CN1173138A - 防毒面具和过滤芯子 - Google Patents

Abstract

一种防毒面具(10)包括一具有壳体(16)和粘结的吸附剂过滤元件(20)的过滤芯子(12)。壳体(16)包括一具有一内侧表面(36)和一折叠边缘(42)的套管(32)。过滤元件(18)包括粘结的吸附剂过滤元件(20),它被抵压在套管的内侧表面(36)上,并由折叠边缘(42)固定在套管(32)内。

Description

防毒面具和过滤芯子

本发明与防止气体或蒸汽的防毒面具和过滤芯子有关，它具有粘结的吸附剂过滤元件，安装该过滤元件的套管，以及使过滤元件保持在适当位置的套管的折叠边缘。

诸如活性炭之类的吸附剂颗粒通常用于防毒面具，以作气体或蒸汽的过滤器。这种过滤器一般按照吸附剂材料安装在过滤器里的方式进行分类，并包括填充型床式过滤器，装载型非织造的过滤器，装载型泡沫塑料过滤器，以及粘结的吸附剂过滤器。

在填充型床式过滤器里，吸附剂颗粒由覆盖着进口和出口区域的刚性栅格和丝网施加的、并传送通过颗粒床的压缩力而被约束在一容器里。实际上，所有的填充型床式过滤器是圆柱形的，具有稳定的厚度或床深，并具有平面的进口和出口。为了充填芯子，通常倾倒吸附剂颗粒使其通过丝网，并在它们落下时散开，由此形成一基本上以最大密度填充的一水平床。来自约束栅格和丝网的压缩力抑制颗粒移动，以使通过填充型床的沟流减小到最低程度。

美国专利第4,543,112号公布了填充型床式过滤器的一个例子。这个专利描述了依序安装第一弹性穿孔板，第一滞留滤料，吸附剂床，第二滞留滤料，第二弹性穿孔板，以及在滤毒罐的圆柱形部分内的一盖子，从而形成一吸附剂过滤组件。该盖子受力向下压缩吸附剂床，并弹性地偏压第一弹性穿孔板。当零件在压缩下连接在一起时，圆柱罐的环形边缘部分被卷进在滤毒罐盖子圆周上延伸的凹槽里，以便不透气地密封和机械地固定处在组装和压缩关系中的零件。

必需的零件数量和加工步骤使其复杂化，并使其重量大，体积大和成本高。另一个问题出现在当填充型床式防毒面具连续地与一颗粒过滤器结合、以用于含有颗粒、以及诸如使用喷漆的有害蒸汽环境中时。在这种情况下，保持栅格和丝网不动将在颗粒过滤器里产生不均匀的气流通道，由此降低过滤介质的利用，并增加了通过的压力降。

已经揭示了装载式非织造纤维在形成纤维网的纤维之间的空隙里含有吸附剂颗粒。美国专利第3,971,373号公开了一个例子。还揭示了装载式泡沫塑料含有分布在和粘结在泡沫塑料结构里的吸附剂颗粒。美国专利第4,046,939号描述了一种充满碳的泡沫塑料，用于抵抗有害的化学物质的防护衣。装载式非织造纤维网和装载式泡沫塑料结构必须加边，以便密封防毒面具零件，防止未过滤的气体绕过过滤器进入。已知的密封装置包括诸如美国专利第5,063,926号所述的粘结剂，以及诸如美国专利第5,222,488号所述的垫圈或密封环。与填充型床相比，装载式结构一般具有吸附剂颗粒密度较低的缺点。

超过填充型床式技术和装载式纤维网和泡沫塑料的一个显著进步是粘结的吸附剂的发明。在粘结的吸附剂技术里，利用将吸附剂颗粒粘结在一起的聚合物颗粒，将吸附剂颗粒模制成一单一的结构。粘结的吸附剂结构消除了对附加的支承结构(如填充型床所需要的)的需要。美国专利第5,033,465号描述了粘结的吸附剂结构的一个例子。粘结的吸附剂结构利用粘结剂被密封在防毒面具里--例如，见美国专利第5,078,1 32号；或通过注塑模制--例如，见美国专利第4,790,306号。在这些防毒面具里的过滤元件不能被方便地调换，这样，当过滤器使用寿命到期时，防毒面具只能当废物扔掉。

本发明提供一种新的过滤芯子和一种新的防毒面具，以克服已知的防毒面具和过滤芯子的某些缺点。

简单地说，本发明的过滤芯子包括：

(1)一壳体，它包括一具有一内侧表面的套管和一自该套管延伸的折叠的边缘；以及

(2)一过滤元件，它包括一粘结的吸附剂过滤元件，该过滤元件被抵压在套管内侧表面上以在它们之间形成一压配合，并由折叠边缘固定在套管里。本发明的防毒面具简单地说包括一防毒面具面罩和下面概述的过滤芯子。

本发明的过滤芯子和防毒面具具有一粘结的吸附剂过滤元件，一安装过滤元件的套管，以及一使过滤元件保持在适当位置的套管的折叠边缘。通过在与套管交界面处对过滤元件的压缩，粘结的吸附剂过滤元件和套管壳体之间的交界面可防止出现沟流(即，环绕着过滤元件的未过滤气体通过)。当气体经过孔道里的过滤元件时，它避免与吸附剂颗粒接触，从而出现污染物质过早的穿透。在套管上可设置一壁厚减小的环形凹槽，以限定一折叠线，用于形成一折叠边缘。当在折叠线处径向向内折叠套管时，由此产生的折叠边缘使过滤元件在套管内保持在适当位置。一般来说，颗粒过滤器可在折叠套管前邻接在粘结的吸附剂过滤元件旁。

本发明的过滤芯子和防毒面具包含少量的零件，并可用相当少的步骤组装。基本上可在一个步骤里容易地和费用不大地注塑模制的套管，它可提供一安装过滤元件的壳体、一确保所有吸入气体经过过滤元件的密封装置、以及一将过滤元件固定在壳体里的保持装置。其结果是过滤芯子和防毒面具在重量上比较轻，具有最少的零件，并且比较容易制造。

在附图中：

图1是按照本发明的防毒面具10的局部剖视的立体图；

图2是按照本发明的过滤器壳体16的剖视图；以及

图3是按照本发明的过滤芯子12的剖视图，它具有利用折叠边缘42在其内固定的粘结的吸附剂过滤元件20。

图1描述了本发明的一种防毒面具10的一个例子。防毒面具10包括一过滤芯子12和面罩14。过滤芯子包括一壳体16和一过滤元件18。壳体16被制成将过滤元件安装在壳体16里时使过滤元件18略被压缩的大小和形状。过滤元件18包括一粘结的吸附剂过滤元件20和可选用的颗粒滤料22。这里使用的术语“粘结的吸附剂过滤元件”意味着一整体，它包括通过聚合的粘合剂颗粒粘结在一起、形成一刚性的多孔结构的吸附剂细粒，它能用来吸附经过该过滤元件的气态的污染物质。如图所示，颗粒滤料22较佳的是置于粘结的吸附剂过滤元件20的上游侧，以防止颗粒堵塞吸附剂过滤元件的孔隙。

面罩14被制成可与人的鼻子和嘴巴配合的尺寸。可想象提供一种可与人们面孔的其它部分(即，眼睛)配合的面罩，诸如一种全面罩结构；然而，这里所述的面罩一般被制成半面罩结构，即，它只覆盖鼻子和嘴巴。如图所示，面罩14可包括柔软的、服贴的部分24，它密封模制在刚性的中心部分26的周边上。刚性的中心部分26包括一进气孔(未画出)，过滤气体通过进气孔进入防毒面具内部。呼出的气体可通过一在面罩14内的呼气阀(未画出)。具有柔软的、服贴的面部部分、以及其上安装着过滤芯子的刚性的中心部分的防毒面具在现有技术里，如授予伯恩斯和赖施舍尔的美国专利第5,062,421号里已被公布。

图2描述了一过滤器壳体16，它被用来形成过滤芯子12(图1和3)。过滤器壳体16包括进气孔28、套管32，这里显示了它在安装前的形状。要过滤的气体通过进气孔28进入过滤元件，然后通过排气孔30离开芯子。套管32较佳的是被制成在端部34处(在那里限定进气孔)有一直径，该直径略大于粘结的吸附剂过滤元件20(图1和3)的直径，以便方便地将过滤元件插入套管32。套管的内表面36略呈锥形，即其直径沿一轴向向着壳体底部或后表面的直线逐渐减小。该锥形从图2中的线39处开始。套管内径在沿着轴向、向着后表面38的某些地方较佳的是略小于粘结的吸附剂过滤元件20的外径。将过滤元件压入锥形套管32会使过滤元件略微压缩，并在过滤元件和套管之间形成压配合。

可在套管32上提供壁厚减小的环形凹槽40，以限定一折叠线。

如图3所示，折叠线位于套管32上，这样，当粘结的过滤元件18压入到位，并将套管壁径向向内折叠时，折叠的边缘42正好贴着过滤元件18的进气表面43，从而使它牢牢地固定在适当的位置上。过滤元件18具有一般的圆柱形结构，并带有由外周表面44隔开的进气表面43和排气表面45。在套管内侧表面36(图2)上锥度较佳的是大到足以允许粘结的吸附剂过滤元件方便地插入，也小到足以能在套管和过滤元件18外周表面44的基本部分之间形成压配合。这将防止未过滤的气体进入戴面具者的呼吸道，也可防止在组装时过滤元件移位。已发现0.5度到5度的斜度是令人满意的锥形。在壳体底部处的、令人满意的套管内径较佳的是大约小于过滤元件直径的0.1mm到1.3mm，最好是大约小于过滤元件直径的0.4mm。换句话说，在其底部处的套管的圆周较佳的是约小于过滤元件圆周的百分之0.1到1.7。在凹槽40处的套管32的厚度小到足以允许套管被折叠180°，大到足以在折叠时不会被折断或破裂。已发现约0.2到0.7mm的厚度是令人满意的。

套管较佳的是用诸如弹性塑料的弹性材料制成，它能沿着厚度减小的凹槽被折叠而不会折断。这种材料较佳的也可是刚性的，以便足以保持它沿套管内壁的位置。已经发现，在22℃(73°F)时具有2×10⁸到30×10⁸帕弯曲模量的材料是令人满意的。套管材料较佳的是在22℃时具有6×10⁸到15×10⁸帕的弯曲模量。这种材料较佳的是热塑性的，以便制造。其中，适当的材料是聚乙烯，聚丙烯和热塑性橡胶。具有6.5×10⁸帕(95,000psi)弯曲模量、诸如Dowlex2553聚乙烯(Dow化学公司，密歇根州)之类的低密度聚乙烯是一种特别适当的材料。另一种适当的材料是Dow 8454、一种具有9.7×10⁸帕(140,000psi)弯曲模量的高密度聚乙烯。较佳的是用注塑模制这种套管。

一种粘结的吸附剂过滤元件可用吸附剂细粒或颗粒来制造，它们通过粘合的粘结剂颗粒已被制成一刚性的、多孔的、自保持的、单一的、耐冲击的整体。吸附剂细粒基本上在整个粘结的吸附剂结构内均匀地分配，并互相隔开，以便允许流体通过。吸附剂细粒可是(例如)活性炭、铝、硅胶、膨润土、硅藻土、离子交换树脂、粉末状的沸石(天然的和合成的)、分子筛、和催化的颗粒，而聚合的粘结剂颗粒可是(例如)，聚安酯、乙烯、或醋酸乙烯酯、或聚乙烯。授予布朗和雷考的美国专利第5,033,465号公布了选择适当的粘结剂和准备适当的粘结的吸附剂结构。该专利的描述在这里被参考引用。

一般来说，用于除尘或其它颗粒的过滤器在折叠边缘形成前可邻接粘结的吸附剂过滤元件的上游表面。组合颗粒和粘结的吸附剂过滤器特别用于气体(或蒸汽)和颗粒污染物质的环境中，例如，在喷漆和喷杀虫剂的环境中。颗粒过滤器较佳的是具有略大于套管内径的尺寸，以便在折叠套管时，套管可阻挡颗粒过滤器的边缘，使其固定，并提供一无泄漏的边缘密封。一种适当的过滤器介质是来自明尼苏达州的3M公司的Filtrete牌滤料。此外，颗粒过滤器也可安装在吸附剂过滤器的下游。

在过滤元件压入套管，在套管内侧表面36和过滤元件的外周表面44之间形成压配合之后，如图3所示，径向向内折叠套管边缘。这可以通过下述方式实现，将边缘上的一点向内折叠超过90°，并让它保持不动，然后环绕着套管圆周做相同的事，直至所有的边缘折叠到位并紧贴着套管的内表面36(图2)。套管的折叠边缘42可正好抵压过滤元件的进气表面43，以防止从环绕着过滤元件外周表面44的孔道中吸入气体，此外，还可在过滤元件和套管内侧表面之间保持压配合。

套管可是面罩的一整体部分(即，形成一个部分，而不是固定在上面)，或者它可以是可替换的过滤芯子部分，即可拆卸地安装在防毒面具的面罩上。在一较佳的实施例里，套管和粘结的过滤元件是可替换的芯子部分，即，它具有扣压装置，以便允许过滤芯子扣压在防毒面具面罩的配合部分上，如名称为“具有扣压固定过滤芯子的防毒面具”的美国专利第08/375,855号所述的。该专利的描述在这里被参考引用。

虽然附图描述的防毒面具和过滤芯子使用了形状是圆形的过滤元件，但在本发明的其它实施例里也可使用具有其它形状的过滤元件。例如，过滤元件可以是椭圆形的、卵形的或其它曲线形状的。要避免使用尖角结构，因为在角落处很容易产生吸入气体的沟流。当使用非圆形的过滤元件时，套管具有略小于粘结的吸附剂过滤元件外周的外周，以便获得压配合。因为套管略呈锥形，故沿着平行于套管轴线的一条线、并向着套管底部的方向，该外周逐渐减小。

然而，在本发明里，不一定使用锥形套管，以便在过滤元件和过滤芯子的套管之间产生压配合。例如，一非锥形的套管可与一具有锥形外周表面的过滤元件一起使用。或者，一非锥形的套管可与一非锥形的过滤元件一起使用，而该过滤元件具有略大于套管内侧表面圆周的圆周。名称为“可压缩的压配合过滤元件的防毒面具”的美国专利第08/376,199号描述了压配合过滤元件的另一例子。该专利的描述在这里被参考使用。使粘结的吸附剂过滤元件压缩的套管内侧表面的圆周一般小于未压缩的粘结的吸附剂过滤元件的圆周，但与在未压缩状态下的过滤元件外周表面的圆周相比不超过10％，较佳的是不超过5％，最好不超过2％。

包含本发明过滤芯子的防毒面具可用来保护人免受有毒气体或蒸汽的侵害。有毒气体或蒸汽过滤器的主要类型是那些用于有机物蒸汽、酸性气体(包括氯化氢、二氧化硫、氯气、硫化氢、二氧化氯等)、氨水或甲胺、甲醛、汞蒸汽和放射性碘化物的过滤器。

                    例子

准备样品

首先，通过按照下述工艺制造粘结的碳结构来制造过滤芯子。用12×20(1.68mm×..84mm)美国标准粒度的Kuraray GG活性炭在热处理工艺中与热塑性聚氨酯，Morthane PS455-100(莫顿聚硫橡胶公司)混合，后者通过研磨该聚合物变为粉末形状，然后收集通过美国标准50粒度(297微米)的部分。产生的聚合物粉末的大小范围约是37-297微米，平均颗粒直径约是150微米。

碳细粒约占最终混合物重量的86％或18.5克。然后，使用一定做的组合机器，以便利用碳/聚合物混合物和诸如Remay2250(Remay公司，田纳西州)的76.5cm直径的非织造聚酯稀松材料来模制粘结的碳结构。在该机器第一工位，将非织造稀松材料放在7.77cm直径和约3.81cm深的圆形模子里。在该稀松材料置于模子底部后，将模子送到下一工位，通过一系筛网，将21.5克的碳/聚合物混合物加入到该模子中。使用一系列的筛网是为了控制混合物进入模子的方式；其结果是模子被填满到一定程度。一旦混合物进入模子并被弄平，将材料加热到聚合物粘结剂颗粒的熔点。加热之后，将混合物压缩成其最后形状，并将过滤元件冷却到室温。

由此形成的结构是一单一的粘结的吸附剂过滤元件，它在圆柱形一个平的表面上具有非织造稀松材料。粘结的吸附剂过滤元件具有78mm的外径和10.2mm的深度。

为了组装过滤芯子，将粘结的吸附剂过滤元件配合固定在注塑模制的套管里。套管是利用高密度的聚乙烯Dow8454模制而成的。套管内侧表面以大约2度的斜度略呈锥形，以便在粘结的吸附剂过滤元件和套管壁之间形成压配合。在套管底部处的内径是77.6mm；这样，提供0.4mm过盈。

一旦粘结的滤料固定在套管内的适当位置上，从Filtrete牌滤料上割下一79.7mm直径的颗粒滤料，并将其放置在粘结的吸附剂过滤元件的顶部。颗粒滤料的公称基准重量是200g/m²。将套管里安装着两个过滤元件的组件安装在一卷边装置里，该装置将在转折点处的塑料壁径向向内折叠，直至它抵压着套管的内侧壁。在操作过程中，当套管的折叠边缘受力进入紧靠套管内侧表面的位置时，颗粒滤料的边缘被紧压。当折叠边缘到位时，在过滤元件和套管之间形成一牢固结合。

测试工艺

将过滤芯子固定在注塑模制的测试台上准备对其进行测试。通过芯子和测试台之间的扣压固定装置来固定芯子。测试台是利用Amoco3234聚丙烯(Amoco化学公司，芝加哥，伊利诺斯州)模制出来的。由于在接触线处连接件之间的过盈配合，扣压固定在芯子和测试台之间形成一不透气的密封。测试台被密封在一带有2.0cm中心孔的平板上，而平板又固定在一锥形设备上。该锥形设备提供一不透气的密封，并可容易地从测试室里放置和卸下测试夹具。当测试气体和蒸汽时，使芯子经受每分钟30升(1pm)、含50％相对湿度空气和百万分之三百(ppm)CCl₄的气流。这种条件的气流一般用来测试工业用的半面罩防毒面具，特别是代表了日本劳动部所要求的条件的特征(劳动部68号公报，关于气体面罩的标准(1990))。当芯子遇到空气体里的300ppm CCl₄时，供CCl₄漏过的Miran103气体分析仪检测到流出物。从时刻为零到取得的流出物达到5ppmCCl₄的时刻之间的时间涉及到芯子的使用寿命。日本劳动部所要求的最短的使用寿命为50分钟。

在颗粒穿透试验的情况下，如上所述，将芯子固定在测试台上，并且让芯子组件经受在每立方米12毫克浓度下的95 lpm NaCl微粒流。TSI 8110型微粒发生器和计量仪(热系统股份有限公司)检测到流出物。8110型产生NaCl微粒，然后检测和计算NaCl悬浮微粒的穿透百分比。

测试结果如下面的表1所示。

                     表1

样品号	穿透百分比	样品号	使用寿命(分钟)
				1	2.01	4	67
2	2.09	5	74
				3	0.94	6	68

表1中的资料表明这种芯子具有低的穿透值，表明折叠边缘可防止过滤元件和芯子套管之间的流体沟流。上述资料还表明使用寿命超过了日本劳动部所要求的标准。

Claims (10)

1.一种过滤芯子，包括：

(1)一壳体，它包括一具有一内侧表面的套管和一自该套管延伸的折叠的边缘；以及

(2)一过滤元件，它包括一粘结的吸附剂过滤元件，该过滤元件被抵压在套管内侧表面上，以在它们之间形成一压配合，并由折叠边缘固定在套管里。

2.如权利要求1所述的过滤芯子，其特征在于，套管具有一锥形的内侧表面，并具有0.5到5度的斜度。

3.如权利要求1-2所述的过滤芯子，其特征在于，过滤元件具有锥形的外周表面。

4.如权利要求1-3所述的过滤芯子，其特征在于，套管具有一略大于粘结的吸附剂过滤元件外径的内径，套管的内径沿着轴向朝向壳体后表面的一条线逐渐减小，其中，套管的内径在轴向朝向后表面的某一点起略小于粘结的吸附剂过滤元件的外径。

5.如权利要求1-4所述的过滤芯子，其特征在于，套管具有一壁厚减小的环形凹槽，以限定一折叠线，并形成一环绕该折叠线的折叠边缘。

6.如权利要求1-5所述的过滤芯子，其特征在于，套管被径向向内折叠以提供所述折叠边缘。

7.如权利要求1-6所述的过滤芯子，其特征在于，所述套管由在22℃具有2×10⁸到30×10⁸帕弯曲模量的聚合材料制成。

8.如权利要求1-7所述的过滤芯子，其特征在于，在壳体底部的套管内径比过滤元件的直径小0.1到0.8mm。

9.如权利要求1-8所述的过滤芯子，其特征在于，套管的内侧表面具有一圆周，在该圆周处套管对粘结的吸附剂过滤元件进行压缩，该圆周比未压缩的粘结的吸附剂过滤元件的圆周小，但小于未压缩的粘结的吸附剂过滤元件圆周不超过百分之十。

10.一种防毒面具，包括：

(1)一种尺寸至少与人的鼻子和嘴巴配合的面罩；以及

(2)如权利要求1-9所述的过滤芯子。

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