自吸过滤式个体呼吸防护技术关键问题的研究

论文摘要

我国环境质量报告书和世界资源报告提供的数据显示，近期我国空气质量超标的城市中，68％都存在可吸入颗粒物污染问题。个体减少通过呼吸系统吸入有害颗粒物最常用和最经济的技术措施是佩戴自吸过滤式防护口罩。然而，最常见的N95锥形（拱形）口罩、医用外科褶皱形口罩和平板型纱布口罩在佩带过程中的防护效果与预期性能存在一定差距。课题针对自吸过滤式个体呼吸防护技术体系中关键问题。完成的创新性工作、采用的方法和获得的结论如下。对比分析了当前国内外关于自吸过滤式个体呼吸防护技术的标准规范，提出了美国NOISH标准84 CFR Part 84、欧洲标准委员会CEN标准EN149：2001和我国标准在测试自吸过滤式防护口罩防护性能技术指标的差异与不足。对比分析的结果在一定程度上提出了当前N95锥形（拱形）口罩、医用外科褶皱形口罩和平板型纱布口罩的技术指标存在的问题及解决方法，为提出适合我国国情的自吸过滤式个体呼吸防护设备的性能指标提供了参考。为了与当前通用的标定装置TSI 8130进行对比，本课题设计了两套新型口罩过滤性能测试装置，并对多种市场常用自吸过滤式防护口罩过滤城市环境颗粒物的性能进行实验研究。通过对比实验，本文认为，纱布口罩低阻低效的过滤性能不理想：高孔隙率驻极体纤维滤料具有高效吸附微细颗粒物和低流体阻力的良好特性，适合用于防护口罩的滤材；板形结构使口罩与人体面部接触面积增大，密合度提高，适合用于无法实现密合设计和测试程序的简易防护口罩的结构。本文测试结果显示，N95锥形（拱形）口罩和医用外科褶皱形口罩的滤材过滤性能与佩戴时的防护性能差异较大，在佩戴时的防护效果与设计性能存在一定差距。为分析自吸过滤式呼吸个体防护技术关键因素间的相互关系和综合影响效果，采用贝塔分布和泊松分布，建立了概率预测模型，可以在较少己知参数情况下，获得口罩佩戴者可能吸入有害颗粒物量等于或高于职业暴露限值（OEL）的概率。结果显示，长期佩戴N95口罩而可能吸入达到危害程度的有害颗粒物量的概率很高。另外，采用三因子分析方法，即口罩结构与人体密合因子（h-value）、阿尔法误差（α-error）和贝塔误差（β-error）建立口罩本体密合性能与测试评价模型。评价模型数据分析显示，对于人体样本可能被指定佩戴不合适口罩的概率来说，显然口罩结构与人体密合因子（h-value）的影响比贝塔误差（β-error）大；对于口罩密合测试方法的误差率来说，显然密合设计达标的口罩而没有通过密合测试的情况（阿尔法误差（α-error））影响比其它两个参数的影响大，结构与人体密合因子（h-value）的影响又远大于贝塔误差（β-error）。结果说明，在标定口罩密合性能测试中应该考虑口罩结构设计时的密合，而不合理的口罩密合测试方法会导致测试程序的复杂化。为研究自吸过滤式防护口罩佩戴时的流场问题及口罩结构改进，采用计算机数值模拟的方法（CFD）模拟了人体模型佩戴自吸过滤式防护口罩时，由于不同边缘渗漏位置和形状而导致的口罩腔体内气流流场。结果显示条缝型渗漏对口罩佩戴在人头上，吸气过程中腔体内的流场影响更为显著。再者，鼻部渗漏可能引起其他位置渗漏的概率较大。另外，人体佩戴口罩由于吸气阻力较大而感觉气闷时，为有效地降低这种气闷感，本文认为干扰口罩佩戴状况而导致面颊产生渗漏的概率更大。因此，在设计口罩时，应根据有关密合测试组的尺寸特征，首先针对边缘增加高弹性与人体皮肤友好的材料，减小渗漏产生的概率：再者改进口罩顶部和底部的结构，减小鼻部渗漏和颌部渗漏的概率；最后针对整体结构优化，减少其它渗漏存在的概率，并且扩大口罩上半部分的腔体空间，有利于降低鼻部附近的湍流强度，减小产生渗漏的概率。为了建立适合中国人面部特征的口罩密合测试组，用于自吸过滤式防护口罩的结构设计和密合测试，课题对比461名中国成年人面部尺寸数据和美国人、韩国人、澳洲人的面部特征尺寸，提出了不同人种面部特征尺寸的差异。研究认为中国人是否能够使用当前国外广泛使用的口罩密合测试组是值得做进一步研究。利用1988年中国国家标准调研数据验证课题提出的新型口罩密合测试组，结果证明新型密合测试组很好地代表了中国人样本面部特征尺寸，适用于中国人佩戴的口罩结构设计和口罩密合度测试。课题还开发了新型自吸过滤式防护口罩产品并实现产业化，产生了较好的社会效益和经济效益。课题研究最后还提出了本领域研究的不足和未来研究方向。论文研究不仅为中国人防御城市环境颗粒物污染的自吸过滤式呼吸防护技术提供了理论依据和应用指导，而且为其他人种在各种颗粒物污染环境中的个体呼吸防护技术发展提供了研究思路和发展方向。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 主要图表
• 主要符号目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 自吸过滤式个体呼吸防护技术发展现状及关键问题的提出
• 1.3 基于城市环境颗粒物污染的自吸过滤式个体呼吸防护技术研究的可行性
• 1.3.1 必要性
• 1.3.2 可行性
• 1.3.3 意义
• 1.4 本文研究的目的、创新性、主要方法和内容
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究的创新点
• 1.4.3 研究主要方法
• 1.4.4 研究内容
• 1.5 本章小结
• 第二章 自吸过滤式防护口罩性能指标体系探讨
• 2.1 自吸过滤式防护口罩过滤性能指标
• 2.1.1 技术指标及现状
• 2.1.2 自吸过滤式防护口罩过滤性能技术指标改进初探
• 2.2 自吸过滤式防护口罩密合度测试方法
• 2.3 自吸过滤式防护口罩所基于的人体面部特征尺寸统计
• 2.3.1 人体面部特征尺寸
• 2.3.2 口罩密合测试组
• 2.4 本章小结
• 第三章 自吸过滤式防护口罩过滤性能与密封漏风率实验研究
• 3.1 实验方法与装置发展现状
• 3.2 本文采用的实验方法与装置
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 平板型口罩性能测试台（Ideal Test System,ITS）
• 3.2.3 实况型口罩性能测试台（Dummy Test System,DTS）
• 3.2.4 TSI8130
• 3.2.5 人头佩戴时自吸过滤式防护口罩密封漏风率分析测试样品
• 3.3 实验结果
• 3.3.1 平板型口罩测试装置（ITS）
• 3.3.2 实况式口罩测试装置（DTS）
• 3.3.3 TSI8130测试装置
• 3.3.4 人头佩戴时自吸过滤式防护口罩密封漏风率
• 3.4 实验结果分析
• 3.4.1 平板型口罩测试装置（ITS）结果分析
• 3.4.2 实况式口罩测试装置（DTS）结果分析
• 3.4.3 TSI8130结果分析
• 3.4.4 三种装置测试结果综合分析
• 3.4.5 人头佩戴部分常用自吸过滤式防护口罩时密封漏风率结果分析
• 3.5 结论
• 3.6 本章小结
• 第四章 口罩佩戴时的防护性能整体预测与密合评价模型
• 4.1 防护口罩佩戴时防护性能影响因素的影响因素的文献研究
• 4.1.1 口罩影响参数
• 4.1.2 人体方面产生的影响参数
• 4.1.3 测试方法
• 4.1.4 其它特定情况下的影响因素
• 4.2 建立预测和评价模型的必要性和可行性
• 4.3 预测模型的建立
• 4.3.1 概率分析模型建立
• 4.3.2 案例应用
• 4.3.3 扩展分析
• 4.4 口罩结构和尺寸与人体的密合因子和测试方法准确度因子的评价模型
• 4.4.1 评价模型
• 4.4.2 评价模型结果与实验结果的对比分析
• 4.5 结论
• 4.6 本章小结
• 第五章 人体佩戴自吸过滤式防护口罩吸气气流流动数值模拟
• 5.1 数值研究的必要性和可行性
• 5.2 CFD应用理论基础
• 5.3 软件选择与方案设计
• 5.4 人体佩戴自吸过滤式防护口罩的模型设计
• 5.4.1 模型设计
• 5.4.2 边界条件和初始条件
• 5.4.3 结果定义条件
• 5.4.4 不同渗漏位置和形状时参数极值的对比
• 5.5 结果
• 5.5.1 半圆形渗漏
• 5.5.2 条缝形渗漏
• 5.5.3 没有渗漏的情况
• 5.5.4 口罩与人体面部间腔体内的最大静压和最大速度
• 5.6 结果分析
• 5.6.1 单一位置渗漏
• 5.6.2 不同两种渗漏位置同时存在
• 5.6.3 三个位置渗漏同时存在
• 5.7 结论及与相关文献结果的对比分析
• 5.7.1 结论
• 5.7.2 与其他文献结果的对比分析
• 5.8 本章小结
• 第六章 基于中国人面部尺寸特征的口罩密合测试组研究
• 6.1 中国人面部关键尺寸的测试方案
• 6.2 中国人面部关键尺寸的统计分析
• 6.3 中国人与其他人种面部关键尺寸的区别
• 6.4 适用于中国人面部尺寸特征的口罩密合测试组的建立与评测
• 6.5 本章小结
• 第七章 新型自吸过滤式防护口罩的开发与应用
• 7.1 新型自吸过滤式防护口罩的研发与应用
• 7.1.1 针对中国人面部特征的自吸过滤式防护口罩结构改进
• 7.1.2 采用新型过滤材料的自吸过滤式防护口罩
• 7.2 新型自吸过滤式个体防护技术的应用前景
• 7.2.1 从国内外口罩标定方法的角度
• 7.2.2 从测试仪器的角度
• 7.2.3 从过滤性能测试对象的角度
• 7.2.4 从防护口罩使用者角度
• 7.2.5 从实用价值和社会效益的角度
• 7.3 新型自吸过滤式防护口罩的使用注意事项
• 7.3.1 实时密封性测试
• 7.3.2 口罩保存与维护
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.1.1 自吸过滤式防护口罩技术标准
• 8.1.2 自吸过滤式防护口罩测试装置
• 8.1.3 自吸过滤式防护口罩过滤性能
• 8.1.4 作业场合整体劳动者佩戴口罩的防护效果
• 8.1.5 建议NIOSH新标准中防护性能测试考虑口罩的本体密合性能
• 8.1.6 口罩佩戴时腔体内气流分布与渗漏分析
• 8.1.7 口罩密合测试组
• 8.2 建议
• 8.3 展望与不足之处
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间的主要研究成果
• 致谢