防雾霾口罩的滤片及其测试面积对过滤性能的影响

陆树兴++++王向钦++++漆东岳

摘要：过滤效率是防雾霾口罩最重要的指标参数，也是评价防雾霾性能的主要指标。本文研究了滤片式防雾霾口罩的滤片面积和测试面积对过滤效率的影响，结果表明口罩本体结构和滤片面积对口罩整体的过滤效率和气流阻力均有较大影响；而同一样品采用不同面积测试时，其过滤效率和气流阻力也有显著差异。

关键词：防雾霾口罩；滤片；测试面积；过滤效率

1 引言

近年来我国雾霾天气频发，环境污染问题凸显，防雾霾口罩（又称“PM2.5口罩”）已成为很多人出行的必备品。防雾霾口罩要求既不能导致使用者呼吸困难又要防雾霾，不同于传统的职业防护口罩和医疗用防护口罩。因此过滤性能是防雾霾口罩最重要技术参数，也是评价防雾霾口罩性能的主要指标。

滤片式口罩是目前市场上最流行的防雾霾口罩之一，滤片是口罩过滤雾霾的核心部件。滤片式口罩的典型结构是由口罩本体和滤片两大部分组成，口罩本体由表层和里层缝制而成，材料一般为机织面料，部分会在表层和里层中间加入保温材料；滤片一般由超细纤维非织造材料制成，在口罩中起过滤作用[1-2]，为可更换式。为了更换时方便快捷和节省材料，滤片的面积通常比口罩本体小而且大小不一，而口罩的防雾霾效果是对整个口罩进行检测考核，本文将对滤片式口罩的滤片面积大小以及测试面积对口罩过滤效率和气流阻力的影响进行试验研究。

现行的医疗用口罩标准GB 19083—2010 《医用防护口罩技术要求》、YY 0469—2011 《医用外科口罩》和劳动防护用口罩标准GB 2626—2006 《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》均规定了口罩过滤效率的测试方法，测试原理相同，但由于各标准适用范围不同，测试条件略有差异，见表1[3-5]。三个标准对过滤介质NaCl气溶胶的浓度、颗粒粒径和颗粒分布的要求相同；GB 19083—2010和GB 2626—2006规定气体流量为85L/min，YY 0469—2011规定为30L/min；YY 0469标准中要求气流通过截面积为100cm2，另两个标准中没有面积的明确要求。

不同品牌、款式和型号的口罩的形状和大小存在差异，有些样品在测定过滤效率时不能满足标准夹具的尺寸要求，需要使用一些辅助夹具。乔学明等[6]发明了测试口罩过滤效率用的夹具，张明明等[7]发明了测试口罩过滤效率用的检测仓。使用不同夹具、检测仓等辅助夹具时气溶胶通过的过滤面积会有差异，从而造成测试的条件不一致。为了研究不同测试面积对过滤效率测试结果的影响，本文采用100cm2、50cm2、25cm2、12.5cm2四个测试面积分别对市售的3款滤片式PM2.5口罩和用于制作口罩滤片的无纺布滤材进行过滤效率和气流阻力的测试。

2 试验

2.1 仪器与条件

TSI 8130型自动滤料测试仪。2%浓度NaCl气溶胶，计数中位径（CMD）为（0.075±0.020）μm，颗粒分布的几何标准偏差不大于1.86，测试流量（85±2）L/min。

2.2 工具

制作3组夹具，每组夹具由两块相同圆环组成，气流通过内圆环的截面积分别为100cm2（TSI 8130自带测试夹具面积）的1/2、1/4、1/8，即50cm2、25cm2、12.5cm2。各夹具见图1。

（a ）气流截面积50cm2的夹具 （b ）气流截面积25cm2的夹具

（c） 气流截面积12.5cm2的夹具

图1 夹具图

2.3 样品

样品1：滤片式防雾霾口罩，由口罩本体和可更换式滤片组成，口罩本体为两层不同机织布，滤片面积约占口罩本体面积的60%，见图2中样品1。

样品2：滤片式防雾霾口罩，由口罩本体和可更换式滤片组成，口罩本体为三层，外层和里层为不同的机织布，中间层为非织造布，滤片面积约是口罩本体面积的30%，见图2中样品2。

样品3：滤片式防雾霾口罩，由口罩本体和可更换式滤片组成，口罩本体为三层，外层和里层为不同的机织布，中间层为非织造布，滤片面积约是口罩本体面积的90%，见图2中样品3。

样品1 样品2

样品3

图2 口罩样品图

2.4 试验

2.4.1 滤片大小对过滤效率和气流阻力的影响

采用以下两种测试方式测试样品1、样品2和样品3，以研究滤片大小对过滤效率和气流阻力测试的影响。

2.4.1.1 测试方式a

去除样品的滤片，口罩本体在气流截面积为100cm2的夹具中测试。

2.4.1.2 测试方式b

样品整体在气流截面积为100cm2的夹具中测试。

2.4.2 测试面积对过滤效率和气流阻力的影响

将2.3中样品1使用2. 2中的夹具，按2.1条件分别测试过滤面积为100cm2、50cm2、25cm2、12.5cm2时的过滤效率与气流阻力。

3 结果与讨论

3.1 滤片大小对过滤效率和气流阻力的影响

样品1、样品2和样品3采用测试方式a和测试方式b所测试的过滤材料和气流阻力结果如表2所示。

样品1采用测试方式a的过滤效率为35.64%，表明口罩本体的过滤效果较差，采用方式b的过滤效率为58.98%，远低于GB 2626—2006中过滤效率≥90%和GB 19083—2010中过滤效率≥95%的最低要求，且两种测试方式的结果差异明显，变化率为65.49%；测试方式a和测试方式b的气流阻力分别为67Pa和136Pa，明显相差102.08%。结果表明样品1的滤片材料虽然能起到过滤作用，但面积小于测试夹具的面积，测试时气溶胶颗粒会从周边泄漏，而口罩本体过滤效率较低，导致口罩整体的过滤效果较差。

对比样品2和样品3采用两种测试方式所得的测试结果，样品2的过滤效率和气流阻力分别增加了0.08%和16.49%，差异较小；样品3的过滤效率和气流阻力分别增加了5.31%和34.69%，差异较显著，原因是样品3的滤片面积占口罩本体的比例较样品2大，样品2的滤片面积小于测试夹具的面积，测试时气溶胶颗粒会从周边泄漏，而样品3的滤片面积大于测试夹具的面积，测试时气溶胶颗粒不会发生泄漏，所以样品3的滤片对提高口罩的过滤效率作用效果更明显。

另一方面，样品2和样品3的过滤效率都达到90%以上，原因是这两款样品的本体都是由三层制成，均有一个非织造布的中间层，口罩的此种结构大幅提高了口罩本体的过滤效率，但同时也增大了气流阻力，气流阻力增大将会导致使用者在佩戴口罩时呼吸不顺畅。另一方面，增大滤片面积也可提高整个口罩的过滤效果，同样也会增大气流阻力，降低佩戴者的舒适度。

3.2 测试面积对过滤效率和气流阻力的影响

测试面积为100cm2、50cm2、25cm2、12.5cm2时所测得的口罩过滤效率和气流阻力如图3所示。

图3 过滤面积与口罩过滤性能的测试结果关系

在气体流量为85L/min的测试条件下，过滤效率随测试面积的增大而增大，测试面积为25cm2和12.5cm2时，过滤效率没有明显变化；气流阻力随测试面积的增大而减小，而且在测试面积越小时影响越显著。因此，测试面积对过滤效率和过滤阻力的测试结果均有影响，尤其是对于不能满足标准夹具要求的口罩，评价其过滤效率和气流阻力时，必须采用相同的测试面积测得的过滤效率和气流阻力才具有可比性。

4 结论

通过对三款滤片式防雾霾口罩的过滤效率和气流阻力测试，得出如下结论：

1）滤片大小对口罩整体的过滤效果有显著影响，滤片面积占口罩本体面积约为30%和60%时，测试过程中均会发生不同程度的泄漏，导致口罩的过滤效率降低。

2）口罩本体的非织造布中间层可大幅提高口罩整体的过滤效率，同时也会导致气流阻力增大；同样，增加滤片面积也可以提高口罩的过滤效果和增大气流阻力。口罩的气流阻力过大会导致佩戴时呼吸不顺畅，口罩的过滤效率和气流阻力之间的平衡点有待进一步研究。

3）在测试口罩的过滤效率时，气流通过的测试面积对过滤效率和气流阻力有显著影响，过滤效率随测试面积的增大而增大，气流阻力随测试面积的增大而减小，相同测试面积的测试结果才具有可比性。

参考文献：

[1] 马铭远，陈美玉，王丹，等. 口罩的发展现状及前景[J]. 纺织技进展，2014，（6）：7-10.

[2] 郭金福，车映红，邵明. 一种日用抗菌防霾口罩的开发及其评价标准探讨[J]. 产业用纺织品，2014，（1）：5-9.

[3] GB 19083—2010 医用防护口罩技术要求[S].

[4] YY 0469—2011 医用外科口罩技术要求[S].

[5] GB 2626—2006 呼吸防护用品——自吸过滤式防颗粒物呼吸器[S].

[6] 乔学明，黑春霞，王琴江，等. 口罩过滤效率测试用夹具：中国，CN201420742270.5[P].2015-03-25.

[7] 张明明，田军，李双会，等. 一种自吸过滤式防颗粒物呼吸器过滤效率检测仓：中国，CN201020146435.4[P]. 2010-11-03.

（作者单位：广州纤维产品检测研究院）