CN102630176A - 强化过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了通过将分立、不交叉的热塑性或热固性材料股线附着至过滤介质网来制备强化过滤介质。所述过滤介质可为织物、非织造网或过滤泡沫。所述强化过滤介质可用于制备呼吸器，包括平叠式呼吸器或模制呼吸器。

Description

强化过滤介质
技术领域
本发明涉及过滤介质，特别是可用于制备呼吸器的过滤介质。
背景技术
过滤介质是适合用于空气过滤的材料，常为网状结构，例如纤维网。过滤介质可用在多种应用中，包括用于形成个人呼吸器。个人呼吸器通常用于保护佩戴者不吸入悬浮在空气中的粒子或不呼吸到让人感到不快或者有毒的气体。呼吸器通常属于如下两种类型中的一种：平叠形式或成型形式。平叠面罩通常被包装成平的，但形成有接缝、褶绉和/或折叠以使其能够打开成贴合佩戴者面部的杯形构型。平叠形式的优点在于：其可在需要前一直携带于佩戴者的口袋中，展开即可使用，并且再叠平以便于储存。个人呼吸器的成型形式通常为模制杯形形式。相比于平叠形式，杯形形式或多或少永久性地成型为贴合面部的构型，并且通常在使用过程中保持该构型。
发明内容
本发明公开了包含强化过滤介质的呼吸器、制备强化过滤介质的方法、以及制备呼吸器的方法。
在一些实施例中，所述呼吸器包括强化过滤介质，所述强化过滤介质包括聚合物网以及附接到所述网的分立、不交叉的加强材料股线。
还公开了制备过滤介质的方法。在一些实施例中，所述方法包括提供聚合物网，使分立、不交叉的加强材料股线接触所述网的至少一个表面，其中所述加强材料股线附着到所述聚合物网。
还公开了制备呼吸器的方法。在一些实施例中，所述方法包括：提供强化过滤介质，其中所述强化过滤介质包括聚合物网以及附接到所述网的分立、不交叉的加强材料股线；以及形成呼吸器。在一些实施例中，所述形成步骤包括：将所述强化过滤介质切割成成形的预成型件，并将所述预成型件密封以形成平叠式呼吸器。在其他实施例中，所述形成步骤包括：模制所述介质以形成杯形呼吸器。
在一些实施例中，制备呼吸器的方法包括：提供过滤介质网；制备强化聚合物网，所述强化聚合物网包括：织物、非织造网或过滤泡沫，以及附接至所述聚合物网的分立、不交叉的加强材料股线；将所述过滤介质网与所述强化聚合物网层合在一起；以及形成呼吸器。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个示例性设备的图解视图。
图2是本发明的平叠式呼吸器实施例的透视图。
图3是本发明的平叠式呼吸器实施例的透视图。
图4是本发明的杯形呼吸器实施例的透视图。
图5是本发明的杯形呼吸器实施例的透视图。
图6是针对实例1A和1B以及比较例C1的成形壳塌缩测试数据的曲线图。
图7是针对实例2以及比较例C2的成形壳塌缩测试数据的曲线图。
具体实施方式
本发明公开了包含聚合物网的强化过滤介质，其中加强材料股线附接到所述网。此类过滤介质可用于广泛的应用。所述聚合物网可为织物、非织造纤维网或过滤泡沫。加强材料可直接施加于所述网以加固所述网，使其(例如)更抗压碎。本发明的强化过滤介质尤其适合于制备呼吸面罩，特别是不需要例如来自网片或稀松布的附加强化的呼吸面罩。
强化过滤介质可通过提供聚合物网并在聚合物网上以股线的形式沉积加强材料来制备。所述股线附着到聚合物网。附着的意思是指基本上股线的整个长度与聚合物网接触并附着到聚合物网。在一些实施例中，将前体材料带沉积在聚合物网上并经受后处理以形成股线。
如本文所用，术语“过滤介质”是指适合于空气过滤的网形式的聚合物材料。所述网可包括单层材料，或者可包括多层构造。在多层构造中，某些层可起到除过滤之外的其他作用，例如支撑。
如本文所用，术语“股线”是指加强材料的分立、不交叉的连续长丝。股线可与其他股线重叠，但股线是分立的。
如本文所用，术语“带”是指材料的分立、不交叉的连续长丝，其在经受后处理时变为股线。
如本文所用，与将带转变为股线有关的术语“后处理”是指将带形式的材料变为股线形式的加强材料的任何处理。后处理的例子包括干燥、热固化、辐射固化等。
如本文所用，术语“呼吸器”表示由人佩戴的装置，以在空气进入人的呼吸系统之前过滤空气。
如本文所用，术语“平叠式呼吸器”表示以下装置：所述装置可叠平以便于储存，可展开成贴合在人的至少鼻部和口部上方的形状，并被设计为当由人佩戴时去除一种或多种气载污染物。
如本文所用，术语“杯形”当用于呼吸器面罩主体时表示具有在佩戴时使面罩主体与佩戴者面部隔开的构型。
如本文所用，术语“模制”当用于网或网层时表示使用热和/或压力来使网形成预定的形状。术语“模塑网”表示被成型为适于贴合在人的鼻部和口部上方的所需形状(例如，杯形)的结构。
如本文所用，术语“模制呼吸器”是指以下装置：所述装置被模制成贴合在人的至少鼻部和口部上方的形状，并且被设计为在由人佩戴时去除一种或多种气载污染物。
如本文所用，术语“过滤泡沫”表示这样的泡沫材料，其具有开孔或半开孔构型，并适合用在过滤介质构造中作为过滤介质或作为补充层。
本发明的强化过滤介质包含聚合物网，其用加强材料的股线进行了强化。加强材料的股线所附接至的聚合物网可为单层聚合物网或多层聚合物网。聚合物网可为过滤介质，或者可为过滤介质的一个组成层。加强材料附接至聚合物网。附接的意思是指基本上整个股线与聚合物网接触并附着到聚合物网。
聚合物网可为可用于制备过滤介质的任何合适的聚合物网。合适的聚合物网的例子为织物、纤维网和过滤泡沫。合适的过滤泡沫的例子包括(例如)开孔和半开孔泡沫构造。过滤泡沫可由热塑性或热固性材料制备，例如聚氨酯、聚乙烯聚合物(例如，聚氯乙烯聚合物)等。纤维聚合物网的例子包括微纤维网、原纤化膜网、织造或非织造网(如气流成网或梳理成网短纤维)、溶喷纤维网、或它们的组合。可用于形成此类网的材料包括(例如)：聚烯烃，例如聚丙烯、聚乙烯、聚丁烯、聚(4-甲基-1-戊烯)和它们的共混物；卤素取代的聚烯烃，例如含有一个或多个氯乙烯单元或四氟乙烯单元并且也可以包含丙烯腈单元的那些；聚酯；聚碳酸酯；聚氨酯；树脂羊毛(rosin-wool)；玻璃；纤维素；或它们的组合。
非织造纤维聚合物网尤其可用作过滤介质。在一些实施例中，所述网为非织造微纤维网。通常，微纤维的平均直径为1-100微米，或更典型地为3-30微米，并且微纤维无需具有圆形横截面。合适的非织造微纤维网的例子包括熔喷微纤维网和纳米纤维层合材料。
可用于本发明的熔喷微纤维网可按照Van A.Wente，“SuperfineThermoplastic Fibers,”Industrial Engineering Chemistry，vol.48，pp.1342-1346（Van A.Wente，超细热塑性纤维，工业工程化学，第48卷第1342-1346页）和Van A.Wente等人所著的出版于1954年5月25日的Report No.4364of the Naval Research Laboratories（海军研究实验室第4364号报告）中名为“Manufacture of Super Fine Organic Fibers”的文章中所描述的方法进行制备。
可用于纤维驻极体过滤器的熔喷微纤维通常具有约3至30微米的有效纤维直径，在一些实施例中为约7至15微米，这些有效纤维直径是根据Davies,C.N.,“The Separation of Airborne Dust and Particles,”Institution ofMechanical Engineers,London,Proceedings 1B,1952（Davies,C.N.，“气载粉尘和粒子的分离”，英国机械工程师协会，伦敦，会志1B辑，1952年）中所示出的方法计算得出。
短纤维也可以存在于该网中。与仅由吹塑微纤维形成的网相比，短纤维的存在提供了通常更为膨松有弹性且密度更小的料片。一般来讲，存在不超过约90重量%、更通常不超过约70重量%的短纤维。包含短纤维的网的例子公开于美国专利No.4,118,531(Hauser)、美国专利No.6,827,764(Springett)和美国专利申请No.2008/0318014(Angadjivand)中。
双组分短纤维还可用在过滤层或过滤介质的一个或多个其他层中。通常外层熔点低于芯部分的双组分短纤维可用于形成在纤维交点处粘结在一起的弹性成形层，形成方法例如为对层进行加热，使得双组分纤维的外层流动以与相邻纤维(双组分或其他短纤维)接触。成形层还可制备成热流动聚酯的粘结剂纤维与短纤维包括在一起，在加热成形层时，粘结剂纤维熔融并流向纤维交点，从而包围纤维交点。在冷却时，在纤维交点处形成粘结，从而将纤维整体保持为所需形状。另外，诸如丙烯酸系乳胶或粉状可热活化粘合剂树脂的粘结剂材料可施加到网，以提供纤维的粘结。
还可使用带电荷纤维，称作驻极体。此类驻极体纤维的例子公开于美国专利No.4,215,682(Kubik等人)、美国专利No.4,588,537(Klasse等人)中。本发明中也可使用对驻极体极化或充电的其他方法，例如通过美国专利No.4,375,718(Wadsworth等人)或美国专利No.4,592,815(Nakao)中的方法。也可使用美国专利No.RE.31,285(van Turnhout)中提出的带电荷原纤化膜纤维。通常，充电过程涉及使材料经受电晕放电、脉冲高压或喷水(水充电)，如美国专利No.5,496,507(Angadjivand)中所述。
网中还可包含吸附剂颗粒物质，例如活性炭或氧化铝。此类颗粒存在的量可最多为约网内容物体积的约80%。颗粒填充网的例子在(例如)美国专利No.3,971,373(Braun)、美国专利No.4,100,324(Anderson)和美国专利No.4,429,001(Kolpin等人)中有所描述。
聚合物网可具有约0.1毫米至30毫米，或者甚至约0.5毫米至10毫米的多种厚度。
加强股线包括加强材料的分立、不交叉的连续长丝，其附着到聚合物网。在一些实施例中，所述网为过滤介质网，但可使用并入到包括过滤介质网的多层构造中的其他聚合物网。通常，加强股线这样形成：直接在聚合物网上沉积加强材料，或者在聚合物网上沉积前体材料带，然后使所述带经受后处理以生成加强材料股线。
加强股线通常为热塑性或热固性材料。热塑性材料是在施加热时熔融和/或流动，在冷却时再凝固，在施加热时再次熔融和/或流动的材料。热塑性材料在加热和冷却时仅经历物理变化，而不会发生可测量的化学变化。然而，热固性材料为可固化材料，其在被加热或固化时不可逆地固化，例如变得交联。一旦固化，热固性材料在施加热时就不会可测量地熔融或流动。
通常，直接施加到聚合物网以形成股线的材料为热塑性材料、热塑性材料的共混物或热塑性材料的混合物。因此，所述股线可包括单一材料、材料共混物或多组分材料，例如双组分皮芯材料，其中一种材料或材料共混物形成芯，不同的材料或材料共混物形成围绕芯的外皮。
可用于形成本发明的股线的热塑性聚合物的例子可选自下列种类：聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、两种或更多种此类聚烯烃的共混物、以及乙烯和/或丙烯与彼此和/或与少量可共聚、更高级的α烯烃的共聚物，例如戊烯、甲基戊烯、己烯或辛烯；卤代聚烯烃，例如氯化聚乙烯、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氯乙烯)和增塑聚(氯乙烯)；环己烷二甲醇、1,4-丁二醇和对苯二甲酸的共聚酯-醚弹性体；共聚酯弹性体，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯和长链聚酯二醇的嵌段共聚物；聚醚，例如聚苯醚；聚酰胺，例如聚己二酰己二胺，如尼龙6和尼龙6,6，尼龙弹性体，如尼龙11、尼龙12尼龙6,10和聚醚嵌段聚酰胺；聚氨酯；乙烯或乙烯和丙烯，与(甲基)丙烯酸、或与低级链烷醇和烯键式不饱和羧酸的酯的共聚物，例如乙烯与(甲基)丙烯酸、乙酸乙烯酯、丙烯酸甲酯或丙烯酸乙酯的共聚物；离聚物，例如用锌、锂或钠抗衡离子稳定的乙烯-甲基丙烯酸共聚物；丙烯腈聚合物，例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物；丙烯酸系共聚物；化学改性的聚烯烃，例如烯烃的马来酸酐-或丙烯酸-接枝的均聚物或共聚物、以及两种或更多种此类聚合物的共混物，例如聚乙烯和聚丙烯酸甲酯的共混物、乙烯-醋酸乙烯共聚物和乙烯-丙烯酸甲酯的共混物；聚乙烯和/或聚丙烯与聚醋酸乙烯酯的共混物；以及A-B或A-B-A型苯乙烯的热塑性弹性体嵌段共聚物，其中A表示热塑性聚苯乙烯嵌段，B表示聚异戊二烯、聚丁二烯或聚(乙烯/丁烯)的橡胶态嵌段，例子包括直链、辐射状、星形以及锥形苯乙烯-异戊二烯嵌段共聚物、直链苯乙烯-(乙烯-丁烯)嵌段共聚物、以及直链、辐射状和星形苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。上述聚合物通常为固体，通常具有高分子量，且可熔融挤出，使得它们可被加热以形成熔融粘滞液体，所述粘滞液体可作为料流而抽吸至挤出模头组件，并易于在压力作用下从其挤出成股线。
合适的聚合物的许多例子是市售的，过多而无法详尽列举，但可用市售聚合物的一些例子包括：作为“ELVAX”乙烯-醋酸乙烯共聚物销售的那些，例如ELVAX 40W、4320、250和350；作为“EMAC”乙烯-丙烯酸甲酯共聚物销售的那些，例如EMAC DS-1274、DS-1176、DS-1278-70、SP2220和SP-2260；作为“VISTA FLEX”热塑性弹性体销售的那些，例如VISTA FLEX 641和671；作为“PRIMACOR”乙烯-丙烯酸共聚物销售的那些，例如PRIMACOR 3330、3440、3460和5980；作为“FUSABOND”马来酸酐-聚烯烃共聚物销售的那些，例如FUSABOND MB-110D和MZ-203D；作为“HIMONT”乙烯-丙烯共聚物销售的那些，例如HIMONT KS-057、KS-075和KS-051P；作为“FINA”聚丙烯销售的那些，例如FINA3860X；作为“ESCORENE”聚丙烯销售的那些，例如ESCORENE 3445；作为“VESTOPLAST 750”乙烯-丙烯-丁烯共聚物销售的聚合物；作为“SURLYN”离聚物销售的那些，例如SURLYN 9970和1702；作为“ULTRAMID”聚酰胺销售的那些，例如ULTRAMID B3尼龙6和ULTRAMID A3尼龙6,6；作为“ZYTEL”聚酰胺销售的那些，例如ZYTEL FE3677尼龙6,6；作为“RILSAN”聚酰胺弹性体销售的那些，例如BMNO P40、BESNO P40和BESNO P20尼龙11；作为“PEBAX”聚醚嵌段聚酰胺弹性体销售的那些，例如PEBAX 2533、3533、4033、5562和7033；作为“HYTREL”聚酯弹性体销售的那些，例如HYTREL 3078、4056和5526；作为“KRATON”和“EUROPRENE SOL TE”苯乙烯嵌段共聚物销售的那些，例如KRATON D1107P、G1657、G1750X和D1118X以及EUROPRENE SOL TE 9110和6205。
如上所述，也可使用两种或更多种材料的共混物来用作股线，或者用作皮芯股线的芯材料或外皮材料中的任一者或二者。已发现对于形成长丝(例如多组分长丝，如皮芯长丝)而言特别理想的一些共混物在美国专利No.5,811,186(Martin等人)中有所描述，其还包括对形成多组分长丝(如皮芯长丝)的方法的描述。此类共混物的例子包括：85至15重量%的聚(乙烯-醋酸乙烯酯)(例如，“ELVAX”共聚物)与15至85重量%的聚(乙烯-丙烯酸)(例如，“PRIMACOR”聚合物)的共混物，共混物的聚(乙烯-醋酸乙烯酯)组分通常将具有50,000至220,000的重均分子量Mw，并且5至45摩尔%的其共聚单元将衍生自醋酸乙烯酯共聚单体，其余单元来自乙烯，共混物的聚(乙烯-丙烯酸)组分通常将具有50,000至400,000的Mw，并且其1至10摩尔%的共聚单元将衍生自丙烯酸，其余来自乙烯；20至70重量%的聚(乙烯-丙烯-丁烯)三元聚合物(Mw为40,000至150,000，衍生自同等大量的丁烯和丙烯以及少量的乙烯，例如“VESTOPLAST 750”聚合物)与80至30重量%的全同立构聚丙烯的共混物；包含15至85重量%的聚(乙烯-醋酸乙烯酯)和85至15重量%的聚(乙烯-丙烯酸甲酯)的共混物，例如“EMAC”聚合物，该共混物的聚(乙烯-醋酸乙烯酯)组分可具有与上述相同的分子量和组成，聚(丙烯酸甲酯)组分可具有50,000至200,000的Mw，并且其4至40摩尔%的共聚单元衍生自丙烯酸甲酯共聚单体。
在加强股线直接沉积在聚合物网上的实施例中，所述沉积可通过(例如)利用挤出技术将股线直接挤出到聚合物网上来实现。在一些实施例中，还可能理想的是通过施加压力(通常在挤出的股线完全冷却之前)来帮助股线附着至网。
可使用广泛的挤出技术来制备加强股线。尤其可用的是涉及将连续股线挤出到移动网上的多模头的技术，例如美国专利公布2004/0143942(Seth)中所述。此类技术允许多个选项来控制挤出的股线的尺寸。例如，可通过改变挤出机的压力(通过改变挤出机螺杆速度或类型)，通过改变网移动的速度(减慢网速度通常将生成更宽的挤出股线，而加快网速度通常将生成更窄的挤出股线)，通过改变间隔模头开口的尺寸等，来容易地改变股线的尺寸。另外，相邻股线可不均匀，即，相邻股线的尺寸或形状可不同。类似地，通过对挤出机的控制和/或对移动网的控制，可挤出成图案的股线，例如线条、波浪、之字形、卷曲等，或者股线可在网上的不同点处具有不同的厚度或不同的图案。
图1示出适合于制备本发明的强化过滤介质的设备和方法。在图1中，使用涂布设备100制备强化过滤介质200。聚合物网110进入设备，加强材料股线挤出到其上，然后离开设备成为强化过滤介质200。设备100包括大致圆柱形辊120、121和140以及辊隙辊142。辊120、121和140可根据需要为加热或冷却辊。在一些实施例中，辊121和140均为加热辊，在其他实施例中，辊121为加热辊，而140为冷却辊。在其他实施例中，辊均没有加热或冷却。
图1所示设备100还包括挤出机130，其可操作以对用户可选择的股线模头132进料。股线模头132可包括间隔开口(未示出)以用于挤出股线材料，以形成以大致平行、间隔开的关系延伸的许多细长熔融材料股线214。间隔开口可相同或不同。如果不同，则间隔开口生成具有不同厚度、形状、图案或者不同厚度、形状、图案的组合的多个股线。股线模头132可以多种不同的方式设置，使得熔融材料股线214在聚合物网110处于辊120上的同时被挤出到该网上，挤出到辊140上，然后转印至聚合物网110上，或者处于这2个位置中间的点处。
可通过改变挤出机130中的压力(例如，通过改变挤出机螺杆速度或类型)；改变聚合物网110移动的速度(即，对于给定的挤出机130输出速率，增大网110移动的速度将减小股线的直径，而减小网110移动的速度将增大股线的直径)；改变间隔模头开口的尺寸等，来容易地改变股线的尺寸。
股线模头132可容易地互换，使得可形成不同构型(例如，不同直径和不同间距)的股线214。由于沿着股线模头132的长度可选择性调节开口的间距和/或直径，因而可例如允许改变整个聚合物网110上各种位置处的股线粗细。股线模头132还可被选择为形成其他构型的股线，例如中空股线、具有除圆形之外其他形状(例如，正方形、矩形、椭圆形、三角形、星形、“+”形等)的股线、或双组分股线，例如皮芯股线。
在一些实施例中，加强股线这样制备：将前体材料带沉积到聚合物网上，然后使所述带经受后处理，以将所述带转换为加强材料股线。带的沉积可通过(例如)多种涂布技术来进行，包括印刷、模具涂布法、刮涂等。印刷技术的例子包括(例如)网版印刷(包括旋转)、凹版印刷、热像印刷、柔性版印刷、凹刻印刷和喷墨印刷。
通常，前体材料为热固性材料，但也可使用(例如)热塑性聚合物溶液。前体材料可由单体、低聚物或聚合物或其混合物制成，并且可为100%固体或溶剂型或水基溶液或混合物。通常，前体材料在室温下为液体。对于一些工艺，所述液体为粘稠组合物。前体材料还可为可热软化或液化的组合物，其可在加热至足够的温度时沉积。
在一些实施例中，液体载体可用作前体材料的一部分，只要前体材料结构在材料的后干燥之前不会流动过多。液体载体可为有机或含水的，在一些实施例中，其为溶剂。
在一些实施例中，前体材料为可化学固化的材料，其可在沉积之后通过(例如)聚合、交联或其二者来后处理，以制成稳固的最终结构。具体例子包括可固化油墨、可固化(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸酯官能材料、可固化乙烯基醚、可固化不饱和材料、环氧基官能材料和可固化硅树脂。
无论如何形成，加强股线均包括加强材料的分立不交叉的连续长丝，其附着至聚合物网。股线可采取多种形状。股线可为直线、波浪线、卷曲或更复杂形状的形式。股线在连续的同时可沿着整个股线不具有均匀的厚度或形状。例如，股线可沿着股线的长度在不同点处更厚或更薄，并且可在某些点处为直线，而在网上的其他点处为波浪线。另外，相邻股线可相同，或者其尺寸、形状或图案可不同。
股线可为约0.1毫米至10毫米、约0.1毫米至2毫米、或者甚至约0.2毫米至1毫米的多种厚度。
通常，将股线材料或前体材料直接施加至网材料，但在一些情况下，可能理想的是在施加股线材料或股线前体材料之前使网材料经受处理。此类预处理可包括物理地处理所述网，例如施加热、辐射、等离子体放电等，以改变网的表面。另外，所述预处理可涉及施加涂层至所述网。这些涂层可提高股线材料对网的附着力。合适的涂层的例子为施加粘性材料，例如粘合剂，以帮助股线材料附着至网。
如上所述，加强股线附接至聚合物网。聚合物网可为过滤介质，或者聚合物网可为替代形式的聚合物网，该聚合物网为多层过滤介质的一部分或稍后与附加层组合以形成过滤介质。
加强过滤介质可用于多种应用，例如用作呼吸器的空气过滤器元件(例如，过滤面罩呼吸器)，或针对此目的，用作家用和工业炉和空调、空气净化器、真空吸尘器、医用空气管路过滤器、和车辆与通用设备(例如，计算机、计算机磁盘驱动器和电子设备)的空气调节系统。在应用于呼吸器时，过滤介质可为模制或折叠的半面罩呼吸器、可替换滤芯或滤罐、或预过滤器的形式。
图2和图3示出股线强化平叠式呼吸器的例子，图4和图5示出股线强化杯形呼吸器的例子。在图2中，平叠式呼吸器200包含加强材料股线210。股线210沿着呼吸器的宽度延伸。在图3中，平叠式呼吸器300包含加强材料股线310。股线310沿着呼吸器的长度延伸。在图4中，杯形呼吸器400包含加强材料股线410。股线410沿着呼吸器的宽度延伸。在图5中，杯形呼吸器500包含加强材料股线510。股线510沿着呼吸器的长度延伸。
本发明的强化过滤介质尤其可用于过滤呼吸器。当期望帮助保护人的呼吸系统不吸入悬浮在空气中的粒子或让人感到不快或者有毒的气体时，在各种广泛的应用中使用过滤呼吸器或面罩。通常，此类呼吸器或面罩为如下两种类型中的一种：模制杯形形式或平叠形式。平叠形式的优点在于：其可在需要前一直携带于佩戴者的口袋中，并且在两次佩戴之间再叠平以保持内部清洁。
平叠形式的面罩可具有多种形状，并且可被设计为以多种方式折叠。不同类型的平叠式面罩的例子在(例如)美国专利No.6,394,090(Chen等人)和No.6,123,077(Bostock等人)中有所描述。
市售平叠形式的面罩的例子是被构造为织物的那些，其为矩形形式，并具有大致平行于佩戴者的嘴部延伸的褶绉。此类构造常常具有加固元件，以保持面罩不与佩戴者的面部接触。为了使展开的呼吸器具有较大的结构稳定性，这些市售的平叠式呼吸器通常使用加固构件(如，弹性支撑框架或其他支撑件，参见(例如)颁给Parker的美国专利No.4,300,549)或加固层(如，包含大直径、高模量纤维(例如聚酯纤维)的高基重非织造网，参见(例如)颁给Bostock等人的美国专利No.6,123,077)。该加固构件或加固层能够帮助呼吸器在呼吸循环期间抵抗挠曲，以阻止或防止佩戴者的嘴唇和鼻孔接触到呼吸器的内表面。有时也通过横跨层合结构的面罩的宽度熔凝褶绉，或者通过横跨面罩的宽度提供接缝来提供加固。本发明的强化过滤介质无需加固元件、熔凝褶绉或接缝就可使用。这使得更易于制备平叠式呼吸器。
本发明的平叠式呼吸器可为单层构造或多层构造。在多层构造中，这些层中的一个或多个可通过聚合材料股线来加强。在一些实施例中，平叠式呼吸器包括单层过滤介质。在其他实施例中，过滤介质层可由一个或多个覆盖层保护。在其他实施例中，平叠式呼吸器包括除过滤介质和覆盖层之外的附加层。平叠式呼吸器可利用(例如)美国专利No.6,394,090(Chen等人)中所述的技术制备，不同的是不需要单独的加固层。平叠式呼吸器可由单层形成或由多层形成，这些层可利用各种技术附接至彼此，例如利用间歇工艺(例如，通过横向进给焊接)或连续工艺(例如，旋转焊接)。在任一种工艺下，平叠式呼吸器是这样制备：通过粘结并切割外成形边缘，形成单层过滤介质或多层构造的大致平的片材(本文中也称为“预成型件”)。可采用其他技术来利用其他技术形成边缘，例如超声焊接、缝合、以及施加压力以形成边缘(加热或不加热)。大致平的预成型件可具有任何形状。在一些实施例中，大致平的预成型件具有菱形形状，但其他形状(例如，五角形、六角形、半圆形、正方形、蝴蝶形等)同样适用。通常，形成平叠式呼吸器的方法包括在预成型件内形成至少一条分界线；沿着大致二等分轴线折叠预成型件；以及形成第一角度和第二角度。
已公开的更复杂的构型包括由袋状过滤片状材料制成的杯形过滤面罩，所述材料具有相对侧壁，成大致锥形，较大端为开口端，较小端为封闭端。封闭端处的袋边缘向外弯曲(例如，通过相交的直线和/或曲线限定)，并且封闭端设置有折叠线，其限定袋的封闭端向内折叠的表面，以限定大致锥形向内延伸的凹陷部，以强化所述袋免于塌缩到吸气的佩戴者面部上。
本发明的模制呼吸器可为单层构造或多层构造。在多层构造中，这些层中的一个或多个可通过聚合材料股线来加强。在一些实施例中，模制呼吸器包括单层过滤介质。在其他实施例中，过滤介质层可由一个或多个覆盖层保护。在其他实施例中，模制呼吸器包括除过滤介质和覆盖层之外的附加层。为了形成模制呼吸器，过滤介质、或过滤层和覆盖层的叠堆被置于模制设备中，所述设备具有杯形凸和凹的模制表面。模制表面通常被加热。然后，将模制表面集合在一起足够长的时间和/或达足够的压力，以便使过滤介质或多层叠堆形成为杯形罩体(其通常具有凸起侧和凹陷侧)。然后，可将模制件周围过量的材料切除，之后可根据需要添加带子、带具、阀门等，以形成完工的呼吸器。模制处理通常赋予过滤介质层以及可选的附加层一定程度的永久成形。模制处理另外可在纤维间的接触点处在多个独立纤维之间赋予一定量的熔融粘结，并且另外可在多个层彼此间赋予一定量的熔融粘结。如果在模制处理中没有在多个层之间进行足够的粘结，则可使用额外的方法。例如，可在呼吸器的边缘周围进行粘结处理(例如超声焊接)，或可以在边缘周围使用机械夹具或其他粘结部件，以确保这些层充分保持在一起。如果这并不足够，则只要呼吸器的性质不受到严重影响，便可在呼吸器上的适当位置中使用局部粘结处理（如，点焊等）。另外可使用粘合剂层将多个层粘结在一起，如授予Angadjivand等人的美国专利No.6,923,182中所述。
在一些实施例中，可能理想的是形成附接有加强股线的聚合物网，其本身不是过滤介质。该强化聚合物网可与一个或多个附加材料层(包括过滤介质层)组合，然后可形成为平叠或杯形呼吸面罩。此类聚合物网的例子包括(例如)载体网、覆盖网、减震网、支撑网等。这样，强化聚合物网可独立于过滤介质网形成，然后组合以形成强化过滤介质。
实例
这些实例仅仅是说明性的，而不旨在限制所附的权利要求书的范围。除非另外指明，否则实例和说明书其余部分中的所有份数、百分比、比率等均按重量计。除非另外指明，否则所用的溶剂和其他试剂均得自Sigma-Aldrich Chemical公司(Milwaukee，Wisconsin)。
缩写表
Figure BDA00001645983400131
Figure BDA00001645983400141
测试方法
采用氯化钠进行的颗粒渗透
测试方法为NIOSH 42CFR Part 84-N95NaCl测试。渗透百分比和压降由如下方式确定：使用包含NaCl颗粒的攻击性气溶胶，以85升/分钟的流速递送该攻击性气溶胶，并使用TSI 8130型高速自动过滤器测试机(从TSIInc.(St.Paul,Minnesota)商购获得)来进行评估。颗粒由2%的NaCl溶液产生以提供含有在气载浓度为约16-23mg/m3时直径为约0.075微米的颗粒的气溶胶，且该自动化过滤器测试机在加热器和颗粒中和器都工作时进行操作。对模制基体以85升/分钟的流速将样品加载至最大NaCl颗粒渗透率，然后停止测试。在过滤器入口和出口处采用校准过的光度计来测量颗粒浓度以及通过过滤器的%颗粒渗透率。
成形外壳塌缩测试
此测试测量杯形呼吸器的回弹力。使用得自Texture Technologies Corp的TA-XT2型质构分析仪，其配有半径为12毫米的测试探针。在一个循环中进行该测试。将探针置于呼吸器的曲面的尖端上方。以5mm/分钟的向下速度对呼吸器样品施加力F，至30mm的挠曲。当达到所需最大挠曲时，将力的方向(测试探针)反转，以5mm/分钟的向上速度使测试探针缓慢缩回。返回过程中的缓慢夹头速度使回弹力能够被精确记录。在测试过程中，绘制力对距离的曲线图。
平叠塌缩测试
此测试测量平叠式呼吸器的抗塌缩强度。测试机为2部分气密室，通过携带塌缩感测装置的板分开。塌缩感测装置具有若干发光二极管(LED)及光电晶体管。塌缩感测装置以这样的方式工作：在测试过程中，在LED和光电晶体管之间传输电信号；当顶部室中逐步建立压力，使得呼吸器塌缩时，信号中断以指示塌缩。测试呼吸器被置于塌缩感测装置上方，中间带有重量轻的柔性塑料片的另一板被置于呼吸器上方。该塑料片在防止气流穿过呼吸器的同时确保呼吸器的塌缩。使用气压输入为21千帕(30psi)的质量流控制器来缓慢升高顶部室中的压力，并保持0.5-50升/分钟的恒定水平的流速。当塌缩感测装置指示塌缩时，流控制器自动停止。使用差压换能器来监测增压的顶部室与未增压的底部室之间的压差。当通过塌缩感测装置检测到塌缩时，记录所述压差作为塌缩压力。通常进行多次以提供平均塌缩压力。
比较例C1：
制备没有加强股线的非织造模制外壳网。非织造外壳网为干法成网，其具有106g/m2的基重、8毫米的厚度和1%的实度。该非织造网由热粘结在一起的短纤维的共混物制备。所述网由纤维1和纤维2的粗梳共混物制备，纤维-1/纤维-2的纤维重量比为70:30，随后将粗梳网置于163℃循环空气烘箱中约1分钟，以活化粘结剂纤维并强化所述网。以如下方式来模制非织造外壳层以形成模制外壳：将非织造网层置于两个配对的半球状杯形受热模(约55毫米高，体积约310cm3)之间。模的上半块和下半块分别被加热至约93℃和105℃。使受热模彼此接近至大约1.27毫米的间隙保持大约6秒。在此时间之后，将模打开，移除模制产物并对其进行手动修剪。然后，在模制外壳的周边上进行超声粘结。利用上面“测试方法”中所述的“成形外壳塌缩测试”来评估模制杯形外壳的抗压碎/回弹力。测量结果示于图6。
实例1：
制备具有加强股线的非织造模制外壳网。非织造外壳网为干法成网，其具有106g/m3的基重、8毫米的厚度和1%的实度。该非织造网由热粘结在一起的短纤维的共混物制备。所述网由纤维1和纤维2的粗梳共混物制备，纤维-1/纤维-2的纤维重量比为70:30，随后将粗梳网置于163℃循环空气烘箱中约1分钟，以活化粘结剂纤维并强化所述网。在51毫米单螺杆挤出机中放置PU-1和PP-1的混合物，重量比为65:35。挤出机以210℃和13RPM操作，从该挤出机通过0.51、0.64和0.79mm孔口将长丝挤出到上平滑收集辊上，每1厘米宽度3根长丝，线速度为5.0米每分钟。将如此形成的长丝传递到如上所述的网上。所得非织造加强外壳网具有约214g/m2的总基重，其中约110g/m2为加强股线。以如下方式来模制非织造外壳层以形成模制外壳：将非织造网层置于两个配对的半球状杯形受热模(约55毫米高，体积约310cm3)之间。模的上半块和下半块分别被加热至约93℃和105℃。使受热模彼此接近至大约2.50毫米的间隙保持大约6秒。在此时间之后，将模打开，移除模制产物并对其进行手动修剪。然后，在模制外壳的周边上进行超声粘结。对于实例1A，模制沿纵向进行(使得股线沿着将横跨佩戴者面部宽度的方向越过杯形)，对于实例1B，模制沿横维方向进行(使得股线沿着将正交于佩戴者面部宽度的方向越过杯形)。利用上面“测试方法”中所述的“成形外壳塌缩测试”来评估模制杯形外壳的抗压碎/回弹力。测量结果示于图6。
实例2：
制备具有加强股线的非织造模制外壳网，并使用其制备呼吸器。制备股线强化非织造纤维网。在51毫米单螺杆挤出机中放置PU-1和PP-1的混合物，重量比为65:35。挤出机以210℃和13RPM操作，从该挤出机通过0.64和0.79mm孔口将长丝挤出到CW-1网上，每1厘米宽度3根长丝，线速度为5.0米每分钟。所得非织造加强外壳网具有约150g/m2的总基重，其中约120g/m2为加强股线。将FM-1和覆盖层-1的样品层合至强化网，将形成的构造模制在一起，以制成成品呼吸器。呼吸器被模制为使得强化层朝着呼吸器的凸起侧，覆盖层-1层位于呼吸器的凹陷侧，FM-1夹在强化层和覆盖层之间。过滤器网具有35g/m2的基重、4.7微米的纤维尺寸。成层网的模制通过将组装的层压在配对的凹和凸模之间来进行。凹模具有约55mm的高度，并具有310cm3的体积。模的上半块和下半块被加热至约105℃，网被置于两半块模之间。然后使受热模彼此接近至1.27毫米的间隙保持大约10到15秒。在规定时间之后，将模打开并取出模制产物。利用上面“测试方法”中所述的“成形外壳塌缩测试”来评估模制杯形呼吸器的抗压碎/回弹力。测量结果示于图7。
比较例C2：
对于比较例C2，使用市售呼吸器“市售呼吸器-1”。利用上面“测试方法”中所述的“成形外壳塌缩测试”来评估模制杯形呼吸器的抗压碎/回弹力。测量结果示于图7。
实例3：
制备具有加强股线的非织造过滤材料网，并使用其制备呼吸器。制备股线强化的非织造过滤介质网。在51毫米单螺杆挤出机中放置PU-1和PP-1的混合物，重量比为65:35。挤出机以210℃和13RPM操作，从该挤出机通过0.51和0.79mm孔口将长丝挤出到上平滑收集辊上，每1厘米宽度3根长丝，线速度为5.0米每分钟。将如此形成的长丝传递到FM-2网上。纤维具有1.0-1.5毫米的直径和70g/m2的基重。所得非织造加强外壳网具有约170g/m2的总基重，其中约70g/m2为加强股线。将覆盖层-1的样品层合至强化FM-2网，将形成的构造模制在一起，以制成成品呼吸器。成层网的模制通过将组装的层压在配对的凹模和凸模之间来进行。模的上半块被加热至约79℃(175℉)，模的下半块被加热至约116℃(240℉)，网被置于这两半块模之间。然后使受热模彼此接近至0.51毫米(0.020英寸)的间隙保持大约9秒。在规定时间之后，将模打开并取出模制产物。利用上面“测试方法”中所述的“采用氯化钠进行的颗粒渗透测试”来评估模制杯形呼吸器。测试结果示于表1中。
实例4：
制备具有加强股线的非织造过滤材料网，并使用其制备呼吸器。制备股线强化的非织造过滤介质网。在51毫米单螺杆挤出机中放置PU-1和PP-1的混合物，重量比为65:35。挤出机以210℃和13RPM操作，从该挤出机通过0.51和0.79mm孔口将长丝挤出到上平滑收集辊上，每1厘米宽度3根长丝，线速度为5.0米每分钟。将如此形成的长丝传递到FM-2网上。网具有100g/m2的基重。所得非织造加强外壳网具有约200g/m2的总基重，其中约100g/m2为加强股线。将覆盖层-1的样品层合至强化FM-2网，将形成的构造模制在一起，以制成成品呼吸器。成层网的模制通过将组装的层压在配对的凹模和凸模之间来进行。模的上半块被加热至约79℃(175℉)，模的下半块被加热至约116℃(240℉)，网被置于这两半块模之间。然后使受热模彼此接近至0.51毫米(0.020英寸)的间隙保持大约9秒。在规定时间之后，将模打开并取出模制产物。利用上面“测试方法”中所述的“采用氯化钠进行的颗粒渗透测试”来评估模制杯形呼吸器。测试结果示于表1中。这些实例通过了过滤材料的N95规范。
表1
Figure BDA00001645983400181
实例5和比较例C3和C4：
制备具有加强股线的非织造网，并使用其制备呼吸器。在51毫米单螺杆挤出机中放置99.5重量%的PE和0.5重量%的蓝颜料。挤出机以198℃和15RPM操作，从该挤出机通过0.64、0.64和0.79毫米孔口将长丝挤出到上平滑收集辊上，每1厘米宽度3根长丝，线速度为5.0米每分钟。将如此形成的长丝传递到覆盖层-2的网上。所得非织造加强网具有约128g/m2的总基重，其中约78g/m2为加强股线。将如此制备的强化非织造网与FM-1层和覆盖层-2层合(沿两个方向，水平或所形成呼吸器的长度方向，以及垂直或所形成呼吸器的宽度方向)，然后如美国专利No.6,390,090所述切割并超声密封在一起，以形成平叠式呼吸器。实例5A的呼吸器具有垂直延伸的加强股线，实例5B的呼吸器具有水平延伸的加强股线。利用上面“测试方法”中所述的“平叠塌缩测试”来评估实例5A和5B以及比较例C3(包含加固元件的市售呼吸器-2)和C4(不包含加固元件的市售呼吸器-3)的平叠式呼吸器的抗塌缩强度。测试结果示于表2中。
表2
  实例   平均塌缩压力(mm H20)
  5A   73.7
  5B   60.5
  C3   62.2
  C4   27.9

Claims (32)

1.一种呼吸器，包括：
强化过滤介质，所述强化过滤介质包括：
聚合物网；以及
附接到所述网的分立、不交叉的加强材料股线。
2.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述聚合物网包括织物、非织造网或过滤泡沫。
3.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述加强材料包括热塑性或热固性材料。
4.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述加强材料包括：聚烯烃；卤代聚烯烃；环己烷二甲醇、1,4-丁二醇和对苯二甲酸的共聚酯-醚弹性体；共聚酯弹性体；聚醚；聚酰胺；聚醚嵌段聚酰胺；聚氨酯；乙烯与丙烯酸系物质的共聚物、或者乙烯和丙烯与丙烯酸系物质的共聚物；离聚物；丙烯腈聚合物；丙烯酸系共聚物；化学改性的聚烯烃；或热塑性弹性体嵌段共聚物；或其共混物或组合。
5.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述分立、不交叉的加强材料股线包括皮芯构造。
6.根据权利要求1所述的呼吸器，还包括至少一个附加网层。
7.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述呼吸器为平叠式呼吸器。
8.根据权利要求1所述的呼吸器，其中所述呼吸器为模制杯形呼吸器。
9.一种制备过滤介质的方法，所述方法包括：
提供聚合物网；以及
使分立、不交叉的加强材料股线接触所述网的至少一个表面，其中所述加强材料股线附着至所述聚合物网。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括对所述聚合物网进行预处理。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括对所述聚合物网进行后处理。
12.根据权利要求11所述的方法，其中后处理包括施加压力以帮助所述
加强材料股线附着至所述聚合物网。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述聚合物网包括织物、非织造网或过滤泡沫。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述加强材料包括热塑性或热固性材料。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述加强材料包括：聚烯烃；卤代聚烯烃；环己烷二甲醇、1,4-丁二醇和对苯二甲酸的共聚酯-醚弹性体；共聚酯弹性体；聚醚；聚酰胺；聚醚嵌段聚酰胺；聚氨酯；乙烯与丙烯酸系物质的共聚物、或者乙烯和丙烯与丙烯酸系物质的共聚物；离聚物；丙烯腈聚合物；丙烯酸系共聚物；化学改性的聚烯烃；或热塑性弹性体嵌段共聚物；或其共混物或组合。
16.根据权利要求9所述的方法，其中所述分立、不交叉的加强材料股线包括皮芯构造。
17.根据权利要求9所述的方法，其中使分立、不交叉的加强材料股线接触所述网的至少一个表面包括挤出热塑性材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中热熔融挤出包括不止一种热塑性材料的共挤出。
19.根据权利要求9所述的方法，其中使分立、不交叉的加强材料股线接触所述网的至少一个表面包括涂布热固性材料。
20.根据权利要求9所述的方法，其中所述分立、不交叉的加强材料股线包括线条、波浪、之字形、卷曲或其组合。
21.根据权利要求9所述的方法，其中所述分立、不交叉的加强材料股线包括具有不同厚度、形状、图案或其组合的多个股线。
22.根据权利要求9所述的方法，还包括对所述聚合物网进行静电充电。
23.一种制备呼吸器的方法，所述方法包括：
提供强化过滤介质，其中所述强化过滤介质包括聚合物网以及附接至所述网的分立、不交叉的加强材料股线；以及
形成呼吸器。
24.根据权利要求23所述的方法，其中提供强化过滤介质还包括将至少一个附加网与所述强化过滤介质层合。
25.根据权利要求23所述的方法，其中形成呼吸器包括：
将所述强化过滤介质切割成成形的预成型件；以及
将所述预成型件密封以形成平叠式呼吸器。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述成形的预成型件包括大致半圆形形状。
27.根据权利要求23所述的方法，其中形成呼吸器包括：
模制所述介质以形成杯形呼吸器。
28.根据权利要求23所述的方法，还包括对所述聚合物网进行静电充电。
29.一种制备呼吸器的方法，所述方法包括：
提供过滤介质网；
制备强化聚合物网，所述强化聚合物网包括：织物、非织造网或过滤泡沫，以及附接至所述聚合物网的分立、不交叉的加强材料股线；
将所述过滤介质网与所述强化聚合物网层合在一起；以及
形成呼吸器。
30.根据权利要求29所述的方法，其中形成呼吸器包括：将层合的所述过滤介质网和所述强化聚合物网切割成成形的预成型件；以及
将所述预成型件密封以形成平叠式呼吸器。
31.根据权利要求29所述的方法，其中形成呼吸器包括：
模制层合的所述过滤介质网和所述强化聚合物网以形成杯形呼吸器。
32.根据权利要求29所述的方法，还包括将附加层与所述过滤介质网和
所述强化聚合物网层合在一起。
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