疫情常态化下防起雾口罩设计

孙丹阳 顾昶舜 唐 真 王煜恒 上海工程技术大学

0 前言

疫情常态化时期人们外出时，经常会佩戴口罩来起到防护作用，在这些口罩使用者中，戴眼镜的使用者占据了极大一部分比例。对于他们而言，戴口罩时鼻子呼出的气会从口罩与鼻子之间的缝隙向上冒出，这些气体中的水蒸气遇到眼镜的镜片会凝结成水滴形成雾气，导致人们视线模糊，使行动非常不便[1]。因此，佩戴口罩导致的镜片起雾将直接危害到使用者的生命安全，具有极大的安全隐患。此外，由于口罩使用量巨大，大量废弃口罩在被丢弃后难以处理，掩埋成为了最好的手段，但这也导致了环境污染问题的加剧。由此，对新型环保防起雾口罩的研究迫在眉睫。

本文从三个方面展开对防起雾口罩设计的研究：一是对市面上医用口罩的材料展开研究；二是对口罩结构的设计思路展开研究；三是对口罩如何设计成可循环利用的环保产品展开研究。希望能够为防起雾口罩设计提供新思路。

1 口罩相关调研

1.1 常见医用口罩材料调研

医用口罩多采用一层或者多层非织造布复合材料制作而成，主要生产工艺包括熔喷、纺粘、热风或者针刺等，具有抵抗液体、过滤颗粒物和细菌等效用，是一种医疗防护用纺织品。由于材料密度大，以致口罩内人体呼出的热气无法直接排到环境中，口罩的铝片没有贴近鼻梁就会使热气向上流动到达镜片产生起雾现象。如果选择密度较低的复合材料则无法阻拦病毒、细菌的侵入，因此在新型复合材料研制出来前，材料并不能作为主要改进对象。

1.2 口罩结构设计调研

在对市面上主流口罩设计的调研中发现：在新型冠状病毒肺炎疫情期间，人们使用的口罩主要分为呼气阀口罩和无呼气阀口罩。呼气阀口罩利用负气压原理，通过单向阀门，使呼出的气体可排出，同时阻止外来气体中的颗粒物，并且能够减少口罩内部的闷热感。但是由于中间没有过滤层，导致此设计只是单方面保护戴口罩者，一旦戴口罩者为感染者，对于周边人群不具保护性，因此医生推荐使用无呼气阀的口罩。而无呼气阀口罩的全封闭包围设计可以做到双面保护，但无呼气阀口罩呼吸困难度要高于呼气阀口罩。

2 种常用口罩与使用者面部贴合都是依赖于鼻梁部位的可变形金属条结构。由于每个人的脸部结构和大小不同，可变形金属条结构几乎无法使口罩与所有使用者面部完全贴合，这也导致了佩戴眼镜的使用者在佩戴口罩时产生镜片起雾现象。由此，防起雾口罩的结构设计可以从以下两方面入手：一是防止呼出的热气从口罩与脸部的缝隙处流出；二是为这些热气构造出一个更合理的出气位置，使得气体能够在不会流动到镜片位置的基础上排出。

1.3 可循环利用口罩调研

调研发现，医生曾经教过如何让口罩循环利用的方法：首先，沸水蒸3 min后晾干；其次，用75%酒精喷洒双面后晾干；最后，用医用紫外线灯照射10 min。这种方法需要使用者们多次清洁口罩本身。但是，多次清洁会造成口罩防护效力大幅降低，并且这种口罩的成本过高，难以大范围推广。

本设计采用一种可拆卸式结构，将滤芯结构与口罩外层结构分离。口罩在使用完后可丢弃其滤芯，这虽会产生垃圾，但生产成本低、污染少，方便使用者更换及携带。采用双层可拆卸式设计，通过更换一次性柔性滤芯和口罩内外层消毒，可实现口罩的多次循环使用，提高了资源的利用率[2]。

2 防起雾口罩设计

2.1 设计基本要点

一是安全性。产品的设计应该满足使用者的安全需求，在病毒防护方面不能偷工减料，使用者的人身安全应获得必要的保障。二是环保性。作为一款环保类可循环利用产品，需要在减少环境污染、降低成本等方面着手，满足设计初衷。三是人性化。从以人为本的设计理念出发，此产品对不同年龄不同性别的所有使用者而言都应具有易通性和便捷性，满足使用者的佩戴与使用需求，让使用者获得良好的使用体验。四是功能性。本产品最核心的是防起雾功能，为此对于所有使用者而言本产品的功能性都应得到良好的体现。五是创新性。创新是发展的原动力，跨界、融合与交叉是创新的源泉[3]。产品可在材质、化学反应、加工工艺等方面进行创新，提升市场核心竞争力。

2.2 结构设计

本防起雾口罩的主体结构设计采用云状结构，以人的鼻梁上端和下颌下巴构成三点支撑，其形状类似“凸”字。一方面保证功能，尽可能减小面积以减少生产成本；另一方面这样的造型可以更加贴合人体面部，见图1。

图1 防起雾口罩云状主体结构

本设计主体主要分为内外2 层。内层插入N95级别的滤芯，满足上述医生推荐减少佩戴空气阀口罩的要求以及尽可能保证口罩简易方便的性质。在内层滤芯上对应人体的口鼻部位增添了通气滤网结构，方便呼气、吸气交换。在外层也同样放弃了呼吸阀门结构，取而代之的是通气孔洞的设计，沿着口罩的外围设计排列一圈通气孔洞，人们呼吸的气体通过口罩内外层的交互，从内层的通气滤网到外层的通气孔洞产生流动，在内外层形成气体的交换循环系统，见图2。所以，“凸”造型在这里再一次体现了其作用：一是这种形状可以贴合使用者面部从而能够最大程度地防止气体从缝隙处进出；二是由于口罩的造型会直接影响口罩外围通气孔洞的位置排列，所以口罩两侧只遮住了脸的下半部分，也是为了使通气孔洞尽可能地远离佩戴眼镜的位置，从物理距离上减小了气体与镜片接触的可能性。在这种循环流动系统的构造下，内外层的设计使得口罩带给人们的防护功能达到甚至强于市面上多数口罩的水平，并且还有效避开了口罩起雾的源头——使人们从口鼻处呼吸气时产生的热气从口罩上方与人体贴合缝隙处流向镜片。

图2 口罩内外层交互

2.3 零部件功能与参数

2.3.1 分隔雾贴

为了更好地紧贴皮肤，防止气体从缝隙进出，口罩两侧外围以及中间主体上侧靠近鼻子部分的内部加装了一圈细长形状的分隔雾贴，可以通过按压来贴紧皮肤，见图3。为了减小分隔雾贴与皮服接触可能带来的不适感，在保证其功能的前提下尽可能缩小了其宽度，仅有约0.2～0.3 mm，使佩戴者的体验基本达到无感的程度。此外，在鼻子处的分隔雾贴的形状与眼镜的鼻梁架形状大概一致，使得架在鼻梁上的眼镜的重力带来的压力能使分隔雾贴贴紧，由此可以更好地配合佩戴眼镜。

图3 分隔雾贴

2.3.2 滤芯

为了提倡环保与节约，同时为了人们可以减少购买口罩的支出，使得单个口罩可以尽可能地多次使用，本设计采用可更换滤芯式的装置设计。口罩外层在中间长方形滤芯处的颜色为近乎透明，可以方便使用者观察内层可更换滤芯处的通风滤网的颜色变化。口罩内层可更换滤芯的通风滤网上运用相关化学原理，使得它能够随着佩戴时间的变化而逐渐变色，最开始内层滤芯采用与口罩主体颜色一致的黑色，等到通风滤网逐渐变白直到最后全白时就意味着需要更换滤芯了，见图4。

图4 半透明外层及内层可变色滤芯

2.3.3 内外层魔术贴

口罩内外层之间采用魔术贴设计，见图5。在滤芯外侧边缘与外层口罩内侧边缘处设计了细长的魔术贴，在与绳子的连接处采用卡扣设计，可以稳固连接口罩内外层，更换滤芯时不会使得连接不贴合。

图5 内外层魔术贴连接结构

2.3.4 绑绳及绑绳片

佩戴口罩的绑绳运用一种可拉伸的绳子材质，并且经过采集中国人头围数据后得到需要拉伸收缩的范围，通过调教使绑绳可在此范围内自由拉伸而不会超过弹性限度或者出现断裂，由此可以供不同头围的使用者根据自身情况修改长度，同时绑绳做了加宽加扁处理，见图6。口罩绑绳的佩戴方式是直接围绕头部一圈绑在头上，既保证佩戴的舒适度同时又能更好地令口罩贴合面部，防止起雾。

图6 绑绳

绑绳片加装在绑绳末端，一是为了整体的美观性，避免前重后轻，二是为了向后收纳绳子，便于头围较小人群或者儿童使用，见图7。

图7 绑片

2.3.5 颜色

口罩颜色主体采用黑色，对照内层可更换滤芯的通风滤网部位采用了半透明乳胶结构，内层可更换滤芯整体采用黑色转白色设计，黑白带来的强烈对比可以准确体现滤芯的使用程度，见图8。在口鼻处的通风滤网采用了无毒无害的化学反应原理，使其可随时间的变化而变色，口罩整体呈现了目前较为流行的赛博朋克风。口罩还可以提供其他颜色或者花纹甚至是个性化渲染服务，以迎合不同年龄段男女老少人群的需求。

图8 防起雾口罩整体演示

3 结束语

为全力应对疫情常态化下的疫情防控，口罩已成为人们生活中的必要物资。为了防止人们出行时因口罩起雾、不方便佩戴、不美观等因素而拒绝佩戴口罩，新型呼吸气结构以及可拆卸循环利用结构的新式防起雾口罩将会是人们的最佳选择。同时，本产品的新式结构与环保特性将一起构成产品的核心竞争力，推动同类产品的发展创新，从而适应社会需求。