一只口罩的前世今生

 今年春节是一个令人难忘的节日,大家都被病毒逼在家里经历着史上最长的春节假期,春节假期期间突如其来的新型冠状病毒疫情,让很多人措手不及,口罩一夜之间成了万千宠儿,成为抗击疫情的必备利器之一,今年我们就来扒一扒口罩这个神器的前世今生。

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国外早期口罩

最早期的口罩要追溯到罗马时期,罗马时代的人民还是比较生猛的,使用动物膀胱做口罩,佩戴时用手直接捂住口鼻,抵挡有害气体侵害,可能当时真的还没有“布”这种先进材料吧。

瘟疫也是促进口罩发展的重要因素,众所周知,中世纪的霍乱、黑死病都是人类最痛苦和深刻的记忆,当时人们已经发现这种病的传播跟“瘴气”有关,如果阻挡这种气体就可以有效遏制瘟疫传播,于是聪明的人类发明了鸟嘴面具,成为最早期的口罩,可惜那时候没有专利制度,否则,这也有可能成为史上第一个口罩发明专利了。最近网上流传的“油桶宝宝”也是老祖宗智慧的闪现吧。

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图1  鸟嘴面具和油桶宝宝(图片来源于网络)


再后来,16世纪巫师和巫术比较发达,生化武器毒粉也出现在战场中,这时一位牛人达芬奇,对,就是那个画家达芬奇,提出用浸水的织物捂住鼻口,抵御毒粉攻击,这可是织物哦,这是划时代的发展,首次使用织物作为口罩材料。

直到近代,专利制度健全,1894年又出现了一位牛人,美国发明家路易斯 · P · 哈斯特(Lewis P. Haslett)发明了一种便携式呼吸过滤器,成为真正意义上的口罩,专利申请号US6529D,公开日1894年6月12日。

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图2   路易斯 · P · 哈斯特的专利

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国内早期口罩

扒完国外的,再来扒一扒国内的,提起中国的口罩,不得不提大家不太熟悉的中国牛人伍连德,他创立了中国20多家医学院,其中就有著名的协和医学院。1910年,东北地区鼠疫大流行,他出任全权总医官,4个月内就消灭了鼠疫,后来主持了万国鼠疫研究会议。他之所以能够快速消灭鼠疫,他发明的口罩也是功不可没的,他也是中国第一个发明口罩的人,当时的口罩是用多层纱布叠制而成,后来演变成70、80后小时候打针时的“恐怖”记忆,纱布口罩。

图3   中国早期口罩 (图片来源于网络)

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现代口罩

进入现代,随着材料技术的不断发展和人们对细菌和病毒等传染源的认识不断深入,口罩的材质和外观也随之发生变化。

口罩的研究也随之深入,口罩的专利技术也层出不穷,口罩技术也在细节上不断完善。

图4   现代口罩(图片来源于网络)

图5   全球口罩专利申请量


从图中可以看出(除去18个月公开期2018年8月之后的数据不具有参考意义),2003年非典时期,口罩开始被国人所重视,口罩专利有小幅度上涨。近年来,随着禽流感疫情不断爆发,雾霾防治工作的开展,口罩的专利申请量也逐年攀高。随着全球,尤其是中国对流行病和雾霾的高度重视,口罩专利于2012年开始快速增长。

下面要说的是当下抗击新型冠状病毒的功臣医用口罩。为细菌、病毒而生的口罩中的战斗机医用口罩是近年来人类口罩研发的重点,而医用口罩尤其是N95口罩也是防雾霾的主力军,因此,从下图中可以看出,近年来,全球医用口罩和口罩的申请趋势基本一致。

图6   全球医用口罩专利申请量


近期,全国上下都在为抗击疫情作斗争,也有很多文章详细讲述了如何正确佩戴口罩,佩戴口罩的注意事项,各种口罩的区别等等。最近医用口罩已经成为稀缺资源,各种自治口罩的方法也都纷纷出现,以下是网友自制的口罩。

图7   网友自制口罩(图片来源于网络)


首先强调一下,以上的纱布、棉布自制的口罩都是不可取的,无法有效阻挡新型冠状病毒的入侵,纱布和棉布的使用经纬线编织,中间孔径可达到毫米级,对于飞沫(0.5-12微米)来说基本就是大门敞开,即使加到十几层仍然无法阻止病毒入侵。

那么问题来了,医用口罩这么薄,如何能够阻止飞沫传播呢?这里不得不提一个医用口罩的硬核材料,无纺布,顾名思义,无纺布就是不需要纺织的布。下面用一篇专利(公开号:CN104619901B)告诉你无纺布是如何做的。

图8   专利文献中的医用无纺布制作方法


通俗点讲,就是使用聚乙烯等材料加热融化后,使用喷嘴喷射出,经过高速加热气体后形成细小纤维(可以达到0.1微米直径),然后随机粘合成为布,一层层粘合叠加之后形成的布的孔径非常小,成一个迷宫形状的网状结构,天然就具有过滤属性,形成孔径非常小,能够兼容透气性和过滤性,成为防护口罩,防护服的天然材料。网上流传的一次性口罩高温蒸煮后再使用的方法是不可取的,由于医用无纺布的纤维很细,加热后会出现收缩甚至融化,导致口罩孔径变大,破坏微观结构,失去防护作用。另外,酒精喷洒外层也不可取,由于酒精的表面张力小于水的表面张力,喷洒后会提高口罩透水性,失去防水性。

图9   医用口罩无纺布微观结构(图片来源于网络)


图10  专利文献中的无纺布克重


通过以上分析,可以看出医用口罩包括N95在内孔径还是比新型冠状病毒大许多,病毒大小为0.1微米左右,比N95的口罩孔径还小,N95也就是对0.3微米的颗粒阻止达到95%以上,那么对于0.1微米的病毒是不是就不起作用了呢,当然能用,病毒在空气中不是孤立存在的,而是附着于飞沫和微颗粒上,飞沫和微颗粒的大小一般在0.3-12微米之间,因此,N95口罩是可以有效阻断病毒传播的。

图11   新型冠状病毒显微图片(图片来源于网络)


从专利数据(公开号:CN209331226)上我们也可以看出,医用口罩之所以有保质期,其中一个原因是跟口罩制备的关键流程驻极静电技术有关,所谓驻极静电技术是让口罩纤维带上静电,用于吸附粉尘等微小颗粒,随着保存时间加长,静电也会不断减少,因此会有保质期的说法。

图12  专利文献中的驻极材料层


通过对口罩的发展史的梳理,也希望大家了解口罩的相关专利技术发展,为大家正确使用口罩提供参考。病毒虽然可怕,但是只要正确选用和佩戴口罩,就不用担心,不用怕。

转载自国家知识产权局专利局审查协作河南中心(知豫新青年),点击查看原文

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