防霾口罩呼吸阻力的研究

劉秋新　童亮　陳芬　蔡美元　向金童　吳炯

（武漢科技大學　武漢430065）

防霾口罩呼吸阻力的研究

劉秋新童亮陳芬蔡美元向金童吳炯

（武漢科技大學武漢430065）

通過對8種常用類型防霾口罩的實驗測試 ，采用回歸曲線分析方法得出了防霾口罩呼吸阻力隨使用時間的變化函數形式，同時也通過實驗數據統計給出了各種類型口罩的建議使用時長，建議N90和N95無紡布防霾口罩在空氣輕度污染下使用時長不超過11～12 h，中度污染下不超過8～10 h；而棉布為面料的N95口罩在輕度污染下使用時長不超過7 h，中度污染下不超過6 h。

防霾口罩 呼吸阻力 使用時長 回歸分析

0　引言

應對多發的霧霾天氣 ，人們對PM2.5的防護越來越看重 ，防霾口罩的佩戴已然成為習慣。如何提高防霾口罩的佩戴舒適性和延長口罩的使用時長，保證口罩在較長的時間內也不會感到氣悶 ，呼吸輕松，同時也保證對PM2.5的過濾效率滿足要求，是一項重要的研究內容。一般情況下，口罩的過濾效率不會隨使用而降低，相反的隨著細顆粒物吸附于面料上，口罩的過濾效率還有可能隨著使用時長而增大。所以本文重點研究防霾口罩呼吸阻力隨使用時長的變化情況 ，本研究對8種市場上熱賣的PM2.5防護口罩做實驗研究，基本上涵蓋了市面上現有的防霾口罩類型，挑選了24名佩戴人員在靜坐的情況下連續使用，每間隔1 h測試呼吸阻力的變化值，同時采訪記錄每位佩戴人員的主觀呼吸感受，從測試結果和人員主觀感受兩個方面綜合評價口罩的呼吸阻力隨使用時長的變化關系，對今后提高防霾口罩的呼吸舒適感有參考作用。

1　實驗方法

在空氣污染為輕度污染，空氣質量指數（AQI）為124和中度污染、AQI指數為163的室外環境條件下分別測試。試驗臺搭設嚴格按照GB 2626—2006《呼吸防護用品-自吸過濾式防顆粒物呼吸器》中呼吸阻力測試標準要求，實驗中采用8386多參數通風表檢測壓力，精確度較高。實驗用防霾口罩具體參數見表1。

實驗室外測試采用真人呼吸模式，在測試人員自由呼吸1 h后測試口罩呼吸阻力值，每種型號的口罩每次測試3個口罩的的呼吸阻力值，取3次結果的平均值，連續測試6次。

2　外加阻力對人體呼吸舒適感的影響

吸氣時面罩內的真空度（峰值負壓）及呼氣時的余壓（峰值正壓）稱為呼吸防護裝備的外加阻力。外加呼吸阻力過大，易引起呼吸疲勞。輕度體力負荷下，呼吸防護裝備外加阻力引起的呼吸時口腔壓力最大波動幅度不超過7.5 cm H2O，或每升通氣增加的呼吸功不超過0.05（kg?m）/h，則90%以上的使用者不會產生呼吸不適感。一般認為外加呼吸阻力不會造成心血管和代謝方面的變化，但供氣式面具可由于自重過大，使心率變化快。所以在口罩制作和設計時，一定要考慮口罩的呼吸阻力值，是否會造成人體呼吸不適感 ，要避免口罩的初阻力過大或是口罩阻力增長過快，影響口罩的使用。

表1　口罩初始阻力值

對外加呼吸阻力的影響因素有：①呼吸阻力的總阻力值越大則呼吸不適感程度越嚴重。②呼吸氣阻力的比例關系，在輕度體力負荷下，以吸氣阻力成分對呼吸不適感的影響較大；重度體力負荷下，可能呼氣阻力的影響大。③體力負荷，既可使外加呼吸阻力影響加重，也可使呼吸不適感覺的閾值提高，重體力負荷和高溫環境可使外加阻力的影響加重，他們之間的相互作用是“相加”。④個體差顯著，女性的耐受力比男性差。實驗室在無體力負荷情況下進行，可忽略以上因素對實驗結果的影響。

個體防護用口罩是以人體呼吸力（一般為30～50 Pa）為凈化動力，凈化大氣環境以滿足人體對潔凈空氣的需求，相對建筑環境空間中的機械動力具有低阻特性。根據GB 2626—2006《呼吸防護用品-自吸過濾式防顆粒物呼吸器》標準規定，各類面罩吸氣總阻力不應大于350 Pa，呼氣總阻力不應大于250 Pa。試驗中以吸氣阻力為350 Pa，呼氣阻力為250 Pa為口罩使用壽命的終止時壓力值，對8種口罩的初始呼吸阻力的測試結果見表1。

3　實驗結果及分析

3.1佩戴人員呼吸感受

實驗中的24名口罩佩戴人員，其中有4名人員先后佩戴無呼吸閥和有呼吸閥的口罩。實驗測試6 h中，基本上所有測試人員都能適應口罩的呼吸阻力值，測試中沒有出現呼吸急促或是頭暈等癥狀，只有1名測試人員在測試1 h后出現輕微頭暈反應而終止測試 ，而該名測試人員主要因為個人身體差異和佩戴口罩的不習慣性造成。測試人員的普遍反映是口罩透氣性差，呼吸不舒適感強，因為當口罩的透氣性差時 ，人呼出的氣體不能很好的與外界進行交換，導致口罩內的廢氣累積，人就會出現呼吸困難，使人感覺不適；當口罩的透氣性較好時，人呼出的氣體能夠很好的與外界交換，人就會感覺呼吸暢通。從采訪結果看，同型號口罩頭戴式與耳戴式相比，頭戴式與人臉貼合性好，呼吸困難感稍強，雖然口罩與人臉貼合性越好，阻擋顆粒物的效果越好，但口罩越密閉，對于人體的呼吸阻力增大得越明顯，呼吸越費勁。同型號口罩，帶呼吸閥和不帶呼吸閥相比，從人員感受方面看，呼吸感并無很大差異。

3.2測試結果及分析

在輕度污染和中度污染下分別實測佩戴口罩6 h的口罩呼吸阻力值結果見表2和表3。

表2　輕度污染下口罩呼吸阻力值Pa

表3　中度度污染下口罩呼吸阻力值Pa

3.2.1口罩使用壽命

根據表2和表3中的數據，對每種型號的口罩的吸氣和呼吸阻力分別進行回歸分析和數據擬合，取擬合R平方值最大時所計算出的擬合曲線，R平方值計算如下

根據數學回歸分析方法可得，所有口罩的曲線回歸方程形式，如下所示，

吸氣阻力方程：

無紡布呼氣阻力方程：

棉布呼氣阻力方程：

以上呼吸阻力與時間的關系式是未達到口罩容塵量之前的變化關系式 ，當口罩吸附的細顆粒物達到了口罩容塵量之后，口罩的呼吸阻力基本上維持不變。

擬合曲線的 R平方值（趨勢線的擬合程度）最小的為0.980 4，多數情況是 R2＞0.990 1，可見擬合程度都很高，趨勢線可靠性高，可以用擬合曲線近似的表示口罩呼吸阻力隨使用時長的變化規律。從擬合曲線可分析出所測試的口罩中使用時間長，例如圖1是E95V的吸氣阻力和呼氣擬合曲線，從圖中可以看出，13 h后口罩吸氣阻力達到了350 Pa，呼吸阻力12 h達到250 Pa，則口罩的使用壽命只有12 h。

圖1　輕度污染下E95V口罩呼吸阻力隨呼吸時長變化擬合曲線

用同樣的擬合方式，可得出所測試口罩的使用壽命。表4是根據擬合曲線求得的測試口罩的呼吸阻力分別達到口罩規范極限值所用時長 ，由此可得出口罩使用壽命。

表4　口罩使用壽命h

從表4中可以得出輕度污染下，市面上N90和N95防霾口罩使用壽命一般為10～12 h，中度污染下口罩的使用壽命一般為8～10 h。在中度污染下口罩的使用壽命相比于輕度污染會降低1～3 h的使用時長，可見污染程度對口罩的使用時長也有較大影響，霧霾污染程度越大 ，對口罩使用壽命影響越大，人員佩戴防霾口罩時應根據空氣污染程度適當的降低口罩的佩戴時間。

對比2、3號和7、8號口罩的吸氣和呼氣使用時長，發現帶呼吸閥和不帶呼吸閥 ，對吸氣壽命無影響 ，對呼氣壽命有一定的影響 ，可降低呼氣壽命1～2 h。

3.2.2呼吸閥和過濾效率對呼吸阻力的影響

根據表2中的數據畫出A類口罩呼吸阻力隨呼吸時長的變化曲線圖，如圖2～圖4所示。對比A95和A95V口罩，可以發現呼吸閥可以降低呼氣阻力值，而其吸氣阻力曲線基本重合，說明呼吸閥對口罩的吸氣阻力沒有明顯影響?？梢娍谡趾粑y可以減小呼氣阻力，排出濕熱空氣，有利于提高呼吸舒適性，而對吸氣阻力影響不大。

從圖中也可以看出，N90和N95口罩對比，過濾效率為90%的口罩呼吸阻力明顯大于過濾效率為95%的口罩，說明過濾效率越高，口罩的呼吸阻力也會相應增大。這是因為一般的防霾口罩，過濾效率越高，口罩過濾材料的纖維密集程度越高，孔徑越小，呼吸阻力就越大。

圖2　輕度污染下A類口罩呼氣阻力隨呼吸時長的變化曲線

圖3　輕度污染下A類口罩吸氣阻力隨呼吸時長的變化曲線

圖4　中度污染下A類口罩呼吸氣阻力隨呼吸時長的變化擬合曲線

3.2.3無紡布和棉布面料對呼吸阻力的影響

根據表2中的數據，擬合出輕度污染條件下棉布和無紡布為面料的口罩的呼吸阻力隨呼吸時長的變化關系圖，如圖5所示。從圖中可以很明顯的看出棉布類口罩的呼吸阻力明顯高于無紡布類的口罩，且其呼吸阻力隨時間的增長速度也高于無紡布類。棉布類口罩在測試中兩種類型的口罩均在使用7 h后就達到了呼吸阻力極限，即其在輕度污染下使用壽命只有7 h，比無紡布口罩的使用壽命11～12 h小很多，這是因為無紡布的透氣性要優于棉布的。

圖5　輕度污染下棉布和無紡布口罩吸氣阻力隨呼吸時長的變化擬合曲線

4　結論

（1）通過對實驗數據的回歸分析，得出了口罩呼氣阻力隨使用時間的變化函數的基本形式。由于實驗時間的關系，方程式的系數有待進一步確定。

吸氣阻力方程：

無紡布呼氣阻力方程：

棉布呼氣阻力方程：

（2）現在市面上常見的N90和N95無紡布防霾口罩在空氣輕度污染下使用時長是11～13 h，中度污染下使用時長會降低1～3 h，一般為8～11 h；而棉布為面料的N95口罩在輕度污染下使用時長一般為7 h左右，中度污染下僅為6 h左右。建議防霾口罩佩戴時長隨空氣質量而定，污染較為嚴重的時候可適當減少口罩的佩戴時長，且棉布類口罩的更換時間要短于無紡布類，佩戴棉布口罩時應勤于更換，以保障身體健康不受霧霾侵害。

（3）呼吸閥可以降低口罩的呼氣阻力，增加呼氣使用時間1～2 h，但是整體上對口罩的使用時長沒有明顯影響，因為呼吸閥主要是減小呼氣阻力，促進濕熱空氣排出，以提高人體呼吸時的舒適感，而對吸氣阻力影響不大。建議在重體力勞動下可佩帶有呼吸閥的防霾口罩，幫助呼吸更舒暢。

Study on Anti-dusk Masks Respiratory Resistance

LIU Qiuxin TONG Liang CHEN Fen CAIMeiyuan XIANG Jintong WU Jiong
（Wuhan Uuniversity of Science and Technology Wuhan 430065）

Based on the experimentaltests for 8 types of commonly used anti-dusk masks，the anti-dustmask respiratory resistance function form with the change of time is obtained through the regression curve analysis method，and at the same time the experiment data statistics shows the recommended duration of use of the various types ofmasks.Itsuggests that non -woven masks N90 and N95 is used notmore than 11～12 hours under mild air pollution and 8～10 hours under moderate pollution；respirator use time of cotton fabrics N95 doesn’t exeed 7 hours under light pollution and 6 hours under moderate pollution.

anti-dusk masks respiratory resistance duration of use regression analysis

劉秋新，男，1956年生，博士，教授，主要從事工業通風和空氣調節方面的研究。

（2016-03-09）