PM2.5日用防护口罩检测技术探讨

叶翔宇++杨志清++王倩++金环++韩高锋

摘要：

本文以国家强制性口罩检测标准GB 2626—2006《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》为主要依据，结合美国NIOSH 42CFR84—1995和欧洲EN 149—2001口罩检测标准，与口罩检测实践中的思考，对口罩分级方式、预处理条件、过滤效率测试、呼吸阻力测试、泄漏性测试及检测仪器等标准中的检测技术细节进行探讨，并对将来日用、工业专用等口罩标准的制修订提出建议。

关键词：口罩分级；预处理；负载过滤效率；呼吸阻力；品质因子；泄漏率

1 引言

在雾霾压城的背景下，我国PM2.5防护口罩市场正处于爆炸性增长时期。与之相对的，则是口罩产品虚假宣传现象突出，质量参差不齐，价格相差悬殊，消费者不知该如何选择合适的产品。

我国与口罩相关的标准主要有：GB/T 12903—2008《个体防护装备术语》，GB/T 18664—2002 《呼吸防护用品的选择、使用与维护》，GB 2890—2009 《呼吸防护 自吸过滤式防毒面具》，GB 2626—2006 《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》，GB 19083—2010 《医用防护口罩技术要求》，YY 0469—2011 《医用外科口罩》以及YY/T 0969—2013 《一次性使用医用口罩》等。目前在市面上销售的PM2.5防护口罩性能判定主要依据GB 2626—2006《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》标准进行，它由国家安全生产监督管理局提出，归口于个体防护装备标委会，其目的是为了防止工人受到尘肺病等呼吸性侵害，属于工业专用防尘口罩范畴。我国口罩标准制定主要参考了美国标准NIOSH 42CFR part 84-1995，ISO也正在开展呼吸器全球标准化工作。欧美口罩标准针对的也是在恶劣工作环境下的劳动者防护，而不是日常使用。我国尚没有针对普通民众日常使用防雾霾口罩的国家或行业标准，正在审定的有国家推荐性标准《日常防护型口罩技术规范》和行业联盟标准《PM2.5防护口罩》，归属于产业用纺织品领域，具体要求应根据中国各地区实际污染现状来确定。

2 口罩检测技术

2.1 口罩分级

不同国家口罩分级方式如表1所示。

我国PM2.5浓度普遍在100?g/m3～200?g/m3之间，严重时为500?g/m3，极少数极端情况可到1000?g/m3，GB 3095—2012《环境空气质量标准》中规定PM2.5的一级日平均浓度限值为35?g/m3，二级日平均浓度限值为75?g/m3 [4]。假设口罩与脸部密闭良好不发生泄漏情况，理论上KN95口罩可将雾霾爆表PM2.5浓度500?g/m3，过滤为PM2.5浓度25?g/m3的优质空气吸入体内，而KN100口罩可将PM2.5从1000?g/m3过滤到0.3?g/m3。对生产过程中的工人粉尘防护，因接触的粉尘浓度很高，必须对过滤效率严格要求，不过这是在牺牲呼吸舒适性的前提下得到的。在日常使用中，建议对KN类口罩的分级范围可更广一些，但对呼吸舒适性要求提高。对KP类口罩，因厨房油烟初始浓度较高，佩戴时间短，过滤效率还须严格要求。也可参考欧洲标准，同时检测非油性和油性颗粒物过滤效率，并对日常使用和厨房使用等不同情景加以区分。

2.2 预处理

过滤效率、泄漏性、呼吸阻力等检测项目，需对部分口罩样品进行预处理，不同项目对样品数量要求有所不同，预处理条件类似。以过滤效率检测为例，表2列举了不同国家口罩预处理条件。

可以看到，国标的预处理步骤就是美标与欧标的组合。在空气过滤器检测中，欧洲EN 779—2012条款规定，将滤材浸渍在异丙醇中完全消除静电后再来检测过滤性能[5]。实测结果发现，将过滤效率超过95%的聚丙烯驻极熔喷无纺布在异丙醇中浸没30min后取出置于通风橱中的防静电平板上晾干，24h干燥消除静电后再次测试，发现过滤效率降到50%，而过滤效率在90%的无纺布样品消除静电后，过滤效率降到35%。可见PM2.5防护口罩过滤性能的关键在于滤材经驻极处理后对亚微米颗粒物的静电吸附作用，建议在国标中加入滤材静电性能相关测试。

医用防护口罩过滤效率检测，参照GB 2626—2006进行，预处理条件为在高温干燥环境和低温环境中放置[6]，而医院中常用75%酒精消毒，空气中酒精味道较重，为医护工作者的健康考虑，医用防护口罩需考虑乙醇蒸气对口罩滤材静电衰减和过滤效率的影响，建议除了中温高湿预处理外，还需引入低浓度乙醇蒸气预处理。

口罩过滤效率是否符合标准要求，为选取所有测试样品中最低过滤效率为实测值进行判定，建议可借鉴美标，对所有口罩样品进行中温高湿预处理。

2.3 过滤效率

2.3.1 颗粒物性质与测试流量

口罩产品核心过滤材料多为聚丙烯驻极熔喷无纺布材料，其由聚丙烯纤维无规堆砌而成。单纤维对颗粒物的过滤有重力沉降、拦截、惯性碰撞、扩散、静电吸附等作用，对亚微米颗粒物，主要靠扩散和静电作用。若将纤维设想为孤立圆柱体，流场为黏性流，可单独计算不同作用下的理论过滤效率，用串联模式来考虑综合过滤效率，发现存在一过滤效率最低值，其颗粒物动力学直径在0.3 ?m左右[7]。表3为不同国家用于口罩过滤效率检测的颗粒物性质，以此粒径分布的高浓度颗粒物作为检测介质，可保证口罩实际过滤效果不低于实验室测试最低过滤效率。检测过程中，每个样品的过滤效率测试结果应始终符合标准的过滤效率要求。

国标对颗粒物性质的规定参照美标，为保证测试过程中仪器运行良好，建议将测试环境温度控制在（25±5）oC，对环境湿度可不做要求，因为仪器所需的高压气体已预先经过除水干燥处理，而在检测过程中气溶胶发生器与检测组件均处于密封状态。

中美标准测试流量为85 L/min，若有多重过滤元件，则按比例降低测试流量，欧标测试流量为95 L/min。职业人员在中等劳动强度下的平均通气量为30L/min，人呼吸时气流速度呈正弦波状，吸气峰值流量为其2.5～3.9倍，采用峰值呼吸量作为过滤效率检测流量，可模拟最坏使用情况[8]。普通民众在以2.5km/h速度步行时，通气量为20L/min，平静状态下通气量为13L/min，因此日常使用口罩的测试流量可降低。测试流量对过滤阻力影响较大，对过滤效率影响较小[9]。对无纺布压力降采用宏观分析法，因流动为层流，由达西公式可知阻力与无纺布厚度与气体速度的一次方成正比，过滤阻力随流量增加线性增大[10]；若减少样品测试面积，则阻力值按面积减小比例增加。纺织品透气性测试仪，测试面积20cm2，固定压差，得到透气率数据，可计算出流量数值作为对比。过滤阻力数值必须在相同测试面积和测试流量下，才具有可比性。实测结果也发现多层无纺布的过滤行为，符合阻力线性叠加，过滤效率按串联方式计算。

2.3.2 检测仪器

国外仪器主要有美国TSI 8127自动滤料测试仪、TSI 8130自动滤料测试仪、TSI 3160自动滤料分级测试仪，日本SIBATA公司AP-9000型过滤效率测试仪，德国PALAS公司MFP3000滤料测试系统；国内仪器主要有KZNJ-1型高效口罩效率检测台，苏州华达LZC-H滤料综合性能测试台，苏州苏信滤料测试台以及北京劳保所和朝晖过滤公司共同开发的口罩过滤效率测试仪等。仪器自带测试夹具为圆环，测试面积100 cm2，在测试过滤效率的同时给出压力降?P数值。国标规定过滤效率测试中颗粒物检测器的动态范围为0.001mg/m3～200mg/m3，精度为1%，以质量浓度变化计算过滤效率。国内仪器多检测数量浓度，数据稳定性稍逊于进口仪器，价格相对低廉，常被口罩、熔喷无纺布生产企业以及高校研究院所采购用于实时监测生产情况，调整工艺参数和材料研发。

TSI 8130和8127自动滤料测试仪20世纪90年代在美国研制成功，是目前国内外第三方检测机构最常用仪器。本试验所用测试仪器如图1所示。

TSI 8130发生的氯化钠颗粒物浓度在20 mg/m3左右，油性颗粒物浓度在90mg/m3～110mg/m3之间，接近或超过国家对工业废气排放的最新要求（20 mg/m3，原先为50mg/m3），远超严重污染天气（0.5mg/m3），建议参考欧标，对日常使用的口罩检测颗粒物浓度范围加以限定。

2.3.3 负载过滤效率

美国标准测试流程文件分别对N类、R类和P类元件的过滤效率检测进行了详细说明，测试时若发现20个样品中有一个不符合要求，即可中断测试，但初测不合格样品，必须重新放置再测试一次，以确保不是因为泄漏导致的不合格[11]。

负载过滤测试为TSI 8130的Load Test模式，仪器每隔1min自动取样测试、记录并打印出流量、过滤效率、压力降数据和测试时间；另有Flow Adjustment模式，可在显示屏上实时读取数据，缺点是仪器不会自动记录打印。从佩戴使用时间考虑，假设人处于严重污染情况PM2.5浓度500 ?g/m3，呼吸通气量20L/min，口罩过滤效率100%计算，那么达到200mg的颗粒物负载量，可连续使用时间为333h，以一天佩戴8h计算，可用40多天，明显超出实际使用寿命。对日常使用的口罩而言，以口罩佩戴一周计算，建议颗粒物负载量为40mg，测试时间约25min。以两种不同初始过滤效率（80%和97%）的聚丙烯驻极熔喷无纺布样品进行氯化钠颗粒物负载试验，可以发现随测试时间的延长，过滤效率均表现出上升趋势，而压力降呈指数式迅速增加，如图2、图3所示。

负载过滤行为

无纺布负载过滤性能的变化是颗粒物沉积静电屏蔽和颗粒物过滤两者共同作用的结果，试验中发现，性能较好的聚丙烯熔喷无纺布，包括经驻极处理和消静电处理的样品，均表现出过滤效率上升的趋势，为典型的含尘滤料的非稳态过滤过程。初始过滤效率为97%的无纺布样品，经20min负载测试之后，压力降大于350Pa，已超出中美标准对吸气阻力的要求。空气过滤器用覆膜滤料，当压力降增加到1000Pa时，可通过高压脉冲反吹过程使滤料再生；而对于口罩，沉积在滤材内部的颗粒物很难吹除，且多为一次性使用，压降超过350Pa时的颗粒物负载量已达到使用极限，进一步辅证负载过滤测试时间在25min左右较为合理。

负载测试后无纺布样品测试部位明显发白，用SEM观察滤料迎尘面和背尘面的形貌（美国Phenom Pro台式扫描电镜SEM，样品喷金处理，背散射电子成像），如图4、图5所示，发现迎尘面有大量颗粒存在，含较多几微米大小的颗粒物，大部分为亚微米颗粒，背尘面大颗粒物数量较少，说明其不易穿透至滤料深层，滤料内部沉积了大量颗粒物，这也是压力降迅速增加的原因。据文献报道，油性颗粒物过滤后，滤材形貌不会发生变化[16]，无纺布可将油性颗粒物吸收，预期油性颗粒物负载测试对压力降数值影响较小，静电衰减作用有可能导致过滤效率明显下降，过滤效率增加可能性小。

R类过滤元件，要求对20个样品全部进行负载测试，邻苯二甲酸二辛酯颗粒物，检测应一直持续到过滤效率达到了最低点为止，或者持续到负载颗粒物质量为（200±5）mg，若有多重过滤元件，则按比例降低颗粒物负载量，要求所有样品的最低过滤效率测试数据均满足标准要求。

P类过滤元件的负载测试要求最高，要求对20个样品全部进行负载测试，颗粒物负载量要求如表4所示。除过滤效率外，P类元件还必须满足过滤效率带宽限定，只有两者同时满足才能判定通过测试。带宽，指负载过滤效率测试曲线上某区域（连续n个测试点）过滤效率最大值和最小值之差。

欧标过滤效率测试分为penetration test（即初始过滤效率）、exposure test（即负载过滤效率），对可重复使用的口罩还有storage test（即储存测试）。负载过滤效率测试要求检测应持续到负载颗粒物质量为120mg为止，连续记录过滤效率，以最小效率数值为实测值，采样间隔不超过5min。对于氯化钠颗粒物，如果连续5个采样点的过滤效率增加或者过滤效率连续增加5min，则可提前终止试验，判定通过测试。

对日常使用的KN类口罩，建议先检测5个样品的初始过滤效率，再检测5个样品的负载过滤效率，负载时间为25min，根据负载测试结果，决定剩下5个样品的测试方法。有一个样品不符合要求，并已确认不是因夹具泄漏引起，即可提前终止试验。KP类口罩测试可参照进行，但测试流程、负载时间、过滤效率带宽等具体细节还有待进一步研究明确。美国标准测试流程文件还提到，对于一些形状特殊的口罩样品，可能要在头模上测试或由口罩生产商提供测试夹具。中国标准要求用适当的夹具将口罩或过滤元件气密连接在检测装置上。

需要注意的是，由同样过滤材料制成的平面型和杯型口罩，假设仪器自带圆形夹具能满足气密性要求，因杯型口罩实际过滤面积大，理论上其测试压力降数值会明显降低，过滤效率略有增加。测试过程中，若口罩因气流冲击易发生变形坍塌，会影响测试结果准确性和重复性。

2.4 呼吸阻力

中美标准要求，在85L/min流量下，口罩总吸气阻力应不大于350Pa，总呼气阻力应不大于250Pa，用头模佩戴口罩样品进行测试，抽气泵用作吸气阻力测试气流，空气压缩机用作呼气阻力测试气流。欧标测试流量不同且对不同等级口罩有不同的呼吸阻力要求，如表4所示。

呼吸阻力大小决定口罩佩戴舒适性。现行标准因是工业用防尘口罩，强调防护性能，但高呼吸阻力的口罩，并不适合普通民众的日常使用，特别是老年人、体弱病者、小孩和存在呼吸系统疾病的患者，如果长时间佩戴极易因缺氧出现头晕等不适现象，严重时还会造成肺损伤，往往口罩呼吸阻力达到100Pa以上时就会呼吸困难。

呼吸阻力测试国标规定的检测方法是将被测样品佩戴在匹配的试验头模上，调整面罩的佩戴位置及头带的松紧度，确保面罩与试验头模的密合，再将通气量调节至（85±1） L/min，测定并记录阻力。简单给出呼吸阻力限定值有一定问题，因为口罩尺寸对呼吸阻力影响较大，按标准方法测试，用同样材料制成的成人款口罩其阻力测定值必定小于儿童款口罩。试验头模尺寸参考国标附录B的要求，分大号、中号和小号三种号型，但均为成年人面型，不适合儿童。此外，也无法判定试验过程中面罩与试验头模一直密合良好。按GB 19083—2010中的规定，采用仪器同时测过滤效率和吸气阻力，而对呼气阻力没有要求，也不需要用头模。建议采用未经缝制的口罩面料或将口罩剪开后铺平，并用TSI 8130或纺织品透气性测试仪测试，呼吸阻力只需改变面料放置方向即可。

对于带有呼气阀的口罩，国标中规定必须测试呼气阀气密性和呼气阀盖受轴向拉力下稳定性（注：医用防护口罩基本要求规定不应有呼气阀）。在进行过滤效率测试时，标准要求将呼吸阀完全密封防止颗粒物泄漏，问题是假若测试流量下呼气阀无法保证密封，会导致实测吸气阻力较低，而对过滤效率测试无影响。一个性能优异的口罩，必须是过滤效率高而呼吸阻力小，标准对呼吸阻力的规定，应基于同样的测试条件，才更有可比性；对不同过滤效率等级的口罩，可借鉴欧标，对呼吸阻力可有不同的要求。标准规定的呼吸阻力值是强制要求的参考值，实际使用过程中，因口罩样式、呼气阀等的不同，会有不同的佩戴舒适性，由消费者自主选择。

用TSI 8130测试平整样品，可忽略口罩样式、尺寸大小等细节，得到可横向比较的过滤效率和压力降（吸气阻力）数值，进一步可计算得到过滤品质因子（Quality Factor），数值越大代表材料过滤性能越好[12]，表5给出了部分样品数据。

在满足标准要求的基础上，可将90%～95%和95%～99.97%过滤效率区间内的口罩根据品质因子根据进行二次分级，具体数值有待大量样品测试后进行统计分析确定。品质因子也可用于指导熔喷无纺布的生产实践，如样品1虽然过滤效率不满足90%标准要求，但品质因子高于样品5和样品6，说明样品1的生产工艺优于样品5和样品6；样品2的品质因子数值最高，可改变样品克重，制备不同级别的过滤元件，也是下一步工艺参数微调的基准。

在对聚丙烯原料、熔喷参数、驻极处理等优化组合后，可得到过滤效率超过90%，而呼吸阻力在65Pa的过滤材料，说明标准对呼吸阻力的要求还有较大提升空间，不同等级过滤元件的测试流量和呼吸阻力具体数值有待进一步研究确定。

2.5 泄漏性

国标规定必须对口罩进行泄漏性（也可称作密合性）检测，要求如表6所示。

泄漏性检测要求用真人检测，选择10名刮净胡须的受试者（随弃式口罩10个样品，5个为未处理样品，5个为经温湿度预处理），其脸型应属该类产品的有代表性的使用者，并考虑面型和性别的不同，但不应包括脸型明显异常者，并记录受试者的形态面长和面宽数据。受试者在检测舱内顺序做5个动作，包括静止、左右转动头部、抬头低头、大声阅读文字、静止等，每个动作2min，模拟正常使用情况。在进行每个动作时，同时检测检测舱和口罩内颗粒物质量浓度，一般只测定每个动作最后100s时间区段域，每个动作检测5个数据，并取算术平均值作为该动作结果。

现行泄漏性/适合性测试存在的问题：采用真人测试，如果口罩密合性差，则会危害检测人员身体健康，在口罩过滤效率测试满足标准需求的前提下，建议适合性测试时采用低浓度颗粒物，满足仪器测试精度即可；建议在泄漏性测试中引入提前中断测试条款，提高检测效率；10名受试者是否有足够的代表性不知，因有男性/女性、成人/儿童、青年人/老年人、成年人有不同脸型如长脸、长窄脸、中型脸、短脸、短宽脸等[11]；不同机构的检测人员，同一机构的不同批检测人员，泄漏率测试结果可能存在偏差，没有统一的标准，容易引起口罩送检企业的争议；机构检测人员均为成年人，儿童款口罩没法检测泄漏率。

为提高测试数据可靠性和重现性，建议用头模代替真人进行测试，通过呼吸模拟器来模拟呼吸过程，通过调整呼吸量来模拟不同状态，或者用机器人仿真头模，可做不同面部动作。头模选择要有足够代表性，口罩尺寸分级也需更细致，研究表明影响口罩适合性的因素是头面部尺寸（形态面长、两耳屏点间颌下弧长）和口罩型号[12]，口罩设计应充分考虑我国人群的面部尺寸特点。中国人脸型有GB/T 2428—1998成年人和GB/T 26160—2010 未成年人[13]，应从国家层面对不同地区、不同性别、不同年龄的中国人脸尺寸进行统计分析，对标准重新修订，以符合当前实际情况，并统一设计有代表性的成年人、儿童头模，方便口罩生产企业进行呼吸防护用品的设计及第三方机构进行检测工作。口罩包装上应有详细的佩戴说明，避免消费者因佩戴方式不正确引起泄漏而起不到防护作用。鼻塞式的隐形口罩，只能防护鼻子，对嘴巴则暴露在空气中，也没有合适的过滤效率检测夹具，不建议防护使用。

2.6 其他

GB 2626—2006中还存有检测方法语焉不详问题，比如要求直接与面部接触的材料对皮肤应无害，可参考GB 18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》B类要求进行，或进行皮肤刺激性检测。医用防护口罩有微生物指标测试，要求大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等不得检出，在使用过程中，满足标准过滤要求的口罩可将细菌过滤在外[14]，但其内层需考虑是否增加杀菌性指标[15]，特别是发生如非典、甲流等传染性公共卫生事件时。

TSI 8130自动滤料测试仪，只有出厂计量证书。美国NIOSH过滤效率标准测试流程文件中提到[14]，仪器在用于检测前必须通过检测实验室的计量检定或校准，但是国内目前并没有现行相关计量规程。TSI公司提供过滤效率近100%的玻纤滤纸对仪器气溶胶浓度进行称重法测定，提供金属孔板对压力降数据准确性进行验证，用标准滤纸得到的测试数据验证颗粒物的粒径分布是否符合要求（原先采用扫描粒径谱仪测试颗粒物粒径分布）[17]，并提供了不同层数（1层到5层）标准滤纸对氯化钠颗粒物和油性颗粒物的理论过滤效率—压力降曲线与±25%允差范围，具有95%置信度。美标中推荐的标准滤纸有TSI green line filter、HE1071 grade、H&V brand、P/N 813010等，并建议检测过程中每8h分别用2层和5层green line filter对仪器进行准确性验证，但上述标准滤纸均没有标准物质证书，国内也没有机构能提供这些标准滤纸。据仪器商介绍，全球过滤效率比对试验由国外公司组织实施。其他的检测设备，如TSI 8038和TSI 8530也遇到了国内机构无法量传的问题。

3 展望

PM2.5防护口罩检测，还需从以下几个方面继续努力：

1）标准方面，基于我国国情与检测工作实践，修订现有检测标准参数，新制定差别化口罩标准，针对不同应用领域和应用场景进行细分，如日用、专用口罩等，并建立不同分类评级规则；

2）仪器方面，研发更加稳定可靠的国产检测仪器和标准滤纸，制定仪器计量校准规程；

3）检测方面，加强对油性颗粒物过滤效率检测方法和过滤行为的研究；建立更客观的检测方法，排除人为因素干扰，提高数据可比性；设计有代表性的成年人和儿童头模，提高试验数据的稳定性，杜绝对受试者的伤害；

4） 检测工作与材料研发联动，检测结果用于指导企业生产出过滤效率更高、阻力更低、舒适性更好的空气过滤材料。

[致谢：聚丙烯熔喷无纺布样品由绍兴叶鹰纺化有限公司友情提供；感谢提赛环科仪器贸易（北京）有限公司刘兴隆工程师在过滤效率检测方面的有益探讨]

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（作者单位：浙江省纺织测试研究院）