一種可更換過濾組件的口罩設計

徐慶俊，張菀桐，劉麗娜

醫用口罩按性能特點及適用范圍可分為醫用防護口罩、醫用外科口罩和普通醫用口罩。醫用防護口罩適用于醫務人員和相關工作人員對經空氣傳播的呼吸道傳染病的防護，是一種密合性自吸過濾式醫療防護用品，防護等級最高，尤其適用于診療活動中接觸經空氣傳播或經近距離飛沫傳播的呼吸道感染疾病患者時佩戴。醫用外科口罩適用于醫務人員或相關人員的基本防護，以及在有創操作過程中阻止血液、體液和飛濺物傳播的防護，防護等級中等，具有一定的呼吸防護性能。普通醫用口罩用于阻隔口腔和鼻腔呼出的噴濺物，可用于普通醫療環境下的一次性衛生護理，防護等級最低。在日常生活和從事基本醫療活動時最常用到的普通醫用口罩和醫用外科口罩在使用中均存在著消耗量大，更換頻繁和密閉性差等問題，為此我們根據臨床需要針對醫用口罩進行了重新的設計。

1 需求分析

目前的平面口罩通常具有三層，由內而外依次為吸濕層、過濾層和阻水層，其中過濾層通常采用熔噴布，在使用時平面口罩貼在臉上，特別是會貼在口鼻處，口罩與面部之間空間小，長時間佩戴呼吸不暢，且對于平面口罩來說，能夠實現過濾的部分僅在口鼻正對的區域，其余的部分雖然也具有過濾功能，但呼吸的空氣難以經過，致使除口鼻處其余的過濾結構均造成浪費。同時隨著佩戴時間的增加，平面口罩的密封性能及過濾性能均會出現衰減，在連續佩戴4 h后平面口罩基本就會喪失密封性及過濾性能，從而使佩戴者在疫情中的風險急劇增加。本文針對一次性防護口罩的缺點，研究了一種可更換過濾組件的口罩，提供能夠重復利用的主體結構，只需更換尺寸較小的過濾芯，避免浪費，且口罩不會貼在口鼻處，始終保持具有良好的呼吸空間。口罩上的密封墊能長時間保持密封性，且在連續佩戴2 h～4 h后，更換濾芯，持續保持口罩的高效的過濾性能，更好的保護佩戴者。

2 裝置設計

2.1原理 這種可更換過濾組件的口罩內的支撐骨架為仿形設置，可仿動物口鼻處整體形狀，只要保證除邊緣外位置均與面部具有一定距離，實現較大的呼吸空間，見圖1。蓋環與支撐骨架將過濾芯夾持固定，限位凸起和限位凹槽可將蓋環與支撐骨架進行固定，避免自動脫落。多個限位凹槽進行圓周分布可減小安裝和拆卸蓋環所需用的力，方便拆裝。

圖1 可更換過濾組件的口罩的側視圖（2.過濾芯；11.密封墊；12.耳帶）

圖2 支撐骨架的部分結構示意圖（3.支撐骨架；13.通氣口；31.橫桿；32.縱桿）

2.2總體結構 這種可更換過濾組件的口罩，包括硬質的支撐骨架，支撐骨架向前隆起，由硬質塑料制成，其中有若干條縱橫交錯的橫桿和縱桿，見圖2。其邊緣設置有密封墊，骨架上開設有通氣口，外表面設置阻水層，內表面設置有吸濕層，見圖3。通氣口處設置有可拆卸的蓋環，蓋環與支撐骨架之間夾持有過濾芯，過濾芯與蓋板和支撐骨架之間為分體結構。

2.3主要部件 這種可更換過濾組件的口罩可采用耳帶或頭帶連接在支撐骨架上進行佩戴。對應通氣口處的側壁上設置有限位凹槽，蓋環的側壁上設置有與限位凹槽配合的限位凸起。限位凹槽設置有若干個，沿圓周均勻分布。當然也可以是支撐骨架上具有限位凸起，而在蓋環上具有限位凹槽，或者支撐骨架上既具有限位凸起，也具有限位凹槽，此時只要蓋環上相應的位置設置限位凹槽和限位凸起即可。蓋環的兩側分別為緊壓面和操作面，操作面的一側設置有外凸緣，外凸緣與支撐骨架之間留有操作縫隙。操作縫隙用以方便佩戴者對蓋環向外施力，以便用手順利的將其取下。支撐骨架對應通氣口處設置有內凸緣，蓋環的緊壓面與內凸緣之間形成夾持縫，過濾芯位于夾持縫內，見圖4及圖5。內凸緣與通氣口的側壁之間形成臺階，過濾芯裝于臺階上，并通過蓋環的緊壓面壓緊固定，可以無需將過濾芯夾在蓋環與通氣口的側面之間。內凸緣設置于支撐骨架朝向外側的一面上，即操作面位于口罩內側，在佩戴時無需擔心蓋環被異物刮到而掉落，在拆裝過濾芯時由內側操作。口罩中的吸濕層和阻水層可采用與現有技術口罩中相同的材質，過濾芯則根據需要采用相應防護級別的材質。其中密封墊采用硅膠制成，在佩戴時硅膠與面部具有良好的貼合性，能夠自動形變補充縫隙，保持良好的密封效果。

圖3 阻水層、支撐骨架和吸濕層的層結構示意圖（3.支撐骨架；4.吸濕層；5.阻水層）

圖4 蓋環和過濾芯未裝入支撐骨架上的示意圖（2.過濾芯；3.支撐骨架；6.蓋環；13.通氣口；33.限位凹槽；34.內凸緣；61.限位凸起；62.外凸緣）

圖5 蓋環和過濾芯裝入支撐骨架上的示意圖（2.過濾芯；3.支撐骨架；6.蓋環；63.操作縫隙）

3 討 論

與現有的口罩技術相比，這種可更換過濾組件的口罩具有以下幾方面優點：（1）節約制作材料及成本，可根據需要更換過濾芯，每次更換的廢棄過濾芯體積/面積只有普通一次性平面口罩的1/10，極大減少浪費。（2）更換過濾芯操作簡便。（3）可實現良好的密封效果，也具備舒適性。佩戴時，支撐骨架邊緣的密封墊接觸佩戴者的臉部，硬質支撐骨架會使得整個口罩的主體部分不會貼近口鼻處，保留一定的呼吸空間，通過通氣口處的過濾芯實現與外界的空氣交換。（4）可做應急使用。在一次性口罩供應不足的情況下，可更換過濾組建的口罩提供了一種短期替代方案。