黎倩雨，陳 廷

(蘇州大學(xué) 紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

2019年底爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎(COVID-19)嚴(yán)重影響了人們的日常生活，為避免病毒的傳播，專家建議公眾出行時(shí)配戴口罩，合適的醫(yī)用防護(hù)口罩可有效減少佩戴者感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。目前，醫(yī)用防護(hù)口罩已成為人們?nèi)粘３鲂械谋貍浞雷o(hù)用品。

醫(yī)用防護(hù)口罩的過濾層主要采用聚丙烯駐極熔噴非織造布來攔截有害顆粒物，過濾材料在保障口罩高功能性需求的同時(shí)會(huì)對(duì)口罩內(nèi)的空氣流動(dòng)產(chǎn)生較大阻力[4-6]，使用者在佩戴過程中時(shí)常會(huì)感受到空氣流通不足，長(zhǎng)時(shí)間佩戴可能引起呼吸困難，面部疼痛發(fā)紅，頭疼頭暈以及鼻子、眼睛有刺激感等不適癥狀[7-8]，可見設(shè)計(jì)出更具舒適性的防護(hù)口罩至關(guān)重要[9-10]。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)口罩佩戴舒適性的研究還很少，如何提高口罩的佩戴舒適性，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩不會(huì)感到不適的同時(shí)還能達(dá)到防護(hù)要求，對(duì)于口罩的設(shè)計(jì)改進(jìn)優(yōu)化具有重要的意義。

本文介紹了人們?cè)谂宕麽t(yī)用防護(hù)口罩過程中可能出現(xiàn)的舒適性問題和醫(yī)用防護(hù)口罩舒適性的影響因素，并對(duì)醫(yī)用防護(hù)口罩的舒適性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述和分析，以期為醫(yī)用防護(hù)口罩的舒適性改進(jìn)提供依據(jù)。

1 醫(yī)用防護(hù)口罩的結(jié)構(gòu)及防護(hù)原理

1.1 醫(yī)用防護(hù)口罩的結(jié)構(gòu)

醫(yī)用口罩通?？梢苑譃?類：普通醫(yī)用口罩、醫(yī)用外科口罩和醫(yī)用防護(hù)口罩，其中醫(yī)用防護(hù)口罩的防護(hù)級(jí)別最高，醫(yī)用外科口罩次之，再者為普通醫(yī)用口罩。醫(yī)用防護(hù)口罩一般由外層疏水層、中間過濾層以及內(nèi)層吸濕層3部分組成，如圖1醫(yī)用防護(hù)口罩結(jié)構(gòu)示意圖所示，每一層都有其特定的功能。外層疏水層通常由紡粘非織造布或熱軋非織造布組成，材料的孔徑較大，可以截取尺寸較大的顆粒物，經(jīng)防水處理后可有效過濾空氣中的飛沫；中間過濾層由具備較強(qiáng)過濾作用的熔噴非織造布組成，大都采用靜電駐極工藝對(duì)其進(jìn)行改性處理，可過濾更微小尺寸的顆粒，也可避免病菌進(jìn)出口罩內(nèi)部，是口罩起到防護(hù)作用的主體組成部分；內(nèi)層由普通紡粘或針刺、水刺非織造布構(gòu)成，大都采用親膚材料，在保證口罩吸濕性的同時(shí)提高其舒適性[11]。

圖1 醫(yī)用防護(hù)口罩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of medical protective masks

1.2 醫(yī)用防護(hù)口罩的防護(hù)原理

理論上呼吸道病毒可以通過細(xì)小氣溶膠(空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤5 μm的飛沫和飛沫核)和呼吸道飛沫(包括源頭周圍迅速下降的較大飛沫以及空氣動(dòng)力學(xué)直徑>5 μm的粗粒子氣溶膠)傳播[12]?？谡挚煞乐购粑澜佑|飛沫和氣溶膠。醫(yī)用防護(hù)口罩阻隔顆粒物的機(jī)制如圖2醫(yī)用防護(hù)口罩防護(hù)原理所示，主要有以下5種[13-15]：

圖2 醫(yī)用防護(hù)口罩防護(hù)原理Fig.2 Protective principle of medical protective mask

①沉降作用。較大的顆粒物因?yàn)橹亓ψ饔枚两档竭^濾纖維上，由于顆粒直徑大于過濾纖維之間的間隙而被機(jī)械過濾。

②慣性撞擊。質(zhì)量較大的顆粒物由于慣性作用不能隨氣流運(yùn)動(dòng)，與纖維發(fā)生碰撞并黏附在纖維表面而被過濾。

③攔截作用。中等大小的顆粒在通過過濾纖維時(shí)，因其半徑太大不能穿透纖維而被纖維表面所攔截。

④擴(kuò)散作用。在布朗運(yùn)動(dòng)作用下，極其微小的顆粒偏離氣流方向撞向纖維，因吸附而被過濾。

⑤靜電吸引。當(dāng)較小的顆粒在接近具有一定靜電的纖維材料時(shí)，氣流中的顆粒物很容易受到靜電的吸引作用而被過濾。

一般來說，除靜電吸引外的所有過濾機(jī)制都是指機(jī)械過濾，并受到顆粒大小和速度的影響。慣性撞擊和攔截作用是宏觀微粒(>0.3 μm)的主要攔截機(jī)制，而擴(kuò)散作用是微納米粒子(<0.3 μm)的主要攔截機(jī)制。當(dāng)粒子沿著纖維周圍流線運(yùn)動(dòng)與纖維表面接觸并由于范德華力而沉積在其上時(shí)，就會(huì)發(fā)生攔截。當(dāng)粒子在過濾纖維附近改變其流線方向并由于慣性而撞擊纖維時(shí)，就會(huì)發(fā)生慣性撞擊。這種機(jī)制對(duì)于捕獲大顆粒更有效，且在更高的粒子速度下增強(qiáng)。相反，0.3 μm以下的顆粒主要受擴(kuò)散作用的影響。由于空氣分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，這些非常微小的粒子穿過流線(布朗運(yùn)動(dòng))直到它們接觸到纖維。在重力作用下，大顆?？赡軙?huì)在緩慢移動(dòng)的氣流中沉降。當(dāng)過濾纖維處于納米級(jí)時(shí)，過濾條件會(huì)發(fā)生變化，納米級(jí)纖維外圍的氣流將發(fā)生顯著變化，會(huì)產(chǎn)生能夠吸附亞微米級(jí)顆粒的強(qiáng)大范德華力。而且由于孔隙之間具有良好的連通性，擴(kuò)散、慣性效應(yīng)和攔截作用也將得到增強(qiáng)[16]。

2 佩戴過程中的舒適性問題

2.1 呼吸困難和頭痛

使用醫(yī)用防護(hù)口罩常見的不適癥狀即由呼吸阻力增加而引起的呼吸不適。較高的呼氣和吸氣阻力會(huì)使得呼吸困難，較低的空氣交換量意味著佩戴者可能需要更努力地吸氣才能獲得所需相同量的新鮮空氣。Beder等[17]的研究表明，佩戴防護(hù)口罩1～4 h后，受試者體內(nèi)血氧飽和度從98%下降到96%，說明人們長(zhǎng)時(shí)間佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩時(shí)血氧飽和度值會(huì)下降，從而導(dǎo)致呼吸困難。Lee等[18]發(fā)現(xiàn)，使用N95醫(yī)用防護(hù)口罩時(shí)，吸氣阻力的平均增量為126%，呼氣阻力的平均增量為122%，與外界空氣交換量平均減少了37%，證明實(shí)際佩戴過程中，受試者使用N95口罩會(huì)增加呼吸阻力。Matuschek等[19]的研究表明，在中度運(yùn)動(dòng)期間，佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩時(shí)呼吸頻率、血氧飽和度和CO2水平會(huì)發(fā)生顯著變化。且在極端情況下，CO2滯留(高碳酸血癥)會(huì)伴有副作用，證明體力負(fù)荷情況下佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩具有潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)人們佩戴無呼吸閥的醫(yī)用防護(hù)口罩時(shí)，在氣流阻力作用下會(huì)產(chǎn)生呼吸緊張的主觀感覺，特別是在體力消耗期間。但在Ipek等[20]的研究中，使用N95口罩后CO2顯著降低，并在受試人員中檢測(cè)到了呼吸性堿中毒和低碳酸血癥，這增加了頭痛、呼吸困難和嗜睡的發(fā)生率。研究表明了參與者的不適癥狀是由于呼吸性堿中毒和低碳酸血癥引起的。Ong等[21]在COVID-19大流行期間的調(diào)查研究報(bào)告顯示，82%的醫(yī)護(hù)人員在佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩時(shí)感受到頭痛。原因可能是機(jī)械壓迫、低氧血癥或高碳酸血癥。這與Lim等[22]的研究結(jié)果一致，即縮短口罩佩戴時(shí)間可能會(huì)降低頭痛的頻率和嚴(yán)重程度。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外關(guān)于醫(yī)用防護(hù)口罩造成呼吸困難和頭痛的文獻(xiàn)很少，幾乎沒有涉及對(duì)佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩引起呼吸困難和頭痛原因的系統(tǒng)研究，未來還需要進(jìn)行更深入全面的研究。

2.2 壓力性損傷

壓力性損傷是指由于強(qiáng)烈或長(zhǎng)時(shí)間的壓力或壓力與剪切相結(jié)合而發(fā)生的對(duì)皮膚和下層軟組織的局部損傷。長(zhǎng)時(shí)間佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩，會(huì)使局部皮膚受壓、口罩內(nèi)部溫濕度增加，易造成面部皮膚麻木、紅腫、疼痛，甚至產(chǎn)生壓力性損傷，主要表現(xiàn)為完整的皮膚，伴有紅斑或開放性潰瘍和疼痛[23]。多項(xiàng)研究顯示，佩戴醫(yī)用防護(hù)口罩時(shí)產(chǎn)生的壓力性損傷主要發(fā)生在鼻梁、臉頰顴骨及耳廓后部等位置[24-26]。醫(yī)用防護(hù)口罩所造成的壓力性損傷的主要原因如下。

①力學(xué)因素。口罩邊緣與佩戴者直接接觸的部位易產(chǎn)生壓力、剪切力和摩擦力。壓力和剪切力致使局部皮膚血液不暢或細(xì)胞變形，進(jìn)而造成組織缺氧缺血。同時(shí)，摩擦力使得臉部皮膚角質(zhì)層受損。

②潮濕。由于呼吸產(chǎn)生過高的溫度和濕度可能會(huì)導(dǎo)致口罩區(qū)域內(nèi)非常潮濕和呼吸困難[27]，由此人體面部皮膚彈性下降、pH值改變 ，使得皮膚角質(zhì)層屏障功能下降。

③口罩材質(zhì)。研究表明，壓力性損傷的發(fā)生與醫(yī)用防護(hù)口罩的材質(zhì)和屬性有關(guān)[28]。口罩質(zhì)地堅(jiān)硬且與皮膚直接接觸面積小，增加了其與面部的摩擦力及局部組織壓力，從而造成皮膚紅腫和壓力性損傷。

2.3 面部熱量上升

呼吸會(huì)在口罩內(nèi)部形成微氣候，其中呼出的空氣和水蒸氣具有一定的溫度和濕度，當(dāng)口罩密合性良好時(shí)，呼出的氣體遇冷凝結(jié)形成的水汽會(huì)積聚在口罩與面部間空隙的微環(huán)境中，當(dāng)這些水汽不能及時(shí)擴(kuò)散或傳遞到外界環(huán)境時(shí)，人體會(huì)感覺悶熱、潮濕[29]。若長(zhǎng)時(shí)間處于不透氣狀態(tài)，口罩內(nèi)表面會(huì)形成水凝結(jié)現(xiàn)象，大量水珠粘連在面部。熱空氣在口罩與面部間空隙區(qū)域循環(huán)流動(dòng)，使得面部溫度上升，也會(huì)加速出汗，最終可能浸濕口罩，使其緊貼面部，增加不適感[30]。Li等[31]研究發(fā)現(xiàn)醫(yī)用防護(hù)口罩微氣候下的溫度和皮膚溫度明顯高于外科口罩，導(dǎo)致更高的熱應(yīng)激和不適感。Roberge等[32]讓20名健康受試者以中低速工作速度工作1 h和2 h，同時(shí)佩戴4款N95口罩(其中2款帶有呼氣閥)，以無線監(jiān)測(cè)核心和皮膚溫度。結(jié)果表明，佩戴N95口罩2 h后會(huì)顯著增加口罩覆蓋的面部皮膚的溫度。Scarano等[33]讓20名男性受試者在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下分別佩戴N95口罩和醫(yī)用外科口罩1 h。用紅外熱像儀評(píng)估以測(cè)量口周區(qū)域的面部溫度，并記錄與濕度、熱量、呼吸困難和不適相關(guān)的感知等級(jí)。研究結(jié)果顯示，受試者佩戴N95口罩1 h會(huì)使皮膚溫度從正常水平升高到34.5 ℃ 以上，說明N95口罩能夠?qū)е旅娌科つw溫度升高，不適感增加和佩戴依從性降低。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)醫(yī)用防護(hù)口罩引起面部熱量上升問題的研究還比較少，關(guān)注度也不夠，還有待更全面深入的研究。

3 醫(yī)用防護(hù)口罩舒適性的影響因素

口罩的佩戴舒適性是指人體佩戴口罩時(shí)面部以及生理呼吸的舒適性。影響口罩舒適性的因素與普通紡織品相似，是根據(jù)人體實(shí)際穿著(佩戴)過程中對(duì)材料的主觀感受來加以評(píng)價(jià)的，主要包含了材料的通透性、熱濕舒適性、刺癢作用及濕冷刺激[34-35]。其中，通透性和熱濕舒適性統(tǒng)稱為熱濕舒適性，刺癢作用和濕冷刺激則統(tǒng)稱為接觸舒適性。

3.1 熱濕舒適性的影響因素

熱濕舒適性是評(píng)價(jià)紡織品最重要的指標(biāo)之一。它是指織物在人體和環(huán)境間維持和調(diào)節(jié)人體體溫穩(wěn)定，與皮膚表面形成舒適的微環(huán)境的特性。口罩的舒適性和材料的溫度調(diào)節(jié)與水分輸送密切相關(guān)，這意味著能快速將熱量和水分從面部轉(zhuǎn)移出去的口罩可以提供更好的佩戴舒適性[36]。熱濕舒適性主要通過呼吸阻力、透氣性和透濕性來體現(xiàn)。

3.1.1 呼吸阻力

口罩的過濾層主要是聚丙烯駐極熔噴布，在過濾顆粒物的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大阻力，降低舒適度。佩戴口罩時(shí)增加的呼吸阻力通過補(bǔ)償機(jī)制的額外生理負(fù)擔(dān)增加了呼吸的工作。呼吸阻力過大，會(huì)使人體產(chǎn)生不適。

3.1.2 透氣性

口罩的透氣性非常重要。當(dāng)口罩的透氣性較差時(shí)，呼出的廢氣無法與外界很好地發(fā)生氣體交換，空氣、水蒸氣和熱量無法進(jìn)行有效傳遞，口罩內(nèi)的微氣候會(huì)因此改變，導(dǎo)致口罩內(nèi)廢氣積聚，濕度增加，造成呼吸困難，從而使人體感覺不適[39]。要提高透氣性，口罩需要能夠輕松地將空氣和水蒸氣轉(zhuǎn)移到環(huán)境中，同時(shí)防止水滴滲透到其纖維中，確?？谡謨?nèi)保持干燥舒適。

透氣性主要受到材料本身和環(huán)境條件的影響。材料影響主要包括纖維性質(zhì)、非織造布結(jié)構(gòu)和厚度等。溫度一定時(shí)，空氣相對(duì)濕度增加，紡織材料的透氣性下降。相對(duì)濕度一定時(shí)，紡織材料的透氣性隨溫度的升高而有所改善。當(dāng)溫度和相對(duì)濕度均不變時(shí)，透氣性也會(huì)受到紡織材料兩面氣壓差的變化的影響，而且這種影響是非線性的[37]。

3.1.3 透濕汽性

透濕汽性是熱濕舒適度的重要指標(biāo)。人們普遍認(rèn)為，較高的水蒸氣透過率可以保持口罩干燥和清潔，從而增加佩戴舒適性。排汗使身體降溫，在炎熱的氣候或繁重的工作條件下會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣[33]，因此，口罩材料必須要能夠吸收佩戴者皮膚上的水分并迅速將水分轉(zhuǎn)移到環(huán)境中。否則，口罩內(nèi)的高溫和潮濕可能會(huì)導(dǎo)致呼吸困難。

影響透濕汽性的主要因素有織物的結(jié)構(gòu)、組成和大氣條件。相對(duì)濕度越低，織物對(duì)人體蒸發(fā)散熱的阻力越小，織物的透濕汽性越弱。吸濕性纖維織物可以通過自身導(dǎo)濕，但吸濕后纖維直徑膨脹會(huì)增加織物的緊度，汗汽累積在織物內(nèi)，不易導(dǎo)入外部環(huán)境，人們更易產(chǎn)生不適感。

3.2 接觸舒適性的影響因素

接觸舒適性主要指纖維材料在直接接觸皮膚時(shí)，皮膚不會(huì)因?yàn)椴牧系拇植诙?、柔軟度等產(chǎn)生刺痛、瘙癢等感覺[40]。面部與口罩發(fā)生直接接觸時(shí)，直接接觸部位可能會(huì)出現(xiàn)刺激反應(yīng)，長(zhǎng)期使用口罩會(huì)使面部產(chǎn)生干燥、發(fā)紅、擦傷、瘙癢等皮膚問題[41]?？谡峙c面部的摩擦效應(yīng)、口罩材料的導(dǎo)濕能力與使用者的佩戴舒適性直接相關(guān)。接觸舒適性主要通過刺癢感和濕冷刺激來體現(xiàn)。

“我說你啊，是天生和玉器八字不合。你的王字比起玉字少了一點(diǎn)，接觸起玉器來自然少了個(gè)心眼。不如跟著我做古錢生意吧?！?/p>

3.2.1 刺癢感

口罩與面部接觸時(shí)，口罩內(nèi)層材料表面的纖維、絨毛、碎屑以及各種微粒會(huì)與面部皮膚發(fā)生摩擦使人產(chǎn)生刺癢感。口罩與面部皮膚長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)摩擦就會(huì)引起皮膚干燥、發(fā)紅等，使佩戴者產(chǎn)生不適感覺。

影響纖維材料刺癢性能的因素主要包括纖維性狀、毛羽數(shù)量與形態(tài)以及織物和紗線結(jié)構(gòu)。其中纖維性能與形狀，如直徑、毛羽長(zhǎng)度和彎曲剛度，都與纖維材料的刺癢性直接相關(guān)。一般直徑大于30 mm的纖維會(huì)引起刺癢感，但伸出織物表面自由長(zhǎng)度足夠短的更細(xì)的纖維也能觸發(fā)刺癢反應(yīng)。纖維的彎曲剛度除了會(huì)影響成紗表面的光潔度外，還直接決定了纖維對(duì)皮膚的刺激程度。毛羽的數(shù)量越多，人體越容易感受到刺癢作用。毛羽突出的形態(tài)通常為伸直狀或彎曲狀，影響刺扎、摩擦和刮拉的效應(yīng)。此外織物的組織結(jié)構(gòu)、紗線的捻度以及織物和紗線之間的緊密性都對(duì)刺癢感有一定的影響。

3.2.2 濕冷刺激

由于呼吸會(huì)在口罩內(nèi)部形成微氣候，其中呼出的空氣和水蒸氣具有一定的溫度和濕度，因此口罩區(qū)域內(nèi)過高的溫度和濕度可能會(huì)導(dǎo)致環(huán)境非常潮濕和呼吸困難[27]。過多的熱量和滯留的水蒸氣可能會(huì)導(dǎo)致口罩內(nèi)部出現(xiàn)濕冷的感覺，同時(shí)進(jìn)一步降低口罩的過濾效率。

引起材料濕冷刺激的主要因素是吸濕性和吸水性，當(dāng)纖維吸濕性差但吸水性較好時(shí)，若材料表面能很好地導(dǎo)水，則濕冷刺激將減少。此外，濕冷刺激也受環(huán)境的影響，當(dāng)空氣中的溫度較低，濕度較大時(shí)，水分易滯留在織物中，隨著織物含水量的增加，冷卻能力也增加，導(dǎo)致局部皮膚冷卻，濕冷感覺增強(qiáng)。

此外，口罩和臉部的貼合度是影響口罩透氣性的重要因素，它控制著面部與口罩之間的縫隙大小，與織物的小孔隙相比，即使是很小的縫隙也能引起足夠大的氣流。貼合度也與口罩佩戴舒適性直接相關(guān)，因?yàn)檫^度緊繃的口罩可能會(huì)刺激皮膚，引起窒息感[42]。

4 醫(yī)用防護(hù)口罩舒適性的研究現(xiàn)狀

醫(yī)用防護(hù)口罩的使用效果主要由其防護(hù)性、安全性及舒適性決定。目前，醫(yī)用防護(hù)口罩的防護(hù)性、安全性的研究已經(jīng)相對(duì)完善[43]，隨著口罩的使用日?；渑宕魇孢m性也倍受人們重視，越來越多的學(xué)者致力于提高醫(yī)用防護(hù)口罩舒適性的研究。

4.1 濾 材

醫(yī)用防護(hù)口罩的防護(hù)效果與濾材直接相關(guān)，纖維直徑越小，纖維間所形成的纖維網(wǎng)孔隙率越高，孔徑越小，濾材的壓降阻力越低，防護(hù)效果越好。目前口罩在防護(hù)效果方面已經(jīng)取得了很好的成效，但平衡好口罩的防護(hù)性和舒適性，提高過濾性能的同時(shí)增強(qiáng)用戶佩戴體驗(yàn)感仍是值得深入研究的問題。

4.1.1 傳統(tǒng)非織造濾材

聚丙烯(PP)熔噴非織造織物是目前最常用的醫(yī)用口罩過濾材料，具有成本低，熱穩(wěn)定性好，孔隙率高，透氣性能好等特性，其制備的口罩過濾性能遠(yuǎn)優(yōu)于其他材料，是當(dāng)前主流的防護(hù)口罩產(chǎn)品。但聚丙烯纖維具有很高的結(jié)晶度且不含極性基團(tuán)，使得聚丙烯非織造織物親水性能較差，佩戴舒適性差。常采取各種方法對(duì)它進(jìn)行改性處理以改善PP非織造織物制成的口罩的舒適性能。

目前，PP的親水改性方法很多，比如表面接枝改性、等離子體處理等。王翱等[44]將親水性單體丙烯酸(AA)和甲基丙烯酸(MAA)在聚丙烯薄膜表面接枝聚合，提高其親水性。Hwang等[45]將聚丙烯非織造材料經(jīng)氦氣常壓放電等離子體處理使得織物的表面潤(rùn)濕性增強(qiáng)，纖維間摩擦增加，拉伸強(qiáng)度提高，透氣性增強(qiáng)。劉鴻銘等[46]采用硅烷偶聯(lián)劑KH-570對(duì)溶脹處理后的聚丙烯纖維表面進(jìn)行親水改性，提高了纖維表面的親水性能。但等離子體處理后的材料親水性具有一定時(shí)效性，會(huì)隨時(shí)間的增加而下降。而通過等離子體誘導(dǎo)接枝改性可使親水性得到永久性改性。魏發(fā)云等[47]通過氬氣等離子體處理材料表面，然后進(jìn)行丙烯酸接枝改性，獲得了親水性良好的PP熔噴材料，且親水性不會(huì)隨時(shí)間的增加而下降。

此外，應(yīng)用涂層賦予PP一定的功能性，Ekabutr等[48]通過將山竹提取物(MG)噴涂在PP過濾層進(jìn)行改性處理開發(fā)3層醫(yī)用口罩，提高了口罩的抗菌和過濾性能。涂層的增加也導(dǎo)致纖維親水性和過濾層的壓降增加，從而使得口罩的佩戴舒適性提高。Shan等[49]通過將柔性導(dǎo)電布膠帶黏附在熔噴非織造布上制成過濾層表面來制作叉指電極，然后涂覆具有優(yōu)異導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性的石墨烯層。當(dāng)施加3 V的低電壓時(shí)，石墨烯改性非織造布可以迅速產(chǎn)生超過80 ℃的高溫，能夠有效殺死污染濾層和口罩表面的細(xì)菌和病毒。產(chǎn)生的熱量能夠消除佩戴口罩時(shí)產(chǎn)生的水蒸氣，口罩佩戴舒適性提高。

目前的醫(yī)用防護(hù)濾材中，PP仍然是用得最多的材料。為滿足人們對(duì)口罩舒適性的追求，PP必須進(jìn)行改性處理，進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)品參數(shù)。將傳統(tǒng)非織造織物濾材功能化、柔軟舒適化將極大地推進(jìn)醫(yī)用防護(hù)口罩的研究。

4.1.2 靜電紡納米纖維濾材

靜電紡絲技術(shù)能夠成功地將熔噴和紡粘纖維網(wǎng)與直徑從幾納米到幾百納米不等的纖維結(jié)合起來[50]。與傳統(tǒng)纖維相比，靜電紡納米纖維網(wǎng)具有表面積體積比大，孔徑小，通用性強(qiáng)和孔洞連通性更好等優(yōu)點(diǎn)[51]，因此，納米纖維網(wǎng)制成的醫(yī)用防護(hù)口罩比傳統(tǒng)濾材制作的口罩更輕薄，更透氣，從而提高了使用者的總體舒適性，是未來醫(yī)用防護(hù)口罩發(fā)展的新方向。

Skaria等[52]研究了納米纖維支撐的醫(yī)用防護(hù)口罩的透氣性和過濾效率，發(fā)現(xiàn)納米纖維的應(yīng)用能顯著降低口罩氣流阻力，引導(dǎo)更多氣流通過口罩，從而提高過濾性和舒適性。Liu等[53]采用靜電紡絲法制備了透明聚丙烯腈(PAN)納米纖維膜。與現(xiàn)有商用空氣過濾膜相比，所獲得的納米纖維膜具有光學(xué)透明度良好(90%)，過濾效率高(>95%)，壓降低(低至132 Pa)和質(zhì)量輕的特點(diǎn)。在Liu的研究之后，越來越多的學(xué)者將納米纖維用于醫(yī)用口罩核心濾材的開發(fā)。羅瑞雪[54]將聚乙烯醇縮丁醛(PVB)加入無水乙醇制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7的紡絲液，經(jīng)靜電紡絲制得納米纖維作為口罩的核心過濾材料，具有良好的透氣性和過濾性。Li等[55]通過靜電紡絲合成了一種用于口罩過濾材料的聚砜基納米纖維涂覆到非織造材料上。分析發(fā)現(xiàn)，納米纖維口罩材料可以有效防止佩戴者吸入空氣中的有害顆粒并且保持良好的透氣性。也有學(xué)者將納米纖維和天然纖維結(jié)合應(yīng)用于口罩的開發(fā)之中，使得皮膚接觸舒適性提高。Abbas等[56]通過整合二氧化鈦制成的納米管填充入殼聚糖/聚乙烯醇聚合物靜電紡納米纖維作為外層，殼聚糖/聚乙烯醇作為中間層過濾顆粒物防止污染，蠶絲/聚乙烯醇作為內(nèi)層，利用蠶絲吸濕、透氣的特性使佩戴者更加舒適。與普通醫(yī)用防護(hù)口罩相比，制造的口罩的過濾效率更高。此外，該新型口罩彈性特性的分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算表明其優(yōu)于商業(yè)同類產(chǎn)品，提高了佩戴舒適性。

為提高醫(yī)用防護(hù)口罩的功能性和佩戴舒適性，研究人員還開發(fā)了含有超吸收聚合物的納米纖維和靜電紡新型超吸收納米纖維，用于提高材料的液體吸收能力，并應(yīng)用于醫(yī)用防護(hù)口罩的開發(fā)[51,57-58]。Sivri[59]通過靜電紡絲法使用聚乙烯醇/超吸水性聚合物(PVA/SAP)水溶液制備了高吸水性納米纖維，并將其涂敷在口罩上，提高了口罩的親水性，增強(qiáng)其防護(hù)性能和舒適性能。

靜電紡納米纖維濾材是目前公認(rèn)的較理想的高效低阻濾材，有望取代傳統(tǒng)非織造布成為防護(hù)材料的核心[60-62]。這方面的研究取得了一定進(jìn)展，但由于靜電紡納米纖維孔徑較小，易使纖維網(wǎng)的整體力學(xué)性能下降，且靜電紡納米纖維目前還處于實(shí)驗(yàn)室階段，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。如何制備高效低阻的高性能濾材仍需深入研究。

4.1.3 復(fù)合過濾材料

復(fù)合過濾材料是指將幾種材料按照需求科學(xué)結(jié)合，發(fā)揮各自的作用，整體過濾效果增強(qiáng)，使得開發(fā)的濾材能同時(shí)滿足高效低阻的需要。

目前，將納米纖維材料引入到傳統(tǒng)非織造布過濾體系中以提升濾材的過濾效率和透氣性是復(fù)合過濾材料的發(fā)展方向。Kim等[63]將具有色變現(xiàn)象的10,12—五十二炔酸(PCDA)與聚氨酯作為支撐聚合物混合，并將溶液靜電紡在聚丙烯紡粘非織造布基材上產(chǎn)生納米纖維復(fù)合材料，之后利用紫外光照射對(duì)納米復(fù)合材料進(jìn)行光聚合，生產(chǎn)聚氨酯/聚多巴胺(PU/PDA)納米纖維復(fù)合材料，用以開發(fā)能夠檢測(cè)和阻擋細(xì)小粉塵的口罩過濾材料。PU/PDA纖維膜的抗拉強(qiáng)度接近2.94～3.34 MPa，具有較好的透氣率(112 mm/s)和高過濾效率(97.8%～99.6%)和低壓降(56.9～61.78 Pa)。萬雨彩等[64]采用熔融共混相分離法制備聚乙烯醇-乙烯共聚物(PVA-co-PE)納米纖維并制成懸浮乳液，將聚丙烯(PP)針刺基材浸漬到懸浮乳液中進(jìn)行冷凍干燥處理，得到PVA-co-PE納米纖維增強(qiáng)PP微米纖維骨架復(fù)合空氣過濾材料。該過濾材料具有高過濾效率和低阻力壓降，并表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性。Xiong等[65]開發(fā)了六方氮化硼(h-BN)/ PP納米復(fù)合纖維膜，以制造具有高舒適性和抗菌活性的口罩。該口罩將活化的PP超細(xì)纖維非織造布浸泡在QAC/h-BN納米片懸浮液中形成QAC/h-BN/PP納米復(fù)合纖維膜。h-BN抗菌功能化后，可同時(shí)提高PP超細(xì)纖維非織造織物的導(dǎo)熱性和抗菌活性，使得開發(fā)的QAC/h-BN/PP納米復(fù)合纖維膜克服了商用PP非織造布中熱舒適性和抗菌活性差的問題。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，口罩濾材除了在提高過濾效率的同時(shí)需要保證更好的透氣性、耐用性和舒適性。這些特性并不直接相容，細(xì)纖維使得濾材高密度，小孔徑和高過濾效率但透氣性低，舒適性差。相反，粗纖維提供高滲透性，但會(huì)導(dǎo)致孔徑增大，從而降低過濾效率，因此通過將化學(xué)、物理、生物材料經(jīng)過一定的工藝結(jié)合，研制出更具有優(yōu)勢(shì)的新型復(fù)合過濾材料，更好地平衡好高效和低阻將成為未來口罩濾材的主要發(fā)展方向。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上常見口罩的形狀主要有平面式、折疊式和杯狀3種。其中平面式口罩罩面材料軟，貼合性差，質(zhì)量輕，對(duì)耳朵產(chǎn)生的壓力不適感小，呼吸阻力較小，口罩覆蓋處有濕熱感[65]。折疊式口罩罩面材料較軟，貼合性較好，呼吸阻力較大，為保證高密合度而緊繃帶子使得耳部疼痛，鼻梁、顴骨處有壓迫感，口罩內(nèi)濕熱感較明顯。杯狀口罩罩面材料硬挺，不易變形，呼吸空間大，貼合性相對(duì)最好，呼吸阻力較大，鼻梁、顴骨、下巴壓迫感明顯，口罩內(nèi)部濕熱感明顯。呼吸阻力和口罩內(nèi)濕熱問題需要依靠研發(fā)兼具防護(hù)和透氣性能的新型濾材來解決，其他問題則可以通過結(jié)構(gòu)改良解決。

4.2.1 口罩帶設(shè)計(jì)

口罩按佩戴方式可分為耳戴式口罩和頭戴式口罩。耳戴式口罩易穿脫，但長(zhǎng)時(shí)間佩戴口罩帶會(huì)對(duì)耳部產(chǎn)生一定的壓迫。頭戴式口罩可以分散壓力，受力更加均勻，更為舒適。但市場(chǎng)上頭戴式口罩帶一般為長(zhǎng)度一定且具有一定彈力的繩子，對(duì)于不同頭圍不具有兼容性。

吉予彤[66]針對(duì)耳戴式口罩帶的問題進(jìn)行了改造?？谡謳Ц挠昧? mm寬的扁形的彈力較大的滌綸絲包筋紗，其主要成分為氨綸，彈性更大，方便調(diào)節(jié)大小。此外，還增加了直徑為9 mm的硅膠材質(zhì)的調(diào)節(jié)扣，便于佩戴者根據(jù)自己臉型調(diào)節(jié)松緊以減輕耳部不適感。

王文慧等[67]將頭戴式口罩帶分成2個(gè)半條，添加卡扣將口罩變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)式以提升佩戴舒適性。張弦[68]在增加口罩帶調(diào)節(jié)扣外，還采用以熱塑性聚胺酯彈性體(TPU)為原材料、添加高彈助劑制成的頭戴式口罩帶，增強(qiáng)口罩帶的彈性，使佩戴者可按不同頭臉形狀調(diào)節(jié)口罩佩戴的松緊程度。

目前口罩帶的改進(jìn)方法主要是改善彈力繩的彈性和增加調(diào)節(jié)扣，方法簡(jiǎn)便但在一定程度上能夠改善由口罩給耳部帶來的壓迫感，使得佩戴更為舒適。

4.2.2 罩面設(shè)計(jì)

口罩的貼合度指口罩罩面與臉部輪廓的緊密程度?？谡峙c人臉貼合不充分，空氣中的顆粒物會(huì)從縫隙處進(jìn)入人體呼吸道，口罩將失去過濾作用[69]?？谡峙c人臉貼合太過緊密，將刺激臉部皮膚，對(duì)面部造成壓迫感，引起佩戴不適。

張弦[68]通過對(duì)目前市面上醫(yī)用防護(hù)性口罩的總適合因數(shù)進(jìn)行測(cè)試，得出影響口罩貼合性的關(guān)鍵因素主要為防護(hù)口罩濾材本身的過濾性能和口罩輪廓邊緣與人面部的貼合度。目前國(guó)內(nèi)的醫(yī)用防護(hù)口罩大多是參照國(guó)外設(shè)計(jì)資料生產(chǎn)，根據(jù)西方人的臉型設(shè)計(jì)而成的，不符合中國(guó)人體要求的面部特征。產(chǎn)品尺寸的差異導(dǎo)致國(guó)內(nèi)大部分醫(yī)用防護(hù)口罩和人面部貼合度不足，使得防護(hù)口罩不能有效發(fā)揮其防護(hù)功能，同時(shí)還影響使用者的佩戴舒適性。隨著醫(yī)用防護(hù)口罩的研究深入，越來越多的國(guó)內(nèi)學(xué)者致力于開發(fā)出符合中國(guó)人面部特征的醫(yī)用防護(hù)口罩。

周小童等[70]對(duì)194個(gè)成人口罩相關(guān)的7個(gè)面部指標(biāo)(鼻長(zhǎng)、鼻寬、鼻深、形態(tài)面長(zhǎng)、面寬、兩耳屏間寬、兩下額角間寬)進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)成人臉型多為小臉型，與目前市面上標(biāo)準(zhǔn)的大口罩不匹配。研究人員對(duì)頻數(shù)最多的標(biāo)準(zhǔn)臉型進(jìn)行頭面逆向模型建立和口罩正向設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的口罩更適合我國(guó)成人的臉型。王鈺涵等[71]以天津地區(qū)臉型形態(tài)特征為例，設(shè)計(jì)符合人機(jī)工程學(xué)并且造型多樣的口罩設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了口罩與特定地區(qū)的人群臉型特征吻合，做到口罩與臉部緊密貼合。方雪嬌等[72]通過分析面部特征數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)影響口罩貼合度的關(guān)鍵因素主要是顴骨間距、鼻中寬和鼻中高。根據(jù)這些關(guān)鍵因素，應(yīng)用服裝結(jié)構(gòu)制圖和立體剪裁工藝，設(shè)計(jì)出符合國(guó)人面部輪廓的貼合型防護(hù)口罩。對(duì)口罩進(jìn)行主觀測(cè)評(píng)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的新型貼合性口罩明顯改善了呼吸側(cè)漏、口鼻活動(dòng)困難、口罩不夠貼合面部等問題。

為實(shí)現(xiàn)醫(yī)用防護(hù)口罩的緊密貼合性和佩戴舒適性，研究人員提出利用3D打印技術(shù)開發(fā)適合個(gè)人面部特征的口罩。Shaheen等[73]通過將立體攝影測(cè)量、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和3D打印結(jié)合，開發(fā)了適應(yīng)個(gè)人面部輪廓的防護(hù)口罩，與傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)性口罩相比，改善了口罩的貼合性和舒適性。

醫(yī)用防護(hù)口罩的貼合度是佩戴者得到有效防護(hù)的前提，提高口罩的貼合性需要繼續(xù)改進(jìn)口罩設(shè)計(jì)，以保證口罩邊緣盡可能貼合使用者的面部，并盡量增大口罩與面部間的空隙，以提高佩戴舒適性。此外，還可以將口罩邊緣材料更換為更為柔軟的材料以減少口罩對(duì)鼻梁和臉部的壓迫。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)口罩功能性需求的增加，舒適性的改進(jìn)也逐漸成為醫(yī)用防護(hù)口罩設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)醫(yī)用防護(hù)口罩的舒適性作了一些研究，但市面上還沒有開發(fā)出真正意義上的兼顧防護(hù)性與舒適性的防護(hù)口罩。本文系統(tǒng)闡述了目前醫(yī)用防護(hù)口罩佩戴過程出現(xiàn)的舒適性問題及影響佩戴舒適性的主要因素，并梳理了醫(yī)用防護(hù)口罩舒適性的研究現(xiàn)狀，從口罩濾材和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2方面總結(jié)了舒適性改進(jìn)的途徑及特點(diǎn)，為醫(yī)用防護(hù)口罩的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了一定的理論支撐和實(shí)踐啟示。未來產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)從2個(gè)方面著手：一是加大對(duì)濾材的研發(fā)投入，將傳統(tǒng)非織造織物材料與新型材料相結(jié)合，開發(fā)出能更好平衡高效與低阻的復(fù)合濾材；二是口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要符合人面部曲線，盡可能貼合人面部輪廓，并根據(jù)面部特征劃分號(hào)型，以滿足不同人群的舒適性需求。