KR20090040891A - 1성분 여과/강화 단층을 갖는 플랫 폴드형 호흡기 - Google Patents

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마이클 알. 베리건
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Abstract

플랫 폴드형 호흡기는 적어도 하나의 구분선을 통해 호흡기의 잔여부에 결합된 강성 여과 패널로부터 제조된다. 패널은 다공성 1성분 단층 부직 웨브를 포함하고, 상기 웨브는 동일한 중합체 조성의 대전되고 혼합된 연속적인 1성분 중합체 섬유들을 포함하며 웨브가 200 ㎎ 초과의 걸리 강성을 나타내고 호흡기가 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 나타내도록 충분한 평량 또는 섬유간 결합을 갖는다. 호흡기는 추가의 강화 층, 2성분 섬유, 또는 기타 보강부를 필요로 함이 없이 형성될 수 있으며, 보관을 위해 편평하게 접힐 수 있다. 제조 공정으로부터의 스크랩은 추가의 강성 여과 패널 웨브를 제조하기 위해 재생될 수 있다.
호흡기, 여과 패널, 웨브, 섬유, 캘린더링

Description

1성분 여과/강화 단층을 갖는 플랫 폴드형 호흡기 {FLAT-FOLD RESPIRATOR WITH MONOCOMPONENT FILTRATION/STIFFENING MONOLAYER}
본 발명은 사람에 의해 착용되어 이들이 대기중 오염물을 흡입하는 것을 방지하는 플랫 폴드형 호흡기(flat-fold respirator)에 관한 것이다.
개인용 호흡기는 착용자가 공기 중에 부유하는 입자를 흡입하거나, 또는 불쾌하거나 유해한 기체를 호흡하는 것을 방지하기 위해 통상 사용된다. 호흡기는 일반적으로 2가지 유형, 즉 성형된 컵형 형태 또는 플랫 폴드형 형태 중 하나이다. 플랫 폴드형 형태는 필요할 때까지 착용자의 주머니에 지니고 다닐 수 있으며 사용을 위해 펼쳐질 수 있고 보관을 위해 편평하게 다시 접힐 수 있는 이점을 갖는다. 구매 가능한 플랫 폴드형 호흡기는 전형적으로 강화 부재(예를 들어, 탄성 지지 구조체 또는 기타 지지 요소, 예컨대 파커(Parker)의 미국 특허 제4,300,549호 참조) 또는 강화 층(예를 들어, 폴리에스테르 섬유와 같은 큰 직경의 고 모듈러스(modulus) 섬유를 포함하는 고 평량 부직 웨브, 예컨대 보스톡(Bostock) 등의 미국 특허 제6,123,077호 참조)을 사용하여, 펼쳐진 호흡기에 보다 큰 구조적 안정성을 부여한다. 강화 부재 또는 강화 층은 호흡 사이클 동안 호흡기의 휨을 방지하는 데 도움을 줄 수 있어서, 착용자의 입술 및 콧구멍이 호흡기의 내부 표면과 접 촉하는 것을 억제하거나 방지할 수 있다.
강화 부재 및 강화 층은 이들이 호흡기의 구조적 완전성(integrity)을 개선한다는 점에서 이롭지만, 이러한 구성요소의 사용은 전체 호흡기의 중량, 부피 및 비용을 바람직하지 못하게 증가시킬 수 있다. 강화 부재 및 강화 층은 상당한 여과 성능을 제공하지 못하고 미사용 제조 스크랩(scrap)이 재생될 수 있는 정도를 제한하기 때문에, 본 출원인은 이들 구성요소를 플랫 폴드형 호흡기로부터 제거하고자 하였다. 몇몇 특허에는 강화 부재 또는 강화 층이 단지 선택적이거나 바람직한 것으로 언급되어 있다(예를 들어, 상기 언급된 미국 특허 제6,123,077호 및 허바드(Hubbard) 등의 미국 특허 제4,920,960호 참조). 이들 구성요소의 제거는 호흡기를 펼쳐서 착용한 때 바람직하지 못하게 약화시키기 때문에, 실제로 이들 구성요소를 제거하는 것은 어렵다.
도 1은 본 발명에 따른 플랫 폴드형 호흡기(10)의 측면도이다.
도 2는 벌어진 사용 준비(ready-to-use) 형상으로 도시된, 도 1의 플랫 폴드형 호흡기(10)의 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플랫 폴드형 호흡기를 제조하기 위한 예시적인 제조 공정의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따라 도 3의 공정을 사용하여 제조된 예비성형품(146)의 개략도이다.
도 5는 편평하게 접힌 형상인, 본 발명에 따른 플랫 폴드형 호흡기(160)의 다른 실시 형태의 정면도이다.
도 6은 벌어진 사용 준비 형상인, 본 발명에 따른 도 5의 플랫 폴드형 호흡기(160)의 정면도이다.
도 7은 오리피스(246, 248)가 상이한 속도로 유동하거나 상이한 점도를 갖는 동일한 중합체 조성의 중합체들을 공급받는 멜트블로잉 다이(202)를 사용하여, 본 발명에 따라 강성 1성분 단층 웨브(264)를 제조하는 예시적인 공정의 개략적인 단면도이다.
도 8은 도 7의 공정에 사용하기 위한 예시적인 멜트블로잉 다이의 출구 단부도이다.
도 9는 복수의 더 큰 오리피스 및 더 작은 오리피스를 갖는 멜트블로잉 다이를 사용하여, 본 발명에 따라 강성 1성분 단층 웨브(320)를 제조하는 예시적인 공정의 개략적인 단면도이다.
도 10은 도 9의 공정에 사용하기 위한 예시적인 멜트블로잉 다이의 출구 단부 사시도이다.
도 11은 용융방사법(meltspinning) 및 급랭식 강제 유동 히터를 사용하여 강성 1성분 단층 웨브를 제조하는 예시적인 공정의 개략적인 측면도이다.
도 12는 도 11에 도시된 장치의 열처리부의 사시도이다.
도 13은 도 12의 장치의 개략적인 확대도이다.
첨부 도면의 다양한 도면들 내의 유사한 도면 부호는 유사한 요소를 나타낸다. 도면 내의 요소들은 축척에 따라 도시하지는 않았다.
본 출원인은 중량, 부피 및 제조 비용 중 하나 이상이 감소된 플랫 폴드형 호흡기가 제조될 수 있도록, 단일 층으로 강화 및 여과 성능 둘 모두를 제공하는 방식을 이제 발견하였다.
일 양태에서, 본 발명은 플랫 폴드형 개인용 호흡기를 제공하며, 이 호흡기는 적어도 하나의 구분선(line of demarcation)을 통해 호흡기의 잔여부에 결합된 적어도 하나의 강성 여과 패널을 포함하며, 상기 패널은 다공성 1성분 단층 부직 웨브를 포함하고, 상기 웨브는 동일한 중합체 조성의 대전되고 혼합된 연속적인 1성분 중합체 섬유들을 포함하며 웨브가 200 ㎎ 초과의 걸리 강성(Gurley Stiffness)을 나타내고 호흡기가 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 나타내도록 충분한 평량 또는 섬유간 결합을 갖는다. 호흡기는 실질적으로 편평하게 접힌 형상으로 접힐 수 있고 볼록하게 벌어진 형상으로 펼쳐질 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 플랫 폴드형 개인용 호흡기의 제조 방법을 제공하며, 이 방법은
a) 동일한 중합체 조성의 대전되고 혼합된 연속적인 1성분 중합체 섬유들을 포함하며 200 ㎎ 초과의 걸리 강성을 나타내도록 충분한 평량 또는 섬유간 결합을 갖는 1성분 단층 부직 웨브를 얻는 단계;
b) 대전된 웨브 내에 적어도 하나의 구분선을 형성하여, 구분선에 의해 적어도 부분적으로 한정된 적어도 하나의 패널을 제공하는 단계; 및
c) 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 나타내며 실질적으로 편평하게 접힌 형상으로 접힐 수 있고 볼록하게 벌어진 형상으로 펼쳐질 수 있는 마스크 본체를 제공하도록 웨브를 구성하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 플랫 폴드형 개인용 호흡기의 제조 방법을 제공하며, 이 방법은
a) 동일한 중합체 조성의 혼합된 연속적인 1성분 중합체 섬유들의 1성분 단층 부직 웨브를 형성하고 웨브를 대전시키는 단계 - 여기서, 상기 웨브는 200 ㎎ 초과의 걸리 강성을 나타내도록 충분한 평량 또는 섬유간 결합을 가짐 - ;
b) 대전된 웨브 내에 적어도 하나의 구분선을 형성하여, 구분선에 의해 적어도 부분적으로 한정된 적어도 하나의 패널을 제공하는 단계; 및
c) 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 나타내며 실질적으로 편평하게 접힌 형상으로 접힐 수 있고 볼록하게 벌어진 형상으로 펼쳐질 수 있는 마스크 본체를 제공하도록 웨브를 구성하는 단계를 포함한다.
별도의 강화 층을 제거함으로써 그리고 외부 커버 웨브 층과 같은 다른 층을 잠재적으로 제거함으로써 제품의 복잡성 및 낭비가 감소될 수 있다. 또한, 호흡기 내의 강화 층 섬유 및 임의의 다른 층(예컨대, 내부 또는 외부 커버 웨브 층)의 섬유가 모두 동일한 중합체 조성을 갖고 외부 결합 재료가 이용되지 않는다면, 미사용 스크랩은 추가의 시재료(starting material)를 제조하도록 회수되어 완전히 재생될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 양태들은 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도, 상기 개요는 출원 절차 중에 보정될 수 있는 첨부된 청구의 범위에 의해서만 제한되는 본 발명의 보호 대상에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 이하에 제공되는 용어는 다음과 같은 의미를 가질 것이다.
"필라멘트를 섬유로 세장화함(attenuating the filaments into fibers)"는 것은 필라멘트의 세그먼트의 더 큰 길이 및 더 작은 크기의 세그먼트로의 변환을 의미한다.
"2중 모드 질량 분율/섬유 크기 혼합물(bimodal mass fraction/fiber size mixture)"이라는 것은 적어도 2개의 모드를 나타내는 질량 분율 대 ㎛ 단위의 섬유 크기의 히스토그램을 갖는 섬유들의 집합체를 의미한다. 2중 모드 질량 분율/섬유 크기 혼합물은 2개 초과의 모드를 포함할 수 있고, 예를 들어 이는 3중 모드 또는 그 이상의 모드의 질량 분율/섬유 크기 혼합물일 수 있다.
"2중 모드 섬유 수/섬유 크기 혼합물(bimodal mass count/fiber size mixture)"이라는 것은 대응 섬유 크기가 더 작은 섬유 크기의 50% 이상만큼 상이한 적어도 2개의 모드를 나타내는 섬유 수(도수) 대 ㎛ 단위의 섬유 크기의 히스토그램을 갖는 섬유들의 집합체를 의미한다. 2중 모드 섬유 수/섬유 크기 혼합물은 2개 초과의 모드를 포함할 수 있고, 예를 들어 이는 3중 모드 또는 그 이상의 모드의 섬유 수/섬유 크기 혼합물일 수 있다.
"결합(bonding)"은 섬유 또는 섬유 집합체에 대해서 사용될 때 함께 견고하게 접착하는 것을 의미하고, 결합된 섬유들은 대체로 웨브가 통상적인 취급을 받을 때 분리되지 않는다.
"대전된(charged)"은 섬유 집합체에 대해서 사용될 때, 7 ㎝/초의 면 속도에서 퍼센트 다이옥틸 프탈레이트(% DOP) 투과율에 대해 평가할 때 1 ㎜ 베릴륨-필터링된 80 KVp X-선의 20 그레이(Gray) 흡수 선량에 노출된 후에 (후술하는) 품질 계수(QF, Quality Factor)의 50% 이상의 손실을 보이는 섬유를 의미한다.
"연속적인(continuous)"은 섬유 또는 섬유 집합체에 대해서 사용될 때 본질적으로 무한한 종횡비(즉, 예컨대 크기에 대한 길이의 비가 적어도 약 10,000 이상인 비)를 갖는 섬유를 의미한다.
"유효 섬유 직경(EFD, Effective Fiber Diameter)"은 섬유 집합체에 대해서 사용될 때 원형 또는 비원형인 임의의 단면 형상의 섬유 웨브의 경우 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles", Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 설명되어 있는 방법에 따라 결정된 값을 의미한다.
"여과 패널(filtration panel)"은 하나 이상의 대기중 소립자 오염물을 제거하기에 충분한 여과 성능을 가지며 호흡기가 사용을 위해 펼쳐진 때 하나 이상의 식별 가능한 경계를 갖는 폴드 플랫형 호흡기의 일부분을 의미한다.
"플랫 폴드형 호흡기(flat-fold respirator)"는 보관을 위해 편평하게 접힐 수 있으며 적어도 사람의 코 및 입 위에 밀착 착용되어 그러한 사람에 의해 착용된 때 하나 이상의 대기중 오염물을 제거하는 형상으로 펼쳐질 수 있는 기구를 의미한다.
"구분선(line of demarcation)"은 식별 가능한 경계 및 선택적으로 호흡기 여과 패널을 위한 힌지 영역을 제공하는 접힘부, 시임(seam), 용접부, 결합부 또는 기타 가시적인 특징부를 의미한다.
"멜트블로운(meltblown)"은 부직 웨브에 대해서 사용될 때 섬유 형성 재료를 복수의 오리피스를 통해 압출하여 필라멘트를 형성하며, 동시에 필라멘트를 공기 또는 다른 세장화 유체와 접촉시켜서 필라멘트를 섬유로 세장화하고, 그 후 세장화된 섬유들의 층을 수집함으로써 형성되는 웨브를 의미한다.
"멜트블로운 섬유(meltblown fibers)"는 용융된 섬유 형성 재료를 다이 내의 오리피스를 통해 고속 기체 스트림 내로 압출함으로써 제조되는 섬유를 의미하고, 여기서 압출된 재료는 먼저 세장화되고 이어서 섬유들의 집합체로서 고화된다. 멜트블로운 섬유는 대체로 배향되지 않는다. 멜트블로운 섬유가 때때로 불연속적이라고 보고되어 있지만, 섬유는 대체로 그러한 섬유들의 집합체로부터 하나의 완전한 멜트블로운 섬유를 제거하거나 하나의 멜트블로운 섬유를 처음부터 끝까지 추적하기가 보통 가능하지 않을 만큼 충분히 길고 엉켜 있다.
"멜트스펀(meltspun)"은 부직 웨브에 대해서 사용될 때 복수의 오리피스를 통해 저점도 용융물을 압출하여 필라멘트를 형성하고, 필라멘트를 공기 또는 다른 유체를 이용하여 급랭시켜 적어도 필라멘트의 표면을 고화시키고, 적어도 부분적으로 고화된 필라멘트를 공기 또는 다른 유체와 접촉시켜 필라멘트를 섬유로 세장화하고, 세장화된 섬유의 층을 수집함으로써 형성된 웨브를 의미한다.
"멜트스펀 섬유(meltspun fibers)"는, 다이로부터 나와서, 섬유를 영구적으로 인발하고 섬유 내의 중합체 분자를 섬유의 종축과 정렬되도록 영구적으로 배향시키는 처리 스테이션을 통해 이동하는 섬유를 의미한다. 그러한 섬유는 본질적으로 연속적이고, 하나의 완전한 멜트스펀 섬유를 그러한 섬유의 집합체로부터 제거하는 것이 보통 가능하지 않을 만큼 충분히 엉켜 있다.
"마이크로 섬유(microfibers)"는 10 ㎛ 이하의 (현미경을 사용하여 측정되는) 중간 크기를 갖는 섬유를 의미하고, "초미세 마이크로 섬유(ultrafine microfibers)"는 2 ㎛ 이하의 중간 크기를 갖는 마이크로 섬유를 의미하고, "서브마이크로미터 마이크로 섬유(submicron microfibers)"는 1 ㎛ 이하의 중간 크기를 갖는 마이크로 섬유를 의미한다. 본 명세서에서 특정 종류의 마이크로 섬유의 배치(batch), 그룹(group), 어레이(array) 등, 예컨대 "서브마이크로미터 마이크로 섬유의 어레이"를 참조할 때, 이는 서브마이크로미터 치수인 어레이 또는 배치의 그러한 일부가 아니라, 그러한 어레이 내의 마이크로 섬유들의 완전한 집단 또는 마이크로 섬유들의 단일 배치의 완전한 집단을 의미한다.
"모드(mode)"는 질량 분율 대 ㎛ 단위의 섬유 크기의 히스토그램 또는 섬유 수(도수) 대 ㎛ 단위의 섬유 크기의 히스토그램에 대해서 사용될 때 그 높이가 국소 피크보다 1 및 2 ㎛ 더 작고 1 및 2 ㎛ 더 큰 섬유 크기에 대한 높이보다 더 큰 국소 피크를 의미한다.
"1성분(monocomponent)"은 섬유 또는 섬유 집합체에 대해서 사용될 때 그 단면을 가로질러 본질적으로 동일한 조성을 갖는 섬유를 의미하고, 1성분은 균일한 조성의 연속상이 섬유의 단면을 가로질러 그리고 그 길이에 걸쳐 연장하는 블렌드(즉, 중합체 합금) 또는 첨가제 함유 재료를 포함한다.
"단층(monolayer)"은 부직 웨브에 대해서 사용될 때 (섬유 크기에 대한 것 이외에) 웨브의 단면 전체에 걸쳐 유사한 섬유들의 대체로 균일한 분포를 갖는 것과 (섬유 크기에 대해) 웨브의 단면 전체에 걸쳐 존재하는 각 모드의 집단을 나타내는 섬유들을 갖는 것을 의미한다. 그러한 단층 웨브는 웨브의 단면 전체에 걸쳐 대체로 균일한 섬유 크기 분포를 가질 수 있거나, 또는 예를 들어 웨브의 하나의 주 면에 근접한 더 큰 크기의 섬유의 우세함(preponderance) 및 웨브의 다른 주 면에 근접한 더 작은 크기의 섬유의 우세함과 같은 섬유 크기의 깊이 구배를 가질 수 있다.
"공칭 융점(Nominal Melting Point)"은 중합체의 용융 영역 내에서, 그러한 영역 내에 단지 하나의 최대치만이 있다면, 2차 가열, 전열 유동(total-heat-flow) 시차 주사 열량계(DSC) 플롯의 피크 최대치를 의미하고; (예컨대, 2개의 별개의 결정상의 존재 때문에) 하나 초과의 융점을 나타내는 하나 초과의 최대치가 있다면, 최고 진폭 용융 피크가 발생하는 온도를 의미한다.
"부직 웨브(nonwoven web)"는 섬유들의 엉킴 또는 점 결합을 특징으로 하는 섬유 웨브를 의미한다.
"동일한 중합체 조성의(of the same polymeric composition)"는 본질적으로 동일한 반복 분자 단위를 갖지만, 분자량, 용융 지수(melt index), 제조 방법, 상업적 형태 등에 있어서 상이할 수 있으며, 선택적으로 소량(예컨대, 약 3 중량% 미만)의 일렉트릿 대전 첨가제(electret charging additive)를 함유할 수 있는 중합체를 의미한다.
"배향된(oriented)"은 중합체 섬유 또는 그러한 섬유의 집합체에 대해서 사용될 때 세장화 챔버 또는 기계식 인발 기계와 같은 장비를 섬유가 통과한 결과 섬유의 중합체 분자들 중 적어도 일부가 섬유의 길이 방향으로 정렬되는 것을 의미한다. 섬유 내의 배향의 존재는 복굴절성 측정 및 광각 x-선 회절을 비롯한 다양한 방법에 의해 검출될 수 있다.
"다공성(porous)"은 공기 투과성을 의미한다.
"별도로 제조된 더 작은 크기의 섬유(separately prepared smaller size fibers)"는 더 작은 크기의 섬유의 스트림이 더 큰 크기의 섬유의 스트림으로부터 (예컨대, 약 25 ㎜ (1 인치) 이상의 거리에 걸쳐) 초기에 공간적으로 분리되지만, 공중에서 병합하여 더 큰 크기의 섬유의 스트림 내로 분산되도록 위치된 섬유 형성 장치(예컨대, 다이)로부터 제조되는 더 작은 크기의 섬유의 스트림을 의미한다.
"자립식(self-supporting)"은 부직 웨브 또는 패널에 대해서 사용될 때, 웨브 또는 패널이 웨브 패널의 조성과 상이한 조성을 갖고 웨브 또는 패널의 하나 이상의 부분에 증가된 강성을 제공하는 와이어, 메시 또는 다른 강화 재료의 인접 보강 층을 포함하지 않는 것을 의미한다.
"크기(size)"는 섬유에 대해서 사용될 때 원형 단면을 갖는 섬유의 경우에는 섬유 직경을, 또는 비원형 단면을 갖는 섬유를 가로질러 구성될 수 있는 단면 상의 최장 현(chord)의 길이를 의미한다.
본 발명의 실시에 있어서, 다양한 플랫 폴드형 개인용 호흡기가 본 명세서에 설명된 강성 여과 패널을 사용하여 제조될 수 있다. 하나의 그러한 플랫 폴드형 호흡기가 제1 및 제2 구분선(A, B)을 갖는 호흡기(10)를 예시하는 도 1에 도시되어 있다. 도 2는 벌어진 사용 준비 형상으로 기구(10)의 정면도를 도시한다. 기구(10)는 6개의 여과 패널을 포함하는 본체(12)를 포함한다. 이들 패널 중 3개는 우측 상부 패널(14), 우측 중앙 패널(16) 및 우측 하부 패널(18)로서 도 1에 도시되어 있다(좌측, 우측, 상부 및 하부라는 용어는 착용자의 관점으로 사용됨). 나머지 3개의 패널은 좌측 상부 패널(20), 좌측 중앙 패널(22) 및 좌측 하부 패널(24)로서 도 2에 도시되어 있다. 수직 이등분 선(26)이 기구(10)의 좌측 및 우측 절반부를 분할한다. 패널(14, 20)은 용접 시임(28)을 통해 연결된다. 패널(16, 22)은 중앙 수직 접힘부(30)를 통해 연결된다. 패널(18, 24)은 용접 시임(32)을 통해 연결된다. 패널(14, 16)은 이러한 실시 형태에서 패널들(14, 16) 사이의 영역의 전체가 아닌 일부에 걸쳐 연장하는 용접 결합선(A)을 통해 연결된다. 유사한 방식으로, 패널(16, 18)은 용접 결합선(B)을 통해 연결되며, 패널(20, 22)은 용접 결합선(A')을 통해 연결되고, 패널(22, 24)은 용접 결합선(B')을 통해 연결된다. 패널(14, 16, 18, 20, 22, 24) 중 하나 이상이 별개의 구성요소로서 제공될 수 있으며, 여과 패널(14, 16, 18, 20, 22, 24) 중 적어도 하나, 더 바람직하게는 적어도 2개, 가장 바람직하게는 전부가 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같은 강성 여과 패널이다. 여과 패널(14, 16, 18, 20, 22, 24) 각각이 강성 여과 패널일 때, 이들은 바람직하게는 개시된 1성분 단층 부직 웨브로부터 제조된 단일 예비성형품으로 형성된다. 개시된 강성 여과 패널은, 또한 존재할 수 있는 임의의 내부 또는 외부 커버 웨브 층을 제외하고는, 단일 부직 층으로 대기중 오염물 여과 및 호흡기 강화 특성 둘다를 제공한다. 기구(10)는 이러한 실시 형태에서 접힘부(30)에 대응하는 선(26)을 따라 절반으로(예를 들어, 사용전 패키지로 또는 착용자의 주머니에의 보관을 위해) 접힐 수 있다. 안면 에지(34)는 착용자의 볼, 턱 및 코에 대해 적합한 밀봉을 제공하도록 형상화된다. 기구(10)는 바람직하게는 보강 코덮개(36, nosepiece)와 같은 추가 구성요소 및 귀걸이(38, earloop)와 같은 부착물을 또한 포함한다. 몇몇 착용자는 귀걸이(38) 대신에 하나 또는 두 개의 머리밴드(도 1 및 도 2에는 도시 안됨)를 통해 부착되는 기구를 선호할 것이다. 기구(10)의 형상 및 크기는 시임(28, 32)의 형상 또는 배향을 변경함으로써 편리하게 변화시킬 수 있다. 시임(28, 32)은, 예를 들어 착용자의 안면에의 양호한 맞춤을 달성하기 위해 필요에 따라 직선 내지는 곡선일 수 있다. 시임(28, 32)의 배향은 각각 접힘부(30)와 제1 원점(44) 또는 접힘부(30)와 제2 원점(46)에 대해 그려진 제1 각도(40) 및 제2 각도(42)를 참조함으로써 편리하게 한정될 수 있다. 제1 각도(40)는, 예를 들어 약 110도 내지 약 175도, 또는 약 140도 내지 약 155도일 수 있다. 제2 각도(42)는, 예를 들어 약 100도 내지 약 165도, 또는 약 135도 내지 약 150도일 수 있다. 시임(28, 32), 제1 각도(40), 또는 제2 각도(42)의 형상을 변화시킴으로써, 착용자의 안면에 대한 기구(10)의 맞춤은 다양한 안면 크기 및 형상을 수용하도록 쉽게 변경될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는, 제1 각도(40) 및 제2 각도(42) 각각의 각도를 변화시킴으로써, 용접된, 재봉된 또는 달리 체결된 기구(10)의 크기 및 시임(28, 32)의 길이가 그에 따라 변화될 수 있음을 이해할 것이다. 시임(28, 32)은, 예를 들어 약 40 ㎜ 내지 약 80 ㎜의 길이를 가질 수 있으며, 반드시 동일한 길이를 가질 필요는 없다. 강성 여과 패널을 제외한, 기구(10)와 같은 호흡기 및 그 제조에 관한 추가의 상세 사항은 미국 특허 제6,394,090 B1호(첸(Chen) 등)에서 확인할 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 유사한 플랫 폴드형 호흡 기구를 제조하기 위한 하나의 생산 공정(120)의 개략도를 도시한다. 선택적인 내부 커버 웨브(124) 및 강성 여과 층(126)이 바람직하게는 실질적으로 연속적인 공정을 위해 롤 형태로 공급된다. 미사용 스크랩의 재생을 용이하게 하기 위해, 내부 커버 웨브(124)는 바람직하게는 강성 여과 층(126)과 동일한 중합체 조성의 1성분 웨브이다. 예를 들어, 내부 커버 웨브(124) 및 강성 여과 층(126)은 모두 폴리프로필렌 웨브일 수 있다. 강성 여과 층(126)은 선택적으로 외부 커버 웨브(132)에 의해 덮일 수 있다. 사용되는 경우, 외부 커버 웨브(132)는 바람직하게는 내부 커버 웨브(124) 및 강성 여과 층(126)과 동일한 중합체 조성의 1성분 웨브이다. 바람직하게는, 적어도 강성 여과 층(126)의 최종 외부 표면(즉, 완성된 호흡기에서 착용자로부터 멀리 향할 표면)은 캘린더링되는데, 이는 쉐딩(shedding)을 충분하게 방지할 수 있어서 외부 커버 웨브(132)가 생략될 수도 있게 할 수 있기 때문이다. 강성 여과 층(126)의 두 주 표면 모두가 충분하게 캘린더링된 경우, 쉐딩이 충분하게 방지될 수 있어서 내부 커버 웨브(124) 및 외부 커버 웨브(132) 둘 모두가 생략될 수도 있게 할 수 있다.
생성된 1층, 2층 또는 3층 웨브 조립체(134)는 표면력, 정전기력, 열결합, 접착제 또는 본 기술 분야의 숙련자에 친숙한 다른 적합한 수단에 의해 함께 유지될 수 있다. 그 후, 웨브 조립체(134)는 용접 스테이션(136)에서 용접 및 트리밍(trimmed)되어 부분적인 예비성형품(138)을 형성할 수 있다. 예비성형품(138)은 바람직하게는 실질적으로 편평하여, 원하는 호흡기가 정합하는 쉘 주형(shell mold)과 같은 특수한 제조 장비를 필요로 하지 않고서 상대적으로 고속으로 그리고 상대적으로 낮은 비용으로 형성될 수 있다. 그 후, 부분적인 예비성형품(138)은 적어도 하나의 구분선이 부분적인 예비성형품(138)에 형성되어 구분된 예비성형품(142)을 생성하는 구분 스테이션(140)을 통과한다. 원하는 구분선 또는 구분선들은 초음파 용접, 압력의 인가(열이 존재하거나 존재하지 않음), 재봉, 접착제 바아(adhesive bar)의 적용 등을 비롯한 다양한 기술에 의해 형성될 수 있다. 도 3에 도시된 구분된 예비성형품(142)은 A, A', B, 및 B'로 나타낸 4개의 구분선을 포함한다. 구분선 또는 구분선들은 예비성형품 내의 층들의 탈층(delamination)을 방지하거나 억제하는데 도움을 줄 수 있으며, 착용 중에 하나 이상의 여과 패널의 강성을 증가시킬 수 있고, 호흡기가 사용을 위해 펼쳐지거나 보관을 위해 접혀진 때 여과 패널들 사이의 경계에서 가요성을 개선할 수 있다. 그 후, 구분된 예비성형품(142)은 완성된 예비성형품(146)이 웨브 조립체(134)로부터 제거되어 권취 릴(150, take-up reel) 상으로 감길 수 있는 천공된 스크랩 부분(148)을 남기는 절단 스테이션(144)으로 전진될 수 있다. 스크랩 부분(148) 내의 여러 층들이 동일한 중합체 조성을 갖는 웨브인 경우, 스크랩 부분(148)은 즉시 또는 임의의 편리한 후속 단계에서 (예를 들어, 분쇄 장치, 압출기 또는 본 기술 분야의 숙련자에게 친숙한 다른 재생 장비를 사용하여) 회수 및 재생될 수 있어서, 이는 새로운 시재료로 만들어질 수 있다. 시재료는 예를 들어 커버 웨브(124) 및 강성 여과 층(126) 중 하나 또는 둘 모두를 만드는 데 사용될 수 있으며, 이때 여과 층(126)을 만들기 위해 이용되는 경우 일렉트릿 대전 첨가제의 양에 대한 적절한 조정이 이루어진다.
이제 도 4를 참조하면, 그 후 예비성형품(146)은 이등분 접힘부(18)를 따라 접힐 수 있으며, 이어서 기구(10)의 최종 크기에 영향을 미칠 시임(28, 32)(도 1 및 도 2에 도시됨)을 형성하기 위해 미리설정된 각도(40, 42)로 선(C, D)을 따라 용접, 재봉 또는 달리 체결될 수 있다. 예비성형품(142)은 또한 (예를 들어, 시임(28, 32)이 형성되기 전에, 형성되는 동안, 또는 형성된 후에) 폐기 부분(152, 154)을 제거하기 위해 트리밍될 수 있다. 폐기 부분(152, 154) 내의 여러 층들 각각이 동일한 중합체 조성을 갖는다면, 폐기 부분(152, 154)은 전술한 바와 같이 재생되어 새로운 시재료로 만들어질 수 있다. 임의의 다른 원하는 부착물이 부착될 수 있으며, 완성된 호흡기는 개별 패키징 및 벌크 패키징을 비롯한 임의의 편리한 방식으로 포장될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 코덮개(36)와 같은 부착물이 제조 공정 중 다른 단계에서 더욱 편리하게 부착될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 코덮개는 웨브들이 합쳐지기 전에 내부 커버 웨브(124) 또는 강성 여과 층(126) 중 어느 하나의 외부 또는 내부 표면 상에, 또는 예비성형품이 폐기 부분(148)으로부터 절단되기 전에 예비성형품(138)의 내부 또는 외부 표면 상에, 또는 시임(28, 32)이 형성되기 전 또는 형성된 후에 예비성형품(142) 상에 또는 그 내부에 위치될 수 있다.
개시된 강성 여과 패널로부터 형성될 수 있는 다른 플랫 폴드형 호흡기가 도 5 및 도 6에 도시되어 있으며, 이들 도면은 각각 편평하게 접힌 형상 및 펼쳐져 벌어진 사용 준비 형상으로 기구(160)를 도시한다. 기구(160)는 바람직하게는 개시된 강성 여과 웨브로부터 제조된 중앙 패널(162)을 포함한다. 기구(160)는 또한, 역시 개시된 강성 여과 웨브로부터 제조될 수도 있지만 바람직하게는 강성 여과 웨브 외의 통상의 것으로부터 제조되는 상부 패널(164) 및 하부 패널(166)을 포함한다. 패널(162)은 시임(168, 170)을 통해 패널(164, 166)에 각각 결합된다. 패널(162)은 바람직하게는 실질적으로 타원형 형상을 가지며, 시임(168, 170)은 바람직하게는 얼굴을 가리지 않는(off-the-face) 형상을 비롯한 편안한 밀착 착용 특징을 갖는 호흡기를 제공하기 위해 만곡되거나 곡선형이다. 도 5 및 도 6에 도시된 실시 형태에서, 중앙 패널(162), 상부 패널(164) 및 하부 패널(166) 각각은 비주름형(non-pleated)이다. 기구(160)는 또한 부착 지점(172), 머리밴드(174) 및 코 클립(176)을 포함할 수 있다. 기구(160)와 같은 호흡기에 관한 추가의 상세 사항은 미국 특허 제6,123,077호(보스톡 등)에서 확인할 수 있다. 그러한 기구의 다른 예시적인 실시 형태는 개시된 강성 여과 웨브로부터 제조되며 약 160 내지 220 ㎜의 폭과 약 30 내지 110 ㎜의 높이를 갖는 중앙 패널을 포함하며, 이 기구는 상부 패널 또는 하부 패널이 적어도 부분적으로 중앙 패널의 표면과 마주하여 접촉하고 하부 패널 또는 상부 패널의 일부분과 접촉하는 상태로 보관을 위해 편평하게 접힐 수 있다.
다양한 다른 플랫 폴드형 호흡기가 개시된 강성 여과 웨브로부터 형성될 수 있다. 이러한 호흡기의 예에는 미국 특허 제2,007,867호(르 덕(Le Duc)), 제2,265,529호(켐프(Kemp)), 제2,565,124호(듀보로(Durborow)), 제2,634,724호(번즈(Burns)), 제2,752,916호(할리처(Haliczer)), 제3,664,335호(바우처(Boucher) 등), 제3,736,928호(앤더슨(Andersson) 등), 제3,971,369호(애스펠린(Aspelin) 등), 제4,248,220호(화이트(White)), 제4,300,549호(파커(Parker)), 제4,417,575호(힐턴(Hilton) 등), 제4,419,993호(페터슨(Peterson)), 제4,419,994호(힐턴), 제4,600,002호(마리야넥(Maryyanek) 등), 제4,920,960호(허바드(Hubbard) 등), 제5,322,061호(브룬손(Brunson)), 제5,701,892호(블레드스테인(Bledstein)), 제5,717,991호(노자키(Nozaki) 등), 제5,724,964호(브룬손 등), 제5,735,270호(베이어(Bayer)) 및 제6,474,336 B1호(울프(Wolfe))와, 영국 특허 출원 제2 103 491호(아메리칸 옵티컬 코포레이션(American Optical Corporation))에 도시된 것들이 포함된다.
개시된 호흡기는 주름형이거나 비주름형일 수 있으며, 바람직하게는 비주름형이다. 개시된 호흡기는 또한 하나 이상의 성형된 부분 또는 패널을 포함할 수 있지만, 바람직하게는 성형을 필요로 하지 않고서 제조된다. 개시된 강성 여과 패널은 이용 가능한 호흡기 여과 영역의 작은 부분, 대부분 또는 심지어 전부에 해당할 수 있다. 개시된 접힘부, 시임, 용접부, 결합부 또는 다른 구분선들은 직선이거나, 만곡되거나, 또는 곡선형일 수 있다. 다수의 구분선을 포함하는 몇몇 실시 형태에서, 구분선 또는 구분선들은 다른 구분선 또는 구분선들과 교차할 수 있다. 다른 실시 형태에서는, 어떠한 구분선도 다른 구분선과 교차하지 않을 것이다. 개시된 호흡기는 95 L/분으로 유동하는 1 중량% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 때 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 가질 수 있다. 예를 들어, 이는 0.09 ㎪ (10 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 가질 수 있다. 개시된 호흡기는 또한 95 L/분으로 유동하는 1 중량% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 때 20% 미만의 최대 투과율을 가질 수 있다. 예를 들어, 이는 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 2% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 때 5% 미만의 최대 로딩 투과율(maximum loading penetration) 또는 1% 미만의 최대 로딩 투과율을 가질 수 있다.
다양한 중합체 섬유 형성 재료가 개시된 강성 여과 웨브를 제조하는 데 사용될 수 있다. 중합체는 본질적으로 선택된 섬유 및 웨브 형성 공정을 받을 수 있고 만족스러운 일렉트릿 특성 또는 전하 분리를 유지할 대전된 부직 웨브를 제공할 수 있는 임의의 반결정질 열가소성 섬유 형성 재료일 수 있다. 바람직한 중합체 섬유 형성 재료는 실온(22℃)에서 1014 ohm-㎝ 이상의 체적 저항을 갖는 비전도성 반결정질 수지이다. 바람직하게는, 체적 저항은 약 1016 ohm-㎝ 이상이다. 중합체 섬유 형성 재료의 저항은 표준화된 시험 ASTM D 257-93에 따라 측정될 수 있다. 중합체 섬유 형성 재료는 또한 바람직하게는 전기 전도성을 현저하게 증가시키거나 또는 달리 정전기 전하를 수용하여 유지하는 섬유의 능력을 방해할 수 있는 정전기 방지제와 같은 성분이 실질적으로 없다. 대전 가능한 웨브에 사용될 수 있는 중합체의 몇몇 예는 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 사이클릭 올레핀 공중합체, 및 그러한 중합체들의 조합을 함유하는 열가소성 중합체를 포함한다. 사용될 수 있지만 대전이 어려울 수 있거나 전하를 빠르게 상실할 수 있는 다른 중합체는 폴리카르보네이트, 블록 공중합체, 예컨대 스티렌-부타디엔-스티렌 및 스티렌-아이소프렌-스티렌 블록 공중합체, 폴리에스테르, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리우레탄, 및 본 기술 분야의 숙련자에게 친숙한 다른 중합체를 포함한다. 개시된 강성 여과 웨브는 바람직하게는 폴리-4-메틸-1 펜텐 또는 폴리프로필렌으로부터 제조된다. 가장 바람직하게는, 웨브는 특히 수분 환경에서 전하를 보유하는 능력 때문에 폴리프로필렌 단일중합체로부터 제조된다.
첨가제가 중합체에 첨가되어, 여과 웨브의 성능, 일렉트릿 대전 용량, 기계적 특성, 시효 특성, 착색, 표면 특성 또는 다른 관심 특징을 향상시킬 수 있다. 대표적인 첨가제는 충전제, 핵화제(예컨대, 밀리켄 케미컬(Milliken Chemical)로부터 구매 가능한 밀라드(MILLAD)™ 3988 다이벤질리덴 소르비톨), 일렉트릿 대전 촉진 첨가제(예컨대, 트라이스테아릴 멜라민, 및 시바 스페셜티 케미컬즈(Ciba Specialty Chemicals)의 키마소브(CHIMASSORB)™ 119 및 키마소브 944와 같은 다양한 광 안정화제), 경화 개시제, 강화제(예컨대, 폴리(4-메틸-1-펜텐)), 표면 활성화제 및 표면 처리제(예컨대, 존스(Jones) 등의 미국 특허 제6,398,847 B1호, 제6,397,458 B1호, 및 제6,409,806 B1호에 설명된 바와 같은 유상 미스트 환경에서 여과 성능을 개선하기 위한 불소 원자 처리제)를 포함한다. 그러한 첨가제의 유형 및 양은 본 기술 분야의 숙련자에게 친숙할 것이다. 예를 들어, 일렉트릿 대전 촉진 첨가제는 일반적으로 약 5 중량% 미만, 더 전형적으로 약 2 중량% 미만의 양으로 존재한다.
개시된 강성 여과 웨브는 다양한 유효 섬유 직경(EFD) 값, 예를 들어 약 5 내지 약 40 ㎛, 또는 약 6 내지 약 35 ㎛의 EFD를 가질 수 있다. 웨브는 또한 다양한 평량, 예를 들어 약 100 내지 약 500 g/㎡(gsm) 또는 약 150 내지 약 250 gsm의 평량을 가질 수 있다. 개시된 웨브는 약 200 ㎎ 이상, 약 300 ㎎ 이상, 약 400 ㎎ 이상, 약 500 ㎎ 이상, 약 1000 ㎎ 이상 또는 약 2000 ㎎ 이상의 걸리 강성 값을 가질 수 있다.
개시된 강성 여과 웨브는 2006년 7월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/461,136호와 제11/461,145호, 및 2007년 3월 29일자로 출원된 공히 계류중인 미국 특허 출원 제11/693,017호에 설명된 웨브와 같이, 마이크로 섬유 및 더 큰 크기의 섬유의 2중 모드 질량 분율/섬유 크기 혼합물을 포함하는 웨브로서 편리하게 형성될 수 있다. 후자의 출원에 설명된 제조 공정은 예시적이며, 다음과 같이 요약될 수 있다. 도 7 및 도 8은 동일한 중합체 조성의 혼합된 연속적인 마이크로 섬유 및 더 큰 크기의 섬유의 2중 모드 섬유 수/섬유 크기 혼합물을 포함하는 다공성 1성분 부직 웨브를 제조하기 위한 장치(200)를 도시한다. 멜트블로잉 다이(202)는 제1 유량 또는 제1 점도로 호퍼(204), 압출기(206) 및 도관(208)으로부터 공급되는 액화된 제1 섬유 형성 재료를 공급받는다. 다이(202)는 상이한 제2 유량 또는 점도로 호퍼(212), 압출기(214) 및 도관(216)으로부터 공급되는 동일한 중합체 조성의 액화된 제2 섬유 형성 재료를 별도로 공급받는다. 도관(208, 216)은 다이 공동(218, 220)에 대한 외벽을 형성하는 대체로 대칭인 제1 및 제2 부분(222, 224) 내에 위치된 제1 및 제2 다이 공동(218, 220)과 각각 유체 연통한다. 대체로 대칭인 제1 및 제2 부분(226, 228)은 다이 공동(218, 220)에 대한 내벽을 형성하고, 시임(230)에서 만난다. 부분(226, 228)은 절연체(232)에 의해 길이의 대부분을 따라 분리될 수 있다. 편향기 플레이트(240, 242, deflector plate)는 세장화 유체(예컨대, 가열된 공기)의 스트림을 안내하여, 이들이 멜트블로잉 다이(202)로부터 나오는 필라멘트(252)의 어레이 상에 수렴하여 필라멘트(252)를 섬유(254)로 세장화하게 한다. 섬유(254)는 다공성 수집기(256)에 대해 놓이고 자립식 부직 멜트블로운 웨브(258)를 형성한다. 웨브(258)는 선택적으로 예컨대 롤러(260, 262)를 사용하여 캘린더링되어, 캘린더링된 웨브(264)를 제공할 수 있다. 중합체가 호퍼(204, 212)로부터 공급되는 속도, 수집기(256)가 작동되는 속도 또는 장치(200)가 작동할 때 이용되는 온도는 원하는 정도의 걸리 강성을 갖는 수집된 웨브를 제공하도록 조정될 수 있다.
도 8은 세장화 기체 편향기 플레이트(240, 242)가 제거된 멜트블로잉 다이(202)를 출구 단부 사시도로 도시한다. 부분(222, 224)은 제1 세트의 오리피스(246) 및 제2 세트의 오리피스(248)가 위치되고 그를 통해 필라멘트(252)의 어레이가 나올 시임(244)을 따라 만난다. 다이 공동(218, 220)은 통로(234, 236, 238)를 통해 제1 세트의 오리피스(246) 및 제2 세트의 오리피스(248)와 각각 유체 연통한다.
도 7 및 도 8에 도시된 장치는 하나의 다이 공동으로부터 나오는 더 큰 크기의 섬유 및 다른 다이 공동으로부터 나오는 더 작은 크기의 섬유의 스트림을 제공하고 그럼으로써 동일한 중합체 조성의 혼합된 더 큰 크기의 섬유 및 더 작은 크기의 섬유의 2중 모드 질량 분율/섬유 크기 혼합물을 포함하는 부직 웨브를 형성하도록 여러 모드로 또는 여러 방식으로 변경되어 작동될 수 있다. 예를 들어, 동일한 중합체가 각각의 압출기(206, 214)로부터 (또는, 필요한 경우, 도 7에 도시되지 않은 2개의 출구를 갖는 단일 압출기로부터) 더 큰 크기의 도관(208)을 통해 다이 공동(218)으로 그리고 더 작은 크기의 도관(216)을 통해 다이 공동(220)으로 공급되어, 오리피스(246)으로부터 더 작은 크기의 섬유를 그리고 오리피스(248)로부터 더 큰 크기의 섬유를 생성할 수 있다. 압출기(206)가 압출기(214)보다 더 큰 직경 또는 더 높은 작동 온도를 가진 상태로 동일한 중합체가 압출기(206)로부터 다이 공동(218)으로 그리고 압출기(214)로부터 다이 공동(220)으로 공급될 수 있어서, 중합체를 더 높은 유량 또는 더 낮은 점도에서 다이 공동(218)으로 공급하고 더 낮은 유량 또는 더 높은 점도에서 다이 공동(220)으로 공급하여, 오리피스(246)로부터 더 작은 크기의 섬유를 그리고 오리피스(248)로부터 더 큰 크기의 섬유를 생성할 수 있다. 다이 공동(218)은 고온에서 작동될 수 있으며 다이 공동(220)은 저온에서 작동될 수 있어서, 오리피스(246)로부터 더 작은 크기의 섬유를 생성하고 오리피스(248)로부터 더 큰 크기의 섬유를 생성할 수 있다. 동일한 중합체 조성이지만 용융 지수가 상이한 중합체가 (예를 들어, 오리피스(246)로부터 더 작은 크기의 섬유를 그리고 오리피스(248)로부터 더 큰 크기의 섬유를 생성하도록 압출기(206) 내에서 낮은 용융 지수 버전의 중합체를 그리고 압출기(214) 내에서 높은 용융 지수의 동일한 중합체를 사용하여) 압출기(206)로부터 다이 공동(218)으로 그리고 압출기(214)로부터 다이 공동(220)으로 공급될 수 있다. 본 기술 분야의 숙련자는 다른 기술(예컨대, 다이 공동(218)으로 유동하는 액화된 섬유 형성 재료의 스트림 내에 용제를 포함시키는 것, 또는 다이 공동(218)을 통한 더 짧은 유동 경로 및 다이 공동(220)을 통한 더 긴 유동 경로를 사용하는 것) 및 그러한 기술들과 전술한 다양한 작동 모드의 조합이 또한 이용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다.
도 8에 도시된 실시 형태의 경우, 오리피스(246, 248)는 다이(202)의 출구 단부에 걸쳐 단일 열로 교번하는 순서로 배열되며, 다이 공동(218, 220)과 1:1의 비로 각각 유체 연통한다. 오리피스의 다른 배열 및 오리피스(246, 248)의 개수의 다른 비가 변경된 섬유 크기 분포를 갖는 부직 웨브가 제공하도록 이용될 수 있다. 예를 들어, 오리피스는 세장화 공기 출구들 사이에서 복수의 열(예를 들어, 2, 3, 4 또는 그 이상의 열)로 배열될 수 있다. 필요한 경우, 예를 들어 무작위로 배치된 오리피스와 같이, 열 이외의 패턴이 이용될 수도 있다. 복수의 열로 배열되는 경우, 각각의 열은 단 하나의 세트로부터 또는 제1 및 제2 세트 둘 모두로부터의 오리피스들을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 세트 내의 오리피스의 개수는 다양한 비, 예를 들어 10:90, 20:80, 30:70, 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10 및 원하는 웨브 구조에 따른 다른 비를 나타낼 수 있다. 제1 및 제2 세트 둘 모두로부터의 오리피스들이 하나의 열 또는 열들로 배열될 때, 제1 및 제2 세트의 오리피스는 교번할 필요는 없으며, 대신에 임의의 원하는 방식, 예를 들어 1221, 1122211, 11112221111 및 원하는 웨브 구조에 따른 다른 배열로 배열될 수 있다. 다이 선단부는 3중 또는 그 이상의 모드의 섬유 크기 분포를 가진 웨브를 얻도록, 멜트블로잉 다이 내의 제1, 제2, 제3, 및 필요한 경우 추가의 다이 공동과 각각 유체 연통하는 일 세트 초과의 오리피스, 예컨대 제1, 제2, 제3, 및 필요한 경우 추가 세트의 오리피스를 포함할 수 있다.
관련 멜트블로잉 장치의 나머지 부분은 본 기술 분야의 숙련자에게 친숙할 것이다. 예를 들어, 용융취입법에 관한 추가의 상세 사항은 문헌[Wente, Van A. "Superfine Thermoplastic Fibers", in Industrial Engineering Chemistry, Vol. 48, pages 1342 et seq. (1956)], 또는 문헌[Report No. 4364 of the Naval Research Laboratories, published May 25, 1954, entitled "Manufacture of Superfine Organic Fibers" by Wente, V. A.; Boone, C. D.; and Fluharty, E. L.], 및 미국 특허 제5,993,943호(보다기(Bodaghi) 등)에서 확인할 수 있다.
개시된 강성 여과 웨브는 또한 도 9에 도시된 것과 같은 장치(270) 및 용융취입법을 사용하여 형성될 수 있다. 호퍼(272) 및 압출기(274)로부터 공급되는 액화된 섬유 형성 중합체 재료는 입구(278)를 통해 멜트블로잉 다이(276)로 진입하고, 다이 공동(280)을 통해 유동하며, 다이 공동(280)의 전방 단부를 가로질러 일렬로 배열된 더 큰 크기의 오리피스 및 더 작은 크기의 오리피스의 열(도 10과 관련하여 이하 논의함)을 통해 다이 공동(280)을 빠져 나오며, 이를 통해 섬유 형성 재료가 필라멘트(282)의 어레이로서 압출된다. 기체, 전형적으로는 가열된 공기가 매우 높은 속도로 가압되는 일 세트의 상호작용하는 기체 오리피스가 필라멘트(282)를 섬유(284)로 세장화한다. 섬유(284)는 다공성 수집기(286)에 대해 놓여지고 자립식 부직 멜트블로운 웨브(288)를 형성한다. 웨브는 선택적으로 예컨대 롤러(260, 262)를 사용하여 캘린더링되어, 캘린더링된 웨브(289)를 제공할 수 있다. 중합체가 호퍼(272)로부터 공급되는 속도, 수집기(286)가 작동되는 속도 또는 장치(270)가 작동할 때 이용되는 온도는 원하는 정도의 걸리 강성을 갖는 수집된 웨브를 제공하도록 조정될 수 있다.
도 10은 세장화 기체 편향기 플레이트가 제거된 멜트블로잉 다이(276)를 출구 단부 사시도로 도시한다. 다이(276)는 복수의 유동 통로를 형성하는 더 큰 오리피스(294) 및 더 작은 오리피스(296)의 열(292)을 갖는 돌출된 선단부(290)를 포함하고, 이 유동 통로를 통해 액화된 섬유 형성 재료가 다이(276)를 빠져 나와서 필라멘트(282)를 형성한다. 구멍(298)이 다이의 여러 부분들을 함께 유지하는 (도 10에는 도시 안된) 관통 볼트를 수납한다. 도 10에 도시된 실시 형태에서, 더 큰 오리피스(294) 및 더 작은 오리피스(296)는 2:1의 크기 비를 갖고, 각각의 더 큰 오리피스(294)에 대해 9개의 더 작은 오리피스(296)가 있다. 더 큰 오리피스 크기 대 더 작은 오리피스 크기의 다른 비, 예를 들어 1.5:1 이상, 2:1 이상, 2.5:1 이상, 3:1 이상, 또는 3.5:1 이상의 비가 사용될 수 있다. 더 큰 오리피스에 대한 더 작은 오리피스의 개수의 다른 비, 예를 들어 5:1 이상, 6:1 이상, 10:1 이상, 12:1 이상, 15:1 이상, 20:1 이상 또는 30:1 이상의 비가 또한 사용될 수도 있다. 전형적으로, 더 큰 오리피스에 대한 더 작은 오리피스의 개수와 더 큰 크기의 섬유에 대한 더 작은 직경의 섬유(예컨대, 적절한 작동 조건 하에서의 마이크로 섬유)의 개수 사이에 직접적인 대응 관계(correspondence)가 있을 것이다. 본 기술 분야의 숙련자에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 적절한 중합체 유량, 다이 작동 온도 및 세장화 공기 유량은 더 큰 크기의 섬유가 더 큰 오리피스에 의해 형성된 세장화된 필라멘트로부터 생성되고 마이크로 섬유가 더 작은 오리피스에 의해 형성된 세장화된 필라멘트로부터 생성되며 완성된 웨브가 원하는 구조, 강성 및 기타 물리적 특성을 갖도록 선택되어야 한다.
개시된 2중 모드 웨브는 더 큰 크기의 섬유를 형성하기 위한 용융방사법을 사용하고 동일한 중합체 조성의 별도로 제조되는 더 작은 크기의 섬유(예컨대, 마이크로 섬유)를 형성하기 위한 용융취입법을 사용하는 것을 포함하는 다른 방식으로 제조될 수 있다. 멜트스피닝 다이로부터의 더 큰 크기의 섬유 스트림 및 멜트블로잉 다이로부터의 더 작은 크기의 섬유 스트림은 2개의 스트림이 공중에서 병합하여 이후 적합한 수집기 상에 놓일 수 있는 혼합된 더 큰 섬유 및 더 작은 섬유의 조합된 스트림을 제공하여, 더 큰 크기의 섬유와 더 작은 크기의 섬유의 2중 모드 질량 분율/섬유 크기 혼합물을 포함하는 부직 웨브를 제공하도록 위치될 수 있다. 이러한 공정 및 그와 같이 제조된 부직 웨브에 관한 추가의 상세 사항은 2006년 7월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/457,906호, 제11/461,145호 및 제11/461,192호에 도시되어 있다.
개시된 강성 여과 웨브는 또한, 2006년 7월 31일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/457,899호, 제11/461,128호 및 제11/461,201호에 설명된 웨브와 유사하게, 배향 및 섬유 구조를 유지하면서 추가로 연화될 수 있는, 응집성이고 취급 가능한 웨브를 형성하도록 결합된 동일한 중합체 조성의 부분적으로 결정질이고 부분적으로 비정질인 배향된 멜트스펀 섬유들의 웨브를 형성하기에 충분한 열 조건 하에서 1성분 중합체 섬유들을 용융방사, 수집, 가열 및 급랭시킴으로써 제조된 연속적인 1성분 중합체 섬유들의 1성분 단층 부직 웨브로서 편리하게 형성될 수 있다. 이들 출원에 설명된 제조 공정은 예시적인 것이며, 다음과 같이 요약될 수 있다. 비정질 특징 상을 포함하는 배향된 반결정질 멜트스펀 섬유의 수집된 웨브가, a) 전체 섬유를 용융시키기에는(즉, 그러한 섬유가 개별 섬유 성질을 상실하게 하기에는) 너무 짧은 시간(바람직하게는, 가열 시간은 섬유 단면의 상당한 뒤틀림을 일으키기에는 너무 짧음) 동안 (그러한 섬유 재료의 개시 용융 온도보다 대체로 높은) 섬유의 비정질 특징 상을 연화시키기에 충분히 높은 온도로 가열된 유체를 웨브를 통해 강제로 통과시키고, b) 연화된 섬유를 고화시키기에(즉, 열처리 중에 연화된 섬유의 비정질 특징 상을 고화시키기에) 충분한 열 용량을 갖는 유체를 웨브를 통해 강제로 통과시킴으로써 웨브를 즉시 급랭시키는 것을 포함하는 제어된 가열 및 급랭 작업을 받게 된다. 바람직하게는, 웨브를 통과한 유체는 기체 스트림이고, 바람직하게는 이 유체는 공기이다. 이러한 맥락에서, 웨브를 통해 유체 또는 기체 스트림을 "강제로(forcefully)" 통과시키는 것은 정상 실압(room pressure)에 더하여 소정의 힘이 유체에 가해져 웨브를 통과해 유체를 추진하는 것을 의미한다. 바람직한 실시 형태에서, 개시된 급랭 단계는 가열된 기체를 웨브를 통해 흡인하는 것을 보조하기 위해 웨브의 타 측면 상에 기체 취출 장치가 있는 상태로, 압력 하에서 히터로부터 나와 웨브의 일 측면에 닿게 되는 집중되고 가열된 기체(전형적으로, 공기) 스트림을 제공하는 (후술하는 바와 같이, 급랭식 유동 히터로 불릴 수 있는) 장치를 통해 컨베이어 상의 웨브를 통과시키는 것을 포함하고, 대체로 가열된 스트림은 (긴 슬롯 또는 직사각형 슬롯으로부터 발산하는 것과 같이) 나이프형 또는 커튼형이고, 웨브의 폭을 가로질러 연장하고, 균일하다(즉, 온도 및 유동 면에서 균일성을 가져서 웨브 내의 섬유를 유용한 정도의 균일도로 가열한다). 가열된 스트림은 몇몇 관점에서 "쓰루-에어 본더(through-air bonder)" 또는 "핫-에어 나이프(hot-air knife)"로부터의 가열된 스트림과 유사하지만, 유동을 조절하는 특수한 제어를 받아서 멜트스펀 섬유를 유용하게 높은 온도로 완전히, 균일하게 그리고 신속하게 가열 및 연화시키도록 가열된 기체가 웨브의 폭을 통해 균일하게 그리고 제어된 속도로 분포되게 할 수 있다. 가열에 바로 이어 강제 급랭되어 섬유를 정제된 형태학적 형상으로 신속하게 동결시킨다("즉시(immediately)"는 동일한 작업의 일부라는 것, 즉 웨브가 후속 처리 단계 이전에 롤로 권취될 때 발생하는 저장의 개재 시간이 없다는 것을 의미한다). 바람직한 실시 형태에서, 기체 장치가 가열된 기체 스트림으로부터 웨브 하류에 위치되어, 웨브가 가열된 직후 냉각 기체 또는 다른 유체, 예컨대 주위 공기를 웨브를 통해 흡인하고, 이럼으로써 섬유를 신속하게 급랭시킨다. 가열 길이는, 전체 섬유를 용융시키지 않으면서 비정질 특징 상의 의도된 용융/연화를 일으키도록, 예컨대 웨브 이동 경로를 따른 가열 영역의 길이에 의해 그리고 웨브가 가열 영역을 통해 냉각 영역으로 이동되는 속도에 의해 제어된다.
도 11을 참조하면, 중합체 섬유 형성 재료를 호퍼(311) 내로 도입하고, 압출기(312) 내에서 이 재료를 용융시키고, 용융된 재료를 펌프(313)를 통해 압출 헤드(310) 내로 펌핑함으로써, 섬유 형성 재료가 이러한 예시적인 장치 내에서 압출 헤드(310)로 이동된다. 펠릿 또는 다른 미립자 형태의 고체 중합체 재료가 가장 일반적으로 사용되고, 펌핑 가능한 액체 상태로 용융된다. 압출 헤드(310)는 규칙적인 패턴, 예컨대 직선 열로 배열된 다수의 오리피스를 일반적으로 포함하는 종래의 방사구(spinnerette) 또는 방사 팩(spin pack)일 수 있다. 섬유 형성 액체의 필라멘트(315)가 압출 헤드로부터 압출되어 처리 챔버 또는 세장화기(316, attenuator)로 이송된다. 세장화기는 예를 들어 미국 특허 제6,607,624 B2호(베리건(Berrigan) 등)에 도시된 것과 같은 가동 벽 세장화기일 수 있다. 필라멘트가 노출되는 조건이 변할 수 있는 바와 같이, 압출된 필라멘트(315)가 세장화기(316)에 도달하기 전에 이동하는 거리(317)가 변할 수 있다. 공기 또는 다른 기체의 급랭 스트림(318)이 압출된 필라멘트에 제공되어 압출된 필라멘트(315)의 온도를 낮출 수 있다. 대안적으로, 공기 또는 다른 기체의 스트림은 가열되어 섬유의 인발을 용이하게 할 수 있다. 공기 또는 다른 유체의 하나 이상의 스트림, 예컨대 압출 중에 방출되는 원하지 않는 기체 물질 또는 연기를 제거할 수 있는, 필라멘트 스트림에 대해 횡방향으로 송풍되는 제1 공기 스트림(318a)과, 원하는 대부분의 온도 감소를 달성하는 제2 급랭 공기 스트림(318b)이 있을 수 있다. 훨씬 더 많은 급랭 스트림이 사용될 수 있는데, 예를 들어 스트림(318b) 자체가 원하는 수준의 급랭을 달성하기 위한 하나 초과의 스트림을 포함할 수 있다. 사용되는 공정 또는 원하는 완성된 제품의 형태에 따라, 급랭 공기는 압출된 필라멘트(315)가 세장화기(316)에 도달하기 전에 이를 고화시키기에 충분할 수 있다. 다른 경우에, 압출된 필라멘트는 세장화기에 진입할 때까지 여전히 연화 또는 용융된 상태에 있다. 대안적으로, 급랭 스트림이 사용되지 않으며, 그러한 경우에 압출 헤드(310)와 세장화기(316) 사이의 주위 공기 또는 다른 유체가 압출된 필라멘트가 세장화기에 진입하기 전에 압출된 필라멘트 내의 임의의 변화를 위한 매체일 수 있다.
필라멘트(315)는 세장화기(316)를 통과하고, 이어서 수집기(319) 상으로 배출되며, 여기에서 섬유의 집합체(320)로서 수집된다. 세장화기 내에서, 필라멘트는 길어지고 직경이 감소되며, 필라멘트 내의 중합체 분자들이 배향되고, 섬유 내의 중합체 분자들 중 적어도 일부는 섬유의 종축과 정렬된다. 반결정질 중합체의 경우에, 이러한 배향은 대체로 변형 유도 결정성을 발현하기에 충분하고, 이는 생성된 섬유를 아주 강하게 한다. 수집기(319)는 일반적으로 다공성이고, 기체 취출 장치(414)가 수집기 아래에 위치되어 수집기 상으로의 섬유의 적층을 보조할 수 있다. 세장화기 출구와 수집기 사이의 거리(321)는 상이한 효과를 얻기 위해 변할 수 있다. 또한, 수집 이전에, 압출된 필라멘트 또는 섬유는 도 11에 도시되지 않은 다수의 추가적인 처리 단계, 예컨대 추가적인 인발, 분사 등을 받을 수 있다. 수집 후에, 수집된 집합체(320)는 더 상세하게 후술하는 바와 같이 일반적으로 가열 및 급랭되지만, 집합체는 필요하다면 이후의 가열 및 급랭을 위해 저장 롤로 권취될 수 있다. 일반적으로, 집합체(320)가 가열 및 급랭되면, 이는 선택적인 캘린더 롤(322, 323, calender roll)과 같은 다른 장치로 이송될 수 있거나, 또는 이후의 사용을 위해 저장 롤(323)로 권취될 수 있다.
웨브를 형성하는 바람직한 방법에서, 섬유의 집합체(320)는 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 수집기(319)에 의해 운반되어 가열 및 급랭 작업을 거치게 된다. 단순화 목적으로, 특히 도 12 및 도 13에 도시된 장치를 흔히 급랭식 유동 히터 또는 더 간단하게는 급랭식 히터로 부른다. 수집된 집합체(320)는 먼저 수집기(319) 위에 장착된 제어식 가열 장치(400) 아래로 통과된다. 예시적인 가열 장치(400)는 상부 플리넘(402) 및 하부 플리넘(403)으로 분할된 하우징(401)을 포함한다. 상부 및 하부 플리넘은 전형적으로 크기 및 간격이 균일한 일련의 구멍(405)이 천공된 플레이트(404)에 의해 분리된다. 기체, 전형적으로 공기가 도관(407)으로부터 개구(406)를 통해 상부 플리넘(402) 내로 공급되고, 플레이트(404)는 상부 플리넘 내로 공급된 공기가 플레이트를 통해 하부 플리넘(403) 내로 통과될 때 상당히 균일하게 분포되게 하는 유동 분배 수단으로서 기능한다. 다른 유용한 유동 분배 수단은 핀(fin), 배플(baffle), 매니폴드, 에어 댐, 스크린 또는 소결 플레이트, 즉 공기의 분포를 균등하게 하는 장치를 포함한다.
예시적인 가열 장치(400)에서, 하부 플리넘(403)의 바닥 벽(408)은 긴 직사각형 슬롯(409)을 갖도록 형성되고, 이를 통해 하부 플리넘으로부터의 가열된 공기의 커튼형 스트림(410)이 가열 장치(400) 아래에서 수집기(319) 상에서 이동하는 집합체(320) 상으로 송풍된다(집합체(320) 및 수집기(319)는 도 12에서 부분적으로 절결되어 도시되어 있다). 기체 취출 장치(414)는 바람직하게는 가열 장치(400)의 슬롯(409) 아래에 놓이기에 충분히 연장한다(아울러, 후술할 바와 같이, 가열된 스트림(410)을 넘어 표시 영역(420)을 통해 거리(418)로 웨브 하류로 연장한다). 따라서, 플리넘 내의 가열된 공기는 플리넘(403) 내의 내부 압력 하에 있고, 슬롯(409)에서 이 공기는 또한 기체 취출 장치(414)의 배기 진공 하에 있다. 배기력을 추가로 제어하기 위해, 천공 플레이트(411)가 수집기(319) 아래에 위치되어 가열된 공기의 스트림(410)을 수집된 집합체(320)의 폭 또는 가열 영역에 걸쳐 원하는 균일성으로 확산시키는 것에 기여하는 일종의 배압 또는 유동 제한 수단을 부여할 수 있고, 수집된 집합체의 가능한 저밀도 부분을 통한 스트리밍(streaming)을 억제할 수 있다. 다른 유용한 유동 제한 수단은 스크린 또는 소결 플레이트를 포함한다.
플레이트(411) 내의 개구의 개수, 크기 및 밀도는 원하는 제어를 달성하기 위해 상이한 영역들 내에서 변할 수 있다. 다량의 공기가 섬유 형성 장치를 통과하고, 섬유가 영역(415) 내에서 수집기에 도달할 때 폐기되어야 한다. 충분한 공기가 영역(416) 내에서 웨브 및 수집기를 통과하여 처리 공기의 다양한 스트림 하에서 웨브를 제 위치에 유지한다. 처리 공기가 웨브를 통과할 수 있게 하도록 충분한 개방도가 열처리 영역(417)과 급랭 영역(418) 하에서 플레이트 내에서 필요하고, 공기가 더 균등하게 분포되는 것을 보장하도록 충분한 저항이 유지된다. 집합체(320)를 통과하는 가열된 공기의 양 및 온도는 섬유의 형태의 적절한 변형으로 이어지도록 선택된다. 특히, 양 및 온도는 섬유가 가열되어 a) 섬유의 단면 내의 상당한 분자 부분, 예컨대 섬유의 비정질 특징 상의 용융/연화를 일으키지만, b) 다른 주요한 상, 예컨대 미소결정 특징 상의 완전한 용융은 일으키지 않도록 선택된다. 전형적으로 비정질 중합체 재료가 용융되기보다는 연화되고, 비정질 특징 상 내에 어느 정도 존재할 수 있는 결정질 재료가 전형적으로 용융되기 때문에, "용융/연화(melting/softening)"라는 용어를 사용한다. 이는 또한 상과 관계없이, 단순히 섬유 내의 더 낮은 배열의 미소결정의 용융을 일으키기 위한 가열로서 기술될 수도 있다. 섬유는 전체적으로 용융되지 않고 유지되고, 예컨대 섬유는 일반적으로 처리 전에 가졌던 것과 동일한 섬유 형상 및 치수를 유지한다. 미소결정 특징 상의 상당 부분은 열처리 후에 기존의 결정 구조를 유지하는 것으로 이해된다. 결정 구조는 기존의 결정 구조에 추가되었을 수 있거나, 고도로 배열된 섬유의 경우에 결정 구조는 제거되어 구별 가능한 비정질 특징 상과 미소결정 특징 상을 생성했을 수 있다.
수집된 집합체(320) 전체에 걸쳐 의도된 섬유 형태 변화를 달성하기 위해, 온도-시간 조건은 집합체의 전체 가열 영역에 걸쳐 제어되어야 한다. 웨브를 통과하는 가열된 공기의 스트림(410)의 온도가 처리되는 집합체의 폭을 가로질러 5℃의 범위 이내, 바람직하게는 2℃ 또는 심지어 1℃ 이내일 때 바람직한 결과를 얻었다(가열된 공기의 온도는 흔히 작업의 간편한 제어를 위해 가열된 공기의 하우징(401) 내로의 진입 지점에서 측정되지만, 열전쌍에 의해 수집된 웨브에 인접하여 측정될 수도 있다). 또한, 가열 장치는 예컨대 과다 가열 또는 과소 가열을 회피하기 위해 히터를 신속하게 켜고 끔으로써, 시간에 따른 스트림 내의 정상 온도를 유지하도록 작동된다.
가열을 추가로 제어하고 수집된 집합체(320)의 섬유의 원하는 형태의 형성을 완성하기 위해, 집합체는 가열된 공기의 스트림(410)이 가해진 직후에 급랭된다. 그러한 급랭은 대체로 집합체가 제어된 고온 공기 스트림(410)을 벗어날 때 집합체(320) 위에서 이를 통해 주위 공기를 흡인함으로써 얻어질 수 있다. 도 13의 도면 부호 420은 주위 공기가 웨브를 통해 기체 취출 장치에 의해 웨브를 통해 흡인되는 영역을 나타낸다. 기체 취출 장치(414)는 가열 장치(400)를 넘어 거리(418)만큼 수집기를 따라 연장하여, 영역(420) 내에서의 전체 집합체(320)의 완전한 냉각 및 급랭을 보장한다. 공기가 예컨대 도 13에서 표시된 영역(420a) 내에서 하우징(401)의 기부 아래로 흡인될 수 있어서, 공기는 웨브가 고온 공기 스트림(410)을 벗어난 직후에 웨브에 도달한다. 원하는 급랭 결과는 웨브 및 섬유로부터 열을 신속하게 제거하여, 섬유 내에서 이후에 발생할 결정화 또는 분자 배열의 정도 및 성질을 제한하는 것이다. 일반적으로, 개시된 가열 및 급랭 작업은 웨브가 컨베이어 상에서의 작업을 통해 이동될 때 수행되고, 급랭은 웨브가 작업의 종료 시에 저장 롤로 권취되기 전에 수행된다. 처리 시간은 웨브가 작업을 통해 이동되는 속도에 의존하지만, 일반적으로 총 가열 및 급랭 작업은 1분 이하, 바람직하게는 15초 미만으로 수행된다. 용융/연화된 상태로부터 고화된 상태로의 신속한 급랭에 의해, 비정질 특징 상은 섬유의 연화, 또는 반복 가능한 연화를 방해할 수 있는 분자 물질이 감소된 채로, 더 정제된 결정질 형태로 동결되는 것으로 이해된다. 바람직하게는, 집합체는 공칭 융점보다 50℃ 이상 낮은 온도에서 기체에 의해 냉각되고, 또한 급랭 기체 또는 다른 유체는 바람직하게는 적어도 1초 정도의 시간 동안, 바람직하게는 가열된 스트림이 웨브와 닿는 시간의 적어도 2배 또는 3배의 시간 동안 가해진다. 여하튼, 급랭 기체 또는 다른 유체는 섬유를 신속하게 고화시키기에 충분한 열 용량을 갖는다. 사용될 수 있는 다른 유체는 섬유 상으로 분사되는 물, 예컨대 섬유를 가열하기 위한 가열된 물 또는 증기, 및 섬유를 급랭시키기 위한 상대적으로 차가운 물을 포함한다.
비정질 특징 상의 원하는 열처리 및 형태를 달성하는 데 있어서의 성공은 흔히 처리된 웨브로부터의 대표적인 섬유의 DSC 시험으로 확인될 수 있고, 처리 조건은 전술한 미국 특허 출원 제11/457,899호에 더 상세하게 설명되어 있는 바와 같이 DSC 시험으로부터 습득된 정보에 따라 조정될 수 있다. 바람직하게는, 가열된 공기를 가하고 급랭시키는 것은 적절한 성형된 매트릭스의 형성을 용이하게 하는 특성을 갖는 웨브를 제공하도록 제어된다. 불충분한 가열이 이용되면, 웨브는 성형하기가 어려울 수 있다. 과다한 가열 또는 불충분한 급랭이 이용되면, 웨브는 용융되거나 취성화될 수 있고, 또한 충분한 대전을 취할 수 없다.
2중 모드 강성 여과 웨브가 이용될 때, 마이크로 섬유는 예를 들어 약 0.1 내지 약 10 ㎛, 약 0.1 내지 약 5 ㎛, 또는 약 0.1 내지 약 1 ㎛의 크기 범위를 가질 수 있다. 더 큰 크기의 섬유는 예를 들어 약 10 내지 약 70 ㎛, 약 10 내지 약 50 ㎛ 또는 약 15 내지 약 50 ㎛의 크기 범위를 가질 수 있다. 질량 분율 대 ㎛ 단위의 섬유 크기의 히스토그램은 예를 들어 약 0.1 내지 약 10 ㎛, 약 0.5 내지 약 8 ㎛ 또는 약 1 내지 약 5 ㎛의 마이크로 섬유 모드와, 약 10 ㎛ 초과, 약 10 내지 약 50 ㎛, 약 10 내지 약 40 ㎛ 또는 약 12 내지 약 30 ㎛의 더 큰 크기의 섬유 모드를 가질 수 있다. 개시된 2중 모드 웨브는 또한 섬유 수(도수) 대 ㎛ 단위의 섬유 크기의 히스토그램이 대응 섬유 크기가 더 작은 섬유 크기의 50% 이상, 100% 이상, 또는 200% 이상만큼 상이한 적어도 2개의 모드를 나타내는 2중 모드 섬유 수/섬유 크기 혼합물을 가질 수도 있다. 마이크로 섬유는 또한 예를 들어 웨브의 섬유 표면적의 20% 이상, 40% 이상 또는 60% 이상을 제공할 수도 있다. 부분적으로 결정질이고 부분적으로 비정질인 배향된 멜트스펀 섬유의 웨브가 이용될 때, 섬유는 예를 들어 광학 현미경을 사용하여 측정할 때 약 5 내지 약 70 ㎛, 약 10 내지 약 50 ㎛ 또는 약 10 내지 약 30 ㎛의 크기 범위를 가질 수도 있다. 더 큰 멜트스펀 섬유는 일반적으로 더 강성인 완성된 웨브를 생성한다.
개시된 강성 여과 웨브를 제조하는 데 사용되는 공정 및 공정 조건에 따라, 일부 결합은 웨브 형성 중에 섬유들 사이에서 발생할 수 있으며, 따라서 완성된 웨브는 적어도 일부의 섬유 교차점에서 서로 결합된 섬유를 포함할 수 있다. 수집된 웨브 내의 섬유들 사이의 추가 결합이 원하는 정도의 강성을 갖는 웨브를 제공하기 위해 필요할 수 있다. 그러나, 과도한 결합은 또한 압력 강하 또는 다른 완성된 웨브 또는 호흡기 특성을 제한하기 위해 회피될 필요가 있을 수도 있다.
형성 후, 강성 여과 웨브는 이어서 대전 및 선택적인 캘린더링을 받는다. 대전 및 캘린더링은 어느 순서로도 수행될 수 있지만, 대전이 먼저 수행되어 전하가 전체 웨브 두께에 걸쳐 분배되게 하는 것이 바람직하다. 전하는 다양한 방식으로 개시된 부직 웨브에 부여될 수 있다. 대전은 예를 들어 미국 특허 제5,496,507호(앙가드지방드(Angadjivand) 등, '507)에 개시된 바와 같이 웨브를 물과 접촉시킴으로써, 미국 특허 제4,588,537호(클라세(Klasse) 등)에 개시된 바와 같이 코로나 처리함으로써, 예를 들어 미국 특허 제5,908,598호(루쏘(Rousseau) 등)에 개시된 바와 같이 하이드로차징(hydrocharging)함으로써, 미국 특허 제6,562,112 B2호(존스(Jones) 등) 및 미국 특허 출원 공개 제2003/0134515 A1호(데이비드(David) 등)에 개시된 바와 같이 플라즈마 처리함으로써, 또는 이들의 조합에 의해 수행될 수 있다.
캘린더링은 본 기술 분야의 숙련자에게 친숙한 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 캘린더링은 대개 (예컨대, 적용 가능한 압력에서의 적용 가능한 중합체의 연화점과 융점 사이의 온도까지의) 가열 및 선택적인 압력, 및 점-결합 공정 또는 매끄러운 캘린더 롤을 사용하여 수행된다. 롤 캘린더링이 특히 유용하며, 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 웨브는 2개의 정합하는 가열된 금속 롤 사이에서 1회 이상 통과되어 2개의 매끄러운 면을 갖는 캘린더링된 웨브를 제공할 수 있다. 웨브는 또한 가열된 금속 롤과 정합하는 탄성 롤 사이에서 1회 이상 통과되어 하나의 매끄러운 면을 갖는 캘린더링된 웨브를 제공할 수 있다. 더 촘촘한 롤 갭(roll gap), 더 높은 닙 압력(nip pressure), 더 높은 온도 또는 추가적인 통과의 사용은 일반적으로 웨브가 강화되는 정도를 증가시킬 것이다. 그러나, 캘린더링은 너무 광범위한 정도로 수행되는 경우에 바람직하지 않게 압력 강하를 증가시키거나 완성된 호흡기에서 여과 성능을 손상시킬 수 있다. 캘린더링은 또한 전형적으로 캘린더링된 표면을 더욱 조밀하고 다공성이 덜하게 할 것이다. 강성 여과 층의 하나의 면 또는 두 면 모두를 캘린더링하는 것은 쉐딩을 충분하게 방지할 수 있어서, 완성된 호흡기에서 커버 웨브 중 하나 또는 둘 모두가 필요하지 않게 될 것이다. 따라서, 캘린더링된 강성 여과 웨브는, 완성된 호흡기에서 하나의 강화 층 및 하나 또는 둘 모두의 커버 층의 제거를 가능하게 할 수 있고 그럼으로써 종래의 4층 구성의 층들 중 하나 내지 3개의 층을 제거할 수 있다는 점에서 특히 이점을 제공한다.
개시된 강성 여과 웨브는 다양한 다른 방식으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 강성 여과 웨브는 미국 특허 제6,217,691 B1호 및 제6,358,592 B2호(모두 베어(Vair) 등)에 도시된 것과 유사하게, 부직 웨브의 하나 또는 두 주 표면 모두에서 그리고 이에 바로 인접하여 섬유를 용융시킴으로써 형성된 투과성 스킨 층 또는 층들을 포함할 수 있다.
완성된 호흡기는 선택적으로 경량 구성의 내부 커버 웨브를 포함할 수 있다. 내부 커버 웨브는 착용자의 안면과 마주하는 매끄러운 표면을 제공하여, 호흡기의 편안함을 증가시킬 수 있다. 필요한 경우, 외부 커버 웨브가 또한 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 내부 또는 외부 커버 웨브, 또는 내부 및 외부 커버 웨브 모두가 바람직하게는 적합한 캘린더링된 강성 여과 웨브의 사용을 통해 불필요하게 된다. 내부 및 외부 커버 웨브는 임의의 적합한 구성 및 조성을 가질 수 있다. 예를 들어, 내부 및 외부 커버 웨브는 스펀본드 웨브, 또는 미국 특허 제6,041,782호(앙가드지방드 등, '782)에 설명된 바와 같이 제조된 매끄러운 BMF 웨브일 수 있다. 재생성을 개선하기 위해, 내부 및 외부 커버 웨브는 바람직하게는 강성 여과 웨브와 동일한 중합체 조성을 갖는다. 호흡기는 필요한 경우 전술한 것 이외의 하나 이상의 추가의 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 2006년 5월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 "입자 함유 섬유 웨브(PARTICLE-CONTAINING FIBROUS WEB)"인 미국 특허 출원 제11/431,152호에 설명된 다공성 층과 같은, 흡수 입자를 함유하는 하나 이상의 다공성 층이 관심 증기를 포획하도록 이용될 수 있다.
개시된 강성 여과 웨브의 형성 중에, 전형적으로 평량, 웨브 두께, 고형도 및 걸리 강성과 같은 웨브 특성을 모니터링하는 것이 유용할 것이다. 또한, EFD 및 테이버(Taber) 강성과 같은 추가의 웨브 특성, 또는 압력 강하, 초기 % NaCl 투과율, % DOP 투과율 또는 품질 계수(QF)와 같은 완성된 호흡기의 특성을 모니터링하는 것이 유용할 수 있다. 95 L/분으로 유동하는 1 중량% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 때, 완성된 호흡기는 예를 들어 20% 이하의 최대 NaCl 투과율을 가질 수 있다. 다른 실시 형태에서, 호흡기는 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 2 중량% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 경우에 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만 또는 0.09 ㎪ (10 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 가질 수 있으며, 약 5% 미만 또는 약 1% 미만의 % 최대 NaCl 로딩 투과율을 가질 수 있다.
평량은 폭 방향으로 웨브를 가로질러 수개(예컨대, 3개 이상)의 균등하게 이격된 위치로부터 취한 샘플을 사용하여 중량 측정에 의해 측정될 수 있다. 웨브 두께를 측정하기 위해 유사한 샘플링이 사용될 수 있다. 고형도는 평량 및 웨브 두께 측정치로부터 계산될 수 있다.
걸리 강성은 걸리 프리시전 인스트루먼츠(Gurley Precision Instruments)의 모델 4171E 걸리(GURLEY)™ 굽힘 저항 시험기를 사용하여 측정될 수 있다. 직사각형 샘플(달리 표시되지 않으면 3.8 ㎝ × 5.1 ㎝)이 샘플의 긴 변이 웨브 횡(웨브 횡단) 방향으로 정렬된 상태로 웨브로부터 다이 커팅된다. 샘플은 샘플의 긴 변이 웨브 유지 클램프 내에 있는 상태로 굽힘 저항 시험기 내로 로딩된다. 샘플은 양 방향으로, 즉 시험 아암이 제1 주 샘플 면에 대해 그리고 이어서 제2 주 샘플 면에 대해 가압되면서 휘어지고, 두 측정치의 평균은 밀리그램 단위의 강성으로서 기록된다. 시험은 파괴 시험으로서 처리되고, 추가의 측정이 필요하다면 새로운 샘플을 이용한다.
EFD는 (달리 규정되지 않으면) 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles", Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 설명되어 있는 방법을 사용하여, (5.3 ㎝/초의 면 속도에 대응하는) 32 L/분의 공기 유량을 사용하여 측정될 수 있다.
테이버 강성은 (테이버 인더스트리즈(Taber Industries)로부터 구매 가능한) 모델 150-B 테이버™ 강성 시험기를 사용하여 측정될 수 있다. 3.8 ㎝ × 3.8 ㎝의 정사각형 섹션이 섬유 융합을 방지하도록 예리한 면도날을 사용하여 웨브로부터 주의깊게 절단되고, 3 내지 4개의 샘플 및 15°샘플 편향(deflection)을 사용하여 기계 방향 및 횡단 방향으로의 그의 강성을 측정하기 위해 평가된다.
압력 강하, 퍼센트 투과율 및 여과 품질 계수(QF)는 (달리 표시되지 않으면) 95 또는 85 L/분의 유량으로 전달되는 NaCl 또는 DOP 입자를 함유하는 챌린지 에어로졸을 사용하여 측정되고, (티에스아이 인크.(TSI Inc.)로부터 구매 가능한) 티에스아이(TSI)™ 모델 8130 고속 자동화 필터 시험기를 사용하여 평가될 수 있다. (엠케이에스 인스트루먼츠(MKS Instruments)로부터 구매 가능한) 엠케이에스(MKS) 압력 트랜스듀서(pressure transducer)가 사용되어 필터를 통한 압력 강하(ΔP, ㎜ H2O)를 측정할 수 있다. 95 L/분에서의 NaCl 시험의 경우, 입자는 1% NaCl 용액으로부터 생성될 수 있으며, 자동화 필터 시험기는 히터 및 입자 중화기(particle neutralizer) 둘 모두가 켜진 상태로 작동될 수 있다. 85 L/분에서 그리고 0.075 ㎛ 직경의 입자를 사용하는 NaCl 시험의 경우, 입자는 약 16-23 ㎎/㎥의 대기중 농도(airborne concentration)로 입자를 함유하는 에어로졸을 제공하도록 2% NaCl 용액으로부터 생성될 수 있고, 자동화 필터 시험기는 히터 및 입자 중화기 둘 모두가 켜진 상태로 작동될 수 있다. DOP 시험의 경우, 에어로졸은 약 100 ㎎/㎥의 농도에서 약 0.185 ㎛의 직경을 갖는 입자를 함유할 수 있고, 자동화 필터 시험기는 히터 및 입자 중화기 둘 모두가 꺼진 상태로 작동될 수 있다. 샘플들은 최대 NaCl 또는 DOP 입자 투과율로 로딩될 수 있으며, 보정된 광도계가 필터 입구 및 출구에서 사용되어 입자 농도 및 필터를 통한 % 입자 투과율을 측정할 수 있다. 하기의 방정식,
Figure 112009005863960-PCT00001
이 QF를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 선택된 챌린지 에어로졸에 대해 측정 또는 계산될 수 있는 파라미터는 초기 입자 투과율, 초기 압력 강하, 초기 품질 계수(QF), 최대 입자 투과율, 최대 투과율에서의 압력 강하, 및 최대 투과율에서 로딩된 입자의 밀리그램(최대 투과율 시점까지의 필터에 대한 총 중량 챌린지)를 포함한다. 초기 품질 계수(QF) 값은 보통 전체 성능의 신뢰할 수 있는 지표를 제공하고, 여기서 더 높은 초기 QF 값은 더 양호한 여과 성능을 나타내고 더 낮은 초기 QF 값은 감소된 여과 성능을 나타낸다.
본 발명은 다음의 예시적인 실시예에서 추가로 설명되는데, 여기서 모든 부 및 백분율은 달리 표시되지 않으면 중량에 의한 것이다.
실시예 1
도 7 및 도 8에 도시된 것과 같은 장치 및 문헌[Wente, Van A. "superfine Thermoplastic Fiber", Industrial and Engineering Chemistry, vol. 48. No. 8, 1956, pp 1342-1346] 및 문헌[Naval Research Laboratory Report 111437, Apr. 15, 1954]에 설명된 것과 같은 절차를 사용하여, 멜트블로운 1성분 단층 웨브를 동일한 중합체 조성의 더 큰 섬유 및 더 작은 크기의 섬유로부터 형성하였다. 일렉트릿 대전 첨가제로서 0.8% 키마소브(CHIMASSORB) 944 장애 아민 광 안정화제 및 웨브 내의 더 큰 크기의 섬유의 분포를 평가하는 것을 보조하기 위한 폴리원 코포레이션(PolyOne Corp.)으로부터의 1% 폴리원(POLYONE)™ 번호 CC10054018WE 청색 안료가 첨가된 토탈(TOTAL) 3960 폴리프로필렌(350의 용융 유량 중합체)을 사용하여 더 큰 크기의 섬유를 형성하였다. 생성된 청색 중합체 블렌드를 크롬프턴 앤드 노울즈 코포레이션(Crompton & Knowles Corp.)의 데이비스 스탠다드 디비전(Davis Standard Division)으로부터의 모델 20 데이비스 스탠다드(DAVIS STANDARD)™ 50.8 ㎜ (2 인치) 단축 압출기(single screw extruder)로 공급하였다. 압출기는 152 ㎝ (60 인치)의 길이 및 30/1의 길이/직경 비를 가졌다. 0.8% 키마소브 944 장애 아민 광 안정화제가 첨가된 엑손 모빌 코포레이션(Exxon Mobil Corporation)으로부터 입수 가능한 엑손(EXXON) PP3746 폴리프로필렌(1475의 용융 유량 중합체)을 사용하여 더 작은 크기의 섬유를 형성하였다. 이러한 후자의 중합체는 백색이었고, 크롬프턴 앤드 노울즈 코포레이션의 데이비스 스탠다드 디비전으로부터의 킬리언(KILLION)™ 19 ㎜ (0.75 인치) 단축 압출기로 공급하였다. 제니스 펌프스(Zenith Pumps)로부터의 10 cc/rev 제니스(ZENITH)™ 멜트 펌프(melt pump)를 사용하여, 교번하는 오리피스들이 각각의 다이 공동에 의해 공급받는 10 구멍/㎝ (25 구멍/인치) 간격으로 0.38 ㎜ (0.015 인치) 직경의 오리피스들을 이용하는 50.8 ㎝ (20 인치) 폭의 오리피스가 드릴링된 멜트블로잉 다이 내의 분리된 다이 공동으로 각각의 중합체의 유동을 계량 공급하였다. 가열된 공기가 다이 선단부에서 섬유를 세장화하였다. 에어 나이프는 0.25 ㎜ (0.010 인치) 양의 셋백(positive set back) 및 0.76 ㎜ (0.030 인치) 에어 갭(air gap)을 이용하였다. 적당한 진공을 웨브 형성 지점에서 중간 메시 수집기 스크린을 통해 흡인하였고, 57.2 ㎝ (22.5 인치)의 DCD(다이-수집기 사이의 거리)를 이용하였다. 각각의 압출기로부터의 중합체 속도를 조정함으로써, 75%의 더 큰 크기의 섬유 및 25%의 더 작은 크기의 섬유를 갖는 웨브를 생성하였다. 수집기 속도는 약 200 gsm의 평량을 갖는 웨브를 제공하기 위해 필요한 대로 조정하였다. 압출 온도 및 가열된 공기의 압력은 약 20 ㎛의 EFD 값을 갖는 웨브를 제공하기 위해 필요한 대로 조정하였다. 웨브를 미국 특허 제5,496,507호(앙가드지방드 등, '507)에 교시된 기술에 따라 증류수로 하이드로차징시키고 건조되게 하였으며, 그 후 140℃로 가열되었고 0.76 ㎜의 갭을 가졌으며 3.05 m/분으로 작동된 매끄러운 강철 롤들 사이에서 캘린더링하였다. 아래의 표 1A에 캘린더링된 여과 웨브에 대한 작업 번호, 평량, EFD 및 걸리 강성이 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00002
캘린더링된 여과 웨브를 도 3에 도시된 것과 같은 장치에서 17 gsm의 스펀본드 폴리프로필렌 내부 커버 웨브 및 17 gsm의 스펀본드 폴리프로필렌 외부 커버 웨브와 조합하여, 도 1 및 도 2에 도시된 기구와 같은 플랫 폴드형 호흡기로 제조하였다. 완성된 호흡기를 접었고 펼쳤으며, 편평하게 접었을 때의 우수한 보관 특성 및 착용한 때의 편안한 밀착 착용과 바람직한 얼굴을 가리지 않는 형상 둘 모두를 갖는 것으로 확인되었다. 본 발명의 호흡기 및 별도의 여과 및 강화 층을 사용하여 제조된 비교용 4층 플랫 폴드형 호흡기에 대한 초기 NaCl 입자 투과율을 또한 평가하였다. 아래의 표 1B에 작업 번호, 호흡기 유형, 초기 압력 강하 및 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 직경 NaCl 입자 에어로졸을 사용하는 초기 NaCl 투과율이 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00003
표 1B의 데이터는 작업 번호 1-1R 호흡기가 비교용 4층 호흡기보다 낮은 초기 압력 강하 및 낮은 초기 NaCl 투과율을 가졌다는 것을 보여준다.
실시예 2
실시예 1의 방법을 사용하여, 멜트블로운 1성분 단층 웨브를 동일한 중합체 조성의 더 큰 섬유 및 더 작은 크기의 섬유로부터 형성하였다. 일렉트릿 대전 첨가제로서 0.8% 키마소브 944 장애 아민 광 안정화제 및 2% 폴리원 번호 CC10054018WE 청색 안료가 첨가된 엑손 모빌 코포레이션으로부터 입수 가능한 엑손 PP3155 폴리프로필렌(36의 용융 유량 중합체)을 사용하여 더 큰 크기의 섬유를 형성하였다. 생성된 청색 중합체 블렌드를 실시예 1에 사용된 것과 같은 모델 20 데이비스 스탠다드 압출기로 공급하였다. 0.8% 키마소브 944 장애 아민 광 안정화제 및 2% 폴리원 번호 CC10054018WE 청색 안료가 첨가된 엑손 PP3746 폴리프로필렌을 사용하여 더 작은 크기의 섬유를 형성하였다. 이러한 후자의 중합체를 실시예 1에서 사용된 것과 같은 킬리언 압출기로 공급하였다. 34.3 ㎝ (13.5 인치)의 DCD를 사용하고 각각의 압출기로부터의 중합체 속도를 조정함으로써, 65%의 더 큰 크기의 섬유 및 35%의 더 작은 크기의 섬유를 갖는 웨브를 생성하였다. 수집기 속도는 약 200 내지 약 250 gsm의 평량을 갖는 웨브를 제공하기 위해 필요한 대로 조정하였고, 압출 온도 및 가열된 공기 압력은 약 16 내지 약 18 ㎛의 EFD 값을 갖는 웨브를 제공하기 위해 필요한 대로 조정하였다. 웨브를 앙가드지방드 등의 '507 특허에 교시된 기술에 따라 증류수로 하이드로차징시키고 건조되게 하였다. 생성된 웨브를 도 1 및 도 2에 도시된 기구와 같은 플랫 폴드형 호흡기로 제조하였고, 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 직경 NaCl 입자 에어로졸을 사용하여 평가하였다. 아래의 표 2A에 작업 번호, 평량, EFD, 캘린더링된 여과 웨브에 대한 두께 및 걸리 강성, 및 완성된 호흡기에 대한 초기 압력 강하 및 초기 NaCl 투과율이 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00004
표 2A의 결과는 각각의 호흡기가 유럽 FFP1 여과식 안면피스(filtering facepiece) 요건(EN149:2001, 호흡 보호 기구. 입자에 대해 보호하는 여과식 하프 마스크(half mask) 참조)을 충족할 것임을 보여준다.
실시예 3
도 9 및 도 10에 도시된 것과 같은 장치 및 문헌[Wente, Van A. "superfine Thermoplastic Fiber", Industrial and Engineering Chemistry, vol. 48. No. 8, 1956, pp 1342-1346] 및 문헌[Naval Research Laboratory Report 111437, Apr. 15, 1954]에 설명된 것과 같은 절차를 사용하여, 4개의 1성분 단층 멜트블로운 웨브를 일렉트릿 대전 첨가제로서 0.8% 트라이스테아릴 멜라민이 첨가된 토탈 3960 폴리프로필렌으로부터 형성하였다. 중합체를 20/1의 길이/직경 비 및 3/1의 압축 비를 갖는 모델 20 데이비스 스탠다드 50.8 ㎜ (2 인치) 단축 압출기로 공급하였다. 제니스 10 cc/rev 멜트 펌프가, 원래의 0.3 ㎜ (0.012 인치) 오리피스가 매 9번째 오리피스를 0.6 ㎜ (0.025 인치)로 드릴링함으로써 변형되어, 더 큰 크기의 구멍에 대한 더 작은 크기의 구멍의 개수의 9:1 비 및 더 작은 구멍 크기에 대한 더 큰 구멍 크기의 60:40의 비를 제공하는, 25.4 ㎝ (10 인치) 폭의 오리피스가 드릴링된 멜트블로잉 다이로 중합체의 유동을 계량 공급하였다. 오리피스들의 선은 10 구멍/㎝ (25 구멍/인치)의 구멍 간격을 가졌다. 가열된 공기가 다이 선단부에서 섬유를 세장화하였다. 에어 나이프는 0.25 ㎜ (0.010 인치) 양의 셋백 및 0.76 ㎜ (0.030 인치) 에어 갭을 이용하였다. 없거나 적당한 진공을 웨브 형성 지점에서 중간 메시 수집기 스크린을 통해 흡인하였다. 압출기로부터의 중합체 출력 속도는 개시 시점의 0.36 ㎏/㎝/시 (2.0 lb/인치/시)로부터 필요한 대로 변하였고, DCD는 29.21 ㎝ (11.50 인치) 내지 41.73 ㎝ (16.25 인치)로 변하였고, 공기 압력이 필요한 대로 조정되어 아래의 표 3A에 도시된 바와 같은 평량 및 EFD를 갖는 웨브를 제공하였다. 웨브를 앙가드지방드 등의 '507 특허에 교시된 기술에 따라 증류수로 하이드로차징시키고 건조되게 하였다. 아래의 표 3A에 13.8 ㎝/초의 면 속도에서 각각의 웨브에 대한 샘플 번호, 평량, EFD, 웨브 두께, 초기 압력 강하, 초기 NaCl 투과율 및 품질 계수(QF)가 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00005
다음으로, 웨브를 141℃로 가열되고 3.05 m/분의 선 속도로 작동하는 롤들 사이에서 1회 또는 2회 통과시켜 약하게 캘린더링하였다. 약 1.5 내지 2.2 ㎜의 캘린더링 갭을 이용하였다. 각각의 샘플에 대한 캘린더링 갭 및 웨브 두께는 아래의 표 3B에 도시되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00006
각각의 샘플에 대한 걸리 강성 값(25.4 × 38.1 ㎜ 샘플을 사용하여 측정함) 및 압력 강하 값(32 L/분의 유량을 사용하여 측정함)이 아래의 표 3C에 도시되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00007
표 3C의 결과는 특히 압력 강하가 캘린더링에 의해 현저하게 부정적인 영향을 받지 않았다는 것을 보여준다. 웨브를 도 1 및 도 2에 도시된 기구와 같은 플랫 폴드형 호흡기로 제조하였고, 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 직경 NaCl 입자 에어로졸을 사용하여 평가하였다. 비캘린더링 강성 여과 웨브를 사용하여 제조된 호흡기는 또한 실시예 2에 사용된 것과 같은 내부 및 외부 커버 웨브를 이용하였으며, 3층 구성을 가졌다. 일 면에 대해 캘린더링된 강성 여과 웨브를 사용하여 제조된 호흡기는 또한 실시예 2에 사용된 웨브와 같은 내부 커버 웨브를 이용하였으며, 2층 구성을 가졌다. 2개의 면에 대해 캘린더링된 강성 여과 웨브를 사용하여 제조된 호흡기는 커버 웨브를 이용하지 않았으며, 1층 구성을 가졌다. 아래의 표 3D에 작업 번호, 퍼센트 투과율 및 완성된 호흡기에 대한 품질 계수(QF)가 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00008
표 3D의 결과는 특히 % 투과율 및 품질 계수(QF)가 캘린더링에 의해 현저하게 부정적인 영향을 받지 않았다는 것을 보여준다.
아래의 표 3E에 비캘린더링 웨브 샘플로부터 제조된 3층 호흡기에 대한 작업 번호, 초기 압력 강하, 초기 % 투과율, 최대 투과율에서의 압력 강하, 최대 % 투과율, 최대 투과율에서의 챌린지 및 총 에어로졸 챌린지가 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00009
표 3E의 결과는 샘플 번호 3-1 내지 3-4, 3-7 및 3-8의 비캘린더링 웨브를 사용하여 제조된 3층 호흡기가 42 C.F.R. 파트 84의 N95 NaCl 로딩 시험을 통과할 것임을 보여준다.
아래의 표 3F에 일 면에 대해 캘린더링된 웨브 샘플로부터 제조된 2층 호흡기에 대한 작업 번호, 초기 압력 강하, 초기 % 투과율, 최대 투과율에서의 압력 강하, 최대 % 투과율, 최대 투과율에서의 챌린지 및 총 에어로졸 챌린지가 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00010
표 3F의 결과는 샘플 번호 3-1 내지 3-4, 및 3-8의 단일 면 캘린더링된 웨브를 사용하여 제조된 2층 호흡기가 42 C.F.R. 파트 84의 N95 NaCl 로딩 시험을 통과할 것임을 보여준다.
아래의 표 3G에 두 면 모두에 대해 캘린더링된 웨브 샘플로부터 제조된 1층 호흡기에 대한 작업 번호, 초기 압력 강하, 초기 % 투과율, 최대 투과율에서의 압력 강하, 최대 % 투과율, 최대 투과율에서의 챌린지 및 총 에어로졸 챌린지가 기재되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00011
표 3G의 결과는 두 면 모두에 대해 캘린더링된 샘플 번호 3-1 내지 3-4, 및 3-7의 웨브를 사용하여 제조된 2층 호흡기가 42 C.F.R. 파트 84의 N95 NaCl 로딩 시험을 통과할 것임을 보여준다.
실시예 4
도 11 내지 도 13에 도시된 것과 같은 장치를 사용하여, 1성분 단층 웨브(웨브 4-1)를 토탈 페트로케미컬즈(Total Petrochemicals)로부터 입수 가능한 70의 용융 유량 지수를 갖는 피나(FINA) 3860 폴리프로필렌으로부터 형성하였다. 압출 헤드(10)는 엇갈린 203 ㎜ (8 인치) 폭 패턴으로 배열된 0.5 ㎜ (0.020 인치) 직경의 488개의 구멍을 가졌다. 중합체를 구멍당 0.2 g/분으로 압출 헤드에 공급하였고, 여기서 중합체를 205℃ (401℉)의 온도로 가열하였다. 2개의 급랭 공기 스트림(도 11의 318b; 스트림(318a)은 이용하지 않음)을 0.37 m/초 (73 ft/분)의 대략적인 면 속도 및 1.7℃ (35℉)의 온도로 높이가 406 ㎜ (16 인치)인 급랭 박스로부터의 상부 스트림으로서, 그리고 0.11 m/초 (22 ft/분)의 대략적인 면 속도 및 주위 실온으로 높이가 197 ㎜ (7.75 인치)인 급랭 박스로부터의 하부 스트림으로서 공급하였다. 0.76 ㎜ (0.030 인치)의 에어 나이프 갭(30; 베리건 등의 특허), 0.096 ㎫ (14 psig)의 압력으로 에어 나이프로 공급되는 공기, 5.1 ㎜ (0.20 인치)의 세장화기 상부 갭 폭, 4.7 ㎜ (0.185 인치)의 세장화기 바닥 갭 폭, 및 152 ㎜ (6 인치) 길이의 세장화기 측면(36; 베리건 등의 특허)을 사용하는, 베리건 등의 특허에 도시된 것과 같은 가동 벽 세장화기를 이용하였다. 압출 헤드(310)로부터 세장화기(316)까지의 거리(317; 도 11)는 78.7 ㎝ (31 인치)였고, 세장화기(316)로부터 수집 벨트(319)까지의 거리(321; 도 11)는 68.6 ㎝ (27 인치)였다. 멜트스펀 섬유 스트림을 약 51 ㎝ (약 20 인치)의 폭으로 수집 벨트(319) 상에 적층시켰다. 수집 벨트(319)는 약 1.8 m/분 (6 ft/분)의 속도로 이동하였다. 수집 벨트(319) 아래의 진공은 약 1.5 ㎪ (6 인치 H2O) - 3.0 ㎪ (12 인치 H2O)의 범위 내에 있는 것으로 평가되었다. 플레이트(411)의 영역(415)은 23% 개방 면적으로 이어지는, 엇갈리게 이격된 1.6 ㎜ (0.062 인치) 직경의 개구들을 가졌고, 웨브 유지 영역(416)은 30% 개방 면적으로 이어지는, 엇갈리게 이격된 1.6 ㎜ (0.062 인치) 직경의 개구들을 가졌고, 가열/결합 영역(417) 및 급랭 영역(418)은 63% 개방 면적으로 이어지는, 엇갈리게 이격된 4.0 ㎜ (0.156 인치) 직경의 개구를 가졌다. 공기를 3.8 ㎝ × 85.3 ㎝ (1.5 인치 × 26 인치)인 슬롯(409)에서 약 14.2 ㎥/분 (약 500 ft.3/분)의 공기를 제공하기에 충분한 속도로 도관(407)을 통해 공급하였다. 플레이트(408)의 바닥은 수집기(319) 상의 수집된 웨브(320)로부터 3.175 ㎝ (1.25 인치)였다. 급랭식 유동 히터의 슬롯(409)을 통과하는 공기의 온도는 하우징(401) 내로의 가열된 공기의 진입 지점에서 측정할 때 157℃ (315℉)였다.
급랭 영역(420)을 벗어나는 웨브는 자립식이며 통상의 공정 및 장비를 사용하여 취급할 수 있기에 충분한 완전성(integrity)을 갖도록 결합되고, 웨브는 저장 롤로의 통상의 권취에 의해 권취될 수 있거나 또는 성형된 호흡기를 형성하기 위해 반구형 주형 위에서 웨브를 가열 및 압축하는 것과 같은 다양한 작업을 거칠 수 있다. 웨브를 앙가드지방드 등의 '507 특허에 교시된 기술에 따라 증류수로 하이드로차징시키고 건조되게 하였다.
시바 스페셜티 케미컬즈로부터의 0.5 중량%의 키마소브 944 장애 아민 광 안정화제가 첨가된 피나 3860 폴리프로필렌으로부터 제2의 1성분 단층 웨브(웨브 4-2)를 유사하게 제조하였다. 조건은, 압출 헤드(10)가 0.64 ㎝ (0.25 인치)의 구멍 간격을 갖는 10 ㎝ × 20 ㎝ (4 인치 × 8 인치)의 패턴으로 배열되고 패턴의 긴 치수가 웨브를 가로질러 배열된 512개의 구멍을 가졌다는 것을 제외하고는, 웨브 4-1과 동일하였다. 상부 급랭 스트림은 0.32 m/초 (63 ft/분)의 대략적인 면 속도를 가졌다. 세장화기 바닥 갭 폭은 4.8 ㎜ (0.19 인치)였다. 멜트스펀 섬유 스트림을 약 46 ㎝ (약 18 인치)의 폭으로 수집 벨트(319) 상에 적층시켰다. 수집 벨트(319)는 약 1.77 m/분 (5.8 ft/분)의 속도로 이동하였다. 플레이트(408)의 바닥은 수집기(319) 상의 수집된 웨브(320)로부터 4.1 ㎝ (1.6 인치)였다. 수집된 웨브를 루쏘 등의 특허에 교시된 기술에 따라 증류수로 하이드로차징시키고 건조되게 하였다.
대전된 웨브를 아래의 표 4A에 도시된 편평 웨브 특성을 측정하기 위해 평가하였다.
Figure 112009005863960-PCT00012
웨브를 도 1 및 도 2에 도시된 기구와 같은 플랫 폴드형 호흡기로 제조하였고, 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 직경 NaCl 입자 에어로졸을 사용하여 평가하였다. 결과가 아래의 표 4B에 도시되어 있다.
Figure 112009005863960-PCT00013
본 발명의 다수의 실시 형태가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명으로부터 벗어남이 없이 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 다른 실시 형태가 이어지는 청구의 범위의 범주 내에 있다.

Claims (35)

  1. 적어도 하나의 구분선을 통해 호흡기의 잔여부에 결합된 적어도 하나의 강성 여과 패널을 포함하며, 상기 패널은 다공성 1성분 단층 부직 웨브를 포함하고, 상기 웨브는 동일한 중합체 조성의 대전되고 혼합된 연속적인 1성분 중합체 섬유들을 포함하며 웨브가 200 ㎎ 초과의 걸리 강성(Gurley Stiffness)을 나타내고 호흡기가 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 나타내도록 충분한 평량 또는 섬유간 결합을 갖는 플랫 폴드형 개인용 호흡기.
  2. 제1항에 있어서, 부직 웨브는 혼합된 연속적인 1성분 중합체 마이크로 섬유 및 더 큰 크기의 섬유의 2중 모드(bimodal) 질량 분율/섬유 크기 혼합물을 포함하는 호흡기.
  3. 제1항에 있어서, 부직 웨브는 부분적으로 결정질이고 부분적으로 비정질인 배향된 멜트스펀 섬유를 포함하는 호흡기.
  4. 제1항에 있어서, 부직 웨브는 약 100 내지 약 500 gsm의 평량을 갖는 호흡기.
  5. 제1항에 있어서, 부직 웨브는 약 150 내지 약 250 gsm의 평량을 갖는 호흡기.
  6. 제1항에 있어서, 부직 웨브는 캘린더링되는(calendered) 호흡기.
  7. 제1항에 있어서, 부직 웨브는 약 300 ㎎ 이상의 걸리 강성을 갖는 호흡기.
  8. 제1항에 있어서, 내부 커버 웨브를 추가로 포함하는 호흡기.
  9. 제8항에 있어서, 내부 커버 웨브 및 강성 여과 패널은 동일한 중합체 조성을 갖는 호흡기.
  10. 제1항에 있어서, 중합체는 폴리프로필렌인 호흡기.
  11. 제1항에 있어서, 중합체는 폴리-4-메틸-1 펜텐인 호흡기.
  12. 제1항에 있어서, 95 L/분으로 유동하는 1 중량% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 때 20% 이하의 최대 투과율을 나타내는 호흡기.
  13. 제1항에 있어서, 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 2% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 때 5% 미만의 최대 로딩 투과율을 나타내는 호흡기.
  14. 제1항에 있어서, 85 L/분으로 유동하는 0.075 ㎛ 2% 염화나트륨 에어로졸에 노출될 때 1% 미만의 최대 로딩 투과율을 나타내는 호흡기.
  15. 제1항에 있어서,
    제1 부분;
    제1 구분선에 의해 제1 부분과 구별되는 제2 부분;
    제2 구분선에 의해 제2 부분과 구별되는 제3 부분; 및
    호흡기가 착용자 상에 사용될 때와 같이 배향된 상태에서 전방으로부터 볼 때, 실질적으로 수직이며 제1 부분, 제2 부분 및 제3 부분을 통해 연장하는 이등분 접힘부를 포함하는, 비주름형 본체를 포함하며,
    제1, 제2 및 제3 부분은 각각 강성 여과 패널을 포함하는 좌측 및 우측 패널로 각각 분할되고, 호흡기는 이등분 접힘부를 따라 실질적으로 편평하게 접힌 형상으로 접힐 수 있는 호흡기.
  16. 제15항에 있어서, 강성 여과 패널과 동일한 중합체 조성을 갖는 내부 커버 웨브를 추가로 포함하는 호흡기.
  17. 제1항에 있어서,
    선택적인 내부 커버 웨브, 대전된 마이크로 섬유를 포함하는 웨브를 포함하는 여과 층, 및 선택적인 외부 커버 웨브를 포함하는 여과 구조를 포함하며, 선택적인 내부 커버 웨브 및 선택적인 외부 커버 웨브는 각각 여과 층의 대향하는 제1 면 및 제2 면 상에 배치되고,
    여과 구조는 상부, 중앙 및 하부 여과 패널로 분할되며, 중앙 패널은 제1 및 제2 구분선에 의해 상부 및 하부 패널로부터 분리되고,
    적어도 중앙 패널은 강성 여과 패널을 포함하며, 호흡기는 제1 및 제2 구분선을 따라 실질적으로 편평하게 접힌 형상으로 접힐 수 있는 호흡기.
  18. 제17항에 있어서, 내부 커버 웨브는 강성 여과 패널과 동일한 중합체 조성을 갖는 호흡기.
  19. 제17항에 있어서, 제1 또는 제2 구분선 중 적어도 하나는 곡선형인 호흡기.
  20. 제1항에 있어서, 선택적인 내부 커버 웨브, 대전된 마이크로 섬유를 포함하는 웨브를 포함하는 여과 층 및 선택적인 외부 커버 웨브를 포함하는 여과 본체를 포함하며, 여과 본체는 제1 부분과 제2 부분 사이의 중앙 부분을 갖고, 중앙 부분은 강성 여과 층을 포함하며 제1 및 제2 구분선에 의해 한정되고 약 160 내지 220 ㎜의 폭과 약 30 내지 110 ㎜의 높이를 가지며, 호흡기는 제1 부분이 중앙 부분의 표면과 적어도 부분적으로 마주하여 접촉하고 제2 부분이 제1 부분의 표면과 접촉 하는 상태로 보관을 위해 편평하게 접힐 수 있고, 호흡기는 사용을 위해 펼쳐진 때 착용자의 코 및 입 위에서 컵형의 얼굴을 가리지 않는 공기 챔버를 형성하는 호흡기.
  21. a) 동일한 중합체 조성의 대전되고 혼합된 연속적인 1성분 중합체 섬유들을 포함하며 200 ㎎ 초과의 걸리 강성을 나타내도록 충분한 평량 또는 섬유간 결합을 갖는 1성분 단층 부직 웨브를 얻는 단계;
    b) 대전된 웨브 내에 적어도 하나의 구분선을 형성하여, 구분선에 의해 적어도 부분적으로 한정된 적어도 하나의 패널을 제공하는 단계; 및
    c) 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 나타내며 실질적으로 편평하게 접힌 형상으로 접힐 수 있고 볼록하게 벌어진 형상으로 펼쳐질 수 있는 마스크 본체를 제공하도록 웨브를 구성하는 단계를 포함하는, 플랫 폴드형 개인용 호흡기의 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 웨브로부터 트리밍된 폐기 부분을 회수하여 추가의 강성 여과 웨브를 제조하기 위해 폐기 부분을 재생하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  23. 제22항에 있어서, 중합체 및 폐기 부분은 본질적으로 폴리프로필렌 및 선택적인 일렉트릿 대전 첨가제로 이루어지는 방법.
  24. 제21항에 있어서, 혼합된 연속적인 1성분 중합체 마이크로 섬유 및 더 큰 크기의 섬유의 2중 모드 질량 분율/섬유 크기 혼합물로서 부직 웨브를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  25. 제21항에 있어서, 부분적으로 결정질이고 부분적으로 비정질인 배향된 멜트스펀 섬유로부터 부직 웨브를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제21항에 있어서, 약 100 내지 약 500 gsm의 평량으로 부직 웨브를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제21항에 있어서, 약 150 내지 약 250 gsm의 평량으로 부직 웨브를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제21항에 있어서, 부직 웨브를 캘린더링하는 단계를 포함하는 방법.
  29. 제21항에 있어서, 약 300 ㎎ 이상의 걸리 강성을 갖도록 부직 웨브를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  30. 제21항에 있어서, 내부 커버 웨브를 포함하는 예비성형품을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 내부 커버 웨브 및 강성 여과 패널은 동일한 중합체 조성을 갖는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 중합체는 폴리프로필렌인 방법.
  33. 제31항에 있어서, 중합체는 폴리-4-메틸-1 펜텐인 방법.
  34. 제21항에 있어서, 웨브를 이등분 축에 대해 접어서 이등분 접힘선을 갖는 접힌 예비성형품을 생성하고, 접힌 예비성형품을 호흡기의 크기에 영향을 미치는, 이등분 접힘선에 대한 미리설정된 제1 및 제2 각도로 용접, 재봉 또는 달리 체결하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  35. a) 동일한 중합체 조성의 혼합된 연속적인 1성분 중합체 섬유들의 1성분 단층 부직 웨브를 형성하고 웨브를 대전시키는 단계 - 여기서, 상기 웨브는 200 ㎎ 초과의 걸리 강성을 나타내도록 충분한 평량 또는 섬유간 결합을 가짐 - ;
    b) 대전된 웨브 내에 적어도 하나의 구분선을 형성하여, 구분선에 의해 적어도 부분적으로 한정된 적어도 하나의 패널을 제공하는 단계; 및
    c) 0.19 ㎪ (20 ㎜ H2O) 미만의 압력 강하를 나타내며 실질적으로 편평하게 접힌 형상으로 접힐 수 있고 볼록하게 벌어진 형상으로 펼쳐질 수 있는 마스크 본체를 제공하도록 웨브를 구성하는 단계를 포함하는, 플랫 폴드형 개인용 호흡기의 제조 방법.
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