CN104540553B - 再填充过滤面罩呼吸器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了过滤面罩呼吸器10，所述过滤面罩呼吸器包括可重复使用的带具19、可重复使用的框架16和可替换的过滤结构18。所述可重复使用的框架16上固定有所述可重复使用的带具14，并具有相对的第一面板28a和第二面板28b，该第一面板和第二面板限定狭槽38，所述可替换的过滤结构18可手动地插入所述狭槽中，从而以可移除的方式接合到所述可重复使用的框架16。所述可替换的过滤结构18还能够通过从所述狭槽38手动地取出而与所述可重复使用的框架16分开。所述呼吸器提供了用于重复使用除所述过滤结构之外的所有呼吸器端口的便利方法，同时保护所述可重复使用的部件免于暴露在污染物中。

Description

再填充过滤面罩呼吸器
背景技术
过滤面罩呼吸器已成为一种备受欢迎的装置，用于保护个人免于吸入存在于周围环境中的污染物。这些呼吸器佩戴在佩戴者的鼻部和口部上，以将受污染的环境空气与存在洁净空气的面罩内部分开开。在使用期间，基本上整个面罩主体可用于过滤通过其的空气。由于过滤面罩呼吸器重量轻，并且在过滤空气方面非常有效，因此被用于多种行业，包括建筑、制造、自动喷涂和修补、药物制剂、外科等等。
过滤面罩呼吸器通常属于以下两类呼吸器之一，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，但包括接缝、褶绉和/或折痕，这允许将面罩打开成杯状构造以供使用。平折式过滤面罩呼吸器的例子示于以下美国专利中：授予Bostock等人的6,568,392和6,484,722以及授予Chen的6,394,090。相比之下，成形呼吸器几乎被永久成型为所需的面部贴合构造，并且在存放和使用期间通常保持该构造。公开了用于支承过滤层的成形层的专利的例子包括以下美国专利：授予Kronzer等人的7,131,442、授予Skov的4,850,347、授予Dyrud等人的4,807,619和授予Berg的4,536,440。
过滤面罩呼吸器通常被构造为具有过滤介质，其作为面罩主体的整体部分。正因如此，无法在不破坏大部分呼吸器的情况下替换面罩主体中的过滤介质。为了在过滤介质的使用寿命结束时保护呼吸器的有用部件，因此已经设计了呼吸器，其具有附接至面罩主体或包括在面罩主体内的可替换的滤筒或可替换的过滤介质–参见授予Holmquist-Brown等人的美国专利6,277,178、授予Westberg的美国专利3,521,630、日本专利2005-304,635和韩国专利申请2008-0088708。然而，呼吸器领域的研究人员尚未制备出这样的过滤面罩呼吸器：其中过滤结构插入可重复使用的框架内，其中过滤结构可易于附接至可重复使用的框架上并从可重复使用的框架移除。已知的过滤面罩呼吸器也尚不具有覆盖在呼吸器的可重复使用的部分上的可替换的过滤结构以保持其洁净以供进一步使用。采用可替换的过滤器的常规呼吸器通常使用了具有可替换的滤筒的模制面罩主体。重复使用的模制面罩主体在使用期间接触佩戴者的面部，因此每次使用后应进行清洁并消毒。
发明内容
本发明提供了平折式过滤面罩呼吸器，该平折式过滤面罩呼吸器包括可重复使用的带具、可替换的过滤结构和可重复使用的框架。可重复使用的框架上固定有可重复使用的带具，并且包括相对的第一面板和第二面板，该第一面板和第二面板限定狭槽，可手动地将可替换的过滤结构插入该狭槽中，从而以可移除的方式接合到可重复使用的框架。该组件提供了平折式面罩主体，该面罩主体在用于过滤污染物时可被打开成用于放置在人的鼻部和口部上的杯状构造。本发明还提供制备呼吸器的新型方法，该方法包括：将可替换的过滤结构插入可重复使用的框架的狭槽中；将过滤结构的翼片固定至框架上的面板的外表面。还能够通过将可替换的过滤结构从狭槽取出而手动地使该结构与可重复使用的框架分开。此手动地分开的能力允许易于替换用过的过滤结构，使得可采用新的过滤结构再填充面罩主体。因此，本发明的优点在于为工人需要佩戴多个呼吸器的企业降低呼吸保护总成本。原本应当丢弃的各个部件，即鼻夹、弹性头带和支承结构，现在可在使用新的过滤结构的情况下重复使用。本发明在生态方面也是有利的之处在于总体垃圾生成量较少。因此，本发明的再填充呼吸器便于使用、部件少、重量轻、允许易于替换过滤器、并提供成本和环境的有益效果。
术语表
下文说明的术语将具有如下所定义的含义：
“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“基本上由......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东西或元件；
“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”是指平行地延伸；
“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(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；
“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；不存在附接至非流体可渗透的面罩主体或模制到非流体可渗透的面罩主体内的可独立识别的滤筒、过滤衬垫或插入模制式过滤元件；
“空气过滤器”、“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”是指主要设计用于过滤空气并包括过滤层的构造；
“平折式”是指被设计成具有在不使用时放置为或折叠成大致平坦的构造的能力；
“框架”是指具有允许附接和支承过滤结构的开口的结构；
“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；
“并置”或“并列”是指使主表面至少彼此接触；
“内部气体空间”是指在面罩主体与人的面部之间的空间；
“面罩主体”是指被设计成贴合到人的鼻部和口部上的结构或部件组合，其过滤穿过它的空气并且有助于限定与外部气体空间分开的内部气体空间；
“微纤维”是指有效纤维直径为1至20微米的纤维；
“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；
“面板”是指可放置为大致平坦的构造的部件；
“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；
“聚合物的”和“塑性的”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；
“可移除的”是指能够通过手动方式物理地分开；
“可替换的”是指能够手动地移除，以使得另一个相同构造的部件可放置在相同的位置；
“呼吸器”是指由人佩戴在鼻部和口部上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；
“可重复使用的框架”是指可再次与另一个过滤结构一起使用的框架；
“可重复使用的带具”是指可再次与另一个过滤结构一起使用的带具；
“狭槽”是指两个部件之间的细长间隙；
“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被冷却之后粘结到相邻的塑性物品的纤维；
“上游”是指位于移动流体流中的某个时间点之前；以及
“纤维网”是指在两个维度上明显地大于第三个维度并且为透气的结构。
附图说明
图1为根据本发明的平折式过滤面罩呼吸器10在人的面部上处于开放的使用状态时的透视图；
图2为图1的平折式过滤面罩呼吸器10的俯视图，示出了与可重复使用的框架16和可重复使用的带具14分开的可替换的过滤结构18；
图3为与可重复使用的框架16和可重复使用的带具14分开的可替换的过滤结构18的前视图；
图4为插入可重复使用的框架16中的可替换的过滤结构18的俯视图；
图5为处于折叠状态的组装的过滤面罩呼吸器10的俯视图；
图6为可替换的过滤结构18的前视图，示出了与可重复使用的框架16分开的可替换的过滤结构18；以及
图7为可以结合本发明的呼吸器10使用的过滤结构18的横截面。
具体实施方式
在本发明的操作中，提供了平折式过滤面罩呼吸器，该平折式过滤面罩呼吸器包括可重复使用的带具、可替换的过滤结构和可重复使用的框架。该框架上固定有可重复使用的带具，并且包括相对的第一面板和第二面板，该第一面板和第二面板限定狭槽，可手动地将可替换的过滤结构插入该狭槽中，从而以可移除的方式接合到可重复使用的框架，以提供平折式面罩主体，该面罩主体在使用时可被打开成用于放置在人的鼻部和口部上的杯状构造。还能够通过将可替换的过滤结构从狭槽取出而手动地使该结构与可重复使用的框架分开。
可重复使用的框架可包括相当大的插入开口或狭槽，该开口或狭槽允许用户易于将过滤结构插入和对准可重复使用的框架。可替换的过滤结构可包括置于两个覆盖纤维网之间的过滤介质，其中一个覆盖纤维网可包含与可重复使用的框架的外部材料具有互补性质的材料，以使得能够形成防漏组件。将可替换的过滤结构易于插入可再填充框架中，该框架可包括由柔韧持久的表面支撑的3M微复制片材，有利于将过滤结构易于插入狭槽中。该框架具有附接至可重复使用的框架上的头带，并且它还可具有设置在两个层之间的可调节的鼻夹。再填充过滤面罩呼吸器的特征在于是一种经济的部件/结构，易于组装，并可保护可重复使用的部件免于暴露在污染物中。
图1示出了平折式过滤面罩呼吸器10的例子，可根据本发明使用该平折式过滤面罩呼吸器以向佩戴者提供用于呼吸的洁净空气。过滤面罩呼吸器10包括面罩主体12和可重复使用的带具14。面罩主体12具有可重复使用的框架16，该框架为面罩主体提供结构完整性并为与其附接的可替换的过滤结构18提供支承。当呼吸器10的佩戴者吸气时，过滤结构18从环境空气中除去污染物。过滤结构18可在面罩主体周边20固定至可重复使用的框架16。过滤结构18在周边20与框架16的附接可通过如下所述的多种机械方式实现。面罩主体12中的可替换的过滤结构18可具有外覆盖纤维网，该覆盖纤维网包括熔喷纤维、纺粘纤维和/或短纤维的非织造纤维网。纤维网可以机械方式紧固到框架16的外表面。可重复使用的带具14可包括使面罩主体12能够支承在佩戴者鼻部和口部上的一条或多条带子22。可在可重复使用的带具14上提供可调节的扣环，以允许调节带子22的长度。也可将紧固或扣紧机构附接至带子22，以允许在从佩戴者的面部移除呼吸器10时解开带具14，并在将呼吸器10佩戴到人的面部上时重新组装带具14。
图2示出了两部分形式的呼吸器10，其中可替换的过滤结构18与框架16分开。可替换的过滤结构18包括第一翼片24a和流体可渗透的过滤部分26。第一翼片24a可以是、也可以不是流体可渗透的，但该主部可透过空气，以使得通过其吸入的环境空气能够被过滤。当过滤结构18接合到框架16作为组装的单元或呼吸器10时(图1和图5)，翼片24a位于框架16外部，当佩戴者吸气时，它对从环境空气中除去污染物没有任何影响。第一翼片24a的内表面25a(图3和图4)可具有纤维表面，该纤维表面以机械方式附着到框架16上第一面板28a的外表面或外层27a。框架16可具有在分别位于第一末端30和第二末端32处的突出部29处接合到其的带具14。包括带具14的带子22可通过任何合适的机械或物理附接部件(例如钉34)固定至框架16的末端30和32。作为另外一种选择，带子22可以粘结方式粘合或焊接到框架16。另一种附接部件的例子为授予Castiglione的美国专利6,729,332中所述的保持组件和压缩元件。框架16还可包括居中位于框架16上邻近边缘36的鼻夹35，当佩戴组装的呼吸器10时，该边缘36将紧邻佩戴者的面部。可手动地调适的鼻夹35使得呼吸器10在佩戴者的鼻部上能够形成紧密的贴合性，使得当佩戴者吸气时，该位置处没有泄漏。鼻夹35可位于第一面板28a的外表面或外层27a上，也可位于面板28a的外层27a之下。
图3还示出了与过滤结构18分开的框架16。然而，在此视图中，框架16和过滤结构18各自从前面(箭头a方向，图2)示出，而并非如图2所示的那样从顶部示出。可重复使用的框架16包括第一面板28a和第二面板28b，并且过滤结构包括第一翼片24a和第二翼片24b。第一面板28a和第二面板28b在框架16的第一末端30和第二末端32处接合在一起。这些面板28a,28b和接合末端30,32限定可在其中插入过滤结构18的狭槽38。翼片24a,24b可包括纤维的非织造纤维网。面板28a,28b上的外层27a,27b可包括钩型材料，该钩型材料可与位于相应的翼片24a,24b的内表面25a,25b上的纤维材料接合。面板28a,28b还可包括内层39，该内层可以是位于组成框架16的面板28a,28b的内表面上的平滑织物。该平滑织物使得过滤结构18能够易于进入框架16中的狭槽38或从中移除。过滤结构18可包括一个或多个过滤介质层以除去存在于环境空气中的污染物。此外，过滤结构18在过滤部分26中可具有一个或多个褶绉40(图1)，以使得面罩主体12在处于未折叠状态以供面部使用时能够展开。
图4示出了本发明呼吸器10可如何从框架16和过滤结构18进行组装。过滤结构18的流体可渗透的过滤部分26置于框架16的狭槽38(图3)中。面板28a,28b(图3)略微分开，使得过滤结构18的流体可渗透的过滤部分26可在两者间滑动，从而引起框架16沿箭头b方向相对于过滤结构18移动。呼吸器10的两个部件16,18相对于彼此移动，直至框架16的周边36与周边折痕和/或焊接线42平行并对齐，在该周边折叠和/或焊接线处翼片24a与过滤结构18的过滤部分26交会。过滤部分26从周边折痕和/或焊接线42向前延伸到过滤结构18的相对边缘43。当边缘36相对于周边折痕和/或焊接线42如此定位时，翼片24a可以折叠，以相对于第一面板28a的外表面27a共延地并置，如图5中所示。翼片24a的内表面可具有使得翼片24a能够固定至框架面板28a的装置。此类固定部件可包括具有纤维性质的覆盖纤维网，该覆盖纤维网包括在过滤结构18上。非织造纤维的覆盖纤维网可接合到纹理化表面，该纹理化表面包括多个钩子，这些钩子以机械方式与翼片24a的内表面25a上的非织造材料配合—参见例如授予Miller等人的美国专利6,054,091。作为钩环型机械紧固件的代替，翼片24a和24b可具有粘合剂，该粘合剂能够允许翼片24a,24b的内表面25a,25b粘附到相应的面板28a,28b的外表面27a,27b(图3)。隔离衬片可置于粘合剂材料上，使得它不过早地粘附到另一个表面上。可结合本发明使用的粘合剂型系统的例子在下列出版物中的一者或多者中有所描述：授予Gobran的美国专利5,629,063和5,571,586、授予Miller等人的美国专利5,300,057、授予Polski的美国专利5,066,289和授予Vanderzanden等人的US 2009/202772。
图5示出了翼片可覆盖面板的外表面的主要部分(如果不是全部)。当沿周边折痕和/或焊接线42折叠并压贴框架面板28a的外表面时，翼片24a以可移除的方式固定至其并保护可重复使用的框架16免于暴露在可存在于周围环境的污染物中。折叠的呼吸器10可被打开成用于放置在人的鼻部和口部上的杯状构造，如图1所示。
图6示出了当佩戴者需要使用新的过滤结构再填充呼吸器时，可替换的过滤结构18如何与可重复使用的框架16分开。为此，通过将翼片24a,24b从面板28a,28b的外表面27a,27b上剥离，翼片24a,24b可手动地与面板28a,28b分开。一旦过滤结构18的翼片24a,24b与框架16的面板28a,28b完全分开，过滤结构18的过滤部分26就可从狭槽38滑出(图3)，使得另一个过滤结构可插入同一狭槽中以固定至框架16上。可替换的过滤结构可表现出的锁定机构强度为至少0.08千克力((kgf)、更通常为0.1kgf、并且还更通常为至少0.2kgf。在上端处，锁定机构强度通常为小于0.25kgf。锁定机构强度可采用如下所述的锁定机构强度测试进行测定。
图7示出了过滤结构18可包括一个或多个覆盖纤维网44和46、和过滤层50。覆盖纤维网44和46可位于过滤层50的相对侧上，以捕集任何可能从过滤层上松散的纤维。通常，应选择可在与佩戴者的面部接触的过滤结构18的侧面上提供舒适感的纤维来制成内覆盖纤维网44。覆盖纤维网44,46和过滤层50的组合可位于过滤结构18的过滤部分26各处。覆盖纤维网44,46可从过滤结构18的过滤部分26的末端延伸，以限定将过滤结构18接合到框架16的翼片24(24a或24b)。当框架面板28a,28b(图3)为非流体可渗透的时，过滤结构18的过滤层50无需延伸到过滤结构18的翼片部件24中。
覆盖纤维网：
覆盖纤维网可用于夹带可从过滤层松散的纤维并保护框架面板免于暴露在污染物中。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较低的基重，并且由较精细的纤维形成。更具体地讲，可以将覆盖纤维网制成具有约5至50g/m2(通常10至30g/m2)的基重，并且纤维可以为小于3.5旦尼尔(通常小于2旦尼尔、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)。可通过将松散覆盖纤维网纤维引入到成形腔室中来制备覆盖纤维网，如上所述。作为另外一种选择，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。在后一情况下，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。在组装根据本发明的覆盖纤维网中，还可将纺粘纤维用作松散纤维。
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，还能够在层与层之间不需要粘合剂的情况下保持固定至过滤材料。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埃克森公司(Exxon Corporation)的聚丙烯树脂“Escorene 3505G”制成的聚丙烯BMF，其提供约25g/m2的基重以及在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(Exxon Corporation)的乙烯/α-烯烃共聚物“Exact 4023”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的科罗芬公司(Corovin GmbH of Peine,Germany)，商品名为“Corosoft Plus 20”、“CorosoftClassic 20”和“Corovin PP-S-14”，以及得自芬兰纳基拉的J.W.索敏恩公司(J.W.Suominen OY of Nakila,Finland)的商品名为“370/15”的聚丙烯/粘胶纤维梳理材料。
用于本发明中的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，并且因而提供平滑外表面—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。
覆盖纤维网可包括在熔喷纤维网内各处分散并相互缠结的其他纤维，例如短纤维。短纤维通常以硬化形式添加到非织造纤维网。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，并且可以为小于0.6米、或小于约0.3米。短纤维的长度可为约1cm至8cm、更通常约2.5cm至6cm。短纤维的平均几何纤维直径通常平均为大于约15μm，并且在多种实施例中可为大于20μm、30μm、40μm、或50μm。短纤维的纤度通常为大于约3克/9000米(g/9,000m)，并且等于或大于约4g/9,000m。在上限处，纤度通常为小于约50g/9,000m，并且更常见为小于约20g/9000m至15g/9000m。外覆盖纤维网可包括至少约10重量％短纤维和90重量％熔喷纤维。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、或上述物质之一的组合来制备。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。
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还可能显著不同于(例如远小于)由其制备熔化的纤维前体的源喷丝孔的尺寸。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Kubik等人的'682专利中描述的方法使外覆盖纤维网中的熔喷纤维带电。作为另外一种选择，可以使用如下文有关过滤层的章节中所述的电晕充电法和水力充电法，以对外覆盖纤维网中的一个或多个的纤维充电。
过滤层：
用于本发明的过滤结构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层通常具有低压降，例如在13.8厘米/秒的面速度下低于约20至30mm H2O，以使面罩佩戴者的呼吸工作量最小化。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)或聚合物合成纤维的网。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为颗粒捕集应用提供特定的实用性。替代的过滤层可以包含用于从呼吸空气中除去危害性气体或恶臭气体的吸附剂组分。吸附剂和/或吸着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)、多孔铝硅催化剂底物、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。其厚度通常为约0.2毫米(mm)至1厘米(cm)、更通常为约0.3mm至1cm，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.,Superfine Thermoplastic Fibers,48Indus.Engn.Chem.,1342et seq.(1956)(Wente,Van A.，超细热塑性纤维，工业与工程化学，第48卷，第1342页及后续页等，1956年)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为小于约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Davis,C.N.,The Separation Of AirborneDust Particles,Institution Of Mechanical Engineers,London,Proceedings 1B,1952(Davis,C.N.，空载粉尘颗粒的分离，机械工程师学会，伦敦，论文集1B，1952年)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。如在van Turnhout的美国专利RE 31,285中提出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Sebastian等人的7,765,698、授予Eitzman等人的6,824,718、授予Angadjivand等人的6,783,574、授予Insley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。还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法、或授予Brown的美国专利4,798,850中所公开的摩擦充电法。此外，可以将添加剂包含在纤维中，以增强通过水力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；以及授予Spartz等人的美国专利7,244,291。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。
呼吸器部件：
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。带子可以由弹性材料制成，例如弹性编织材料。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。带子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，当处于松弛状态时，弹性限度通常为不低于带子长度的2、3、或4倍。通常，带子为约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子的例子在授予Xue等人的美国专利6,332,465中有所描述。例如，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例子在下列文献中示出：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。
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；授予Bowers的RE37,974和RE43,289。提供适合压降且可适当地固定至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递送到外部气体空间。呼气阀可以采用例如授予Curran等人的美国专利7,069,931或授予Williams等人的美国专利6,125,849中所述的技术附接至面罩主体上。
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至过滤结构的周边。当正戴着呼吸器时，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。
附接至可重复使用的框架的鼻夹可采用延展性金属(例如铝)条的形式。合适的鼻夹的例子在以下文献中示出并有所描述：授予Castiglione的美国专利5,558,089和Des.412,573、以及授予Daugaard等人的美国专利8,066,066–还可参见授予Kalatoor的美国专利申请2007/0068529A1。
实例
锁定机构强度和剥离强度
在过滤结构的翼片材料与框架的紧固件部件完全接合的情况下，测定在过滤结构和框架之间的锁定机构强度。根据ASTM D3330(2010)的180度剥离强度测试工序完成测试。使用英斯特朗33R 4467万能试验机进行测试。将过滤结构覆盖纤维网附接至框架面板上紧固件结构的表面，其中紧固件结构的一个边缘附接在仪器的顶部夹具上，并且覆盖纤维网的一个边缘附接在仪器的底部夹具上，使得过滤结构覆盖纤维网的接合面板与紧固件在它们的剥离点处形成180度角。样品宽度和长度分别为25.5毫米(mm)和150mm，十字头速度和标距分别为300mm/min和40mm。根据ASTM D638测定剥离强度。测定剥离强度时，翼片和框架平行于彼此向相对方向拉动。测定锁定机构强度的目的是了解当两个夹具以恒定速度移动时从翼片分开框架所需的力，其中在分开点处的角度为180度。测定剥离强度的目的是了解当两个夹具以恒定速度移动时从翼片分开框架所需的力，其中在分开点处的角度为0度。将材料层拉开，并以千克力(kgf)为单位记录最大锁定机构强度和剥离强度力。
贴合性测试
根据29CFR 1910.134(N95)中概述的贴合性测试工序在呼吸器上进行贴合性测试。使用8030型PORTACOUNT呼吸器贴合性测试仪和8026型氯化钠气溶胶发生器(均得自美国明尼苏达州肖尔维伊的TSI公司(TSI Incorporated,Shoreview,Minnesota,U.S.A))评估贴合性。贴合性系数以数值范围的形式给出，其中数值40代表通过，数值200代表最大或最佳贴合性。
面罩可重复使用性测试
使用具有面部形状的头部模型评估面罩可重复使用性，以复制多次戴脱面罩时遇到的工作状况。通过对个人执行贴合性测试，评估一系列戴脱的影响。在十五天时间内执行可重复使用性测试方案。在十五天期间，应当将面罩安放在头部模型上共八小时。在这段时期内，应当将面罩戴脱四次以模拟可能的工作场所使用情况。在一个模拟工作日结束时，由个人戴上呼吸器，并根据如上所述的贴合性测试工序进行贴合性测试。在佩戴步骤期间，将面罩的可重复使用的框架的鼻夹矫直然后将其重新弯曲以贴合模型面部，这一步是为了复制佩戴者在重复使用面罩时可能需要执行的步骤。在第一天、第五天和第十五天记录测试结果。
使用具有面部形状的头部模型评估面罩可重复使用性，以复制多次戴脱面罩时遇到的工作状况。通过对个人执行贴合性测试，评估一系列戴脱的影响。在十五天时间内执行可重复使用性测试方案。在十五天期间，应当将面罩安放在头部模型上共八小时。在这段时期内，应当将面罩戴脱四次以模拟可能的工作场所使用情况。在一个模拟工作日结束时，由个人戴上呼吸器，并根据如上所述的贴合性测试工序进行贴合性测试。在佩戴步骤期间，将面罩的可重复使用的框架的鼻夹矫直然后将其重新弯曲以贴合模型面部，这一步是为了复制佩戴者在重复使用面罩时可能需要执行的步骤。在第一天、第五天和第十五天记录测试结果。
实例1
使用两个元件组装本发明的平折式过滤面罩呼吸器：可重复使用的框架和带具组件，以及可替换的过滤结构。通过首先形成框架元件来制备可重复使用的框架和带具组件。框架元件由通过超声波焊接固定在其末端处的两个材料面板形成。如图2总体上示出的那样，使用钉34将面罩的带具固定至框架上。通过将覆盖纤维网的24厘米(cm)×4cm部分和相同尺寸的机械紧固件片材分层，并且机械紧固件的钩子面向外，来构造第一框架元件。覆盖纤维网为基重为150克/平方米(gsm)的经针刺和压延处理的聚酯非织造物。机械紧固件由聚丙烯制成，并且由平膜构成，平膜具有旨在与多种不同非织造材料配合并将其保持的小钩阵列。然后，将内纤维网和机械紧固件的分层部分绕着它们的周边按图2中总体上示出的形状超声波焊接在一起，其中该形状具有突出部29。使用活塞型超声波焊接机完成焊接，该焊接机具有2.5mm×2.5mm内嵌式销轴样式的焊接砧，并且销轴之间的间距为2.5mm。配对焊头由印度孟买安泰里的爱默生工业自动化公司(Emerson Industrial Automation,Andheri,Mumbai,India)制造。焊接机以60赫兹的频率运行，触发力为2牛顿，驻留时间为2.5秒，并且AB继电器整定值为1.25，AB继电器时间为0.25秒。焊接步骤之后，将焊缝之外的过量材料切割掉。按照第一框架面板的构造方式形成第二框架面板，不同的是在焊接之前，将9cm长×0.5cm宽且1mm厚的延展性铝条插入在覆盖纤维网和机械紧固件之间。铝条相对于面板纵向取向，并且中心位于面板端到端的中间。铝条沿其长度取向的中心线定位成与面板的周边边缘36相距7mm，如图2中所示。在焊接步骤期间，铝条周围的其他焊接点将铝条固定保持在适当的位置。以此方式焊接保持在适当的位置的铝条起到鼻夹的作用，如图2中35所示。使用框架面板构造框架和带具组件。
通过将框架面板面向并对齐，使内纤维网对着内纤维网，并将末端突出部焊接在一起，来形成框架和带具组件。使用钉在末端突出部处将带具附接至框架组件，并且带具末端被固定为与框架末端相距10mm。矩形外形的钉为宽度为1.5mm且厚度为0.43mm的17号无镉镀锌线材。弹性化的带具由两根长度为25cm的聚异戊二烯编织松紧带和聚酯纤维股线组成。五股编织松紧带为5mm宽。附接带具后，即完成了可重复使用的框架和带具组件的制备。完成后的框架的狭槽长度为21cm，该狭槽可打开以容纳可替换的过滤结构。
通过首先形成过滤器预成型件，再使用预成型件组装过滤结构，来制成可替换的过滤结构。通过将23cm×24cm的纺粘非织造物、微纤维过滤介质和纺粘非织造物的纤维网部分分层来制成过滤器预成型件。所用的纺粘非织造物由聚丙烯制成，并且基重为30克/平方米(gsm)。微纤维过滤介质为有效纤维尺寸为7.5μm的65gsm驻极体充电聚丙烯纤维网，通过授予Kubik等人的美国专利4,215,682中一般描述的方法制备。所有四个转角均经过超声波焊接的分层纤维网呈半径为57mm的圆弧样式。然后将两根直线沿预成型件长度方向并与边缘相距50mm进行焊接。在与两个边缘均相距33mm的位置处，沿预成型件的较短边的中心线焊接哥特式窗口样式轮廓。然后将纤维网的焊接层沿预成型件的长度折叠为“W”样式，使得已焊接的分界线定位在折叠后的成型件的边缘处，远离过滤结构的开口端。通过在与较短边的中心线相距35mm的位置处，沿预成型件的长度折叠成型片材来制成“W”样式的每个翼片。在延伸到折叠线中心的半径为57mm的圆弧中对“W”样式预成型件进行焊接。焊接点为平行四边形的形状，各自测得宽度为1.5mm、长度为2.4mm，其中宽边和长边的成角度侧面分别呈30度和150度。焊接点的间距为1.5mm。在预成型件的外边缘上制成连续的0.5mm宽的焊接线，以有助于修剪和整理。在过滤结构的开口处，保留了4cm长的预成型件未焊接。这些预成型件部分被用作翼片，可折叠回框架组件上，以将过滤结构固定至组装的面罩的框架上。所得的焊接过滤结构在前部处为22cm宽、在开口处为21cm宽，并且在前部处的中心折叠部分为4cm深。在开口任一侧上的翼片为21cm长和1cm宽。完成可替换的过滤结构的组装后，过滤结构与框架配合，以形成面罩。
完成的面罩的构造需要将过滤结构的前部闭合末端装配穿过框架和带具组件的狭槽，直至过滤器的翼片部分到达框架狭槽的顶部边缘，如图3中38所示。然后将翼片向下折叠并固定至框架的微复制型的机械紧固件表面上，从而使可替换的过滤器与框架配合。
测试所得呼吸器的锁定机构强度、贴合性和面罩可重复使用性。测试结果在下表1中示出。
表1
表1中的数据显示，即使在多次戴脱后，在5天、10天和15天的模拟使用中，本发明的面罩仍提供对佩戴者的保护，并且在过滤结构和框架之间的附接具有足够的完整性，以使面罩在使用期间保持完整。
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及其任何等同物提及的限制的控制。
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(包括背景部分中的那些)全部以引用的方式并入本文中。当在此类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 (19)

1.一种平折式过滤面罩呼吸器，包括：
可重复使用的带具；
可替换的过滤结构，其包括第一翼片和第二翼片；和
可重复使用的框架，所述可重复使用的框架上固定有所述可重复使用的带具，并且包括相对的第一面板和第二面板，所述第一面板和第二面板限定狭槽，所述可替换的过滤结构能够手动地插入所述狭槽中，从而以可移除的方式接合到所述可重复使用的框架，以提供平折式面罩主体，所述平折式面罩主体在使用时能够被打开成用于放置在人的鼻部和口部上的杯状构造，所述可替换的过滤结构还能够通过从所述狭槽手动地取出而与所述可重复使用的框架分开，
其中所述第一翼片和所述第二翼片能够围绕所述可重复使用的框架的周边折叠，并且能够分别在所述第一面板的第一外表面和所述第二面板的第二外表面处接合到所述可重复使用的框架。
2.根据权利要求1所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述第一翼片和所述第二翼片分别覆盖所述第一外表面和所述第二外表面。
3.根据权利要求2所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述第一翼片和所述第二翼片能够在所述第一外表面和所述第二外表面处通过压敏粘合剂或机械紧固件接合到所述可重复使用的框架。
4.根据权利要求3所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述第一翼片和所述第二翼片在接合到所述可重复使用的框架时以0.08kgf的锁定机构强度接合到所述可重复使用的框架上。
5.根据权利要求3所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述第一翼片和所述第二翼片在接合到所述可重复使用的框架时以0.1至2.2kgf的锁定机构强度接合到所述可重复使用的框架上。
6.根据权利要求3所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述第一翼片和所述第二翼片能够在所述第一外表面和所述第二外表面处通过钩环式机械紧固件接合到所述可重复使用的框架。
7.根据权利要求6所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述第一翼片和所述第二翼片各自包括非织造纤维网，所述非织造纤维网充当所述钩环式机械紧固件的所述环部分，并且相对的所述第一面板和所述第二面板在它们的外表面上各自包括钩材料。
8.根据权利要求7所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述非织造纤维网为覆盖纤维网。
9.根据权利要求1所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述可替换的过滤结构定位在所述框架中的所述狭槽内，使得当所述平折式过滤面罩呼吸器佩戴在佩戴者的面部上时，所述框架不会接触所述佩戴者的面部。
10.根据权利要求9所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述可替换的过滤结构定位在所述框架中的所述狭槽内，使得当使用所述平折式过滤面罩呼吸器时，所述过滤结构在所述过滤结构的周边处接触所述佩戴者的面部。
11.根据权利要求10所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述周边由所述第一翼片和所述第二翼片中的折痕限定。
12.根据权利要求1所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述可替换的过滤结构包括一个或多个褶绉。
13.根据权利要求12所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述可替换的过滤结构包括中心褶绉，所述中心褶绉具有当所述平折式过滤面罩呼吸器处于折叠状态时彼此接触的第一面和第二面，在所述折叠状态，所述第一翼片和所述第二翼片围绕所述可重复使用的框架的周边折叠以分别相对于所述第一面板的第一外表面和所述第二面板的第二外表面共延地并置。
14.根据权利要求1所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述第一面板和所述第二面板包括第一内表面和第二内表面，当所述平折式过滤面罩呼吸器置于折叠状态时，所述第一内表面和所述第二内表面接触所述过滤结构的第一表面和第二表面，在所述折叠状态，所述第一翼片和所述第二翼片围绕所述可重复使用的框架的周边折叠以分别相对于所述第一面板的第一外表面和所述第二面板的第二外表面共延地并置。
15.根据权利要求1所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述带具在位于所述框架的第一末端处的第一突出部处和位于所述框架的第二末端处的第二突出部处固定至所述框架。
16.根据权利要求1所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述过滤结构还包括过滤部分，其中所述过滤部分包括内覆盖纤维网和外覆盖纤维网以及过滤层，并且其中所述第一翼片和所述第二翼片包括所述第一覆盖纤维网和所述第二覆盖纤维网。
17.根据权利要求16所述的平折式过滤面罩呼吸器，其中所述过滤部分具有至少一个褶绉。
18.一种制备呼吸器的方法，所述方法包括：
将可替换的过滤结构插入可重复使用的框架的狭槽中；
围绕所述框架的周边折叠所述过滤结构的翼片；以及
将所述过滤结构的所述翼片固定至所述框架上的面板的外表面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述将所述过滤结构的所述翼片固定至所述框架上的面板的外表面的步骤包括：将所述翼片压到所述面板的所述外表面上。
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