Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh xã hội hiện đại, nhu cầu về các sản phẩm may mặc và trang thiết bị bảo vệ cá nhân (Personal Protective Equipment - PPE) không còn dừng lại ở hình thức hay thẩm mỹ đơn thuần, mà ngày càng chú trọng đến tính an toàn, độ bền và sự thoải mái cho người sử dụng. Khẩu trang y tế từ một vật dụng chuyên dụng trong y tế đã trở thành sản phẩm thiết yếu đối với cộng đồng nhằm ứng phó với ô nhiễm không khí và nguy cơ dịch bệnh đường hô hấp. Theo thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO), ô nhiễm không khí gây ra cái chết sớm cho khoảng 7 triệu người mỗi năm, với hơn 90% dân số toàn cầu sinh sống tại những khu vực có chất lượng không khí vượt ngưỡng an toàn. Tại Việt Nam, ô nhiễm bụi mịn PM2.5 tại các đô thị lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh thường xuyên ở mức cao, nồng độ bụi trung bình dao động khoảng 0,5 mg/m³ và ước tính gây ra khoảng 70.000 ca tử vong mỗi năm.

Về quy mô thị trường, nghiên cứu của Joana C. Silva và Tony R. Walker (2020) chỉ ra rằng trong giai đoạn đại dịch, toàn cầu tiêu thụ khoảng 120 đến 129 tỷ chiếc khẩu trang mỗi tháng. Thị trường khẩu trang y tế được định giá hơn 9 tỷ USD vào năm 2024 và dự kiến đạt xấp xỉ 13,3 tỷ USD vào năm 2029 với tốc độ tăng trưởng kép khoảng 8%/năm. Tại thị trường nội địa Việt Nam, số liệu của Tổng cục Thống kê cho thấy lượng tiêu thụ khẩu trang trong nửa đầu năm 2024 đã tăng hơn 35% so với cùng kỳ. Tuy nhiên, thực tế thị trường cho thấy chất lượng các sản phẩm khẩu trang y tế còn thiếu đồng đều; tình trạng hở cạnh, bí thở, kích ứng da hoặc suy giảm khả năng lọc bụi và kháng khuẩn vẫn xảy ra phổ biến.

Vải không dệt (nonwoven fabric) đóng vai trò là vật liệu cốt lõi cấu tạo nên khẩu trang y tế. Mặc dù nhiều nghiên cứu quốc tế đã đi sâu phân tích đặc tính cơ học của vật liệu này (tiêu biểu như công trình của K. Silberschmidt năm 2020 về hành vi cơ học, Bement và cộng sự năm 2022 về độ lọc khí và độ thông thoáng, hay H. Pourdeyhimi năm 2019 về vai trò của cấu trúc vi mô), các công trình nghiên cứu thực nghiệm trong nước đối với tính chất cơ lý của vải không dệt ứng dụng cho khẩu trang y tế vẫn còn tương đối hạn chế. Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài "Nghiên cứu tính chất cơ lý của vải không dệt sử dụng trong sản xuất khẩu trang y tế" do nhóm sinh viên Phạm Công Minh Hiếu và Phạm Nhật Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Tuấn Anh tại Khoa Thời trang và Du lịch, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết bài toán kiểm chứng thực nghiệm tính chất vật liệu và thiết kế sản phẩm ứng dụng.

Đề tài xác định 4 mục đích nghiên cứu:

  1. Tìm hiểu tổng quan về khẩu trang y tế và vật liệu vải không dệt.
  2. Đánh giá một số loại vải chuyên dùng để sản xuất khẩu trang y tế thông qua các chỉ tiêu cơ lý (độ thông thoáng, độ chống thấm, độ co giãn và phục hồi, độ giãn đứt, độ cứng uốn, khối lượng riêng, độ dày, độ pH).
  3. Cung cấp dữ liệu, tài liệu kỹ thuật phục vụ doanh nghiệp sản xuất khẩu trang y tế.
  4. Phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu chuyên ngành Công nghệ may tại trường đại học.

Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, tác giả đặt ra 3 nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tổng hợp cơ sở lý luận về cấu tạo khẩu trang và công nghệ sản xuất vải không dệt.
  2. Thực nghiệm đo đạc, kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý của các mẫu vải không dệt tại phòng thí nghiệm nguyên phụ liệu của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
  3. Khảo sát nhu cầu sử dụng, phân tích nhân trắc học khuôn mặt và thăm dò ý kiến đánh giá của người dùng sau khi trải nghiệm sản phẩm mẫu do nhóm thiết kế và chế tạo.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là ba loại vải không dệt phổ biến trong sản xuất khẩu trang: Spunbond, Meltblown và Spunlace; các chỉ số cơ lý kỹ thuật của vải; cùng quy trình thiết kế, chế tạo sản phẩm khẩu trang y tế. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được thực hiện tại Bộ môn Công nghệ may thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; phạm vi thời gian triển khai từ ngày 22/10/2024 đến ngày 06/06/2025; tập trung vào nhóm người tiêu dùng từ 15 tuổi trở lên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Đề tài dựa trên cơ sở tiêu chuẩn quốc gia TCVN 8389-1:2010 về khẩu trang y tế thông thường và hệ thống quản lý chất lượng trang thiết bị y tế ISO 13485:2016 đang được các doanh nghiệp sản xuất áp dụng. Cấu trúc khẩu trang y tế tiêu chuẩn được nghiên cứu dựa trên mô hình liên kết đa lớp bằng sóng siêu âm hoặc ép nhiệt, bao gồm:

  • Lớp ngoài: Sử dụng vải không dệt chống thấm nước (thường là Spunbond) nhằm ngăn chặn giọt bắn và tác nhân xâm nhập từ môi trường.
  • Lớp giữa: Sử dụng màng lọc siêu mịn (Meltblown) đóng vai trò giữ bụi mịn PM2.5, vi khuẩn và virus.
  • Lớp trong: Tiếp xúc trực tiếp với da mặt, yêu cầu tính mềm mại, thấm hút mồ hôi và không gây kích ứng da (sử dụng Spunlace hoặc Spunbond mềm).

Bên cạnh đó, đề tài hệ thống hóa lý thuyết về các dòng polymer tạo sợi trong vải không dệt: Polypropylene (PP) nhiệt dẻo có độ bền cơ học cao; Polyethylene (PE) dùng làm màng cản nước; Polyamide (Nylon) chịu mài mòn; Polylactic acid (PLA) có khả năng phân hủy sinh học; cùng xơ bông tự nhiên (Cotton) và các phụ gia chức năng như nano bạc (Ag+), kẽm oxit (ZnO) để gia tăng tính kháng khuẩn, khử mùi. Cơ sở thiết kế hình học sản phẩm dựa trên các đặc điểm nhân trắc học khuôn mặt của nhóm đối tượng từ 15 tuổi trở lên (chiều dài, chiều rộng mặt, chiều cao sống mũi, độ nhô của cằm và khoảng cách xương gò má) kết hợp đối sánh ưu nhược điểm của các cấu trúc khẩu trang hiện hữu (3 lớp xếp ly, 4D cánh buồm, 6D, 9A, N95/KN95 và FFP2).

Phương pháp nghiên cứu

Nhóm tác giả kết hợp 4 phương pháp nghiên cứu kỹ thuật may:

Phương pháp Nội dung và quy trình triển khai Mục đích dữ liệu thu thập
Phân tích - tổng hợp tài liệu Khảo cứu các công trình khoa học trong và ngoài nước, tiêu chuẩn kỹ thuật TCVN 8389-1:2010, ISO 13485:2016, báo cáo ô nhiễm IQAir, dữ liệu WHO. Xác lập cơ sở lý thuyết, phân loại công nghệ vải không dệt và tiêu chuẩn thử nghiệm.
Thực nghiệm cơ lý Sử dụng thiết bị chuyên dụng tại phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ may để đo đạc các chỉ tiêu cơ lý theo quy chuẩn kỹ thuật dệt may. Dữ liệu định lượng về độ dày, khối lượng riêng, góc hồi nhàu, co giãn - phục hồi, độ thoáng khí, độ cứng uốn, độ chống thấm, độ pH và lực kéo đứt.
Làm mẫu thử (Prototyping) Đo ni mẫu, thiết kế rập phẳng (block cơ bản và chi tiết), giác sơ đồ định mức vật liệu, may mẫu sản phẩm mã MH01 và lập tài liệu kỹ thuật. Kiểm chứng tính khả thi trong gia công may công nghiệp và độ khớp thông số kỹ thuật của sản phẩm.
Điều tra - khảo sát xã hội học Thu thập dữ liệu qua bảng hỏi ý kiến người tiêu dùng về thói quen sử dụng, cảm nhận thực tế và đánh giá trực tiếp trên sản phẩm mẫu. Đánh giá nhu cầu thị trường và độ vừa vặn, tính thông thoáng, độ thẩm mỹ của mẫu thiết kế thực tế.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh ô nhiễm không khí gia tăng và nhu cầu sử dụng khẩu trang y tế chất lượng cao. Tác giả tổng hợp số liệu tiêu thụ khẩu trang toàn cầu, tốc độ tăng trưởng ngành và phân tích sự cần thiết phải nghiên cứu sâu tính chất cơ lý của vải không dệt trong nước. Chương này cũng xác định rõ ràng mục tiêu nghiên cứu, 3 nhiệm vụ trọng tâm, đối tượng nghiên cứu (vải Spunbond, Meltblown, Spunlace và sản phẩm khẩu trang), 4 phương pháp tiếp cận, giới hạn đề tài về thời gian (từ 22/10/2024 đến 06/06/2025) và địa điểm thực hiện tại phòng thí nghiệm của nhà trường.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp bức tranh toàn diện về lịch sử phát triển của khẩu trang y tế từ năm 1619 (đại dịch hạch ở châu Âu), các dấu mốc cải tiến năm 1827 của Fernandez Carlos, năm 1897 của Carl Flugge và Paul Berger, đợt dịch cúm Tây Ban Nha 1918-1919, cho đến mốc năm 1947 khi vải không dệt bắt đầu ra đời và thay thế các lớp gạc truyền thống. Nội dung chương đi sâu vào cấu tạo khẩu trang 3 lớp, đánh giá tác hại của bụi PM2.5, hiện trạng ô nhiễm tại các đô thị Việt Nam và rác thải nhựa phát sinh.

Chương này phân loại chi tiết các kiểu khẩu trang trên thị trường (3 lớp, than hoạt tính, N95, KN95, FFP2, khẩu trang vải kháng khuẩn Hanvico) và các nhóm kích thước theo độ tuổi (0-3 tuổi, 4-14 tuổi, từ 15 tuổi trở lên). Đồng thời, tác giả khảo sát năng lực sản xuất của một số đơn vị trong nước như Sen Việt, Trường Thịnh Phát, Ecommed, Vinatowel. Về vật liệu, chương làm rõ nguyên lý công nghệ sản xuất vải không dệt bằng phương pháp kéo sợi spunbond, thổi hạt meltblown, liên kết tia nước cao áp spunlace, cũng như đặc tính các loại polymer PP, PE, Polyamide, PLA và xơ bông.

Chương 3: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 trình bày danh mục thiết bị, dụng cụ và hệ thống quy chuẩn thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Tác giả mô tả chi tiết phương pháp lấy mẫu và các quy trình thử nghiệm đánh giá 9 chỉ tiêu cơ lý:

  1. Thí nghiệm đo độ dày của từng loại vải.
  2. Thí nghiệm xác định khối lượng riêng ($g/m^2$).
  3. Thí nghiệm đo góc hồi nhàu của vải.
  4. Thí nghiệm đo độ co giãn và tỷ lệ phục hồi giãn sau kéo.
  5. Thí nghiệm đo độ thoáng khí (đo tốc độ bay hơi nước trong môi trường phòng thí nghiệm có kiểm soát và đo ngoài trời).
  6. Thí nghiệm xác định độ cứng uốn của vật liệu.
  7. Thí nghiệm đo độ chống thấm nước (tỷ lệ phần trăm thấm nước và mật độ thấm nước).
  8. Thí nghiệm đo độ pH bề mặt vải để đảm bảo độ an toàn sinh học.
  9. Thí nghiệm đo lực kéo đứt và cường lực kéo đứt trung bình trên thiết bị thử bền kéo.

Chương 4: Khảo sát nhu cầu tiêu dùng và kết quả, nhận xét các tính chất cơ lý của vải

Chương 4 xử lý dữ liệu khảo sát người tiêu dùng về thói quen đeo khẩu trang, các bất cập thường gặp (bí bách, đau tai, mờ kính, hở mũi) và tổng hợp kết quả đo kiểm thực nghiệm của 3 loại vải: Spunbond, Meltblown và Spunlace. Dữ liệu thực nghiệm được so sánh đối chiếu qua từng phép đo:

  • Độ dày và khối lượng riêng: Vải Spunlace và Spunbond có tính ổn định bề mặt tốt, trong khi Meltblown có đường kính xơ siêu mịn và khối lượng riêng thấp.
  • Góc hồi nhàu, độ co giãn và phục hồi: Đánh giá khả năng duy trì phom dáng của khẩu trang khi cử động cơ mặt.
  • Khả năng thoáng khí: Đo lường tốc độ bay hơi của hơi ẩm, khẳng định sự khác biệt về độ cản dòng khí giữa màng vi lọc Meltblown và hai loại vải Spunbond, Spunlace.
  • Độ cứng uốn và độ chống thấm: Spunbond thể hiện khả năng kháng nước giọt bắn vượt trội, phù hợp làm mặt ngoài; độ cứng uốn của từng loại được định lượng để tính toán cấu trúc gấp nếp.
  • Độ an toàn pH và độ bền kéo: Xác định độ pH nằm trong ngưỡng trung tính an toàn cho da mặt người dùng và xác lập cường lực kéo đứt trung bình phục vụ độ bền khi may ráp.

Chương 5: Thiết kế sản phẩm khẩu trang dựa trên kết quả khảo sát nhu cầu và kết quả thử nghiệm vải không dệt

Chương 5 chuyển hóa kết quả khảo sát nhân trắc học và số liệu cơ lý vật liệu thành quy trình thiết kế và sản xuất thực tế mã khẩu trang MH01. Quy trình bao gồm:

  • Xác định đối tượng đo và áp dụng phương pháp đo ni mẫu trên khuôn mặt nhóm tuổi từ 15 trở lên.
  • Xây dựng bản vẽ phẳng, dựng block cơ bản và thiết kế chi tiết các mảnh thân khẩu trang.
  • Thiết kế bộ rập thành phẩm và rập bán thành phẩm (cộng đường may theo chuẩn kỹ thuật).
  • Giác sơ đồ định mức nguyên liệu độc lập cho từng loại vải (sơ đồ vải Spunbond cho lớp ngoài, Meltblown cho lớp lọc giữa và Spunlace cho lớp lót tiếp xúc da).
  • Thiết lập quy trình công nghệ may, bảng quy cách đường may, hướng dẫn kiểm tra thông số kích thước thành phẩm và quy cách bao gói sản phẩm.
  • Khảo sát thử nghiệm: Cho người dùng đeo thử mẫu MH01 đã hoàn thiện, tiến hành đánh giá độ ôm khít, tính thoáng khí, sự thoải mái và độ thẩm mỹ thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng đề xuất

Chương 6 đúc kết toàn bộ kết quả thu được từ các đợt thí nghiệm cơ lý vật liệu và quá trình thiết kế chế tạo mẫu MH01. Tác giả tổng hợp các ưu điểm của sự phối hợp 3 lớp vật liệu (Spunbond - Meltblown - Spunlace), đồng thời đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo về việc mở rộng thử nghiệm các chỉ số kháng khuẩn chuyên sâu và ứng dụng vật liệu tự hủy sinh học.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành hệ thống hóa và lượng hóa các tính chất cơ lý của 3 loại vật liệu vải không dệt chuyên dùng trong công nghiệp sản xuất khẩu trang y tế tại Việt Nam.

Về mặt ứng dụng kỹ thuật may, đề tài đã phát triển thành công bộ tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh cho mẫu khẩu trang MH01 dành cho người từ 15 tuổi trở lên, bao gồm: bảng số đo nhân trắc học, rập mẫu bán thành phẩm, sơ đồ giác vải định mức cho ba loại vải, quy trình lắp ráp đường may công nghiệp và bộ tiêu chuẩn kiểm tra sản phẩm sau hoàn thiện.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở hai khía cạnh:

  1. Đóng góp cho sản xuất: Cung cấp nguồn số liệu thực nghiệm khách quan về tính chất cơ lý của vải không dệt trên thị trường Việt Nam, hỗ trợ các doanh nghiệp may y tế lựa chọn vật liệu tối ưu giữa khả năng kháng giọt bắn, hiệu suất lọc và độ thông thoáng hô hấp.
  2. Đóng góp cho giáo dục: Bổ sung tài liệu tham khảo chi tiết, có minh chứng thí nghiệm thực tế cho Bộ môn Công nghệ may trong các học phần liên quan đến vật liệu dệt may và thiết kế trang phục bảo hộ chuyên dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Nhóm tác giả đã thẳng thắn chỉ ra các giới hạn nghiên cứu:

  • Giới hạn không gian và trang thiết bị: Các phép đo cơ lý chỉ mới được thực hiện trong phạm vi trang thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm nguyên phụ liệu của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh; chưa thực hiện kiểm tra hiệu suất lọc vi khuẩn (BFE) hay lọc hạt virus chuyên sâu do đòi hỏi điều kiện phòng kiểm nghiệm y sinh chuyên biệt.
  • Giới hạn chủng loại vật liệu: Đề tài mới tập trung kiểm nghiệm 3 nhóm vải không dệt cơ bản từ polymer tổng hợp thông dụng (Spunbond, Meltblown, Spunlace), chưa mở rộng kiểm tra các biến thể vải phủ Nano bạc, than hoạt tính hay vải tự hủy sinh học PLA trong thực nghiệm cơ lý.
  • Giới hạn đối tượng nhân trắc học: Bộ rập và sản phẩm mẫu thiết kế MH01 mới áp dụng cho người dùng từ 15 tuổi trở lên, chưa bao quát nhóm đối tượng trẻ em (0-3 tuổi và 4-14 tuổi).

Hướng mở rộng đề tài được xác định gồm: tiến hành đo lường bổ sung các chỉ số kháng khuẩn, kiểm nghiệm độ rão và độ bền mài mòn theo thời gian; nghiên cứu ứng dụng các nguồn polymer sinh học tái tạo nhằm giảm thiểu ô nhiễm rác thải nhựa dùng một lần; đồng thời mở rộng thiết kế rập cho các lứa tuổi chuyên biệt.

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

  • Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ may, Kỹ thuật dệt may, Thiết kế thời trang: Tài liệu cung cấp phương pháp tiếp cận toàn diện từ thử nghiệm cơ lý vật liệu, xử lý mẫu rập hình học đến quy trình xây dựng tài liệu kỹ thuật của một sản phẩm bảo hộ cá nhân đạt chuẩn TCVN.
  • Cán bộ kỹ thuật tại các doanh nghiệp may và sản xuất vật tư y tế: Tham khảo được các thông số so sánh về độ dày, độ cứng uốn, lực kéo đứt và độ thoáng khí giữa ba lớp vải Spunbond, Meltblown và Spunlace để thiết lập định mức nguyên phụ liệu và cân đối chi phí sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài kiểm nghiệm những chỉ tiêu cơ lý cụ thể nào trên vải không dệt?

Nhóm tác giả tiến hành đo đạc 9 chỉ tiêu cơ lý kỹ thuật tại phòng thí nghiệm, bao gồm: độ dày vải, khối lượng riêng ($g/m^2$), góc hồi nhàu, phần trăm co giãn và tỷ lệ phục hồi giãn, độ thoáng khí (thông qua tốc độ bay hơi nước trong phòng thí nghiệm và ngoài trời), độ cứng uốn, độ chống thấm nước (tỷ lệ % thấm và mật độ thấm), độ pH bề mặt vải, và lực kéo đứt (cường lực kéo đứt trung bình).

2. Ba loại vải Spunbond, Meltblown và Spunlace giữ vai trò gì trong cấu trúc khẩu trang?

Trong cấu trúc 3 lớp tiêu chuẩn của khẩu trang y tế:

  • Vải Spunbond đóng vai trò lớp ngoài cùng, có độ bền cơ học và tính kháng nước cao giúp cản giọt bắn.
  • Vải Meltblown đóng vai trò lớp lọc trung tâm, có cấu trúc vi sợi dày đặc giúp giữ lại bụi mịn PM2.5, vi khuẩn và vi sinh vật.
  • Vải Spunlace đóng vai trò lớp lót trong cùng tiếp xúc với da mặt, có tính mềm mại, thấm hút ẩm và mồ hôi, đảm bảo an toàn không gây kích ứng da.

3. Vì sao nhóm nghiên cứu lựa chọn nhóm đối tượng từ 15 tuổi trở lên để thiết kế mẫu khẩu trang MH01?

Nhóm tác giả lựa chọn độ tuổi từ 15 trở lên vì ở độ tuổi này cấu trúc xương và mô mềm của khuôn mặt đã ổn định về mặt nhân trắc học, giúp việc xác định các thông số thiết kế rập đạt độ chính xác cao. Đồng thời, đây là nhóm đối tượng có tần suất di chuyển, học tập và làm việc ngoài môi trường nhiều, có ý thức bảo vệ sức khỏe và có khả năng chi trả cho sản phẩm khẩu trang chất lượng cao.

4. Quy trình thiết kế và chế tạo mẫu khẩu trang MH01 trong đồ án gồm những bước nào?

Quy trình thiết kế sản phẩm gồm các bước kỹ thuật: thu thập thông số nhân trắc học mặt; dựng block hình học cơ bản; thiết kế chi tiết các mảnh rập; ra rập thành phẩm và rập bán thành phẩm có cộng đường may; giác sơ đồ định mức vật liệu riêng cho từng loại vải (Spunbond, Meltblown, Spunlace); xây dựng quy trình may ráp chi tiết, lập bảng quy cách đường may; xây dựng hướng dẫn kiểm tra thông số kích thước thành phẩm và quy cách bao gói.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Phạm Công Minh Hiếu và Phạm Nhật Minh đã cung cấp một nghiên cứu thực nghiệm có hệ thống về các tính chất cơ lý của vải không dệt chuyên dùng sản xuất khẩu trang y tế tại Việt Nam. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa đo đạc phòng thí nghiệm, khảo sát xã hội học và thiết kế kỹ thuật may, đề tài đã làm rõ đặc tính kỹ thuật của các loại vải Spunbond, Meltblown, Spunlace và hiện thực hóa thành công sản phẩm mẫu khẩu trang MH01. Đây là công trình có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng góp tài liệu hữu ích cho công tác đào tạo chuyên ngành Công nghệ may và cung cấp luận cứ kỹ thuật cho các doanh nghiệp sản xuất thiết bị bảo hộ y tế.