现代工业生产、生活垃圾、汽车尾气以及日常发电等燃烧而排放的烟气、粉尘,给人们身体带来了极大的危害.尤其是当PM 2.5被吸入人体后可直接进入肺泡并沉积,会直接或间接引起过敏、肺结核、肺炎甚至肺癌,导致心、肺功能障碍等[1-3].为此,口罩成为方便有效的防雾霾工具.口罩的设计与研发,以及口罩的过滤性能研究已经成为生产厂家以及不少学者关注的热点.胡汪洋等[4-8]对市场上口罩防霾的原理以及常用口罩的防霾过滤的性能进行了简单地测试和分析.王旭等[9-12]对口罩的过滤测试装置、部分口罩的过滤性能以及过滤阻力等进行研究与分析. 孙洁等[13]采用超细纤维制备毛圈织物,并测试分析其过滤效率和呼吸阻力．现有技术表明PM 2.5可以采用多种方式进行过滤,包括过滤棉或纤维形成的微孔式简单过滤[14-15]、电吸附过滤[16]、化学吸附[17]、溶液吸附过滤[18]等.目前,市场上的口罩种类繁多,其防霾效果的好坏是每个消费者十分关心的问题.此外,消费者关注市场口罩过滤效果的同时,也会考虑其舒适性能,包括口罩的透气性和透湿性能.为此,选取市场上具有代表性的10种口罩作为研究对象,从其结构和过滤机理详细分析其过滤特征,并测试分析口罩样品的舒适性能.

 

1 实 验

1.1 实验样品

调查发现,市场口罩大体分为4类,包括普通民用口罩、医用外科口罩、纱布口罩以及特种多功能性口罩.本课题选取4类口罩共10种样品，即普通民用口罩:A—3层棉制机织口罩,B—3层棉制针织口罩；医用外科口罩:C—普通医用外科口罩,D—德国医用外科口罩；纱布口罩:E—医用12层纱布口罩,F—医用24层纱布口罩；特种多功能性口罩:G—活性炭口罩，H—防PM 2.5口罩,I—3M防颗粒物口罩,J—N95口罩.每种口罩样品数量为5个,共计50个口罩.口罩样品实物如图1所示,其基本结构参数见表1.

 

1.2 性能测试

1.2.1 缝隙孔洞尺寸测量 采用日本尼康90i光学显微镜对口罩样品不同层次的纺织品进行拍摄,并测量大缝隙孔洞和小缝隙孔洞.每个指标测量20次,取平均值,测试精度为0.01 μm.

式中:N总为环境空气粉尘颗粒数,个;N为经口罩样品过滤后剩余粉尘颗粒数,个.

 

1.2.3 舒适性能 口罩的舒适性能研究包括透气性和透湿性能.透气性能采用YG461E/II 型数字式透气量仪进行测试, 以透气速率表征, mm/s; 透湿性能采用瑞士TEXTEXT公司生产的FX3150全自动织物透湿仪进行测试, 通过测试面积为S的样品在24 h内透湿杯质量的变化后, 计算口罩样品的透湿量,即

 

2 结果与分析

2.1 口罩样品的基本结构形态及缝隙孔洞尺寸

图2～10为口罩样品不同层纺织品的结构形态光学照片,放大倍率为50倍.可以看出，普通民用口罩和医用外科口罩层数均只有3层,而功能性口罩均在4层以上.根据口罩过滤机理,微孔拦截对固体颗粒物的捕获起主要作用,口罩不同层次纺织品的缝隙孔洞大小会直接影响其对粉尘的过滤效果.因此,对口罩各层的平均缝隙孔洞、大的缝隙孔洞和小的缝隙孔洞尺寸进行了测量,结果如表2所示.

2.2 过滤性能

图11为300 s环境空气中不同粉尘粒径的总个数,测试结果显示当天空气中所含的固体颗粒粉尘总数为440 230个.其中固体粉尘颗粒PM 2.5为439 260个,占99.78%.可见,日常环境空气中固体粉尘颗粒几乎均为PM 2.5.

 

2.2.1 总过滤效率 口罩的过滤实质上就是环境中悬浮的颗粒物试图通过口罩的每一层纺织品时,颗粒物与纤维之间发生物理粘合而被捕获.固体颗粒物被捕获的方式主要包括微孔拦截、随机扩散沉降、惯性沉降、重力沉降、静电沉降以及吸附沉降[19]. 口罩对固体粉尘捕获是集上述几种方式；

联合作用而实现的.因此影响口罩的过滤性能的关键因素包括口罩的层数，口罩中各层纺织品的缝隙孔洞尺寸、纤维材料特性及比表面积、纤维集合体的结构形式以及粉尘颗粒的特性、浓度和运动速率等.此外,还受到口罩与人脸的贴合度即密封度的影响[20-21].

表3为口罩样品的总粉尘过滤效率.可以看出,不同类别口罩对空气中固体颗粒物拦截效果相差较大.普通民用口罩中,A的过滤效率略高于B,虽然A与B都为3层结构,且中层和内层的缝隙孔洞大小相近,但A外层的缝隙孔洞尺寸略小于B,因此A对粉尘颗粒的微孔拦截效果优于B,所以A的过滤效率略高于B.

外科医用口罩中，D的过滤效率高于C.虽然C与D都为3层结构,但D采用的是熔喷制备的尺寸较小的微孔纤维层,且中间层为精细过滤的纳米纤维层,所形成的缝隙孔洞更小且比表面积大,因此微孔拦截和吸附沉降效果明显，对粉尘颗粒的过滤效率较高.

纱布口罩的过滤效率是低的.E和F每层的平均缝隙孔洞达741.54 μm,虽然E为12层,F达24层,但是过滤效率几乎相当.可见,当缝隙孔洞尺寸较大时,仅靠多层叠加来改善过滤效率是不明显的.

特种多功能性口罩中，J的过滤效率高,虽然G、I和J都是四层结构,但是J各层的缝隙孔洞大小明显小于其他功能口罩,所以其过滤效率高.G虽然在中1层加了活性炭,对颗粒物的吸附作用会有所增强,但由于中1层的缝隙孔洞尺寸高达127.07 μm,此时微孔拦截效果较差.所以,G对环境中固体粉尘颗粒的总过滤效率只有52.73%.H虽然有5层,但其外层的缝隙孔洞尺寸高达109.85 μm,因此主要依赖中间3层,其过滤效率在功能性口罩中居中,为78.12%.

 

2.2.2 不同粒径粉尘颗粒的过滤效率 图12为口罩样品不同粉尘粒径的过滤效率.可以看出,随着粉尘粒径的增大,口罩样品的过滤效率也随之提高,但不同口罩有效过滤的粉尘颗粒的粒径范围不同.以口罩对粉尘颗粒过滤效率达85%为标准,则各种口罩样品对固体粉尘颗粒有效过滤的粒径范围以及过滤效率如表4所示.

从表4可以明显看出,口罩样品中功能性口罩对微细固体粉尘颗粒过滤很有效.但测试结果发现:(1)当粉尘粒径大于0.649 μm时,德国医用口罩D的过滤效率可达到91.35%.该口罩虽然只有3层,但都采用的是熔喷制备的微孔纤维非织造织物,中间层不仅微孔更小,且纤维更细.因此,其对固体粉尘颗粒物的微孔拦截、吸附沉降的效果更佳.(2)对于纱布口罩,虽然口罩层数的增加对总过滤效率改善不明显,但随着纱布层数的增加,其有效过滤的粉尘粒径范围加大,根据口罩过滤机理,层数增加,进入口罩内部的微细粉尘与纤维的惯性碰撞、随机扩散、吸附沉降的概率增加,从而被捕获的机会加大.(3)功能性口罩中,N95口罩有效过滤的微细粉尘颗粒粒径小.由于其不仅层数多,外层的微孔尺寸较小,微孔拦截效果好,且中间还加有一层致密的纳米纤维层进行更为精细地过滤,因此,其对微细粉尘过滤效果好.

 

2.2.3 PM 2.5的过滤效率 图13对比了10种口罩样品对PM 2.5粉尘颗粒的过滤效率.可以看出只有I和J 2种样品对PM 2.5具有较好的过滤作用,样品H和D对PM 2.5也有一定的过滤效果,其余样品对PM 2.5的过滤效果都并不理想.

由此可见,要具有较好的防PM 2.5的功能,首先口罩表层的微孔尺寸要小,以达到初步的高效过滤;其次,通过设计带微孔的多层中间层,进一步对透过表层的微尘颗粒进行微孔拦截、碰撞沉降、吸附沉降等.如果在中间层设计增加功能性的精细过滤层,如添加活性炭、利用超细纤维以及缝隙孔洞尺寸更小等多功能结合,则口罩对PM 2.5的过滤效果会更好.

 

2.3 口罩的舒适性能

人们在佩戴口罩防雾霾的同时,会出现呼吸不畅，口腔呼出的湿气不能及时排出,口罩内部及唇部四周潮湿,导致人体感觉不适,给人体的身体和心理带来一系列的负担,干扰身体的运行机能,使其工作效能下降.更为严重时如果不及时处理,可能会危及生命[22].因此,口罩的透气性和透湿性能研究也非常重要.

图14为口罩样品的透气性和透湿性测试结果.结果表明，纱布类口罩透气性和透湿性能均优.舒适性能好.其次,普通医用外科口罩C和德国口罩D的透气性较好,仅次于纱布口罩.功能性口罩整体的舒适性能较差,其透气性和透湿性均较低.因此,佩戴功能性口罩时,人体不能达到呼吸自如,唇部干爽的舒适状态.尤其是N95口罩,虽然其对固体粉尘颗粒的过滤效果优,但其舒适性还有待改善.

 

3 结 论

(1) 从日常环境空气中固体粉尘颗粒粒径及浓度测试结果发现,PM2.5占环境空气中的固体粉尘颗粒物的99.78%.

(2) 10种口罩的过滤性能测试分析表明，N95口罩J和3M口罩I对环境中粉尘颗粒物的总过滤效率达98.6%和85.15%,其次是PM 2.5带滤芯的口罩H及德国医用口罩D,其总过滤效率分别为78.12%和68.86%.活性炭口罩G的总过滤效率仅与普通医用外科口罩C相当,过滤效率约为52%.其余的普通民用口罩和纱布口罩的总过滤效率均很低.口罩样品对粉尘颗粒的有效过滤粒径范围分析表明，功能性口罩G、H、I和J以及德国医用口罩D的有效过滤粒径范围均在2.5 μm以下.研究发现,通过降低微孔尺寸和增加口罩层数可以明显改善其对细小粒径微尘的过滤效率.口罩样品对环境空气中PM 2.5的过滤效率分析表明，样品I和J对PM 2.5具有较好的过滤作用,过滤效率达98.59%和85.11%,样品H和D对PM 2.5的过滤也有一定的过滤效果,其余样品对PM2.5的过滤效果都并不理想.

(3) 10种口罩样品的舒适性能测试结果表明，纱布口罩E和F的透气性和透湿性能优.其次为普通医用外科口罩C和德国口罩D.功能性口罩整体的舒适性能较差,其透气性和透湿性均较低.