温湿度预处理对口罩测试结果影响的研究*

罗雨林 薛文良 谢璐蔓 刘 芳 魏孟媛 郭中伟 钱竞芳

1. 东华大学纺织学院， 上海 201620；2. 中华人民共和国上海海关， 上海 200120

我国作为世界上最大的口罩生产国与出口国，常年生产的口罩产品中约70%销往海外。其中，美国90%的口罩产自我国[1]。目前，我国已制定并实施GB/T 32610—2016《日常防护型口罩技术规范》，以规范管理呼吸防护用口罩的生产；受COVID-19疫情推动，我国及时修订劳动防护口罩标准，推出GB 2626—2019《呼吸防护 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》。这两项标准是我国民用口罩产品最重要的标准规范。该类产品出口至美国和欧盟时，需要分别满足法规NIOSH 42CFR Part 84《呼吸防护装置》和标准EN 149-2001+A1-2009《呼吸保护装置颗粒防护用过滤半遮罩要求、测试和标记》的要求。

口罩标准中的指标可综合表征产品特性。受试样品在不同测试环境下测试时，结果将存在一定差异。中国、欧盟、美国现行的民用口罩标准对部分指标检测提出了预处理要求[2-6]。

1 国内外标准比对

对中国、欧盟、美国普通民用口罩标准中预处理条件(温度、相对湿度及处理时间)的要求和涉及的主要指标进行分析，具体见表1。

表1 中国、欧盟、美国民用口罩标准的温/湿度预处理要求及涉及主要指标对比

从表1可以看出：美国标准关注高湿或湿热条件对口罩产品的影响，而欧盟标准侧重考察高、低温环境对口罩产品的影响；中国两项标准的预处理要求基本一致，且均对美国和欧盟的标准进行加和，同时考虑3类极端条件(湿热、极高温、极低温)对口罩的影响。此外，各标准均要求每项预处理进行24 h。按照中欧美标准，口罩的功能性指标“颗粒过滤效率”、舒适性指标“呼吸阻力”检测均须进行预处理。

在口罩检测过程中，许多指标测试取样时要求进行温湿度预处理。通过标准比对发现，预处理要求复杂是导致按照中国标准检测口罩效率偏低的重要原因之一，故可以通过简化中国口罩标准中的预处理要求，建立一个可行的口罩快速检测方法，以实现可观的社会效益与经济效益。为实现该目标，需探究温湿度预处理中的3个因素(温度、相对湿度和处理时间)对口罩相关指标的影响。

2 试验设计

设计3因素3水平正交试验测算温湿度预处理中的3个因素(温度、相对湿度和处理时间)对口罩功能性指标“颗粒过滤效率”、舒适性指标“呼吸阻力”的影响。

2.1 测试对象

选择来自4个国内外厂商的两种面罩(记为平面罩1、平面罩2)和两种立体罩(KN类，记为立体罩1、立体罩2)，具体见表2。需要说明的是,本试验于GB 2626—2019国家标准过渡期内进行，相比GB 2626—2006，两项标准关于预处理的要求一致，但在过滤效率的测试方法上存在一定差异。因此，按照试验设计要求将符合GB 2626—2006的试样按照GB 2626—2019进行检测时，其数据也是有意义的。根据试验设计需求，每个品牌的平面罩试样至少400个，立体罩试样300个(KN类口罩无需测试油性过滤效率)。

表2 测试用口罩试样的产品信息

2.2 试验方法

正交试验的因素取值及正交表见表3和表4。

表3 正交试验的因素取值

表4 三因素三水平正交试验表

表3和表4中：A1模拟欧标中(-30±3)℃与(70±3)℃的温度预处理，A2模拟美标中(38.0±2.5)℃的温度预处理，A3为一级标准大气条件；B1模拟美标中85%的相对湿度预处理，B2为一级标准大气条件，B3近似干燥环境，相当于欧标中(70±3)℃环境下的湿度情况；C1模拟一般合成纤维制品的预调湿时间，C2模拟消费者日常在外佩戴口罩时间；C3为现行标准中要求温湿度预处理时间。其中，A1在试验操作时分两步进行，其他组的温湿度条件同时完成。

2.3 仪器与测试标准

试验所用仪器设备有ESPEC CORP PR-2J型恒温恒湿箱、ZR-1006型口罩颗粒物过滤效率及气流阻力测试仪、DR2463型口罩呼吸阻力测试仪。

基于现有试验环境，按照GB 2626—2019《呼吸防护 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》和GB/T 32610—2016《日常防护型口罩技术规范》对平面罩、立体罩(KN系列)进行颗粒过滤效率和呼吸阻力测试。

3 结果分析

3.1 测试结果

本试验中对每类口罩的每项指标至少测量10次，取平均值(保留三位小数)，正交试验结果见表5和表6。

表5 过滤效率的正交试验结果

表6 呼吸阻力的正交试验结果

3.2 数据分析

3因素3水平的正交表中：Ki为i水平下某列对应试验结果之和；ki=Ki/n，n为任一列各水平出现的次数；R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}，反映因素的重要程度，R值越大，该因素越重要，若空列R值较大，表示可能漏掉某项重要因素或是因素之间存在不可忽略的交互作用。

3.2.1 显著性分析

采用软件SPSS Statistics 21.0进行方差分析，若各组别结果均有p<0.05，表明存在主效应，且空列R远小于RA、RB和RC，即温度、相对湿度与处理时间对过滤效率、呼吸阻力的影响存在差异。

3.2.2 指标与因素关系分析

绘制各指标与各因素的关系图，如图1～图4所示。由图1～图4可知：对于同一指标，同种标准、同种结构的口罩受温度、相对湿度和处理时间各因素的影响趋势呈现相似的特征，如在所设置的温度、相对湿度和处理时间的变化区间内，各项指标的变化均出现拐点。但是受口罩材质的影响，其变化规律存在一定差异，试验中平面罩与立体罩样品表现出的增减特征有所不同。总体而言，温度、相对湿度和处理时间对口罩的过滤效率与呼吸阻力均有影响，但影响程度存在差异。根据极差值，具体分析如下：

图1 温度、相对湿度与处理时间对盐性过滤效率的影响

图2 温度、相对湿度与处理时间对油性过滤效率的影响

图3 温度、相对湿度与处理时间对呼气阻力的影响

图4 温度、相对湿度与处理时间对吸气阻力的影响

对过滤效率而言，相对湿度是最重要的影响因素。这可能是因为相对湿度的提高使过滤层的静电量出现显著损失，从而使口罩的静电捕集能力大大削弱甚至丧失，最终表现为口罩过滤效率下降。相对而言，立体罩的性能较为稳定，变化趋势较符合原理。不同平面罩的变化趋势差异较大，这可能是因为口罩品质尚存差异，但其较大的极差值表明相对湿度易使该种性能产生较大的变化。与过滤效率相比，温度、相对湿度对呼吸阻力的影响相对较小，这可能是因为口罩的呼吸阻力主要取决于与面部贴合的紧密程度等外界因素，而温度、相对湿度造成的微小影响可能是通过影响纤维平均直径等内部因素产生。本试验观察到，温度是影响呼吸阻力最重要的因素。这可能是因为温度导致口罩体滤材结构发生变化，继而导致空气流通的通道发生变化，影响呼吸阻力的测试结果。处理时间在各项指标测试中表现出的影响程度最小，但由于主效应尚存，故不可忽视预处理时间对口罩指标检测的影响。

4 结论

通过本次试验可以证实温度、相对湿度及处理时间对口罩的过滤效率、呼吸阻力均有影响，但各因素对各指标的影响效应有所不同，其中，相对湿度对过滤效率有重要影响，温度对呼吸阻力影响明显。对于立体罩，处理时间的影响程度比温度和相对湿度小。对于同一口罩，在不同国家标准的不同预处理条件下，检测结果可能存在一定差异。