防護(hù)口罩佩戴時(shí)間對(duì)過(guò)濾性能的影響

錢 幺 ,梁世華 ,楊先鵬 ,張珍竹 ,王 靜

(1.五邑大學(xué) 紡織材料與工程學(xué)院,廣東 江門 529020;2.佛山中紡聯(lián)檢驗(yàn)技術(shù)服務(wù)有限公司,廣東 佛山 528211)

隨著新冠病毒疫情在全球的不斷擴(kuò)散,口罩迅速成為人們?nèi)粘１貍涞姆酪呶镔Y,其需求量相比以往有爆發(fā)式的增長(zhǎng)。在日常出行中,佩戴口罩已經(jīng)成為一種生活習(xí)慣和應(yīng)當(dāng)遵守的規(guī)范,但長(zhǎng)期佩戴口罩所帶來(lái)的悶熱、不透氣、眼鏡鏡片霧化等困擾一直存在,特別是在炎熱的季節(jié),大多數(shù)人只能通過(guò)間歇性摘下口罩來(lái)緩解不適,這樣勢(shì)必會(huì)降低防護(hù)效果。因此,關(guān)于口罩綜合性能的改良、口罩的防護(hù)效果以及佩戴舒適性的相關(guān)研究也變得尤為重要。通常,防護(hù)口罩都有一定的使用壽命(即可連續(xù)佩戴的時(shí)間),理論上超過(guò)一定的使用時(shí)間,口罩的防護(hù)效果將會(huì)下降甚至失效?？赡苡腥齻€(gè)方面原因:一是過(guò)濾效率下降,主要是由于口罩的過(guò)濾核心層在于中間的駐極熔噴層,使用過(guò)程中的呼吸、空氣環(huán)境濕度會(huì)影響纖維的電荷量,電荷衰減會(huì)降低過(guò)濾效率和抗菌效果[1];二是呼吸阻力增加,由于長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩,唾液和呼出氣體的水分殘留在口罩內(nèi)層,造成透氣性下降,讓人產(chǎn)生悶氣的感覺(jué)[2-3];另一方面是口罩受顆粒物、細(xì)菌甚至病毒的污染,但除了在特殊的高濃度粉塵環(huán)境中使用之外,顆粒在口罩中的負(fù)載量通常很小,基本不會(huì)因?yàn)轭w粒物的負(fù)載而導(dǎo)致口罩失效,反而主要是空氣中的細(xì)菌、病毒等沉降在口罩外層,導(dǎo)致口罩污染,因而無(wú)法繼續(xù)使用。圍繞人體佩戴口罩的不同情況,設(shè)置相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)測(cè)試分析口罩過(guò)濾效率的變化,找到口罩佩戴時(shí)間對(duì)過(guò)濾性能的影響規(guī)律,為口罩防護(hù)性能評(píng)估研究提供參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料

一次性醫(yī)用防護(hù)口罩(細(xì)菌過(guò)濾效率≥95%,廣東金優(yōu)貝健康用品有限公司);純棉、黏膠水刺非織造布(浙江金三發(fā)集團(tuán)有限公司)。

1.2 儀器

CP224C數(shù)字式電子天平(上海奧豪斯儀器有限公司);TSI8130 濾料測(cè)試臺(tái)(美國(guó)TSI公司);YG(B)216-II型織物透濕量?jī)x(溫州市大榮紡織儀器有限公司)。

1.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)選取相同年齡段(20～25歲)的男性、女性分別進(jìn)行試驗(yàn),佩戴口罩人群的活動(dòng)狀態(tài)分為“靜坐”和“走動(dòng)”兩種狀態(tài);口罩佩戴時(shí)間分別為0(初始)、2、3、4 h。對(duì)不同活動(dòng)狀態(tài)、不同佩戴時(shí)間下的口罩試樣進(jìn)行過(guò)濾性能測(cè)試,采用TSI8130濾料測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)試,過(guò)濾用氣溶膠為鹽性顆粒物,測(cè)試氣體流量為32 L/min,測(cè)試面積為100 cm2。在防護(hù)口罩內(nèi)側(cè)添加不同種類的水刺非織造布作為舒適層,測(cè)試口罩佩戴2 h后的過(guò)濾性能變化以及吸濕率和透濕量變化,其中,吸濕率通過(guò)稱量口罩佩戴前后的重量變化計(jì)算得到;透濕量通過(guò)采用蒸發(fā)法經(jīng)過(guò)透濕杯(溫度38 ℃,濕度50%)測(cè)試得到[4]。

2 結(jié)果和分析

2.1 佩戴時(shí)間對(duì)防護(hù)口罩過(guò)濾性能的影響

圖1為相同活動(dòng)狀態(tài)下平面口罩佩戴不同時(shí)間后的過(guò)濾性能變化情況,對(duì)比初始狀態(tài)(0 h)時(shí)的過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率可以看出,隨著時(shí)間的變化,口罩的過(guò)濾阻力發(fā)生很小的波動(dòng)變化,可認(rèn)為未發(fā)生變化;但對(duì)微細(xì)顆粒物的過(guò)濾效率的測(cè)試可看到,佩戴1 h后口罩的過(guò)濾效率會(huì)有明顯下降,2 h 之后繼續(xù)延長(zhǎng)佩戴時(shí)間,過(guò)濾效率緩慢降低,從測(cè)量誤差上看并不明顯,近似為不變,原因可能是剛開(kāi)始口罩材料由干態(tài)接觸到呼吸過(guò)程中的水蒸氣,靜電吸附作用受到影響,到一定時(shí)間后,口罩材料的吸濕達(dá)到飽和,水分對(duì)過(guò)濾效率的影響逐漸減小;佩戴4 h后的過(guò)濾效率仍然在99.0%以上,表明過(guò)濾效率雖然有所降低,但仍能對(duì)顆粒物有較高的過(guò)濾效果。

圖1 防護(hù)口罩佩戴時(shí)間對(duì)過(guò)濾性能的影響

2.2 活動(dòng)狀態(tài)對(duì)過(guò)濾性能的影響

圖2為不同活動(dòng)狀態(tài)下防護(hù)口罩佩戴2 h后的過(guò)濾性能變化情況,對(duì)比初始狀態(tài)下的過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率可以看出,無(wú)論是靜坐2 h還是走動(dòng)2 h后,口罩的過(guò)濾阻力幾乎不會(huì)發(fā)生變化;但是,通過(guò)對(duì)微細(xì)顆粒物的過(guò)濾效率精密測(cè)試可看到,佩戴2 h后口罩的過(guò)濾效率會(huì)有小幅下降,且走動(dòng)狀態(tài)的下降略微多一點(diǎn),盡管從數(shù)值上來(lái)看有一點(diǎn)下降,但不是十分明顯,過(guò)濾效率仍然在99.4%以上,并不影響過(guò)濾效果。

圖2 不同活動(dòng)狀態(tài)下佩戴2 h后防護(hù)口罩的過(guò)濾性能

2.3 舒適層添加對(duì)防護(hù)口罩過(guò)濾性能的影響

圖3為相同活動(dòng)狀態(tài)下添加不同舒適層的防護(hù)口罩在佩戴2 h后的過(guò)濾性能變化情況,對(duì)比不添加舒適層(未添加)的口罩2 h后的過(guò)濾阻力和過(guò)濾效率可以看出,添加不同舒適層的防護(hù)口罩在佩戴2 h后的過(guò)濾效率明顯高于未添加的口罩,原因可能是舒適層也有一定的過(guò)濾效果,增加了過(guò)濾效率;而佩戴2 h后,舒適層由于吸收不同程度的水分,加上自身對(duì)空氣的阻隔,導(dǎo)致過(guò)濾阻力有略微上升,其中添加60 g/m2黏膠水刺布的過(guò)濾阻力增加較為明顯,添加40 g/m2純棉水刺布的過(guò)濾阻力較未添加的幾乎不變。

圖3 添加不同舒適層佩戴2 h后防護(hù)口罩的過(guò)濾性能

圖4反映了添加40 g/m2純棉水刺布舒適層后防護(hù)口罩佩戴時(shí)間對(duì)過(guò)濾性能的影響。由圖4可以明顯看出,隨著時(shí)間的變化,口罩的過(guò)濾阻力有很小波動(dòng)變化,可近似為未發(fā)生變化。但通過(guò)過(guò)濾效率的數(shù)據(jù)可看到與圖2有類似的規(guī)律,佩戴1 h后口罩的過(guò)濾效率明顯下降,繼續(xù)延長(zhǎng)佩戴時(shí)間,過(guò)濾效率發(fā)生波動(dòng)性緩慢降低,從測(cè)量誤差上看并不明顯,佩戴4 h后的過(guò)濾效率仍然在99.2%以上。與圖2中的過(guò)濾效率相比,添加舒適層能夠在一定程度上緩解過(guò)濾效率的下降速度。

圖4 添加純棉40舒適層后防護(hù)口罩佩戴時(shí)間對(duì)過(guò)濾性能的影響

2.4 舒適層添加對(duì)防護(hù)口罩吸濕、透濕性能的影響

表1為添加不同舒適層的防護(hù)口罩在佩戴2 h后的吸濕重量變化以及1 h透濕量,對(duì)比可以看出,不添加舒適層(無(wú)處理)的口罩2 h的吸濕率僅為4.60%,而添加純棉或黏膠水刺非織造布舒適層的口罩,吸濕率明顯提高,并且加黏膠水刺非織造布后口罩的吸濕率高于加純棉水刺非織造布的口罩,這是由于黏膠的回潮率高于棉纖維,黏膠吸濕性更好;此外,所加黏膠水刺非織造布的克重也對(duì)吸濕率有明顯影響,克重為60 g/m2水刺布的吸濕率要高于40 g/m2水刺布。通過(guò)對(duì)比透濕量變化,可以看出,添加不同舒適層后對(duì)透濕量也有一定提升作用,其中加純棉水刺非織造布的透濕量提升更明顯,表明純棉水刺非織造布能夠加快水蒸氣的傳導(dǎo)。

表1 添加不同舒適層的防護(hù)口罩的吸濕與透濕性能

3 結(jié)論

(1)受呼吸過(guò)程中水蒸氣的影響,佩戴過(guò)程中口罩過(guò)濾效率剛開(kāi)始會(huì)出現(xiàn)一定下降,但隨著時(shí)間的推移,過(guò)濾效率幾乎不變;佩戴4 h后的口罩仍能對(duì)0.3μm顆粒物有99.0%以上的較高過(guò)濾效率。

(2)防護(hù)口罩中增加一層水刺非織造布作為舒適層,在一定程度上還能提高過(guò)濾性能,減緩過(guò)濾效率的降低速度。

(3)防護(hù)口罩中添加不同舒適層后對(duì)吸濕率和透濕率也有不同程度的提升作用,加黏膠水刺非織造布后口罩的吸濕率較高,加純棉水刺非織造布的透濕量提升更明顯。