不同材质口罩的非油性颗粒过滤效率

张发勇，李挥，邵文亮，冯毅，陈明，李岱岳，曾海霞，王贵文(通信作者)

1 河北省药品医疗器械检验研究院 (河北石家庄 050200)；2 河北省药品审评中心(河北石家庄 050200)

口罩是一种佩戴在口鼻部位用于过滤进入肺部空气的卫生用品，具有阻挡有害气体、粉尘、飞沫、病毒等物质的作用，主要被用于医疗领域及矿山开采、建筑材料加工、金属冶炼等粉尘、颗粒物污染严重的工作场所[1]。新型冠状病毒肺炎疫情暴发以来，口罩需求量激增，越来越多的公众意识到，佩戴口罩是预防呼吸道传染病的重要方法，可有效降低新型冠状病毒的感染风险。但市面上口罩类型较多，只有正确选择适合自身的口罩类型，才能在合理防护的同时避免过度防护[2-3]。

口罩的制作材料包括织物、熔喷布、无纺布等传统材料，以及石墨烯、纳米铜等新型材料。不同材质口罩的防护性能存在较大差异。过滤效率为口罩最重要的防护性能指标，包括颗粒过滤效率和细菌过滤效率，颗粒过滤效率又可分为油性颗粒过滤效率和非油性颗粒过滤效率[4]。油性颗粒过滤效率一般为工业用口罩的检测指标，我国目前尚未制定有关医用和民用口罩油性颗粒过滤效率的标准，因此，非油性颗粒过滤效率和细菌过滤效率是衡量口罩防护性能的两个关键指标，且两者之间存在一定的相关性[5-8]。刘思敏等[9]检测了41批医用外科口罩的非油性颗粒过滤效率和细菌过滤效率，发现两者成正相关，而非油性颗粒过滤效率的检测更加简便快捷，因此可以考虑将非油性颗粒过滤效率作为细菌过滤效率的替代方法。本研究选择了4种不同材质(医用外科口罩、医用防护口罩、石墨烯口罩、纳米铜口罩)的口罩，检测其非油性颗粒过滤效率，以期为指导不同人群科学选择和使用口罩提供依据，现报道如下。

1 材料与方法

1.1 仪器和材料

预处理仪器：德国Memmert公司生产的ICH110型恒温恒湿箱，可调温度范围为10～60 ℃，可调湿度范围为10%～80%，温湿度控制精度分别为±0.1 ℃和±1%；中国东莞泰利测试设备有限公司生产的MHG-225CNUB型可程式恒温恒湿试验机，可调温度范围为-70～150 ℃，可调湿度范围为20%～98%，温湿度控制精度分别为±0.5 ℃和±3%。

检测仪器：美国TSI公司生产的8130A型自动滤料测试仪，内置盐性气溶胶发生器(使用2%氯化钠溶液)及双重固态光度计(检测部分)；盐性气溶胶发生器产生的氯化钠气溶胶中值直径为(0.075±0.020)μm，颗粒分布的几何标准偏差≤1.83，气溶胶浓度为12～20 mg/m3；双重固态光度计的检测方法为盐雾法，浓度测量范围为1.0 μg/m3～200 mg/m3，流量范围为15～100 L/min，效率测量范围为0～99.999%(穿透率低至0.001%)，压缩气源要求550 kPa、198 L/min。

样品：由同一厂家提供的医用外科口罩(材质：无纺布/聚丙烯熔喷布/无纺布)、医用防护口罩(材质：无纺布/两层聚丙烯熔喷布和热风棉/无纺布)、石墨烯口罩(材质：无纺布/石墨烯熔喷布/无纺布)、纳米铜口罩(材质：无纺布/纳米铜熔喷布/无纺布)各10个(同批次产品)，随机编号1#～10#。

1.2 方法

医用外科口罩采用恒温恒湿箱进行预处理，按照YY 0469-2011《医用外科口罩》[10]规定设置参数[温度(38.0±2.5)℃，湿度(85±5)%，处理时间(25±1)h]；另外3种口罩采用可程式恒温恒湿试验机进行预处理，按照GB 19083-2010《医用防护口罩》[11]规定设置参数[首先设置温度为(70±3)℃，放置24 h，然后设置温度为(-30±3)℃，放置24 h]；预处理结束后取出样品密封待检，检测应于预处理后的10 h内进行；检测时，将样品口罩置于自动滤料测试仪内，设置检测环境温度为(25±5)℃、湿度为(30±10)%，检测医用外科口罩时气体流量设置为30 L/min，检测另外3种口罩时气体流量设置为85 L/min。

2 结果

医用外科口罩、医用防护口罩、石墨烯口罩、纳米铜口罩的平均非油性颗粒过滤效率分别为88.39%、96.47%、99.64%、97.86%，均符合国家相关标准[10-11]，见表1、图1；进一步计算方差可得，石墨烯口罩的方差最小(0.001744)，表明这种材质口罩的非油性颗粒过滤效率最稳定，同一批次产品的优劣差距较小，见表2。

表1 4种不同材质口罩的非油性颗粒过滤效率检测结果(%)

图1 不同材质口罩的非油性颗粒过滤效率

表2 不同材质口罩非油性颗粒过滤效率的方差

3 讨论

非油性颗粒主要是指固体和非油性液体颗粒物及微生物等，普遍存在于日常生活和工作环境中。非油性颗粒的粒径大小各不相同，其中，直径<5 μm的颗粒能进入呼吸系统，甚至进入肺泡中，严重影响人体健康[12-16]。非油性颗粒过滤效率是口罩的重要性能指标之一，其检测方法简便快捷，可用于检测过程复杂、检测周期长、对检测人员要求较高的细菌过滤效率的预测。本研究采用美国TSI 8130A型自动滤料测试仪检测不同材质口罩的非油性颗粒过滤效率，该仪器具有高度自动化和自诊断特性，能够简化操作并改善整体测量性能，其内置的双重固态光度计能够在缩短检测时间的同时提升检测准确度。

医用外科口罩由3层组成，外层无纺布具有阻水、防飞沫作用，中间过滤层为聚丙烯熔喷布，可以阻止直径<5 μm的感染因子(细菌、病毒及其他病原微生物等)，近口鼻的内层用于吸湿，主要用于普通公众、公共场所服务人员及医疗机构的门诊、病房普通医护人员和保安、导医、收费等人员的基本防护。医用防护口罩属于高效医用防护口罩，由5层组成，内外层同医用外科口罩，中间过滤层由双层聚丙烯熔喷布和热风棉组成，除具备医用外科口罩的特性外，对微小带病毒气溶胶或有害微尘的过滤效果显著，对非油性颗粒的过滤效率可达95%以上，可用于污染严重的环境或突发医疗传染疾病(如呼吸道传染病)时，如污染传播高风险岗位(冷链运输、跨境货运、机场等岗位)、医疗机构中可能接触污染物或感染者的岗位(化验室、发热门诊、隔离病房、鼻咽拭子采样等岗位)。

石墨烯和纳米铜均为目前受关注较高的新型材料。石墨烯是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，具有超强过滤吸附、物理隔尘及PM2.5、PM10隔绝功能，还可以过滤花粉和其他粉尘；同时，石墨烯能切割细菌的细胞膜，并大量抽取细胞膜上的磷脂分子，具有优良的抗菌性；此外，石墨烯还能吸附二氧化硫、甲醛和甲苯等有害物质。以石墨烯熔喷布作为中间过滤层的石墨烯口罩，其过滤效能显著增强，非油性颗粒过滤效率>99%，且使用时间显著长于传统口罩(传统口罩要求每4～8小时更换1次，而石墨烯口罩的使用时间可超过48 h)，同时连续佩戴48 h后其过滤效能仅降低4%[17]。纳米铜是一种新型纳米级纤维，纳米铜口罩是将铜通过物理原理改性在纱线中，其利用了铜本身的抗菌性能，并通过纳米技术增强了铜的抗病毒特性。以纳米铜熔喷布作为中间过滤层的纳米铜口罩，其性能稳定且非油性颗粒过滤效率>95%[18]。目前，我国尚未建立石墨烯口罩和纳米铜口罩的相关标准，下一步我们将针对这两种新型材料进行相关研究，为相关标准的制定提供依据。

本研究结果显示，不同材质口罩的非油性颗粒过滤效率存在差异，医用外科口罩的平均非油性颗粒过滤效率符合YY 0469-2011的要求，医用防护口罩、纳米铜口罩的平均非油性颗粒过滤效率均>95%，符合GB 19083-2010中非油性颗粒过滤效率1级要求，石墨烯口罩的平均非油性颗粒过滤效率>99%，符合GB 19083-2010中非油性颗粒过滤效率2级要求。

综上所述，不同材质口罩的非油性过滤效率存在差异，公众应根据不同场合、不同用途选择适宜的口罩类型，普通公民、公共场所服务人员、医疗机构一般人员选择医用外科口罩即可，而污染传播高风险岗位及可能接触污染物的人员应选择医用防护口罩或更高级别的防护口罩。