一种具有多效过滤性能的随弃式口罩的制作方法

本实用新型涉及一种具备多效过滤性能的随弃式呼吸防护装置，具体言之，是一种新型防雾霾口罩。

背景技术：

空气污染，特别是超细颗粒物(PM2.5)，成为困扰当代中国的严峻社会问题。除了在源头治理外，开发并推广科学、符合中国国情的个人防护器材，如：新型雾霾防护口罩，具有重大现实意义。

随着人们对口罩防护能力认识和要求的逐步提高，传统口罩设计，如：医用口罩、N95口罩，难以完全应对中国的空气污染问题。前者，滤材由过滤性无纺布制成，虽然成本较低，但过滤性能差，对超细颗粒物防护作用十分有限。后者，虽然具有相对较好的防护性能，但对油性颗粒污染物拦截效率优先，同时具有佩戴呼吸阻力大，普适性相对较差等缺陷。

前述现有技术，不能满足2016年新的国家标准。

本新型设计描述了新型雾霾防护口罩，其关键要素包括：将纳米纤维技术和静电滤材技术相结合，开发具有双效过滤性能的防护口罩技术。应用该技术所开发的雾霾防护口罩对非油性颗粒物和油性颗粒物均具有较高的过滤效率(＞95％)，呼吸阻力低，佩戴舒适，减少佩戴者视物遮挡，产品可达标口罩新国标(《日常防护型口罩技术规范》)A级标准。

在滤材选择上，本设计通过“组合筛选”，并经过“过滤效果科研实验室综合评价”，即：物理拦截评价，体外细胞评价和急性动物肺毒性评价和亚急性动物肺毒性评价，最终确定滤材。在工业设计上，通过对滤体、2根弹性耳挂和可拆卸式防雾气鼻垫、单向气阀等具体技术参数进行定量规定，达到最佳设计标准和防护效果。

较现有设计看，要么口罩设计相对简单，过滤性能差，将佩戴者置于相对有风险的大气环境中；要么设计复杂，相对笨重(如：使用风扇减少呼吸阻力)、昂贵(如：使用相对昂贵且过多层滤材的冗余设计等)。究其原因，这些滤材选择，大都使用了经验性设计，滤材使用相对单一，简单认为“滤材越多＝效果越好”，忽略了佩戴者感受、经济成本、过滤效果等因素的综合影响。本设计，通过科学评价方法，使用物理拦截评价实验，细胞毒性实验，小动物急性肺毒性评价和小动物肺亚慢性评价等手段，系统调节了滤材的配比，拟用最少、最经济的滤材组合达到最佳防护效果。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题包括：第一，传统口罩滤材设计采用经验性选择，忽略了 综合评价，对过滤能力、舒适度、成本缺乏科学考量；第二，普通的杯型口罩，虽能很好贴合面部，但是不能折叠，便携性差，包装储运体积较大；第三，普通的折叠型口罩或平面口罩，虽然便携，但与面部的贴合性不佳，不同脸型个体佩戴，弹性耳挂的张力不同，导致口罩被拉伸变形，因与面部贴合性不好会导致泄露率增加，不能起到良好的防护效果；第四，普通的折叠型口罩，过滤体与面部之间的死腔体积较大，导致呼出的湿气停留在死腔中，又再次被吸入，导致呼吸憋闷，不舒适；第五，本品为柳叶型设计，弹力耳挂分别固定在左，右两侧上部滤材和前部滤材的重叠部位，以及下部滤材与前部滤材的重叠部位。佩戴时，弹力耳挂有一定拉伸张力，上部滤材和下部滤材在此张力牵引下，表现出收紧开口的趋势，从而保持过滤体与面部紧密贴合面部，减少泄露。同时，减少死腔，避免呼出的湿气又再次被吸入，舒适不憋闷。因此，最大限度的解决了普通口罩的这些问题。

本实用新型体现经过“组合筛选”和“过滤效果综合评价”的多效过滤设计。雾霾空气中大约40％的成分是油性颗粒物(汽车尾气、工业排放中含有大量的焦油成分，如：多环芳烃，均属于油性颗粒物)，60％是非油性颗粒物(粉尘、沙尘，如：可吸入颗粒物PM2.5)，传统防护口罩过滤材料多为熔喷无纺布，通过静电吸附作用过滤空气中的粉尘(非油性颗粒)，静电吸附作用并不能有效过滤空气中的油性颗粒物。本设计通过体内体外评价体系，使用模拟空气污染物(如：不同尺度的Polystyrene荧光纳米粒子、吸附多环芳烃的200nm尺寸二氧化硅颗粒、美国南加州空气污染物等)开展评价。通过这些手段，对熔喷无纺布临界层数通过科学手段得以确定。

复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布表面由无数纤维随机排列叠加，形成多层致密的网状结构，空隙仅大约100nm，可以通过物理的机械拦截，过滤空气中的油性颗粒物和非油性颗粒物。本设计通过体内体外评价体系，使用模拟空气污染物(如：不同尺度的Polystyrene荧光纳米粒子、吸附多环芳烃的200nm尺寸二氧化硅颗粒、美国南加州空气污染物等)开展研究，对PVDF纳米纤维的临界层数和过滤效果进行科学评价，并确定技术参数。

在实验室条件下，通过使用一系列模拟条件和模拟污染物，单一的熔喷无纺布对有非油颗粒物的过滤效率可以达到90％，且存在层数依赖性，两层熔喷无纺布是产生最好拦截效果的临界值；但对油性颗粒的的过滤效率相对较差，约70％。单一复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布对非油性颗粒的过滤效率大约80％，对油性颗粒物的过滤效率大约80％，增加纳米纤维层数，效果提高不明显，从呼吸阻力和成本考虑上，确定单层PVDF纳米纤维为最佳选择。将复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布与熔喷无纺布叠加以后，对油性模拟颗粒物的过滤效率可达97％以上，对非油性模拟颗粒物的过滤效率可达97％以上。

基于上述实验室发现，根据所选参数，即：2层熔喷无纺布+1层PVDF纳米纤维，按 照国家标准进行考查。按照国家标准中GB2626中过滤效率的检测，单一的熔喷无纺布对非油颗粒物的过滤效率可以达到90％，但对油性颗粒的的过滤效率仅50％。单一复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布对非油性颗粒的过滤效率大约60％，对油性颗粒物的过滤效率大约60％。将复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布与熔喷无纺布叠加以后，对油性颗粒物的过滤效率可达98％以上，对非油性颗粒物的过滤效率可达99％以上。

本新型涉及柳叶型设计。具体言之，其内涵包括：第一，普通的杯型口罩，虽能很好贴合面部，但是不能折叠，便携性差，包装储运体积较大；第二，普通的折叠型口罩或平面口罩，虽然便携，但与面部的贴合性不佳，不同脸型个体佩戴，弹性耳挂的张力不同，导致口罩被拉伸变形，因与面部贴合性不好会导致泄露率增加，不能起到良好的防护效果；第三，普通的折叠型口罩，过滤体与面部之间的死腔体积较大，导致呼出的湿气停留在死腔中，又再次被吸入，导致呼吸憋闷，不舒适；第四，本品为柳叶型设计，弹力耳挂分别固定在左，右两侧上部滤材和前部滤材的重叠部位，以及下部滤材与前部滤材的重叠部位。佩戴时，弹力耳挂有一定拉伸张力，上部滤材和下部滤材在此张力牵引下，表现出收紧开口的趋势，从而保持过滤体与面部紧密贴合面部，减少泄露。同时，减少死腔，避免呼出的湿气又再次被吸入，舒适不憋闷。因此，最大限度的解决了普通口罩的这些问题。

本新型具有单向气流阀设计。该气流阀只允许气流从内向外单向通过(呼气过程)，反之气流阀则关闭(吸气过程)。在吸气过程中，气流阀关闭，外界空气必须经过过滤体过滤，保证每次鼻腔吸入的空气都经过了过滤净化，防止二次污染。在呼气过程中，气流阀打开，呼出气体经气流阀被直接排除，减少了呼气的阻力。通过对过滤材料的条件优化和综合体内体外评价，本设计拟用最少的材料组合，获得最大的拦截效果。

本新型具有防雾气鼻垫设计。由于不同佩戴者生理结构不同，如：鼻梁突起的弧度不同，口罩过滤体与鼻梁的结合不紧密，会引起泄露，防护效果下降。如佩戴者戴眼镜，还会让镜片起雾，影响视线。为了解决这些技术难题，设计具有个体化可适性强的新型防雾霾口罩，本品的防雾气鼻垫固定在上部滤材内侧表面，与可塑性鼻梁条重叠的位置。佩戴者可根据自己鼻梁的位置和弧度自行调节，保证口罩过滤体与鼻梁的结合紧密不泄露。如佩戴者戴眼镜，还可防止镜片起雾。

有益效果：具备高效拦截空气污染物多层滤材设计，即：网格无纺布、复合PVDF纳米纤维聚丙烯无纺布、熔喷无纺布、PP无纺布；各部滤材连接，弧度一致，完全重叠，最大限度的隔绝未过滤空气与人体呼吸系统；弹性耳挂超声波焊接、焊接点工艺控制，保证佩戴者滤材与口鼻连接紧密；具有单向气流阀设计，通过控制阀体、膜片及阀盖，控制气流流向，防止未过滤空气倒灌，污染滤体；具有可调节鼻梁条设计，满足不同生理特征使用者的应用。

附图说明

图1为过滤体结构示意图。

图2为前部滤材结构示意图。

图3为不同滤材在实验室中进行拦截性能评价。

图4为细胞毒性实验用于评价不同滤材的过滤效果。

图5为经不同过滤条件处理的1mg DEP空气污染物肺内细胞摄取评价。

图6为肺病理评价滤材过滤效果。

图7为上/下部滤材示意图。

图8为可塑性鼻梁条示意图。

图9为可拆卸的防雾气鼻垫。

图10为耳挂示意图。

图11为阀体结构示意图

图12为膜片结构示意图

图13为阀盖结构示意图

具体实施方式

从最大限度提高本实用新型合理实施的角度出发，结合附图展示，现将本实用新型实施例中的技术方案进行描述。值得指出的是，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本申请描述了一种具有多效过滤性能的随弃式口罩体系。其最佳防护效果，以其设计过程中滤材“组合筛选”和“过滤效果综合评价”验证优化为基础，结合对滤体、2根弹性耳挂和可拆卸式防雾气鼻垫的科学设计共同实现。

如图1所示，过滤材料本身包括1片前部滤材、1片上部滤材、1片下部滤材三部分组成。从形态上看，前部滤材为六边形，上/下部滤材为五边形设计，最大限度了营造了过滤材料与人类呼吸系统之间的洁净缓冲空间。从滤材选择上看，本新型基于科学数据评价，通过物理拦截评价(如图3)，体外细胞评价(如图4)和急性动物肺毒性评价(如图5)和亚急性动物肺毒性评价(如图6)层层设计验证，最终得以确定。这一理念摒弃了传统新型设计中的“习惯性”或“经验性”设计，以实验数据为基础，以过滤效果的有效性，经济性，舒适性，可重复性相结合为准绳。通过这样的考量，最终确定了：第1层为可印刷的PP无纺布或水刺无纺布，第2层为复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布，第3、4层为具有静电吸附作用的熔喷无纺布，第5层为肤感较好的PP无纺布(可做抗菌处理)，的高效过滤设计结果。

前部滤材为圆角六边形(如图2)，自外向内由5层材料组成，即：第1层为可印刷的PP无纺布或水刺无纺布网格无纺布，第2层为复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布，第3、4层为具有静电吸附作用的熔喷无纺布，第5层为肤感较好的PP无纺布(可做抗菌处理)。其他各部滤材与前部滤材组成一致，安装顺序一致，仅形状略有不同，故不做图示说明。

关于滤材科学选择的描述如图3所示。不同尺度(0.05-10微米)的Polysterene荧光纳米粒子用于模拟非油性空气污染物。预吸附多环芳烃(pyrene and benzo[a]pyrene)的200纳米二氧化硅(SiO2)颗粒，用于模拟油性空气污染物。通过测量荧光纳米粒子荧光吸收和多环芳烃的紫外可见吸收，对本实验进行定量。如图3(a)所示，实验发现，熔喷无纺布对有非油颗粒物的过滤效率可以达到95％以上，且存在层数依赖性。虽然对各个尺度颗粒拦截效率有尺度依赖性，但随着熔喷无纺布层数增加，对各个尺度都具有较好的拦截效果，两层熔喷无纺布是产生最好拦截效果的临界值。使用熔喷无纺布，对油性颗粒的的过滤效率相对较差，拦截效率约70％，且随层数增加，拦截效果上升幅度有限。灰色部分标出最佳层数，即熔喷无纺布2层即可。如图3(b)所示，单一PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布对非油性颗粒的过滤效率大约为85％，对油性颗粒物的过滤效率大约为85％，增加纳米纤维层数，效果提高不明显，从呼吸阻力和成本考虑上，确定单层PVDF纳米纤维为最佳选择。灰色部分标出最佳层数，即PVDF纳米纤维1层即可。如图3(c)所示，将复合PVDF纳米纤维的聚丙烯无纺布与熔喷无纺布按照上述优化条件叠加以后，对油性模拟颗粒物的过滤效率可达97％以上，对非油性模拟颗粒物的过滤效率可达97％以上。

如图4所示，通过人支气管上皮BEAS-2B细胞毒性实验用于评价不同滤材的过滤效果。本评价使用美国洛杉矶柴油汽车尾气空气污染物提取物(DEP)进行实验，其实浓度为2.5mg/mL提取物，分别被(c)两层熔喷无纺布，(d)单层PVDF纳米纤维，(e)单层PVDF纳米纤维+两层熔喷无纺布，(f)物理破坏的“PVDF纳米纤维+熔喷无纺布”进行过滤，随后进行细胞毒性实验，通过显微镜对细胞形态进行检查。实验发现，(a)生理盐水处理的细胞形态正常，生长舒展，(b)未过滤空气污染物和(c)(d)(f)处理的细胞不同程度呈现细胞毒性。经优化的PVDF纳米纤维+熔喷无纺布组合，具有最大细胞保护作用。细胞孵育时间36小时。值得指出的是，我们选择了相对的高污染物浓度进行实验，即：2.5mg/mL，旨在预测本新型设计在极端污染条件下的保护能力。

如图5所示，经不同过滤条件处理的1mg DEP空气污染物进行经肺滴入。随后，对小鼠肺巨噬细胞的影响进行考查。正常B6小鼠，经肺滴注(a)生理盐水，(b)未过滤DEP空气污染物，(c)熔喷无纺布过滤DEP空气污染物，(d)PVDF纳米纤维过滤DEP空气污染物，(e)PVDF纳米纤维+熔喷无纺布纳米纤维过滤DEP空气污染物，(f)物理破坏的PVDF纳米纤维+熔喷无 纺布过滤的DEP空气污染物。经肺滴注后6小时，处死动物，取肺灌注悬液，分离肺巨噬细胞，HE染色分析，进行图片分析。我们发现，除(a)生理盐水和(e)PVDF纳米纤维+熔喷无纺布纳米纤维过滤组外，其余各组可见不同程度的肺巨噬细胞污染物颗粒摄取(见红色星号标注)。空气污染颗粒细胞摄取半定量分析分析，由加号“+”数量表示，“-”表示未见颗粒物。

如图6所示，在单独的一个动物实验中，重复图5所述动物实验，经肺滴注后14天处死动物，进行肺部病理学分析。除(a)生理盐水和(e)PVDF纳米纤维+熔喷无纺布组外，其余各组可见不同程度的肺内炎细胞浸润和肺部局部炎症反应(见黄色虚线标注)，系典型空气污染物引发的亚急性肺部反应。PVDF纳米纤维+熔喷无纺布组合过滤，达到最佳保护效果。各过滤条件引发肺部毒性反应强弱，用“+”数量进行表示，“-”表示未见明显毒性反应。

为了最大限度的防止佩戴者使用时污染物的侵入，各部滤材连接时边缘完全重叠，以间隔线形的超声波焊接的形式高效连接，并以间隔三角形的超声焊接形式加固连接。从工艺上看，本新型还对双排间隔圆形的超声波焊接形式进行封边粘合，对焊接点距进行定量控制(图7)。

为了保证本新型设计对具有不同生理特征的佩戴者的普适性，本新型特别包括了可塑性鼻梁条设计。这一设计使得具有不同脸型、颧骨高低、鼻部不同生理特征的广泛人群都可以安全有效的使用本品。同时，本设计还包括对可塑性鼻梁条材质、位置、长度等定量的描述。可塑性鼻梁设计符合不同佩戴者生理特征，从而进行个体化调节(图8)。

鼻梁条的位置还贴合一条防雾鼻垫(图9)，防雾气鼻垫可由高密度海绵或软质高分子材料制成，旨在将舒适度和密闭性达到最佳统一。

弹性耳挂(图10)是口罩过滤装置与佩戴者相连的重要组成。本新型对其材质、长度、着力点、焊接位置、焊接点大小等都进行了定量控制说明，旨在保证最佳整体过滤效果。如图10所示，弹性耳挂由含氨纶纤维或涤纶的织带制成，长度140±30mm，通过超声波焊接的形式，连接在过滤体左右端头。如图7所示，右侧连接点，位置为前部滤材(a1、d1边焦点)与上部滤材(a2、e2边焦点)重叠部位，以及前部滤材(e1、d1边焦点)与下部滤材(b3、c3边焦点)重叠部位叠放，顺序从外向内依次为前部滤材、上部滤材、弹力耳挂。超声波焊接点为方形网格状，面积应不大于1.5cm2。左侧连接点，位置为前部滤材(b1、c1边焦点)与上部滤材(b2、c2边焦点)重叠部位，以及前部滤材(c1、d1边焦点)与下部滤材(a3、e3边焦点)重叠部位叠放，顺序从外向内依次为前部滤材、上部滤材、弹力耳挂。超声波焊接点为方形网格状，面积应不大于1.5cm2。

单向气流阀是除了过滤材料以外的另一个重要设计元素。其作用在于防止未过滤的污浊空气倒灌。从组成上看，单向气阀包括阀体(图11)、膜片(图12)及阀盖(图13)。本新型还 对其安装顺序进行规范，旨在无缝连接，最大限度的保证已过滤和未过滤气体的隔绝。从设计工艺上看，本新型对阀体材质、注塑成型尺寸、条幅设计、膜片尺寸和相关纹理、阀盖设计等进行了控制。为了保证佩戴者的舒适度，还对其通气窗数目和安装位置进行了明确。

综合起来看，本新型设计以实验室数据为基础，通过对不同口罩滤材进行合理筛选和组合，最终确定了关键过滤材料，即1层复合PVDF纳米纤维聚丙烯无纺布+2层熔喷无纺布的组合。本新型还与其他辅助滤材相结合，同时融入对口罩设计中工艺的定量控制，如：滤材连接、弧度一致、完全重叠等，以达到最佳过滤效果。另外，本新型还包括弹性耳挂使得佩戴者与滤材紧密连接，通过单向气流阀杜绝二次污染，使得本设计在实际复杂环境中能稳定、高效的阻断雾霾，将有效性、舒适性和经济性得以统一。