专利视角下的疫情防控利器--口罩

新型冠状病毒来势汹汹，牵动着全社会的神经。全民动员防控疫情的当下，我们都清楚，“少出门”“戴口罩”“不聚集”是最有效的防护措施，“口罩”成为防控疫情的利器，也成为当下最紧缺的物资之一。

那么，什么样的口罩足以防护病毒，口罩又是如何保护我们不受病毒侵害的呢？我们的审查员从专利视角进行了深入分析，希望这篇技术干货能够提高您的鉴别力与安全感。

1

常见口罩的分类

市面上大家关注较多的口罩主要有以下几类：织物类口罩、医用外科口罩和医用防护口罩。具体样式见下图：

众所周知，普通的织物类口罩的主要作用是保暖，对抑制病毒传播意义不大。医用外科口罩作为一次性口罩的一种，一般为三层结构，过滤病毒主要依靠中间的过滤层。最近大家最为关注的N90、N95、KN90、KN95属于医用防护口罩，其中N开头的产品符合美国标准，KN开头的符合中国标准。N取自Non-oil的开头字母，意为非油性，后面的数字代表了过滤效率。N95或KN95代表该口罩适用于过滤非油性过滤物，过滤效率≥95%。

看完本文不难知晓，普通民众正常出行，医用外科口罩就能够达到有效的防护效果，只要不是近距离接触病人，没有必要过分追求N90、N95等医用防护口罩，请将它们留给更需要的医护人员。

2

医用口罩的结构

医用口罩（含医用外科口罩和医用防护口罩）一般都是多层结构，包括外侧的两层纺粘层(Spunbonded)和中间的一层或多层熔喷层(Melt blown)，如SMS、SMMMS等。

SMS型医用口罩结构

纺粘层与熔喷层均为无纺布，其由定向的或随机的纤维构成，因具有布的外观和某些性能而被称之为布。纺粘层的构成纤维直径较粗，主要起到支撑口罩外形、防水等作用。熔喷层的构成纤维直径较细，在几微米左右，只有纺粘层直径的十分之一。直径超细的纤维无序排列，进而形成三维微孔结构，具有比表面积大、孔径小、孔隙率高等多重特点，对空气中的微细粉尘和细菌病毒等微纳米颗粒具有优良的捕获和吸附能力，这也正是倡导全民佩戴具有喷熔层的医用口罩以抑制新型冠状病毒传播的关键因素。

洁净PP熔喷非织造布微观形貌[1]

容尘实验后PP熔喷非织造布迎尘面和非迎尘面的微观形貌[1]

3

影响阻隔过滤效果的内部结构因素

熔喷非织造布具有纤维超细、比表面积大、孔隙率高、空气阻力低等特点，吸附过滤性能主要依靠布朗扩散、惯性沉积、直接捕获、重力沉积和静电吸附等机械阻挡作用[2]。影响熔喷非织造布过滤效果的内部结构因素主要包括：孔径大小、孔隙率、厚度[3]。

孔径大小：在一定的范围内，纤维细度越细，滤材平均孔径越小，过滤效率越高。为了获得更高的阻隔过滤效果，可以选择直径更细（如纳米级）的纤维用于制备非织造布。如专利CN1286542C公开了一种高效滤材及用其制作的医用防护口罩，其采用丙纶超微细纤维构成，超微细纤维与常规熔喷技术生产的纤维相比，细度由2～10μm提高到0.3μm以下，过滤效率达到95％以上，防护性能大幅度地提高。

孔隙率及厚度：孔隙率是孔隙体积与总体积的比值，非织造布滤材的纤维填充率增加，其孔隙率降低，对粒子的干涉作用越强，捕获效率越高；纤维滤料的厚度或层数增加也可以提高过滤效果。由此可知，复合多层非纺织布SMMMS较SMS过滤阻隔效果要好。专利申请CN107455822A公开了一种具有四层结构的纳米纤维-微米纤维复合防雾霾口罩，其使用1层纳米纤维层3、2层纺粘非织造布1、4和1层空气过滤用熔喷非织造布2复合做成口罩。经测试，复合口罩作为空气过滤材料对0.3微米NaCl颗粒的截留率超过93％，气阻小于100Pa。

四层纳米纤维-微米纤维复合防雾霾口罩结构

4

影响阻隔过滤效果的外部处理因素

虽然提高纤维阻隔网络的层数或厚度能够提高阻隔过滤效率，但会造成过滤阻力增加，降低透气性，影响佩戴者正常呼吸。那么，是否存在不影响透气性，又能一定程度上提升过滤性能的技术呢？

经驻极化处理而成的驻极体滤材是近年来提升阻隔过滤效果的重要技术，所谓驻极体是指具有长期储存电荷功能的电介质材料。许多有机材料(如石蜡、硬质橡胶)和无机材料(如钛酸钡、钛酸钙)都可通过相应的处理用来制备驻极体。非织造布过滤材料本身纤维之间间距较小，排列紧密，对材料进行驻极化处理后，材料本身带有一定的电荷，带电纤维之间就很容易产生电场进而吸附环境中的带电粒子，同时可将部分未带电粒子极化吸附，不仅提升了过滤效率，而且不影响透气性[4]。

对于纤维的驻极化处理方法，专利申请US4215682A公开了使用带有电荷的微粒对模孔刚排出的纤维进行粒子辐射以形成纤维驻极体网。当热熔喷制的纤维以这种方式附上电荷时，过滤的效率可以提高2倍或2倍以上。专利CN101905101B公开了通过电晕放电使得熔喷聚丙烯纤维网成为具有稳定电场的驻极体后，过滤效率可提高30％～40％。专利申请US5496507A公开了利用水向非织造纤维网施加电荷的方法，电荷通过加压的水射流或水滴束撞击非织造纤维网而产生，在进行水充电荷操作之前，使该织物经过空气电晕放电处理，可进一步提高驻极体的性能。

此外，在纤维材料中添加特定的电荷增强助剂有利于提高驻极性能。专利CN101896657B公开了添加酯取代和酰胺取代的三苯胺基三嗪化合物作为电荷加强添加剂，这些电荷加强添加剂使驻极体织物可通过多种不同的充电机制(例如直流电晕放电、水充电等)容易地带上电荷，并具有相对较长的电荷保持能力。专利WO2015199972A1公开了电荷加强添加剂还可以为稠合芳族硫脲、稠合芳族脲化合物或它们的组合。

除了有机电荷增强助剂，一些无机组分，如Si02、电气石等都可以被做成纳米颗粒，这些物质具有很好的电荷存储能力。专利CN1544724A公开了电气石改性聚丙烯驻极熔喷超细纤维非织造布，对直径小于0.26μm粒子，过滤效率达95.8％；专利申请CN101724982A公开了POSS（笼型倍半硅氧烷）改性聚丙烯熔喷非织造布，POSS材料的多孔结构有利于捕捉电晕放电产生的空间电荷，将大大改善材料的驻极效果。

上述专利技术中只含有有机电荷增强助剂或无机电荷增强助剂，专利CN106076000B则同时采用有机助剂和无机助剂作为电荷增强助剂，无机氮化硅与有机助剂硬脂酸锌和硬脂酸钡的复配相互作用使得改性的PP熔喷驻极材料具有较好的电荷存储稳定性，提高过滤效率的同时，还可以延缓过滤效率的衰减，经0.26μm氯化钠气溶胶检测，过滤效率达97.1～99％，过滤阻力为100～110Pa。

5

功能化口罩

除了常规的三维纤维孔隙网络所带来的过滤吸附功能，还可以通过添加特定功能助剂或增设功能层给口罩增加特定的功能效果。如专利CN207980663U在两层无纺布层、一层熔喷纤维过滤层的基础上，另外增设了一层椰壳活性炭纤维吸附层，其中的椰壳活性炭的比表面积≥700～≥1900㎡/g，可进一步有效吸附低微毒尘。该防尘口罩具有吸附有害气体、过滤液态粒子、阻隔固体粉尘的综合功能。

增设活性炭吸附层的4层口罩结构

专利CN101980751B公开了一种4层结构式口罩，其中，最外层由吸收大气漂浮物等的纺粘无纺布形成，第1中间层由带静电的熔喷无纺布形成，第2中间层由含有银离子和沸石组成的无菌抗菌剂的熔喷无纺布形成，最里层由保湿性的纺粘无纺布形成。该多层口罩既能确保佩戴者呼吸所需的透气性，又能够防止细菌、病毒入侵，并且具有优异的抗菌抗病毒性。

通过上述介绍，相信大家对医用口罩的相关技术有了初步了解。在此还要提醒大家，医用口罩对空气的过滤作用主要基于熔喷层较为致密的纤维结构及相应的静电作用，使用过程中呼出的水汽会不断向内层渗透，使用一段时间后口罩熔喷层的静电吸附性有可能被破坏，对空气的过滤性也会相应减弱，因此一次性口罩的使用还是要按照说明书上的指示，才能真正起到防护作用。

参考文献:

[1] 倪冰选.口罩用聚丙烯熔喷非织造布过滤性能的研究[J]. 合成纤维工业, 2015, 38(5):72.

[2] 罗伶. 防尘口罩的阻尘效率和呼吸阻力的影响因素探讨[J]. 中国个体防护装备, 2004, (5):13．

[3] 黄景莹. 改性熔喷聚丙烯非织造布的制备和性能研究[D]. 东华大学, 2011.

[4] Lowkis B,Motyl E. Electret properties of polypropylene fabrics [J]. Journal ofElectrostatics, 2001, 51-52:232.

本期作者化学发明审查部高分子化学室吕晓琴来源：国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心