后疫情时代一次性口罩的绿色设计研究

江小浦，郑敏，胡书可

（南昌大学 建筑与设计学院，南昌 330031）

近年来全球空气污染日渐严重，加之2019年一场突如其来的新冠肺炎疫情，口罩作为方便有效的一次性自我防护用品成为全球最紧俏的商品。在此次防疫过程中，佩戴口罩成为控制病毒传播最重要的措施之一。口罩除了作为医疗防护以外，还可以阻挡可吸入颗粒物从口鼻进入人体[1]。大众对于口罩的需求激增，仅2019年2月底口罩的日生产总量就达到了1.16亿。虽然产能扩张一方面解决了一次性口罩的市场需求，但是随着疫情的全球蔓延，口罩使用量激增另一方面也造成资源的巨大浪费。因此，社会各界对于一次性口罩这种大量使用并且频繁更换的产品愈发重视，为解决它所带来的上述问题，市场上出现的口罩种类越来越多样化[2]。

本文从产品对环境的影响、产品外观舒适性、产品的生命周期等方面发现口罩带来的问题，并对其进行分析，最终提出合理化建议。

1 使用现状与废弃处理问题

1.1 调研分析

在线上线下一共发放240份问卷，统计有效问卷207份。问卷重点关注一次性口罩的结构、材料等。分析结论如下。

1.1.1 产品款式分析

基于用户体验的视角，对消费者选择口罩的款式偏好进行调查。现今市面上售卖的口罩大致分为3种佩戴方式，分别是挂耳式、头戴式、颈带式，见图1，挂耳是佩戴最普遍的方式。大部分的消费者都喜欢挂耳式的佩戴方式，这种方式佩戴舒服、方便；头戴式和颈带式的口罩佩戴方式虽然有缓解面部压迫和耳部的束缚力等作用，由于其有美观性不强、穿戴麻烦等问题，所以用户的选择率较低。口罩的形状也分多种形式，佩戴最多的形式有横或竖向折叠式、杯型、平面式等[3]，见图2。对于口罩的形状，大众更加偏爱平面式的口罩，杯型的口罩由于美观性不足和不方便携带等原因少有人选择。由上述分析可得，口罩的美观性和便携性是影响消费者选择口罩的重要因素。

图1 防护口罩的佩戴方式Fig.1 Wearing method of protective mask

图2 防护口罩的形状Fig.2 Shape of respirator

1.1.2 品结构分析

佩戴的舒适性与合理性也是大众选择口罩的重要因素之一，结构设计直接影响到口罩佩戴的舒适性和合理性。一般一次性口罩由口罩体、挂绳、鼻压条等部分组成，口罩体的剪裁方式和大小与面部的贴合程度有关，剪裁不合理会影响到口罩的使用效果和佩戴的舒适性[4]；挂绳的尺寸不符合人脸面部尺寸会影响使用者佩戴的松紧度。对于女性，鼻压条太重或太大会蹭花妆容，对于孩子，鼻压条尺寸不合适又达不到口罩使用的效果。因此，口罩的每个部分都会影响到他的佩戴舒适性和合理性。影响口罩佩戴舒适性和合理性的一些因素及占比，见图3。

图3 口罩结构设计存在的问题Fig.3 Problems in the structural design of masks

1.1.3 产品材料分析

普通的一次性口罩一般由3层或3层以上非织造

织物组成，从外到内分别是外层、过滤层、内层，对应的层次材料是纺黏层、熔喷层、纺黏层。最外层只能过滤较大颗粒物，中间层也就是口罩的核心层，核心层过滤颗粒的效果也体现了整个口罩过滤颗粒的效率，内层与使用者面部贴合，与佩戴舒适性相关联[5]。另外，产品的透气性、吸湿性、触感、吸湿速干效果等也与口罩的材料有关。图4为市面上口罩设计时，关于在材料选择上会出现的一些问题的调查结果。

图4 材料对于口罩佩戴的影响Fig.4 Influence of material on wearing effect of mask

1.2 问题归因

1.2.1 结构方面

新冠肺炎疫情来势汹汹，在全球范围内蔓延。防疫必备的通用一次性口罩的尺寸结构并不适合某些特殊人群，例如老人、儿童等[6]。这类口罩不符合儿童的脸部特征，口罩的贴合度不够，防护效果也难保证；对于有呼吸困难的老人来说，佩戴透气性不好的口罩他们会感到不适；脸部较宽的成年男性佩戴通用口罩会因为耳绳的尺寸不够，压迫耳部造成耳朵酸痛，面部紧贴无法正常呼吸，这些都是在设计一次性口罩时需要解决的问题。上述分析是从用户体验的视角来看的，口罩不符合人机工程学的尺寸结构设计，导致用户体验不佳。基于绿色设计的角度发现，非模块化、标准化的结构设计造成口罩在废弃之后基本无回收利用的价值。随意处理容易造成环境污染，回收处理费时费力，交叉感染概率大，用毕即弃造成大量浪费[7]。因此，在口罩设计研发的过程中，合理改进口罩的结构设计不仅能够提升用户的使用体验，也使口罩废弃之后的回收处理更加方便有效。

1.2.2 材料方面

一次性口罩的结构由口罩体、挂绳、鼻压条等部分组成。其中口罩体的核心层与防水层的材料常用聚丙烯，挂绳常用聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氨酯，鼻压条以聚丙烯镀锌铁丝、聚乙烯镀锌铁丝或铝条等作为常用材料[8]。废弃后的这些材料不能简单处理，处理不当不仅浪费资源，而且会污染环境。当前，一次性口罩的废弃处理有以下4种方式：高温焚烧，这种方式处理会产生大量的热能供应发电或者蒸汽动力，但也会产生大量污染环境的气体；填埋降解，口罩的材料都是高聚物，通过微生物进行分解，耗时较长，污染土壤；机械共混，将粉碎的一次性口罩与其他无机物混合，用作其他低端产品的生产；化学回收，利用化学反应重新加聚这些聚合物使之成为升级功能的新材料，但这种方式费时费力增加成本[9]。这4种处理方式都不尽如人意，无法通过这些处理方式实现增值，不能带来更多的能源和经济效益。基于绿色设计的角度出发，从一次性口罩使用的材料中寻求突破不失为一种有效的方法。

2 绿色产品生命周期

绿色制造是各国各界人士都广泛关注的问题，是21世纪制造业发展的新方向，同时也对产品全生命周期的资源消耗和环境影响具有决定性的作用。因此，在产品设计阶段，要考虑零部件多寿命周期服役、材料相容性、可拆解性等因素，以提高产品生命终期（End of Life，EOL）的回收、拆解效率及零部件再制造的服役安全寿命[10]。国家近些年大力倡导绿色发展。传统的生命周期是“研发–制造–使用–报废”的过程，这种产品生命周期已经不符合现代社会提倡的可持续生产理念。柳冠中先生曾提出过“从摇篮到摇篮”的概念，符合时代呼吁的绿色发展原则。为紧跟时代步伐，现在的可持续发展的产品生命周期也有所调整，即“研发–制造–使用–再循环”的过程。疫情期间及后疫情时代，口罩等大量的一次性医疗防护用品需要及时合理地处理。本文主要从产品报废处理提出合理的见解，产品报废处理流程阶段主要包括产品的再利用、再制造、回收、环保处理4个阶段，见图5。

图5 产品生命周期的报废处理流程图Fig.5 Scrapping process flow chart of product life cycle

3 对三类优化的环保口罩AHP分析

层次分析法(AHP)是美国运筹学家匹茨堡大学教授萨蒂于20世纪70年代初，提出的一种层次权重决策分析方法。这种方法的特点是在对复杂的决策问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上，利用较少定量信息使决策的思维过程“数学化”，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的决策方法[11]。决策是指在面临多种方案时需要依据一定的标准选择某一种方案。

通过对一次性口罩结构和材料等方面的分析，结合绿色生命周期提出的材料相容性、可拆解性等因素，针对用户体验的痛点和废弃后回收再利用的痛点这两方面进行突破。本文从众多创新性设计的一次性方便回收利用的口罩中选择三类口罩。对ABC三类口罩从造型、功能、材料、可拆卸性四个方面进行对比，见表1。选取舒适性、透气性、过滤性、回收性等四个因素，使用AHP分析方法，对四个因素进行分析（见图6），分析其所占比重，以及综合评分，得出哪种口罩最符合绿色回收处理的方式。A款为新型一次性防感染医用口罩；B款为3D打印的双层可拆卸式防护口罩；C款为通用型防护口罩。

表1 3款口罩对比分析Tab.1 Comparative analysis of three masks

成对比较阵标度见表2。

表2 标度表Tab.2 Scale table

构建模型见图6，Z表示选择合适口罩。A1、A2、A3、A4分别表示透气性、回收性、过滤性、舒适性。B1、B2、B3分别表示A款、B款、C款口罩。

图6 构建模型Fig.6 Build model

构建成对比较矩阵

构建方案层的矩阵分别为A1-B、A2-B、A3-B、A4-B，见表4—5。

表3 Z-A的判断矩阵Tab.3 Judgment matrix of Z-A

表4 A1-B、A2-B的判断矩阵Tab.4 Judgment matrix of A1-B、A2-B

表5 A3-B、A4-B的判断矩阵Tab.5 Judgment matrix of A3-B、A4-B

结果分析，根据以上4个判断矩阵，由软件计算可得一致性检验结果，见表6。

表6 指标对应表Tab.6 Corresponding index table

由表6可知每个判断矩阵均通过一致性检验，并得到权重结果如下。

B1、B2、B3对A1的权重为[0.142 9，0.428 6，0.428 6]；

B1、B2、B3对A2的权重为[0.109 6，0.309 2，0.581 3]；

B1、B2、B3对A3的权重为[0.163 8，0.297 3，0.539]；

B1、B2、B3对A4的权重为[0.106 2，0.633 4，0.260 5]。

计算层次总排序权值和一致性检验B1对总目标的权值如下：

0.142 9×0.293 7+0.109 6×0.121 1+0.163 8×0.523 8 +0.106 2×0.061 4=0.148

同理得，B2、B3对总目标的权值分别为0.358，0.495，决策层对总目标的权向量为[0.148，0.358，0.495]，可作为最后的决策依据。

即各方案的权重排序为B3＞B2＞B1。

又B1、B2、B3分别表示A款一种新型一次性防感染医用口罩，B款3D打印的双层可拆卸式防护口罩，C款通用型防护口罩。

故最后的决策选取C款通用型防护口罩，从绿色生命周期的4个阶段分析改进建议。

4 从绿色生命周期的角度提出创新设计建议

4.1 再利用阶段

再利用阶段对应产品使用阶段，也就是产品的重复使用率。对于普通的一次性口罩来讲，它的使用次数就是一次，提高它的使用次数就是提高产品的使用率。基于有效防护病毒的前提下如何提高产品的使用率同时保证不出现交叉感染的情况，唯有口罩生产厂家和设计师尽可能对口罩进行设计再创新。经过上述的分析结果可知，C款值得借鉴。普通的一次性口罩佩戴4 h以上就会丧失其过滤性和密闭性，防护效果逐渐降低。而C款在有效减少基础材料浪费的原则上，开发了只更换隔离体的口罩，在佩戴2～4 h以上时可通过更换隔离体恢复口罩的过滤效果，延长佩戴的时长，减少资源的浪费。但是这款口罩也有不足之处，根据结构设计可以看出，复杂的结构设计造成口罩的生产成本增加。除了可替换隔离体的口罩可以提高口罩的重复使用率，自主杀菌消毒的口罩更符合绿色制造的理念。从机会点出发，以C款口罩为基础提出改进方向：替换本身具有消杀功能的过滤芯材料；可设置消杀单向呼吸阀，有效防止呼出的气体造成眼镜起雾；可设计一体化的小巧方便携带的消毒盒，既可以解决口罩暂时存放的问题，也可以消毒杀菌，延长口罩的使用寿命，对于皮肤容易过敏的女性而言也可降低口罩接触皮肤时的过敏率。

4.2 再制造阶段

再制造阶段对应产品的生产制造，即口罩使用的材料经过简单处理就可再次生产制造使用。这个阶段也注重产品的结构设计，可拆卸式口罩的设计与可降解材料的选择是实现口罩在再制造阶段可回收利用的有效方式。抗疫防疫期间，日常最常见的佩戴口罩有3种，医用、民用、KN95。3种口罩均由3种材料组成，其中民用口罩与医用口罩的原理相同，最具有作用的就是中间层，通过中间的熔喷布过滤空气中的有害物质，防止灰尘和病毒等有害物质进入人体[12]；KN95口罩分别由针刺棉、熔喷布和无纺布组成，针刺棉外加熔喷布的防护效果达到95%，在三类口罩中防护效果最佳，医用口罩的防护效果大于民用口罩。由此可知，仅核心层的熔喷布防护效果就有不同，关于口罩的熔喷布有多种材料可用，聚丙烯是普通一次性口罩熔喷布的原料，但是这类口罩处理不当会造成环境污染[13]。因此，必须考虑采用可降解的新型材料，才能使口罩的生产符合节约型、环保型、可持续发展的原则。通过对比分析各类可降解材料，整理出以下4种类可降解材料可供选择，见表7。

表7 可降解材质的优点Tab.7 Advantages of degradable materials

分析得出的C款口罩，中间层采用可降解材料，使这款口罩在再制造阶段就能实现绿色回收的目的。除此以外，从市场需求的角度出发提出两种废弃材料处理有效方式：熔喷布具有超大超细的纤维表面，易于实现物理改性，可用于制备功能性薄膜和废水处理领域；经过消杀处理粉碎后用作其他低端产品的原材料，如电池隔膜材料、擦拭材料等。这种方式需要口罩有良好的可拆解性，方便其分类回收再利用。

4.3 回收阶段

回收阶段是产品研发和产品制造的中间阶段，需要考虑产品绿色发展的问题。对于熔喷布，大部分人对它的了解仅限于口罩过滤层材料。普通口罩的核心层就是熔喷布，原料成分为聚乙烯，填埋焚烧皆不是有效合理的处理方式[14]。熔喷布在其他的领域应用广泛，对于大量一次性用毕即弃的口罩，熔喷布经过特殊处理成原料后再次重新使用是很有必要的。熔喷布发展于美国，我国在20世纪50年代也开始对熔喷布进行研究，加之2019年的新冠肺炎疫情，对熔喷布的需求量剧增，加速了各大企业对熔喷布的研究。以C款口罩为例，废弃后采用降解方式再次获得其他用途。此外，从原材料需求的角度提出两种有效处理方式：一是熔喷布除了是口罩的生产原料外还可用做保暖材料、过滤材料、医疗卫生等。熔喷布经过有效处理后返回到原材料阶段再次利用，这个过程本身就增加了消毒杀菌的次数，多次进行杀菌处理降低交叉感染风险，处理过的原料可以再次作为保暖材料使用，解决了资源的大量浪费，也符合现代产品生命周期的理念，最终实现“从摇篮到摇篮”这一过程。二是通过化学方式升级再造，将过滤芯、耳带、鼻压条等材料转换成更高附加值的新型高性能材料。

4.4 环保处理阶段

环保处理阶段更注重不可回收材料的处理方式，或者这些材料回收利用消耗的成本较大。选择合理有效的方式进行处理，避免造成二次污染环境的问题[15]。在口罩处理中除避免交叉感染外，还要防止这类材料被无良商家再次利用。回收处理必须遵循绿色环保的原则，人工处理的方式，费时费力，同时也提高交叉感染的风险。无人自助回收处理设备就可以有效解决这些问题，这些设备可以摆放在机场、车站、地铁站等人流量大的公共区域[16]。C款口罩分别是隔离体、结构体、捆绑体组成。隔离体真空包装定时更换，结构体、捆绑体需要分类回收处理。从需求痛点出发提出合理建议：设置自助回收装置。C款口罩为可拆卸设计，废弃后各类材料可分类回收。为吸引用户使用无人自助回收设备，可以设置实用且合理的交换方式。口罩每2～4 h就要更换一次，更换的口罩通过自助设备提供。提升全民对口罩分类处理的意识，不仅提高口罩的集中处理率，也做到与其他资源的有效整合。公共设备要符合绿色设备的设计原则。同时公共设备作为公共空间的一部分可以宣传广告，传递精神文明的内涵和意识形态，在防疫期间也可以宣传防疫知识。

5 结语

注重绿色设计与可持续发展不仅体现在产品生命周期的尾端，更应该贯穿于产品开发-生产-使用-回收整个过程。本文抓住用户需求和废弃处理两大痛点，从产品生命全周期中思考口罩的绿色优化设计。提出创新设计点和改进建议，使用户拥有更佳的使用体验，废弃分类处理有效便捷。

设计源于人们的日常生活，其本质就包含对用户情感需求和对美好生活的维护。为营造“绿水青山”的生态环境，绿色设计理念将在更多类似于一次性口罩这种使用周期短、使用频率高且对环境影响较大的产品设计中发挥显著的作用。