后疫情時代一次性口罩的綠色設計研究

江小浦，鄭敏，胡書可

（南昌大學 建筑與設計學院，南昌 330031）

近年來全球空氣污染日漸嚴重，加之2019年一場突如其來的新冠肺炎疫情，口罩作為方便有效的一次性自我防護用品成為全球最緊俏的商品。在此次防疫過程中，佩戴口罩成為控制病毒傳播最重要的措施之一。口罩除了作為醫療防護以外，還可以阻擋可吸入顆粒物從口鼻進入人體[1]。大眾對于口罩的需求激增，僅2019年2月底口罩的日生產總量就達到了1.16億。雖然產能擴張一方面解決了一次性口罩的市場需求，但是隨著疫情的全球蔓延，口罩使用量激增另一方面也造成資源的巨大浪費。因此，社會各界對于一次性口罩這種大量使用并且頻繁更換的產品愈發重視，為解決它所帶來的上述問題，市場上出現的口罩種類越來越多樣化[2]。

本文從產品對環境的影響、產品外觀舒適性、產品的生命周期等方面發現口罩帶來的問題，并對其進行分析，最終提出合理化建議。

1 使用現狀與廢棄處理問題

1.1 調研分析

在線上線下一共發放240份問卷，統計有效問卷207份。問卷重點關注一次性口罩的結構、材料等。分析結論如下。

1.1.1 產品款式分析

基于用戶體驗的視角，對消費者選擇口罩的款式偏好進行調查。現今市面上售賣的口罩大致分為3種佩戴方式，分別是掛耳式、頭戴式、頸帶式，見圖1，掛耳是佩戴最普遍的方式。大部分的消費者都喜歡掛耳式的佩戴方式，這種方式佩戴舒服、方便；頭戴式和頸帶式的口罩佩戴方式雖然有緩解面部壓迫和耳部的束縛力等作用，由于其有美觀性不強、穿戴麻煩等問題，所以用戶的選擇率較低。口罩的形狀也分多種形式，佩戴最多的形式有橫或豎向折疊式、杯型、平面式等[3]，見圖2。對于口罩的形狀，大眾更加偏愛平面式的口罩，杯型的口罩由于美觀性不足和不方便攜帶等原因少有人選擇。由上述分析可得，口罩的美觀性和便攜性是影響消費者選擇口罩的重要因素。

圖1 防護口罩的佩戴方式Fig.1 Wearing method of protective mask

圖2 防護口罩的形狀Fig.2 Shape of respirator

1.1.2 品結構分析

佩戴的舒適性與合理性也是大眾選擇口罩的重要因素之一，結構設計直接影響到口罩佩戴的舒適性和合理性。一般一次性口罩由口罩體、掛繩、鼻壓條等部分組成，口罩體的剪裁方式和大小與面部的貼合程度有關，剪裁不合理會影響到口罩的使用效果和佩戴的舒適性[4]；掛繩的尺寸不符合人臉面部尺寸會影響使用者佩戴的松緊度。對于女性，鼻壓條太重或太大會蹭花妝容，對于孩子，鼻壓條尺寸不合適又達不到口罩使用的效果。因此，口罩的每個部分都會影響到他的佩戴舒適性和合理性。影響口罩佩戴舒適性和合理性的一些因素及占比，見圖3。

圖3 口罩結構設計存在的問題Fig.3 Problems in the structural design of masks

1.1.3 產品材料分析

普通的一次性口罩一般由3層或3層以上非織造

織物組成，從外到內分別是外層、過濾層、內層，對應的層次材料是紡黏層、熔噴層、紡黏層。最外層只能過濾較大顆粒物，中間層也就是口罩的核心層，核心層過濾顆粒的效果也體現了整個口罩過濾顆粒的效率，內層與使用者面部貼合，與佩戴舒適性相關聯[5]。另外，產品的透氣性、吸濕性、觸感、吸濕速干效果等也與口罩的材料有關。圖4為市面上口罩設計時，關于在材料選擇上會出現的一些問題的調查結果。

圖4 材料對于口罩佩戴的影響Fig.4 Influence of material on wearing effect of mask

1.2 問題歸因

1.2.1 結構方面

新冠肺炎疫情來勢洶洶，在全球范圍內蔓延。防疫必備的通用一次性口罩的尺寸結構并不適合某些特殊人群，例如老人、兒童等[6]。這類口罩不符合兒童的臉部特征，口罩的貼合度不夠，防護效果也難保證；對于有呼吸困難的老人來說，佩戴透氣性不好的口罩他們會感到不適；臉部較寬的成年男性佩戴通用口罩會因為耳繩的尺寸不夠，壓迫耳部造成耳朵酸痛，面部緊貼無法正常呼吸，這些都是在設計一次性口罩時需要解決的問題。上述分析是從用戶體驗的視角來看的，口罩不符合人機工程學的尺寸結構設計，導致用戶體驗不佳。基于綠色設計的角度發現，非模塊化、標準化的結構設計造成口罩在廢棄之后基本無回收利用的價值。隨意處理容易造成環境污染，回收處理費時費力，交叉感染概率大，用畢即棄造成大量浪費[7]。因此，在口罩設計研發的過程中，合理改進口罩的結構設計不僅能夠提升用戶的使用體驗，也使口罩廢棄之后的回收處理更加方便有效。

1.2.2 材料方面

一次性口罩的結構由口罩體、掛繩、鼻壓條等部分組成。其中口罩體的核心層與防水層的材料常用聚丙烯，掛繩常用聚對苯二甲酸乙二醇酯和聚氨酯，鼻壓條以聚丙烯鍍鋅鐵絲、聚乙烯鍍鋅鐵絲或鋁條等作為常用材料[8]。廢棄后的這些材料不能簡單處理，處理不當不僅浪費資源，而且會污染環境。當前，一次性口罩的廢棄處理有以下4種方式：高溫焚燒，這種方式處理會產生大量的熱能供應發電或者蒸汽動力，但也會產生大量污染環境的氣體；填埋降解，口罩的材料都是高聚物，通過微生物進行分解，耗時較長，污染土壤；機械共混，將粉碎的一次性口罩與其他無機物混合，用作其他低端產品的生產；化學回收，利用化學反應重新加聚這些聚合物使之成為升級功能的新材料，但這種方式費時費力增加成本[9]。這4種處理方式都不盡如人意，無法通過這些處理方式實現增值，不能帶來更多的能源和經濟效益。基于綠色設計的角度出發，從一次性口罩使用的材料中尋求突破不失為一種有效的方法。

2 綠色產品生命周期

綠色制造是各國各界人士都廣泛關注的問題，是21世紀制造業發展的新方向，同時也對產品全生命周期的資源消耗和環境影響具有決定性的作用。因此，在產品設計階段，要考慮零部件多壽命周期服役、材料相容性、可拆解性等因素，以提高產品生命終期（End of Life，EOL）的回收、拆解效率及零部件再制造的服役安全壽命[10]。國家近些年大力倡導綠色發展。傳統的生命周期是“研發–制造–使用–報廢”的過程，這種產品生命周期已經不符合現代社會提倡的可持續生產理念。柳冠中先生曾提出過“從搖籃到搖籃”的概念，符合時代呼吁的綠色發展原則。為緊跟時代步伐，現在的可持續發展的產品生命周期也有所調整，即“研發–制造–使用–再循環”的過程。疫情期間及后疫情時代，口罩等大量的一次性醫療防護用品需要及時合理地處理。本文主要從產品報廢處理提出合理的見解，產品報廢處理流程階段主要包括產品的再利用、再制造、回收、環保處理4個階段，見圖5。

圖5 產品生命周期的報廢處理流程圖Fig.5 Scrapping process flow chart of product life cycle

3 對三類優化的環保口罩AHP分析

層次分析法(AHP)是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20世紀70年代初，提出的一種層次權重決策分析方法。這種方法的特點是在對復雜的決策問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上，利用較少定量信息使決策的思維過程“數學化”，從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的決策方法[11]。決策是指在面臨多種方案時需要依據一定的標準選擇某一種方案。

通過對一次性口罩結構和材料等方面的分析，結合綠色生命周期提出的材料相容性、可拆解性等因素，針對用戶體驗的痛點和廢棄后回收再利用的痛點這兩方面進行突破。本文從眾多創新性設計的一次性方便回收利用的口罩中選擇三類口罩。對ABC三類口罩從造型、功能、材料、可拆卸性四個方面進行對比，見表1。選取舒適性、透氣性、過濾性、回收性等四個因素，使用AHP分析方法，對四個因素進行分析（見圖6），分析其所占比重，以及綜合評分，得出哪種口罩最符合綠色回收處理的方式。A款為新型一次性防感染醫用口罩；B款為3D打印的雙層可拆卸式防護口罩；C款為通用型防護口罩。

表1 3款口罩對比分析Tab.1 Comparative analysis of three masks

成對比較陣標度見表2。

表2 標度表Tab.2 Scale table

構建模型見圖6，Z表示選擇合適口罩。A1、A2、A3、A4分別表示透氣性、回收性、過濾性、舒適性。B1、B2、B3分別表示A款、B款、C款口罩。

圖6 構建模型Fig.6 Build model

構建成對比較矩陣

構建方案層的矩陣分別為A1-B、A2-B、A3-B、A4-B，見表4—5。

表3 Z-A的判斷矩陣Tab.3 Judgment matrix of Z-A

表4 A1-B、A2-B的判斷矩陣Tab.4 Judgment matrix of A1-B、A2-B

表5 A3-B、A4-B的判斷矩陣Tab.5 Judgment matrix of A3-B、A4-B

結果分析，根據以上4個判斷矩陣，由軟件計算可得一致性檢驗結果，見表6。

表6 指標對應表Tab.6 Corresponding index table

由表6可知每個判斷矩陣均通過一致性檢驗，并得到權重結果如下。

B1、B2、B3對A1的權重為[0.142 9，0.428 6，0.428 6]；

B1、B2、B3對A2的權重為[0.109 6，0.309 2，0.581 3]；

B1、B2、B3對A3的權重為[0.163 8，0.297 3，0.539]；

B1、B2、B3對A4的權重為[0.106 2，0.633 4，0.260 5]。

計算層次總排序權值和一致性檢驗B1對總目標的權值如下：

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對總目標的權值分別為0.358，0.495，決策層對總目標的權向量為[0.148，0.358，0.495]，可作為最后的決策依據。

即各方案的權重排序為B3＞B2＞B1。

又B1、B2、B3分別表示A款一種新型一次性防感染醫用口罩，B款3D打印的雙層可拆卸式防護口罩，C款通用型防護口罩。

故最后的決策選取C款通用型防護口罩，從綠色生命周期的4個階段分析改進建議。

4 從綠色生命周期的角度提出創新設計建議

4.1 再利用階段

再利用階段對應產品使用階段，也就是產品的重復使用率。對于普通的一次性口罩來講，它的使用次數就是一次，提高它的使用次數就是提高產品的使用率。基于有效防護病毒的前提下如何提高產品的使用率同時保證不出現交叉感染的情況，唯有口罩生產廠家和設計師盡可能對口罩進行設計再創新。經過上述的分析結果可知，C款值得借鑒。普通的一次性口罩佩戴4 h以上就會喪失其過濾性和密閉性，防護效果逐漸降低。而C款在有效減少基礎材料浪費的原則上，開發了只更換隔離體的口罩，在佩戴2～4 h以上時可通過更換隔離體恢復口罩的過濾效果，延長佩戴的時長，減少資源的浪費。但是這款口罩也有不足之處，根據結構設計可以看出，復雜的結構設計造成口罩的生產成本增加。除了可替換隔離體的口罩可以提高口罩的重復使用率，自主殺菌消毒的口罩更符合綠色制造的理念。從機會點出發，以C款口罩為基礎提出改進方向：替換本身具有消殺功能的過濾芯材料；可設置消殺單向呼吸閥，有效防止呼出的氣體造成眼鏡起霧；可設計一體化的小巧方便攜帶的消毒盒，既可以解決口罩暫時存放的問題，也可以消毒殺菌，延長口罩的使用壽命，對于皮膚容易過敏的女性而言也可降低口罩接觸皮膚時的過敏率。

4.2 再制造階段

再制造階段對應產品的生產制造，即口罩使用的材料經過簡單處理就可再次生產制造使用。這個階段也注重產品的結構設計，可拆卸式口罩的設計與可降解材料的選擇是實現口罩在再制造階段可回收利用的有效方式。抗疫防疫期間，日常最常見的佩戴口罩有3種，醫用、民用、KN95。3種口罩均由3種材料組成，其中民用口罩與醫用口罩的原理相同，最具有作用的就是中間層，通過中間的熔噴布過濾空氣中的有害物質，防止灰塵和病毒等有害物質進入人體[12]；KN95口罩分別由針刺棉、熔噴布和無紡布組成，針刺棉外加熔噴布的防護效果達到95%，在三類口罩中防護效果最佳，醫用口罩的防護效果大于民用口罩。由此可知，僅核心層的熔噴布防護效果就有不同，關于口罩的熔噴布有多種材料可用，聚丙烯是普通一次性口罩熔噴布的原料，但是這類口罩處理不當會造成環境污染[13]。因此，必須考慮采用可降解的新型材料，才能使口罩的生產符合節約型、環保型、可持續發展的原則。通過對比分析各類可降解材料，整理出以下4種類可降解材料可供選擇，見表7。

表7 可降解材質的優點Tab.7 Advantages of degradable materials

分析得出的C款口罩，中間層采用可降解材料，使這款口罩在再制造階段就能實現綠色回收的目的。除此以外，從市場需求的角度出發提出兩種廢棄材料處理有效方式：熔噴布具有超大超細的纖維表面，易于實現物理改性，可用于制備功能性薄膜和廢水處理領域；經過消殺處理粉碎后用作其他低端產品的原材料，如電池隔膜材料、擦拭材料等。這種方式需要口罩有良好的可拆解性，方便其分類回收再利用。

4.3 回收階段

回收階段是產品研發和產品制造的中間階段，需要考慮產品綠色發展的問題。對于熔噴布，大部分人對它的了解僅限于口罩過濾層材料。普通口罩的核心層就是熔噴布，原料成分為聚乙烯，填埋焚燒皆不是有效合理的處理方式[14]。熔噴布在其他的領域應用廣泛，對于大量一次性用畢即棄的口罩，熔噴布經過特殊處理成原料后再次重新使用是很有必要的。熔噴布發展于美國，我國在20世紀50年代也開始對熔噴布進行研究，加之2019年的新冠肺炎疫情，對熔噴布的需求量劇增，加速了各大企業對熔噴布的研究。以C款口罩為例，廢棄后采用降解方式再次獲得其他用途。此外，從原材料需求的角度提出兩種有效處理方式：一是熔噴布除了是口罩的生產原料外還可用做保暖材料、過濾材料、醫療衛生等。熔噴布經過有效處理后返回到原材料階段再次利用，這個過程本身就增加了消毒殺菌的次數，多次進行殺菌處理降低交叉感染風險，處理過的原料可以再次作為保暖材料使用，解決了資源的大量浪費，也符合現代產品生命周期的理念，最終實現“從搖籃到搖籃”這一過程。二是通過化學方式升級再造，將過濾芯、耳帶、鼻壓條等材料轉換成更高附加值的新型高性能材料。

4.4 環保處理階段

環保處理階段更注重不可回收材料的處理方式，或者這些材料回收利用消耗的成本較大。選擇合理有效的方式進行處理，避免造成二次污染環境的問題[15]。在口罩處理中除避免交叉感染外，還要防止這類材料被無良商家再次利用。回收處理必須遵循綠色環保的原則，人工處理的方式，費時費力，同時也提高交叉感染的風險。無人自助回收處理設備就可以有效解決這些問題，這些設備可以擺放在機場、車站、地鐵站等人流量大的公共區域[16]。C款口罩分別是隔離體、結構體、捆綁體組成。隔離體真空包裝定時更換，結構體、捆綁體需要分類回收處理。從需求痛點出發提出合理建議：設置自助回收裝置。C款口罩為可拆卸設計，廢棄后各類材料可分類回收。為吸引用戶使用無人自助回收設備，可以設置實用且合理的交換方式。口罩每2～4 h就要更換一次，更換的口罩通過自助設備提供。提升全民對口罩分類處理的意識，不僅提高口罩的集中處理率，也做到與其他資源的有效整合。公共設備要符合綠色設備的設計原則。同時公共設備作為公共空間的一部分可以宣傳廣告，傳遞精神文明的內涵和意識形態，在防疫期間也可以宣傳防疫知識。

5 結語

注重綠色設計與可持續發展不僅體現在產品生命周期的尾端，更應該貫穿于產品開發-生產-使用-回收整個過程。本文抓住用戶需求和廢棄處理兩大痛點，從產品生命全周期中思考口罩的綠色優化設計。提出創新設計點和改進建議，使用戶擁有更佳的使用體驗，廢棄分類處理有效便捷。

設計源于人們的日常生活，其本質就包含對用戶情感需求和對美好生活的維護。為營造“綠水青山”的生態環境，綠色設計理念將在更多類似于一次性口罩這種使用周期短、使用頻率高且對環境影響較大的產品設計中發揮顯著的作用。