CN115485051A - 作为/用于耐用耐洗高性能过滤介质的多层织物及其组装方法 - Google Patents

作为/用于耐用耐洗高性能过滤介质的多层织物及其组装方法 Download PDF

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Abstract

一份非常适用的织物清单和将这些织物清单组合成耐用的可重复使用过滤介质的方法，过滤介质具有高微粒过滤效率和透气性，可持续50‑75个洗涤周期。过滤介质仅通过机械方式实现微粒过滤效率，无需进行脆性和有害的物理化学预处理。在组装不同的织物时考虑到了其各自的透气性以及不同微粒尺寸上的微粒过滤效率的互补性，以便在多次洗涤循环后，或对同一织物的不同层进行配对后，在大粒径范围(20nm‑4μm)内实现良好的透气性和高微粒过滤效率，同时改变每层纤维的方向和尺寸，以提高效率。这种组装方法通过解决与每层各向异性相关的结构缺陷，并通过面对面的封闭的过滤单元类型配对来保护其细纤维免受机械磨损和堵塞，从而大大提高了过滤介质的微粒过滤效率、使用寿命和性能稳定性。

Description

作为/用于耐用耐洗高性能过滤介质的多层织物及其组装 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年4月20日提交的美国临时专利申请63/012,349的优先权，其说明书在此通过引用被全部并入本文中。
背景技术
(a)领域
公开的主题通常涉及用于面罩和其他应用的过滤介质，其中过滤介质适用于限制固体和液体微粒(比如灰尘、烟尘、烟雾、花粉、微生物、病毒和液滴)的传播。更具体地说，所公开的主题涉及构成这种过滤介质的材料的性质及其组装方式。
(b)相关的现有技术
在这类过滤介质领域，在流行病的情况下，如在任何情况下，建议佩戴面罩或其他个人防护用品，以限制微生物和病毒(又名生物病原体)向佩戴者环境中的人员传播，或者相反，避免接触可能感染佩戴者的生物病原体，多年来已经开发出许多解决方案，从医用面罩到防尘面罩，甚至在制作围巾式面罩时使用普通织物。
在疾病和流行病的情况下，公共服务部门经常要求民众戴上这种阻隔面罩，以不同的效率限制生物病原体的传播。因此，在某些情况下，公众无法完全获得此类面罩，除了其他问题外，提供的结果更多是虚构的，而不是真实的。
此外，目前最常佩戴的面罩是外科面罩或医用面罩。它们在很大微粒尺寸范围内(20nm到4μm之间)提供了高微粒过滤效率、高透气性和舒适性，由经过物理化学处理(如涂覆、抗生素物质、静电充电)的合成纤维制成，与水分和水接触后很快就会褪色。因此，在最多4小时后必须更换，并且不能对面罩进行失去质量的清洗。就如今的面罩而言，一次性塑料已成为常态，在短暂的使用(此类面罩需要450年才能分解为在所有生态系统中释放的更有害的微塑料)之后，会产生大量非常有害、几乎不可回收和持久的废物，从而产生巨大的环境成本。
在目前的流行病时期，这种情况已经从令人担忧转变为危急，全世界每秒钟就有47000个一次性面罩(每月1300亿个)被扔掉。
此外，一些用于提高面罩性能的纤维的物理化学处理，如氯、金属离子、石墨烯等纳米微粒，对人体健康有害，尤其是当它们与面部和呼吸道密切接触时。
与一次性面罩的使用相关的进一步影响是财务方面的，因为根据规定，频繁更换和处理面罩的成本相当高：在卫生服务中，使用过的面罩被视为生物危险废物，不能被简单地扔掉，而应进行相应的处理。
面对这种情况，已向普通民众提供使用普通织物制成的手工和商业可洗面罩。虽然它们有助于减少由于个人防护用品使用量的增加所产生的废物量，但它们体现出主要的缺点，即细微粒的微粒过滤效率较差(20-800nm范围内，过滤微粒效率为5％至20％)，同时提供较差的大粒径微粒(超过2-3μm)的微粒过滤效率。此外，仅经过几次洗涤周期后，它们的结构就变得不稳定，进一步降低了它们的过滤能力。改良这种情况的一些尝试主要导致面罩的透气性急剧下降，从而降低佩戴者的舒适度，导致人们要么不戴面罩，要么戴错面罩。
因此，需要耐用的可重复使用的过滤介质，例如在面罩中使用的过滤介质，以提供高性能的过滤和透气性(定义为低△P或压差)，同时克服一次性医用面罩、手工面罩和商用面罩的经济、公共卫生和环境问题。
发明内容
根据一个实施例，提供了一种过滤介质，用于过滤粒径范围内的微粒，该过滤介质包括：具有第一主要纤维取向的第一块织物；与第一块织物叠合的第二块织物，第二片纺织物具有第二主要纤维取向；以及沿着外围边缘密封与第二块织物叠合的第一块织物以形成过滤介质。第一块织物与第二块织物叠合，其各自的主要纤维取向彼此不对齐，使得第一块织物和第二块织物共同具有比第一块织物和第二块织物中的任何单独一块的各向同性更好的过滤介质。
根据一个方面，第一块织物和第二块织物是相同或不同的织物。
根据一个方面，第一块织物是多种织物的其中一种，这些织物包括：克重在10gsm和50gsm之间或51gsm和90gsm之间的非织造织物；克重在10gsm和50gsm或在51gsm和90gsm之间的熔喷织物；由克重在10gsm和50gsm之间或克重在51gsm和90gsm之间的纳米纤维、超细纤维或其组合制成的织物，包括短纤维和长纤维；由克重在40gsm和300gsm之间的短纤维、长纤维或其组合制成的非织造毡；压延尼龙微穿孔或纳米穿孔织物和/或聚合物；以及由纤维素、聚酯和聚丙烯中的至少一种制成的纸织物。
根据一个方面，第一块织物和第二块织物结合在一起提供各种直径和长度的纤维。
根据一个方面，第一织物是具有第一结构侧和第一脆性纤维侧的非织造织物，第二织物具有第二结构侧和第二脆性纤维侧。第一脆性纤维侧对第二脆性纤维侧。
根据一个方面，第一块织物是熔喷织物，具有第一结构侧和第一脆性纤维侧。第一脆性纤维侧面向并叠合在第二块织物的任何一侧，并且两个织物片沿着外围边缘被密封在一起，形成为第一块织物的脆性纤维侧的外壳。
根据一个方面，所述过滤介质还包括至少一个第三块织物。所述第三块织物具有第三脆性纤维侧，第三脆性纤维侧面向并叠合在第一块织物的第一结构侧上；或者，第三块织物具有第三脆性纤维侧，该第三脆性纤维侧面向并叠合在第一块织物或第二块织物的脆性纤维侧。
根据一个方面，所述过滤介质还至少包括第三块织物和第四块织物。第三块织物具有第三脆性纤维侧，该第三脆性纤维侧面向并叠合在第四块织物的第四脆性纤维侧上，形成由这两个重叠的织物片共同组成的单元，该单元叠合在第一结构纤维侧或第二结构纤维侧上，或位于第一脆性纤维侧和第二脆性纤维两侧之间；或者，第四块织物具有第四脆性纤维侧，该第四脆性纤维侧面向并叠合在第三块织物的第三结构纤维侧上，形成由两块叠合的织物片组成的单元，该单元叠合在第一结构纤维侧或第二结构纤维侧，或者位于第一脆性纤维侧和第二脆性纤维侧之间。
根据一个方面，过滤介质还至少包括第三块织物、第四块织物和第五块织物。第三块织物具有第三脆性纤维侧，该第三脆性纤维侧面向并叠合在第四块织物上，形成由两个重叠的织物片组成的单元，该单元叠合在第一结构纤维侧或第二结构纤维侧上，或位于第一脆性纤维侧和第二脆性纤维侧之间；第五织物具有第五脆性纤维侧，该第五脆性纤维侧面向并叠合在位于外表面的任何织物的结构纤维侧上，或者位于第一脆性纤维侧和第二脆性纤维侧之间，或者位于第三脆性纤维侧和第四脆性纤维侧之间；或者，第四块织物具有第四脆性纤维侧，该第四脆性纤维侧面向并叠合在第三块织物的第三结构纤维侧上，从而形成了由两块叠合的织物片组成的单元，该单元叠合在第一结构纤维侧或第二结构纤维侧，或者叠合在第一脆性纤维侧和第二脆性纤维侧之间；以及第五织物的第五脆性纤维侧，该第五脆性纤维侧面向并叠合在位于外表面上的任何织物的结构纤维侧，或位于第一块织物和第二块织物之间，或位于第三块织物和第四块织物之间。
根据一个方面，所述过滤介质还包括第三块织物，所述第三片纺织物包括对第一块织物进行保护的保护纬纱。
根据一个方面，根据EN14683:2019方法，过滤介质的特征在于压力损失小于8.55mm H20/cm2
根据一个方面，将重叠的织物片沿着外围边缘密封在一起。
根据一个方面，通过缝纫、外围装订、胶水、热熔和超声波熔接中的其中一种方式将过滤介质密封在一起。
根据一个方面，在经过25次洗涤周期后，过滤介质的过滤特性损失小于40％。
根据一个方面，在经过50次洗涤周期后，过滤介质的过滤特性损失小于44％。
根据一个方面，在经过100次洗涤周期后，过滤介质的过滤特性损失小于50％。
根据一个实施例，提供了一种适于放置在佩戴者嘴和鼻孔前面的佩戴者面部的阻隔面罩，用于过滤包括生物病原体在内的微粒，该阻隔面罩包括面罩内层或面罩外层中的至少一个；包含本文所述的过滤介质的过滤层。过滤层与面罩内层和面罩外层中的至少一层叠加并密封在一起，形成阻隔面罩。选自耳环和弹性带的至少一个紧固件，该弹性带适于放置在佩戴者的头部上，该紧固件连接到阻隔面罩上，以在佩戴者面部保持阻隔面罩，从而过滤通过阻隔面罩的微粒。
根据一个实施例，提供了一种安装在气动机械过滤装置上的，用于过滤空气中的微粒的过滤装置，其包括本文所述的过滤介质。
根据一个实施例，提供了一块布料、一件衣服或一件衣服配件，其包含有本文所述的过滤介质。
根据一个实施例，提供了一种制造用于过滤微粒的过滤层的方法，包括将第一块织物和第二块织物叠合在一起，每个织物片都具有主要纤维取向，第一块织物和第二块织物的各自的主要纤维取向相对于彼此至少不对齐10度，使得第一块织物和第二块织物共同具有比第一纺织片和第二纺织片中的任何单独一块的各向同性更好的过滤介质。
根据一个方面，第一块织物和第二块织物是相同或不同的织物。
根据一个方面，第一织物是具有结构侧和脆性纤维侧的非织造织物，其中第一块织物的脆性纤维侧面向第二块织物的脆性纤维侧。
根据一个方面，所述方法用于制备过滤介质，其中第一织物是上文的上述方面的非织造织物，或者第一块织物是上文的上述方面的非纺织物，还至少包括上文的上述方面的第三块织物，此外，还至少包括上文的上述方面的第三块织物和第四块织物，或者还包括上文的上述方面的第三块织物、第四块织物和第五块织物。
根据附图中所示的所选实施例的以下详细描述，本申请的主题的特征和优点将会变得更加明显。如所将能实现的，能够在各个方面对所公开和要求保护的主题进行修改，这些修改都不偏离权利要求的范围。因此，附图和说明书本质上应被视为说明性的，而不是限制性的，并且权利要求中规定了主题的全部范围。
附图的简要说明
结合附图，本发明的进一步特征和优点可以从以下详细描述中变得更加明显，其中：
图1-4分别是根据一个实施例的佩戴在典型佩戴者脸上的阻隔面罩的主视图、侧视图、低仰角的视图和俯视图；
图5和图6分别是图1-4的所佩戴的带有颈部弹性带的阻隔面罩和不带有颈部弹性带的阻隔面罩的后视图；
图7和8是金属丝的侧视图，以及来自图1-4的面罩的金属丝(图7所示)的特写图；
图9-12是根据另一个实施例的面罩的前视图、低仰角的前视图，侧视图和俯视图；
图13是根据实施例的面罩的各个层的侧视图；
图14-17是根据实施例的过滤层的两个到五个织物片的组装的示例性实施例；
图18是显示了将两到四种织物按照其各自的主要纤维取向进行组装的示意图；
图19-22是典型熔喷织物纤维的特写镜头，其显示了它们各自的主要纤维取向。
需要注意的是，在整个附图中，类似的特征由类似的附图标记进行标识。
具体实施方式
下文将参考附图对本发明的实现方式进行更全面的描述，附图中对该实现方式进行了说明。然而，上述内容可能以多种不同形式进行体现，且不应被解释为仅限于本文所述的实施方式。
对于本发明的说明书，除非另有明确说明或来自文中的明确说明，否则单数项的引用应理解为包含复数项，反之亦然。语法连词旨在表达连词从句、句子、单词等的任何和所有转折连词和连接词的组合，除非上下文另有说明或明确限定。因此，术语“或”通常应理解为“和/或”等。
除非本文中另有说明，否则本文或图纸中的数值范围和数值范围的引用并非意在限制，而是单独引用范围内的任何和所有数值，并且此类范围内的每个单独数值都被并入说明书中，如同在本文中单独引用一样。“大约”、“近似”等类似词语，当具有数值时，应被解释为表示本领域普通技术人员理解的偏差，以满足预期目的。此处提供的值和/或数值范围仅作为示例，并不构成对所述实现范围的限制。本文提供的任何和所有示例或示例性语言(“例如”、“比如”，“诸如此类”等)的使用仅仅旨在更好地说明示例性实施方式，而不限制实现方式的范围。说明书中的任何语言都不应被解释为作为对该实现方式的实践至关重要的任何不声明保护的元件的指示。
在以下描述中，应当理解，例如“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”、“上面”、“下面”等术语是用于描述方便的用语，并且不得解释为限制性术语。
“顶部”、“向上”、“上部”、“底部”、“下部”、“向下”、“垂直”、“水平”、“内部”和“外部”等术语应以与产品的正常安装有关的标准含义进行解释，图1至图4显示了具有佩戴的阻隔面罩100的组件的正常方向。
在实施例中，公开了阻隔面罩的细节。
需要注意的是，在整个附图中，类似的特征由类似的附图标记进行标识。
为了更好地限制生物病原体和其他类型微粒的传播，阻隔面罩适于直接佩戴在佩戴者的脸上，也可以佩戴在其他面罩上，例如外科医生在手术期间使用的医用面罩或呼吸器。
现在参考图1至图8，阻隔面罩100由接触佩戴者皮肤的内层102(图5和13)、外层104和过滤层106(图13)组成。通常，内层102由根据其纹理和成分选择的材料制成，以防止内层102的织物接触到佩戴者的皮肤而产生刺激。
根据实现方式，内层102可以由天然织物制成，甚至可以由合成织物制成，该合成织物具有所需的柔软度和必要的透气性，以便佩戴者呼吸的空气能够轻松穿过织物。还可以增强内层的过滤能力，阻挡湿气，从而为佩戴者及其环境提供更好的舒适性和安全性。
关于外层104，外层的可用织物的种类比内层102的可用织物种类更广泛，因为外层104并不意在持续接触佩戴者的皮肤。因此，外层104的织物的选择基于织物的透气性，就像内层102的织物一样。
过滤层106由专门选择的织物制成，用于与生物病原体和其他微粒(例如污染和花粉)进行相互作用。
因此，在各个实施例中，过滤层106优选由至少两件织物(例如，100％的聚丙烯非织造织物)与另一种织物(例如棉花、土工布、聚酯和纤维素)的组合制成，以下列举一些，在下文中提供其他示例。
阻隔面罩100通常是通过内层102、过滤层106和外层104的组装来制造的，通过将内层102、外层104和过滤层106的外围边缘进行连接，例如沿着内层102、外层104和过滤层106的外围边缘112将内层102、外层104和过滤层106缝合在一起，或使用另一种连接方案。在所有情况下，无需对内层102、外层104和过滤层106进行缝制，因为缝制会为生物病原体等微粒提供穿过过滤层106的路径。其中，阻隔面罩100用于覆盖口腔和鼻孔。同一区域内的任何其他类型的结合会减少空气流通的可用部分，从而降低透气性。
根据各个实施例，头部108周围的耳环或弹性带也与内层102、外层104和过滤层106一起缝合(或固定)，以便在佩戴时将阻隔面罩100固定到位。
根据各个实施例，阻隔面罩100还可以包括易塑性部件，例如鼻子顶部的金属丝或金属条，用于允许佩戴者将阻隔面罩的顶部塑造成与某个部位(最好是佩戴者面部的整个宽度，更具体地，指鼻子和颧骨的形状)相适配。优选地，易塑性部件由金属丝120(图8和9)组成，优选地，易塑性部件由铜芯线组成。
根据另一个实施例，阻隔面罩100包括内层102和外层104，内层102与外层104连接在一起，以提供便于插入过滤层106并从位于内层102和外层104之间的嵌入空间中移除过滤层106的孔。
参考图9至图12，面罩200的另一个实施例包括内层102、外层104和过滤层106，其中面罩200与面罩100之间的区别至少在于面罩200具有不同的褶皱，以使佩戴者感到舒适，并产生3D效果，以确保内层102与佩戴者的口腔和鼻孔前面的皮肤之间的间隙得到改善。更准确地说，面罩200具有5个褶皱，并且不具有连接在这些褶皱之间的缝线，因此面罩200非常适合佩戴者的面部形状，且不具有开口，因此不存在由于缝线导致过滤效率降低的情况。
面罩100和面罩200都配有氯丁橡胶制成的绑扎带122，以提高佩戴者的舒适度。其中，绑扎带可以是弹性的，以提高面罩100和面罩200的密封性，并容纳金属丝120，例如铜丝。
在所有情况下，面罩100、200的设计都是为了避免出现缝线，缝线削弱了面罩100和面罩200的过滤性能。
根据用于这些不同的内层102、外层104和过滤层106的织物，阻隔面罩100和阻隔面罩200适于重复洗涤，而不会失去其过滤特性。
洗涤方法可以包括肥皂和温水或热水(根据说明)、过氧化氢蒸汽处理、干热和红外杀菌，以及在预设温度下使用高压灭菌器处理阻隔面罩100和阻隔面罩200。替代的洗涤方法还包括等离子处理、紫外线和微波处理。
现在具体参考图13，根据一种实现方式，根据本申请说明书，过滤介质150提供了一种医疗应用中使用的面罩以及家庭和工作场所应用中使用面罩的替代解决方案。过滤介质150具有以下特征：
一种适用于大粒径范围(例如20-4000nm)的微粒过滤效率的高性能型面罩。
值得注意的是，实验室正在测试单粒径或窄粒径的过滤介质，以满足过滤标准的要求。例如，根据ASTM的标准F2100，通过100nm微粒对过滤介质进行测试。根据ASTM的标准F3502-21，通过75nm微粒对过滤介质进行测试。
由于过滤处理会导致各种各样的相互交错的物理现象，包括机械过滤的截留、微粒的惯性和动能、静电和范德瓦尔斯力，因此，由于介质的特性，每种介质在微粒大小方面的性能都会有所不同。因此，很难获得在较大粒径范围内表现出优良特性的过滤介质。此外，在过滤过程中，必须保持较高的透气性，否则过滤介质会迅速变成外壳，这与本申请的目的相违背。
过滤介质150的另一个特征涉及允许有选择地采用方案来满足特定的过滤和透气性要求的方法的灵活性。
使用过滤介质150的面罩100和面罩200的另一个特征涉及保护环境免受佩戴者的伤害，以及保护佩戴者免受面罩提供的环境的伤害，因为过滤介质150适于过滤大粒径范围的微粒，并且该面罩的设计提供了用于使空气通过过滤介质150的良好的气密性。
本说明书中过滤介质150的另一个特征涉及透气性，过滤介质150，以及包含用于产生低压损失(又名△P)的过滤介质150的面罩。
另一个特征是过滤介质在多次洗涤周期中的稳定性。在25个洗涤周期内，过滤介质150的过滤特性损失小于2-40％。优选地，在40个洗涤周期内，该过滤特性的损失小于3-44％。优选地，在50个洗涤周期内，该过滤特性的损失小于3-45％。优选地，在超过75个洗涤周期内，该过滤特性的损失小于3-48％。优选地，在100个洗涤周期内，该过滤特性的损失小于3-50％。
过滤介质150可使用当前可用的清洗设备(比如家用洗衣机)进行洗涤。
由于过滤介质150能够在许多洗涤周期内保持其过滤特性，因此大幅减少了填埋场中的物质。包含本申请过滤介质的一个面罩可以代替100个以上，优选200个以上，以及大约300个一次性面罩。因此，塑料基废物的数量减少了约100倍。在经济上，这种面罩的每次使用的成本也降低了4到30倍。
此外，使用机械过滤的过滤介质150不需要进行额外的处理(例如，静电处理，涂层)，从而避免了在洗涤周期时降低或甚至损失普通面罩的效率。
此外，对于佩戴者吸入的经过滤介质150释放的纤维或有害物质或化学产品对佩戴者没有风险。
根据一种实现方式，包括本申请过滤介质150的阻隔面罩100和阻隔面罩200包括外层104；该外层104优选由不会对阻隔面罩100和阻隔面罩200的透气性产生严重阻碍的疏水织物制成。
阻隔面罩100和阻隔面罩200还包括内层102；该内层102与佩戴者的皮肤接触，并提供相对于湿度的良好吸收能力，特别是为了限制从呼吸到过滤介质150的湿度并提高佩戴者的舒适度。与外层104一样，内层102不应对阻隔面罩100和阻隔面罩200的透气性产生严重阻碍。内层102的织物被选择为柔软无毒的，从而满足所需特性。
阻隔面罩100和阻隔面罩200还包括由本申请过滤介质150制成的过滤层106，其中过滤介质150的组件和该组件的组装是根据所寻求的过滤特性进行选择的。
根据一种实现方式，过滤介质150由至少两块织物152制成，以下简称织物，除非对织物的类型或性质另有规定。其中将这两块织物组装在一起(参见图13中的四个织物片，即，织物片152a、织物片152b、织物片152c和织物片152d的示例)。
优选地，织物152中的至少一种包含脆性纤维侧和结构侧162。例如，熔喷织物(在下文中也称为熔喷)，其包含一个纬纱(图14)或纤维从一侧突出的布(图14)。因此，熔喷织物包括一个结构面162(纬纱)和一个脆性纤维面164(纤维突出的一侧)。
现在参考图14-17，根据一种实现方式，两个熔喷织物A和B(图14)与熔喷织物的脆性纤维侧164组装在一起，面对面地安装脆性纤维在外力作用下容易脱落的侧面，因此，根据摩擦学原理，在多个洗涤周期和通常运动期间减少了过滤介质150的由于过滤介质150上的摩擦导致的磨损。此外，与当前过滤介质相关的研究和开发表明，具有面对面脆性纤维侧164的两个熔喷织物会导致一部分熔喷纤维在洗涤过程中彼此熔化(毡效应)，从而导致随时间推移，额外减少了由于相对摩擦所导致的熔喷纤维的过早磨损。
优选地，在过滤介质150的周长155上优选永久组装两片非织造织物(优选为两片熔喷织物)，从而限制熔喷织物的脆性纤维侧164上的摩擦源，并形成外壳，以防止纤维从纬纱或结构侧分离或降解。
优选地，永久性组装提供密封，从而防止封闭的光纤逃出通过该组装形成的外壳。因此，如果纤维从织物上脱落，它们会留在密封的外壳中，并继续参与过滤介质150的过滤特性。
因此，一个优点是纤维留在密封的外壳中，而不是在环境中丢失(从而产生有害影响)或被佩戴者吸入。
根据一种实现方式，两个熔喷织物的组装是用缝合线157进行的。根据另一种实现方式，组装过滤介质的织物的替代解决方案包括机械紧固方式，比如外围粘合以及化学粘合，例如胶水、热熔或超声熔合。
在另一种实现方式(未显示)中，过滤介质包括熔喷织物和保护层，其中熔喷织物的纤维侧164面向保护层，并且其中，选择保护层以限制熔喷纤维侧随时间的磨损。因此，保护层的选择基于面向熔喷的保护层表面和熔喷织物的纤维侧164之间的最大相似度，特别是关于织物的特性，例如硬度、结构和其他机械特性。
具体参考图15至图17，当熔喷织物的三种织物是过滤介质150的一部分时，第三种熔喷织物C的组装使最外部的熔喷织物的纬纱侧背对芯部(即单元)。因此，从由前两种织物形成的芯部170开始，第三种织物最好组装成使其纤维侧164面向芯部170，或者，根据织物的位置使其结构侧162面向最靠近内层102和外层104的位置。
当有四种相同类型或不同类型的织物时(图16)，将这些织物成对进行组装，每一对形成一个芯部170，其中每个芯部170的脆性纤维边164是相对的。随后以结构侧162到结构侧162将两个芯部170进行组装，见图16中的B至D。
当必须组装两种以上的织物时，必须将它们进行配对，以便最大限度地提高纤维在材料、硬度、细度、长度以及在接触面上的尽可能多的特性等方面的相似性，以根据摩擦学原理尽可能减少磨损和退化。
图17显示了将额外的织物E进一步添加到过滤介质150中。
现在参考图18，根据一种实现方式，过滤介质150的织物被选作主要纤维取向，在支撑纬纱上以不同方向取向。因此，构成过滤介质150的各种织物的组合提供了高水平的平面各向同性，而单个织物由于其制造工艺而表现出高水平的各向异性。对目前过滤介质的研究和开发表明，较高水平的各向同性改善了其过滤特性，并且有助于使得过滤介质在所需的较大粒径范围内达到所需的过滤水平。通过最大化主要纤维取向之间的角散度，使各向同性最大化，如在下文中说明书第[0095]段的示例所述。
例如，在相关研究期间，在一个示例性案例中观察到，具有主要纤维取向的第一织物的微粒过滤效率约为测试尺寸的微粒的80％。当使用两个叠加层的第一织物，且其主要纤维取向对齐时，过滤增益微不明显，约为3％。然而，当对这两个叠加层进行组装，使其主要纤维取向彼此成90度角时，增益更大，约为5-15％，这取决于织物。因此，主要纤维取向不一致所带来的各向同性的改善对过滤特性产生了重大影响，而主要纤维取向的变化被认为是实现这一目标的解决方案。另一个观察到的优点在于，织物在受力时，尤其是在横向于主要纤维取向的力的作用下，其阻力有所提高。
参考图18，图18显示了一个示例，在该示例中，将多达四种的表现出高度各向异性的织物组装成叠加层，其中将主要纤维取向之间的角散度最大化，从而使过滤介质的各向同性的水平最大化，并具有相关的改进的过滤特性。因此，第二织物G的主要纤维取向(水平)与第一织物F的纤维优势方位(垂直)成90度角；第三织物H的主要纤维取向与织物F和织物G的主要纤维取向成45度角(从左到右向上显示)；第四织物I的主要纤维取向(从右到左向上显示)与第三织物H的主要纤维取向成45度角，第四织物I的主要纤维取向与织物F和织物G的主要纤维取向成45度角。
为便于说明，图19至图22显示了典型熔喷织物纤维的特写镜头，显示了它们各自的主要纤维取向，因此可以观察到各向异性。
关于形成过滤介质150的织物的组合，应注意，根据实现方式，选择织物的性质以达到所需的各向同性水平可能涉及单一类型的织物，例如熔喷织物、其他类型的织物或多种织物的混合，例如机织织物和非织造织物。
根据一种实现方式，过滤介质150包括织物的组合，例如两种熔喷织物，具有各种尺寸纤维的织物。例如，第一熔喷织物包括具有第一直径的纤维(或不同直径的纤维的混合物或种类)的第一细度的纬纱，以及具有第二细度和第二直径纤维的第二熔喷织物。因此，例如，第一熔喷织物对于粒径范围A内的微粒提供了良好的过滤特性(因此，第一熔喷织物很适合)，第二熔喷织物对于粒径范围B内的微粒提供了良好的过滤特性(因此，第二熔喷织物很适合)。对大量织物和织物类型的研究和开发表明，第一熔喷织物和第二熔喷织物的结合对粒径范围A和粒径范围B内的所有粒径大小的微粒提供良好的过滤特性。
同样，厚度的变化也证明了过滤特性的改进。
据了解，各向同性水平的提高可能包括使用具有不同直径(又名不同直径)的混合纤维的织物。
根据一种实现方式，构成过滤介质的一种或多种织物可能包括不同尺寸的纤维(例如，一些超细直径纤维和一些细直径纤维)的混合纤维，例如，在纬纱上的熔喷织物或不熔喷织物。
现在参考图13，过滤介质150包括至少两层织物152，优选是两层熔喷织物层。当两层织物为熔喷型织物时，将过滤介质150优选组装成使脆性纤维侧164彼此相对。
根据各种实现方式，根据下面列出的示例制作面罩100和面罩200的过滤介质150。
在一个示例性实现方式中，内层102由压延织物(例如尼龙微孔或纳米孔)和非纺织聚合物(例如非织造聚合物)制成。外层104由压延织物(例如尼龙微穿孔或纳米穿孔)和非纺织聚合物(例如非织造聚合物)制成。过滤层106包括过滤介质150，过滤介质150包括由克重在10gsm和50gsm(克/平方米)之间的熔喷织物制成的第一织物152a，以及由纳米纤维和/或超细纤维制成的第二织物152b，第二织物152b包括克重在10gsm和50gsm之间的长细纤维和短细纤维(其中这是熔喷织物或非织造织物和熔喷织物的混合物)。根据ASTMF3502-21/F2100，这一实现方式为75-100nm粒径范围的微粒提供了高达92％的近似微粒过滤效率，根据BNQ方法19922-900-附录A，氯化钠的最大穿透微粒的粒径在20nm至4000nm之间，近似微粒过滤效率高达85％，根据EN14683:2019方法，△P为5-8mm H2O/cm2(不包括内层102和外层104的影响)。
在另一个示例性实现方式中，内层102由土工布和土工合成材料(即用于农业和园艺目的的膜和毡)的其中一种制成。外层104由土工布和土工合成材料的其中一种制成。过滤层106包括过滤介质150，过滤介质150包括由纳米纤维和/或超细纤维制成的第一织物152a，纳米纤维和/或超细纤维包括克重在10gsm和50gsm之间的短纤维和长纤维，以及由纳米纤维或超细纤维构成的第二织物152b，纳米纤维或超细纤维包括克重在10gsm和50gsm之间的长纤维和短纤维(其中这是熔喷织物或非织造织物和熔喷织物的混合物)。根据ASTMF3502-21/F2100，这一实现方式为75-100nm粒径范围内的微粒提供了高达95％的近似微粒过滤效率，根据BNQ方法19922-900-附录A，氯化钠的最大穿透微粒的粒径在20nm至4000nm之间，近似微粒过滤效率达85％，根据EN14683:2019方法，△P为3-6mm H2O/cm2(不包括内层102和外层104的影响)。
在另一示例性实现中，内层102由尼龙或聚合物织物(针织物、毛毡、非织造织物或机织物)的聚酯制成。外层104由尼龙或聚合物织物(针织物、毛毡、非织造织物或机织物)的聚酯制成。过滤层106包括过滤介质150，其包含由克重在50gsm和90gsm之间的熔喷型织物制成的第一织物152a，以及由纳米纤维和/或超细纤维制成的第二织物152b，其包含克重在10gsm至50gsm之间的长短细纤维(其中这是熔喷织物或非织造织物与熔喷织物的混合物)。根据ASTM F3502-21/F2100，这一实现方式为75-100nm粒径范围内的微粒提供了高达94％的近似微粒过滤效率。根据BNQ方法19922-900-附录A，氯化钠的最大穿透微粒的粒径在20nm至4000nm之间，近似微粒过滤效率高达90％，根据EN14683:2019方法，△P为6-9mmH2O/cm2(不包括内层102和外层104的影响)。
另一个示例性实现方式包括面罩100和面罩200，面罩100和面罩200的内层102例如由棉花和/或聚酯和/或尼龙和/或大麻和/或马利筋和/或亚麻织物制成。外层104由棉花和/或聚酯和/或尼龙和/或大麻和/或马利筋和/或亚麻织物制成。过滤层106包括过滤介质150，过滤介质150包括由纳米纤维和/或超细纤维制成的第一织物152a，第一织物152a包括克重在10gsm和50gsm之间的短纤维和长纤维(其中这是熔喷织物或非织造织物和熔喷织物的混合物)或克重在50gsm和90gsm之间的熔喷型织物，第二织物152b由纳米纤维或超细纤维构成，包括克重在10gsm和50gsm之间的短细纤维和长细纤维(其中这是熔喷织物或非织造织物和熔喷织物的混合物)组成，以及具有由克重在50gsm和250gsm之间的短纤维和长纤维制成的毡(非织造毡)的第三织物152c。根据ASTM F3502-21/F2100，这一实现方式为75-100nm粒径范围内的微粒提供了高达96％的近似微粒过滤效率，根据BNQ方法19922-900-附录A，氯化钠的最大穿透微粒的粒径在20nm和4000nm之间，近似微粒过滤效率达到91％，根据EN14683:2019方法，△P为5-8mm H2O/cm2(不包括内层102和外层104的影响)。
另一个示例性方式包括过滤层106，该过滤层包含过滤介质150，该过滤介质包括由专用微粒过滤器和/或通风系统过滤器和MERV型过滤器(不同的量规和重量取决于制造)制成的第一织物152a，以及由工业类型的纸织物(纤维素和/或聚酯和/或聚丙烯)制成的第二织物152b，例如湿巾(具有不同的尺寸和重量，取决于制造)。根据ASTM F3502-21/F2100，这一实现方式为75-100nm粒径范围内的微粒提供了高达80％的近似微粒过滤效率，根据BNQ方法19922-900-附录A，当氯化钠的最大穿透微粒的粒径在20nm至4000nm之间时，近似微粒过滤效率高达86％，根据EN14683:2019方法，△P为5-9mm H2O/cm2(不包括内层102和外层104的影响)。
根据另一个示例性实现方式，过滤层106包含克重在10gsm到50gsm之间的长细纤维和短细纤维的四种纳米纤维和/或超细纤维的织物152a-d，单独或与由压延尼龙微孔或纳米穿孔制成的织物152进行结合，或与工业类型的纸织物进行结合，或者根据EN14683:2019方法，使用具有克重在50gsm和250gsm之间的短纤维和长纤维的毛毡，△P为5-8mmH2O/cm2。
发售
根据各种实施例，以如前所述的方式制造阻隔面罩100和阻隔面罩200，并在有或无替换过滤层106的选项的情况下进行发售。
根据一个实施例，阻隔面罩100和阻隔面罩200可以作为一个套件进行发售，该套件包括用于内层102的(未标记或预切割)织物、用于外层104的(未标记或预切割的)织物、由过滤介质制成的过滤层106的组合，头部108周围的耳环或松紧带，以及将这些部件组装成阻隔面罩100的说明书。
根据另一个实施例，由于内层102和外层104可以由家庭中常见的材料，例如棉花(但这会导致透气性的变化)制成，因此，该套件可能仅限于由过滤介质和说明书制成的过滤层106。
磨损方法
阻隔面罩100和阻隔面罩200的使用方法通常包括将阻隔面罩100和阻隔面罩200放置在佩戴者的嘴和鼻孔上方，正确放置和调整耳环或头部108周围的弹性带，使阻隔面罩100和阻隔面罩200保持在原位，并调整阻隔面罩100和阻隔面罩200的边缘，尤其是鼻子周围和下巴下方，这样，阻隔面罩100和阻隔面罩200非常适合佩戴者的面部形状，从而阻碍生物病原体和微粒通过这些孔的通道。
另一种使用方法是在另一种面罩(如防毒面具或其他类型的面罩，如根据ASTM等级分类的面罩)上佩戴阻隔面罩100和阻隔面罩200，尤其是在N95型面罩(呼吸器)上佩戴阻隔面罩100和阻隔面罩200。
替代用途
虽然已详细描述了本申请过滤介质150在阻隔面罩100和阻隔面罩200中的使用，但本申请过滤介质的其他应用包括用作机械(气动)空气过滤装置的过滤器，例如通风装置、空气交换器、暖通空调装置、车辆空气控制系统、，粉尘/烟雾/过敏原(例如花粉)控制装置和过滤装置、污染控制装置等。其他用途包括将过滤介质150集成到其他呼吸装置中，例如其他类型的吸入装置和面罩(例如带过滤罩的面罩、全脸面罩)，以及服装/衣服/个人防护用品，例如长袍、实验服、围裙、围巾、头巾、帽子和围巾。
虽然已经在上文中描述了优选实施例，并在附图中对这些优选实施例进行了说明，但对于本领域技术人员来说，可以在不偏离本发明的情况下进行各种修改，这是显而易见的。这些修改被视为包含在本发明范围内的可能变形。

Claims (23)

1.一种用于过滤粒径范围内的微粒的过滤介质，所述过滤介质包括：
具有第一主要纤维取向的第一块织物；
与所述第一块织物叠合的第二块织物，所述第二块织物具有第二主要纤维取向，
沿外围边缘密封与所述第二块织物叠合的第一块织物以形成所述过滤介质，
其中，所述第一块织物与所述第二块织物叠合，所述第一块织物与所述第二块织物的主要纤维取向彼此不对齐，从而使得所述第一块织物和所述第二块织物共同具有各向同性好于所述第一块织物和所述第二块织物中的任意单独一块的过滤介质。
2.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一块织物和所述第二块织物是相同或不同的织物。
3.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一块织物是以下织物中的任意一种，包括：
克重在10gsm和50gsm之间或在51gsm和90gsm之间的非织造织物；
克重在10gsm和50gsm之间或在51gsm和90gsm之间的熔喷织物；
由克重在10gsm和50gsm之间或在51gsm和90gsm之间的纳米纤维、超细纤维或纳米纤维和超细纤维的组合制成的织物，包括短纤维和长纤维；
由克重在40gsm和300gsm之间的短纤维、长纤维或短纤维和长纤维的组合制成的非织造毡；
压延尼龙微孔或纳米穿孔织物和/或聚合物；以及
由至少一种纤维素、聚酯和聚丙烯制成的纸织物。
4.根据上述权利要求1至3中任一所述的过滤介质，其中，所述第一块织物和所述第二块织物组合在一起提供各种直径和长度的纤维。
5.根据上述权利要求1至3中任一所述的过滤介质，其中所述第一块织物是具有第一结构侧和第一脆性纤维侧的非织造织物，并且所述第二块织物具有第二结构侧和第二脆性纤维侧；并且
其中，所述第一脆性纤维侧面向所述第二脆性纤维侧。
6.根据上述权利要求1至3中任一所述的过滤介质，其中所述第一块织物是具有第一结构侧和第一脆性纤维侧的非织造织物；并且
其中，所述第一脆性纤维侧面向并叠合在所述第二块织物的任何一侧，并且所述第一块织物和所述第二块织物被沿着外围边缘密封在一起，所述外围边缘限定了所述第一块织物的所述脆性纤维侧的外壳。
7.根据上述权利要求1至6中任一所述的过滤介质，还包括至少第三块织物；并且
其中，所述第三块织物具有第三脆性纤维侧，所述第三脆性纤维侧面向并叠合在所述第一块织物的所述第一结构侧上；或
所述第三块织物具有第三脆性纤维侧，所述第三脆性纤维侧面向并叠合在所述第一块织物或所述第二块织物的所述脆性纤维侧。
8.根据上述权利要求1至6中任一所述的过滤介质，还至少包括第三块织物和第四块织物；并且
其中，所述第三块织物具有第三脆性纤维侧，所述第三脆性纤维侧面向并叠合在所述第四块织物的第四脆性纤维侧上，形成由两块叠合的织物片组成的单元，所述单元叠合在所述第一结构纤维侧或所述第二结构纤维侧上，或位于所述第一脆性纤维侧和所述第二脆性纤维侧之间；或
其中，所述第四块织物具有第四脆性纤维侧，所述第四脆性纤维侧面向并叠合在所述第三块织物的第三结构纤维侧上，形成由两块叠合的织物片组成的单元，所述单元叠合在所述第一结构纤维侧或所述第二结构纤维侧，或位于所述第一脆性纤维侧和所述第二脆性纤维侧之间。
9.根据上述权利要求1至6中任一所述的过滤介质，还包括至少第三块织物、第四块织物和第五块织物；并且
其中，所述第三块织物具有第三脆性纤维侧，所述第三脆性纤维侧面向并叠合在所述第四块织物的第四脆性纤维侧上，形成由两块叠合的织物片组成的单元，所述单元叠合在所述第一脆性纤维侧或所述第二脆性纤维侧，或位于所述第一脆性纤维侧和所述第二脆性纤维侧之间；并且
其中，所述第五块织物具有第五脆性纤维侧，所述第五脆性纤维侧面向并叠合在位于外表面的任何织物的结构纤维侧上，或者位于所述第一脆性纤维侧和所述第二脆性纤维侧之间，或者位于所述第三脆性纤维侧和所述第四脆性纤维侧之间；或者
其中，所述第四块织物具有第四脆性纤维侧，所述第四脆性纤维侧面向并叠合在所述第三块织物的第三结构纤维侧上，形成由两块叠合的织物片组成的单元，所述单元叠合在所述第一结构纤维侧或所述第二结构纤维侧或者位于所述第一脆性纤维侧和所述第二脆性纤维侧之间；并且
其中，所述第五块织物的所述第五脆性纤维侧面向并叠合在位于外表面的任何织物的结构纤维侧上，或者位于所述第一块织物和所述第二块织物之间，或者位于所述第三块织物和所述第四块织物之间。
10.根据上述权利要求1至6中任一所述的过滤介质，还包括第三块织物，所述第三块织物包括用于保护所述第一块织物的保护纬纱。
11.根据上述权利要求1至10中任一所述的过滤介质，其中所述过滤介质的压力损失小于8.55mm H20/cm2。
12.根据上述权利要求1至11中任一所述的过滤介质，其中所述叠合的织物沿着外围边缘被密封在一起。
13.根据权利要求12所述的过滤介质，其中通过缝纫、外围装订、胶水、热熔和超声波熔接中的其中一种方式将所述织物密封在一起。
14.根据上述权利要求1至13中任一所述的过滤介质，其中所述过滤介质在25次洗涤周期后的过滤特性损失小于40％。
15.根据上述权利要求1至13中任一所述的过滤介质，其中所述过滤介质在经过50次洗涤周期后的过滤特性损失小于45％。
16.根据上述权利要求1至13中任一所述的过滤介质，其中所述过滤介质在经过100次洗涤周期后的过滤特性损失小于50％。
17.一种阻隔面罩，所述阻隔面罩适于放置在佩戴者的嘴和鼻孔前方的佩戴者面部，用于过滤包括生物病原体在内的微粒，所述阻隔面罩包括：
面罩内层或面罩外层中的至少一个；
过滤层，所述过滤层包括权利要求1至16中任一所述的过滤介质；
其中，所述过滤层与所述内层和所述外层中的至少一层叠合并密封在一起，以形成阻隔面罩；以及
至少一个紧固件，所述紧固件选自耳环和弹性带，所述耳环和所述弹性带适于放置在佩戴者的头部，所述紧固件连接到所述阻隔面罩上，以在佩戴者面部保持所述阻隔面罩，以过滤通过所述阻隔面罩的微粒。
18.一种过滤装置，所述过滤装置安装在用于过滤空气中的微粒的气动机械过滤装置上，包括权利要求1至16中任一所述的过滤介质。
19.一块布料、一件衣服或一件衣服配件，其包括权利要求1至16中任一所述的过滤介质。
20.一种用于制作过滤微粒的过滤层的方法，包括：
将第一块织物和第二块织物叠合在一起，所述第一块织物和所述第二块织物各自具有主要纤维取向，并且所述第一块织物的主要纤维取向和所述第二块织物的主要纤维取向彼此至少不对齐10度，从而使得所述第一块织物和所述第二块织物共同具有各向同性好于所述第一块织物和所述第二块织物中的任何单独一块的过滤介质。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一块织物和所述第二块织物是相同或不同的织物。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述第一块织物是具有结构侧和脆性纤维侧的非织造织物，其中所述第一块织物的所述脆性纤维侧面向所述第二块织物的所述脆性纤维侧。
23.根据权利要求19至21中任一所述的方法制备权利要求5至9中任一所述的过滤介质。
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