气体流速及容尘量对口罩过滤效率及气流阻力的影响

文/李 锐 原海波 邓文川 李涛英 李国利

0 引言

口罩是一种常见而有效的防护用品，佩戴口罩可以有效地减少接触过敏原，进而可以减少过敏性鼻炎、过敏性哮喘等疾病的产生。佩戴口罩还可以减少雾霾的吸入量，可以有效防护病毒的入侵，2020年初至今，新型冠状病毒肆虐全球，造成了全球的经济衰退及人口减少，佩戴口罩变得更加紧迫和有效。佩戴口罩不仅可以保护自己，也保护了他人。市面上销售的口罩主要是一次性平面口罩及KN90、KN95口罩，人们在佩戴口罩时，由于人体年龄、性别及体征的不同，佩戴者时而静止，时而运动，因此人们在使用口罩的过程中会有不同的呼吸速度及气流量，本文主要探讨不同的气流量下，口罩的过滤效率及气流阻力的变化规律。同时研究了口罩的容尘量对口罩过滤效率及气流阻力的影响。

1 测试对象与方法

1.1 测试对象

选择市面上销售的，具有出口资质的企业生产的一次性自吸式口罩，自备口罩130个平面口罩，KN90口罩70个。

1.2 过滤效率及气流阻力测试仪器

ZR-1006型口罩颗粒物过滤效率及气流阻力测试仪。该仪器主要技术参数如下：盐性气溶胶粒数中值直径（CMD）为（0.075±0.02）μm；油性气溶胶粒数中值直径（CMD）为（0.185±0.02）μm；测试流量为（8～100）L/min：压力检测范围为（0～2500）Pa；浓度检测范围为（0.001～100）mg/m。

1.3 试验方法

（1）流量的选择：口罩的颗粒物过滤效率及呼吸阻力是口罩性能评价的核心指标，目前国内常用的口罩标准对测量口罩过滤效率（盐性介质）的气体流量及阻力要求如表1所示。

表1 目前国内常用的口罩标准对测量口罩过滤效率（盐性介质）的气体流量及阻力要求

所选仪器可以设置采样流量，根据以上标准要求及试验需求，流量范围设置为：10L/min、20L/min、30L/min、35L/min、40L/min、50L/min、60L/min、70L/min、80L/min、85L/min、90L/min、100L/min共12个测试流量。模拟人体在静息，轻度、中度和高强度运动下的呼吸流量对口罩的过滤效率及气流阻力的影响。

（2）统计学分析：为了防止不同浓度值对过滤效率的影响，本次试验中不同气流流量下的颗粒物浓度调节为（25±1）mg/m，每个气体流量下测试5个试验样品，最后利用软件进行统计学分析。

（3）容尘试验：测试过滤效率时选择加载量方法，根据GB/T 32610—2016标准要求加载30mg，对一次性平面口罩测试5个样品，测试时每加载2mg时记录一次过滤效率和气流阻力；根据GB 2626—2019要求加载200mg，KN90口罩测试5个样品。每加载5mg时，记录一次过滤效率和气流阻力。由此可以发现两种不同类型口罩随着使用时间的长短对过滤效率及气流阻力的关系。

2 试验结果及分析

2.1 过滤效率和气流阻力随采样流量的关系及结果分析

标准上对采样流量主要有两种要求，儿童口罩及医用口罩采用35L/min的采样流量测试，常见的口罩采用85L/min的采样流量，不同的采样流量模拟了人体不同的呼吸速度，本文对从10L/min至100L/min不同的采样流量下一次性平面口罩及KN90口罩测试，得到了如图1、图2的测试结果。

图1 一次性平面口罩过滤效率和气流阻力随采样流量的关系

图2 KN90口罩过滤效率和气流阻力随采样流量的关系

通过对两种不同口罩在不同呼吸流量下，显示出相同的规律，即随着呼吸速度的增加，口罩的过滤效率会逐步降低。一次性平面口罩的过滤效率从采样流量在10L/min的过滤效率为99.63%降到了在100L/min下的88.89%，KN90口罩的过滤效率从采样流量在10L/min的过滤效率为99.31%降到了在100L/min下的88.89%。出现这种情况是因为：纤维对空气中气溶胶等颗粒物的过滤捕集机理是复杂的，是扩散沉积、惯性沉积、静电沉积、筛滤作用和重力沉积多种过滤机理共同作用的结果。对于气溶胶颗粒物而言，由于跟气体分子的碰撞作用，会像气体分子一样做布朗运动，当采样流量很低时，这种作用起到了主导作用，气溶胶颗粒除了跟随气流通过口罩过滤网以外，更多的是做无规则的扩散作用，这样增加了颗粒物跟滤网的接触机会。除了扩散沉积以外，颗粒物过滤还会受到惯性作用，当气流到达纤维网时，气流会绕开纤维通过空隙穿过纤维网，稍大点的颗粒物会依靠惯性碰撞纤维网进行捕集。当更大的颗粒物通过纤维网时，颗粒物的直径达到了纤维网的空隙时，会由于网筛作用直接拦截颗粒物。另外静电作用也是非常重要的过滤效率影响因素。当气流穿过过滤网时，气流会跟纤维网产生摩擦生成静电，同时颗粒物也会在输送过程中由于摩擦和本身极性等因素含有静电，那么滤料跟粒子间就会有点位差，异性的就会排斥，同性的就会吸引。由于库仑力的作用就增加了滤料跟颗粒物的碰撞机会提高了捕集的效率。

当采样流量增加时，气溶胶颗粒物具有了更大的动能，穿透口罩的概率也更大，颗粒物的扩散效应会相应减少，惯性作用增加，但对于直径为0.0075μm气溶胶的颗粒物，惯性作用的增加值不大，而其他机理变化不明显的情况下，过滤效率就随着采样流量增加而降低了。

2.2 过滤效率和气流阻力跟加载量关系及结果分析

一次性平面口罩过滤效率和气流阻力跟加载量关系见图3，KN90口罩过滤效率和气流阻力跟加载量关系见图4。

图3 一次性平面口罩过滤效率和气流阻力跟加载量关系

图4 KN90口罩过滤效率和气流阻力跟加载量关系

一次性平面口罩随着气溶胶加载量的增加，口罩过滤效率由84.9%逐步增加，当加载量达到设定的30mg时，口罩的过滤效率增加到了98.5%，过滤效率增加基本呈线性关系。线性拟合公式为：

Y

=0.476

X

+85.3。气流阻力随着加载量的增加开始时增加值缓慢，而后逐步变大，线性拟合公式为：

Y

=9.998

X

+158.9。而KN90口罩过滤效率随加载量变化分为三部分，第一部分从0～25mg时，口罩过滤效率呈线性快速增加，从89.1%增大到99.2%，线性拟合公式为：

Y

= 0.4706

X

+89.97。随后过滤效率缓慢增加，当加载量达到40mg时，过滤效率便到了99.999%，然后再随加载量的增加依然维持为99.999%。气流阻力也是随着气溶胶加载量的增加开始时增加缓慢，而后增加快速。当加载量达到100mg时气流阻力值达到仪器的上限测量范围，加载量从30mg到100mg时呈线性关系，拟合公式为

Y

=23.90

X

+136.1。

在做容尘试验时，口罩的容尘面上积累了大量的气溶胶颗粒物，这些颗粒物通过静电力和范德华力附着在纤维上，颗粒物大小不一，随着吸附颗粒物的增加，过滤材料的孔径变得越来越小，而有的是多个气溶胶颗粒物吸附到一起，这样大的吸附颗粒物就把口罩上原来可以通过的孔道堵住了，这种情况下自然通过的气流量就减少了，气流阻力快速增加，而口罩材料过滤的孔径也越来越小，过滤效率也逐步增加。过滤效率理论上都可以达到99.999%。气溶胶加载量模拟了人体在佩戴口罩时，随着佩戴时长的增加，口罩上颗粒物会逐渐增多，口罩的过滤效率和气流阻力也会随之增加。

3 结论与建议

口罩的过滤效率随着气体流量的增加而逐步减小，例如一次性平面口罩在气体流量为10L/min时的过滤效率可以达到99.63%，说明佩戴者在佩戴口罩时为了增加口罩的实时过滤效率，应尽量保持平稳的呼吸节奏。而运动时，人们会大口呼吸，这样除了增加气体流量，降低口罩实时过滤效率外，口罩的吸气、呼气阻力也会随之变大。因此建议人们在佩戴口罩时尽量保持平稳的呼吸，这样可以提高口罩的防护效果，减少呼吸阻力。另外也建议口罩的生产厂家制作出在不阻碍视野及佩戴舒适性前提条件下，可以增加口罩的腔体体积，以便有更大的口罩表面积来提升过滤效率及减少呼吸阻力。

口罩佩戴时长要求要根据实际情况来考虑，在一定的颗粒物密度环境中，口罩的过滤效率会随着佩戴时长的增加而增加，但过滤效率的增加是因为过滤材料的微小孔径被悬浮的颗粒物堵塞，自然会快速地增加口罩的吸气阻力，人们为了保持呼吸的通畅性，自然会加大呼吸力度，这样会在口罩与面部的接触空隙大量流进环境气体，反而总体降低了过滤效率。因而建议根据口罩的种类和佩戴过程中舒适程度及时更换口罩。另外建议采用具有高静电效应的过滤材料制作口罩，这样可以保证在同等呼吸阻力的情况下具有更高的过滤效率。