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淺析口罩的過濾效率輔助測量裝置的設計

來源 : 中國醫療設備雜誌2019年第4期
update : 2019/06/13
不同規格外形的口罩類別 注:a. 拱形口罩;b. 蝶形(折疊式)口罩;c. 魚形口罩;d. 長方形形口罩

引言
口罩的過濾效率是指在規定條件下,口罩對空氣中的顆粒物濾出的百分數。不管是滿足中國標準的KN90 KP100 口罩,還是滿足美國標準的N95 口罩,防顆粒物口罩的測試都是在一定條件下進行的[1-3]。對於評價該類產品性能的核心指標過濾效率來講,是以0.3 μm 左右的氯化鈉氣溶膠為測試介質來完成的。0.3 μm 左右的顆粒物是最難被過濾的顆粒物,以0.3 μm 的顆粒物做測試得到最低過濾效率,用它來評價口罩在實際應用時能帶來的防護是最為安全的評價指標。

目前醫療器械行業的醫用口罩按照類型主要分為普通醫用口罩、醫用外科口罩、醫用防護口罩。按照規格外形主要分為長方形、拱形、蝶形(折疊式)、魚形等有內部支撐結構的異型口罩。圖1 列出了幾種外形的口罩。


1 不同規格外形的口罩類別 注:a. 拱形口罩;b. 蝶形(折疊式)口罩;c. 魚形口罩;d. 長方形形口罩。

大陸檢驗機構在用的過濾效率檢測設備主要是美國的自動濾料測試儀TSI8130,測試效率可以達到99.999%。但是儀器所標配的夾具未考慮到口罩外形的多樣性,對於其他形狀的口罩,在進行成品檢驗時,受試面會出現不同程度的扭曲、折疊,造成測量資料的不準確。

1 自動濾料測試儀輔助測量裝置基礎設計

1.1 自動濾料測試儀的工作原理
將口罩放置在TSI8130 型自動濾料測試儀的夾具上,氣壓缸迅速將夾具上部壓下密封口罩,並開始檢測。氣溶膠從發生器產生經過上部夾具並穿過被測濾料進入下游,2個固態鐳射光度計同時檢測濾料上游和下游的氣溶膠濃度,高靈敏度的電子壓力感測器測定口罩的阻力和系統流量。測試結束時,夾具自動開啟,系統自動進行資料處理,顯示得出的測試結果[4-5]。由此可見,受試面的狀態會對氣溶膠的流動產生一定影響,使試驗結果出現偏差。測試儀結構圖,見圖2


2 TSI8130型的自動濾料測試儀結構圖

1.2 輔助測量裝置的設計
TSI8130 的夾具是平面形的,見圖3。此種夾具夾持長方形等平面形的口罩時,口罩不容易變形,檢測誤差也小;對於拱形、魚形、蝶形等型式不同於平面形的口罩,在檢測過程中上下夾具閉合的情況下容易變形,會影響測量結果[6-7]。在這種情況下,結合儀器的工作原理設計出了立體式口罩輔助測量裝置。該裝置採用有機玻璃材料,分為上夾具和下夾具兩部分,接觸部分採用弧面並配有密封條,中間開口面積為100 cm2。輔助測量裝置結構示意圖,見圖4


3 TSI8130的夾具示意圖 注:1. 儀器上夾具;2. 儀器下夾具。


4 輔助測量裝置示意圖 注:1. 裝置上夾具;2. 裝置下夾具。

輔助測量裝置的使用原理是在測試開始前將口罩放置在裝置的上下夾具之間,將放置好口罩的裝置安放在測試儀的下夾具上,開始測試。

以下圖5、圖6 列舉出拱形和蝶形兩種口罩在使用輔助測量裝置前後夾持狀態的示意圖。由圖5 可以看出,使用輔助測量裝置前,在TSI8130 的上下夾具閉合情況下,口罩在測量過程中未產生明顯變形;使用輔助測量裝置後,上下夾具閉合後,口罩也無明顯變形。由圖6 可以看出,在未使用輔助測量裝置的情況下,口罩在測量過程中產生明顯變形;而在使用輔助測量裝置後,在上下夾具閉合後,口罩無明顯變形[8]。通過對初級版輔助測量裝置使用前後口罩基本狀態變化的反復試驗下,經過大量驗證和參數對比及修正,加工生產出了升級版的試驗驗證裝置。


5 測量拱形口罩使用輔助測量裝置前後對比示意圖 注:a. 使用輔助測量裝置前;b. 使用輔助測量裝置後。1. 儀器上夾具;2. 口罩;3. 儀器下夾具;4. 裝置上夾具;5. 裝置下夾具。


6 測量碟形口罩使用輔助測量裝置前後對比示意圖 注:a. 使用輔助測量裝置前;b. 使用輔助測量裝置後。1. 儀器上夾具;2. 口罩;3. 儀器下夾具;4. 裝置上夾具;5. 裝置下夾具。

2 試驗與資料分析

2.1 試驗條件
TSI8130 型自動濾料測試儀選用的氣溶膠類型為氯化鈉,粒數中值直徑(0.075±0.020)μm,幾何標準差不超過1.86,濃度不超過200 mg/m3,氣流通過的截面積100 cm2[9]。拱形口罩為河南亞都實業有限公司生產,蝶形口罩為江西3 L 醫用製品集團股份有限公司生產。

2.2 試驗步驟
取拱形和蝶形口罩各20 只,分別採用TSI8130 的夾具和立體式輔助測量裝置進行測試,測試時將口罩放置在下夾具上,啟動按鈕,關閉夾具,儀器自動進行測試,得出測試結果。

通過試驗得出兩組口罩過濾效率的資料(表1),對資料進行分析。在GB19083-2010 醫用防護口罩中,對過濾效率的要求為:在氣體流量為85 L/min 的條件下,過濾效率不小於95%。因受到生產工藝以及形狀等因素的影響,口罩的過濾效率沒有相應的標準值[10-12]。本專案通過試驗驗證輔助測量裝置對檢測結果的影響程度。下面以拱形和蝶形口罩分別為例加以說明。


1 實驗資料(%

透過對表1 中資料用Excel 自帶資料分析工具進行單因素方差分析,在0.05 的顯著水準下得出P 值。單因素方差分析結果,見表2 和表3


2 拱形口罩單因素方差分析


3 蝶形口罩單因素方差分析

結果顯示,拱形的P 大於0.05,表示使用試驗裝置前後,得出的試驗資料沒有顯著差距。由於拱形口罩在使用裝置前後均是不變形的,說明口罩在試驗過程中使用輔助測量裝置並未對試驗結果產生顯著影響,可以驗證出該輔助測量裝置的有效性。蝶形的P 小於0.05,表示使用試驗裝置前後,得出的試驗資料有顯著差距,說明口罩在試驗過程中使用輔助測量裝置對試驗結果產生顯著影響。產生影響的原因主要在於試驗過程中蝶形口罩容易變形[14-16]。口罩的變形對過濾效率結果產生的影響程度是行業共同關注的問題。由於目前沒有針對由於口罩變形產生的測量誤差的明確的標準值。我們通過反復試驗,先後驗證了裝置的有效性和對檢測結果產生的影響,最終加工完成投入使用。其實物圖,見圖7。對今後口罩過濾效率的檢測工作有很積極的意義。

3 結論
目前,針對防顆粒物口罩的監督檢驗是為了保證口罩過濾功能的效果,有必要對檢測設備的精准性和可操作性進行完善。本文所設計的立體式輔助測量裝置,通過大量反復的實驗對比,驗證了其設計和使用的有效性,而對於未來輔助測量裝置的新要求,則有待於更進一步的研究。

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