CN104302363A - 具有接合至网片的外覆盖纤维网的模制呼吸器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种呼吸器10，所述呼吸器具有面罩主体12和带具14，所述带具附接至所述面罩主体12。所述面罩主体12包括过滤结构18，所述过滤结构具有内覆盖纤维网40a、包括熔喷纤维和短纤维的外覆盖纤维网40b，以及过滤层42，所述过滤层位于所述内覆盖纤维网40a和所述外覆盖纤维网40b之间。所述面罩主体12还具有网片20，所述网片接合至所述外覆盖纤维网40b。具有该构造的呼吸器更能防止所述过滤介质在呼吸期间向内塌陷并且更为美观。

Description

具有接合至网片的外覆盖纤维网的模制呼吸器
本发明涉及具有接合至网片结构的外覆盖纤维网的呼吸器面罩主体。
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)防止杂质或污染物进入佩戴者的呼吸系统；和(2)抑制其他人或物暴露于由佩戴者呼出的病原体和其他污染物中。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，例如在汽车车身修理店中。在第二种情况下，在对其他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“过滤式面罩”，因为面罩主体本身用作过滤机构。与使用结合可附接式滤筒或过滤衬垫(参见例如授予Yuschak等人的美国专利RE39,493和授予Tayebi的美国专利5,094,236)或插入成型过滤元件(参见例如授予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，过滤式面罩呼吸器具有遍及整个面罩主体一体地延伸的过滤介质，使得无需安装或更换滤筒。因此，过滤式面罩呼吸器重量相对较轻并且易于使用。
过滤式面罩呼吸器通常属于以下两类呼吸器中的一类，即平折式呼吸器和成形呼吸器。平折式呼吸器是放平存放的，但其包括接缝、褶绉和/或折痕，使得面罩在打开后呈适合使用的杯状构型。平折式过滤式面罩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。成形的过滤式面罩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结纤维或多孔塑料网片制成。成形层主要被设计成为过滤结构提供支承。相对于过滤结构，成形层可驻留在面罩的内部上(邻近佩戴者的面部)，或者其可驻留在面罩的外部上，或者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。
在构造用于成形过滤式面罩呼吸器的面罩主体时，通常将过滤层抵靠成形层并列，并通过将组装层放置在加热的阳模部件和阴模部件之间(参见例如，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段并随后将叠加层冷却模制成面罩的形状(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。过滤层通常假设模制成形层的弯曲构型。
当成形层由塑料网片制成时，诸如授予Skov的'347专利中所述的过滤式面罩呼吸器，成形层或网片通常以间隔或未接合关系驻留在除了面罩周边和将阀门安装至面罩主体的位置处之外的过滤结构上。图1示出了已知的呼吸器100，其具有作为支承结构的网片102。图2示出了通常位于网片102和过滤结构106之间的间隙104。网片102和过滤结构106之间的未接合关系104不允许过滤结构106完全由网片102支承，使得过滤结构106在面罩主体的整个表面上抵靠网片102保持并列。因此，存在将过滤结构向内牵拉的机会，特别是在佩戴者吸气并且面罩长期暴露于高的湿度或湿气水平时。过滤结构未紧密沿循外部网片也会造成通常不美观的外观。下文所述的本发明力求克服在模制的过滤式面罩呼吸器领域中的这些问题或难题。
发明内容
本发明提供了包括成形面罩主体和带具的过滤式面罩呼吸器。将带具附接至面罩主体。面罩主体包括过滤结构，该过滤结构具有内覆盖纤维网、包括熔喷纤维和短纤维的外覆盖纤维网，以及位于内覆盖纤维网和外覆盖纤维网之间的过滤层。熔喷纤维具有第一熔点。面罩主体还包括在面罩主体的中央区域结合至外覆盖纤维网的塑料网片。塑料网片包含聚合物材料，该材料具有与熔喷纤维的第一熔点类似的第二熔点。外覆盖纤维网可带有电荷，即它可为有助于从通过面罩主体的空气中移除污染物的驻极体过滤器。
本发明和已知的过滤式面罩呼吸器的不同之处在于，外覆盖纤维网包括熔喷纤维和短纤维，并且在面罩主体的中央区域接合至支承网片。在本发明中，熔喷纤维的熔点类似于塑料网片的熔点。在常规的过滤式面罩呼吸器中，面罩主体仅在周边和顶点处接合至网片，并且这通过超声焊接操作实现。在本发明中，将面罩主体中的纤维在面罩主体的中央区域热粘结至网片。这可通过以下来实现：结合短纤维使用熔喷纤维并通过使外覆盖纤维网中的熔喷纤维由表现出类似于网片的熔点的熔点的材料制成。这使得两个层在模制操作期间接合在一起。在外覆盖纤维网中使用熔喷纤维和短纤维也可让该层用作过滤结构的预过滤器。外覆盖纤维网中的纤维可带有电荷以改善过滤性能。所得的产品具有网片和接合在一起的过滤结构，使得这两层基本上在网片的整个内表面上相对于彼此并置。所得的产品具有令人满意的外观，并且在吸气期间过滤结构更能防止向内塌陷。
术语表
下文说明的术语具有以下含义：
“顶点区域”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”以及它们的变形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”是指相互平行延伸；
“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(例如有机蒸气等)、但可能悬浮在空气(包括呼出气流中的空气)中的其他物质；
“覆盖纤维网”是指非织造纤维层，其并非主要设计用于过滤污染物，或者并非是主要过滤层；
“纤度”是指9,000米原丝的重量，以克为单位；
“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；
“过滤式面罩”是指面罩主体本身被设计成过滤穿过它的空气；不存在附接至面罩主体或模制到面罩主体内来实现此目的的可独立识别的滤筒、过滤衬垫、或插入成型过滤元件；
“过滤器”、“过滤层”或“主要过滤层”是指一个或多个透气材料层，该一个或多个层适用于从穿过它的气流中移除污染物(诸如颗粒)的主要目的；
“过滤结构”是指主要被设计用于过滤空气的构造；
“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；
“一体的”是指在不损坏或破坏整体结构的情况下不能将所考虑的部件分开；
“并列”或“并置”是指使主要表面至少彼此接触；
“内部气体空间”是指面罩主体与人的面部之间的空间；
“接合”是指外覆盖纤维网中的至少一些纤维热粘结至网片；
“面罩主体”是指被设计成贴合到人的鼻部和嘴部上方的透气结构，其过滤穿过它的空气并且有助于限定与外部气体空间分离的内部气体空间；
“熔喷”或“熔吹”是指通过以下方式形成：挤压熔融材料穿过多个喷丝孔以形成原丝，同时使原丝与空气或其他细化用流体接触以将原丝细化成纤维，其后收集细化纤维层；
“熔喷纤维”是指通过熔喷制备的纤维；
“熔点”是指固体变为液体的温度；
“网片”是指塑料网片，其具有足够的结构完整性以在模制之后保持所需的形状，其具有空气可容易地通过的开放空间的网，并且(当在模制前平放时)该塑性网片在第一维度和第二维度上显著大于在第三维度上；
“中纤维”是指有效纤维直径大于10微米的纤维；
“微纤维”是指有效纤维直径为1至10微米的纤维；
“中央区域”是指在顶点区域和面罩主体周边之间的区域；
“模具”是指用于通过施加热和/或压力来将产品形成为所需的形状或构型的装置；
“模制的”或“模制”意指利用加热和压力形成所需形状；
“大量”意指100或更多；
“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；
“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；
“多孔的”是指透气的；
“聚合物”是指含有规则或不规则排列的重复化学单元的物质；
“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他成分的材料；
“多个”是指两个或更多个；
“呼吸器”是指由人佩戴在鼻部和嘴部上方的面部上从而为佩戴者提供用于呼吸的洁净空气的空气过滤装置；
就呼吸器面罩主体而言，“成形”是指面罩主体已模制成所需的面部贴合构型；
“成形层”和“支承结构”是指具有足够的结构完整性的层，以便在正常处理情况下保持其模制形状(以及由其支承的其他层的形状)；
就熔点而言，“类似”是指彼此相同或者在彼此相差20℃内；
“密实度”是指纤维网中的固体百分比；
“短纤维”是指具有确定长度的纤维；
“热粘结(或可粘结)纤维”是指在被加热到高于其熔点并且随后进行冷却之后粘结到相邻的塑料物质的纤维；
“上游”是指在移动流体流中的较早时间点；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是得自现有技术过滤式面罩呼吸器100的正面的照片。
图2是得自侧面的现有技术呼吸器100的放大的照片。
图3是佩戴在人的鼻部和嘴部上的本发明的过滤式面罩呼吸器10的透视图。
图4是图3中示出的面罩主体12的横截面。
图5示出了得自本发明的面罩主体12的侧面的放大的照片。
具体实施方式
在本发明的实践中，提供了过滤式面罩呼吸器，其中网片在面罩主体的中央区域接合至过滤结构。将网片和包含过滤结构的层模制在一起，使得过滤结构的外覆盖纤维网中的纤维与网片粘结。外覆盖纤维网包含微纤维和短纤维，并且微纤维具有类似于构成网片的塑料材料的熔点。微纤维在网片和微纤维之间的接触点处粘结至网片原丝。具有该构造的呼吸器具有非常好看的外观并且可防止过滤结构塌缩。
图3示出了过滤式面罩呼吸器10的例子，所述过滤式面罩呼吸器可根据本发明来使用，以为佩戴者提供清洁的呼吸空气。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具有支承结构16，所述支承结构向面罩主体提供结构完整性，并且为位于支承结构16后面的过滤结构18提供支承。当呼吸器10的佩戴者吸气时，过滤结构18从环境空气中移除污染物。支承结构16包括模制成三维构型的塑料网片20，该构型限定了面罩主体形状。当网片20处于其模制构型时可提供足够的结构完整性，以用于将面罩主体12保持其预期构型。过滤结构18可在面罩主体周边22处固定到支承结构16。当呼气阀(未示出)固定到面罩主体时，过滤结构18也可在面罩主体的顶点23处固定到支承结构16。可通过超声焊接来实现将网片20在周边22和顶点23处粘结至过滤结构。在周边22和顶点23之间为中央区域24，在该区域中网片和过滤结构通过网片材料和存在于外覆盖纤维网中的熔喷纤维之间的热粘结彼此粘结。如上所述，外覆盖纤维网包括熔喷纤维和短纤维。至少熔喷纤维粘结至网片材料。熔喷纤维粘结至网片材料是因为它们的熔点通常低于构成短纤维的纤维的熔点，并且具有与构成网片的塑料材料类似的熔点。通常提供短纤维来保持蓬松度或降低纤维网密实度。然而，短纤维也可由聚合物材料制成，该聚合物材料具有类似于网片的聚合物材料的熔点。如果需要，外覆盖纤维网可为在空气通过过滤结构的过滤层之前从空气中移除污染物的预过滤器。带具12可包括使面罩主体14能够支承在人的鼻部和嘴部上的一条或多条带25。可在带具14上提供可调式扣环，以允许调节带25的长度。也可将紧固或扣紧机构附接至带25，以允许在从人的面部移除呼吸器10时解开带具14，并在将呼吸器10佩戴至人的面部时重新装配带具。
图4示出了包括支承结构16和过滤结构18的面罩主体12的横截面。支承结构16包括网片20，并且过滤结构18包括一个或多个层，所述一个或多个层包括过滤层。
网片：
网片20驻留在面罩主体12的外表面上并且可由各种聚合物材料制成。适用于网片形成物的聚合物为热塑性材料。用于制备塑料网片的聚合物材料的杨氏模量通常为约14至7000兆帕斯卡(MPa)，更通常为1500至3000MPa。热塑性材料在施加热时熔融和/或流动，在冷却时重新硬化，并且在施加热时再次熔融和/或流动。热塑性材料在加热和冷却时通常仅经历物理变化：不会发生可测量的化学变化。可用于形成本发明的网片的热塑性聚合物的例子包括：聚乙烯醋酸乙烯酯(EVA)、聚烯烃(例如聚丙烯和聚乙烯)、聚氯乙烯、聚苯乙烯、尼龙、聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)以及弹性体聚合物(例如ABA嵌段共聚物、聚氨酯、聚烯烃弹性体、聚氨酯弹性体、茂金属聚烯烃弹性体、聚酰胺弹性体、乙烯醋酸乙烯酯弹性体以及聚酯弹性体)。在网片的制造中也可使用两种或更多种材料的共混物。此类共混物的例子包括：聚丙烯/EVA和聚乙烯/EVA。聚丙烯可优选的用于塑料网片，因为熔喷纤维通常由聚丙烯制成。使用类似的聚合物可实现将支承结构正确焊接至过滤结构。在单个单元格中呈现六边形或八边形形状的网片纤维网在模制时通常不会具有显著的畸变。单元格通常占约20到40平方毫米的面积。构成支承结构16的网片20通常具有约0.5至2.0毫米(mm)的厚度，并且构成网片20的股线28通常具有约0.2至3.2mm2，更具体地讲为约0.3到1.2mm2的平均横截面积。网片的熔融温度通常为约130到170℃，更通常为140至160℃。可根据差示扫描量热法测量熔点。
过滤结构：
如图4所示，过滤结构18可包括一个或多个覆盖纤维网40a和40b以及过滤层42。覆盖纤维网40a和40b可以位于过滤层42的相对两侧，以便捕捉可能会从该处松散的任何纤维。通常应选择可提供舒适感(特别是在与佩戴者面部接触的过滤结构18的侧面上)的纤维来制成内覆盖纤维网40a。
内覆盖纤维网：
内覆盖纤维网可用于捕集可从面罩主体松散的纤维并且可用于舒适原因。内覆盖纤维网通常不会对过滤结构提供任何实质的过滤益处。内覆盖纤维网优选地具有相对较低的基重，并由相对精细的纤维形成。更具体地讲，可将内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，并且更通常小于1纤度，但大于0.1纤度。用于内覆盖纤维网中的纤维通常具有约5微米至24微米、典型地约7微米至18微米、更典型地约8微米至12微米的平均纤维直径。覆盖纤维网材料可以具有一定程度的弹性(断裂时通常但非必须为100至200％)，并且可塑性变形。
合适的内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)。内覆盖纤维网可为预制备的，如授予Sabee等人的美国专利4,013,816中所述。可通过将纤维收集在平滑表面(通常为具有平滑表面的筒或旋转收集器)上来形成预制备的纤维网—参见授予Berrigan等人的美国专利6,492,286。在装配根据本发明的内覆盖纤维网时，还可使用纺粘纤维。
典型的内覆盖纤维网可由聚丙烯或包含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。适用于内覆盖纤维网的聚烯烃材料可以包括例如单种聚丙烯、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例子是由得自埃克森公司(ExxonCorporation)的聚丙烯树脂“Escorene 3505G”制成的聚丙烯BMF，其提供约25g/m2的基重，并具有0.2至3.1的范围内(100根纤维的平均测量值为约0.8)的纤维的纤度。另一种适合的纤维为聚丙烯/聚乙烯BMF(由包含85％的树脂“Escorene 3505G”和15％的同样得自埃克森公司(ExxonCorporation)的乙烯/α-烯烃共聚物“Exact 4023”的混合物制备)，其提供约25g/m2的基重，并具有约0.8的平均纤维的纤度。适合的纺粘材料以商品名“Corosoft Plus 20”、“Corosoft Classic 20”和“Corovin PP-S-14”得自德国派内的Corovin GmbH公司(Corovin GmbH,Peine,Germany)，并且聚丙烯/粘胶纤维梳理材料以商品名“370/15”得自芬兰Nakila的J.W.Suominen OY公司(J.W.Suominen OY,Nakila，Finland)。用于本发明中的内覆盖纤维网在处理之后通常具有极少从纤维网表面突出的纤维，并因此提供平滑外表面—参见授予Angadjivand的美国专利6,041,782、授予Bostock等人的美国专利6,123,077，以及授予Bostock等人的WO 96/28216A。
外覆盖纤维网：
外覆盖纤维网通常包含分布在整个熔喷纤维网内并与其相互缠结的短纤维。熔喷纤维可包含微纤维和中纤维的相互缠结的混合物。这些熔喷纤维包含熔点与网片的熔点类似的聚合物材料。熔点通常在彼此相差10℃内。在一个实施例中，纤维网具有相互缠结的微纤维和中纤维的双峰式混合物。在多种实施例中，微纤维可以呈现约10μm、约8μm、或约5μm的最大直径。在另外的实施例中，微纤维可以呈现约0.1μm、0.5μm、或1μm的最小直径。在多种实施例中，中纤维可以呈现约11μm、约15μm、或约20μm的最小直径。中纤维还可以呈现约70μm、60μm、或50μm的最大直径。外覆盖纤维网通常具有约0.5至30毫米(mm)，更通常约2.0至10mm的厚度。
微纤维和中纤维的群体可以根据纤维频率柱状图来表征，该图示出每一个给定直径的纤维数(不包括短纤维)。或者，该群体可以通过质量频率柱状图来表征，该图示出每一个给定纤维直径的纤维(不包括短纤维)的相对质量。熔喷纤维可以双峰式纤维直径分布存在，使得存在至少一种微纤维模式和至少一种中纤维模式。模式还可以质量频率柱状图存在，并且可以或可以不与以纤维频率柱状图存在的模式相同。在多种实施例中，双峰式纤维混合物纤维网可以呈现纤维直径为至少约0.1μm、0.5μm、1μm、或2μm的一种或多种微纤维模式。双峰式纤维混合物纤维网可以呈现纤维直径为至多约10μm、8μm或5μm的一种或多种微纤维模式，或者双峰式纤维混合物纤维网可以呈现1μm或2μm的微纤维模式。在多种实施例中，双峰式纤维混合物纤维网可以呈现纤维直径为至少约11μm、15μm或20μm的一种或多种中纤维模式以及纤维直径不超过约50μm、40μm或30μm的一种或多种中纤维模式。这种双峰式纤维混合物纤维网可以呈现至少两种模式，其对应的纤维直径的差值为较小纤维直径的至少约50％、100％、200％、或400％。双峰式纤维混合物纤维网柱状图可以呈现较小直径的熔喷纤维群体和较大直径的熔喷纤维群体之间的一个或多个间隙。熔喷纤维的熔点通常为约130至170℃，更通常为约140到160℃。
正如可通过观察例如质量频率柱状图查明的那样，中纤维可以构成熔喷纤维材料按重量测定的很大一部分，因此可以向纤维网提供强度和机械完整性。在一个实施例中，中纤维占熔喷纤维的至少约30重量％。在另外的实施例中，中纤维占熔喷纤维的至少约40重量％、50重量％、60重量％、或70重量％。
正如可通过观察例如纤维频率柱状图查明的那样，微纤维可以具有纤维网中的大部分纤维数，因此可以提供所需的能力以捕集细小粒子。在一个实施例中，微纤维为中纤维的至少五倍。在可供选择的实施例中，微纤维为中纤维的至少十倍；在另一个实施例中，为至少二十倍。
用于制备熔喷微纤维和中纤维的树脂通常具有相同的聚合物组合物。微纤维和中纤维在熔喷处理期间或后续的模制处理期间能够彼此熔融粘结，这取决于每一种处理所采用的具体条件。在可供选择的实施例中，用于制备熔喷纤维(微纤维和中纤维)的树脂具有同时共挤出的不同聚合物组合物。
用于制备微纤维和中纤维的树脂也通常具有基本上相同的熔体流动指数。
可以适用于熔喷的成纤树脂的一些例子包括热塑性聚合物(例如聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯)、嵌段共聚物(例如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、以及聚烯烃(例如聚丙烯、聚丁烯、以及聚(4-甲基-1-戊烯))、或这种树脂的组合。可用于制备熔喷纤维的材料的例子公开在授予Baumann等人的美国专利5,706,804、授予Peterson的美国专利No.4,419,993、授予Mayhew的美国再颁布专利No.Re.28,102、授予Jones等人的美国专利5,472,481和5,411,576、以及授予Rousseau等人的美国专利5,908,598。
对于将充电的纤维网而言，输入聚合物树脂可以是基本上将保持合格的驻极体特性或电荷分离的任何热塑性成纤材料。对于可充电的纤维网，优选的聚合物成纤材料是在室温(22℃)下体积电阻率为1014Ω-cm或更大的非导电树脂。优选地，体积电阻率为约1016Ω-cm或更大。另外，用于在可充电的纤维网中使用的聚合物成纤材料还优选地基本上不含诸如抗静电剂之类的组分，这些组分可显著地增大导电率，或换句话讲，干扰纤维接受并保持静电荷的能力。可用于可充电的纤维网中的聚合物的一些例子包括含有诸如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚(4-甲基-1-戊烯)的聚烯烃的热塑性聚合物、和环烯烃共聚物，以及这种聚合物的组合。其他可使用但可能难以充电或可能快速丢失电荷的聚合物包括：聚碳酸酯、嵌段共聚物(诸如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、聚酯(诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚氨酯)，以及其他应为本领域的技术人员所熟悉的聚合物。
短纤维通常以硬化形式添加至非织造纤维网。通常，它们通过处理制备，使得纤维直径更加接近类似于纤维通过其被挤出的喷丝孔的尺寸。无论它们的制造方法或组成如何，通常将短纤维机械切割成具体预定的长度或可确定的长度。短纤维的长度通常比熔喷纤维的长度小很多，并且可以小于0.6米、或小于约0.3米。短纤维的长度通常可为约1cm至8cm，更通常为约2.5cm至6cm。短纤维的平均几何纤维直径通常平均大于约15μm，并且在多种实施例中可大于20μm、30μm、40μm、或50μm。短纤维的纤度通常大于约3克/9000米(g/9,000m)，并且等于或大于约4g/9,000m。在上限处，纤度通常小于约50g/9,000m，并且更常见的是小于约20g/9000m至15g/9000m。短纤维通常由合成聚合物材料制成。它们的组合物的选择可以使得它们在用于形成成形呼吸器主体的模制处理过程中可彼此熔融粘结和/或熔融粘结到熔喷纤维。它们还可由在通常的模制处理过程中彼此不粘结或不粘结到熔喷纤维的材料制成。在多种实施例中，外覆盖纤维网包含至少约30重量％、40重量％或45重量％的短纤维以及70重量％、60重量％或45重量％的熔喷纤维。在另外的实施例中，纤维网可以包含至多约70重量％、60重量％或55重量％的短纤维以及大于30重量％、40重量％或45重量％的熔喷纤维。
在其中短纤维为不可热粘结的某些实施例中，双峰式纤维混合物纤维网可以提供被模制成杯状几何形状的优异性能，该几何形状适用于在不显著压缩纤维网的情况下贴合到人的鼻部和嘴部之上。然而，当短纤维为可热粘结的时，在模制处理过程中可以对纤维网进行较大的压缩。
适合的短纤维可以由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、共聚酯、聚酰胺、或上述物质中的一个的组合来制备。如果为可粘结的，则短纤维在粘结后通常保持其大部分的纤维结构。短纤维可以为卷曲纤维，类似于授予Hauser的美国专利4,118,531中描述的那种纤维。卷曲纤维可以沿其长度具有连续的波浪状、卷曲状、或锯齿状外形。短纤维可以具有卷曲纤维，该卷曲纤维每厘米具有约10至30个卷曲。短纤维可以为单组分纤维或多组分纤维。在通常采用的模制条件下，非可粘结的市售的单组分纤维的实例包括T-295(得自北卡罗来纳州夏洛特市的英威达公司(Invista Corp,Charlotte,North Carolina))。市售的单组分可热粘结短纤维的实例包括也得自英威达公司(Invista Corp.)的T 255、T 259、和T 271，以及得自新罕布什尔州汉普顿市的Foss制造公司(Foss Manufacturing Inc.,Hampton,New Hampshire)的Type 410PETG、Type 110PETG。短纤维另外可以为多组分纤维，其中组分中的至少一种在加热过程中软化，以允许短纤维被彼此粘结，或允许短纤维与熔喷纤维粘结。不同的组分可以是不同类型的聚合物(例如，聚酯和聚丙烯)，或可以是类型相同但熔点不同的聚合物。多组分纤维可以为双组分纤维，该双组分纤维具有共延的并列构型、共延的同心皮/芯构型、或共延的椭圆形皮/芯构型。可以用作热粘结短纤维的双组分纤维的实例包括得自英威达公司(Invista Corp.)的T 254、T256，均可得自日本大阪的智索公司(Chisso Inc.,Osaka,Japan)的聚丙烯/聚乙烯双组分纤维(例如智索ES、ESC、EAC、EKC)、聚丙烯/聚丙烯双组分纤维(智索EPC)和聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯双组分纤维(智索ETC)，以及得自台湾省台北市的南亚塑胶工业股份公司(Nan Ya Plastics Corporation,Taipei,Taiwan)的Type LMF聚酯50/50皮/芯型短纤维。
可通过描述于例如授予Kubik等人的美国专利4,215,682中的熔喷处理制备熔喷纤维。通常，熔喷纤维与短纤维相比非常长。与通常具有具体或可确定的长度的短纤维不同，熔喷纤维通常具有不确定的长度。虽然有时报导说熔喷纤维是不连续的，但这种纤维通常较长并且充分缠结，通常不可能从这种纤维聚集体中取出一条完整的熔喷纤维，或找到一条从头至尾的熔喷纤维。此外，硬化的熔喷纤维的直径可能与制备熔化的纤维前体的源喷丝孔的尺寸显著不同(例如远小于源喷丝孔的尺寸)。为了在主要过滤层的上游提供用作预过滤器的外覆盖纤维网，可使用例如在上文Kubik等人的专利中描述的方法使外覆盖纤维网中的熔喷纤维带电荷。或者，可以使用如下文涉及过滤层的章节中所述的电晕充电和水充电方法，以对外覆盖纤维网中的纤维充电。外覆盖纤维网也可如与本专利申请同日提交的标题为“具有斑点纹状外观的呼吸器”(Respirator Having MottledAppearance)的美国专利申请13/465,840中所述带有颜色。
过滤层：
用于本发明的面罩主体中的过滤层可具有颗粒捕集型或气体和蒸气型。过滤层也可以为防止液体从过滤层的一侧转移到另一侧的阻挡层，以防止例如液体气溶胶或液体飞溅渗入过滤层。根据应用需求，可使用多层类似或相异的过滤器类型来构造本发明的过滤层。有利地用于本发明的面罩主体中的过滤器通常具有低压降(例如在13.8厘米/秒的面速度下低于约20至30mm H2O)，以最小化面罩佩戴者的呼吸工作。另外，过滤层通常还是柔性的并且具有足够的结构完整性，以使得它们在预期的使用条件下不会破碎。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)网或聚合物合成纤维网。合成纤维网可以包括由诸如熔喷的工艺制成的驻极体充电的聚合物微纤维。由聚丙烯形成的表面氟化并且驻极体充电以产生非偏振捕集电荷的聚烯烃微纤维尤其适用于颗粒捕集应用。可供选择的过滤层可包括吸附剂组分以用于从呼吸空气中移除危害性或有味气体。吸收剂和/或吸附剂可包括通过粘合剂、粘结剂、或者纤维结构粘结在过滤层中的粉末或者颗粒—参见授予Braun的美国专利3,971,373。化学处理或非化学处理的吸附剂材料(例如活性炭)、多孔铝硅催化剂基底、和铝颗粒为可用于本发明的应用中的吸附剂的例子。授予Brey等人的美国专利7,309,513和7,004,990、以及授予Abler的美国专利5,344,626公开了可适用的活性炭的例子。
过滤层通常经过选择以实现所需的过滤效果，并且一般来讲，从穿过其的气流中移除高百分比的颗粒和/或其他污染物。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，以使得在模制操作中它们不粘结在一起。如所指出的那样，过滤层可具有多种形状和形式。其通常具有约0.2毫米(mm)至1厘米(cm)的厚度，更通常具有约0.3mm至1cm的厚度，并且其可为具有膨胀表面区域(相对于成形层而言)的波纹形纤维网—参见例如授予Braun等人的美国专利5,804,295和5,656,368。过滤层还可包括通过粘合剂组分接合在一起的多个过滤介质层—参见授予Angadjivand等人的美国专利6,923,182。
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。熔喷纤维网，例如在Wente,Van A.的“超细热塑性纤维”，48工业与工程化学，第1342页及后续页等(1956年)(SuperfineThermoplastic Fibers，48Indus.Engn.Chem.,1342et seq.(1956))中所述，特别是以永久带电(驻极体)的形式存在时是特别可用的(参见例如授予Kubik等人的美国专利No.4,215,682)。这些熔喷纤维可以是有效纤维直径小于约10微米(μm)的微纤维(称为“吹塑微纤维”，简称BMF)，通常为约1至9μm的微纤维。有效纤维直径可根据1952年伦敦的机械工程师学会的会议记录1B中Davis，C.N.的“气载尘埃的分离”(Davies,C.N.,TheSeparation Of Airborne Dust Particles,Institution Of Mechanical Engineers,London,Proceedings 1B,1952)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。熔喷纤维网可利用授予Erickson等人的美国专利7,690,902、6,861,025、6,846,450和6,824,733中所述的设备和模具来制备。教导于van Turnhout的美国专利RE 31,285中的带电原纤化膜纤维、以及松香羊毛纤维网和玻璃纤维网或溶液吹塑纤维网或静电喷涂纤维网(尤其是微纤维形式)也可为合适的。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。可通过使纤维与水接触来将电荷施加给纤维，如以下美国专利中所公开的那样：授予Eitzman等人的6,824,718、授予Angadjivand等人的6,783,574、授予Insley等人的6,743,464、授予Eitzman等人的6,454,986和6,406,657、以及授予Angadjivand等人的6,375,886和5,496,507。可通过以下方法将电荷施加给纤维：授予Klasse等人的美国专利4,588,537中所公开的电晕充电方法、或授予Brown的美国专利4,798,850中所公开的摩擦充电方法。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，可将氟原子设置在过滤层中的纤维表面处，以改善油雾环境中的过滤性能—参见授予Crater等人的美国专利5,025,052和5,099,026；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)。当如上文所述进行充电以及任选地氟化时，基重可分别为约30至200g/m2和约40至80g/m2。
呼吸器组件：
带具中所用的一条或多条带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。所述一条或多条带可以由弹性材料制成，例如弹性编织材料。所述带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。所述一条或多条带的长度也可能增加到其松弛状态长度的三倍或四倍，当张力移除时可恢复到其初始状况而不会对其有任何损坏。因此，当处于其松弛状态时，弹性限度通常不低于带长度的2、3、或4倍。通常，所述一条或多条带为约20至30cm长、3至10mm宽和约0.9至1.5mm厚。可结合本发明使用的带的例子示于授予Xue等人的美国专利6,332,465中。可用于将带的一个或多个部分接合在一起的紧固和卡扣机构的例子示于例如以下专利中：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的美国专利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。
可以将呼气阀附接至面罩主体，以方便清除从内部气体空间呼出的空气。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来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等人的专利7,849,856和6,883,518；以及授予Bowers的专利RE 37,974。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。
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的周边。当戴上呼吸器时，此类面密封件可向内径向延伸以接触佩戴者的面部。面密封件的例子在以下专利中有所描述：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；和授予Yard的加拿大专利1,296,487。本发明的过滤式面罩呼吸器可用包括以下步骤的方法制成：(a)提供过滤结构，该过滤结构包括：内覆盖纤维网；包括熔喷纤维和短纤维的外覆盖纤维网，所述熔喷纤维包含具有第一熔点的聚合物材料；以及位于内覆盖纤维网和外覆盖纤维网之间的过滤层；(b)提供塑料网片，该塑料网片包含具有类似于第一熔点的第二熔点的聚合物材料；以及(c)以面对面关系在模具中模制过滤结构和塑料网片，使得过滤结构的外覆盖纤维网在面罩主体的中央区域接合至塑料网片。可使用例如授予Kronzer等人的美国专利7,131,442B1、授予Dyrud等人的美国专利4,807,619以及授予Berg的美国专利4,536,440中提及和描述的工艺来模制面罩主体。或者，过滤式面罩呼吸器可由包括以下步骤的方法制成：(a)提供包含内覆盖纤维网和过滤层的过滤预成形物；(b)提供具有接合至外覆盖纤维网的模制塑料网片的组合结构；以及(c)将过滤预成形物插入模制塑料网片中并至少在周边上将预成形物焊接至组合结构。在其中采用了外网片层的制备杯状面罩构造的过程中，可制备预成形的杯状过滤层。可通过首先将内覆盖纤维网和过滤层并置到一起来制备此类预成形物。然后可将分层结构对半折叠，以形成具有构成外面两层的过滤层的堆叠层状结构。通常使组件经受热密封工艺以在组件上方大约四分之一(接近折痕)处形成大体正弦波形粘结—参见例如授予Dyrud等人的美国专利4,807,619。可以修剪粘结线和折痕之间的废料，然后打开所得的层状结构以形成基本上杯状的预成形过滤主体，其具有外过滤层和所述覆盖纤维网的内次层。然后预成形物可置于模制网片/外覆盖纤维网组合中，以完成构成面罩主体的层。
结合本发明使用的面罩主体可采用多种不同的形状和构型。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，但过滤结构可包括这些层和其他层的组合或可根据需要进行修改。如上所述，可将驻极体预过滤器置于更加精化和仔细挑选的下游过滤层的上游。另外，可将诸如活性炭的吸附材料设置在构成过滤结构的纤维和/或多层之间。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。过滤结构可具有有助于其结构完整性的一条或多条水平和/或垂直分界线(例如焊接线或折叠线)。
实例
实例1
用于外覆盖纤维网中的熔喷纤维由送入单螺杆挤出机的聚丙烯形成。该挤出机具有20:1的长度/直径比以及3:1的压缩比。每转10立方厘米(cc/rev)Zenith熔体泵测量聚合物对于50.8cm宽的钻孔熔喷模头的流速。将每第9个喷丝孔钻成0.6mm来对模头(其初始直径为0.3mm的喷丝孔)进行改性，从而使较小尺寸与较大尺寸孔数比率为9:1，并且较大孔与较小孔的尺寸比为2:1。该模头设计起到递送较大直径的纤维挤出物总量与较小直径的纤维挤出物总量的标称体积比为大约60/40的作用。喷丝孔的行具有10孔/厘米的孔距。受热的空气用于在模头顶端处使纤维细化。将气刀设置在离模头顶端为0.5毫米(mm)的负缩进处，并设置0.76mm的气隙。在纤维网的形成点处，没有至适度真空被牵引穿过中等网孔的收集器筛网。来自挤出机的聚合物的输出速率为约0.18千克/厘米/小时(kg/cm/hr)，DCD(模头到收集器的距离)为约53cm，并且根据需要调节气压。通过调节工艺制备具有以下特性的纤维网。使用32升/分钟(lpm)的流速来测量压降(ΔP)并计算有效纤维直径(EFD)和纤维网密实度：
ΔP     ＝0.47mmH2O
基重   ＝1.05g/51/4英寸圆周(75gsm)
EFD    ＝19微米
厚度   ＝33密耳(0.84mm)
密实度 ＝9.9％
然后启动短纤维添加装置，形成包含根据上述条件制成的熔喷纤维和引入到熔喷纤维料流中的短纤维的组合纤维网。短纤维包含15纤度的聚酯并且被引入以形成混合纤维网，该混合纤维网包含大约50重量％的熔喷纤维和50重量％的短纤维。
添加短纤维后的组合纤维网属性如下：
ΔP     ＝0.20mmH2O
基重   ＝2.2g/51/4英寸圆周(158gsm)
EFD    ＝32微米
厚度   ＝205密耳(5.2mm)
密实度 ＝3.3％
以下构造用于制备呼吸器。
呼吸器构造：
第一层：热塑性PP网片，厚度为36密耳(0.91mm)，六边形设计；
第二层：1层外覆盖纤维网(如上所述制备的组合纤维网)；
第三层：2层BMF过滤介质。
第四层：包含纺粘聚丙烯0.75盎司的1层内覆盖纤维网(靠近面部)。
BMF过滤网的基重为0.8g/5.25英寸圆周(57克/平方米)，纤维尺寸为9微米EFD。吹塑微纤维网由聚丙烯制成并且经过电晕处理和水充电，如授予Angadjivand等人的美国专利5,496,507中所述。
然后将上述结构模制在一起，以制备呼吸器成品。模制呼吸器使得热塑性网片层相对于过滤介质和内凹陷侧中的覆盖纤维网层朝向呼吸器的凸起外侧。通过组合两个单独形成的组件来装配面罩主体：接合至外覆盖纤维网的杯状网片组件以及预成形过滤组件。通过层合25cm×25cm的网片块和组合纤维网外覆盖纤维网层来形成杯状组件。网片具有六边形图案，每个六边形图案占约31.8mm2。网片和外覆盖纤维网层合物的模制通过将层合物置于半球形杯状受热模具的配合部件之间(网片侧远离凸起半球形模制表面)并且闭合模具至预定间隙保持指定保压时间来完成。模具的半球形凸起半边部分的高度为约55mm并且体积为约310cm3。在模具温度保持在大约115℃的情况下，层合物被放置在适当的位置，并且将受热的模具闭合至大约1.27mm的间隙，并且保持大约15秒的保压时间。在到达保压时间后，打开模具，取出模制产品，并进行人工修剪。
预成形的杯状过滤层或主体通过首先在两个大小相似的BMF过滤介质块上放置20cm×25cm的内覆盖纤维网块来制备。三层层合物对半折叠形成大约12.7cm×20cm的六层堆叠层合结构，该层合结构具有构成堆叠层合物的外层的过滤网。然后该组件经受热密封过程，以在组件上方大约四分之一处(接近折叠处)形成大致正弦波形粘结。可以修剪粘结层和折痕之间的废料，然后打开所得的层状结构以形成基本上杯状的预成形过滤主体，其具有覆盖纤维网的内次层和BMF过滤介质的外次层。
在组装的最后步骤中，预成形物向其杯状构型打开并装入到接合至外覆盖纤维网的网片的杯状组件的凹陷侧中。在预成形物的BMF过滤介质表面插入模制的杯状组件后，通过周边边缘的超声粘结将面罩主体的周边熔凝以永久性接合装配组件。在检查时，观察到外覆盖纤维网在从周边向内的基本上整个面罩主体上与网片共延并且紧密接触。
图5示出了面罩主体12的照片，该面罩主体如上所述进行制备，其中过滤结构18接合至支承结构16。如图所示，过滤结构和网片之间的紧密接触为所得的产品提供了改善的外观。可使用上述任何技术将带具附接至面罩主体。
在不脱离本发明的实质和范围的前提下，可对本发明进行各种修改和更改。因此，本发明并不限于上述内容，而是受以下权利要求书和其任何等同物提及的限制的控制。
本发明也可以在不存在本文未具体描述的任何元件的情况下适当地实施。
将上面引用的所有专利和专利申请(包括背景技术部分中的那些)全部以引用的方式并入本文中。当这些并入的文件中的公开内容与上述说明书之间存在冲突或差异时，应以上述说明书为准。

Claims (18)

1.一种过滤式面罩呼吸器，包括：
(a)成形面罩主体，所述成形面罩主体包括过滤结构，所述过滤结构包括：
(i)内覆盖纤维网；
(ii)外覆盖纤维网，所述外覆盖纤维网包括熔喷纤维和短纤维，所述熔喷纤维包含具有第一熔点的聚合物材料；和
(iii)位于所述内覆盖纤维网和所述外覆盖纤维网之间的过滤层；以及
(iv)包含聚合物材料的塑料网片，所述聚合物材料具有第二熔点并且在所述面罩主体的中央区域接合至所述外覆盖纤维网，其中所述第一熔点和所述第二熔点类似；和
(b)附接至所述面罩主体的带具。
2.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述外覆盖纤维网中的微纤维带有电荷。
3.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述塑料网片在周边处焊接至所述过滤结构。
4.根据权利要求3所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述塑料网片包含单元格，每个所述单元格具有六边形形状。
5.根据权利要求3所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述塑料网片在顶点处焊接至所述过滤结构。
6.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述第一熔点为130至170℃。
7.根据权利要求6所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述第二熔点为130至170℃。
8.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述第一熔点为140至160℃。
9.根据权利要求6所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述第二熔点为140至160℃。
10.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述第一熔点和所述第二熔点彼此相差10℃或更少。
11.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述熔喷纤维包括微纤维和中纤维。
12.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述塑料网片具有六边形图案或八边形图案。
13.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述塑料网片具有六边形图案。
14.根据权利要求13所述的过滤式面罩呼吸器，其中每个六边形图案占20至40平方毫米的面积。
15.根据权利要求14所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述塑料网片包括平均横截面积为0.2至3.2mm2的股线。
16.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述塑料网片和所述熔喷纤维包含聚丙烯。
17.一种制备过滤式面罩呼吸器的方法，所述方法包括：
(a)提供过滤结构，所述过滤结构包括：内覆盖纤维网；包括熔喷纤维和短纤维的外覆盖纤维网，所述熔喷纤维包含具有第一熔点的聚合物材料；和位于所述内覆盖纤维网和所述外覆盖纤维网之间的过滤层；
(b)提供包含聚合物材料的塑料网片，所述聚合物材料具有与所述第一熔点类似的第二熔点；以及
(c)以面对面关系在模具中模制所述过滤结构和所述塑料网片，使得所述过滤结构的外覆盖纤维网在所述面罩主体的中央区域接合至所述塑料网片。
18.一种制备过滤式面罩呼吸器的方法，所述方法包括：
(a)提供过滤预成形物，所述过滤预成形物包括内覆盖纤维网和过滤层；
(b)提供组合结构，所述组合结构具有接合至外覆盖纤维网的模制塑料网片；以及
(c)将所述过滤预成形物插入所述模制塑料网片中并至少在周边处将所述预成形物焊接至所述组合结构。
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