空气湿度对自吸过滤式口罩过滤性能的影响研究*

刘 飞，柳静献，陈思思，薛建伟，林秀丽

(东北大学 滤料检测中心，辽宁 沈阳 110004)

0 引言

人类工业过程与自然活动产生了大量的可吸入颗粒物，这些颗粒物能够长时间悬浮在空气中。当人体长期暴露于颗粒物浓度较大的场合，会使人患上一系列疾病，从而导致寿命的缩短。颗粒物的粒径越小，对人体的危害越大[1-3]。

目前，控制细颗粒物的主要途径为工程治理[4]，但在一些作业场合，因为粉尘治理技术或者管理的缺陷，致使颗粒物浓度较大；另外，随着大气雾霾的加重，一些城市的空气质量指数(AQI)爆表[5]，人们的生活空间也受到了一定的威胁；在以上情况下，人们有必要佩戴防护口罩阻挡颗粒物进入人体。

自吸过滤式防护口罩(以下简称口罩)是目前佩戴最广的防护用品，KN90，KN95为2个常见系列，其核心过滤材料为熔喷聚丙烯静电布。口罩过滤性能的评价主要依照GB2626-2006《呼吸防护用品—自吸过滤式防颗粒物呼吸器》[6]，对其呼吸阻力、过滤效率、泄漏性等关键指标进行试验。

口罩的呼吸阻力对佩戴者的舒适度、过滤效率、泄漏率产生较大的影响[7-10]。GB2626-2006对KN系列口罩过滤效率的检测尘源为中位径为0.26 μm的NaCl单普气溶胶，但人员在佩戴口罩的过程中面对的为粒径分布范围较广的气溶胶颗粒，目前针对佩戴口罩时所产生的热湿气流对其过滤效率影响的研究以及围绕国内外KN系列口罩的过滤效率与阻力进行系统综合的研究非常少，因此本文以市场上所售KN系列防护口罩为研究对象，对其呼吸阻力、不同粒径颗粒的分级过滤效率、湿度对过滤效率的影响等进行实验研究与分析，以期为人们理性选择口罩或相关企业改善口罩性能提供参考。

1 实验方案

1.1 实验样品

KN90系列样品为国外品牌M、国内品牌BK、国内品牌KT，依次编号为A，B，C；KN95系列样品为国外品牌M、国内品牌HT、国内品牌CM，依次编号为D，E，F；以上口罩均不带呼吸阀。呼吸阻力与效率实验中，每种口罩分别随机选取同一批次6个测试样品，所有样品均满足GB2626-2006的规定。以上6种口罩都是由无纺布与熔喷聚丙烯静电材料叠加而成，熔喷聚丙烯静电布的纤维平均直径依次为2.9，2.7，2.8，3.7，3.3，2.3 μm。各个口罩的熔喷静电布的电镜扫描图及纤维直径分析见图1。

图1 纤维直径分布与SEMFig.1 Fiber diameter distribution and SEM diagram

1.2 实验装置

呼吸阻力的实验采用GB2626—2006所建议的实验装置，如图2所示。

图2 呼吸阻力实验装置Fig.2 Respiratory resistance experimental device

不同空气湿度条件下的分级过滤效率实验装置如图3所示。

1-抽气泵； 2-转子流量计； 3-粒子计数器； 4-湿度传感器； 5-实验材料(平板型口罩滤材) ； 6-不同湿度的气流图3 分级计数效率实验装置Fig.3 Experimental device of Fractional count efficiency

1.3 实验方法

呼吸阻力实验中，根据人员在不同劳动程度下的呼吸流量不同，选取流量为15，20，30，50，70，85 L/min，即0.9，1.2，1.8，3.0，4.2，5.1 m3/h。首先，测出在不同流量下，吸气或者呼气时，系统空载时的平均阻力P1；然后，在人头模型上配戴好被测样品，测出平均阻力P2，则被测样品的呼气或者吸气阻力P=P1-P2。

分级过滤效率实验中，实验材料为平板型口罩滤材，以大气尘作为尘源(粒径分布以及粒子数量浓度分别如图4和表1所示)，管路中通入不同湿度的气流，模拟人呼吸时产生的湿气流，气体流量为0.86 m3/h，过滤面风速为0.14 m/s,湿度传感器实时监测管路中气流的相对湿度值，分别在温度为16℃、相对湿度为30%，60%，80%时，用TSI9306粒子采样器(工作温度为5～35℃，湿度为20%～95%，采样流量为2.83 L/min，采样重叠误差<5%，各粒径范围内的采样数量上限为2 000 000 Particles/ft3)分别测出上游与下游的空气动力学直径在0.3～<0.5，0.5～<1，1～<2.5，2.5～<5， 5～<10和≥10 μm这些范围的颗粒数N1，N2，则各个粒径范围内的计数效率η为：

(1)

图4 大气尘源的粒径分布Fig.4 Particle size distribution of atmospheric dust sources

粒径/μm浓度/(Particles·ft-3)0.3～<0.5309440～3098900.5～<133541～33678≥14371～4390

2 实验结果分析与讨论

2.1 呼吸阻力实验

A，B，C，D，E，F口罩的呼吸阻力实验结果如图5和图6所示。

图5 KN90口罩的呼吸阻力Fig.5 Respiratory resistance of KN90 respirator

口罩的吸气阻力与呼气阻力随着呼吸流量的增加而线性增加，且同一流量下，同一口罩的吸气阻力大于呼气阻力，并且随着流量的增加，吸气阻力与呼气阻力的差值也呈现逐渐增大的趋势。这是因为在佩戴口罩吸气时，系统处于负压状态，吸气流量越大，口罩与人脸贴合越为紧密；而当呼气时，系统处于正压状态，呼气流量越大，口罩与人脸贴合越不紧密，出现较多漏气处；导致吸气阻力与呼气阻力的差值逐渐加。

图6 KN95口罩的呼吸阻力Fig.6 Respiratory resistance of KN95 respirator

GB2626-2006规定：口罩在85 L/min流量下，口罩的吸气阻力<350 Pa，呼气阻力<250 Pa。实际上，人在佩戴口罩时，当阻力达250 Pa时，人就会产生头晕缺氧等不适感，老人与儿童更为明显，为了提高舒适性的要求，口罩阻力应低于150 Pa[11-12],国标对口罩呼吸阻力的要求限值较高。本实验所研究的KN90，KN95系列口罩在85 L/min(5.1 m3/h)流量下，A，B，C口罩的吸气阻力均小于100 Pa，呼气阻力小于40 Pa；D，E，F口罩的吸气阻力小于120 Pa,呼气阻力小于65 Pa；本文所研究的6种口罩的呼吸阻力不仅比国标要求的限值小很多，而且满足人员佩戴时舒适性的要求。

2.2 不同空气湿度下分级效率实验

KN90系列A，B，C口罩与KN95系列D，E，F口罩在0.14 m/s的风速下，不同空气湿度条件下计数效率实验结果如图7～图12。

图7 A口罩的不同湿度下的分级效率Fig.7 Fractional count efficiency of A respirator under different relative humidity

图8 B口罩的不同湿度下的分级效率Fig.8 Fractional count efficiency of B respirator under different relative humidity

图9 C口罩的不同湿度下的分级效率Fig.9 Fractional count efficiency of C respirator under different relative humidity

图10 D口罩的不同湿度下的分级效率Fig.10 Fractional count efficiency of D respiraor under different relative humidity

由图7～图12可知，A，C，D，E，F口罩在同一风速下，气流相对湿度的增加对各个粒径范围内颗粒的过滤效率的影响较小，C，E，F口罩在气流湿度增加时，对1～5 μm颗粒物的过滤效率增加，但非常小，原因有可能是高湿气流产生的水雾附着在口罩材料表面，使其对大颗粒物的捕集能力增强或者是实验误差所致；B口罩在气流相对湿度为30%时，对0.3～<0.5，0.5～<1 μm颗粒的计数效率分别为91.74%，97.11%；当气流相对湿度为60%时，对0.3～<0.5，0.5～<1 μm颗粒的计数效率分别降为88.23%，95.48%；当气流湿度继续增加为80%时，对0.3～<0.5，0.5～<1 μm颗粒的计数效率下降更为明显，分别降为71.56%，90.58%；气流湿度的增加对粒径为1 μm以上的颗粒计数效率基本无影响。E口罩在气流相对湿度分别为30%与60%时，气流湿度对其计数效率无影响；当气流相对湿度为80%时，对0.3～<0.5，0.5～<1 μm颗粒的计数效率从98.40%，99.21%降为94.89%，97.76%。

图11 E口罩的不同湿度下的分级效率Fig.11 Fractional count efficiency of E respirator under different relative humidity

图12 F口罩的不同湿度下的分级效率Fig.12 Fractional count efficiency of F respirator under different relative humidity

口罩对颗粒物的捕集主要依赖拦截、静电、惯性、扩散、重力作用。A，C，D，F口罩在不同湿度条件下对不同粒径颗粒物的捕集性能基本没有变化，与其本身结构较为致密、静电保持能力较强或者动态疏水性能较好有关。B，E口罩对1 μm以下颗粒的过滤效率与气流相对湿度有关，而1 μm以上颗粒物不受其影响，这主要是因为随着空气湿度的增加，根据以下海尔公式[13]可知：

lgRS=-nlgM+lgK

(2)

lgThl=A×lgRS-B

(3)

式中：RS为表面电阻；M为纤维含水率；n，K为常数；Thl为衰变速率常数；A，B为常数。

由于B，E口罩的动态疏水性能或者纤维静电保持能力相对较差，当纤维过滤材料处在相对湿度较大的环境中时，其表面电阻较小，电荷量的衰减也比较快，导致B，E口罩静电量的损失，使其主要依靠静电吸附作用捕集细颗粒物的能力减弱或消失；而对大颗粒物的捕集主要依靠拦截、惯性、重力作用，气流相对湿度对其基本无影响。

3 结论

1)本文所研究的KN90，KN95系列口罩的核心过滤材料为熔喷聚丙烯静电布，其纤维平均直径均小于4 μm。6种口罩的呼气阻力与吸气阻力能够较好地满足GB2626-2006对呼吸阻力的要求。

2)以环境气溶胶颗粒作为实验尘源，近似于口罩使用的实际情况；6种口罩对不同粒径颗粒的过滤效率随着粒径的增大而增大；气流相对湿度主要影响B，E口罩对1 μm以下颗粒的过滤效率，对1 μm以上颗粒物的过滤效率无影响。

3)呼吸阻力与过滤效率是考查口罩性能的2个重要指标。国产KN90，KN95系列口罩性能优良，但相比国外知名品牌，在静电保持能力上依旧存在差距。建议相关企业从改善口罩的立体结构，驻极工艺等角度出发，使其更加符合国人的颜面特征，佩戴更为舒适，口罩材料的静电保持更加稳定，进一步提高国内个体防护产业的竞争力。

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