口罩通气及气体交换压力差测试仪
1 研究背景
医用防护口罩可用于医务人员和相关工作人员对经空气传播的呼吸道传染病的防护，在有创操作过程中阻止血液、体液和飞溅物传播，供医护人员在医疗门诊、实验室、手术室等环境要求高的工作场合佩戴，对细菌、病毒的防护能力较强，安全系数相对较高。2003年非典期间，在使用传统纱布口罩的医院内产生了许多交叉感染，纱布口罩的作用受到质疑，直至国家食品药品监督管理局通过试验证明，纱布口罩不具有防护功能，人们才开始关注一次性口罩和医用防护口罩的应用，并制定了中华人民共和国医药行业标准YY 0469—2011《医用外科口罩》。医用防护口罩需要检测的物理指标包括过滤效率、气流阻力、合成血液穿透、压力差、阻燃等性能。目前国内市场上检测医用防护口罩物理性气体交换性能的仪器有过滤效率试验仪、气流阻力试验仪、合成血液穿透试验仪、阻燃试验仪，但没有压力差测试仪。口罩两侧压力差值的高低决定了人体呼吸的流畅和舒适度。医用口罩气体交换压力差是在恒流量气体流过一定面积的口罩时，两侧气体交换的压力差值，即口罩对气流的阻尼。口罩要达到较好的防护效果，其气体交换压力差值非常关键，因此医用口罩气体交换压力差值成为判断口罩是否合格以及防护等级的重要指标。
针对目前缺少压力差测试仪这一情况，我们对医用口罩气体交换压力差检测关键技术进行了研究，并研制出专用仪器。同时该仪器也可用于普通织物的气体交换压力差测试。
2 仪器结构设计特点
2.1 整体结构设计
医用口罩气体交换压力差性能测试仪主要由机身、试样夹持装置、四连杆自锁试样夹紧装置、控制箱组成。该仪器具有使用范围广、效率高、操作简便、试样安装方便等特点。为方便试样的装夹，特地将试样夹持器安装面设计成60°斜面，且为了保证样夹安装基准平面的平整度，样夹安装板采用厚8 mm的钢板，并对其表面进行磨平加工处理，使得动夹头座与定夹头座前后两部分的安装基准统一，确保样夹前后两部分的安装同轴度。整个仪器机体的结构设计满足了人体工程学的原理，使得试验人员操作起来舒适方便。
2.2 试样夹持装置结构设计
定夹头座的内孔与定夹头的外圆间隙配合，定夹头从定夹头座的内孔装入，靠定夹头上的定位凸肩安装到位，通过拧紧定夹头座上的紧定螺钉，将定夹头固定。在测试工作过程中，定夹头由于定夹头座固定不能动作，动夹头位于定夹头的下方，动夹头在动夹头座上可相对于动夹头座做往复滑动。为减少摩擦阻力，动夹头座上镶嵌有铜套，铜套过盈配合嵌入动夹头座上，动夹头从铜套的内孔装入，当动夹头在铜套内滑动时，减少了两者之间的摩擦，并且对动夹头起到了支撑定位作用。该装置保证了试样在装夹过程中的同轴度，确保测试结果的准确性。
当动夹头向上移动，动夹头进入定夹头的定位空腔后，端面的密封圈起到了密封作用，该处密封既保证了测试有效面积的准确，又为测试结果的准确提供了保障，测试结果重现性好。
2.3 工作原理
对流经试样气体流量的控制采用了数显气体流量计，该流量计采用先进的微机技术与高性能集成芯片，利用微功耗技术降低了整机功耗。医用口罩气体交换压力差测试仪主要用于测量口罩两侧进行气体交换的压力差。在测试仪工作过程中，使用压差传感器来检测压差值；通过调节阀控制气体流量。
面板操控系统、压差检测系统、流量调节系统、报警系统等共同组成仪器的自动控制系统，选用的控件可靠性高，可以降低仪器故障率，提高仪器的使用安全性，减少了人工操作带来的误差，保证了测试精度，提高了试验效率。
在试验过程中，通过操作面板上的控制按键，对仪器的各部分控制环节进行操控。可以从数字显示器上实时动态地读取当前的压差值，该压差值的准确度为1%。当数字显示器上的值处于稳定状态时，按下“试验停止”按钮，则试验过程中出现的最大压差值就锁定在了显示器的屏幕上。如果压差传感器检测到的压差值超出了量程的范围，测试仪就会发出报警信号，同时自动停止试验，在这个过程中，数字显示器也会将传感器传递过来的最大压差值锁定在显示器的屏幕上。
通常情况下，当试样的透气性越好，通过测试仪得到的压差值越小，相反，试样的透气性能较差时，通过测试仪得到的压差值就较大。当使用医用口罩气体交换压力差测试仪进行试验时，对试验数据进行实时记录，结果取平均值M。
按照标准的要求，测试面积S=4.9 cm2。则单位面积压差值ΔP=M/4.9。将所得到的单位面积下的压力差值与标准中要求(口罩两侧的压力差ΔP为49)进行比较，就可以推断出试样是否满足要求。
3 试验结果分析
3.1 测试条件与试样选取
所有测试在恒温恒湿室进行，温度(21±1)℃，相对湿度(60±2)%。选取5种口罩产品，分别为日用口罩(棉)、非织造布口罩、脱脂纱布口罩(纯棉)、海藻纤维口罩、PM2.5口罩。每种材料按照标准要求尺寸裁剪，然后将试样放在恒温恒湿室中24 h以上，达到调湿平衡后开始测试。
3.2 测试方案与内容
通过表1试验结果对比可知，脱脂纱布口罩(纯棉)的面料为脱脂棉，由纱布折叠10层缝制而成，其织物组织疏松，所测的气体交换压力差性能最好；其次是非织造布经过多次亲水处理后折叠2层缝制成的非织造布口罩；第三为普通针织棉布折叠3层缝制成的普通日用口罩；第四为组织是3层非织造布中间夹1层海藻纤维缝制而成的海藻纤维口罩，PM2.5口罩由于是多种织物叠加在一起缝制成的，气体交换压力差性能最差。通过表1数据可以得出：日用口罩(棉)、非织造布口罩、脱脂纱布口罩(纯棉)、海藻纤维口罩的气体交换压力差性能较好；PM2.5口罩由于组织过于密实，其口罩气体交换压力差性能较差。
4 推广应用的条件和前景
近几年来，随着国家对个人安全防护重视程度的加强以及职业病发病率的增长，专业性口罩市场空间巨大。专业性口罩不断占领市场，而低端的全纱布口罩市场份额会不断降低，这是一个必然趋势。而随着人们生活水平的提高，人们对健康也不断重视，民用口罩也会向专业化发展。医用口罩气体交换压力差检测关键技术研究及专用仪器研制，为医用口罩性能评价提供了技术保障，解决了国内只有相应的测试标准，却没有相应的测试仪器的难题，对企业的生产有着积极的指导性意义，也使得各级主管部门对口罩产品质量的监管有了可循的依据。医用口罩气体交换压力差测试仪器的研制、生产，为口罩的检测提供了行之有效的手段，为口罩质量的全面提高提供了技术保障，促进了口罩行业的可持续发展。仪器进入市场后将有效提高口罩产品的质量，使口罩产品有质的飞跃，为促进经济发展，提高人民生活质量起到了积极的推动作用。
5 结束语
医用口罩气体交换压力差检测仪是依据国家医药行业标准YY 0469—2011要求研制开发的，适用于医用口罩气体交换压力差测试的检测仪器。该仪器具有使用范围广、效率高、操作简便、试样安装方便，测试结果准确，测试效率高的特点，为企业、检测机构准确检测口罩产品质量提供了有效途径。
