陆婷婷 路浩知识产权联盟

北方冬季雾霾频发，防霾口罩市场火爆。

 　　随着2015年冬季的到来，京津冀地区空气质量指数频繁“爆表”，网友纷纷晒出能见度极低的图片，在迷雾中勾勒着原本应该存在的各种建筑，自我调侃的同时也反映出北方地区空气质量堪忧的现实。

 　　与过去烟尘污染不同，近几年的空气污染主要是细颗粒物污染。细颗粒物又称PM2.5，能较长时间悬浮于空气中，对空气质量和能见度有重要影响，具有粒径小、面积大、活性强、易附带如重金属/微生物等有毒有害物质的特点，严重影响人体健康和大气质量。

 　　随着雾霾天气的频繁出现，PM2.5口罩作为防备雾霾的首要装备，已成为抢手货。笔者在天猫、京东等电商平台搜索“PM2.5口罩”，发现商品总量多达3500件，最高成交量高达10万笔。PM2.5口罩销售增长的同时带动了相关技术的发展与创新，从每年申请的PM2.5口罩相关专利数量（图1）可以看出，自2012年起PM2.5口罩相关专利的申请量涨势迅猛。

 　　PM2.5口罩市场的日益壮大，给纺织企业带来了一定的商机，但令人眼花缭乱的口罩品牌和不同型号，让大众选择困难的同时也对PM2.5口罩产生了些许质疑：商家宣传神乎其神的PM2.5口罩真的能有效过滤雾霾吗？过滤PM2.5的关键技术究竟是什么？下面笔者将从专利文献中挖掘相关的技术信息来为大家一一解密，揭开PM2.5口罩的神秘面纱。

 　　PM2.5（防霾）口罩的常见结构

 　　常见PM2.5口罩可分为两大类（如图2）：一次性立体防护式和可换滤芯式。一次性立体防护式PM2.5口罩主体是由整块或拼接的高效过滤材料（如聚丙烯纤维、静电滤材）制成，有的还附有活性炭层或抗菌材料，失效后需整体废弃，不可重复使用，这类口罩根据形状不同还可分为平面式、纵向/横向折叠式和杯罩式，根据佩戴位置可分为耳带式、头戴式和颈带式。可换滤芯式PM2.5口罩多是由柔性材料（如橡胶、硅胶）制成的罩体+滤片组成，一段时间后只需更换滤片，罩体可重复使用，这类口罩根据佩戴位置不同可分为口鼻式和鼻式。

 　　根据田军《防PM2.5口罩现状及发展方向》一文可知，目前国内市场所销售的口罩主要是平面式口罩，占口罩产品总数的41.2%，其次为折叠式口罩，其产品市场占有量约为38.1%，杯式口罩由于携带较为不便，美观性较差，因此市场份额最小，约为18.3%。

 　　另外从专利文献中还可以看到一种比较新颖的鼻罩式和鼻塞式PM2.5口罩，这种口罩是只针对鼻部进行空气过滤的防霾装置（见图3）。

 　　鼻罩式防霾装置主要由空气过滤组件和鼻部贴合部件构成，鼻部贴合部件主体轮廓与人体鼻部轮廓形状相适应，通过内部嵌入的过滤膜片实现PM2.5过滤（公开号为CN104208829A）。对比传统口罩，由于其体积较小，与人脸贴合面积相对较小，贴合性和密封性更易保证。

 　　鼻塞式防霾装置又称隐形口罩，由U形支架、网状外壳、硅胶外套和滤芯组成，U形支架两端分别于两个螺旋式网状外壳相连，带静电纳米纤维滤芯设置在螺旋式网状外壳里面，硅胶外套设在螺旋式网状外壳的外壁（公开号为CN204208210U），使用时将过滤体塞入鼻孔中，便可方便舒适地使用。鼻塞式防霾装置体积最为小巧，呼吸阻力较低，但泄漏率与滤芯安装有关，目前也没有较为权威的试验测试结果，过滤效果尚未确定。

 　　影响PM2.5（防霾）口罩防护效果的关键因素

 　　根据权威实验室数据测评和口罩产品官方介绍，可以看出评价防霾口罩性能优劣的参数主要有过滤效率、泄漏率、呼吸阻力和舒适度。

 　　关键1：过滤

 　　过滤效率又称阻尘率/除尘率，是评价防霾效果最直观、最重要的参数，也是商家大做文章的“重灾区”，2015年3月上海市质监局公布的《口罩产品质量安全风险监测结果》显示56批次口罩的过滤效率实测值低于参考值90%，占总抽样数的比例超过八成。影响过滤效率的主要因素是滤芯材料，现有PM2.5口罩市场比较常见的过滤材料大致可分3种，如表1所示。

 　　笔者通过搜索分析相关专利得出，PM2.5口罩的过滤方式主要有：纤维层过滤、采用正负极板电场过滤、磁场过滤、静电过滤、水过滤、通过黏性材料进行吸附过滤。图4显示了不同过滤方式PM2.5口罩专利申请情况。

 　　从相关专利申请情况可以看出，现有PM2.5口罩的过滤方式主要是纤维层过滤，所占比例达到八成以上，包括多种纤维层复合过滤的情况。如2015年，青岛阳光动力生物医药技术有限公司提出了一种光能抗菌高效空气滤材（简称光能抗菌HEPA滤材）（公开号为CN104689642A），由玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯与聚对苯二甲酸二乙酯、熔喷涤纶无纺布、熔喷长纤维等材料中的一种或几种组成，同时采用物理、化学固化技术，能有效过滤PM2.5细微颗粒物。

 　　排在第二位的是静电过滤，主要是采用不同精度的静电纺丝吸附滤材或驻极体熔喷纤维作为口罩复合过滤层出现，2014年上海洁晟环保科技有限公司提出一种抗菌口罩滤片（公开号为CN104083946A），滤片由纤维面层、基材无纺布层、静电纺纤维膜层及纤维内层组成，其中静电纺纤维膜层由聚合物材料和壳聚糖组成，孔径小、孔隙率高，能有效阻挡PM2.5颗粒进入人体。

 　　水过滤方式主要是利用纤维密度较低的滤膜，在滤膜上增加液体，使滤膜纤维之间产生水膜，水膜可最大限度的阻挡和吸附空气中的尘埃等杂质，但不易阻挡空气的进出，从而达到既保证过滤效能又不影响空气透过率，密封性和过滤效果好，可过滤粉尘、PM2.5及有毒气体（公开号为CN204635139U，如图5所示）。

 　　电场过滤、磁场过滤和黏性过滤相关的专利申请较少，表明研究人员或相关企业对这些过滤方式研究较少。

 　　电场过滤技术主要是在口罩内部设置两层金属网，分别通过导线与电池正负极相连，通电后两层金属网间会形成一个静电场，当空气穿过这一静电场时，漂浮的雾霾颗粒会被吸落至金属网上，实现PM2.5的滤除（公开号为CN105167254A）。据了解，目前市场上还未出现采用电场过滤技术的防霾口罩产品，由于其结构复杂、成本较高，相关产品推广困难较大。

 　　磁场过滤技术主要是采用能形成立体磁场的磁片或在滤芯中添加磁性材料来实现，利用磁片或磁性材料产生的磁场对这些带有静电的污染颗粒物利用洛伦兹力原理来进行偏转过滤（公开号为CN203789199U），但该技术只能过滤带电颗粒或金属颗粒，过滤效果受污染源影响较大。为保证过滤效果还需结合其他过滤技术，造成PM2.5口罩结构复杂化和成本的增加，实际应用存在很大局限性。

 　　黏性过滤主要存在于鼻塞式PM2.5过滤器中（公开号为CN103816622A），采用凝胶等黏性材料吸附空气中的细颗粒物，达到净化空气的效果。不过黏性过滤依托于黏性材料的发展，且具有流动性，不易固定成形，在实际生产使用中存在诸多不便。

 　　关键2：密封

 　　泄漏率也是影响口罩防霾效果的重要参数，能全方位贴合脸型的PM2.5口罩才能有效过滤雾霾。根据2014年中国消费者协会发布的口罩试验结果显示，一次性杯形口罩和一次性折叠口罩的泄漏率明显低于一次性平板口罩和可换滤片式布口罩。此外，一次性PM2.5口罩多在内部边缘增设金属鼻夹或海绵条，提高了鼻翼部贴合效果和整体密封性。对比一次性PM2.5口罩，市场上的一些可换滤片式PM2.5口罩主要采用质地柔软、较强吸附能力的材料，有的产品还能根据自己脸型任意剪裁，面部贴合度较好，泄漏率较低。

 　　如霍尼韦尔公司改进了呼吸面罩中的鼻夹设计（公开号为CN103874528A，外形见图6），保证了呼吸面罩足够的柔顺性和形状保持能力，保证呼吸面罩的密封性。

 　　再如3M公司生产的面罩鼻夹（公开号为CN101998873A，外形见图7），鼻夹为树脂带形构件，所述构件具有易于变形的柔韧性以及可以在变形后保持形状的形状保持能力。

 　　新加坡设计师朱桦发明的“Totobobo”牌防霾口罩也有很好的用户口碑，其申请的“扁平可折叠的面罩及其制造方法”(公开号为CN1774282A)和“面罩及漏气实时检测方法”(公开号为CN1919376A)两项发明专利，采用有弹性的薄片材料进行有效的呼吸密封，并通过实验证明Totobobo口罩具有较理想的密封性。

 　　关键3：舒适

 　　呼吸阻力是佩戴舒适与否的重要体现之一，也是PM2.5口罩产品的重要性能参数。现有PM2.5口罩通常是通过设置呼吸阀来降低呼吸阻力，其作用原理是：呼气时排出气体的正压将阀片吹开，以迅速将体内废气排除，降低使用口罩时的闷热感，而吸气时的负压会自动将阀门关闭，以避免吸进外界环境的污染物。

 　　目前市场上带有呼吸阀的PM2.5口罩产品越来越多，国内外知名PM2.5口罩的生产商均递交了呼吸阀相关专利申请。

 　　3M公司的呼吸阀相关专利（公开号为CN1981895A和CN1547496A），如图8所示，该呼吸阀的设计使佩戴者呼气时能高百分比地排出呼吸面罩内部的空气，避免面罩内部空气压力的产生。

 　　绿盾口罩的生产厂商上海兴诺康纶纤维科技股份有限公司持有的专利（公开号为CN203915821U）保护了一种呼吸阀，结构如图9所示，包括上盖、单向膜片和底座，上盖设置有呼吸通口，底座上设置阀孔，上盖和底座连接在一起并在二者之间形成空腔，单向膜片设置在空腔内且覆盖住阀孔，上盖整体外形类似于“鼻子”的形状，这样的设置更加符合呼出气体的流向，使得气体的排出更加流畅。

 　　为了解决呼吸阀拆卸不便的问题，蓝色智库(北京)科技发展有限公司设计了一种三层磁力卡扣式呼吸阀（公开号为CN204459317U，结构如图10所示），利用磁力吸附技术有效解决了机械拆卸的不便且还为人体提供了微量的有益磁场，进而达到提高可更换过滤片式口罩使用性能的效果。

 　　由于呼吸阀是单向换气的，在口罩过滤材料的作用下，人们在吸气时仍会感觉呼吸阻力，于是有研究者发明了带风扇装置的口罩。例如公开号为CN104548404A的发明专利提出一种内置呼吸阀及风扇的空气过滤口罩，如图11所示，该发明包括内置风扇、吸气单向阀和呼气单向阀，其中内置的风扇提高进风量，有效解决过滤装置风阻，增加口罩内空气流动速度，减轻人体呼吸压力；吸气单向阀片可以避免强力风直吹人体面部，使进入的风更加柔和；呼气单向阀片可以在排出废气降低口罩内闷热感的同时避免外界污染物的进入。

 　　此外，武汉大学发明了一种由可拆卸式微型风机和呼吸阀相配合形成风道的智能口罩（公开号为CN204671765U，结构如图12所示），包括口罩本体，呼吸阀和可拆卸的微型风机。口罩本体与普通口罩类似，口罩一侧带有单向呼吸阀，另一侧带有一个一体式微型风机；单向呼吸阀在呼气时打开，吸气时关闭；一体式微型风机由塑料卡扣与口罩连接，可以拆卸更换；微型风机在口罩表面形成向内压力，在吸气时帮助送入新鲜空气、减少闷气感，在呼气时产生的多余压力会由前述呼吸阀排出，不会妨碍正常的呼气。与现有技术相比，该口罩具有风道清晰，结构简单，通用性强的优点。

 　　为了进一步追求佩戴的舒适性，有发明者申请了一种鼻面部隔离式口鼻分离型口罩（公开号为CN204635145U），结构如图13所示。该方案通过设计鼻部呼吸腔，将鼻部呼吸和口部呼吸进行隔离，同时在鼻部呼吸腔的呼吸孔处设置有鼻部密封环进一步密封，使用者说话时呼出的臭气及唾液不会被鼻子再次吸入，更干净卫生，鼻部呼出的湿热气体与鼻部周围皮肤隔离同时也不会到达口部，提升佩戴舒适度。

 　　结论

 　　作为PM2.5口罩的购买者，需抛开眼花缭乱的宣传广告，意识到影响PM2.5口罩过滤效果的两大关键因素是滤芯材料和密封性，了解到当前PM2.5口罩多采用多种纤维层复合过滤和静电过滤，最终再结合自身脸型、是否便于携带和佩戴舒适度等需求来挑选适合自己的防霾产品，如：脸型较瘦宜选择可折叠式，脸型丰满可选择杯式，重视舒适度可选择带呼吸阀的口罩产品，考虑美观可选择鼻塞式防霾装置。

 　　作为PM2.5口罩的生产厂商，在如今双创大环境和激烈的市场竞争下，要学会运用专利信息辅助研发，从行业竞争对手所申请的专利中了解其产品研发方向，从产品相似专利中寻找技术启发，通过申请专利的方式保护自身产品和技术，并重视专利布局，同时应开展专利风险预警，排查障碍专利，降低产品销售可能存在的侵权风险。

 　　预告

 　　防霾口罩之技术篇就此告一段落，后续我们将发布防霾口罩之产品篇，从专利角度对市场热门生产商及几款热销PM2.5口罩产品进行分析，敬请期待！