孫丹陽(yáng) 顧昶舜 唐 真 王煜恒 上海工程技術(shù)大學(xué)

0 前言

疫情常態(tài)化時(shí)期人們外出時(shí)，經(jīng)常會(huì)佩戴口罩來(lái)起到防護(hù)作用，在這些口罩使用者中，戴眼鏡的使用者占據(jù)了極大一部分比例。對(duì)于他們而言，戴口罩時(shí)鼻子呼出的氣會(huì)從口罩與鼻子之間的縫隙向上冒出，這些氣體中的水蒸氣遇到眼鏡的鏡片會(huì)凝結(jié)成水滴形成霧氣，導(dǎo)致人們視線模糊，使行動(dòng)非常不便[1]。因此，佩戴口罩導(dǎo)致的鏡片起霧將直接危害到使用者的生命安全，具有極大的安全隱患。此外，由于口罩使用量巨大，大量廢棄口罩在被丟棄后難以處理，掩埋成為了最好的手段，但這也導(dǎo)致了環(huán)境污染問(wèn)題的加劇。由此，對(duì)新型環(huán)保防起霧口罩的研究迫在眉睫。

本文從三個(gè)方面展開對(duì)防起霧口罩設(shè)計(jì)的研究：一是對(duì)市面上醫(yī)用口罩的材料展開研究；二是對(duì)口罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路展開研究；三是對(duì)口罩如何設(shè)計(jì)成可循環(huán)利用的環(huán)保產(chǎn)品展開研究。希望能夠?yàn)榉榔痨F口罩設(shè)計(jì)提供新思路。

1 口罩相關(guān)調(diào)研

1.1 常見醫(yī)用口罩材料調(diào)研

醫(yī)用口罩多采用一層或者多層非織造布復(fù)合材料制作而成，主要生產(chǎn)工藝包括熔噴、紡粘、熱風(fēng)或者針刺等，具有抵抗液體、過(guò)濾顆粒物和細(xì)菌等效用，是一種醫(yī)療防護(hù)用紡織品。由于材料密度大，以致口罩內(nèi)人體呼出的熱氣無(wú)法直接排到環(huán)境中，口罩的鋁片沒有貼近鼻梁就會(huì)使熱氣向上流動(dòng)到達(dá)鏡片產(chǎn)生起霧現(xiàn)象。如果選擇密度較低的復(fù)合材料則無(wú)法阻攔病毒、細(xì)菌的侵入，因此在新型復(fù)合材料研制出來(lái)前，材料并不能作為主要改進(jìn)對(duì)象。

1.2 口罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)調(diào)研

在對(duì)市面上主流口罩設(shè)計(jì)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)：在新型冠狀病毒肺炎疫情期間，人們使用的口罩主要分為呼氣閥口罩和無(wú)呼氣閥口罩。呼氣閥口罩利用負(fù)氣壓原理，通過(guò)單向閥門，使呼出的氣體可排出，同時(shí)阻止外來(lái)氣體中的顆粒物，并且能夠減少口罩內(nèi)部的悶熱感。但是由于中間沒有過(guò)濾層，導(dǎo)致此設(shè)計(jì)只是單方面保護(hù)戴口罩者，一旦戴口罩者為感染者，對(duì)于周邊人群不具保護(hù)性，因此醫(yī)生推薦使用無(wú)呼氣閥的口罩。而無(wú)呼氣閥口罩的全封閉包圍設(shè)計(jì)可以做到雙面保護(hù)，但無(wú)呼氣閥口罩呼吸困難度要高于呼氣閥口罩。

2 種常用口罩與使用者面部貼合都是依賴于鼻梁部位的可變形金屬條結(jié)構(gòu)。由于每個(gè)人的臉部結(jié)構(gòu)和大小不同，可變形金屬條結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)法使口罩與所有使用者面部完全貼合，這也導(dǎo)致了佩戴眼鏡的使用者在佩戴口罩時(shí)產(chǎn)生鏡片起霧現(xiàn)象。由此，防起霧口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以從以下兩方面入手：一是防止呼出的熱氣從口罩與臉部的縫隙處流出；二是為這些熱氣構(gòu)造出一個(gè)更合理的出氣位置，使得氣體能夠在不會(huì)流動(dòng)到鏡片位置的基礎(chǔ)上排出。

1.3 可循環(huán)利用口罩調(diào)研

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，醫(yī)生曾經(jīng)教過(guò)如何讓口罩循環(huán)利用的方法：首先，沸水蒸3 min后晾干；其次，用75%酒精噴灑雙面后晾干；最后，用醫(yī)用紫外線燈照射10 min。這種方法需要使用者們多次清潔口罩本身。但是，多次清潔會(huì)造成口罩防護(hù)效力大幅降低，并且這種口罩的成本過(guò)高，難以大范圍推廣。

本設(shè)計(jì)采用一種可拆卸式結(jié)構(gòu)，將濾芯結(jié)構(gòu)與口罩外層結(jié)構(gòu)分離?？谡衷谑褂猛旰罂蓙G棄其濾芯，這雖會(huì)產(chǎn)生垃圾，但生產(chǎn)成本低、污染少，方便使用者更換及攜帶。采用雙層可拆卸式設(shè)計(jì)，通過(guò)更換一次性柔性濾芯和口罩內(nèi)外層消毒，可實(shí)現(xiàn)口罩的多次循環(huán)使用，提高了資源的利用率[2]。

2 防起霧口罩設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基本要點(diǎn)

一是安全性。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足使用者的安全需求，在病毒防護(hù)方面不能偷工減料，使用者的人身安全應(yīng)獲得必要的保障。二是環(huán)保性。作為一款環(huán)保類可循環(huán)利用產(chǎn)品，需要在減少環(huán)境污染、降低成本等方面著手，滿足設(shè)計(jì)初衷。三是人性化。從以人為本的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，此產(chǎn)品對(duì)不同年齡不同性別的所有使用者而言都應(yīng)具有易通性和便捷性，滿足使用者的佩戴與使用需求，讓使用者獲得良好的使用體驗(yàn)。四是功能性。本產(chǎn)品最核心的是防起霧功能，為此對(duì)于所有使用者而言本產(chǎn)品的功能性都應(yīng)得到良好的體現(xiàn)。五是創(chuàng)新性。創(chuàng)新是發(fā)展的原動(dòng)力，跨界、融合與交叉是創(chuàng)新的源泉[3]。產(chǎn)品可在材質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)、加工工藝等方面進(jìn)行創(chuàng)新，提升市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本防起霧口罩的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用云狀結(jié)構(gòu)，以人的鼻梁上端和下頜下巴構(gòu)成三點(diǎn)支撐，其形狀類似“凸”字。一方面保證功能，盡可能減小面積以減少生產(chǎn)成本；另一方面這樣的造型可以更加貼合人體面部，見圖1。

圖1 防起霧口罩云狀主體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)主體主要分為內(nèi)外2 層。內(nèi)層插入N95級(jí)別的濾芯，滿足上述醫(yī)生推薦減少佩戴空氣閥口罩的要求以及盡可能保證口罩簡(jiǎn)易方便的性質(zhì)。在內(nèi)層濾芯上對(duì)應(yīng)人體的口鼻部位增添了通氣濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)，方便呼氣、吸氣交換。在外層也同樣放棄了呼吸閥門結(jié)構(gòu)，取而代之的是通氣孔洞的設(shè)計(jì)，沿著口罩的外圍設(shè)計(jì)排列一圈通氣孔洞，人們呼吸的氣體通過(guò)口罩內(nèi)外層的交互，從內(nèi)層的通氣濾網(wǎng)到外層的通氣孔洞產(chǎn)生流動(dòng)，在內(nèi)外層形成氣體的交換循環(huán)系統(tǒng)，見圖2。所以，“凸”造型在這里再一次體現(xiàn)了其作用：一是這種形狀可以貼合使用者面部從而能夠最大程度地防止氣體從縫隙處進(jìn)出；二是由于口罩的造型會(huì)直接影響口罩外圍通氣孔洞的位置排列，所以口罩兩側(cè)只遮住了臉的下半部分，也是為了使通氣孔洞盡可能地遠(yuǎn)離佩戴眼鏡的位置，從物理距離上減小了氣體與鏡片接觸的可能性。在這種循環(huán)流動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)造下，內(nèi)外層的設(shè)計(jì)使得口罩帶給人們的防護(hù)功能達(dá)到甚至強(qiáng)于市面上多數(shù)口罩的水平，并且還有效避開了口罩起霧的源頭——使人們從口鼻處呼吸氣時(shí)產(chǎn)生的熱氣從口罩上方與人體貼合縫隙處流向鏡片。

圖2 口罩內(nèi)外層交互

2.3 零部件功能與參數(shù)

2.3.1 分隔霧貼

為了更好地緊貼皮膚，防止氣體從縫隙進(jìn)出，口罩兩側(cè)外圍以及中間主體上側(cè)靠近鼻子部分的內(nèi)部加裝了一圈細(xì)長(zhǎng)形狀的分隔霧貼，可以通過(guò)按壓來(lái)貼緊皮膚，見圖3。為了減小分隔霧貼與皮服接觸可能帶來(lái)的不適感，在保證其功能的前提下盡可能縮小了其寬度，僅有約0.2～0.3 mm，使佩戴者的體驗(yàn)基本達(dá)到無(wú)感的程度。此外，在鼻子處的分隔霧貼的形狀與眼鏡的鼻梁架形狀大概一致，使得架在鼻梁上的眼鏡的重力帶來(lái)的壓力能使分隔霧貼貼緊，由此可以更好地配合佩戴眼鏡。

圖3 分隔霧貼

2.3.2 濾芯

為了提倡環(huán)保與節(jié)約，同時(shí)為了人們可以減少購(gòu)買口罩的支出，使得單個(gè)口罩可以盡可能地多次使用，本設(shè)計(jì)采用可更換濾芯式的裝置設(shè)計(jì)。口罩外層在中間長(zhǎng)方形濾芯處的顏色為近乎透明，可以方便使用者觀察內(nèi)層可更換濾芯處的通風(fēng)濾網(wǎng)的顏色變化?？谡謨?nèi)層可更換濾芯的通風(fēng)濾網(wǎng)上運(yùn)用相關(guān)化學(xué)原理，使得它能夠隨著佩戴時(shí)間的變化而逐漸變色，最開始內(nèi)層濾芯采用與口罩主體顏色一致的黑色，等到通風(fēng)濾網(wǎng)逐漸變白直到最后全白時(shí)就意味著需要更換濾芯了，見圖4。

圖4 半透明外層及內(nèi)層可變色濾芯

2.3.3 內(nèi)外層魔術(shù)貼

口罩內(nèi)外層之間采用魔術(shù)貼設(shè)計(jì)，見圖5。在濾芯外側(cè)邊緣與外層口罩內(nèi)側(cè)邊緣處設(shè)計(jì)了細(xì)長(zhǎng)的魔術(shù)貼，在與繩子的連接處采用卡扣設(shè)計(jì)，可以穩(wěn)固連接口罩內(nèi)外層，更換濾芯時(shí)不會(huì)使得連接不貼合。

圖5 內(nèi)外層魔術(shù)貼連接結(jié)構(gòu)

2.3.4 綁繩及綁繩片

佩戴口罩的綁繩運(yùn)用一種可拉伸的繩子材質(zhì)，并且經(jīng)過(guò)采集中國(guó)人頭圍數(shù)據(jù)后得到需要拉伸收縮的范圍，通過(guò)調(diào)教使綁繩可在此范圍內(nèi)自由拉伸而不會(huì)超過(guò)彈性限度或者出現(xiàn)斷裂，由此可以供不同頭圍的使用者根據(jù)自身情況修改長(zhǎng)度，同時(shí)綁繩做了加寬加扁處理，見圖6?？谡纸壚K的佩戴方式是直接圍繞頭部一圈綁在頭上，既保證佩戴的舒適度同時(shí)又能更好地令口罩貼合面部，防止起霧。

圖6 綁繩

綁繩片加裝在綁繩末端，一是為了整體的美觀性，避免前重后輕，二是為了向后收納繩子，便于頭圍較小人群或者兒童使用，見圖7。

圖7 綁片

2.3.5 顏色

口罩顏色主體采用黑色，對(duì)照內(nèi)層可更換濾芯的通風(fēng)濾網(wǎng)部位采用了半透明乳膠結(jié)構(gòu)，內(nèi)層可更換濾芯整體采用黑色轉(zhuǎn)白色設(shè)計(jì)，黑白帶來(lái)的強(qiáng)烈對(duì)比可以準(zhǔn)確體現(xiàn)濾芯的使用程度，見圖8。在口鼻處的通風(fēng)濾網(wǎng)采用了無(wú)毒無(wú)害的化學(xué)反應(yīng)原理，使其可隨時(shí)間的變化而變色，口罩整體呈現(xiàn)了目前較為流行的賽博朋克風(fēng)?？谡诌€可以提供其他顏色或者花紋甚至是個(gè)性化渲染服務(wù)，以迎合不同年齡段男女老少人群的需求。

圖8 防起霧口罩整體演示

3 結(jié)束語(yǔ)

為全力應(yīng)對(duì)疫情常態(tài)化下的疫情防控，口罩已成為人們生活中的必要物資。為了防止人們出行時(shí)因口罩起霧、不方便佩戴、不美觀等因素而拒絕佩戴口罩，新型呼吸氣結(jié)構(gòu)以及可拆卸循環(huán)利用結(jié)構(gòu)的新式防起霧口罩將會(huì)是人們的最佳選擇。同時(shí)，本產(chǎn)品的新式結(jié)構(gòu)與環(huán)保特性將一起構(gòu)成產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力，推動(dòng)同類產(chǎn)品的發(fā)展創(chuàng)新，從而適應(yīng)社會(huì)需求。