口罩的新冠病毒防护性设计探索

摘  要：本文以市面上现有口罩为雏形，进行资料的收集与整理，并且从口罩的类型、制作材质、佩戴方式、设计造型四个方面进行数据的对比与分析。以设计出新的防护性强的口罩为目的，解决目前市面上针对新型冠状病毒的专用一次性防护口罩的设计问题，探索更加人性化的口罩设计，尋找既节约成本，又具有防护效用的口罩设计。根据对比结果，提出全新的口罩设计理念，使其具有舒适性、低成本、有效阻隔气溶胶的特点。从而促进口罩设计进一步发展，并且促使消费者养成使用口罩的习惯，为人类战胜病毒尽一点绵薄之力。

关键词：口罩;设计;人性化;新冠病毒

口罩的雏形出现在13世纪初的中国，皇宫中的宫女和太监在打扫时，使用丝帕来遮掩口鼻，以防止灰尘的侵入。依据相关资料显示，在元朝，御膳房的宫女，在呈上食物的时候，就使用绢布来蒙住口鼻，以确保食物的卫生。但是，由于这一时期的科学技术水平十分有限，所以口罩多是在王公贵族里使用，并且它的材质多为珍贵的蚕丝与黄金线，造价非常昂贵，使用范围较小。一直到19世纪末，随着科学技术的发展，口罩开始涉猎医学领域，德国的病理学家莱德奇发明了纱布医用口罩，它主要用于防止细菌感染，并且建议医护人员都使用。到了20世纪，流感病毒猖獗，使得口罩的使用范围逐步扩大，成为大众的日常用品，它的作用主要是用于预防和阻隔病毒。随后的岁月里，又因为鼠疫、禽流感、甲型流感H1N1、SARS、PM2.5的雾霾等原因，口罩的使用频率逐步提升，种类也逐步增多。在全球范围内，使用口罩最多的国家是日本，据日本卫生材料工业联合会统计，去年一年日本的口罩数量约49亿个，而日本的人口仅1.27亿，这些口罩78%用于国民本身，他们对口罩的花费高达2亿3千万美金。2020年，因为疫情的缘故，口罩在全球的需求量急剧上升，口罩的新冠病毒防护性设计问题迫在眉睫。

一、研究概况

作为最先发现这一病毒的国家，我国对于新型冠状病毒的防御措施做得是比较严格的，与此同时，我国也是口罩使用和输出大国。这就意味着口罩设计具有重大意义。2020年2月4日，国务院针对新型冠状病毒的疫情现状，出台了《不同人群预防新型冠状病毒感染口罩选择和使用技术指引》，指导不同风险的人群使用防护口罩，包括医用防护口罩、N95/KN95、一次性医用外科口罩、单次的医用口罩^[1]。针对不同地区、不同的场合，不同的人群需要采取不同的防护措施，即针对人群实行精准防护，不同场所及人员应选择与其相适应的口罩，且应该正确处理使用后的口罩而不造成新的污染^[2]。下面针对口罩的具体类型和使用范围进行详细分析。

（一）口罩的类型

口罩按照用途来分，可分为医学使用口罩、预防雾霾天气的口罩、预防粉尘、或者花粉的防过敏口罩;按照材质来分，可分为纯棉、无纺布、高分子材料活性炭纤维毡、活性炭粉滤芯、熔喷布等;按照型号规格来分，可分为N系列、R系列、P系列。其中N系列又因为对细小粉尘的过滤比例，分为N95和N99。其中的“N”，是指不耐油性的颗粒物;“95”的意思是：过滤颗粒物的效果可以达到95%。“99”是指过滤颗粒物的效果可以达到99%。

其他还有供气式口罩、空气过滤式口罩等，种类繁多。其中最常用的四种口罩具体数据见表1。

（二）现有口罩存在问题

基于对以上图表上的数据对比分析，现得出以下结论：（1）防护级别从高到低排序：专业级医用防护口罩>N95/KN95>一次性医用外科口罩>一次性医用防护口罩。（2）防护级别越高的专业级医用防护口罩，它阻隔病毒的能力越强、使用的过滤性材质也更加高级、口罩与人脸的密合度也更加紧密。（3）存在问题：这类口罩由于防护性较高，材质过滤性较好，在呼吸的时候，会造成一定的阻力。如果佩戴的时间较长，会影响呼吸，加重负担，造成不适感。同时，透气性和吸湿性也更差，这就意味着舒适性能更差，并且造价昂贵。由上述三点得出：医用防护口罩不适用于普通人群日常出门使用。经调查发现，普通人群大多数会选择一次性医用口罩作为日常出门使用，它的优点是造价低廉，舒适性较高。其缺点在于它不具有阻隔气溶胶的功能，不能有效阻隔新冠病毒。经研究表明，之所以要求民众佩戴口罩，是因为它可以利用其过滤层，有效地把病毒阻隔在口罩外面，从而减少佩戴者被传染的概率。针对市场上这类口罩产品进行了调研，发现它们的价格高低不一^[3]，质量参差不齐。所以在设计过程中，主要从以下三点来考虑：一是口罩的材质。口罩是通过过滤材质来过滤掉病毒，口罩的过滤性能主要由中间层的滤料决定。目前常用的滤料是一种由聚丙烯超细纤维制成的熔喷无纺布，它轻薄、透气性好，同时能高效过滤空气中的颗粒物。其次是口罩的密合度。目前市场上存在的单次使用的医用防护口罩多为一体式的，面部的密合度较差，不利于新冠病毒的防护。在这方面，需要做精巧的设计。三是佩戴方式。目前仍需要通过调研和筛选进行设计的再调整，以达到最大程度的病毒防护和舒适度的提升。必须遵循以上三项设计原则。

二、 一次性防护口罩设计

（一）口罩的佩戴方式设计

口罩按照佩戴方式来分，可分为耳戴式、头戴式、颈戴式^[4]，具体见表2。

基于上述优缺点的比较，得出目前市面上绝大多数口罩都是耳戴式。它是直接挂在耳朵上，其好处是比较容易穿脱，缺点是长期佩戴会对耳部造成一定的压迫性。头戴式口罩是通过两条带子，一条挂与脑后，一条挂在脖颈处，来实现佩戴。相较于耳戴式，它的受力方式更加均匀，佩戴起来也更加舒适，但是缺点是穿戴较为繁琐，尤其不利于喜欢戴帽子和耳机的人群。颈戴式是直接粘贴在脖子上，时间久了对脖子也有一定的压迫。通过上述对比分析，在口罩设计的佩戴方式上，选择了容易穿脱的耳戴式，并针对其缺点进行了设计再改造。在耳戴式口罩上，增加了调节扣装置，便于佩戴者根据自己的脸型需求，调节松紧，以减轻口罩佩戴给耳部带来的不适感。

在调节扣的选择上，参考了市面上的扣子，分别挑选了表3所示的六种比较常用的扣子，并且针对它的舒适性，价格、尺寸、材质等多方面做了研究与分析，然后选用最后一款扁扣作为口罩上的长度调节扣，它的特点是更加小巧，直径为9mm，方便佩戴，并且它的材质是较为柔软的硅胶材质，增加了耳部佩戴的舒适感。

在口罩的耳绳设计上，选用了弹力较大的涤纶丝包筋绳，它的主要成分是氨纶。氨纶的实心密度较大，相较于一般的牛筋绳弹性更大，更符合设计的需求，具有方便调节大小的作用。在绳子尺寸的选择上，常用的尺寸有3mm、4mm、5mm、6mm。根据人体力学原理，选择了佩戴较为舒适的3mm尺寸为绳子的宽度，绳子的形状又分为圆形和扁形，圆形的绳子容易滑动，所以选择了扁形绳子，以完成口罩调节绳部分的设计，具体设计稿见图4。

（二）口罩的材质设计

目前确定的新型冠状病毒，它的主要传播方式有：唾液传染、触摸传染和气溶胶传染^[5]。口罩的设计主要是针对唾液传染和气溶胶传染两种传染途径。阻隔的重点在于材质的选择。通过调查发现，制作口罩的材料有很多，如熔喷法无纺布、黏纺法无纺布、莫代尔丝绵布、PU海绵等。在医用口罩的制作上，选用的材质主要有下列几款：首先是PP聚丙烯无纺布，它的特点主要是亲肤，柔软性较好，具有吸湿功能，一般用于和皮肤接触的最里层。二是最重要的熔喷法无纺布，它是一种超细静电纤维，结构纵横交错，纤维直径范围为0.5-10微米。它最大的特点是拥有静电吸附能力，利用这一原理将病毒、飞沫粘在口罩上，阻止它进入呼吸道。除了过滤性之外，它还具有很好的屏蔽性、绝热性和吸油性，是口罩中心层的必备材料。三是丙纶无纺布，主要用于口罩的最外层。它做了防水处理，用于隔绝患者喷出的液体，起到防飞沫的作用。四是纺粘法无纺布，它是利用化纤纺丝的方法，将高聚物纺丝、牵伸、铺叠成网，最后经针刺、或热轧等方法固结成布。纺粘无纺布具有过滤阻力小、过滤效率高且较高的抗静水压能力等优点^[6]。由图1得知医用防护口罩是可以防护新冠病毒的气溶胶的，但是一次性医用口罩则不可以防护。经过对比发现，主要差异有两个方面：一是中间的熔喷层，医用防护口罩采取两层熔喷布，而一次性医用口罩则只有一层;二是外层无纺布的克数也有一定的区别，医用防护口罩一般采用30G-50G的厚度无纺布，而一次性医用口罩多使用25G的无纺布，与医用防护口罩相比防护性能弱，但是医用防护口罩造价成本较高，非医护人员一般不宜长期使用，具体对比见图5。

经过对比，采用两者结合的方式来设计新冠防护口罩的材质，在一些重要的区域，如鼻子和嘴巴，采用四层防护，而面部其他部分依旧延用三层防护，这样设计的好处是既加大了防护功能，又节约了成本。

（三）口罩的造型设计

口罩按照形状可分为平面式、罩杯式、纵向折叠式、横向折叠式四类。平面口罩的密封性较差，但易自动化生产，价格便宜。罩杯式口罩为较硬质杯体，使呼吸空间变大。纵向折叠式口罩可在主体中间沿纵向折叠，折叠后不占空间便于携带。横向折叠式可以在主体中间沿横向折叠较纵向折叠式空间大，又可以折叠方便携带^[7]，具体见表6。

根据以上资料显示，发现不同形状的口罩各有千秋，为了设计出佩戴舒适度高，成本相对较低，并且可以有效防控新冠病毒的口罩，故而在形状上做了以下调整，具体分为两个部分来着重设计：一是鼻子部分，二是嘴巴部分。

1.鼻子部分的设计

市面上的口罩在鼻子部分的设计相对空缺，大部分为一体式的口罩，只有横向折叠式口罩针对鼻子的部分，做了一定的设计，但是舒适度和贴合度不够，原因是口罩与亚洲人的脸型不够匹配。研究发现，我国男性的鼻高、鼻长、鼻深、鼻宽数值大于女性，而鼻尖角、鼻额角、鼻唇角的角度则是女性大于男性^[8]。根据这一特征，在设计上分别针对男性和女性鼻子部分尺寸的不同，进行了分类设计。通过数据的采集，收集了100名成人的鼻子尺寸，详见表7，根据测量数值，采用图表中的最小值、均值和最大值，分别给男性和女性设置了三个不同的型号，即SML。

一次性医用口罩不具备防控气溶胶的功能，所以在重要的区域，即鼻子呼吸区（图8阴影部分）设计了和医用防护口罩相同的四层无纺布结构，且无纺布的克数为50G，其他区域还是延用一次性医用口罩的三层无纺布结构设计，且无纺布的克数为25G。这样设计的优势在于既增加了口罩防护性功能，又节约了成本，并且不会太过闷气，方便长时间佩戴，增加了舒适感（如图8）。

后续，还会根据婴儿和儿童的特点，参照《儿童口罩技术规范》GB/T38880-2020的标准^[9]，调节数值，设计出专门的口罩。儿童活泼好动，需要注意金属鼻压条对儿童可能造成的伤害。相比成人，儿童的鼻部偏扁平，柔软的海绵封条更为合适，还省去了带口罩后调整鼻压条的步骤。处于心肺发育中的儿童呼吸能力要明显弱于成人，所以儿童口罩的呼吸阻力不能过大。它们的尺寸和成人的差异也较大。

2.嘴巴部分的设计

嘴巴部分的设计延用了鼻子的设计精髓，采用了三角几何作为主体形状。三角形具有稳定性的特征，可以促使形状不易发生改变。依据嘴巴的结构特征，由六个三角形组成，并且在图9中，标注2、3、4、5的四个区域，采用与鼻子三角区相同的四层无纺布结构，1和6两个区域使用三层无纺布结构，这样可以提升嘴部呼气部分的抗病毒性，具体设计方案见图9。

3.总设计图解析

整个设计以防护性能为前提，在原有一次性医用口罩的基础上，针对口罩的造型、材质、佩戴方式做了优化和升级。因为三角形具有稳定性，并且几何体呈现出简洁大方的视觉效果，所以在鼻子和嘴巴的造型设计上，采用三角形作为主题元素。在鼻子和嘴巴的部分，设计边缘连接处都使用了超声波焊接，它的特点在于焊点处与其他部分无缝连接，并且不变型，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。在口罩的上边缘处采用隐藏式金属鼻梁条，它具有柔韧性。基于全局轮廓点特征，对脸型结构进行分类分析与研究^[10]，设计出贴合脸型角度的面罩部分，减少有害物质吸入。口罩的长度延伸至耳朵前方，做了拉长设计，这样做的目的也是为了加大密封性。口罩的上端选用了弧线设计，可以更加贴合面部，增加舒适感，最终设计图见图10。

三、结语

此次主要针对近期出现的新型冠状病毒，对口罩进行了升级版的设计。该口罩主要为普通群众日常佩戴使用。其造型大量运用了几何体，使得口罩的外形简洁大方，富有设计感，并且通过鼻子和嘴巴部分分区的方式，增加了口罩的空间感和舒适感。在呼吸的着重区域加大了熔喷无纺布的使用，从而改善了一次性口罩无法抵御气溶胶的弊端，增加了口罩的防护性，为病毒的防护起到了重要作用。

参考文献：

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作者简介：吉予彤，硕士，江苏建筑职业技术学院讲师。

编辑：高瑾