自動(dòng)濾料測試儀的口罩濾材的過濾效率研究

周國麗

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

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自動(dòng)濾料測試儀的口罩濾材的過濾效率研究

周國麗

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

摘要：口罩濾材的好壞直接影響口罩的過濾效率和呼吸阻力，采用美國TSI 8130自動(dòng)濾料測試儀對幾類口罩濾材的過濾效率進(jìn)行了研究。在設(shè)定條件下所測試濾材中過濾效率最低值僅為20.3%，結(jié)果說明很多一次性口罩均不能用于顆粒物防護(hù)，另外影響濾材過濾效率的主要因素是氣溶膠流量和加載時(shí)間?？谡譃V材過濾效率的研究可對生產(chǎn)者和使用者提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：過濾效率；口罩濾材；鹽性氣溶膠；自動(dòng)濾料測試儀

近年來我國環(huán)境污染日益加劇，沙塵暴和霧霾等惡劣天氣頻繁出現(xiàn)，不僅對人們的健康構(gòu)成了極大威脅，而且給人們的日常生活和工作學(xué)習(xí)帶來不利影響。疾控專家提醒，在霧霾天氣里，市民應(yīng)盡量待在室內(nèi)，減少出門和室外體育運(yùn)動(dòng)，出門前要戴好口罩，而多數(shù)人對所選口罩的防塵、過濾效果無從得知。從過濾原理分析，口罩濾材過濾空氣中顆粒物主要憑借布朗擴(kuò)散、截留、慣性撞擊、靜電吸附和重力沉降等作用，所以口罩選用有過濾作用的濾材，如棉布、紗布、無紡布及含活性炭的過濾材料等等，濾材的好壞直接影響口罩的過濾效率和呼吸阻力。本文采用美國TSI公司的8130自動(dòng)濾料測試儀對幾類口罩濾材的過濾效率進(jìn)行測試并分析其影響因素。

1儀器簡介及工作原理

TSI公司的8130型自動(dòng)濾料測試儀提供了快速、可靠的濾料過濾效率的檢測方法，測試效率可以達(dá)到99.999%，穿透率可達(dá)0.001%，可提供濾料阻力和流量的精確讀數(shù)，使用在最易穿透粒徑附近的質(zhì)量中值直徑進(jìn)行氣溶膠測試。

8130型自動(dòng)濾料測試儀可以發(fā)生鹽性和油性兩種氣溶膠。在測試時(shí)，不同的氣溶膠發(fā)生裝置會使用霧化的鹽性或油性氣溶膠來檢測濾料，產(chǎn)生的粒子粒徑均相當(dāng)穩(wěn)定。操作時(shí)將濾料平放在夾具的下部(若表面不平整則毛面朝上)，兩個(gè)閉合按鈕須同時(shí)按下來關(guān)閉夾具，這時(shí)氣壓缸迅速壓下夾具上部將濾料密封，然后開始檢測，從發(fā)生器產(chǎn)生的氣溶膠經(jīng)過上部夾具然后穿過濾料進(jìn)入濾料下游。濾料的穿透率即通過兩個(gè)固態(tài)激光光度計(jì)同時(shí)檢測到的濾料上、下游氣溶膠的濃度比值得到，濾料的阻力和系統(tǒng)流量值則依靠高靈敏度的電子壓力傳感器來測定。

2方法參數(shù)和實(shí)驗(yàn)材料

本文過濾效率和過濾阻力的測試采用與國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19083-2010和GB 2626-2006相一致的測試方法(鈉鹽法)[3-4]，采用氯化鈉氣溶膠，其質(zhì)量中值直徑為0.26μm，數(shù)量中值直徑為0.075μm，幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差<1.83，氣溶膠濃度12～20mg/m3，流量范圍15～100L/min。氣溶膠發(fā)生裝置里的氯化鈉溶液配比約2%，即60g分析純NaCl配3L蒸餾水。測試材料為不同類型的口罩濾材，這些口罩在防護(hù)性能上各有側(cè)重。

3測試結(jié)果及分析

3.1同一流量下的過濾效率測試

設(shè)定流量85L/min，測試不同口罩濾材的過濾效率如表1，過濾效率是指在規(guī)定條件下，過濾材料對空氣中的顆粒物濾除的百分?jǐn)?shù)，過濾效率(%)=100-穿透率。

表1　流量85L/min下不同口罩濾材的過濾效率

從測試結(jié)果表1可見，普通的紗布口罩或一次性無紡布口罩因?yàn)榭讖捷^大，對細(xì)小顆粒的過濾效率只有20%多，比較厚實(shí)的棉紗(2層)無紡布(2層)復(fù)合口罩僅50%左右。另外在防護(hù)顆粒物性能上，可以減除異味的活性炭口罩并不增加對顆粒物的防護(hù)。一次性醫(yī)用口罩在設(shè)計(jì)上主要是以抗菌、抗飛沫為主，對細(xì)小顆粒的過濾效率也僅為64.3%。而專業(yè)級別的防護(hù)口罩可達(dá)90%以上。

3.2不同流量下的過濾效率測試

過濾效率測試的一個(gè)主要影響參數(shù)是流量(L/min)，流量大小可由人工調(diào)節(jié)閥門實(shí)現(xiàn)。選用一款口罩如4號樣品在不同流量下進(jìn)行過濾效率測試，測試流量范圍為35～95L/min，每隔10L/min測一個(gè)樣品，共7次，阻力及過濾效率結(jié)果見表2及圖1。

表2　同一款口罩濾材在不同流量下的過濾效率

圖1　不同流量下的阻力及過濾效率

一般理論上認(rèn)為，隨著流量的提高，過濾阻力會持續(xù)增大，過濾效率不斷下降，所以標(biāo)準(zhǔn)[3-4]中的流量設(shè)定為85L/min。因?yàn)槿嗽谥械葎趧?dòng)強(qiáng)度下的平均呼吸量約為30L/min，但呼吸時(shí)氣流速度是呈正弦波狀，最高速度約為85L/min，采用峰值呼吸量作為過濾效率檢測氣流量標(biāo)準(zhǔn)，可以模擬濾料最壞的使用情況。實(shí)測表明：隨著流量的提高，過濾阻力線性增大，過濾效率呈下降趨勢，開始下降的比較快后下降變得緩慢，經(jīng)分析認(rèn)為這與過濾機(jī)理有關(guān)，不同的濾材結(jié)構(gòu)和性質(zhì)應(yīng)用的過濾機(jī)理也不同。

3.3加載時(shí)間下的過濾效率測試

設(shè)定流量85L/min，選一款口罩如4號樣進(jìn)行加載時(shí)間下的過濾效率測試，主要影響參數(shù)為時(shí)間(min)，1min記錄結(jié)果一次，持續(xù)測試時(shí)間15min(需根據(jù)濾料情況或測試條件而定)，數(shù)據(jù)結(jié)果見表3及圖2。

表3　同一款口罩濾材在加載時(shí)間下的過濾測試

由表3及圖2可見，隨著加載時(shí)間的增加，過濾阻力不斷增加，而且越來越明顯，穿透率越來越小，表觀上“過濾效率”越來越高。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究分析[6-7]認(rèn)為，在過濾初始階段，穩(wěn)定過濾(清潔過濾)起主導(dǎo)作用，過濾效率及過濾阻力變化不大；隨著固體顆粒在濾材表面的累積，不穩(wěn)定過濾(含塵過濾)導(dǎo)致過濾效率和過濾阻力隨時(shí)間延長迅速升高。在實(shí)際應(yīng)用中，過濾材料的過濾阻力達(dá)到一定程度時(shí)即導(dǎo)致其失效。過濾材料失效的本質(zhì)是因顆粒沉積而堵塞了過濾材料的孔隙。

圖2　加載時(shí)間下的阻力和過濾效率測試

加載時(shí)間的過濾測試可以反映濾材的負(fù)荷能力即容塵量，達(dá)到一定條件時(shí)(比如過濾阻力達(dá)到初始阻力的兩倍或更高)根據(jù)過濾前后濾材質(zhì)量的變化計(jì)算出其容塵量，但并不是容塵量越大越好，因?yàn)槿輭m量與過濾材料的使用壽命密切相關(guān)，所以需要明確濾料的使用壽命和使用場合。

4結(jié)論

過濾效率和過濾阻力是反映防護(hù)口罩濾材性能的重要參數(shù)。本文對幾種口罩濾材的過濾效率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明不同類型的口罩防護(hù)顆粒物的效果差異甚大，要根據(jù)需要選擇正確的防護(hù)產(chǎn)品。另外基于自動(dòng)濾料測試儀的檢測要考慮的主要影響參數(shù)有氣溶膠流量和加載時(shí)間，不同應(yīng)用的濾材應(yīng)選用合適的氣溶膠流量，同時(shí)加載時(shí)間的測試可以計(jì)算濾材的容塵量。濾料的優(yōu)劣主要由過濾效率、過濾阻力和容塵量這三個(gè)參數(shù)決定。如果過濾效率高而阻力大，則意味著能耗大；如果過濾效率高且阻力小，但容塵量小，則意味著濾材使用壽命不長，需要經(jīng)常更換或清洗濾料，因此需要綜合平衡這三個(gè)指標(biāo)。

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收稿日期：2016-03-07