CN101820951B - 具有模制到面罩主体中的鼻夹的过滤式面罩呼吸器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了包括面罩主体12和带具14的过滤式面具呼吸器10。面罩主体12包括(i)过滤结构18、(ii)塑性支承结构16、以及(iii)鼻夹19，鼻夹通过在其中被模制而被固定到塑性支承结构16上。本发明的过滤式面罩呼吸器的优点在于无需粘合或焊接步骤即可将鼻夹固定到面罩主体上。

Description

具有模制到面罩主体中的鼻夹的过滤式面罩呼吸器
本发明涉及具有模制到面罩主体中的鼻夹的过滤式面罩呼吸器。
背景技术
呼吸器通常配戴在人的呼吸道的上方，用于以下两种通用用途中的至少一种：(1)抑制杂质或污染物进入佩戴者的呼吸道；(2)保护其他人或物不接触佩戴者呼出的病原体和其他污染物。在第一种情况下，在空气中含有对佩戴者有害的颗粒的环境中佩戴呼吸器，例如在汽车车身修理店中。在第二种情况下，在对其他人或物存在污染风险的环境中佩戴呼吸器，例如在操作室或洁净室中。
已设计出多种呼吸器来满足这两种用途中的任一者(或两者)的需要。这些呼吸器中的一些被归类为“过滤式面罩”，因为该面罩主体本身用作过滤机构。与结合可附接式滤筒(参见如授予Yuschak等人的美国专利RE39,493)或嵌件成型滤芯(参见如授予Braun的美国专利4,790,306)使用橡胶或弹性体面罩主体的呼吸器不同，过滤式面罩呼吸器使过滤介质覆盖整个面罩主体的大部分，从而无需安装或更换滤筒。常规的过滤式面罩呼吸器规则地包含热粘合纤维非织造网或镂空塑料网，从而使面罩主体装备有杯成形构型。因此，过滤式面罩呼吸器的重量相对较轻，并且易用。已公开过滤式面罩呼吸器的专利的实例包括以下美国专利：授予Kronzer等人的7,131,442、授予Angadjivand等人的6,923,182和6,041,782、授予Bostock等人的6,568,392和6,484,722、授予Chen的6,394,090、授予Magidson等人的4,873,972、授予Skov的4,850,347、授予Dyrud等人的4,807,619、授予Berg的4,536,440，以及授予Huber等人的指定国申请285,374。
鼻夹经常设置在过滤面罩的面罩主体上，以在佩戴者的鼻部上实现紧密的贴合性。鼻夹常常为延展性、线性铝带的形式。参见(例如)美国专利5,307,796、4,600,002和3,603,315以及英国专利申请GB 2,103,491A。更加新型的鼻夹产品采用了M形铝带来改善在佩戴者的鼻部上的贴合性。参见授予Castiglione的美国专利5,558,089和指定国申请412,573。其他过滤式面罩呼吸器采用了手动式柔韧聚合物的鼻夹或弹簧支承的鼻夹。参见授予Kalatoor等人的美国专利申请2007-0068529A1以及授予Xue等人的美国专利申请2007-0044803A1。金属鼻夹规则地通过使用粘合剂被固定到面罩主体上，但也建议对聚合物鼻夹应用焊接技术。
发明内容
本发明提供了用于将鼻夹固定到过滤式面罩呼吸器上的新技术。本发明并不是采用粘合剂或焊接步骤将鼻夹粘结到面罩主体上，而是采用至少部分地在鼻夹周围模制的塑性支承结构，因此无需使用额外的材料(即粘合剂)，也无需额外的制备步骤(即粘结)。在本发明中，鼻夹在支承结构形成的同时成为固定到面罩主体上。因此无需将鼻夹独立地粘附或焊接到面罩主体上。
本发明提供的新型过滤式面罩呼吸器包括：(a)带具；和(b)面罩主体，其包括：(i)过滤结构；(ii)塑性支承结构；和(iii)可变形的鼻夹，其通过使塑性支承结构在其周围模制来固定到塑性支承结构上，其中，所述塑形支承结构包括前缘部分，所述前缘部分包括开口，所述鼻夹在整个所述开口上延伸。
本发明也提供了制备过滤式面罩呼吸器面罩主体的新方法，该方法包括：(a)提供鼻夹；(b)在鼻夹的至少一部分的周围嵌件成型塑性支承结构；以及(c)将过滤结构接合到塑性支承结构。
与常规的过滤式面罩呼吸器不同，本发明通过将鼻夹模制到支承结构中来将其粘结到面罩主体上。要想根据本发明制备面罩主体，则支承结构在鼻夹的至少一部分的周围被注射成型。该模制步骤可在制备支承结构的同时来进行。因为常规的过滤式面罩呼吸器规则地使用包含热粘合纤维的模制非织造纤维网或镂空细丝网的成形层来向面罩主体提供结构完整性，所以缺乏将鼻夹注射成型到面罩主体中的能力。本发明在鼻夹的周围模制面罩主体支承结构时，免除了这些额外的部件和制备步骤。
术语表
下文示出的术语具有如下所定义的含义：
“足够牢固”意指在正常使用情况下不会变得松动或从中分离；
“对分”意指划分为两个一般相等的部分；
“居中间隔的”意指沿着垂直对分面罩主体的线或平面彼此显著地分离；
“包含(或含有)”意指其如专利术语中的标准的定义，一般来讲是与“包括”、“具有”或“含有”同义的开放式术语。虽然“包含”、“包括”、“具有”和“含有”及其变型形式为常常使用的开放式术语，但本发明也可以使用例如“基本上由…组成”的较窄的术语适当地加以描述，该术语为半开放式术语，因为该术语仅排除那些对本发明的呼吸器起到其预期功能的性能方面会具有有害影响的事物或元件；
“清洁空气”意指已被过滤以移除污染物的一定体积的大气环境空气；
“污染物”意指颗粒(包括粉尘、薄雾和烟雾)和/或一般不会被视为颗粒(如有机蒸气等)但可能悬浮在空气(包括呼出气流中的空气)中的其他物质；
“横跨维度”为从前方观察呼吸器时在整个呼吸器上横向延伸的维度；
“弹性”意指具有在拉伸至其初始长度的100％或更长后恢复至其初始形式或形态的能力；
“呼气阀”意指被打开以允许流体退出过滤面罩内部气体空间的阀；
“外部气体空间”意指呼出的气体在穿过且超出面罩主体和/或呼气阀后进入其中的环境大气空间；
“过滤式面罩”意指面罩主体本身被设计成过滤从其穿过的空气；不存在为实现该目的而附接到或模制到面罩主体中的单独地可辨识的滤筒或嵌件成型滤芯；
“过滤器”或“滤层”意指一个或多个透气材料层，该层适用于从从其穿过的气流中移除污染物(例如颗粒)的主要目的；
“过滤结构”意指设计成主要用于过滤空气的构造；
“第一侧面”意指横向远离将面罩垂直对分的平面并且当佩戴呼吸器时位于佩戴者的面颊和/或颌部区的面罩主体区域；
“带具”意指结构或部件的组合，其有助于在佩戴者的面部上支承面罩主体；
“嵌件成型”意指在已置入模具中的固体物项的至少一部分的周围来模制塑性件；
“集成”意指同时一起制备，即作为一个部件一起制成，而不是随后接合在一起的两个独立制备的部件；
“内部气体空间”意指面罩主体与人面部之间的空间；
“分界线”意指折线、接缝、焊接线、铰合线、缝合线、铰接线和/或其任何组合；
“面罩主体”意指透气结构，其设计为可贴合在人的鼻部和口部上，并且有助于限定与外部气体空间分隔的内部气体空间；
“构件”，在与支承结构有关的条件下，意指单独的和易于辨识的固体部分，其尺寸被确定为显著地有助于支承结构的总体构造和构型；
“模制”或“模铸”意指从此前的流体状态形成为所需的固体状态；
“在…周围模制的”和“在其周围模制的”意指通过模制以允许足够牢固地固定到其上的方式设置成与固体物项接触；
“鼻夹”意指机械器件(而不是鼻部泡沫)，该器件适于在面罩主体上使用，以改善至少围绕佩戴者的鼻子的密封；
“周边”意指面罩主体的外边缘，当人佩戴呼吸器时，该外边缘通常会靠近佩戴者的面部设置；
“聚合物型”和“塑性的”各意指材料，其主要包含一种或多种聚合物、并且也可以包含其他成分；
“多个”意指两个或更多个；
“呼吸器”意指人佩戴的空气过滤设备，以向佩戴者提供清洁的呼吸空气；
“第二侧面”意指远离垂直对分面罩的平面线(第二侧面与第一侧面相对)并且在佩戴呼吸器时位于佩戴者的颊部和/或颌部区的面罩主体区域；
“支承结构”意指构造，其被设计成具有足够的结构完整性以保持其所需形状，并且有助于保留由其支承的过滤结构的预期形状；
“间隔”意指物理分隔或两者间具有可测量的距离；和
“横向延伸”意指一般在横向维度上延伸。
附图说明
图1示出根据本发明的过滤式面罩呼吸器10佩戴在人面部上时的前透视图；
图2为面罩主体支承结构16的前缘部分26的放大透视图；
图3为沿图2中3-3线截取的前缘部分26的剖视图；
图4为可以结合本发明使用的鼻夹19的平面图；和
图5为可以用于本发明面罩主体12中的过滤结构18的剖视图。
优选实施例的具体实施方式
在本发明的实践中，提供的过滤式面罩呼吸器具有通过模制附接到面罩主体支承结构上的鼻夹。本发明并不是采用粘合剂或焊接步骤将鼻夹充分地固定到面罩主体上，而是在制备支承结构的同时可将鼻夹固定到支承结构上。该新型呼吸器及方法特别有利之处在于它们向面罩主体提供了经济改进。使用原位模制的鼻夹消除了将鼻夹独立地固定到面罩主体上的需要。
图1示出过滤式面罩呼吸器10的实例，可以根据本发明使用该呼吸器从而为佩戴者提供清洁的呼吸空气。如图所示，过滤式面罩呼吸器10包括面罩主体12和带具14。面罩主体12具有塑性支承结构16，其向面罩主体提供结构完整性并且为过滤结构18提供支承。佩戴者吸气时，过滤结构18移除环境空气中的污染物。鼻夹19在横向维度上在佩戴者的整个鼻梁上延伸，并且通过使支承结构在鼻夹19的周围模制而固定到塑性支承结构16上。支承结构16也包括周边20、第一侧面22和相对的第二侧面24。佩戴呼吸器10时，支承结构16的周边20可以(但不是不可避免地)接触佩戴者的面部。周边20可以具有在面罩主体12的周边的周围并与之相邻的连续延伸360度的构件或构件的组合。面罩主体12的前缘部分26具有分别限定开口30的第一会聚构件27和第二会聚构件28。鼻夹19在整个开口上明显地延伸，并且在第一末端32和第二末端34处模制到支承结构16中。鼻夹19的中部36明显暴露在开口中，从而佩戴者可看见鼻夹以得知其存在以及可将鼻夹正确变形为所需形状或构型，使得面罩12在鼻梁上紧密地贴合佩戴者并靠着眼睛下方的面部。佩戴者的面部通常只接触过滤结构18周边的内表面或额外的面密封材料。因此，过滤结构18的周边边缘可以径向超出支承结构16的周边20。支承结构16也包括一个或多个居中间隔的横向延伸构件37、38和40。横向延伸构件37、38和40从面罩主体12的第一侧面22延伸至第二侧面24。然而，本发明确实设想出横向延伸构件不必完全在整个面罩主体12上延伸的实施例。一个或多个构件也可在顶部周边构件42与底部周边构件44之间以纵向维度延伸。整个塑性支承结构可以制成单个一体部分。当从前方观察被投射到平面上的呼吸器时，横向为一般在“x”方向在整个呼吸器上延伸的方向，纵向为一般在“y”方向在呼吸器10的底部与顶部之间延伸的维度。横向延伸的构件和/或周边构件中的一者或多者可以纵向延伸或收缩以更好地适应佩戴者的颌部运动和多种面部大小。参见美国专利申请序号60/974,025(代理人档案号63165US002)，标题为Filtering Face-Piece Respirator that HasExpandable Mask Body(具有可扩展面罩主体的过滤式面罩呼吸器)，提交于2007年9月20日。横向延伸构件、纵向延伸构件和周边构件的尺寸可以设计为具有约2至12mm2、更通常地为约4至8mm2的横截面积。呼吸器10可由带具14支承在佩戴者的面部上，该带具包括第一带子46和第二带子48。可以通过一个或多个扣环50调整带子46、48的长度。扣环50在带具固定凸缘构件52a、52b处、在第一侧面22和第二侧面24处固定到面罩主体12上。尽管附图示出具有四个固定到面罩主体12上的扣环的呼吸器10，但可以使用较少数目的扣环。例如，可以只使用一个扣环；这样，带子在一侧直接安装到面罩主体上并穿过位于另一侧的单个扣环被接合到面罩主体。在这种情况下，只能在面罩主体的一侧、而不是两侧调节带子的长度。或者，可使用单条带子的构造，这样，单个扣环位于面罩主体的第一侧面和第二侧面上。在另一个实施例中，可以在具有两条带子的面罩主体上使用两个扣环50；这样，每一条带子在一侧直接固定到呼吸器上并在另一侧穿过扣环50固定到呼吸器上。或如附图所示，可以使用四个扣环在两条带子之间提供四个带子调节点。
图2以放大的格式示出支承结构16(图1)的前缘部分26，以更好地图解如何可将鼻夹19固定到支承结构上。鼻夹19在由第一横向延伸构件27和第二横向延伸构件28限定的整个开口30上延伸。构件27和28构成上鼻梁构件和下鼻梁构件，该构件沿着对分前缘部分26的平面29(图1)彼此分离。居中间隔的构件27和28在鼻夹19的第一末端32和第二末端34处朝彼此会聚。在鼻夹19的中部36处，鼻夹19未嵌入支承结构16中。鼻夹可变形为所需形状以在佩戴者的鼻梁上正确贴合。鼻夹19也可以在第一末端32和第二末端34处变形，使得面罩主体12(图1)靠着佩戴者眼睛中的每一个下方的面部适当地压紧。如图所示，鼻夹19在鼻夹19的第一末端32和第二末端34中的每一个处模制到支承结构16(图1)中。横向构件27和28并非不可避免地需要在前缘部分26上使用，但可以被提供以减少压力点并有助于实现紧密的贴合性。
图3具体示出如何可以将鼻夹19在第二末端34模制到支承结构16的前缘部分26中。如图所示，第一构件27在鼻夹19的第一边缘54的周围模制，第二构件28在鼻夹19的第二边缘56的周围模制。第一构件27和第二构件28朝彼此会聚以在其第一主表面57和第二主表面58上合并并包纳鼻夹19。因此，在鼻夹19的每一个末端32、34处，鼻夹19可能完全由来自支承结构16(图1)的塑料围绕，使得支承结构成为在鼻夹19的周围以管状模制的套管。然而，可以在第一末端32与第二末端34之间露出鼻夹19，使得佩戴者得以看见。尽管如此，也可以能够使由塑性支承结构材料以管状封装鼻夹19的区域在形状上适应。因此，包括支承结构的塑料材料优选不是如此刚性，以致仅由来自佩戴者的指压不能使它变形。因为支承结构中所用的聚合材料可如此手动变形，并且因为鼻夹由可手动延展的可塑性变形的材料制成，所以在呼吸器佩戴者将其变形成所需形状后，鼻夹19能够保持其形状和面罩主体12(图1)前缘部分26的形状。鼻夹材料可塑性变形的性质允许其经受来自弹性聚合物型支承结构材料的任何力，从而该前缘部分可在很大程度上保持其适形的形状。在使面罩主体前缘部分的形状适形时，鼻夹将塑性地变形，不过支承结构的前缘部分不会如此塑性地变形。使鼻夹塑性地变形为其所需形状需要的最小力大于由前缘部分支承结构构件施加的“回弹”力。如果需要，鼻夹的整个长度可嵌入聚合物型支承结构材料中。
如图2和图3所示，鼻夹19可通过嵌件成型工艺模制到支承结构中。在该工艺中，将塑料注入或者说是引入模具腔体中之前，将嵌件(在本例中可以为金属鼻夹)置于模具中的所需位置中。金属鼻夹与塑料之间的粘结可以为分子的或机械的，或其组合。由于鼻夹通常由与接触树脂相异的非弹性金属制成，鼻夹与其支承结构之间的粘结实质上可能更为机械的。机械粘结可通过(例如)在树脂冷却时收缩嵌件周围的树脂或通过在鼻夹表面上提供不规则部分来进行。尽管通常会发生收缩，但可以同时依靠树脂收缩和鼻夹表面(54、56、57和/或58)的任何不规则部分来进行。鼻夹可具有粗糙或粗粒的图案来改善机械粘结。要将鼻夹19充分固定到支承结构16的前缘部分26，可以使用标准模制、浇注或其他合适的设备进行模制。装入鼻夹并正确地保留到模具腔体内的所需位置或嵌件位置中。旋转型或梭型设备可以用于该用途，以使设备和/或操作员能够将鼻夹装入所需模具位置中以及从其中取出鼻夹。也可以使用其他机器，例如模具夹持装置。为了实现最佳生产率，装入和取出嵌件所花的时间以不显著超出模制周期较为有利。因为塑料可以在嵌件的周围注入腔体中，所以嵌件能够经受来自聚合流体的任何压力并在模制处理期间保持其位置是重要的。鼻夹应当优选地保持清洁，以抑制机械粘结和/或分子粘结失败。可将鼻夹(例如)预热以使由热膨胀或热收缩差异造成的任何应力最小化。如果手动装入鼻夹，操作员保持一致的周期时间可能是重要的。鼻夹通常会弯曲为其所需的倒U形以匹配支承结构16的前缘部分26中的构件27、28(图1和图2)的一般曲率。该弯曲可能在模制工艺之前或期间发生。即，鼻夹可能在被插入模具中之前弯曲，或可能在模具被闭合之后弯曲。因此，可能需要考虑以上多种因素，以确保鼻夹正确固定到聚合物以及令人满意的成品性能。
图4示出可结合本发明使用的鼻夹形状的实例。鼻夹19可在鼻夹19的第一末端32和第二末端34处具有第一中断部59a和第二中断部59b。如本文中所用，“末端”一词并非意指部件的直接末端或边缘，而是包括朝向最终端的一般区域，例如参见“汽车前端”或“城镇北端”。鼻夹19的第一边缘54和第二边缘56中的中断部可以为凹口，即从边缘54和56向内延伸的中断部。或者，中断部可以为突起或隆起，即从边缘54、56向外延伸。也可结合(例如)第一主表面57和第二主表面58(图3)中的中断部使用凹口和突起的组合。第一主表面57和第二主表面58也是可压印的。所有这些多种中断部构成用于改善机械粘结到鼻夹上的装置。
如上文所指出的那样，鼻夹可通过嵌件成型接合到支承结构。可以用已知的塑料来制备支承结构，例如烯烃，包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和聚甲基(戊烯)；塑性体；热塑性塑料；热塑性弹性体；及其共混物。也可以在形成扣环和/或支承结构的组合物中加入添加剂，例如颜料、UV稳定剂、防结块剂、成核剂、杀真菌剂和杀细菌剂。所得塑料通常表现出约75至300兆帕斯卡(MPa)的挠曲挺度，更通常为约100至250MPa，还更通常为约175至225MPa。可选择用于支承结构的表现出弹性、形状记忆能力和抗挠曲疲劳性的塑料，使得支承结构、前缘部分和扣环连接部分可变形以适应适当的贴合力和带子张力。以横截面观察时，支承结构构件可以为矩形、圆形、三角形、椭圆形、梯形等。支承结构不是构成过滤结构(或与过滤结构一起制备)必需的一部分的部件或组件，并且包括尺寸设计成大于过滤结构中所用的纤维尺寸的构件。
图5示出可以结合本发明使用的过滤结构18的横截面。过滤结构18可以包括一个或多个覆盖纤维网60a和60b以及过滤层62。覆盖纤维网60a和60b可以位于过滤层62的相对面上，以捕集任何可能从那里松散的纤维。通常，应选择提供舒适感(特别是在与佩戴者的面部接触的过滤结构18的一侧)的纤维来制成覆盖纤维网60a和60b。可结合本发明的支承结构使用的多种过滤层和覆盖纤维网的构造在下文中有更详细的描述。为了提高贴合度和佩戴者舒适度，可将弹性体面密封件固定到过滤结构18的周边。佩戴呼吸器时，此类面密封件可以径向向内延伸以接触佩戴者的面部。面密封件的实例在授予Bostock等人的美国专利6,568,392、授予Springett等人的美国专利5,617,849、授予Maryyanek等人的美国专利4,600,002、以及授予Yard的加拿大专利1,296,487中有所描述。
过滤结构可以采用多种不同的形状和构型。过滤结构通常被适形处理，从而靠着支承结构或在支承结构内正确贴合。一般来讲，过滤结构的形状和构型对应于支承结构的一般形状。过滤结构可以从支承结构径向向内设置、可以从支承结构径向向外设置、或设置在包括支承结构的多种构件之间。尽管示出的过滤结构具有包括过滤层和两个覆盖纤维网的多个层，但过滤结构可以只是包括过滤层或过滤层的组合。例如，可以在更精细的和选择性的下游过滤层的上游设置预过滤器。另外，可以在包括过滤结构的纤维和/或多种层之间设置吸附性材料，例如活性炭。还可以结合吸附性层使用单独的颗粒过滤层，以过滤颗粒和蒸气两者。过滤结构可以包括一个或多个允许保持这种杯成形构型的硬化层。或者，过滤结构可以具有一条或多条有助于其结构完整性的水平分界线和/或垂直分界线，以有助于保持杯成形构型。
本发明面罩主体中所用的过滤结构可为颗粒捕集型过滤器或气体和蒸气型过滤器。过滤结构也可以为抑制液体从过滤层的一侧转移到另一侧的阻挡层，以抑制(例如)液体气溶胶或液体(如血液)飞溅渗透过滤层。根据应用需求，可以使用多层类似或相异的过滤介质来构造本发明的过滤结构。可以有利地用于本发明的分层面罩主体中的过滤器一般具有低压降(例如在13.8厘米/秒的面速度下小于约195至295帕斯卡)，以使面罩佩戴者的呼吸功最小化。另外，过滤层为柔性的并具有足够的抗剪强度，从而它们一般保持其在预期使用条件下的结构。颗粒捕集过滤器的实例包括一个或多个细小无机纤维(如玻璃纤维)网或聚合合成纤维网。合成纤维网可以包括由工艺(例如熔吹)制成的驻极体充电的聚合微纤维。由已充电的聚丙烯形成的聚烯烃微纤维对颗粒捕集应用具有某些实用性。交替的过滤层可以具有用于从呼吸空气中移除有害或难闻气体的吸附剂组分。吸附剂可以包括通过粘接剂、粘结剂或纤维结构粘附在过滤层中的粉末或颗粒。参见授予Springett等人的美国专利6,334,671和授予Braun的美国专利3,971,373。吸附剂层可通过涂覆基底(例如纤维或网状泡沫)来形成，以便形成薄的粘附层。吸附剂材料可以包括经过或未经过化学处理的活性炭、多孔氧化铝-二氧化硅催化剂基底和氧化铝颗粒。适合多种构造的吸附性过滤结构的实例在授予Senkus等人的美国专利6,391,429中有所描述。
通常对过滤层进行挑选以实现所需的过滤效果。一般来讲，过滤层将从由其穿过的气流中移除高比例的颗粒和/或其他污染物。对于纤维过滤层，根据将要过滤的物质种类选择纤维，并且通常要对纤维进行挑选，从而模制操作期间纤维不会变得粘合在一起。如所指出的那样，过滤层可以具有多种形状和形式，厚度通常为约0.2毫米(mm)至1厘米(cm)，更通常为约0.3mm至0.5cm，其可为一般平面的纤维网，也可为波纹状的，从而得到更大的表面积。参见(例如)授予Braun等人的美国专利5,804,295和5,656,368。过滤层也可以包括用粘合剂或任何其他方式接合在一起的多个过滤层。基本上已知的(或后来开发的)用于形成过滤层的任何合适的材料都可以用于过滤材料。熔吹纤维网，例如在Wente，Van A.的Superfine Thermoplastic Fibers，48 Indus.Engn.Chem.，1342 etseq.(1956)(超细热塑性纤维，化学工程师学会，48卷1342页以及之后等等，1956年)中提到的熔吹纤维网，尤其是以永久带电(驻极体)的形式存在时尤其可用(参见(例如)授予Kubik等人的美国专利4,215,682。这些熔吹纤维可以为有效纤维直径小于约20微米(mm)(称为BMF，即“吹塑微纤维”的简称)，通常为约1-12μm的微纤维。可以根据Davies，C.N.的The Separation Of Airborne Dust Particles，Institution Of Mechanical Engineers，London，Proceedings 1B，1952(气载尘粒的分离，机械工程师学会，伦敦，学报1B，1952年)确定有效纤维直径。尤其优选的是包含由聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)及其组合形成的纤维的BMF网。如在van Turnhout的美国再审查专利31,285中教导的带电荷的形成原纤维的膜的纤维也可以为合适的，以及松香-羊毛纤维网和玻璃纤维网或溶液吹塑网、或静电喷涂纤维网，特别是以微薄膜的形式。可通过使纤维接触水来将电荷施加给纤维，如授予Eitzman等人的美国专利6,824,718、授予Angadjivand等人的美国专利6,783,574、授予Insley等人的美国专利6,743,464、授予Eitzman等人的美国专利6,454,986和6,406,657、以及授予Angadjivand等人的美国专利6,375,886和5,496,507中所公开的那样。也可以通过电晕充电来将电荷施加给纤维，如授予Klasse等人的美国专利4,588,537中所公开的那样，通过摩擦充电来将电荷施加给纤维，或如授予Brown的美国专利4,798,850中所公开的那样。另外，纤维中可包括添加剂，以提高通过液体充电工艺制备的纤维网的过滤性能(参见授予Rousseau等人的美国专利5,908,598)。尤其可在过滤层中纤维的表面处设置氟原子，以改善油雾环境中的过滤性能。参见授予Jones等人的美国专利6,398,847 B1、6,397,458 B1和6,409,806 B1。驻极体BMF过滤层的典型基重为约10至100克/平方米。根据(例如)授予Angadjivand等人的’507专利中所述的技术进行充电并且包括在授予Jones等人的专利中提到的氟原子时，基重可以分别为约20至40g/m2和约10至30g/m2。
可使用内覆盖纤维网来提供用于接触佩戴者的面部的平滑表面，并可使用外覆盖纤维网来收集面罩主体中的松散的纤维或获得美观的效果。虽然覆盖纤维网通常对过滤结构不具有任何实质的过滤有益效果，但是当设置在过滤层外部(或上游)时，其可充当预过滤器。为了获得适当程度的舒适性，内覆盖纤维网优选地具有相对较小的基重并且是由相对较细的纤维形成。更具体地讲，可以将覆盖纤维网制成具有约5至50g/m2(通常为10至30g/m2)的基重，并且纤维可以小于3.5纤度(通常小于2纤度、更通常小于1纤度，但大于0.1纤度)。覆盖纤维网中所用纤维的平均纤维直径为约5至24微米，通常为约7至18微米，更通常地为约8至12微米。覆盖纤维网的材料可以具有一定程度的弹性(断裂弹性通常(但并非不可避免地)为100至200％)并且可以塑性变形。
合适的覆盖纤维网材料可以为吹塑微纤维(BMF)材料，特别是聚烯烃BMF材料，例如聚丙烯BMF材料(包括聚丙烯共混物，也包括聚丙烯和聚乙烯的共混物)。制备用于覆盖纤维网的BMF材料的合适工艺在授予Sabee等人的美国专利4,013,816中有所描述。可以通过将纤维收集在光滑表面(通常为表面光滑的筒或旋转收集器)上来形成网。参见授予Berrigan等人的美国专利6,492,286。也可以使用纺粘纤维。
通常的覆盖纤维网可以由聚丙烯或包含50重量％或更多聚丙烯的聚丙烯/聚烯烃共混物制成。已经发现这些材料可为佩戴者提供高度的柔软性和舒适性，并且当过滤材料为聚丙烯BMF材料时，这些材料在层之间无需粘合剂的情况下也可固定到过滤材料上。适用于覆盖纤维网的聚烯烃材料可以包括(例如)单个聚丙烯、两种聚丙烯的共混物、聚丙烯与聚乙烯的共混物、聚丙烯与聚(4-甲基-1-戊烯)的共混物，和/或聚丙烯与聚丁烯的共混物。用于覆盖纤维网的纤维的一个实例是由得自Exxon Corporation的聚丙烯树脂“Escorene 3505G”制成的聚丙烯BMF，其基重为约25g/m2，纤度在0.2至3.1的范围内(100根纤维的测量平均值为约0.8)。另一种合适的纤维是聚丙烯/聚乙烯BMF(由同样得自ExxonCorporation的包括85％的“Escorene 3505G”树脂和15％的“Exact4023”乙烯/α-烯烃共聚物的混合物制成)，其基重为约25g/m2，平均纤度为约0.8。合适的纺粘型材料可以商品名“Corosoft Plus 20”、“Corosoft Classic 20”和“Corovin PP-S-14”得自Corovin GmbH(Peine，Germany)，梳理成网的聚丙烯/粘胶纤维材料可以商品名“370/15”得自J.W.Suominen OY(Nakila，Finland)。
本发明中所用的覆盖纤维网优选地在处理之后具有很少的从纤维网表面突出的纤维，因此具有平滑的外表面。可以在本发明中使用的覆盖纤维网的实例公开于(例如)授予Angadjivand的美国专利6,041,782、授予Bostock等人的美国专利6,123,077和授予Bostock等人的国际专利96/28216A中。
带具中所用的带子可以由多种材料制成，例如热固性橡胶、热塑性弹性体、编织或针织的纱线/橡胶组合、非弹性编织成分等等。带子可以由弹性材料制成，例如弹性编织材料。带子优选地可膨胀到大于其总长度的两倍，并恢复其松弛状态。带子也可以增加到其松弛状态长度的三倍或四倍，并当张力移除时可恢复其初始状态而不会对其有任何损坏。因此，弹性极限优选地不小于带子处于其松弛状态时的长度的二倍、三倍或四倍。通常，带子为约25至60cm长、5至10mm宽、0.9至1.5mm厚。带子可以作为连续的带子从第一扣环延伸至在面罩主体相对面上的第二扣环，或带子可以具有多个部分，这些部分可用其他扣件或扣环接合在一起。例如，带子可以具有通过扣件接合在一起的第一部分和第二部分，当从面部移除面罩主体时，佩戴者可快速解开扣件。可以结合本发明使用的带子的实例在授予Xue等人的美国专利6,332,465中示出。可以用于将带子的一个或多个部分接合在一起的紧固或扣紧机构的实例在(例如)授予Brostrom等人的美国专利6,062,221、授予Seppala的美国专利5,237,986、以及授予Chien的美国专利EP1,495,785A1中示出。
可以将呼气阀附接到面罩主体上，以方便净化来自内部气体空间的呼出空气。通过快速清除从面罩内部呼出的湿热空气，使用呼气阀可以提高佩戴者的舒适度。参见(例如)授予Martin等人的美国专利7,188,622、7,028,689和7,013,895；授予Japuntich等人的美国专利7,117,868、6,854,463、6,843,248和5,325,892；授予Mittelstadt等人的美国专利6,883,518；以及授予Bowers的美国再审查专利37,974。大致任何提供合适压降和可适当地固定到面罩主体上的呼气阀都可以结合本发明使用，以迅速地将来自内部气体空间的呼出空气递送到外部气体空间。
实例
挠曲挺度测试
根据ASTM D 5342-97第12.1节至12.7节测量用于制备支承结构的材料的挠曲挺度。为此，从坯料膜切取六个试件，切成约25.4mm宽×约70mm长的矩形件。根据下文所述方式制备试件。使用Taber V-5Stiffener tester Model 150-E(Taber V-5挺度测试仪型号150-E(得自Taber Corporation(455 Bryant Street，North Tonawanda，New York，14120))测量试件，Taber挺度单位设置为10-100。测试结束时记录设备显示器上的Taber挺度读数，使用以下公式计算挠曲挺度：
Figure GSB00000760583200141
Taber挺度＝记录的根据ASTM D5342-97第12.1节至12.7节测量的材料抗弯强度。
宽度＝膜试件的宽度，按cm计，为2.54cm。
厚度＝试件的平均厚度，使用标准数字卡规沿着材料的长度在五个等距隔开的位置处测量，按cm计。
计算六个样本的挠曲挺度的平均值，以得出材料的挠曲挺度。
由共混在一起的相同的配混的聚合物成分来制备挠曲挺度测试的试件，以制备呼吸器支承结构。使用四十(40)克配混物制备半径为114mm、厚度为0.51至0.64mm的圆形膜。将第一批40克配混的材料倒入双螺杆辊刃Type Six BRABENDER搅拌器(得自C.W.Brabender instruments Inc.(50 East Wesley Street，P.O.Box 2127，South Hackensack，NJ，07606))。搅拌器在185℃下以75转/分钟(RPM)的速度操作。将熔化的配混物混合约10分钟后，以44.5千牛(KN)的力压制混合物，以制备直径为114mm、厚度为0.51至0.64mm的平坦圆形膜。使用设定为149的热压板进行压缩。热压板为Genesis 30吨压缩模制压力机(得自WABASHEquipments(1569 Morris Street，P.O.Box 298，Wabash，IN46992))。进行挠曲挺度测试之前，将膜切成尺寸为25.4mm宽×70mm长的所需的测试样本。
呼吸器支承结构的制备
使用标准注射成型工艺制备呼吸器支承结构的样本。在工具制造商处制备与图1所示支承结构的几何形状相配的单腔的凸模和凹模。在松弛状态下，或当支承结构仍在模具上时，测得支承结构从顶部到底部的距离为约115mm，从左侧到右侧的距离为约120mm。在呼吸器处于无应力状态下，分别沿着周边上最高点与最低点之间的直线以及侧面周边构件的外边缘进行测量。构成支承结构的构件的目标厚度为2.5毫米。向横向延伸构件给定梯形横截面，以允许更易于从模具中移除支承结构。横向延伸构件的横截面积在约2至5mm2的范围内。凸缘和扣环的形状和构型在提交于2007年9月20日、名称为Buckle Having A Flexural Strap Attachment MemberAnd Respirator Using Such Buckle(具有挠性带子连接构件的扣环和使用此类扣环的呼吸器)的美国专利申请序号60/994,644(代理人档案号63577US002)中示出。将聚丙烯/热塑性弹性体混合物与白色颜料一起送入挤出机中。使用得自Total的丙烯5724(78重量％)；得自Kuraray的SeptonTM2063(20重量％)；以及TiO2颜料(2重量％)。支承结构表现出的挠曲挺度为约240MPa。
呼吸器过滤结构的制备
呼吸器过滤结构由两层254mm宽的非织造纤维驻极体过滤材料形成，它们层合在具有相同宽度的白色非织造纤维纺粘材料的外层(基重为50克/平方米(gsm))与白色非织造纤维纺粘材料的内层(基重为22gsm)之间。两层非织造纤维纺粘材料均由聚丙烯制成。驻极体过滤材料为3M8511 N95呼吸器中使用的标准过滤材料。将层合纤维网坯料切成254mm长的片以形成正方形，然后将该正方形成型为与支承结构相配的杯型构造。
其他呼吸器细件
面部密封件：Standard 3M 4000 Series(标准3M 4000系列)呼吸器面部密封材料。
鼻夹：具有如图4所示形状的可塑性变形的铝带。
头带：Standard 3M 8210 Plus N 95 Respirator(标准3M 8210Plus N 95呼吸器)头带材料，但颜色为白色。移除3M 8210 Plus呼吸器头带的黄色颜料。
呼吸器的组装
将鼻夹弯曲成如图1和图2所示的倒U形，以大约匹配模具腔体前缘部分的形状。然后将鼻夹手动置于模具腔体中，闭合模具的两半，并将熔化的聚合物材料注入支承结构模具中。聚合物材料将鼻夹末端封装，并在发生固化时变成机械粘结到鼻夹。然后打开模具，并移除支承结构(鼻夹粘结在其上)。
将面部密封件材料切成约140mm×180mm的片材。然后用冲切工具生成125mm×70mm的椭圆形开口，该开口位于面密封件的中央。将具有中央切口的面部密封件附接到上述制备的呼吸器过滤结构上。使用超声焊接过滤元件结构的相同设备，以在类似工艺条件下将面部密封件固定到过滤结构上。焊砧具有约168mm宽、114mm长的椭圆形形状。将面部密封件接合到过滤结构后，移除焊接线之外的过量的材料。然后，将预组装的过滤元件以其所需的取向插入具有嵌件成型鼻夹的支承结构。以100％的输出和1.0秒的焊接时间使用手持式Branson E-150 Ultrasonic焊接设备，沿着每一个横向延伸构件以20至25mm的间隔在支承结构和过滤结构之间生成接合点。将450mm长的编织头带材料穿过带扣，以完成呼吸器的组装过程。

Claims (21)

1.一种过滤式面罩呼吸器，包括：
(a)带具；和
(b)面罩主体，其包括：
(i)过滤结构；
(ii)塑性支承结构；和
(iii)可变形的鼻夹，其通过使所述塑性支承结构在所述鼻夹的周围模制而被固定到所述塑性支承结构上，其中，所述塑形支承结构包括前缘部分，所述前缘部分包括开口，所述鼻夹在整个所述开口上延伸。
2.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中，所述前缘部分具有第一会聚构件和第二会聚构件，所述第一会聚构件和所述第二会聚构件限定所述开口。
3.根据权利要求2所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹为可塑性变形的并在所述第一会聚构件和所述第二会聚构件相遇的位置被固定到所述面罩主体上。
4.根据权利要求3所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹具有第一末端和第二末端，并且所述鼻夹的所述第一末端和所述第二末端被模制到所述塑性支承结构中。
5.根据权利要求4所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹的中部以可见的方式暴露。
6.根据权利要求5所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述第一会聚构件和所述第二会聚构件的横截面积为2mm2至12mm2，挠曲挺度为75MPa至300MPa。
7.根据权利要求5所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹在所述鼻夹的所述第一末端和所述第二末端处被注射成型到所述塑性支承结构中。
8.根据权利要求7所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹包括用于改善在所述鼻夹的所述第一末端和所述第二末端处的机械粘结的装置。
9.根据权利要求8所述的过滤式面罩呼吸器，其中用于改善机械粘结的所述装置包括凹口、突起、粗糙部、粗粒和/或压印的表面及其组合。
10.根据权利要求7所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹的所述第一末端和所述第二末端均具有位于所述鼻夹的相对边缘中的第一凹口和第二凹口。
11.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹包括具有第一末端和第二末端的延展性的可塑性变形的金属，所述第一末端和所述第二末端具有位于其中或其上的中断部，以改善机械粘结到模制于所述末端周围的所述塑性支承结构的效果。
12.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹由金属制成并且在所述塑性支承结构模制于所述鼻夹周围的区域中具有粗糙或粗粒的外表面。
13.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述鼻夹包括可塑性变形的材料，使得所述鼻夹在被变形为改变的形状之后能够通过抵抗来自所述塑性支承结构的构件在所述鼻夹上施加的力来维持所述鼻夹的所述改变的形状。
14.一种制备根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器的面罩主体的方法，所述方法包括：
(a)提供鼻夹；
(b)在所述鼻夹的至少一部分的周围嵌件成型塑性支承结构；以及
(c)将过滤结构接合到所述塑性支承结构上。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述塑性支承结构包括限定周边的一个或多个构件，所述鼻夹在在所述鼻夹的第一末端和第二末端处被嵌件成型到所述塑性支承结构中。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述鼻夹包括具有第一末端和第二末端的可塑性变形的线性铝带，所述塑性支承结构在所述第一末端和所述第二末端的周围被注射成型。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述鼻夹的中部以可见的方式暴露。
18.根据权利要求14所述的方法，其中得到的所述面罩主体具有弯曲的前缘部分，提供的所述鼻夹具有大致匹配弯曲的所述前缘部分的曲率的预弯曲状况。
19.一种制备过滤式面罩呼吸器的方法，所述方法包括将带具接合到权利要求14所述的面罩主体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述鼻夹包括具有第一末端和第二末端的可塑性变形的线性金属带，所述第一末端和所述第二末端均具有位于其中或其上的中断部，所述塑性支承结构在所述第一末端和所述第二末端的周围被注射成型。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述塑性支承结构在所述鼻夹的至少一部分的周围被注射成型。
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