防霾口罩呼吸阻力的研究
2020/04/08
应对多发的雾霾天气 ，人们对PM2.5的防护越来越看重 ，防霾口罩的佩戴已然成为习惯。如何提高防霾口罩的佩戴舒适性和延长口罩的使用时长，保证口罩在较长的时间内也不会感到气闷 ，呼吸轻松，同时也保证对PM2.5的过滤效率满足要求，是一项重要的研究内容。一般情况下，口罩的过滤效率不会随使用而降低，相反的随着细颗粒物吸附于面料上，口罩的过滤效率还有可能随着使用时长而增大。所以本文重点研究防霾口罩呼吸阻力随使用时长的变化情况 ，本研究对8种市场上热卖的PM2.5防护口罩做实验研究，基本上涵盖了市面上现有的防霾口罩类型，挑选了24名佩戴人员在静坐的情况下连续使用，每间隔1 h测试呼吸阻力的变化值，同时采访记录每位佩戴人员的主观呼吸感受，从测试结果和人员主观感受两个方面综合评价口罩的呼吸阻力随使用时长的变化关系，对今后提高防霾口罩的呼吸舒适感有参考作用。
1 实验方法
在空气污染为轻度污染，空气质量指数（AQI）为124和中度污染、AQI指数为163的室外环境条件下分别测试。试验台搭设严格按照GB 2626—2006《呼吸防护用品-自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中呼吸阻力测试标准要求，实验中采用8386多参数通风表检测压力，精确度较高。实验用防霾口罩具体参数见表1。
实验室外测试采用真人呼吸模式，在测试人员自由呼吸1 h后测试口罩呼吸阻力值，每种型号的口罩每次测试3个口罩的的呼吸阻力值，取3次结果的平均值，连续测试6次。
2 外加阻力对人体呼吸舒适感的影响
吸气时面罩内的真空度（峰值负压）及呼气时的余压（峰值正压）称为呼吸防护装备的外加阻力。外加呼吸阻力过大，易引起呼吸疲劳。轻度体力负荷下，呼吸防护装备外加阻力引起的呼吸时口腔压力最大波动幅度不超过7.5 cm H2O，或每升通气增加的呼吸功不超过0.05（kg?m）/h，则90%以上的使用者不会产生呼吸不适感。一般认为外加呼吸阻力不会造成心血管和代谢方面的变化，但供气式面具可由于自重过大，使心率变化快。所以在口罩制作和设计时，一定要考虑口罩的呼吸阻力值，是否会造成人体呼吸不适感 ，要避免口罩的初阻力过大或是口罩阻力增长过快，影响口罩的使用。
对外加呼吸阻力的影响因素有：①呼吸阻力的总阻力值越大则呼吸不适感程度越严重。②呼吸气阻力的比例关系，在轻度体力负荷下，以吸气阻力成分对呼吸不适感的影响较大；重度体力负荷下，可能呼气阻力的影响大。③体力负荷，既可使外加呼吸阻力影响加重，也可使呼吸不适感觉的阈值提高，重体力负荷和高温环境可使外加阻力的影响加重，他们之间的相互作用是“相加”。④个体差显着，女性的耐受力比男性差。实验室在无体力负荷情况下进行，可忽略以上因素对实验结果的影响。
个体防护用口罩是以人体呼吸力（一般为30～50 Pa）为净化动力，净化大气环境以满足人体对洁净空气的需求，相对建筑环境空间中的机械动力具有低阻特性。根据GB 2626—2006《呼吸防护用品-自吸过滤式防颗粒物呼吸器》标准规定，各类面罩吸气总阻力不应大于350 Pa，呼气总阻力不应大于250 Pa。试验中以吸气阻力为350 Pa，呼气阻力为250 Pa为口罩使用寿命的终止时压力值，对8种口罩的初始呼吸阻力的测试结果见表1。
3 实验结果及分析
3.1 佩戴人员呼吸感受
实验中的24名口罩佩戴人员，其中有4名人员先后佩戴无呼吸阀和有呼吸阀的口罩。实验测试6 h中，基本上所有测试人员都能适应口罩的呼吸阻力值，测试中没有出现呼吸急促或是头晕等症状，只有1名测试人员在测试1 h后出现轻微头晕反应而终止测试 ，而该名测试人员主要因为个人身体差异和佩戴口罩的不习惯性造成。测试人员的普遍反映是口罩透气性差，呼吸不舒适感强，因为当口罩的透气性差时 ，人呼出的气体不能很好的与外界进行交换，导致口罩内的废气累积，人就会出现呼吸困难，使人感觉不适；当口罩的透气性较好时，人呼出的气体能够很好的与外界交换，人就会感觉呼吸畅通。从采访结果看，同型号口罩头戴式与耳戴式相比，头戴式与人脸贴合性好，呼吸困难感稍强，虽然口罩与人脸贴合性越好，阻挡颗粒物的效果越好，但口罩越密闭，对于人体的呼吸阻力增大得越明显，呼吸越费劲。同型号口罩，带呼吸阀和不带呼吸阀相比，从人员感受方面看，呼吸感并无很大差异。
3.2 测试结果及分析
在轻度污染和中度污染下分别实测佩戴口罩6 h的口罩呼吸阻力值结果见表2和表3。
3.2.1 口罩使用寿命
根据表2和表3中的数据，对每种型号的口罩的吸气和呼吸阻力分别进行回归分析和数据拟合，取拟合R平方值最大时所计算出的拟合曲线，R平方值计算如下
以上呼吸阻力与时间的关系式是未达到口罩容尘量之前的变化关系式 ，当口罩吸附的细颗粒物达到了口罩容尘量之后，口罩的呼吸阻力基本上维持不变。
拟合曲线的 R平方值（趋势线的拟合程度）最小的为0.980 4，多数情况是 R2＞0.990 1，可见拟合程度都很高，趋势线可靠性高，可以用拟合曲线近似的表示口罩呼吸阻力随使用时长的变化规律。从拟合曲线可分析出所测试的口罩中使用时间长，例如图1是E95V的吸气阻力和呼气拟合曲线，从图中可以看出，13 h后口罩吸气阻力达到了350 Pa，呼吸阻力12 h达到250 Pa，则口罩的使用寿命只有12 h。
从表4中可以得出轻度污染下，市面上N90和 N95防霾口罩使用寿命一般为10～12 h，中度污染下口罩的使用寿命一般为8～10 h。在中度污染下口罩的使用寿命相比于轻度污染会降低1～3 h的使用时长，可见污染程度对口罩的使用时长也有较大影响，雾霾污染程度越大 ，对口罩使用寿命影响越大，人员佩戴防霾口罩时应根据空气污染程度适当的降低口罩的佩戴时间。
对比2、3号和7、8号口罩的吸气和呼气使用时长，发现带呼吸阀和不带呼吸阀 ，对吸气寿命无影响 ，对呼气寿命有一定的影响 ，可降低呼气寿命1～2 h。
3.2.2 呼吸阀和过滤效率对呼吸阻力的影响
根据表2中的数据画出A类口罩呼吸阻力随呼吸时长的变化曲线图，如图2～图4所示。对比A95和A95V口罩，可以发现呼吸阀可以降低呼气阻力值，而其吸气阻力曲线基本重合，说明呼吸阀对口罩的吸气阻力没有明显影响。可见口罩呼吸阀可以减小呼气阻力，排出湿热空气，有利于提高呼吸舒适性，而对吸气阻力影响不大。
从图中也可以看出，N90和N95口罩对比，过滤效率为90%的口罩呼吸阻力明显大于过滤效率为95%的口罩，说明过滤效率越高，口罩的呼吸阻力也会相应增大。这是因为一般的防霾口罩，过滤效率越高，口罩过滤材料的纤维密集程度越高，孔径越小，呼吸阻力就越大。
3.2.3 无纺布和棉布面料对呼吸阻力的影响
根据表2中的数据，拟合出轻度污染条件下棉布和无纺布为面料的口罩的呼吸阻力随呼吸时长的变化关系图，如图5所示。从图中可以很明显的看出棉布类口罩的呼吸阻力明显高于无纺布类的口罩，且其呼吸阻力随时间的增长速度也高于无纺布类。棉布类口罩在测试中两种类型的口罩均在使用7 h后就达到了呼吸阻力极限，即其在轻度污染下使用寿命只有7 h，比无纺布口罩的使用寿命11～12 h小很多，这是因为无纺布的透气性要优于棉布的。
4 结论
（1）通过对实验数据的回归分析，得出了口罩呼气阻力随使用时间的变化函数的基本形式。由于实验时间的关系，方程式的系数有待进一步确定。
（2）现在市面上常见的N90和N95无纺布防霾口罩在空气轻度污染下使用时长是11～13 h，中度污染下使用时长会降低1～3 h，一般为8～11 h；而棉布为面料的N95口罩在轻度污染下使用时长一般为7 h左右，中度污染下仅为6 h左右。建议防霾口罩佩戴时长随空气质量而定，污染较为严重的时候可适当减少口罩的佩戴时长，且棉布类口罩的更换时间要短于无纺布类，佩戴棉布口罩时应勤于更换，以保障身体健康不受雾霾侵害。
（3）呼吸阀可以降低口罩的呼气阻力，增加呼气使用时间1～2 h，但是整体上对口罩的使用时长没有明显影响，因为呼吸阀主要是减小呼气阻力，促进湿热空气排出，以提高人体呼吸时的舒适感，而对吸气阻力影响不大。建议在重体力劳动下可佩带有呼吸阀的防霾口罩，帮助呼吸更舒畅。
上一篇：口罩的来历？
下一篇：防雾霾口罩品质比对及选择
