張茜

（沈陽紫微恒檢測設(shè)備有限公司，沈陽110144）

0 引言

自2019年12月新冠肺炎（COVID-19）爆發(fā)以來，截至2020年7月31日，全球累計(jì)確診病例16 812 755人，死亡6 662 095人[1]。雖然新冠肺炎具有高度的傳染性，并可以通過飛沫和氣溶膠感染，但只要正確佩戴口罩，新型冠狀病毒感染的風(fēng)險(xiǎn)就可以大大降低。口罩可以有效地阻擋含病毒的飛沫核，防止佩戴者吸入并感染。隨著疫情的持續(xù)加重，口罩的市場需求量飛速增加，甚至出現(xiàn)了一“罩”難求的局面，導(dǎo)致口罩生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈迅速膨脹，據(jù)國家發(fā)展改革委2020年2月27日宣布：全國口罩日產(chǎn)能達(dá)到7285萬只，日產(chǎn)量達(dá)到7619萬只[2]。在產(chǎn)量迅速提高的同時(shí)，口罩的質(zhì)量把控也顯得尤為重要，為此國家質(zhì)檢總局于2020年2月13日出臺了《市場監(jiān)管總局等八部門關(guān)于開展打擊整治非法制售口罩等防護(hù)產(chǎn)品專項(xiàng)行動(dòng)的緊急通知》[3]的文件，對口罩質(zhì)量提出了嚴(yán)格要求并進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)管。

口罩鹽性顆粒物過濾效率是評判口罩質(zhì)量的重要指標(biāo)。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，飛沫是一種非油性顆粒物，直徑0.5～20.0 μm的飛沫會懸浮在空氣中并被易感人群吸入，因此預(yù)防新型冠狀病毒感染的口罩必須能有效阻擋直徑在0.5 μm以上的非油性顆粒物，才能起到防護(hù)作用[4]。如何判斷口罩對于新冠病毒的防護(hù)作用，這就需要專業(yè)的測試設(shè)備對口罩的非油性顆粒物即鹽性顆粒物的過濾效率進(jìn)行測試，得出科學(xué)結(jié)論。

迫于疫情的持續(xù)蔓延和口罩的大量生產(chǎn)，因此當(dāng)務(wù)之急需要盡快研制出既能達(dá)到國內(nèi)的相關(guān)口罩標(biāo)準(zhǔn)，而且成本相對較低，又有較高測試準(zhǔn)確度的口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗(yàn)臺，進(jìn)而滿足市場急需，為疫情防控工作提供有力的技術(shù)支撐。

1 設(shè)備簡介及技術(shù)參數(shù)

口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗(yàn)臺主要用于測試口罩鹽性顆粒物的過濾效率試驗(yàn)和口罩的氣流阻力試驗(yàn)。試驗(yàn)臺為操作臺與控制系統(tǒng)集成一體機(jī)，整體外殼采用鈑金噴塑箱體，箱體下部有腳輪可進(jìn)行移動(dòng)和調(diào)整，壓縮空氣管路及零部件均采用耐腐蝕材料。上位機(jī)采用一體式計(jì)算機(jī)，軟件程序基于VC平臺開發(fā)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備的流量、壓差、溫濕度和顆粒物濃度等參數(shù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)設(shè)定后，口罩自動(dòng)進(jìn)行裝夾，設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，流量和顆粒物濃度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，試驗(yàn)結(jié)束后自動(dòng)計(jì)算過濾效率。而且試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)行儲存、導(dǎo)出和歷史查詢。根據(jù)國內(nèi)口罩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5-9]的試驗(yàn)參數(shù)對照表如表1所示。由此確定試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)為：鹽性顆粒物類型為NaCl，鹽性顆粒物溶液配比為2% 的NaCl溶液。顆粒物濃度范圍為12～30 mg/m3，計(jì)數(shù)中位徑（0.075±0.020）μm，粒度分布的幾何偏差不超過1.86，質(zhì)量中值粒徑（0.24±0.06）μm。氣體流量測試范圍為15～100 L/min，準(zhǔn)確度為±2% F.S。壓力傳感器量程為0～1000 Pa，準(zhǔn)確度±0.5% F.S。顆粒物數(shù)據(jù)采集誤差范圍為±5%。鹽性顆粒物過濾效率測量范圍為0～99.999%。外形尺寸為0.9 m×0.88 m×1.51 m。供電為交流220 V，功率為1.5 kW。

表1 口罩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中鹽性顆粒物過濾效率試驗(yàn)參數(shù)對照表

2 系統(tǒng)組成

口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗(yàn)臺系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗(yàn)臺系統(tǒng)原理圖

考慮到設(shè)備后期維護(hù)的便捷性，該系統(tǒng)采用正壓形式，動(dòng)力源為空壓機(jī)。壓縮空氣經(jīng)過濾減壓閥減壓和初級除水過濾后，進(jìn)入精密過濾器進(jìn)行三級過濾，最高過濾精度達(dá)到0.05 μm。壓縮空氣管路安裝電解點(diǎn)壓力表，實(shí)時(shí)監(jiān)控主壓縮空氣管路內(nèi)部氣壓。經(jīng)過精密過濾器過濾后的壓縮空氣分為3路：第一路為潔凈壓縮空氣，經(jīng)過主氣路電氣比例閥，根據(jù)流量與壓差之間的關(guān)系，通過控制氣壓從而控制流量；第二路為鹽性顆粒物發(fā)生氣路，經(jīng)過顆粒物發(fā)生氣路電氣比例閥調(diào)節(jié)壓力來控制鹽性顆粒物的發(fā)生濃度，在顆粒物發(fā)生氣路電氣比例閥與顆粒物發(fā)生器之間安裝單向閥，防止由于清潔管路的壓縮空氣壓力過高發(fā)生溶液反流，對閥門造成損壞；第三路為氣缸動(dòng)力氣源，通過氣缸電磁閥控制夾緊氣缸對口罩夾具實(shí)現(xiàn)開閉，對試驗(yàn)用口罩進(jìn)行裝夾。口罩夾具采用碗式結(jié)構(gòu)，下部固定，上部加緊，氣流通過有效面積100 cm2，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

第一路的潔凈空氣與第二路的鹽性顆粒物混合空氣在混合器進(jìn)行均勻混合后進(jìn)入口罩夾具上部，經(jīng)過試驗(yàn)用口罩后，通過下部的噴嘴排出。排出端采用顆粒計(jì)數(shù)器對排出空氣的鹽性顆粒物進(jìn)行采集，從而計(jì)算口罩的過濾效率。其中試驗(yàn)件壓差傳感器用于采集試驗(yàn)用口罩在設(shè)定流量下的氣流阻力。流量計(jì)用壓差傳感器用于采集噴嘴兩端的壓差，經(jīng)過計(jì)算可得出當(dāng)前的體積流量。設(shè)備外觀圖如圖2所示。

3 測試原理

試驗(yàn)臺采用顆粒計(jì)數(shù)器對鹽性顆粒的計(jì)數(shù)濃度進(jìn)行采集，過濾效率可通過對未放置試驗(yàn)用口罩前的顆粒物濃度和放置口罩后的顆粒物濃度進(jìn)行采集并計(jì)算得出：

圖2 設(shè)備外觀圖

式中：η為鹽性顆粒物的過濾效率，%；C1為未放置試驗(yàn)用口罩前的顆粒物計(jì)數(shù)濃度，顆/cm3；C2為放置試驗(yàn)用口罩后的顆粒物計(jì)數(shù)濃度，顆/cm3。

4 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

從口罩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對鹽性過濾效率試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)可知，要實(shí)現(xiàn)過濾效率的測試的真實(shí)性，必須保證鹽性顆粒物的發(fā)生粒徑范圍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

鹽性顆粒物氣溶膠發(fā)生分為很多種方式，但壓縮空氣噴射法相對簡單易行，便于維護(hù)，且發(fā)生的顆粒物濃度較高。該試驗(yàn)臺的鹽性顆粒物發(fā)生器采用Laskin噴嘴形式。Laskin噴嘴是一種結(jié)構(gòu)形式相對簡單的噴嘴，但能發(fā)生高濃度多分散亞微米氣溶膠粒子[10]，試驗(yàn)臺鹽性顆粒物氣溶膠噴嘴如圖3所示。

采用壓縮空氣通過Laskin 噴嘴發(fā)生器對2%的NaCl溶液進(jìn)行噴射，發(fā)生出鹽性顆粒物氣溶膠。并用美國TSI 公司生產(chǎn)的SMPS-3936型掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀，對發(fā)生粒徑進(jìn)行掃描，NaCl顆粒物粒徑分布圖譜如圖4所示，根據(jù)圖譜計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3 鹽性顆粒物氣溶膠噴嘴

圖4 NaCl顆粒物粒徑分布圖譜

綜上所述，該試驗(yàn)臺的鹽性顆粒物發(fā)生器發(fā)生的NaCl顆粒物粒徑分布滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 控制及電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是試驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)采集和處理的控制中心，由計(jì)算機(jī)、電氣附件及控制軟件組成。計(jì)算機(jī)形式為觸摸式一體機(jī)，操作系統(tǒng)為WIN10中文版，計(jì)算機(jī)內(nèi)置開關(guān)量控制卡和模擬量控制卡，該部分是控制系統(tǒng)的核心。電氣附件主要由斷路器、接觸器、保護(hù)器和繼電器等組成，該部分是控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元?？刂栖浖赩C軟件平臺編寫，界面通俗易懂，操作簡單，可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前設(shè)備的流量、壓差等參數(shù)。軟件還可以對工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)方法自動(dòng)進(jìn)行試驗(yàn)，并且存儲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該部分為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，軟件界面如圖5所示。

表2 NaCl顆粒物粒徑分布測試與標(biāo)準(zhǔn)對照表

圖5 軟件界面

6 試驗(yàn)對比

采用鹽性顆粒物過濾效率試驗(yàn)臺與美國TSI公司生產(chǎn)的8130型濾料試驗(yàn)臺分別對同一批次、同一種類、同一時(shí)間下線的日常防護(hù)口罩、醫(yī)用防護(hù)口罩、醫(yī)用外科口罩和雙層熔噴布的鹽性顆粒物過濾效率進(jìn)行測試，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷試驗(yàn)臺之間測試數(shù)據(jù)的偏差值。

試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)要求的溫濕度環(huán)境下進(jìn)行，每種口罩分別取3組樣品在2臺設(shè)備上進(jìn)行測試，NaCl顆粒物過濾效率數(shù)據(jù)對照表如表3所示。

從結(jié)果可以得出該試驗(yàn)臺與美國TSI公司生產(chǎn)的8130型濾料試驗(yàn)臺的鹽性顆粒物過濾效率測試值偏差小于1%。

7 結(jié)語

口罩鹽性顆粒物過濾效率試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)，為口罩的質(zhì)量保證提供了必要的技術(shù)檢測手段。在與TSI 8130 試驗(yàn)臺對比數(shù)據(jù)表明，該試驗(yàn)臺運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，且設(shè)備成本相對較低，在技術(shù)上為疫情防控工作提供了有力的支持。

表3 NaCl顆粒物過濾效率對照表 %