口罩两侧面气体交换测试项目方法比较及普适性研究.pdf

化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 工艺技术39文章编号：1672-500X（2023）04-0039-03口罩两侧面气体交换测试项目方法比较及普适性研究*蔡少辉1，2，王向钦1，2，朱锐钿1，2，梁美琼1，21.广州检验检测认证集团有限公司，广东 广州 5114472.广东省药监局医用纺织防护产品质量研究与评价重点实验室，广东 广州 511447摘要：文章主要分析目前常见口罩标准中气体交换测试项目的测试方法和测试参数，比较其异同点。首先选取若干款不同的口罩，每款口罩均分别按两种测试方法进行试验，然后分析结果压力差值和通气阻力值的关系，结果显示两种测试方法所得的结果数据呈正相关关系且高度一致。该结论对于生产企业进行质量控制和检测实验室把握结果的准确性具有一定的指导作用。关键词：口罩；压力差；通气阻力；相关性分类号：TH771 绪论口罩通过覆盖人的口、鼻和下巴，使其与脸部紧密贴合，通过呼吸作用，多层结构的口罩罩体过滤掉环境空气中的粉尘、病菌等细微颗粒物，从而实现人体防护。口罩对空气中有害颗粒物的过滤效率越高，对空气的净化效果就越好，人体吸入的空气就越健康，口罩的防护效果就越好。根据国家相关标准要求，口罩除了必须具备一定的防护效果，佩戴的舒适性也是需要考虑的重要因素。例如，口罩的透气性是影响佩戴舒适度的一个主要因素，若口罩的透气性不好，则佩戴使用过程中就可能出现身体不适，感到呼吸困难，甚至产生严重后果。表征口罩呼吸舒适性的关键指标还涉及气体交换项目，在不同的标准中被称为压力差或通气阻力，其测试方法与指标要求各不相同，很容易被混淆或误解。潘全等1研究发现，口罩透气率和通气阻力（压力差）之间存在强相关性，同类型、同批次样品二者数值的乘积值为一定值，不同类型样品二者数值为反比例关系，乘积值间存在差异，实际应用时可通过估算近似乘积值的方式进行二者数据的换算。路正辉等2在 30 L/min、85 L/min 两种流量条件下研究得知样品的通气阻力、压力差的变化趋势基本保持一致，但随着夹具测试面积的减小，样品的通气阻力出现反向增大趋势。孙志略3发现，气体流量为28 L/min 时，测试的气流阻力与压力差（通气阻力）测试值没有显著性差别，颗粒过滤效率与 32 L/min 获得的数据没有差别。可在 28 L/min 气体流量测试颗粒过滤效率时同时获取压力差或通气阻力；不同的气体流量对颗粒物过滤效率和气流阻力存在线性相关，相关系数可达 0.9 以上。王静等4指出，当前国内外标准关于口罩舒适性研究的基本方法主要集中在阻力测试和透气率测试，其中，国内关于口罩舒适性的研究主要集中在通气阻力上，而国外关于口罩舒适性的研究主要集中在压力差上，且二者对于不同的口罩，测试标准不同，指标不同，测试出来的结果也不同，在佩戴的舒适性层面上还缺少相应的检测方法和统一的标准，口罩舒适性的标准研究体系亟待完善。目前，国内外研究者对于透气性的系统性研究正有序开展中，但其所涉及的两个关键测试项目 压力差、通气阻力的相关性研究却暂未见到。对此，文章列举了几种常用标准中的气体交换项目的名称、测试方法和指标要求，具体如表 1 所示。从表 1 中可以看出，不同标准中气体交换测试项目的名称、试验参数和指标要求均有较大差异，相同的项目名称在不同标准中的试验方法也可能不同。但归根到底就是两个测试方法：医用外科口罩（YY 04692011）5.7 条款、一次性使用医用口罩（YY/T 09692013）5.6 条款和医用外科口罩（YY 04692011）5.6.2 条款，前者在文章中定义为压力差，后者是测颗粒过滤效率同时测得的气流阻力，在文章中定义为通气阻力。二者之间的流量与测试面积各不相同，直观地探究这两个测试方法结果间的关系，是该研究的出发点。*基金项目：广东省药品监督管理局科技创新项目（2022TDZ17）作者简介：蔡少辉，男，本科，助理工程师，研究方向为产业用纺织品检测技术。通信作者：王向钦，女，博士，正高级工程师，研究方向为检验检测技术研发和产品质量控制管理。工艺技术 2023 年 第 4 期 化纤与纺织技术402 测试方法比较2.1 压力差2.1.1 测试方法与原理该研究测试方法采用 医用外科口罩（YY 04692011）5.7 条款。一定流量下，口罩两侧面进行气体交换的压力差。2.1.2 仪器口罩压力差测试仪（广州广检技术发展有限公司）。2.1.3 主要参数试验用气体流量为 8 L/min，样品测试区直径为25 mm，试验面积为 4.9 cm2。2.1.4 结果表达测得的口罩上下游压力差除以实验面积，即得口罩的压力差，单位为 Pa。2.2 通气阻力2.2.1 测试方法与原理该研究测试方法采用 医用外科口罩（YY 04692011）5.6.2 条款。以一定的空气流速压力通过口罩，测得口罩上下游的气体交换压差，即通气阻力。2.2.2 仪器TSI 8130 自动滤料测试仪（美国 TSI 公司）。2.2.3 主要参数氯化钠气溶胶，粒数中值直径（CMD）为（0.0750.020）m，颗粒分布的几何标准偏差 1.86，浓度 200 mg/m3；空气流量为 30 L/min，试验面积为 100 cm2。2.2.4 结果表达测得口罩上下游的压力差即口罩的通气阻力，单位为 Pa。2.3 两个测试方法的异同点综上可知，两个测试方法的测试原理相同，测试参数有所不同，且结果的物理意义有差异。压力差是指口罩在一定试验条件下的单位面积压力差，通气阻力是指口罩在一定试验条件下的上下游压力差。3 测试过程和结果分析3.1 测试过程和结果汇总收集若干款不同的口罩，进行口罩两侧面气体交换测试项目比较研究。先将被测口罩按 2.1 压力差的测试参数和方法进行试验，测试部位为口罩中心部位，记录并计算样品的压力差值。随后将相同试样按 2.2 通气阻力的方法和测试参数进行试验，测试部位同样是口罩中心部位，记录样品的通气阻力值。分别记录每款口罩在不同测试方法和参数下的结果，汇总如表 2所示。3.2 结果分析将每个口罩样品的压力差值作为横坐标，对应的通气阻力值作为纵坐标，绘制坐标图如图 1 所示。从图 1 中可见，随着压力差值的升高，通气阻力值同步升高，二者呈正相关关系。根据图示拟合曲线，可看出二者呈现出 k 1 的高度正相关的线性关系。二者出现略大或略小的浮动，主要是压力差的实验面积较小，熔喷布均匀性较差造成的。4 普适性探究随机选择日常检验常见的几款口罩产品，包括医用外科口罩、儿童卫生口罩和一次性使用医用口罩。按 3.1 的步骤分别进行压力差和通气阻力的试验，验证上述关系，结果如表 3 所示。表 1 常见标准气体交换项目指标的测试项目名称、测试方法及指标要求标准名称测试项目名称测试方法主要测试参数指标要求医用外科口罩（YY 04692011）压力差YY 04692011 5.7 条款 气体流量为8 L/min，测试面积为 4.9 cm2 49 Pa一次性使用医用口罩（YY/T 09692013）通气阻力YY/T 09692013 5.6 条款 49 Pa/cm2一次性使用儿童口罩（T/GDMDMA 00052020）通气阻力YY/T 09692013 5.6 条款 40 Pa/cm2儿童口罩技术规范（GB/T 388802020）（卫生）通气阻力YY 04692011 5.6.2 条款NaCl 气溶胶，流量为30 L/min，测试面积为100 cm2 30 Pa普通防护口罩（T/CTCA 72019）通气阻力YY 04692011 5.6.2 条款 80 Pa民用卫生口罩（T/CNTAC 552020,T/CNITA 091042020）通气阻力YY 04692011 5.6.2 条款成人 49 Pa；儿童 30 Pa化纤与纺织技术 第 52 卷 2023 年 4 月 工艺技术41 表 3 普适性探究结果汇总 单位：Pa样品编号样品类型压力差通气阻力 1医用外科口罩25.727.5 240.044.3 353.259.3 461.570.5 5儿童卫生口罩14.716.2 623.526.4 736.238.3 843.548.7 9一次性使用医用口罩24.325.21033.439.21148.251.21255.662.6从表 3 结果可见三类常见口罩的压力差和通气阻力数值关系，与文章 3.2 部分得出的规律一致。这说明同一口罩样品，二者关系具有普适性。5 结束语随着我国医疗产业改革和医疗卫生事业的快速发展，居民、各类消费者生活水平不断提高，特别是发生重大公共安全事故以来，人们的个体防护意识越来越高，医疗、防护、卫生等口罩已不仅仅应用于医药卫生行业，而是渗透进各个领域，佩戴口罩已成为一种卫生习惯。因此，快速检测口罩性能成为一种趋势，而相对通气阻力的测试，压力差的测试仪器就显得小巧方便，且不需要配置特定比例的氯化钠溶液，只需要有对应压降即可测试。根据上述结果分析与普适性探究可知，虽然压力差和通气阻力在测试参数、物理意义上差异较大，但从测试结果上看，二者的数值几乎相等，均能有效地表征口罩的呼吸舒适性。该研究对于生产企业进行质量控制和检测实验室把握结果的准确性具有一定的指导作用，同时对于帮助非专业检测机构如医院、家庭等快速识别优良口罩，及时舍弃劣质口罩，为生活和工作中的安全隐患变小提供对应的理论基础。（1）由于市场需求的关系，许多企业会同时生产医用和非医用口罩，但并不一定同时具备压力差和通气阻力的测试设备，若生产企业具备其中一个测试条件，即能大致把握产品的另一个性能。（2）压力差与通气阻力值之间的换算具有较好的实际应用意义，通过这两项性能指标间的强关联性，能够为口罩生产企业快速筛选原材料，为评估产品性能提供一定的技术参考。（3）对于检测实验室而言，压力差值和通气阻力值大致相等也能在一定程度上对试验结果进行验证，确保结果的准确可靠。（4）对于医疗行业、家庭等非专业检测机构而言，一台小巧方便的压力差测试仪即可快速识别优良口罩。根据其对应关系，知道一款口罩的压力差值即可大致知道该口罩的通气阻力，大致评估其透气性，对于医院、家庭防护等具有积极意义。（5）获得二者对应关系，小巧方便的压力差专业检测设备具有广阔的市场前景。参考文献1 潘全,徐小方,万小蕙.医用口罩透气性与通气阻力（压力差）的相关性研究J.中国纤检,2022(9):62-65.2 路正辉,何军,沈燕,等.一次性平面口罩通气性能影响因素研究J.质量技术监督研究,2021(6):23-27.3 孙志略.浅谈几种医用口罩气体流量与透气性指标和滤效的关系J.中国石油和化工标准与质量,2021,41(18):7-8,10.4 王静,钱幺,宋蓉蓉,等.基于标准现状的口罩舒适性发展趋势研究J.中国纤检,2021(7):92-96.表 2 不同口罩在不同测试方法下的结果 单位：Pa样品编号压力差通气阻力110.212.5220.421.7330.736.1440.846.8551.058.8661.270.3782.484.7020406080100020406080100通气阻力值/Pa压力差值/Pay=1.042 1x+3.101 8图 1 不同口罩样品的压力差值及通气阻力值相关性曲线