防霾口罩呼吸阻力的研究

劉秋新　童亮　陳芬　蔡美元　向金童　吳炯

（武漢科技大學(xué)　武漢430065）

防霾口罩呼吸阻力的研究

劉秋新童亮陳芬蔡美元向金童吳炯

（武漢科技大學(xué)武漢430065）

通過對8種常用類型防霾口罩的實(shí)驗(yàn)測試 ，采用回歸曲線分析方法得出了防霾口罩呼吸阻力隨使用時(shí)間的變化函數(shù)形式，同時(shí)也通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)給出了各種類型口罩的建議使用時(shí)長，建議N90和N95無紡布防霾口罩在空氣輕度污染下使用時(shí)長不超過11～12 h，中度污染下不超過8～10 h；而棉布為面料的N95口罩在輕度污染下使用時(shí)長不超過7 h，中度污染下不超過6 h。

防霾口罩 呼吸阻力 使用時(shí)長 回歸分析

0　引言

應(yīng)對多發(fā)的霧霾天氣 ，人們對PM2.5的防護(hù)越來越看重 ，防霾口罩的佩戴已然成為習(xí)慣。如何提高防霾口罩的佩戴舒適性和延長口罩的使用時(shí)長，保證口罩在較長的時(shí)間內(nèi)也不會感到氣悶 ，呼吸輕松，同時(shí)也保證對PM2.5的過濾效率滿足要求，是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容。一般情況下，口罩的過濾效率不會隨使用而降低，相反的隨著細(xì)顆粒物吸附于面料上，口罩的過濾效率還有可能隨著使用時(shí)長而增大。所以本文重點(diǎn)研究防霾口罩呼吸阻力隨使用時(shí)長的變化情況 ，本研究對8種市場上熱賣的PM2.5防護(hù)口罩做實(shí)驗(yàn)研究，基本上涵蓋了市面上現(xiàn)有的防霾口罩類型，挑選了24名佩戴人員在靜坐的情況下連續(xù)使用，每間隔1 h測試呼吸阻力的變化值，同時(shí)采訪記錄每位佩戴人員的主觀呼吸感受，從測試結(jié)果和人員主觀感受兩個方面綜合評價(jià)口罩的呼吸阻力隨使用時(shí)長的變化關(guān)系，對今后提高防霾口罩的呼吸舒適感有參考作用。

1　實(shí)驗(yàn)方法

在空氣污染為輕度污染，空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）為124和中度污染、AQI指數(shù)為163的室外環(huán)境條件下分別測試。試驗(yàn)臺搭設(shè)嚴(yán)格按照GB 2626—2006《呼吸防護(hù)用品-自吸過濾式防顆粒物呼吸器》中呼吸阻力測試標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)驗(yàn)中采用8386多參數(shù)通風(fēng)表檢測壓力，精確度較高。實(shí)驗(yàn)用防霾口罩具體參數(shù)見表1。

實(shí)驗(yàn)室外測試采用真人呼吸模式，在測試人員自由呼吸1 h后測試口罩呼吸阻力值，每種型號的口罩每次測試3個口罩的的呼吸阻力值，取3次結(jié)果的平均值，連續(xù)測試6次。

2　外加阻力對人體呼吸舒適感的影響

吸氣時(shí)面罩內(nèi)的真空度（峰值負(fù)壓）及呼氣時(shí)的余壓（峰值正壓）稱為呼吸防護(hù)裝備的外加阻力。外加呼吸阻力過大，易引起呼吸疲勞。輕度體力負(fù)荷下，呼吸防護(hù)裝備外加阻力引起的呼吸時(shí)口腔壓力最大波動幅度不超過7.5 cm H2O，或每升通氣增加的呼吸功不超過0.05（kg?m）/h，則90%以上的使用者不會產(chǎn)生呼吸不適感。一般認(rèn)為外加呼吸阻力不會造成心血管和代謝方面的變化，但供氣式面具可由于自重過大，使心率變化快。所以在口罩制作和設(shè)計(jì)時(shí)，一定要考慮口罩的呼吸阻力值，是否會造成人體呼吸不適感 ，要避免口罩的初阻力過大或是口罩阻力增長過快，影響口罩的使用。

表1　口罩初始阻力值

對外加呼吸阻力的影響因素有：①呼吸阻力的總阻力值越大則呼吸不適感程度越嚴(yán)重。②呼吸氣阻力的比例關(guān)系，在輕度體力負(fù)荷下，以吸氣阻力成分對呼吸不適感的影響較大；重度體力負(fù)荷下，可能呼氣阻力的影響大。③體力負(fù)荷，既可使外加呼吸阻力影響加重，也可使呼吸不適感覺的閾值提高，重體力負(fù)荷和高溫環(huán)境可使外加阻力的影響加重，他們之間的相互作用是“相加”。④個體差顯著，女性的耐受力比男性差。實(shí)驗(yàn)室在無體力負(fù)荷情況下進(jìn)行，可忽略以上因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

個體防護(hù)用口罩是以人體呼吸力（一般為30～50 Pa）為凈化動力，凈化大氣環(huán)境以滿足人體對潔凈空氣的需求，相對建筑環(huán)境空間中的機(jī)械動力具有低阻特性。根據(jù)GB 2626—2006《呼吸防護(hù)用品-自吸過濾式防顆粒物呼吸器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各類面罩吸氣總阻力不應(yīng)大于350 Pa，呼氣總阻力不應(yīng)大于250 Pa。試驗(yàn)中以吸氣阻力為350 Pa，呼氣阻力為250 Pa為口罩使用壽命的終止時(shí)壓力值，對8種口罩的初始呼吸阻力的測試結(jié)果見表1。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1佩戴人員呼吸感受

實(shí)驗(yàn)中的24名口罩佩戴人員，其中有4名人員先后佩戴無呼吸閥和有呼吸閥的口罩。實(shí)驗(yàn)測試6 h中，基本上所有測試人員都能適應(yīng)口罩的呼吸阻力值，測試中沒有出現(xiàn)呼吸急促或是頭暈等癥狀，只有1名測試人員在測試1 h后出現(xiàn)輕微頭暈反應(yīng)而終止測試 ，而該名測試人員主要因?yàn)閭€人身體差異和佩戴口罩的不習(xí)慣性造成。測試人員的普遍反映是口罩透氣性差，呼吸不舒適感強(qiáng)，因?yàn)楫?dāng)口罩的透氣性差時(shí) ，人呼出的氣體不能很好的與外界進(jìn)行交換，導(dǎo)致口罩內(nèi)的廢氣累積，人就會出現(xiàn)呼吸困難，使人感覺不適；當(dāng)口罩的透氣性較好時(shí)，人呼出的氣體能夠很好的與外界交換，人就會感覺呼吸暢通。從采訪結(jié)果看，同型號口罩頭戴式與耳戴式相比，頭戴式與人臉貼合性好，呼吸困難感稍強(qiáng)，雖然口罩與人臉貼合性越好，阻擋顆粒物的效果越好，但口罩越密閉，對于人體的呼吸阻力增大得越明顯，呼吸越費(fèi)勁。同型號口罩，帶呼吸閥和不帶呼吸閥相比，從人員感受方面看，呼吸感并無很大差異。

3.2測試結(jié)果及分析

在輕度污染和中度污染下分別實(shí)測佩戴口罩6 h的口罩呼吸阻力值結(jié)果見表2和表3。

表2　輕度污染下口罩呼吸阻力值Pa

表3　中度度污染下口罩呼吸阻力值Pa

3.2.1口罩使用壽命

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)，對每種型號的口罩的吸氣和呼吸阻力分別進(jìn)行回歸分析和數(shù)據(jù)擬合，取擬合R平方值最大時(shí)所計(jì)算出的擬合曲線，R平方值計(jì)算如下

根據(jù)數(shù)學(xué)回歸分析方法可得，所有口罩的曲線回歸方程形式，如下所示，

吸氣阻力方程：

無紡布呼氣阻力方程：

棉布呼氣阻力方程：

以上呼吸阻力與時(shí)間的關(guān)系式是未達(dá)到口罩容塵量之前的變化關(guān)系式 ，當(dāng)口罩吸附的細(xì)顆粒物達(dá)到了口罩容塵量之后，口罩的呼吸阻力基本上維持不變。

擬合曲線的 R平方值（趨勢線的擬合程度）最小的為0.980 4，多數(shù)情況是 R2＞0.990 1，可見擬合程度都很高，趨勢線可靠性高，可以用擬合曲線近似的表示口罩呼吸阻力隨使用時(shí)長的變化規(guī)律。從擬合曲線可分析出所測試的口罩中使用時(shí)間長，例如圖1是E95V的吸氣阻力和呼氣擬合曲線，從圖中可以看出，13 h后口罩吸氣阻力達(dá)到了350 Pa，呼吸阻力12 h達(dá)到250 Pa，則口罩的使用壽命只有12 h。

圖1　輕度污染下E95V口罩呼吸阻力隨呼吸時(shí)長變化擬合曲線

用同樣的擬合方式，可得出所測試口罩的使用壽命。表4是根據(jù)擬合曲線求得的測試口罩的呼吸阻力分別達(dá)到口罩規(guī)范極限值所用時(shí)長 ，由此可得出口罩使用壽命。

表4　口罩使用壽命h

從表4中可以得出輕度污染下，市面上N90和N95防霾口罩使用壽命一般為10～12 h，中度污染下口罩的使用壽命一般為8～10 h。在中度污染下口罩的使用壽命相比于輕度污染會降低1～3 h的使用時(shí)長，可見污染程度對口罩的使用時(shí)長也有較大影響，霧霾污染程度越大 ，對口罩使用壽命影響越大，人員佩戴防霾口罩時(shí)應(yīng)根據(jù)空氣污染程度適當(dāng)?shù)慕档涂谡值呐宕鲿r(shí)間。

對比2、3號和7、8號口罩的吸氣和呼氣使用時(shí)長，發(fā)現(xiàn)帶呼吸閥和不帶呼吸閥 ，對吸氣壽命無影響 ，對呼氣壽命有一定的影響 ，可降低呼氣壽命1～2 h。

3.2.2呼吸閥和過濾效率對呼吸阻力的影響

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)畫出A類口罩呼吸阻力隨呼吸時(shí)長的變化曲線圖，如圖2～圖4所示。對比A95和A95V口罩，可以發(fā)現(xiàn)呼吸閥可以降低呼氣阻力值，而其吸氣阻力曲線基本重合，說明呼吸閥對口罩的吸氣阻力沒有明顯影響?？梢娍谡趾粑y可以減小呼氣阻力，排出濕熱空氣，有利于提高呼吸舒適性，而對吸氣阻力影響不大。

從圖中也可以看出，N90和N95口罩對比，過濾效率為90%的口罩呼吸阻力明顯大于過濾效率為95%的口罩，說明過濾效率越高，口罩的呼吸阻力也會相應(yīng)增大。這是因?yàn)橐话愕姆丽部谡郑^濾效率越高，口罩過濾材料的纖維密集程度越高，孔徑越小，呼吸阻力就越大。

圖2　輕度污染下A類口罩呼氣阻力隨呼吸時(shí)長的變化曲線

圖3　輕度污染下A類口罩吸氣阻力隨呼吸時(shí)長的變化曲線

圖4　中度污染下A類口罩呼吸氣阻力隨呼吸時(shí)長的變化擬合曲線

3.2.3無紡布和棉布面料對呼吸阻力的影響

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，擬合出輕度污染條件下棉布和無紡布為面料的口罩的呼吸阻力隨呼吸時(shí)長的變化關(guān)系圖，如圖5所示。從圖中可以很明顯的看出棉布類口罩的呼吸阻力明顯高于無紡布類的口罩，且其呼吸阻力隨時(shí)間的增長速度也高于無紡布類。棉布類口罩在測試中兩種類型的口罩均在使用7 h后就達(dá)到了呼吸阻力極限，即其在輕度污染下使用壽命只有7 h，比無紡布口罩的使用壽命11～12 h小很多，這是因?yàn)闊o紡布的透氣性要優(yōu)于棉布的。

圖5　輕度污染下棉布和無紡布口罩吸氣阻力隨呼吸時(shí)長的變化擬合曲線

4　結(jié)論

（1）通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，得出了口罩呼氣阻力隨使用時(shí)間的變化函數(shù)的基本形式。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系，方程式的系數(shù)有待進(jìn)一步確定。

吸氣阻力方程：

無紡布呼氣阻力方程：

棉布呼氣阻力方程：

（2）現(xiàn)在市面上常見的N90和N95無紡布防霾口罩在空氣輕度污染下使用時(shí)長是11～13 h，中度污染下使用時(shí)長會降低1～3 h，一般為8～11 h；而棉布為面料的N95口罩在輕度污染下使用時(shí)長一般為7 h左右，中度污染下僅為6 h左右。建議防霾口罩佩戴時(shí)長隨空氣質(zhì)量而定，污染較為嚴(yán)重的時(shí)候可適當(dāng)減少口罩的佩戴時(shí)長，且棉布類口罩的更換時(shí)間要短于無紡布類，佩戴棉布口罩時(shí)應(yīng)勤于更換，以保障身體健康不受霧霾侵害。

（3）呼吸閥可以降低口罩的呼氣阻力，增加呼氣使用時(shí)間1～2 h，但是整體上對口罩的使用時(shí)長沒有明顯影響，因?yàn)楹粑y主要是減小呼氣阻力，促進(jìn)濕熱空氣排出，以提高人體呼吸時(shí)的舒適感，而對吸氣阻力影響不大。建議在重體力勞動下可佩帶有呼吸閥的防霾口罩，幫助呼吸更舒暢。

Study on Anti-dusk Masks Respiratory Resistance

LIU Qiuxin TONG Liang CHEN Fen CAIMeiyuan XIANG Jintong WU Jiong
（Wuhan Uuniversity of Science and Technology Wuhan 430065）

Based on the experimentaltests for 8 types of commonly used anti-dusk masks，the anti-dustmask respiratory resistance function form with the change of time is obtained through the regression curve analysis method，and at the same time the experiment data statistics shows the recommended duration of use of the various types ofmasks.Itsuggests that non -woven masks N90 and N95 is used notmore than 11～12 hours under mild air pollution and 8～10 hours under moderate pollution；respirator use time of cotton fabrics N95 doesn’t exeed 7 hours under light pollution and 6 hours under moderate pollution.

anti-dusk masks respiratory resistance duration of use regression analysis

劉秋新，男，1956年生，博士，教授，主要從事工業(yè)通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)方面的研究。

（2016-03-09）