解析防病毒口罩技术专利趋势

2020-04-02

纺织科学研究 2020年3期

防病毒口罩/面罩三层设计运用是目前较主要的方式，其次还在利用抗病毒材质，添加抗病毒中药等创新技术

安全防护用品是“十三五”期间国家重点扶持的产业，疫情期间，防病毒安全防护用品对于保护民众健康起着举足轻重的作用。本文重点从防病毒/抗病毒的口罩/面罩相关技术及专利出发进行分析，进一步展示此类产品的特点、技术点和创新点，希望这些专利技术的剖析能为口罩生产企业提供参考。

1 各类型口罩的防护效果及标准

在此次疫情中，能起到防护病毒作用的口罩是：医用一次性口罩、医用外科口罩、医用防护口罩。这些口罩的规格都在相关标准中进行了规范，包括工业防护口罩，梳理情况详见表1。

各类口罩的防病毒安全防护能力为：医用防护口罩＞医用外科口罩＞医用一次性口罩。按照标准划分，口罩上标注的N 代表采用的是美国标准，FFP是欧洲标准，KN是中国的标准，数字越大防护等级也越高。

以N95为例，其是NIOSH（美国国家职业安全卫生研究所，National Institute for Occupational Safety and Health）在1995年制定的9 种标准之一。N95 不是特定的产品名称，只要符合N95 标准，并且通过NIOSH 审查的产品就可以称为N95型口罩。“N”表示“不耐油（not resistant to oil）”。“95”表示对空气动力学直径≥0.3µm 的颗粒的过滤效率达到95%以上，在表1 中PFE ≥95%就表示此含义。

表1 防护口罩标准情况

2 医用口罩防病毒之技术设计

标准的医用外科口罩分三层，外层有阻水作用，可防止飞沫进入口罩里面；中层有过滤作用，可阻隔病毒颗粒；近口鼻的内层用以吸湿。中层核心过滤层均由一种特殊的材料构成，这层材料称为熔喷无纺布，或简称为熔喷布。熔喷布是一种以聚丙烯为材料，由许多纵横交错的纤维以随机方向层叠而成的膜，纤维直径范围0.5～10微米。也就是说，只要口罩带有质量较高、直径较细的熔喷布，便很大程度上能够有效将飞沫挡在这层之外，不渗入口罩内层接触人体皮肤和口鼻（见图1）。

图1 医用口罩技术结构

图2 使用熔喷无纺布或熔喷技术防/抗病毒口罩专利情况

N95级别的口罩结构上做了优化：（中层）核心过滤层层数更多，厚度更厚；更有厂商（例如3M）通过静电处理增强纤维过滤能力，防护性能要更好一些。

3 熔喷无纺布技术专利情况

口罩关键原料“熔喷布”被称为口罩的心脏，是口罩最中间一层织物，可以过滤病毒。熔喷布的原料通过一系列工序后会形成超细纤维，通过纤维自身的粘合，再加上静电处理后，达到提高过滤率的效果。那使用熔喷布或熔喷技术防病毒/抗菌口罩专利技术或专利布局情况如何呢？下面将结合图2进行分析。

对熔喷布或熔喷技术防病毒/抗菌口罩专利进行检索（截止到2020年2月15日），使用北京合享智慧科技有限公司INCOPAT 全球专利数据库，经过同族合并得到31 组专利（申请）。熔喷布或熔喷技术防病毒/抗菌口罩专利最早见于国内申请人南通工学院，于1997年申请，抗菌口罩罩芯为超细纤维网膜层熔喷附着在活性碳纤维毡块表面，熔喷过程中，超细纤维之间以及超细纤维与活性炭纤维之间自行粘合、冷凝而形成均匀网膜，活性炭纤维不易脱落。该专利后续因未缴年费而权利终止。

下面重点研究对此后授权且目前仍有效的专利，其中，日本尤妮佳股份有限公司在2006年-2010年进行了较多熔喷布相关防/抗病毒口罩专利布局。尤妮佳在中国的两件专利分别于2007年和2010年申请，且均在日本、欧洲、美国等区域进行同族专利布局。专利101534905B 中口罩含有银离子抗菌性聚烯烃纤维片和干式无纺布，专利CN102548439B 中口罩包括含有无机类抗菌剂的聚烯烃纤维的第一纤维层，熔喷无纺布的第二纤维层以及第三纤维层。该企业通过综合使用无机类抗菌剂和熔喷无纺布实现口罩防/抗病毒的作用。

香港英诺利科技股份有限公司也通过受让、申请等方式拥有较多熔喷布口罩相关有效专利。其在2010年受让了由菲利根有限公司转让的中国CN102448550B和美国专利US9963611B2，均是关于聚丙烯材料制成的防护面罩，涂覆柠檬酸、聚乙烯醇以及非离子型表面活性剂，还可包括杀细菌、杀真菌或杀病毒试剂。另外，英诺利在受让专利同期还申请了欧洲专利EP2435139B1，涉及四层防护口罩，第一、二、四层为纺粘非织造聚丙烯纤维，第一层含柠檬酸，第二层含乙酸铜、乙酸锌组合物，第三层为熔喷聚丙烯纤维。

另外，2010年以后国内企业在熔喷布口罩方面进行较集中的专利申请，可见随着需求扩大，国内企业在熔喷布口罩技术方面的不断创新，也拥有自主知识产权产品。例如，岳阳唯尔复合材料科技有限公司防病菌口罩专利CN104055247B 采用聚合物超薄亚纳滤

图3 专利CN104302473A 中多层无纺布的截面图

复合膜作为中间滤芯。鞍山瀚盛科技有限公司口罩中层为超细聚丙烯纤维熔喷材料层，外层表面还设有超临界纳米级光触媒涂层，以达到防/抗病毒效果。广州拜费尔空气净化材料有限公司防/抗病毒口罩采用纺粘纤维层、熔喷纤维层、纳米纤维层和第二纺粘纤维层的四层设计。

截止到2020年2月15日，共检索到防/抗病毒口罩全球专利361组（合并同族），在2003年SARS之后几年国内防病毒口罩相关专利出现一个申请高峰

4 3M抗病毒口罩专利情况

市场上，N95 口罩销量较多的是3M品牌，其中，3M的型号有1860、1870、9132 几种。下面，重点对3M防病毒口罩专利技术进行一下分析。

对3M创新有限公司的防/抗病毒的口罩/面罩进行检索，得到14 组专利（申请），其中，较为重要的专利有两组，同族代表专利分别为CN104302473A（具有抗过敏作用的多层非织造织物）和US20040241216A1（具有抗菌活性的亲水性聚丙烯纤维）。下面重点对专利CN104302473A相关技术进行分析。

专利技术内容

专利CN104302473A：公开了多层非织造织物和制造方法，其包括具有竹纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）型纤维和包含这些的射流喷网非织造织物的外层，具有熔喷非织造织物的中间层和具有熔喷非织造织物或熔喷射流喷网非织造织物的内层，如图3所示。三层非织造织物可以以各种方法结合，包括粘合剂、热或超声接合剂。中间层和内层的一种以上的织物材料选自聚丙烯、聚烯烃、聚酯和聚酰胺。

其中，熔喷非织造织物为具有层合于筛网上的微纤维的高过滤功能的非织造织物，具有过滤器或过滤介质的功能，包括具有网状结构的三维纤维集合体，该集合体中直径10μm 或更小的细小纤维彼此结合。为了增强该过滤器功能，中间层可以电晕放电、等离子体放电、利用带电水泡的水放电或这些混合的方式额外地进行静电处理。

技术效果：通过将射流喷网非织造织物置于表面层上和将熔喷非织造织物置于中间层上，多层非织造织物可作用为具有高功能性的过滤器。通过以最大外角层上所包含的过敏原钝化剂防止病原体渗入内部，它可提供抗过敏、抗病毒和抗菌的作用。该抗过敏产品可用于面罩、过滤器、防毒面罩、空气净化器和空气调节器。

专利布局情况

考察3M创新有限公司专利CN104302473A相关技术专利布局情况，发现专利CN104302473A 共有8件同族专利，将该技术在全球主要的国家和地区进行了专利布局，包括美国、欧洲、中国、韩国、日本等国家以及中国台湾等地区。

3M创新有限公司最早将该技术以专利KR1020120140003A进行申请，申请时间为2011年6月20日，其他专利以此为优先权，申请时间为2012年6月19日，韩国和日本专利是通过WIPO申请进入国家阶段。另外，对3M创新有限公司的相关专利法律状态进行查询，在INCOPAT 数据库中，显示的中国、美国、韩国、欧专局专利申请的法律状态均视为撤回，为失效专利。

5 其它抗病毒口罩相关专利技术

截止到2020年2月15日，共检索到防/抗病毒口罩全球专利361 组（合并同族），从申请时间来看，在2003年SARS 之后几年国内防病毒口罩相关专利出现一个申请高峰，相关专利技术情况如下。

防/抗病毒口罩主要相关技术，包括抗病毒材料、添加抗病毒物质、利用静电或超声技术杀病毒以及结构改进等方面。

首先，在抗病毒口罩材质方面，有通过防病毒竹纤维和纳米结构材料替代传统口罩材质的技术改进，如专利WO2016099417A1; 有利用纳米银材料实现抗病菌功能的，如专利CN110743281A和CN205964734U; 还有使用银离子杀菌材料，如将口罩内外层设有银丝网实现抗病毒效果，详见专利CN104041960A。

其次，有一大类专利是将抗病毒物质添加到口罩中，如通过在口罩中加入药芯层或饲药膜等实现抗病毒作用，添加的抗病毒物质有西药也有中草药。如专利RU2549065C2 通过添加铂碘化物、碘化钯、碘化银、碘化铜或硫氰酸铜至少一种细颗粒灭活病毒；专利CN205390400U 口罩本体的内部设置有过滤杀毒芯，杀毒芯由过滤网、吸附层和杀毒层组成，杀毒层的表面粘附有杀菌颗粒，杀菌颗粒为盘尼西林颗粒；专利CN110742339A 药物内芯夹层上浸润有连翘花提取物；专利CN109832691A将中间层浸泡中草药金银花、甘草、黄连、菊花等混合中药蒸煮液。

图4 抗病毒口罩相关专利技术

图5 防/抗病毒口罩过滤杀毒芯专利技术示意图

图6 金属电网防病毒口罩专利技术示意图

再次，有些专利中用到静电技术或金属电网杀灭病毒，专利CN101352390A 涉及一种静电自吸过滤式防烟雾防病毒口眼罩；专利CN2748106Y 通过在罩体中置电连接的金属网来防/抗病毒。还有专利通过超声技术抗病毒，如专利KR1020170002096A，使用能够产生超声波的超薄薄膜超声沉积装置附在面罩上，通过产生超声波来预防和消灭病毒。

另外，抗病毒口罩专利还在结构方面有创新，诸如增加透气性、解决换气缺氧问题（如CN2695034Y），增加鼻贴设计以增强舒适感（如DE102016124196A1），滤片易换设计（如CN207913039U、CN205390400U）等（见图4）。

示例一：

专利CN205390400U 口罩本体的内部设置有过滤杀毒芯，杀毒芯由过滤网、吸附层和杀毒层组成（见图5）。吸附层上附着有竹炭微粒，可以更加彻底的对经过口罩的空气中的颗粒物进行有效的吸附；杀毒层的表面粘附有杀菌颗粒，杀菌颗粒为盘尼西林颗粒，由于杀毒层上附着有杀菌颗粒，可以有效消灭空气中含有的病菌，避免病菌进入体内对人体产生危害。