新型口罩過濾性能測試裝置的研制

王 旭，馮向偉，陳 潔

(1.河南工程學(xué)院 服裝學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007；3.浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院，浙江 杭州 310018)

新型口罩過濾性能測試裝置的研制

王 旭1，馮向偉2，陳 潔3

(1.河南工程學(xué)院 服裝學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.河南工程學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007；
3.浙江理工大學(xué) 材料與紡織學(xué)院，浙江 杭州 310018)

為了調(diào)查口罩的過濾性能，自主研制出一臺體積小、質(zhì)量輕、成本低、易攜帶的新型口罩過濾性能測試裝置，用于測試不同顆粒物濃度下口罩的過濾效率.選用市場上常見的14種不同類型的口罩進(jìn)行實驗分析，以TSI-8130自動濾料測試儀的實驗結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，驗證該裝置的有效性.對比發(fā)現(xiàn)，自制設(shè)備的測試結(jié)果與TSI-8130自動濾料測試儀測得的各種口罩的過濾效率沒有顯著差異，日常檢測中可以替代TSI-8130測試儀使用.

口罩；霧霾；過濾性能；測試裝置

近年來，霧霾現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，口罩成為人們防護(hù)外界危害的一種必要手段.但是，目前市場上口罩種類繁多，哪些口罩具有較好的防護(hù)作用，成了廣大消費(fèi)者和相關(guān)學(xué)者共同關(guān)注的問題，口罩過濾性能測試裝置也得到了人們的重視.

為了研究醫(yī)用口罩、工業(yè)防塵口罩及其他過濾材料的過濾性能，早在20世紀(jì)研究人員就紛紛投入到材料過濾性檢測裝置的研制工作中，國內(nèi)外先后出現(xiàn)了各種類型的過濾性能測試裝置.日本開發(fā)的JIS檢測系統(tǒng)通過捕集效率、清灰效率、殘留粉塵量等結(jié)合實驗條件來評價濾料的特性[1].德國PALAS公司生產(chǎn)的MFP-3000濾料測試裝置在歐洲一些廠家和檢測機(jī)構(gòu)受到廣泛使用.一些醫(yī)療機(jī)構(gòu)與高校實驗室對于口罩過濾性能的實驗研究，常使用仿生人頭模型來固定口罩，然后放入封閉氣箱內(nèi)進(jìn)行測試[2-3].目前，全球使用最廣的是美國TSI-8130型自動濾料過濾效率測試設(shè)備.國內(nèi)一些企業(yè)及研究院所根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的過濾效率檢測原理和技術(shù)要求，借鑒參考TSI-8130自動濾料測試儀的工作原理和技術(shù)特性[4]，或利用TSI公司的顆粒物發(fā)生器和檢測器[5-6]，研制出了各種測試裝置或檢測平臺.這些裝置多為醫(yī)療機(jī)構(gòu)及實驗室用的大型設(shè)備，體積較大、價格昂貴，只有極少數(shù)的檢測機(jī)構(gòu)和企業(yè)購買使用，并不適用于小型實驗室、快速反應(yīng)機(jī)構(gòu)及普通消費(fèi)者.由于口罩受環(huán)境的影響較大，在戶外監(jiān)測或室內(nèi)不同空間的移動測量過程中，使用大型設(shè)備相當(dāng)不便.因此，研制一款體積小、質(zhì)量輕、易攜帶的口罩過濾性能測試裝置具有一定的現(xiàn)實意義.

1 測試裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 口罩過濾性能測試裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure diagram of respirator filterability testing device

本裝置主要由真空抽氣泵、流量計、測試管道、粒子計數(shù)器等幾部分組成，如圖1所示.相較于TSI-8130型自動濾料檢測儀、MFP-3000濾料測試裝置等大型設(shè)備，該裝置體積較小、質(zhì)量較輕，可以靈活拆裝，方便開展戶外測試，是一款便攜式口罩過濾性測試裝置.

該裝置通過流量計控制真空泵的抽氣速率，以模擬人體的呼吸速率.在測試過程中，首先將口罩固定在測試管道的右出口處，打開真空泵開關(guān)，調(diào)節(jié)流量計至需要的流速，然后將粒子計數(shù)器插在測試管道上，即可測試經(jīng)口罩過濾后的顆粒物濃度.隨后，再測試未經(jīng)口罩過濾的顆粒物濃度，用公式(1)計算可得口罩的過濾效率，以此來評判各類口罩的過濾性能：

(1)

式中：ρ1為過濾前氣體中的顆粒物濃度，μg/m3；ρ2為過濾后氣體中的顆粒物濃度，μg/m3；η為口罩的過濾效率，%.

2 測試裝置

2.1 流量計

結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外先進(jìn)設(shè)備，本裝置的流量計選用LZT-15T浮子流量計，檢測量程為10～100 L/min[7].該流量計為面板式浮子流量計，材質(zhì)為硬質(zhì)塑料.工作原理為流體自下而上流經(jīng)錐孔時，在浮子上下產(chǎn)生差壓，浮子在差壓作用下上升，當(dāng)浮子上升的力與浮子所受的重力、浮力及黏性力三者合力相等時，浮子處于平衡的位置.因此，流經(jīng)流量計的流量與浮子的上升高度之間存在著一定的比例關(guān)系，浮子的位置高度可作為流量的量度.

2.2 抽氣泵

為了避免在實驗過程中設(shè)備產(chǎn)生的廢油氣體影響實驗結(jié)果，抽氣泵選用HG-120型旋渦氣泵，額定功率為0.12 kW，最大流量為36 m3/h，抽氣速率與流量計的量程相匹配.HG型旋渦氣泵是一種吹氣或吸氣兩用的新型氣泵，結(jié)構(gòu)緊湊、無水無油、質(zhì)量輕、使用方便，該設(shè)備有一個高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子上的葉片可以帶動空氣高速運(yùn)動.

2.3 粒子計數(shù)器

為了在測試過程中攜帶方便，選用型號為DT-9880M的便攜式CEM四合一粒子計數(shù)器檢測顆粒物的濃度.大多數(shù)的便攜式粒子計數(shù)器只能以濃度模式來測量，這款粒子計數(shù)器還有計數(shù)模式，計數(shù)模式可同時測量6種粒徑通道，最小直徑可檢測到0.3 μm，分辨率為1 μg/m3.另外，它還可以檢測到空氣溫度、相對濕度、露點溫度和濕球溫度4種空氣參數(shù)，且實驗數(shù)據(jù)可以存儲.

CEM四合一粒子計數(shù)器是一種利用光的散射原理進(jìn)行塵粒計數(shù)的儀器.儀器內(nèi)置的氣泵不斷地抽進(jìn)各種大小的塵粒樣本，通過一串激光使粒子發(fā)射出散射光，經(jīng)過聚光透鏡聚焦于測量腔內(nèi)，這一光信號通過檢測器，檢測器將光脈沖正比地轉(zhuǎn)換為電脈沖，再經(jīng)過儀器的放大與甄別篩選出需要的信號，由脈沖數(shù)求得顆粒數(shù).根據(jù)粒子散射光的強(qiáng)度與粒徑的函數(shù)關(guān)系可得出粒子直徑，這樣只要測定出散射光的強(qiáng)度便可推知微粒的大小.

2.4 配件

2.4.1 連接管道

該裝置的測試管道選用口徑為75 mm的PVC(聚氯乙烯)塑料管，該管道壁厚為2.3 mm，材質(zhì)輕且堅硬，不容易變形.整個測試裝置選用口徑為30 mm的PVC鋼絲軟管和口徑為12 mm的PU細(xì)軟管進(jìn)行連接.PVC鋼絲軟管用于裝置中真空泵與流量計的連接，其彎曲半徑小，耐氣候性、耐負(fù)壓能力好，在真空及高壓狀態(tài)下能保持原形，可滿足真空泵高抽氣速率狀態(tài)下不變形的要求.PU軟管具有一定硬度，可用來完成流量計與測試管道及測試管道與粒子計數(shù)器的連接.

2.4.2 緊固件

本裝置選用口徑為12 mm的易拆卸氣動接頭連接PU軟管和測試管道.這種氣動接頭不需要工具就能夠?qū)崿F(xiàn)管道的連通或斷開，而且能夠保證管道連接的氣密性.由于流量計的出口與連接管的口徑有一定差異，故選用不同口徑內(nèi)側(cè)有螺紋的金屬接頭進(jìn)行連接.該裝置還選用管箍對抽氣泵的進(jìn)出氣口及測試管道進(jìn)行緊固，保證其氣密性.

表1 口罩樣品Tab.1 Specification of respirator

3 實驗與分析

3.1 實驗樣品及實驗設(shè)備

實驗選取14種不同類別的口罩為待測樣品，見表1.使用自制裝置測試各個樣品的過濾效率，與TSI-8130自動濾料測試儀的測試結(jié)果進(jìn)行對比，驗證該裝置的有效性.兩種儀器的測試流量均為85 L/min，測試3次.

3.2 對比實驗

各種口罩樣品的過濾效率對比見圖2.

圖2 各種口罩樣品的過濾效率對比Fig.2 The filtration efficiency comparison of different respirators

從圖2可以看出，該自制裝置的測試結(jié)果與TSI-8130自動濾料測試儀測得的各類口罩的過濾效率差異較小，數(shù)值較為接近，基本可以滿足實驗要求.

3.3 差異性檢驗

為了檢驗自制裝置對口罩過濾性能的測試結(jié)果與TSI-8130自動濾料測試儀是否存在顯著性差異，實驗選用Wilcoxon檢驗法對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，Wilcoxon檢驗用于檢測兩個相關(guān)樣本是否來自相同的總體，對總體分布形式?jīng)]有限制[8].

假設(shè)檢驗：H0為兩種設(shè)備對口罩過濾效率的測試結(jié)果沒有顯著性差異，H1為兩種設(shè)備對口罩過濾效率的測試結(jié)果存在顯著性差異，計算出兩種設(shè)備測試結(jié)果的代數(shù)差,根據(jù)差值的絕對值大小編秩,將秩冠以正負(fù)號,計算正負(fù)秩和，利用SPSS軟件進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示.

表2 描述性統(tǒng)計Tab.2 Descriptive statistics

表3 秩Tab.3 Rank

注：a-自制設(shè)備TSI-8130，c-自制設(shè)備=TSI-8130.

由表2至表4可以看出，共有14對變量參與檢驗，TSI-8130自動濾料測試儀的測量結(jié)果比自制設(shè)備的測量結(jié)果大的共有4對，平均秩次為5.50，秩次和為22.00，

TSI-8130自動濾料測試儀的測量結(jié)果比自制設(shè)

備的測量結(jié)果小的共有10對，平均秩次為8.30，秩次和為83.00，輸出的Z值為-1.915，漸進(jìn)顯著性水平雙尾檢驗結(jié)果為0.056>0.05，所以認(rèn)為使用TSI-8130自動濾料測試儀測量口罩的過濾效率與使用自制設(shè)備測量口罩的過濾效率沒有顯著性差異，該裝置的設(shè)計方案可行.

4 結(jié)論

為了擴(kuò)大口罩過濾性能測試裝置的應(yīng)用環(huán)境，滿足更多消費(fèi)者的需求，利用流量計、真空抽氣泵、粒子計數(shù)器等設(shè)備及零配件，設(shè)計了一臺新型口罩過濾性能測試裝置.該裝置體積小、質(zhì)量輕、成本低、易攜帶，可以測試不同顆粒物濃度下口罩的過濾效率.選用14種不同類型的口罩，對比該自制設(shè)備與TSI-8130自動濾料測試儀測得的口罩過濾效率，檢驗發(fā)現(xiàn)兩種測試設(shè)備的測試結(jié)果沒有顯著性差異，在日常檢測中自制設(shè)備可以代替TSI-8130測試儀.

[1] 范柏祥.濾料過濾性能測試裝置與應(yīng)用研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2003.

[2] BALAZY A,TOIVOLA M,ADHIKARI A,et al.Do N95 respirators provide 95% protection level against airborne viruses, and how adequate are surgical masks[J].American Journal of Infection Control,2006,34(2):51-57.

[3] MOSTOFI R,BAHLOUL A,LARA J,et al.Impact of two particle measurement techniques on the determination of N95 class respirator filtration performance against ultrafine particles[J].Journal of Hazardous Materials,2012(217/218):51-57.

[4] 林國成.GK-1000自動過濾效率測試儀的研制[C]∥中國職業(yè)安全健康協(xié)會2013年學(xué)術(shù)年會論文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2013：877-893.

[5] 程鈞.自吸過濾式防顆粒物呼吸器過濾效率和泄露性檢測系統(tǒng)的研究[C]∥中國職業(yè)安全健康協(xié)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2009：606-612.

[6] 楊磊，沈恒根.醫(yī)用防護(hù)口罩測試裝置的對比研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2004，3(4)：17-20.

[7] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.GB 3095—2012環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2012.

[8] 章文波，陳紅艷.實用數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及SPSS 12.0應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2006：277-280.

Development of the new respirator filterability testing device

WANG Xu1，F(xiàn)ENG Xiangwei2，CHEN Jie3

(1.CollegeofFashion,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou451191,China；
2.CollegeofTextiles,HenanUniversityofEngineering,Zhengzhou450007,China; 3.CollegeofMaterialsandTextiles,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China)

In order to investigate the filterability of respirator, a new type of small volume, light weight, low cost and portable respirator filterability test device was developed independently. It is used to test the filtration efficiency of respirator under different particle concentration. Fourteen different respirators were chose to carry out the experimental analysis. According to the test result of TSI-8130 automatic filter material tester, the effectiveness of the device was validated. It was found that there was no significant difference in filtration efficiency of different respirators measured by TSI-8130 automatic filter material tester and the independent development device. The independent development device could be used instead of TSI-8130 automatic filter material tester in routine test.

respirator; haze; filterability; testing device

2016-03-15

王旭(1981-)，女，河南南陽人，講師，博士，主要從事服裝材料和舒適性方面的研究.

R118；X961

A

1674-330X(2016)02-0021-04