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防护口罩专利技术发展
日期：2020-04-14|作者：admin |人气：
近年来，我国生态环境遭遇到严峻的挑战，尤其是在2013年，我国出现了有史以来范围大、历时长、强度高的雾霾天气。为此，防护口罩受到了人们的关注，防护口罩需求量增加，这必定会促进企业对防护口罩的技术研发与生产发展。本文以防护口罩的专利为对象，对该行业的现有技术进行分析，对防护口罩的发展方向和专利保护提出建议。
1 防护口罩的基本概念和标准
口罩的雏形早出现于中国，当时它是一种围巾，用来遮住口鼻以免呼出的浊气污染食物。随着西方医学的发展，口罩开始用于避免唾液飞溅到外科手术伤口上，并逐渐被推广到临床应用，作为一种防护用具使用[1]。现代的防护口罩在各方面都已经不同于传统的定义。首先，其材料已经脱离了传统棉纤维的局限；其次，技术更新使得口罩的佩戴更加舒适、类型更为丰富、功能更加有效。它能够过滤空气中的有害微粒，阻隔飞沫、血液、体液、分泌物等，是一种以预防某些呼吸道传染性微生物传播、保护身体健康为目的的呼吸防护用品。其在行业内部被定义为自吸过滤式呼吸防护用品，是依靠佩戴者呼吸克服部件气流阻力的过滤式呼吸防护用品[2]。
因防护口罩的使用环境和使用目的不同，性能要求也不尽相同，对于其性能评定的标准更是不同。就相关标准来说，现行的国家标准有GB 19083—2010 《医用防护口罩技术要求》[3]、GB 2626—2006 《呼吸防护用品 自吸过滤式防颗粒物呼吸器》[2]、GB 2890—2009 《呼吸防护 自吸过滤式防毒面具》[4]等；行业标准有YY 0469—2004 《医用外科口罩技术要求》[5]等；国外标准有NIOSH 42CFR 84 标准、欧盟EN 149标准、澳大利亚 AS 1716 标准、日本MOL验证标准[6]等。无论是国内标准还是国外标准，均对防护口罩的性能作了多方面要求。纵观这些性能要求，其主要体现在气体交换性能、颗粒过滤效果、佩戴舒适度和密闭性三方面。
2 技术发展状况
2.1 依据数据源与关键词建立医用防护口罩数据库
根据防护口罩在气体交换性能、颗粒过滤效果、佩戴舒适度和密闭性三方面的要求，分别选择能够实现上述三方面要求的不同技术进行分析。如通过熔喷及定型得到可实现气体交换能力的口罩基体材料的技术(以下简称熔喷技术)，对口罩基体材料或制备基体的纤维原料施加功能物质以实现颗粒过滤效果的技术(以下简称过滤技术)，针对佩戴者不同脸型和鼻翼形状及密闭性要求的内置入鼻型过滤器的技术(以下简称内置技术)。
本文涉及的检索用IPC[IPC8]分类号：A41D 13/11、A62B 9/06、A62B 18/00、A62B 23/00、A62B 7/00、D04H1/56、 D04H1/54。
检索词组：
(1) 口罩、面罩、过滤器、呼吸器、filter、mask、respirator及其英文变形形式；
(2) 熔喷、过滤、melt、blow、filt及其英文变形形式；
(3) 浸渍、浸泡、涂层、涂布、涂覆、过滤芯、过滤器、呼吸阀、吸附、coat、impregnate、dip、strainer、atmos valve、breather valve、percolat、inspira、aspirat及其英文变形形式；
(4) 内置、隐形、插入、鼻内、鼻栓、鼻罩、nasal、plug、inlay、invisibility、insert、intranasal及其英文变形形式。
2.2 申请量分析
在确定了防护口罩的技术类型、检索用分类号和关键词后，我们在国家知识产权局中国专利文献检索系统数据库(CNPAT)、国家知识产权局S系统的世界专利文摘数据库(SIPOABS)和德温特世界专利数据库(DWPI)中，以上述分类号和关键词进行检索，检索对象限定为全球公开日或公告日在1980—2015年(本文数据截至2015年4月30日)间的发明和实用新型专利申请。图1显示了世界范围内防护口罩的申请量。
由图1可知：防护口罩专利申请总量呈逐年上升趋势；1980—1993年专利申请量较少，处于技术起步阶段；1994—2010年，先后出现了三个峰点，1994、2003和2009年，并且在1996—2010年间，防护口罩专利申请总量大幅上升，可以认为随着防护口罩技术进步，相关专利申请进入良好的发展期；2011年之后申请量有所下降，但2013—2014年再一次出现高申请量，并且为有史以来申请总量高值。对照世界天气变化与卫生情况来看，出现申请量高峰与当时的环境状况和传染病流行息息相关。如1995年亚洲暴发大规模沙尘暴，2003年全球传染SARS病毒，2009年爆发甲型H1N1流感，以及2013年中国出现严重雾霾。根据上述规律，随着环境和卫生的改善，预计将来的防护口罩申请量相比2013—2014年会有所回落；此外，由于专利从申请到公开或公告需要一定的审查周期，2014年之后的许多专利处于尚未公布状态，因此并不能代表实际的数量。
从各技术领域的分布曲线可知：熔喷技术的申请量相对较少，整体走势为上升并趋向平稳，可见该技术已经处于成熟期或者存在某种不足而难以突破；过滤技术的申请量相对较大，其整体走势也直接影响到总申请量走势，通过具体分析可得出该技术仍然处于发展期，各种类型的过滤技术也不断涌现，该技术应该是目前防护口罩的主导技术；内置技术的申请量介于上述两者之间，其申请量曲线与其他两项技术曲线相交错，可见在防护口罩领域，内置技术与熔喷技术、过滤技术之间的关联性并不明显，基本属于独立研发状态。
2.3 重要申请人
根据申请量分析，并结合前期统计结果，对上述防护口罩领域的申请量较多的申请人或行业内比较知名的企业申请人进行排序，如表1所示，数据统计时间段同2.2节。
2.4 主要来源国家及地区分布
世界范围内防护口罩相关专利申请的国家及地区分布见图2，数据统计时间段同2.2节。由图2可知，在防护口罩相关的专利申请中，中国专利申请数量多，其次是美国和日本，世界其他国家的申请总量也占据相当比例(由于其他国家分布较为庞杂，此处不再细分)。总之，包括中国、日本、韩国的亚洲国家的申请量占据了全球申请量的绝大部分，美国的申请量仅次于亚洲。
2.5 防护口罩技术
2.5.1 熔喷技术
防护口罩的熔喷技术主要分为以下四个方面：
(1) 复合熔喷非织造布。通过将熔喷非织造布与其他材料复合可以弥补熔喷非织造布的缺陷，赋予熔喷非织造布更多的性能。核心专利：CN2224016Y[7]，熔喷布与纺黏布复合，将熔喷非织造布强度低、纺黏非织造布均匀性差的缺点通过复合互相弥补消除；CN2186150Y[8]，熔喷非织造布与活性炭复合，制备各种防毒、除臭、阻尘、滤菌的口罩；WO2000/074509A1[9]，通过热压和压力附着有弹性和热塑性聚烯烃系带的过滤面罩及其制备方法，将各层纤维网通过热压、模压等技术进行定型。
(2) 双组分共混熔喷技术。熔喷双组分纤维非织造布和一般熔喷纤维制品相比，能进一步改进过滤介质的过滤性能，并能提高纤维的抗压缩等性能。核心专利：CN101721856A[10]，将多面体倍半硅氧烷(POSS)与聚丙烯混合制备功能母粒，然后熔喷制得非织造布，再进行电晕放电驻极，具有高过滤效率、高容尘率、抗压缩、低压降等特点；WO2008140384A1[11]，在PLA纤维中加入聚酯组分，混合后的纤维可避免在梳理过程中被压缩；CN101591837A[12]，由电气石改性PP/PET制得双组分熔喷耐久驻极非织造布。
(3) 驻极熔喷过滤材料。驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料，通过驻极处理的纤维基材可以有效地过滤气体载体中的亚微粒子，大大增强过滤效率，而空气阻力不会增加。核心专利：CN101125267A[13]，先制得预过滤层和主过滤层组成的双层复合纤维，再对双层复合纤维进行驻极得到产物；US2011/0290119A1[14]，一种抗微生物驻极体网，包括含有微生物处理的驻极体网，其中表面处理包括含微溶性含银化合物、形成反应性氧物质的光敏抗微生物剂、双胍化合物或它们的组合。
(4) 熔喷非织造布的原料。熔喷非织造技术的原材料性能直接影响产品的性能，除了广泛使用的聚丙烯外，众多其他原料也在熔喷非织造布生产中应用，以满足不同的要求。核心专利：CN101824708A[15]，采用聚乳酸切片，优化熔喷工艺，并对熔喷纤网进行热轧处理制备熔喷非织造布，产品的机械性能和过滤性能均有很大提高，且产品用后具有良好的生物降解能力，同时具有生物堆肥的能力；CN101100787A[16]，采用聚乙烯醇粒子制备熔喷非织造布，制得的纤维细、强力大，具有可溶性，并且对环境无污染；US2006/0194047A1[17]，获自磺基聚酯的水可分散的多组分纤维，原料源自磺基聚酯与水不可分散的聚合物的共混物，产品具有可冲洗的性能；CN1445390A[18]，采用聚氨酯粒子制备熔喷非织造布，产品的柔软性好、弹性佳、舒适性强。
2.5.2 过滤技术
防护口罩的过滤技术主要分为以下三个方面：
(1) 带有过滤器的防护面罩。带有过滤器的防护面罩由罩体、过滤器、呼气阀和吸气阀构成，过滤器表面的滤尘材料由不同的材料组合构成，滤盒为独立结构，通过内装不同添加剂可达到不同的防护目的。代表性专利：CN1173138A[19]，一种防毒面具，由壳体和黏结吸附剂过滤元件的过滤芯子组成；CN2389677Y[20]，一种自吸过滤式防尘防毒口罩，由罩体、过滤器、呼气阀和吸气阀构成，过滤器为双过滤器结构，位于过滤器表面的滤尘材料由粗滤尘材料和精滤尘材料组合构成，滤毒盒为独立结构，内装不同药剂以达到不同的防毒目的；CN2162260Y[21]，一种贴面式防毒口罩，具有贴面式的构造，在气罩部的两侧各设有过滤器，过滤器内部可充填滤气介质，外侧面则设有气孔，与气罩部相邻的内侧边上设有进气膜瓣及出气膜瓣，当口罩罩设在使用者的面部时，可使外界的空气经由气孔进入，经滤气介质过滤；CN102008791A[22]，一种防尘防毒面具，将密封垫圈由敞开式的橡胶件黏合成橡胶气囊密封垫圈，密封垫圈设有进气孔并设置在面具主体的后部，在密封垫圈内侧与人体面部接触的部位设有防滑片，在密封垫圈与人体面部相接触部位的壁厚较其他部位薄，使橡胶气囊密封圈与人体面部接触更吻合，密封性更佳；CN201379091Y[23]，一种水过滤防尘口罩，采用液体过滤空气，其过滤器内盛有过滤液体，并通过吸气阀与三通管、通气软管的连接配合，解决了现有防尘口罩滤尘效果差的问题。
(2) 功能性滤布技术。在口罩基材表面通过浸、涂等方法将功能性组分施加其上，形成不可分割的整体，获得特殊的防护性能，例如具有可释放负离子、抗菌、美容、吸附功效。主要专利：CN101829414A[24]，口罩里层是低熔点造型基布，自里层基布向外依次是经负离子浸渍或喷涂的增氧非织造布、过滤布、聚丙烯非织造布，口罩中部安装有单向呼气阀，外层有压鼻条；CN201668889A[25]，一种具有活性炭过滤布的防毒防臭口罩，口罩自里层向外层的层结构依次是基布、过滤布、面布，其中基布上浸渍或喷涂有椰壳活性炭化颗粒，过滤布是高效过滤熔喷布，面布是聚丙烯长纤维面布；CN102283450A[26]，一种银离子灭菌消毒口罩，口罩体由至少两个过滤层重叠后缝合构成，两个过滤层之间设置有至少一片湿巾，湿巾是浸润有银离子溶液的医用纱布或者非织造布； KR20030044972A[27]，将有机抗菌剂加入口罩中，使口罩具有抗菌、抗病毒的效果；CN202653195A[28]为一种美容口罩，口罩为三层结构，由内向外依次为丝胶粉涂层、透气层、过滤层，口罩鼻孔对应设置有透气开孔，开孔口处连接有透气层，通过在口罩内层设置丝胶粉涂层，使口罩具有美容保湿、抗氧化、吸收微波等作用。
(3) 组合呼吸器。根据对人体呼出气体的处理方式可分为开路式呼吸器和闭路式呼吸器，而根据人体吸入气体的来源可分为过滤式面具、隔绝式呼吸器、闭路式呼吸器。代表性专利：CN2042674U[29]，半身式防尘、防毒压风呼吸罩具及装置，由头盔、披肩及围腰等构成前半身式防护罩衣，防护罩衣上设置带气囊的正压口罩和风镜，压风呼吸装置由过滤调压器、活性炭净化筒、进风闸阀、进风管、送风管及降温管构成；CN2686654A[30]为携带式呼吸器，由口罩与过滤器构成，过滤器内部设有可替换的多机能滤器、光触媒装置、抽风装置、高压产生器与活性炭滤网，藉由抽风装置的抽风使得外部的空气经由多机能滤器进行道过滤，并藉由光触媒装置与高压产生器所制造的臭氧与负离子对该空气进行过滤与杀菌，而后该空气经由活性炭滤网再次过滤，并通过管线送入口罩内；CN2121972A[31]，面罩下部通过胶管与一个可调进气阀相连，可调进气阀窗口外围装有过滤器，可调进气阀下部的气嘴用胶管与试剂容器相连接，试剂容器中装有水和香料，或医嘱药液，试剂容器通过胶管与装有氧粉和催化剂的反应容器相连接；CN87202559U[32]，组合式呼吸装置，由口罩或鼻氧插管、电源、主过滤器和防尘预过滤器等七部分构成，面罩通常为椭圆形，面罩上安装有过滤器。
2.5.3 内置技术
内置型口罩的专利技术主要通过对其过滤功能的改进增强其防护效果，通过对其外形的改进增加佩戴舒适感。内置型口罩有单、双联两种类型。单联型是每个鼻孔单独佩戴一个鼻过滤器，且一对鼻过滤器不连接在一起。双联型是一对鼻过滤器通过连接部分连接成一体再佩戴。
在专利申请中，双联型鼻过滤器占绝大多数。它的主体构造通常由两个可插入式鼻塞和一个连接件构成，鼻塞插入鼻腔形成内置结构以过滤空气，防止沙尘、粉尘、病毒、细菌等的侵入。鼻塞的改进点在于鼻塞的过滤系统和鼻塞的外形。
过滤系统通常由壳体和过滤材料构成。壳体的结构多种多样，如与鼻腔相匹配的、其内装有过滤材料的壳体(CN201135716Y[33])，具有阀结构的过滤器(US2007227542A1[34]、US2007175478A1[35])，由纤维绒毛球构成的团状体(CN201423096Y[36])，具有向鼻内注射清新物质的注射部分(KR100679351B[37])，上、下磁环之间设有过滤片的一体结构(CN201558425U[38])，夹设网状过滤部件的环结构(US2005051170A1[39])，包覆有纱层的鼻塞骨架构成的过滤系统(CN202236950U[40])，在内罩和外罩之间形成间隙一次成型的中空壳体(CN201135717Y[41])，由底板、半碗状外壳、支撑架、C形架组合而成的壳体(JP2009297053A[42])，过滤网包/罩、金属丝套(CN2584219Y[43])，不锈钢外壳(CN2650792Y[44])等。而鼻塞壳体材料可以是无毒塑料、弹性柔软材料(如橡胶、聚合物、海绵)、多孔材料、非织造布、海岛纳米纤维等。置于壳体中/包裹在壳体上/形成壳体的过滤材料包括天然纤维、聚丙烯等化学纤维、活性炭纤维、活性炭颗粒、碳纳米管、防尘海绵、纳米纤维及其非织造布、磁性过滤器(CN202822526U[45])、具有黏附液的类似鼻毛的过滤刷(JP9056840A[46])、药棉、棉纱布等。制备时通过多个滤层的叠加、浸渍或喷涂过滤原材料、填塞过滤材料等手段赋予鼻塞的过滤及其他所需药用功能。
鼻塞的外形可以是圆柱形、锥形、半胶囊形、圆球形、卵形、喇叭形、三角形、带凸缘的柱状体，或者为圆形、翼形的过滤片/网(CN2484075Y[47]、US2008087286A1[48])。
连接件可以为U型夹(CN202699897U[49]、CN201930421U[50])、连接带(CN2621745Y[51])，可涂敷有黏结剂以黏在鼻柱上(FR2763509A1[52]、JP2008284152A[53])、倒U型(CH692652A5[54])、奶嘴形(KR100726135B[55])、辅助鼻卡(CN2282441Y[56])等形式，用来连接两个鼻塞并能起到夹住鼻中隔的作用。
3 结语
防护口罩作为一种呼吸防护用品，目前仍以面部佩戴为主，内置的入鼻型并非主流产品。随着专利技术的发展，制备防护口罩的原材料已经由传统的天然纤维拓展到具有降解性、柔软弹性的化学纤维；人们通过增加压鼻条和改善过滤装置结构来确保呼吸空间的密封性、透气性，提高过滤效果；通过添加活性炭、纳米颗粒，以及具有附加功能的成分如药物、芳香剂来提高防护口罩的功能性。
以上的技术改进都是基于环境恶化的难以预见性，这也说明防护口罩的性能好坏越来越受关注，佩戴舒适度及美观也逐渐成为人们选择佩戴的考量因素。尤其是我国雾霾的出现，以及其无法短期完全消散的特点，防护口罩在国内有着广阔的应用前景。但就消费者而言，目前消费主体更愿意购买世界大企业(如3M公司)、世界工业化产品标准和要求较高的美国和日本生产的防护口罩。可见，虽然我国对防护口罩具有较大的专利申请量，但工业化的实际产品却并未获得极好的信任感。因此，建议防护口罩生产企业在生产经营过程中，可重点关注产品的精细化研发，不要一味地模仿，要在模仿中寻求更多自己的创新点；在发挥我国防护口罩专利申请量优势的情况下，不降低技术标准，进一步加强满足美观和舒适度等方面的消费需求，扩大消费市场，将有效专利转化为实际工业效益。与此同时，企业也要提高专利申请、专利保护的意识，形成自己的专利体系，建立企业自身的专利预警机制，及时掌握本领域的专利情报，通过合理的专利预警制度对将要发生的专利争端采取一定的预警，有效地避免专利纠纷，规避专利侵权行为，保护好企业的自主专利权，争取获得更大的市场。
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