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口罩通氣及氣體交換壓力差測試儀
1 研究背景
醫(yī)用防護口罩可用于醫(yī)務(wù)人員和相關(guān)工作人員對經(jīng)空氣傳播的呼吸道傳染病的防護，在有創(chuàng)操作過程中阻止血液、體液和飛濺物傳播，供醫(yī)護人員在醫(yī)療門診、實驗室、手術(shù)室等環(huán)境要求高的工作場合佩戴，對細(xì)菌、病毒的防護能力較強，安全系數(shù)相對較高。2003年非典期間，在使用傳統(tǒng)紗布口罩的醫(yī)院內(nèi)產(chǎn)生了許多交叉感染，紗布口罩的作用受到質(zhì)疑，直至國家食品藥品監(jiān)督管理局通過試驗證明，紗布口罩不具有防護功能，人們才開始關(guān)注一次性口罩和醫(yī)用防護口罩的應(yīng)用，并制定了中華人民共和國醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0469—2011《醫(yī)用外科口罩》。醫(yī)用防護口罩需要檢測的物理指標(biāo)包括過濾效率、氣流阻力、合成血液穿透、壓力差、阻燃等性能。目前國內(nèi)市場上檢測醫(yī)用防護口罩物理性氣體交換性能的儀器有過濾效率試驗儀、氣流阻力試驗儀、合成血液穿透試驗儀、阻燃試驗儀，但沒有壓力差測試儀。口罩兩側(cè)壓力差值的高低決定了人體呼吸的流暢和舒適度。醫(yī)用口罩氣體交換壓力差是在恒流量氣體流過一定面積的口罩時，兩側(cè)氣體交換的壓力差值，即口罩對氣流的阻尼。口罩要達到較好的防護效果，其氣體交換壓力差值非常關(guān)鍵，因此醫(yī)用口罩氣體交換壓力差值成為判斷口罩是否合格以及防護等級的重要指標(biāo)。
針對目前缺少壓力差測試儀這一情況，我們對醫(yī)用口罩氣體交換壓力差檢測關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，并研制出儀器。同時該儀器也可用于普通織物的氣體交換壓力差測試。
2 儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計特點
2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
醫(yī)用口罩氣體交換壓力差性能測試儀主要由機身、試樣夾持裝置、四連桿自鎖試樣夾緊裝置、控制箱組成。該儀器具有使用范圍廣、效率高、操作簡便、試樣安裝方便等特點。為方便試樣的裝夾，特地將試樣夾持器安裝面設(shè)計成60°斜面，且為了保證樣夾安裝基準(zhǔn)平面的平整度，樣夾安裝板采用厚8 mm的鋼板，并對其表面進行磨平加工處理，使得動夾頭座與定夾頭座前后兩部分的安裝基準(zhǔn)統(tǒng)一，確保樣夾前后兩部分的安裝同軸度。整個儀器機體的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足了人體工程學(xué)的原理，使得試驗人員操作起來舒適方便。
2.2 試樣夾持裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計
定夾頭座的內(nèi)孔與定夾頭的外圓間隙配合，定夾頭從定夾頭座的內(nèi)孔裝入，靠定夾頭上的定位凸肩安裝到位，通過擰緊定夾頭座上的緊定螺釘，將定夾頭固定。在測試工作過程中，定夾頭由于定夾頭座固定不能動作，動夾頭位于定夾頭的下方，動夾頭在動夾頭座上可相對于動夾頭座做往復(fù)滑動。為減少摩擦阻力，動夾頭座上鑲嵌有銅套，銅套過盈配合嵌入動夾頭座上，動夾頭從銅套的內(nèi)孔裝入，當(dāng)動夾頭在銅套內(nèi)滑動時，減少了兩者之間的摩擦，并且對動夾頭起到了支撐定位作用。該裝置保證了試樣在裝夾過程中的同軸度，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
當(dāng)動夾頭向上移動，動夾頭進入定夾頭的定位空腔后，端面的密封圈起到了密封作用，該處密封既保證了測試有效面積的準(zhǔn)確，又為測試結(jié)果的準(zhǔn)確提供了保障，測試結(jié)果重現(xiàn)性好。
2.3 工作原理
對流經(jīng)試樣氣體流量的控制采用了數(shù)顯氣體流量計，該流量計采用*微機技術(shù)與高性能集成芯片，利用微功耗技術(shù)降低了整機功耗。醫(yī)用口罩氣體交換壓力差測試儀主要用于測量口罩兩側(cè)進行氣體交換的壓力差。在測試儀工作過程中，使用壓差傳感器來檢測壓差值；通過調(diào)節(jié)閥控制氣體流量。
面板操控系統(tǒng)、壓差檢測系統(tǒng)、流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、報警系統(tǒng)等共同組成儀器的自動控制系統(tǒng)，選用的控件可靠性高，可以降低儀器故障率，提高儀器的使用安全性，減少了人工操作帶來的誤差，保證了測試精度，提高了試驗效率。
在試驗過程中，通過操作面板上的控制按鍵，對儀器的各部分控制環(huán)節(jié)進行操控。可以從數(shù)字顯示器上實時動態(tài)地讀取當(dāng)前的壓差值，該壓差值的準(zhǔn)確度為1%。當(dāng)數(shù)字顯示器上的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時，按下“試驗停止”按鈕，則試驗過程中出現(xiàn)的大壓差值就鎖定在了顯示器的屏幕上。如果壓差傳感器檢測到的壓差值超出了量程的范圍，測試儀就會發(fā)出報警信號，同時自動停止試驗，在這個過程中，數(shù)字顯示器也會將傳感器傳遞過來的大壓差值鎖定在顯示器的屏幕上。
通常情況下，當(dāng)試樣的透氣性越好，通過測試儀得到的壓差值越小，相反，試樣的透氣性能較差時，通過測試儀得到的壓差值就較大。當(dāng)使用醫(yī)用口罩氣體交換壓力差測試儀進行試驗時，對試驗數(shù)據(jù)進行實時記錄，結(jié)果取平均值M。
按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，測試面積S=4.9 cm2。則單位面積壓差值ΔP=M/4.9。將所得到的單位面積下的壓力差值與標(biāo)準(zhǔn)中要求(口罩兩側(cè)的壓力差ΔP為49)進行比較，就可以推斷出試樣是否滿足要求。
3 試驗結(jié)果分析
3.1 測試條件與試樣選取
所有測試在恒溫恒濕室進行，溫度(21±1)℃，相對濕度(60±2)%。選取5種口罩產(chǎn)品，分別為日用口罩(棉)、非織造布口罩、脫脂紗布口罩(純棉)、海藻纖維口罩、PM2.5口罩。每種材料按照標(biāo)準(zhǔn)要求尺寸裁剪，然后將試樣放在恒溫恒濕室中24 h以上，達到調(diào)濕平衡后開始測試。
3.2 測試方案與內(nèi)容
通過表1試驗結(jié)果對比可知，脫脂紗布口罩(純棉)的面料為脫脂棉，由紗布折疊10層縫制而成，其織物組織疏松，所測的氣體交換壓力差性能；其次是非織造布經(jīng)過多次親水處理后折疊2層縫制成的非織造布口罩；第三為普通針織棉布折疊3層縫制成的普通日用口罩；第四為組織是3層非織造布中間夾1層海藻纖維縫制而成的海藻纖維口罩，PM2.5口罩由于是多種織物疊加在一起縫制成的，氣體交換壓力差性能差。通過表1數(shù)據(jù)可以得出：日用口罩(棉)、非織造布口罩、脫脂紗布口罩(純棉)、海藻纖維口罩的氣體交換壓力差性能較好；PM2.5口罩由于組織過于密實，其口罩氣體交換壓力差性能較差。
4 推廣應(yīng)用的條件和前景
近幾年來，隨著國家對個人安全防護重視程度的加強以及職業(yè)病發(fā)病率的增長，專業(yè)性口罩市場空間巨大。專業(yè)性口罩不斷占領(lǐng)市場，而低端的全紗布口罩*會不斷降低，這是一個必然趨勢。而隨著人們生活水平的提高，人們對健康也不斷重視，民用口罩也會向?qū)I(yè)化發(fā)展。醫(yī)用口罩氣體交換壓力差檢測關(guān)鍵技術(shù)研究及儀器研制，為醫(yī)用口罩性能評價提供了技術(shù)保障，解決了國內(nèi)只有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)，卻沒有相應(yīng)的測試儀器的難題，對企業(yè)的生產(chǎn)有著積極的指導(dǎo)性意義，也使得各級主管部門對口罩產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管有了可循的依據(jù)。醫(yī)用口罩氣體交換壓力差測試儀器的研制、生產(chǎn)，為口罩的檢測提供了行之有效的手段，為口罩質(zhì)量的全面提高提供了技術(shù)保障，促進了口罩行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。儀器進入市場后將有效提高口罩產(chǎn)品的質(zhì)量，使口罩產(chǎn)品有質(zhì)的飛躍，為促進經(jīng)濟發(fā)展，提高人民生活質(zhì)量起到了積極的推動作用。
5 結(jié)束語
醫(yī)用口罩氣體交換壓力差檢測儀是依據(jù)國家醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY 0469—2011要求研制開發(fā)的，適用于醫(yī)用口罩氣體交換壓力差測試的檢測儀器。該儀器具有使用范圍廣、效率高、操作簡便、試樣安裝方便，測試結(jié)果準(zhǔn)確，測試效率高的特點，為企業(yè)、檢測機構(gòu)準(zhǔn)確檢測口罩產(chǎn)品質(zhì)量提供了有效途徑。
