JP5968496B2 - 熱硬化性エラストマーフェースシールを備えたレスピレータ面体 - Google Patents

Description

本開示は、呼吸保護用複合面体、特に、熱硬化性エラストマーフェースシールを備えたレスピレータ面体に関する。

半面形面体レスピレータは、濾過プロセスにより、及び／又は別の方法で清浄空気へのアクセスを促進することにより、空気中の物質からの呼吸保護を提供する。これら装置の１つの特徴は、ユーザーと呼吸保護装置の他の機能構成要素との間に形成されたシールである。レスピレータは多くの場合、「フェースシール」と称されることの多いシールを形成するために、エラストマー材を利用する。

これらのレスピレータに関する１つの設計面の配慮は、レスピレータの固形構造構成要素に対するエラストマーフェースシールの気密固定である。この気密シールは、多くの場合、機械的シールを必要とし、これによりレスピレータ設計の複雑さとコストが増す。

本開示は、呼吸保護用複合面体、特に、熱硬化性エラストマーフェースシールを備えたレスピレータ面体に関する。本開示は更に、高分子剛性面体本体の部分と、高分子剛性面体本体の部分の少なくとも１つの表面に化学的に結合されたシリコーンシール面体要素と、を有するレスピレータ面体に関する。多くの実施形態では、シリコーンシール面体要素は、高分子剛性面体本体の部分の少なくとも２つの表面に化学的に結合される。幾つかの実施形態では、シリコーンシール面体要素はまた、高分子剛性面体本体の部分の少なくとも１つの開口を貫通する。

第１実施形態では、呼吸保護用複合面体は、第１表面及び第２表面と、第１表面及び第２表面の少なくとも一方に化学的に結合されたシリコーンシール面体要素と、を有する高分子剛性面体本体の部分を包含する。第１及び第２表面は、対向する主表面であり得る。幾つかの実施形態では、シリコーンシール面体要素は、高分子剛性面体本体部分の少なくとも２つの対向する主表面に化学的に結合されてもよい。シリコーンシール面体要素はまた、一部の例では、高分子剛性面体本体部分を通って延在する開口を相互に貫通し合ってもよい。

別の実施形態では、呼吸保護用複合面体を形成する方法は、第１表面及び第２表面を有する高分子剛性面体本体部分上に液状シリコーンをオーバーモールドすることを包含する。液状シリコーンは、第１表面又は第２表面の少なくとも一方と接触する。該方法は、第１表面又は第２表面の少なくとも一方に化学結合するシリコーンシール面体要素を形成するために液状シリコーンを固結させ、呼吸保護用複合面体要素を形成することを更に包含する。

添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解され得る。
例証的な呼吸保護マスクの斜視図。 レスピレータ保護マスク用の例証的な剛性面体本体の斜視図。 剛性面体本体の半分の上にオーバーモールドされたシリコーンシール面体要素を図示する、図２に示した剛性面体本体の斜視正面図。 剛性面体本体の半分の上にオーバーモールドされたシリコーンシール面体要素を図示する、図２に示した剛性面体本体の斜視背面図。 例証的な吸気又は呼気用板状弁体の概略断面図。 例証的な吸気又は呼気用板状弁体の概略断面図。 例証的な伝声板の概略断面図。 液状シリコーンが剛性面体本体を通る開口を相互に貫通し合うときに生じる機械的連結を図示する、呼吸保護用複合面体部分の概略断面図。

図は正確な縮尺であるとは限らない。図で用いられる同様の番号は同様の構成部品を指す。しかしながら、所定の図中の構成要素を指す数字の使用は、同じ数字を付けられた別の図中の構成要素を限定することを意図するものではないことが理解されよう。

次の記述において、本明細書の一部を構成する添付の図面を参照し、幾つかの特定の実施形態を例として示す。本発明の範囲又は趣旨を逸脱せずに、その他の実施形態が考えられ、実施され得ることを理解すべきである。したがって、以下の「発明を実施するための形態」は、限定する意味で理解すべきではない。

本発明で使用する全ての科学用語及び専門用語は、特に指示がない限り、当該技術分野において一般的に使用される意味を有する。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。

他に指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される特徴サイズ、量、物理特性を表わす数字は全て、どの場合においても用語「約」によって修飾されるものとして理解されるべきである。それ故に、そうでないことが示されない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲で示される数値パラメータは、当業者が本明細書で開示される教示内容を用いて、目標対象とする所望の特性に応じて、変化し得る近似値である。

端点による数値範囲の詳述には、その範囲内に組み入れられる全ての数が包含され（例えば１〜５には、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４及び５が包含される）並びにその範囲内のあらゆる範囲が包含される。

本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用されるとき、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、その内容が特に明確に指示しない限り、複数の指示対象を有する実施形態を包含する。本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用されるとき、用語「又は」は、その内容が特に明確に指示しない限り、一般的に「及び／又は」を包含する意味で用いられる。

用語「レスピレータ」とは、空気が人間の呼吸器系に進入する前に空気を濾過するために人間により着用される、個人用呼吸保護装置を意味する。この用語には、全面形レスピレータ、半面形面体レスピレータ、動力式空気浄化レスピレータ、及び内蔵型呼吸装置が挙げられる。

本開示は、呼吸保護用複合面体、特に、熱硬化性エラストマーフェースシールを備えたレスピレータ面体に関する。本開示は更に、高分子剛性面体本体部分と、高分子剛性面体本体部分の少なくとも１つの表面に化学的に結合されたシリコーンシール面体要素と、を有するレスピレータ面体に関する。多くの実施形態では、シリコーンシール面体要素は、高分子剛性面体本体部分の少なくとも２つの表面に化学的に結合される。幾つかの実施形態では、シリコーンシール面体要素はまた、高分子剛性面体本体部分を貫通する。このレスピレータ面体は、熱硬化性シリコーンシール面体要素を高分子熱可塑性剛性面体本体部分上に成形することによって形成され得る。これらのレスピレータ面体は、シリコーンシール面体要素と剛性面体本体部分との間に強固な結合を有する。本発明を限定するものではないが、本発明の種々の態様は以下に提供する実施例の考察を通して正しく認識されるであろう。

オーバーモールドされた熱硬化性エラストマー封止を有するレスピレータ面体は、高分子剛性面体本体部分と一体的に結合されたフェースシール要素を提供する。この構成は、シールの耐久性を向上させ、くずが高分子剛性面体本体部分と熱硬化性エラストマーシールとの間に挟まれるのを防止することが分かっている。この一体構造はまた、組立部品の数及び部品寸法の多様性を低減させる。本明細書に記載のオーバーモールドされた熱硬化性エラストマーシール材料はまた、熱硬化性エラストマーシールを高分子剛性面体本体部分に化学的に取り付けるために、高分子剛性面体本体部分に下塗りをする必要がない。

図１は、例証的な呼吸保護マスク１０の斜視図である。呼吸保護マスク１０は、例えば、吸気弁の１つ以上に接続された化学的又は粒子状濾過カートリッジ２８を備えた１つ以上の吸気弁、１つ以上の呼気弁３２、１つ以上の伝声板、及び／又は呼吸保護用複合面体１１をユーザーの頭部に固定するように構成された１つ以上のストラップ３４を包含する、多数の呼吸保護要素に取り付けられた呼吸保護用複合面体１１を包含する。

呼吸保護用複合面体１１は、（下記により詳細に説明されるように）高分子剛性面体本体２０上にオーバーモールドされたシリコーンシール面体要素１２を包含する。化学的又は粒子状濾過カートリッジ２８は、吸気用板状弁体の１つ以上に固定して取り付けられ得るか、又は取外し可能に取り付けられ得る。幾つかの実施形態では、シリコーンシール面体要素１２はまた、（下記に更に詳細に説明されるように）化学的又は粒子状濾過カートリッジ２８と、高分子剛性面体本体２０又は吸気弁との間にシール又はガスケットを形成する。化学的又は粒子状濾過カートリッジ２８は、図１に図示した形状以外の任意の有用な形状を有し得る。

図１は、化学的又は粒子状濾過カートリッジ２８に取り付けられた２つの頬部吸気弁、及び１つの鼻部呼気弁３２を有する呼吸保護マスク１０を図示している一方、いかなる有用な呼吸保護構成も可能である。例えば、呼吸保護マスク１０は、所望に応じて、化学的若しくは粒子状濾過カートリッジ２８又は清浄空気源に取り付けられた単一の吸気弁、及び１つ又は２つの呼気弁又は１つ以上の伝声板を有し得る。

図５及び図６は、例証的な吸気又は呼気弁の概略断面図である。図７は、例証的な伝声板の概略断面図である。これらの吸気若しくは呼気弁、又は伝声板は、以下に説明する通り、剛性面体本体２０の複数の開口部の内部に配置されるか又は開口部に隣接して配置される。

図５は、例証的な呼吸保護マスク１０の外部領域１又は２と、内部領域２又は１との間に配置された板状弁体部分概略図を図示している。板２６が剛性面体本体２０と、ユーザーの顔面又は例証的な呼吸保護マスク１０の内部領域２との間に配置されているとき、板２５は吸気板である。板２６が剛性面体本体２０と、例証的な呼吸保護マスク１０の外部領域１との間に配置されているとき、板２５は呼気板である。図６は、吸気５又は呼気５を板２６と弁本体又は剛性面体本体２０との間に通過させる、板状弁体を図示している。

図７は、伝声板２７の部分概略図を図示している。例証的な伝声板２７は、剛性面体本体２０又は伝声板本体の部分に固定された板２９を包含する。伝声板２９は、例証的な呼吸保護マスク１０の外部領域１又は２と内部領域２又は１との間に配置される。伝声板２７は、言葉を呼吸保護マスク１０のユーザーから伝達するのを補助する。

図２は、レスピレータ保護マスク１０用の例証的な剛性面体本体２０の斜視図である。剛性面体本体２０は、第１表面２１及び第２表面２２を包含する。図示された実施形態では、第１表面２１及び第２表面２２は、本体の厚みＴ（図４参照）により隔てられた、剛性面体本体２０の対向する主表面である。図示された実施形態では、第１表面２１は、（環境に向いた）外側表面であり、第２表面２２は、（ユーザーの顔面に向いた）内側表面である。例示した剛性面体本体２０は、例えば、１つの鼻開口部１６及び２つの頬開口部１８など、複数の開口部又はポートを包含する。板（図示せず）を包含する少なくとも１つの吸気弁、及び板（図示せず）を包含する１つの呼気弁が、複数のポート又は開口部内部に配置され、図示した剛性面体本体２０を形成する。幾つかの実施形態では、伝声板が、複数のポート又は開口部の１つ以上の内部に配置され、図示した剛性面体本体２０を形成する。

多くの実施形態では、１つ以上の開口２３が、本体の厚みＴを通って延在する。呼吸保護用複合面体１１のオーバーモールド製造の間に、（シリコーンシール面体要素１２を形成する）液状シリコーンは、１つ以上の開口２３内を流れ、シリコーンシール面体要素１２と剛性面体本体２０との間に機械的連結を形成する。幾つかの実施形態では、吸気弁は、化学的又は粒子状濾過カートリッジ取付け要素２９を包含する。多くの実施形態では、取付け要素２９は、化学的又は粒子状濾過カートリッジ取付け要素２９上の相補要素と噛合う差し込み式取付け要素である。差し込み式取付けシステムは、２つ部分を共に取り付けるために構成され、この場合、２つの部分は主にねじ山以外の要素を包含し、２つの部分は、一方の部分を少なくとも部分的に他方の部分内に挿入し、２つの部分を複数回転させずに接合できるように一方の部分を他方の部分に対して回転させることにより取り付けられるようになっている。

図３は、図２に示した剛性面体本体２０の斜視正面図であり、シリコーンシール面体要素１２が剛性面体本体２０の半分の上にオーバーモールドされた状態である。図４は、図２に示した剛性面体本体の斜視背面図であり、シリコーンシール面体要素が剛性面体本体の半分の上にオーバーモールドされた状態である。代表的な呼吸保護用複合面体１１は、剛性面体本体２０の両半分の上にオーバーモールドされたシリコーンシール面体要素１２を包含するが、シリコーンシール面体要素１２の輪郭を更に容易に図示するために、シリコーンシール面体要素１２の横断面として示されていることを理解されたい。

剛性面体本体２０については上記に説明した。シリコーンシール面体要素１２は、第１表面２１及び第２表面２２の少なくとも一方など、剛性面体本体２０の第１表面及び第２表面の少なくとも一方に化学的に結合される。多くの実施形態では、シリコーンシール面体要素１２は、第１表面２１及び第２表面２２の少なくとも一方に化学的に結合され、この場合、第１表面２１及び第２表面２２は、上記のように、本体の厚みＴにより隔てられた、剛性面体本体２０の主表面である。

呼吸保護用複合面体１１のオーバーモールド製造の間に、（シリコーンシール面体要素１２を形成する）液状シリコーンは、１つ以上の開口２３内を流れ、いったん液状シリコーンがその固体状態に硬化されると、シリコーンシール面体要素１２と剛性面体本体２０との間に機械的連結を形成する。

図８は、液状シリコーンが剛性面体本体２０を通る開口２３を相互に貫通し合うときに生じる機械的連結を図示する、呼吸保護用複合面体１１の部分の概略断面図を図示している。シリコーンシール面体要素１２は、第１表面２１及び第２表面２２上に配置され、第１表面２１及び第２表面２２に化学的に結合され、この場合、第１表面２１及び第２表面２２は、上記のように、本体の厚みＴにより隔てられた、剛性面体本体２０の主表面である。

再び図３及び図４を参照すると、シリコーンシール面体要素１２は、ユーザーの頭部又は顔面と剛性面体本体２０との間に気密シールを形成するように構成される。用語「気密シール」とは、未濾過空気又は周囲空気が連結境界面において呼吸保護用複合面体１１の内部に進入するのを実質的に防止する、ユーザーの顔面又は頭部に対するシリコーンシール面体要素１２の連結を指す。図示したシリコーンシール面体要素１２は、ユーザーの顔面に接触する内曲した羽状カフ１４を包含する。

真空漏れ試験を用いて気密性が測定される。試験装置は、３つのポートを備えた密閉チャンバからなる。チャンバの体積はおよそ７５０ｃｍ^３である。３つのポートのうちの１つには、レスピレータ取付け構成要素がその差し込み式取付け要素により固定される。装置の第２ポートには、チャンバの内部と周囲空気との間の圧力差を（少なくとも２５ｃｍ水柱まで）測定できる真空計が取り付けられる。第３ポートには、真空源が遮断弁を介して取り付けられる。試験を実施するには、遮断弁を開き、真空源のスイッチを入れて、チャンバから（真空計に示される通り）大気圧より低い２５ｃｍ水柱の圧力まで排気する。次に遮断弁を閉じ、真空源のスイッチを切る。チャンバ内部の真空レベルを６０秒間観測する。内側に空気が漏れることによりチャンバ内部の圧力が増大し、これにより真空レベルが低減する。本発明に関して、チャンバと周囲空気との間の圧力差は、６０秒後に１５ｃｍ水柱超過である。より好ましくは、圧力差は、６０秒後に２４ｃｍ水柱を超えた状態を維持する。

呼吸保護用複合面体１１は、熱硬化性シリコーン材料を熱可塑性剛性面体本体２０上にオーバーモールドすることによって形成され得る。熱硬化性シリコーン材料は、熱可塑性剛性面体本体２０に化学結合（即ち、接着剤結合又は共有結合）する。

用語「化学結合又は化学的に結合された」は、原子及び分子の間の引力相互作用を担う物理過程を指し、共有結合及びイオン結合、並びに水素及びファンデルワールス結合を包含し、多くの場合、剛性面体本体２０表面上の利用可能な官能基、及びそれらの熱硬化性シリコーン材料との反応性に依存し得る。多くの実施形態では、熱硬化性シリコーン材料は、熱可塑性剛性面体本体２０の前処理が不要であるように選択される。換言すれば、熱硬化性シリコーン材料は、熱可塑性剛性面体本体２０に対して自己接着性である。熱硬化性シリコーン材料は、多くの場合、オーバーモールドプロセス中に、熱硬化性シリコーン材料を硬化させるのに十分な温度ではあるが、熱可塑性剛性面体本体２０のガラス転移温度より低い温度まで熱硬化性シリコーン材料を硬化させるために加熱される。

以下の実施例に示すように、化学結合のレベルは、平均的な破損に至る力の試験方法によって決定され得る。多くの実施形態では、平均的な破損に至る力は、２５Ｎ以上、又は５０Ｎ以上、又は１００Ｎ以上、又は１５０Ｎ以上、又は２００Ｎ以上、又は３００Ｎ以上である。

熱可塑性剛性面体本体２０は、任意の有用な熱可塑性材料から形成され得る。多くの実施形態では、熱可塑性剛性面体本体２０は、ポリアミド（例えばナイロン）、ポリカーボネート、ポリブチレン−テレフタレート、ポリフェニルオキシド、ポリフタルアミド、又はこれらの混合物から形成される。

いずれかの有用な熱硬化性液状シリコーンゴム又は材料を利用して、シリコーンシール面体要素１２を形成し得る。液状シリコーンゴムは、低い圧縮永久歪み、高い安定性、並びに熱及び冷気の極端な温度に耐える能力を有する、高純度プラチナ硬化シリコーンである。材料の熱硬化性の性質のために、液状シリコーン射出成形は多くの場合、材料を加熱空洞に、内に押し込んで加硫する前に材料を低温に維持する一方で、集中的に分配混合する（intensive distributive mixing）など、特殊処理を必要とする。シリコーンゴムは、交互のシリコーン及び酸素原子の主鎖、並びにメチル又はビニル側基を有する熱硬化性エラストマーの族である。シリコーンゴムは、広範囲の温度に亘ってその機械的特性を維持し、シリコーンゴムにおけるメチル基の存在により、これらの材料は疎水性となる。

例証的な熱硬化性シリコーン材料としては、商品名：エラストシル（ELASTOSIL）ＬＲ ３０７０（ワッカーシリコーン（Wacker-Silicones）、ドイツ、ミュンヘン（Munich））；ＫＥ２０９５又はＫＥ２００９シリーズ（例えばＫＥ２０９５−６０、ＫＥ２０９５−５０、ＫＥ２０９５−４０など）又はＸ−３４−１５４７Ａ／Ｂ、Ｘ−３４−１６２５Ａ／Ｂ、Ｘ−３４−１６２５Ａ／Ｂ（全て信越化学工業株式会社（Shin-Etsu Chemical Co., LTD.）（日本））で入手可能な自己接着性液状シリコーンゴムが挙げられる。これらの自己接着性液状シリコーンゴムは、液状シリコーンゴムを熱可塑性表面に化学結合させるために、特定の熱可塑性表面の前処理を必要としない。

シリコーンゴムと熱可塑性材料の好適な組み合わせを確認するために、幾つかの試験が用いられた。特に興味深いのは、シリコーンゴムと熱可塑性材料との間の結合の強度であり、これは、気密シールの耐久性に影響を及ぼす。

熱可塑性材料を用いて長さ５１ｍｍ、幅２５ｍｍ、及び厚さ２ｍｍの平坦な剛性基材片を成形することにより、試験用ストリップを準備する。次に、基材の一端のうちの６ｍｍが第２金型の空洞内に突出するように、基材を第２金型内に固定する。第２金型の空洞は、幅２７ｍｍ及び長さ４９ｍｍである。金型の深さは２ｍｍであり、突出した基材端部の直近において４ｍｍまで広がり、シリコーンが金型空洞内に注入されるとき、シリコーンが、突出した基材端部の全ての側面上に厚さ１ｍｍの層を形成するようになっている。その結果、生じる試験用ストリップは長さ９４ｍｍであり、一方の端部上に剛性熱可塑性基材片、他方の端部上にシリコーンゴムを有する。

基材材料とシリコーンとの間の結合の強度は、ＭＴＳモデル８５８材料試験システム（Material Test System）（ＭＴＳシステムズ社（MTS Systems Corporation）、ミネソタ州イーデンプレーリー（Eden Prairie））のような機械試験機のつかみ具に試験用ストリップの２つの端部を把持し、試験用ストリップが破断するまで伸張し、破損が起きた力を記録することにより測定される。破損に至る力の実施例が表１に示される。実施例１〜４は、材料の適切な組み合わせにより、３００Ｎを超える結合強度を達成し得ることを示している。比較例Ｃ１及びＣ２に関して、シリコーンは熱可塑性材料に結合しなかった。

ダウ（Dow）ＬＣ−７０−２００４シリコーンは、ダウ・コーニング社（Dow Corning Corporation）（ミシガン州ミッドランド（Midland））により製造され、ＲＴＰナイロン６／６は、ＲＴＰ社（RTP Company）（ミネソタ州ウィノーナ（Winona））により製造されるポリアミドであり、ザイテル（Zytel）ＰＡは、イー・アイ・デュポン・ド・ヌムール（E.I. du Pont de Nemours）（デラウェア州ウィルミントン（Wilmington））により製造されるポリアミドである。

このように、熱硬化性エラストマーフェースシールを備えたレスピレータ面体の実施形態が開示される。本発明は、開示されたもの以外の実施形態でも実施可能であることを当業者は理解するであろう。開示された実施形態は、例証の目的で提示されているのであって、制限するものではなく、本発明は、次に続く請求項によってのみ限定される。

Claims (3)

1. ポリアミドを含み、且つ、第１表面及び第２表面を有する、高分子剛性面体本体と、
   前記第１表面又は前記第２表面へのプライマーの適用なしに、前記第１表面及び前記第２表面に化学結合した熱硬化性液状シリコーンシール面体要素と、を含み、
   前記高分子剛性面体本体は、吸気弁と、該吸気弁において前記剛性面体本体に取り付けられた濾過カートリッジと、を含んでおり、
   前記シリコーンシール面体要素は、前記濾過カートリッジと前記高分子剛性面体本体との間にガスケットを形成している、呼吸保護用複合面体。
2. 前記化学結合は、少なくとも１００Nの平均的な破損に至る力によって、特徴付けられている、
   請求項１に記載の呼吸保護用複合面体。
3. 呼吸保護用複合面体を形成する方法であって、
   熱硬化性液状シリコーンを、ポリアミドを含み、且つ、第１表面及び第２表面を有する高分子剛性面体本体上に、前記第１表面又は前記第２表面へのプライマーの適用なしに、オーバーモールドする工程であって、前記熱硬化性液状シリコーンが前記第１表面及び前記第２表面の両方と接触する工程と、
   前記熱硬化性液状シリコーンを固化させて、前記第１表面又は前記第２表面の両方に化学結合したシリコーンシール面体要素を形成し、呼吸保護用複合面体要素を形成する工程と、を含み、
   前記高分子剛性面体本体は、吸気弁と、該吸気弁において前記剛性面体本体に取り付けられた濾過カートリッジと、を含んでおり、
   前記シリコーンシール面体要素は、前記濾過カートリッジと前記高分子剛性面体本体との間にガスケットを形成している、方法。

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