氣體流速及容塵量對口罩過濾效率及氣流阻力的影響

文/李 銳 原海波 鄧文川 李濤英 李國利

0 引言

口罩是一種常見而有效的防護用品，佩戴口罩可以有效地減少接觸過敏原，進而可以減少過敏性鼻炎、過敏性哮喘等疾病的產生。佩戴口罩還可以減少霧霾的吸入量，可以有效防護病毒的入侵，2020年初至今，新型冠狀病毒肆虐全球，造成了全球的經濟衰退及人口減少，佩戴口罩變得更加緊迫和有效。佩戴口罩不僅可以保護自己，也保護了他人。市面上銷售的口罩主要是一次性平面口罩及KN90、KN95口罩，人們在佩戴口罩時，由于人體年齡、性別及體征的不同，佩戴者時而靜止，時而運動，因此人們在使用口罩的過程中會有不同的呼吸速度及氣流量，本文主要探討不同的氣流量下，口罩的過濾效率及氣流阻力的變化規律。同時研究了口罩的容塵量對口罩過濾效率及氣流阻力的影響。

1 測試對象與方法

1.1 測試對象

選擇市面上銷售的，具有出口資質的企業生產的一次性自吸式口罩，自備口罩130個平面口罩，KN90口罩70個。

1.2 過濾效率及氣流阻力測試儀器

ZR-1006型口罩顆粒物過濾效率及氣流阻力測試儀。該儀器主要技術參數如下：鹽性氣溶膠粒數中值直徑（CMD）為（0.075±0.02）μm；油性氣溶膠粒數中值直徑（CMD）為（0.185±0.02）μm；測試流量為（8～100）L/min：壓力檢測范圍為（0～2500）Pa；濃度檢測范圍為（0.001～100）mg/m。

1.3 試驗方法

（1）流量的選擇：口罩的顆粒物過濾效率及呼吸阻力是口罩性能評價的核心指標，目前國內常用的口罩標準對測量口罩過濾效率（鹽性介質）的氣體流量及阻力要求如表1所示。

表1 目前國內常用的口罩標準對測量口罩過濾效率（鹽性介質）的氣體流量及阻力要求

所選儀器可以設置采樣流量，根據以上標準要求及試驗需求，流量范圍設置為：10L/min、20L/min、30L/min、35L/min、40L/min、50L/min、60L/min、70L/min、80L/min、85L/min、90L/min、100L/min共12個測試流量。模擬人體在靜息，輕度、中度和高強度運動下的呼吸流量對口罩的過濾效率及氣流阻力的影響。

（2）統計學分析：為了防止不同濃度值對過濾效率的影響，本次試驗中不同氣流流量下的顆粒物濃度調節為（25±1）mg/m，每個氣體流量下測試5個試驗樣品，最后利用軟件進行統計學分析。

（3）容塵試驗：測試過濾效率時選擇加載量方法，根據GB/T 32610—2016標準要求加載30mg，對一次性平面口罩測試5個樣品，測試時每加載2mg時記錄一次過濾效率和氣流阻力；根據GB 2626—2019要求加載200mg，KN90口罩測試5個樣品。每加載5mg時，記錄一次過濾效率和氣流阻力。由此可以發現兩種不同類型口罩隨著使用時間的長短對過濾效率及氣流阻力的關系。

2 試驗結果及分析

2.1 過濾效率和氣流阻力隨采樣流量的關系及結果分析

標準上對采樣流量主要有兩種要求，兒童口罩及醫用口罩采用35L/min的采樣流量測試，常見的口罩采用85L/min的采樣流量，不同的采樣流量模擬了人體不同的呼吸速度，本文對從10L/min至100L/min不同的采樣流量下一次性平面口罩及KN90口罩測試，得到了如圖1、圖2的測試結果。

圖1 一次性平面口罩過濾效率和氣流阻力隨采樣流量的關系

圖2 KN90口罩過濾效率和氣流阻力隨采樣流量的關系

通過對兩種不同口罩在不同呼吸流量下，顯示出相同的規律，即隨著呼吸速度的增加，口罩的過濾效率會逐步降低。一次性平面口罩的過濾效率從采樣流量在10L/min的過濾效率為99.63%降到了在100L/min下的88.89%，KN90口罩的過濾效率從采樣流量在10L/min的過濾效率為99.31%降到了在100L/min下的88.89%。出現這種情況是因為：纖維對空氣中氣溶膠等顆粒物的過濾捕集機理是復雜的，是擴散沉積、慣性沉積、靜電沉積、篩濾作用和重力沉積多種過濾機理共同作用的結果。對于氣溶膠顆粒物而言，由于跟氣體分子的碰撞作用，會像氣體分子一樣做布朗運動，當采樣流量很低時，這種作用起到了主導作用，氣溶膠顆粒除了跟隨氣流通過口罩過濾網以外，更多的是做無規則的擴散作用，這樣增加了顆粒物跟濾網的接觸機會。除了擴散沉積以外，顆粒物過濾還會受到慣性作用，當氣流到達纖維網時，氣流會繞開纖維通過空隙穿過纖維網，稍大點的顆粒物會依靠慣性碰撞纖維網進行捕集。當更大的顆粒物通過纖維網時，顆粒物的直徑達到了纖維網的空隙時，會由于網篩作用直接攔截顆粒物。另外靜電作用也是非常重要的過濾效率影響因素。當氣流穿過過濾網時，氣流會跟纖維網產生摩擦生成靜電，同時顆粒物也會在輸送過程中由于摩擦和本身極性等因素含有靜電，那么濾料跟粒子間就會有點位差，異性的就會排斥，同性的就會吸引。由于庫侖力的作用就增加了濾料跟顆粒物的碰撞機會提高了捕集的效率。

當采樣流量增加時，氣溶膠顆粒物具有了更大的動能，穿透口罩的概率也更大，顆粒物的擴散效應會相應減少，慣性作用增加，但對于直徑為0.0075μm氣溶膠的顆粒物，慣性作用的增加值不大，而其他機理變化不明顯的情況下，過濾效率就隨著采樣流量增加而降低了。

2.2 過濾效率和氣流阻力跟加載量關系及結果分析

一次性平面口罩過濾效率和氣流阻力跟加載量關系見圖3，KN90口罩過濾效率和氣流阻力跟加載量關系見圖4。

圖3 一次性平面口罩過濾效率和氣流阻力跟加載量關系

圖4 KN90口罩過濾效率和氣流阻力跟加載量關系

一次性平面口罩隨著氣溶膠加載量的增加，口罩過濾效率由84.9%逐步增加，當加載量達到設定的30mg時，口罩的過濾效率增加到了98.5%，過濾效率增加基本呈線性關系。線性擬合公式為：

Y

=0.476

X

+85.3。氣流阻力隨著加載量的增加開始時增加值緩慢，而后逐步變大，線性擬合公式為：

Y

=9.998

X

+158.9。而KN90口罩過濾效率隨加載量變化分為三部分，第一部分從0～25mg時，口罩過濾效率呈線性快速增加，從89.1%增大到99.2%，線性擬合公式為：

Y

= 0.4706

X

+89.97。隨后過濾效率緩慢增加，當加載量達到40mg時，過濾效率便到了99.999%，然后再隨加載量的增加依然維持為99.999%。氣流阻力也是隨著氣溶膠加載量的增加開始時增加緩慢，而后增加快速。當加載量達到100mg時氣流阻力值達到儀器的上限測量范圍，加載量從30mg到100mg時呈線性關系，擬合公式為

Y

=23.90

X

+136.1。

在做容塵試驗時，口罩的容塵面上積累了大量的氣溶膠顆粒物，這些顆粒物通過靜電力和范德華力附著在纖維上，顆粒物大小不一，隨著吸附顆粒物的增加，過濾材料的孔徑變得越來越小，而有的是多個氣溶膠顆粒物吸附到一起，這樣大的吸附顆粒物就把口罩上原來可以通過的孔道堵住了，這種情況下自然通過的氣流量就減少了，氣流阻力快速增加，而口罩材料過濾的孔徑也越來越小，過濾效率也逐步增加。過濾效率理論上都可以達到99.999%。氣溶膠加載量模擬了人體在佩戴口罩時，隨著佩戴時長的增加，口罩上顆粒物會逐漸增多，口罩的過濾效率和氣流阻力也會隨之增加。

3 結論與建議

口罩的過濾效率隨著氣體流量的增加而逐步減小，例如一次性平面口罩在氣體流量為10L/min時的過濾效率可以達到99.63%，說明佩戴者在佩戴口罩時為了增加口罩的實時過濾效率，應盡量保持平穩的呼吸節奏。而運動時，人們會大口呼吸，這樣除了增加氣體流量，降低口罩實時過濾效率外，口罩的吸氣、呼氣阻力也會隨之變大。因此建議人們在佩戴口罩時盡量保持平穩的呼吸，這樣可以提高口罩的防護效果，減少呼吸阻力。另外也建議口罩的生產廠家制作出在不阻礙視野及佩戴舒適性前提條件下，可以增加口罩的腔體體積，以便有更大的口罩表面積來提升過濾效率及減少呼吸阻力。

口罩佩戴時長要求要根據實際情況來考慮，在一定的顆粒物密度環境中，口罩的過濾效率會隨著佩戴時長的增加而增加，但過濾效率的增加是因為過濾材料的微小孔徑被懸浮的顆粒物堵塞，自然會快速地增加口罩的吸氣阻力，人們為了保持呼吸的通暢性，自然會加大呼吸力度，這樣會在口罩與面部的接觸空隙大量流進環境氣體，反而總體降低了過濾效率。因而建議根據口罩的種類和佩戴過程中舒適程度及時更換口罩。另外建議采用具有高靜電效應的過濾材料制作口罩，這樣可以保證在同等呼吸阻力的情況下具有更高的過濾效率。