KR101094494B1 - 열적으로 접합된 스테이플 섬유 및 전기적으로 대전된극세섬유를 함유한 성형된 필터 요소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열적으로 접합된 스테이플 섬유(12) 및 비열적으로 접합되어 전기적으로 대전된 극세섬유(14)를 함유한 기공성 성형 웨브(10')를 포함하는 필터 요소에 관한 것이다. 성형 웨브는 섬유 교차부(13) 지점에서 스테이플 섬유(12) 사이의 접합에 의해 적어도 부분적으로 그 성형된 형상으로 보유된다. 웨브는 예를 들면 여과식 얼굴 마스크(16)의 형상으로 성형될 수 있다.
스테이플 섬유, 극세섬유, 웨브, 필터 요소, 얼굴 마스크

Description

열적으로 접합된 스테이플 섬유 및 전기적으로 대전된 극세섬유를 함유한 성형된 필터 요소 {MOLDED FILTER ELEMENT THAT CONTAINS THERMALLY BONDED STAPLE FIBERS AND ELECTRICALLY-CHARGED MICROFIBERS}
본 발명은 열적으로 접합된 스테이플 섬유 및 비열적으로 접합된 전기적으로 대전된 극세섬유를 포함하는 성형된 필터 요소에 관한 것이다. 본 발명의 필터 요소는 오염물질의 노출로부터 사용자 및 다른 대상을 보호하는 얼굴 마스크에 사용될 수 있다.
공기 중 미립자를 포획하도록 극세섬유를 사용하는 필터 요소는 공지되어 있고 수년 동안 사용되어 왔다. 극세섬유 함유 필터 요소는 깨끗하게 여과된 공기를 착용자에게 공급하기 위한 방독면에 일반적으로 사용된다 - 예를 들어, 브라운 등의 미국 특허 제5,656,368호, 크론저 등의 미국 특허 제5,307,796호 및 크루에거 등의 미국 특허 제4,729,371호를 참조하면 된다. 전하는 그 포획 효율을 향상시키도록 극세섬유에 위치된다. 1980년에, 큐빅 등은 섬유 형성 동안 지속적 전하를 멜트블로운(melt-blown) 극세섬유에 주입하기 위한 방법을 설명했다(미국 특허 제4,215,682호 참조). 큐빅 등의 개발 이후에, 전기 극세섬유를 형성하기 위해 다른 대전 기술이 개발되었다 - 예를 들어, 클라세 등의 미국 특허 제4,588,537호, 디즈 등의 제5,227,172호 및 안가드지밴드 등의 제5,496,507호를 참조하면 된다.
필터 요소로서 사용될 때, 전기적으로 대전된 극세섬유의 웨브는 다른 구조에 의해 공동으로 지지된다. 웨브가 전형적으로 매트로서 그 자체로 다루어질 수 있는 충분한 집적도를 갖지만, 일시적인 형상 보유를 나타내도록 충분한 구조적 강성을 갖지 않는다. 따라서, 방독면에서, 극세섬유 함유 필터 웨브는 영구적으로 성형된 성형층에 의해 일정하게 지지된다. 필터 웨브는 성형층 위에 위치되고 고정되어 그 성형된 형상을 나타낸다. 방독면에서 극세섬유 함유 필터층을 지지하는 분리된 성형층의 사용을 개시한 특허의 예는 버그 등의 미국 특허 제4,536,440호, 디러드 등의 제4,807,619호 및 스코브 등의 제4,850,347호를 포함한다.
버그 및 디러드 등의 특허에서, 성형층은 서로 및 성형된 웨브 전체의 섬유 교차부 지점에서 다른 섬유와 접합된 섬유를 포함한다. 성형층의 원하는 성형된 형상을 달성하는데 사용되는 섬유는 바람직하게는 다소 성기거나 또는 크기가 큰, 즉, 10데니어 이상인 열적으로 접합가능한 2성분 섬유이다. 스코브 등의 특허에서, 성형층은 내비침세공(open-work) 성형된 플라스틱 메쉬의 형상을 갖는다.
이러한 구조에 더하여, 중합체 극세섬유의 여과식 웨브는 또한 패브릭, 이격된 밴드, 필라멘트 또는 섬유의 사용을 통해 형상화된 구성으로 보유된다 - 주름진 조건을 유지하도록 부직포 웨브의 주름부 상부를 따라 이러한 형상 보유 요소를 위치시키는 것을 설명하는 브라운 등의 미국 특허 제5,656,368호를 참조하면 된다. 브라운 등은 또한 중합체 극세섬유의 부직포 웨브가 최적의 여과 성능을 달성하기 위해 높은 상태로 유지되는 것이 요구되는 것을 설명한다. 압력 강화 및 사용 수 명과 같은 여과 인자는 중합체 극세섬유의 웨브가 밀집될 때 부정적으로 작용될 수 있다.
극세섬유의 부직포 웨브의 형상을 유지시키는 또 다른 방법으로, 형상 보유는 성형층과 같은 외적 구조에 의해서가 아니라 극세섬유 그 자체에 의해 제공된다. 크루에거 등의 미국 특허 제6,057,256호에 개시된 이러한 방법으로, 극세섬유는 두 개의 성분, 즉, 제1 성분은 섬유지지 성분이고 제2 성분은 열-연성 또는 접합 성분으로 제조된다. 성형 동안, 웨브는 인접한 섬유 사이에 접합을 형성하도록 제2 성분의 연화 온도보다 높은 온도로 가열된다. 접합은 연화된 성분이 섬유 교차부 지점에서 서로 결합하는 경우 발생한다. 따라서, 내려앉거나 합체되는 것을 방지하는 제1 성분이 웨브에 섬유질 지지부를 제공하지만, 제2 성분은 특정 형상으로 성형되게 한다. 제품은 또한 웨브를 개방하거나 흩어지게 하는 스테이플 섬유를 포함할 수 있다.
크루에거 등에 의해 설명된 2성분 극세섬유 제품의 예외로, 극세섬유 함유 필터 웨브에 형상을 제공하고 지지하기 위한 방법은 분리 또는 비일체 지지 구조물에 의해 달성된다. 따라서, 이러한 제품은 극세섬유 함유 웨브가 지지 구조물로부터 분리되어 제조되는 것이 요구되고 또한 그 결과적인 조성물을 형성하도록 두 개의 요소를 함께 결합시키기 위한 장치가 있는 것이 요구된다. 이러한 추가적 제조 단계의 이용 및 이러한 단계를 수행하도록 추가적 제조 장비에 대한 필요가 제품의 최종 비용에 추가된다. 더욱이, 브라운 등에 의해 교시된 바와 같이 웨브가 손상되지 않고 여과 성능의 감소를 겪지 않도록 극세섬유 함유 웨브를 취급하는 경우 주의가 요구된다.
크루에거 등의 특허가 분리 지지 구조물을 사용하지 않고도 성형된 극세섬유 함유 필터 요소를 달성할 수 있지만, 그 제품은 그 구조물을 마스크에 제공하기 위해 극세섬유 그 자체에 의존한다. 극세섬유가 이러한 목적을 위해 함께 접합되는 경우, 그들은 웨브를 관통하는 공기 스트림으로부터 입자를 여과하는 그 주요 작용을 완전히 수행하지 못하는 경향이 있다.
본 발명은 간략하게 요약하면, 열적으로 접합된 스테이플 섬유 및 비열적으로 접합되어 전기적으로 대전된 극세섬유를 함유한 기공성 성형 웨브를 적절하게 포함하거나 또는 반드시 구비할 수 있는 새로운 필터 요소를 제공하는 것이다. 성형 웨브는 섬유 교차부 지점에서 스테이플 섬유들 사이의 접합에 의해 적어도 부분적으로 그 성형된 형상으로 보유된다.
본 발명의 필터 요소는 성형된 구조가 별도의 지지 구조물을 사용하지 않고 생성되게 한다. 신규한 필터 요소는 또한 부직포 웨브의 성형된 형상을 유지할 목적으로 함께 극세섬유를 접합할 필요가 없다. 열적으로 접합된 스테이플 섬유 및 비열적으로 접합되어 전기적으로 대전된 극세섬유가 동일 층에 존재하기 때문에, 웨브는 열적으로 접합된 2성분 극세섬유를 사용하지 않고 다양한 구성으로 성형될 수 있다. 별도의 지지 구조물이나 극세섬유의 층을 추가적인 구조물에 결합시킬 필요가 또한 없다.
본 발명의 필터 요소는 필터 요소가 성형 작업 동안 압축 상태에 놓여도 우 수한 여과 성능 및 우수한 구조적 집적성의 원하는 결합을 생성할 수 있다. 우수한 성능 및 구조적 특성은 중합체 극세섬유의 부직포 웨브가 성형 처리와 같은 추가 조작에 놓이는 경우 압력 강하와 사용 수명과 같은 여과 인자가 부정적으로 작용하여도 달성될 수 있다. 브라운 등의 '368특허에 설명된 바와 같은 이전에 공지된 여과 구조물은 최적 여과 성능을 달성하기 위해 양호한 웨브 상태를 유지하는 것이 필요하다. 그러나, 본 발명은 성형된 필터 요소를 생성하기 위해 단순화된 작업과 함께 우수한 기계적인 여과 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명은 성형된 호흡 마스크에 사용하기에 우수한 지원을 하는 성형된 필터 요소를 생산할 수 있다.
용어 해설
본 발명에 참조하여, 다음의 용어가 이하 설명되는 바와 같이 정의된다.
"데니어"는 필라멘트 9,000미터의 그램 중량을 의미한다.
"전기적으로 대전된"은 섬유가 일시적 기간 이상동안 섬유 상에 존재하고 측정될 수 있는 전하를 소유함을 의미한다.
"필터 요소"는 그를 관통하는 유체로부터 오염물을 제거할 수 있는 유체 침투 구조물을 의미한다.
"극세섬유"는 약 15 마이크로미터(㎛) 이하의 평균 기하학적 섬유 직경을 가지고 정해지지 않은 길이를 갖는 섬유를 의미한다.
"성형된 웨브"는 얼굴 마스크, 노(furnace) 필터, 패널 또는 일련의 패널 등과 같은 원하는 형상으로 형성되고 3차원보다 2차원에서 실질적으로 더 큰 구조를 의미한다.
"성형 온도"는 웨브가 성형을 완료하도록 가열되는 온도를 의미한다.
"비열적으로 접합된"은 비열적으로 접합된 섬유가 함유된 웨브를 성형하기에 적절한 온도로 가열된 후 섬유가 인접 접촉 섬유와 실질적으로 접합하지 않는 것을 의미한다.
"기공성"은 유체 침투 가능한 것을 의미한다.
"고형성"은 웨브 내의 고체의 백분율을 의미하고, 더 큰 수가 더 큰 고체 비율을 나타내는 단위없는 부분으로 표현된다.
"연화 온도"는 섬유 성분이 다른 섬유와 접합하게 하고 냉각될 때 그 냉각된 상태로 유지되게 할 정도로 섬유 성분이 연화되는 최저의 온도를 의미한다.
"스테이플 섬유"는 정해진 길이를 갖는 섬유를 의미한다.
"열적으로 접합가능한 섬유"는 적어도 그 연화 온도 위로 가열되고 이어서 냉각된 후 인접한 접촉 섬유에 접합될 수 있는 섬유를 의미한다.
"열적으로 접합된 섬유"는 적어도 그 연화 온도 위로 가열되고 이어서 냉각된 후 인접한 접촉 섬유에 접합된 섬유를 의미한다.
도1은 본 발명에 따른 필터 요소를 제조하도록 성형될 수 있는 부직포 웨브(10)의 사진(100배 배율)이다.
도2는 본 발명에 따른 필터 요소를 제조하도록 성형된 웨브(10')의 사진(100배 배율)이다.
도3은 사용자에 의해 착용된 본 발명의 여과 얼굴 마스크(16)의 예를 도시한 측면도이다.
도4는 도3의 4-4라인을 따라 취한 단면도이다.
도5는 스테이플 섬유와 극세섬유 모두를 함유한 웨브(10)를 형성하는데 사용될 수 있는 장치(29)의 부분 단면도이다.
도6은 섬유질 웨브(10)에 전하를 부여하는데 사용될 수 있는 물 제트 스프레이 장치의 사시도이다.
도7은 본 발명에 따른 얼굴 마스크 본체(22)를 형성하도록 사용될 수 있는 장치(54)의 부분 단면의 측면도이다.
도8은 도7의 8-8라인을 따라 취한 단면도이다.
도9는 도7의 9-9라인을 따라 취한 단면도이다.
도1은 본 발명에 따른 성형된 필터 요소를 생산하는데 사용될 수 있는 부직포 웨브(10)를 도시한다. 사진으로 도시된 바와 같이, 웨브(10)는 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유(12) 및 비열적으로 접합된 극세섬유(14)를 포함할 수 있다. 스테이플 섬유(12)는 비열적으로 접합된 극세섬유(14)의 망상구조를 통해 분배된다. 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유(12)는 비열적으로 접합된 극세섬유 단독으로 형성된 웨브보다 더 높고 덜 밀집된 웨브를 제공한다. 미리 성형된 웨브는 전형적으로 약 5 내지 30%, 더욱 전형적으로 약 10 내지 20%의 고형성을 갖는다. 바람직한 실시예에서, 웨브는 웨브의 섬유 중량을 기초로 약 30 내지 70 중량%의 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유 및 더욱 바람직하게는 약 40 내지 60 중량%의 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유를 포함한다. 웨브는 또한 바람직하게는 웨브의 섬유 중량을 기초로 약 30 내지 70 중량%의 비열적으로 접합된 극세섬유 및 더욱 바람직하게는 약 40 내지 60 중량%의 비열적으로 접합된 극세섬유를 포함한다. 더욱 바람직한 실시예에서, 약 50 내지 60 중량% 극세섬유 및 약 40 내지 50 중량% 스테이플 섬유이다. 따라서, 웨브가 중량에서 스테이플 섬유보다 더 많은 극세섬유를 함유하는 것이 바람직하다.
스테이플 섬유(12)는 열적으로 접합가능하고, 이는 이러한 섬유가 연화 온도 위로 가열되고 냉각된 후 인접한 접촉 섬유에 접합하게 한다. 스테이플 섬유는 일정한 길이를 갖고, 즉, 전형적으로 특정 소정의 또는 증명가능한 길이로 절단 가공된다. 또한, 이들은 섬유 직경이 섬유가 압출되는 오리피스의 직경과 아주 근접하게 닮게 하는 가공에 의해 형성된다. 스테이플 섬유의 길이는 전형적으로 2피트 또는 0.61미터보다 작거나 1피트 또는 0.305미터보다 작다. 스테이플 섬유는 바람직하게는 약 1 내지 8센티미터(cm)(0.4인치 내지 3.2인치), 더 바람직하게는 약 2.5cm 내지 5cm(1 내지 2인치)의 길이를 갖는다. 스테이플 섬유에 대한 평균 기하학적 섬유 직경은 일반적으로 평균 약 15㎛보다 크고, 전형적으로 평균 20, 30, 40 또는 50㎛보다 크다. 이 섬유 직경은 후술되는 실험에 따라 계산될 수 있다. 스테이플 섬유는 또한 일반적으로 약 3g/9,000보다 크고, 약 4g/9,000m보다 큰 데니어를 갖는다. 상한으로, 데니어는 전형적으로 약 50g/m보다 작고 더욱 일반적으로 약 20g/m 내지 15g/m보다 작다.
스테이플 섬유는 전형적으로 성형 공정 동안 서로 접합될 수 있는 다양한 합성물이다. 스테이플 섬유는 전형적으로 가열 및 냉각될 때 다른 섬유와 접합되고 연화되는 중합체 재료로 형성된다. 본 발명에 사용되는 데 적합한 스테이플 섬유는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 코폴리에스테르, 폴리아미드, 또는 그 혼합물로 준비될 수 있다. 스테이플 섬유는 전형적으로 접합 후에 더 많은 섬유 구조를 보유한다. 스테이플 섬유는 하우저의 미국 특허 제4,118,531호에 개시된 섬유와 같은 주름진 섬유일 수 있다. 주름진 섬유는 그 길이를 따라 연속적인 웨이브지고, 곱슬거리고 또는 들쑥날쑥한 특성을 갖는다. 스테이플 섬유는 바람직하게는 cm당 약 10 내지 30 주름(인치당 5.1 내지 11.9 주름)을 포함하는 주름진 섬유를 포함한다. 스테이플 섬유는 단일 성분 섬유 또는 다중 성분 섬유를 포함할 수 있다. 상업적으로 이용가능한 단일 성분의 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유의 예는 노쓰 캐롤라이나주의 코사(Kosa)사로부터 이용가능한 KOSA T-255, T-259, T-271 및 T-295와, 뉴 햄프셔주의 햄프톤의 포스 매뉴팩처링 인크.로부터 이용가능한 Type 410 PETG, Type 110 PETG를 포함한다. 다중 성분 섬유는 두 개 이상의 섬유 성분을 포함할 수 있고, 여기서 그 성분 중 적어도 하나는 스테이플 섬유가 섬유 교차부 지점에서 서로 접합되도록 가열동안 연화된다. 다중 성분 섬유는 동일 연장되는 나란한 구성, 동일 연장되는 동심원 덮개-코어 구성, 또는 동일 연장되는 타원형 덮개-코어 구성을 갖는 2성분 섬유일 수 있다. 2성분 섬유는 일반적으로 두 개의 중요 섬유 성분을 갖는 특징이 있다. 본 발명에서 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유로 사용될 수 있는 2성분 섬유의 예는 KOSA T-254, T-256, 및 일본 오사까의 찌소 인크.에서 판매되는 폴리프로필렌/폴리에틸렌 2성분 섬유(CHISSO ES, ESC, EAC, EKC) 및 폴리프로필렌/폴리프로필렌 2성분 섬유(CHISSO EPC) 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌-테레프탈레이트 2성분 섬유(CHISSO ETC)를 포함한다.
본 발명에 사용되는 극세섬유는 약 15㎛ 이하, 더 전형적으로는 약 12㎛ 이하의 평균 기하학적 섬유 직경을 갖는다. 특정 또는 확정가능한 길이를 갖는 스테이플 섬유와 달리, 극세섬유는 비결정적인 길이를 갖는다. 극세섬유의 평균 기하학적 섬유 직경은 일반적으로 약 3 내지 10㎛이다.
극세섬유는 전기적으로 대전된 멜트블로운 극세섬유의 뒤엉킨 웨브의 형상을 가질 수 있다. 멜트블로운 극세섬유 또는 BMF는 예를 들어, 쿠비크 등의 미국 특허 제4,215,682호를 참조하여 가스식 스트림으로 다이 오리피스를 통해 섬유 형성 재료를 압출함으로써 형성될 수 있다. 웨브에서 무작위적으로 뒤엉킬 때 멜트블로운 극세섬유는 전형적으로 매트로서 자체적으로 다루어지도록 충분한 집적도를 갖는다. 그러나, 전형적으로 그들은 웨브의 여과 특성에 악영향을 미치지 않고는 원하는 형상으로 성형될 수 없다. 멜트블로운 극세섬유를 형성하도록 사용될 수 있는 재료의 예는 바우만 등의 미국 특허 제5,706,804호, 피터슨의 미국 특허 제4,419,993호, 메이휴의 미국 재발행 특허 제Re.28,102호, 죤 등의 미국 특허 제5,472,481호와 제5,411,576호 및 로우셔 등의 미국 특허 제5,908,598호에 개시된다. 블로운 극세섬유는 주로 임의의 열가소성 섬유 형성 수지로 준비될 수 있다. 웨브가 만족스러운 전기 특성 또는 전하 분리를 유지하는 것을 보증하도록, 극세섬 유는 비도전성 수지, 즉, 실온(22℃)에서 1014ohm-cm 이상의 체적 저항을 갖는 수지로 형성된다. 바람직하게는, 체적 저항은 약 1016ohm-cm이다. 중합체 섬유 형성 재료의 저항은 표준 실험법 ASTM D 257-93에 따라 측정될 수 있다. 멜트블로운 섬유를 형성하기 위해 사용되는 섬유 형성 재료는 또한 전기 도전성을 증가시키거나 또는 이와 달리 정전하를 수용하고 보유하는 섬유의 능력을 간섭할 수 있는 정전기 방지제와 같은 성분이 사실상 없다. 중합체 섬유 형성 재료에 사용될 수 있는 중합체의 몇몇 예는 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 스티렌-부타디엔-스티렌과 같은 블록 공중합체 및 스티렌-이소프렌-스티렌 블록 공중합체, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌과 같은 폴리올레핀, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 또는 이러한 수지의 혼합물을 함유한 열가소성 중합체를 포함한다. 여과 적용의 경우, 섬유는 일반적으로 폴리-4-메틸-1 펜텐 및/또는 폴리프로필렌으로 형성된다. 바람직하게는, 멜트블로운 극세섬유는 특히 습식 환경에서 전하를 보유하는 그 능력으로 인해 호모폴리머 폴리프로필렌으로 준비된다.
열적으로 접합된 스테이플 섬유 및 비열적으로 접합된 극세섬유에 더하여, 본 발명의 필터 요소는 내염성을 구비하거나 습기를 흡수하기 위해 비스코스 레이온과 FR 섬유를 포함하는 예를 들어 폴리에스테르 및/또는 폴리프로필렌으로 형성된 비열적으로 접합된 스테이플 섬유를 포함할 수 있다.
섬유질 재료는 크래터 등의 미국 특허 제5,025,052호 및 제5,099,026호에 개시된 첨가제를 포함하여 여과 성능을 향상시키도록 첨가제를 함유할 수 있고, 또한 여과 성능을 향상시키도록 저레벨의 압출가능한 탄화수소를 가질 수 있다 - 예를 들어 로우셔 등의 미국 특허 제6,213,122호를 참조하면 된다. 섬유질 웨브는 또한 리드 등의 미국 특허 제4,874,399호 및 로우셔 등의 미국 특허 제6,238,466호 및 제6,068,799호에 도시된 바와 같이 증가된 유성 연무 저항(oily mist resistance)을 갖도록 제조될 수 있다. 섬유질 웨브는 국제 공보 제WO 00/01737호에 개시된 바와 같이 불소첨가될 수 있다. 유성 연무 환경에서 오염물을 여과하기 위한 바람직한 실시예에서, 섬유는 죤 등의 미국 특허 제6,409,806호, 제6,398,847B1호 및 제6,397,458호에 교시된 바와 같이 섬유의 표면에 불소 원자를 갖는다.
도2는 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유 및 비열적으로 접합된 극세섬유 모두를 함유한 성형된 웨브(10')의 확대된 사진을 도시한다. 도시된 바와 같이, 스테이플 섬유(12)는 섬유 교차부(13)의 지점에서 서로 접합된다. 반대로, 극세섬유(14)는 일반적으로 그 비접합 배향을 유지한다. 스테이플 섬유(12)가 섬유 교차부 지점에서 서로 접합되어도, 그 접합은 모든 이러한 지점에서 발생할 필요가 없다. 섬유 접합은 성형된 제품이 많은 일시적 기간동안 원하는 형상을 보유하게 하도록 충분한 수의 교차부에서 발생하는 것만 요구된다. 스테이플 섬유 사이의 접합은 성형된 웨브(10')에서 섬유의 반강성 3차원 격자를 제공한다. 스테이플 섬유가 섬유의 접합 성분의 연화 온도 이상, 아마도 그 용융 온도로 가열되기 때문에, 섬유의 접합 성분은 연화되고 섬유가 서로 접촉하는 충분한 수의 지점(13)에서 서로 합쳐진다. 손상 또는 이와 달리 성형 공정 중에 극세섬유의 집적도를 변경하는 것을 방지하기 위해, 웨브는 극세섬유의 필수적인 모든 성분의 적절한 연화 온도 아래에서 성형된다. 멜트블로잉 기술에 의해 형성된 극세섬유가 멜트블로잉 공정동안 서로 심각하게 엉키거나 또는 접합되더라도 극세섬유는 일반적으로 성형 작업의 열처리 동안 서로 접합되지 않는다. 그러나, 극세섬유는 이러한 섬유의 접합 성분이 연화되고 이어서 경화될 때 스테이플 섬유에 접합될 수 있다. 도시된 바와 같이, 스테이플 섬유(12)는 용융되고 섬유 교차부(13) 지점에서 합체된다. 성형된 제품의 성형된 구조에 중요한 기여를 하는 것은 스테이플 섬유의 접합이다. 성형된 제품(10')은 도1을 참조하면 상술된 비성형 웨브와 같이 실질적으로 동일한 중량 백분율로 극세섬유 및 스테이플 섬유를 포함한다.
본 발명의 성형된 필터 요소는 약 1.0 내지 4mm의 두께를 가질 수 있다. 6mm 보다 큰 두께가 형성될 수 있지만, 필터 요소는 일반적으로 약 1.0 내지 3.5mm 두께이다. 우수한 여과 성능이 약 1.3 내지 3.0mm인 두께에서 신규하게 성형된 제품의 경우 달성될 수 있다는 것이 본 발명에 개시되어 있다. 성형된 필터 요소는 또한 약 5 내지 30%의 고형성 및 전형적으로 약 10 내지 20%의 고형성을 가질 수 있다. 성형된 필터 요소의 평량(basis weight)은 제곱 미터당 약 50 내지 300그램(g/m2), 전형적으로 약 100 내지 200g/m2일 수 있다.
도3은 도2에 도시된 것과 같은 성형된 웨브로 제조될 수 있는 성형된 제품의 일예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 성형된 제품은 착용자의 코와 입에 맞는 컵 형상의 호흡 마스크(16)의 형상을 취할 수 있다. 얼굴 마스크(16)는 숨을 내쉰 공기가 마스크 내부로부터 신속하게 정화되도록 마스크 본체 상의 중앙에 배치된 (도 시되지 않은) 호기 밸브를 가질 수 있다. 마스크(16)는 착용될 때 인간의 코와 입에 편안하게 맞도록 일반적으로 컵 형상의 구성으로 구성될 수 있다. 마스크(16)는 바람직하게는 실질적으로 누출없이 그 주연부(18)에서 착용자의 얼굴과 접촉을 유지하도록 형성된다. 마스크(16)는 마스크가 착용될 때 착용자의 머리와 목 뒤로 연장되는 밴드(20)와 같은 장비(harness)에 의해 마스크 주연부 둘레의 착용자 얼굴에 대해 긴밀하게 당겨질 수 있다. 마스크(16)는 마스크 본체와 착용자 얼굴 사이의 내부 가스 공간을 형성한다. 이 내부 가스 공간은 마스크 본체(22)에 의해 대기 또는 대기 공기로부터 이격된다. 따라서, 착용자에 의해 흡입되는 공기는 착용자의 호흡 경로로 들어가기 전에 마스크 본체(22)를 관통하는 것이 요구된다. 마스크(16)는 또한 마스크 본체의 내측 또는 외측 상에, 또는 가능하게는 존재할 경우 코가 광대뼈와 만나는 곳에 코에 대해 편안하게 맞도록 하기 위한 추가적인 층 사이에 장착되는 정합식 코 클립(24)을 가질 수 있다.
여과 얼굴 마스크(16)는 도3에 도시된 형상을 나타내는 것이 반드시 필요하지 않다. 마스크는 미국 특허 제6,026,511호, 제6,123,077호 및 제6,394,090 B1호에 도시된 편평하게 접힌 마스크와 같은 다른 형상을 취할 수 있다. 또는 자펀티치의 미국 특허 제4,827,924호에 도시된 바와 같은 확장된 컵 형상의 구성을 가질 수 있다. 코 클립(24)은 카스티글리온의 미국 특허 제4,827,924호에 설명된 구성을 가질 수 있다. 또한, 마스크는 적절한 맞춤이 형성되면 착용자가 용이하게 확인하도록 그 주연부에 시일을 나타내는 열적 크롬 맞춤기를 가질 수 있다 - 스프링게트 등의 미국 특허 제5,617,849호를 참조하면 된다. 더욱이, 호흡 필터 요소는 성형된 마스크 본체와 다른 형상을 취할 수 있다. 필터 요소는 특정 형상, 예를 들어 착용자의 얼굴에 더 근접하게 놓인 커브 형상을 갖는 필터 카트리지에서 사용을 위해 성형될 수 있다. 필터 카트리지는 번과 라이첼의 미국 특허 제5,062,421호에 설명된 탄성 마스크 본체와 같은 인간의 코와 입에 맞는 얼굴 부분에 착탈식으로 부착될 수 있다.
도4는 도3의 마스크 본체(22)의 단면을 도시한다. 도시된 바와 같이, 마스크 본체(22)는 또한 그 여과 특성과 그 형상 보유 특성을 제공하도록 단지 하나의 층만을 갖는다. 상술된 바와 같이, 과거에 형성된 마스크는 일반적으로 마스크에 그 구조적 집적성을 제공하도록 별도의 지지 구조물 또는 층을 포함한다. 그러나, 본 발명은 분리 형상 층 및 극세섬유 함유 필터 층을 사용하지 않고 매우 우수한 여과 성능을 증명하는 여과 얼굴 마스크를 제공할 수 있다. 여과 및 구조적 특성은 열적으로 접합된 스테이플 섬유 및 비열적으로 접합가능한 극세섬유 모두를 포함하는 단일층으로 합체될 수 있다. 우수한 여과가 단일층의 제품에서 달성될 수 있지만, 전기적으로 대전된 BMF 웨브의 층을 포함하는 추가적 필터 매체의 층과 같은 다른 층이 여과 특성을 향상시키도록 사용될 수 있다. 이러한 웨브는 크루에거 등의 미국 특허 제4,795,668호, 리드 등의 제4,874,399호, 메이어 등의 제4,988,560호 및 안가드지밴드 등의 제5,496,507호를 참조하여 전술되었다. 사용될 수 있는 필터 매체의 다른 예는 미국 특허 제5,898,981호, 제5,419,953호, 제4,798,850호, 제4,215,682호, 제4,178,157호, 제3,998,916호 및 제3,644,605호에 개시된 것들을 포함한다. 이러한 기본적인 종류의 필터 매체는 내염 프리-필터 층 , 혼합된 섬유 필터 재료 및 전기적으로 대전된 섬유를 여과하는 웨브를 이용한 다중층 복합 공기 여과 매체를 포함할 수 있다. 더욱이, 예를 들어, 활성화 탄소인 (흡착, 흡수, 촉매 작용 등을 포함하는 기능을 할 수 있는 미립자 물질인) 활성 미립자와 같은 미립자 물질이 미립자 물질뿐 아니라 산성 가스, 유기성 증기, 암모니아 및 이러한 가스의 혼합물과 같은 가스식 오염물을 제거할 능력을 가진 필터 요소를 제조하도록 웨브에 주입될 수 있다 - 예를 들어, 브라운 등의 미국 특허 제3,971,373호를 참조하면 된다.
본 발명의 필터 요소는 후술되는 인자인 퀄리티 팩터(QF)에 의해 알려진 바와 같이 매우 우수한 여과 성능을 달성할 수 있다. 0.30(mm H2O)-1 보다 큰, 0.40(mm H2O)-1 보다 큰, 0.70 또는 0.80(mm H2O)-1 보다 큰 QF 수치가 얻어질 수 있다.
호흡 마스크에 사용되는 것에 더하여, 본 발명은 예를 들어, 자동차, 보트 또는 비행기와 에어컨 필터를 포함한 룸 공기 필터와 같은 선실 공기 필터, 노 필터로 사용하도록 주름지고 플리트된 형상을 갖는 공기 필터를 포함하여 다른 형상의 구조를 제공할 수 있다.
도5는 스테이플 섬유와 멜트블로운 극세섬유를 모두 함유한 웨브(10)를 준비하기에 유용한 장치(29)의 일 배열을 도시한다. 이 장치(29)는 다이 오리피스(30)를 통해 용융된 섬유 형성 재료를 압출함으로써 멜트 용융된 극세섬유의 웨브를 준 비한다. 용액-블로운 및 다른 타입의 극세섬유는 또한 본 발명에 사용하기에 적합한 극세섬유를 제조하는데 사용될 수 있다. 도시된 장치의 극세섬유 블로잉 부분은 예를 들어, 웬트 반 에이(Wente, Van A)의 "초미세 열가소성 섬유", 48 Indus. Engn. Chem. 1342. seq.(1956) 또는 웬트 브이. 안(Wente, V. An), 분 씨.디.(Boon, C.D.) 및 플루하티 이.엘.(Fluharty, E.L.)의 "초미세 유기 섬유의 제조"라는 제목의 나발 연구소(the Naval Reserch Laboratories)의 논문 번호 4364(1954.5.25)에 교시된 바와 같은 종래 구조일 수 있다. 이러한 구조는 액화 섬유 형성 재료가 진행하는 압출 챔버(28)를 가진 다이(26)를 포함한다. 다이 오리피스(30)는 섬유 형성 재료가 압출되는 다이면의 전방 단부를 따라 일렬로 배열될 수 있다. 협동 가스 오리피스(32)는 다이(30)에 인접하게 위치되고, 가스, 전형적으로 가열된 가스가 그를 통해 매우 고속으로 가압되게 한다. 고속 가스 스트림은 배출되고 압출된 섬유 형성 재료를 감소시킨다. 그 후 섬유 형성 재료는 극세섬유가 수집기(34)로 진행할 때 고체화된다. 수집기(34)는 전형적으로 미세하게 천공된 스크린이고, 이는 이 경우에 폐쇄형 루프 벨트 상에 있다. 그러나, 수집기는 편평한 스크린 또는 드럼 또는 실린더와 같은 대체 형상을 취할 수 있다. 수집기는 또한 수집기 상의 선택된 지점이 나선형 패턴으로 이동하도록 축 방향으로 이동하고 축을 중심으로 회전하는 일반적으로 실리더형 형상 면을 가질 수 있다 - 브리컨 등의 미국 특허 제6,139,308호 참조. 가스 배출 장치는 섬유를 침전시키고 가스를 제거하는데 협조하도록 스크린 뒤에 위치될 수 있다.
열적으로 접합가능한 스테이플 섬유(12)는 상기 극세섬유 블로잉 장치 위에 배치된 리커린 롤(lickerin roll; 36)의 사용을 통해 도5에 도시된 장치의 블로운 극세섬유(14)의 스트림으로 주입될 수 있다. 가닛 기계 또는 "랜도-웨버(Rando-Webber)" 상에 준비된 바와 같은 전형적으로 성긴 부직포 웨브인 벌크 섬유의 웨브(38)는 선단 에지가 리커린 롤(36)에 대해 결합되는 구동 롤(42) 아래의 테이블(40)을 따라 추진된다. 리커린 롤(36)은 섬유가 서로 분리되어 웨브(38)의 선단 에지로부터 섬유를 벗기고 화살표 방향으로 회전한다. 선별된 섬유는 포함된 통(trough) 또는 덕트(42)를 통해 공기 스트림으로 및 그들이 극세섬유와 혼합되는 경우 블로운 극세섬유의 스트림으로 이송된다. 공기 스트림은 리커린 롤의 회전에 의해 고유적으로 발생되거나 또는 공기 스트림은 덕트(44)를 통해 작동하는 보조 팬 또는 송풍기의 사용에 의해 증대될 수 있다.
그 후 스테이플 섬유 및 극세섬유의 혼합된 스트림은 수집기(34)로 보내져서, 섬유가 무작위적으로 상호 혼합되고 상호 엉킨 섬유의 웨브(10)를 형성하게 된다. 정밀한 검사 하에, 스테이플 섬유 및 극세섬유는 예를 들어, 스테이플 섬유의 덩어리, 즉, 만약 스테이플 섬유의 다중 단부 토우(tow)의 잘린 단부가 분리되지 않거나 또는 만약 스테이플 섬유가 극세섬유 스트림에 주입되기 전에 함께 구형(balled)이 되면 달성되는 바와 같이, 직경으로 1센티미터 이상의 스테이플 섬유의 집합체가 없이 완전히 혼합될 수 있다. 생성된 웨브(10)는 수집기로부터 벗겨져서 저장 롤로 감길 수 있고, 이어서 절단, 조작 또는 성형 작업으로 처리될 수 있다.
준비된 복합 웨브는 도시된 바와 같이 장치에 의해 배치된 단일층으로 구성될 수 있거나 또는 층이 전형적으로 적어도 우연적 검사로 구별할 수 없는 다중층 제품일 수 있다. 다중층 제품은 도5에 도시된 바와 같이 혼합 및 배치 장치로 수집된 웨브를 두 번 이상 통과시킴으로써 또는 수집 벨트의 길이를 따라 배치된 추가 혼합 및 배치 장치를 구비함으로써 형성될 수 있다.
신규한 필터 요소는 그 여과 효율을 향상시키도록 웨브에 부여된 전하를 가질 수 있다. 전하는 극세섬유 단독 또는 극세섬유와 스테이플 섬유 모두에 포함될 수 있다. 만약 스테이플 섬유가 또한 대전되는 것이 요구되면, 섬유에 존재하는 임의의 전하가 흩어지지 않도록 비도전성 표면을 갖는 것이 요구된다. 따라서, 스테이플 섬유는 극세섬유에 대해 상술된 바와 같이 비도전성 중합체 재료로 형성된다. 전기적으로 대전된 멜트블로운 극세섬유를 이용하는 필터 매체는 예를 들어, 로우셔 등의 미국 특허 제5,968,635호에 개시된다. 섬유는 유성 연무 여과 성능을 향상시키는 불소와 같은 표면 변형제를 포함할 수 있다 - 죤 등의 미국 특허 제6,398,847B1호 참조. 전하는 예를 들어, 나까오 등의 미국 특허 제4,592,815호, 안가드지밴드 등의 미국 특허 제5,496,507호, 쿠빅 등의 미국 특허 제4,215,682호에 개시된 공지된 기술을 사용하여 부직포 섬유질 웨브에 부여할 수 있다. 이러한 방법은 안가드지밴드 등의 '507 특허에 개시된 수소 대전법을 포함하거나 나까오의 '815 특허에 개시된 코로나 대전법 또는 이러한 기술의 결합을 포함할 수 있다. 더욱이, 마찰 대전 기술이 브라운 등의 미국 특허 제4,798,850호에 개시된 바와 같이 사용될 수 있다. 더 최근의 대전 기술은 또한 안가드지밴드의 미국 특허 제6,375,886 B1호 및 에이쯔만 등의 미국 특허 제6,406,657호 및 각각 국제 특허 공보 제WO 01/27381호 및 제WO 01/80257호에 공개된 미국 특허 출원 제09/416,216호 및 제09/548,892호에서 또한 설명된다. 이러한 새로운 기술은 비수용 이온화 액체의 사용 및 물 및/또는 이온화 액체와 섬유 사이의 충분한 접촉을 달성하는 다른 방법을 포함할 수 있다. 공지된 수소 대전법은 전하를 향상시킨 여과를 제공하도록 충분한 압력으로 웨브 상의 물 액적의 스트림을 충돌시키는 단계를 포함한다. 최적의 결과를 달성하는데 필요한 압력은 사용되는 분사기의 타입, 웨브가 형성되는 중합체의 타입, 중합체에 첨가제의 농도 및 웨브의 두께 및 밀도, 및 코로나 표면 처리와 같은 전처리가 수소 대전 전에 수행되는지에 의존하여 변할 수 있다. 일반적으로, 약 10 내지 500psi(69 내지 3450 kPa)의 범위의 압력이 적절하다. 바람직하게는, 물 액적을 제공하는데 사용되는 물은 비교적 정화수이다. 증류되거나 또는 탈이온화된 물이 물을 얻는데 바람직하다.
도6은 웨브를 대전하기 위한 적절한 스프레이 수단(45)의 예를 도시한다. 섬유질 웨브(10)는 메쉬 스크린 또는 섬유와 같은 바람직하게는 기공식의 벨트의 형태일 수 있는 지지 수단(46) 상에 전달된다. 물 제트 헤드(50)의 물 제트(48)는 수압을 제공하는 (도시되지 않은) 펌프에 물 스프레이를 제공한다. 물 제트(48)는 충돌 지점(52)에서 웨브(10) 상에 충돌한다. 바람직하게는, 웨브를 통해 스프레이를 유인하고 에너지 건조 조건을 감소시키도록 기공성 지지물 아래에 진공이 제공된다.
부직포 웨브를 대전하기 위한 적절한 스프레이 수단의 다른 예는 안가드지밴드 등의 '507 특허에 도시된 장치와 같은 분무기를 포함한다. 이 장치에서, 물 라인을 통해 제공되는 물, 및 공기 라인을 통해 제공되는 가압된 공기는 펌프 핸들이 스프레이 연무를 제공하도록 노즐을 통해 물 공급 수단에 의해 제공되는 물을 가압하는 스프레이 연무 펌프 작동 분사기로 웨브를 충격시키는 노즐에 공급된다.
웨브에 부여된 전하의 양은 예를 들어, 안가드지밴드 등의 미국 특허 제6,375,886 B1를 참조하면 열적으로 자극된 대전(TSD) 기술을 포함하여 공지된 절차를 사용하여 측정될 수 있다. 성형된 전기 필터는 바람직하게는 지속적 전하, 전형적으로는 필터 요소의 의도된 사용 기간 동안 유지되는 전하을 나타내는 섬유를 함유한다.
도7 내지 도9는 본 발명의 방법에 따른 얼굴 마스크용 형성 쉘(22)에 대한 장치(54)를 도시한다. 쉘(22)은 선택적 프리스키닝(preskinning) 단계(56), 가열 단계(58) 및 냉간 성형 단계(60)를 통해 부직포 섬유질 웨브(10)를 통과시킴으로써 생산될 수 있다. 선택적으로 (도시되지 않은) 평탄물 또는 커버 웨브는 착용자의 얼굴과 접촉할 때 더 편안한 느낌을 제공하도록 웨브(10)에 중첩 관계로 통과될 수 있다. 적절한 커버 웨브의 예는 안가드지밴드 등의 미국 특허 제6,041,782호에서 설명된다. 커버 웨브는 극세섬유를 포함하여 스폰본드 섬유 또는 멜트블로운 섬유로 형성될 수 있다.
프리스키닝 단계(56)에서, 웨브(10)는 웨브 표면(62, 64) 상의 스테이플 섬유의 접합 성분이 연화될 정도로 가열된다. 웨브(10)의 하부 표면(62) 및 상부 표면(64)은 섬유의 접합가능한 성분을 연화시키도록 가열된 캘린더 롤(66, 68)을 접촉시킨다. 캘린더 롤(66, 68)을 떠날 때, 경화된 섬유의 연화된 성분 및 표면(62, 64) 상의 섬유는 서로 접합된다. 웨브(10)는 그 후 이동 오븐 벨트(70) 상에 위치 되고 가열 단계(58)로 진입한다.
가열 단계(58)에서, 적외선(IR) 가열기(72) 및 천공기(76)를 통한 고온 공기 충돌기(74)는 웨브 전체에 섬유의 접합된 성분을 연화시키도록 웨브(10)의 열적으로 접합가능한 섬유를 가열시킨다. 오븐 벨트(70)는 IR 가열 및 고온 공기 충돌이 표면(62, 64) 상에 충돌하게 하는 메쉬 구성을 갖는다. 성형/가열 조건은 극세섬유 성분이 비열적으로 접합된 상태로 유지되도록 주의깊게 조절된다. 이는 성형 처리 동안 극세섬유 성분의 자생적 접합을 방지함으로써 수행된다. 스테이플 섬유에 의해 제공되는 바와 같은 열적 접합물은 성형된 필터 요소로 섬유의 반강성 3차원 격자를 제공한다. 열적으로 접합된 섬유의 격자는 섬유질 망상 구조를 통해 실질적으로 공기 유동을 억제하지 않고 그 성형된 형상으로 마스크를 유지시킨다.
가열 후, 웨브(10)는 웨브(10)의 섬유의 접합된 성분이 연화되는 동안 냉간 성형 단계(60)로 보내진다. 그 후, 웨브(10)는 벨트(78, 80) 상에서 운반되어 비가열 성형 부재(82, 84) 사이에 위치되어, 여기서 컵 형상의 쉘(22) 또는 특히 얼굴 마스크(22)의 형상으로 성형된다. 페리스 휠(ferris wheel)형 장치(86)는 연속 성형 처리를 하도록 채용될 수 있다. 페리스 휠형 장치(86)는 각각 제1 및 제2 회전 장치(88, 90)를 포함한다. 성형 부재(82, 84)는 각각 반시계 방향 및 시계 방향으로 회전하고 각각 톱니바퀴(78) 상의 체인(92)에 의해 구동된다. 성형 지점에서, 부재(82, 84)는 함께 웨브(10)를 컵 형상의 쉘(22)로 형성된다. 도7 내지 도9에 도시된 장치는 크론저 등의 미국 특허 제5,307,796호에 더욱 완전히 설명된다.
본 발명에 따라 준비된 필터 요소 및 얼굴 마스크는 형상 및 여과층을 함께 일체식으로 결합시키고, 즉 형상 보유 및 우수한 여과 성능이 단일 성형된 웨브 상에 제공되고 전형적으로 주변 에지 시일에 의해 이어서 함께 결합되는 두 개의 분리 웨브 또는 층에 제공되지 않는다. 신규한 필터 요소의 일체적 특성은 형상 및 여과 태양이 필터 요소 그 자체를 파손하지 않고는 물리적으로 분리되지 않게 한다.
예
다음의 실험 방법이 웨브 및 성형되는 필터 요소를 평가하는데 사용된다.
염화 나트륨에 의한 미립자 관통
개별 성형된 필터에 대한 관통 및 압력 강하가 미네소타주 세인트 폴의 TSI 인코포레이티드사로부터의 AFT 테스터, 모델 8130을 사용하여 결정된다. 세제곱 미터 당 20밀리그램(mg/m3)의 농도에서 염화 나트륨(NaCl)은 챌린지 연무제로서 사용된다. 연무제 챌린지는 초당 13.8센티미터(cm/sec)의 면 속도로 이송된다. 성형되는 필터 시편에 대한 압력 강하는 관통 실험 동안 측정되고 밀리미터 물(mm H2O)로 보고된다.
평균 기하학적 섬유 직경
본 발명의 웨브에 사용되는 섬유에 대한 평균 기하학 섬유 직경을 결정하는 것은 웨브 시편의 현미경 사진의 화상 분석에 의해 수행될 수 있다.
웨브 시편은 스캐닝 전자 현미경 스터브 상에 웨브 샘플을 장착하고 약 100옹스트롱(Å)의 금/팔라듐으로 섬유를 증기 도금함으로써 준비된다. 도금은 125 내지 150 밀리토르의 아르곤 가스 유동과 50 밀리토르로 공급되는 챔버 진공에서 40 밀리암패어 스퍼터 음극 도금원으로 DENTON Vaccum Desk Ⅱ 냉간 스퍼터 장치(미국 08057 뉴저지주 모레스타운 노쓰 처치 스트리트 1259 덴톤 배큠 엘엘씨)를 이용하여 행해진다. 도금 처리 기간은 약 45초이다. 그 후 도금된 샘플은 LEO VP 1450 스캐닝 전자 현미경(미국 10594 뉴욕주 뉴욕 타우른우드 원 제이스 드라이브 엘이오 일렉트론 마이크로스코피 인크)에 삽입되고 0°기울기, 15킬로볼트(kV) 가속 전압 및 15mm WD(작업 거리)에서 화상화된다. 1000배 배율로 찍힌 전자 화상은 극세섬유 직경을 결정하는데 사용되고 500 또는 250 배율로 찍힌 화상은 스테이플 섬유 직경을 결정하는데 사용된다. 시편의 표면도의 전자 화상은 텍사스 대학으로부터 입수가능한 윈도우 버전 2.00에 대한 UTHSCSA(University of Texas Health Science Center in San Antonio) 이미지 툴(Image Tool)을 가동하는 퍼스널 컴퓨터를 사용하여 분석된다. 화상 분석을 수행하기 위해, 이미지 툴은 먼저 현미경 배율로 교정되고 그 후 시편의 전자 화상이 개별 섬유가 그 폭을 따라 측정되도록 처리된다. 각각의 화상으로부터 개별 섬유(결합되거나 묶이지 않은 섬유)가 측정된다. 최소 18 내지 20 스테이플 섬유 및 최소 66 내지 116 블로운 극세섬유 섬유가 각각의 샘플로부터 측정된다. 섬유 크기는 소정의 카운트 수에 대한 마이크로미터(㎛)의 평균 직경으로 보고된다.
성형된 물품 강성 결정
성형된 필터 요소의 강성은 노쓰 캐롤라이나 크린스보로의 제이킹 앤 씨오.로부터 입수가능한 킹(King) 강성 테스터를 이용하여 측정된다. 강성은 필터 요소 안으로 2.54cm 직경의 편평한 면의 탐침을 8.06cm(3.175인치) 깊이방향으로 가압하는데 요구되는 힘으로 결정된다. 탐침 요소는 필터 요소의 외측에 위치되고 필터 요소가 실험되도록 위치되는 플랫폼에 직각으로 배향된다. 성형된 여과 얼굴 마스크의 경우, 얼굴 마스크는 탐침 아래에 중심이 맞춰지고 이를 향한 마스크의 볼록한 측면을 가진 플랫폼에 위치된다. 탐침은 그 후 32mm/sec의 속도로 마스크를 향해 하강하고 얼굴 마스크와 접촉하고 특정 범위(21밀리미터)로 이를 압축한다. 탐침의 완전한 하강의 말미에, 물품을 압축하는데 요구되는 (뉴턴 단위로) 힘이 기록된다.
퀄리티 팩터(Q F )
퀄리티 팩터가 다음과 같이 결정된다.
관통 및 압력 강하는 다음의 공식에 의해 NaCl 관통의 자연 로그(Ln)로부터 퀄리티 팩터 "QF 수치"를 계산하도록 사용된다.
QF(1/mm H2O)= -Ln{NaCl 관통(%)/100}/압력 강하(mm H2O)
더 높은 초기 QF 수치는 우수한 초기 여과 성능을 나타낸다. 감소된 QF 수치는 감소된 여과 성능과 사실상 관련이 있다.
예1
본 발명의 성형된 필터 요소를 형성하는데 사용되는 극세섬유 결합 웨브는 미국 특허 제4,118,531호(하우저)에 개시되고 도5의 위에 도시된 공정에 따라 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유와 블로운 극세섬유의 혼합물로부터 준비된다. 결 합 웨브의 블로운 극세섬유 성분은 텍사스주 휴스톤 피나 오일 앤 케미컬 씨오.로부터 이용가능한 폴리프로필렌 피나 타입 3960과 일본 도꾜의 미쯔이 페트로케미컬 인더스트리이즈 엘티디.로부터의 폴리-4-메틸-1-펜텐 타입 TPX-DX820의 혼합물을 이용하여 준비된다. 뉴욕주 호손의 씨바 게이지 코퍼레이션으로부터 입수가능한 치마소브 944FL이 용융 첨가제로 포함된다. 블로운 극세섬유 성분에 사용되는 성분의 중량비는 98% 폴리프로필렌, 1.2% TPX-DX820 및 0.8% 치마소브 944FL이다. 극세섬유 성분의 평량은 제곱 미터당 98그램(g/m2)이고 평균 기하학적 섬유 직경은 상술된 평균 기하학 섬유 직경 실험에 따라 4.4㎛이도록 결정된다.
결합 웨브를 형성하도록 극세섬유 웨브와 혼합된 열적 접합 2성분 스테이플 섬유는 노쓰 캐롤라이나주 찰로티 코사로부터 이용가능한 CELBOND 타입 T254이다. 열적 접합 스테이플 섬유는 필라멘트(filament)당 12데니어의 선형 밀도를 갖고 38mm 절단 길이를 갖는다. 평균 기하학 섬유 직경은 33㎛이다. 스테이플 섬유는 블로운 극세섬유 스트림으로 직접 주입된다. 웨브의 스테이플 섬유 성분의 평량은 약 115g/m2이다. 결합 웨브의 전체 평량은 214g/m2이다.
결합 웨브는 안가드지밴드 등의 미국 특허 제5,496,507호에 개시된 공정에 따라 수소 대전된다. 수소 대전은 탈이온화된 물이 진공 슬롯 위의 약 7cm에 중심이 맞춰지고 약 10cm 이격되어 장착된 (일리노이즈주 위이튼의 스프레잉 시스템즈 씨오.로부터 입수가능한) 한 쌍의 Teejet 9501 분사기 노즐로부터 약 620킬로/파스칼(kPa)의 정수압으로 웨브 상에 분사된다. 웨브는 그 후 역전되고 수소 대전 처 리는 웨브의 양쪽 측면이 탈이온수와 충돌하도록 반복된다. 그 후 과잉 물은 진공 슬롯에 대해 3번 웨브를 통과함으로써 제거된다. 웨브는 그 후 현수되어 대기 환경에서 건조된다.
대전된 웨브의 성형은 높이가 약 55mm이고 부피가 약 310cm3인 반구형 컵 형상의 가열된 몰드의 정합 부분 사이에서 웨브를 가압함으로써 행해진다. 이러한 고온 성형 방법으로, 몰드의 상부 및 바닥 절반부는 약 110℃로 가열되고, 웨브는 몰드 절반부 사이에 위치된다. 가열된 몰드는 그 후 약 15초 동안 0.508 내지 0.762mm의 간극으로 폐쇄된다. 특정 시간 후에, 몰드는 개방되고 그 성형된 제품은 제거된다.
성형된 얼굴 마스크의 초기 관통 및 압력 강하는 AFT-8130 미립자 관통 실험을 이용하여 측정된다. 요소의 강성은 성형된 물품 강성 결정 실험 방법에 의해 측정된다. 그 실험 결과는 아래 표1에서 설명된다.
예2
성형된 컵 형상의 필터는 2성분 스테이플 섬유가 70% CELBOND T254(12 dpf, 길이 38mm)와 Type 295로 입수가능한 30% 폴리에스테르 스테이플 섬유(15dpf, 길이 38mm)의 혼합물로 대체된 것을 제외하고 예1에서 설명한 바와 같이 준비된다. CELBOND T254 스테이플 섬유에 대한 평균 기하학 섬유 직경은 33㎛이고, Type 295의 평균 기하학 섬유 직경은 35㎛이고, 극세섬유의 평균 기하학 섬유 직경은 4.4㎛이다. 스테이플 섬유 성분의 평량은 약 130g/m2이다. 결합 웨브의 전체 평량은 약 242g/m2이다. 본 예의 성형된 컵 형상의 필터 요소가 실험되고 그 결과는 아래 표1에 도시된다.
예3
성형된 필터는 2성분 스테이플 섬유가 49% CELBOND T254(12 dpf, 길이 38mm)와, Type 295로 입수가능한 21% 폴리에스테르 스테이플 섬유(15dpf, 길이 38mm)와, 인슬리의 미국 특허 제4,813,946호에 설명된 바와 같은 7% 극세섬유 극세웨브의 혼합물로 대체된 것을 제외하고, 예1에서 설명한 바와 같이 준비된다. CELBOND T254 스테이플 섬유에 대한 평균 기하학 섬유 직경은 33㎛이고, Type 295의 평균 기하학 섬유 직경은 35㎛이고, 극세섬유의 평균 기하학 섬유 직경은 4.4㎛이다. 본 예에서 사용되는 용융 첨가제, CHIMASSORB 944FL은 예1에서 사용된 TPX-DX820/CHIMASSORB 944FL의 결합으로 1.0 중량%에서 대체된다. 폴리프로필렌 블로운 극세섬유의 비율은 99 중량%로 상승된다. 결합 웨브 상의 블로운 극세섬유 성분의 평량은 약 52g/m2이고, 스테이플 섬유는 약 115g/m2이고, 극세섬유 극세웨브는 약 17g/m2이다. 결합 웨브의 전체 평량은 약 219g/m2이다. 예2의 물품은 압력 강하, 관통 및 강성에 대해 실험되고, 퀄리티 팩터가 결정된다.
표1
예시적 수 압력 강하(mm H2O) 관통(%) 강성(N) 퀄리티 팩터QF
1 7.0 2.6 1.5 0.52
2 6.5 4.2 0.7 0.49
3 8.9 5.1 2.3 0.33
표1에 도시된 데이터는 압력 강하가 스테이플 섬유의 첨가로 낮아질 수 있고 0.5 뉴튼보다 큰 성형된 쉘 강성을 갖는 것을 증명한다. 극세섬유 극세웨브의 첨가는 압력 강하를 다소 증가시키지만 ,그 후 또한 강성을 증가시킨다.
예4
블로운 극세섬유 결합 웨브는 45중량% 블로운 극세섬유와, 55중량% 열적 결합 2성분 스테이플 섬유를 이용하여 예1에서 설명된 바와 같이 준비된다. 스테이플 및 극세섬유에 대한 평균 기하학 섬유 직경은 각각 33 및 4.4㎛이다. 이 예에서, TPX 또는 CHIMASSORB 944가 극세섬유에 첨가되지 않는다. 결과적인 결합 웨브는 약 100g/m2의 전체 평량을 갖는다. 웨브는 WO 00/01737에 일반적으로 설명된 바와 같이 불소 처리에 의해 양쪽 면에 처리된다. 이 예의 웨브는 플로리다주 플라즈마테름 에스티.로부터의 평행-플레이트 정전 용량식 커플형 플라즈마 반응기 모델 2480를 이용하여 불소 처리된다. 전극 간격은 본 실험의 경우 플라즈마테름에서 15cm에서 1.6cm까지 감소된다. 웨브 샘플은 30.5cm에서 20.3cm의 섹션으로 절단되고 반응기에서 전력이 켜진 전극에 위치된다. 반응기 챔버는 그 후 폐쇄되고 약 1.3Pa 이하의 챔버 압력으로 펌핑된다. 미네소타주 세인트 폴의 3M 컴파니로부터 입수가능한 퍼플루오로프로판 C3F8이 40Pa의 챔버 압력이 도달될 때까지 83 표준cm3/분의 속도로 챔버 안으로 계량된다. 그 후 챔버의 전극은 전력 공급기로부터 13.56MHz를 이용하여 1000와트로 전력이 가해지고, 웨브는 1분 동안 처리된다. 그 후 플라즈마는 소멸되고, 가스 이송은 중단된다. 그 후 챔버는 소기되고 샘플이 제거되고, 뒤집히고, 반응기의 후방에 위치되기 전에 대기압으로 통기된다. 그 처 리는 웨브의 양측면이 동등한 처리를 수용하면서 반복된다.
그 후 처리된 웨브는 대전을 위한 벨트 속도가 10.2cm/sec이고 수압이 827kPa인 것을 제외하고, 예1에 설명된 것과 같이 대전되고 성형된다. 물 제트는 벨트 위의 15cm에 위치된다. 성형된 웨브는 NaCl 입자 관통 및 압력 강하를 위해 실험되고 그 결과가 표2에 설명된다.
예5
웨브는 플루오르화 처리에서 C3F8 가스 유동 속도가 169 표준 cm3/min이고, 챔버 압력이 66.7Pa이고, 웨브의 각 면에서 30초 처리 시간인 것을 제외하고 예4에서 설명된 것과 같이 준비된다. 웨브의 두 층은 예1에 설명된 바와 같이 결합되고 성형된다. 성형된 웨브는 NaCl 입자 관통 및 압력 강하를 위해 실험되고, QF 수치가 계산되고, 그 결과가 표2에 주어진다.
표2
예 평량(g/m2) 압력 강하(mm H2O) 관통(%) NaCl 강성(N) QF
4 100 5.5 0.769 --- 0.89
5 200 12.7 0.013 0.35 0.70
상기 표2에 도시된 데이터는 예1 내지 예3과 비교하여 웨브를 플루오르화함으로써 우수한 여과 성능을 얻으면서 평량이 감소될 수 있다.
배경 기술 부분에서 인용된 문헌 및 국제 공보를 포함하여 상기 인용된 모든 특허 및 특허 출원은 완전하게 재연되는 것처럼 본 명세서에 참조로 병합된다.
본 발명은 특정하게 상술되지 않은 임의 요소 또는 품목없이도 적절하게 실 현될 수 있다.

Claims (16)

  1. 열적으로 접합된 스테이플 섬유와 비열적으로 접합되어 전기적으로 대전된 극세섬유를 함유한 기공성 성형 웨브를 포함하고, 상기 기공성 성형 웨브는 섬유 교차부의 지점에서 스테이플 섬유들 사이의 접합에 의해 적어도 부분적으로 성형된 형상으로 보유되는 필터 요소.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기공성 성형 웨브는 30 내지 70 중량%의 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유와, 30 내지 70 중량%의 비열적으로 접합가능한 극세섬유를 함유하는 필터 요소.
  3. 제1항의 필터 요소를 포함하고 사용자의 코와 입에 맞는 구성으로 성형되는 여과식 얼굴 마스크.
  4. 필터 요소를 제조하는 방법이며,
    열적으로 접합가능한 스테이플 섬유 및 전기적으로 대전된 비열적으로 접합된 극세섬유를 포함하는 미리 성형된 섬유질 웨브를 제공하는 단계와,
    열적으로 접합 가능한 스테이플 섬유가 섬유 교차부의 지점에서 접합을 나타내도록 열적으로 접합되도록 의도된 형상으로 섬유질 웨브를 성형하는 단계를 포함하는 필터 요소 제조 방법.
  5. 여과식 얼굴 마스크를 제조하는 방법이며,
    열적으로 접합가능한 스테이플 섬유 및 비열적으로 접합된 극세섬유를 함유하는 웨브를 제공하는 단계와,
    인접한 접촉 섬유에 접합되는 열적으로 접합가능한 스테이플 섬유를 갖고 마스크 본체가 사용자의 코와 입에 맞도록 되어 있는 형상을 갖는 마스크 본체를 생성하도록 웨브를 성형하는 단계를 포함하는 여과식 얼굴 마스크 제조 방법.
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