后大流行时期的生活195——口罩·其六【水汽对口罩性能的影响】

背景：随着气温的进一步降低，在日常佩戴口罩时呼吸产生的水汽会越来越多地积攒在口罩内部，随着时间的推移甚至会形成凝结的水滴附着在口罩内部。关于这些水汽和水滴是否会对口罩的防护效果产生影响，也引起了很多读者的关注，近期已经有两位数的读者留言询问过这方面的问题，所以这里就综合现有的一些研究来和大家分享一下相关内容。

结论：正常环境下长时间（8小时）使用KN95级口罩产生的水汽会小幅影响口罩的静电效果，但理论上对整体过滤效果的影响非常小。不同品牌的口罩之间，存在一定差异。

建议：可以通过提高更换口罩的频率或佩戴装有呼吸阀的口罩来降低水汽的影响，但在冬季请注意呼吸阀因水汽冻结可能产生的额外风险。

声明：本期分享设计的均为PP熔喷布材质及由该材质制作的口罩。

本期分享主要有以下内容：

• 口罩的防护原理

• 水影响的过滤机制
  

• 现实中的实际影响

• 应用中的一些建议

一、口罩的防护原理

尽管在之前的分享中我们已经多次介绍过口罩的工作原理，但是为了能更系统地说明水汽对口罩防护效果的影响，我们需要再简单回顾一下相关内容。

口罩之所以能够有效防病毒，关键在于它们的核心过滤层均由一层或多层熔喷布，熔喷布是一种以聚丙烯为材料，由许多纵横交错的纤维以随机方向层叠而成的膜。所以纤维的直径、纤维的孔洞和纤维的厚度都会影响口罩过滤的效果。

根据CDC的介绍[1]，纤维膜拦阻颗粒主要是依靠以下四种方式：

• 惯性撞击：尺寸或质量具有太大惯性的颗粒无法跟随气流，因为它会绕着过滤纤维转移。该机制负责收集较大的颗粒。

• 拦截：大颗粒靠近过滤纤维时，会因半径过大而被纤维拦截。该机制负责收集较大的颗粒。

• 扩散：小颗粒在空气中会被不断撞击，这导致它们偏离气流并与过滤纤维接触而被阻拦。该机制负责收集较小的颗粒。

• 静电吸引：熔喷布纤维层带有一定的静电，会吸附空气中带相反电荷的颗粒。

在日常的使用中，这四种机制是共同起作用的，从而应对各种不同尺寸的颗粒，被阻拦的颗粒会由于分子间的作用力影响而固定在口罩上。这也就是为什么在气密性能够得到保障的前提下，符合标准的口罩可以起到阻隔病毒的原因。

二、水影响的过滤机制

从原理上来说，附着于口罩内部水汽以及附着在口罩内部的水滴不会对口罩的惯性撞击、拦截和扩散这三种原理造成负面效果。通过有关实验也证明了[2]，口罩在经过10个循环的反复（56°C热水浸泡30分钟）处理后，仍保持良好的防水性能，即口罩内层没有观察到渗水并且没有观察到明显的纤维断裂或断裂。

鉴于持续呼出的水汽在提高口罩内部湿度的同时，也会造成一定程度的浸润，所以可能会造成负面影响的只有口罩的静电吸引效果。

（一）环境湿度的影响

PP材质中电荷会随着湿度的增高而加快流失，但这主要体现在存储过程中。相关研究表明，55%的相对湿度是PP驻极体存储的逾渗值，当小于该湿度时，PP驻极体中的电荷的半衰期长达250天；而当湿度超过55%时，电荷衰减的速度则会明显加快[3]。这主要是由于非纯水会充当良好的导电介质，从而为电荷的衰减提供了通道。

但相对的，有疏水层（通常为无纺布）的N95口罩或者医用外科口罩受湿度的影响则会很小。

（二）浸润的影响

为了研究不同环境介质对PP材质电荷的影响，研究人员通过使用了水、甲醛、乙醇（酒精）、异丙醇和丙酮分别将选购来的PP样本进行了一小时的浸泡[4]。

从结果上来说，或许和传统印象不符，即水对静电的影响相对较小，在这项实验中经过一小时的浸泡后PP样本的电位值仅下降了4.79%。造成这一结果的主要原因在于PP材质的亲水性极差，且纯水本身不导电，所以在短时间内并不会对PP材质的电荷造成非常大的影响。如果使用自来水进行试验，结果将会完全不同。

在另一项研究中，研究人员则分别使用了56°C浸泡和60~80°C温度区间进行蒸煮，来观察口罩过滤效果的变化[3]。

从实验结果可以发现，即便经过3次30分钟的蒸煮和浸泡（合计90分钟），测试样本的口罩过滤效果也仅降低了不到5%。

三、现实中的实际影响

考虑到人在正常情况下呼出的水汽中会含有少量的二氧化碳，所以并不是纯水，那么实际应用中呼出的水汽是否会进一步影响口罩的过滤效果呢？在2020年有研究人员专门进行过测试[2]，在将佩戴了8小时的口罩进行热水去污处理（56°C热水浸泡30分钟）后，发现外科口罩（5个样品）的PFE值下降了0.5%~12%，所有测试的KN95级口罩（10个样品）都能保持95%左右的过滤效率。

这主要是由于参与测试的KN95级口罩拥有内外两层无纺布材质，可以极大限度地降低水汽对口罩的浸润，另一方面则是因为人体实际呼出的水汽含量相对有限，远低于浸润实验中的标准。所以在实际应用中呼出的水汽对N95口罩的过滤效果影响非常有限。

四、应用中的一些建议

虽然呼出的水汽对口罩的过滤效果影响非常有限，但由于局部湿度的上升，可能会使得我们在长时间佩戴口罩呼吸时产生一些不适感，凝结的水滴也会增大呼吸阻力。所以可以根据自己所处的环境风险情况增加更换口罩的频率，或者使用装有呼吸阀的同级别口罩来加速水汽的排除，降低口鼻区间的环境湿度。但在冬季请尽量避免长时间处于零度以下环境，以免水汽冻结影响呼吸阀的闭合，从而增加额外的感染风险。

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（文中所有图片均来自网络公开渠道）

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参考资料：

• [1]Lisa Brosseau, ScD, and Roland Berry Ann,N95 Respirators and Surgical Masks,October 14, 2009

• [2]Wang D, Sun BC, Wang JX, Zhou YY, Chen ZW, Fang Y, Yue WH, Liu SM, Liu KY, Zeng XF, Chu GW, Chen JF. Can Masks Be Reused After Hot Water Decontamination During the COVID-19 Pandemic? Engineering (Beijing). 2020 Oct;6(10):1115-1121. doi: 10.1016/j.eng.2020.05.016. Epub 2020 Jun 27. PMID: 32837748; PMCID: PMC7320690.

• [3]侯冠一、武文杰、万海肖等-《高分子通报》2020年8期，口罩聚丙烯熔喷布的静电机理及其影响因素的研究进展。

• [4]陈钢进、肖慧明、尤健明等 -《洁净与空调技术》2009年1期，溶剂浸泡对驻极体空气过滤材料性能的影响。