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设计通用型防护口罩材料分析及一体化设计研究

2021/2/25    来源:互联网    作者:李旭  宁弘  时梁锐      
关键字:防护口罩  环保设计  
本文通过对不同适用口罩材料应用现状归纳与对比分析,得出性价比较高兼具实用性的环保材料生物降解聚氨酯,该材料用于口罩原料具有较好的市场应用前景。

引言

    新型冠状病毒疫情期间,国家疾控中心发布的《新型冠状病毒肺炎防控方案》中提到经呼吸道飞沫和接触传播经呼吸道飞沫和密切接触传播是主要的传播途径,社会民众对于防护口罩的需求激增,国家对此进行资源调配,使得全国口罩日产量在二月底达到1.16亿只,进一步缓解了口罩供需矛盾。由于我国人口基数大,日均口罩消耗量也十分惊人,由此引发出两个较为突出的问题:第一是一次性防护口罩用后即弃,频繁更换造成资源浪费;第二是熔喷布作为防护口罩核心部件材料,由化学材料聚丙烯制作合成,各地存在对于废弃口罩的处理不当造成环境污染等问题。针对这些问题,文章从节约型、可持续发展角度优化材料选用,并从一体化的设计的思路出发提出解决方案。

一、通用防护口罩的使用现状及问题

    (一)处理不当带来的环境污染与安全隐患

    根据医生建议,新型冠状病毒肺炎疫情期间的用户使用防护口罩需6-8小时更换一次,被更换下来口罩产生了数量巨大的废弃垃圾。如何妥善处理好废弃口罩也成为此次抗击新型冠状病毒肺炎疫情中的重要组成工作。以深圳市为例,各城区为住宅区为设置了废弃口罩专用收集容器,每日定期通过废弃口罩处理专用车运输处理。同时,安排专人定期对废弃口罩收集容器进行消毒,并做到废弃口罩存放时间不超过24个小时,运输车每日收集的废弃口罩约15万个,平均可以达到10分钟一车,废弃口罩运送至垃圾转运站进行多次严格消毒后,统一运送垃圾焚烧场进行专业化焚烧处理,最大程度地减少病菌传播。相比较之下,很多二三线城市的废弃口罩并未有如此的分类处理方案,而是将废弃口罩与生活垃圾同时处理,由环卫工作者收集,运输到垃圾中转站后进行消毒处理,最后通过焚烧或填埋处理。在垃圾处理过程中,环卫工作者存在较大的被感染的风险。由此给城区环境带来了病毒二次传播的风险和隐患。防护口罩所使用的熔喷布是由聚丙烯加聚反应构成的聚合物,聚丙烯也是各类塑料制品的原料,因此对废弃口罩垃圾回收后进行简单的焚烧、填满处理会造成环境的污染。此外,防护口罩中塑型条、皮筋无纺布等部件由于无法有效分离,难以得到充分利用,从而造成资源的浪费。

    (二)佩戴舒适性及适用性问题

    为了保证口罩与面部贴合度,口罩的防护结构对鼻梁和面部的会造成一定的压迫感。在需要长期佩戴口罩的情况下,佩戴者容易出现面部瘀痕和过敏刺痛。此外,通用一次防护口罩的尺寸以一般成人的平均脸部构造为参考标准,难以涵盖特殊群体的需求,特别是对于面部较小的年轻女性以及儿童。这些群体在佩戴口罩时,由于口罩过大造成无法充分贴合面部,难以起到有效防护作用。同时对于脸形较为圆润的成年男性,也会存在因口罩过小和绑带长度不够,从而造成口罩佩戴过紧、影响正常呼吸而无法正常佩戴的情况,这些问题都是需要通过重新设计才能有效解决。

二、防护口罩主要材料的综合分析

    (一)防护口罩材料选用要求分析

    防护口罩从应用场景的角度可大致分为三大类,民用口罩、医用口罩、工业口罩。每种口罩类型满足不同群体的防护需求。通过对新型冠状病毒肺炎疫情下常见的民用口罩、医用外科口罩、KN95型口罩三种级别的口罩进行材料与结构分析得知:医用外科口罩,一般为“纺粘层+熔喷层+纺粘层”结构组成,简称SMS结构,纺粘层支撑整个无纺布结构,同时采用环保型塑条或金属条贴塑性并贴合鼻梁,从起到口罩固定和封闭作用。口罩的熔喷层也称为阻隔层,是口罩的核心部件,可以阻挡细菌等微小颗粒的进入和渗透,起到呼吸隔离防护的作用,目前多采用聚丙烯(Polypropylene,简称PP)为原材料。KN95型口罩是中国国家标准GB 2626-2006认证的口罩类型,由针刺棉、熔喷布、无纺布组成,它的熔喷布通常采用40克及以上,再加上针刺棉的密封性较高,其防护过滤效果至少能达到95%。民用口罩材料与医用外科口罩实用性原理相同,主要是通过熔喷层的过滤进入口鼻的空气,隔离有害气体和飞沫。相比而言,民用口罩的防护指数低于医用口罩与工业口罩。

    (二)主要防护口罩材料及其特性分析

    聚丙烯作为性价比高、防护效果好的熔喷布原材料,一直被广泛应用于各类防护口罩的生产中,然而考虑到大量的废弃口罩垃圾处理不当对环境造成的污染问题,必须考虑采用可被自然降解及高性价比的新材料,才能使口罩生产走上节约型、可持续发展之路。我国针对可降解材料原材料的技术一直在积极地研发中,中原工学院申请了用聚乳酸多层纤维膜作为口罩材料发明专利,对聚乳酸进行实验研究,经过不断的探索,研制出三层纤维结构的复合纤维膜,有良好的过滤性、抗菌性和贴面性,废弃口罩还可以被生物所降解。盐城工业职业技术学院研究出降解纳米滤芯的开发技术,制备出的纳米滤芯具备吸湿、透气、舒适、抗菌等多种特性,为可降解口罩原料应用提供了解决思路方法。通过对相关材料之间的对比分析,筛选整理出了三种适用于制作口罩的可降解材料(见表1)。这些材料分别是可降解聚氨酯、聚丁二酸丁二醇、聚乳酸。同时通过对这些原材料的近100家供应商市场报价进行调研,筛选出具有代表性的十家供应商的报价(见表2),并将之与聚丙烯价格比对,最后找出既能满足功能需求同时满足成本控制要求的原材料。

表1 可降解材料对比分析表

可降解材料对比分析表

表2 可降解材料供应商价格对比分析

可降解材料供应商价格对比分析

    1.可降解聚氨酯材料特点:聚氨酯是一种有机高分子材料,由天然高分子化合物如淀粉、纤维素、单宁等转化为聚多元醇,经由此类原料合成的聚氨酯被称为生物质可降解聚氨酯。以聚氨酯为主要材料的口罩内部结构是三维立体网状结构,使粉尘隔离率高达99.5%以上。并且可以多次清洗使用,据研究显示清洗4-10次的粉尘阻隔率依然99%,提高了可重复使用效率。聚氨酯纤维的直径远远小于一般材料纤维直径,三维网状过滤结构使其更加透性、延展性、柔软度、贴合度更高。目前我国在可降解聚氨酯领域专利数量在世界保持领先的位置。

    2.聚丁二酸丁二醇酯材料特点:20世纪90年代,材料研究领域开始关注二酸丁二醇酯,它属于线性可降解脂肪族聚酯,具有韧性优良的特性,而且耐热性能好,是生物降解塑料中的佼佼者。以聚丁二酸丁二醇酯为原材料,制作的可降解纳米滤芯具备吸湿、透气、舒适、抗菌等多种特性,广泛应用于包装、日用、生物医学、农用薄膜、纺织业等领域。

    3.聚乳酸材料特点:聚乳酸是一种无毒、无刺激的合成高分子材料,以乳酸为原料聚合而成的聚酯。用聚乳酸作为口罩纤维膜的基体,其中的静电纺丝技术可以使制作成的纤维膜透气性变强,使得口罩更加蓬松,且容易塑性,可提高口罩与面部的贴合度,使得佩戴时舒适,同时抗菌性和过滤性高。聚乳酸的主要来源是玉米淀粉、大米淀粉,具有良好的可降解性,用其制成口罩的复合纤维膜,使用后可直接进行堆肥或焚烧,焚烧过程中不会产生化学污染,填埋在几个月内可完全降解成为CO2和H2O,但是现阶段技术不太成熟,成本较高,不太适合应用与大批量的生产。

    (三)主要适用材料对比分析结果

    通过可降解聚氨酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸材料与聚丙烯的比对分析(见表1),发现聚丁二酸丁二醇酯的韧性优良、耐热性好,透气性强,比较适合用于口罩的原料制作,但是由于其原料成本约为30元/千克,比聚氨酯材料价格高出近一倍,该材料更适用于专业医用面部防护用品的要求。针对普通口罩设计采用可降解聚氨酯材质是较好的选择,有可重复使用、透气性强、贴合度高、生物相容性等特点,同时可以通过生物合成的方式制成生物降解聚氨酯材质,该材料环保可靠,且市场价格约17.56元/千克(见表2),它虽相比聚丙烯约8.83元/千克的价格贵了近一倍,但在大批量生产的情况下可降低其单件产品成本,能够满足口罩功能需求与价格成本控制的要求。综上所述,可降解聚氨酯在众多材料中性价比较高,且作为环保材料适用于口罩。

三、通用防护口罩一体化设计

    (一)口罩一体化设计思路

    通过对主流口罩原材料优点、应用领域、价格等因素的分析,结合优选出来符合通用型防护口罩设计要求的材料,针对用户使用口罩的场景与痛点,采用跨场景的整合服务设计思路,从口罩使用中存在的痛点问题进行突破,提出采用一体化通用防护口罩一体化设计方案。首先在功能上将口罩的部件分割化分为结构体,捆绑体、隔离体三大部件,用户可以通过简易组装使用,可以方便拆卸替换。三部分组件可以替换与调节,适用于不同的人群的需求。为了满足节约化要求,在一体化设计中的将消毒箱、自助柜、回收器相关辅助设备一并考虑,同时为用户提供人性化的综合服务,满足为用户应对不同场景的需求。

    (二)通用型口罩模块化设计

    1.防护模块设计要点:本通用型口罩设计共分为隔离体、结构体,捆绑体三个部分(图1),用户可以选择隔离体的类型来应对不同的防护需求,结构体与捆绑体作为辅助隔离体的面部贴合与固定,采用硅胶与尼龙材质柔韧性佳,可折叠收纳。隔离体是口罩的核心防护,用于过滤空气中的污染物。隔离体部分为:防灰尘花粉、防雾霾、防传染、KN95级别四种类型的防护标准,用于应对不同的生活场景的特殊需求,如外出游玩、办公商务、传染病防范等。隔离体采用为可替换的生物降解材料,过滤隔绝空气中的污染物能力强、透气性高、废弃隔离体与自然垃圾处理不会造成环境的污染。密封包装的设计使得隔离体处于无菌环境,同时在包装中加入的隔菌布料,在安装隔离体的过程中可以不接触手指,保证口罩清洁。

通用防护口罩一体化模块组合及佩戴效果

图1 通用防护口罩一体化模块组合及佩戴效果

    2.通用型口罩主体结构:口罩的结构体部分(图1)采用的是可调节液态硅胶材质,硅胶柔软度、面部贴合度高,用于支撑起口罩的框架结构,让用户在佩戴口罩的过程中有良好的密封性且无压迫感。硅胶亲肤,佩戴过程中不易形成面部淤痕。结构体中加入了可调节的卡扣设计,结构体顶部是鼻夹器,采用可弯曲的合成材料,用来固定口罩的鼻翼处的位置以保证口罩的面部贴合度。结构体考虑儿童群体与肥胖人群的特殊需求,针对特定群体的面部尺寸进行可调节尺寸的卡扣范围设计,用户可以根据面部使用情况来进行调节,满足不同面部大小用户的需求。口罩整体可折叠弯曲和收纳入除菌包中,除菌包采用抗菌材质设计,形状小巧轻盈可方便外出随身携带。

    捆绑体(图1)所用绑带为高弹性的尼龙材质,可伸缩延展性高。捆绑体与结构体连接处的伸缩扣可调节尼龙袋的长度和调整结构体的位置,用户以根据自己的自身情况选择合适的位置进行固定。捆绑体和结构体外观采用不同的颜色,液态硅胶可以进行染色,有满足用户的个性化定制的需求,同时可以避免千篇一律的白蓝防护口罩设计,改善用户的使用过程中的压抑感。且不同颜色的口罩使得可以与他人口罩进行区分,满足用户的个性化需求。考虑到儿童群体好动及自制力不强的特点,在长时间佩戴口罩的过程中,容易出现随意挪动口罩的情况,因此在该口罩固定方式的设计上区别于以往头颈式固定方式,而是采用新的颈部套入设计,使得低龄儿童在佩戴口罩期间不易脱落。

通用型防护口罩收纳过程

图2 通用型防护口罩收纳过程

    3.消杀模块设计:用户日常将使用过的口罩和除菌包放入消毒箱盒中(图3)进行自动消毒功能,消毒完成后可继续使用,确保面部防护用具的干净和卫生。一体化消毒箱体积小巧,也可用于手机、钥匙、手套、帽子等日常生活品消毒,满足用户在多种生活场景的需求。

通用型口罩消毒柜

图3 通用型口罩消毒柜

    4.自助回收模块:自助柜(图4)为存放不同类型的全新隔离体,放置于公共场所,人们可以在线支付或者现金支付购买全新隔离体,也可以通过手机端提前预购。每个自助柜旁都设置口罩回收机(图4),提示用户将废弃隔离体进行定点投放,由专人进行收集统一消毒并销毁处理。用户从取出隔离体到使用后,将废弃隔离体放入回收机中,再从自助柜中取出新的隔离体,与结构体重新组装成为新的口罩,这个过程形成了良性的使用循环。

通用型防护口罩使用流程

图4 通用型防护口罩使用流程

四、设计结果

    以上产品一体化设计通过综合考虑,从防护口罩的隔离体的获取、替换、回收各功能模块协同配合;可降解聚氨酯作为隔离体的原料实用环保的使用,有效降低对环境的污染;模块化式可替换的部件提高资源利用率和耐久度;通用型的结构造型易调节符合人体工学,为不同佩戴对象提供良好的使用体验,同时也应对新型冠状病毒肺炎疫情的个人防护提供人性化的设计方案。

结语

    本文通过对不同适用口罩材料应用现状归纳与对比分析,得出性价比较高兼具实用性的环保材料生物降解聚氨酯,该材料用于口罩原料具有较好的市场应用前景。通用防护口罩一体化设计为不同用户提供了跨场景的解决方案,提出了符合市场和用户需求的口罩方案,为探索个人防护口罩的可持续发展提供参考。

责任编辑:程玥
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