自动滤料测试仪的口罩滤材的过滤效率研究

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自动滤料测试仪的口罩滤材的过滤效率研究

时间: 2020-04-15点击量：

近年来我国环境污染日益加剧，沙尘暴和雾霾等恶劣天气频繁出现，不仅对人们的健康构成了极大威胁，而且给人们的日常生活和工作学习带来不利影响。疾控专家提醒，在雾霾天气里，市民应尽量待在室内，减少出门和室外体育运动，出门前要戴好口罩，而多数人对所选口罩的防尘、过滤效果无从得知。从过滤原理分析，口罩滤材过滤空气中颗粒物主要凭借布朗扩散、截留、惯性撞击、静电吸附和重力沉降等作用，所以口罩选用有过滤作用的滤材，如棉布、纱布、无纺布及含活性炭的过滤材料等等，滤材的好坏直接影响口罩的过滤效率和呼吸阻力。本文采用美国TSI公司的8130自动滤料测试仪对几类口罩滤材的过滤效率进行测试并分析其影响因素。

1　仪器简介及工作原理

TSI公司的8130型自动滤料测试仪提供了快速、可靠的滤料过滤效率的检测方法，测试效率可以达到99.999%，穿透率可达0.001%，可提供滤料阻力和流量的精确读数，使用在易穿透粒径附近的质量中值直径进行气溶胶测试。

8130型自动滤料测试仪可以发生盐性和油性两种气溶胶。在测试时，不同的气溶胶发生装置会使用雾化的盐性或油性气溶胶来检测滤料，产生的粒子粒径均相当稳定。操作时将滤料平放在夹具的下部(若表面不平整则毛面朝上)，两个闭合按钮须同时按下来关闭夹具，这时气压缸迅速压下夹具上部将滤料密封，然后开始检测，从发生器产生的气溶胶经过上部夹具然后穿过滤料进入滤料下游。滤料的穿透率即通过两个固态激光光度计同时检测到的滤料上、下游气溶胶的浓度比值得到，滤料的阻力和系统流量值则依靠高灵敏度的电子压力传感器来测定。

2　方法参数和实验材料

本文过滤效率和过滤阻力的测试采用与国家标准GB 19083-2010和GB 2626-2006相一致的测试方法(钠盐法)[3-4]，采用氯化钠气溶胶，其质量中值直径为0.26μm，数量中值直径为0.075μm，几何标准偏差<1.83，气溶胶浓度12～20mg/m3，流量范围15～100L/min。气溶胶发生装置里的氯化钠溶液配比约2%，即60g分析纯NaCl配3L蒸馏水。测试材料为不同类型的口罩滤材，这些口罩在防护性能上各有侧重。

3　测试结果及分析

3.1　同一流量下的过滤效率测试

设定流量85L/min，测试不同口罩滤材的过滤效率如表1，过滤效率是指在规定条件下，过滤材料对空气中的颗粒物滤除的百分数，过滤效率(%)=100-穿透率。

从测试结果表1可见，普通的纱布口罩或一次性无纺布口罩因为孔径较大，对细小颗粒的过滤效率只有20%多，比较厚实的棉纱(2层)无纺布(2层)复合口罩仅50%左右。另外在防护颗粒物性能上，可以减除异味的活性炭口罩并不增加对颗粒物的防护。一次性医用口罩在设计上主要是以抗菌、抗飞沫为主，对细小颗粒的过滤效率也仅为64.3%。而专业级别的防护口罩可达90%以上。

3.2　不同流量下的过滤效率测试

过滤效率测试的一个主要影响参数是流量(L/min)，流量大小可由人工调节阀门实现。选用一款口罩如4号样品在不同流量下进行过滤效率测试，测试流量范围为35～95L/min，每隔10L/min测一个样品，共7次，阻力及过滤效率结果见表2及图1。

一般理论上认为，随着流量的提高，过滤阻力会持续增大，过滤效率不断下降，所以标准[3-4]中的流量设定为85L/min。因为人在中等劳动强度下的平均呼吸量约为30L/min，但呼吸时气流速度是呈正弦波状，高速度约为85L/min，采用峰值呼吸量作为过滤效率检测气流量标准，可以模拟滤料坏的使用情况。实测表明：随着流量的提高，过滤阻力线性增大，过滤效率呈下降趋势，开始下降的比较快后下降变得缓慢，经分析认为这与过滤机理有关，不同的滤材结构和性质应用的过滤机理也不同。

3.3　加载时间下的过滤效率测试

设定流量85L/min，选一款口罩如4号样进行加载时间下的过滤效率测试，主要影响参数为时间(min)，1min记录结果一次，持续测试时间15min(需根据滤料情况或测试条件而定)，数据结果见表3及图2。

由表3及图2可见，随着加载时间的增加，过滤阻力不断增加，而且越来越明显，穿透率越来越小，表观上“过滤效率”越来越高。经实验研究分析[6-7]认为，在过滤初始阶段，稳定过滤(清洁过滤)起主导作用，过滤效率及过滤阻力变化不大；随着固体颗粒在滤材表面的累积，不稳定过滤(含尘过滤)导致过滤效率和过滤阻力随时间延长迅速升高。在实际应用中，过滤材料的过滤阻力达到一定程度时即导致其失效。过滤材料失效的本质是因颗粒沉积而堵塞了过滤材料的孔隙。

加载时间的过滤测试可以反映滤材的负荷能力即容尘量，达到一定条件时(比如过滤阻力达到初始阻力的两倍或更高)根据过滤前后滤材质量的变化计算出其容尘量，但并不是容尘量越大越好，因为容尘量与过滤材料的使用寿命密切相关，所以需要明确滤料的使用寿命和使用场合。

4　结论

过滤效率和过滤阻力是反映防护口罩滤材性能的重要参数。本文对几种口罩滤材的过滤效率进行了测试，结果表明不同类型的口罩防护颗粒物的效果差异甚大，要根据需要选择正确的防护产品。另外基于自动滤料测试仪的检测要考虑的主要影响参数有气溶胶流量和加载时间，不同应用的滤材应选用合适的气溶胶流量，同时加载时间的测试可以计算滤材的容尘量。滤料的优劣主要由过滤效率、过滤阻力和容尘量这三个参数决定。如果过滤效率高而阻力大，则意味着能耗大；如果过滤效率高且阻力小，但容尘量小，则意味着滤材使用寿命不长，需要经常更换或清洗滤料，因此需要综合平衡这三个指标。