CN103957999A - 具有包括环绕空气通道的凹陷区域的泡沫成形层的呼吸器 - Google Patents

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Abstract

一种具有带具14和面罩主体12的过滤式面罩10。所述面罩主体12包括过滤结构18和杯形成形层20，其中所述杯形成形层包括闭孔泡沫层，所述闭孔泡沫层中定位有多个流体可渗透的开口22。所述开口22由凹陷区域31环绕。所述过滤结构18在所述凹陷区域处基本不与所述成形层20接触。在佩戴者佩戴呼吸器时，所述成形层20在面罩主体周边19处与佩戴者的面部接触。使用具有由凹陷区域环绕的开口的泡沫成形层提供了足够的结构完整性或刚度，以抑制在呼吸器使用期间的面罩主体塌缩，同时还呈现低的压降以及空气在所述面罩内的快速流动分布，以允许低的呼吸阻力和加强的佩戴者舒适性。

Description

具有包括环绕空气通道的凹陷区域的泡沫成形层的呼吸器
本发明涉及具有泡沫成形层的过滤式面具呼吸器，所述泡沫成形层中定位有一系列开口，所述开口由凹陷于所述成形层内的区域环绕。
背景技术
呼吸器通常由于两种常见目的中的至少一种而被佩戴在人的呼吸通道之上：(1)抑制杂质或污染物进入佩戴者的呼吸道；和(2)抑制其它人或物暴露于由佩戴者呼出的病原体和其它污染物中。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，例如在机动车车身修理店中。在第二种情况下，在对其它人或物可能造成污染的环境中佩戴呼吸器，例如在手术室或洁净室中。
一些呼吸器被归类为“过滤式面具”，因为面罩主体本身用作过滤机构。与使用结合了可连接的滤筒或过滤衬里(例如，参见授予Yuschak等人的美国专利RE39,493和授予Tayebi的美国专利5,094,236)或嵌件成型过滤器元件(例如，参见授予Braun的美国专利4,790,306)的橡胶或弹性体面罩主体的呼吸器不同，过滤式面具呼吸器使过滤介质延伸到整个面罩主体的大部分之上，使得无需安装或更换滤筒。因此，过滤式面具呼吸器重量相对较轻并且易于使用。
过滤式面具呼吸器大致属于以下两类呼吸器中的一类，即折叠放平呼吸器和成形呼吸器。折叠放平呼吸器是放平存放的，但其包括接缝、褶皱和/或折痕，使得允许将面罩打开成杯状构型以供使用。折叠放平过滤式面具呼吸器的例子示于授予Bostock等人的美国专利6,568,392和6,484,722以及授予Chen的美国专利6,394,090中。
相比之下，成形呼吸器或多或少地被永久成形为所需的面部贴合构型，并且在存放和使用期间也大致保持该构型。成形的过滤式面具呼吸器通常包括模制的支承外壳结构(大致称为“成形层”)，所述支承外壳结构通常由热粘合织物或多孔塑料网制成。成形层主要被设计成为过滤层提供支承。相对于过滤层，成形层可驻留在面罩的内部上(邻近佩戴者的面部)，或者可驻留在面罩的外部上，或同时驻留在内部和外部上。公开了用于支承过滤层的成形层的专利的例子包括授予Berg的美国专利4,536,440、授予Dyrud等人的美国专利4,807,619和授予Skov的美国专利4,850,347。
在构造用于成形呼吸器的面罩主体时，通常将过滤层抵靠成形层并置，并通过将组装层放置在加热的阳模部件和阴模部件之间(例如，参见授予Berg的美国专利4,536,440)、或通过使所述层以叠加关系通过加热工位并随后将叠加层冷塑成面罩的形状(参见授予Kronzer等人的美国专利5,307,796和授予Skov的美国专利4,850,347)而使组装层经受模制操作。
在已知的成形过滤式面具呼吸器中，过滤层无论是通过上述技术中的哪一个而被组装到面罩主体中，都在接合到模制成形层时大致采用弯曲构型的模制成形层。一旦已将带具固定到面罩主体，所述产品通常准备好供使用。有时也将弹性体面密封件接合到所述面罩主体的周边，以改善贴合性和佩戴舒适性。当戴上呼吸器时，所述面部密封件径向向内延伸以接触佩戴者的面部。描述弹性体面密封件使用的文献包括授予Bostock等人的美国专利6,568,392、授予Springett等人的美国专利5,617,849和授予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。另外，已将鼻部泡沫和鼻夹附接到面罩主体以改善在鼻部区域中的贴合性，在所述鼻部区域中存在极大的面部轮廓改变——例如，参见授予Kalatoor等人的美国专利申请公布2007/0068529A1和授予Kalatoor的美国专利申请公布2008/0023006A1；授予Xue等人的国际公布WO2007/024865A1和授予Gebrewold等人的国际公布WO2008/051726A1以及美国专利5,558,089和授予Castiglione的Des.412,573。一旦呼吸器的使用寿命将要结束，便丢弃所述产品，因为过滤式面具呼吸器中的过滤层不可更换。
发明内容
本发明提供一种包括带具和面罩主体的模制过滤式面具呼吸器。所述面罩主体包括过滤结构和杯形成形层，其中所述杯形成形层包括闭孔泡沫层，所述闭孔泡沫层中定位有多个透气开口。所述闭孔泡沫层还具有环绕所述多个透气开口的凹陷区域。
尽管本发明中的泡沫成形层具有开放性质，但使用具有环绕空气通道的凹陷区域的闭孔泡沫成形层可提供结构完整性或足以防止面罩主体在呼吸器使用期间塌缩的刚度。所述凹陷区域和位于这些区域之间的区域提供了增加面罩主体的结构完整性的横梁式影响。所述凹陷区域各自还用作单独的集气室，允许流体在过滤结构和成形层之间的快速分布，以在呼吸器使用期间降低整个面罩主体上的压降。较低的压降和改善的空气流分布可使本发明的呼吸器佩戴起来更舒适。所述闭孔泡沫成形层还可在面罩主体周边提供足够的可塑程度，这使得面罩主体能够舒适地且紧密地贴合在佩戴者的面部上，而无需附接或使用弹性体面密封件、鼻部泡沫或鼻夹。
术语表
下文说明的术语具有以下含义：
“顶端区域”是指在将面罩主体安放在平坦表面上、且面罩周边与所述表面接触时环绕所述面罩主体上的最高点的区域；
“包括”是指其定义如同专利术语中的标准的定义，是大致与“包含”、“具有”或“含有”同义的开放式术语。虽然“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及它们的变型是常用的开放式术语，但本发明也可以使用较狭义的术语(例如“基本由…组成”)来适当地描述，较狭义的术语为半开放式术语的原因在于它仅排除了那些将对本发明呼吸器的起到其期望功能的性能具有有害作用的物或元件；
“洁净空气”是指已过滤除去污染物的一定体积的大气环境空气；
“共延地”是指平行于另一物体的表面面积的至少80％延伸且覆盖其。
“污染物”是指颗粒(包括粉尘、薄雾和烟雾)和/或大致不可被视为颗粒(如有机蒸气等)、但可能悬浮在空气(包括呼出气流中的空气)中的其它物质；
“覆盖纤维网”是指并非主要设计用于过滤污染物的非织造纤维层；
“外部气体空间”是指呼出的气体在穿过且超出面罩主体和/或呼气阀之后进入其中的环境大气气体空间；
“过滤式面具”是指面罩主体本身被设计成过滤穿过它的空气；不存在附接到面罩主体上或模制成面罩主体来实现此目的的可独立识别的滤筒、过滤衬里或嵌件成型过滤元件；
“过滤器”或“过滤层”是指一个或多个透气材料层，所述层适于从穿过它的空气流中除去污染物(例如颗粒)的主要目的；
“过滤结构”是指主要被设计用于过滤空气的构型；
“带具”是指有助于在佩戴者的面部上支承面罩主体的结构或部件的组合；
“整体的”是指所考虑的部件以单个部件同时制成，而不是两个单独的随后被接合在一起的部件；
“内部气体空间”是指面罩主体与人的面部之间的空间；
“面罩主体”是指透气结构，所述透气结构被设计成贴合在人的鼻部和嘴部之上，并且有助于限定与外部气体空间分隔的内部气体空间；
“中间区域”是指在顶端区域和面罩主体周边之间的区域；
“鼻夹”是指机械装置(而不是鼻部泡沫)，所述装置适于在面罩主体上使用，以改善至少围绕佩戴者鼻部的密封；
“鼻部泡沫”是指多孔材料，其适于放置在面罩主体的内部上，以改善佩戴呼吸器时在鼻部之上的贴合性和/或佩戴者舒适性；
“非织造物”是指其中通过不同于织造的方式将纤维保持在一起的结构或结构的一部分；
“平行”是指大致等距的；
“周边”是指面罩主体的外边缘，当某人戴上呼吸器时，该外边缘将大致紧邻佩戴者的面部设置；
“聚合物”和“塑料”各自是指主要包含一种或多种聚合物并且也可以包含其它成分的材料；
“多个”是指两个或更多个；
“凹陷区域”是指从成形层的外表面显著凹陷的成形层的一部分；
“呼吸器”是指空气过滤装置，所述空气过滤装置由人佩戴于面部上在鼻部和嘴部之上，以便为佩戴者的呼吸提供洁净的空气；
“成形层”是指具有足够结构完整性的层，以便在正常处理情况下保持其所需形状(以及由其支承的其它层的形状)；
“凹处”或“肋状物”是指位于两个凹陷区域之间的成形层的一部分；并且
“纤维网”是指在两个维度上明显地大于第三个维度且具有透气性的结构。
附图说明
图1为根据本发明的过滤式面罩呼吸器10的透视图。
图2为图1所示的面罩主体12的后视图。
图3为根据本发明的成形层20的透视图。
图4为沿着图1的线4-4截取的面罩主体12的剖视图。
具体实施方式
为了实践本发明，提供一种包括闭孔泡沫成形层的过滤式面具呼吸器。在佩戴者佩戴所述过滤式面具呼吸器时，成形层在面罩主体周边处与人的面部接触。所述成形层具有多个尺寸足够大的透气开口，通常占成形层表面面积的至少10％，从而允许空气在被过滤之后容易地进入到面罩主体内部气体空间中，从而使呼吸器能够由人舒适地佩戴。所述成形层还具有一系列凹陷区域以及凹处或肋状物，所述凹陷区域以及凹处或肋状物增加面罩主体的刚度且进一步允许所吸入的空气在内部气体空间内的快速分布。
在呼吸器使用期间，佩戴者的肺部提供将环境空气穿过面罩主体从外部气体空间驱动到内部气体空间所需要的能量。在压降低的时候，需要较少的能量来过滤环境空气。当呼吸器被佩戴者长时间佩戴时，较低的压降可非常有益于佩戴者，因为呼吸洁净空气所需要的功或能量较少。特别是在以质量因子(QF)量度的形式结合颗粒渗透率时，压降是呼吸器性能的既定量度—例如，参见授予Angadjivand等人的美国专利6,923,182。本发明的提供健全的过滤式面具呼吸器的能力可尤其有益于呼吸器用户和制造商，其中所述健全的过滤式面罩呼吸器在使用透气的闭孔泡沫材料作为成形层时表现出良好的贴合性和性能。
图1示出了包括面罩主体12和带具14的过滤式面具呼吸器10。带具14可包括可由弹性材料制成的一个或多个带16。带具的带可通过多种装置而被固定到面罩主体，所述装置包括粘着剂部件、粘合部件或机械部件(例如，参见授予Castiglione的美国专利6,729,332)。例如，所述带具可被超声焊接到面罩主体，或被钉固定到面罩主体。面罩主体12包括过滤结构18和成形层。过滤结构18位于成形层的外部且可从前部看到。过滤结构18可沿着面罩主体周边19接合到成形层。
图2示出了面罩主体12、特别是包含闭孔泡沫材料的内部成形层20的后视图。在佩戴者佩戴呼吸器时，所述成形层20在面罩主体周边19处与人的面部接触。成形层20包括多个开口22，所述开口大致被设定尺寸以向成形层提供约10至50平方厘米(cm2)、更常见地为12至30cm2的等同呼吸开口(EBO)。所述开口总共占成形层的总表面面积的至少5％、通常至少8％、更通常为约12％至40％。开口22可位于面罩主体的顶端区域24中以及面罩主体的中间区域26中。开口22还可以向下延伸到面罩主体的周边区域28中。所述中间区域通常占约300至500平方毫米(mm2)。开口22通过肋状物30彼此分隔，在从后面观看面罩主体12时，所述肋状物通常作为凹处出现在凹陷区域31之间，如图2所示。肋状物30大致为约2至15mm宽，更通常为约3至7mm宽。开口22可采取多种形状，包括圆形、卵形、椭圆形、长菱形、方形、矩形、三角形、菱形等。所述开口还由凹陷区域31环绕。凹陷区域31总共占成形层20的总表面面积的约10％至70％，更通常地为成形层20的总表面面积的约12％至40％，包括由所述凹陷区域环绕的开口。每个凹陷区域通常在表面面积(包括位于其中的开口在内)中单独地占约3至25平方厘米(cm2)、更通常地为5至20cm2。成形层的面积被测量为包含凹陷区域的侧壁。所述凹陷区域从成形层的过滤结构或外表面凹陷3毫米至1厘米，更通常地约4至7mm。凹陷区域31还可成为多种构型，例如圆形、椭圆形、三角形、梯形、矩形以及上文关于开口形状所述的那些形状。肋状物30大致在凹陷区域之间从面罩顶端向外径向地延伸。
当将呼气阀放置于过滤式面具呼吸器上时，可将所述呼气阀固定到面罩主体的顶端区域24处。作为另外一种选择，可将框架模制到面罩主体的顶端区域24中，以适应所述呼气阀—参见授予Martin等人的美国专利申请公布2009/0078264A1。因此，当呼气阀为所需的时，设置于成形层中的用于适应经过过滤结构的流体流动的开口结构将大致避免出现在顶端区域的适应所述呼气阀的部分上—即，所述框架所位于的位置处。
图3示出了面罩主体12和具有位于凹陷区域31之间的肋状物30的每个凹陷区域31的前视图。在组装呼吸器时，所述肋状物与设置于其之上的过滤结构中的材料接触。凹陷区域31从成形层20的外表面32径向向内凹陷。因此，过滤结构18(图1和图4)并不接触、或基本上不接触凹陷区域31中的成形层20的外表面32。
图4示出了成形层20可包括多个层。第一内适形层33可由闭孔泡沫材料制成，具有比外结构泡沫层34低的密度。所述内适形层可表现出约0.02至0.1g/cm3的表观密度。内层33的压缩强度可为约0.25至1千帕(KPa)、更通常地为约0.3至0.5KPa。第二外泡沫层34可表现出约0.05至0.5g/cm3的表观密度和约0.25至3KPa、更常见地为约1至2.5KPa的压缩强度。在不太致密时，内层33趋于更舒适或更适形于面部结构以提供紧密且舒适的贴合性。作为内泡沫层的替代形式，可使用非织造纤维网为成形层提供适形的面部接触层。为了用作充分面部接触层，纤维内层应当能够被粘合到第二外层，且应当具有柔软触感且可提供吸汗属性，从而赋予额外的舒适度。纤维内层的例子可包括梳理纤维网或纺粘网、或者为聚对苯二甲酸乙二酯或聚丙烯或聚酰胺或人造丝制成的织物。所述层可通过多种技术接合在一起，包括化学粘合和物理粘合。过滤结构18也可包括非织造纤维材料的一个或多个层，例如在泡沫成形层20的外部或上游的过滤层36和内部覆盖纤维网38、外部覆盖纤维网38’。覆盖纤维网30、38’可被提供为保护过滤层38且阻止过滤层36中的织物从面罩主体12松散开。尽管示出了两个覆盖纤维网38、38’，但过滤结构可被形成为仅具有一个外部覆盖纤维网38或者根本不具有任何覆盖纤维网。在呼吸器使用期间，空气依次经过层38、36、38’和成形层20中的开口22，然后进入面罩内部。凹陷区域31各自充当集气室，有助于将经过过滤的空气快速分布到面罩主体的内部气体空间中。然后，佩戴者可吸入面罩12的内部气体空间内的空气。当佩戴者呼气时，空气沿相反的方向依次穿过层20、38’、36和38。作为另外一种选择，可在面罩主体12上提供呼气阀(未示出)以允许呼出的空气从内部气体空间被快速吹扫以不穿过过滤结构18而进入外部气体空间。通常，覆盖纤维网38、38’由选定的非织造材料制成，所述非织造材料提供低压降同时几乎不增加最终产物的重量。下文中将更详细地描述可与过滤结构结合使用的多种过滤层和覆盖纤维网的构型。本发明的过滤式面具呼吸器可表现出小于120Pa、更优选地小于100Pa、且还更优选地小于90Pa的压降。质量因子QF可大于0.5、大于0.6、且甚至大于0.8。包括过滤结构18和成形层20的面罩主体12(图3)可表现出至少4牛(N)、至少约6N且甚至至少8N的刚度。刚度可根据下文示出的面罩刚度测试来测定。
结合本发明使用的面罩主体可具有如图1所示的弯曲半球状形状(还参见授予Dyrud等人的美国专利4,807,619)，或者所述面罩主体可采用多种不同的形状和构型—例如，参见授予Japuntich的美国专利4,827,924。如上文所述，成形层可包括具有不同密度的一个或多个泡沫层。所述泡沫层也可由不同的聚合物材料制成。内层—即较接近面部的层—可由(例如)低密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、或者天然橡胶或合成橡胶制成。外层可包括下列聚合物中的一种或多种：聚丙烯、乙烯醋酸乙烯酯、聚酰胺、或聚酯。所述多层成形层可由非织造物或织物(例如，聚对苯二甲酸乙二酯或聚酰胺或聚丙烯或人造丝)制成。尽管已将过滤结构示出为具有包括过滤层和覆盖纤维网的多个层，但所述过滤结构也可仅包括过滤层的组合或过滤层和覆盖纤维网的组合。例如，可在更确定且选择性的下游过滤层上游设置预过滤层。另外，可将例如活性炭的吸附性材料设置在织物和/或包括过滤结构的各种层之间，但鼻部区域可不存在这样的吸附性材料，以免损害所需的紧密贴合性。而且，还可将单独的颗粒过滤层结合吸附层一起使用，以提供对颗粒和蒸气两者的过滤。过滤结构可包括在使用期间有助于提供杯形构型的一个或多个刚性层。所述过滤结构还可具有有助于其结构完整性的一条或多条水平和/或竖直分界线，例如焊接线或粘合线，
用于本发明的面罩主体中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的结构。过滤结构也可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)液体气溶胶或液体飞溅(如血液)渗透所述过滤层。根据应用需求，可以使用多层类似或相异的过滤介质，以构造本发明的过滤结构。可以在本发明的分层面罩主体中有利地利用的过滤器大致具有低压降(例如，在13.8厘米/秒的面速度下小于约200至300帕斯卡)，以最小化面罩佩戴者的呼吸功。另外，过滤层为柔性的并具有足够的剪切强度，使得它们在预期的使用条件下大致保持其结构。颗粒捕集过滤器的例子包括一个或多个精细无机纤维(例如玻璃纤维)或聚合物合成纤维。合成纤维网可包括由例如熔吹等工艺制成的驻极体充电的聚合微纤维。由带电的聚丙烯形成的聚烯烃微纤维特别适用于颗粒捕集应用。
通常对过滤层进行挑选，以实现所需的过滤效果。大致，过滤层将从穿过它的气流中移除高百分比的颗粒和/或其它污染物。对于纤维过滤层而言，根据将要过滤掉的物质种类选择纤维，并且通常对纤维进行选择，以使得在制备操作期间纤维不粘合在一起。如上文所述，过滤层可以具有多种形状和形式，并且其厚度通常为约0.2毫米(mm)至1厘米(cm)，更通常为约0.3mm至0.5cm，并且它可以是大致为平面的纤维网，或者它也可以是波纹形的以提供扩大的表面面积—例如，参见授予Braun等人的美国专利5,804,295和5,656,368。所述过滤层还可以包括用粘结剂或任何其它方式接合在一起的多个过滤层。已知的(或随后开发的)用于形成过滤层的基本上任何适合的材料都可以用作过滤材料。例如在工业与工程化学(48Indus.Engn.Chem.,第1342页及后续页等(1956年))中由Wente、Van A.的Superfine Thermoplastic Fibers(超细热塑性纤维)中所述，熔吹纤维网、特别是呈永久带电(驻极体)的形式时是特别可用的(例如，参见授予Kubik等人的美国专利4,215,682)。这些熔吹纤维可以是有效纤维直径小于约20微米(μm)的微纤维(称为“吹塑微纤维”，简称BMF)，通常为约1至12μm的微纤维。有效纤维直径可根据在1952年伦敦的机械工程师学会(Institution Of Mechanical Engineers)的会议记录1B中的、Davis，C.N.的The Separation Of Airborne Dust Particles(空载粉尘颗粒的分离)中记述的方法来测定。含有由聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、以及它们的组合形成的纤维的BMF纤维网是特别优选的。熔吹纤维网可使用在授予Erickson等人的美国专利7,690,902中所描述的设备和晶粒来制作。如van Turnhout在美国专利RE.31,285中教导的带电荷的原纤化膜的纤维、以及松香羊毛纤维网和玻璃纤维网或者溶液吹塑、或静电喷涂纤维网(特别是以微纤维的形式)也可以是适合的。也可将纳米纤维网用作过滤层—参见授予Fox等人的美国专利7,691,168。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，可通过使纤维与水接触而将电荷赋予纤维。如授予Klasse等人的美国专利4,588,537中所公开的那样，也可以通过电晕充电而将电荷赋予纤维，或者如授予Brown的美国专利4,798,850中所公开的那样，通过摩擦充电而将电荷赋予纤维。此外，可以将添加剂包含在纤维中，以增强通过水充电法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)。具体地讲，可以将氟原子设置在过滤层中的纤维表面上，以改善在油雾环境中的过滤性能—参见授予Jones等人的美国专利6,398,847B1、6,397,458B1和6,409,806B1；授予Kirk等人的美国专利7,244,292；授予Spartz等人的美国专利7,244,291；以及授予Sebastian等人的美国专利7,765,698。驻极体BMF过滤层的典型基重为约10至100克/平方米(g/m2)。在如上文提及而被带电荷并任选地氟化时，基重可分别为约20至40g/m2和约10至30g/m2。
覆盖纤维网可用于收集面罩主体中的松散纤维并出于美学原因来使用。虽然覆盖纤维网通常不对过滤结构提供任何基本的过滤有益效果，但是当设置在过滤层外部(或上游)时，其可充当预过滤器。覆盖纤维网优选地具有相对低的基重，并由相对细的纤维形成。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旦尼尔(通常小于2旦尼尔、并且更通常小于1旦尼尔但大于0.1旦尼尔)。在覆盖纤维网中使用的纤维的平均纤维直径通常为约5至24微米，通常约7至18微米，且更通常约8至12微米。覆盖纤维网材料可以具有一定程度的弹性(在断裂时通常、但不一定是100％至200％)，并且可塑性变形。
适用于覆盖纤维网的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，以及聚丙烯和聚乙烯的共混物)。制备用于覆盖纤维网的BMF材料的适合工艺描述于授予Sabee等人的美国专利4,013,816中。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)上来形成所述纤维网—参见授予Berrigan等人的美国专利6,492,286。还可以使用纺粘纤维。
典型的覆盖纤维网可以由聚丙烯或者含有50重量百分比或更多的聚丙烯的聚丙烯/聚烯烃共混物制成。已经发现，这些材料能够给佩戴者带来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，能够在层与层之间不需要粘合剂的情况下保持固定到过滤材料。适于在覆盖纤维网中使用的聚烯烃材料可包括(例如)单一聚丙烯、两种聚丙烯的共混物、以及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例子是由得自Exxon Corporation的聚丙烯树脂“Escorene3505G”制成的聚丙烯BMF，其提供的基重为约25g/m2，且纤维的纤度介于0.2至3.1的范围内(100根纤维的平均测量值为约0.8)。另一种适合的纤维为聚丙烯/聚乙烯BMF(由包含85％的树脂“Escorene3505G”和15％的同样得自Exxon Corporation的乙烯/α-烯烃共聚物“Exact4023”的混合物制备)，其提供的基重为约25g/m2，且平均纤维的纤度为约0.8。适合的纺粘材料得自德国派纳(Peine,Germany)的Corovin GmbH公司，商品名为“Corosoft Plus20”、“Corosoft Classic20”和“Corovin PP-S-14”，以及得自芬兰纳基拉(Nakila,Finland)的J.W.Suominen OY公司的商品名为“370/15”的聚丙烯/粘胶纤维梳理材料。
本发明中所使用的覆盖纤维网大致在处理之后只有极少的纤维从纤维网表面突出，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例子公开于(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WO96/28216A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、非弹性编织组分等等。所述带子可以由弹性材料制成，例如弹性编织材料。所述带子优选地能够伸长到大于其总长度的两倍并恢复其松弛状态。所述带子的长度也可以增加到其松弛状态长度的三倍或四倍，且当移除张力时可恢复到其初始状态而不会对其有任何损坏。因此，弹性极限大致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20至30cm长、3至10mm宽和约0.9至1.5mm厚。带子可作为连续的带子从第一侧延伸到第二侧，或者所述带子可以具有多个部分，这些部分可用其它紧固件或扣环接合在一起。例如，带子可以具有用紧固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，所述紧固件能够被佩戴者快速解开。在授予Xue等人的美国专利6,332,465中示出可结合本发明使用的带子的一个例子。例如，在下列文献中示出可用于将带子的一个或多个部分接合在一起的紧固或夹紧机构的实例：授予Brostrom等人的美国专利6,062,221，授予Seppala的美国专利5,237,986，和授予Chien的EP1,495,785A1，以及授予Gebrewold等人的美国专利公布2009/0193628A1和授予Stepan等人的国际公布WO2009/038956A2。
如上文所述，可以将呼气阀附接到面罩主体，以便于吹扫来自内部气体空间的呼出空气。使用呼气阀可以通过快速清除来自面罩内部的湿热的呼出空气，从而提高佩戴者的舒适度。例如，参见授予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7,493,900、7,428,903、7,311,104、7,117,868、6,854,463、6,843,248和5,325,892；授予Mittelstadt等人的美国专利7,849,856和6,883,518；以及授予Bowers的RE37,974。提供适合压降且可适当地固定到面罩主体的基本上任何呼气阀都可以结合本发明使用，以将来自内部气体空间的呼出空气迅速地传送到外部气体空间。
实例
测试方法
下列测试方法用于评价过滤器纤维网、模制泡沫元件和成品面罩：
颗粒渗透率和压降
使用得自明尼苏达州圣保罗(St.Paul,Minnesota)的TSI Incorporated公司的AFT测试器(型号8130)来测定过滤器纤维网和成品面罩两者的颗粒渗透率和压降量度。使用以20毫克/立方米(mg/m3)的浓度和13.8厘米/秒(cm/sec)的面速度传送的氯化钠(NaCl)测试物作为测试气溶胶。在测试期间，气溶胶在过滤器纤维网或面罩的下游侧上的浓度被测定并与作用浓度相比较。受测试物的渗透率百分比表示为氯化钠的下游浓度除以测试物的上游浓度的百分比，并以百分比浓度进行报告。除过滤器效率外，还以帕斯卡(Pa)为单位记录并报告在整个受测试物上的压降。
面罩刚度
使用得自北卡罗来纳州格林斯伯勒(2620High Point Road,Greensboro,NC)的J.A.King&Co.公司的金氏刚度测试器(型号SASD-672)来测定面罩的刚度。刚度被确定为将直径为2.54cm的平面探针推到面罩顶端中所需要的力。为了进行测试，将探针定位在安放在夹具平台上的面罩的顶端上。然后，以32mm/sec的十字头速度(cross head speed)朝向面罩延伸所述探针，使得面罩被压缩21毫米。在探针的完全延伸结束时，以牛(N)为单位记录压缩所述面罩所需要的力。
表观泡沫密度
通过ASTM D3575-08、Suffix W、方法A来测定泡沫材料的表观密度。以克/立方厘米(g/cm3)为单位报告表观密度的值。
压缩强度
通过ASTM D3575-08、Suffix D来测定泡沫的压缩强度。以千帕(kPa)为单位报告压缩强度的值。
等效呼吸开口
通过首先找出穿过面罩泡沫层的代表性呼吸开口的水力半径(hydraulic radius)Rh来测定面罩的等效呼吸开口(EBO)。通过用开口的面积除以开口周边长度来计算开口的水力半径。使用光学比较器(UnionOptical Co.,LTD公司的DZ2高倍放大变焦显微镜和MediaCybernetics,Inc.公司的Plus)来测定代表性开口的面积和周长。如果在面罩中使用多于一个呼吸开口构型，则测定每个代表性开口的水力半径R(n)h，其中n表示特定开口尺寸。然后将EBO计算如下：
EBO ≡ 4 π Σ n = 1 N a n ( R n ) h 2
其中：an为特定尺寸n的代表性开口的数量
R(n)h为代表性开口n的水力半径
对于具有水力半径完全相同的n个开口的面罩，EBO将被计算为：
EBO ≡ 4 πn R h 2
水力半径的值以厘米(cm)为单位给出，并且EBO的计算值以平方厘米(cm2)为单位。
实例1
本发明的杯形面罩由结构泡沫成形层和过滤预成型件两个基本元件来制备。通过首先层压两层材料来制备结构泡沫成形层：内适形层和外结构层。用于外结构层的材料是由韩国大田市(Daejeon-Si,Korea)的YongboChemical公司出售的闭孔聚丙烯泡沫Q1001.1W。外结构层的表观密度和压缩强度分别为0.1013g/cm3和1.14kPa。内适形层材料是同样得自韩国大田市Yongbo Chemical公司的闭孔聚乙烯泡沫R3003W。所述泡沫的表观密度和压缩强度分别为0.0322g/cm3和0.32kPa。通过火焰层压工艺来完成这些层的层压。
火焰层压法涉及在将泡沫表面加热至大约200℃的连续滚筒层压工艺中使外结构泡沫层的一个面暴露于受控火焰中。然后，使从层压机的滚筒上拖曳下来的适形泡沫层在受控的线张力下与受热的泡沫表面直接接触。然后使这些层以45度的进入角通过20cm直径的滚动心轴。在由线张力和与滚动心轴接触造成的压缩作用下，受热泡沫的冷却使得所述层在其界面处内聚地粘合。层压机线张力和速度分别为3牛/厘米(线宽度)和15.1米/分钟。然后，使用刀模(rule die)以切穿层压品的呼吸开口图案将所述层压结构穿孔。
存在十二个三角形和梯形的开口，所述开口大致为等距的且由表现出三角形和梯形图案的凹陷区域环绕，如图2所示。所述成形开口具有介于8mm至35mm的范围内的侧长度。在大致构成面罩主体的中间区域的区域上形成十二个开口。上面被切割出洞图案的成形层的中间区域具有约92mm的大直径和约28mm的小直径，且占约423mm2的面积。在将要形成为面罩鼻梁的部分附近的成形层并不被切割。然后通过模制步骤将冲切泡沫层压片成型为图1至4中所示面罩的结构杯形构型。凹陷区域
通过将层压层挤压在配合的阴模半件和阳模半件之间来进行切割层压品的模制。大致半球状面罩形阴模具的深度为约55mm并且体积为310cm3，模具的阳部件为模具的阴半件的镜像。在模制步骤中，将模具的阳半件和阴半件加热到大约105℃。然后，将层压片放置在模半件之间，使得面罩的鼻部件适当地取向，且模具被闭合到2.5mm的间隙。在打开模具并移除结构杯形物之前，保持大约10至15秒的保压时间。在模制步骤之后，面罩中的开口的尺寸是大致一致的，并且被测定为具有1.4～4.62mm的Rh。所述成形层具有约15.9cm2的EBO。所述开口占成形层的总表面面积的10％。所述开口位于如图2所示的面罩主体的中间区域中。所述开口通过肋状物彼此分隔，在从后面观看所述面罩主体时，所述肋状物表现为凹陷区域之间的凹处。所述肋状物为约4mm宽。所述开口被一个凹陷区域环绕，该凹陷区域表现出从成形层的外表面起为5mm的深度。所述凹陷区域总共占成形层的总表面面积的约14％。每个凹陷区域通常在表面面积(包括位于其中的开口在内)中单独地占约6.4至14.1cm2。
面罩的过滤元件被构造为附接到杯形成形层上的预成型件。通过将过滤层和保护覆盖纤维网层叠在一起并且将经过各层的形成边缘超声焊接在一起来制成所述预成型件。为了构造所述预成型件，将198cm×202cm的材料片以如下顺序层叠在一起：覆盖纤维网/过滤网/过滤网/覆盖纤维网。然后，经过各层焊接抛物线曲线，所得的形状模拟结构泡沫杯形物的弧形轮廓。用于预成型件的覆盖纤维网是得自韩国首尔的Toray AdvancedMaterial KoreaInc.公司的30克/平米(gsm)的聚丙烯纺粘30SS。所使用的过滤网是有效纤维直径(EFD)为9微米(μm)的110克/平方米(gsm)的吹塑微纤维网，上述直径是根据在1952年伦敦的机械工程师学会(Institution Of Mechanical Engineers)的会议记录1B中的Davis，C.N.的The Separation Of Airborne Dust Particles(空载粉尘颗粒的分离)中记述的方法来计算的。微纤维网在受到13.8帕斯卡(Pa)的压缩负荷时具有1.7毫米(mm)的厚度。使用大致在工业与工程化学研究(48Indus.Engn.Chem.，1342页及后续页(1956年))中的Wente、Van A的SuperfineThermoplastic Fibers(超细热塑性纤维)中教导的方法、由聚丙烯(得自德克萨斯州休斯敦(Houston,Texas)的Fina Oil and Chemical Co.公司的Fina3857)制成所述微纤维网。通过大致在美国专利6,119,691中描述的方法在微纤维网中引入永久静电电荷(驻极体)。所得的纤维网具有3.2％的渗透率和73.5Pa的压降，从而得到0.46的质量因子QF。为了形成本实例的面罩，将作为覆盖纤维网和过滤介质的层压物的预成型件展开并放置在成形层上，其中过滤介质面向杯形物。然后使用超声焊接法围绕面罩基部将组件进行边缘密封，以将预成型件熔融到成形层的外缘处并修剪掉多余材料。
评价面罩的抗碎性(刚度)、颗粒渗透率和压降。测试结果在表1中给出，其中还包括EBO值。
实例2
根据实例1来制备实例2，但不同之处在于所得开口为具有5mm直径的圆形洞。将这些洞设置在上述凹陷区域中。所述十二个凹陷区域中存在大约80个洞。面罩主体中的开口的尺寸是大致一致的，并且被测定为具有1.3mm的Rh范围。成形层的EBO为约15.7cm2。所述开口占成形层的总表面面积的约26％。
实例3
以如同实例1的方式制备实例3，但不同之处在于将热粘合非织造网用作适形层。使用4旦尼尔(dpf)低熔点纤维(韩国首尔的Huvis Corp.公司的51mm的LMF4DE’)和6旦尼尔聚酯短纤维(韩国首尔的HuvisCorp.公司的38mm的RSF6DE’)的共混物在“Rando Webber”气流成网机(air-laying machine)(得自纽约州马其顿(Macedon,N.Y.)的RandoMachine Corporation公司)中制备200gsm的非织造网。所述共混物的成分是70重量百分比的4dpf纤维和30重量百分比的6dpf纤维。通过使疏松网穿过120℃的熔炉达30秒来热粘合所述疏松网。
评价面罩的抗碎性(刚度)、颗粒渗透率和压降。在表1中给出测试结果，其中还包括EBO值。
实例4
以如同实例3的方式制备实例4，但不同之处在于使用了实例2的呼吸开口图案。
评价面罩的抗碎性(刚度)、颗粒渗透率和压降。在表1中给出测试结果，其中还包括EBO值。
比较例1
使用相同的过滤层和常规的非织造内层、以如同实例1中所述的方式来制备和测试比较性实例1。
表1
虽然示例面罩大致表现出高于比较样品的压降，但是发现其更适于配戴并且提供良好的面部贴合度。还观察到成形层保持总面罩型式，而内适形层符合佩戴者的鼻部和面颊区域周围，从而增强贴合度。即使成形层的相当大小的部分被泡沫封闭，穿过面罩的呼吸阻力也出奇地低。

Claims (20)

1.一种过滤式面具呼吸器，包括：
(a)带具；和
(b)面罩主体，所述面罩主体包括：
(i)过滤结构；和
(ii)杯形成形层，所述杯形成形层包括闭孔泡沫层，所述闭孔泡沫层具有位于其中的多个透气开口，并且具有环绕所述多个透气开口的凹陷区域。
2.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述凹陷区域从所述过滤结构凹陷3毫米至1厘米。
3.根据权利要求2所述的过滤式面具呼吸器，其中所述凹陷区域从所述过滤结构凹陷4毫米至7毫米。
4.根据权利要求3所述的过滤式面具呼吸器，其中所述面罩主体不含鼻部泡沫和弹性体面密封件。
5.根据权利要求2所述的过滤式面具呼吸器，其中所述凹陷区域总共占所述成形层的总表面面积的10％至70％。
6.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述流体可渗透的开口占所述成形层的总表面面积的10％至30％。
7.根据权利要求5所述的过滤式面具呼吸器，其中所述流体可渗透的开口为所述成形层提供10至50cm2的EBO。
8.根据权利要求5所述的过滤式面具呼吸器，其中所述开口为所述成形层提供12至30cm2的EBO。
9.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述过滤结构至少沿着所述面罩主体的整个周边接合到所述成形层。
10.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述面罩主体具有至少2牛的刚度。
11.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述面罩主体具有至少2.5牛的刚度。
12.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述过滤结构定位在所述面罩主体之上，使得在佩戴者佩戴所述过滤式面具呼吸器时所述成形层在所述面罩主体周边处与所述佩戴者的面部接触。
13.根据权利要求2所述的过滤式面具呼吸器，其中包括每个凹陷区域内的内含开口在内，所述凹陷区域各自占3至25平方厘米。
14.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中包括所述凹陷区域所环绕的所述开口在内，所述凹陷区域总共占所述成形层的总表面面积的12％至40％。
15.根据权利要求14所述的过滤式面具呼吸器，其中所述凹陷区域从所述成形层的外表面区域凹陷4至7mm。
16.根据权利要求15所述的过滤式面具呼吸器，其中所述凹陷区域存在于所述成形层的中间区域中。
17.根据权利要求16所述的过滤式面具呼吸器，其中所述凹陷区域的形状为三角形和矩形。
18.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中在相邻的凹陷区域之间存在肋状物。
19.根据权利要求2所述的过滤式面具呼吸器，其中所述肋状物为2毫米至1厘米宽。
20.一种过滤式面具呼吸器，包括：
(a)带具；和
(b)面罩主体，所述面罩主体包括：
(1)过滤结构；和
(2)包括闭孔泡沫层的杯形成形层，所述闭孔泡沫层具有(i)位于其中的多个流体可渗透的开口，(ii)环绕每个流体可渗透的开口且凹陷至少3mm的凹陷区域，和(iii)位于相邻的凹陷区域之间的肋状物，其中所述过滤结构与所述成形层接触，但此接触并不出现在所述凹陷区域处，其中所述凹陷区域总共占所述成形层的总表面面积的10％至70％，并且其中所述包括闭孔泡沫层的杯形成形层沿着所述面罩主体的周边设置。
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