防雾霾口罩研究
2020-04-09 点击：
口罩是人们日常必备的雾霾防护用品。然而，市场上口罩品种繁杂，消费者对口罩的防霾效果并不十分了解。为此，本文利用自行研制的口罩性能综合测试装置，进行了几种常用口罩的性能测试，以期为消费者选购有效的防雾霾口罩提供参考。
1 实验方法
1.1 实验装置
图1所示为自行研制的SJZEZ型口罩综合性能测试装置。
该装置的工作流程如下：电机通过传动齿轮带动活塞后退，活塞腔体压强减小，环境大气经头模吸入，吸气管路单向阀开启，呼气管路单向阀闭合，环境大气经由吸气管路单向阀，通过PM2.5测试仪读取吸气管路的PM2.5浓度，通过吸气管路微压表读取吸气管路的压力值，再经单向阀进入活塞腔体。接下来，电机通过传动齿轮带动活塞前进，吸气管路单向阀关闭，呼气管路单向阀开启，活塞内气体经由呼气管路单向阀，进入水洗槽，给呼出气体加湿，以模拟人体真是呼气中的水分，再经过呼气管路微压表读取呼气管路的压力值。
口罩对PM2.5的过滤效率计算方法如下：
1.2 实验样品
我们选用几种常见市售口罩进行测试，包括：医用口罩、活性炭口罩、带呼吸阀N95口罩、不带呼吸阀N95口罩。
1.3 实验条件
测试地点：石家庄市栾城区石家庄二中实验学校；测试环境PM2.5浓度为 510±10μg/m3。
2 测试结果与分析
表1列出四种口罩在环境大气PM2.5浓度510±10μg/m3时的测试结果。计算表1中各种口罩的PM2.5去除率，计算结果见图2。
在正常佩戴N95口罩（有呼吸阀）的情况下，其去除率远低于N95口罩（无呼吸阀）；如果用手捏紧口罩与鼻梁之间缝隙，其去除率达到N95口罩（无呼吸阀）的水平[1]。说明实验用的这两种N95口罩，其PM2.5去除率的区别不在于滤料和呼吸阀，而在于口罩与面部的闭合度。对于这两种口罩的结构可以看出：N95口罩（无呼吸阀）的头带不是常见的耳后固定方式，而是采用套在头上部和下部的方式固定，而且在口罩与鼻梁的贴合处有海绵密封材料进一步加强其密合性[2]。测试数据表明：N95口罩（无呼吸阀）的头带固定方式及口罩与鼻梁处的设计方式，提高了口罩与面部的闭合度，显着提升了其对PM2.5的防护效果。
对于活性炭口罩，在正常佩戴的情况下，其PM2.5去除率与医用口罩区别不大，但是当用手捏紧口罩与鼻梁之间的缝隙时，其去除率明显高于医用口罩。说明，该活性炭口罩厂家需要进一步优化设计方案，提高口罩闭合度。利用S-4800型扫描电子显微镜进行了上述口罩过滤材料的微观形貌观察，见图3。
N95口罩滤芯纤维直径约2μm，医用口罩滤芯纤维直径约25μm，活性炭口罩滤芯由直径约10μm的纤维与其中夹杂的粒径几十微米的活性炭颗粒组成。N95口罩滤芯纤维相对纤细，而且纤维排列紧密、孔隙小（其孔隙约几十微米），纤维层数也相对较多。在三种口罩之中，医用口罩滤芯纤维的直径相对较粗（其直径约为N95口罩纤维直径的10倍），纤维排列稀疏（其孔隙是百微米量级），且层数相对较少；活性炭口罩滤芯纤维的粗细、排列稀疏程度以及孔隙大小都介于二者之间，且接近于医用口罩。SEM图像分析结果表明：N95口罩滤芯纤维直径小、排列紧密、叠层多，因此对于气体中粒径小于2.5μm的颗粒有相对较优的拦截效果，显着优于活性炭口罩与医用口罩。活性炭口罩防霾性能略优于医用口罩的原因，一方面与滤芯纤维有关，另一方面可能还与活性炭对于细微粒子的吸附能力有关[3]。
3 结论
利用研制的SJZEZ型口罩综合性能测试装置，进行了四种口罩（医用口罩、活性炭口罩、带呼吸阀N95口罩、不带呼吸阀N95口罩）在环境PM2.5浓度为510μg/m3时的性能测试。实验结果表明：测试的四种口罩当中，在正常佩戴口罩的情况下，N95口罩（没有呼吸阀）对PM2.5具有相对较好的防护效果[4]。N95口罩（无呼吸阀）的头带固定方式及口罩与鼻梁处的设计方式，提高了口罩与面部的闭合度，显着提升了其对PM2.5的防护效果。SEM测试表明，N95口罩纤维细（直径约2μm），且纤维排列紧密、孔隙小，纤维层数多，因此对PM2.5有相对较优的防护效果。
