自发电舒适型防尘防霾口罩

魏泽昳 褚庆忠 吕 捷 吴佳豪 崔鹏灿 赵慧莹

（燕山大学，河北 秦皇岛066000）

我国经济的快速发展，带来了一定的环境问题，各地常常会出现不同程度地雾霾天气，尤其是春、秋和冬季，给人们的身心健康带来了极大的危害。因此，市场上出现了一些不同款式的防雾霾口罩。这些口罩在防雾霾方面确实能发挥一定的作用，但口罩性能及其普适性还有很多不足，我们你在现有防雾霾口罩的基础上就排气装置和供电装置进行改造，设计出一种更舒适、更环保的防尘防霾口罩。

1 国内外研究现状

近代最早可靠的雾霾记录发生在英国伦敦，伴随着第一次工业革命开始，工厂和居民大量燃烧煤炭，造成雾霾，伦敦也因此被称为“雾都”。伦敦的雾霾大多在冬天，因为冬天需要依靠煤炭取暖，燃烧过程中会产生大量的硫化物，这是雾霾的主要污染物。“当时，伦敦上空受高气压带控制，大气湿度增加，风力微弱。大量工厂生产和居民燃煤取暖排出的污染物难以扩散，整个城市都被‘乌黑的、肮脏的、刺鼻的’雾霾笼罩，犹如一个令人窒息的毒气室。”

从这时起，人们便认识到了雾霾的严重性和危害性，对于这种健康杀手，在防治措施重拳出击的同时，人们也只能在人类自身上尽可能地施加屏障以保护自身、减轻至最低的危害。而与此同时，一般的口罩作用微弱，只能在防护更加严密的方向发展，随着口罩不断地改进，现有技术中出现了多种口罩款式（平面、立体、耳挂式等）和各种材质（棉布、无纺布、纳米材料等），甚至光疗防雾霾口罩、直排式防雾霾口罩等。目前市面上热销的此类口罩有两款：一款是美国3M公司生产的3M口罩，它是基于无纺布和静电纤维滤棉设计的，以严密性所著称；另一款是由中科院城市环境研究所与中信国安联合出品的优盾口罩，它是采用以静电纺丝纳米膜为核心滤材的技术。

图1 供电装置的改进

图2 呼吸阀和导流罩

保有严密性的同时尽可能地使用透气的材料是目前市面上畅销的防雾霾口罩的通用法则，但是严密性和透气性是相互矛盾的，严密性好了，透气性就会变差，反之亦然。第一款3M口罩KN95，虽然对于PM0.075 颗粒的过滤效率应能达到95%以上，但它不防气态污染物，且不可重复使用，使用成本远远高与纱布口罩。另外，这款口罩虽然减轻了排气阻力，但没有从根本上改善呼、吸气体的混合。成年人佩戴KN95 型口罩正常步行一段时间后，会导致血氧含量下降，使人出现头晕、胸闷，同时固定口罩的棉线挂带很勒耳朵。甚至在普通的吸气常态时，由于口内处于微负压，空气中有害物质难免从口罩周边或进气阀进入人体，当在户外快速行走或运动时，更是起不到有效防护的作用。其普适性和防护性也是难以保证，只适合静态作业性质下的工作人员。而中科院所研发的实用新型主动式口罩，虽然可以保证呼入空气的洁净性，但是空气清新器耗电较大，仅通过普通锂电池无法完成较长时间空气净化，需要不断地更换电池，使用起来非常不便。市面上的其他小众特殊性质的口罩，不仅材料性质和质量难以保证，更不可能满足大众化人群的需要和更需要严密防护的特殊户外工作人员的防护要求。

2 产品设计

出于对更高防护性的要求和大众化的日常防护需要，我们拟从需求构想的冲突性、内聚性和耦合性入手，努力构思和制作一款从一般缺陷开始思考的防雾霾口罩。我们决定从口罩续航的主动性和被动性问题上做选择。抛弃充电续航这种限制性的做法，转而从发电入手，另外呼吸的严密性上，尽量选择更加轻巧而简单的材料，并在舒适性和佩戴效果上着手，解决一下材料严密而防护严密有所遗漏和佩戴舒适性问题。

我们对现有产品的排气装置和供电装置进行了改造设计利用半杯水上下颠簸所产生的但是被忽略的能量提供电能，可以省去充电、更换电池的过程（图1）。在节能环保的基础上，更加有效地保护使用者的呼吸健康。传统的自主呼吸防尘口罩在使用时产生的呼吸阻力使佩戴者能量代谢大，自发电防尘防霾口罩可有效克服呼吸阻力问题，从转移过滤阻力的角度出发，口罩体设置的多向导流呼气阀和导流罩，用导流罩分离口鼻与面部，使呼出的气体直接通过口罩和面部之间的导流罩从口罩上的排气孔排出，呼出气体的快速排出，也不影响空气过滤效果。多向导流呼气阀呼气时张开，排出浊气及冷凝水，增加透气性，减少湿闷感，呼吸更顺畅，直接影响口罩性能和佩戴感受。我们做了样品尝试（图2），口罩耳带选择了面积粗，表面弹力都较均匀的胶质挂带。

结束语

我们设计的新型自发电防雾霾口罩在传统思路利用电能来解决过滤处理器的方式的基础上，变被动为主动，利用人自身的热量进行转化和利用，从而既保证了续航和过滤效率的问题，因为其过滤处理的依据为人自身的呼吸，因此在越是极端和特殊作业的同时，越可以保证其续航和过滤。另外，人体工学的舒适度与材料透气性的设计和实验，使得其更加在材料严密的同时增加了一层保障，让人们在快速运动甚至是高强度呼吸作业的同时，也可以保证佩戴舒适和透气性与服帖性的高度统一。尽管这款口罩目前尚未达到理想状态，但提供了一种新的设计思路，下一步继续完善后能缓解口罩内的温度和气体压力变化，从而解决了佩戴者存在头晕胸闷和镜片起雾影响视线的问题，理想品既美观也提高了舒适度的同时，保证了使用者的健康。