日常防護型口罩結構分析及性能研究

李龍飛 邵靈達 林平 祝成炎 丁圓圓 田偉

摘 要：為了研究口罩結構參數(shù)對過濾性能及透氣透濕性能的影響，對8種日常防護型口罩內層、過濾層及外層的結構參數(shù)進行分析，并對其透氣透濕性能、過濾性能進行測試和表征。結果表明：過濾層結構參數(shù)對過濾性能的影響權重從大到小依次為：纖維直徑、平均孔徑、孔隙率，且隨著纖維直徑的減小，口罩的過濾性能呈增大趨勢;口罩整體的透氣性能主要受口罩內層影響，且隨著口罩內層透氣性能的增大，整體透氣性能呈增加趨勢;口罩整體的透濕性能主要受過濾層影響，且隨著過濾層透濕性能的增大，整體透濕性能呈增加趨勢。

關鍵詞：日常防護口罩;結構參數(shù);過濾效率;舒適性能;復合結構層

中圖分類號： TS177

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2022）01-0178-07

Abstract： In order to study the effect of structural parameters on the filtration efficiency， air permeability and moisture permeability of masks， the structural parameters of the inner layer， filter layer and outer layer of eight kinds of daily protective masks were analyzed， their air permeability， moisture permeability and filtration efficiency were tested and characterized. The results show that the order of size wtih the influence weight of the structural parameters of filter layer on the filtration efficiency is： fiber diameter， average pore size， porosity; with the decrease of fiber diameter， the filtration efficiency of masks increases; the overall air permeability of masks is mainly affected by the inner layer of masks， and with the increase of the air permeability of the inner layer of masks， the overall air permeability shows an increasing trend. The overall moisture permeability of masks is mainly affected by the filter layer， and with the increase of the moisture permeability of the filter layer， the overall moisture permeability shows an increasing trend.

Key words： daily protective mask; structural parameters; filtration efficiency; comfort; composite layer

隨著社會對個人安全防護的逐漸重視，以及SARS、禽流感、COVID-19等呼吸道傳染疾病的流行，人們對自身的安全防護問題也越來越關注[1]。日常防護型口罩是指一種在日常生活中廣泛使用，起到過濾進入人體肺部空氣作用的自吸式過濾呼吸器[2]?？谡肿鳛槿粘７雷o用品，它的防護效果及佩戴的舒適性是當今人們密切關注的問題[3]。

口罩的防護效果主要利用過濾效率來表征[4]，舒適性主要通過透氣性、透濕性等指標來表征[5]。針對口罩的過濾性能，國內外學者分別研究了纖維直徑[6]、孔隙結構 [7]、孔隙形狀[8]、孔徑[9]及孔徑分布[10]等過濾材料的結構參數(shù)與過濾效率的關系。針對口罩的舒適性能，陳美玉等[11]從透氣透濕性對市場上具有代表性的10種口罩進行了舒適性的研究，發(fā)現(xiàn)功能性口罩的過濾性能普遍較好，舒適性相對較差，紗布口罩過濾效果較差，透氣透濕性能較好。馮強強[12]從材料的透氣透濕性、接觸舒適性出發(fā)，通過合理的組織設計，開發(fā)出一種新型舒適性醫(yī)用口罩材料。

從上述文獻可以看出，針對口罩性能的研究主要為過濾性能和舒適性能兩方面。針對目前口罩舒適性能與過濾性能之間較難平衡，單層舒適性能研究較少的問題，從市場上收集了具有代表性的8種口罩并對其復合結構層進行分析，發(fā)現(xiàn)目前口罩多為三層結構（內層、過濾層、外層）如圖1所示，通過對口罩各層結構參數(shù)進行分析，并對口罩整體的過濾效率及各層的透氣率和透濕量進行測試，最后通過多元回歸、雙變量及偏相關等方法對口罩各層結構參數(shù)與過濾性能、舒適性能的關系進行了研究，期望得出口罩結構參數(shù)與口罩過濾性能及舒適性能的關系，以期為更優(yōu)異過濾性能與舒適性能的口罩設計提供參數(shù)借鑒。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗樣品為市場上收集的具有代表性的8種不同類型的日常防護型口罩，各口罩過濾層均為聚丙烯熔噴非織造材料?？谡謽悠穼嵨锶鐖D2所示。

1.2 實驗儀器

AL204-IC型電子天平（梅特勒-托利多（上海）有限公司）;YG（B）141D型數(shù)字式織物厚度儀（溫州方圓儀器有限公司）;CFP-1500AE型毛細管流動孔徑測試儀（美國PMI公司（中國））;TSI8130型自動濾料測試儀（美國TSI集團中國公司）;YG461E-Ⅲ全自動透氣量儀（寧波紡織儀器廠）;YG601-Ⅰ/Ⅱ型電腦式織物透濕儀（寧波紡織儀器廠）;JSM-5610型掃描電子顯微鏡（日本電子株式會社）。

1.3 性能測試

1.3.1 平方米質量和厚度測試

平方米質量參考GB/T 4669-2008《紡織品 機織物 單位長度質量和單位面積質量的測定》進行測試;厚度參考GB/T 3820-1997《紡織品和紡織制品厚度的測定》進行測試。為了減小試樣厚度和平方米質量不均勻造成的測試誤差，對每個試樣進行10次不同位置的測試，再通過計算獲得平均平方米質量和平均厚度。

1.3.2 纖維直徑和孔徑測試

纖維直徑很難直接測量，采用Image J軟件對過濾層掃描電鏡拍攝的纖維進行測量，得到纖維直徑的大小及其分布。通過對每個試樣中50個不同位置處的纖維直徑進行測量，計算獲取平均值。

孔徑參考GB/T 21650.2-2008《壓汞法和氣體吸附法測定固體材料孔徑分布和孔隙度 第2部分：氣體吸附法分析介孔和大孔》，對每個試樣的5個不同位置進行測試，取平均值以減少測試誤差。

1.3.3 孔隙率的計算

孔隙率按照計算式（1）進行計算[13]：

n=1-Mρ×δ（1）

式中：n為孔隙率，%;M為單位面積質量，g/m2;ρ為原材料體密度，g/m3，已知丙綸的密度為0.91g/cm3;滌綸的密度為1.39g/cm3;真絲的密度為1.3g/cm3;δ為材料厚度，m。

1.3.4 過濾性能測試

參考GB/T 32610-2016《日常防護型口罩技術規(guī)范》對口罩的過濾效率進行測定，氣體流量為85L/min，氯化鈉氣溶膠數(shù)量中值直徑為0.075μm，每種試樣測試5次，取平均值。

1.3.5 孔隙率的計算采用JSM-5610型掃描電子顯微鏡對纖維網(wǎng)結構進行觀察

采用Image J軟件對非織造布掃描電鏡照片進行測量，得到纖維直徑大小及其分布。

1.3.6 透氣性及透濕性測試

參考GB/T 5453-1997《紡織品織物透氣性的測定》，對織物的透氣性進行測定，試樣面積為20cm2，壓差為100Pa，每種試樣測試10次，取平均值。

參考GB/T 12704.1-2009《紡織品 織物透濕性試驗方法 第1部分：吸濕法》，對織物的透濕性進行測定，試樣直徑70mm，溫度（38±2）℃，相對濕度90%±2%，每種試樣測試3次，取平均值。

1.4 口罩內層、過濾層及外層的結構參數(shù)分析

對8種日常防護型口罩內層、過濾層及外層結構進行分析，得到其基本結構參數(shù)見表1。

2 結果與分析

2.1 過濾層結構參數(shù)對過濾性能影響的分析

實驗所測口罩的過濾層結構參數(shù)和過濾效率見表2。

為了對各結構參數(shù)對過濾效率的綜合影響及影響權重進行更好的研究，先進行了MIN-max標準化數(shù)據(jù)處理，使各變量的量綱相同[14]，標準化后的數(shù)據(jù)見表3。

經SPSS多元回歸分析，回歸方程為y′=1.07-0.98x1′-0.26x2′-0.16x3′，顯著性檢驗統(tǒng)計量F=268.00>F0.05（3，4）=6.59，顯著性系數(shù)sig=0.00則模型中自變量的聯(lián)合作用能夠顯著影響因變量，該模型在統(tǒng)計學中有意義。擬合優(yōu)度R=0.99（接近1），即該模型擬合較好。由于標準回歸系數(shù)能比較可靠地反映出自變量對因變量的貢獻大小[15]，結合上述變量對應的系數(shù)按絕對值大小依次為：-0.97、-0.28、-0.17，可得出上述3個因素對過濾效率的影響權重從大到小依次為：纖維直徑、平均孔徑、孔隙率。過濾效率與纖維直徑存在負相關，與平均孔徑存在負相關，與孔隙率存在負相關。

纖維濾料的過濾原理主要包括布朗運動、攔截、慣性撞擊、靜電吸附、沉降作用[16]，口罩防護過程中起主要過濾作用的是攔截、慣性撞擊和靜電吸引沉積。隨著濾料纖維直徑、平均孔徑和孔隙率的減小，過濾纖網(wǎng)三維結構的復雜性及過濾通道的彎曲程度逐漸增大，使微粒通過過濾層時更容易被吸附、捕捉及碰撞而被過濾，從而有效地提升口罩的過濾性能。

2.2 口罩內外層結構參數(shù)對舒適性能影響的分析

實驗所測口罩內層及外層的透氣率和透濕量如圖3所示。

織物透氣性決定于織物的經緯紗線間以及纖維間空隙數(shù)量與大小，即與經緯密度、經緯紗線特數(shù)因素有關，還與纖維性質、紗線結構、織物厚度和體積重量等因素有關[17]。由表1可知，織物厚度、平方米質量與經緯密度和經緯紗特數(shù)密切相關。對口罩內外層的透氣率與厚度、平方米質量進行相關性分析，結果顯示厚度與透氣率的顯著性水平為0.337>0.05，相關系數(shù)為-0.257，可得出兩者之間不存在線性相關;平方米質量與透氣率的顯著性水平為0.018<0.05，相關系數(shù)為-0.583，可得出兩者之間存在中等顯著負相關;控制其厚度，對口罩內外層透氣率和平方米質量進行偏相關分析，結果顯示平方米質量與透氣率的顯著性水平為0.000<0.05，相關系數(shù)為-0.916，可得出兩者之間存在高顯著負相關。由圖3（a）知，試樣C、D透氣率遠遠高于其他試樣，其內外層均為聚丙烯紡粘非織造布，纖維糾纏抱合形成獨特的三維立體結構，內部空隙較多，有利于空氣流通，單位時間內氣流量大，透氣率高。

水分子透過織物一般有3種情況：a）由于纖維對水分子的吸收，使水分子通過纖維體積內部而到達織物另一面;b）由于毛細管的作用，織物內部的紗線潤濕使水分子滲透到另一面;c）由于水壓強迫水分子通過織物孔隙?？椢锿笣裥蕴卣骰九c透氣性相似。一般織物厚度越厚，水汽通過織物間的孔隙所走的路徑越長，透濕性能越差[17]。對口罩內外層的透濕量與厚度、平方米質量進行相關性分析，結果顯示厚度與透濕量的顯著性水平為0.317>0.05，相關系數(shù)為0.267，可得出兩者之間不存在線性相關;織物平方米質量與透濕量的顯著性水平為0.134>0.05，相關系數(shù)為0.391，可得出兩者之間不存在線性相關。

2.3 口罩整體舒適性能與內層、過濾層及外層舒適性能的關系

實驗所測口罩整體及口罩過濾層的透氣率和透濕量如圖4所示。

2.3.1 透氣率

分別以口罩內層、過濾層、外層的透氣率為自變量x1、x2、x3，口罩整體的透氣率為因變量y1，先對數(shù)據(jù)進行標準化，再進行多元回歸分析，得出線性方程y1=0.012+2.017x1+1.535x2-1.606x3，顯著性檢驗統(tǒng)計量F=8.42>F0.05（3，20）=3.098，顯著性系數(shù)sig=0.033，則模型中自變量的聯(lián)合作用能顯著影響因變量，該模型在統(tǒng)計學中有意義。擬合優(yōu)度R=0.929（接近1），即該模型擬合較好。由于標準回歸系數(shù)能比較可靠地反應出自變量對因變量的貢獻大小，結合上述變量對應的系數(shù)按絕對值大小依次為：2.017、-1.606、1.535，可得出上述3個變量對整體透氣率的影響權重為：內層>外層>過濾層。整體透氣率與內層存在正相關，與外層存在負相關，與過濾層存在正相關。

2.3.2 透濕量

分別以口罩內層、過濾層、外層的透濕量為自變量x4、x5、x6，口罩整體的透濕量為因變量y2，先對數(shù)據(jù)進行標準化，再進行多元回歸分析，得出線性方程y2=-0.03-0.101x4+0.803x5+0.374x6，方程的顯著性檢驗統(tǒng)計量F=4.516>F0.05（3，20）=3.098，顯著性系數(shù)sig=0.09，則模型中各自變量聯(lián)合起來對因變量有顯著影響，該模型有統(tǒng)計學意義。擬合優(yōu)度R=0.879（接近1），即該模型擬合較好。由于標準回歸系數(shù)能比較可靠地反應出自變量對因變量的貢獻大小，結合上述變量對應的系數(shù)按絕對值大小依次為：0.803、-0.374、-0.101，可得出上述3個變量對整體透濕量的影響權重從大到小依次為：過濾層、外層、內層。整體透濕量與過濾層存在正相關，與外層存在負相關，與內層存在負相關。

3 結 論

對8種日常防護型口罩的內層、過濾層、外層的結構參數(shù)進行分析，研究了過濾層的結構參數(shù)對過濾性能的影響及權重，以及各口罩內外層結構參數(shù)對口罩內外層舒適性能的影響，并分析了口罩內層、過濾層及外層對口罩整體的透氣、透濕性能的影響及權重。結論如下：

a）口罩的過濾層結構參數(shù)對過濾效率的影響權重從大到小依次為纖維直徑、平均孔徑、孔隙率，且口罩的過濾效率與纖維直徑、平均孔徑和孔隙率呈負相關。

b）口罩內外層透氣率與厚度相關性不顯著，與平方米質量呈現(xiàn)顯著相關，且在厚度一定的情況下，口罩內外層的平方米質量越小，透氣率越大?？谡謨韧鈱油笣窳颗c厚度、平方米質量相關性均不顯著。

c）口罩各層透氣性能對口罩整體透氣性能的影響權重從大到小依次為：內層、外層、過濾層，且口罩透氣性能與口罩內層、過濾層呈正相關，與外層呈負相關;口罩各層透濕性能對口罩整體透濕性能的影響權重從大到小依次為：過濾層、外層、內層，且口罩透濕性能與口罩內層、外層呈負相關，與過濾層呈正相關。

參考文獻：

[1]賈琳，王西賢，曹琪龍，等.PAN/SiO_2復合納米纖維濾膜的制備及性能分析[J].絲綢，2020，57（10）：17-23.

JIA Lin， WANG Xixian， CAO Qilong，et al. Preparation and property analysis of PAN/SiO2 composite nanofiber filter membrane[J]. Silk， 2020，57 （10）： 17-23

[2]LIU J， ZHANG X， ZHANG H， et al. Low resistance bicomponent spunbond materials for fresh air filtration with ultra-high dust holding capacity[J]. RSC Advances， 2017， 7（69）： 43879-43887.

[3]THOMAS A W，WILLIAM A M，RICHARD A G. If the mask fits： Facial dimensions and mask performance[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2019，72：308-310

[4]張星，劉金鑫，張海峰，等.防護口罩用非織造濾料的制備技術與研究現(xiàn)狀[J].紡織學報，2020，41（3）：168-174.

ZHANG Xing， LIU Jinxin， ZHANG Haifeng，et al. Preparation technology and research status of nonwoven filtration materials for individual protective masks[J]. Journal of Textile Research， 2020，41 （3）： 168-174

[5]JOHNSON A T. Respirator masks protect health but impact performance： A review[J]. Journal of Biological Engineering， 2016， 10（1）： 1-12.

[6]全瓊瑛，應偉偉，祝成炎.熔噴非織造過濾材料直徑對醫(yī)用口罩過濾性能的影響[J].上海紡織科技，2015，43（11）：16-18.

QUAN Qiongying， YING Weiwei， ZHU Chengyan. The effect of fiber diameter of melt-blown nonwovens on filtration performance of medical masks[J]. Shanghai textile technology， 2015，43 （11）： 16-18

[7]王璐，于斌，祝成炎，等.異纖度對水刺非織造材料孔隙結構及過濾性能的影響[J].浙江理工大學學報，2010，27（4）：524-528.

WANG Lu， YU Bin， ZHU Chengyan，et al. Effect of pore structure of differential linear density on filtration performance of spunlaced nonwovens[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University， 2010，27（4）： 524-528

[8]金關秀，祝成炎.孔隙形狀對熔噴非織造布過濾品質的影響[J].上海紡織科技，2018，46（11）：15-18.

JIN Guanxiu， ZHU Chengyan. Effect of shape on the filter quality of melt-blown nonwoven[J].Shanghai textile technology， 2018，46（11）：15-18.

[9]武松梅，袁傳剛.非織造材料孔徑與過濾性能關系的研究[J].產業(yè)用紡織品，2010，28（1）：12-14.

WU Songmei， YUAN chuangang. Study on relation between pore size of nonwovens and filtration characteristic[J]. Industrial Textiles， 2010，28（1）： 12-14

[10]倪冰選，張鵬.非織造布孔徑分布及過濾效率研究[J].產業(yè)用紡織品，2012，30（3）：25-28.

NI Bingxuan， ZHANG Peng. Study on pore size distribution and filtration efficiency of nonwovens[J]. Industrial Textiles， 2012，30（3）： 25-28

[11]陳美玉，周瑩瑩，王紅紅，等.市場口罩的過濾特征與舒適性分析[J].紡織高校基礎科學學報，2018，31（3）：281-288.

CHEN Meiyu， ZHOU Yingying， WANG Honghong，et al. Filtering characteristics and comfort performance of the masks in the market[J]. Journal of basic science of Textile University， 2018，31（3）： 281-288

[12]馮強強.新型舒適性醫(yī)用口罩材料的研究與開發(fā)[D].西安：西安工程大學，2012.

FENG Qiangqiang. Research and Development of Ate-model and Comfortable Materials for Medical Mask[D]. Xi'an： Xian University of Engineering， 2012

[13]田偉，雷新，從明芳，等.紡粘非織造布制備工藝與性能的關系[J].紡織學報，2015，36（11）：68-71.

TIAN Wei， LEI Xin， CONG Mingfang，et al. Relationship between manufacture process and performance for spunbond nonwoven[J]. Journal of Textile Research， 2015，36（11）：68-71.

[14]劉林玉，陳誠毅，王珍玉，等.消防服多層織物的熱濕舒適性[J].紡織學報，2019，40（5）：119-123.

LIU Linyu， CHEN Chengyi， WANG Zhenyu，et al. Thermal-moisture comfort of multilayered fabric systemsused as firefighting clothing[J]. Journal of Textile Research， 2019，40（5）：119-123.

[15]全瓊瑛，應偉偉，祝成炎.非織造醫(yī)用防護口罩過濾材料結構與過濾效率關系的研究[J].上海紡織科技，2015（7）：1-2，29.

QUAN Qiongying， YING Weiwei， ZHU Chengyan. Study on relation between structure and filtration efficiency of nonwoven medical protective masks[J]. Shanghai Textile Technology， 2015，43（7）： 1-2，29

[16]陳鳳翔，翟麗莎，劉可帥，等.防護口罩研究進展及其發(fā)展趨勢[J].西安工程大學學報，2020，34（2）：1-12.

CHEN Fengxiang， ZHAI Lisha， LIU Keshuai，et al. Research progress and its developing trend of protective masks[J]. Journal of Xi'an Polytechnic University， 2020，34（2）：1-12.

[17]劉讓同，李亮，焦云，等.織物結構與性能[M].武漢：武漢大學出版社，2012.

LIU Rangtong， LI Liang， JIAO Yun， et al. Fabric Structure and Properties[M]. Wuhan： Wuhan University Press， 2012.