KR101880408B1 - 안면부 여과식 호흡기 - Google Patents

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Abstract

물품이 의도된 형상으로 성형된 팽창 메시(20)를 포함한다. 성형된 팽창 물품은 성형 작업의 열 및 압력이 가해질 때 종래의 메시만큼 많이 뒤틀리지 않는다.

Description

안면부 여과식 호흡기{FILTERING FACE-PIECE RESPIRATOR}
본 발명은 성형된 팽창 메시(auxetic mesh) 및 그러한 메시를 제조하는 방법에 관한 것이다.
팽창 재료는 에칭(etching), 인쇄(printing), 다이 컷팅(die cutting), 및 레이저 컷팅(laser cutting)을 포함하는 다양한 방법에 의해 제조되었다. 팽창 물품 및 그 제조 방법을 설명하는 다양한 특허 공보의 예는 앨더슨(Alderson) 등의 미국 특허 제6,878,320B1호, 앤더슨(Anderson) 등의 미국 특허 공개 제2005/0142331A1호, 앨더슨 등의 미국 특허 공개 제2005/0159066A1호, 차우다리(Chaudhari) 등의 미국 특허 공개 제2005/0287371A1호, 헨겔몰렌(Hengelmolen)의 미국 특허 공개 제2006/0129227A1호, 앨더슨 등의 미국 특허 공개 제2006/0180505A1호, 바르보사-카터(Barvosa-Carter) 등의 미국 특허 공개 제2006/0202492A1호, 후크(Hook) 등의 미국 특허 공개 제2007/0031667A1호, 앨더슨 등의 유럽 특허 EP1,165,865B1호, 에반스(Evans) 등의 국제 출원 공개 WO91/01210호, 어니스트(Ernest) 등의 국제 출원 공개 WO91/01186호, 앨더슨 등의 국제 출원 공개 WO99/22838호, 레이크스(Lakes) 등의 국제 출원 공개 WO99/25530호, 앨더슨 등의 국제 출원 공개 WO00/53830호, 헨겔몰렌의 국제 출원 공개 WO2004/012785A1호, 후크 등의 국제 출원 공개 WO2004/088015A1호, 앤더슨 등의 국제 출원 공개 WO2005/065929A1호, 헨겔몰렌의 국제 출원 공개 WO2005/072649A1호, 후크의 국제 출원 공개 WO2006/021763A1호, 위트너(Wittner)의 국제 출원 공개 WO2006/099975A1호, 및 문헌[M.A. Nkansah et al, Modelling the Effects of Negative Poisson's Ratios in Continuous-Fibre Composites, Journal of Materials Science, Vol. 28, 1998, pages 2687-2692]과 문헌[A.P. Pickles et al., The Effects of Powder Morphology on the Processing of Auxetic Polypropylene (PP of Negative Poisson's Ratio), Polymer Engineering and Science, Mid-March 1996, Vo. 36, No. 5, pages 636-642]을 포함한다. 비록 다양한 팽창 물품이 종래 기술에서 설명되었지만, 문헌은 성형된 팽창 메시의 제조를 설명하지는 못하였다.
본 발명은 의도된 형상으로 성형된 팽창 메시를 포함하는 물품을 제공한다.
본 발명은 또한 성형된 물품을 제조하는 방법을 제공하며, 이 방법은 (a) 팽창 메시를 제공하는 단계; 및 (b) 원하는 형상으로 팽창 메시를 성형하는 단계를 포함한다.
본 발명자는 팽창 메시가, 이들이 비-팽창 메시보다 덜한 뒤틀림을 갖고서 원하는 성형된 형상 또는 구성으로 배치될 수 있다는 점에서 이점을 가질 수 있음을 발견하였다. 메시 내의 개방부들은, 예를 들어 성형된 비-팽창 메시와 비교할 때 그만큼 변동되지 않는다. 종래의 성형된 메시 내의 상이한 크기의 개방부들은 보기에 좋지 않은 것으로 고려될 수 있고, 메시의 부분들은 때때로 성형 작업 동안 중첩되고 뒤틀릴 수 있다. 본 발명은 그러한 문제점을 완화시키며, 따라서 개선된 외관을 갖는 것으로 고려될 수 있는 성형된 메시를 제공한다. 따라서, 본 발명에 따라 팽창 메시를 성형할 때 폐기에 대한 가능성이 덜 할 수 있다 - 이는 제조 결함으로 인해 버려지는 제품이 적어질 수 있기 때문이다. 성형된 팽창 메시는 안면부 여과식 호흡기(filtering face-piece respirator)에 그리고 성형된 메시가 사용되는 다양한 다른 제품에 사용하기에 적합할 수 있다. 성형된 팽창 메시는 또한 팽창 특성이 이로운 역할을 하는 새로운 응용에 적용될 수 있다.
용어
이하에 기재되는 용어는 아래 정의된 바와 같은 의미를 가질 것이다:
"팽창"은 음의 푸아송 비(negative Poisson's ratio)를 나타내는 것을 의미한다.
"포함하다(또는 포함하는)"는 특허 용어에서 표준인 것과 같은 그의 정의를 의미하는데, "구비하다", "갖는", 또는 "함유하는"과 대체로 동의어인 개방형 용어이다. "포함하다", "구비하다", "갖는", 및 "함유하는"과 이의 변형이 통상적으로 사용되는 개방형 용어이지만, 본 발명은 또한 본 발명의 청구 대상의 성능에 해로운 영향을 미칠 것들 또는 요소들만을 배제한다는 점에서 반개방형 용어인 "본질적으로 ~로 이루어진"과 같은 더 좁은 용어를 사용하여 적합하게 설명될 수도 있다.
"메시"는, 개방 공간들의 네트워크를 갖고 제1 및 제2 치수가 제3 치수보다 실질적으로 더 큰 구조물을 의미한다.
"성형된" 또는 "성형하는"은 열 및 압력을 사용하여 원하는 형상으로 형성하는 것을 의미한다.
"다수"는 100개 이상을 의미한다.
"중합체"는 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열된, 반복되는 화학 단위를 함유하는 재료를 의미한다.
"중합체" 및 "플라스틱"은 각각 주로 하나 이상의 중합체를 포함하고 또한 다른 성분을 함유할 수 있는 재료를 의미한다.
"복수"는 2개 이상을 의미한다.
"호흡기"는 착용자에게 호흡할 깨끗한 공기를 제공하기 위해 사람이 착용하는 공기 여과 장치를 의미한다.
"지지 구조물"은 그의 원하는 형상을 유지하기에 충분한 구조적 완전성을 갖도록, 그리고 그에 의해 지지되는 여과 구조물의 의도된 형상을 유지하는 것을 돕도록 설계되는 구성물을 의미한다.
도 1은 본 발명의 성형된 팽창 메시(20)를 사용하는 안면부 여과식 호흡기(10)의 전방 사시도.
도 2는 도 1에서 원으로 둘러싸인 영역의 확대도.
도 3은 도 1의 선 3-3을 따라 취한 마스크 본체(12)의 단면도.
도 4는 팽창 메시(20)를 제조하기 위한 장치(50)의 개략도.
도 5는 캐스팅 롤(58) 상으로의 압출된 중합체 재료(60)의 캐스팅을 도시하는 확대도.
도 6은 팽창 메시를 제조하는 데 사용될 수 있는 캐스팅 롤(58)의 사시도.
도 6a는 캐스팅 롤(58)의 외부 표면의 확대된 영역의 도면.
도 7은 본 발명과 함께 사용될 수 있는 주형의 평면도.
도 8은 본 발명과 함께 성형된 물품을 제조하는 데 사용될 수 있는 팽창 메시(20)의 정면도.
본 발명을 실시함에 있어서, 팽창 메시는 원하는 3차원 형상으로 성형될 수 있다. 본 발명자는 성형된 팽창 메시가 메시 내의 다양한 개방 공간의 크기를 유지하면서 원하는 3-D 형상으로 형성될 수 있다는 것을 발견하였다. 팽창 메시가 성형 동안 그의 3차원 형상을 달성함에 따라, 종래의 메시가 이중-곡선형(bi-curved) 표면 위에서 형성된 후에 관찰되는 뒤틀림과 달리, 메시는 프랙탈(fractal) 방식으로 변형하여 초기 메시 외관을 실질적으로 유지한다. 성형되기 전에, 팽창 메시는 초기의 평평한 2차원의 형태로 제공될 수 있으며, 이는 취급 및 보관하기 쉽다. 초기의 평평한 팽창 메시를 3차원 형상으로 변환하는 것은, 보통 결함이 실질적으로 없는 유사한 네팅(netting)을 제작할 것을 필요로 할 배치 공정(batch process)과 비교할 때, 더욱 효율적인 제조 경로를 제공할 수 있다. 즉, 비-팽창 메시가 상기 언급된 뒤틀림 없이 3차원 제품을 제조하기 위해 사용되는 경우, 배치-유형 캐스팅(batch-type casting) 또는 사출 성형 공정이 전형적으로 그러한 목적을 위해 사용될 것이다.
도 1은 제품에 3차원 형상을 제공하기 위해 성형된 팽창 메시를 사용하는, 안면부 여과식 호흡기(10)인 성형된 제품의 예를 도시한다. 안면부 여과식 호흡기(10)는 마스크 본체(12) 및 하니스(harness)(14)를 포함한다. 마스크 본체(12)는 지지 구조물(16)을 갖고, 이 지지 구조물은 마스크 본체에 구조적 완전성을 제공하고 지지 구조물(16) 후방에 존재하는 여과 구조물(18)을 위한 지지를 제공한다. 여과 구조물(18)은 호흡기(10)의 착용자가 들이쉴 때 주위 공기로부터 오염물을 제거한다. 지지 구조물(16)은 마스크 본체(12)의 형상을 한정하는 3차원 형상으로 성형된 팽창 메시(20)를 포함한다. 성형된 팽창 메시(20)는 마스크 본체(12)가 그의 의도된 형상을 유지하기에 충분한 구조적 완전성을 제공할 수 있다. 여과 구조물(18)은 마스크 본체 주변부(22)에서 지지 구조물(16)에 고정될 수 있다. 여과 구조물(18)은 또한 호기 밸브(도시 안됨)가 마스크 본체에 고정될 때 마스크 본체의 정점(23)에서 지지 구조물(16)에 고정될 수 있다. 하니스(14)는 마스크 본체(12)가 사람의 코 및 입 위에서 지지되게 할 수 있는 하나 이상의 스트랩(strap)(24)을 포함할 수 있다. 조절가능한 버클(buckle)이 하니스 상에 제공되어 스트랩(24)의 길이가 조정되게 할 수 있다. 체결 또는 걸쇠(clasping) 메커니즘이 또한 스트랩에 부착되어, 하니스(14)가 사람의 안면으로부터 호흡기(10)를 제거할 때 분해되고 사람의 안면으로부터 호흡기(10)를 착용할 때 재조립되게 할 수 있다. 또한, 안면부 필터 호흡기의 설명은 발명의 명칭이 '마스크 본체 내에 팽창 메시를 갖는 안면부 여과식 호흡기(Filtering Face-Piece Respirator Having An Auxetic Mesh In The Mask Body)'인 미국 특허 출원 제61/291,052호에서 찾아볼 수 있다.
도 2는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 투각(open-work) 팽창 메시(20)의 확대도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 성형된 팽창 메시(20)는 중합체 스트랜드(strand)(28)에 의해 한정될 수 있는 다수의 개방 공간(26)을 포함한다. 각각의 개방 공간(26)을 한정하는 스트랜드(28)는 제1 및 제2 측부(30, 32)와 제3 및 제4 측부(34, 36)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 측부(30, 32)는 선형일 수 있고, 반면에 제3 및 제4 측부(34, 36)는 비-선형일 수 있으며 제1 및 제2 측부(30, 32)에 대해 비-수직하게 오프셋된 세그먼트를 포함할 수 있다. 오프셋된 세그먼트는 제1 및 제2 측부(30, 32)에 대해 직각을 형성하지 않는다. 오히려, 이들은 약 20 내지 80도, 더 전형적으로는 약 40 내지 70도일 수 있는 각도(α)를 갖는 셰브론 단부(chevron end)를 형성한다. 각각의 개방부는 전형적으로 약 5 내지 50 제곱밀리미터(㎟), 더 전형적으로는 약 10 내지 35 ㎟의 크기를 갖는다. (현재 공지된 또는 이후 개발될) 다른 팽창 메시 기하학적 형상이 또한 본 발명과 함께 적합하게 사용될 수도 있다. 메시의 푸아송 비는 전형적으로 -0.2 미만, 더 전형적으로는 -0.4 미만, 그리고 더욱 더 전형적으로는 -0.7 미만이지만, 대개 -2.2보다 훨씬 더 작지는 않다. 음(negative)의 푸아송 비를 나타내고 본 발명과 함께 사용하기에 적합할 수 있는 메시의 예는 헨겔몰렌의 미국 특허 공개 제2006/0129227A2호 및 앨더슨 등의 제2006/0180505A1호에 설명되어 있다. 상단부에서, 푸아송 비는 0 이하이다. 메시 내의 다수의 개방부는, 성형된 후에, 유사한 크기를 유지하는 경향을 가진다. 후술되는 셀 크기 결정 방법에 따라 시험될 때, 셀 크기의 표준 편차는 0.04, 0.03 미만, 그리고 심지어 0.025 미만이다.
도 3은 지지 구조물(16) 및 여과 구조물(18)을 포함하는 마스크 본체(12)의 단면을 도시한다. 지지 구조물(16)은 전형적으로 약 0.60 내지 0.85 밀리미터(㎜)의 두께를 갖고, 각각의 스트랜드(28)는 전형적으로 약 0.1 내지 3.5 ㎟, 더 전형적으로는 약 1.5 내지 2.6 ㎟의 평균 단면적을 갖는다. 팽창 메시(20)는 다양한 중합체 재료로부터 제조될 수 있다. 팽창 메시 형성에 적합한 중합체는 일반적으로 열가소성 또는 열경화성 재료이다. 열가소성 재료는, 열의 인가 시에 용융 및/또는 유동하고 냉각 시에 재응고되며 열의 인가 시에 다시 용융 및/또는 유동하는 재료이다. 열가소성 재료는 가열 및 냉각 시에 물리적 변화만을 겪고, 뚜렷한 화학적 변화는 일어나지 않는다. 그러나, 열경화성 재료는 가열 또는 경화될 때 가교결합되는 것과 같이 비가역적으로 경화되는 경화성 재료이다. 일단 경화되면, 열경화성 재료는 열의 인가 시에 뚜렷하게 용융 또는 유동하지 않을 것이다.
팽창 메시를 형성하는 데 사용될 수 있는 열가소성 중합체의 예는 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 그러한 폴리올레핀의 2가지 이상의 블렌드, 및 에틸렌 및/또는 프로필렌의 서로와의 및/또는 소량의 공중합성 고급 알파 올레핀, 예컨대 펜텐, 메틸펜텐, 헥센, 또는 옥텐과의 공중합체; 할로겐화 폴리올레핀, 예컨대 염소화 폴리에틸렌, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 가소화 폴리(비닐 클로라이드); 사이클로헥산 다이메탄올, 테트라메틸렌 글리콜, 및 테레프탈산의 코폴리에스테르-에테르 탄성중합체; 코폴리에스테르 탄성중합체, 예컨대 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 장쇄 폴리에스테르 글리콜의 블록 공중합체; 폴리에테르, 예컨대 폴리페닐렌옥사이드; 폴리아미드, 예컨대 폴리(헥사메틸렌 아디프아미드), 예를 들어 나일론 6 및 나일론 6,6; 나일론 탄성중합체, 예컨대 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6,10 및 폴리에테르 블록 폴리아미드; 폴리우레탄; 에틸렌, 또는 에틸렌 및 프로필렌과, (메트)아크릴산의 또는 저급 알칸올 및 에틸렌계-불포화 카르복실산의 에스테르의 공중합체, 예컨대 에틸렌과 (메트)아크릴산, 비닐 아세테이트, 메틸 아크릴레이트, 또는 에틸 아크릴레이트의 공중합체; 이오노머, 예컨대 아연, 리튬, 또는 나트륨 반대이온으로 안정화된 에틸렌-메타크릴산 공중합체; 아크릴로니트릴 중합체, 예컨대 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체; 아크릴 공중합체; 화학적으로 개질된 폴리올레핀, 예컨대 올레핀의 말레산 무수물- 또는 아크릴산-그래프트된 단일중합체 또는 공중합체 및 그러한 중합체의 2가지 이상의 블렌드, 예컨대 폴리에틸렌 및 폴리(메틸 아크릴레이트)의 블렌드, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 및 에틸렌-메틸 아크릴레이트의 블렌드; 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌과 폴리(비닐 아세테이트)의 블렌드; 및 A-B 또는 A-B-A 유형의 스티렌의 열가소성 탄성중합체 블록 공중합체 - 여기서 A는 열가소성 폴리스티렌 블록을 나타내고 B는 폴리아이소프렌, 폴리부타디엔, 또는 폴리(에틸렌/부틸렌)의 고무질 블록을 나타내며, 그 예는 선형, 방사형, 별형 및 테이퍼형 스티렌-아이소프렌 블록 공중합체, 선형 스티렌-(에틸렌-부틸렌) 블록 공중합체, 및 선형, 방사형, 및 별형 스티렌-부타디엔 블록 공중합체를 포함함 - 를 포함한다. 전술된 중합체들은 보통은 고체이고, 일반적으로 고분자량이며, 용융-압출가능하여, 이들은 압출 다이 조립체로 스트림으로서 펌핑되어 그로부터 압력 하에서 용이하게 압출될 수 있는 용융된 점성 액체를 형성하도록 가열될 수 있다.
적합한 구매가능한 중합체의 예는 "엘박스(ELVAX)" 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 엘박스 40W, 4320, 250, 및 350; "에막(EMAC)" 에틸렌-메틸 아크릴레이트 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 에막 DS-1274, DS-1176, DS-1278-70, SP 2220 및 SP-2260; "비스타 플렉스(VISTA FLEX)" 열가소성 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 비스타 플렉스 641 및 671; "프리마코(PRIMACOR)" 에틸렌-아크릴산 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 프리마코 3330, 3440, 3460, 및 5980; "퓨사본드(FUSABOND)" 말레산 무수물-폴리올레핀 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 퓨사본드 MB-110D 및 MZ-203D; "하이몬트(HIMONT)" 에틸렌-프로필렌 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 하이몬트 KS-057, KS-075, 및 KS-051P; "피나(FINA)" 폴리프로필렌으로서 판매되는 것들, 예컨대 피나 3860X; "에스코렌(ESCORENE)" 폴리프로필렌으로서 판매되는 것들, 예컨대 에스코렌 3445; "베스토플라스트(VESTOPLAST) 750" 에틸렌-프로필렌-부텐 공중합체로서 판매되는 중합체; "설린(SURLYN)" 이오노머로서 판매되는 것들, 예컨대 설린 9970 및 1702; "울트라미드(ULTRAMID)" 폴리아미드로서 판매되는 것들, 예컨대 울트라미드 B3 나일론 6 및 울트라미드 A3 나일론 6,6; "자이텔(ZYTEL)" 폴리아미드로서 판매되는 것들, 예컨대 자이텔 FE3677 나일론 6,6; "릴산(RILSAN)" 폴리아미드 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 BMNO P40, BESNO P40 및 BESNO P20 나일론 11; "페박스(PEBAX)" 폴리에테르 블록 폴리아미드 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 페박스 2533, 3533, 4033, 5562 및 7033; "하이트렐(HYTREL)" 폴리에스테르 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 하이트렐 3078, 4056 및 5526; "크라톤(KRATON)" 및 "유로프렌 졸(EUROPRENE SOL) TE" 스티렌 블록 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 크라톤 D1107P, G1657, G1750X, 및 D1118X와 유로프렌 졸 TE 9110, 및 6205를 포함한다.
전술된 바와 같이, 2가지 이상의 재료의 블렌드가 또한 팽창 메시의 제조에 사용될 수 있다. 그러한 블렌드의 예는 85 내지 15 중량%의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트), 예컨대 "엘박스" 공중합체와, 15 내지 85 중량%의 폴리(에틸렌-아크릴산), 예컨대 "프리마코" 중합체의 블렌드 - 이 블렌드의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트) 성분은 일반적으로 50,000 내지 220,000의 중량 평균 분자량(Mw)을 가질 것이고 5 내지 45 몰%의 비닐 아세테이트 공단량체로부터 유도된 그의 상호중합된 단위 및 에틸렌으로부터의 단위의 잔량을 가질 것이며, 이 블렌드의 폴리(에틸렌-아크릴산) 성분은 일반적으로 50,000 내지 400,000의 Mw를 가질 것이고 1 내지 10 몰%의 아크릴산으로부터 유도된 그의 상호중합된 단위 및 에틸렌으로부터의 잔량을 가질 것임 - ; 40,000 내지 150,000의 Mw를 갖고 동일하게 다량의 부텐 및 프로필렌과 소량의 에틸렌으로부터 유도된 20 내지 70 중량%의 폴리(에틸렌-프로필렌-부텐) 삼원공중합체, 예컨대 "베스토플라스트 750" 중합체와, 80 내지 30 중량%의 아이소탁틱 폴리프로필렌의 블렌드; 15 내지 85 중량%의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트)와 85 내지 15 중량%의 폴리(에틸렌-메틸 아크릴레이트), 예컨대 "에막" 중합체를 함유하는 블렌드 - 이러한 블렌드의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트) 성분은 전술된 것과 유사한 분자량 및 조성을 가질 수 있고, 폴리(메틸 아크릴레이트) 성분은 50,000 내지 200,000의 Mw 및 4 내지 40 몰%의 메틸 아크릴레이트 공단량체로부터 유도된 그의 상호중합된 단위를 가질 수 있음 - 를 포함한다.
폴리프로필렌이 여과 구조물(여과 층이 흔히 폴리프로필렌을 또한 포함함)에 대한 지지 구조물의 적절한 용접을 가능하게 하도록 호흡기 상에 사용되는 성형된 팽창 메시에 사용하기에 바람직할 수 있다. 팽창 메시를 제조하는 데 사용되는 중합체 재료는 전형적으로 약 0.3 내지 1900 메가파스칼(MPa), 더 전형적으로는 2 내지 250 MPa의 영률(Young's modulus)을 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 여과 구조물(18)은 하나 이상의 커버 웨브(40a, 40b) 및 여과 층(42)을 포함할 수 있다. 커버 웨브(40a, 40b)는 여과 층(42)의 대향하는 면들 상에 위치되어, 그로부터 풀려 나올 수 있는 임의의 섬유를 포획할 수 있다. 전형적으로, 커버 웨브(40a, 40b)는 특히 착용자의 안면과 접촉하는 여과 구조물(18)의 면에 대해 편안한 느낌을 제공하는 섬유를 선택하여 제조된다. 커버 웨브가 또한 흔히 폴리프로필렌을 포함한다.
본 발명에 따라 팽창 메시를 성형할 때, 팽창 메시는 단독으로 성형될 수 있거나, 다른 층과 함께 성형될 수 있다. 예를 들어, 안면부 여과식 호흡기를 제조할 때, 팽창 메시가 먼저 성형될 수 있고, 여과 구조물과 같은 다른 층이 후속하여 성형된 메시에 결합될 수 있다. 대안적으로, 다양한 층이 함께 적층되어 원하는 형상으로 성형될 수 있다. 또한, 팽창 메시는 냉간-성형되거나 열간-성형될 수 있다. 팽창 메시가 냉간-성형될 때, 메시는 미가열 성형 부재들 사이에 배치되기 전에 먼저 가열된다(예컨대, 크론저(Kronzer) 등의 미국 특허 제7,131,422B1호 참조). 미가열 성형 부재들이 이어서 가열된 팽창 메시를 그의 원하는 형상으로 일치시킨다. 대안적으로, 성형 부재들이 가열될 수 있으며, 그 열이 성형 작업 동안 팽창 메시로 전달될 수 있다. 따라서, 냉간-성형 작업에서 열 및 압력은 반드시 동시에 팽창 메시에 인가될 필요가 없으며, 반면에 열간-성형 작업에서는 열 및 압력이 동시에 인가되는 경향을 가진다. 열간 성형에서, 다양한 층은 열 및 압력이 인가될 때 하나 이상의 원하는 위치에서 서로에 대해 접합될 수 있다. 대안적으로, 다양한 층은 용접(예를 들어, 초음파 용접) 또는 접착제 접합과 같은 다른 작업을 통해 하나 이상의 원하는 위치에서 함께 결합될 수 있다. 추가의 층이 팽창 메시의 한 면 또는 양 면 상에 있을 수 있다. 안면부 여과식 호흡기를 제조할 때, 마스크 본체는 다양한 상이한 형상 및 구성으로 성형될 수 있다. 이들 다양한 형상 및 구성 중 많은 것이 특허 문헌에 설명되어 있고, 따라서 본 명세서에서 추가로 논의되지는 않을 것이다.
실시예
셀 크기 결정
개방 공간 또는 셀의 측정을 용이하게 하도록 고정구 내에 장착된 한정된 직경의 로드(rod)들을 사용하여 팽창 메시 셀 크기를 결정하였다. 프로브 로드(probe rod)들의 직경 범위는 0.0254 ㎝(센티미터)의 증분으로 0.0254 ㎝에서 0.5334 ㎝까지였다. 프로브의 배치 전의 셀 형상의 뒤틀림을 야기하지 않고서 셀 내로 끼워지는 최대 크기의 프로브를 선택함으로써 셀 크기를 측정하였다. 이러한 크기를 기록하였고, 성형된 메시 내에 포함된 모든 셀을 측정하여 셀들이 각각의 프로브 크기에 일치할 때까지 다음 셀 크기를 측정하고 기록하였다.
팽창 메시 형성 장치 및 공정
팽창 웨브를 도 4에 도시된 장치와 유사한 시스템(50)을 사용하여 제조하였다. 40 ㎜ 직경의 2축(twin-screw) 압출기에 기어 펌프를 설치하였고, 용융된 중합체 블렌드를 대략 246℃의 용융 온도에서 슬롯 다이(54)로, 1.43 kg/hr/㎝(센티미터 단위의 다이의 길이당 시간당 킬로그램)의 압출 속도로 전달하도록 사용하였다. 중합체 블렌드는 안료 및 상호점착 방지제(anti-block agent)를 포함한 3-부분(three-part) 중합체 조성을 포함하였다. 중합체 블렌드 제형이 이하의 표 1에 주어져 있다. 슬롯 다이(54)의 단부에서, 중합체 블렌드는 팽창 메시가 형성되는 캐스팅 롤(58)로 전달된다. 생성된 메시(20)는 캐스팅 롤(58)로부터 제거되고, 여기서 이는 분리(take-off) 롤(74)로 전달된다. 백업(back-up) 롤(76)이 분리 롤(74)과 접촉하여, 팽창 메시를 롤로부터의 이탈 지점까지 분리 롤 상에서 유지시킨다.
도 5는 슬롯 다이(54), 닥터 블레이드(doctor blade)(56), 및 캐스팅 롤(58)의 배향을 더욱 상세하게 도시한다. 슬롯 다이(54)를 약 246℃의 온도에서 유지하였고, 용융된 중합체의 뱅크(bank)(60)가 수평 평면을 따라 형성되도록 캐스팅 롤(58)에 대해 위치시켰다. 캐스팅 롤(58)을 닥터 블레이드(56)에 대항하여 회전시킴으로써 용융된 중합체(60)를 캐스팅 롤 공동(62) 내로 가압하였다. 닥터 블레이드(56)가 용융된 중합체(60)를 캐스팅 롤 공동(62) 내로 가압하였고, 동시에 용융된 중합체(60)가 공동 내에만 남겨지도록 캐스팅 롤(58)의 외부 표면(64)을 닦아 내었다. 캐스팅 롤(58)을 거쳐 중합체 뱅크(60)로부터 제거된 중합체를 슬롯 다이(54)의 수지 채널(66)을 통해 다시 채웠다. 이러한 공정에 의해, 팽창 메시를 연속적으로 캐스팅하였다.
Figure 112017068643346-pat00001
처리 동안, 닥터 블레이드(56)는 0.656 kN/㎝(선형 ㎝당 킬로-뉴턴)의 압력 - 캐스팅 롤(58)의 채널 또는 공동(62)을 채우기 위해 용융된 중합체(60)를 가압한 압력 - 에서 회전하는 캐스팅 롤(58)에 대항하여 가압하였다. 닥터 블레이드(56)를 246℃의 온도에서 유지하였다. 중합체 뱅크(60)는 캐스팅 롤의 채널(62)을 채우기 위해 충분한 중합체가 캐스팅 롤(58)의 횡방향 길이에 걸쳐 존재한 것을 보장하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 장치(50)는 2-롤 전달 시스템을 사용하였으며, 이는 캐스팅된 팽창 메시(20)를 캐스팅 롤(58)로부터 추출하고 이를 수집 장치로 이송하기 위해 크롬 분리 롤(74) 및 고무-표면처리된 백업 롤(76)로 구성하였다. 분리 롤(74)은 슬롯 다이(54)와 캐스팅 롤(58) 사이의 접촉 지점으로부터 반시계 방향(회전 방향)으로 225° 지점에서 캐스팅 롤(58)과 접촉하였다. 백업 롤(76)은 캐스팅 롤(58)과 분리 롤(74) 사이의 접촉 지점으로부터 시계 방향(회전 방향)으로 135°지점에서 분리 롤(74)과 접촉하였다. 양 롤은 대략 4.4℃의 온도에서 유지하였고, 5.0 m/min(분당 미터)의 표면 속도를 가졌다. 캐스팅 롤(58)과 분리 롤(74) 사이의 닙(nip) 압력은 4.37 N/㎝로 유지하였다; 분리 롤(74)과 백업 롤(76) 사이의 닙 압력은 4.37 N/㎝였다. 캐스팅 롤을 떠난 후에, 팽창 메시(20)를 분리 롤(74)로 전달하였고 추가로 냉각시켰으며 웨브 취급 롤을 통해 권취 롤(도시 안됨)로 이송하였다. 생성된 메시는 약 1.63 ㎜의 두께 및 47 g/㎠(제곱센티미터당 그램)의 평량을 가졌다. 팽창 메시의 최종 권취된 롤은 각각의 팽창 패턴 요소들 사이에 중합체 재료의 간헐적인 얇은 필름을 포함하였다. 모든 잔류 요소간 필름을 핀셋(tweezer)을 사용하여 손으로 제거하였다. 잔류 필름 제거의 다른 방법은 연소(burning), 가열(heating), 브러싱(brushing), 펀칭(punching) 등을 포함할 수 있다.
도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 캐스팅 롤(58)은 그의 면 내로 기계가공된 팽창-형상 공동 패턴(62)을 가졌다. 공동 패턴(62)을 23.5 ㎝ 직경의 크롬-표면처리된 강철 롤(58)의 면(77) 내로 절삭하였다. 6° 끼인각을 갖는, 미국 매사추세츠주 롤리 소재의 하비 툴 컴퍼니 엘엘씨(Harvey Tool Company LLC)의 하비 툴(Harvey Tool) #11815-30 카바이드 미니어쳐 테이퍼드 엔드 밀(Carbide Miniature Tapered End Mill)을 사용하여, 상호연결되는 채널들(82)의 팽창-형상 패턴(62)을 캐스팅 롤(58)의 면(77) 내로 기계가공하였다. 팽창 패턴(62)의 채널들(82)을 1.143 ㎜의 깊이로 기계가공하였고, 이때 직사각형 채널을 3° 테이퍼진 에지에 의해 형성하였다. 채널들(82)은 롤 면(77) 내의 비절삭 "섬(island)" 영역(86)에 의해 한정되며, 이로써 기계가공된 영역이 채널들(82)을 구성하였다. 닥터 블레이드(56)가 메시 형성 동안 그 상으로 타고 가는 롤 면(84) 상의 기계가공되지 않은 섬들(86)은 이등변의 오목한 '셰브론' 단부(87)를 갖는 긴 육각형의 형상이었다.
도 7에 도시된 바와 같이, 섬들(86)을, 그들의 장축(80)이 롤(76)의 원주방향 선과 정렬되도록 롤(76) 상에 배향하였다. 섬들(86)은 각각 11.1 ㎜ 및 3.1 ㎜의 전체 높이(H) 및 폭(W)을 가졌다. 육각형의 각각의 주 측부(94)의 단부로부터 1.67 ㎜로 연장하고 그의 장축 중심선(80)에서 만나는 2개의 동일 길이의 선(92)이 섬(86)의 단부 셰브론(87)을 형성하였다. 섬들은 그들의 장축(80) 또는 좁은 축(단축)(89) 중 어느 하나를 따라 그들의 중심선에 대해 이격시켰다. 모든 섬의 장축은 캐스팅 롤(76)의 원주방향 선에 평행하였다. 섬들의 좁은 축(89)은 캐스팅 롤(58)의 축을 따라 배향하였다. 섬들의 교번하는 횡방향 열들은 열로부터 각각의 섬의 폭의 절반만큼 위 또는 아래로 오프셋시켰다. 섬들(81)의 횡방향 간격은 장축(80)으로부터 인접한 장축(80)까지 4.27 ㎜였다. 섬들의 원주방향 간격(83)은 단축(89)으로부터 단축(89)까지 11.88 ㎜였다. 각도(α)는 69도였다. 섬들(86)을 이러한 방식으로 형성함으로써, 채널들(82)의 네트워크를 생성하였다; 이들 채널(82)을 캐스팅 공정 동안 중합체로 채웠고 팽창 메시(20)를 위한 주형으로서 작용시켰다. 도 8은 전술된 바와 같이 생성된 성형된 팽창 메시(20)의 이미지를 도시한다.
팽창 메시 특성 해석 시험 방법
팽창 메시 형성 장치 및 공정에서 설명된 바와 같이 생성된 팽창 메시를 인장 시험 절차를 통해 그들의 팽창 특성에 대해 평가하였다. 이러한 절차에서, 메시의 10.2 ㎝ × 1.0 ㎝ 섹션을, 메시 셀의 장축이 인장 시험 장치의 횡축과 일렬로 배향되도록 절단하였다. 인장 시험 장치의 크로스헤드 속도는 샘플이 그의 원래 길이의 50 및 100%로 신장될 때까지 분당 50.8 센티미터로 유지하였다. 팽창 구조에서 나타나는 바와 같이, 인장 하에 배치된 때, 샘플 섹션은 축방향 하중에 응답하여 폭이 증가하였다. 샘플은 양 신장 모두에서 그의 원래 폭의 105%의 폭으로 증가하였다.
팽창 메시의 3차원 성형
팽창 메시 형성 장치 및 공정 단락에서 설명된 바와 같이 생성된 팽창 메시를 3차원 컵 형상으로 성형하였다. 팽창 메시를, 알루미늄 수형 주형 위에서 메시의 21.5 ㎝ × 25.5 ㎝ 섹션을 드레이핑(draping)함으로써 호흡기의 컵 형상으로 성형하였다. 주형은 13.3 ㎝의 주축, 10.5 ㎝의 부축, 및 4.4 ㎝의 돔(dome) 높이를 갖고서 타원형 기부를 구비한 대체로 반구형 형상을 가졌다. 반구형 형상의 주형을, 주형의 기부를 지나 대략 3.4 ㎝로 연장된 직사각형 알루미늄 판에 고정하였다. 팽창 메시의 섹션을, 그의 에지가 기부 판의 외부 주변부를 지나 연장되도록 주형 위에서 드레이핑하였다. 주형의 주변부를 반영하는 내부 절결부(cutout)를 갖는 주변부 알루미늄 프레임을, 메시가 현저한 메시 뒤틀림 없이 주형 위에서 당겨질 수 있도록, 팽창 메시 및 주형 위에 배치하였다. 이어서, 주변부 프레임을, 메시를 주형에 대항하여 정위치로 유지되도록 기부 판에 고정하였다. 주형, 메시, 및 고정 판 조립체를 105C의 온도에서 20분 동안 예열된 공기 순환식 오븐 내에 배치하였다. 규정된 지속기간 동안 오븐 내에서 가열한 후에, 조립체를 오븐으로부터 제거하였고 실온으로 냉각되게 하였다. 조립체가 실온에 도달한 때, 주변부 프레임을 기부 판으로부터 해제시켰고, 생성된 성형된 팽창 메시를 주형으로부터 제거하였다. 성형된 팽창 메시가 그의 전반적인 팽창 구조를 유지한 것을 관찰하였고, 이는 주형 내에서의 압축 후에도 형상을 유지하였다. 또한, 팽창 메시는 메시에 접힘 또는 주름과 같은 현저한 뒤틀림 없이 수형 주형 형상에 용이하게 순응할 수 있었다는 것에 주목하였다.
호흡기 셀 크기 비교
팽창 메시의 3차원 성형 단락에서 전술된 바와 같이 생성된 호흡기 쉘 메시를 주형 구조 전체에 걸쳐 셀의 크기를 조사함으로써 셀 크기 균일성에 대해 평가하였다. 팽창 메시의 셀 크기 균일성을, 구매가능한 안면부 여과식 호흡 마스크로부터 제거된 쉘 메시의 균일성과 비교하였다. 각각의 수개의 쉘 메시에 대한 셀 개방부 크기 및 크기 분포의 상세한 측정치를 결정하였다. 호흡기 쉘 메시는 영국 옥스퍼드주 소재의 제이에스피 엘티디(JSP Ltd)에 의해 제조된 JSP 822 마스크; 인도 소재의 나니 뭄바이-엠엔(Nani Mumbai-MN)에 의해 제조된 비너스(Venus) 190 마스크; 모두 미국 캘리포니아주 컬버 시티 소재의 몰덱스-메트릭(Moldex-Metric)에 의해 제조된 2200 마스크 내부 쉘, 2200 마스크 외부 쉘, 및 2600 외부 쉘로부터 평가하였다. 메시를, 독립형인 쓰리엠(3M) 팽창 메시를 제외하고는, 셀 크기 측정을 가능하게 하도록 필터 매체로부터 제거하였다. 각각의 셀 개방부 크기를 셀 크기 결정에서 전술된 바와 같은 계측 프로브를 사용하여 전체 메시에 대해 측정하고 기록하였다.
측정 결과를 주어진 크기의 메시 내에 포함되는 셀의 수를 제공하도록 집계하였으며, 표 2를 참조한다. 이러한 데이터로부터, 결정된 셀 크기 분포 및 표준 편차를 결정하였고, 표 2에 주어져 있다.
Figure 112017068643346-pat00002
표 2에 나타낸 데이터는 성형된 팽창 메시가 공지된 비-팽창 성형된 메시들에 비해 가장 좁은 셀 크기 분포를 갖는다는 것을 보여준다. 표준 편차에 대한 데이터의 분석은 본 발명의 팽창 메시가 측정된 모든 6개의 메시 중 가장 작은 표준 편차를 갖는다는 것을 보여준다. 팽창 메시에서의 셀 크기 분포의 감소는 팽창 구조의 변형 특성의 결과이고, 이는 메시의 접힘 또는 당김과 같은 전체적인 변형 없이 고도로 윤곽화된 형상에 더욱 용이하게 일치하는 것을 허용한다.

Claims (5)

  1. 하니스(harness); 및
    마스크 본체를 포함하는 안면부 여과식 호흡기(filtering face-piece respirator)로서,
    마스크 본체는
    여과 층을 포함하는 여과 구조물; 및
    의도된 형상으로 성형된 팽창 메시(auxetic mesh)를 포함하는 지지 구조물을 포함하고,
    성형된 팽창 메시는 다수의 셀 개방부를 포함하고 0.04 cm 미만의 표준 편차를 갖는 셀 개방부 크기 분포를 가지며,
    여과 구조물은 마스크 본체의 주변부에서 지지 구조물에 고정되는,
    안면부 여과식 호흡기.
  2. 제1항에 있어서, 팽창 메시가 컵 형상으로 성형된 것인 안면부 여과식 호흡기.
  3. 제1항에 있어서, 다수의 셀 개방부의 각각의 셀 개방부는 제1 측부 및 제2 측부 및 제3 측부 및 제4 측부에 의해 형성되며, 제1 측부 및 제2 측부는 선형이고, 제3 측부 및 제4 측부는 비-선형이며 제1 측부 및 제2 측부에 대해 비-수직하게 오프셋된(non-perpendicularly offset) 세그먼트를 포함하는, 안면부 여과식 호흡기.
  4. 제1항에 있어서, 다수의 셀 개방부의 각각의 셀 개방부의 크기가 5 내지 50 제곱밀리미터인 안면부 여과식 호흡기.
  5. 제1항에 있어서, 팽창 메시의 푸아송 비가 -0.2 미만인 안면부 여과식 호흡기.
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