JP2012512743A - 付形した粒子含有不織布ウェブを利用するフィルタ要素 - Google Patents

Abstract

あるフィルタ要素が、多孔質の保形自立性の不織布ウェブを利用する。このウェブは、熱可塑性エラストマーポリマー繊維と、その繊維内に配置された活性粒子とを含む。このウェブはまた、３次元変形を有する。
【選択図】図２

Description

本開示は、広義には、付形した粒子含有不織布ウェブを利用するフィルタ要素に関する。より具体的には、本開示は、保形自立性の不織布ウェブを含むフィルタ要素に関し、そのウェブは３次元変形を有するものである。本開示はまた、そのようなフィルタ要素を含む呼吸用保護システムに関する。

蒸気及び他の有害な空中浮揚物質の存在下で使用するための呼吸用保護装置は、多くの場合、吸着剤粒子を含有する濾過要素を用いている。そのような濾過要素の設計は、通気抵抗、サージ耐力、耐用寿命、重量、厚さ、全体的大きさ、振動又は摩擦などの損傷を与え得る力に対する耐性、及びサンプル間の変動など、時には矛盾する要素の調和を必要とすることがある。吸着剤粒子を添加した繊維ウェブは、多くの場合、小さな通気抵抗と他の利点を有する。

吸着剤粒子を添加した繊維ウェブが、カップ状に成形された呼吸用保護具に組み込まれてきた。例えば、ブラウン（Braun）への米国特許第３，９７１，３７３号を参照されたい。そのような呼吸用保護装置の典型的な構造は、１対の保形層の間に置かれた、１層以上の粒子含有及び粒子保持層を含む。例えば、スプリンゲット（Springett）らへの米国特許第６，１０２，０３９号を参照されたい。保形層は、この保形層がなければ比較的柔軟である中間層に構造的完全性を与えるものであり、そのため、全体としての組立体はカップ状の形状を保持することができる。

有利な性能特性、構造的完全性、簡潔な構造を有し、かつ製造がより容易である濾過要素が依然として必要とされている。

本開示は、多孔質の保形自立性の不織布ウェブを利用するフィルタ要素に関する。このウェブは、熱可塑性エラストマーポリマー繊維と、その繊維内に配置された活性粒子とを含み、このウェブはまた３次元変形を有する。一実現形態において、３次元変形は、ウェブの厚さ方向に沿って密度が均一であることを特徴とする。別の実現形態において、この３次元変形は、変形の全体にわたって少なくとも１つの方向に沿って５倍以下で変動する厚さを特徴とする。更なる別の実現形態において、この３次元変形は、その位置におけるウェブの厚さの少なくとも０．５倍、平面的な形状構成から逸脱することを特徴とする凹形表面を有する。

本発明は、添付の図面と共に、本発明のさまざまな実施形態に関する以下の詳細な説明を考慮すれば、より完全に理解されよう。

本開示に従う多孔質不織布ウェブの一部分の概略斜視図。 ある例示的なフィルタ要素の断面の概略斜視図であり、このフィルタ要素は３次元変形を有する保形自立性の不織布ウェブを利用するもの。 別の例示的なフィルタ要素の断面の概略斜視図であり、このフィルタ要素は３次元変形を有する保形自立性の不織布ウェブを含むもの。 別の例示的なフィルタ要素の断面の概略斜視図であり、このフィルタ要素は３次元変形を有する保形自立性の不織布ウェブを含むもの。 別の例示的なフィルタ要素の断面の概略図であり、このフィルタ要素は２つ以上の３次元変形を有する保形自立性の不織布ウェブを含むもの。 カートリッジ内に配設された、本開示に従う例示的なフィルタ要素の概略横断面図。 図６に示すフィルタ要素を利用する例示的な呼吸用保護システムの斜視図。 図３に示す本開示に従う例示的なフィルタ要素を利用する使い捨て呼吸用保護装置の、部分的に破断図とした斜視図。 図４に示す本開示に従う例示的なフィルタ要素を利用する、集合保護システムにおける使用に好適なものなどの放射状濾過システムの横断面図。 本開示に従う、３次元変形を有する保形自立性の不織布ウェブを作製する例示的な方法を示す。

図は必ずしも一定の縮尺ではない。図で用いられている同様の符号は、同様の構成要素を指す。しかしながら、所与の図における構成要素を指すために符号を用いることは、同じ符号で記された、別の図における構成要素を限定することを意図したものではない。

以下の説明において、添付の図面を参照するが、それらの図面は本願の一部をなすものであり、また、いくつかの特定の実施形態を実例として示すものである。他の実施形態も企図され、本発明の範囲又は趣旨から逸脱することなく作られ得ることが理解されよう。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるものではない。

本明細書で用いられるすべての科学的用語及び技術的用語は、特に明記しない限り、当該技術分野において広く用いられている意味を有するものである。本明細書にて提供される定義は、本明細書でしばしば使用されるある種の用語の理解を促進しようとするものであり、本開示の範囲を限定するものではない。

特に明記しない限り、本明細書及び特許請求の範囲において用いられる、機構の大きさ、数量、及び物理特性を表すすべての数値は、いかなる場合にも「約」という用語で修飾されるものとして理解される。したがって、そうでない旨を明記しない限り、先の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載された数値的指標は、本願において開示される教示を利用する当業者が得ようと求める所望の特性に応じて変化し得る概算値である。

数値の範囲を端点によって列挙したものは、その範囲に包含されるすべての数値（例えば、１〜５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）及びその範囲内の任意の範囲を含む。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するとき、その内容に別段の明確な指示がない限り、「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」という単数形には、複数の指示物を有する実施形態が包含される。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用するとき、その内容に別段の明確な指示がない限り、「又は」という用語は概して、「及び／又は」を含めた意味で用いられている。

本開示の例示的な実施形態は、多孔質の保形自立性の不織布ウェブを利用するものであり、そのウェブは、熱可塑性エラストマーポリマー繊維と、その繊維内に捕らえられた活性粒子とを含むものである。本開示に従うウェブは、例えば成形プロセスによってウェブに付与され得る３次元的な形状又は変形を特徴とする。

本開示は、既存の技術では達成が非常に困難である性能及び設計上の特徴により、呼吸用保護具において使用される付形された成形フィルタ要素の生産を容易にすると予想される。付形されたフィルタ要素、つまり樹脂結合質炭素粒子を作製するための主な既存の技術は、微細に粉砕された樹脂粒子を炭素粒子と結合させ、次いでそれらを熱及び圧力の下で付形することを伴う。炭素を添加されたそのような付形物は、多くの場合、フィルタベッドにおいて使用される。しかしながら、この既存の技術は様々な欠点を有している。例えば、樹脂結合質粒子プロセスにおいて使用するための小粒子へと樹脂を粉砕することは、比較的費用を要する手順となりがちである。更に、樹脂結合プロセスは、炭素の表面を閉ざす傾向があり、それによって炭素の活量が低下する。

対照的に、本開示に従う例示的なフィルタ要素は、結合用樹脂の代わりに繊維を使用しているがために通気抵抗を低下させ、処理コストを削減し、炭素活量をより良好に維持すると期待される。本開示の実施形態の他の利点には、ストーム注入プロセス（storm filling process）を用いて生産されるフィルタベッドの代わりとなること、及び、従来の充填ベッドでは達成が困難な複雑な形状のフィルタ要素を生産できることが挙げられる。

図１は、本開示の例示的な実施形態における使用に好適な多孔質不織布ウェブ１０の一部分を概略的に示している。本明細書で用いるとき、「多孔質」という用語は、個人用の呼吸用保護装置のフィルタ要素において使用可能となるように気体に対して十分に透過性のある物品を指す。「不織布ウェブ」という語句は、繊維の絡み又は点結合を特徴とする繊維ウェブを指す。多孔質不織布ウェブ１０は、ポリマー繊維１４ａ、１４ｂ、１４ｃ内に配置された（例えば捕らえられた）活性粒子１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含む。不織布ウェブ１０内（例えば、ポリマー繊維と粒子との間）に形成された小さな連結孔により、環境空気又は他の流体は不織布１０を通過することが可能となる。活性粒子、例えば１２ａ、１２ｂ、１２ｃは、そのような流体中に存在する溶媒及び他の潜在的有害物質を吸収可能なものであってもよい。「捕らえられる」という語は、不織布ウェブ内の粒子に関して用いられる場合、水平ロッドに垂らし掛けるなどの穏やかな取扱いをウェブが受けるときに、ウェブ内又はウェブ上に残留するように十分にウェブに結合されるか、あるいはウェブ内に閉じこめられる粒子を指す。そのような多孔質不織布ウェブ及びその多孔質不織布ウェブを作製する方法の例が、例えば、米国特許公開第２００６／００９６９１１号に記載されている。

本開示のいくつかの実施形態における使用に好適な活性粒子の例には、吸着剤、触媒、及び化学反応性物質が挙げられる。多様な活性粒子が用いられ得る。いくつかの実施形態において、活性粒子は、目的の使用条件下で存在すると予想される気体、エアロゾル又は液体を吸収又は吸着することが可能となる。活性粒子は、ビーズ、薄片、顆粒又は凝集粒子を含む任意の有用な形態をなすことができる。好ましい活性粒子には、活性炭と、アルミナ及び他の金属酸化物と、炭化水素ナトリウムと、吸着、化学反応、又はアマルガム化によって流体からある成分を除去できる金属粒子（例えば銀粒子）と、ホプカライト（一酸化炭素の酸化を触媒できる）などの粒子状の触媒と、ナノサイズ金粒子と、酢酸などの酸性溶液又は水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ性溶液で処理された粘土及び他の無機質と、イオン交換樹脂と、モレキュラーシーブ及び他のゼオライトと、シリカと、殺虫剤と、殺菌剤及び抗ウイルス剤とが挙げられる。活性炭及びアルミナが、特に好ましい活性粒子である。

例示的な触媒材料には、一酸化炭素（ＣＯ）を除去するＣａｒｕｌｉｔｅ ３００（ホプカライトとも呼ばれる、酸化銅と二酸化マンガンの混合物（ＭＳＤＳによる））、又は、二酸化チタンでコーティングされ、その二酸化チタン層上に配置されたナノサイズ金粒子でコーティングされた顆粒状の活性炭（米国特許出願第２００４／００９５１８９ Ａ１号）、ＣＯ、ＯＶ及び他の成分を除去するナノサイズ金粒子を含有する触媒が挙げられる。

例示的な化学反応性物質には、トリエチレンジアミン、ホプカライト、塩化亜鉛、アルミナ（フッ化水素に対し）、ゼオライト、炭酸カルシウム、及び炭酸ガススクラバ（例えば、水酸化リチウム）が挙げられる。そのような化学反応性物質のうちの任意の１つ以上が粒子の形態をなしてもよく、あるいは、粒子、典型的には、活性炭、アルミナ又はゼオライト粒子など、表面積の大きい粒子上に支持されてもよい。

複数の種類の活性粒子が、本開示に従う同じ例示的な多孔質不織布ウェブにおいて使用されてもよい。例えば、活性粒子の混合物が、例えば気体の混合物を吸収するために用いられ得る。所望の活性粒子の寸法は大いに異なり得るものであり、通常、幾分かは目的の使用条件に基づいて選択される。一般的な指針として、活性粒子は、平均直径が約５〜３０００マイクロメートルへと、寸法において様々であってよい。好ましくは、活性粒子は、平均直径が約１５００マイクロメートル未満、より好ましくは平均直径が約３０〜約８００マイクロメートル、最も好ましくは平均直径が約１００〜約３００マイクロメートルである。また、種々の寸法範囲を有する活性粒子の混合物（例えば、バイモーダル混合物）も用いられ得る。本開示のいくつかの実施形態において、６０重量％超の活性粒子がウェブ内に捕らえられる。他の実施形態において、好ましくは少なくとも８０重量％の活性粒子、より好ましくは少なくとも８４重量％、最も好ましくは少なくとも９０重量％の活性粒子がウェブ内に捕らえられる。

本開示のいくつかの実施形態における使用に好適なポリマー繊維の例には、熱可塑性ポリマー繊維、好ましくは熱可塑性エラストマーポリマー繊維が挙げられる。ポリウレタンエラストマー材料（例えば、ハンツマン社（Huntsman LLC）から商品名ＩＲＯＧＲＡＮ（商標）として、またノベオン社（Noveon, Inc.）から商品名ＥＳＴＡＮＥ（商標）として入手可能なもの）、熱可塑性エラストマーポリオレフィン（エクソンモービルケミカル社（Exxon Mobil Chemical）から商品名Ｖｉｓｔａｍａｘｘとして入手可能なポリマーなど）、ポリブチレンエラストマー材料（例えば、Ｅ．Ｉ．デュポンデヌムール社（E.I. DuPont de Nemours & Co.）から商品名ＣＲＡＳＴＩＮ（商標）として入手可能なもの）、ポリエステルエラストマー材料（例えば、Ｅ．Ｉ．デュポンデヌムール社（E.I. DuPont de Nemours & Co.）から商品名ＨＹＴＲＥＬ（商標）として入手可能なもの）、ポリエーテルブロックコポリアミドエラストマー材料（例えば、アトフィナケミカルズ社（Atofina Chemicals, Inc.）から商品名ＰＥＢＡＸ（商標）として入手可能なもの）、並びに、エラストマースチレンブロックコポリマー（例えば、クラトンポリマーズ社（Kraton Polymers）から商品名ＫＲＡＴＯＮ（商標）として、またダイナソルエラストマーズ社（Dynasol Elastomers）から商品名ＳＯＬＰＲＥＮＥ（商標）として入手可能なもの）などの熱可塑性樹脂を含めて、多様な繊維形成高分子材料が好適に用いられ得る。

いくつかのポリマーは、初期の弛緩した長さの１２５％超にまで伸張されることができ、これらのポリマーのうちの多くは、付勢力を解放すると、実質的にそれらの初期の弛緩した長さに回復し、この後者の類の材料が一般に好ましい。熱可塑性ポリウレタン、熱可塑性エラストマーポリオレフィン、ポリブチレン及びスチレンブロックコポリマーが特に好ましい。所望により、ウェブの一部分が、記載した弾性又は結晶収縮度を有していない他の繊維、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの通常のポリマーの繊維、複合繊維（例えば、芯鞘型繊維（core-sheath fibers）、分割可能な又は並列するコンジュゲートファイバ及びいわゆる「海島」繊維）、ステープルファイバ（例えば、天然又は合成材料でできたもの）などを呈することができる。好ましくは、しかしながら、所望の吸着剤添加レベル及び仕上げられたウェブの特性を不当に損なわないように、比較的少量でそのような他の繊維が用いられる。

図２は、保形自立性の不織布ウェブ２２を利用するある例示的なフィルタ要素２０の断面の概略斜視図であり、この不織布ウェブは、図１に示すように、多孔質不織布ウェブ１０であってもよい。本開示の状況において、ある物品に関して述べる「保形性」という用語は、その物品が、（ｉ）力が加えられたときに変形に抵抗し、又は（ｉｉ）変形力に屈するが、その後、変形力が除去されると実質的に元の形状に戻るように、十分な弾性と構造的完全性を有することを表す。ここで、変形力の大きさ及び種類は、物品の使用が意図される通常の条件に対して一般的なものである。ある物品に関して述べる「自立性」という用語は、その物品が、それ自体で、つまり付加的な支持層又は構造の非存在下で、非平面的な形状構成を保持することが可能となるように、十分な剛性を有することを表す。

更に図２を参照すると、ウェブ２２は３次元変形２４を有しており、この３次元変形２４が断面図で示されている。具体的に言えば、典型的な不織布粒子含有ウェブの場合のように、ウェブ２２の主要表面２２ａ及び２２ｂが平面的な形状構成を有し、互いに概ね平行となる平面的な形状構成を有するのではなく、ウェブ２２は、その主要表面２２ａ及び２２ｂの少なくとも一方が平面的な形状構成から逸脱するように付形されている。この例示的な実施形態において、第１の表面２２ａは、Ｄａ程度、平面的な形状構成から変位しており、一方で、第２の表面２２ａは、Ｄｂ程度、平面的な形状構成から変位している。

ウェブ２２は、ウェブ厚さＴを更に特徴とし、このウェブ厚さＴは、第１の表面２２ａと第２の表面２２ｂとの間の距離として定義されてよい。本開示の例示的な実施形態に従う変形のいくつかの例示的な寸法に、５〜１０ｍｍ以上のウェブ厚さＴが挙げられる。Ｔの値は、フィルタ要素の目的の最終用途及び他の検討事項に依存する。変形２４は直線的長さＬを更に特徴とし、この直線的長さＬは、変位Ｄａを含む平面において、変形２４の下方にある平面状表面へと変形２４の横断面が突出する長さとして定義されてよい。

いくつかの例示的な実施形態において、ＤａとＤｂの少なくとも一方は、その変位が測定されるウェブ位置において、ウェブ厚さＴの少なくとも０．５倍である。図示の例示的な実施形態において、厚さＴと変位Ｄａは共に位置２３において測定される。他の例示的な実施形態において、ＤａとＤｂの少なくとも一方は、フィルタ要素の目的の最終用途又は他の検討事項に応じて、変位が測定されるウェブ位置においてウェブ厚さＴの少なくとも１〜１０倍、２〜１０倍、４〜１０倍、５〜１０倍、又は１０倍超であってよい。

更に図２を参照すると、例示的なフィルタ要素２０のウェブ２２の主要表面２２ａは、凹形表面を特徴としてもよく、一方で、主要表面２２ｂは、凸形表面を特徴としてもよい。そのようないくつかの例示的な実施形態において、凹形表面２２ａは、変位が測定されるウェブ位置においてウェブ厚さＴの少なくとも０．５倍の、平面的な形状構成からの逸脱Ｄａを特徴とする。他の例示的な実施形態において、表面２２ａのＤａは、フィルタ要素の目的の最終用途又は他の検討事項に応じて、変位が測定されるウェブ位置においてウェブ厚さＴの少なくとも１〜１０倍、２〜１０倍、４〜１０倍、５〜１０倍、又は１０倍超であってよい。

典型的ないくつかの例示的な実施形態において、直線的変形の長さＬは、厚さＴの少なくとも３〜４倍、又は３〜５倍であってよい。他の例示的な実施形態において、直線的変形の長さＬは、少なくとも１０〜５０倍、２０〜５０倍、３０倍以上、４０倍以上、又は５０倍以上であってよい。Ｌのいくつかの例示的な絶対値には、２ｃｍ、４ｃｍ、又は１０ｃｍ以上が挙げられる。Ｌの値及びそのＴとの比は、フィルタ要素の最終用途を含めて、様々な要素に依存する。ウェブ２２の変形は、限定するものではないが図３〜４に示すものを含めて、任意の他の好適な形状及び寸法を有し得ることが、当業者には容易に明らかとなろう。

図３は、別の例示的なフィルタ要素３０の断面の概略斜視図であり、このフィルタ要素３０は保形自立性の不織布ウェブ３２を利用するものである。ウェブ３２は、３次元変形３４を有している。この例示的な実施形態において、第１の表面３２ａは、Ｄａ’程度、平面的な形状構成から変位しており、一方で、第２の表面３２ａは、Ｄｂ’程度、平面的な形状構成から変位している。ウェブ３２は、可変のウェブ厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４を更に特徴とし、ウェブ厚さＴ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４はそれぞれ、第１の表面３２ａと第２の表面３２ｂとの間の距離として定義される。変形３４は、線Ｌ’の直線的長さを更に特徴とする。Ｌ’は、変位Ｄａ’を含む平面において、変形３４の横断面を、変形３４の下方にある平面状表面へと射影したものである。

好ましくは、可変のウェブ厚さを有する実施形態において、厚さは、変形３４の全体にわたって少なくとも１つの方向に沿って、平均厚さＴａｖの１０倍以下で変動する。より好ましくは、厚さは、変形３４の全体にわたって少なくとも１つの方向に沿って、平均厚さＴａｖの５倍以下で、更により好ましくは２倍以下、１倍以下で、最も好ましくは０．５倍以下で変動する。平均厚さは、図３の紙面の平面によって、ウェブ３２の横断面及び変形３４に沿った方向など、変形３４の全体にわたって特定の方向を選択し、選択した方向に沿って、好ましくは少なくとも４つの異なる位置（例えば、１、２、３及び４）のウェブ厚さの値を測定し（すなわち、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及びＴ４の値）、これらの値を以下のように平均化することによって算出され得る。
Ｔａｖ＝（Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＋Ｔ４）／４
いくつかの例示的な実施形態において、位置１、２、３、及び４は、Ｌを５つの略等しい部分に分割し、４つの中間点で厚さの測定を行うことによって選択され得る。

更に図３を参照すると、例示的なフィルタ要素３０において利用されている例示的な保形自立性の不織布ウェブ３２が、ウェブの厚さ方向において密度が均一であることを特徴とする３次元変形３４を有している。より具体的には、そのような実施形態において、２層以上の層が１つ以上の空隙によって分離される層状の構造とは異なり、ウェブが、断面において、１層、２層、又はそれ以上の連続層を有する一体的構成を呈する場合、ウェブ密度は厚さ方向に均一とみなされる。

ウェブ３２のいくつかの例示的な実施形態において、３次元変形３４は、比較的小さな値を有する密度勾配を特徴としてもよい。例示的な一実施形態において、３次元変形３４は、２０未満〜１の密度勾配を特徴とする。他の例示的な実施形態において、３次元変形３４は、１０未満〜１、３未満〜１、又は２未満〜１の密度勾配を特徴としてもよい。

密度勾配は、以下のように決定され得る。図３に示す位置１、２、３及び４のうちの任意の２つなど、ウェブ３２の３次元変形３４の２つの異なる位置から２つのサンプルを取る。次いで、以下で説明する手順を用いて密度δ１及びδ２を決定し、大きい方の密度値δ２と小さい方の密度値δ１との比として密度勾配δｇを決定することができる。

図４は、別の例示的なフィルタ要素４０の概略斜視図であり、このフィルタ要素４０は保形自立性の不織布ウェブ４２を利用するものである。ウェブ４２は、３次元変形４４を有している。この例示的な実施形態において、ウェブ４２の第１の表面４２ａ及び第２の表面４２ｂは、ウェブ４２が概ね円筒状の形状を形成するように、平面的な形状構成から変位している。そのような例示的なフィルタ要素は、混成ガスの攻撃、例えばアンモニアと有機蒸気に対して使用するように設計された呼吸用保護装置における使用に、特に有利である。

図５は、別の例示的なフィルタ要素５０の横断面図であり、フィルタ要素５０は、本開示の他の例示的な実施形態に関連して説明したウェブなど、多孔質不織布ウェブ５２を利用するものである。ウェブ５２は、２つ以上の３次元変形５４を有している。この例示的な実施形態において、ウェブ５２の第１の表面５２ａ及び第２の表面５２ｂは、ウェブ５２が一連の３次元変形を形成するように、平面的な形状構成から変位している。図示の実施形態において、変形５４は、直線的な配列を形成している（変形５４は、１つの方向に沿って、反復する列を形成している）。他の例示的な実施形態において、変形５４は、２次元配列を形成する（変形５４は、２つの方向に沿って、反復する列を形成する）。他の例示的な実施形態において、変形５４は、不規則的な配列など、任意の類の分布を形成してよい。個々の変形は、寸法及び／又は形状において類似していてもよく、又は、互いに異なっていてもよい。

図６は、本開示に従う別の例示的なフィルタ要素１５０の概略横断面図を示している。例示的なフィルタ要素１５０は、ハウジング１３０を含んでいる。図２に示す例示的なウェブなど、本開示に従って構成された保形自立性の不織布ウェブ１２０が、ハウジング１３０の内部に配置されている。ハウジング１３０は、開口部１３３を有するカバー１３２を含んでいる。環境空気が開口部１３３を通じてフィルタ要素１５０に進入し、ウェブ１２０を通過し（ここで、そのような環境空気中の潜在的有害物質がウェブ１２０内の活性粒子によって処理される）、支持体１３７上に装着された吸気弁１３５を通り越えてハウジング１３０から抜け出る。

差し口１３８及び差し込み口金１３９により、フィルタ要素１５０を、図７に示す呼吸用保護装置１６０に交換可能に取り付けることができる。装置１６０は、ときにハーフマスク呼吸用保護具と呼ばれるものであり、比較的薄い硬質な構造部材又はインサート１６４の周りにインサート成形され得る適合性面体を含んでいる。インサート１６４は、呼気弁１６５と、差し込み口金にねじ切りされた凹状の開口部（図７には示さず）とを含んでおり、この開口部は、フィルタ要素１５０のハウジング１３０を装置１６０の頬領域に取り外し可能に取り付けるためのものである。調節式ヘッドバンド１６６及びネックストラップ１６８により、装置１６０は、着用者の鼻及び口を覆って確実に着用されることが可能となる。そのような装置の構造に関する更なる詳細が、当業者には周知であろう。

図８は、本開示の例示的な実施形態が用途を見出し得る別の例示的な呼吸用保護装置２７０を示している。装置２７０は、ときに使い捨て又はメンテナンスフリーマスクと呼ばれるものであり、概ねカップ状の形状をなすシェル又は呼吸用保護具本体２７１を有し、この呼吸用保護具本体２７１は、外側カバーウェブ２７２と、図２及び３に示す例示的なウェブなど、本開示に従って構成された保形自立性の不織布ウェブ２２０と、内側カバーウェブ２７４とを含んでいる。溶着縁部２７５がこれらの層を互いに保持し、装置２７０の縁部を経た漏れを減じるようにフェースシール領域を設けている。装置２７０は、タブ２７７によって装置２７０に締結された調節式ヘッド及びネックストラップ２７６と、ノーズバンド２７８と、呼気弁２７９とを含んでいる。そのような装置の構造に関する更なる詳細が、当業者には周知であろう。

図９は、本開示の例示的な実施形態、特に図４に示す例示的な実施形態が用途を見出し得る別の例示的な呼吸用保護装置３００を示している。装置３００は、集合保護用の空気処理システムにおいて使用されるものなど、ときに半径流濾過システムと呼ばれるものである。図示の実施形態において、入口３１４は、ハウジング３１０の内周縁３１０ａに位置している。出口３１６は、入口３１４と流体連通するものであり、ハウジング３１０の外周縁３１０ｂに位置してもよい。ハウジングの内部に配置された例示的なフィルタ要素３２０は、本開示に従う多孔質不織布ウェブ３２２と、本開示に従う３層の多孔質不織布ウェブ３２４とを含んでいる。

ウェブ３２２は、ウェブ３２４の層のうちの１つ以上の材料と異なる材料を含んでもよく、かつ／又は、ウェブ３２４の層のうちの１つ以上と異なる濾過特性を有してもよい。いくつかの例示的な実施形態において、ウェブ３２４のある層が、ウェブ３２４の他の層の１つ以上の材料と異なる材料を含んでもよく、かつ／又は、ウェブ３２４の層の１つ以上と異なる濾過特性を有してもよい。また、粒子状物質のフィルタ要素３３０など、付加的なフィルタ要素がハウジング３１０の内部に設けられてもよい。粒子状物質のフィルタ要素が、好ましくは、フィルタ要素３２０の上流に設けられる。

一実施形態において、空気又は他の流体が、ハウジング３１０の内周縁に位置する入口３１４に送られる。空気は次いで、矢印Ｆで示すようにフィルタ要素の各々を通過することができ、やがて出口３１６を通過する。本開示はまた、他の流体処理システムにおいて使用されてもよく、本開示の実施形態は、入口３１４及び出口３１６の種々の形状構成及び位置を有し得る。例えば、入口及び出口の位置は、逆転されてもよい。

図１０は、本開示に従う、３次元変形を有する保形自立性の多孔質不織布ウェブを作製する例示的な方法及び装置９００を示している。粒子含有ウェブ９２０は最初に、平面的な形状構成を有してもよい。本開示に従う３次元変形が、例えば例示的な装置９００を使用してウェブ９２０を成形することによって、ウェブ９２０に付与されてもよい。装置９００は、第１の温度調整式の金型９０４ａと、第２の温度調整式の金型９０４ｂとを含んでいる。金型の形状は、ウェブ９０２への付与が望まれる変形の形状によって決まる。第２の金型９０４ｂに向かう第１の金型９０４ａの移動を制御するために、空気圧式のピストン９０６が使用されてもよい。フレーム９０２が、金型９０４ａ、９０４ｂ、及びピストン９０６を支持している。

３次元変形を有する保形自立性の不織布ウェブを作製する例示的な方法において、ウェブ９２０は金型９０４ａと９０４ｂとの間に置かれ、金型は互いに近寄せられ、それにより金型はウェブ９２０を圧力と熱にさらし、それによりウェブ９２０が所望の形状に成形される。金型９０４ａ及び９０４ｂの温度は、同様となるかあるいは異なることがあり、ウェブ９２０の繊維に使用されるポリマーに依存すると予想される。エクソンモービル（ExxonMobil）Ｖｉｓｔａｍａｘｘブランド２１２５熱可塑性ポリオレフィンエラストマーがウェブ９０２の繊維に使用される場合、機能すると予想される金型温度は、７５℃〜２５０℃、より好ましくは９５℃〜１２０℃となる。金型９０４ａ及び９０４ｂによってウェブ９２０に及ぼされる圧力は、ウェブ９２０の繊維に使用されるポリマーに依存すると予想され、また活性粒子の種類及び量に依存することもある。例えば、エクソンモービル（ExxonMobil）Ｖｉｓｔａｍａｘｘブランド２１２５樹脂がウェブ９０２の繊維に使用される場合、機能すると予想される圧力は、２０ｇ／ｃｍ^２〜１００００ｇ／ｃｍ^２、より好ましくは３００ｇ／ｃｍ^２〜２０００ｇ／ｃｍ^２となる。そのような条件下での例示的な成形時間は、２秒間〜３０分間と予想される。一般に、成形時間は、温度、圧力、並びに、ポリマー及び活性粒子に依存する。

成形プロセスにより、ウェブの熱可塑性エラストマーポリマー繊維が軟化し、付形され、それにより、所望の形状の３次元変形を有する、結果として得られるウェブは、次いで自立性及び保形性を持つことが可能となると考えられる。他の例示的な方法には、加熱された圧板を用いてプレス機上又はプレス機内で、あるいは重りを有する固定具をオーブン内に置くことによって、ウェブ９２０を成形することを挙げることができる。

試験方法
本開示に従うフィルタ要素のサンプルの密度を算出するためには、通常、比較的損傷がなく、適度に特徴的なフィルタ要素の片を採取することから始める。これは、例えば、好ましくは、本開示に従う３次元変形の少なくとも一部分がサンプルに含まれるように、検討中のサンプルから一片を切断することによって達成され得る。その片は、「特徴的」と見なされるように、すべての方向において十分に大きいことが重要である。より具体的には、サンプルは、ウェブ内に分散する活性粒子よりもはるかに大きく、好ましくは、ウェブ内の微粒子の最大寸法の少なくとも５倍、より好ましくは、ウェブ内の微粒子の最大寸法の少なくとも１００倍でなければならない。

サンプルの形状は、矩形又は円筒形など、寸法の測定と体積の算出が容易となるように選択されてもよい。曲面の場合、サンプルを切断するために使用される装置（ルールダイ（rule die））で直径を規定できること、例えばルールダイが有利となる場合がある。そのようなサンプルの寸法を測定するために、ＡＳＴＭ Ｄ１７７７−９６試験オプション＃５を指針として用いることができる。押さえ金の大きさは、利用可能なサンプルの大きさに対応するように調節されなければならない。測定プロセスの間にサンプルを変形させないことが望ましいが、オプション＃５での指定を越える高圧も、ある状況下では許容可能となり得る。測定される構造は多孔質であるため、単一の活性粒子と比較して相対的に大きな領域の全体に、接触圧が広がるはずである。特徴的な片の体積を求めた後、特徴的な片の重さを量る。密度は、その重量を体積で除算することによって求められる。

また、不織布ウェブ内の粒子状成分の密度を、同じ粒子状材料の「充填ベッド」の密度と比較することによって、本開示の例示的な実施形態の密度を特徴付けることも可能である。これは、既知の体積の「特徴的な片」から粒子状物質を除去し、その結果として得られる粒子状サンプルの重量を量ることを伴う。次いで、「充填ベッド」の体積を得るために、この粒子状物質をメスシリンダーの中に注ぐことができる。これらのデータから、重量を測定値で除算することにより、「充填又は見かけ」密度を算出することができる。しかしながら、その結果は、粒子状物質に付着する残留ポリマーによって歪むことがある。

本開示の方法に従って、以下の層を組み立て、濾過面体呼吸用保護具の形状（カップに似た）へと成形した。

１．外側シェル：不織布材料層の層であり、２０％はコサ社（Kosa Co.）のタイプ２９５を１．５インチ（３．８ｃｍ）に切断した６デニールのポリエステルステープルファイバ、８０％はコサ社（Kosa Co.）のタイプ２５４を１．５インチ（３．８ｃｍ）に切断した４デニールの複合ポリエステル（bico-polyester）ステープルファイバ。
２．ブローンマイクロファイバ濾過材の層。
３．本開示に従う４０００ｇｓｍ（グラム毎平方メートル）の多孔質不織布ウェブの層であり、熱可塑性エラストマーポリオレフィン繊維に捕らえられた、クラレ社（Kuraray）から入手可能な１２×２０の有機蒸気活性炭粒子、タイプＧＧを含むもの。
４．本開示に従う６００ｇｓｍの多孔質不織布ウェブの層であり、熱可塑性エラストマーポリオレフィンポリマー繊維内に捕らえられた４０×１４０の有機蒸気活性炭粒子を含むもの。
５．高密度メルトブローンマイクロファイバの滑らかな不織布ウェブの層。
６．内側シェル：不織布材料層の層であり、２０％はコサ社（Kosa Co.）のタイプ２９５を１．５インチ（３．８ｃｍ）に切断した６デニールのポリエステルステープルファイバとし、８０％はコサ社（Kosa Co.）のタイプ２５４を１．５インチ（３．８ｃｍ）に切断した４デニールの複合ポリエステル（bico-polyester）ステープルファイバとしたもの。

上記の層を、濾過面体呼吸用保護具の成形を目的とした成形装置の中に入れた。上部の金型を２３５°Ｆ（１１３℃）の温度に設定し、下部の金型を３００°Ｆ（１４９℃）の温度に設定した。

８５Ｌ／ｍと測定されたときに、このようにして形成された呼吸用保護具の通気抵抗は、水柱１４．９ｍｍ〜３３．７ｍｍであった。シクロヘキサンのＣＥＮ試験法（試験条件：１０００ｐｐｍ、３０Ｌｐｍ、２０Ｃ、７０％ ＲＨ、１０ｐｐｍ通気（breathrough））に対して試験すると、成形した呼吸用保護具の構造は、４０分間〜５９分間の寿命を有した。関連するＣＥＮ試験が、英国規格ＢＳ ＥＮ １４１：２００「呼吸用保護装置（ガスフィルタ及び複合フィルタ）要件、試験、マーキング（Respiratory protective devices - Gas filters and combined filters - Requirements, testing, marking）」に記載されている。

このようにして、「付形した粒子含有不織布ウェブを利用するフィルタ要素」の実施形態が開示される。本発明が、開示されたもの以外の実施形態で実施され得ることは、当業者には理解されよう。開示された実施形態は、限定ではなく説明を目的として提示されたものであり、本発明は、「特許請求の範囲」よってのみ限定される。

Claims (21)

1. 多孔質の保形自立性の不織布ウェブを備えるフィルタ要素であって、
   前記ウェブは、熱可塑性エラストマーポリマー繊維と、該繊維内に配置された活性粒子と、を備え、
   前記ウェブは、前記ウェブの厚さ方向に沿って密度が均一であることを特徴とする３次元変形を有する、フィルタ要素。
2. 前記変形は、前記ウェブの厚さの少なくとも０．５倍、平面的な形状構成から変位することを特徴とする表面形体を備える、請求項１に記載のフィルタ要素。
3. 前記ウェブの厚さは、前記変形の全体にわたって少なくとも１つの方向に沿って、前記ウェブの厚さの２倍以下で変動する、請求項１に記載のフィルタ要素。
4. 前記３次元変形は２０未満〜１の密度勾配を特徴とする、請求項１に記載のフィルタ要素。
5. 前記３次元変形は１０未満〜１の密度勾配を特徴とする、請求項４に記載のフィルタ要素。
6. 多孔質の保形自立性の不織布ウェブを備えるフィルタ要素であって、
   前記ウェブは、熱可塑性エラストマーポリマー繊維と、該繊維内に配置された活性粒子と、を備え、
   前記ウェブは、３次元変形を有し、前記変形は、該変形の全体にわたって少なくとも１つの方向に沿って５倍以下で変動する厚さを特徴とする、フィルタ要素。
7. 多孔質の保形自立性の不織布ウェブを備えるフィルタ要素であって、
   前記ウェブは、熱可塑性エラストマーポリマー繊維と、該繊維内に配置された活性粒子と、を備え、
   前記ウェブは３次元変形を有し、前記変形は、その位置における前記ウェブの厚さの少なくとも０．５倍、平面的な形状構成から逸脱することを特徴とする凹形表面を備える、フィルタ要素。
8. 前記変形は、前記ウェブの厚さの少なくとも１倍、平面的な形状構成から逸脱することを特徴とする凹形表面を備える、請求項７に記載のフィルタ要素。
9. 前記変形は、前記ウェブの厚さの少なくとも５倍、平面的な形状構成から逸脱することを特徴とする凹形表面を備える、請求項７に記載のフィルタ要素。
10. 前記ウェブは、同様の活性粒子でできた充填ベッドの密度の少なくとも３０％である密度を特徴とする、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素。
11. 前記変形は湾曲を備える、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素。
12. 前記ウェブは、前記ウェブ内に捕らえられた６０重量％超の吸着剤粒子を備える、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素。
13. 前記ウェブは、前記ウェブ内に捕らえられた少なくとも８０重量％の吸着剤粒子を備える、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素。
14. 前記繊維は、熱可塑性ポリウレタンエラストマー、熱可塑性ポリブチレンエラストマー、熱可塑性ポリエステルエラストマー、熱可塑性エラストマーポリオレフィン、及び熱可塑性スチレンブロックコポリマーのうちの少なくとも１つを備える、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素。
15. 前記活性粒子は、吸着剤、触媒、化学反応性物質のうちの少なくとも１つを含む、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載の物品。
16. ハウジングと、該ハウジング内に配置された、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素とを備えるフィルタカートリッジ。
17. 少なくとも着用者の鼻と口を概ね囲む内部部分と、前記内部部分に環境空気を供給するための空気取り入れ経路と、そのような供給空気を濾過するために前記空気取り入れ経路の全体にわたって配置された、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素とを備える呼吸用保護システム。
18. 前記呼吸用保護システムは、メンテナンスフリーの呼吸用保護具である、請求項１７に記載の呼吸用保護システム。
19. 前記呼吸用保護システムは、電動ファン付き呼吸用保護具である、請求項１７に記載の呼吸用保護システム。
20. １対のフィルタカートリッジを備え、各フィルタカートリッジは、ハウジングと、前記ハウジング内に配置された、請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素とを備える呼吸用保護システム。
21. 請求項１、６又は７のいずれか一項に記載のフィルタ要素を備え、前記フィルタ要素は円筒として構成されている放射状濾過システム。

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