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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(hù)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(hù)，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(hù)人員在醫(yī)療門診、實(shí)驗(yàn)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(hù)能力較強(qiáng)，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(yàn)證明，紗布口罩不具有防護(hù)功能，人們才開始關(guān)注一次性口罩和醫(yī)用防護(hù)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(hù)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(hù)口罩物理性氣體交換性能的儀器有過濾效率試驗(yàn)儀、氣流阻力試驗(yàn)儀、合成血液穿透試驗(yàn)儀、阻燃試驗(yàn)儀，但沒有壓力差測試儀?？谡謨蓚?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?？谡忠_(dá)到較好的防護(hù)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(hù)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(jìn)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(jì)特點(diǎn)
2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
醫(yī)用口罩氣體交換壓力差性能測試儀主要由機(jī)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(diǎn)。為方便試樣的裝夾，特地將試樣夾持器安裝面設(shè)計(jì)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(jìn)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(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足了人體工程學(xué)的原理，使得試驗(yàn)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(jì)
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(jìn)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(jì)，該流量計(jì)采用*微機(jī)技術(shù)與高性能集成芯片，利用微功耗技術(shù)降低了整機(jī)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(jìn)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(yàn)效率。
在試驗(yàn)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(jìn)行操控?？梢詮臄?shù)字顯示器上實(shí)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(yàn)停止”按鈕，則試驗(yàn)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(yàn)，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(jìn)行試驗(yàn)時，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)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(jìn)行比較，就可以推斷出試樣是否滿足要求。
3 試驗(yàn)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(jìn)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(dá)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(yàn)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(shí)，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(hù)重視程度的加強(qiáng)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(jìn)了口罩行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。儀器進(jìn)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(jìn)經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，為企業(yè)、檢測機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確檢測口罩產(chǎn)品質(zhì)量提供了有效途徑。
