测试因素对一次性医用口罩通气阻力的影响

彭敬恩， 匡 莉

（上海金发科技发展有限公司，上海 201714）

2020年初一次性医用口罩（disposable medical masks, DMMs）等医疗资源需求加大[1]，各地涌现出一大批DMMs的生产厂商，而DMMs主要适用于普通医疗环境和日常生活中，防止微生物、体液、病菌的传播。评价DMMs性能的一个重要指标就是通气阻力，通气阻力越小则呼吸越顺畅，其直接影响使用者的舒适感；同时通气阻力与过滤效率具有相关性，口罩过滤材料的纤维密集程度越高、孔径越小，过滤效率就越好，阻力就越大[2]，需要在两者之间寻找一个平衡点。

其中DMMs通气阻力性能影响因素众多，相关文献[3-5]主要集中在设备制造、口罩过滤效率等角度；为使相关方更深入的了解口罩通气阻力的测试及影响，有效指导各生产厂商对DMMs的开发优化及生产质量保证，本文从测试设备稳定性、气体流量、样品不同位置、气流方向、预处理、测试时间6个方面展开对DMMs通气阻力性能影响的研究。

1 实验

1.1 材料和设备

ZR-1200型医用外科口罩阻力测试仪，青岛众瑞智能仪器有限公司；高低温交变湿热箱，型号KTHA-415TBS，广州庆声电子科技有限公司；二次元影像测试仪，型号YVM-3020CSPC，东莞市源兴光学仪器有限公司。

试验样品选取市面不同厂家生产的一次性医用口罩，合计4个品牌如图1所示。

图1 不同品牌的口罩

1.2 测试标准和条件

1.2.1 国内外标准

国内外标准中对于口罩通气阻力测试流量的规定，如表1所示。

表1 标准中测试流量的规定

1.2.2 测试条件

测试环境室温（18～25℃），气体流量8 L/min，测试时间15 s。

非特殊指明情况下，本文均采用上述测试条件。

1.3 计算公式

通过压差计或等效设备测定口罩两侧压差，按公式（1）计算通气阻力。

式中：ΔP试验样品每平方厘米面积的压力差值，Pa/cm2；M试验样品压差值，Pa；A试验样品测试面积，cm2。样品测试区域直径为25 mm。

2 结果与讨论

2.1 测试稳定性

选取不同厂家共计4个品牌的口罩，对口罩中部位置平行测定10次，测试结果如表2所示。

表2 测试稳定性测试结果

从表2可知，不同品牌口罩10次测定结果间标准偏差均很低，说明测试稳定性及一致性较好，因此测试本身对通气阻力影响可忽略不计。

2.2 不同气体流量对通气阻力影响

选取4个品牌的口罩，以5种气体流量对口罩中部位置进行测试，每种流量平行测定3次，取其平均值；不同气体流量测试结果如图2所示。

从图2中可知，其他条件不变，随气体流量的增加，不同品牌口罩通气阻力均有大幅上升，且均呈线性。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[6]，测试面积相同时，气体流量增加，相应的气体速度增加，物体冲量变大，阻力增加。因此，各相关方进行通气阻力测试时，应首先对测试设备的气体流量准确计量，如此能有效提高口罩通气阻力测试稳定性和比对一致性。

图2 气体流量对口罩通气阻力影响

图3 不同位置及气流方向对口罩通气阻力影响

2.3 不同位置和气流方向对通气阻力的影响

对于DMMs测试位置，各国标准规定皆不相同如表3所示。实验随机选取品牌1的口罩，测试口罩不同气流方向，且每个方向测试5个不同位置，每个位置平行测定10个样本，取平均值作为测试结果，如图3所示。

表3 各标准对口罩通气阻测试位置规定

从图3中可知，其他测试条件不变，不同气流方向通气阻力无明显差异，对两组数据进行统计学分析，t统计量等于1，小于t双尾临界值2.776 445，在置信度α为0.05的情况下，气流方向对通气阻力无影响。

图4 熔喷布不同位置放大影像对比

同样从图3可知，品牌1口罩不同位置其通气阻力有较大差异，左下部与右上部差值在6 Pa/cm2，使用二次元影像仪放大观察口罩熔喷布层如图 4所示，发现右上部熔喷布层纤维叠加更紧密、面密度更大、孔径更小[4]。这说明熔喷布布面纤维叠加不均匀，导致了口罩通气阻力在不同位置出现差异。此方面主要由熔喷布制造喷射时不稳定造成，故熔喷布制造商应在保证过滤效率的同时，可从生产工艺来考虑，提高产品的稳定性，如吹入模头的热风和抽吸风要均匀，模头整体加热要均匀等[4]；随着产品稳定性提高，不同位置间口罩通气阻力的差异必将变小，同时不同位置间通气阻力的差异也将是检验过滤材料质量的一个重要手段。各相关方在测试时，对没有位置规定的标准，建议可遵循欧标的方法，以期更准确评价口罩通气阻力性能。

2.4 预处理对通气阻力的影响

随机选取4个品牌口罩，分别测试口罩未预处理和预处理状态，测试方法和预处理条件按欧标 BS EN 14683规定，试样在（21±5）℃&（85±5）%R.H环境下调节至少4 h；测试结果汇总如图5所示。

图5 未处理和预处理对通气阻力影响

由图5可知，其他条件不变情况下，各品牌口罩经预处理后的通气阻力均与未处理试样出现偏差，但差异较小。对两组数据进行统计学分析，t统计量等于3.810 512，大于t双尾临界值3.182 446，在置信度α为0.05的情况下，差异有统计学意义，口罩预处理对口罩通气阻力具有一定的影响，据相关资料研究数据[7]发现预处理后阻力的变化可大可小，推测可能是试验口罩在预处理过程中，其过滤材料电荷变化造成口罩通气阻力的变化[4]。

针对DMMS通气阻力检测中是否进行预处理，各标准意见不一，标准BS EN 14683中规定样品需在（21±5）℃&（85±5）%R.H环境下调节至少4 h，而标准YY 0469、ASTM F2100和YY/T 0969却没有进行规定；笔者认为从另一角度看口罩在运输中一直处于长时间封闭环境，温湿度都很高，同时人在长时间佩戴时呼出气体的湿度也很高；因此DMMs预处理将是模拟上述过程检验口罩性能是否发生变化的一种有效手段。

2.5 测试时间对通气阻力影响

选取不同厂家共计4个品牌的口罩，对口罩中部位置测试，测试设备在前10 s处于流量加载状态，10 s后结果趋于稳定，最大测试时间为50 s；选择时间10、15、20、30、50 s，每个时间平行测定3次，取平均值作为测试结果如表4所示。

表4 不同测试时间通气阻力的测试结果（Pa/cm2）

从表4中可知，其他测试条件不变的情况下，测试时间变化对各品牌口罩通气阻力没有明显影响。

3 结论

本文针对 DMMS通气阻力的影响，从测试设备稳定性、气体流量、样品不同位置、气流方向、预处理、测试时间6个方面展开研究，主要结论如下：

1）气体流量对口罩通气阻力有明显影响，且随着气体流量增加通气阻力线性上升，故各相关方应对设备气体流量准确计量，以提高测试稳定性和比对一致性。

2）样品不同测试位置的通气阻力差异明显，这主要因为口罩过滤材料布面纤维叠加不均匀造成。各相关方在测试中，如对位置没有规定，可遵循欧标的方法，取5个不同区域平均值作为判定结果，以期更准确评价口罩通气阻力性能。

3）预处理对口罩通气阻力有一定影响，现有数据表明其影响程度有限。4）测试设备、气流方向和测试时间对口罩通气阻力无明显影响。