口罩过滤效率检测用颗粒物粒径的换算和标准比对

杨小兵， 程 钧， 张守鑫， 姚 红， 陆 林， 丁松涛

(1. 军事科学院防化研究院 国民核生化灾害防护国家重点实验室， 北京 100191； 2. 雾霾健康效应与防护北京市重点实验室， 北京 100191； 3. 中钢集团武汉安全环保研究院有限公司， 湖北 武汉 430081； 4. 3M中国有限公司， 北京 100176)

在生活及工作场所中，防颗粒物呼吸器或防尘口罩用于粉尘、烟尘、雾或雾霾等各种在空气中悬浮的颗粒物的呼吸防护，减少呼吸性粉尘在肺脏内的沉积，实现预防尘肺病或减小颗粒物对人体的伤害的目的[1]。此次爆发的新型冠状病毒肺炎，从病毒传染途径的本质上来讲，是病毒负载在颗粒物上，通过飞沫或气溶胶的形式传播而导致了疾病的扩散[2]，因此，其防护的核心在于颗粒物防护。只有切实做好颗粒物防护，才能真正保障广大人民群众的身体健康和生命安全。

颗粒物防护中，防护材料或口罩的过滤效率是核心的技术指标，因此，各国的呼吸器标准中通常会用具有代表性的颗粒物模拟呼吸性粉尘，即采用最易穿透防护材料的颗粒物，测试呼吸器产品的过滤效率[3]。GBZ 2.1—2007 《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分:化学有害因素》规定，呼吸性粉尘是指空气动力学粒径(da)小于7.07 μm的颗粒物，然而da并不是显微镜下观察到的颗粒物的物理直径。为正确理解颗粒物粒径的相关概念，正确、科学评价防颗粒物呼吸器(通常称为防尘口罩、口罩)的过滤效率，本文详细介绍了颗粒物粒径的描述方法，不同颗粒物粒径的换算方法，对比分析了国内外主流防颗粒物口罩标准中过滤效率测试所用颗粒物尺寸，结合颗粒物粒径的换算探讨了煤矿粉尘防护口罩标准中过滤效率检测方法存在的不足，并对口罩典型材料的过滤效率与阻力进行测试与讨论。

1 颗粒物粒径的描述方法

对颗粒物大小的描述，通常以粒径及其分布来表述。颗粒物的粒径(dp)及其分布，不是为了区分单个粉尘或微粒的大小，而是对一个“群体”的颗粒物粒径分布进行规范的描述。无论是悬浮在空气中的粉尘，还是能进入呼吸道乃至肺脏内的微粒，或是根据标准要求，特别为过滤效率测试而制备的颗粒物，都是由不同粒径的微粒组成，粒径的大小分布往往呈现一种偏的拖长尾的状态，长尾位于大颗粒一侧，典型的颗粒物粒径分布[4]如图1所示。

图1 典型的颗粒物粒径分布Fig.1 Typical particle size distribution

颗粒物的来源不同，质地不同，发生的方法不同，或存在于不同的场所，其粒径分布都会发生变化，甚至同一区域的颗粒物在不同时间、不同温湿度条件下粒径分布都会发生变化，逐一识别和测量很困难。然而大量研究表明，观察到的颗粒物的粒径分布与其对数正态分布很吻合，而用对数正态分布就可在数学上方便地处理粒径分布问题[4]。

根据正态分布规律，均值和中位数是相同的。对图1中的dp取对数后，lndp会呈正态分布，如图2 所示。那么其几何均值(exp(a))所对应的就是dp的中位数。假如图1中的纵坐标代表各个粒度下颗粒的数量，即计数的分布，就可以用图1中的几何均值，获得计数中位径(CMD)，比CMD大的颗粒占总数量的一半，比之小的占另一半。几何标准偏差exp(σ)描述的是颗粒物分布的离散性，即其他粒径颗粒的数量偏离CMD的距离，几何标准偏差越大，分布越显得分散，即图1中的长尾会越长。

图2 取对数后的颗粒物粒径分布 Fig.2 Particle size distribution after logarithm

所有的防尘或防颗粒物呼吸器产品的标准，都会选择具体尺寸大小的颗粒物来评价过滤效率。在GB 2626—2006《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中，对测试非油性颗粒物(KN)过滤元件的氯化钠(NaCl)颗粒物和测试油性颗粒物类(KP)的邻苯二甲酸二辛酯(DOP)颗粒物的粒径有如下规定。NaCl颗粒：CMD为(0.075±0.020) μm，粒度分布的几何标准偏差(GSD)不大于1.86；DOP颗粒： CMD为(0.185±0.020) μm，粒度分布的GSD不大于1.60。

2 颗粒物粒径的换算方法

CMD是颗粒物的物理直径，不是空气动力学粒径(da)。da通常定义为当一个微粒在静止空气中的沉降速度等于某个球形、密度为1 000 kg/m3的颗粒(即水雾滴)时，其da就是该水雾滴的球直径。斯托克斯等效球径(ds)也是一个与之相关的概念，易与da混淆。ds是一个与不规则颗粒具有相同密度和沉降速度的球形颗粒的直径[4]。不规则微粒的物理直径与ds和da的关系如图3所示。可以看出，微粒密度和形状都会影响沉降速度，因此，将物理直径换算为da时，要考虑这2个因素的影响，在换算过程中形状的影响体现为形状系数。而使用da的意义在于da相同的颗粒物在呼吸道内有相同的沉降部位，在过滤时过滤效率也一样；面对现实中的颗粒防护，并不需要知道其实际的形状、密度和大小，只要知道其da即可。

图3 不规则微粒的物理直径和ds、da的关系Fig.3 Relationship between physical diameter of irregular particles with ds and da

将CMD换算为da需要2步。第1步，用式(1)将CMD先换算为质量中位径(MMD)，也就是将图1中的纵坐标从数量分数转换为质量分数，因为测试过滤效率时只计算颗粒物的质量浓度(g/m3)，而非数量浓度(个/m3)[4]。

MMD=CMDexp(3ln2σg)

(1)

式中：σg为CMD的几何标准偏差，也是质量分布下的几何标准偏差，这是符合对数正态分布的一个特点。将GB 2626—2006中对应的参数代入式(1)得到：

MMDNaCl=(0.075±0.020)exp(3ln21.86)=

(0.175～0.302) μm

MMDDOP=(0.185±0.020)exp(3ln21.60)=

(0.320～0.398) μm

第2步，用式(2)将MMD换算成da，即空气动力学质量中位径(MMAD)[5]：

(2)

从式(2)可以看到，密度ρ和形状系数χ都在发挥作用。其中水的密度ρ0为1 000 kg/m3，NaCl的密度ρ为2 200 kg/m3，DOP的密度为985 kg/m3；微粒越接近球形(如液态DOP颗粒)，χ越接近于1，NaCl近似立方体，则χ为1.08[4]。将这些参数代入式(2)可得：

换算结果显示，NaCl和DOP的MMAD值均比较接近0.3 μm，纳米级的CMD换算到da，数值就提高了近一个数量级。按照空气动力学粒径da来衡量，在质量分布中，占总质量一半的微粒的da大于0.3 μm，另一半小于0.3 μm。空气动力学粒径(da) 为0.3 μm的颗粒物，也称之为最具有穿透性的颗粒物粒径(MPPS)[5]。研究证明，在不同过滤机制作用下，各类过滤材料均对某个粒径范围的微粒呈现最低效率，即MPPS对各类过滤材料的穿透力最强。虽然随着过滤材料种类和过滤面速度的不同，MPPS会有一些变动，但通常都会非常接近0.3 μm[3, 5-6]。 这就是防颗粒物呼吸器使用0.3 μm颗粒物测试过滤效率的由来。可以看出，采用MPPS测试过滤效率的好处是，只要实验室测试过滤材料对MPPS的过滤效率达到某个水平(如95%)，就能预测其在实际使用时的过滤效率不会低于该水平，使产品选用重点可集中在GB/T 18664—2002 《呼吸防护用品的选择、使用与维护》中规定的面罩密合和使用方法方面。所以，世界范围内绝大多数国家的防颗粒物呼吸器标准中，都使用MMPS测试产品的过滤效率，具体情况如表1所示。

3 对煤矿粉尘防护适用性的争论

关于符合GB 2626—2006的产品是否适合煤矿粉尘防护的争论，是从2010年前后开始的，有代表性的是2011年发表的文章[7]认为：从职业卫生学上来说，7 μm以上的粉尘对人体不构成危害；0.3 μm 以下的粉尘由于质量轻，不易沉降，在人的呼吸气流带上，随着人的呼吸运动进去出来，对人体危害也不

表1 世界各国防颗粒物呼吸器标准中过滤效率测试用颗粒物特性统计Tab.1 Statistics of particle specification used for particle filter efficiency test in worldwide standards

大；而1～5 μm的粉尘对人危害最大，吸入后不易排出体外，防尘口罩重点是要防这类致病粉尘。现行的强制性国家标准GB 2626—2006中将呼吸防护用品的防护范围由粉尘扩大到粉尘、烟、雾和微生物等，是对职业有害因素的全面考虑，但由于粉尘、烟、雾和微生物属性不同，用一个标准包含全部，针对性不强。该认识最终导致一些新的针对某类作业场所粉尘的防尘口罩标准的出台，如DB 52/T 743—2012 《金属冶炼行业 自吸过滤式防尘口罩》等，其中最有代表性的是AQ 1114—2014《煤矿自吸过滤式防尘口罩》。

AQ 1114—2014起草者解读标准[8]如下：该标准中过滤效率的检测采用双尘试验方法，检测介质采用实体尘，即煤尘和矽尘，二者的质量比为1∶1。其中煤尘采用煤质程度较高且危害较大的无烟煤尘，其中游离SiO2含量小于10%，真密度为(1 400～1 600) kg/m3，计数中位径(CMD)为(1.3±0.2) μm， 粒度分布的几何标准偏差不大于2.20。矽尘采用游离SiO2，SiO2含量大于或等于95%，真密度为(2 300～2 600) kg/m3，计数中位径(CMD)为(1.3 ±0.2) μm，粒度分布的几何标准偏差不大于2.20。以上粒度符合煤矿作业场所煤尘和矽尘的实际分布特征。

AQ 1114—2014同样使用CMD和几何标准偏差来定义粉尘的粒度分布，因此，可利用式(1)、(2)将测试粉尘的CMD换算为MMAD，其中煤尘的形状系数χ可取(1.05～1.11)，SiO2的χ取1.36[4]，则

MMD煤尘、矽尘=(1.3±0.2)exp(3ln22.2)=

(7.10～9.68) μm

MMAD煤尘=(7.10～9.68)×

(7.98～12.0) μm

MMAD矽尘=(7.10～9.68)×

(9.2～13.4) μm

换算结果显示，表面上AQ 1114—2014虽然选择了微米级的粉尘来测试过滤效率，一旦换算成da，数值增加了一个数量级，中位径就已超出呼吸性粉尘的上限，如图4所示。经过上述计算得出的AQ 1114—2014 的粉尘粒径分布，是与标准解读中对呼吸性粉尘代表性的有关说明，和标准适用于煤矿行业防御呼吸性煤尘和矽尘防护的规定不相符，说明如果对颗粒粒径概念的理解或应用错误，就会产生巨大的偏差。

图4 AQ 1114—2014用于测试防尘口罩过滤效率的粉尘粒径分布示意图Fig.4 Dust particle size distribution diagram used by AQ 1114—2014 to test filter efficiency of dust mask

呼吸性粉尘在呼吸道内不同区域(包括鼻、喉、气管、支气管和肺脏)的沉积特点是不同的。在大气环境中的极小微粒，由于沉降距离大，确实难以沉降，但如果进入肺组织内部，沉降距离就被大大缩短，小微粒也容易沉降。国际辐射防护委员会(ICRP)建立的模型显示，在肺泡内沉降的微粒有2.5和0.1 μm 这2个粒径峰值，而0.1 μm粒径的沉降率会更高[4,9]。我国分析粉尘粒度的标准方法在GBZ/T 192.3—2007 《工作场所空气中粉尘测定 第3部分：粉尘分散度》中明确规定为光学显微镜法，受分辨率限制，光学显微镜下1 μm以下的粉尘是观察不到的[10]，这使许多人误以为粉尘都是大于1 μm的颗粒，但在扫描电镜下能观察到更微小的粉尘[11]，且显微镜下测出的粒径与da有本质区别。

粉尘质量与粒径的三次方成正比[4]，1颗10 μm 粉尘可抵得上1 000颗1 μm或100万颗0.1 μm 微粒的质量，因此，用粗粉尘测试防尘口罩过滤效率易得到高效率的结果，但现实中遇到细小微粒，过滤效率会明显下降，失去安全保障。AQ 1114—2014 选择有代表性的粉尘来测试效率，是一个陈旧的思路，技术上早已落伍，因为要制备足够微小的粉尘，难度很大，测试中粉尘易黏结，很难均匀分散，方法准确性大打折扣，无法有效区分产品质量，且把高浓度的高毒粉尘(高纯度游离二氧化硅粉尘)用于实验室测试，会存在健康隐患。随着气溶胶的产生和实时测试技术的飞速发展，目前世界各国都在使用这种测试技术和方法用于呼吸防护用品过滤效率测试[12]，随着GB 2626—2006的实施，这种方法早已在我国得到普及。

4 口罩材料过滤效率试验评估

新型冠状病毒颗粒呈圆形或椭圆形，直径在60～140 nm， 由于病毒无法独立存在，其传播途径以呼吸道飞沫和密切接触传播为主。在相对封闭的环境中，长时间暴露于高浓度气溶胶情况下存在经气溶胶传播的可能[2]。一般而言，病毒附着在飞沫上进行传播，大于10 μm的飞沫多数会通过重力沉降飘落，直径低于10 μm的颗粒物以气溶胶的形式存在于空气中。为有效避免疫情的传播，保护医护人员和广大公众的人身健康与生命安全，一次性医用口罩、医用外科口罩、医用防护口罩以及颗粒物防护口罩应用广泛。从全国各地抽调援助湖北的4万多医护人员无一例感染，充分体现了个人防护装备作为保护人体健康最后一道防线的重大意义，尤其是作为呼吸防护装备——口罩的主要作用就是阻断病毒入侵呼吸系统，意义和作用重大。

口罩发挥其重要的防护功能，主要体现在总泄漏率和过滤效率2个技术指标上。在核心技术指标过滤效率的测试中，GB 2626—2006和GB 19083—2010《医用防护口罩技术要求》均采用MMAD为0.3 μm左右、最易穿透粒径的颗粒物来进行评价，对于粒径小于0.3 μm的冠状病毒，实际应用场景中的过滤效率会大于标准条件下测试所得的过滤效率。口罩过滤性能的优劣主要取决于口罩中间的关键防护材料驻极熔喷非织造布。驻极熔喷非织造布是口罩中间的过滤层，可过滤细菌、病毒等病原微生物，阻止其传播，是以高熔融指数的高分子聚丙烯为材料，纺制成纤维以随机方向层叠而成的膜，纤维直径范围为0.5～10 μm，大约有头发丝直径的三十分之一[13]。当带有病毒的飞沫颗粒物与熔喷非织造布纤维接触后，主要通过拦截效应、惯性沉积、扩散效应、重力效应和静电效应5种机制实现对病毒颗粒物的过滤。影响纤维材料过滤效率的主要因素有4个：颗粒物粒径、空气流速、过滤材料纤维直径和空隙率。一般而言，纤维直径越小，填充越均匀、越紧密，过滤的粒子直径越小，过滤效率越高，但阻力越大，过滤效率与纤维直径的关系如图5[14]所示。

图5 过滤效率与纤维直径的关系Fig.5 Relation between filter efficiency and fiber diameter

考虑到目前市场上多数口罩，尤其是医用外科口罩，为提高过滤效率采取多层叠加或增加滤料厚度的方式进行加工生产。为此，本文选取一种参加国际多家实验室比对试验的过滤材料，以叠加的方式，按照GB 2626—2006中6.3规定，采用油性颗粒物DOP考察了不同过滤材料层数对过滤效率、阻力的影响，试验结果如表2所示。

表2 口罩材料叠加层数对过滤效率、阻力的影响Tab.2 Effects of different layers filtering materials on filter efficiency and air resistance

结合表2测试结果和图5可以看出，采用同样的过滤材料，增加其纤维叠加厚度或层数，可提高材料的过滤效率。同样地，在同样的厚度情况下，增加过滤材料的面密度，减小过滤材料的空隙率也能够提高过滤材料的过滤效率，但其阻力通常会增大[15]。如表2所示，采用该类过滤材料在5层叠合使用时，过滤效率能够满足GB 2626—2006 KP90过滤材料的要求，6层叠合使用时才能满足GB 2626—2006 KP95过滤材料的要求，过滤效率要满足GB 2626—2006 KP100要求，则需要叠合15层使用。虽然满足了过滤效率的要求，但所有的使用方式都无法满足GB 2626—2006对口罩产品的阻力要求，因此，制备质量合格的口罩核心过滤材料驻极熔喷非织造布，如何平衡其过滤效率与阻力是需要重点突破的科研方向，这也是目前多数新投产熔喷非织造布生产企业需要解决的重要技术难题之一。

5 结束语

解决煤矿尘肺病高发和新冠病毒个人防护用品正确使用的问题，均是我国职业卫生工作的重点任务，但必须认清问题的本质。首要因素仍是许多高危接尘作业场所，如煤矿作业场所、新冠病毒重症监护病房等普遍缺乏有效工程控制，高危颗粒物浓度持续偏高，呼吸防护无法单独起效，可导致口罩寿命明显缩短，更谈不上任何佩戴的舒适性[12]。这些问题在这次新冠疫情医护人员防护口罩的选配和使用过程中体现更为突出。尤其是作为颗粒物防护的医用防护口罩，实际上在颗粒物防护呼吸器系列产品中，只是最低级别的防护手段。可以看出，无论是管理者、广大公众，还是医护人员，在呼吸防护用品的选择、使用方面上对相关科学知识的了解存在不足或误区。寻求问题解决的出路，首先要理清基本的科学概念，正本清源，而不能混淆基本概念，选择错误的防护材料、技术或产品，会导致严重的后果，这应被充分认识和纠正。通过本文介绍的颗粒物粒径分布的概念及有关的换算方法，供专业技术人员应用，避免标准的误读和误用，这对于科学验证过滤效率测试用颗粒物的代表性，深入理解不同技术的适用性，提高不同标准之间的可比性，都具有重要的意义。此外，通过分析过滤材料结构特性与其过滤效率、阻力之间的相互影响，为口罩核心过滤材料熔喷非织造布将来的科研方向提供了参考性建议。

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