彭敬恩， 匡 莉

（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

2020年初一次性醫(yī)用口罩（disposable medical masks, DMMs）等醫(yī)療資源需求加大[1]，各地涌現(xiàn)出一大批DMMs的生產(chǎn)廠商，而DMMs主要適用于普通醫(yī)療環(huán)境和日常生活中，防止微生物、體液、病菌的傳播。評(píng)價(jià)DMMs性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是通氣阻力，通氣阻力越小則呼吸越順暢，其直接影響使用者的舒適感；同時(shí)通氣阻力與過濾效率具有相關(guān)性，口罩過濾材料的纖維密集程度越高、孔徑越小，過濾效率就越好，阻力就越大[2]，需要在兩者之間尋找一個(gè)平衡點(diǎn)。

其中DMMs通氣阻力性能影響因素眾多，相關(guān)文獻(xiàn)[3-5]主要集中在設(shè)備制造、口罩過濾效率等角度；為使相關(guān)方更深入的了解口罩通氣阻力的測(cè)試及影響，有效指導(dǎo)各生產(chǎn)廠商對(duì)DMMs的開發(fā)優(yōu)化及生產(chǎn)質(zhì)量保證，本文從測(cè)試設(shè)備穩(wěn)定性、氣體流量、樣品不同位置、氣流方向、預(yù)處理、測(cè)試時(shí)間6個(gè)方面展開對(duì)DMMs通氣阻力性能影響的研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料和設(shè)備

ZR-1200型醫(yī)用外科口罩阻力測(cè)試儀，青島眾瑞智能儀器有限公司；高低溫交變濕熱箱，型號(hào)KTHA-415TBS，廣州慶聲電子科技有限公司；二次元影像測(cè)試儀，型號(hào)YVM-3020CSPC，東莞市源興光學(xué)儀器有限公司。

試驗(yàn)樣品選取市面不同廠家生產(chǎn)的一次性醫(yī)用口罩，合計(jì)4個(gè)品牌如圖1所示。

圖1 不同品牌的口罩

1.2 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和條件

1.2.1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于口罩通氣阻力測(cè)試流量的規(guī)定，如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試流量的規(guī)定

1.2.2 測(cè)試條件

測(cè)試環(huán)境室溫（18～25℃），氣體流量8 L/min，測(cè)試時(shí)間15 s。

非特殊指明情況下，本文均采用上述測(cè)試條件。

1.3 計(jì)算公式

通過壓差計(jì)或等效設(shè)備測(cè)定口罩兩側(cè)壓差，按公式（1）計(jì)算通氣阻力。

式中：ΔP試驗(yàn)樣品每平方厘米面積的壓力差值，Pa/cm2；M試驗(yàn)樣品壓差值，Pa；A試驗(yàn)樣品測(cè)試面積，cm2。樣品測(cè)試區(qū)域直徑為25 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試穩(wěn)定性

選取不同廠家共計(jì)4個(gè)品牌的口罩，對(duì)口罩中部位置平行測(cè)定10次，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

從表2可知，不同品牌口罩10次測(cè)定結(jié)果間標(biāo)準(zhǔn)偏差均很低，說明測(cè)試穩(wěn)定性及一致性較好，因此測(cè)試本身對(duì)通氣阻力影響可忽略不計(jì)。

2.2 不同氣體流量對(duì)通氣阻力影響

選取4個(gè)品牌的口罩，以5種氣體流量對(duì)口罩中部位置進(jìn)行測(cè)試，每種流量平行測(cè)定3次，取其平均值；不同氣體流量測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

從圖2中可知，其他條件不變，隨氣體流量的增加，不同品牌口罩通氣阻力均有大幅上升，且均呈線性。由達(dá)西公式可知阻力與無紡布厚度與氣體速度的一次方成正比[6]，測(cè)試面積相同時(shí)，氣體流量增加，相應(yīng)的氣體速度增加，物體沖量變大，阻力增加。因此，各相關(guān)方進(jìn)行通氣阻力測(cè)試時(shí)，應(yīng)首先對(duì)測(cè)試設(shè)備的氣體流量準(zhǔn)確計(jì)量，如此能有效提高口罩通氣阻力測(cè)試穩(wěn)定性和比對(duì)一致性。

圖2 氣體流量對(duì)口罩通氣阻力影響

圖3 不同位置及氣流方向?qū)谡滞庾枇τ绊?/p>

2.3 不同位置和氣流方向?qū)ν庾枇Φ挠绊?/h3>

對(duì)于DMMs測(cè)試位置，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定皆不相同如表3所示。實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取品牌1的口罩，測(cè)試口罩不同氣流方向，且每個(gè)方向測(cè)試5個(gè)不同位置，每個(gè)位置平行測(cè)定10個(gè)樣本，取平均值作為測(cè)試結(jié)果，如圖3所示。

表3 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)口罩通氣阻測(cè)試位置規(guī)定

從圖3中可知，其他測(cè)試條件不變，不同氣流方向通氣阻力無明顯差異，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，t統(tǒng)計(jì)量等于1，小于t雙尾臨界值2.776 445，在置信度α為0.05的情況下，氣流方向?qū)ν庾枇o影響。

圖4 熔噴布不同位置放大影像對(duì)比

同樣從圖3可知，品牌1口罩不同位置其通氣阻力有較大差異，左下部與右上部差值在6 Pa/cm2，使用二次元影像儀放大觀察口罩熔噴布層如圖 4所示，發(fā)現(xiàn)右上部熔噴布層纖維疊加更緊密、面密度更大、孔徑更小[4]。這說明熔噴布布面纖維疊加不均勻，導(dǎo)致了口罩通氣阻力在不同位置出現(xiàn)差異。此方面主要由熔噴布制造噴射時(shí)不穩(wěn)定造成，故熔噴布制造商應(yīng)在保證過濾效率的同時(shí)，可從生產(chǎn)工藝來考慮，提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性，如吹入模頭的熱風(fēng)和抽吸風(fēng)要均勻，模頭整體加熱要均勻等[4]；隨著產(chǎn)品穩(wěn)定性提高，不同位置間口罩通氣阻力的差異必將變小，同時(shí)不同位置間通氣阻力的差異也將是檢驗(yàn)過濾材料質(zhì)量的一個(gè)重要手段。各相關(guān)方在測(cè)試時(shí)，對(duì)沒有位置規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，建議可遵循歐標(biāo)的方法，以期更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)口罩通氣阻力性能。

2.4 預(yù)處理對(duì)通氣阻力的影響

隨機(jī)選取4個(gè)品牌口罩，分別測(cè)試口罩未預(yù)處理和預(yù)處理狀態(tài)，測(cè)試方法和預(yù)處理?xiàng)l件按歐標(biāo) BS EN 14683規(guī)定，試樣在（21±5）℃&（85±5）%R.H環(huán)境下調(diào)節(jié)至少4 h；測(cè)試結(jié)果匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 未處理和預(yù)處理對(duì)通氣阻力影響

由圖5可知，其他條件不變情況下，各品牌口罩經(jīng)預(yù)處理后的通氣阻力均與未處理試樣出現(xiàn)偏差，但差異較小。對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，t統(tǒng)計(jì)量等于3.810 512，大于t雙尾臨界值3.182 446，在置信度α為0.05的情況下，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，口罩預(yù)處理對(duì)口罩通氣阻力具有一定的影響，據(jù)相關(guān)資料研究數(shù)據(jù)[7]發(fā)現(xiàn)預(yù)處理后阻力的變化可大可小，推測(cè)可能是試驗(yàn)口罩在預(yù)處理過程中，其過濾材料電荷變化造成口罩通氣阻力的變化[4]。

針對(duì)DMMS通氣阻力檢測(cè)中是否進(jìn)行預(yù)處理，各標(biāo)準(zhǔn)意見不一，標(biāo)準(zhǔn)BS EN 14683中規(guī)定樣品需在（21±5）℃&（85±5）%R.H環(huán)境下調(diào)節(jié)至少4 h，而標(biāo)準(zhǔn)YY 0469、ASTM F2100和YY/T 0969卻沒有進(jìn)行規(guī)定；筆者認(rèn)為從另一角度看口罩在運(yùn)輸中一直處于長(zhǎng)時(shí)間封閉環(huán)境，溫濕度都很高，同時(shí)人在長(zhǎng)時(shí)間佩戴時(shí)呼出氣體的濕度也很高；因此DMMs預(yù)處理將是模擬上述過程檢驗(yàn)口罩性能是否發(fā)生變化的一種有效手段。

2.5 測(cè)試時(shí)間對(duì)通氣阻力影響

選取不同廠家共計(jì)4個(gè)品牌的口罩，對(duì)口罩中部位置測(cè)試，測(cè)試設(shè)備在前10 s處于流量加載狀態(tài)，10 s后結(jié)果趨于穩(wěn)定，最大測(cè)試時(shí)間為50 s；選擇時(shí)間10、15、20、30、50 s，每個(gè)時(shí)間平行測(cè)定3次，取平均值作為測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同測(cè)試時(shí)間通氣阻力的測(cè)試結(jié)果（Pa/cm2）

從表4中可知，其他測(cè)試條件不變的情況下，測(cè)試時(shí)間變化對(duì)各品牌口罩通氣阻力沒有明顯影響。

3 結(jié)論

本文針對(duì) DMMS通氣阻力的影響，從測(cè)試設(shè)備穩(wěn)定性、氣體流量、樣品不同位置、氣流方向、預(yù)處理、測(cè)試時(shí)間6個(gè)方面展開研究，主要結(jié)論如下：

1）氣體流量對(duì)口罩通氣阻力有明顯影響，且隨著氣體流量增加通氣阻力線性上升，故各相關(guān)方應(yīng)對(duì)設(shè)備氣體流量準(zhǔn)確計(jì)量，以提高測(cè)試穩(wěn)定性和比對(duì)一致性。

2）樣品不同測(cè)試位置的通氣阻力差異明顯，這主要因?yàn)榭谡诌^濾材料布面纖維疊加不均勻造成。各相關(guān)方在測(cè)試中，如對(duì)位置沒有規(guī)定，可遵循歐標(biāo)的方法，取5個(gè)不同區(qū)域平均值作為判定結(jié)果，以期更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)口罩通氣阻力性能。

3）預(yù)處理對(duì)口罩通氣阻力有一定影響，現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明其影響程度有限。4）測(cè)試設(shè)備、氣流方向和測(cè)試時(shí)間對(duì)口罩通氣阻力無明顯影響。