TWI739591B - 微流道矽膠口罩 - Google Patents

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Abstract

一種微流道矽膠(PDMS：Polydimethylsiloxane)口罩，其包括：一口罩本體，一微流道模塊陣列，以及一束帶。口罩本體可按照不同區域人臉特徵進行外形調整，該口罩本體之表面設有成陣列之複數個洞孔，納入該微流道模塊陣列，其由複數個微流道模塊構成，以陣列形狀分佈於該口罩本體之表面，以供流體通過，微流道模塊內並具有纖毛微結構，用於捕捉濾除空氣中之氣膠微顆粒。該束帶之兩端各固定於該口罩本體之左側與右側，使用時可使得該口罩本體貼附於一使用者之面部上。本發明之微流道矽膠口罩可以達成5微米氣膠微顆粒70%之捕捉與濾除。

Description

微流道矽膠口罩
本發明有關一種口罩，更特別有關一種微流道矽膠口罩，其具有矽膠所製微流道模塊陣列，以增強對附有病毒之氣膠顆粒之濾除，確保人體健康。
目前口罩十分普遍地應用於日常生活中，舉凡過敏、空氣污染、感冒、異味時，均適合配戴口罩。惟，一般口罩為提高對污染顆粒之濾除，所使用之不織布密度過高，以致容易造成對穿戴者之呼吸阻力大，呼吸吃力、缺氧、胸悶、頭暈等現象，極須改善。
又，自COVID-19新冠肺炎流行全球以來，呼吸道疾病(類似流感)會有咳嗽、發燒等症狀，並導致呼吸困難等問題，此皆與飛沫傳染有關；這迫使人們彼此之間必須保持所謂社交安全距離。「氣膠」泛指懸浮於空氣中的微小固體或液體（簡稱為懸浮微粒），而使用口罩有效地阻擋人們經由呼吸彼此傳播而可能沾附病毒之氣膠(aerosols with virus) 微顆粒，是簡單有效的防疫措施之一。依據文獻記載，氣膠會附有病毒之關鍵尺寸為粒徑5微米顆粒。因此，合格之口罩必須能夠有效地濾除5微米(μm)粒徑之氣膠顆粒。然而，現在市面上口罩有以下缺點: 1.目前市面上的口罩皆屬濾網式，是以高密度不織布材質編織疊合數層製成，無法保証濾網疊合之精密度與重複度，以致於其顆粒濾除效果不明。2.若嚴格要求其氣密與防漏，通常會在口罩周圍加上泡棉墊圈，並以強力束帶固定於臉部與頭部。此種設計之缺失為，使用者長時間配帶會感覺非常不舒服，而影響使用者配帶意願。
為改善以上缺失，有人提出一種設計(習知技術1)(參考第1圖)，其中以仿生結構蜻蜓微結構與微流道結合，並製成兩段式蜻蜓翼微流道而具有局部渦流特性。其中具有一入口a1， 一微流道a2，一間隔板a3，一淤積處a4， 一出口a5。於微流道管璧之皺褶凹陷處產生局部渦漩，有利管璧捕捉微顆粒。此外，間隔板a3可使得流體分為兩路，其中之一流阻較大，以致於微顆粒速度減緩，增加被管壁捕捉黏著的機會。由於一個具有傾斜入口與蜻蜓翼的微流道之長度不足以吸附足夠微顆粒，因此須要再增加一段蜻蜓翼，成為雙蜻蜓翼微流道的外形。惟此種設計之缺點為於微流道下游區段之淤積處a4會有微顆粒大量淤積現象甚至造成阻塞，以致於不利於後續微顆粒捕捉。
為改善此種缺點，另有人提出一種雙蜻蜓翼微流道顆粒捕捉設計(習知技術2)(參考第2圖)，其將習知技術1之微流道下游淤積處設置一第二出口，於實驗時在其入口處放入具有5微米(μm)與20微米(μm)氣膠顆粒之混合氣體並使其流動。於此種設計中，b1為入口、b2為微流道、b3為間隔板、b4為開口、b5為第一出口、b6為第二出口，以使得在b6處有被捕捉顆粒之容納空間，舒緩b4可能之淤積現象。經實驗顯示，在第一出口b5處，大約80-82％之20μm大顆粒直接排出流道，只有約38-42％之5μm小顆粒(類似氣膠尺寸)被微流道捕捉。此種雙出口設計已具粗細顆粒分離之效果，惟其約38-42％之5μm小顆粒濾除能力仍有不足，實有改善之必要。
為改善以上習知技術之缺失與缺點，本案發明人依據其於學術上研究心得，設計一種微流道矽膠(PDMS: Polydimethylsiloxane)口罩，其包括: 一口罩本體，一微流道模塊陣列，以及一束帶。
口罩本體可按照不同區域人臉特徵進行外形調整。該口罩本體之表面設有複數個洞孔，由複數個微流道模塊構成，陣列形狀分佈於該口罩本體之表面，該等微流道模塊允許空氣通過。束帶之兩端各固定於該口罩本體之左側與右側，使用時可使得該口罩本體貼附於一使用者之一面部上。
根據本發明的一觀點，該微流道模組為中空之具有微纖毛結構，具有一入口、對稱之二微流道、複數個纖毛、二個第一出口、以及上下匯流一起之一第二出口。其入口處一段與中間一段設有50至60度傾斜角，以增加流體渦度，減緩流經該微流道之流體流速，延長該流體在該微流道中之時間，以增加該等微顆粒被捕捉之機會。
根據本發明又一觀點，該微流道矽膠口罩之整體由矽膠以一體成形方式製成，以節省製造人工成本。
根據本發明再一觀點，該等微流道模組對5微米(μm)氣膠微顆粒之濾除率可達70％。
以下詳細描述針對本發明的某些特定實施例。然而，本發明可以申請專利範圍及其等同物所定義和覆蓋的多種不同方式來體現。在該描述中，參考附圖，其中相同的部分始終用相同的數字表示。
首先，參考第3至7圖，本發明提供一種微流道矽膠(PDMS: Polydimethylsiloxane)口罩100，其包括: 一口罩本體10，一微流道模塊陣列70，以及一束帶50。口罩本體10可按照不同區域人臉特徵進行外形調整，該口罩本體10之表面設有成陣列之複數個洞孔60。該微流道模塊陣列70由複數個微流道模塊20構成，為陣列形狀分佈於該口罩本體10之表面，該等微流道模塊20各具有一微流道模組30，以允許流體通過。該束帶50之兩端各固定於該口罩本體10之一左側與一右側，使用時可使得該口罩本體10貼附於一使用者之一面部上，以捕捉濾除微顆粒。
該微流道模塊20之該微流道模組30分別固定於各該等複數個洞孔60中，以形成一微流道模塊陣列70。
該微流道模組30為中空之對稱二流道雙段彎曲結構，具有一入口31、對稱之二微流道32、複數個纖毛33、二個第一出口34、以及上下匯流一起之一第二出口35。其入口處一段與中間一段設有50至60度傾斜角，以增加流體渦度，減緩流經該微流道32之流體流速，並延長該流體在該微流道32中之時間，以增加該等微顆粒被捕捉之機會。
該微流道矽膠口罩之整體由矽膠以一體成形方式製成，以節省製造人工成本。
該等微流道模組30之於5微米(μm)微顆粒的濾除率可達70％。
該微流道模組30具有該等複數個纖毛33，該等纖毛33與微流道32之管內璧垂直且結合為一體，用於捕捉且濾除微顆粒。
該等微流道模組30之該等纖毛33之間所具有小隔間可產生局部渦旋，以減緩流體流速，有利於捕捉微顆粒，其作用相當於一可撓平板狀之人工氣管，提前在人體氣管纖毛接觸氣膠病毒之前便進行濾除，避免人體受病毒感染，該等微流道模組30之於5微米(μm)氣膠微顆粒的濾除率可達70％。
該束帶50可以採用長期穿戴舒適之材料製成，如矽膠、棉布、以及不織布等材質，但本發明並不受限於此。
本發明微流道矽膠口罩之左、右長度與上、下高度與市面銷售之一般口罩類似，其厚度為3毫米，此為第7圖中所示微流道32的入口31與第一出口34兩端之距離，但本發明並不受限於此。
參考第7圖，其顯示根據本發明微流道矽膠口罩之矽膠微流道之剖視圖。其中，30為微流道模組，31為入口，32為微流道，33為纖毛，34為第一出口，35 為第二出口。為確實証明本發明之微顆粒濾除功效，本案發明人進行COMSOL Multiphysics顆粒流動模擬實驗而獲得以下第1表中所示結果，其顯示在入口流速0.52m/s之情形下，5微米與20微米顆粒黏著在微流道不同部位之分佈百分比。由該表可以得知，在第一出口34 (此為主要出口) 處， 5微米小顆粒尚存30%(即將近70%的5微米顆粒，被微流道捕捉濾除)；20微米的大顆粒尚存98%(即幾乎全部的20微米顆粒直接流過微流道，未被捕捉濾除)。以下第1表中結果顯示，本案的第7圖之微流道纖毛結構，具有遠比習知技術2第2圖中微流道蜻蜓翼結構更優異之5微米氣膠微顆粒之捕捉濾除效果。
第1表
微流道 顆粒尺寸 32處      33處 34(exit) 處  35處
3mm 長 and 80 µm 厚 5 μ m 4% 8% 30% 58%
20 μ m 0% 0% 98% 2%
總結以上說明，本發明之主要特徵與功能如下:
1. 使用COMSOL Multiphysics顆粒流動模擬實驗結果顯示，98%大顆粒(20μm)直接排出微流道，70%小顆粒(5μm，氣膠尺寸)被微流道纖毛捕捉。
2. 微流道口罩之低流阻特性，讓使用者呼吸舒適、願意長期佩戴。
3. 使用矽膠材質，其生物相容性與水密性佳。
4. 矽膠具高彈性與良好之臉部伏貼性，佩戴穩固。
5. 矽膠口罩外表透明美觀，西方人士容易接受使用。
6. 矽膠PDMS可耐溫200℃；只需加熱便能消毒，適合重複使用非常多次。
7. 未來疫情結束後，本技術也可繼續使用於有效處理PM2.5霧霾問題。
8. 具射出成形量產之可行性 (LSR; liquid-silicone-rubber射出成型)，以節省製造成本。
9. 口罩表面所製仿生纖毛微結構相當於一可撓平板狀人工氣管，提前協助人體氣管纖毛濾除微顆粒 氣膠病毒。
最後請見第8圖，其顯示根據本發明微流道矽膠口罩之微流道模塊20與其所組成矽膠微流道模塊陣列70之概要圖。如同於第8圖所示:
1. 在製造過程中: 微流道模塊20之最後封閉幾何外型，無法用塑膠射出方式直接完成，須先將微流道內部結構扒開進行射出成型，如第8圖左側圖所示。
2. PDMS射出成型量產：射出成型完成第8圖左圖之張開微流道模塊後，還需要進行”關櫃”動作，封閉微流道模塊。由於採用PDMS材質，恰好可以運用微機電MEMS製程中著名之PDMS電漿鍵合技術，完成微流道模塊之鍵合封裝，如第8圖中央之圖所示。
3. 最後封裝：將微流道模塊一一鑲入口罩之洞孔中，以製成微流道模塊陣列70，如第8圖右側圖所示。
附帶說明，本發明之微流道矽膠口罩選擇矽膠為材料之主要原因為，其具光學透明性質，且在一般情況下為惰性、無毒、耐溫、不易燃、易消毒，而為最廣泛的使用之有機聚合物材料，其主要使用於生物微機電之微流道系統、填縫劑、隱形眼鏡、生物相容填充物等。矽膠具有透明美觀之特點，其所製成之矽膠口罩西方人士容易接受且使用。
綜上所述，相較於習知技術1、2，本發明之微流道矽膠口罩具有以下8項優點: (1)有效濾除70%以上之5μm氣膠微顆粒，保護身體健康。(2)微流道型口罩之低流阻特性，讓使用者呼吸舒適、以致於願意長期佩戴。(3)口罩使用矽膠材質，生物相容性與水密性良好。(4)矽膠具高彈性與良好臉部伏貼性，佩戴穩固。(5)矽膠口罩外表透明美觀，西方人士容易接受並使用。(6)可以射出成型量產，以降低製造成本。(7)只需加熱便能消毒，適合重複使用。(8)此次疫情結束後，本技術也可續用於有效處理PM2.5。
總之，本發明可以達成該等習知技術所無法預期之功效，符合進步性要件，具專利價值。
以上說明內容僅為本發明一較佳實施例，其並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、結構、材質、特徵及精神所為之等同變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10:口罩本體
20:微流道模塊
30:微流道模組
31:入口
32:微流道
33:纖毛
34:第一出口
35:第二出口
50:束帶
60:洞孔
70:微流道模塊陣列
100:微流道矽膠口罩
a1:入口
a2:微流道
a3:間隔板
a4:淤積處
a5:出口
b1:入口
b2:微流道
b3:間隔板
b4:開口
b5:第一出口
b6:第二出口
本發明將由以下詳細說明與所附圖式而充分瞭解，但其僅作為說明，且並不因此構成對本發明之限制。
第1圖為根據習知技術1之仿生蜻蜓微流道結構之概要圖；
第2圖為根據習知技術2之具有兩個出口之仿生蜻蜓微流道結構之概要圖；
第3圖為根據本發明微流道矽膠口罩之概要圖；
第4圖為根據本發明微流道矽膠口罩之展開圖；
第5圖為根據本發明微流道矽膠口罩之俯視圖
第6圖為根據本發明微流道矽膠口罩之仰視圖；
第7圖為根據本發明微流道矽膠口罩之矽膠微流道剖視圖；以及
第8圖為根據本發明微流道矽膠口罩之矽膠微流道模塊與其所製成矽膠微流道陣列之概要圖。
10:口罩本體
20:微流道模塊
50:束帶
70:微流道模塊陣列
100:微流道矽膠口罩

Claims (7)

  1. 一種微流道矽膠(PDMS：Polydimethylsiloxane)口罩，包括：一口罩本體，其表面設有成陣列之複數個洞孔；一微流道模塊陣列，其由複數個微流道模塊構成，為陣列形狀分佈於該口罩本體之表面，該等微流道模塊各具有一微流道模組，以供流體通過；以及一束帶，其兩端固定於該口罩本體之一左側與一右側，使用時將該口罩本體貼附於一使用者之一面部上，以捕捉濾除微顆粒。
  2. 如請求項1所述之微流道矽膠口罩，其中，該等微流道模塊之該等微流道模組為中空之對稱二流道雙段彎曲結構，各該等微流道模塊分別固定於各該等複數個洞孔中，以形成一微流道模塊陣列。
  3. 如請求項1所述之微流道矽膠口罩，其中，該微流道模組為為中空之對稱二流道雙段彎曲結構，具有一入口、一微流道、複數個纖毛、一第一出口、以及一第二出口，其入口處一段與中間一段各設有50至60度傾斜角，以增加流體渦度，減緩流經該微流道之流體流速，並延長該流體在該微流道中之時間，以增加該等微顆粒被捕捉濾除之機會。
  4. 如請求項1所述之微流道矽膠口罩，其中，該微流道矽膠口罩之整體由矽膠以一體成形方式製成，以節省製造人工成本。
  5. 如請求項1所述之微流道矽膠口罩，其中，該微流道模組具有複數個纖毛，該等纖毛與微流道之管內璧垂直且結合為一體，用於捕捉濾除微顆粒。
  6. 如請求項1所述之微流道矽膠口罩，其中，該等微流道模組之該等纖毛之間所具有小隔間可產生局部渦旋，以減緩流體流速，有利於捕捉微顆 粒，其作用相當於一可撓平板狀之人工氣管，提前在人體氣管纖毛接觸氣膠病毒之前便進行氣膠之濾除，避免人體受病毒感染，該等微流道模組對5微米(μm)微顆粒之濾除率可達70%。
  7. 如請求項1所述之微流道矽膠口罩，其中，該束帶可以下列材料之一製成：矽膠、棉布、以及不織布。
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