DE69321530T2

DE69321530T2 - Gewellte Vliesstoffe aus polymerer Mikrofaser

Info

Publication number: DE69321530T2
Application number: DE69321530T
Authority: DE
Inventors: David L. C/O Minnesota Mining And Saint Paul Minnesota 55133-3427 Braun; James E. C/O Minnesota Mining And Saint Paul Minnesota 55133-3427 Steffen
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-08-04
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1999-04-01
Anticipated expiration: 2013-08-05
Also published as: JPH06192951A; US5763078A; EP0582286A1; NO300555B1; AU693049B2; US5804295A; CA2101192A1; US5656368A; US5961778A; KR940005308A; ES2124273T3; EP0582286B1; AU4426493A; DE69321530D1; BR9303282A; US5955193A; AU672413B2; MX9304612A; US5830311A; AU1000897A

Description

Diese Erfindung betrifft (i) eine Verbundstruktur, die einen gewellten Vliesstoff aus polymerer Mikrofaser enthält; (ii) eine Faser-Filtrations-Gesichtsmaske (nachstehend Gesichtsmaske) mit einer gewellten Filterschicht, (iii) eine Wärmeisolierung, die einen gewellten Vliesstoff aus polymerer Mikrofaser umfaßt; (iv) einen Filter zur Entfernung teilchenförmiger und gasförmiger Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit; (v) ein Verfahren zu Herstellung eines gewellten Vliesstoffs aus polymerer Mikrofaser und (vi) eine Wellvorrichtung.

Gewellte Mikrofaserstoffe

Gewellte und gefaltete Stoffe aus polymerer Mikrofaser sind auf dem Fachgebiet bekannt und wurden in den folgenden US-Patenten offenbart: 5,038,775, 4,939,016, 4,910,064, 4,842,739, 4,826,642, 4,774,001, 4,759,782, 4,676,807 und 4,617,124.
US-Patent 5,038,775 offenbart ein Filtersystem, das einen gefalteten Mikrofaserstoff als Filtermedium umfaßt. Das Filtermedium wird durch einen Gitterstoff in gefaltetem Zustand gehalten, der sich über die Zulauf und Ablaufseite des gefalteten Filtermediums erstreckt, um dem Filtermedium im wesentlichen kontinuierlichen Halt zu geben.
US-Patent 4,939,016 offenbart ein Verbundstoffmaterial, das ein hydraulisch verhaktes Laminat aus schmelzgeblasenen Mikrofasern und eine weitere Schicht, vorzugsweise mindestens eine aus Zellstoffasern, Stapelfasern, schmelzgeblasenen Fasern und Endlosfasern, mit oder ohne teilchenförmiges Material, umfaßt. Das Patent offenbart, daß dieser Verbundstoff durch Vordehnen des Stoffs und hydraulisches Verhaken des Stoffs während des Dehnens zu einem gewellten dehnbaren Stoff geformt werden kann.
US-Patent 4,910,064 offenbart einen Vliesstoff, der eine Vielzahl im wesentlichen in Längsrichtung molekular orientierter Endlosfasern aus einem thermoplastischen Polymer enthält. Auf den Endlosfasern in Längsrichtung ist eine Vielzahl schmelzgeblasener Fasern mit Faserdurchmessern von 0.5 bis 50 Mikrometern (um) abgelagert. Die schmelzgeblasenen Fasern bilden an einigen ihrer Schnittstellen mit den Endlosfasern in Längsrichtung Verbindungen, um die Orientierung dieser Fasern zu stabilisieren und zu fixieren. Die stabilisierten Endlosfasern werden gefaltet oder gewellt und werden in diesem Zustand stabilisiert, indem eine Schicht aus schmelzgeblasenen Fasern auf einer Seite der Falten oder Wellen abgelagert wird (Spalte 26, Zeilen 12-16).
US-Patent 4,842,739 offenbart eine Filterpatrone mit großer Oberfläche, die eine ineinandergesetzte Anordnung scheibenförmiger Filterschichten enthält. Die scheibenförmigen Filterschichten weisen ein Muster aus regelmäßigen radialen Falten auf und umfassen ein Laminat, das eine Vorfilterschicht auf der Zulaufseite, ein Filtermedium und eine Deckschicht auf der Ablaufseite umfaßt. Das Filtermedium kann ein Vliesstoff aus schmelzgeblasenen Mikrofasern sein. Das Filterlaminat wird durch einen Prägevorgang gefaltet.
Die US-Patente 4,826,642 und 4,774,001 offenbaren eine Verbundstruktur, die als flaches Filtermedium oder als gefaltete (gewellte) Filterstruktur verwendbar ist. Die Verbundstruktur umfaßt eine mikroporöse Membran und einen synthetischen thermoplastischen Stoff aus Mikrofasern, der an der mikroporösen Membran befestigt wird, indem die Mikrofasern darauf schmelzgeblasen werden.
Die US-Patente 4,759,782 und 4,676,807 offenbaren eine zylindrische Filterstruktur, die ein einzelnes gefaltetes Filtermedium umfassen kann, das durch einen äußeren perforierten zylindrischen Trägerkäfig gestützt wird. Die Filtermedien können organische schmelzgeblasene Mikrofasern umfassen. In Beispiel 1 wurde aus zwei Schichten eines schmelzgeblasenen Polyesterfasermaterials mit zwei dazwischen eingeschlossenen Glasfaserschichten eine zylindrische gefaltete Filterverbundstruktur hergestellt. Das schmelzgeblasene Polyesterfasermaterial enthielt Fasern mit Durchmessern im Bereich von 35 bis 50 um und wurde in einer Dicke von 0.009 Inch (Porengröße 100 um) kalandriert, bevor es mit dem Glasfasermedium kombiniert wurde. Die Verbundstruktur wurde in gefalteter Form in einen perforierten Polypropylenkäfig gelegt. Es wird nicht offenbart, wie die Verbundstruktur gefaltet wird.
US-Patent 4,617,124 offenbart eine polymere Mikrofaserfilterschicht, in der die Mikrofaser mit einem gehärteten hitzehärtbaren Bindeharz oder Polymer beschichtet ist. In Spalte 24, Zeilen 29- 31 ist offenbart, daß die Filterschicht in gefaltete Form gebracht und in eine Patrone eingeschlossen werden kann.

Gesichtsmasken

Vliesstoffe aus polymerer Mikrofaser wurden üblicherweise als Filterschichten in Gesichtsmasken verwendet. Die US-Patente 4,807,619, 4,536,440, 4,215,682 und 3,802,429 offenbaren schalenförmige Gesichtsmasken, die Vliesstoffe aus polymerer Mikrofaser als Filterschichten enthalten.
Es wurden Gesichtsmasken offenbart, die gewellte oder gefaltete Oberflächen aufweisen. Die US-Patente 4,807,619, 4,641,645, 4,536,440, 4,248,220, 3,985,132, 3,220,409 und EP-A- 0,149,590 A3 offenbaren solche Gesichtsmasken. Von diesen Patenten offenbart jedoch nur US- Patent 4,641,645 einen Filter, der einen gewellten Vliesstoff aus polymerer Mikrofaser umfaßt. In US-Patent 4,641,645 hat die Gesichtsmaske eine Mittelschicht aus polymerer Mikrofaser, die zwischen zwei Polyestervliesstoffen mit gleichem Umfang liegt. Alle drei Schichten sind zu einem Verbundvlies zusammengefügt und zu einer schalenförmigen Konfiguration mit einer Vielzahl von stark verdichteten Rippenelementen geformt. Obwohl die stark verdichteten Rippenelemente Erhebungen und Täler aufweisen, die der Gesichtsmaske einen gewellten Effekt verleihen, werden die stark verdichteten Rippenelemente verwendet, um der Gesichtsmaske strukturelle Festigkeit zu geben (nicht um die Filterleistung zu verbessern), und sie verringern die Lockerheit der Mittelschicht aus polymerer Mikrofaser und erhöhen auch die wirksame Oberfläche des Filters nicht wesentlich.
Es wurden mehrere verschiedene Vorschläge gemacht, um die wirksame Filteroberfläche einer Gesichtsmaske zu erhöhen; siehe zum Beispiel die US-Patente 4,883,547 und 4,827,924 und EP-A 0,469,498 A2. EP-A 0,469,498 A2 offenbart im einzelnen eine Halbmaske zur Partikelfilterung, die eine gefaltete Filterschicht zwischen einer äußeren und einer inneren Deckschicht aufweist. Die gefaltete Filterschicht ist aus einem porösen, biegsamen Filtermaterial hergestellt, das in einer überlappenden Anordnung gefaltet ist. Ein Haltestreifen, der quer zur Faltenrichtung verläuft, ist auf die Falten geklebt, um sicherzustellen, daß sie flach liegen. EP-A 0,469,498 A2 offenbart nicht die Zusammensetzung des Filtermaterials, außer daß es angibt, daß die Filterschicht ein mehrschichtiges Faservlies sein kann. Das Dokument offenbart auch nicht, wie die Filterschicht in einen gefalteten Zustand gebracht wird, und es wird nicht offenbart, wie die Lockerheit des Filtermaterials während der Herstellung des gefalteten Filters erhalten wird.

Wärmeisolierung

Vliesstoffe, die polymere Mikrofasern enthalten, sind bekanntlich als Wärmeisolierung nützlich. US-Patent 4,118,531 von Hauser offenbart einen Vliesstoff, der eine polymere Mikrofaser gemischt mit einer gekräuselten Stapelfaser enthält. Dieser Vliesstoff zeigt eine sehr gute Wärmebeständigkeit, aber ihm fehlt eine ausreichende Integrität, die es zuläßt, den Stoff an eine andere Oberfläche zu kleben, und die dem Stoff ermöglicht, eine zusammenhängende Struktur zu behalten, nachdem er der Abnutzung ausgesetzt wurde. Wenn er als Isolierung für Schuhe und Handschuhe und andere Kleidungsstücke verwendet wird, kann der Vliesstoff der Abnutzung ausgesetzt sein, die bewirken kann, daß sich der Stoff von der Oberfläche löst, an der er haftet, und die auch bewirken kann, daß der Stoff die Struktur verliert und in dem Kleidungsstück Klumpen bildet. Um diese Probleme zu überwinden, kann der Vliesstoff geprägt werden. Das Prägen komprimiert jedoch den Stoff und vermindert seine Lockerheit und vermindert daher seine Wärmebeständigkeit. Um die gesamte Wärmebeständigkeit zu erhöhen, müssen mehrere Schichten des geprägten Stoffs verwendet werden, mit dem unerwünschten Ergebnis, daß das Gewicht und die Kosten des Kleidungsstückes steigen.

Wellvorrichtung

Im vergangenen Jahrhundert wurden Legionen von Wellvorrichtungen offenbart. Das Fachgebiet der Wellvorrichtungen ist reichlich versehen mit Vorrichtungen, die ineinandergreifende Zahnräder verwenden, um einen flachen Stoff zu wellen; siehe zum Beispiel die US-Patente 4,116,603, 3,998,140, 3,905,857, 3,792,952, 3,723,213, 3,157,551, 3,025,963, 2,051,025 und 1,290,800. Auch hin- und hergehende Wellvorrichtungen sind auf dem Fachgebiet der Wellvorrichtungen bekannt; siehe zum Beispiel die US-Patente 4,650,102, 4,239,201 und 1,822,509. In neuerer Zeit wurde in US-Patent 4,874,457 eine Wellvorrichtung offenbart, die einen flachen Stoff wellt durch (i) Einbringen des flachen Stoffs auf die Enden sich radial erstreckender Schaufeln und dann (ii) Bewegen der Enden der sich radial erstreckenden Schaufeln zueinander, wodurch der Stoff gewellt wird. Die Schaufeln bewegen sich entlang eines Weges, der einen gebogenen Teil und einen geraden Teil hat, und die Vorrichtung wellt den flachen Stoff, wenn sich die Schaufeln vom gebogenen Teil des Weges zum geraden Teil bewegen. Der Stoff wird in gewelltem Zustand gehalten, indem der Stoff unter einem Ofen durchläuft, um benachbarte Falten des gewellten Stoffs miteinander zu verbinden. Auf die Wellenkämme kann eine optionale Deckschicht aufgebracht werden und auch unter dem Ofen durchlaufen, um die Deckschicht mit den Wellen zu verschmelzen, um den gewellten Stoff zu stabilisieren.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verbundstruktur zur Verfügung, die einen gewellten Vliesstoff aus polymerer Mikrofaser (NWPM) und eine Einrichtung zur Beibehaltung der Form des gewellten NWPM umfaßt. Der gewellte NWPM weist eine mittlere Porengröße von weniger als 150 um, eine Dichte von 0.1 oder weniger und eine Vielzahl im allgemeinen paralleler Wellen auf. Die Einrichtung zur Beibehaltung der Form erstreckt sich quer zu den im allgemeinen parallelen Wellen und ist in den Tälern der im allgemeinen parallelen Wellen am gewellten NWPM befestigt, so daß die Einrichtung zur Beibehaltung der Form zwischen zwei benachbarten Tälern nicht den gleichen Umfang aufweist wie der gewellte NWPM.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Gesichtsmaske zur Verfügung, die eine Verbundstruktur umfaßt, die so geformt ist, daß sie über die Nase und den Mund einer Person paßt. Die Verbundstruktur umfaßt einen gewellten NWPM mit einer Dichte von 0.1 oder weniger und eine Einrichtung zur Beibehaltung der gewellten Form des gewellten NWPM.
Die Einrichtung zur Beibehaltung der Form ist in den Tälern der Wellen am gewellten NWPM befestigt, so daß die Einrichtung zur Beibehaltung der Form zwischen zwei benachbarten Tälern nicht den gleichen Umfang aufweist wie der gewellte NWPM.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Filter zur Verfügung, der teilchenförmige und gasförmige Verunreinigungen aus der Luft entfernen kann. Der Filter umfaßt ein erstes und ein zweites Filterelement, die aneinander befestigt sind und eine Form haben, die für die Befestigung an einem Respirator angepaßt ist. Das erste Filterelement umfaßt einen gewellten NWPM mit einer Dichte von 0.1 oder weniger zur Entfernung teilchenförmiger Verunreinigungen, und das zweite Filterelement umfaßt ein Sorptionsmaterial zur Entfernung gasförmiger Verunreinigungen. Eine Einrichtung zur Beibehaltung der gewellten Form des NWPM ist in den Tälern der Wellen am gewellten NWPM befestigt.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Wärmeisolierung zur Verfügung, die einen gewellten Vliesstoff und eine Einrichtung zur Beibehaltung der Form des gewellten Vliesstoffs umfaßt. Der gewellte Vliesstoff hat eine Dichte von 0.1 oder weniger und enthält ein Gemisch aus Mikrofasern und gekräuselten Stapelfasern, die einen Kräuselgrad von mindestens fünfzehn Prozent aufweisen. Die Einrichtung zur Beibehaltung der Form ist in den Tälern der Wellen im Vliesstoff befestigt, so daß die Einrichtung zur Beibehaltung der Form nicht den gleichen Umfang aufweist wie der gewellte Vliesstoff.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zur Herstellung eines gewellten NWPM zur Verfügung. Das Verfahren umfaßt:
(a) Einbringen eines NWPM mit einer Dichte von 0.1 oder weniger in eine Wellvorrichtung, die eine Vielzahl von Schaufeln enthält, die mit einem ersten Ende an einer Einrichtung zur Bewegung der Schaufeln entlang eines Weges befestigt sind, wobei der NWPM mit den voneinander getrennten zweiten Enden der Schaufeln gegenüber den ersten Enden der Schaufeln in Kontakt kommt; und
(b) Verringern des Abstands zwischen den zweiten Enden der Schaufeln, um zu veranlassen, daß der NWPM gewellt wird, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymerer Mikrofaser eine Dichte von 0.1 oder weniger aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung eine Wellvorrichtung zur Verfügung, die umfaßt:
(a) erste und zweite Schaufeln, die jeweils an einem ersten Ende an einer Einrichtung zur Bewegung der ersten und zweiten Schaufeln entlang eines Weges befestigt sind, wobei sich die ersten und zweiten Schaufeln radial von der Bewegungseinrichtung erstrecken und jede Schaufel ein zweites Ende aufweist, um einen Stoff zu tragen, wenn sich die ersten und zweiten Schaufeln entlang des Weges bewegen, wobei die zweiten Enden der ersten und zweiten Schaufeln in der Lage sind, sich aufeinander zu zu bewegen, wodurch der Stoff gewellt wird; und
(b) eine Ultraschall-Schweißvorrichtung, die sich stromabwärts befindet, wo der Stoff gewellt wird, wobei die Ultraschall-Schweißvorrichtung einen Schallerzeuger und einen Gegenhalter aufweist, wobei der Gegenhalter die zweiten Enden der ersten und zweiten Schaufeln umfaßt und die Ultraschall-Schweißvorrichtung den gewellten Stoff veranlaßt, zwischen dem Schallerzeuger und dem Gegenhalter eine Verbindung mit der Einrichtung zur Beibehaltung der Form zu bilden, wo der gewellte Stoff mit den zweiten Kanten der ersten und zweiten Schaufeln in Kontakt kommt.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Verbundstruktur nach den Ansprüchen 1-10, die Faser-Filtrations-Gesichtsmaske nach den Ansprüchen 11-15, der Filter nach den Ansprüchen 16 und 17, das Verfahren nach den Ansprüchen 18-21 und die Wärmeisolierung nach den Ansprüchen 22-24.
Ein NWPM muß in einem voluminösen Zustand bleiben, um eine optimale Filterleistung zu erhalten. Filterparameter, wie Druckabfall und Lebensdauer, können negativ beeinflußt werden, wenn ein NWPM verdichtet wird. Ein NWPM ist empfindlich, und daher muß man vorsichtig sein, wenn man einen solchen Stoff handhabt, da er leicht verdichtet und zerrissen werden kann.
In dieser Erfindung wurde eine Verbundstruktur hergestellt, die einen voluminösen, gewellten NWPM umfaßt. Der voluminöse, gewellte NWPM wurde trotz der empfindlichen Natur eines NWPM hergestellt. Bei Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung dieser Erfindung wird während des Wellungsvorgangs ein minimaler Kontakt mit dem NWPM hergestellt, um ein Verdichten des Stoffs zu vermeiden. Das ermöglicht die Herstellung eines gewellten NWPM, ohne die Lockerheit des Stoffs zu opfern. Die Lockerheit des Stoffs wird anhand der Dichte gemessen, ein Parameter, der den Feststoffanteil in einem Stoffvolumen definiert. Niedrigere Dichtewerte weisen auf eine größere Lockerheit des Stoffs hin. Ein NWPM macht minimale Veränderungen der Dichte durch, wenn er unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung dieser Erfindung gewellt wird, um einen gewellten NWPM zu erhalten, wobei der NWPM eine Dichte von weniger als 0.1 aufweist. Der NWPM wird in gewelltem Zustand gehalten, indem eine Einrichtung zur Beibehaltung der Form an den Tälern der Wellen befestigt wird, so daß die Einrichtung zur Beibehaltung der Form nicht den gleichen Umfang aufweist wie der gewellte NWPM. Diese Verbundstruktur liefert eine bessere Filterleistung als ein flacher NWPM, und diese bessere Leistung zeigt sich gleichzeitig in drei wichtigen Filterparametern: Teilchendurchlässigkeit, Druckabfall und Lebensdauer. Ein gewellter NWPM kann auch eine gute Wärmebeständigkeit liefern. Die Leistungsparameter der Filtration und Isolierung erleiden im wesentlichen keinen nachteiligen Einfluß, wenn ein NWPM gemäß der vorliegenden Erfindung gewellt wird.
Die vorstehend genannten neuen Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung vollständiger abgebildet und beschrieben, wobei gleiche Referenznummern verwendet werden, um ähnliche Teile darzustellen. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung nur dem Zweck der Erläuterung dienen und nicht in einer Weise gelesen werden sollten, die den Umfang dieser Erfindung unzulässig einschränken würde.
In der Beschreibung dieser Erfindung bedeutet der Begriff "arithmetischer mittlerer Faserdurchmesser" den Faserdurchmesser, für den gleiche Zahlen von Fasern Durchmesser haben, die über oder unter diesem Wert liegen. Der arithmetische mittlere Faserdurchmesser kann durch mikroskopische Untersuchung bestimmt werden.
"Gewellt" bedeutet eine Oberfläche, die Erhebungen und Täler hat, die sich über diese Oberfläche erstrecken;
"Gewellte Oberfläche" (CSA) bedeutet die Breite eines gewellten Stoffs multipliziert mit seiner Länge, wobei die Länge entlang des "sinusförmigen" Weges des gewellten Stoffs gewählt wird.
"Effektive Oberfläche" (ESA) bedeutet die Fläche eines Stoffs, die für das Filtrieren zugänglich ist. In einem gewellten Stoff ist die ESA gleich der CSA minus der Flächen, die abgeschirmt sind. Mit "abgeschirmt" sind die Stoffflächen gemeint, die flüssigkeitsunzugänglich oder flüssigkeitsundurchlässig gemacht sind. Ein Stoff kann zum Beispiel dort flüssigkeitsundurchlässig werden, wo die Einrichtung zur Beibehaltung der Form am gewellten Stoff befestigt ist (z. B. schmelzgeklebt, haftgeklebt, ultraschallgeschweißt usw.).
Der Begriff "Mikrofaser" bedeutet Fasern, die einen arithmetischen mittleren Faserdurchmesser von weniger als 15 um haben.
Der Begriff "Ganghöhe" bedeutet den Abstand von Mitte zu Mitte zwischen den zweiten Enden der Schaufeln.
Der Begriff "Vliesstoff aus polymerer Mikrofaser" (NWPM) bedeutet eine verflochtene Fasermasse, die einen arithmetischen mittleren Faserdurchmesser von weniger als 15 um aufweist. Der Begriff "Dichte" bedeutet das Volumen der Fasern pro Volumen des Stoffs. Er ist ein dimensionsloser Bruch, der typischerweise durch α wiedergegeben ist:
α = mf/ρfLf,
wobei mf die Fasermasse pro Probenoberfläche ist, die im Fall der gewellten Stoffe die CSA ist; ρf die Faserdichte ist und Lf die Filterdicke ist, die im Fall des gewellten NWPM die NWPM-Dicke ist.
Die Dichte wird hier verwendet, um den NWPM selbst und nicht die Verbundstruktur als ganzes zu beschreiben. Wenn ein NWPM Gemische aus zwei oder mehreren Arten von Fasern enthält, werden die einzelnen Dichten für jede Faserart unter Verwendung der gleichen Lf, bestimmt, und diese einzelnen Dichten werden miteinander addiert, um die Dichte des Stoffs, α, zu erhalten.
Der Begriff "mittlere Porengröße" (auch als mittlerer Porendurchmesser bekannt) ist mit dem arithmetischen mittleren Faserdurchmesser und der Stoffdichte verbunden und kann durch die folgende Formel bestimmt werden:
wobei D die mittlere Porengröße, df der arithmetische mittlere Faserdurchmesser und α die Stoffdichte ist.
Fig. 1 ist eine Ansicht einer Verbundstruktur 10 gemäß dieser Erfindung von oben.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Verbundstruktur 10 der Fig. 1 entlang der Linien 2-2.
Fig. 3 ist eine Ansicht einer Gesichtsmaske 22 gemäß dieser Erfindung von vorne.
Fig. 4 ist ein Teilquerschnitt durch einen Gesichtsmaskenkörper 23.
Fig. 5 ist eine Perspektivansicht eines Filters 42 gemäß dieser Erfindung, der für die Entfernung teilchenförmiger und gasförmiger Verunreinigungen geeignet ist.
Fig. 6 ist ein Teilquerschnitt durch einen Filter 42 der Fig. 5 entlang der Linien 6-6.
Fig. 7 ist eine Seitenansicht einer Wellvorrichtung 47 gemäß dieser Erfindung.
Fig. 8 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt einer Wellvorrichtung gemäß dieser Erfindung als Aufriß.
Fig. 9 ist eine Vorderansicht einer Schaufel 48 gemäß dieser Erfindung.
Fig. 10 ist eine Teilseitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Wellvorrichtung 47' gemäß dieser Erfindung.
Fig. 11 ist eine Teilseitenansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform einer Wellvorrichtung 47" gemäß dieser Erfindung.
Fig. 12 zeigt Seitenansichten der verschiedenen Verbundstrukturen, die in den Beispielen 1- 4 und C-1 bis C-16 verwendet werden.
Fig. 13 ist ein Diagramm des Druckabfalls als Funktion der Zeit für das Beschicken mit Natriumchlorid für die Experimente der Beispiele 1-3 und C-1 bis C-3.
Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung wird der Klarheit zuliebe eine bestimmte Terminologie verwendet. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die so gewählten bestimmten Begriffe zu beschränken, und es ist selbstverständlich, daß jeder so gewählte Begriff alle technischen Äquivalente einschließt, die ähnlich funktionieren.
In Fig. 1 und 2 ist ein Beispiel einer Verbundstruktur 10 gemäß dieser Erfindung abgebildet. Die Verbundstruktur 10 umfaßt einen gewellten NWPM 12. Der gewellte NWPM 12 ist an den Tälern 20 des NWPM 12 an einer Einrichtung 16 zur Beibehaltung der gewellten Form des NWPM 12 befestigt. Obwohl ein Tal 20 durch Umkehren des NWPM 12 eine "Erhebung" werden kann, wird der Begriff "Tal" aus Gründen der Einfachheit primär der einzige hier verwendete Begriff sein. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, folgt der gewellte NWPM 12 vorzugsweise einer ungefähr sinusförmigen Kurve, wenn er von einer Seitenansicht aus betrachtet wird. Vorzugsweise überlappen sich benachbarte Seiten 15 benachbarter Wellen nicht oder befinden sich nicht in signifikantem Ausmaß in wesentlichem Kontakt miteinander. Die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form weist nicht den gleichen Umfang auf wie der gewellte NWPM 12; das heißt, sie folgt nicht dem gleichen ungefähr sinusförmigen Weg wie der gewellte NWPM. Wie zu sehen ist, kann die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form eine wesentlich geringere Länge haben als die Länge des gewellten NWPM 12 zwischen zwei benachbarten Tälern 20. Von einer Seitenansicht aus betrachtet, erstreckt sich die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form vorzugsweise als eine im wesentlichen gerade Linie zwischen zwei benachbarten Tälern. Der lineare Abstand zwischen zwei benachbarten Tälern 20 ist hier als "Sehnenlänge" bezeichnet und in Fig. 2 durch den Buchstaben X gekennzeichnet.
Die Sehnenlänge beträgt im allgemeinen etwa 10 bis 85 Prozent der Länge des gewellten NWPM zwischen zwei benachbarten Tälern. Das Verhältnis der Länge des gewellten NWPM 12 zu der Sehnenlänge der Einrichtung zur Beibehaltung der Form kann in Abhängigkeit von der endgültigen Verwendung der Verbundstruktur variieren, aber es beträgt im allgemeinen etwa 10 : 1 bis 1.2 : 1 und typischer 5 : 1 bis 1.5 : 1. Dieses Verhältnis wird als Wellenverhältnis bezeichnet.
Der gewellte NWPM 12 kann durch eine thermomechanische Verbindung (zum Beispiel Ultraschall-Schweißstellen), eine Klebeverbindung (zum Beispiel Schmelzklebeverbindung), mechanische Mittel (zum Beispiel Nähen) oder andere geeignete Mittel an der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form befestigt werden. Die Verbindung zwischen dem gewellten NWPM 12 und der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form kann sich entlang der gesamten Länge eines Tals 20 erstrecken, wenn die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form eine Folie oder ein Stoff 21 ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der gewellte NWPM 12 durch intermittierende Sicherungspunkte 18, vorzugsweise Ultraschall-Schweißstellen, die ausschließlich in den Tälern 20 liegen, an der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form befestigt. Die Sicherungspunkte 18 sind vorzugsweise in jedem Tal 20 durch einen Abstand Y voneinander getrennt (Fig. 1) und können durch einen Abstand von etwa 1/2 Y von den Sicherungspunkten 18 in einem benachbarten Tal abgesetzt sein. Der Wert von Y kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Größe der Sicherungspunkte 18 und der Größe der Wellen 12 variieren. Y beträgt jedoch im allgemeinen etwa 0.5 bis 5 Zentimeter (cm).
Durch Staffeln der Sicherungspunkte in benachbarten Tälern 20 kann die Zahl der Sicherungspunkte 18 pro Einheit der exponierten Oberfläche der Verbundstruktur minimiert werden. Dieses Ergebnis ist besonders vorteilhaft, wenn die Verbundstruktur 10 als Filter verwendet wird, da es in Filteranwendungen wünschenswert ist, eine maximale ESA zu haben. Die Minimierung der für die Sicherung verwendeten CSA hilft bei der Maximierung der ESA und erhöht dadurch die Lebensdauer des Filters und verursacht einen geringeren Druckabfall durch den Filter oder die Verbundstruktur 10. Die Minimierung der für die Sicherung verwendeten CSA kann auch die Wärmebeständigkeit der Verbundstruktur 10 erhöhen. In einer Verbundstruktur 10 dieser Erfindung können weniger als 10 Prozent, vorzugsweise weniger als 5 Prozent und stärker bevorzugt weniger als 2 Prozent der CSA für die Sicherung verwendet werden. In einer stärker bevorzugten Ausführungsform sind weniger als 0.5 Prozent der CSA für die Sicherung verwendet. Es wurde außerdem gefunden, daß die Verwendung intermittierender Sicherungspunkte 18 die Nachgiebigkeit der Verbundstruktur oder ihre Verwendung als Filter in einer Gesichtsmaske nicht wesentlich behindert.
Die Verbundstruktur 10 kann an eine Achse A, die sich parallel zu den linearen Wellen erstreckt, sowie an eine Achse B, die sich quer zu den linearen Wellen 12 erstreckt, angepaßt oder um sie gebogen werden. Diese Nachgiebigkeit ermöglicht es, daß die Verbundstruktur besonders als Filter für eine schalenförmige Gesichtsmaske oder als Wärmeisolierung in einem Kleidungsstück oder einer Fußbekleidung nützlich ist. Der Grad der Nachgiebigkeit kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Einrichtung zur Beibehaltung der Form variieren; wenn die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form jedoch nicht besonders starr ist, kann die Verbundstruktur 10 mit einem Krümmungsradius, der etwa so klein ist wie zehn Prozent der Dicke der Verbundstruktur, um die Achse A gebogen werden. Die Verbundstruktur 10 kann mit einem Krümmungsradius, der etwa so klein ist wie die Dicke der Verbundstruktur, um die Achse B gebogen werden. Für die kombinierte Biegung um Achse A und B entspricht der minimale Krümmungsradius etwa der Dicke der Verbundstruktur 10.
Die jeweilige Zusammensetzung und Konstruktion der Verbundstruktur 10 kann mit dem vorgesehenen Verwendungszweck variieren.
Die Höhe vom Scheitel bis zum Tal eines gewellten NWPM kann variieren, aber sie beträgt typischerweise etwa 2 bis 30 Millimeter (mm), typischer 3 bis 15 mm. Für eine Gesichtsmaske beträgt die Höhe vom Scheitel bis zum Tal etwa 4 bis 8 mm. Für eine Wärmeisolierung beträgt die Höhe vom Scheitel bis zum Tal typischerweise etwa 4 bis 50 mm, typischer etwa 10 bis 25 mm.
Der NWPM hat einen arithmetischen mittleren Faserdurchmesser von weniger als etwa 15 um, vorzugsweise weniger als etwa 10 um und stärker bevorzugt im Bereich von etwa 2 bis 8 um.
Der NWPM hat im allgemeinen ein Basisgewicht im Bereich von etwa 25 bis 100 Gramm pro Quadratmeter (g/m²) bevor er gewellt wird, und typischer liegt das Basisgewicht im Bereich von 35 bis 70 g/m².
Der NWPM weist in gewellter Form eine Dichte von etwa 0.1 oder weniger, stärker bevorzugt im Bereich von 0.04-0.08 auf. Für die Anwendung als Gesichtsmaske liegt die Dichte des gewellten NWPM vorzugsweise im Bereich von etwa 0.05 bis 0.08. Für eine Wärmeisolierung liegt die Dichte eines gewellten NWPM typischerweise im Bereich von etwa 0.008 bis 0.07.
Der NWPM hat eine mittlere Porengröße von weniger als etwa 150 um, und in bevorzugten Ausführungsformen ist die Porengröße größer als 10 um, stärker bevorzugt im Bereich von etwa 15 bis 100 um.
Für Filterzwecke enthält der NWPM vorzugsweise wenigstens 50 Gew.-% polymere Mikrofasern, bezogen auf das Gewicht des Fasermaterials. Stärker bevorzugt enthält der NWPM 80 Gew.-% polymere Mikrofasern und besonders bevorzugt ungefähr 100 Gew.-% polymere Mikrofasern, bezogen auf das Gewicht des Fasermaterials. Der NWPM kann größere Fasern als Mikrofasern enthalten, wie Stapelfasern mit größerem Durchmesser (siehe US-Patent 4,988,560 von Meyer et al., das einen Stoff offenbart, der polymere Mikrofasern und gekräuselte Stapelfasern enthält, um einen Stoff von erhöhter Porosität zu liefern).
Die Fasern des NWPM sind statistisch zu einer kohärenten Fasermasse verflochten. Die Fasern können zum Beispiel durch ein Schmelzblasverfahren verflochten werden, wobei ein geschmolzenes Polymer durch eine Düse gepreßt wird und die extrudierten Fasern durch angrenzende Luftströmungen mit hoher Geschwindigkeit gestreckt werden, so daß sie eine verflochtene Masse aus geblasener Mikrofaser (BMF) bilden. In dieser Weise hergestellte BMF- Stoffe werden durch autogene Bindung zusammengehalten. Ein Verfahren zur Herstellung von BMF-Stoffen ist in Wente, Van A., "Superfine Thermoplastic Fibers" 48 Industrial Engineering Chemistry, 1342 et seq. (1956) offenbart, oder siehe Report Nr. 4364 der Naval Research Laboratories, veröffentlicht 25. Mai 1954 unter dem Titel "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" von Wente, Van A., Boone, C. D. und Fluharty, E. L. Ein NWPM, der andere Fasern als polymere Mikrofasern enthält, wie gekräuselte oder nicht gekräuselte Stapelfasern, kann gemäß den Verfahren hergestellt werden, die in US-Patent 4,988,560 von Meyer et al., US-Patent 4,118,531 von Hauser und US-Patent 3,016,99 von Perry erörtert werden, wobei diese Offenbarungen hier durch Bezugnahme eingebracht werden. Ein NWPM kann auch unter Verwendung von Lösungsblasverfahren, wie in US-Patent 4,011,067 von Carey offenbart, oder elektrostatischen Verfahren, wie in US-Patent 4,069,026 von Simm et al. offenbart, hergestellt werden. Die Fasern in einem NWPM können elektrisch geladen sein, um ihre Filterkapazitäten zu erhöhen; siehe US-Patent 4,215,682 von Kubik et al. und US-Patent 4,592,815 von Nakao.
Polymere Komponenten, die in einem NWPM verwendet werden können, umfassen Polyolefine, wie Polyethylen, Polypropylen, Polybutylen, Poly(4-methylpenten-1) und Polyolefincopolymere; Polyester, wie Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat und Polyetherestercopolymere, wie HYTREL von Dupont Co., Elastomers Division, Wilmington, Delaware; Polycarbonate; Polyurethane; Polystyrol und thermoplastische Elastomerblockcopolymere, wie Styrol-Butadien-Styrol, Styrol-Isopren-Styrol, Styrol- Ethylen/Butylen-Styrol, von Shell Oil Company, Houston, Texas unter dem Warenzeichen KRATON erhältlich. Es können auch Kombinationen der vorstehend genannten polymeren Mikrofasern oder Gemische der polymeren Komponenten verwendet werden. Es kann zum Beispiel ein Gemisch aus Polypropylen und Poly(4-methyl-1-penten) verwendet werden, um einen NWPM herzustellen (siehe US-Patent 4,874,399 von Reed et al.), oder der NWPM kann eine zweikomponentige Mikrofaser enthalten, wie Polypropylen/Polyesterfasern (siehe US-Patent 4,547,420 von Krueger et al.), die Offenbarungen dieser Patente werden hier durch Bezugnahme eingebracht. Ein gewellter NWPM 12 umfaßt vorzugsweise Fasern aus Polyolefinen, insbesondere Fasern, die Polypropylen als Faserhauptkomponente enthalten (zum Beispiel mehr als neunzig Gew.- %), da solche Fasern eine gute elektrische Ladungsretention zeigen können.
Ein NWPM kann zusätzlich zu dem Fasermaterial weitere Bestandteile umfassen. Der NWPM kann beispielsweise mit diskreten festen Partikeln beladen sein, die in der Lage sind, mit einem Fluid, dem die Partikel ausgesetzt sind, in Wechselwirkung zu treten (zum Beispiel sich chemisch oder physikalisch mit ihm umzusetzen). Typische Partikel für die Verwendung beim Filtrieren oder Reinigen umfassen Aktivkohle, Aluminiumoxid, Natriumbicarbonat und Silberpartikel. Solche Partikel können durch Sorption, chemische Umsetzung oder Amalgamierung eine Komponente aus einem Fluid entfernen, oder es kann ein Katalysator verwendet werden, um ein gefährliches Gas in eine harmlose Form umzuwandeln. Beispiele für solche mit Partikeln beladenen Vliesstoffe aus polymerer Mikrofaser sind in US-Patent 3,971,373 von Braun offenbart, wo diskrete feste Partikel gleichmäßig in einem NWPM dispergiert und physikalisch festgehalten sind. Die Offenbarung dieses Patents wird hier durch Bezugnahme eingebracht. Auch Zusätze, wie Farbstoffe, Pigmente, Füllstoffe, Tenside, Schleifpartikel, Lichtstabilisatoren, Flammverzögerer, Absorptionsmittel, Medikamente usw. können zu einem NWPM gegeben werden, indem solche Komponenten den faserbildenden geschmolzenen Polymeren zugeführt werden oder indem sie auf die Fasern gesprüht werden, nachdem der NWPM gesammelt wurde.
Obwohl der in Fig. 2 abgebildete gewellte NWPM eine einzelne NWPM-Schicht aufweist, plant diese Erfindung auch das Wellen einer Vielzahl von NWPM-Schichten, um eine Verbundstruktur herzustellen. Eine Verbundstruktur könnte daher 2, 3, 4 usw. Schichten des gewellten NWPM umfassen, wobei jede angrenzende Schicht schließlich an der Einrichtung zur Beibehaltung der Form befestigt ist, um in der Verbundstruktur ein Laminat aus gewellten Stoffen zu liefern (siehe zum Beispiel Fig. 12, Probe b'). In einer weiteren Ausführungsform können die Verbundstrukturen dieser Erfindung aufeinander gestapelt werden, um eine resultierende Verbundstruktur zu liefern, die eine Vielzahl schichtförmiger Verbundstrukturen umfaßt (siehe zum Beispiel Fig. 12, Probe c').
Die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form ist ein Element, das den gewellten Zustand eines gewellten Stoffs erhalten kann. In einer Filteranwendung ermöglicht die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form der Verbundstruktur 10, in einer Richtung senkrecht zu der ausgebreiteten Oberfläche der zusammengesetzten Struktur flüssigkeitsdurchlässig zu sein, und die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form behindert den Flüssigkeitsstrom durch die Verbundstruktur 10 vorzugsweise nicht in signifikantem Maß und schränkt den Flüssigkeitsstrom durch die Verbundstruktur 10 stärker bevorzugt nicht mehr ein als der gewellte NWPM 12. Die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form ist vorzugsweise ausreichend offen oder porös, so daß sie einen geringeren Druckabfall als den Druckabfall durch den gewellten NWPM 12 zeigt. Die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form ist vorzugsweise auch verformbar, was ermöglicht, daß die Verbundstruktur 10 nachgiebig ist.
Die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form ist in Fig. 1 und 2 als ein Stoff 21 aus ultraschall-verklebbarem Material abgebildet, der sich quer und parallel zu den parallelen Wellen erstreckt. Der Stoff 21 kann ein poröser und verformbarer Vliesstoff sein, wie ein CELESTRA Polypropylen-Spinnvlies von Fiberweb North America Inc., Simpsonville, South Carolina, oder der Stoff 21 kann ein NWPM oder ein anderes poröses plattenartiges Material sein, einschließlich poröser Webstoffe. In einer anderen Ausführungsform kann eine Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form die Form einer Vielzahl voneinander getrennter Bänder, Filamente oder Fasern annehmen, die sich über die parallelen Wellen des NWPM 12 erstrecken, quer zu den parallelen Wellen oder diagonal gegen sie versetzt. Solche Bänder, Filamente oder Fasern sind in den Tälern der Wellen befestigt, um die gewellte Form des NWPM 12 zu erhalten. Beispiele für Bänder, Filamente oder Fasern, die verwendet werden können, umfassen: dünne Bänder mit einem darauf aufgetragenen Haftkleber (zum Beispiel ein dünnes Klebband); Filamente, die mit einem Klebstoff beschichtet sind und polymere Fasern, die auf die Täler des gewellten NWPM schmelzgesponnen werden, während die schmelzgesponnenen Fasern in klebrigem Zustand sind. Wenn polymere Fasern verwendet werden, haben sie vorzugsweise eine ähnliche Zusammensetzung wie der gewellte NWPM, um eine Schmelzklebeverbindung zu ermöglichen. Ein Stoff 21 ist die bevorzugte Form einer Einrichtung zur Beibehaltung der Form, da er eine niedrigere Frequenz der Verbindung mit dem NWPM 12 erlaubt, wodurch die ESA des NWPM 12 erhöht wird.
In Fig. 3 ist ein Beispiel der Gesichtsmaske 22 dieser Erfindung abgebildet. Die Gesichtsmaske 22 hat einen Maskenkörper 23, der eine gewellte Filterschicht 25 umfaßt. Die gewellte Filterschicht 25 liefert eine wesentlich vergrößerte ESA und eine hohe Filterleistung, ohne die Größe der Gesichtsmaske wesentlich zu erhöhen. Eine Gesichtsmaske dieser Erfindung kann eine mindestens 1.3 mal so große ESA haben wie eine Gesichtsmaske, die im wesentlichen von der gleichen Größe ist, aber eine nicht gewellte Filterschicht enthält. Die ESA kann im allgemeinen um einen Faktor im Bereich von etwa 1.3 bis 4, typischer 1.6 bis 2.5, vergrößert werden, ohne die Größe der Gesichtsmaske wesentlich zu erhöhen. So kann gemäß dieser Erfindung eine Gesichtsmaske mit einer ESA über etwa 200 cm², stärker bevorzugt im Bereich von etwa 250 cm² bis 600 cm², hergestellt werden.
Wie am besten in Fig. 4 zu sehen ist, kann eine gewellte Filterschicht 25 ein gewellter NWPM 12 sein, der durch eine Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form in einem gewellten Zustand gehalten wird, um eine Verbundstruktur 10 herzustellen, die von einer formenden Schicht 24 in einem Maskenkörper 23 gehalten wird. Die formende Schicht 24 gibt der Gesichtsmaske Form und Struktur und ist porös, um einen relativen leichten Durchtritt von Luft durch die Gesichtsmaske zu ermöglichen. Die formende Schicht 24 kann im Inneren einer Gesichtsmaske liegen, und die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form kann zwischen der formenden Schicht 24 und der gewellten Filterschicht 25 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die gewellte Filterschicht 25 umgekehrt werden, so daß die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form auf der Außenseite der gewellten Filterschicht 25 liegt, oder die gewellte Filterschicht 25 kann auf der Innenseite der formenden Schicht 24 angeordnet sein, wobei sich die Einrichtung zur Beibehaltung der Form am nächsten beim Gesicht des Trägers befindet. Im letzten Fall ist die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das sich weich anfühlt.
Die gewellte Filterschicht 25 ist vorzugsweise ein NWPM, der im wesentlichen auf der gesamten Oberfläche des gewellten NWPM in einem voluminösen Zustand ist. Ein gewellter NWPM hat vorzugsweise eine Dichte von 0.1 oder weniger und weist keine stark verdichteten Wellen auf, um der Maske Struktur zu verleihen. Die gewellte Filterschicht 25 kann an der formenden Schicht 24 befestigt werden, indem die gewellte Filterschicht 25 zum Beispiel an der Basis der Maske 26 mit einer formenden Schicht 24 verbunden wird. Die Verbindung an der Basis der Maske 26 kann durch Ultraschallschweißen, Nähen, einen Klebstoff, wie ein Schmelzklebstoff oder ein Haftkleber, Einkapseln durch einen thermoplastischen Kautschuk oder dergleichen hergestellt werden. Ultraschall-Schweißstellen sind das bevorzugte Mittel, um die gewellte Filterschicht 25 an der Basis der Maske 26 mit der formenden Schicht 24 zu verbinden. Die gewellte Filterschicht 25 grenzt vorzugsweise auf der gesamten Oberfläche an die formende Schicht 24.
Die gewellte Filterschicht 25 umfaßt vorzugsweise etwa 1 bis 4 Wellen pro cm des Filters, stärker bevorzugt 1.5 bis 2.5 Wellen pro cm. Es liegen etwa 8 bis 20 mm des Filterstoffs zwischen zwei benachbarten Tälern. Das Verhältnis der Länge des Filterstoffs zu der Länge der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form zwischen zwei benachbarten Tälern ist vorzugsweise größer als 1.5 : 1, stärker bevorzugt im Bereich von 2.0 : 1 bis 1.6 : 1. Die gewellte Filterschicht 25 ist vorzugsweise durch intermittierende Verbindungen, vorzugsweise Ultraschall-Schweißstellen, die typischerweise durch einen Abstand Y (Fig. 1) von etwa 0.5 bis 5 cm, typischer 1.5 bis 3 cm, voneinander entfernt sind, an der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form befestigt. Die intermittierenden Verbindungen nehmen jeweils vorzugsweise eine Fläche von weniger als 5 mm², und stärker bevorzugt weniger als 2 mm² ein. Die gewellte Filterschicht 25 kann zu einer Gesichtsmaske zusammengesetzt werden, wie in Beispiel 22 des US-Patents 4,807,619 von Dyrud et al. beschrieben, wobei diese Offenbarung hier durch Bezugnahme eingebracht wird, indem der elektrisch geladene Polypropylen-BMF-Stoff durch die gewellte Filterschicht 25 ersetzt wird. Die gewellte Filterschicht wird zu einem vorgeformten Filterkörper geformt, der anschließend über eine innere schalenförmige formende Schicht gelegt und damit verbunden wird.
In einer formenden Schicht kann eine Vielfalt von Materialien verwendet werden. Eine formende Schicht kann zum Beispiel einen schalenförmigen grobmaschigen Kunststoff oder ein Metall oder ein geformtes Faservlies umfassen. Eine Gesichtsmaske dieser Erfindung verwendet typischerweise ein geformtes Faservlies als formende Schicht. Ein Faservlies kann geformt werden, indem den Fasern thermische Bindungskomponenten zugesetzt werden, die es den Fasern ermöglichen, sich nach dem Abkühlen an den Schnittpunkten der Fasern miteinander zu verbinden. Solche thermischen Verbindungsfasern sind in Einkomponenten- und Zweikomponentenform erhältlich. Zweikomponentenfasern sind die bevorzugten thermischen Verbindungsfasern für die Herstellung formender Schichten, da sie eine offener strukturierte formende Schicht erzeugen. Außerdem können der formenden Schicht auch Stapelfasern in gekräuselter oder nicht gekräuselter Form zugesetzt werden. Formende Schichten dieser Art sind auf dem Fachgebiet bekannt und sind in der internationalen Anmeldung Nr. PCT/US91/08531, US-Patent 4,536,440 von Berg, US-Patent 4,807,619 von Dyrud et al. und US-Patent 4,827,924 von Japuntich beschrieben, wobei diese Offenbarungen hier durch Bezugnahme eingebracht werden. Obwohl der Begriff "formende Schicht" in dieser Beschreibung mit dem primären Zweck verwendet wird, einer Gesichtsmaske Form zu verleihen, kann eine formende Schicht auch weitere Funktionen haben, die im Fall einer äußeren formenden Schicht sogar eine primäre Funktion sein können, wie Schutz der gewellten Filterschicht und Vorfiltern eines Gasstroms, oder die formende Schicht kann als Einrichtung 16 zur Beibehaltung der gewellten Form der gewellten Filterschicht dienen.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, kann ein faltbares totweiches Band 30 aus einem Metall, wie Aluminium, auf den Maskenkörper 23 gesetzt werden, um zu ermöglichen, daß er geformt wird, um die Gesichtsmaske in einer gewünschten Paßform auf der Nase des Trägers zu halten. Der Maskenkörper 23 kann eine ringförmige Maskenbasis 26 haben, die durch Verwendung der Riemen 28 oder anderer geeigneter Mittel, wie Bindfäden, ein einstellbarer Gurt und dergleichen, einen guten Sitz auf dem Gesicht des Trägers bewirkt. Obwohl der schalenförmige Maskenkörper 23 eine gebogene Halbkugelform hat, kann der Maskenkörper andere Formen annehmen. Der Maskenkörper kann zum Beispiel eine schalenförmige Maske mit einer Konstruktion wie die in US-Patent 4,827,924 von Japuntich offenbarte Gesichtsmaske sein.
In Fig. 5 und 6 ist ein Beispiel eines Filters 42 für die Verwendung in einem Respirator (nicht abgebildet) erläutert. Der Filter 42 wird in einem Respirator verwendet, der einen flüssigkeitsundurchlässigen Maskenkörper aufweist, der so geformt ist, daß er an Filter 42 angepaßt ist. Filter 42 umfaßt die ersten und zweiten Filterelemente 43 und 44, um teilchenförmige beziehungsweise gasförmige Verunreinigungen zu filtern.
Das erste Filterelement 43 entfernt Teilchen aus der Luft und umfaßt einen gewellten NWPM 12. Der gewellte NWPM 12 kann an einer Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form befestigt werden, wie vorstehend beschrieben, wobei eine Verbundstruktur 10 entsteht. Die Verbundstruktur 10 kann an einer äußeren Oberfläche eines starren Körpers 46 befestigt werden, um als Vorfilter zu wirken, der Teilchen ausfiltert, um ihr Eindringen in das Filterelement 43 zu verhindern.
Das zweite Filterelement 44 umfaßt ein Sorptionsfiltermaterial zur Entfernung gasförmiger Verunreinigungen. Das Sorptionsmaterial kann in Form einer Vielzahl von Sorptionskörnern 45 vorliegen, die in Form eines starren Körpers 46 vereint sind, wie in US-Patent 5,033,465 von Braun beschrieben, wobei diese Offenbarung hier durch Bezugnahme eingebracht wird. Eine solche verbundene Sorptionsstruktur umfaßt die Sorptionskörner 45, die durch polymere Bindemittelteilchen miteinander verbunden sind und den starren Körper 46 bilden. Der starre Körper 46 ist vorzugsweise eine einheitliche schlagfeste Struktur. Die Sorptionskörner sind gleichmäßig im starren Körper verteilt und voneinander getrennt, um einer Flüssigkeit zu erlauben, hindurch zu fließen. Die Sorptionskörner können zum Beispiel Aktivkohlekörner sein, und die polymeren Bindemittelteilchen können zum Beispiel Polyurethan, Ethylen-Vinylacetat und Polyethylen sein. Eine Schicht 51 aus nichtgewebten Fasern kann an der Oberfläche des starren Körpers 46 gegenüber der Verbundstruktur 10 befestigt werden, um die Sorptionsteilchen vor der Abnutzung zu schützen. Das zweite Filterelement 44 kann auch eine Vielzahl loser oder nicht verbundener Sorptionskörner umfassen, die zusammen in einem Behälter untergebracht sind, an dem das zweite Filterelement befestigt ist.
Obwohl erläutert wurde, daß die Verbundstruktur 10 der Erfindung als Filterelement nützlich ist, kann die Verbundstruktur 10 auch als Wärmeisolierung verwendet werden. In einem solchen Fall enthält der gewellte NWPM vorzugsweise gekräuselte Stapelfasern, wie in US-Patent 4,118,531 von Hauser angegeben. Gekräuselte Stapelfasern haben einen kontinuierlichen gewellten, gekräuselten oder gezackten Charakter entlang ihrer Länge und eine Länge von durchschnittlich etwa 2 bis 15 Zentimeter mit einer Kräuselzahl von mindestens etwa 2 Kräuselungen pro Zentimeter. Die gekräuselten Stapelfasern sind im allgemeinen Fasern mit größerem Durchmesser, die mit der Mikrofaser statistisch und gründlich vermischt und verflochten sind und ungefähr mindestens zehn Gew.-% und vorzugsweise im Bereich von etwa 25 bis 75 Gew.-% der Fasern im Stoff ausmachen. Die Stapelfasern haben typischerweise einen Kräuselgrad von mindestens etwa fünfzehn Prozent, und vorzugsweise mindestens etwa 25 Prozent. Die bei Hauser offenbarten Stoffe liefern eine sehr gute Wärmeisolierungswirkung pro Gewichtseinheit, und nachdem sie gewellt und mit einer Einrichtung zur Beibehaltung der Form vereint sind, liefern sie eine Verbundstruktur mit einer guten Einheitlichkeit und Wärmebeständigkeit, die Verbundstrukturen, die solche Stoffe verwenden, zu wertvollen Isolatoren für Kleidung, wie Jacken, Mäntel und Fußbekleidung, einschließlich Stiefel, und auch für andere Gegenstände, wie Schlafsäcke, macht. Die Verbundstrukturen können an solchen Gegenständen durch Klebeverbindung, Nähen, Leimen und dergleichen befestigt werden.
In Fig. 7 ist ein Beispiel einer Wellvorrichtung 47 dieser Erfindung zu sehen, die verwendbar ist, um eine Verbundstruktur gemäß dem Verfahren dieser Erfindung kontinuierlich herzustellen. Die in Fig. 7 abgebildete Vorrichtung ist besonders vorteilhaft, um einen gewellten NWPM herzustellen. Unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung dieser Erfindung kann ein voluminöser NWPM gewellt werden, ohne den Stoff zu zerreißen oder seine Dichte wesentlich zu erhöhen. NWPM sind empfindlich: sie können leicht zerrissen und verdichtet werden, wobei diese Bedingungen den NWPM für die Verwendung in einer Gesichtsmaske ungeeignet machen können. Zerrissene Stoffe lassen Verunreinigungen durch die Gesichtsmaske treten, und verdichtete Stoffe können eine signifikante Zunahme des Druckabfalls verursachen. Eine gute Lockerheit des Stoffs ist auch für die Wärmeisolierung wichtig. Gesichtsmasken, die einen hohen Druckabfall aufweisen, können sehr unbequem zu tragen sein. Gemäß dieser Erfindung können gewellte NWPM-Stoffe hergestellt werden, ohne die anfängliche Dichte des Stoffs um mehr als durchschnittlich 15 Prozent zu erhöhen, stärker bevorzugt um nicht mehr als durchschnittlich 3 bis 5 Prozent. In vielen Ausführungsformen wird die Dichte des NWPM um nicht mehr als ein Prozent erhöht oder ist so unsignifikant, daß sie nicht wahrnehmbar ist. Es besteht sehr wenig Kontakt mit dem Stoff, wenn das Verfahren und das Gerät dieser Erfindung verwendet wird, und so bleibt die Lockerheit oder Dicke des Stoffs und schließlich die Dichte erhalten und es werden geringere Druckabfälle erhalten. Außerdem liefert das Verfahren zur Beibehaltung des gewellten Musters des gewellten Stoffs eine maximale ESA im so erhaltenen Produkt.
Die Wellvorrichtung 47 weist eine Vielzahl von Schaufeln 48 auf, die an einem ersten Ende 49 an einer Einrichtung 50 zur Bewegung der Schaufeln entlang eines endlosen Weges 52 befestigt sind. Jede Schaufel 48 weist ein zweites Ende 54 auf, um einen Stoff 56 oder 66 zu tragen (56 bezeichnet das Ausgangsmaterial oder den nicht gewellten Stoff, und 66 bezeichnet den gewellten Stoff), wenn sich die Schaufeln entlang des Weges 52 bewegen. Der Weg 52 weist einen gebogenen Teil 53 und einen geraden Teil 55 auf. Die zweiten Enden 54 der Schaufeln sind in der Lage, sich aufeinander zu zu bewegen (das heißt, die Ganghöhe nimmt ab), wenn sich der gebogene Teil 53 im Bereich 58 des Weges 52 dem geraden Teil 55 nähert, wodurch der Stoff 56 gewellt wird.
Die Einrichtung 50 ist vorzugsweise ein flexibles Band 57 (Fig. 8), aber sie kann zum Beispiel auch eine Vielzahl voneinander getrennter paralleler flexibler Bänder sein. Mit "flexibel" ist gemeint, daß das Band gebogen oder orthogonal zu der Maschinenrichtung abgelenkt werden kann, so daß das Band einen Weg von 360 Grad zurücklegen kann. Wenn die Bewegungseinrichtung 50 für die Schaufeln ein flexibles Band 57 ist, können die Schaufeln 48 mit ihrem ersten Ende 49 in voneinander getrennten Intervallen in das flexible Band 47 eingebettet werden. Die ersten Enden der Schaufeln werden vorzugsweise so in das Band eingebettet, daß die Kante des ersten Endes 49 ungefähr auf gleicher Höhe mit der inneren Oberfläche des flexiblen Bandes 57 ist. Vorzugsweise ragen mindestens 70 Prozent, stärker bevorzugt mindestens 85 Prozent der gesamten Schaufellänge aus dem Band 57. Das Band 57 ist vorzugsweise etwa 5 bis 15 mm dick, stärker bevorzugt 7 bis 10 mm dick.
Die Schaufeln bewegen sich in der Maschinenrichtung mit dem Band und sind gezwungen, im rechten Winkel zu einer Tangente des flexiblen Bandes 57 zu bleiben. Der Abstand der Schaufeln bestimmt die Sehnenlänge, und daher ist es wichtig, daß sich die ersten Enden der Schaufeln nicht seitwärts in der Maschinenrichtung bewegen oder vibrieren. Das flexible Band 57 ist vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das die Position der Schaufeln stabilisiert, so daß die Sehnenlänge im so erhaltenen gewellten Stoff 66 konstant gehalten werden kann. Ein Gummiband mit einer Shore A- Härte im Bereich von 25 bis 90 kann geeignet sein, um die Position der Schaufeln zu stabilisieren. Es wurde gefunden, daß ein Gummiband aus Siliconkautschuk die Schaufeln in geeigneter Weise festhalten kann, um Seitwärtsbewegungen zu verhindern. Beispiele für geeignete Siliconkautschuke umfassen RTV-630 von General Electric und Silastic Typ L RTV, in Verbindung mit einem Härtungsmittel vom Typ E verwendet, beide von Dow Corning.
Wie in Fig. 8 zu sehen ist, kann das Band 57 weiter unterstützt werden, indem eine Vielzahl von parallelen Verstärkungselementen 59 durch das Band 57 gezogen werden. Die parallelen Verstärkungselemente 59 sind in das Band 57 eingebettet und können ein beliebiger geeigneter Gurt, eine Schnur, eine Litze sein, die unter normalen Verarbeitungsbedingungen nicht brechen oder sich übermäßig dehnen. Wie in Fig. 9 zu sehen ist, kann das erste Ende 49 der Schaufeln 48 eine Vielzahl von Öffnungen 61 enthalten, um zu den parallelen Verstärkungselementen 59 zu passen. Die parallelen Verstärkungselemente verlaufen durch die Öffnungen 61 durch das Band 57, um bei der Befestigung der Schaufeln 48 am Band 57 zu helfen. Das erste Ende 49 einer Schaufel 48 kann auch mit einer unregelmäßigen Konfiguration versehen sein, einschließlich Baffles oder andere Öffnungen 63, die die Befestigung der Schaufeln 48 im Band 57 unterstützen.
Die Wellvorrichtung 47 hat eine erste Einrichtung 60 zum Einbringen eines nicht gewellten Stoffs 56 in die Wellvorrichtung 47. Die erste Einrichtung 60 bringt den nicht gewellten Stoff 56 stromaufwärts von S 8, wo der nicht gewellte Stoff 56 gewellt wird, in Kontakt mit den zweiten Enden 54 der Schaufeln. Eine zweite Einrichtung 64 wird bereitgestellt, um eine Einrichtung 16 zur Beibehaltung der gewellten Form des gewellten Stoffs 66 einzubringen. Die zweite Einrichtung 64 bringt die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form stromabwärts von 58, wo er gewellt wird, in Kontakt mit dem gewellten Stoff 66. Eine Einrichtung 70 befestigt die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form am gewellten Stoff 66.
Die erste Einrichtung 60 zum Einbringen eines nicht gewellten Stoffs 56 in die Vorrichtung 47 kann ein stationäres Führungsteil 72 umfassen. Das Führungsteil 72 hat vorzugsweise ein erweitertes Ende 73 und eine Biegung, die dem Bogen entspricht, der von den zweiten Enden 54 der Schaufeln 48 beschrieben wird, wenn sie sich entlang des Weges 52 auf dem gebogenen Teil 53 bewegen. Das Führungsteil 72 bringt den nicht gewellten Stoff 56 in Kontakt mit den zweiten Enden 54 der Schaufeln auf dem gebogenen Teil 53 des Weges 52. Der nicht gewellte Stoff 56 wird typischerweise von einer Walze oder einem Extruder zugeführt (nicht abgebildet).
Das Führungsteil 72 kann sich auch über den geraden Teil 55 des Weges 52 erstrecken, um den gewellten Zustand des Stoffs 66 zu erhalten. An einer solchen Stelle hält das Teil 72 den Stoff 66 auf den zweiten Enden 54 der Schaufeln zurück, wenn sich die Schaufeln 48 entlang des Weges 52 bewegen. Auf dem Teil 72 kann ein Gewicht 74 oder ein anderes geeignetes Mittel angebracht werden, um an den zweiten Enden 54 der Schaufeln einen leichten Druck auf den Stoff 66 aufrecht zu erhalten. Anstelle des Führungsteils 72 können andere Mittel verwendet werden, um den gewellten Zustand des Stoffs zu erhalten, wie Luftaufprall oder ein zirkulierendes Kontaktband.
Die zweite Vorrichtung 64 zum Einbringen einer Einrichtung zur Beibehaltung der Form in den gewellten Stoff 66 kann zum Beispiel eine Spule 76 umfassen, die sich dreht, um eine Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form, wie eine poröse Vliesplatte (oder eine Vielzahl linearer Bänder, Filamente oder Fasern), zuzuführen, die am gewellten Stoff 66 befestigt wird. Die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form kann unter Verwendung eines ähnlichen Führungsteils mit einem erweiterten Ende wie 73 mit dem gewellten Stoff 66 in Berührung kommen, oder die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form kann mit dem gewellten Stoff 66 in Berührung gebracht werden, indem die Einrichtung 16 unter der Befestigungseinrichtung 70 durchgeleitet wird, wie in Fig. 7 zu sehen ist.
Die Befestigungseinrichtung 70 ist eine Vorrichtung, die den gewellten Stoff 66 an der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form befestigt. Die Befestigungseinrichtung 70 kann zum Beispiel ein thermomechanisches Verbindungsgerät, ein Schmelzspinndüsensystem, eine Druckwalze und dergleichen sein. Die Befestigungseinrichtung 70 befestigt den gewellten Stoff 66 vorzugsweise selektiv in den Tälern 20 der Wellungen an der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form. Um eine Verbundstruktur für eine Filtergesichtsmaske herzustellen, befestigt die Befestigungseinrichtung 70 einen gewellten NWPM vorzugsweise in einer Weise an einer Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form, die den voluminösen Zustand des gewellten Vliesstoffs am wenigsten beeinträchtigt.
Eine bevorzugte Befestigungseinrichtung 70 für die Verwendung mit einem NWPM ist ein thermomechanisches Verbindungsgerät. Ein thermomechanisches Verbindungsgerät, wie eine Ultraschall-Schweißvorrichtung, kann einen gewellten Stoff selektiv in einer Weise an einer Einrichtung zur Beibehaltung der Form befestigen, die den voluminösen Zustand eines gewellten NWPM am wenigsten beeinträchtigt, wodurch die Verwendbarkeit des Stoffs als Filter erhalten bleibt. Eine Ultraschall-Schweißvorrichtung hat einen Schallerzeuger 78, der durch eine kommerziell erhältliche Standard-Ultraschallenergiequelle (nicht abgebildet) angetrieben wird. Der Gegenhalter umfaßt die Schaufeln 48, und die zweiten Enden 54 der Schaufeln wirken als Kontaktoberflächen des Gegenhalters. Ultraschallschwingungen im Schallerzeuger 78 bewirken, daß ein gewellter Stoff 66 über den zweiten Enden 54 der Schaufeln 48 mit der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form schmelzverklebt wird. Ein Stützteil 79, wie eine Walze, befindet sich vorzugsweise gegenüber dem Schallerzeuger 78 neben den ersten Enden der Schaufeln 49. Das Stützteil 79 stellt sicher, daß der Stoff 66 und die Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form die Ultraschallsignale absorbieren, um dazwischen eine Verbindung zu bilden, statt den Schaufeln 48 zu erlauben, zu vibrieren. Die Ultraschallschwingungen des Schallerzeugers 78 sind vorzugsweise in diskreten Bereichen auf den zweiten Enden 54 der Schaufeln konzentriert, um intermittierende Sicherungspunkte 18 zu bilden, wie in Fig. 1 und 2 zu sehen ist.
In Fig. 9 ist eine Vorderansicht einer Schaufel 48 zu sehen. Die Schaufel 48 weist eine Vielzahl voneinander getrennter Energiekonzentratoren 62 in Form voneinander getrennter Vorsprünge auf den zweiten Enden 54 der Schaufeln auf. Die Energiekonzentratoren 62 bewirken, daß der gewellte Stoff 66 über jedem Energiekonzentrator mit der Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form verbunden wird. Um eine Verbundstruktur 10 herzustellen, die die in Fig. 1 und 2 abgebildeten gestaffelten punktförmigen Schweißstellen aufweist, wird das zweite Ende 54 einer Schaufel mit voneinander getrennten Energiekonzentratoren 62 versehen, die gegenüber den Energiekonzentratoren einer benachbarten Schaufel zum Beispiel um ungefähr 1/4 bis 1/2 des Abstands zwischen den Konzentratoren auf benachbarten Schaufeln, stärker bevorzugt um etwa 1/2 des Abstands, versetzt sind (siehe Y Fig. 1). In einer anderen Ausführungsform können die Energiekonzentratoren auf jeder Schaufel einen statistischen Abstand aufweisen. Die Größe der Energiekonzentratoren kann in Abhängigkeit von der Anzahl der Stoffschichten und der Größe der Wellen im gewellten Stoff variieren, aber sie weisen typischerweise eine Oberfläche von etwa 1 bis 10 mm², typischer 2 bis 6 mm², auf. Um eine gewellte Filterschicht für eine Gesichtsmaske herzustellen, beträgt die Oberfläche der Energiekonzentratoren etwa 2 bis 4 mm². Im allgemeinen sind die Schaufeln 48 etwa 1 bis 2 mm dick und typischer etwa 1 bis 1.5 mm dick.
Wie in Fig. 7 zu sehen ist, ist es möglich, gleichzeitig mehr als einen Stoff 56 zu Wellen. Eine Vielzahl von nicht gewellten Stoffen 56 (gestrichelte Linien) kann gleichzeitig in 60 der Wellvorrichtung 47 zugeführt werden. Wenn so verfahren wird, wird jeder Stoff 56 zur gleichen Zeit gewellt, wenn sich die zweiten Enden 54 der Schaufeln in 58 aufeinander zu bewegen. Ultraschallschweißstellen oder andere Verbindungsmittel können den gewellten Stoff 66 an einer Einrichtung 16 zur Beibehaltung der Form befestigen, um in der so erhaltenen Verbundstruktur ein Laminat mit gleichem Umfang aus den gewellten Stoffen 66 herzustellen.
Die Vorrichtung dieser Erfindung ermöglicht auch, Verbundstrukturen herzustellen, die bei einer gegebenen Sehnenlänge verschiedene Mengen des gewellten Stoffs 66 aufweisen. Die Menge oder Länge des Stoffs zwischen zwei benachbarten Hügeln oder Tälern 20 ist durch die Ganghöhe der Schaufeln im Punkt der Zuführung des Stoffs bestimmt. Um die Wirkung der Ganghöhe anhand eines Beispiels zu erklären, betrachte man benachbarte Schaufeln 48 mit den zweiten Enden 54, die im gebogenen Teil 53, wo der Stoff 56 zuerst mit den zweiten Enden 54 der Schaufeln in Berührung kommt, 1 cm voneinander entfernt sind (Ganghöhe = 1 cm). Wenn die Schaufeln einen solchen Abstand aufweisen, liegt in der so erhaltenen Verbundstruktur 10 1 cm des gewellten Stoffs 66 zwischen zwei benachbarten Hügeln oder Tälern 20. Die Ganghöhe der Schaufeln im geraden Teil 55, wo die Verbindung hergestellt wird, bestimmt die Sehnenlänge für jede einzelne Welle. Wenn die Schaufeln am Sicherungspunkt eine Ganghöhe von 0.5 cm haben, beträgt die Sehnenlänge zwischen benachbarten Tälern in der so erhaltenen Verbundstruktur 0.5 cm, wobei man ein Wellenverhältnis von 2 : 1 erhält.
In Fig. 10 ist eine alternative Ausführungsform einer Wellvorrichtung 47' zu sehen. In der Wellvorrichtung 47' bewegen sich die Schaufeln 48' entlang eines Weges 52', der einen gebogenen Teil 53' aufweist, der einen variierenden Krümmungsradius aufweist. Der variierende Krümmungsradius bewirkt, daß benachbarte zweite Enden 54' in Richtung der Schaufelbewegung eine abnehmende Ganghöhe aufweisen. Diese Abnahme der Ganghöhe bewirkt wiederum, daß der Stoff 56', der sich auf den zweiten Enden 54' der Schaufeln bewegt, gewellt wird. Der Krümmungsradius in der Vorrichtung 47' nimmt zu, wenn sich die Schaufeln 48' entlang des gebogenen Teils 53' stromabwärts bewegen.
Die Wellvorrichtung 47' hat eine erste Einrichtung 60', um den nicht gewellten Stoff 56' auf die zweiten Enden 54' der Schaufeln zu bringen. Die erste Einrichtung 60' weist vorzugsweise eine Vielzahl von Stellen zur Einbringung des nicht gewellten Stoffs 56' in den gebogenen Teil des Weges 52' auf. Fig. 10 zeigt fünf verschiedene Stellen, wo der nicht gewellte Stoff 56' in die Vorrichtung 47' eingebracht werden kann. An Stelle 1 bewegen sich die zweiten Enden 54' der Schaufeln mit der höchsten Geschwindigkeit (die Ganghöhe ist hier am größten), und daher wird an dieser Stelle mehr nicht gewellter Stoff 56' in die Vorrichtung 47' eingebracht. Das führt zu einem gewellten Stoff 66' mit einer größeren Menge des gewellten Stoffs pro Sehnenlänge als zum Beispiel ein Stoff, der an den Stellen 2, 3, 4 oder 5 eingebracht wird. Ein Stoff 56', der an der Stelle 5 eingebracht wird, weist in der so erhaltenen Verbundstruktur die kleinste Menge des gewellten Stoffs 66' pro Sehnenlänge auf. Deshalb kann das Wellenverhältnis durch die Änderung des Punkts, an dem der Stoff eingebracht wird, verändert werden, wenn die Vorrichtung 47' verwendet wird.
Der Gurt 5T kann über dem gebogenen Teil 53' des Weges 52' von einem Modul 80' getragen werden. Das Modul 80' trägt eine Vielzahl bewegbarer Teile, wie Walzen oder Bälle 82'. Die Bälle 82' rotieren und zirkulieren durch das Modul 80', wenn sich der Gurt 5T über den gebogenen Teil 53' des Weges 52' bewegt. Wenn die Bälle 82' das Ende des gebogenen Teils 53' des Weges 52' erreichen, fallen die Bälle 82' auf den Boden des Moduls 80', um wieder zu zirkulieren. Das Modul 80' kann so angepaßt werden, daß es schnell entfernt und durch ein Modul mit einem anderen variierenden Krümmungsradius ersetzt werden kann. So können als Alternative zum Einbringen des Stoffs an verschiedenen Stellen entlang einer Kurve mit einem variierenden Krümmungsradius verschiedene Wellenverhältnisse erhalten werden, indem der Einführungspunkt des Stoffs konstant gehalten wird und der Krümmungsradius durch Einführen eines Moduls mit einem anderen Krümmungsradius variiert wird.
In Fig. 11 ist eine weitere alternative Ausführungsform einer Wellvorrichtung 47" zu sehen. Die Wellvorrichtung 47" weist eine Einrichtung 88" zur Veränderung der Ganghöhe der zweiten Enden 54" der Schaufeln auf. Die Einrichtung 88" zur Veränderung der Ganghöhe befindet sich entlang des Wegs 52" angrenzend an die Einrichtung 70" zur Befestigung der Einrichtung 16" zur Beibehaltung der Form am gewellten Vliesstoff 66". Die Einrichtung 88" zur Veränderung der Ganghöhe funktioniert, indem sie die Bewegungseinrichtung 50" für die Schaufeln in einer Richtung orthogonal zur Maschinenrichtung ablenkt (wie durch den vertikalen Doppelpfeil angegeben). Diese Ablenkung tritt auf, wo die Einrichtung 16" zur Beibehaltung der Form am gewellten Stoff 66" befestigt wird. In dieser Ausführungsform kann eine Ultraschall-Schweißvorrichtung verwendet werden, um den gewellten Stoff 66" mit einer Lage eines ultraschallverklebbaren Stoffs oder einer anderen Einrichtung, wie einer Vielzahl von Bändern, Filamenten, Fäden oder Fasern, zu verbinden. Indem hier die Ganghöhe verringert wird, entsteht eine Abnahme der Sehnenlänge und deshalb eine Zunahme der Zahl der Wellen pro Längeneinheit der so erhaltenen Verbundstruktur. Um ein Reißen des Stoffs 66" zu verhindern, ist es wichtig, daß der Krümmungsradius bei 90" nicht kleiner als der Krümmungsradius am Zuführungspunkt des Stoffs ist. Es ist auch wichtig, die Verbundstruktur 10" von den zweiten Enden 54" der Schaufeln zu entfernen, bevor sie sich an der Biegung 92" auseinanderbewegen; sonst kann die Verbundstruktur 10" beschädigt werden. Obwohl Fig. 11 erläutert, daß der Weg 50" so abgelenkt wird, daß die Sehnenlänge abnimmt, könnte der Weg 50" auch in der entgegengesetzten Richtung abgelenkt werden, um die Sehnenlänge zu erhöhen.
Weitere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind in den folgenden Beispielen weiter erläutert. Es versteht sich jedoch ausdrücklich von selbst, daß, während die Beispiele diesen Zweck erfüllen, die einzelnen Bestandteile und verendeten Mengen sowie weitere Bedingungen und Details nicht in einer Weise ausgelegt werden sollen, die den Umfang dieser Erfindung unzulässig einschränken würde.

BEISPIELE

Vliesstoff aus polymerer Mikrofaser

Der in den folgenden Beispielen verwendete NWPM war ein elektrisch geladener Polypropylen-BMF-Stoff, der ein mittleres Basisgewicht von 55 Gramm pro Quadratmeter (g/m²), eine mittlere Dicke von 0.086 cm (0.034 Inch) (gemessen unter Anwendung einer Kraft von 0.1 g/cm² unter Verwendung eines Niederdruckdickemeßgeräts Modell Nr. CS-49-46 von Custom Scientific Instruments, Inc., Whippany, New Jersey), eine Faserdichte ρf von 0.91 und eine Dichte von weniger als ungefähr 0.08 aufwies.

Einrichtung zur Beibehaltung der Form

Die in den folgenden Beispielen verwendete Einrichtung zur Beibehaltung der Form war ein CELESTRA Polypropylen-Spinnvlies mit 16.95 g/m² (0.5 oz./sq.yd.) von Fiberweb North America, Inc., Simpsonville, South Carolina.

Wellen des Stoffs

Die Wellvorrichtung, die in den folgenden Beispielen verwendet wurde, um einen gewellten NWPM herzustellen, war ähnlich wie die in Fig. 7 abgebildete Wellvorrichtung. Die Vorrichtung hatte einen biegsamen Endlosgurt, der 27.9 cm breit und 0.64 cm (0.25 Inch) dick war und aus Siliconkautschuk (RTV-630 von General Electric) hergestellt war. Stahlschaufeln wurden an einem ersten Ende in den Kautschukgurt eingebettet, so daß die Kante des ersten Endes auf gleicher Höhe mit der inneren Oberfläche des Gurts war. Nylonsehnen mit einem Durchmesser von 1.5 mm (0.06 Inch) (Blickrichtung des Betrachters) liefen zur Verstärkung durch die Öffnungen 61 (Fig. 9) in den Enden der Schaufeln. Die Schaufeln waren 0.12 cm (0.047 Inch) dick, 3.18 cm (1.25 Inch) hoch und am eingebetteten ersten Ende 27.9 cm (11 Inch) breit und am freien zweiten Ende 24.1 cm (9.5 Inch) breit. Die eingebetteten Enden der Schaufeln wiesen von Mitte zu Mitte einen Abstand von 0.64 cm (0.25 Inch) auf, gemessen auf dem geraden Teil des Weges. Eine Vielzahl voneinander getrennter Energiekonzentratoren waren entlang der Oberkante der Schaufeln angeordnet, wie in Fig. 9 abgebildet. Die Konzentratoren waren 0.318 cm (0.125 Inch) breit, ragten 0.102 cm (0.040 Inch) über die Schaufelkante hinaus und wiesen von Mitte zu Mitte einen Abstand von 3.18 cm (1.25 Inch) auf. Die Konzentratoren auf benachbarten Schaufeln waren um 1.59 cm (0.63 Inch) versetzt. Der Gurt bewegte sich über Walzen mit einem Durchmesser von 6.35 cm (2.5 Inch), die von Achse zu Achse einen Abstand von ungefähr 20 cm (7.875 Inch) aufwiesen, wodurch zwei gerade Teile des Weges mit der gleichen Länge entstanden. Das flexible Gurtsystem wurde durch einen Getriebemotor mit variabler Geschwindigkeit angetrieben.
Die Wellvorrichtung war mit einem BRANSON 501 Ultraschall-Schweißaggregat mit einem 2.5 : 1-Verstärker ausgestattet, der einen 17.78 cm (7 Inch) breiten Schallerzeuger mit einer 2.54 cm (1 Inch) dicken Vorderseite antrieb. Das Schweißgerät wurde durch ein BRANSON 1300P-Netzteil angetrieben, das mit einem Variac kontrolliert wurde. Die Vorder- und Hinterkante des Schallerzeugers wies eine leichte Biegung auf, um den Durchgang des NWPM und des CELESTRA- Stoffs unter dem Schallerzeuger zu erleichtern. Der Druck auf den Stoff zwischen der Vorderseite des Ultraschallerzeugers und den Energiekonzentratoren der Schaufeln wurde durch einen Druckluftzylinder reguliert, um eine Beschädigung des NWPM zu minimieren.
Bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Wellvorrichtung wiesen die so erhaltenen gewellten Stoffe ein ungefähres Wellenverhältnis von 1.7 : 1 auf, und die Sicherungspunkte machten ungefähr 1.1% des CSA für das Filtrieren unzugänglich.
Während des Wellverfahrens wurden drei Parameter kontrolliert, um eine ausreichende Befestigung des NWPM am CELESTRA-Stoff sicherzustellen, ohne durch "Überschweißen" oder "Überdruck" Löcher im NWPM zu erzeugen. Diese drei Parameter waren: 1) die vom Ultraschallerzeuger und den Energiekonzentratoren auf den NWPM und den CELESTRA-Stoff ausgeübte Kraft, 2) die an den Schallerzeuger zum Schweißen abgegebene Energie und 3) die Geschwindigkeit des Wellgurtes. Repräsentative Arbeitsbedingungen für die Herstellung der gewellten Stoffkonfigurationen waren wie in Tabelle 1 angegeben: TABELLE 1
* Geschätzte Leistung auf der basis der an das Schweißgerät abgegebenen Energie
Der NWPM-Stoff und der CELESTRA-Stoff wurden durch die Wirkung der zirkulierenden Schaufeln in die Wellvorrichtung gezogen und genau über den Energiekonzentratoren zusammengeschweißt. Nach dem Zusammenschweißen des NWPM und des CELESTRA-Stoffs wurde die so erhaltene Verbundstruktur von den Schaufeln entfernt, bevor die freien Enden der · Schaufeln anfingen, sich auf dem gebogenen Teil des Weges zu spreizen.
Die Konfigurationen der Verbundstrukturen, die in diesen Beispielen verwendet wurden, sind in Fig. 12 zu sehen, wobei die Zahl 12 den gewellten NWPM kennzeichnet, die Zahl 14 den flachen NWPM kennzeichnet und die Zahl 21 den CELESTRA-Stoff darstellt. Die flachen Verbundstrukturen sind als Strukturen a-c bezeichnet, und die Verbundstrukturen, die den gewellten NWPM enthalten, sind als Strukturen a'-c' bezeichnet. Verbundstrukturen, die 2 Schichten des gewellten NWPM enthielten (Struktur b'), wurden hergestellt, indem zwei flache Stoffe in einer unverbundenen Konfiguration Oberseite an Oberseite von ihren jeweiligen Rollen der Wellvorrichtung zugeführt wurden. Der gewellte 3-Schichtstoff (Struktur c') wurde aus zwei separaten Verbundstrukturen hergestellt, nämlich einem gewellten 1-Schicht-NWPM, der mit einem CELESTRA-Stoff verbunden war (Struktur a') und einem gewellten 2-Schicht-NWPM, der mit einem CELESTRA-Stoff verbunden war (Struktur b'). In dieser Dreischichtkonfiguration wurden die einzelnen Verbundstrukturen Unterseite an Oberseite in Kontakt gebracht, ohne aneinander befestigt zu werden.

Druckabfall und Test der Teilchendurchlässigkeit

Die Vergleichsleistung der verschiedenen Filterbeispiele wurde unter Verwendung eines ähnlichen Verfahrens wie Military Standard MIL-STD-282 bestimmt, wobei die Filterkonfigurationen einem Teilchenangriff ausgesetzt wurden und die Teilchenkonzentrationen stromaufwärts und stromabwärts vom Filter überwacht wurden. Der Test wurde auf einem automatischen Filtertestgerät (AFT) Modell 8110 von Thermo Systems, Inc., St. Paul, Minnesota durchgeführt. Jede Verbundstruktur wurde bei Fließgeschwindigkeiten von 85 Liter pro Minute (lpm), wie angegeben, mit einem festen (NaCl) und/oder einem flüssigen Aerosol (Dioctylphthalat, (DOP)) geprüft, die jeweils aus einer 2%igen NaCl-Lösung in destilliertem Wasser oder reinem DOP hergestellt wurden. Das NaCl-Aerosol wies eine logarithmisch-normale Verteilung mit einem mittleren Durchmesser der Teilchengrößenzählung von 0.10 Mikrometer und einer geometrischen Standardabweichung von 1.9 auf. Das DOP-Aerosol wies eine logarithmisch-normale Verteilung mit einem mittleren Durchmesser der Teilchengrößenzählung von 0.19 Mikron und einer geometrischen Standardabweichung von 1.5 auf. Die Aerosolkonzentration stromaufwärts und stromabwärts vom Filter wurde mit einem Photometer überwacht, wobei die Durchlässigkeit des Filters mit einem Mikroprozessor berechnet wurde. Der Test erfolgt automatisch, wobei die Daten für den Druckabfall, die Durchlässigkeit, die Fließgeschwindigkeit und den Teilchenangriff auf einem Hilfscomputer angezeigt und registriert werden.
Unter Verwendung der Druckabfall- und Durchlässigkeitsdaten kann ein Qualitätsfaktor Q berechnet werden. Der Q-Faktor ist eine dimensionslose Eigenschaft, die die Leistung eines Filters bei einer gegebenen Fließgeschwindigkeit für eine gegebene Filterkonfiguration mißt.
Qualitätsfaktor = -1n(Durchlässigkeit)/Druckabfall
Die Formel zur Berechnung des Q-Faktors ist linear in bezug auf den Druckabfall und exponentiell in bezug auf die Durchlässigkeit. Bei einem Vergleich der Q-Faktoren mit Hilfe einer linearen Analyse zeigt ein größerer positiver Wert des Q-Faktors eine bessere Filterleistung in direkter linearer Proportion an.

Beispiele 1-3 und Vergleichsbeispiele C-1 bis C-3

Alle getesteten Proben waren kreisförmige Proben mit einem Durchmesser von 13.3 cm (5.25 Inch), die aus Verbundstrukturen mit den in Fig. 12 angegebenen Konfigurationen ausgeschnitten wurden. Die Proben wurden in einem Probenhalter befestigt, der einen kreisförmigen Teil (Durchmesser 11.22 cm (4.42 Inch)) der Probe dem Teilchenangriff aussetzte. Die in Fig. 12 als Verbundstrukturen a-c abgebildeten flachen NWPM-Proben hatten eine ESA von 99 cm², und die Verbundstrukturen a'-c' belegten die gleiche Oberfläche im Probenhalter, hatten aber ein Wellenverhältnis von 1.7 : 1, was eine stark erweiterte ESA lieferte.
In jedem Beispiel wurden fünf (5) Proben auf die anfängliche Durchlässigkeit und den anfänglichen Druckabfall getestet, und die Ergebnisse dieser Tests wurden gemittelt und sind in den Tabellen 2 und 3 angegeben. Ein Qualitätsfaktor Q wurde aus den gemittelten Daten der Durchlässigkeit und des Druckabfalls berechnet. TABELLE 2 DOP-Angriff TABELLE 3 NaCl-Angriff
Die Daten in den Tabellen 2 und 3 zeigen die hervorragende Leistung der Verbundstrukturen dieser Erfindung. In den Beispielen 1-3 lieferten die gewellten Konfigurationen a'-c' dieser Erfindung geringere Druckabfälle, niedrigere Durchlässigkeitswerte und größere Q-Faktoren, jeweils verglichen mit den nicht gewellten Verbundstrukturen a-c der Vergleichsbeispiele C-1 bis C-3.
Die gemittelten Q-Faktoren eines Aerosols für einen DOP-Angriff betragen 0.39 für die Verbundstrukturen a'-c' der Beispiele 1-3 und 0.24 für die Verbundstrukturen a-c der Vergleichsbeispiele C-1 bis C-3. Das Verhältnis dieser zwei gemittelten Q-Faktoren (Q gewellt/Q flach) beträgt 1.63. In entsprechender Weise betragen die gemittelten Q-Faktoren für NaCl 0.70 für die Verbundstrukturen a'-c' der Beispiele 1-3 und 0.47 für die Verbundstrukturen a-c der Vergleichsbeispiele C-1 bis C-3. Diese zwei gemittelten Q-Faktoren ergeben ein Verhältnis (Q gewellt/Q flach) von 1.50. Die Verhältnisse 1.63 und 1.50 zeigen, daß diese Erfindung eine Verbesserung des Q-Faktors in der Leistung von 63% beziehungsweise 50% liefert.

Test der Lebensdauer

Die in Fig. 12 abgebildeten Verbundstrukturen a-c und a'-c' wurden auf ihre Lebensdauer getestet, indem der Druckabfall und die Durchlässigkeit gemessen wurden, während sie in einem bestimmten Zeitraum einem Teilchenangriff ausgesetzt waren. Der Teilchenangriff bestand aus Natriumchlorid. Der Druckabfall und die Teilchendurchlässigkeit wurden in einer Zeitspanne von mindestens fünfundzwanzig Minuten jede Minute geprüft. Jede Struktur (a-c und a'-c') wurde in fünf separaten Versuchen getestet. Die Daten für die fünf separaten Versuche wurden gemittelt, und der gemittelte Druckabfall, die Durchlässigkeit und die Daten der Q-Faktoren sind in Tabelle 4 wiedergegeben, wobei der Druckabfall als ΔP und die Durchlässigkeit als "Pen." abgekürzt ist. TABELLE 4 Test der Lebensdauer für die flachen Verbundstrukturen dieser Erfindung
Die in Tabelle 4 angegebenen Daten zeigen, daß der Druckabfall für die flachen Verbundstrukturen (a-c) signifikant zunahm, wenn die Natriumchloridpartikel auf den gewellten und flachen Verbundstrukturen abgelagert wurden, während die Verbundstrukturen, die den gewellten NWPM enthalten (a'-c') keine solchen signifikanten Zunahmen des Druckabfalls zeigen. Fig. 13 zeigt die hervorragenden Werte für den Druckabfall, die durch die Verbundstrukturen der Erfindung erhalten werden, wobei der Druckabfall als Funktion der Zeit dargestellt ist. Die flachen NWPM- Konfigurationen (a-c) zeigen eine signifikante Veränderung in der Steigung des Diagramms bei ungefähr 12 Minuten, wogegen die Verbundstrukturen, die den gewellten NWPM enthalten (a'-c'), bis 25 Minuten eine sehr geringe Zunahme des Druckabfalls zeigten, und die Veränderung der Steigung ist für den gewellten NWPM (a'-c') viel geringer als die der flachen Verbundstrukturen (a- c).
Ein Vergleich der gemittelten Q-Faktoren für die Verbundstrukturen mit gewelltem und flachem Stoff in den angegebenen Zeitintervallen zeigt, daß das Verhältnis nach dem Intervall von einer Minute 1.50 beträgt, was mit dem Verhältnis, das in Tabelle 3 für die anfängliche Einwirkung von NaCl angegeben ist, identisch ist. Wenn die verstrichene Zeit zunimmt, nimmt jedoch das Verhältnis der Q-Faktoren (Q gewellt/Q flach) in 25 Minuten auf nahezu 4 zu, was eine um einen großen Betrag bessere Leistung durch diese Erfindung zeigt.

Test der Stoffdicke und Bestimmung der Dichte

Der Einfluß der Wellvorrichtung und des Verfahrens dieser Erfindung auf die Stoffdicke wurde getestet. Die Dichte ist eine Funktion der Stoffdicke, und um einen Stoff mit geringer Dichte herzustellen, ist es daher wichtig, die Stoffdicke nicht zu verringern. Dieser Test der Stoffdicke zeigte, daß keine Verringerung der Stoffdicke auftrat und daher die Dichte erhalten blieb, wenn ein NWPM gemäß dieser Erfindung gewellt wurde.
Die Stoffdicke gewellter Stoffe kann nicht mit dem vorstehend beschriebenen Niederdruckdickemeßgerät gemessen werden. Daher wurde in diesen Beispielen ein anderes Verfahren verwendet (als Imprägnierungsverfahren bezeichnet), um die Dicke eines gewellten Stoffs zu bestimmen. Die Dicke der flachen Stoffe der Verbundstrukturen a und b und der gewellten Stoffe der Verbundstrukturen a' und b', die in Fig. 12 zu sehen sind, wurde unter Verwendung des Imprägnierungsverfahrens bestimmt, indem ausgeschnittene Abschnitte der flachen Stoffe und der Verbundstrukturen, die den gewellten NWPM enthielten, mit einem niedrigviskosen Harz, SCOTCHCAST Electrical Resin #8 (von 3M Company, St. Paul, Minnesota) imprägniert wurden. Das Harz wurde in einem Zeitraum von 24 Stunden polymerisiert, um die gewellte Stoffkonfiguration einzufrieren. Dann wurden die flachen und gewellten Stoffproben an der Stoffkante mikrotomiert, um ein ungefähr 0.1 mm dickes Stoffquerprofil der Stoffkonfiguration zu erhalten. Die gewellten Proben wurden aus ausgewählten Bereichen der Verbundstruktur ausgeschnitten, wo keine Sicherungspunkte vorhanden waren, um einen besseren Vergleich mit dem flachen NWPM zu erhalten. Dann wurden die ausgeschnittenen Proben auf Glasobjektträgern befestigt, beleuchtet und mit einem INFINIVAR Videountersuchungsmikroskop (von Infinity Photo- Optical Company, Boulder, Colorado) vergrößert. Mit einer CCD-Kamera (ladungsgekoppeltes Gerät) wurden Bilder elektronisch aufgenommen, und die Daten wurden für die Bildanalyse gespeichert. Das Abbildungssystem war ein QUANTIMET Bildanalysatormodell Modell Q-570 (von Leica Instruments, Deerfield, Illinois) mit der Fähigkeit, das Bild zu analysieren, die NWPM- Grenzen zu bestimmen und die NWPM-Dicke unabhängig vom Stoffmuster zu berechnen. Die Dichte wurde aus der Stoffdicke berechnet.
Dieses Meßverfahren wurde in mindestens zwei Versuchen für drei Proben von jeder Struktur durchgeführt. Die Daten wurden gemittelt und sind in Tabelle 5 wiedergegeben. TABELLE 5
Die Daten in Tabelle 5 zeigen, daß es keine signifikante Abnahme der Stoffdicke oder Zunahme der Stoffdichte gibt, wenn der NWPM unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung dieser Erfindung gewellt wird. Die Daten zeigen tatsächlich, daß die Stoffdicke leicht zunahm und die Dichte abnahm; die Zunahme der Dicke und Abnahme der Dichte liegt jedoch innerhalb der experimentellen Fehlergrenze. Entsprechend bleibt die Lockerheit des NWPM erhalten.

Vergleichsbeispiele C-4 bis C-8

Die folgenden Vergleichsbeispiele wurden durchgeführt, um die Empfindlichkeit der Vliesstoffe aus polymerer Mikrofaser und die schädlichen Effekte zu zeigen, die auftreten, wenn solche Stoffe verdichtet werden. In den Vergleichsbeispielen C-5 bis C-8 wurden die Vliesstoffe aus polymerer Mikrofaser unter verschiedenen Graden der Druckbeanspruchung verdichtet. Beispiel C-4 ist ein nicht verdichtetes Kontrollbeispiel.
Ein 25.4 cm breiter Teil des NWPM wurde in mehrere Scheiben von 13.34 cm Durchmesser geschnitten. Die Scheiben wurden einzeln gewogen und mit Papierzwischenblättern zwischen jeder Scheibe gestapelt (5 Scheiben pro Stapel). Die Position jeder Probe im Stapel wurde für die Vollständigkeit der Daten beibehalten. Die Probendicken wurden unter Verwendung eines runden Druckfußes mit flachem Boden mit einem Durchmesser von 2.86 cm gemessen, der an einem digitalen Dickemeßgerät befestigt war, das für Entfernungsmessungen mit einer Genauigkeit von 2 · 10&supmin;³ mm geeignet war. Der runde Fuß und das bewegliche Meßelement wogen zusammen 36 Gramm, was zu einem Meßdruck von 5.5 · 10&supmin;³ bar führte.
In den Vergleichsbeispielen C-5 bis C-8 wurden die NWPM-Proben unter Verwendung eines Luftzylinders mit einem Innendurchmesser von 10.16 cm komprimiert, der vertikal durch eine Metallplatte mit einem Durchmesser von 12.7 cm wirkte. Die Einstellung der Druckbeanspruchung, die durch die Platte auf die Vliesstoffe übertragen wurde, wurde mit einem Standardluftdruckregulator kontrolliert. Jede NWPM-Probe wurde 30 Minuten unter dem angegebenen Druck gehalten, um die Probe vor der Bewertung der Filterleistung der NWPM-Probe zu verdichten. Die Dicke wurde vor dem Verdichten, sofort nach dem Verdichten und ungefähr innerhalb 10 Minuten nach dem Filtrationstest abgelesen, und daraus wurde die Dichte berechnet. Der Filtrationstest wurde ungefähr 10 Minuten nach dem Verdichten durchgeführt. Die NWPM- Proben wurden auf ihre Teilchendurchlässigkeit getestet, und die Ergebnisse des Tests sind als Mittelwert von fünf Proben in Tabelle 8 angegeben. TABELLE 8 Dicke, Dichte und Filterleistung der Vliesstoffe aus polymerer Mikrofaser, die unterschiedlicher Druckbeanspruchung ausgesetzt wurden
* nicht verdichtete Kontrollprobe Die Daten in Tabelle 8 zeigen, daß eine leichte Druckbeanspruchung einen NWPM verdichtet, was eine Zunahme der Dichte und des Druckabfalls und eine Abnahme des Qualitätsfaktors Q bewirkt. Der verdichtete NWPM der Vergleichsbeispiele C-15 bis C-18 erbrachte keine annähernd so gute Leistung wie der nicht verdichtete NWPM des Vergleichsbeispiels C-14.

Vergleichsbeispiele C-9 bis C-16

In diesen Beispielen wurde der NWPM unter Verwendung einer Zahnradwellmaschine mit identischen 35.56 cm breiten Zahnrädern mit einem Teilungskreisdurchmesser von 19.05 cm gewellt. Die Zähne der Zahnräder wiesen einen Abstand von 0.3386 cm der Kreisteilung auf. Die Zahnradwalzen waren in einem optimalen teilweise ineinandergreifenden Zustand voneinander entfernt, so daß sie ein deutliches Wellenmuster bildeten, ohne den Mikrofaserstoff mehr als nötig zu zerknittern, um das Wellenmuster zu erhalten. Das obere Zahnrad wurde unter Verwendung von temperiertem zirkulierendem Wasser auf 20ºC und das andere Zahnrad auf 79ºC gehalten. Wie in Tabelle 9 angegeben, wurde die periphere Geschwindigkeit der beiden Zahnradwalzen zwischen 3.05 und 21.34 Meter pro Minute (mpm) eingestellt. Der NWPM lief durch den ineinandergreifenden Bereich der Zahnräder, als sie in entgegengesetzter Richtung rotierten, wodurch ein gewellter NWPM mit einer Vielzahl im allgemeinen paralleler und gleichmäßig voneinander entfernter Wellen entstand.
Die gewellte Struktur des NWPM wurde beibehalten, indem voneinander getrennte parallele Stränge aus geschmolzenem Polypropylen (WRS-6, Charge 197 von Shell Oil Co.) quer zu den parallelen Wellen mit einem Abstand von 0.25 cm von Mitte zu Mitte auf der Struktur abgelagert wurden. Die Polypropylenstränge fielen bei einer Temperatur von 242ºC vertikal von einer Spinndüse auf die Kämme der parallelen Wellen herab. Die Polypropylenstränge wurden mit dem gewellten NWPM schmelzverbunden und unter Umgebungsbedingungen abgekühlt.
Vergleichsbeispiel C-16 ist ein flacher, nicht gewellter NWPM, der aus der gleichen Charge entnommen wurde wie die Vergleichsbeispiele C-9 bis C-15. Der Test des Druckabfalls und der Durchlässigkeit wurde durchgeführt wie vorstehend beschrieben, die Ergebnisse sind in Tabelle 9 angegeben.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wurde ein NWPM, der aus der gleichen Charge entnommen wurde wie die Beispiele C-9 bis C-16, gewellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, um eine Verbundstruktur mit der in Fig. 12 angegebenen Konfiguration a' zu erhalten. Die Verbindungen mit der Einrichtung zur Beibehaltung der Form wurden so gestaltet, daß die ESA dieser Verbundstruktur ungefähr die gleiche ist wie die ESA der Beispiele C-9 bis C-15. TABELLE 9 Vergleich eines gewellten Vliesstoffs der vorliegenden Erfindung mit nicht gewellten und mit Zahnrädern gewellten Vliesstoffen
* mit Zahnrad gewellte Proben
** nicht gewellte Kontrollprobe
Die in Tabelle 9 angegebenen Daten zeigen, daß der Q-Faktor für die Verbundstruktur dieser Erfindung (Beispiel 4) den Q-Faktoren der mit dem Zahnrad gewellten Proben (Beispiele C-9 bis C- 15) weit überlegen ist. Die mit dem Zahnrad gewellten Proben (gemittelter Q-Faktor 0.45) zeigten gegenüber der nicht gewellten Probe (Q-Faktor 0.46) aus dem gleichen NWPM (Beispiel C-16) keine Steigerung der Filterleistung.

Beispiele 5-17

Es ist der Zweck dieser Beispiele, zu zeigen, daß die Verbundstrukturen der Erfindung gute Wärmeisolierungseigenschaften liefern können.
Der in diesen Beispielen verwendete NWPM enthielt ein Gemisch aus Mikrofasern und gekräuselten Stapelfasern. Der NWPM wurde hergestellt wie in US-Patent 4,118,531 von Hauser beschrieben. Der NWPM enthielt 65 Gew.-% Polypropylenmikrofaser (Fina 3860x, Houston, Texas) und 35 Gew.-% Polyesterstapelfasern (Hoechst Celanese, Charlotte, North Carolina), die eine Stapellänge von etwa 3.81 cm (1.5 Inch) und 6 Denier pro Filament aufwiesen. Die Mikrofaser hatte einen arithmetischen mittleren Faserdurchmesser von ungefähr 7 Mikrometer. Die Stapelfasern waren ungefähr 38 Millimeter lang und wiesen etwa 2.4 Kräuselungen pro Zentimeter auf. Die Verbundstrukturen wurden hergestellt wie in den Beispielen 1-3 beschrieben. Eine einzelne Schicht aus CELESTRA-Polypropylenspinnvlies wurde als Einrichtung zur Beibehaltung der Form verwendet. Jede Verbundstruktur hatte eine Größe von 10 cm mal 10 cm und war zusammengestellt wie nachstehend in Tabelle 10 angegeben: TABELLE 10
Die Verbundstrukturen wurden unter Verwendung einer Rapid-KTM Testeinheit von Dynatech R&D Company, Cambridge, Massachusetts auf die Wärmebeständigkeit getestet. Die Messungen der Wärmebeständigkeit wurden gemäß ASTM-Testverfahren C518 durchgeführt. Die Ergebnisse der Wärmebeständigkeitstests sind in Tabelle 11 angegeben, wo clo-Werte angegeben sind, um die Wärmebeständigkeit zu erläutern. Clo ist mathematisch definiert als 1clo = (0.18ºC)(Meter)²(Stunde)/(Kilokalorien) TABELLE 11
a. Diese Probe war das kommerzielle 3M-Produkt ThinsulateTM B-200, das ein geprägter Vliesstoff ist, der die gleiche Faserzusammensetzung aufweist wie der NWPM der Beispiele 5-17.
b. Diese Probe war das kommerzielle 3M-Produkt ThinsulateTM B-400, das ein geprägter Vliesstoff ist, der die gleiche Faserzusammensetzung aufweist wie der NWPM der Beispiele 5-17.
Die Daten in Tabelle 11 zeigen, daß die Wärmeisolierung der Erfindung eine gute Wärmebeständigkeit zeigen kann. Die Daten zeigen auch, daß die Wärmeisolierung der Erfindung bessere clo-Werte pro Gewichtseinheit zeigen kann als geprägte Produkte. Eine nicht geprägte, nicht gewellte Probe zeigt in den meisten Fällen bessere clo-Werte pro Gewichtseinheit als die Wärmeisolierung der Erfindung; ihr fehlt jedoch eine ausreichende Integrität des Stoffs, wie im Hintergrund angegeben, um zu ermöglichen, daß der Stoff an einer anderen Oberfläche befestigt wird und zu ermöglichen, daß der Stoff eine zusammenhängende Struktur behält, nachdem er der Abnutzung ausgesetzt wurde.
Diese Erfindung kann verschiedene Modifikationen und Veränderungen annehmen, ohne von ihrem Geist und Umfang abzuweichen. Folglich ist es selbstverständlich, daß diese Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene beschränkt wird, aber sie wird durch die in den folgenden Ansprüchen angegebenen Einschränkungen und beliebige Äquivalente davon kontrolliert. Es versteht sich auch, daß diese Erfindung in Abwesenheit eines beliebigen Elements, das hier nicht speziell offenbart ist, in geeigneter Weise durchgeführt werden kann.

Claims

1. Verbundstruktur, die umfaßt:

einen gewellten Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern und eine Einrichtung zur Beibehaltung der Form des gewellten Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern,

wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern eine mittlere Porengröße von kleiner als 150 um, eine Dichte von 0,1 oder weniger und eine Mehrzahl von im allgemeinen parallelen Wellungen aufweist, wobei sich die Einrichtung zur Beibehaltung der Form durch die im allgemeinen parallelen Wellungen erstreckt und am gewellten Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern in Tälern der im allgemeinen parallelen Wellen derart gesichert ist, daß die Einrichtung zur Beibehaltung der Form nicht den gleichen Umfang aufweist, wie der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern zwischen zwei benachbarten Tälern.

2. Verbundstruktur nach Anspruch 1, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern sich einer sinusförmigen Kurvengestalt annähert, wenn er von der Seitenansicht aus betrachtet wird, und wobei benachbarte Seiten von benachbarten Wellen sich nicht in wesentlichem Kontakt miteinander befinden.

3. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einem Wellenverhältnis von 10 : 1 zu 1,2 : 1.

4. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern an die Einrichtung zur Beibehaltung der Form mit intermittierenden Sicherungspunkten gesichert ist, die weniger als 5% des gewellten Oberflächenbereichs einnehmen.

5. Verbundstruktur nach Anspruch 4, wobei die intermittierenden Sicherungspunkte durch einen Abstand Y voneinander getrennt sind und von Schweißstellen in einem benachbarten Tal durch eine Entfernung von etwa 1/2 Y abgesetzt sind, wobei Y im Bereich von 0,5 bis 5 cm liegt.

6. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verbundstruktur anpassungsfähig ist, so daß die Verbundstruktur um eine Achse gebogen werden kann, die sich quer zu den im allgemeinen parallelen Wellen erstreckt, mit einem Krümmungsradius von etwa der Dicke der Verbundstruktur.

7. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern einen arithmetischen mittleren Faserdurchmesser im Bereich von 2 bis 8 um aufweist.

8. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mittlere Porengröße des gewellten Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern im Bereich von etwa 10 bis 75 um liegt.

9. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern eine Dichte im Bereich von etwa 0,04 bis 0,08 aufweist.

10. Verbundstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern 80 Gew.-% polymere Mikrofasern, basierend auf dem Gewicht des Fasermaterials, umfaßt.

11. Faser-Filtrations-Gesichtsmaske, die umfaßt:

eine Verbundstruktur, die geformt ist, um über die Nase und den Mund einer Person zu passen und einen gewellten Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern mit einer Dichte von 0,1 oder weniger und eine Einrichtung zur Beibehaltung der gewellten Form des gewellten Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern aufweist, wobei die Einrichtung zur Beibehaltung der Form am gewellten Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern in den Tälern der Wellen derart gesichert ist, daß die Einrichtung zur Beibehaltung der Form nicht den gleichen Umfang aufweist, wie der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern zwischen zwei benachbarten Tälern.

12. Gesichtsmaske nach Anspruch 11, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern eine Gesichtsmaske bereitstellt mit einer effektiven Oberfläche von wenigstens 1, 6 mal der effektiven Oberfläche einer Gesichtsmaske, die einen nicht gewellten Filter besitzt und von im wesentlichen der gleichen Größe ist.

13. Gesichtsmaske nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei die Verbundstruktur 1 bis 4 Wellen pro cm der Verbundstruktur aufweist.

14. Gesichtsmaske nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern wenigstens 90 Gew.-% Mikrofasern, basierend auf dem Gewicht des Fasermaterials, umfaßt, wobei die Mikrofaser Polypropylen umfaßt und elektrisch geladen ist und die Verbundstruktur an eine schalenförmige formende Schicht angrenzt.

15. Gesichtsmaske nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern sich einer sinusförmigen Kurvenform annähert, wenn er von der Seitenansicht aus betrachtet wird, und wobei benachbarte Seiten von benachbarten Wellen sich nicht in wesentlichem Kontakt miteinander befinden.

16. Filter, der teilchen- und gasförmige Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit entfernen kann, wobei der Filter umfaßt:

ein erstes Filterelement, das teilchenförmige Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit entfernen kann, wobei das erste Filterelement einen gewellten Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern mit einer Dichte von 0,1 oder weniger und eine Einrichtung zur Beibehaltung der gewellten Form des gewellten Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern umfaßt, wobei die Einrichtung zur Beibehaltung der Form an den gewellten Vliesstoff gesichert ist, um die gewellte Form des gewellten Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern beizubehalten; und

ein zweites Filterelement, das ein Sorptionsmaterial umfaßt, das gasförmige Verunreinigungen aus einer Flüssigkeit entfernen kann;

wobei das erste und zweite Filterelement aneinander gesichert sind und eine Form aufweisen, die zur Anbringung in einem Respirator angepaßt ist.

17. Filter nach Anspruch 16, wobei die Einrichtung zur Beibehaltung der Form nicht den gleichen Umfang aufweist, wie der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern zwischen zwei benachbarten Tälern, und wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern eine mittlere Porengröße von kleiner als 150 um und eine Dichte im Bereich von 0,04 bis 0,08 aufweist.

18. Verfahren zur Herstellung eines gewellten Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern, das umfaßt:

(a) Einbringen eines Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern mit einer Dichte von 0,1 oder weniger in eine Wellvorrichtung, die eine Mehrzahl von Schaufeln aufweist, die an einem ersten Ende an eine Einrichtung zur Bewegung der Schaufeln entlang eines Wegs gesichert sind, wobei der Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern in Kontakt kommt mit den zweiten Enden der Schaufeln, die einen Abstand aufweisen, und entgegengesetzt zu den ersten Enden der Schaufeln angeordnet sind; und

(b) Verringern des Abstands zwischen den zweiten Enden der Schaufeln, um Wellen des Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern zu verursachen, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern eine Dichte von 0,1 oder weniger aufweist.

19. Verfahren zur Herstellung einer Verbundstruktur, die die Schritte aus Anspruch 18 umfaßt, und ferner:

(a) Einbringen einer Einrichtung zur Beibehaltung der gewellten Form des Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern in die Wellvorrichtung; und

(b) Sichern des gewellten Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern an die Einrichtung zur Beibehaltung der Form, um eine Verbundstruktur zu bilden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der gewellte Vliesstoff aus polymeren Mikrofasern in Tälern der Wellen an die Einrichtung zur Beibehaltung der Form durch intermittierende Ultraschall-Schweißstellen befestigt ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 20, wobei die Dichte des Vliesstoffs aus polymeren Mikrofasern im Mittel um nicht mehr als 3 bis 5% erhöht wird.

22. Thermische Isolierung, die umfaßt:

einen gewellten Vliesstoff und eine Einrichtung zur Beibehaltung der Form des gewellten Vliesstoffs;

wobei der gewellte Vliesstoff eine Dichte von 0,1 oder weniger aufweist und Mikrofasern und gekräuselte Stapelfasern enthält, die einen Kräuselgrad von wenigstens 15 % aufweisen, wobei die Einrichtung zur Beibehaltung der Form an Tälern der Wellen des gewellten Vliesstoffs derart gesichert ist, daß die Einrichtung zur Beibehaltung der Form nicht den gleichen Umfang aufweist, wie der gewellte Vliesstoff.

23. Thermische Isolierung nach Anspruch 22, wobei 25 bis 75 Gew.-% der Fasern des Vliesstoffs gekräuselte Stapelfasern sind, die einen Kräuselgrad von wenigstens 15% aufweisen, und 75 bis 25 Gew.-% der Fasern Mikrofasern sind.

24. Thermische Isolierung nach einem der Ansprüche 22 oder 23, wobei der Vliesstoff eine Dichte im Bereich von 0,008 bis 0,07 aufweist und die Wellen im allgemeinen parallele Wellen sind und die Einrichtung zur Beibehaltung der Form intermittierend an die Täler der Wellen gesichert ist.

25. Wellvorrichtung, die umfaßt:

(a) erste und zweite Schaufeln, die jeweils an einem ersten Ende an eine Einrichtung zur Bewegung der ersten und zweiten Schaufeln entlang eines Weges angebracht sind, wobei die ersten und zweiten Schaufeln sich radial von der Bewegungseinrichtung erstrecken und jede Schaufel ein zweites Ende zum Tragen eines Stoffs aufweist, wenn sich die ersten und zweiten Schaufeln entlang des Weges bewegen, wobei die zweiten Enden der ersten und zweiten Schaufeln in der Lage sind, sich aufeinander zuzubewegen, wodurch der Stoff gewellt wird; und

(b) eine Ultraschall-Schweißvorrichtung, die sich stromabwärts befindet, wo sich die zweiten Enden aufeinander zubewegen, wobei die Ultraschallschweißvorrichtung einen Schallerzeuger und einen Gegenhalter aufweist und der Gegenhalter die zweiten Enden der ersten und zweiten Schaufeln beinhaltet.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Einrichtung zur Bewegung der Schaufeln entlang eines Weges ein flexibles Gummiband beinhaltet, das eine Shore A-Härte im Bereich von 25 bis 90 aufweist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei die Vorrichtung eine erste Einrichtung zum Einbringen des Stoffs in die Wellvorrichtung aufweist, und der Weg einen gebogenen Bereich mit einem variablen Krümmungsradius aufweist, wobei der Stoff in die Wellvorrichtung in dem gebogenen Bereich des Weges eingebracht wird.

28. Vorrichtung nach Anspruch 25, die ferner eine Einrichtung zur Veränderung der Ganghöhe der Schaufeln umfaßt, wobei die die Ganghöhe verändernde Einrichtung sich entlang des Weges, der der Ultraschallschweißvorrichtung benachbart ist, befindet.