自發電舒適型防塵防霾口罩

魏澤昳 褚慶忠 呂 捷 吳佳豪 崔鵬燦 趙慧瑩

（燕山大學，河北 秦皇島066000）

我國經濟的快速發展，帶來了一定的環境問題，各地常常會出現不同程度地霧霾天氣，尤其是春、秋和冬季，給人們的身心健康帶來了極大的危害。因此，市場上出現了一些不同款式的防霧霾口罩。這些口罩在防霧霾方面確實能發揮一定的作用，但口罩性能及其普適性還有很多不足，我們你在現有防霧霾口罩的基礎上就排氣裝置和供電裝置進行改造，設計出一種更舒適、更環保的防塵防霾口罩。

1 國內外研究現狀

近代最早可靠的霧霾記錄發生在英國倫敦，伴隨著第一次工業革命開始，工廠和居民大量燃燒煤炭，造成霧霾，倫敦也因此被稱為“霧都”。倫敦的霧霾大多在冬天，因為冬天需要依靠煤炭取暖，燃燒過程中會產生大量的硫化物，這是霧霾的主要污染物。“當時，倫敦上空受高氣壓帶控制，大氣濕度增加，風力微弱。大量工廠生產和居民燃煤取暖排出的污染物難以擴散，整個城市都被‘烏黑的、骯臟的、刺鼻的’霧霾籠罩，猶如一個令人窒息的毒氣室。”

從這時起，人們便認識到了霧霾的嚴重性和危害性，對于這種健康殺手，在防治措施重拳出擊的同時，人們也只能在人類自身上盡可能地施加屏障以保護自身、減輕至最低的危害。而與此同時，一般的口罩作用微弱，只能在防護更加嚴密的方向發展，隨著口罩不斷地改進，現有技術中出現了多種口罩款式（平面、立體、耳掛式等）和各種材質（棉布、無紡布、納米材料等），甚至光療防霧霾口罩、直排式防霧霾口罩等。目前市面上熱銷的此類口罩有兩款：一款是美國3M公司生產的3M口罩，它是基于無紡布和靜電纖維濾棉設計的，以嚴密性所著稱；另一款是由中科院城市環境研究所與中信國安聯合出品的優盾口罩，它是采用以靜電紡絲納米膜為核心濾材的技術。

圖1 供電裝置的改進

圖2 呼吸閥和導流罩

保有嚴密性的同時盡可能地使用透氣的材料是目前市面上暢銷的防霧霾口罩的通用法則，但是嚴密性和透氣性是相互矛盾的，嚴密性好了，透氣性就會變差，反之亦然。第一款3M口罩KN95，雖然對于PM0.075 顆粒的過濾效率應能達到95%以上，但它不防氣態污染物，且不可重復使用，使用成本遠遠高與紗布口罩。另外，這款口罩雖然減輕了排氣阻力，但沒有從根本上改善呼、吸氣體的混合。成年人佩戴KN95 型口罩正常步行一段時間后，會導致血氧含量下降，使人出現頭暈、胸悶，同時固定口罩的棉線掛帶很勒耳朵。甚至在普通的吸氣常態時，由于口內處于微負壓，空氣中有害物質難免從口罩周邊或進氣閥進入人體，當在戶外快速行走或運動時，更是起不到有效防護的作用。其普適性和防護性也是難以保證，只適合靜態作業性質下的工作人員。而中科院所研發的實用新型主動式口罩，雖然可以保證呼入空氣的潔凈性，但是空氣清新器耗電較大，僅通過普通鋰電池無法完成較長時間空氣凈化，需要不斷地更換電池，使用起來非常不便。市面上的其他小眾特殊性質的口罩，不僅材料性質和質量難以保證，更不可能滿足大眾化人群的需要和更需要嚴密防護的特殊戶外工作人員的防護要求。

2 產品設計

出于對更高防護性的要求和大眾化的日常防護需要，我們擬從需求構想的沖突性、內聚性和耦合性入手，努力構思和制作一款從一般缺陷開始思考的防霧霾口罩。我們決定從口罩續航的主動性和被動性問題上做選擇。拋棄充電續航這種限制性的做法，轉而從發電入手，另外呼吸的嚴密性上，盡量選擇更加輕巧而簡單的材料，并在舒適性和佩戴效果上著手，解決一下材料嚴密而防護嚴密有所遺漏和佩戴舒適性問題。

我們對現有產品的排氣裝置和供電裝置進行了改造設計利用半杯水上下顛簸所產生的但是被忽略的能量提供電能，可以省去充電、更換電池的過程（圖1）。在節能環保的基礎上，更加有效地保護使用者的呼吸健康。傳統的自主呼吸防塵口罩在使用時產生的呼吸阻力使佩戴者能量代謝大，自發電防塵防霾口罩可有效克服呼吸阻力問題，從轉移過濾阻力的角度出發，口罩體設置的多向導流呼氣閥和導流罩，用導流罩分離口鼻與面部，使呼出的氣體直接通過口罩和面部之間的導流罩從口罩上的排氣孔排出，呼出氣體的快速排出，也不影響空氣過濾效果。多向導流呼氣閥呼氣時張開，排出濁氣及冷凝水，增加透氣性，減少濕悶感，呼吸更順暢，直接影響口罩性能和佩戴感受。我們做了樣品嘗試（圖2），口罩耳帶選擇了面積粗，表面彈力都較均勻的膠質掛帶。

結束語

我們設計的新型自發電防霧霾口罩在傳統思路利用電能來解決過濾處理器的方式的基礎上，變被動為主動，利用人自身的熱量進行轉化和利用，從而既保證了續航和過濾效率的問題，因為其過濾處理的依據為人自身的呼吸，因此在越是極端和特殊作業的同時，越可以保證其續航和過濾。另外，人體工學的舒適度與材料透氣性的設計和實驗，使得其更加在材料嚴密的同時增加了一層保障，讓人們在快速運動甚至是高強度呼吸作業的同時，也可以保證佩戴舒適和透氣性與服帖性的高度統一。盡管這款口罩目前尚未達到理想狀態，但提供了一種新的設計思路，下一步繼續完善后能緩解口罩內的溫度和氣體壓力變化，從而解決了佩戴者存在頭暈胸悶和鏡片起霧影響視線的問題，理想品既美觀也提高了舒適度的同時，保證了使用者的健康。