更好，平面口罩的通氣阻力較小，舒適性更高。