防霧霾口罩的濾片及其測試面積對過濾性能的影響
2016-03-12 19:34:40陸樹興王向欽漆東岳
中國纖檢 2016年2期
陸樹興++++王向欽++++漆東岳
摘要：過濾效率是防霧霾口罩最重要的指標參數(shù)，也是評價防霧霾性能的主要指標。本文研究了濾片式防霧霾口罩的濾片面積和測試面積對過濾效率的影響，結果表明口罩本體結構和濾片面積對口罩整體的過濾效率和氣流阻力均有較大影響；而同一樣品采用不同面積測試時，其過濾效率和氣流阻力也有顯著差異。
關鍵詞：防霧霾口罩；濾片；測試面積；過濾效率
1 引言
近年來我國霧霾天氣頻發(fā)，環(huán)境污染問題凸顯，防霧霾口罩（又稱“PM2.5口罩”）已成為很多人出行的必備品。防霧霾口罩要求既不能導致使用者呼吸困難又要防霧霾，不同于傳統(tǒng)的職業(yè)防護口罩和醫(yī)療用防護口罩。因此過濾性能是防霧霾口罩最重要技術參數(shù)，也是評價防霧霾口罩性能的主要指標。
濾片式口罩是目前市場上最流行的防霧霾口罩之一，濾片是口罩過濾霧霾的核心部件。濾片式口罩的典型結構是由口罩本體和濾片兩大部分組成，口罩本體由表層和里層縫制而成，材料一般為機織面料，部分會在表層和里層中間加入保溫材料；濾片一般由超細纖維非織造材料制成，在口罩中起過濾作用[1-2]，為可更換式。為了更換時方便快捷和節(jié)省材料，濾片的面積通常比口罩本體小而且大小不一，而口罩的防霧霾效果是對整個口罩進行檢測考核，本文將對濾片式口罩的濾片面積大小以及測試面積對口罩過濾效率和氣流阻力的影響進行試驗研究。
現(xiàn)行的醫(yī)療用口罩標準GB 19083—2010 《醫(yī)用防護口罩技術要求》、YY 0469—2011 《醫(yī)用外科口罩》和勞動防護用口罩標準GB 2626—2006 《呼吸防護用品 自吸過濾式防顆粒物呼吸器》均規(guī)定了口罩過濾效率的測試方法，測試原理相同，但由于各標準適用范圍不同，測試條件略有差異，見表1[3-5]。三個標準對過濾介質NaCl氣溶膠的濃度、顆粒粒徑和顆粒分布的要求相同；GB 19083—2010和GB 2626—2006規(guī)定氣體流量為85L/min，YY 0469—2011規(guī)定為30L/min；YY 0469標準中要求氣流通過截面積為100cm2，另兩個標準中沒有面積的明確要求。
不同品牌、款式和型號的口罩的形狀和大小存在差異，有些樣品在測定過濾效率時不能滿足標準夾具的尺寸要求，需要使用一些輔助夾具。喬學明等[6]發(fā)明了測試口罩過濾效率用的夾具，張明明等[7]發(fā)明了測試口罩過濾效率用的檢測倉。使用不同夾具、檢測倉等輔助夾具時氣溶膠通過的過濾面積會有差異，從而造成測試的條件不一致。為了研究不同測試面積對過濾效率測試結果的影響，本文采用100cm2、50cm2、25cm2、12.5cm2四個測試面積分別對市售的3款濾片式PM2.5口罩和用于制作口罩濾片的無紡布濾材進行過濾效率和氣流阻力的測試。
2 試驗
2.1 儀器與條件
TSI 8130型自動濾料測試儀。2%濃度NaCl氣溶膠，計數(shù)中位徑（CMD）為（0.075±0.020）μm，顆粒分布的幾何標準偏差不大于1.86，測試流量（85±2）L/min。
2.2 工具
制作3組夾具，每組夾具由兩塊相同圓環(huán)組成，氣流通過內圓環(huán)的截面積分別為100cm2（TSI 8130自帶測試夾具面積）的1/2、1/4、1/8，即50cm2、25cm2、12.5cm2。各夾具見圖1。
（a ）氣流截面積50cm2的夾具 （b ）氣流截面積25cm2的夾具
（c） 氣流截面積12.5cm2的夾具
圖1 夾具圖
2.3 樣品
樣品1：濾片式防霧霾口罩，由口罩本體和可更換式濾片組成，口罩本體為兩層不同機織布，濾片面積約占口罩本體面積的60%，見圖2中樣品1。
樣品2：濾片式防霧霾口罩，由口罩本體和可更換式濾片組成，口罩本體為三層，外層和里層為不同的機織布，中間層為非織造布，濾片面積約是口罩本體面積的30%，見圖2中樣品2。
樣品3：濾片式防霧霾口罩，由口罩本體和可更換式濾片組成，口罩本體為三層，外層和里層為不同的機織布，中間層為非織造布，濾片面積約是口罩本體面積的90%，見圖2中樣品3。
樣品1 樣品2
樣品3
圖2 口罩樣品圖
2.4 試驗
2.4.1 濾片大小對過濾效率和氣流阻力的影響
采用以下兩種測試方式測試樣品1、樣品2和樣品3，以研究濾片大小對過濾效率和氣流阻力測試的影響。
2.4.1.1 測試方式a
去除樣品的濾片，口罩本體在氣流截面積為100cm2的夾具中測試。
2.4.1.2 測試方式b
樣品整體在氣流截面積為100cm2的夾具中測試。
2.4.2 測試面積對過濾效率和氣流阻力的影響
將2.3中樣品1使用2. 2中的夾具，按2.1條件分別測試過濾面積為100cm2、50cm2、25cm2、12.5cm2時的過濾效率與氣流阻力。
3 結果與討論
3.1 濾片大小對過濾效率和氣流阻力的影響
樣品1、樣品2和樣品3采用測試方式a和測試方式b所測試的過濾材料和氣流阻力結果如表2所示。
樣品1采用測試方式a的過濾效率為35.64%，表明口罩本體的過濾效果較差，采用方式b的過濾效率為58.98%，遠低于GB 2626—2006中過濾效率≥90%和GB 19083—2010中過濾效率≥95%的最低要求，且兩種測試方式的結果差異明顯，變化率為65.49%；測試方式a和測試方式b的氣流阻力分別為67Pa和136Pa，明顯相差102.08%。結果表明樣品1的濾片材料雖然能起到過濾作用，但面積小于測試夾具的面積，測試時氣溶膠顆粒會從周邊泄漏，而口罩本體過濾效率較低，導致口罩整體的過濾效果較差。
對比樣品2和樣品3采用兩種測試方式所得的測試結果，樣品2的過濾效率和氣流阻力分別增加了0.08%和16.49%，差異較小；樣品3的過濾效率和氣流阻力分別增加了5.31%和34.69%，差異較顯著，原因是樣品3的濾片面積占口罩本體的比例較樣品2大，樣品2的濾片面積小于測試夾具的面積，測試時氣溶膠顆粒會從周邊泄漏，而樣品3的濾片面積大于測試夾具的面積，測試時氣溶膠顆粒不會發(fā)生泄漏，所以樣品3的濾片對提高口罩的過濾效率作用效果更明顯。
另一方面，樣品2和樣品3的過濾效率都達到90%以上，原因是這兩款樣品的本體都是由三層制成，均有一個非織造布的中間層，口罩的此種結構大幅提高了口罩本體的過濾效率，但同時也增大了氣流阻力，氣流阻力增大將會導致使用者在佩戴口罩時呼吸不順暢。另一方面，增大濾片面積也可提高整個口罩的過濾效果，同樣也會增大氣流阻力，降低佩戴者的舒適度。
3.2 測試面積對過濾效率和氣流阻力的影響
測試面積為100cm2、50cm2、25cm2、12.5cm2時所測得的口罩過濾效率和氣流阻力如圖3所示。
圖3 過濾面積與口罩過濾性能的測試結果關系
在氣體流量為85L/min的測試條件下，過濾效率隨測試面積的增大而增大，測試面積為25cm2和12.5cm2時，過濾效率沒有明顯變化；氣流阻力隨測試面積的增大而減小，而且在測試面積越小時影響越顯著。因此，測試面積對過濾效率和過濾阻力的測試結果均有影響，尤其是對于不能滿足標準夾具要求的口罩，評價其過濾效率和氣流阻力時，必須采用相同的測試面積測得的過濾效率和氣流阻力才具有可比性。
4 結論
通過對三款濾片式防霧霾口罩的過濾效率和氣流阻力測試，得出如下結論：
1）濾片大小對口罩整體的過濾效果有顯著影響，濾片面積占口罩本體面積約為30%和60%時，測試過程中均會發(fā)生不同程度的泄漏，導致口罩的過濾效率降低。
2）口罩本體的非織造布中間層可大幅提高口罩整體的過濾效率，同時也會導致氣流阻力增大；同樣，增加濾片面積也可以提高口罩的過濾效果和增大氣流阻力?？谡值臍饬髯枇^大會導致佩戴時呼吸不順暢，口罩的過濾效率和氣流阻力之間的平衡點有待進一步研究。
3）在測試口罩的過濾效率時，氣流通過的測試面積對過濾效率和氣流阻力有顯著影響，過濾效率隨測試面積的增大而增大，氣流阻力隨測試面積的增大而減小，相同測試面積的測試結果才具有可比性。
參考文獻：
[1] 馬銘遠，陳美玉，王丹，等. 口罩的發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J]. 紡織技進展，2014，（6）：7-10.
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[4] YY 0469—2011 醫(yī)用外科口罩技術要求[S].
[5] GB 2626—2006 呼吸防護用品——自吸過濾式防顆粒物呼吸器[S].
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[7] 張明明，田軍，李雙會，等. 一種自吸過濾式防顆粒物呼吸器過濾效率檢測倉：中國，CN201020146435.4[P]. 2010-11-03.
（作者單位：廣州纖維產(chǎn)品檢測研究院）
