鈷-60 γ輻照對防護型口罩靜電吸附效能的影響

戴勇智，夏候瓊，曹錦佳，肖海亮，陳 強，李 帆

(1.南華大學核科學技術學院，湖南 衡陽 421001；2.上海金鵬源輻照技術有限公司，上海 201707)

2019年末至2020年初，世界范圍爆發了新型冠狀病毒肺炎，醫療和個人防護器材(MPE和PPE)需求量急劇增加，尤其是防護型口罩如KN95和KN100極度稀缺。一些國外的知名醫院嘗試對使用過的KN95和KN100口罩進行消毒處理，回收重復利用，采用的方法有環氧乙烷滅菌、紫外線滅菌、加速器電子束滅菌、伽瑪輻照滅菌等[1-2]。環氧乙烷滅菌法雖然有著滅菌徹底、監控方便、與大多數醫療材料兼容等優點，但由于環氧乙烷有毒并存在殘留，滅菌處理后需7～14 d解析去除殘留，因此導致口罩的生產時間長[3]。紫外線可以用于表面滅菌，因為穿透能力不夠對纖維深部滅菌能力有限，能在短時間殺滅表面最多75%的新冠(COVID-19)病毒，但不能99%以上殺滅該病毒，且醫務人員穿著的防護服不能在紫外線中長時間消毒，要考慮醫務人員的耐受度問題和氣溶膠對表面的污染，因此紫外線并不適合短時間消毒個人防護用具(PPE)[1,4]。電子束和伽瑪輻照滅菌效率非常高，但是會破壞防護口罩的靜電吸附功能，國內外均對這兩種輻照滅菌進行過研究[5-7]。目前的醫用防護口罩普遍采用熔噴布工藝，對熔噴布材料進行加高壓靜電駐極，帶靜電的口罩比不帶電的口罩，過濾效率高出20%以上，甚至更多。過濾材料的纖維直徑越來越細，納米化、多層復合過濾材料、環保性和可重復消毒實用性，是醫用口罩的發展方向[8-10]。在對KN95和KN100口罩進行消毒操作時，雖然電子束輻照、伽瑪輻照能在短時間內高效殺死冠狀病毒，但是電離輻射會破壞口罩的靜電場，甚至完全消除靜電[1,5-7,10]。上世紀90年代甄麗等采用輻照消電法，來測量極化纖維的帶電量[10]，相比于90年代的過濾材料，目前的醫用防護口罩的性能已經得到了很大的發展，口罩消毒回收技術是未來口罩發展的方向[8-9]。從2019年底至今，新冠肺炎爆發以后，口罩回收的問題引起極大的重視，而采用輻照滅菌回收口罩，國內外大部分的實驗研究都采用一次高劑量照射(>3 kGy)，劑量梯度較大，雖然病毒被殺滅，但是口罩的靜電幾乎喪失殆盡，和普通口罩的過濾性能差不多[1,5-7]，對于靜電如何喪失的過程和機理卻缺乏研究。

本文對KN95、KN100防護型口罩的過濾性能、靜電捕集效率與輻照劑量的關系進行了研究。首先對輻照劑量場進行測定和優化，獲得兩組不同劑量率的輻射場，然后逐步增加劑量分別對KN100、KN95口罩進行輻照，按照國標方法進行檢定，獲得過濾效率；采用過濾材料性能與捕集效率的理論模型，分析了兩種口罩的過濾性能、捕集效率與吸收劑量的關系，得出了防護型口罩的過濾效率主要包括機械捕集和靜電吸附捕集，輻射照射主要影響靜電捕集效率，采用實驗參數進行計算，獲得了兩類口罩纖維的靜電捕集效率。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

本實驗采用百佳愛KN95和百安達KN100兩款口罩進行，兩款口罩均符合GB 2626—2019認證標準；輻照裝置采用上海金鵬源輻照技術有限公司(以下簡稱“上海金鵬源”)提供的BFT型輻照裝置，裝置示意圖如圖1所示。采用重鉻酸銀劑量計(計量范圍：0.4～5 kGy)、Harwell Amber 3042劑量計(計量范圍：1～30 kGy)和UV-2450型紫外分光光度計測量劑量。本次實驗的劑量計采購自中金輻照股份有限公司，按照企業內部標準，采用受控且固定的工藝流程制備，每批次劑量計的性能、質量、組成相同且具有唯一標識代碼。劑量計采用2 mL雙聯曲頸中性玻璃安瓿瓶封裝，保質期5年，主要技術參數要求如下：

圖1 BFT型60Co輻照裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of BFT 60Co irradiation device

(1)劑量率：小于7.5 kGy/s；

(2)輻射類型和能量：γ>0.6 MeV，β(X)≥2 MeV，β≥8 MeV；

(3)溫度：5～50 ℃；

(4)初始吸光度分散性<0.3%；

(5)測量重復性≤4%(n≥6)；

(6)測量總不確定度≤5%(k=2)。

劑量計生產完成后會開展外觀檢驗、參考標準劑量計校準、初始吸光度及其分散性測定、測量重復性測定、劑量響應偏差測定等項目檢驗，檢驗項目全部符合規定，方可判定為合格產品。上海金鵬源在購入劑量計時，會對劑量計開展進料驗收工作，驗收劑量計批號、數量、外包裝和技術參數等項目，驗收合格后方可入庫。使用前，開展測量比對工作，確保劑量值準確并可溯源至國家標準。

本實驗所使用的重鉻酸銀劑量計，生產于2019年，于2021年1月15日參加了“國家劑量保證服務(NDAS)計劃”，并取得中國計量科學研究院測試證書，測試結果表明吸收劑量值相對偏差最大為3.2%，在2 kGy～4 kGy范圍內，相對偏差僅為0.68%。

為調節劑量率，本實驗采用鐵板作為屏蔽材料，尺寸為3 mm×300 mm×300 mm。采用美國TSI公司生產的8130A型口罩顆粒過濾效率檢測儀測量過濾效率。

1.2 預處理

實驗在上海金鵬源提供的BFT型輻照裝置的實驗線(圖1中綠色環線)進行，γ射線穿過生產線(圖1中紅色部分)上正在加工的產品到達實驗線。由于生產線上物質密度、厚度、角度的差異，實驗過程中劑量率存在波動，變化范圍2.0 kGy/h～3.66 kGy/h。由于實驗線輻照容器的裝載重量不超過15 kg，一塊鐵板厚0.3 cm，重量為1.9 kg，則最多放置7塊鐵板進行實驗，重量在14 kg附近，最大厚度為2.1 cm。在紙箱中放入所需厚度的鐵板后，用泡沫板進行固定，最終設計實驗箱的示意圖如圖2所示。

圖2 實驗箱示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment box

因為KN95口罩和KN100口罩在實驗中都是按相同的劑量率和劑量進行輻照，因此可將KN95口罩和KN100口罩組合在一起接受照射。在進行正式實驗前，將備用的實驗用口罩用膠帶纏在一起，在兩種口罩上布置劑量計，如圖3a。將口罩放入裝好鐵片的紙箱中，此時的劑量率為1.9 kGy/h，照射1 h后取下劑量計進行劑量檢測。最終發現KN95、KN100口罩所受的劑量是相等的，均在1.9 kGy附近。因此在正式輻照實驗中，只需在一批口罩表面布置一個劑量計用于劑量監測(圖3b)。

圖3 劑量計布置方案Fig.3 Dosimeter layout

1.3 實驗樣品的分組和處理

對KN95口罩、KN100口罩樣品分別進行編號并組合，分別對兩款口罩進行兩組劑量率照射，其中一組相對低的劑量率為1.9 kGy/h，另一組劑量率為3.66 kGy/h。1.9 kGy/h劑量率照射目標劑量為1 kGy、1.5 kGy、2 kGy、2.5 kGy、3 kGy、3.5 kGy、4 kGy；3.66 kGy/h照射目標劑量為1.5 kGy、2.5 kGy、3 kGy、4 kGy、6kGy、8 kGy、10 kGy，實際照射劑量值列于表1和表2。

表1 1.9 kGy/h照射條件下口罩過濾效率隨輻照劑量的變化Tab.1 The variation of filtration efficiency with irradiation dose under dose rate 1.9 kGy/h

表2 3.66 kGy/h照射條件下口罩過濾效率隨輻照劑量的變化Tab.2 The variation of filtration efficiency with irradiation dose under dose rate 3.66 kGy/h

1.4 口罩的顆粒過濾效率測試方法

輻照結束后，將KN95、KN100口罩樣品分開并寄送至江蘇國健檢測技術有限公司，進行過濾效率檢測。兩款口罩的顆粒過濾效率按照GB 2626—2019《呼吸防護 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》[11]進行檢測，據國健檢測技術有限公司統計偏差在5%以內。

測試過程在溫度為(25±5)℃，相對濕度為(30±10)%的環境中進行，采用濃度不超過200 mg/m3的氯化鈉顆粒物，氯化鈉顆粒物的計數位徑(CMD)為(0.075±0.020)μm，顆粒分布幾何偏差不超過1.86，測試時空氣流量為(85±4)L/min。

2 結果與討論

2.1 不同劑量率下口罩過濾效率的變化

實驗測得過濾效率與對應輻照劑量的數據列于表1、表2。可以發現，高劑量率(3.66 kGy/h)輻照實驗的實驗規律與相對較低劑量率(1.9 kGy/h)輻照實驗規律相似，只是最終趨于穩定的過濾效率略有差異。KN95口罩的過濾效率從0到1.28 kGy由99.8%急劇下降至72%，對于KN100口罩，在劑量為1.28 kGy時過濾效率由99.99%降低到91%左右，兩款口罩過濾效率降低是由于在電離輻射的作用下，口罩所帶電荷被電離輻射產生的電離中和而導致。輻射照射首先使得熔噴層之間靜電解耦，然后再中和，最后口罩的過濾效率主要是機械捕集所貢獻。

2.2 口罩單根纖維捕集效率

甄麗等[10]認為靜電駐極熔噴材料的靜電完全被電離輻射產生的電荷中和，被輻照后的口罩可以看做無靜電，只有機械捕集效率。因此，接下來通過對比帶電和不帶電口罩熔噴布的單根纖維捕集效率，來分析防護型口罩在輻照下的捕集效率的變化。未經過輻照的單根口罩纖維捕集效率E可分為機械捕集效率Em和靜電捕集效率Ee，即

E=Em+Ee

(1)

由對數穿透定律可以使用輻照實驗測得的過濾效率，分別計算得出未輻照和輻照過后的口罩纖維的單根纖維捕集效率[12]，公式如下：

(2)

式中，口罩濾材填充率α<0.2，取α=0.1，口罩纖維直徑d=0.003 mm，P為過濾效率，由表1、表2給出；口罩厚度為T，經測定，本實驗中所用KN95口罩平均厚度為0.17 mm，KN100口罩平均厚度為0.25 mm。由公式(2)可計算得到未輻照和輻照過后的口罩纖維的單根纖維捕集效率E，計算結果列于表3、表4。

從計算結果可以看出隨著輻照劑量的增加，捕集效率減小，而后變化趨于平緩，因為口罩所帶的電荷在電離輻射作用下被中和，此時機械捕集起主要作用。表3中受1.02 kGy照射的KN95口罩相比其他大劑量組顯示未完全失電，表3和表4中其他劑量組已完全失電，所以對表3、4中受到輻照后完全失電KN95口罩的機械捕集效率求和再取算術平均后，可得其機械捕集效率平均值為0.154 1，由公式(1)以及未輻照的KN95口罩單根纖維捕集效率0.775 2，可以計算得到KN95口罩的靜電捕集效率平均值為0.621 1，占單根口罩纖維捕集效率的百分比為80.1%；類似地，由公式(1)，利用表3、4數據可以計算出KN100口罩機械捕集效率算術平均值為0.214 6，KN100口罩的靜電捕集效率平均值為0.566 6，占單根口罩纖維捕集效率的百分比為72.5%，故靜電捕集吸附在口罩未失電時的過濾過程中起主要作用。

表3 1.9 kGy/h劑量率照射下兩種口罩單根纖維捕集效率Tab.3 The collection efficiency of single fiber of two masks under dose rate1.9 kGy/h

表4 3.66 kGy/h劑量率照射下兩種口罩單根纖維捕集效率Tab.4 The collection efficiency of single fiber of two masks under dose rate 3.66 kGy/h

3 結語

在實驗所采用的兩種照射劑量率下(1.9 kGy/h，3.66 kGy/h)，兩種口罩的過濾效率都有一個快速下降的階段，雖然目前的過濾材料相比20世紀90年代已經有了很大的進步，但是本實驗的結果與甄麗等人[10]的研究結果有著相似的變化趨勢。分析實驗數據我們可以發現，兩款口罩經過1.5 kGy左右劑量照射后過濾效率不再有明顯變化，KN95口罩的過濾效率保持在70%左右，KN100口罩的過濾效率保持在90%左右，遠高于KN95口罩。在GB/T 18664—2002《呼吸防護用品的選擇、使用與維護》[13]中規定若接觸放射性顆粒物，應選擇防護等級最高的防塵口罩，KN100口罩未輻照時達到99.99%的過濾效率，防塵等級高，輻射消電后仍能保持90%以上的過濾效率，符合該標準的要求。

在吸收劑量達到一定程度后兩種口罩的過濾效率變化趨于平緩，這時口罩所帶電荷已經被完全中和，此時口罩的主要吸附機理為機械過濾。KN95口罩的單根纖維靜電捕集效率約占單根纖維總捕集效率的80.1%，KN100為72.5%。