口罩的新冠病毒防護性設計探索

摘? 要：本文以市面上現(xiàn)有口罩為雛形，進行資料的收集與整理，并且從口罩的類型、制作材質(zhì)、佩戴方式、設計造型四個方面進行數(shù)據(jù)的對比與分析。以設計出新的防護性強的口罩為目的，解決目前市面上針對新型冠狀病毒的專用一次性防護口罩的設計問題，探索更加人性化的口罩設計，尋找既節(jié)約成本，又具有防護效用的口罩設計。根據(jù)對比結果，提出全新的口罩設計理念，使其具有舒適性、低成本、有效阻隔氣溶膠的特點。從而促進口罩設計進一步發(fā)展，并且促使消費者養(yǎng)成使用口罩的習慣，為人類戰(zhàn)勝病毒盡一點綿薄之力。

關鍵詞：口罩;設計;人性化;新冠病毒

口罩的雛形出現(xiàn)在13世紀初的中國，皇宮中的宮女和太監(jiān)在打掃時，使用絲帕來遮掩口鼻，以防止灰塵的侵入。依據(jù)相關資料顯示，在元朝，御膳房的宮女，在呈上食物的時候，就使用絹布來蒙住口鼻，以確保食物的衛(wèi)生。但是，由于這一時期的科學技術水平十分有限，所以口罩多是在王公貴族里使用，并且它的材質(zhì)多為珍貴的蠶絲與黃金線，造價非常昂貴，使用范圍較小。一直到19世紀末，隨著科學技術的發(fā)展，口罩開始涉獵醫(yī)學領域，德國的病理學家萊德奇發(fā)明了紗布醫(yī)用口罩，它主要用于防止細菌感染，并且建議醫(yī)護人員都使用。到了20世紀，流感病毒猖獗，使得口罩的使用范圍逐步擴大，成為大眾的日常用品，它的作用主要是用于預防和阻隔病毒。隨后的歲月里，又因為鼠疫、禽流感、甲型流感H1N1、SARS、PM2.5的霧霾等原因，口罩的使用頻率逐步提升，種類也逐步增多。在全球范圍內(nèi)，使用口罩最多的國家是日本，據(jù)日本衛(wèi)生材料工業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，去年一年日本的口罩數(shù)量約49億個，而日本的人口僅1.27億，這些口罩78%用于國民本身，他們對口罩的花費高達2億3千萬美金。2020年，因為疫情的緣故，口罩在全球的需求量急劇上升，口罩的新冠病毒防護性設計問題迫在眉睫。

一、研究概況

作為最先發(fā)現(xiàn)這一病毒的國家，我國對于新型冠狀病毒的防御措施做得是比較嚴格的，與此同時，我國也是口罩使用和輸出大國。這就意味著口罩設計具有重大意義。2020年2月4日，國務院針對新型冠狀病毒的疫情現(xiàn)狀，出臺了《不同人群預防新型冠狀病毒感染口罩選擇和使用技術指引》，指導不同風險的人群使用防護口罩，包括醫(yī)用防護口罩、N95/KN95、一次性醫(yī)用外科口罩、單次的醫(yī)用口罩^[1]。針對不同地區(qū)、不同的場合，不同的人群需要采取不同的防護措施，即針對人群實行精準防護，不同場所及人員應選擇與其相適應的口罩，且應該正確處理使用后的口罩而不造成新的污染^[2]。下面針對口罩的具體類型和使用范圍進行詳細分析。

（一）口罩的類型

口罩按照用途來分，可分為醫(yī)學使用口罩、預防霧霾天氣的口罩、預防粉塵、或者花粉的防過敏口罩;按照材質(zhì)來分，可分為純棉、無紡布、高分子材料活性炭纖維氈、活性炭粉濾芯、熔噴布等;按照型號規(guī)格來分，可分為N系列、R系列、P系列。其中N系列又因為對細小粉塵的過濾比例，分為N95和N99。其中的“N”，是指不耐油性的顆粒物;“95”的意思是：過濾顆粒物的效果可以達到95%?！?9”是指過濾顆粒物的效果可以達到99%。

其他還有供氣式口罩、空氣過濾式口罩等，種類繁多。其中最常用的四種口罩具體數(shù)據(jù)見表1。

（二）現(xiàn)有口罩存在問題

基于對以上圖表上的數(shù)據(jù)對比分析，現(xiàn)得出以下結論：（1）防護級別從高到低排序：專業(yè)級醫(yī)用防護口罩>N95/KN95>一次性醫(yī)用外科口罩>一次性醫(yī)用防護口罩。（2）防護級別越高的專業(yè)級醫(yī)用防護口罩，它阻隔病毒的能力越強、使用的過濾性材質(zhì)也更加高級、口罩與人臉的密合度也更加緊密。（3）存在問題：這類口罩由于防護性較高，材質(zhì)過濾性較好，在呼吸的時候，會造成一定的阻力。如果佩戴的時間較長，會影響呼吸，加重負擔，造成不適感。同時，透氣性和吸濕性也更差，這就意味著舒適性能更差，并且造價昂貴。由上述三點得出：醫(yī)用防護口罩不適用于普通人群日常出門使用。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，普通人群大多數(shù)會選擇一次性醫(yī)用口罩作為日常出門使用，它的優(yōu)點是造價低廉，舒適性較高。其缺點在于它不具有阻隔氣溶膠的功能，不能有效阻隔新冠病毒。經(jīng)研究表明，之所以要求民眾佩戴口罩，是因為它可以利用其過濾層，有效地把病毒阻隔在口罩外面，從而減少佩戴者被傳染的概率。針對市場上這類口罩產(chǎn)品進行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)它們的價格高低不一^[3]，質(zhì)量參差不齊。所以在設計過程中，主要從以下三點來考慮：一是口罩的材質(zhì)?？谡质峭ㄟ^過濾材質(zhì)來過濾掉病毒，口罩的過濾性能主要由中間層的濾料決定。目前常用的濾料是一種由聚丙烯超細纖維制成的熔噴無紡布，它輕薄、透氣性好，同時能高效過濾空氣中的顆粒物。其次是口罩的密合度。目前市場上存在的單次使用的醫(yī)用防護口罩多為一體式的，面部的密合度較差，不利于新冠病毒的防護。在這方面，需要做精巧的設計。三是佩戴方式。目前仍需要通過調(diào)研和篩選進行設計的再調(diào)整，以達到最大程度的病毒防護和舒適度的提升。必須遵循以上三項設計原則。

二、 一次性防護口罩設計

（一）口罩的佩戴方式設計

口罩按照佩戴方式來分，可分為耳戴式、頭戴式、頸戴式^[4]，具體見表2。

基于上述優(yōu)缺點的比較，得出目前市面上絕大多數(shù)口罩都是耳戴式。它是直接掛在耳朵上，其好處是比較容易穿脫，缺點是長期佩戴會對耳部造成一定的壓迫性。頭戴式口罩是通過兩條帶子，一條掛與腦后，一條掛在脖頸處，來實現(xiàn)佩戴。相較于耳戴式，它的受力方式更加均勻，佩戴起來也更加舒適，但是缺點是穿戴較為繁瑣，尤其不利于喜歡戴帽子和耳機的人群。頸戴式是直接粘貼在脖子上，時間久了對脖子也有一定的壓迫。通過上述對比分析，在口罩設計的佩戴方式上，選擇了容易穿脫的耳戴式，并針對其缺點進行了設計再改造。在耳戴式口罩上，增加了調(diào)節(jié)扣裝置，便于佩戴者根據(jù)自己的臉型需求，調(diào)節(jié)松緊，以減輕口罩佩戴給耳部帶來的不適感。

在調(diào)節(jié)扣的選擇上，參考了市面上的扣子，分別挑選了表3所示的六種比較常用的扣子，并且針對它的舒適性，價格、尺寸、材質(zhì)等多方面做了研究與分析，然后選用最后一款扁扣作為口罩上的長度調(diào)節(jié)扣，它的特點是更加小巧，直徑為9mm，方便佩戴，并且它的材質(zhì)是較為柔軟的硅膠材質(zhì)，增加了耳部佩戴的舒適感。

在口罩的耳繩設計上，選用了彈力較大的滌綸絲包筋繩，它的主要成分是氨綸。氨綸的實心密度較大，相較于一般的牛筋繩彈性更大，更符合設計的需求，具有方便調(diào)節(jié)大小的作用。在繩子尺寸的選擇上，常用的尺寸有3mm、4mm、5mm、6mm。根據(jù)人體力學原理，選擇了佩戴較為舒適的3mm尺寸為繩子的寬度，繩子的形狀又分為圓形和扁形，圓形的繩子容易滑動，所以選擇了扁形繩子，以完成口罩調(diào)節(jié)繩部分的設計，具體設計稿見圖4。

（二）口罩的材質(zhì)設計

目前確定的新型冠狀病毒，它的主要傳播方式有：唾液傳染、觸摸傳染和氣溶膠傳染^[5]。口罩的設計主要是針對唾液傳染和氣溶膠傳染兩種傳染途徑。阻隔的重點在于材質(zhì)的選擇。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，制作口罩的材料有很多，如熔噴法無紡布、黏紡法無紡布、莫代爾絲綿布、PU海綿等。在醫(yī)用口罩的制作上，選用的材質(zhì)主要有下列幾款：首先是PP聚丙烯無紡布，它的特點主要是親膚，柔軟性較好，具有吸濕功能，一般用于和皮膚接觸的最里層。二是最重要的熔噴法無紡布，它是一種超細靜電纖維，結構縱橫交錯，纖維直徑范圍為0.5-10微米。它最大的特點是擁有靜電吸附能力，利用這一原理將病毒、飛沫粘在口罩上，阻止它進入呼吸道。除了過濾性之外，它還具有很好的屏蔽性、絕熱性和吸油性，是口罩中心層的必備材料。三是丙綸無紡布，主要用于口罩的最外層。它做了防水處理，用于隔絕患者噴出的液體，起到防飛沫的作用。四是紡粘法無紡布，它是利用化纖紡絲的方法，將高聚物紡絲、牽伸、鋪疊成網(wǎng)，最后經(jīng)針刺、或熱軋等方法固結成布。紡粘無紡布具有過濾阻力小、過濾效率高且較高的抗靜水壓能力等優(yōu)點^[6]。由圖1得知醫(yī)用防護口罩是可以防護新冠病毒的氣溶膠的，但是一次性醫(yī)用口罩則不可以防護。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，主要差異有兩個方面：一是中間的熔噴層，醫(yī)用防護口罩采取兩層熔噴布，而一次性醫(yī)用口罩則只有一層;二是外層無紡布的克數(shù)也有一定的區(qū)別，醫(yī)用防護口罩一般采用30G-50G的厚度無紡布，而一次性醫(yī)用口罩多使用25G的無紡布，與醫(yī)用防護口罩相比防護性能弱，但是醫(yī)用防護口罩造價成本較高，非醫(yī)護人員一般不宜長期使用，具體對比見圖5。

經(jīng)過對比，采用兩者結合的方式來設計新冠防護口罩的材質(zhì)，在一些重要的區(qū)域，如鼻子和嘴巴，采用四層防護，而面部其他部分依舊延用三層防護，這樣設計的好處是既加大了防護功能，又節(jié)約了成本。

（三）口罩的造型設計

口罩按照形狀可分為平面式、罩杯式、縱向折疊式、橫向折疊式四類。平面口罩的密封性較差，但易自動化生產(chǎn)，價格便宜。罩杯式口罩為較硬質(zhì)杯體，使呼吸空間變大?？v向折疊式口罩可在主體中間沿縱向折疊，折疊后不占空間便于攜帶。橫向折疊式可以在主體中間沿橫向折疊較縱向折疊式空間大，又可以折疊方便攜帶^[7]，具體見表6。

根據(jù)以上資料顯示，發(fā)現(xiàn)不同形狀的口罩各有千秋，為了設計出佩戴舒適度高，成本相對較低，并且可以有效防控新冠病毒的口罩，故而在形狀上做了以下調(diào)整，具體分為兩個部分來著重設計：一是鼻子部分，二是嘴巴部分。

1.鼻子部分的設計

市面上的口罩在鼻子部分的設計相對空缺，大部分為一體式的口罩，只有橫向折疊式口罩針對鼻子的部分，做了一定的設計，但是舒適度和貼合度不夠，原因是口罩與亞洲人的臉型不夠匹配。研究發(fā)現(xiàn)，我國男性的鼻高、鼻長、鼻深、鼻寬數(shù)值大于女性，而鼻尖角、鼻額角、鼻唇角的角度則是女性大于男性^[8]。根據(jù)這一特征，在設計上分別針對男性和女性鼻子部分尺寸的不同，進行了分類設計。通過數(shù)據(jù)的采集，收集了100名成人的鼻子尺寸，詳見表7，根據(jù)測量數(shù)值，采用圖表中的最小值、均值和最大值，分別給男性和女性設置了三個不同的型號，即SML。

一次性醫(yī)用口罩不具備防控氣溶膠的功能，所以在重要的區(qū)域，即鼻子呼吸區(qū)（圖8陰影部分）設計了和醫(yī)用防護口罩相同的四層無紡布結構，且無紡布的克數(shù)為50G，其他區(qū)域還是延用一次性醫(yī)用口罩的三層無紡布結構設計，且無紡布的克數(shù)為25G。這樣設計的優(yōu)勢在于既增加了口罩防護性功能，又節(jié)約了成本，并且不會太過悶氣，方便長時間佩戴，增加了舒適感（如圖8）。

后續(xù)，還會根據(jù)嬰兒和兒童的特點，參照《兒童口罩技術規(guī)范》GB/T38880-2020的標準^[9]，調(diào)節(jié)數(shù)值，設計出專門的口罩。兒童活潑好動，需要注意金屬鼻壓條對兒童可能造成的傷害。相比成人，兒童的鼻部偏扁平，柔軟的海綿封條更為合適，還省去了帶口罩后調(diào)整鼻壓條的步驟。處于心肺發(fā)育中的兒童呼吸能力要明顯弱于成人，所以兒童口罩的呼吸阻力不能過大。它們的尺寸和成人的差異也較大。

2.嘴巴部分的設計

嘴巴部分的設計延用了鼻子的設計精髓，采用了三角幾何作為主體形狀。三角形具有穩(wěn)定性的特征，可以促使形狀不易發(fā)生改變。依據(jù)嘴巴的結構特征，由六個三角形組成，并且在圖9中，標注2、3、4、5的四個區(qū)域，采用與鼻子三角區(qū)相同的四層無紡布結構，1和6兩個區(qū)域使用三層無紡布結構，這樣可以提升嘴部呼氣部分的抗病毒性，具體設計方案見圖9。

3.總設計圖解析

整個設計以防護性能為前提，在原有一次性醫(yī)用口罩的基礎上，針對口罩的造型、材質(zhì)、佩戴方式做了優(yōu)化和升級。因為三角形具有穩(wěn)定性，并且?guī)缀误w呈現(xiàn)出簡潔大方的視覺效果，所以在鼻子和嘴巴的造型設計上，采用三角形作為主題元素。在鼻子和嘴巴的部分，設計邊緣連接處都使用了超聲波焊接，它的特點在于焊點處與其他部分無縫連接，并且不變型，更加牢固。除了鼻子和嘴巴的部分，其他部分要注意的就是密封性。在口罩的上邊緣處采用隱藏式金屬鼻梁條，它具有柔韌性?；谌州喞c特征，對臉型結構進行分類分析與研究^[10]，設計出貼合臉型角度的面罩部分，減少有害物質(zhì)吸入。口罩的長度延伸至耳朵前方，做了拉長設計，這樣做的目的也是為了加大密封性。口罩的上端選用了弧線設計，可以更加貼合面部，增加舒適感，最終設計圖見圖10。

三、結語

此次主要針對近期出現(xiàn)的新型冠狀病毒，對口罩進行了升級版的設計。該口罩主要為普通群眾日常佩戴使用。其造型大量運用了幾何體，使得口罩的外形簡潔大方，富有設計感，并且通過鼻子和嘴巴部分分區(qū)的方式，增加了口罩的空間感和舒適感。在呼吸的著重區(qū)域加大了熔噴無紡布的使用，從而改善了一次性口罩無法抵御氣溶膠的弊端，增加了口罩的防護性，為病毒的防護起到了重要作用。

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作者簡介：吉予彤，碩士，江蘇建筑職業(yè)技術學院講師。

編輯：高瑾