多層復合棉布口罩的款式設計

王 旭，崔 靜，盧 晶

(1.河南工程學院，河南 鄭州 451191；2.浙江理工大學，浙江 杭州 310018)

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多層復合棉布口罩的款式設計

王 旭1，崔 靜1，盧 晶2

(1.河南工程學院，河南 鄭州 451191；2.浙江理工大學，浙江 杭州 310018)

為了改善多層復合棉布口罩的面部貼合度，解決佩戴舒適性問題，研究提出四種口罩款式設計方案，并采用主觀評價的方法進行對比研究。結果顯示，隨著運動速度的增加，口罩上、下邊緣的貼合度有所下降；隨著分割次數的增加，口罩上、下邊緣的貼合度上升；運動狀態、分割次數對口鼻和兩頰的壓迫感影響不大。綜合評價發現，四片式口罩結構設計方案最佳。

口罩；霧霾；款式設計；分割次數

近年來，隨著霧霾現象的日益加重，口罩成為人們出行時的必備品。目前市場上的口罩種類繁多，主要分為棉布口罩、紗布口罩、醫用口罩、活性炭口罩、工業防塵口罩、N95口罩等。研究發現，其中一些紗布口罩、醫用非織造布口罩等產品的過濾效率并不能達到防霧霾的要求[1]，還有一些杯式、折疊式的防護口罩雖然過濾性能較好，但由于其獨特的材質及加工方式，口罩的彈性和柔軟度不夠，佩戴舒適性較差，外觀也不夠美觀，市場調研發現，消費者滿意度不高。而采用機織面料縫合加工的多層過濾材料復合而成的棉布口罩的過濾效果和舒適性均可滿足消費者的需求。此類口罩大多采用一片式或兩片式的分割結構，盡可能的貼合人體面部結構，然而實際上一些口罩的鼻梁和下巴部位的貼合度仍有待進改善，而且由于口罩與面部之間的空隙較小，呼吸順暢性較差。為此，本文針對此類多層復合棉布口罩提出四種結構設計方案，通過主觀評價的方法，對比研究分割方式對口罩貼合度和舒適性的影響。

1 款式設計

人體面部神經豐富且感覺器官集中，呼吸防護用品與面部吻合的好壞會對其舒適性產生影響，若呼吸防護用品與面部匹配性差會導致鼻、面部等不舒適感[2]。為了尋找最貼合人體面部結構的口罩，研究共設計了四款不同結構的口罩，其中第一款為一片式結構，第二款為兩片式結構，第三款為三片式結構，第四款為四片式結構。在設計過程中，每種口罩的具體尺寸參考了主觀實驗中30名志愿者的面部輪廓尺寸，四款口罩的結構設計方案如下：

1.1 一片式結構

一片式結構(見圖1)的設計理念來源于普通平板式純棉口罩，結構比較簡單，研究在平板式結構的基礎上增加了鼻部省道設計，可以給鼻部留有更多的呼吸空間，口罩上下邊緣也采用了更符合人體面部輪廓的曲線造型。各部位的具體尺寸如下：上弧線長度為22.5 cm，下弧線長度為23.5 cm，省道寬為1 cm，長為4 cm，口罩縱向最寬處長為11 cm，口罩兩側用于插入耳帶的邊條寬度為1.5 cm，長為5 cm。

圖1 一片式口罩結構圖

1.2 兩片式結構

目前市場上常見的多層復合棉布口罩多采用兩片式結構，在一片式結構口罩的下方增加一塊面料，用以包住下巴，使口罩更貼合面部。研究還原了此類口罩的結構設計方案(見圖2)，圖2(a)為第一部分，圖2(b)為第二部分，為了便于進行對比，第一部分的具體尺寸與圖1中的一片式結構相同，第二部分的上弧線長度為23.5 cm，弧高為3.5 cm，直線長度為22 cm。

圖2 兩片式口罩結構圖

1.3 三片式結構

三片式結構的第一部分也與一片式結構相似[見圖3(a)]，只去除了省道設計。為了便于對比，具體尺寸也相同。佩戴兩片式結構口罩的過程中發現，下巴部位的貼合度不夠，為此在兩片式結構第二部分的基礎上加入幾個省道[見圖3(b)]，以收緊下巴部位的面料，便于更好的貼合面部輪廓。該部分的上弧線長度為23.5 cm，直線長度為21.8 cm，中間的省道長為3.5 cm，寬為0.8 cm，兩邊的省道長為1.48 cm，寬為0.8 cm。此外，人體鼻梁相對突出，上述兩種結構方式未考慮口罩鼻梁部位的弧度造型設計，市面上的口罩通常用內嵌的鼻梁條實現口罩與面部的貼合，然而該方式的舒適度不夠，鼻梁條經反復折疊變形，貼合度也有所下降，本設計考慮增加一次分割[見圖3(c)]，在鼻梁部位增加一塊面料，在該處形成良好的曲面造型，實現口罩與面部的貼合。該部分的下弧線長度為22.5 cm，上弧線長度為21 cm，弧高為3.5 cm。

圖3 三片式口罩結構圖

1.4 四片式結構

為了增大口罩與人體面部的空間，減少口罩內層面料與面部皮膚間的摩擦作用，研究設計出四片式結構(見圖4)，該設計方案是模仿3M折疊熔噴口罩的樣式，在三片式結構設計的基礎上，將三片式結構口罩的第一部分從中間一分為二，使口罩的立體感更強，從而增大口鼻處的空間。該設計方案的具體尺寸與三片式口罩的尺寸相同，其中第一和第二部分縫合起來對應的就是圖3中的第一部分，第三部分對應的是圖3的第二部分，第四部分對應的是圖3中的第三部分。

圖4 四片式口罩結構圖

2 成品制作

根據上述設計方案，繪制版式圖，并制成紙樣，根據紙樣，裁剪口罩的內外層面料和過濾材料。口罩設計成四層配置方式，從里到外依次為平紋棉布(也可多加一層，制作濾片插袋)、高效靜電過濾棉、紡粘非織造布和棉麻混紡面料。然后進行車工縫合，主體部分縫制好后，再縫上包邊、鼻梁條和耳帶。縫制完成的四個款式的成品口罩如圖5所示。

圖5 自制成品口罩實物圖

3 對比實驗

為了對比上述4種口罩款式設計方案的優劣，研究采用主觀評價的方法進行評判。

3.1 志愿者的選擇

實驗邀請了30名青年志愿者(女性15名，男性15名)參與評判，其中男性志愿者的面長為121.31(±5.21)mm，面寬為139.61(±9.50)mm，女性志愿者的面長為116.13(±6.39)mm，面寬為138.52(±4.36)mm。本次實驗要求志愿者應具備以下的條件：身體狀況合格，沒有呼吸系統與心血管系統患病史；面部無明顯的畸形，沒有整形、面部手術等現象以免影響適合性測試的結果；留胡須者應在測試前刮凈胡須，要求在測試前30 min內不能吸煙；應該充分了解本次實驗的目的和具體過程，并表示愿意竭盡全力配合并參與后續的實驗工作[3]。

3.2 主觀測試狀態的設定

本次的主觀實驗設有三個不同的狀態，即靜態(正常呼吸、深呼吸、左右轉頭、上下點頭、說話)、動態(慢走、慢跑)，具體的動作順序和要求[3]，如表1所示。

表1 口罩主觀評價測試動作要求

3.3 主觀評價表的設計

由于幾種分割設計方式主要影響口罩與面部的貼合度，以及鼻梁部位的空間，具體的尺寸大小主要影響口罩對面部的壓迫感，為此，主觀評價指標主要從上邊緣貼合度、下邊緣貼合度、口鼻壓迫感和兩頰壓迫感進行評價，評定等級如表2所示。

表2 主觀評價等級表

3.4 測試方法

在進行主觀評價前，需要給志愿者講解清楚測試目的，測試動作的注意事項及測試狀態。測試開始后，首先讓志愿者戴上口罩，調整好耳帶的長度，適應5 min。隨后讓志愿者依次執行表1中的幾個指定狀態，在測試過程中根據主觀感受進行打分。在執行靜態動作時，幾個動作輪流做，每個動作持續1 min，靜態測試結束后，休息2 min。在執行動態動作時，首先在跑步機上以2 km/h的速度慢走2 min，慢走測試完畢，休息5 min，然后在跑步機上再以4 km/h的速度慢跑2 min，整個測試過程完成。每個志愿者測試完一個口罩樣品，需休息30 min再重新開始[3～4]。

3.5 結果分析

從圖6可以看出，志愿者對四款口罩在不同狀態下的四項主觀感受的變化趨勢基本一致，從靜態到慢走，再到慢跑階段，志愿者對同款口罩的上邊緣貼合度評分和下邊緣貼合度評分呈緩慢下降趨勢，慢跑狀態下達到最小值，志愿者對同款口罩的口鼻壓迫感評分和兩頰壓迫感評分變化不大。另一方面，志愿者對不同款式口罩的邊緣貼合度評分差異較大，對面部壓迫感評分差異較小。由此可見，不同狀態、不同款式對口罩上、下邊緣貼合度均有一定的影響，對口鼻和兩頰的壓迫感的影響不大。

由圖6(a)和(b)可知，3#和4#口罩的上、下邊緣貼合度評分均比1#和2#口罩高，其中1#口罩的上、下邊緣貼合度評分最低，屬于較不貼合狀態，而3#和4#口罩的結果相近，且4#口罩的評分略大于3#口罩(尤其是靜態條件下)，即使是在慢跑狀態下，3#和4#口罩也能達到較貼合的狀態。

從圖6(c)和(d)中可以看出，不論在任何狀態下，志愿者對于1#和2#口罩的口鼻和兩頰壓迫感要強于3#和4#口罩。這是由于1#和2#口罩的面部結構是由一整片面料組成，志愿者在佩戴時會因耳帶的牽拉而使口罩更貼近于面部。而3#和4#口罩的評分很接近，但志愿者對于4#口罩的評價結果要略優于3#口罩。這是由于兩者的結構不同，4#口罩面部設計的分割線會使口罩更加立體，從而使口罩與口鼻間留有更大的空間，不至于長時間佩戴使得口罩內層面料粘貼口鼻及面部，造成不適感。總的來說，4#口罩的設計方案更好。

圖6 志愿者對4款口罩的主觀評分圖

3.6 綜合評價

為了對口罩的4種結構設計方案進行綜合評判，研究采用灰色近優綜合評價法。首先，設口罩Mj(j=1，2，…m)，考核指標Ci(i=1，2，…n)，相應的白化灰量Rij，則m款口罩n維指標的灰元為Rn×m，Rij是第j款口罩的第i個指標的白化灰元值[5]，得到如下灰矩陣Rn×m：

其次，將第j款口罩實測的A、B、C三種狀態下主觀評價分值的平均值作為第j款口罩第i項評價指標的評分值錄入，可得到j款口罩i項指標的白化灰矩陣：

最后，計算出每款口罩指標的近優度，列出近優度白化灰行矩陣，近優度越接近1，說明該款口罩的綜合性能越好。

通過對各款口罩的白化灰近優度進行從大到小排序，可得到各款口罩的優劣順序為：M4>M3>M2>M1。由綜合評價的結果得知4#口罩(即四片式結構)的設計方案最好，而1#口罩(即一片式結構)的設計方案最差。

4 結論

基于多層復合棉布口罩的面部貼合度和佩戴舒適性的問題，研究提出四種口罩款式設計方案，邀請志愿者分別在靜止和運動狀態下，針對口罩上、下邊緣貼合度，口鼻及面頰壓迫感進行主觀評價。研究發現，不同狀態、不同款式對口罩上、下邊緣貼合度均有一定的影響，對口鼻和兩頰的壓迫感的影響不大。隨著運動速度的增加，志愿者主觀感覺口罩上、下邊緣的貼合度有所下降，隨著分割次數的增加，志愿者主觀感覺口罩上、下邊緣的貼合度也隨之上升。綜合評價結果顯示，四片式結構設計方案最好，口罩與面部的貼合度較高，口鼻及兩頰的壓迫感不明顯，該方案可用于多層復合棉布口罩的設計。相反，一片式結構設計方案最差，口罩與面部不夠貼合，口鼻及兩頰有一定的壓迫感，適用性較差。

[1] 王旭，張巧玲，馮向偉.便攜式口罩過濾性測試裝置及常用口罩的過濾性對比[J].中國個體防護裝備，2015，(6)：32—36.

[2] 李蓉，趙艷梅，李倩，等.PM2.5個人防護用品現狀與發展趨勢[J].中國個體防護裝備，2014,(6)：23—26.

[3] 蔣璐蔓.N95 過濾式防護口罩適合性及其隨時間變化研究[D].武漢：華中科技大學，2013.

[4] GB 2626—2006 呼吸防護用品—自吸過濾式防顆粒物呼吸器[S].北京：中國標準出版社，2006.

[5] 蘇德保，李紅霞.基于灰色近優法的蜂窩滌綸混紡針織物服用性能評價[J].毛紡科技，2014，42(2)：57—61.

Style Design of the Multi-layer Composite Cotton Cloth Respirator

WangXu1,CuiJing1,LuJing2

(1. Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China；2. Zhejiang Sci-tech University, Hangzhou 310018, China)

In order to improve the facial fit degree of multi-layer composite cotton cloth respirator, and solve the problem of wearing comfort, four kinds of design were put forward, and subjective evaluation was used for the comparative study. Results showed that the fit degree of upper and lower edge of respirator declined when people′s moving speed increased, the fit degree of upper and lower edge of respirator increased when the times of division of respirator was increased, motion state and times of division had almost no effects on constrictions to the nose and cheeks. By comprehensive analyses, we found that the four-piece design was the best.

respirator; haze; style design; times of division

2016-06-13

王 旭(1981—)，女，河南南陽人，講師。

R118；X961

A

1009-3028(2016)04-0032-05