江小浦，鄭敏，胡書可

（南昌大學(xué) 建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院，南昌 330031）

近年來全球空氣污染日漸嚴(yán)重，加之2019年一場(chǎng)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(hù)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?？谡殖俗鳛獒t(yī)療防護(hù)以外，還可以阻擋可吸入顆粒物從口鼻進(jìn)入人體[1]。大眾對(duì)于口罩的需求激增，僅2019年2月底口罩的日生產(chǎn)總量就達(dá)到了1.16億。雖然產(chǎn)能擴(kuò)張一方面解決了一次性口罩的市場(chǎng)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(fèi)。因此，社會(huì)各界對(duì)于一次性口罩這種大量使用并且頻繁更換的產(chǎn)品愈發(fā)重視，為解決它所帶來的上述問題，市場(chǎng)上出現(xiàn)的口罩種類越來越多樣化[2]。

本文從產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響、產(chǎn)品外觀舒適性、產(chǎn)品的生命周期等方面發(fā)現(xiàn)口罩帶來的問題，并對(duì)其進(jìn)行分析，最終提出合理化建議。

1 使用現(xiàn)狀與廢棄處理問題

1.1 調(diào)研分析

在線上線下一共發(fā)放240份問卷，統(tǒng)計(jì)有效問卷207份。問卷重點(diǎn)關(guān)注一次性口罩的結(jié)構(gòu)、材料等。分析結(jié)論如下。

1.1.1 產(chǎn)品款式分析

基于用戶體驗(yàn)的視角，對(duì)消費(fèi)者選擇口罩的款式偏好進(jìn)行調(diào)查?，F(xiàn)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(fèi)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(qiáng)、穿戴麻煩等問題，所以用戶的選擇率較低?？谡值男螤钜卜侄喾N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(duì)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(fèi)者選擇口罩的重要因素。

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

圖2 防護(hù)口罩的形狀Fig.2 Shape of respirator

1.1.2 品結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guān)，剪裁不合理會(huì)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(huì)影響使用者佩戴的松緊度。對(duì)于女性，鼻壓條太重或太大會(huì)蹭花妝容，對(duì)于孩子，鼻壓條尺寸不合適又達(dá)不到口罩使用的效果。因此，口罩的每個(gè)部分都會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題Fig.3 Problems in the structural design of masks

1.1.3 產(chǎn)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(nèi)分別是外層、過濾層、內(nèi)層，對(duì)應(yīng)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(xiàn)了整個(gè)口罩過濾顆粒的效率，內(nèi)層與使用者面部貼合，與佩戴舒適性相關(guān)聯(lián)[5]。另外，產(chǎn)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(guān)。圖4為市面上口罩設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)于在材料選擇上會(huì)出現(xiàn)的一些問題的調(diào)查結(jié)果。

圖4 材料對(duì)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(jié)構(gòu)方面

新冠肺炎疫情來勢(shì)洶洶，在全球范圍內(nèi)蔓延。防疫必備的通用一次性口罩的尺寸結(jié)構(gòu)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(hù)效果也難保證；對(duì)于有呼吸困難的老人來說，佩戴透氣性不好的口罩他們會(huì)感到不適；臉部較寬的成年男性佩戴通用口罩會(huì)因?yàn)槎K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(shè)計(jì)一次性口罩時(shí)需要解決的問題。上述分析是從用戶體驗(yàn)的視角來看的，口罩不符合人機(jī)工程學(xué)的尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)不佳?；诰G色設(shè)計(jì)的角度發(fā)現(xiàn)，非模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成口罩在廢棄之后基本無回收利用的價(jià)值。隨意處理容易造成環(huán)境污染，回收處理費(fèi)時(shí)費(fèi)力，交叉感染概率大，用畢即棄造成大量浪費(fèi)[7]。因此，在口罩設(shè)計(jì)研發(fā)的過程中，合理改進(jìn)口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠提升用戶的使用體驗(yàn)，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(jié)構(gòu)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(duì)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(jiǎn)單處理，處理不當(dāng)不僅浪費(fèi)資源，而且會(huì)污染環(huán)境。當(dāng)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(huì)產(chǎn)生大量的熱能供應(yīng)發(fā)電或者蒸汽動(dòng)力，但也會(huì)產(chǎn)生大量污染環(huán)境的氣體；填埋降解，口罩的材料都是高聚物，通過微生物進(jìn)行分解，耗時(shí)較長(zhǎng)，污染土壤；機(jī)械共混，將粉碎的一次性口罩與其他無機(jī)物混合，用作其他低端產(chǎn)品的生產(chǎn)；化學(xué)回收，利用化學(xué)反應(yīng)重新加聚這些聚合物使之成為升級(jí)功能的新材料，但這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)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(shí)現(xiàn)增值，不能帶來更多的能源和經(jīng)濟(jì)效益。基于綠色設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，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(chǎn)品生命周期

綠色制造是各國(guó)各界人士都廣泛關(guān)注的問題，是21世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展的新方向，同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品全生命周期的資源消耗和環(huán)境影響具有決定性的作用。因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(chǎn)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(guó)家近些年大力倡導(dǎo)綠色發(fā)展。傳統(tǒng)的生命周期是“研發(fā)–制造–使用–報(bào)廢”的過程，這種產(chǎn)品生命周期已經(jīng)不符合現(xiàn)代社會(huì)提倡的可持續(xù)生產(chǎn)理念。柳冠中先生曾提出過“從搖籃到搖籃”的概念，符合時(shí)代呼吁的綠色發(fā)展原則。為緊跟時(shí)代步伐，現(xiàn)在的可持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)品生命周期也有所調(diào)整，即“研發(fā)–制造–使用–再循環(huán)”的過程。疫情期間及后疫情時(shí)代，口罩等大量的一次性醫(yī)療防護(hù)用品需要及時(shí)合理地處理。本文主要從產(chǎn)品報(bào)廢處理提出合理的見解，產(chǎn)品報(bào)廢處理流程階段主要包括產(chǎn)品的再利用、再制造、回收、環(huán)保處理4個(gè)階段，見圖5。

圖5 產(chǎn)品生命周期的報(bào)廢處理流程圖Fig.5 Scrapping process flow chart of product life cycle

3 對(duì)三類優(yōu)化的環(huán)保口罩AHP分析

層次分析法(AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家匹茨堡大學(xué)教授薩蒂于20世紀(jì)70年代初，提出的一種層次權(quán)重決策分析方法。這種方法的特點(diǎn)是在對(duì)復(fù)雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少定量信息使決策的思維過程“數(shù)學(xué)化”，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡(jiǎn)便的決策方法[11]。決策是指在面臨多種方案時(shí)需要依據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)選擇某一種方案。

通過對(duì)一次性口罩結(jié)構(gòu)和材料等方面的分析，結(jié)合綠色生命周期提出的材料相容性、可拆解性等因素，針對(duì)用戶體驗(yàn)的痛點(diǎn)和廢棄后回收再利用的痛點(diǎn)這兩方面進(jìn)行突破。本文從眾多創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的一次性方便回收利用的口罩中選擇三類口罩。對(duì)ABC三類口罩從造型、功能、材料、可拆卸性四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，見表1。選取舒適性、透氣性、過濾性、回收性等四個(gè)因素，使用AHP分析方法，對(duì)四個(gè)因素進(jìn)行分析（見圖6），分析其所占比重，以及綜合評(píng)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(yī)用口罩；B款為3D打印的雙層可拆卸式防護(hù)口罩；C款為通用型防護(hù)口罩。

表1 3款口罩對(duì)比分析Tab.1 Comparative analysis of three masks

成對(duì)比較陣標(biāo)度見表2。

表2 標(biāo)度表Tab.2 Scale table

構(gòu)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(gòu)建模型Fig.6 Build model

構(gòu)建成對(duì)比較矩陣

構(gòu)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(jié)果分析，根據(jù)以上4個(gè)判斷矩陣，由軟件計(jì)算可得一致性檢驗(yàn)結(jié)果，見表6。

表6 指標(biāo)對(duì)應(yīng)表Tab.6 Corresponding index table

由表6可知每個(gè)判斷矩陣均通過一致性檢驗(yàn)，并得到權(quán)重結(jié)果如下。

B1、B2、B3對(duì)A1的權(quán)重為[0.142 9，0.428 6，0.428 6]；

B1、B2、B3對(duì)A2的權(quán)重為[0.109 6，0.309 2，0.581 3]；

B1、B2、B3對(duì)A3的權(quán)重為[0.163 8，0.297 3，0.539]；

B1、B2、B3對(duì)A4的權(quán)重為[0.106 2，0.633 4，0.260 5]。

計(jì)算層次總排序權(quán)值和一致性檢驗(yàn)B1對(duì)總目標(biāo)的權(quán)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(duì)總目標(biāo)的權(quán)值分別為0.358，0.495，決策層對(duì)總目標(biāo)的權(quán)向量為[0.148，0.358，0.495]，可作為最后的決策依據(jù)。

即各方案的權(quán)重排序?yàn)锽3＞B2＞B1。

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

故最后的決策選取C款通用型防護(hù)口罩，從綠色生命周期的4個(gè)階段分析改進(jìn)建議。

4 從綠色生命周期的角度提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)建議

4.1 再利用階段

再利用階段對(duì)應(yīng)產(chǎn)品使用階段，也就是產(chǎn)品的重復(fù)使用率。對(duì)于普通的一次性口罩來講，它的使用次數(shù)就是一次，提高它的使用次數(shù)就是提高產(chǎn)品的使用率。基于有效防護(hù)病毒的前提下如何提高產(chǎn)品的使用率同時(shí)保證不出現(xiàn)交叉感染的情況，唯有口罩生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)師盡可能對(duì)口罩進(jìn)行設(shè)計(jì)再創(chuàng)新。經(jīng)過上述的分析結(jié)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(huì)喪失其過濾性和密閉性，防護(hù)效果逐漸降低。而C款在有效減少基礎(chǔ)材料浪費(fèi)的原則上，開發(fā)了只更換隔離體的口罩，在佩戴2～4 h以上時(shí)可通過更換隔離體恢復(fù)口罩的過濾效果，延長(zhǎng)佩戴的時(shí)長(zhǎng)，減少資源的浪費(fèi)。但是這款口罩也有不足之處，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以看出，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成口罩的生產(chǎn)成本增加。除了可替換隔離體的口罩可以提高口罩的重復(fù)使用率，自主殺菌消毒的口罩更符合綠色制造的理念。從機(jī)會(huì)點(diǎn)出發(fā)，以C款口罩為基礎(chǔ)提出改進(jìn)方向：替換本身具有消殺功能的過濾芯材料；可設(shè)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(shè)計(jì)一體化的小巧方便攜帶的消毒盒，既可以解決口罩暫時(shí)存放的問題，也可以消毒殺菌，延長(zhǎng)口罩的使用壽命，對(duì)于皮膚容易過敏的女性而言也可降低口罩接觸皮膚時(shí)的過敏率。

4.2 再制造階段

再制造階段對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，即口罩使用的材料經(jīng)過簡(jiǎn)單處理就可再次生產(chǎn)制造使用。這個(gè)階段也注重產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可拆卸式口罩的設(shè)計(jì)與可降解材料的選擇是實(shí)現(xiàn)口罩在再制造階段可回收利用的有效方式?？挂叻酪咂陂g，日常最常見的佩戴口罩有3種，醫(yī)用、民用、KN95。3種口罩均由3種材料組成，其中民用口罩與醫(yī)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(zhì)，防止灰塵和病毒等有害物質(zhì)進(jìn)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(hù)效果達(dá)到95%，在三類口罩中防護(hù)效果最佳，醫(yī)用口罩的防護(hù)效果大于民用口罩。由此可知，僅核心層的熔噴布防護(hù)效果就有不同，關(guān)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(dāng)會(huì)造成環(huán)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(chǎn)符合節(jié)約型、環(huán)保型、可持續(xù)發(fā)展的原則。通過對(duì)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(zhì)的優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)綠色回收的目的。除此以外，從市場(chǎng)需求的角度出發(fā)提出兩種廢棄材料處理有效方式：熔噴布具有超大超細(xì)的纖維表面，易于實(shí)現(xiàn)物理改性，可用于制備功能性薄膜和廢水處理領(lǐng)域；經(jīng)過消殺處理粉碎后用作其他低端產(chǎn)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(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)品制造的中間階段，需要考慮產(chǎn)品綠色發(fā)展的問題。對(duì)于熔噴布，大部分人對(duì)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(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對(duì)于大量一次性用畢即棄的口罩，熔噴布經(jīng)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(fā)展于美國(guó)，我國(guó)在20世紀(jì)50年代也開始對(duì)熔噴布進(jìn)行研究，加之2019年的新冠肺炎疫情，對(duì)熔噴布的需求量劇增，加速了各大企業(yè)對(duì)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(chǎn)原料外還可用做保暖材料、過濾材料、醫(yī)療衛(wèi)生等。熔噴布經(jīng)過有效處理后返回到原材料階段再次利用，這個(gè)過程本身就增加了消毒殺菌的次數(shù)，多次進(jìn)行殺菌處理降低交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，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(fèi)，也符合現(xiàn)代產(chǎn)品生命周期的理念，最終實(shí)現(xiàn)“從搖籃到搖籃”這一過程。二是通過化學(xué)方式升級(jí)再造，將過濾芯、耳帶、鼻壓條等材料轉(zhuǎn)換成更高附加值的新型高性能材料。

4.4 環(huán)保處理階段

環(huán)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(jìn)行處理，避免造成二次污染環(huán)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(huán)保的原則，人工處理的方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)也提高交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)。無人自助回收處理設(shè)備就可以有效解決這些問題，這些設(shè)備可以擺放在機(jī)場(chǎng)、車站、地鐵站等人流量大的公共區(qū)域[16]。C款口罩分別是隔離體、結(jié)構(gòu)體、捆綁體組成。隔離體真空包裝定時(shí)更換，結(jié)構(gòu)體、捆綁體需要分類回收處理。從需求痛點(diǎn)出發(fā)提出合理建議：設(shè)置自助回收裝置。C款口罩為可拆卸設(shè)計(jì)，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(shè)備，可以設(shè)置實(shí)用且合理的交換方式?？谡置?～4 h就要更換一次，更換的口罩通過自助設(shè)備提供。提升全民對(duì)口罩分類處理的意識(shí)，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(shè)備要符合綠色設(shè)備的設(shè)計(jì)原則。同時(shí)公共設(shè)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(nèi)涵和意識(shí)形態(tài)，在防疫期間也可以宣傳防疫知識(shí)。

5 結(jié)語

注重綠色設(shè)計(jì)與可持續(xù)發(fā)展不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品生命周期的尾端，更應(yīng)該貫穿于產(chǎn)品開發(fā)-生產(chǎn)-使用-回收整個(gè)過程。本文抓住用戶需求和廢棄處理兩大痛點(diǎn)，從產(chǎn)品生命全周期中思考口罩的綠色優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出創(chuàng)新設(shè)計(jì)點(diǎn)和改進(jìn)建議，使用戶擁有更佳的使用體驗(yàn)，廢棄分類處理有效便捷。

設(shè)計(jì)源于人們的日常生活，其本質(zhì)就包含對(duì)用戶情感需求和對(duì)美好生活的維護(hù)。為營(yíng)造“綠水青山”的生態(tài)環(huán)境，綠色設(shè)計(jì)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(duì)環(huán)境影響較大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中發(fā)揮顯著的作用。