近年来，随着雾霾现象的日益加重，口罩成为人们出行时的必备品。目前市场上的口罩种类繁多，主要分为棉布口罩、纱布口罩、医用口罩、活性炭口罩、工业防尘口罩、N95口罩等。研究发现，其中一些纱布口罩、医用非织造布口罩等产品的过滤效率并不能达到防雾霾的要求[1]，还有一些杯式、折叠式的防护口罩虽然过滤性能较好，但由于其独特的材质及加工方式，口罩的弹性和柔软度不够，佩戴舒适性较差，外观也不够美观，市场调研发现，消费者满意度不高。而采用机织面料缝合加工的多层过滤材料复合而成的棉布口罩的过滤效果和舒适性均可满足消费者的需求。此类口罩大多采用一片式或两片式的分割结构，尽可能的贴合人体面部结构，然而实际上一些口罩的鼻梁和下巴部位的贴合度仍有待进改善，而且由于口罩与面部之间的空隙较小，呼吸顺畅性较差。为此，本文针对此类多层复合棉布口罩提出四种结构设计方案，通过主观评价的方法，对比研究分割方式对口罩贴合度和舒适性的影响。
1 款式设计
人体面部神经丰富且感觉器官集中，呼吸防护用品与面部吻合的好坏会对其舒适性产生影响，若呼吸防护用品与面部匹配性差会导致鼻、面部等不舒适感[2]。为了寻找最贴合人体面部结构的口罩，研究共设计了四款不同结构的口罩，其中第一款为一片式结构，第二款为两片式结构，第三款为三片式结构，第四款为四片式结构。在设计过程中，每种口罩的具体尺寸参考了主观实验中30名志愿者的面部轮廓尺寸，四款口罩的结构设计方案如下：
1.1 一片式结构
一片式结构(见图1)的设计理念来源于普通平板式纯棉口罩，结构比较简单，研究在平板式结构的基础上增加了鼻部省道设计，可以给鼻部留有更多的呼吸空间，口罩上下边缘也采用了更符合人体面部轮廓的曲线造型。各部位的具体尺寸如下：上弧线长度为22.5 cm，下弧线长度为23.5 cm，省道宽为1 cm，长为4 cm，口罩纵向最宽处长为11 cm，口罩两侧用于插入耳带的边条宽度为1.5 cm，长为5 cm。
1.2 两片式结构
目前市场上常见的多层复合棉布口罩多采用两片式结构，在一片式结构口罩的下方增加一块面料，用以包住下巴，使口罩更贴合面部。研究还原了此类口罩的结构设计方案(见图2)，图2(a)为第一部分，图2(b)为第二部分，为了便于进行对比，第一部分的具体尺寸与图1中的一片式结构相同，第二部分的上弧线长度为23.5 cm，弧高为3.5 cm，直线长度为22 cm。
1.3 三片式结构
三片式结构的第一部分也与一片式结构相似[见图3(a)]，只去除了省道设计。为了便于对比，具体尺寸也相同。佩戴两片式结构口罩的过程中发现，下巴部位的贴合度不够，为此在两片式结构第二部分的基础上加入几个省道[见图3(b)]，以收紧下巴部位的面料，便于更好的贴合面部轮廓。该部分的上弧线长度为23.5 cm，直线长度为21.8 cm，中间的省道长为3.5 cm，宽为0.8 cm，两边的省道长为1.48 cm，宽为0.8 cm。此外，人体鼻梁相对突出，上述两种结构方式未考虑口罩鼻梁部位的弧度造型设计，市面上的口罩通常用内嵌的鼻梁条实现口罩与面部的贴合，然而该方式的舒适度不够，鼻梁条经反复折叠变形，贴合度也有所下降，本设计考虑增加一次分割[见图3(c)]，在鼻梁部位增加一块面料，在该处形成良好的曲面造型，实现口罩与面部的贴合。该部分的下弧线长度为22.5 cm，上弧线长度为21 cm，弧高为3.5 cm。
1.4 四片式结构
为了增大口罩与人体面部的空间，减少口罩内层面料与面部皮肤间的摩擦作用，研究设计出四片式结构(见图4)，该设计方案是模仿3M折叠熔喷口罩的样式，在三片式结构设计的基础上，将三片式结构口罩的第一部分从中间一分为二，使口罩的立体感更强，从而增大口鼻处的空间。该设计方案的具体尺寸与三片式口罩的尺寸相同，其中第一和第二部分缝合起来对应的就是图3中的第一部分，第三部分对应的是图3的第二部分，第四部分对应的是图3中的第三部分。
2 成品制作
根据上述设计方案，绘制版式图，并制成纸样，根据纸样，裁剪口罩的内外层面料和过滤材料。口罩设计成四层配置方式，从里到外依次为平纹棉布(也可多加一层，制作滤片插袋)、高效静电过滤棉、纺粘非织造布和棉麻混纺面料。然后进行车工缝合，主体部分缝制好后，再缝上包边、鼻梁条和耳带。缝制完成的四个款式的成品口罩如图5所示。
3 对比实验
为了对比上述4种口罩款式设计方案的优劣，研究采用主观评价的方法进行评判。
3.1 志愿者的选择
实验邀请了30名青年志愿者(女性15名，男性15名)参与评判，其中男性志愿者的面长为121.31(±5.21)mm，面宽为139.61(±9.50)mm，女性志愿者的面长为116.13(±6.39)mm，面宽为138.52(±4.36)mm。本次实验要求志愿者应具备以下的条件：身体状况合格，没有呼吸系统与心血管系统患病史；面部无明显的畸形，没有整形、面部手术等现象以免影响适合性测试的结果；留胡须者应在测试前刮净胡须，要求在测试前30 min内不能吸烟；应该充分了解本次实验的目的和具体过程，并表示愿意竭尽全力配合并参与后续的实验工作[3]。
3.2 主观测试状态的设定
本次的主观实验设有三个不同的状态，即静态(正常呼吸、深呼吸、左右转头、上下点头、说话)、动态(慢走、慢跑)，具体的动作顺序和要求[3]，如表1所示。
3.3 主观评价表的设计
由于几种分割设计方式主要影响口罩与面部的贴合度，以及鼻梁部位的空间，具体的尺寸大小主要影响口罩对面部的压迫感，为此，主观评价指标主要从上边缘贴合度、下边缘贴合度、口鼻压迫感和两颊压迫感进行评价，评定等级如表2所示。
3.4 测试方法
在进行主观评价前，需要给志愿者讲解清楚测试目的，测试动作的注意事项及测试状态。测试开始后，首先让志愿者戴上口罩，调整好耳带的长度，适应5 min。随后让志愿者依次执行表1中的几个指定状态，在测试过程中根据主观感受进行打分。在执行静态动作时，几个动作轮流做，每个动作持续1 min，静态测试结束后，休息2 min。在执行动态动作时，首先在跑步机上以2 km/h的速度慢走2 min，慢走测试完毕，休息5 min，然后在跑步机上再以4 km/h的速度慢跑2 min，整个测试过程完成。每个志愿者测试完一个口罩样品，需休息30 min再重新开始[3～4]。
3.5 结果分析
从图6可以看出，志愿者对四款口罩在不同状态下的四项主观感受的变化趋势基本一致，从静态到慢走，再到慢跑阶段，志愿者对同款口罩的上边缘贴合度评分和下边缘贴合度评分呈缓慢下降趋势，慢跑状态下达到最小值，志愿者对同款口罩的口鼻压迫感评分和两颊压迫感评分变化不大。另一方面，志愿者对不同款式口罩的边缘贴合度评分差异较大，对面部压迫感评分差异较小。由此可见，不同状态、不同款式对口罩上、下边缘贴合度均有一定的影响，对口鼻和两颊的压迫感的影响不大。
由图6(a)和(b)可知，3#和4#口罩的上、下边缘贴合度评分均比1#和2#口罩高，其中1#口罩的上、下边缘贴合度评分最低，属于较不贴合状态，而3#和4#口罩的结果相近，且4#口罩的评分略大于3#口罩(尤其是静态条件下)，即使是在慢跑状态下，3#和4#口罩也能达到较贴合的状态。
从图6(c)和(d)中可以看出，不论在任何状态下，志愿者对于1#和2#口罩的口鼻和两颊压迫感要强于3#和4#口罩。这是由于1#和2#口罩的面部结构是由一整片面料组成，志愿者在佩戴时会因耳带的牵拉而使口罩更贴近于面部。而3#和4#口罩的评分很接近，但志愿者对于4#口罩的评价结果要略优于3#口罩。这是由于两者的结构不同，4#口罩面部设计的分割线会使口罩更加立体，从而使口罩与口鼻间留有更大的空间，不至于长时间佩戴使得口罩内层面料粘贴口鼻及面部，造成不适感。总的来说，4#口罩的设计方案更好。
3.6 综合评价
为了对口罩的4种结构设计方案进行综合评判，研究采用灰色近优综合评价法。首先，设口罩Mj(j=1，2，…m)，考核指标Ci(i=1，2，…n)，相应的白化灰量Rij，则m款口罩n维指标的灰元为Rn×m，Rij是第j款口罩的第i个指标的白化灰元值[5]，得到如下灰矩阵Rn×m：
4 结论
基于多层复合棉布口罩的面部贴合度和佩戴舒适性的问题，研究提出四种口罩款式设计方案，邀请志愿者分别在静止和运动状态下，针对口罩上、下边缘贴合度，口鼻及面颊压迫感进行主观评价。研究发现，不同状态、不同款式对口罩上、下边缘贴合度均有一定的影响，对口鼻和两颊的压迫感的影响不大。随着运动速度的增加，志愿者主观感觉口罩上、下边缘的贴合度有所下降，随着分割次数的增加，志愿者主观感觉口罩上、下边缘的贴合度也随之上升。综合评价结果显示，四片式结构设计方案最好，口罩与面部的贴合度较高，口鼻及两颊的压迫感不明显，该方案可用于多层复合棉布口罩的设计。相反，一片式结构设计方案最差，口罩与面部不够贴合，口鼻及两颊有一定的压迫感，适用性较差。
