李龍飛 邵靈達(dá) 林平 祝成炎 丁圓圓 田偉

摘 要：為了研究口罩結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過濾性能及透氣透濕性能的影響，對(duì)8種日常防護(hù)型口罩內(nèi)層、過濾層及外層的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)其透氣透濕性能、過濾性能進(jìn)行測(cè)試和表征。結(jié)果表明：過濾層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過濾性能的影響權(quán)重從大到小依次為：纖維直徑、平均孔徑、孔隙率，且隨著纖維直徑的減小，口罩的過濾性能呈增大趨勢(shì);口罩整體的透氣性能主要受口罩內(nèi)層影響，且隨著口罩內(nèi)層透氣性能的增大，整體透氣性能呈增加趨勢(shì);口罩整體的透濕性能主要受過濾層影響，且隨著過濾層透濕性能的增大，整體透濕性能呈增加趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：日常防護(hù)口罩;結(jié)構(gòu)參數(shù);過濾效率;舒適性能;復(fù)合結(jié)構(gòu)層

中圖分類號(hào)： TS177

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2022）01-0178-07

Abstract： In order to study the effect of structural parameters on the filtration efficiency， air permeability and moisture permeability of masks， the structural parameters of the inner layer， filter layer and outer layer of eight kinds of daily protective masks were analyzed， their air permeability， moisture permeability and filtration efficiency were tested and characterized. The results show that the order of size wtih the influence weight of the structural parameters of filter layer on the filtration efficiency is： fiber diameter， average pore size， porosity; with the decrease of fiber diameter， the filtration efficiency of masks increases; the overall air permeability of masks is mainly affected by the inner layer of masks， and with the increase of the air permeability of the inner layer of masks， the overall air permeability shows an increasing trend. The overall moisture permeability of masks is mainly affected by the filter layer， and with the increase of the moisture permeability of the filter layer， the overall moisture permeability shows an increasing trend.

Key words： daily protective mask; structural parameters; filtration efficiency; comfort; composite layer

隨著社會(huì)對(duì)個(gè)人安全防護(hù)的逐漸重視，以及SARS、禽流感、COVID-19等呼吸道傳染疾病的流行，人們對(duì)自身的安全防護(hù)問題也越來越關(guān)注[1]。日常防護(hù)型口罩是指一種在日常生活中廣泛使用，起到過濾進(jìn)入人體肺部空氣作用的自吸式過濾呼吸器[2]。口罩作為日常防護(hù)用品，它的防護(hù)效果及佩戴的舒適性是當(dāng)今人們密切關(guān)注的問題[3]。

口罩的防護(hù)效果主要利用過濾效率來表征[4]，舒適性主要通過透氣性、透濕性等指標(biāo)來表征[5]。針對(duì)口罩的過濾性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別研究了纖維直徑[6]、孔隙結(jié)構(gòu) [7]、孔隙形狀[8]、孔徑[9]及孔徑分布[10]等過濾材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)與過濾效率的關(guān)系。針對(duì)口罩的舒適性能，陳美玉等[11]從透氣透濕性對(duì)市場(chǎng)上具有代表性的10種口罩進(jìn)行了舒適性的研究，發(fā)現(xiàn)功能性口罩的過濾性能普遍較好，舒適性相對(duì)較差，紗布口罩過濾效果較差，透氣透濕性能較好。馮強(qiáng)強(qiáng)[12]從材料的透氣透濕性、接觸舒適性出發(fā)，通過合理的組織設(shè)計(jì)，開發(fā)出一種新型舒適性醫(yī)用口罩材料。

從上述文獻(xiàn)可以看出，針對(duì)口罩性能的研究主要為過濾性能和舒適性能兩方面。針對(duì)目前口罩舒適性能與過濾性能之間較難平衡，單層舒適性能研究較少的問題，從市場(chǎng)上收集了具有代表性的8種口罩并對(duì)其復(fù)合結(jié)構(gòu)層進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)目前口罩多為三層結(jié)構(gòu)（內(nèi)層、過濾層、外層）如圖1所示，通過對(duì)口罩各層結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)口罩整體的過濾效率及各層的透氣率和透濕量進(jìn)行測(cè)試，最后通過多元回歸、雙變量及偏相關(guān)等方法對(duì)口罩各層結(jié)構(gòu)參數(shù)與過濾性能、舒適性能的關(guān)系進(jìn)行了研究，期望得出口罩結(jié)構(gòu)參數(shù)與口罩過濾性能及舒適性能的關(guān)系，以期為更優(yōu)異過濾性能與舒適性能的口罩設(shè)計(jì)提供參數(shù)借鑒。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)樣品為市場(chǎng)上收集的具有代表性的8種不同類型的日常防護(hù)型口罩，各口罩過濾層均為聚丙烯熔噴非織造材料?？谡謽悠穼?shí)物如圖2所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

AL204-IC型電子天平（梅特勒-托利多（上海）有限公司）;YG（B）141D型數(shù)字式織物厚度儀（溫州方圓儀器有限公司）;CFP-1500AE型毛細(xì)管流動(dòng)孔徑測(cè)試儀（美國(guó)PMI公司（中國(guó)））;TSI8130型自動(dòng)濾料測(cè)試儀（美國(guó)TSI集團(tuán)中國(guó)公司）;YG461E-Ⅲ全自動(dòng)透氣量?jī)x（寧波紡織儀器廠）;YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀（寧波紡織儀器廠）;JSM-5610型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會(huì)社）。

1.3 性能測(cè)試

1.3.1 平方米質(zhì)量和厚度測(cè)試

平方米質(zhì)量參考GB/T 4669-2008《紡織品 機(jī)織物 單位長(zhǎng)度質(zhì)量和單位面積質(zhì)量的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試;厚度參考GB/T 3820-1997《紡織品和紡織制品厚度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試。為了減小試樣厚度和平方米質(zhì)量不均勻造成的測(cè)試誤差，對(duì)每個(gè)試樣進(jìn)行10次不同位置的測(cè)試，再通過計(jì)算獲得平均平方米質(zhì)量和平均厚度。

1.3.2 纖維直徑和孔徑測(cè)試

纖維直徑很難直接測(cè)量，采用Image J軟件對(duì)過濾層掃描電鏡拍攝的纖維進(jìn)行測(cè)量，得到纖維直徑的大小及其分布。通過對(duì)每個(gè)試樣中50個(gè)不同位置處的纖維直徑進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算獲取平均值。

孔徑參考GB/T 21650.2-2008《壓汞法和氣體吸附法測(cè)定固體材料孔徑分布和孔隙度 第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔》，對(duì)每個(gè)試樣的5個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)試，取平均值以減少測(cè)試誤差。

1.3.3 孔隙率的計(jì)算

孔隙率按照計(jì)算式（1）進(jìn)行計(jì)算[13]：

n=1-Mρ×δ（1）

式中：n為孔隙率，%;M為單位面積質(zhì)量，g/m2;ρ為原材料體密度，g/m3，已知丙綸的密度為0.91g/cm3;滌綸的密度為1.39g/cm3;真絲的密度為1.3g/cm3;δ為材料厚度，m。

1.3.4 過濾性能測(cè)試

參考GB/T 32610-2016《日常防護(hù)型口罩技術(shù)規(guī)范》對(duì)口罩的過濾效率進(jìn)行測(cè)定，氣體流量為85L/min，氯化鈉氣溶膠數(shù)量中值直徑為0.075μm，每種試樣測(cè)試5次，取平均值。

1.3.5 孔隙率的計(jì)算采用JSM-5610型掃描電子顯微鏡對(duì)纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察

采用Image J軟件對(duì)非織造布掃描電鏡照片進(jìn)行測(cè)量，得到纖維直徑大小及其分布。

1.3.6 透氣性及透濕性測(cè)試

參考GB/T 5453-1997《紡織品織物透氣性的測(cè)定》，對(duì)織物的透氣性進(jìn)行測(cè)定，試樣面積為20cm2，壓差為100Pa，每種試樣測(cè)試10次，取平均值。

參考GB/T 12704.1-2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》，對(duì)織物的透濕性進(jìn)行測(cè)定，試樣直徑70mm，溫度（38±2）℃，相對(duì)濕度90%±2%，每種試樣測(cè)試3次，取平均值。

1.4 口罩內(nèi)層、過濾層及外層的結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

對(duì)8種日常防護(hù)型口罩內(nèi)層、過濾層及外層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 過濾層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過濾性能影響的分析

實(shí)驗(yàn)所測(cè)口罩的過濾層結(jié)構(gòu)參數(shù)和過濾效率見表2。

為了對(duì)各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過濾效率的綜合影響及影響權(quán)重進(jìn)行更好的研究，先進(jìn)行了MIN-max標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理，使各變量的量綱相同[14]，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)見表3。

經(jīng)SPSS多元回歸分析，回歸方程為y′=1.07-0.98x1′-0.26x2′-0.16x3′，顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=268.00>F0.05（3，4）=6.59，顯著性系數(shù)sig=0.00則模型中自變量的聯(lián)合作用能夠顯著影響因變量，該模型在統(tǒng)計(jì)學(xué)中有意義。擬合優(yōu)度R=0.99（接近1），即該模型擬合較好。由于標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)能比較可靠地反映出自變量對(duì)因變量的貢獻(xiàn)大小[15]，結(jié)合上述變量對(duì)應(yīng)的系數(shù)按絕對(duì)值大小依次為：-0.97、-0.28、-0.17，可得出上述3個(gè)因素對(duì)過濾效率的影響權(quán)重從大到小依次為：纖維直徑、平均孔徑、孔隙率。過濾效率與纖維直徑存在負(fù)相關(guān)，與平均孔徑存在負(fù)相關(guān)，與孔隙率存在負(fù)相關(guān)。

纖維濾料的過濾原理主要包括布朗運(yùn)動(dòng)、攔截、慣性撞擊、靜電吸附、沉降作用[16]，口罩防護(hù)過程中起主要過濾作用的是攔截、慣性撞擊和靜電吸引沉積。隨著濾料纖維直徑、平均孔徑和孔隙率的減小，過濾纖網(wǎng)三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及過濾通道的彎曲程度逐漸增大，使微粒通過過濾層時(shí)更容易被吸附、捕捉及碰撞而被過濾，從而有效地提升口罩的過濾性能。

2.2 口罩內(nèi)外層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)舒適性能影響的分析

實(shí)驗(yàn)所測(cè)口罩內(nèi)層及外層的透氣率和透濕量如圖3所示。

織物透氣性決定于織物的經(jīng)緯紗線間以及纖維間空隙數(shù)量與大小，即與經(jīng)緯密度、經(jīng)緯紗線特?cái)?shù)因素有關(guān)，還與纖維性質(zhì)、紗線結(jié)構(gòu)、織物厚度和體積重量等因素有關(guān)[17]。由表1可知，織物厚度、平方米質(zhì)量與經(jīng)緯密度和經(jīng)緯紗特?cái)?shù)密切相關(guān)。對(duì)口罩內(nèi)外層的透氣率與厚度、平方米質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示厚度與透氣率的顯著性水平為0.337>0.05，相關(guān)系數(shù)為-0.257，可得出兩者之間不存在線性相關(guān);平方米質(zhì)量與透氣率的顯著性水平為0.018<0.05，相關(guān)系數(shù)為-0.583，可得出兩者之間存在中等顯著負(fù)相關(guān);控制其厚度，對(duì)口罩內(nèi)外層透氣率和平方米質(zhì)量進(jìn)行偏相關(guān)分析，結(jié)果顯示平方米質(zhì)量與透氣率的顯著性水平為0.000<0.05，相關(guān)系數(shù)為-0.916，可得出兩者之間存在高顯著負(fù)相關(guān)。由圖3（a）知，試樣C、D透氣率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他試樣，其內(nèi)外層均為聚丙烯紡粘非織造布，纖維糾纏抱合形成獨(dú)特的三維立體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空隙較多，有利于空氣流通，單位時(shí)間內(nèi)氣流量大，透氣率高。

水分子透過織物一般有3種情況：a）由于纖維對(duì)水分子的吸收，使水分子通過纖維體積內(nèi)部而到達(dá)織物另一面;b）由于毛細(xì)管的作用，織物內(nèi)部的紗線潤(rùn)濕使水分子滲透到另一面;c）由于水壓強(qiáng)迫水分子通過織物孔隙?？椢锿笣裥蕴卣骰九c透氣性相似。一般織物厚度越厚，水汽通過織物間的孔隙所走的路徑越長(zhǎng)，透濕性能越差[17]。對(duì)口罩內(nèi)外層的透濕量與厚度、平方米質(zhì)量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示厚度與透濕量的顯著性水平為0.317>0.05，相關(guān)系數(shù)為0.267，可得出兩者之間不存在線性相關(guān);織物平方米質(zhì)量與透濕量的顯著性水平為0.134>0.05，相關(guān)系數(shù)為0.391，可得出兩者之間不存在線性相關(guān)。

2.3 口罩整體舒適性能與內(nèi)層、過濾層及外層舒適性能的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)所測(cè)口罩整體及口罩過濾層的透氣率和透濕量如圖4所示。

2.3.1 透氣率

分別以口罩內(nèi)層、過濾層、外層的透氣率為自變量x1、x2、x3，口罩整體的透氣率為因變量y1，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再進(jìn)行多元回歸分析，得出線性方程y1=0.012+2.017x1+1.535x2-1.606x3，顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=8.42>F0.05（3，20）=3.098，顯著性系數(shù)sig=0.033，則模型中自變量的聯(lián)合作用能顯著影響因變量，該模型在統(tǒng)計(jì)學(xué)中有意義。擬合優(yōu)度R=0.929（接近1），即該模型擬合較好。由于標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)能比較可靠地反應(yīng)出自變量對(duì)因變量的貢獻(xiàn)大小，結(jié)合上述變量對(duì)應(yīng)的系數(shù)按絕對(duì)值大小依次為：2.017、-1.606、1.535，可得出上述3個(gè)變量對(duì)整體透氣率的影響權(quán)重為：內(nèi)層>外層>過濾層。整體透氣率與內(nèi)層存在正相關(guān)，與外層存在負(fù)相關(guān)，與過濾層存在正相關(guān)。

2.3.2 透濕量

分別以口罩內(nèi)層、過濾層、外層的透濕量為自變量x4、x5、x6，口罩整體的透濕量為因變量y2，先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再進(jìn)行多元回歸分析，得出線性方程y2=-0.03-0.101x4+0.803x5+0.374x6，方程的顯著性檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F=4.516>F0.05（3，20）=3.098，顯著性系數(shù)sig=0.09，則模型中各自變量聯(lián)合起來對(duì)因變量有顯著影響，該模型有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。擬合優(yōu)度R=0.879（接近1），即該模型擬合較好。由于標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)能比較可靠地反應(yīng)出自變量對(duì)因變量的貢獻(xiàn)大小，結(jié)合上述變量對(duì)應(yīng)的系數(shù)按絕對(duì)值大小依次為：0.803、-0.374、-0.101，可得出上述3個(gè)變量對(duì)整體透濕量的影響權(quán)重從大到小依次為：過濾層、外層、內(nèi)層。整體透濕量與過濾層存在正相關(guān)，與外層存在負(fù)相關(guān)，與內(nèi)層存在負(fù)相關(guān)。

3 結(jié) 論

對(duì)8種日常防護(hù)型口罩的內(nèi)層、過濾層、外層的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，研究了過濾層的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過濾性能的影響及權(quán)重，以及各口罩內(nèi)外層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)口罩內(nèi)外層舒適性能的影響，并分析了口罩內(nèi)層、過濾層及外層對(duì)口罩整體的透氣、透濕性能的影響及權(quán)重。結(jié)論如下：

a）口罩的過濾層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)過濾效率的影響權(quán)重從大到小依次為纖維直徑、平均孔徑、孔隙率，且口罩的過濾效率與纖維直徑、平均孔徑和孔隙率呈負(fù)相關(guān)。

b）口罩內(nèi)外層透氣率與厚度相關(guān)性不顯著，與平方米質(zhì)量呈現(xiàn)顯著相關(guān)，且在厚度一定的情況下，口罩內(nèi)外層的平方米質(zhì)量越小，透氣率越大?？谡謨?nèi)外層透濕量與厚度、平方米質(zhì)量相關(guān)性均不顯著。

c）口罩各層透氣性能對(duì)口罩整體透氣性能的影響權(quán)重從大到小依次為：內(nèi)層、外層、過濾層，且口罩透氣性能與口罩內(nèi)層、過濾層呈正相關(guān)，與外層呈負(fù)相關(guān);口罩各層透濕性能對(duì)口罩整體透濕性能的影響權(quán)重從大到小依次為：過濾層、外層、內(nèi)層，且口罩透濕性能與口罩內(nèi)層、外層呈負(fù)相關(guān)，與過濾層呈正相關(guān)。

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