溫濕度預(yù)處理對口罩測試結(jié)果影響的研究*

羅雨林 薛文良 謝璐蔓 劉 芳 魏孟媛 郭中偉 錢競芳

1. 東華大學(xué)紡織學(xué)院， 上海 201620；2. 中華人民共和國上海海關(guān)， 上海 200120

我國作為世界上最大的口罩生產(chǎn)國與出口國，常年生產(chǎn)的口罩產(chǎn)品中約70%銷往海外。其中，美國90%的口罩產(chǎn)自我國[1]。目前，我國已制定并實(shí)施GB/T 32610—2016《日常防護(hù)型口罩技術(shù)規(guī)范》，以規(guī)范管理呼吸防護(hù)用口罩的生產(chǎn)；受COVID-19疫情推動，我國及時修訂勞動防護(hù)口罩標(biāo)準(zhǔn)，推出GB 2626—2019《呼吸防護(hù) 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》。這兩項標(biāo)準(zhǔn)是我國民用口罩產(chǎn)品最重要的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該類產(chǎn)品出口至美國和歐盟時，需要分別滿足法規(guī)NIOSH 42CFR Part 84《呼吸防護(hù)裝置》和標(biāo)準(zhǔn)EN 149-2001+A1-2009《呼吸保護(hù)裝置顆粒防護(hù)用過濾半遮罩要求、測試和標(biāo)記》的要求。

口罩標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)可綜合表征產(chǎn)品特性。受試樣品在不同測試環(huán)境下測試時，結(jié)果將存在一定差異。中國、歐盟、美國現(xiàn)行的民用口罩標(biāo)準(zhǔn)對部分指標(biāo)檢測提出了預(yù)處理要求[2-6]。

1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)比對

對中國、歐盟、美國普通民用口罩標(biāo)準(zhǔn)中預(yù)處理條件(溫度、相對濕度及處理時間)的要求和涉及的主要指標(biāo)進(jìn)行分析，具體見表1。

表1 中國、歐盟、美國民用口罩標(biāo)準(zhǔn)的溫/濕度預(yù)處理要求及涉及主要指標(biāo)對比

從表1可以看出：美國標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注高濕或濕熱條件對口罩產(chǎn)品的影響，而歐盟標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重考察高、低溫環(huán)境對口罩產(chǎn)品的影響；中國兩項標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)處理要求基本一致，且均對美國和歐盟的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加和，同時考慮3類極端條件(濕熱、極高溫、極低溫)對口罩的影響。此外，各標(biāo)準(zhǔn)均要求每項預(yù)處理進(jìn)行24 h。按照中歐美標(biāo)準(zhǔn)，口罩的功能性指標(biāo)“顆粒過濾效率”、舒適性指標(biāo)“呼吸阻力”檢測均須進(jìn)行預(yù)處理。

在口罩檢測過程中，許多指標(biāo)測試取樣時要求進(jìn)行溫濕度預(yù)處理。通過標(biāo)準(zhǔn)比對發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理要求復(fù)雜是導(dǎo)致按照中國標(biāo)準(zhǔn)檢測口罩效率偏低的重要原因之一，故可以通過簡化中國口罩標(biāo)準(zhǔn)中的預(yù)處理要求，建立一個可行的口罩快速檢測方法，以實(shí)現(xiàn)可觀的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，需探究溫濕度預(yù)處理中的3個因素(溫度、相對濕度和處理時間)對口罩相關(guān)指標(biāo)的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)計

設(shè)計3因素3水平正交試驗(yàn)測算溫濕度預(yù)處理中的3個因素(溫度、相對濕度和處理時間)對口罩功能性指標(biāo)“顆粒過濾效率”、舒適性指標(biāo)“呼吸阻力”的影響。

2.1 測試對象

選擇來自4個國內(nèi)外廠商的兩種面罩(記為平面罩1、平面罩2)和兩種立體罩(KN類，記為立體罩1、立體罩2)，具體見表2。需要說明的是,本試驗(yàn)于GB 2626—2019國家標(biāo)準(zhǔn)過渡期內(nèi)進(jìn)行，相比GB 2626—2006，兩項標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于預(yù)處理的要求一致，但在過濾效率的測試方法上存在一定差異。因此，按照試驗(yàn)設(shè)計要求將符合GB 2626—2006的試樣按照GB 2626—2019進(jìn)行檢測時，其數(shù)據(jù)也是有意義的。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計需求，每個品牌的平面罩試樣至少400個，立體罩試樣300個(KN類口罩無需測試油性過濾效率)。

表2 測試用口罩試樣的產(chǎn)品信息

2.2 試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)的因素取值及正交表見表3和表4。

表3 正交試驗(yàn)的因素取值

表4 三因素三水平正交試驗(yàn)表

表3和表4中：A1模擬歐標(biāo)中(-30±3)℃與(70±3)℃的溫度預(yù)處理，A2模擬美標(biāo)中(38.0±2.5)℃的溫度預(yù)處理，A3為一級標(biāo)準(zhǔn)大氣條件；B1模擬美標(biāo)中85%的相對濕度預(yù)處理，B2為一級標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，B3近似干燥環(huán)境，相當(dāng)于歐標(biāo)中(70±3)℃環(huán)境下的濕度情況；C1模擬一般合成纖維制品的預(yù)調(diào)濕時間，C2模擬消費(fèi)者日常在外佩戴口罩時間；C3為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中要求溫濕度預(yù)處理時間。其中，A1在試驗(yàn)操作時分兩步進(jìn)行，其他組的溫濕度條件同時完成。

2.3 儀器與測試標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備有ESPEC CORP PR-2J型恒溫恒濕箱、ZR-1006型口罩顆粒物過濾效率及氣流阻力測試儀、DR2463型口罩呼吸阻力測試儀。

基于現(xiàn)有試驗(yàn)環(huán)境，按照GB 2626—2019《呼吸防護(hù) 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》和GB/T 32610—2016《日常防護(hù)型口罩技術(shù)規(guī)范》對平面罩、立體罩(KN系列)進(jìn)行顆粒過濾效率和呼吸阻力測試。

3 結(jié)果分析

3.1 測試結(jié)果

本試驗(yàn)中對每類口罩的每項指標(biāo)至少測量10次，取平均值(保留三位小數(shù))，正交試驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。

表5 過濾效率的正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 呼吸阻力的正交試驗(yàn)結(jié)果

3.2 數(shù)據(jù)分析

3因素3水平的正交表中：Ki為i水平下某列對應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果之和；ki=Ki/n，n為任一列各水平出現(xiàn)的次數(shù)；R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}，反映因素的重要程度，R值越大，該因素越重要，若空列R值較大，表示可能漏掉某項重要因素或是因素之間存在不可忽略的交互作用。

3.2.1 顯著性分析

采用軟件SPSS Statistics 21.0進(jìn)行方差分析，若各組別結(jié)果均有p<0.05，表明存在主效應(yīng)，且空列R遠(yuǎn)小于RA、RB和RC，即溫度、相對濕度與處理時間對過濾效率、呼吸阻力的影響存在差異。

3.2.2 指標(biāo)與因素關(guān)系分析

繪制各指標(biāo)與各因素的關(guān)系圖，如圖1～圖4所示。由圖1～圖4可知：對于同一指標(biāo)，同種標(biāo)準(zhǔn)、同種結(jié)構(gòu)的口罩受溫度、相對濕度和處理時間各因素的影響趨勢呈現(xiàn)相似的特征，如在所設(shè)置的溫度、相對濕度和處理時間的變化區(qū)間內(nèi)，各項指標(biāo)的變化均出現(xiàn)拐點(diǎn)。但是受口罩材質(zhì)的影響，其變化規(guī)律存在一定差異，試驗(yàn)中平面罩與立體罩樣品表現(xiàn)出的增減特征有所不同。總體而言，溫度、相對濕度和處理時間對口罩的過濾效率與呼吸阻力均有影響，但影響程度存在差異。根據(jù)極差值，具體分析如下：

圖1 溫度、相對濕度與處理時間對鹽性過濾效率的影響

圖2 溫度、相對濕度與處理時間對油性過濾效率的影響

圖3 溫度、相對濕度與處理時間對呼氣阻力的影響

圖4 溫度、相對濕度與處理時間對吸氣阻力的影響

對過濾效率而言，相對濕度是最重要的影響因素。這可能是因?yàn)橄鄬穸鹊奶岣呤惯^濾層的靜電量出現(xiàn)顯著損失，從而使口罩的靜電捕集能力大大削弱甚至喪失，最終表現(xiàn)為口罩過濾效率下降。相對而言，立體罩的性能較為穩(wěn)定，變化趨勢較符合原理。不同平面罩的變化趨勢差異較大，這可能是因?yàn)榭谡制焚|(zhì)尚存差異，但其較大的極差值表明相對濕度易使該種性能產(chǎn)生較大的變化。與過濾效率相比，溫度、相對濕度對呼吸阻力的影響相對較小，這可能是因?yàn)榭谡值暮粑枇χ饕Q于與面部貼合的緊密程度等外界因素，而溫度、相對濕度造成的微小影響可能是通過影響纖維平均直徑等內(nèi)部因素產(chǎn)生。本試驗(yàn)觀察到，溫度是影響呼吸阻力最重要的因素。這可能是因?yàn)闇囟葘?dǎo)致口罩體濾材結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，繼而導(dǎo)致空氣流通的通道發(fā)生變化，影響呼吸阻力的測試結(jié)果。處理時間在各項指標(biāo)測試中表現(xiàn)出的影響程度最小，但由于主效應(yīng)尚存，故不可忽視預(yù)處理時間對口罩指標(biāo)檢測的影響。

4 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)可以證實(shí)溫度、相對濕度及處理時間對口罩的過濾效率、呼吸阻力均有影響，但各因素對各指標(biāo)的影響效應(yīng)有所不同，其中，相對濕度對過濾效率有重要影響，溫度對呼吸阻力影響明顯。對于立體罩，處理時間的影響程度比溫度和相對濕度小。對于同一口罩，在不同國家標(biāo)準(zhǔn)的不同預(yù)處理條件下，檢測結(jié)果可能存在一定差異。