基本介紹
概述,顆粒物分類,粉塵,煙,霧,微生物,過濾機理,過濾效率,標準測試條件,直觀演示方法,防護原理,產品選用要點,
概述
顆粒物防護口罩俗稱防塵口罩。在工作中使用防護口罩保護勞動者的健康屬於職業衛生的範疇。作為特種勞動防護用品，國內生產顆粒物防護口罩需要有工業產品生產許可證，產品應符合強制性國家標準GB2626-2006，此外，在工作中套用防護口罩還需遵照相關法律規定和標準，企業內應由有專業知識的人員負責管理，對勞動者提供培訓。普通公眾使用顆粒物防護口罩防範空氣污染，在PM2.5濃度超標的環境佩戴也是可行的，由於是自發性使用，使用者需主動了解產品信息，掌握相關的防護知識，避免錯誤使用。
顆粒物分類
識別顆粒物，認識其對身體的危害，是選擇呼吸防護措施的第一步。顆粒物也稱氣溶膠，指空氣中懸浮的固態的、液態的或固液混合態的顆粒狀物質，是空氣污染物存在的一種形態，在不同的語言環境中，受習慣用語的影響，也會用煙霧、煙氣、煙塵、塵埃、灰塵、霧氣等詞語來描述，有些概念比較模糊，不利於對防護作用的理解，有時也容易被誤導。2010年，國際標準化組織（ISO）頒布了ISO 16972標準（參見圖2），這是呼吸防護專業領域使用的術語和定義標準，參照ISO標準對顆粒物的定義和解釋，可把概念統一。
圖2. ISO16972 標準封面中譯名“呼吸防護用品——術語、定義、圖示和測量單位”
粉塵
ISO標準對粉塵（dust）的定義突出了粉塵的三個特點：1）固態的；2）受機械力作用（如打磨、鑽、切割等）由大顆粒破碎產生的； 3）粒度從肉眼可見到光學顯微鏡下不可見的氣溶膠。
產生粉塵的機理比較簡單，粉塵成分比較穩定，容易分辨，如煤塵、水泥塵、棉塵和木粉塵等，金屬打磨塵是混合物，含有金屬、金屬氧化物和砂輪磨料等，岩塵則通常含矽酸鹽、石英等。在形態上，粉塵有塊狀、薄片狀或纖維狀（如織物纖維塵），有些還呈針狀（如石棉塵）。受物料硬度和破碎方式等因素的影響，粉塵粒度分布很廣，有些用肉眼就可以看到，在10微米以下的，用肉眼無法分辨的粉塵可以在光學顯微鏡下觀察，更細小的用光學顯微鏡難以分辨的顆粒（約1~0.5微米以下）需依靠電子顯微鏡來觀察。圖3是一張在電子顯微鏡下拍攝的煤塵照片，可以看到幾組由不同粒度的煤塵所組成的顆粒鏈，也能看到一些單個的很細小的煤塵，換作光學顯微鏡觀察，就無法看到單個細小的煤塵，而會把粉塵鏈當作大顆粒的粉塵，所以說，把粉塵當作粒徑大於1微米的固態顆粒是錯誤的。
圖3 在電子顯微鏡下觀察到的煤塵及其粒徑
圖3 在電子顯微鏡下觀察到的煤塵及其粒徑煙
圖4在電子顯微鏡下觀察到的焊煙結構和粒徑辨別煙的成分，首先要了解煙的形成條件，否則就會判斷錯誤。由於煙在形成中經常伴隨化學反應，隨化學反應條件和參與反應的元素不同，煙的成分會不同。煙的顆粒物都非常小，通常在納米水平，煙在空氣中會發生凝並，許多顆粒聚在一起，最終達到接近1微米的粒度（參見圖4）。
霧
霧（mist）是懸浮在空氣中的液態顆粒。產生霧的機理也很多，如依靠機械力作用，或物質蒸發後的冷凝作用等。噴灑農藥或噴漆所形成的一次顆粒——噴霧，就是在機械力作用下產生的；油漆霧由有機溶劑組成，會揮發出有機蒸氣，蒸氣在溫度降低後又會重新冷凝成霧，成為二次顆粒，與此類似，汽車尾氣中含有許多高沸點的有機物成分，遇到冷空氣時就會凝結成霧狀。在冬季，含濕量很高的空氣會結霧，而燃煤、燃油排放到空氣中的二氧化硫和氮氧化物氣體也很容易和水結合形成酸霧；在光照作用下，碳氫化合物和氮氧化物等氣態污染物還會通過光化學反應生成光化學煙霧，這些是生成煙或霧的更複雜的過程。
微生物
微生物是肉眼不可見或看不清的微小生物體，需要靠光學顯微鏡或電子顯微鏡才能看清楚。空氣中存在的微生物有很多種類，如植物散發的花粉和孢子。許多人吸入花粉可引起花粉過敏，出現打噴嚏、流鼻涕、流眼淚等症狀，還可能有更嚴重的反應。空氣中還存在許多細菌和病毒等致病性微生物，有些就附著在空氣中懸浮的其他顆粒物上，隨氣流運動，可以將疾病傳播到很遠的距離，肺結核就是由吸入結核分枝桿菌導致的呼吸道疾病，是通過空氣傳播的。
過濾機理
用於過濾顆粒物的材料有礦物性纖維、天然纖維或合成纖維，濾料纖維將空氣中的顆粒物過濾下來的機理有五種，它們可以綜合起作用，分別是：
- 沉降作用：大顆粒物質在氣流中受重力影響沉降到濾料上，從氣流中分離；
- 慣性撞擊作用：當氣流中的顆粒物繞過阻擋在氣流前方的濾料纖維時，較高質量的顆粒物受慣性影響會偏離氣流方向，撞到濾料纖維上被過濾下來；
- 攔截作用：顆粒在氣流中處於最靠近濾料的流線上，因顆粒的半徑大於流線與濾料之間的距離而被濾料“刮蹭”而攔截下來；
- 靜電作用：如果濾料纖維帶有微弱的靜電，無論氣流中的顆粒物本身是否帶靜電，當它們靠近濾料纖維時就容易受靜電吸引而被過濾下來。靜電作用可以幫助過濾材料在不增加氣流阻力的前提下提高過濾效率。
慣性撞擊和攔截作用對大顆粒影響大，小顆粒更容易受擴散作用影響，綜合作用的結果顯示存在最具有穿透性的顆粒物粒徑（MPPS，參見圖6），即空氣動力學直徑在0.3微米左右。單獨提高流速會使慣性撞擊發揮更大作用，使擴散作用降低，MPPS會變小，效率下降，氣流阻力提高。使濾料纖維帶有靜電電荷（同時帶正、負電荷），可以在不增加氣流阻力的前提下提高過濾效率，尤其是對MPPS的過濾效率。
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圖5 過濾顆粒物的機理 | 圖6 主要過濾機理作用於不同粒徑顆粒物的結果顯示存在MPPS |
過濾效率
雖然濾料纖維的材質並不決定過濾效率的高低，但會決定濾料製造工藝，最終影響濾料過濾效率和對氣流的阻力。棉布僅能過濾粗顆粒，對氣流的阻力也會比較低；玻璃纖維可以製成高效的過濾材料，經常用做布袋除塵器的濾袋，氣流阻力比較高，需要藉助大的過濾面積來使阻力降低；用作顆粒物防護口罩的濾料需兼顧高的過濾效率和低的氣流阻力，受口罩過濾面積小的限制，大多數顆粒物防護口罩會使用以聚丙烯等物質為原料的熔噴纖維為濾料。
標準測試條件
許多因素都會影響濾料的過濾效率。為確保顆粒物防護口罩具有足夠的防護效果，標準會使用以下最苛刻的測試條件：
- 氣流量：使用人呼吸的峰值流量。在單位過濾面積下，氣流量越大，過濾效率越低。人在中等勞動強度下的平均呼吸量為30升/分鐘，呼吸流量實際上呈正弦波樣的變化，峰值水平是平均流量的3倍左右。我國和美國標準使用85升/分鐘，歐洲標準使用95升/分鐘。
- 顆粒物粒徑：用最具穿透性的顆粒物粒徑（Most Penetrating Particle Size，MPPS），如果濾料對MPPS具有95%的效率，就能確保對比它大和小的顆粒物的過濾效率都不會低於95%。
- 載入狀態下的過濾效率：在載入狀態下過濾效率需持續滿足標準的要求。在長時間使用狀態下（即載入），有些濾料的過濾效率會持續升高，有些會持續下降，還有一些則在開始時下降，隨後再持續升高。我國標準和美國標準都要求載入量至少要達到200mg，歐洲標準為115mg。
- 考慮顆粒物是否具有油性：顆粒物含油會使過濾效率下降，我國標準和美國標準按濾料是否適合防油性顆粒物將濾料分類，如GB2626-2006規定，用氯化鈉顆粒物測試合格的濾料屬於KN類，用二辛酯顆粒物測試合格的濾料屬於KP類。歐洲標準對濾料不分類，同時用氯化鈉和石蠟油測試過濾效率。
- 顆粒物是否帶靜電：標準對是否需要消除測試用顆粒物的靜電有明確規定，例如帶靜電的氯化鈉顆粒會使過濾效率提高。
- 預先在高溫、高濕度條件下做預處理：在測試過濾效率之前，先將口罩做高溫和高濕度預處理（如處理24小時）。在使用狀態下，口罩持續暴露在高濕度的氣息中，而在運輸中，口罩也可能處於短暫高溫的環境（如夏季用貨櫃運輸），這些條件有可能影響濾料的過濾效率。如果預處理不完全，使用中就會出現口罩過濾效率下降的現象。
直觀演示方法
在我國，紗布口罩有很長的使用歷史，2003年非典爆發期間，紗布口罩曾被用作醫護人員的專用防護口罩，當時還制訂了為紗布口罩國家標準，由於後期發生大量醫護人員受到感染的事件，證明紗布口罩不能防SARS，最後被N95口罩所替代，紗布口罩的國家標準也被廢止。從2013年開始，環保部門開始公布我國各大城市的PM2.5的24小時監測濃度，提高了公眾對空氣污染的重視程度。在PM2.5濃度超標的日子裡，仍會看到很多人外出戴紗布口罩，或各式各樣的布口罩及一些一次性口罩來保護自己。這些口罩都不符合專業用防護口罩的標準，使用者對實際套用條件下的過濾效率也不清楚，下面介紹一種簡便直觀的方法來幫助大家了解。
圖7加濕器產生的水霧穿透紗布、布口罩等
圖7加濕器產生的水霧穿透紗布、布口罩等超音波加濕器產生的水霧粒度在1至5微米範圍，用一根粗的軟管把普通家用加濕器產生的水霧氣流導出來，將紗布口罩包在管子的出口，馬上就會看到大量水霧透過口罩（參見圖7），說明紗布口罩對PM2.5，即粒徑為2.5微米的細顆粒物的過濾效能很低，不足以提供防護。同樣方法也可以用於其他的布口罩和一次性口罩等非專業用防護口罩。應注意，這一方法只用於鑑別低效的口罩，不能用於評判專業用防護口罩的過濾效率。
防護原理
當口罩用於保護佩戴者，防範空氣中的顆粒狀污染物時，它必須具備兩方面的功能，即足夠高的過濾效率，和足夠好的密合性，（圖8）用於說明在佩戴狀態下的口罩防護原理。
圖8口罩的防護原理
圖8口罩的防護原理顆粒物防護口罩的面罩體是由過濾材料做成的，佩戴者靠自主呼吸克服濾料對氣流的阻力，因此專業上稱之為自吸過濾式呼吸器。吸氣時，口罩內的低氣壓使氣流進入口罩；呼氣時口罩內氣壓高於環境氣壓，氣流通過口罩排出。當口罩濾料符合標準的要求，而且面罩與使用者臉部足夠密合時，絕大部分吸氣氣流會經過濾料過濾，從濾料穿透進入口罩的顆粒物的量是微乎其微的。
防護口罩無法100%地與人臉密合，這受臉型、皮膚光滑程度和是否有毛髮墊在口罩下面等諸多因素的影響。密合的口罩只允許少部分氣流泄漏進入面罩，但泄漏量會明顯大於濾料的穿透量，可以說，戴顆粒物防護口罩所吸入的大部分顆粒物是來自泄漏，所以防護口罩的密合性極其重要，是確保高效濾料發揮作用的關鍵。為降低泄漏，防護口罩必須設計成立體的結構，靠頭帶和鼻夾施加一定壓力使口罩與臉緊密地貼合。標準對顆粒物防護口罩在佩戴狀態下的泄漏有限制性要求，在真人佩戴口罩的情況下測試泄漏量（總泄露率）。
紗布口罩、布口罩和許多一次口罩不僅過濾效率低，口罩也無法與臉部密合，所以不提供呼吸防護。除了明顯的、不考慮密合的口罩設計外，有些口罩看起來雖是立體的，但由於固定的帶子過於鬆懈，或者鼻樑處的密封不嚴，或者按照圖9所顯示的設計，在口罩內插入的濾材過濾面積小於呼吸區或不覆蓋整個呼吸區，氣流就會從這些部位泄露或穿透進入口罩，因為，那些部位的氣流阻力最低！在圖9中，用透明的材料按1：1的比例來呈現一類常見口罩的內部結構，以便能從正面、側面和下方觀察插在布料內層的白色濾片的實際覆蓋面積，顯示在側面和下巴區域沒有防護到，當用加濕器產生的水霧去穿透口罩下巴的區域時，就會看到水霧穿透口罩，說明在整體上這樣的口罩是沒有防護效果的（圖10）。
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圖9 有缺陷的口罩結構設計 | 圖10加濕器產生的水霧輕易穿透圖9所示口罩的下巴區域 |
雖然許多低效的口罩缺少防護效果，但透氣性好，佩戴時不需要密合，戴完後臉上不會留壓痕，這些好處會使許多人願意戴這種口罩，而對顆粒物防護口罩心存芥蒂。改善顆粒物防護口罩的佩戴舒適性，只能以不降低安全防護性能為前提，在口罩上設呼氣閥（參見圖1）就是一個很有效的方法。呼氣閥是一個單向開啟的閥門，吸氣階段口罩內的負壓使呼氣閥自動關閉，呼氣時口罩內的正壓使呼氣閥自動開啟，將濕熱呼氣直接排出，降低阻力，讓臉部感覺涼爽，對提高舒適性是很有幫助的。
過濾材料在清洗過程中會受到損壞，使效率下降，也會使口罩變形，增加泄漏。在缺少專用設備對清洗後口罩的防護性能重新檢測的情況下，使用者水洗口罩會面臨不可控的風險，這在國內外都是禁止的。受到這一制約，防護口罩的設計使用壽命通常為一個工作班（如8小時），當口罩變髒，帶有異味，有破損，或者口罩上積累的粉塵使呼吸阻力上升，感覺明顯憋氣時，就應整體廢棄，更換新口罩，所以這類口罩也被稱作是隨棄式面罩。
產品選用要點
顆粒物防護口罩的套用環境各異，使用人群的習慣或喜好也不同，為滿足不同需求，這類產品在設計上各有特點（參見圖11），簡要介紹如下：
- 過濾效率級別：表1、表2和表3分別介紹了符合中國標準、美國標準和歐洲標準的顆粒物防護口罩的防護級別和分類的含義（我國國標GB2626-2006，美國標準NIOSH42CFR84，歐洲標準EN149-2001中都是用最難過濾的空氣動力學當量為0.3微米左右的顆粒物進行測試），以及口罩上應標識出的信息內容，會在口罩外表面和/或頭帶上印刷，供使用者選擇：過濾效率在80～90%範圍可用於一般性粉塵和霧的防護（PM2.5是指環境空氣中空氣動力學當量小於等於2.5微米的顆粒物）；範圍在94～95%用於各種煙和病原微生物的防護，包括高毒物質的粉塵（如鉛塵、石棉塵、砷塵等）；範圍在99～99.97%的可防護各類顆粒物，對放射性顆粒物（如氡子體）或含有劇毒物質的顆粒物防護，應考慮首選這一過濾效率級別。
表1符合GB2626-2006標準的防顆粒物口罩的分類和分級含義以及標識方法
濾料分類 | 過濾效率90% | 過濾效率95% | 過濾效率99.97% | 口罩產品表面標識要求 |
KN類 | KN90 | KN95 | KN100 | 除產品型號和商標外，同時標註標準號和過濾效率級別，如： GB2626-2006 KN95 |
KP類 | KP90 | KP95 | KP100 | |
KN：適合防非油性顆粒物。非油性顆粒物如各類粉塵、煙、酸霧、噴漆霧和微生物等。 KP：適合防非油性和油性顆粒物。典型的油性顆粒物如油煙、油霧、瀝青煙、柴油機尾氣中含有的顆粒物和焦爐煙等。 | ||||
表2美國標準NIOSH 42CFR84對防顆粒物口罩的分類和分級的含義和標識方法
濾料分類 | 過濾效率95% | 過濾效率99% | 過濾效率99.97% | 口罩產品表面標識要求 |
N類 | N95 | N99 | N100 | 除產品型號和商標外，同時標註“NIOSH”字樣、過濾效率級別及該型號產品的NIOSH認證號碼，該號碼可以在NIOSH官網查詢，供使用者核實信息，如： NIOSH N95 TC-84A-0007。 |
R類 | R95 | R99 | R100 | |
P類 | P95 | P99 | P100 | |
N：適合防非油性顆粒物。 R：適合防非油性和油性顆粒物；當用於油性顆粒物時，限制使用時間8小時。 P：適合防非油性和油性顆粒物；當用於油性顆粒物時，由製造商規定限制使用時間。例如，3M公司對產品的規定是：“如果濾棉用於油性顆粒物的防護，使用時限為累積使用時間達到40小時，或從開始使用達到30天，以其中提早到達者為準。” | ||||
表3歐洲標準EN149-2001對防顆粒物口罩的分級含義和標識方法
濾料分級 | FFP1* | FFP2* | FFP3* | 口罩產品表面標識要求 |
過濾效率 | 80% | 94% | 99% | 除產品型號和商標外，同時標註歐洲標準號和過濾效率級別，以及認證機構代號。 如：EN149-2001 FFP3 CE0086 |
*說明：同時適合防非油性和油性的顆粒物。 | ||||
2. 是否需要防油性顆粒物：參見表1、表2和表3，典型的油性顆粒物舉例見表1下方對KP的注釋。
3.醫院專用：口罩外表面材料具有阻擋有壓力體液噴濺和穿透的能力，滿足醫用性要求，應符合GB19083-2010。
4. 杯罩式或摺疊式：摺疊式口罩便於攜帶，摺疊後體積小，便於存放；杯罩式面部空間可能比較大些，面罩不容易塌，是傳統設計。
5. 是否帶呼氣閥：呼氣閥可以幫助降低呼氣阻力，便於排出口罩內的濕熱空氣，舒適性更好，更適合高強度作業者使用，或在悶熱環境下使用。在做手術過程中禁止使用帶呼氣閥的口罩。
6. 佩戴方法：口罩設有上下兩根帶子的為頭帶式，在左右設兩根帶子的為耳帶式。耳帶式設計為迎合亞洲人的佩戴習慣，對髮型影響小，但容易使耳根部受壓，不如頭帶式舒適。還有一種頸帶式設計，既可以解決耳帶對耳朵的壓迫問題，又解決頭帶式口罩需要摘下帽子才能摘口罩的不便（參見圖12）。
7. 分號型：如果防護口罩有不同的號型，小臉型或大臉型者可能更容易和口罩密合。
8. 不使用金屬部件：絕大多數防護口罩的鼻夾都使用金屬，還許多口罩用釘子固定頭帶，在一些特殊套用環境（如防放射性氣溶膠），在對廢棄口罩進行處理時，金屬部件可能會增加處理的難度。有些聚合物材料可以用於鼻夾，還可以用焊接方式把頭帶固定在面罩上，但有可能提高口罩成本。
9. 附帶減除異味：在濾料內使用少量活性炭，幫助吸附空氣中的一些有難聞味道的、低濃度的氣態物質，達到減除異味，提高舒適性的目的，但不增加對顆粒物的防護效果，並可能增加呼吸阻力。
10. 焊接專用：口罩外表使用抗火花燒穿的材料，提高口罩使用壽命，再配上呼氣閥和/或增加活性炭層，降低悶熱感，並減少吸入焊接中產生的臭氧對呼吸道的刺激。
11. 固定帶材質：口罩的固定帶都有彈性，除裸露的彈性橡筋外，也可以使用外表有編織物纏繞的橡筋，提高頭帶在臉部的舒適感。
12. 固定帶長度可調：如果頭帶是可以調節長短的，對大臉型使用者會更加有利，減少頭帶過緊造成的不適感。
13. 在鼻部設密封墊：有些可改善鼻樑處的密封性，有些還利於吸汗。
14. 帶面部密封圈：在口罩內側貼臉部位增加密封圈（參見圖11），有可能提高密封性，或者便於擦拭、清潔，利於保持口罩衛生，延長使用時間。
15. 顏色：白色最普遍，灰色比較耐髒，也有其他顏色供選擇，滿足不同喜好。
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圖11 顆粒物防護口罩主要部件 | 圖12使用頸帶式佩戴方法的摺疊式口罩 |
