专利角度解读防病毒口罩技术趋势

安全防护用品是“十三五”期间国家重点扶持的产业，疫情当前，防病毒安全防护用品对于民众健康护卫起着举足轻重的作用。防病毒/抗病毒的口罩/面罩有哪些技术特点和创新点？3M这样的知名企业是如何进行产品专利布局的？本文将从知识产权角度对防病毒口罩的技术进行分析，为口罩生产企业提供参考。

一、各类口罩防护效果及设计原理

在此次疫情防护病毒传播中，能起到防护作用的是：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。

表1 防护口罩标准情况

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＞一次性使用医用口罩。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，N95口罩是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。

图1 医用口罩技术结构

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。

N95级别的口罩在结构上做了优化：（中层）核心过滤层层数更多了，厚度更厚了；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。

二、主要厂商防/抗病毒口罩专利

市场上，销售N95口罩较多的是3M和霍尼韦尔（Honeywell）公司，其中，3M的型号有1860、1870、9132几种。下面以3M为例，分析一下防病毒/抗病毒口罩的专利技术。

对3M创新有限公司的防病毒/抗病毒的口罩/面罩进行检索，使用北京合享智慧科技有限公司INCOPAT全球专利数据库，得到14组专利，其中，较为重要的核心专利有两组，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相关技术进行剖析。

1.核心专利信息技术

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2所示。外层包含过敏原钝化剂。三层非织造织物可以各种方法结合，包括粘合剂、热或超声接合剂。阴离子表面活性剂特别地适用于过敏原钝化剂。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。

图2 专利CN104302473A中多层无纺布的截面图

其中，熔喷非织造织物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。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。具有熔喷非织造织物的中间层具有过滤器或过滤介质的功能。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。

从专利的信息和描述中可以看到，3M的这件高价值专利正是与现在常用医用口罩三层结构相关材质相对应，主要通过使用熔喷非织造织物防病毒中间层和静电处理技术，实现病毒防护作用的。

2.专利布局情况

通过考察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地域进行了专利布局，包括美国、欧洲、中国、韩国、日本、中国台湾，如图3所示，同族专利信息详见表2。

图3 3M创新有限公司核心专利地域布局情况

从表2可知，3M创新有限公司最早将该技术以专利KR1020120140003A进行申请，申请时间在2011年6月20日，其它专利以此为优先权，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。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，国内企业可参考运用。

表2 同族专利信息表

三、其他防/抗病毒口罩专利技术

通过对相关专利进行检索并筛选，截止到2020年2月15日共有全球相关专利361组（合并同族），从申请时间来看，在2003年SARS之后几年中国内防病毒/抗病毒的口罩/面罩相关专利出现一个申请高峰，下面对检索得到的相关专利技术进行研究和分类。

图4 抗病毒口罩相关专利技术

图4显示抗病毒口罩主要相关技术，包括抗病毒材质、在口罩中添加抗病毒物质、利用静电或超声技术杀病毒，以及抗病毒口罩的结构改进方面。

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。

再次，有些专利中用到静电技术或金属电网杀灭病毒，专利CN2748106Y通过在罩体中置电连接的金属网，金属网通电后，有约0.25I的交叉电流通过，同时，电网上还产生一定的电磁场，使得病毒几乎无法通过；专利CN101352390A涉及一种静电自吸过滤式防烟雾防病毒口眼罩。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），增加鼻贴设计增强舒适感（如DE102016124196A1），滤片易换设计（如CN207913039U、CN205390400U）等。

总体来说，安全防护用品之防病毒口罩/面罩三层设计运用是目前较主要的方式，其次防病毒口罩/面罩还在利用抗病毒材质，添加抗病毒中药成分，利用静电、电网、超声的技术消灭和阻隔所吸附病毒方面均有创新。（纺织科学研究 张婷、张建纲等）