測試因素對一次性醫(yī)用口罩通氣阻力的影響

彭敬恩， 匡 莉

（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 201714）

2020年初一次性醫(yī)用口罩（disposable medical masks, DMMs）等醫(yī)療資源需求加大[1]，各地涌現(xiàn)出一大批DMMs的生產廠商，而DMMs主要適用于普通醫(yī)療環(huán)境和日常生活中，防止微生物、體液、病菌的傳播。評價DMMs性能的一個重要指標就是通氣阻力，通氣阻力越小則呼吸越順暢，其直接影響使用者的舒適感；同時通氣阻力與過濾效率具有相關性，口罩過濾材料的纖維密集程度越高、孔徑越小，過濾效率就越好，阻力就越大[2]，需要在兩者之間尋找一個平衡點。

其中DMMs通氣阻力性能影響因素眾多，相關文獻[3-5]主要集中在設備制造、口罩過濾效率等角度；為使相關方更深入的了解口罩通氣阻力的測試及影響，有效指導各生產廠商對DMMs的開發(fā)優(yōu)化及生產質量保證，本文從測試設備穩(wěn)定性、氣體流量、樣品不同位置、氣流方向、預處理、測試時間6個方面展開對DMMs通氣阻力性能影響的研究。

1 實驗

1.1 材料和設備

ZR-1200型醫(yī)用外科口罩阻力測試儀，青島眾瑞智能儀器有限公司；高低溫交變濕熱箱，型號KTHA-415TBS，廣州慶聲電子科技有限公司；二次元影像測試儀，型號YVM-3020CSPC，東莞市源興光學儀器有限公司。

試驗樣品選取市面不同廠家生產的一次性醫(yī)用口罩，合計4個品牌如圖1所示。

圖1 不同品牌的口罩

1.2 測試標準和條件

1.2.1 國內外標準

國內外標準中對于口罩通氣阻力測試流量的規(guī)定，如表1所示。

表1 標準中測試流量的規(guī)定

1.2.2 測試條件

測試環(huán)境室溫（18～25℃），氣體流量8 L/min，測試時間15 s。

非特殊指明情況下，本文均采用上述測試條件。

1.3 計算公式

通過壓差計或等效設備測定口罩兩側壓差，按公式（1）計算通氣阻力。

式中：ΔP試驗樣品每平方厘米面積的壓力差值，Pa/cm2；M試驗樣品壓差值，Pa；A試驗樣品測試面積，cm2。樣品測試區(qū)域直徑為25 mm。

2 結果與討論

2.1 測試穩(wěn)定性

選取不同廠家共計4個品牌的口罩，對口罩中部位置平行測定10次，測試結果如表2所示。

表2 測試穩(wěn)定性測試結果

從表2可知，不同品牌口罩10次測定結果間標準偏差均很低，說明測試穩(wěn)定性及一致性較好，因此測試本身對通氣阻力影響可忽略不計。

2.2 不同氣體流量對通氣阻力影響

選取4個品牌的口罩，以5種氣體流量對口罩中部位置進行測試，每種流量平行測定3次，取其平均值；不同氣體流量測試結果如圖2所示。

從圖2中可知，其他條件不變，隨氣體流量的增加，不同品牌口罩通氣阻力均有大幅上升，且均呈線性。由達西公式可知阻力與無紡布厚度與氣體速度的一次方成正比[6]，測試面積相同時，氣體流量增加，相應的氣體速度增加，物體沖量變大，阻力增加。因此，各相關方進行通氣阻力測試時，應首先對測試設備的氣體流量準確計量，如此能有效提高口罩通氣阻力測試穩(wěn)定性和比對一致性。

圖2 氣體流量對口罩通氣阻力影響

圖3 不同位置及氣流方向對口罩通氣阻力影響

2.3 不同位置和氣流方向對通氣阻力的影響

對于DMMs測試位置，各國標準規(guī)定皆不相同如表3所示。實驗隨機選取品牌1的口罩，測試口罩不同氣流方向，且每個方向測試5個不同位置，每個位置平行測定10個樣本，取平均值作為測試結果，如圖3所示。

表3 各標準對口罩通氣阻測試位置規(guī)定

從圖3中可知，其他測試條件不變，不同氣流方向通氣阻力無明顯差異，對兩組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，t統(tǒng)計量等于1，小于t雙尾臨界值2.776 445，在置信度α為0.05的情況下，氣流方向對通氣阻力無影響。

圖4 熔噴布不同位置放大影像對比

同樣從圖3可知，品牌1口罩不同位置其通氣阻力有較大差異，左下部與右上部差值在6 Pa/cm2，使用二次元影像儀放大觀察口罩熔噴布層如圖 4所示，發(fā)現(xiàn)右上部熔噴布層纖維疊加更緊密、面密度更大、孔徑更小[4]。這說明熔噴布布面纖維疊加不均勻，導致了口罩通氣阻力在不同位置出現(xiàn)差異。此方面主要由熔噴布制造噴射時不穩(wěn)定造成，故熔噴布制造商應在保證過濾效率的同時，可從生產工藝來考慮，提高產品的穩(wěn)定性，如吹入模頭的熱風和抽吸風要均勻，模頭整體加熱要均勻等[4]；隨著產品穩(wěn)定性提高，不同位置間口罩通氣阻力的差異必將變小，同時不同位置間通氣阻力的差異也將是檢驗過濾材料質量的一個重要手段。各相關方在測試時，對沒有位置規(guī)定的標準，建議可遵循歐標的方法，以期更準確評價口罩通氣阻力性能。

2.4 預處理對通氣阻力的影響

隨機選取4個品牌口罩，分別測試口罩未預處理和預處理狀態(tài)，測試方法和預處理條件按歐標 BS EN 14683規(guī)定，試樣在（21±5）℃&（85±5）%R.H環(huán)境下調節(jié)至少4 h；測試結果匯總如圖5所示。

圖5 未處理和預處理對通氣阻力影響

由圖5可知，其他條件不變情況下，各品牌口罩經預處理后的通氣阻力均與未處理試樣出現(xiàn)偏差，但差異較小。對兩組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，t統(tǒng)計量等于3.810 512，大于t雙尾臨界值3.182 446，在置信度α為0.05的情況下，差異有統(tǒng)計學意義，口罩預處理對口罩通氣阻力具有一定的影響，據(jù)相關資料研究數(shù)據(jù)[7]發(fā)現(xiàn)預處理后阻力的變化可大可小，推測可能是試驗口罩在預處理過程中，其過濾材料電荷變化造成口罩通氣阻力的變化[4]。

針對DMMS通氣阻力檢測中是否進行預處理，各標準意見不一，標準BS EN 14683中規(guī)定樣品需在（21±5）℃&（85±5）%R.H環(huán)境下調節(jié)至少4 h，而標準YY 0469、ASTM F2100和YY/T 0969卻沒有進行規(guī)定；筆者認為從另一角度看口罩在運輸中一直處于長時間封閉環(huán)境，溫濕度都很高，同時人在長時間佩戴時呼出氣體的濕度也很高；因此DMMs預處理將是模擬上述過程檢驗口罩性能是否發(fā)生變化的一種有效手段。

2.5 測試時間對通氣阻力影響

選取不同廠家共計4個品牌的口罩，對口罩中部位置測試，測試設備在前10 s處于流量加載狀態(tài)，10 s后結果趨于穩(wěn)定，最大測試時間為50 s；選擇時間10、15、20、30、50 s，每個時間平行測定3次，取平均值作為測試結果如表4所示。

表4 不同測試時間通氣阻力的測試結果（Pa/cm2）

從表4中可知，其他測試條件不變的情況下，測試時間變化對各品牌口罩通氣阻力沒有明顯影響。

3 結論

本文針對 DMMS通氣阻力的影響，從測試設備穩(wěn)定性、氣體流量、樣品不同位置、氣流方向、預處理、測試時間6個方面展開研究，主要結論如下：

1）氣體流量對口罩通氣阻力有明顯影響，且隨著氣體流量增加通氣阻力線性上升，故各相關方應對設備氣體流量準確計量，以提高測試穩(wěn)定性和比對一致性。

2）樣品不同測試位置的通氣阻力差異明顯，這主要因為口罩過濾材料布面纖維疊加不均勻造成。各相關方在測試中，如對位置沒有規(guī)定，可遵循歐標的方法，取5個不同區(qū)域平均值作為判定結果，以期更準確評價口罩通氣阻力性能。

3）預處理對口罩通氣阻力有一定影響，現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明其影響程度有限。4）測試設備、氣流方向和測試時間對口罩通氣阻力無明顯影響。