基于呼吸實境模擬的口罩防護效果影響因素研究

劉博羽，沈國鋒，陶澍

北京大學城市與環(huán)境學院，北京 100871

細顆粒物（PM2.5）是指空氣動力學當量直徑≤2.5 μm的顆粒物，為空氣污染的重要污染物之一。由于粒徑較小，PM2.5及其攜帶的有毒有害物質(zhì)可通過呼吸沉積在人體肺泡，甚至可經(jīng)過肺換氣到達其他器官，引起呼吸道疾病、肺癌、哮喘、阻塞性鼻炎和心血管疾病等，能夠嚴重影響人群健康（孫兆彬等，2016；張新梅等，2016；Shi et al.，2017；Guan et al.，2018；Tian et al.，2018；江蘇安等，2018）。全球疾病負擔研究（Global Burden of Disease，GBD）指出，PM2.5在所有健康危險因素中位列第七（Forouzanfar et al.，2015），2015年全球因空氣污染暴露而過早死亡的人數(shù)約420萬（Landrigan et al.，2017）。

面對嚴峻的大氣污染形勢，中國政府在過去幾年采取了一系列嚴格的控制措施并取得了一定成效，長三角、珠三角和京津冀等重點污染控制區(qū)域的空氣污染指數(shù)呈現(xiàn)連年下降的趨勢（于燕等，2019）。但是，目前中國大氣環(huán)境中 PM2.5質(zhì)量濃度水平仍相對較高。例如，2017年北京市環(huán)境狀況公報指出，2017年全市環(huán)境空氣中PM2.5的年均質(zhì)量濃度為58 μg·m-3，盡管較2016年已下降20.5%，但全年仍有23 d發(fā)生重度污染。因此，公眾針對大氣污染采取防護措施仍然十分必要。

霧霾天氣出現(xiàn)時，公眾可采用的個體防護措施包括減少外出、開啟空氣凈化器和佩戴口罩等（Laumbach et al.，2015）。當處于室外環(huán)境時，佩戴口罩為降低人群顆粒物暴露量的有效方法之一。口罩的顆粒物過濾效率對于其效果和人群健康的保護作用尤為重要。在中國，防霧霾口罩需要根據(jù)國家標準GB 2626—2006《呼吸防護用品——自吸過濾式防顆粒物呼吸器》中規(guī)定的自吸過濾式防顆粒物呼吸器的基本技術(shù)要求、檢測方法和標識對其性能進行測試和評價。然而，盡管大多市售防霧霾口罩具有較高的實驗室檢測過濾效率，例如 KN95口罩的有效防護率≥95%，但實際使用時，口罩的防護效果受到諸多環(huán)境因素和佩戴者個人因素的影響，導致無法達到其實驗室產(chǎn)品測試的最佳效果。

近年來，國內(nèi)外學者對口罩的顆粒物過濾效率及其影響因素已展開部分研究。已有文獻研究通常采用搭建模型（Eninger et al.，2008；Rengasamy et al.，2008；Cho et al.，2010a；Reza et al.，2011；彭明軍等，2014；張先寶等，2015；Chen et al.，2016；Negovan et al.，2018）或招募志愿者佩戴口罩的方式（Coffey et al.，1999；Lee et al.，2005；Janssen et al.，2007；Lee et al.，2008；Oberg et al.，2008；Cho et al.，2010b）進行實驗，主要關(guān)注口罩類型、大氣環(huán)境顆粒物的粒徑和質(zhì)量濃度、空氣相對濕度、佩戴者的面部特征、呼吸流量及頻率等因素對口罩防護效果的影響。模型實驗的主要概括性結(jié)論包括，（1）口罩類型對其顆粒物過濾效率具有顯著影響（Balazy et al.，2006；饒敏虹，2011；張先寶等，2015；王旭等，2016）。一般認為口罩纖維細度越細，濾料的表面積越大，纖維分布越均勻，過濾效果越好（饒敏虹，2011）。（2）空氣相對濕度能夠影響口罩的防護效果，但影響程度與口罩形狀和材質(zhì)等有關(guān)（Mostofi et al.，2011；Reza et al.，2011；Ramirez et al.，2016；丁文彬等，2018）。一般地，空氣相對濕度越大，納米級顆粒物的穿透率越大，而微米級顆粒物的穿透率則無顯著變化（Reza et al.，2011）。這可能是由于高相對濕度減少了口罩纖維濾網(wǎng)的靜電電荷，導致納米級顆粒物的穿透率增大（Mostofi et al.，2011）。（3）佩戴者的呼吸流量和頻率對口罩過濾效率有顯著影響（Eninger et al.，2008；Eshbaugh et al.，2009；He et al.，2013；王旭等，2016）。隨著呼吸流量的增長，顆粒物對口罩的穿透率顯著升高，口罩的吸氣阻力增大，保護作用降低（王昕妍等，2015）；呼吸頻率也對口罩的顆粒物過濾效率具有顯著影響，但呼吸流量的影響比呼吸頻率更為顯著（Mahdavi；2013；Wang et al.，2016）。

現(xiàn)有文獻研究為了解口罩的防護效果及其主要影響因素等提供了重要的實驗依據(jù)。然而，總體而言，有關(guān)這方面的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)還相對較少，且多數(shù)文獻研究使用NaCl等合成氣溶膠模擬大氣顆粒物，在實驗室條件下進行測試。當參照相關(guān)標準（如GB 2626—2006）規(guī)定的檢測方法對口罩進行評估時，由于沒有考慮實際環(huán)境中其他因素的影響效果，實驗室產(chǎn)品測試結(jié)果無法準確地反映口罩的實際顆粒物過濾效率。此外，文獻研究中通常使用恒定氣流以簡化人體呼吸過程，未能考慮人體呼吸時循環(huán)流對口罩防護效果的可能影響。Zhang et al.（2018）用小鼠實驗比較了持續(xù)性甲醛暴露（Constant Exposure，24 h 0.4×10-6）和間歇性暴露（Intermittent Exposure，12 h 0.8×10-6和12 h 0×10-6）的氧化應(yīng)激等生物指標，發(fā)現(xiàn)間歇性暴露能夠造成更大的健康危害。因此，本研究在北京市海淀區(qū)真實大氣環(huán)境中進行人體呼吸模擬實驗，旨在研究大氣顆粒物粒徑、口罩類型、大氣環(huán)境PM2.5質(zhì)量濃度和呼氣相對濕度 4個因素對口罩防護作用的影響。必須指出的是，市場上的口罩類型多樣，各種口罩的性能測試和比較不是本研究的目的，因此我們僅選擇有代表性的兩類口罩（錐形靜電棉層口罩和折疊型紗布口罩）作為研究對象。

1 材料與方法

1.1 測試口罩

本研究選擇兩類不同的口罩進行測試：A錐形靜電棉層口罩；B折疊型紗布口罩。兩款口罩的外觀及材質(zhì)簡介見表1。其中，錐形靜電棉層口罩為防霧霾口罩，產(chǎn)品說明指出其符合中國GB 2626—2006標準，屬于KN95級別，即對于0.075 μm以上非油性顆粒物的過濾效率必須大于95%。

表1 實驗用口罩詳細信息Table 1 Information of two tested facepiece respirators

1.2 實驗儀器

粒子計數(shù)器（DT-9880，深圳華盛昌機械實業(yè)有限公司）；微型泵（FZB 8682，成都氣海機電制造有限公司）；玻璃轉(zhuǎn)子流量計（250－2500 L·H-1，上海微況測控技術(shù)有限公司）；兩路循環(huán)定時器（ECY-4B-2R，南京英雷科電子技術(shù)有限公司）；數(shù)字溫濕度記錄儀（WTH0T1-2-0.5，福州望云山信息科技有限公司）。

1.3 呼吸模擬裝置

為更好地模擬人體呼吸實際情景，利用兩路循環(huán)定時器控制兩個微型泵交替工作用以模擬人體呼吸過程。模型實驗所用裝置原理如圖 1。為采集口罩腔內(nèi)呼吸區(qū)域的氣體，在頭模的下巴部位開1個直徑為5 mm的小圓孔，將采樣管從孔中伸入口罩使得口罩內(nèi)的管長約為0.5 mm。模型的呼氣口與抽取氣體樣本的采樣管管口相隔一定距離，為呼氣和吸氣的充分混合提供足夠的空間。

圖1 模型實驗裝置原理圖Fig. 1 Schematic diagram of the breathing simulation setting

基于張國北方典型地區(qū)居民的平均呼吸參數(shù)設(shè)定呼吸流量和頻率（王貝貝等，2010），實驗中將呼吸周期設(shè)置為3 s（呼吸氣各占1.5 s），通過玻璃轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)氣體流量恒為24 L·min-1（人體的中度呼吸強度）。將口罩佩戴在人體頭模上模擬真實佩戴時口罩的密封性。每次佩戴順序隨機，每種口罩重復佩戴3次。使用粒子計數(shù)器和數(shù)字溫濕度記錄儀同步測定口罩內(nèi)外顆粒物數(shù)量、溫度及相對濕度。每次實驗均使用全新未開封的口罩，實驗前逐一檢查口罩的氣密性，避免口罩泄露對結(jié)果造成的影響。實驗前測定過濾環(huán)境氣體的微型泵濾膜的過濾效率。結(jié)果顯示在通過濾膜后，氣體中各粒徑（0.3－10 μm）顆粒物數(shù)量的讀數(shù)為0或很低，說明所用濾膜可有效阻擋顆粒物，可滿足實驗設(shè)計要求。

1.4 口罩效果外場測試

實驗時間集中于2017－2018年冬季供暖階段。實驗地點為北京市海淀區(qū)北京大學逸夫二樓樓頂天臺，四周開闊，周圍無遮擋。為探究不同污染水平下口罩的防護效果，本研究在不同大氣PM2.5質(zhì)量濃度下對口罩的過濾效率進行測試。有效實驗天數(shù)為15 d，實驗日大氣PM2.5質(zhì)量濃度水平為5－300 μg·m-3。

為保證室外測定數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及可比性，實驗前分別于0、15、30、45、60 min對單位體積大氣中的顆粒物數(shù)量進行測定，相對穩(wěn)定時進行實驗。單次實驗約持續(xù) 2 h，周期較短，可在一定程度上避免環(huán)境因素發(fā)生明顯變化的可能性。實驗進行過程中，操作者每隔30 min對單位體積大氣中的顆粒物數(shù)量及溫濕度進行測定，氣象條件沒有發(fā)生較大變化時繼續(xù)實驗。

粒子計數(shù)器的采樣流量為2.83 L·min-1，工作模式為累加模式?？紤]到一段時間后粒子計數(shù)器讀數(shù)會存在一定程度的漂移，因此每次實驗前后均對設(shè)備進行校零并記錄。

1.5 濕度實驗

為研究口罩的吸濕性，準備全新A、B類口罩各兩個，檢查其氣密性和完整性，同時準備4個密封袋，預先做好標記，與口罩一一對應(yīng)。濕度實驗過程中，首先將口罩放在室內(nèi)24 h，同步記錄室內(nèi)環(huán)境的溫度和相對濕度，結(jié)束后將口罩放入對應(yīng)的密封袋中稱重（M）；受試人（和外場測試為同一受試人）隨機佩戴口罩，重復3次佩戴后立即將其裝入袋中密封并稱重（N）；將口罩從密封袋中取出，于105 ℃下烘干2 h，在干燥器中恒定2 h后裝入密封袋中稱重（P）。每次稱重3次取平均值。計算常溫常濕條件下口罩的水分含量（M-P）以及口罩經(jīng)佩戴后含有的水分量（N-P），分析供試口罩的吸濕性。

為探究呼氣相對濕度對口罩顆粒物過濾效率的影響，參加測試的志愿者隨機佩戴A、B兩類口罩，使用粒子計數(shù)器和溫濕度記錄儀分別對口罩內(nèi)外單位氣體中含有的顆粒物數(shù)量、氣體的溫度和相對濕度連續(xù)測定15 min。

1.6 數(shù)據(jù)分析

本研究中口罩的顆粒物過濾效率根據(jù)口罩內(nèi)外單位體積氣體中含有的顆粒物數(shù)量計算而得，未進行顆粒物數(shù)量-質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)換?？谡值念w粒物過濾效率按下列公式計算：

式中，η為口罩的顆粒物過濾效率；Cout為單位體積環(huán)境大氣中含有的顆粒物數(shù)量（ind·L-1）；Cin為佩戴后口罩腔內(nèi)單位氣體中含有的顆粒物數(shù)量（ind·L-1）。

本研究運用MicrosoftTMExcel 2010（Microsoft Inc.）和 IBMTMSPSS Statistics 21（SPSS Inc.）進行數(shù)據(jù)的存儲、管理和分析。在排除缺失數(shù)據(jù)組后得到的有效數(shù)據(jù)為216組。通過Shapiro-Wilk檢驗分析數(shù)據(jù)的概率分布；使用Friedman秩和檢驗比較口罩對不同粒徑顆粒物過濾效率的大?。徊捎秒p因素方差分析分析口罩類型和環(huán)境 PM2.5質(zhì)量濃度對過濾效率的影響，并采用 Bonferroni法對顯著因素的不同水平均值進行多重比較，確定差異來源；采用Spearman法對口罩的過濾效率和呼氣相對濕度進行相關(guān)性分析。P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物粒徑、口罩類型對口罩過濾效率的影響

A類口罩對6個粒徑顆粒物的過濾效率均值分別為73.4%、80.9%、83.5%、84.6%、86.5%和87.7%，B類口罩的顆粒物過濾效率均值分別為 70.3%、77.1%、79.9%、82.0%、85.2%和85.9%。Friedman秩和檢驗結(jié)果表明，對各類口罩，6個粒徑顆粒物的去除率間均存在極顯著的差異（A：χ2=223.543，P=2.588×10-46；B：χ2=214.396，P=2.356×10-44），這表明顆粒物粒徑對口罩的顆粒物過濾效率具有顯著影響。此外，A、B兩類口罩的顆粒物過濾效率均呈現(xiàn)隨顆粒物粒徑（粒徑范圍：0.3－10 μm）變大而增加的趨勢（圖2），這與Oberg et al.（2008）在對醫(yī)療口罩的測試實驗中得到的結(jié)果一致。Stevens et al.（1989）使用氯化鈉（NaCl）和鄰苯二甲酸二甲酯（DOP）氣溶膠研究了不同類型防護口罩的顆粒物截留效率，結(jié)果同樣顯示，當顆粒物粒徑大于0.3 μm時，口罩對顆粒物的過濾效率與其粒徑呈正比。

圖2 A、B兩類口罩的顆粒物過濾效率比較Fig. 2 Comparison of the particle removal efficiencies of respirator A and B

不同粒徑顆粒物過濾效率的差異與口罩的阻塵機理有關(guān)。一般認為，口罩攔截氣溶膠顆粒的原理主要有布朗運動、攔截、慣性撞擊、靜電吸引和重力作用（饒敏虹，2011）。對于粒徑≤0.1 μm的納米級超細顆粒物，布朗運動是口罩截留顆粒物的主要作用機制，而粒徑＞0.3 μm的顆粒物則常因攔截和慣性效應(yīng)的共同作用被捕集，且粒徑越大，伴隨的重力作用等越顯著，捕集效果越好。對于粒徑在0.3 μm左右的顆粒物，各種效應(yīng)的過濾效果均不盡理想，因此過濾效率相對較低。不同于0.3 μm顆粒物的是，粗顆粒物被口罩過濾介質(zhì)攔截后會堵塞口罩材料表面的孔隙，從而進一步阻止粗顆粒物進入口罩，得到較高的過濾效率。對于大多數(shù)高效和超高效空氣濾料或濾紙，其最易穿透粒徑（Most Penetrating Particle Size，MPPS）在 0.1－0.3 μm 之間（Stevens et al.，1989；Martin et al.，2000；Balazy et al.，2006；Huang et al.，2007；Eninger et al.，2008；Rengasamy et al.，2008；Eshbaugh et al.，2009；Rengasamy et al.，2009）。

對于粒徑為0.3 μm和0.5 μm的顆粒物，A、B兩類口罩的過濾效率具有顯著差異；對于其余4個粒徑的顆粒物，二者不存在顯著差異（表2）。一些研究指出，顆粒物泄露的途徑包括兩種，其一為直接穿過口罩過濾介質(zhì)進入口罩腔內(nèi)，其二為通過口罩側(cè)面泄露點進入口罩（Grinshpun et al.，2009；Shaffer et al.，2009）。A類口罩為專業(yè)防霧霾口罩，佩戴時可通過調(diào)整鼻夾保證口罩的氣密性，且口罩的形狀在設(shè)計上也貼合人體面部特征，能夠有效降低顆粒物側(cè)面泄漏的可能性，因此0.3 μm和0.5 μm顆粒物主要通過途徑一進入A類口罩。A類口罩的過濾介質(zhì)由內(nèi)外兩層無紡布和中間一層靜電棉層組成，能夠有效吸附和過濾空氣中的PM2.5等污染物，符合國家GB 2626—2006標準的KN95級別，因此具有相對較高的過濾效率。B類口罩雖也有鼻夾設(shè)計，但鼻夾材料并不具有良好的可塑性，調(diào)整后口罩與佩戴者面部間仍存在較大空隙，且口罩為折疊型，佩戴后有多處泄露點。細小的顆粒物會優(yōu)先從泄漏點（阻力?。┲苯舆M入口罩內(nèi)部（Zaripov et al.，2016），因此0.3 μm和0.5 μm顆粒物主要通過途徑二進入B類口罩，導致其過濾效率顯著低于A類口罩。較粗顆粒物進入口罩腔內(nèi)的途徑主要為穿透口罩的過濾介質(zhì)，且大部分粗顆粒物能夠被口罩的過濾介質(zhì)捕集（Zaripov et al.，2016）。B類口罩由4層過濾布組成，包括兩層100%全棉紗布、一層熔噴布濾料和一層熱風布濾料，全棉紗布輔助過濾0.5 μm顆粒物，熔噴布能夠有效過濾苯、細菌、病毒及更小的灰塵，而熱風布則被用于過濾毒、汽車尾氣和二手煙等污染物，與A類口罩過濾介質(zhì)的性質(zhì)差異較小，因此A、B兩類口罩對1.0－10 μm顆粒物的過濾效率沒有顯著差異。

表2 方差分析統(tǒng)計量Table 2 Statistics of ANOVA

Stevens et al.（1989）基于人體模型進行實驗，得到KN95口罩對0.75 μm顆粒物的過濾效率約為99.5%；張先寶等（2015）在室外大氣環(huán)境中對KN95和KN90口罩進行研究時也發(fā)現(xiàn)其過濾效率最高能夠達到98.6%，均遠高于本研究的實驗結(jié)果。這是由于Stevens et al.（1989）以及張先寶等（2015）在實驗中將口罩與檢測裝置進行了很好的密封處理，避免了顆粒物的側(cè)面泄露，使其只能通過過濾介質(zhì)進入口罩，因此口罩對顆粒物的過濾效率相對較高。同樣地，本研究中A類口罩的測試結(jié)果顯著低于國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗和檢疫局、國家標準化管理委員會公布的呼吸防護用品GB 2626—2006標準中規(guī)定的KN95級別口罩的顆粒物過濾效率，即該類口罩對于 0.075 μm以上非油性顆粒物的過濾效率均未達到其規(guī)定值95%，這說明實驗室產(chǎn)品檢測結(jié)果無法準確地反映口罩的實際顆粒物過濾效率。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)，當呼吸流速為15 L·min-1時，紗布口罩的過濾效率僅在28.4%左右（夏嬋，2014；王旭等，2016；葉芳，2016），顯著低于本實驗得到的結(jié)果。這其中的原因可能是紗布口罩材質(zhì)存在不同。前述文獻研究使用的普通紗布口罩屬于低阻低效濾料，其功能為防寒保暖，對顆粒物的濾除主要依靠機械作用，能夠去除較大顆粒物，但不能有效阻擋細顆粒物和亞微米顆粒物等；此外，這類紗布口罩在測試時可能會出現(xiàn)“倒置”現(xiàn)象，即口罩內(nèi)附有的少量棉絮狀物質(zhì)在抽氣泵抽力的作用下被吸出，導致測得的過濾效率極低（張先寶等，2015）。

2.2 大氣PM2.5污染程度對口罩過濾效率的影響

A和B兩類口罩對0.3 μm顆粒物的過濾效率均與環(huán)境 PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著負相關(guān)（A：r=-8.710×10-1，P=2.320×10-5；B：r=-9.110×10-1，P=2.400×10-6）。A 類口罩對粒徑為 1.0 μm 和 2.5 μm顆粒物的過濾效率與環(huán)境 PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（1.0 μm：r=6.820×10-1，P=5.090×10-3；2.5 μm：r=7.360×10-1，P=1.770×10-3）。

如圖3a所示，在大氣環(huán)境PM2.5質(zhì)量濃度較低時（介于 1－50 μg·m-3），兩類口罩對 0.3 μm 顆粒物的過濾效率分別為85.6%和83.6%；當PM2.5質(zhì)量濃度升高時，二者的過濾效率均逐漸降低，但B類口罩的降幅更大，二者過濾效率的差異逐漸增加，在環(huán)境PM2.5質(zhì)量濃度高于250 μg·m-3時，B類口罩對0.3 μm顆粒物的過濾效率僅為37.5%。

0.3 μm顆粒物的泄漏量不僅取決于口罩過濾介質(zhì)的性能，而且依賴于口罩面部泄露點的大小（Zaripov et al.，2016）。本研究中，0.3 μm顆粒物進入A、B兩類口罩的途徑不同，前者主要通過口罩過濾介質(zhì)進入口罩腔內(nèi)，后者主要通過口罩的側(cè)面泄露點進入口罩。理論上，PM2.5暴露濃度升高時，A類口罩對0.3 μm顆粒物的過濾效率應(yīng)呈現(xiàn)上升趨勢。這是由于實驗期間，高PM2.5質(zhì)量濃度暴露通常伴隨環(huán)境 PM10質(zhì)量濃度的升高，大量粗顆粒物能夠堵塞口罩過濾介質(zhì)的孔隙，使得0.3 μm顆粒物對口罩的穿透率降低。然而，如圖 3a藍色趨勢線所示，A類口罩對0.3 μm顆粒物的過濾效率與環(huán)境 PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，這可能與某些氣象條件有關(guān)，特別是大氣相對濕度。劉飛等（2017）研究了空氣相對濕度對口罩過濾性能的影響，結(jié)果表明，在同一風速下，氣流相對濕度的增加能夠使口罩對粒徑為 1.0 μm以下顆粒物的過濾效率顯著降低，而對1.0 μm以上顆粒物的過濾效率沒有影響。北京地區(qū)霧霾天氣出現(xiàn)的氣象條件包括高相對濕度、低風速等，且相對濕度與 PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)（王琪等，2014；周一敏等，2017）。在本研究外場測試15個實驗日中，大氣相對濕度變化范圍為11.3%－64.9%，因此A類口罩對0.3 μm顆粒物的過濾效率與大氣PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)與理論相反的變化趨勢可能與空氣相對濕度的影響有關(guān)，且這一影響隨大氣環(huán)境 PM2.5質(zhì)量濃度的升高而逐漸增強。對于B類口罩，0.3 μm顆粒物過濾效率與大氣PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著負相關(guān)關(guān)系。這主要是由于，一方面大量粗顆粒物能夠堵塞口罩過濾介質(zhì)的孔隙，較大的吸氣阻力導致口罩側(cè)面泄露的氣流量增加，使主要依賴口罩面部泄露點進入口罩的0.3 μm顆粒物數(shù)量有所增加；另一方面環(huán)境較高的細顆粒物質(zhì)量濃度同樣使得通過側(cè)面泄露點進入口罩的0.3 μm顆粒物數(shù)量在較低PM2.5質(zhì)量濃度暴露時顯著升高，這兩種作用共同導致了B類口罩對顆粒物的過濾效率出現(xiàn)降低趨勢。

對于粒徑介于1.0－2.5 μm的顆粒物，由于A類口罩佩戴后氣密性較好，因此顆粒物同樣主要通過口罩的過濾介質(zhì)進入其內(nèi)部?？谡謱@部分顆粒物的捕集方式主要為攔截和慣性效應(yīng)的共同作用，捕集效果較好（饒敏虹，2011）。此外，高質(zhì)量濃度粗顆粒物在口罩表面形成的顆粒物層同樣能夠提高口罩的阻塵效果，且這一效果隨著粗顆粒物質(zhì)量濃度的升高逐漸增強，因此A類口罩對 1.0 μm和2.5 μm顆粒物的過濾效率呈上升趨勢（圖3c和3d）。王旭等（2016）在研究中也觀察到類似結(jié)果。對于粒徑為5.0 μm和10 μm的粗顆粒物，A、B兩類口罩的過濾效率均與環(huán)境PM2.5質(zhì)量濃度無顯著相關(guān)關(guān)系（圖3e和 3f）。粗顆粒物進入口罩內(nèi)部的途徑主要為穿透口罩的過濾介質(zhì)，且大部分粗顆粒物能夠被口罩的過濾介質(zhì)所捕集（Zaripov et al.，2016）。實驗中，A和B兩類口罩對粗顆粒物的過濾效果均已較好，過濾效率均值在 85.2%－87.7%之間（圖 2），因此環(huán)境 PM2.5質(zhì)量濃度的升高不會使口罩對粗顆粒物的過濾效率出現(xiàn)顯著增長的趨勢。

圖3 A、B兩類口罩對顆粒物的過濾效率與環(huán)境PM2.5質(zhì)量濃度關(guān)系Fig. 3 Relationship between mass concentration of ambient PM2.5 and particle removal efficiency for respirator A and B

2.3 呼氣相對濕度對口罩過濾效率的影響

佩戴 15 min口罩腔內(nèi)呼氣相對濕度的變化范圍為53.6%－76.0%RH，且口罩腔內(nèi)氣體的相對濕度隨持續(xù)佩戴時間的增加呈上升趨勢。Spearman相關(guān)性分析結(jié)果表明，A、B兩類口罩對6個粒徑顆粒物的過濾效率與人體呼氣相對濕度之間均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系（表3）。這與Ramirez et al.（2016）得到的研究結(jié)論相吻合，即相對濕度的增加能夠?qū)е驴谡趾粑枇Φ娘@著提升，但不會影響大部分粒徑顆粒物對口罩的穿透率。

佩戴一段時間后，A、B兩類口罩的水汽含量變化（N-M）均較小，分別為 0.80%和 0.07%，B類口罩略微大于A類口罩。B類口罩相對較強的吸濕性主要是因為其內(nèi)外層均為 100%全棉紗布，外層有阻水作用，用于防止飛沫進入口罩，內(nèi)層則用以吸濕，因而隨著佩戴時間的增長，口罩的含水量變化比較明顯（葉芳，2016；馬銘遠等，2014）。

表3 Spearman相關(guān)性分析統(tǒng)計量Table 3 Statistics of Spearman correlation analysis

然而，這一實驗現(xiàn)象并不能準確反映大氣相對濕度與口罩過濾效率之間的關(guān)系。在本研究濕度實驗中，盡管隨著持續(xù)佩戴時間的延長，口罩腔內(nèi)氣體的相對濕度由 53.6% 增長至76.0% ，但其變化率僅為41.8%，遠低于本研究外場測試15個實驗日大氣相對濕度的變化率（474.3%），因此不能據(jù)此簡單得到大氣相對濕度對口罩的過濾效率沒有顯著影響的結(jié)論。

此外，在呼吸實境模擬實驗中，A和B兩類測試口罩均為全新未開封口罩。因此，盡管實驗中 B類口罩的顆粒物過濾效率僅略低于專業(yè)防霧霾A類口罩（圖2），但在實際生活中，人體呼氣含有的高含量水汽會大大增加B類口罩的呼吸阻力，從而使得側(cè)面泄露的影響加大，造成實際過濾效率降低。

考慮到不同人群的呼吸速率等因素存在差別，未來有必要針對不同類型人群進行防護口罩過濾效率的研究，進而完善實驗研究體系，加深對口罩防護效果的全面客觀的了解，為降低顆粒物污染暴露和危害提供更多實證依據(jù)。

3 結(jié)論

（1）顆粒物粒徑對錐型靜電棉層口罩和折疊型紗布口罩的過濾效率均具有顯著影響，且過濾效率均呈現(xiàn)隨顆粒物粒徑變大而增加的趨勢。

（2）錐型靜電棉層口罩和折疊型紗布口罩對0.3 μm和0.5 μm顆粒物的過濾效率具有顯著差異；對于其余四個粒徑的顆粒物，二者不存在顯著差異。

（3）錐型靜電棉層口罩和折疊型紗布口罩對0.3 μm 顆粒物的過濾效率均與環(huán)境 PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著負相關(guān)；錐型靜電棉層口罩對1.0 μm和2.5 μm顆粒物的過濾效率與環(huán)境PM2.5質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

（4）錐型靜電棉層口罩和折疊型紗布口罩對6個粒徑顆粒物的過濾效率與人體呼氣相對濕度之間均不存在顯著的相關(guān)關(guān)系。

致謝：感謝韻瀟、朱熙、張雯逍、孟文君、陸曾希、王巍、杜偉、邱有為、任雨昂、彭彬等學生志愿者在本研究采樣、數(shù)據(jù)分析和文章寫作中給予的幫助。