不同材質(zhì)口罩的非油性顆粒過濾效率

張發(fā)勇，李揮，邵文亮，馮毅，陳明，李岱岳，曾海霞，王貴文(通信作者)

1 河北省藥品醫(yī)療器械檢驗(yàn)研究院 (河北石家莊 050200)；2 河北省藥品審評(píng)中心(河北石家莊 050200)

口罩是一種佩戴在口鼻部位用于過濾進(jìn)入肺部空氣的衛(wèi)生用品，具有阻擋有害氣體、粉塵、飛沫、病毒等物質(zhì)的作用，主要被用于醫(yī)療領(lǐng)域及礦山開采、建筑材料加工、金屬冶煉等粉塵、顆粒物污染嚴(yán)重的工作場所[1]。新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)以來，口罩需求量激增，越來越多的公眾意識(shí)到，佩戴口罩是預(yù)防呼吸道傳染病的重要方法，可有效降低新型冠狀病毒的感染風(fēng)險(xiǎn)。但市面上口罩類型較多，只有正確選擇適合自身的口罩類型，才能在合理防護(hù)的同時(shí)避免過度防護(hù)[2-3]。

口罩的制作材料包括織物、熔噴布、無紡布等傳統(tǒng)材料，以及石墨烯、納米銅等新型材料。不同材質(zhì)口罩的防護(hù)性能存在較大差異。過濾效率為口罩最重要的防護(hù)性能指標(biāo)，包括顆粒過濾效率和細(xì)菌過濾效率，顆粒過濾效率又可分為油性顆粒過濾效率和非油性顆粒過濾效率[4]。油性顆粒過濾效率一般為工業(yè)用口罩的檢測指標(biāo)，我國目前尚未制定有關(guān)醫(yī)用和民用口罩油性顆粒過濾效率的標(biāo)準(zhǔn)，因此，非油性顆粒過濾效率和細(xì)菌過濾效率是衡量口罩防護(hù)性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，且兩者之間存在一定的相關(guān)性[5-8]。劉思敏等[9]檢測了41批醫(yī)用外科口罩的非油性顆粒過濾效率和細(xì)菌過濾效率，發(fā)現(xiàn)兩者成正相關(guān)，而非油性顆粒過濾效率的檢測更加簡便快捷，因此可以考慮將非油性顆粒過濾效率作為細(xì)菌過濾效率的替代方法。本研究選擇了4種不同材質(zhì)(醫(yī)用外科口罩、醫(yī)用防護(hù)口罩、石墨烯口罩、納米銅口罩)的口罩，檢測其非油性顆粒過濾效率，以期為指導(dǎo)不同人群科學(xué)選擇和使用口罩提供依據(jù)，現(xiàn)報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 儀器和材料

預(yù)處理儀器：德國Memmert公司生產(chǎn)的ICH110型恒溫恒濕箱，可調(diào)溫度范圍為10～60 ℃，可調(diào)濕度范圍為10%～80%，溫濕度控制精度分別為±0.1 ℃和±1%；中國東莞泰利測試設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MHG-225CNUB型可程式恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)，可調(diào)溫度范圍為-70～150 ℃，可調(diào)濕度范圍為20%～98%，溫濕度控制精度分別為±0.5 ℃和±3%。

檢測儀器：美國TSI公司生產(chǎn)的8130A型自動(dòng)濾料測試儀，內(nèi)置鹽性氣溶膠發(fā)生器(使用2%氯化鈉溶液)及雙重固態(tài)光度計(jì)(檢測部分)；鹽性氣溶膠發(fā)生器產(chǎn)生的氯化鈉氣溶膠中值直徑為(0.075±0.020)μm，顆粒分布的幾何標(biāo)準(zhǔn)偏差≤1.83，氣溶膠濃度為12～20 mg/m3；雙重固態(tài)光度計(jì)的檢測方法為鹽霧法，濃度測量范圍為1.0 μg/m3～200 mg/m3，流量范圍為15～100 L/min，效率測量范圍為0～99.999%(穿透率低至0.001%)，壓縮氣源要求550 kPa、198 L/min。

樣品：由同一廠家提供的醫(yī)用外科口罩(材質(zhì)：無紡布/聚丙烯熔噴布/無紡布)、醫(yī)用防護(hù)口罩(材質(zhì)：無紡布/兩層聚丙烯熔噴布和熱風(fēng)棉/無紡布)、石墨烯口罩(材質(zhì)：無紡布/石墨烯熔噴布/無紡布)、納米銅口罩(材質(zhì)：無紡布/納米銅熔噴布/無紡布)各10個(gè)(同批次產(chǎn)品)，隨機(jī)編號(hào)1#～10#。

1.2 方法

醫(yī)用外科口罩采用恒溫恒濕箱進(jìn)行預(yù)處理，按照YY 0469-2011《醫(yī)用外科口罩》[10]規(guī)定設(shè)置參數(shù)[溫度(38.0±2.5)℃，濕度(85±5)%，處理時(shí)間(25±1)h]；另外3種口罩采用可程式恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行預(yù)處理，按照GB 19083-2010《醫(yī)用防護(hù)口罩》[11]規(guī)定設(shè)置參數(shù)[首先設(shè)置溫度為(70±3)℃，放置24 h，然后設(shè)置溫度為(-30±3)℃，放置24 h]；預(yù)處理結(jié)束后取出樣品密封待檢，檢測應(yīng)于預(yù)處理后的10 h內(nèi)進(jìn)行；檢測時(shí)，將樣品口罩置于自動(dòng)濾料測試儀內(nèi)，設(shè)置檢測環(huán)境溫度為(25±5)℃、濕度為(30±10)%，檢測醫(yī)用外科口罩時(shí)氣體流量設(shè)置為30 L/min，檢測另外3種口罩時(shí)氣體流量設(shè)置為85 L/min。

2 結(jié)果

醫(yī)用外科口罩、醫(yī)用防護(hù)口罩、石墨烯口罩、納米銅口罩的平均非油性顆粒過濾效率分別為88.39%、96.47%、99.64%、97.86%，均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，見表1、圖1；進(jìn)一步計(jì)算方差可得，石墨烯口罩的方差最小(0.001744)，表明這種材質(zhì)口罩的非油性顆粒過濾效率最穩(wěn)定，同一批次產(chǎn)品的優(yōu)劣差距較小，見表2。

表1 4種不同材質(zhì)口罩的非油性顆粒過濾效率檢測結(jié)果(%)

圖1 不同材質(zhì)口罩的非油性顆粒過濾效率

表2 不同材質(zhì)口罩非油性顆粒過濾效率的方差

3 討論

非油性顆粒主要是指固體和非油性液體顆粒物及微生物等，普遍存在于日常生活和工作環(huán)境中。非油性顆粒的粒徑大小各不相同，其中，直徑<5 μm的顆粒能進(jìn)入呼吸系統(tǒng)，甚至進(jìn)入肺泡中，嚴(yán)重影響人體健康[12-16]。非油性顆粒過濾效率是口罩的重要性能指標(biāo)之一，其檢測方法簡便快捷，可用于檢測過程復(fù)雜、檢測周期長、對(duì)檢測人員要求較高的細(xì)菌過濾效率的預(yù)測。本研究采用美國TSI 8130A型自動(dòng)濾料測試儀檢測不同材質(zhì)口罩的非油性顆粒過濾效率，該儀器具有高度自動(dòng)化和自診斷特性，能夠簡化操作并改善整體測量性能，其內(nèi)置的雙重固態(tài)光度計(jì)能夠在縮短檢測時(shí)間的同時(shí)提升檢測準(zhǔn)確度。

醫(yī)用外科口罩由3層組成，外層無紡布具有阻水、防飛沫作用，中間過濾層為聚丙烯熔噴布，可以阻止直徑<5 μm的感染因子(細(xì)菌、病毒及其他病原微生物等)，近口鼻的內(nèi)層用于吸濕，主要用于普通公眾、公共場所服務(wù)人員及醫(yī)療機(jī)構(gòu)的門診、病房普通醫(yī)護(hù)人員和保安、導(dǎo)醫(yī)、收費(fèi)等人員的基本防護(hù)。醫(yī)用防護(hù)口罩屬于高效醫(yī)用防護(hù)口罩，由5層組成，內(nèi)外層同醫(yī)用外科口罩，中間過濾層由雙層聚丙烯熔噴布和熱風(fēng)棉組成，除具備醫(yī)用外科口罩的特性外，對(duì)微小帶病毒氣溶膠或有害微塵的過濾效果顯著，對(duì)非油性顆粒的過濾效率可達(dá)95%以上，可用于污染嚴(yán)重的環(huán)境或突發(fā)醫(yī)療傳染疾病(如呼吸道傳染病)時(shí)，如污染傳播高風(fēng)險(xiǎn)崗位(冷鏈運(yùn)輸、跨境貨運(yùn)、機(jī)場等崗位)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)中可能接觸污染物或感染者的崗位(化驗(yàn)室、發(fā)熱門診、隔離病房、鼻咽拭子采樣等崗位)。

石墨烯和納米銅均為目前受關(guān)注較高的新型材料。石墨烯是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，具有超強(qiáng)過濾吸附、物理隔塵及PM2.5、PM10隔絕功能，還可以過濾花粉和其他粉塵；同時(shí)，石墨烯能切割細(xì)菌的細(xì)胞膜，并大量抽取細(xì)胞膜上的磷脂分子，具有優(yōu)良的抗菌性；此外，石墨烯還能吸附二氧化硫、甲醛和甲苯等有害物質(zhì)。以石墨烯熔噴布作為中間過濾層的石墨烯口罩，其過濾效能顯著增強(qiáng)，非油性顆粒過濾效率>99%，且使用時(shí)間顯著長于傳統(tǒng)口罩(傳統(tǒng)口罩要求每4～8小時(shí)更換1次，而石墨烯口罩的使用時(shí)間可超過48 h)，同時(shí)連續(xù)佩戴48 h后其過濾效能僅降低4%[17]。納米銅是一種新型納米級(jí)纖維，納米銅口罩是將銅通過物理原理改性在紗線中，其利用了銅本身的抗菌性能，并通過納米技術(shù)增強(qiáng)了銅的抗病毒特性。以納米銅熔噴布作為中間過濾層的納米銅口罩，其性能穩(wěn)定且非油性顆粒過濾效率>95%[18]。目前，我國尚未建立石墨烯口罩和納米銅口罩的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，下一步我們將針對(duì)這兩種新型材料進(jìn)行相關(guān)研究，為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

本研究結(jié)果顯示，不同材質(zhì)口罩的非油性顆粒過濾效率存在差異，醫(yī)用外科口罩的平均非油性顆粒過濾效率符合YY 0469-2011的要求，醫(yī)用防護(hù)口罩、納米銅口罩的平均非油性顆粒過濾效率均>95%，符合GB 19083-2010中非油性顆粒過濾效率1級(jí)要求，石墨烯口罩的平均非油性顆粒過濾效率>99%，符合GB 19083-2010中非油性顆粒過濾效率2級(jí)要求。

綜上所述，不同材質(zhì)口罩的非油性過濾效率存在差異，公眾應(yīng)根據(jù)不同場合、不同用途選擇適宜的口罩類型，普通公民、公共場所服務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)一般人員選擇醫(yī)用外科口罩即可，而污染傳播高風(fēng)險(xiǎn)崗位及可能接觸污染物的人員應(yīng)選擇醫(yī)用防護(hù)口罩或更高級(jí)別的防護(hù)口罩。