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专利大揭秘 “3M防霾口罩”为什么是防霾神器

原创2016-12-16 刘春杰 高 巍 知产力
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作 者 | 刘春杰 高 巍   专利审查协作北京中心医药部

 

(本文系知产力获得独家首发授权的稿件,转载须征得作者本人同意,并在显要位置注明文章来源。)

 

前 言

伴随着冬意渐浓,雾霾天气又一次袭击了神州大地,一时间大街小巷白雾茫茫,人们相邻而不得相见,这种由灰尘、硫酸和硝酸等颗粒物组成的气溶胶系统(即“霾”)使得作者和大家一样顿感呼吸沉重,嗓子干痒,为此作者连忙从衣兜中拿出早已准备好的3M防霾口罩,以暂时抵御雾霾的侵袭。


 

哎,等等,大街上人们好像都佩戴着和作者一样的3M防霾口罩,它究竟有什么特殊之处,能够成为大家的首选防霾神器呢?从事专利行业的作者自然是三句话不离本行,接下来作者就带领大家从专利角度揭开它的神秘面纱。

 

 

3M防霾口罩,指的是3M公司推出的防颗粒物呼吸防护口罩,其包括多个不同型号功能各异的产品。3M公司全称为“Minnesota Mining and Manufacturing”,中文译为3M创新有限公司、明尼苏达矿业及制造公司等,创立于美国明尼苏达州的小城图哈伯斯(Two Harbors),其历史可追溯至20世纪初年,最早从事砂纸制造,而后逐步推出遮避胶带、反光膜、录音磁带、纤维胶带、投影仪、听诊器等多种产品。目前3M公司在医疗产品、办公用品、光学产品、交通用品等多个领域占有主导地位,并已跻身世界500强企业和全球最具创新精神的20家企业之一。

 

作者在Patentcis数据库中检索得知,截止目前3M公司在全球申请专利已达106120,内容涉及办公用品、聚合材料、日化用品、医疗用品、清洁工具、光学仪器、电子电器等,其专利被引用次数也较高,能在如此多的领域申请数量众多的专利,并其在业内占有一定的技术优势,其创新能力可见一斑。

 

 

至于口罩,3M公司早在上世纪70年代初即推出了利用新型的颗粒物过滤材料制作的防颗粒物口罩,被广泛应用与保护在工作中会接触到可吸入颗粒的劳动者。有句话叫做“产品未动,专利先行”,那么3M公司是否也提前进行了专利布局呢?答案是肯定的。作者仔细分析了3M公司口罩相关专利申请情况,发现该口罩的专利申请最早于1961年在美国提出,这也是3M公司申请的第一件防颗粒物口罩的专利。该专利于1967年授权,专利号为US3316904。该专利说明书详细披露了具有新型结构的过滤网结构:直径为1微米,纤维长度为1/22英寸,由60%Vinyon HH纤维束和40%的玻璃纤维组成。正是这种过滤网的特殊性质使得其适合制备用于防护颗粒物污染的口罩,也奠定了3M公司在防霾神器开发中的领先地位。

 

US3316904附图

 

随后,3M公司继续在防颗粒物口罩领域深耕细作,对口罩的技术细节进行进一步改进,推动了防颗粒物口罩技术的不断发展,从上世纪90年代起,3M公司的年专利申请量开始增长,每年的专利申请量保持在20-50件的水平,至今已有900多件的专利申请。很难想象吧,小小的口罩竟然也会有这么多的专利布局。而且这些专利申请的平均被引数达到了7.47次,平均同族专利数达到了11件,可见这些专利具有很高的质量,并非随随便便只图个热闹,嗯,你懂的。

 

3M公司口罩专利申请图

 

那么现在遍布于神州大地大街小巷的、以标志性的呼吸阀为特征的3M防霾神器其前生后世究竟如何呢,且听作者继续分解。1989年,3M公司获得了美国专利US4807619A的授权,这篇专利公开了一种纤维过滤层口罩,包括一层或多层纤维过滤材料,使得过滤材料的总基础重量可达150g/m2,平均密度超过0.2g/cc。更重要的是,该口罩除对过滤材料含量进行改进之外,还在常规的棉布口罩基础上增加了呼出阀和呼入阀,已经具备了现在市售防霾口罩的雏形。

 

US4807619A附图

 

WO9628216A1公开了一种可折叠的口罩,该口罩包括中间部分、可折叠的上部和下部,通过折痕相连,放置时可折叠为矩形,使用时将上下两部分翻折即可使用,既节约空间又方便携带。除折叠设计之外,这种口罩还设计了位于上部的鼻夹60和位于中部的呼气阀64,也目前我们所用的上下系带的防霾口罩已经相当类似了。

 

 

WO9924119 A1公开了采用打印部片粘结技术生产口罩,并提供了整条生产线,而且优化了呼气阀的结构,使其更加容易生产和使用,可以说这项专利申请解决了3M口罩的大规模生产问题,为其推广和应用铺平了道路。

 

WO9924119 A1附图


US5509436B中改进了呼气阀结构,在呼气阀中设置当佩戴者不呼气时,保持常闭状态的软阀瓣,但在呼气过程中达到一足够大的压力时,其自由端被举起,从而放置外界杂质进入,又能有效排出废气。 WO0224279A1进一步设置冲击元件,能够在不影响佩戴舒适度的前提下,防止佩戴者呼出的颗粒、细菌、病毒等污染周围空气环境。

 

 

上述口罩虽然已经具备了过滤材料、可调节鼻夹、呼气阀等结构,但是过滤颗粒粒径仍然较大,这样口罩对付普通的细菌已经绰绰有余,但是对日益严重的粒径可达2.5微米及以下的雾霾颗粒仍是相形见绌,因此3M公司的研发人员开始研发可过滤更小颗粒的口罩。CN101495208A公开了由相互缠绕连续微纤维和较大尺寸纤维组成双纤维混合物,这种混合物不仅能够造成更小的过滤粒径,而且可以维持均匀分布,对于流速为13.8厘米/秒的粒径在0.075微米的氯化钠气溶胶,最大渗透率可控制在5%以下,这足以胜任抵御雾霾颗粒的任务了!此后,3M公司还对过滤材料、呼气阀等进行了深入研究和改造,以便提供更加舒适、实用、有效的防霾工具。

 

 

结语:面对汹汹而来的雾霾,作者一边握紧嘴边的3M口罩,一边思考既然是技术的不良发展导致了这场灾祸,也要“以彼之道,还施彼身”,以创新精神开发新的产品和技术,防御和治理雾霾,相信在不久的将来,我们也能重试儿时的蓝天!

 

 

图片来源 | 网 络

 


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