日常防护型口罩结构分析及性能研究

李龙飞 邵灵达 林平 祝成炎 丁圆圆 田伟

摘 要：为了研究口罩结构参数对过滤性能及透气透湿性能的影响，对8种日常防护型口罩内层、过滤层及外层的结构参数进行分析，并对其透气透湿性能、过滤性能进行测试和表征。结果表明：过滤层结构参数对过滤性能的影响权重从大到小依次为：纤维直径、平均孔径、孔隙率，且随着纤维直径的减小，口罩的过滤性能呈增大趋势;口罩整体的透气性能主要受口罩内层影响，且随着口罩内层透气性能的增大，整体透气性能呈增加趋势;口罩整体的透湿性能主要受过滤层影响，且随着过滤层透湿性能的增大，整体透湿性能呈增加趋势。

关键词：日常防护口罩;结构参数;过滤效率;舒适性能;复合结构层

中图分类号： TS177

文献标志码：A

文章编号：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

隨着社会对个人安全防护的逐渐重视，以及SARS、禽流感、COVID-19等呼吸道传染疾病的流行，人们对自身的安全防护问题也越来越关注[1]。日常防护型口罩是指一种在日常生活中广泛使用，起到过滤进入人体肺部空气作用的自吸式过滤呼吸器[2]。口罩作为日常防护用品，它的防护效果及佩戴的舒适性是当今人们密切关注的问题[3]。

口罩的防护效果主要利用过滤效率来表征[4]，舒适性主要通过透气性、透湿性等指标来表征[5]。针对口罩的过滤性能，国内外学者分别研究了纤维直径[6]、孔隙结构 [7]、孔隙形状[8]、孔径[9]及孔径分布[10]等过滤材料的结构参数与过滤效率的关系。针对口罩的舒适性能，陈美玉等[11]从透气透湿性对市场上具有代表性的10种口罩进行了舒适性的研究，发现功能性口罩的过滤性能普遍较好，舒适性相对较差，纱布口罩过滤效果较差，透气透湿性能较好。冯强强[12]从材料的透气透湿性、接触舒适性出发，通过合理的组织设计，开发出一种新型舒适性医用口罩材料。

从上述文献可以看出，针对口罩性能的研究主要为过滤性能和舒适性能两方面。针对目前口罩舒适性能与过滤性能之间较难平衡，单层舒适性能研究较少的问题，从市场上收集了具有代表性的8种口罩并对其复合结构层进行分析，发现目前口罩多为三层结构（内层、过滤层、外层）如图1所示，通过对口罩各层结构参数进行分析，并对口罩整体的过滤效率及各层的透气率和透湿量进行测试，最后通过多元回归、双变量及偏相关等方法对口罩各层结构参数与过滤性能、舒适性能的关系进行了研究，期望得出口罩结构参数与口罩过滤性能及舒适性能的关系，以期为更优异过滤性能与舒适性能的口罩设计提供参数借鉴。

1 实 验

1.1 实验材料

实验样品为市场上收集的具有代表性的8种不同类型的日常防护型口罩，各口罩过滤层均为聚丙烯熔喷非织造材料。口罩样品实物如图2所示。

1.2 实验仪器

AL204-IC型电子天平（梅特勒-托利多（上海）有限公司）;YG（B）141D型数字式织物厚度仪（温州方圆仪器有限公司）;CFP-1500AE型毛细管流动孔径测试仪（美国PMI公司（中国））;TSI8130型自动滤料测试仪（美国TSI集团中国公司）;YG461E-Ⅲ全自动透气量仪（宁波纺织仪器厂）;YG601-Ⅰ/Ⅱ型电脑式织物透湿仪（宁波纺织仪器厂）;JSM-5610型扫描电子显微镜（日本电子株式会社）。

1.3 性能测试

1.3.1 平方米质量和厚度测试

平方米质量参考GB/T 4669-2008《纺织品 机织物 单位长度质量和单位面积质量的测定》进行测试;厚度参考GB/T 3820-1997《纺织品和纺织制品厚度的测定》进行测试。为了减小试样厚度和平方米质量不均匀造成的测试误差，对每个试样进行10次不同位置的测试，再通过计算获得平均平方米质量和平均厚度。

1.3.2 纤维直径和孔径测试

纤维直径很难直接测量，采用Image J软件对过滤层扫描电镜拍摄的纤维进行测量，得到纤维直径的大小及其分布。通过对每个试样中50个不同位置处的纤维直径进行测量，计算获取平均值。

孔径参考GB/T 21650.2-2008《压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙度 第2部分：气体吸附法分析介孔和大孔》，对每个试样的5个不同位置进行测试，取平均值以减少测试误差。

1.3.3 孔隙率的计算

孔隙率按照计算式（1）进行计算[13]：

n=1-Mρ×δ（1）

式中：n为孔隙率，%;M为单位面积质量，g/m2;ρ为原材料体密度，g/m3，已知丙纶的密度为0.91g/cm3;涤纶的密度为1.39g/cm3;真丝的密度为1.3g/cm3;δ为材料厚度，m。

1.3.4 过滤性能测试

参考GB/T 32610-2016《日常防护型口罩技术规范》对口罩的过滤效率进行测定，气体流量为85L/min，氯化钠气溶胶数量中值直径为0.075μm，每种试样测试5次，取平均值。

1.3.5 孔隙率的计算采用JSM-5610型扫描电子显微镜对纤维网结构进行观察

采用Image J軟件对非织造布扫描电镜照片进行测量，得到纤维直径大小及其分布。

1.3.6 透气性及透湿性测试

参考GB/T 5453-1997《纺织品织物透气性的测定》，对织物的透气性进行测定，试样面积为20cm2，压差为100Pa，每种试样测试10次，取平均值。

参考GB/T 12704.1-2009《纺织品 织物透湿性试验方法 第1部分：吸湿法》，对织物的透湿性进行测定，试样直径70mm，温度（38±2）℃，相对湿度90%±2%，每种试样测试3次，取平均值。

1.4 口罩内层、过滤层及外层的结构参数分析

对8种日常防护型口罩内层、过滤层及外层结构进行分析，得到其基本结构参数见表1。

2 结果与分析

2.1 过滤层结构参数对过滤性能影响的分析

实验所测口罩的过滤层结构参数和过滤效率见表2。

为了对各结构参数对过滤效率的综合影响及影响权重进行更好的研究，先进行了MIN-max标准化数据处理，使各变量的量纲相同[14]，标准化后的数据见表3。

经SPSS多元回归分析，回归方程为y′=1.07-0.98x1′-0.26x2′-0.16x3′，显著性检验统计量F=268.00>F0.05（3，4）=6.59，显著性系数sig=0.00则模型中自变量的联合作用能够显著影响因变量，该模型在统计学中有意义。拟合优度R=0.99（接近1），即该模型拟合较好。由于标准回归系数能比较可靠地反映出自变量对因变量的贡献大小[15]，结合上述变量对应的系数按绝对值大小依次为：-0.97、-0.28、-0.17，可得出上述3个因素对过滤效率的影响权重从大到小依次为：纤维直径、平均孔径、孔隙率。过滤效率与纤维直径存在负相关，与平均孔径存在负相关，与孔隙率存在负相关。

纤维滤料的过滤原理主要包括布朗运动、拦截、惯性撞击、静电吸附、沉降作用[16]，口罩防护过程中起主要过滤作用的是拦截、惯性撞击和静电吸引沉积。随着滤料纤维直径、平均孔径和孔隙率的减小，过滤纤网三维结构的复杂性及过滤通道的弯曲程度逐渐增大，使微粒通过过滤层时更容易被吸附、捕捉及碰撞而被过滤，从而有效地提升口罩的过滤性能。

2.2 口罩内外层结构参数对舒适性能影响的分析

实验所测口罩内层及外层的透气率和透湿量如图3所示。

织物透气性决定于织物的经纬纱线间以及纤维间空隙数量与大小，即与经纬密度、经纬纱线特数因素有关，还与纤维性质、纱线结构、织物厚度和体积重量等因素有关[17]。由表1可知，织物厚度、平方米质量与经纬密度和经纬纱特数密切相关。对口罩内外层的透气率与厚度、平方米质量进行相关性分析，结果显示厚度与透气率的显著性水平为0.337>0.05，相关系数为-0.257，可得出两者之间不存在线性相关;平方米质量与透气率的显著性水平为0.018<0.05，相关系数为-0.583，可得出两者之间存在中等显著负相关;控制其厚度，对口罩内外层透气率和平方米质量进行偏相关分析，结果显示平方米质量与透气率的显著性水平为0.000<0.05，相关系数为-0.916，可得出两者之间存在高显著负相关。由图3（a）知，试样C、D透气率远远高于其他试样，其内外层均为聚丙烯纺粘非织造布，纤维纠缠抱合形成独特的三维立体结构，内部空隙较多，有利于空气流通，单位时间内气流量大，透气率高。

水分子透过织物一般有3种情况：a）由于纤维对水分子的吸收，使水分子通过纤维体积内部而到达织物另一面;b）由于毛细管的作用，织物内部的纱线润湿使水分子渗透到另一面;c）由于水压强迫水分子通过织物孔隙。织物透湿性特征基本与透气性相似。一般织物厚度越厚，水汽通过织物间的孔隙所走的路径越长，透湿性能越差[17]。对口罩内外层的透湿量与厚度、平方米质量进行相关性分析，结果显示厚度与透湿量的显著性水平为0.317>0.05，相关系数为0.267，可得出两者之间不存在线性相关;织物平方米质量与透湿量的显著性水平为0.134>0.05，相关系数为0.391，可得出两者之间不存在线性相关。

2.3 口罩整體舒适性能与内层、过滤层及外层舒适性能的关系

实验所测口罩整体及口罩过滤层的透气率和透湿量如图4所示。

2.3.1 透气率

分别以口罩内层、过滤层、外层的透气率为自变量x1、x2、x3，口罩整体的透气率为因变量y1，先对数据进行标准化，再进行多元回归分析，得出线性方程y1=0.012+2.017x1+1.535x2-1.606x3，显著性检验统计量F=8.42>F0.05（3，20）=3.098，显著性系数sig=0.033，则模型中自变量的联合作用能显著影响因变量，该模型在统计学中有意义。拟合优度R=0.929（接近1），即该模型拟合较好。由于标准回归系数能比较可靠地反应出自变量对因变量的贡献大小，结合上述变量对应的系数按绝对值大小依次为：2.017、-1.606、1.535，可得出上述3个变量对整体透气率的影响权重为：内层>外层>过滤层。整体透气率与内层存在正相关，与外层存在负相关，与过滤层存在正相关。

2.3.2 透湿量

分别以口罩内层、过滤层、外层的透湿量为自变量x4、x5、x6，口罩整体的透湿量为因变量y2，先对数据进行标准化，再进行多元回归分析，得出线性方程y2=-0.03-0.101x4+0.803x5+0.374x6，方程的显著性检验统计量F=4.516>F0.05（3，20）=3.098，显著性系数sig=0.09，则模型中各自变量联合起来对因变量有显著影响，该模型有统计学意义。拟合优度R=0.879（接近1），即该模型拟合较好。由于标准回归系数能比较可靠地反应出自变量对因变量的贡献大小，结合上述变量对应的系数按绝对值大小依次为：0.803、-0.374、-0.101，可得出上述3个变量对整体透湿量的影响权重从大到小依次为：过滤层、外层、内层。整体透湿量与过滤层存在正相关，与外层存在负相关，与内层存在负相关。

3 结 论

对8种日常防护型口罩的内层、过滤层、外层的结构参数进行分析，研究了过滤层的结构参数对过滤性能的影响及权重，以及各口罩内外层结构参数对口罩内外层舒适性能的影响，并分析了口罩内层、过滤层及外层对口罩整体的透气、透湿性能的影响及权重。结论如下：

a）口罩的过滤层结构参数对过滤效率的影响权重从大到小依次为纤维直径、平均孔径、孔隙率，且口罩的过滤效率与纤维直径、平均孔径和孔隙率呈负相关。

b）口罩内外层透气率与厚度相关性不显著，与平方米质量呈现显著相关，且在厚度一定的情况下，口罩内外层的平方米质量越小，透气率越大。口罩内外层透湿量与厚度、平方米质量相关性均不显著。

c）口罩各层透气性能对口罩整体透气性能的影响权重从大到小依次为：内层、外层、过滤层，且口罩透气性能与口罩内层、过滤层呈正相关，与外层呈负相关;口罩各层透湿性能对口罩整体透湿性能的影响权重从大到小依次为：过滤层、外层、内层，且口罩透湿性能与口罩内层、外层呈负相关，与过滤层呈正相关。

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