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2018, 35(5):428-433, 446.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.17746

Comprehensive assessment on protective performance of common self-inhalation flter type respirators


Division of Heath Risks Surveillance and Control, Shanghai Municipal Center for Disease Control and Prevention, Shanghai 200336, China

Received: 2017-12-18;  Accepted:2018-01-19;  Published: 2018-07-06

Corresponding Author: JIA Xiao-dong, Email: jiaxiaodong@scdc.sh.cn  

[Objective] To test the protective performance of common self-inhalation filter type respirators and provide scientific evidence of proporiate usage for the public and professionals.

[Methods] A total of 21 models of retail respirators, including 3 styles (foldable, n=10; cup-shaped, n=5; plain, n=6) and 3 use purposes (regular protection, n=6; medical protection, n=2; labor protection, n=13), were tested for filtering efficiency, respiratory resistance, total inward leakage, and blood penetration.

[Results] The filtering efficiencies of plain respirators P1-P6 were 2.30%-80.94%. The filtering efficiencies of the tested respirators were all up to relevant national standards except the model marked as AN1. The inhalation resistance of respirators with exhalation valve was significantly higher than that of the others (P < 0.05), but the exhalation resistance test results reversed (P < 0.05). The plain type respirators' seal performance was poor; the total inward leakage was not different between the foldable respirators and the cup-shaped respirators (P>0.05); the total inward leakage across subjects with different facial characteristics was statistically varied (P < 0.05). Moreover, the blood penetration rate of P1 and P6 were 60% and 40%, respectively.

[Conclusion] All tested respirators meet the requirements of relevant national standards. The plain type respirators made of gauze and cotton are not capable of preventing dust or blood penetration. The plain type respirators made of nonwovens can resist blood penetration but not dust. Foldable and cup-shaped respirators need remodification according to the facial characteristics of Chinese people. The choice and wearing of respirators should depend on facial characteristics of users and protective requirements.

Key Words: self-inhalation filter type respirator;  personal protective equipment;  filtering efficiency;  respiratory resistance;  leakage;  blood penetration 

表 1

21种口罩外观式样及标称功能

Table 1
图 1

中国汉族成年人脸型尺寸分类[5]

Figure 1 [注]#:脸型型号。
表 2

各型号口罩过滤效率(%)

Table 2
表 3

各型号口罩呼吸阻力测试结果(Pa,n=4)

Table 3
表 4

同一品牌口罩呼、吸气阻力比较(Pa)

Table 4
图 2

14种口罩总泄漏率图示

Figure 2 [注]纵坐标为脸型型号,横坐标为动作序号
表 5

9种口罩总泄漏率比较

Table 5

Reference

[5]

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我国各级医疗机构对儿童用基本药物剂型和规格的需求调查

粉尘是指悬浮于空气中的固体微粒。人类日常生活和生产活动以及自然现象均会产生粉尘。粉尘粒径越小,悬浮在空气中的时间越长,越易被吸人呼吸道,对人体健康的影响也就越大。空气动力学直径≤5 μm、可到达呼吸道深部和肺泡区的粉尘被称为呼吸性粉尘,其中空气动力学直径运≤ 2.5μm的粉尘被称为细颗粒物(PM2.5),是雾霍形成的主要物质基础[1]。在作业场所或生活环境中,如对粉尘发生源无法进行有效控制,则多采用自吸过滤式防尘口罩来进行个体防护,控制和减少粉尘进入人体,从而减少其对健康的危害。

目前,商品化的防尘口罩种类繁多,口罩已不仅仅是接触生产性粉尘的劳动者或特殊职业人群(如医务人员)的劳动保护用品,也成为雾霍天气普通民众的防护用品,但因选择错误、佩戴不当或假冒伪劣等问题,使其无法起到防护作用[2]。理论上防尘口罩发挥作用的两个基本因素是过滤效率、口罩与佩戴者的适合性,近年国内外针对单一类型口罩适合性的研究较多,但针对多类型口罩的综合性研究较少。为此,本研究拟对常见市售口罩的防护效果进行综合测试,以期为公众、职业人群及职业健康专业人员正确、合理地选择、使用口罩提供科学依据,并为口罩的设计和生产提供参考。

1   材料与方法

1.1   测试口罩基本情况

本研究共测试了21种市售口罩,从式样上主要分为折叠式(10种)、杯形(5种)、平板式(6种)3种类型,从标称功能上主要分为日常防护(6种)、医用防护(2种)、粉尘作业场所的劳动保护(13种)3种类型。21种口罩的外观式样、标称功能及执行标准等详见表 1

表1

21种口罩外观式样及标称功能

1.2   测试仪器

NaCl颗粒物过滤效率检测系统(TSI,美国); 呼吸阻力测试装置(众瑞智能仪器有限公司,中国); 泄漏性测试仪器(TSI,美国); 中号头模(山西新华化工有限责任公司,中国)。

1.3   测试方法

样品预处理以及过滤效率、呼吸阻力、泄漏性测试的方法和技术参数根据GB 2626-2006 《呼吸防护用品-自吸过滤式防颗粒物呼吸器》[3]制定,血液穿透测试方法依据YY0469-2011 《医用外科口罩技术要求》 [4]制定。

1.3.1   预处理

将样品从原包装中取出,按下述条件和顺序处理:①在(38 ± 2.5) ℃和(85 ± 5)%相对湿度环境放置(24 ± 1)h; ②在(70 ± 3) ℃干燥环境放置(24 ± 1)h; ③在(-30 ± 3) ℃环境放置(24 ± 1)h; ④使样品温度恢复至室温至少4h后再进行后续测试。

1.3.2   过滤效率测试

用夹具将口罩连接到测试仪器上,对于含有呼气阀的口罩对呼气阀进行密封处理,调节测试流量为(85 ± 4)L/min,测试开始后记录初始的过滤效率。测试一直持续到过滤效率不再下降或滤料积累满200mg颗粒物后终止,并连续记录过滤效率结果,取最低值为测试结果。每种口罩共测试15个样品,其中5个是经预处理的样品。

1.3.3   呼吸阻力测试

通气量为(85 ± 1)L/min,将口罩按照说明书的要求佩戴在头模上,测定并记录呼、吸气阻力。呼气阻力与吸气阻力各测试8个样品,其中4个为经预处理的样品。

1.3.4   泄漏性测试

对受试者进行面部数据测量后,根据脸型尺寸分类方法[5]选定志愿者,见图 1。测定受试者在检测仓外呼吸时面罩内的本底浓度,测定5个数据,取算术平均值作为本底浓度。受试者进入检测室后按顺序完成以下动作:①头部静止、不说话2min; ②左右转动头部(15次)看检测仓的左右仓壁,整个动作持续2min; ③抬头和低头(15次)看检测仓顶和地面,整个动作持续2 min;④大声阅读一段文字或大声说话2 min;⑤头部静止、不说话2 min。对每个动作检测5个数据并计算算术平均值作为该动作的结果。总泄漏率(total inward leakage,TIL)越大,说明口罩泄漏性越高。TIL按下列公式计算:

图 1

中国汉族成年人脸型尺寸分类[5]

[注]#:脸型型号。

${\rm{TIL = }}\frac{{{\rm{(C-Ca)}}}}{{{\rm{Co}}}}{\rm{ \times 1}}{\rm{.7 \times 100}}$

式中:C,进行各动作时被测口罩内颗粒物浓度;Ca,被测口罩内颗粒物本底浓度;Co,进行各动作时检测仓内颗粒物浓度。

泄漏性测试选择了14种有代表性的口罩,每种口罩按照不同脸型共测试10个样本,每种口罩的测试人员包括1~10号脸型各1人,每人完成上述5个动作,各取5个数据。

1.3.5   血液穿透测试

在头模上佩戴好口罩,距离口罩中心30.5 cm处将2 mL合成血按照550 cm/s的速度向口罩喷射,观察口罩内侧是否出现渗透,每种口罩共测试10个样品。

1.4   统计学方法

使用SPSS 17.0进行统计分析。呼吸阻力结果与TIL值呈正态分布,分析预处理对口罩呼吸阻力的影响采用配对t检验,分析有无呼气阀对呼吸阻力的影响及不同类型口罩的TIL值差别采用t检验,分析动作与脸型对TIL值的影响采用多因素方差分析。检验水准α=0.05。

2   结果

2.1   过滤效率测试结果

表 2可见,平板式口罩P1~P6的过滤效率均值范围为2.30%~80.94%,过滤效率最低的为脱脂纱布口罩P1。除编号为AN1的一款口罩有部分样品未达标外,其他型号口罩的过滤效率均达标。

表2

各型号口罩过滤效率(%)

2.2   呼吸阻力测试结果

表 3可见,各种口罩的呼吸阻力测试结果均符合GB 2626—2006《呼吸防护用品—自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中规定的呼气阻力≤ 250 Pa、吸气阻力≤ 350 Pa,其中脱脂纱布口罩P1的吸气和呼气阻力最低,可替换插片式口罩P6的吸气和呼气阻力最高。预处理对口罩的吸气阻力无影响(P > 0.05),但对呼气阻力有影响,差异有统计学意义(P < 0.05)。

表3

各型号口罩呼吸阻力测试结果(Pa,n=4)

为增加可比性,对本次测试中同一品牌的6个型号(AN3、AN6、A1、BN2、BN3、B2)的口罩进行比较,以了解呼气阀对呼、吸阻力的影响。由表 4可见,有呼气阀口罩的吸气阻力高于无呼气阀口罩(P < 0.05),但有呼气阀口罩的呼气阻力则低于无呼气阀口罩(P < 0.05)。个别品牌口罩带有呼气阀,从表 3中可见如杯型口罩B1的呼气阻力均值甚至高于不带呼气阀的杯型口罩BN2和BN3(P < 0.05)。

表4

同一品牌口罩呼、吸气阻力比较(Pa)

2.3   泄漏性测试结果

对14种型号的口罩进行了泄漏性测试,结果见图 2。P1、P3、P5、P6这4种型号的平板式口罩中10种脸型5个动作的TIL值多数大于80;AN7口罩中仅5号及6号脸型的测试人员结果较好,TIL均值分别为9.26、12.52,其他脸型的结果较差,故只对其余9种口罩的测试结果进行统计分析。结果发现,AN6、A1、BN2三种口罩的TIL均值较低,泄漏性较小。9种口罩TIL值的方差分析结果见表 5。除AN6及A2外,其他类型口罩在受试者进行不同动作时的TIL值差异无统计学意义(P > 0.05),但不同脸型的受试者佩戴同一款口罩的TIL值差异均有统计学意义(P < 0.05)。折叠式口罩(AN1、AN2、AN4、AN6、A1、A2、A3)与杯型口罩(B1、BN2)的TIL值差异无统计学意义(P>0.05)。

图 2

14种口罩总泄漏率图示

[注]纵坐标为脸型型号,横坐标为动作序号
表5

9种口罩总泄漏率比较

7种折叠式口罩(AN1、AN2、AN4、AN6、A1、A2、A3)的佩戴方式分为头带式与耳带式,其中耳带式口罩(AN4、A2)与头带式口罩(AN1、AN2、AN6、A1、A3)的TIL值差异有统计学意义(P < 0.05)。

2.4   血液穿透测试结果

共21种口罩进行血液穿透测试,脱脂纱布口罩P1和可替换插片式口罩P6出现穿透,穿透率分别为60%和40%,其他口罩均未出现血液穿透现象。

3   讨论

口罩的材料对粉尘的过滤效率是口罩防尘效果的重要指标。本研究发现,除AN1口罩外,折叠式和杯型口罩的过滤效率均能符合相关防尘标准的要求,而平板式口罩材料本身就无法过滤细颗粒物,佩戴该类型的口罩无法起到防尘或防雾霾的作用,其中尤以纱布口罩的过滤效率最差。

我国现行的两个标准中,GB/T 32610—2016《日常防护型口罩技术规范》规定呼气阻力≤145 Pa、吸气阻力≤175 Pa,而GB 2626—2006《呼吸防护用品—自吸过滤式防颗粒物呼吸器》中为呼气阻力≤ 250 Pa、吸气阻力≤ 350 Pa,前者标准值远低于后者。实际应用中,需佩戴防尘口罩的人群多为体力劳动者,呼吸强度高于日常防护口罩使用者,高呼吸阻力会降低劳动者对佩戴口罩的耐受时间[6],从而降低劳动者正确佩戴口罩的意愿,这也是劳动者在作业过程中不愿意佩戴防尘口罩的主要原因。本次研究结果显示,多数口罩的呼吸阻力远低于标准值。各口罩生产商的呼吸阻力控制技术已较为成熟,目前使用的GB 2626—2006 《呼吸防护用品—自吸过滤式防颗粒物呼吸器》呼吸阻力标准过高,过高的呼吸阻力会使佩戴者产生憋闷感,甚至产生头晕、头痛等[7-8],从而导致劳动者拒绝使用或正常佩戴,无法起到防护效果。虽然本次测试发现纱布口罩呼吸阻力最低,但测试条件并不能完全反映实际情况,测试中未考虑到脱脂纱布或棉布会吸附人体呼出气中的水蒸气这一影响因素,水蒸气会大大增加纱布口罩的呼吸阻力,因此在实际使用过程中,纱布口罩的呼吸阻力会随着佩戴时间延长而逐渐增加。

建议在保证口罩制作材料过滤效率的情况下,劳动者所用防尘口罩的呼吸阻力标准值应向日常使用型口罩标准靠拢,甚至应更小,以提高劳动者的舒适性和满足工作需要;呼吸阻力的检测方法也应进一步改进,测试气流应模拟人体呼出气,增加气流湿度,这样测试结果才能与实际情况更相近。

本次研究还发现,虽然口罩配备呼气阀会降低呼气阻力,但因呼气阀单向开启并占据口罩一定表面积,这将导致口罩吸气阻力增加。此外,如果呼气阀设计、材料和制作工艺不佳,不仅不能降低呼气阻力,反而会增加呼气和吸气阻力。因此是否选择具有呼气阀的口罩,还应结合口罩使用目的、口罩材质、呼气阀质量等因素来综合考虑[9]

口罩的泄漏性直接关系到口罩的防护效果[10],口罩与佩戴者脸型不匹配,或佩戴口罩时有大声说笑等动作,会导致吸入气流不经口罩滤过直接进入呼吸道,严重影响口罩的防尘效果。本研究中,泄漏性测试合格的3种型号口罩均为某国外品牌。多数国内生产企业的口罩制作材料的过滤效率已达到国内或国际相关标准的要求,但在泄漏性方面仍有较大差距,主要原因可能是口罩与佩戴者脸型不匹配。绝大多数口罩生产制造商提供的口罩仅有一种尺寸规格,很难做到与众多不同脸型人员相匹配,因而影响实际防尘效果。此外,本研究还发现耳带式口罩泄漏性高于头带式口罩,这是因为耳带式口罩相对于头带式更易松动,与佩戴者脸部的贴合度较低。因此,在接尘浓度较高的工作场所,建议劳动者要选取适合脸型的头带式口罩。

医务工作者在从事诊疗、实验室检测和科研活动时,存在病患体液喷溅至面部的可能,佩戴口罩可以提供一定的保护。本研究发现,除纱布或棉布口罩可被血液穿透外,其他材质口罩都对人体血液具有阻隔作用,但有研究表明,佩戴KN95口罩对细菌的阻隔效率优于一次性医用口罩[11],因此在实际工作中不建议用一次性医用口罩代替医用KN95防护口罩。

综上,纱布口罩对粉尘及血液穿透均无防护效果,出于职业防护目的,应弃用纱布口罩;对于目前越来越常见的可替换插片式棉布口罩,不论是过滤效率、呼吸阻力、血液穿透还是泄漏性测试结果都较差,也不应选用该类型口罩;口罩生产制造企业在口罩设计时,应更多地注重提高口罩与国人脸型的匹配度,并根据脸型设计不同规格的口罩,使口罩泄漏性得到有效控制。此外,选择合适的口罩后,正确佩戴口罩也很关键,有研究表明,即便是医务工作者及生物实验室专业工作人员的口罩正确佩戴率也不高[12-13],普通公众情况更为堪忧,因此应加强该方面的指导和宣传教育工作。

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