平面口罩结构尺寸参数与密合性的关联机制研究

琚钦涵，孙启龙，杨 森，龙啸云

(1.南通大学 安全防护用特种纤维复合材料研发国家地方联合工程研究中心，江苏 南通 226019； 2.江苏省特种安全防护产品质量监督检验中心，江苏 泰州 225300)

新冠疫情爆发以来，为了防控病毒，口罩已经成为医护人员以及人民群众日常生活[1-3]中不可缺少的个体防护装备[4-6]。口罩作为我国重要的防疫抗疫物资，其安全性能指标[7-8]的合格性至关重要[9-10]。密合性是评价口罩安全性能的一项重要指标，也叫泄漏性或防护效果，反映了口罩边缘与使用者面部的贴合程度。当佩戴密合性较差的口罩时，颗粒物容易从口罩边缘泄漏到口腔内部导致感染，威胁佩戴者的安全。

在全球新冠疫情爆发之前，国内外的口罩产业存在产量小、生产企业少，且与之相关的科学研究也较为薄弱的特点[11]，然而，在新冠疫情防控过程中，口罩对疫情防护的重要性得到证实，其需求量在防疫初期呈几何级数增长。在此背景下，临时转型生产口罩的企业大幅增加，甚至有部分从未接触过口罩生产，或从未涉及纺织品生产加工的企业，也开始生产各类防护用品，致使市面上的口罩质量参差不齐。前期调研了江苏省安全防护产品质量监督检验中心、中纺标检验认证股份有限公司等国内权威检测认证机构，得到的数据显示，疫情期间送检的口罩样品中，一次性口罩和医用外科口罩等平面口罩的密合性合格率仅为20%～30%[12]。追本溯源，便是大量生产企业缺乏必要的生产经验和技术，生产的口罩结构尺寸参数选配不合理[13-15]，与佩戴者的头、面部尺寸吻合度较差[16]，贴合程度较低，致使其密合性未达到相应标准。故常在医院中看到医护人员为了防止被病毒感染[17]，会佩戴多层口罩并牢牢扎紧，而进行这种举措的主要目的就是提高所戴口罩的密合性。

针对这一问题，本文采用单因素变量法，通过改变口罩的长度、宽度等影响口罩密合性的关键结构参数，分析这些结构参数对口罩与面部贴合程度的影响规律，以期揭示其中的关联机制，提高口罩的密合性，为企业生产研发提供一定的数据和理论参考。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚丙烯纺粘非织造布(面密度30 g/m2，浙江华晨非织造布有限公司)；聚丙烯熔喷非织造布(面密度30 g/m2，过滤效率80%，睿司普新材料科技有限公司)；双芯铝鼻梁条(宽度5.0 mm，厚度1.0 mm，金亿鼎塑料科技有限公司)；耳带(义乌法娜化妆品有限公司)；YWTOQ热熔封边机、点焊机(雅雯机械有限公司)；气缸(雷亚机电设备有限公司)；Instron 5956型万能材料试验机(英斯特朗实验设备贸易有限公司)。

1.2 口罩制备流程

遵循单一变量实验的原则，按照实验设计，选择合适的熔喷非织造布和相应面密度的纺粘非织造布，按照图1所示的结构叠放后进行裁剪，并放入相应长度的鼻梁条。然后按照折叠宽度1.0 cm，折叠数目为3的规格将多层非织造布折叠并放置于热熔封边机上，熔合口罩的4边，再将多余布料修剪。最后，采用点焊机将相应长度的耳带条复合在里层纺粘非织造布上，完成口罩样品的制备。

图1 口罩结构示意图Fig.1 Schematic diagram of mask structure

1.3 实验方案

通过单因素实验法，分析口罩长度、口罩宽度、鼻梁条长度和耳带条长度4个因素对日常防护平面型口罩密合性的影响。具体实验方案为：固定口罩宽度9.5 cm，鼻梁条长度10.0 cm，耳带条长度19.0 cm，样品A1～A5口罩长度分别取16.5、17.0、17.5、18.0、18.5 cm；固定口罩长度17.5 cm，鼻梁条长度10.0 cm，耳带条长度19.0 cm，样品B1～B5口罩宽度分别取8.5、9.0、9.5、10.0、10.5 cm；固定口罩长度17.5 cm，口罩宽度9.5 cm，耳带条长度19.0 cm，样品C1～C5鼻梁条长度分别取9.0、10.0、11.0、12.0、13.0 cm；固定口罩长度17.5 cm，口罩宽度9.5 cm，鼻梁条长度10.0 cm，样品D1～D5耳带条长度分别取16.0、17.0、18.0、19.0、20.0 cm。将各类样品进行密合性测试，并进行相关分析。

1.4 性能测试

口罩密合性参照GB/T 32610—2016《日常防护型口罩技术规范》附录B中颗粒物防护效果的测试方法进行测试，再按公式进行计算：

P=(C1-C2+C0)/C1×100%

式中：P表示防护效果；C1表示实验过程中测试仓内测试介质浓度，mg/m3；C2表示实验过程中通过头模呼吸管道吸入气体内测试介质浓度，mg/m3；C0表示被测面罩内颗粒物本底浓度，mg/m3。测试时需同时监测C1、C2的数值，并计算每个采样时刻样品的密合性数值，整个过程中所获得的最小P值用于表示该样品的密合性。

耳带拉伸弹性参照FZ/T 60021—2021《织带产品物理机械性能试验方法》，对耳带条的定力伸长率和弹性回复率进行测试。

2 结果与分析

2.1 口罩长度对密合性的影响规律

当固定口罩宽度9.5 cm，鼻梁条长度10.0 cm，耳带条长度19.0 cm，口罩长度分别取16.5、17.0、17.5、18.0、18.5cm时，口罩长度对其密合性的影响规律见图2。

图2 口罩长度对其密合性的影响规律Fig.2 Influence of mask length on its tightness

可见，不同口罩佩戴在小、中、大3个规格头模上的密合性均呈现出先上升后下降的规律。将口罩样品在小号头模上佩戴并进行实验，当口罩长度从16.5 cm增大至17.0 cm时，其密合性呈上升趋势，由36.5%提升至43.1%；当口罩长度从17.0 cm增大至18.5 cm时，其密合性却呈下降趋势，由43.1%下降至31.4%。将口罩样品在中号头模上佩戴并进行实验，当口罩长度从16.5 cm增大至17.0 cm时，其密合性显著上升，由61.2%提升至75.2%；当口罩长度从17.0 cm增大至18.5 cm时，其密合性大幅下降，由75.2%降至51.4%。将口罩样品在大号头模上佩戴并进行实验，当口罩长度从16.5 cm增大至17.5 cm时，其密合性上升，由25.5%提升至39.5%；当口罩长度由17.5 cm增大至18.5 cm时，其密合性大幅下降，由39.5%迅速降至23.9%。

从图2还能看出，当口罩长度发生变化时，口罩佩戴在中号头模上的密合性最好。同时，在实际产品检测中选择中号头模进行检测居多，因而分析口罩长度分别为16.5、17.0和18.0 cm时，佩戴在中号头模上的贴合度，以揭示导致密合性变化的内在原因，不同口罩长度时中号头模的贴合效果图见图3。

图3 不同口罩长度时中号头模的贴合效果图Fig.3 Fitting effect pictures of middle size head mold with different mask lengths

如图3(a)所示，当口罩长度为16.5 cm时，口罩侧方边缘处与脸部贴合度较差，出现了较宽较长的泄漏区域，这说明对于密合性来说，口罩的长度并不是越短越好，过短时反而容易因为耳带拉扯过紧而导致较大形变，造成颗粒物泄漏，使得口罩的密合性较低。如图3(b)所示，当口罩长度为17.0 cm时，口罩侧方、鼻梁处、下方边缘处与脸部贴合度均较好，无明显泄漏点，因而口罩密合性好。如图3(c)所示，当口罩长度为18.0 cm时，口罩与脸部贴合度较差，泄漏区域主要集中在鼻梁处、颧骨处以及脸颊，易造成颗粒物大量泄漏，导致口罩密合性下降。因而得出结论：口罩长度过短或过长均会导致密合性下降，当口罩长度为17.0cm时密合性最佳(针对中号头模)。前期经市场调研得知，市面上大部分平面口罩的长度为17.5 cm左右，因此后续章节以此为参考依据，均设定口罩长度为17.5 cm进行分析。

2.2 口罩宽度对密合性的影响规律

当固定口罩长度为17.5 cm，鼻梁条长度为10.0 cm，耳带条长度为19.0 cm，口罩宽度分别取8.5、9.0、9.5、10.0、10.5cm时，口罩宽度对其密合性的影响规律见图4。

图4 口罩宽度对其密合性的影响规律Fig.4 Influence of mask width on its tightness

从图4可以看出，不同口罩佩戴在小、中、大3个规格的头模上所检测出的密合性基本上呈现出先上升后下降的规律。将口罩样品在小号头模上佩戴并进行实验，当口罩宽度从8.5 cm增大至9.0 cm时，其密合性呈上升趋势，由37.3%提升至42%；当口罩宽度从9.0 cm增大至10.5 cm时，其密合性呈大幅下降趋势，由42%迅速下降至18%。将口罩样品在中号头模上佩戴并进行实验，当口罩宽度从8.5 cm增大至9.5 cm时，其密合性大幅上升，由39%迅速上升至72.8%；当口罩宽度从9.5 cm增大至10.5 cm时，其密合性明显下降，由72.8%迅速降至31.9%。将口罩样品在大号头模上佩戴并进行实验，当口罩宽度从8.5 cm增大至9.0 cm时，其密合性呈上升趋势，由20.5%提升至39.5%；当口罩宽度从9.0 cm增大至10.5 cm时，其密合性呈下降趋势，由39.5%下降至27.5%。

同时，还可以看出，当口罩宽度发生变化时，口罩佩戴在中号头模上的密合性最好，在小号、大号头模上的密合性差。这可能是因为GB/T 32610—2016《日常防护型口罩技术规范》中所规定的中号头模的项目参数与大部分中国成年人头面部尺寸吻合度较好，这与现有口罩结构设计时所参照的头面部项目参数较为接近，因此密合性较好。而小号头模和大号头模代表的是少部分人的面部尺寸，与口罩的吻合度低，因此密合性较差。

为了揭示口罩密合性随着宽度变化而变化的原因，探究口罩宽度分别为8.5、9.5 和10.5 cm时佩戴在中号头模上的贴合效果，结果如图5所示。

图5 不同口罩宽度时中号头模的贴合效果图Fig.5 Fitting effect pictures of middle size head mold with different mask widths

从图5可以看出，当口罩宽度为8.5 cm时，口罩与脸部贴合度较差，泄漏点主要集中在鼻梁处和脸颊，这说明宽度较小时口罩无法对头面部关键部位进行全面覆盖，易造成颗粒物大量泄漏，使得口罩密合性较差。当口罩宽度为9.5 cm时，口罩与脸颊、下巴等关键部位贴合度较好，可以有效防止颗粒物泄漏，口罩密合性好。当口罩宽度为10.5 cm时，虽然可以覆盖脸颊、下巴等颗粒物易泄漏关键部位，但是出现了口罩侧面边缘变形等现象，与头模之间的贴合度较差，从而导致颗粒物泄漏，口罩的密合性大幅下降，这说明宽度并不是越大越好，需要根据成年人的面部尺寸合理选择口罩的宽度参数。因而得出结论：当口罩宽度为9.5cm时密合性最佳(针对中号头模)。

2.3 口罩鼻梁条长度对其密合性的影响规律

当固定口罩长度为17.5 cm，口罩宽度为9.5 cm，耳带条长度为19.0 cm，鼻梁条长度分别取9.0、10.0、11.0、12.0、13.0 cm时，口罩鼻梁条长度对其密合性的影响规律见图6。

图6 口罩鼻梁条长度对其密合性的影响规律Fig.6 Influence rule of mask nasal girdle length on its tightness

从图6可以看出，不同口罩佩戴在小、中、大3个规格头模的密合性均呈现出先上升后下降的规律。将口罩样品在小号头模上佩戴并进行实验，当鼻梁条长度从9.0 cm增大至10.0 cm时，口罩的密合性呈上升趋势，由36%提升至37.4%；当鼻梁条长度从10.0 cm增大至13.0 cm时，口罩的密合性呈下降趋势，由37.4%下降至28.3%。将口罩样品在中号头模上佩戴并进行实验，当鼻梁条长度从9.0 cm增大至10.0 cm时，口罩的密合性显著上升，由54.6%提升至63.5%；当鼻梁条长度从10.0 cm增大至13.0 cm时，口罩的密合性大幅下降，由63.5%迅速下降至52.8%。将口罩样品在大号头模上佩戴并进行实验，当鼻梁条长度由9.0 cm增大至11.0 cm时，口罩的密合性大幅上升，由21.5%迅速提升至47.8%；当鼻梁条长度从11.0 cm增大至13.0 cm时，口罩的密合性呈下降趋势，由47.8%下降至42.2%。

同时，还可以看出，当口罩鼻梁条长度发生变化时，口罩佩戴在中号头模上的密合性最好，在小号头模上的密合性最差。

为了揭示口罩密合性随着鼻梁条长度变化而变化的原因，探究口罩鼻梁条长度分别为9.0、10.0和13.0 cm时，佩戴在中号头模上的贴合效果，结果如图7所示。

图7 不同口罩鼻梁条长度时中号头模的贴合效果图Fig.7 Fitting effect pictures of middle size head mold with different lengths of mask nasal girdle

从图7可以看出，当口罩鼻梁条长度为9.0 cm时，口罩上沿与鼻梁处的贴合度不够好。当口罩鼻梁条长度为10.0 cm时，口罩上沿与鼻梁处，颧骨处贴合度较好，无明显泄漏点，因而口罩密合性最好。从10.0 cm增大至13.0 cm时，口罩鼻梁条长度过长，若要与面部曲线较好贴合变得更为困难，泄漏点主要集中在鼻梁处、颧骨处，易造成颗粒物泄漏，导致口罩密合性下降。得出结论：当口罩鼻梁条长度为10.0cm时密合性最佳(针对中号头模)。

2.4 耳带条长度对口罩密合性的影响规律

材料相同时，耳带条长度不同会导致口罩的密合性相差较大。由于耳带条的拉伸弹性和长度都会对口罩的密合性能造成影响，为了更好地研究耳带条长度对口罩密合性的影响，先进行耳带条的拉伸弹性测试，测试结果见图8。拉伸耳带条试样至定力值14.7 N，测其长度，可知耳带长度从16.0 cm增大至20.0 cm，计算得耳带条的定力伸长率在150%～160%内波动，定力弹性回复率在区间93%～96%内波动，基本保持一致，因此可以排除耳带拉伸弹性对实验最后结果的影响。

图8 不同长度耳带的拉伸弹性Fig.8 Effect of length of ear band on tensile elasticity

固定口罩长度为17.5 cm，口罩宽度为9.5 cm，鼻梁条长度为10.0 cm，耳带条长度分别取16.0、17.0、18.0、19.0、20.0 cm时，口罩耳带条长度对其密合性的影响规律见图9。

图9 口罩耳带条长度对其密合性的影响规律Fig.9 Influence rule of mask ear girdle length on its tightness

从图9可以看出，不同口罩佩戴在小、中、大3个规格头模的密合性均呈现出持续下降的规律。在耳带条长度由16.0 cm增大至20.0 cm的过程中，当口罩样品佩戴在小号头模上时，其密合性呈下降趋势，由40.3%下降至19.3%；当口罩样品佩戴在中号头模上时，其密合性大幅下降，由76.5%下降至43%；当口罩佩戴在大号头模上时，密合性呈下降趋势，由44.4%下降至35.5%。

同时，还可以看出，当口罩耳带条长度发生变化时，口罩佩戴在中号头模上的密合性最好，在小号头模上的密合性最差。

为了揭示口罩密合性随着耳带条长度变化而变化的原因，探究口罩耳带条长度分别为16.0 cm和20.0 cm时佩戴在中号头模上的贴合效果，结果如图10所示。可以看出，耳带长度长短主要影响口罩侧面边缘与脸颊的贴合程度。当口罩耳带条长度为16.0 cm时，口罩侧方边缘处与脸部贴合度较好，未出现明显泄漏点，因而口罩的密合性较好。当口罩耳带条长度为20.0 cm时，耳带较为松散，没有能够提供的足够的张力，口罩侧方边缘处与脸部贴合度较差，出现了较宽较长的泄漏点，因而口罩的密合性较低。得出结论：当口罩耳带条长度为16.0cm时密合性最佳(针对中号头模)。

图10 不同口罩耳带条长度时中号头模的贴合效果图Fig.10 Fitting effect pictures of middle size head mold with different lengths of mask ear girdle

3 结 论

为了探究结构尺寸参数和口罩密合性的关联机制，通过改变口罩结构参数，并对样品进行测试，得出以下结论：口罩的长度、宽度、鼻梁条长度、耳带长度等关键参数均对密合性有较大的影响；颗粒物泄漏区域主要集中在鼻梁、脸颊、颧骨以及下巴等处；当改变口罩长度(16.5 ～18.5 cm)、口罩宽度(8.5 ～10.5 cm)、鼻梁条长度(9.0～13.0 cm)时，口罩密合性均表现出先上升后下降的趋势；当改变耳带长度(16.0～20.0 cm)时口罩密合性呈下降趋势；同时，口罩佩戴在中号头模上时密合性最高，且当固定口罩长度为17.5cm时，口罩宽度为9.5cm、鼻梁条长度为10.0cm、耳带条长度为16.0 cm时密合性最佳。本文对口罩的结构参数进行了优化，为后续口罩密合性的提升提供了数据参考。