設計通用型防護口罩材料分析及一體化設計研究

李旭 寧弘 時梁銳

摘要：為有效阻斷新型冠狀病毒的傳播，解決防護口罩用后即棄造成資源浪費以及對環(huán)境造成二次污染的問題，同時探索個人防護口罩更大的適用性及更高的利用率。通過對主流口罩原材料優(yōu)點、應用領域、價格等因素的分析，優(yōu)選出符合通用型防護口罩設計要求的材料，針對用戶使用口罩的場景與痛點，提出采用一體化、多模塊的設計思路及設計方案。以可降解聚氨酯材料制作口罩可替換的隔離部件，解決廢棄口罩環(huán)境污染問題，以多模塊的設計為各類用戶提供跨場景的人性化防護解決方案。為個人防護口罩及其相關(guān)用品的設計與研究提供參考。

關(guān)鍵詞：新型冠狀病毒 防護口罩 口罩原料 環(huán)保設計 可持續(xù)發(fā)展

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069 （2020） 03-0072-03

引言

新型冠狀病毒疫情期間，國家疾控中心發(fā)布的《新型冠狀病毒肺炎防控方案》中提到經(jīng)呼吸道飛沫和接觸傳播經(jīng)呼吸道飛沫和密切接觸傳播是主要的傳播途徑[1]，社會民眾對于防護口罩的需求激增，國家對此進行資源調(diào)配，使得全國口罩日產(chǎn)量在二月底達到1.16億只，進一步緩解了口罩供需矛盾。由于我國人口基數(shù)大，日均口罩消耗量也十分驚人，由此引發(fā)出兩個較為突出的問題：第一是一次性防護口罩用后即棄，頻繁更換造成資源浪費;第二是熔噴布作為防護口罩核心部件材料，由化學材料聚丙烯制作合成，各地存在對于廢棄口罩的處理不當造成環(huán)境污染等問題。針對這些問題，文章從節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展角度優(yōu)化材料選用，并從一體化的設計的思路出發(fā)提出解決方案。

一、通用防護口罩的使用現(xiàn)狀及問題

（一）處理不當帶來的環(huán)境污染與安全隱患

根據(jù)醫(yī)生建議，新型冠狀病毒肺炎疫情期間的用戶使用防護口罩需6-8小時更換—次，被更換下來口罩產(chǎn)生了數(shù)量巨大的廢棄垃圾。如何妥善處理好廢棄口罩也成為此次抗擊新型冠狀病毒肺炎疫情中的重要組成工作。以深圳市為例，各城區(qū)為住宅區(qū)為設置了廢棄口罩專用收集容器，每日定期通過廢棄口罩處理專用車運輸處理。同時，安排專人定期對廢棄口罩收集容器進行消毒，并做到廢棄口罩存放時間不超過24個小時，運輸車每日收集的廢棄口罩約15萬個，平均可以達到10分鐘一車，廢棄口罩運送至垃圾轉(zhuǎn)運站進行多次嚴格消毒后，統(tǒng)一運送垃圾焚燒場進行專業(yè)化焚燒處理，最大程度地減少病菌傳播。[1]相比較之下，很多二三線城市的廢棄口罩并未有如此的分類處理方案，而是將廢棄口罩與生活垃圾同時處理，由環(huán)衛(wèi)工作者收集，運輸?shù)嚼修D(zhuǎn)站后進行消毒處理，最后通過焚燒或填埋處理。在垃圾處理過程中，環(huán)衛(wèi)工作者存在較大的被感染的風險。由此給城區(qū)環(huán)境帶來了病毒二次傳播的風險和隱患。防護口罩所使用的熔噴布是由聚丙烯加聚反應構(gòu)成的聚合物，聚丙烯也是各類塑料制品的原料，因此對廢棄口罩垃圾回收后進行簡單的焚燒、填滿處理會造成環(huán)境的污染。此外，防護口罩中塑型條、皮筋無紡布等部件由于無法有效分離，難以得到充分利用，從而造成資源的浪費。

（二）佩戴舒適性及適用性問題

為了保證口罩與面部貼合度，口罩的防護結(jié)構(gòu)對鼻梁和面部的會造成一定的壓迫感。在需要長期佩戴口罩的情況下，佩戴者容易出現(xiàn)面部瘀痕和過敏刺痛。此外，通用一次防護口罩的尺寸以一般成人的平均臉部構(gòu)造為參考標準，難以涵蓋特殊群體的需求，特別是對于面部較小的年輕女性以及兒童。這些群體在佩戴口罩時，由于口罩過大造成無法充分貼合面部，難以起到有效防護作用。同時對于臉形較為圓潤的成年男性，也會存在因口罩過小和綁帶長度不夠，從而造成口罩佩戴過緊、影響正常呼吸而無法正常佩戴的情況，這些問題都是需要通過重新設計才能有效解決。

二、防護口罩主要材料的綜合分析

（一）防護口罩材料選用要求分析

防護口罩從應用場景的角度可大致分為三大類，民用口罩、醫(yī)用口罩、工業(yè)口罩。每種口罩類型滿足不同群體的防護需求。通過對新型冠狀病毒肺炎疫情下常見的民用口罩、醫(yī)用外科口罩、KN95型口罩三種級別的口罩進行材料與結(jié)構(gòu)分析得知：醫(yī)用外科口罩，一般為“紡粘層+熔噴層+紡粘層”結(jié)構(gòu)組成，簡稱SMS結(jié)構(gòu)，紡粘層支撐整個無紡布結(jié)構(gòu)，同時采用環(huán)保型塑條或金屬條貼塑性并貼合鼻梁，從起到口罩固定和封閉作用?？谡值娜蹏妼右卜Q為阻隔層，是口罩的核心部件，可以阻擋細菌等微小顆粒的進入和滲透，起到呼吸隔離防護的作用，目前多采用聚丙烯（Polypropylene，簡稱PP）為原材料。KN95型口罩是中國國家標準GB 2626-2006認證的口罩類型，由針刺棉、熔噴布、無紡布組成，它的熔噴布通常采用40克及以上，再加上針刺棉的密封性較高，其防護過濾效果至少能達到95%。民用口罩材料與醫(yī)用外科口罩實用性原理相同，主要是通過熔噴層的過濾進入口鼻的空氣，隔離有害氣體和飛沫。相比而言，民用口罩的防護指數(shù)低于醫(yī)用口罩與工業(yè)口罩。

（二）主要防護口罩材料及其特性分析

聚丙烯作為性價比高、防護效果好的熔噴布原材料，一直被廣泛應用于各類防護口罩的生產(chǎn)中，然而考慮到大量的廢棄口罩垃圾處理不當對環(huán)境造成的污染問題，必須考慮采用可被自然降解及高性價比的新材料，才能使口罩生產(chǎn)走上節(jié)約型、可持續(xù)發(fā)展之路。我國針對可降解材料原材料的技術(shù)一直在積極地研發(fā)中，中原工學院申請了用聚乳酸多層纖維膜作為口罩材料發(fā)明專利，對聚乳酸進行實驗研究，經(jīng)過不斷的探索，研制出三層纖維結(jié)構(gòu)的復合纖維膜，有良好的過濾性、抗菌性和貼面性，廢棄口罩還可以被生物所降解。鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院研究出降解納米濾芯的開發(fā)技術(shù)，制備出的納米濾芯具備吸濕、透氣、舒適、抗菌等多種特性[2]，為可降解口罩原料應用提供了解決思路方法。通過對相關(guān)材料之間的對比分析，篩選整理出了三種適用于制作口罩的可降解材料（見表1）。這些材料分別是可降解聚氨酯、聚丁二酸丁二醇、聚乳酸。同時通過對這些原材料的近100家供應商市場報價進行調(diào)研，篩選出具有代表性的十家供應商的報價（見表2），并將之與聚丙烯價格比對，最后找出既能滿足功能需求同時滿足成本控制要求的原材料。

1.可降解聚氨酯材料特點：聚氨酯是一種有機高分子材料，由天然高分子化合物如淀粉、纖維素、單寧等轉(zhuǎn)化為聚多元醇，經(jīng)由此類原料合成的聚氨酯被稱為生物質(zhì)可降解聚氨酯。[3]以聚氨酯為主要材料的口罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)是三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使粉塵隔離率高達99.5%以上。并且可以多次清洗使用，據(jù)研究顯示清洗4-10次的粉塵阻隔率依然gg%，提高了可重復使用效率。聚氨酯纖維的直徑遠遠小于一般材料纖維直徑，三維網(wǎng)狀過濾結(jié)構(gòu)使其更加透性、延展性、柔軟度、貼合度更高。目前我國在可降解聚氨酯領域?qū)＠麛?shù)量在世界保持領先的位置。[4]

2.聚丁二酸丁二醇酯材料特點：20世紀90年代，材料研究領域開始關(guān)注二酸丁二醇酯，它屬于線性可降解脂肪族聚酯[5]，具有韌性優(yōu)良的特性，而且耐熱性能好，是生物降解塑料中的佼佼者。以聚丁二酸丁二醇酯為原材料，制作的可降解納米濾芯具備吸濕、透氣、舒適、抗菌等多種特性，廣泛應用于包裝、日用、生物醫(yī)學、農(nóng)用薄膜、紡織業(yè)等領域。

3.聚乳酸材料特點：聚乳酸是一種無毒、無刺激的合成高分子材料，以乳酸為原料聚合而成的聚酯。用聚乳酸作為口罩纖維膜的基體，其中的靜電紡絲技術(shù)可以使制作成的纖維膜透氣性變強，使得口罩更加蓬松[6]，且容易塑性，可提高口罩與面部的貼合度，使得佩戴時舒適，同時抗菌性和過濾性高。聚乳酸的主要來源是玉米淀粉、大米淀粉，具有良好的可降解性，用其制成口罩的復合纖維膜，使用后可直接進行堆肥或焚燒，焚燒過程中不會產(chǎn)生化學污染，填埋在幾個月內(nèi)可完全降解成為C02和H20，但是現(xiàn)階段技術(shù)不太成熟，成本較高，不太適合應用與大批量的生產(chǎn)。

（三）主要適用材料對比分析結(jié)果

通過可降解聚氨酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸材料與聚丙烯的比對分析（見表1），發(fā)現(xiàn)聚丁二酸丁二醇酯的韌性優(yōu)良、耐熱性好，透氣性強，比較適合用于口罩的原料制作，但是由于其原料成本約為30元/千克，比聚氨酯材料價格高出近一倍，該材料更適用于專業(yè)醫(yī)用面部防護用品的要求。針對普通口罩設計采用可降解聚氨酯材質(zhì)是較好的選擇，有可重復使用、透氣性強、貼合度高、生物相容性等特點，同時可以通過生物合成的方式制成生物降解聚氨酯材質(zhì)，該材料環(huán)?？煽?，且市場價格約17.56元，千克（見表2），它雖相比聚丙烯約8.83元，千克的價格貴了近一倍，但在大批量生產(chǎn)的情況下可降低其單件產(chǎn)品成本，能夠滿足口罩功能需求與價格成本控制的要求。綜上所述，可降解聚氨酯在眾多材料中性價比較高，且作為環(huán)保材料適用于口罩。

三、通用防護口罩一體化設計

（一）口罩一體化設計思路

通過對主流口罩原材料優(yōu)點、應用領域、價格等因素的分析，結(jié)合優(yōu)選出來符合通用型防護口罩設計要求的材料，針對用戶使用口罩的場景與痛點，采用跨場景的整合服務設計思路，從口罩使用中存在的痛點問題進行突破，提出采用一體化通用防護口罩一體化設計方案。首先在功能上將口罩的部件分割化分為結(jié)構(gòu)體，捆綁體、隔離體三大部件，用戶可以通過簡易組裝使用，可以方便拆卸替換。三部分組件可以替換與調(diào)節(jié)，適用于不同的人群的需求。為了滿足節(jié)約化要求，在一體化設計中的將消毒箱、自助柜、回收器相關(guān)輔助設備一并考慮，同時為用戶提供人性化的綜合服務，滿足為用戶應對不同場景的需求。

（二）通用型口罩模塊化設計

1.防護模塊設計要點：本通用型口罩設計共分為隔離體、結(jié)構(gòu)體，捆綁體三個部分（圖1），用戶可以選擇隔離體的類型來應對不同的防護需求，結(jié)構(gòu)體與捆綁體作為輔助隔離體的面部貼合與固定，采用硅膠與尼龍材質(zhì)柔韌性佳，可折疊收納。隔離體是口罩的核心防護，用于過濾空氣中的污染物。隔離體部分為：防灰塵花粉、防霧霾、防傳染、KN95級別四種類型的防護標準，用于應對不同的生活場景的特殊需求，如外出游玩、辦公商務、傳染病防范等。隔離體采用為可替換的生物降解材料，過濾隔絕空氣中的污染物能力強、透氣性高、廢棄隔離體與自然垃圾處理不會造成環(huán)境的污染。密封包裝的設計使得隔離體處于無菌環(huán)境，同時在包裝中加入的隔菌布料，在安裝隔離體的過程中可以不接觸手指，保證口罩清潔。

2.通用型口罩主體結(jié)構(gòu)：口罩的結(jié)構(gòu)體部分（圖1）采用的是可調(diào)節(jié)液態(tài)硅膠材質(zhì)，硅膠柔軟度、面部貼合度高，用于支撐起口罩的框架結(jié)構(gòu)，讓用戶在佩戴口罩的過程中有良好的密封性且無壓迫感。硅膠親膚，佩戴過程中不易形成面部淤痕。結(jié)構(gòu)體中加入了可調(diào)節(jié)的卡扣設計，結(jié)構(gòu)體頂部是鼻夾器，采用可彎曲的合成材料，用來固定口罩的鼻翼處的位置以保證口罩的面部貼合度。結(jié)構(gòu)體考慮兒童群體與肥胖人群的特殊需求，針對特定群體的面部尺寸進行可調(diào)節(jié)尺寸的卡扣范圍設計，用戶可以根據(jù)面部使用情況來進行調(diào)節(jié)，滿足不同面部大小用戶的需求?？谡终w可折疊彎曲和收納入除菌包中，除菌包采用抗菌材質(zhì)設計，形狀小巧輕盈可方便外出隨身攜帶。

捆綁體（圖1）所用綁帶為高彈性的尼龍材質(zhì)，可伸縮延展性高。捆綁體與結(jié)構(gòu)體連接處的伸縮扣可調(diào)節(jié)尼龍袋的長度和調(diào)整結(jié)構(gòu)體的位置，用戶以根據(jù)自己的自身情況選擇合適的位置進行固定。捆綁體和結(jié)構(gòu)體外觀采用不同的顏色，液態(tài)硅膠可以進行染色，有滿足用戶的個性化定制的需求，同時可以避免干篇一律的白藍防護口罩設計，1改善用戶的使用過程中的壓抑感。且不同顏色的口罩使得可以與他人口罩進行區(qū)分，滿足用戶的個性化需求?？紤]到兒童群體好動及自制力不強的特點，在長時間佩戴口罩的過程中，容易出現(xiàn)隨意挪動口罩的情況，因此在該口罩固定方式的設計上區(qū)別于以往頭頸式固定方式，而是采用新的頸部套入設計，使得低齡兒童在佩戴口罩期間不易脫落。

3.消殺模塊設計：用戶日常將使用過的口罩和除菌包放入消毒箱盒中（圖3）進行自動消毒功能，消毒完成后可繼續(xù)使用，確保面部防護用具的干凈和衛(wèi)生。一體化消毒箱體積小巧，也可用于手機、鑰匙、手套、帽子等日常生活品消毒，滿足用戶在多種生活場景的需求。

4.啟助回收模塊：自助柜（圖4）為存放不同類型的全新隔離體，放置于公共場所，人們可以在線支付或者現(xiàn)金支付購買全新隔離體，也可以通過手機端提前預購。每個自助柜旁都設置口罩回收機（圖4），提示用戶將廢棄隔離體進行定點投放，由專人進行收集統(tǒng)一消毒并銷毀處理。用戶從取出隔離體到使用后，將廢棄隔離體放入回收機中，再從自助柜中取出新的隔離體，與結(jié)構(gòu)體重新組裝成為新的口罩，這個過程形成了良性的使用循環(huán)。

四、設計結(jié)果

以上產(chǎn)品一體化設計通過綜合考慮，從防護口罩的隔離體的獲取、替換、回收各功能模塊協(xié)同配合;可降解聚氨酯作為隔離體的原料實用環(huán)保的使用，有效降低對環(huán)境的污染;模塊化式可替換的部件提高資源利用率和耐久度;通用型的結(jié)構(gòu)造型易調(diào)節(jié)符合人體工學，為不同佩戴對象提供良好的使用體驗，同時也應對新型冠狀病毒肺炎疫情的個人防護提供人性化的設計方案。

結(jié)語

本文通過對不同適用口罩材料應用現(xiàn)狀歸納與對比分析，得出性價比較高兼具實用性的環(huán)保材料生物降解聚氨酯，該材料用于口罩原料具有較好的市場應用前景。通用防護口罩一體化設計為不同用戶提供了跨場景的解決方案，提出了符合市場和用戶需求的口罩方案，為探索個人防護口罩的可持續(xù)發(fā)展提供參考。.

基金項目：廣西哲學社會科學規(guī)劃研究課題（17FM2008）;廣西壯族自治區(qū)研究生教育創(chuàng)新計劃項目：“廣西新工科”背景下綜合類院校設計專業(yè)碩士‘產(chǎn)教協(xié)同、交叉融合培養(yǎng)模式研究與實踐”（JGY2018063）。

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