KR20100051049A

KR20100051049A - 스테이플 섬유를 갖는 멜트블로운 섬유 웨브를 포함하는 성형된 호흡기

Info

Publication number: KR20100051049A
Application number: KR1020107000496A
Authority: KR
Inventors: 세예드 에이 앙가지밴드; 존 엠 브랜드너; 제임스 이 스프링겟
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2010-05-14
Also published as: PL2162028T3; ATE523100T1; CN101686735A; US20080318014A1; EP2162028A1; US7989372B2; BRPI0811656A2; WO2009002613A1; JP5583008B2; EP2162028B1; CN101686735B; JP2010534493A; KR101471230B1

Abstract

성형된 호흡기 및 제조 방법이 개시되며, 성형된 호흡기는 멜트블로운 섬유 및 스테이플 섬유를 함유하는 다공성 부직 웨브로부터 제조된다. 멜트블로운 섬유는 마이크로섬유 및 메조섬유의 2중 모드 혼합물로서 존재할 수 있고, 그 안에서 추가로 엉킨 스테이플 섬유와의 엉킨 혼합물을 포함할 수 있다. 성형된 호흡기는 또한 적어도 하나의 2차 여과 층을 포함할 수 있다.

Description

스테이플 섬유를 갖는 멜트블로운 섬유 웨브를 포함하는 성형된 호흡기{MOLDED RESPIRATOR COMPRISING MELTBLOWN FIBER WEB WITH STAPLE FIBERS}

부유 미립자를 포착하기 위해 멜트블로운 섬유(meltblown fiber)를 사용하는 필터 요소는 공지되어 있으며 수년간 사용되어 왔다. 그러한 섬유 함유 필터 요소는, 예를 들어 브라운(Braun) 등의 미국 특허 제5,656,368호, 크론저(Kronzer) 등의 미국 특허 제5,307,796호, 및 크루에거(Krueger) 등의 미국 특허 제4,729,371호에 설명되어 있는 바와 같이, 청정한 여과된 공기를 착용자에게 공급하기 위해 호흡기에 통상 사용된다. 전하가 전형적으로 섬유 상에 배치되어 그들의 포착 효율을 개선시킨다. 1980년도에, 큐빅(Kubik) 등은 섬유 형성 중에 지속성 있는 전하를 멜트블로운 섬유 내로 도입하기 위한 방법을 설명하였다(미국 특허 제4,215,682호 참조). 큐빅 등의 개발 이후에, 예를 들어 클라세(Klaase) 등의 미국 특허 제4,588,537호, 디즈(Deeds) 등의 제5,227,172호, 및 안가드지반드(Angadjivand) 등의 제5,496,507호에 설명되어 있는 바와 같이, 일렉트릿 섬유(electret fiber)를 제조하기 위한 다른 대전 기술이 개발되었다.

소위 스테이플 섬유(staple fiber)가 또한 멜트블로운 부직 웨브에 첨가되었다. 예를 들어, 스프링겟(Springett) 등의 미국 특허 제6,827,764호는 열 접합된 스테이플 섬유 및 비-열 접합되고 전기 대전된 멜트블로운 섬유를 함유하는 다공성 성형 웨브를 포함하는 필터 요소를 설명한다.

필터 요소로서 사용될 때, 전기 대전된 섬유의 웨브는 흔히 다른 구조물에 의해 지지된다. 예를 들어, 호흡기에서, 필터 웨브는 영구 성형된 형상화 층에 의해 지지될 수 있다. 필터 웨브는 형상화 층 위에 위치되어, 그의 성형된 구성을 취하도록 이에 고정된다. 멜트블로운 섬유 함유 필터 층을 호흡기 내에서 지지하기 위한 별도의 형상화 층의 사용을 개시하는 특허의 예는 베르그(Berg)의 미국 특허 제4,536,440호, 다이루드(Dyrud) 등의 제4,807,619호, 스코브(Skov) 등의 제4,850,347호, 및 안가드지반드 등의 제6,923,182호를 포함한다.

이들 접근법 외에, 중합체 섬유의 여과 웨브는 또한, 예를 들어 브라운 등의 미국 특허 제5,656,368호에 설명된 바와 같이, 천(fabric), 이격된 밴드(spaced band), 필라멘트(filament), 또는 섬유의 사용을 통해 형상화된 구성을 유지하였다.

본 명세서에서, 스테이플 섬유와 멜트블로운 섬유의 엉킨 혼합물을 포함하는 다공성 웨브(porous web)가 개시된다. 멜트블로운 섬유는 마이크로섬유(microfiber)와 메조섬유(mesofiber)의 엉킨 혼합물을 포함하는 2중 모드(bimodal) 섬유 직경 분포로 존재한다. 그러한 다공성 웨브(이하에서, "2중 모드 섬유 혼합물 웨브"(bimodal fiber mixture web)로 불림)는 스테이플 섬유, 메조섬유, 및 멜트블로운 마이크로섬유의 그들의 엉킨 조합으로 인해, 입자 여과와 같은 용도에 매우 적합하다. 이론 또는 메커니즘에 의해 제한됨이 없이, 스테이플 섬유가 웨브에 로프트성(loftiness), 낮은 고형도(solidity), 및/또는 압착에 대한 저항성을 부여할 수 있는 것이 가능하며, 이는 바람직한 심도 여과 용량(depth filtration capability) 및 막힘에 저항하는 능력을 달성하는 것을 도울 수 있다. 또한, 메조 섬유는 그의 길이 및/또는 마이크로섬유에 대한 그의 접합 능력에 의해, 웨브에 기계적 강도 및 완전성을 부여할 수 있는 것이 가능하고, 이는 그러한 로프티(lofty)하며 낮은 고형도의 웨브가 하이드로차징(hydrocharging) 및 성형과 같은 공정을 통해 취급될 수 있도록 허용하는 데 유리할 수 있다. 그리고, 멜트블로운 마이크로섬유는 미세한 입자의 포착 및 여과를 돕는 역할을 할 수 있다.

일 실시 형태에서, 마이크로섬유와 메조섬유는 동일한 중합체 조성의 것이다. 대안적인 실시 형태에서, 마이크로섬유와 메조섬유는 상이한 중합체 조성의 것이다.

2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 편평한, 형성된 상태의 구성에서, 그리고 또한 형상화되거나 성형된 상태에서, 우수한 여과 용량을 제공할 수 있다. 소정의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 막히거나 높은 압력 강하를 나타냄이 없이 다량의 입자를 여과할 수 있는 이점을 가질 수 있다. 그러한 웨브는 예를 들어 용접 연기의 여과를 비롯한 다양한 응용에서 유용할 수 있다.

2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 단독으로 사용될 수 있거나, 상이한 조성, 다공도, 구조 및/또는 여과 특성의 여과 매체(예컨대, 멤브레인, 웨브 등)의 다른 층과 조합하여(예컨대, 라미네이팅되어) 사용될 수 있다. 몇몇 실시 형태에서, 2개의 2중 모드 섬유 혼합물 웨브가 사용을 위해 함께 층상화될 수 있다. 소정의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브가 2차 여과 층, 예컨대 더 미세한 기공 크기를 갖는 2차 여과 층을 위한 예비 필터로서 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 섬유 혼합물 웨브의 우수한 심도 로딩(depth loading) 및 저장 용량이, 2차 여과 층이 섬유 혼합물 웨브의 부재 시에 그러할 수 있는 만큼 빠르게 막히거나 포화되는 것을 방지하도록 역할할 수 있다.

소정의 실시 형태에서, 개시된 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 다수의 추가의 이로운 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 비교적 두껍고, 그리고/또는 고형도가 낮을 수 있다. 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 또한 유리한 두께, 고형도, 및/또는 여과 특성을 보존하면서 원하는 형상으로 성형가능할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시 형태에서, 그러한 웨브는 (더 낮은 다공도, 더 높은 압력 강하, 및 바람직하지 않을 수 있는 다른 특성들을 생성할 수 있는) 웨브의 부적당한 압착 없이 성형될 수 있다.

개시된 웨브는 다양한 편평하거나 성형된 호흡기 응용에서, 그리고 HVAC(예컨대, 노(furnace)) 필터, 차량 객실 필터, 청정실 필터, 가습기 필터, 제습기 필터, 실내 공기 정화기 필터, 하드 디스크 드라이브 필터 및 다른 편평한 또는 주름질 수 있는 지지식 또는 자립식(self-supporting) 여과 물품을 포함하는 다양한 비-호흡기 여과 응용에서 사용될 수 있다. 개시된 부직 웨브는 또한 공기 여과 이외의 응용, 예컨대 액체(예컨대, 의료용) 필터, 포장 재료, 갑피(upper), 창(sole) 구성요소 및 인서트(insert)를 포함하는 신발 구성요소에 대해, 그리고 겉옷, 운동복, 및 위험 재료용 의복을 포함하는 의류에 대해 사용될 수 있다.

따라서, 본 출원인은 일 태양에서, 멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브의 적어도 하나의 성형된 층을 포함하는 성형된 호흡기를 개시하며, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함한다.

따라서, 본 출원인은 다른 태양에서, 엉킨 멜트블로운 마이크로섬유 및 메조섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브의 적어도 하나의 성형된 층을 포함하는 성형된 호흡기를 개시하며, 메조섬유보다 적어도 약 5배 많은 마이크로섬유가 있고, 메조섬유는 멜트블로운 섬유의 적어도 약 30 중량%를 구성한다.

따라서, 본 출원인은 다른 태양에서, 멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브의 적어도 하나의 성형된 층을 포함하는 성형된 호흡기를 개시하며, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함하고, 메조섬유보다 적어도 약 5배 많은 마이크로섬유가 있고, 메조섬유는 멜트블로운 섬유의 적어도 약 30 중량%를 구성한다.

따라서, 본 출원인은 다른 태양에서, 멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브의 적어도 하나의 성형된 컵 형상의 층 - 여기서, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함함 - ; 및 다공성 부직 웨브에 인접한 적어도 하나의 성형된 컵 형상의 2차 여과 층을 포함하는 성형된 컵 형상의 호흡기를 개시한다.

따라서, 본 출원인은 다른 태양에서, 멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브를 형성하는 단계 - 여기서, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함함 - ; 다공성 부직 웨브를 대전시키는 단계; 및 성형된 호흡기를 형성하도록 대전된 웨브를 성형하는 단계를 포함하는 성형된 호흡기를 제조하기 위한 방법을 개시한다.

따라서, 본 출원인은 다른 태양에서, 멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브를 형성하는 단계 - 여기서, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함함 - ; 다공성 부직 웨브에 대해 적층된 관계로 2차 여과 층을 배치하는 단계; 다공성 부직 웨브와 2차 여과 층을 대전시키는 단계; 및 성형된 호흡기를 형성하도록 다공성 부직 웨브/2차 여과 층 적층체(stack)를 성형하는 단계를 포함하는 성형된 호흡기를 제조하기 위한 방법을 개시한다.

본 발명의 이러한 태양 및 다른 태양들은 하기의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 어떠한 경우에도, 상기 개요는 출원 절차 중에 보정될 수 있는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 보호 대상에 대한 제한으로서 해석되어서는 안 된다.

도 1은 스테이플 섬유 및 멜트블로운 섬유를 포함하는 예시적인 웨브의 사진(100 배율).
도 2는 멜트블로운 섬유 및 스테이플 섬유를 포함하는 웨브를 제조하기 위한 예시적인 제1 공정의 개략도.
도 3은 복수의 더 큰 오리피스 및 더 작은 오리피스를 갖는 예시적인 멜트블로잉 다이의 출구 단부 사시도.
도 4는 멜트블로운 섬유 및 스테이플 섬유를 포함하는 웨브를 제조하기 위한 예시적인 제2 공정의 개략도.
도 5는 복수의 오리피스를 갖는 예시적인 멜트블로잉 다이의 출구 단부 사시도.
도 6은 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 포함하는 예시적인 일회용 개인용 호흡기의 부분 단면 사시도.
도 7은 실시예 1의 2중 모드 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 섬유 도수 히스토그램.
도 8은 실시예 1의 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 질량 도수 히스토그램.
도 9는 실시예 2의 2중 모드 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 섬유 도수 히스토그램.
도 10은 실시예 2의 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 질량 도수 히스토그램.
도 11은 실시예 4의 2중 모드 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 섬유 도수 히스토그램.
도 12는 실시예 4의 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 질량 도수 히스토그램.
도 13은 실시예 5의 웨브의 2중 모드 멜트블로운 섬유 개체군의 섬유 도수 히스토그램.
도 14는 실시예 5의 웨브의 2중 모드 멜트블로운 섬유 개체군의 질량 도수 히스토그램.
도 15는 실시예 6의 멜트블로운 섬유 웨브의 섬유 도수 히스토그램.
도 16은 실시예 6의 멜트블로운 섬유 웨브의 질량 도수 히스토그램.
도 17은 실시예 7의 2중 모드 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 섬유 도수 히스토그램.
도 18은 실시예 7의 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 멜트블로운 섬유 개체군의 질량 도수 히스토그램.
첨부 도면의 다양한 도면들의 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다. 도면의 요소들은 특별히 언급되지 않는 한 축척대로 도시된 것은 아니다.

용어

"멜트블로운"은 용융된 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 것을 의미한다.

"멜트블로운 섬유"는 멜트블로운 공정에 의해 제조되는 섬유를 의미한다.

"마이크로섬유"는 10 ㎛ 이하의 (현미경을 사용하여 결정된) 직경을 갖는 멜트블로운 섬유를 의미하고, "초미세 마이크로섬유"는 2 ㎛ 이하의 직경을 갖는 마이크로섬유를 의미하며, "서브마이크로미터 마이크로섬유"는 1 ㎛ 이하의 직경을 갖는 마이크로섬유를 의미한다.

"메조섬유"는 10 ㎛를 초과하는 (현미경을 사용하여 결정된) 직경을 갖는 멜트블로운 섬유를 의미한다.

"2중 모드 섬유 혼합물 웨브"는 멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 부직 웨브를 의미하고, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물로 존재한다.

"엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물"은 마이크로섬유의 적어도 하나의 모드 및 메조섬유의 적어도 하나의 모드가 (예를 들어, 섬유 도수 히스토그램에서 특성화되는 바와 같이) 존재하는, 마이크로섬유와 메조섬유의 엉킨 혼합물을 의미한다. (이러한 맥락에서, "2중 모드"라는 용어는 적어도 2개의 모드를 지니는 것을 나타내며, 2개 초과의 모드, 예를 들어 3중 모드 또는 그 이상을 갖는 개체군을 포함한다.)

"모드"는 섬유 도수 히스토그램 또는 질량 도수 히스토그램과 관련하여 사용될 때, 국소 피크(local peak)를 의미하고, 이의 높이는 국소 피크보다 1 및 2 ㎛ 더 작고 1 및 2 ㎛ 더 큰 섬유 직경에 대한 높이와 같거나 그보다 더 높다.

섬유질 웨브 샘플에 대한 "섬유 도수 히스토그램"은 다양한 섬유 직경에 대응하여 관찰된 섬유의 개수가 제시되는 히스토그램을 의미한다.

섬유질 웨브 샘플에 대한 "질량 도수 히스토그램"은 다양한 직경의 섬유들의 상대 질량이 제시되는 히스토그램을 의미한다.

"직경"은 섬유와 관련하여 사용될 때, 원형 단면을 갖는 섬유의 경우 섬유 직경을, 또는 비원형 섬유의 경우에는 섬유의 폭을 가로질러 구성될 수 있는 최장 단면 현(chord)의 길이를 의미한다.

"동일한 중합체 조성의"는 본질적으로 동일한 반복 분자 단위를 갖지만, 분자량, 용융 지수(melt index), 제조 방법, 결정 형태, 상업적 형태, 첨가제의 존재 및 양 등에 있어서 상이할 수 있는 중합체들을 의미한다.

"상이한 중합체 조성의"는 상당량의 상이한 반복 분자 단위를 갖는 중합체들을 의미한다.

"연속적인"은 섬유와 관련하여 사용될 때, 본질적으로 무한한 종횡비(즉, 예컨대 적어도 약 10,000 이상의 길이 대 직경의 비)를 갖는 것을 의미한다.

"필라멘트의 섬유로의 세장화"는 필라멘트의 세그먼트의 더 긴 길이 및 더 작은 직경의 세그먼트로의 변환을 의미한다.

"데니어"(denier)는 9,000 미터의 필라멘트의 그램 단위 중량을 의미한다.

"유효 섬유 직경"은 섬유들의 집합물과 관련하여 사용될 때, 원형 또는 비원형인 임의의 단면 형상의 섬유의 웨브의 경우 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles", Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 기술되어 있는 방법에 따라 결정된 값을 의미한다.

"다공성"은 공기 투과성을 의미한다.

"고형도"는 웨브 내의 고형물의 비율을 의미하고, 백분율로서 표현된다.

"자립식"은 상당한 인열 또는 파열 없이 릴-투-릴(reel-to-reel) 제조 장비를 사용하여 자체적으로 취급될 수 있기에 충분한 강도를 갖는 웨브를 의미한다.

"성형"은 웨브 또는 웨브들의 층과 관련하여 사용될 때, 웨브(들)를 미리설정된 형상으로 형성하기 위해 열 및/또는 압력을 사용하는 것을 의미한다.

"성형 웨브"는 2개의 치수에 있어서 제3의 치수에서보다 실질적으로 더 크고, 사람의 코 및 입 위에 맞춰지도록 되어 있는 컵 형상과 같은 원하는 형상으로 형성된 구조물을 의미한다.

"호흡기"는 사람의 호흡 계통으로 공기가 진입하기 전에 공기를 여과하기 위해 사람에 의해 착용되는 기구를 의미한다.

"마스크 본체"는 적어도 사람의 코 및 입 위에 맞춰질 수 있으며 외부 기체 공간으로부터 분리된 내부 기체 공간을 형성하는 것을 돕는 공기 투과성 구조물을 의미한다.

"하니스"(harness)는 마스크 본체를 착용자의 안면 상에서 지지하는 것을 보조하는 구조물 또는 부품들의 조합을 의미한다.

"여과 층"은 그를 통과하는 공기로부터 오염물을 제거하도록 설계된 필터 매체의 공기 투과성 층을 의미한다.

도 1은 스테이플 섬유(12) 및 멜트블로운 섬유(14)를 포함하는 예시적인 웨브(10)를 도시한다. 스테이플 섬유(12)는 멜트블로운 섬유(14)의 망상 조직(network) 전반에 걸쳐 분포되어 그 안에서 엉킨다. 멜트블로운 섬유(14)는 (직경이 10 마이크로미터 이하인 멜트블로운 섬유로서 정의된) 마이크로섬유(13)와 (직경이 10 마이크로미터 초과인 멜트블로운 섬유로서 정의된) 메조섬유(15)의 엉킨 혼합물을 포함한다. 일 실시 형태에서, 웨브는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함한다. 다양한 실시 형태에서, 마이크로섬유는 약 10 ㎛, 약 8 ㎛, 또는 약 5 ㎛의 최대 직경을 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 마이크로섬유는 약 0.1 ㎛, 0.5 ㎛, 또는 1 ㎛의 최소 직경을 나타낼 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 메조섬유는 약 11 ㎛, 약 15 ㎛, 또는 약 20 ㎛의 최소 직경을 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 메조섬유는 약 70 ㎛, 60 ㎛, 또는 50 ㎛의 최대 직경을 나타낼 수 있다.

마이크로섬유 및 메조섬유의 개체군은 (스테이플 섬유를 포함하지 않은) 각각의 주어진 직경의 섬유의 개수를 제시하는 섬유 도수 히스토그램에 따라 특성화될 수 있다. 대안적으로, 개체군은 각각의 주어진 섬유 직경의 (스테이플 섬유를 포함하지 않은) 섬유의 상대 질량을 제시하는 질량 도수 히스토그램에 의해 특성화될 수 있다.

멜트블로운 섬유(14)는 (예를 들어, 섬유 도수 히스토그램을 참조하여 특성화되는 바와 같이), 마이크로섬유의 적어도 하나의 모드 및 메조섬유의 적어도 하나의 모드가 존재하도록, 2중 모드 섬유 직경 분포로 존재할 수 있다. (모드는 또한 질량 도수 히스토그램 내에서 존재할 수 있고, 섬유 도수 히스토그램 내에서 존재하는 모드와 동일할 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.) 다양한 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 적어도 약 0.1 ㎛, 0.5 ㎛, 1 ㎛, 또는 2 ㎛의 섬유 직경에서 하나 이상의 마이크로섬유 모드를 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 최대 약 10 ㎛, 8 ㎛, 또는 5 ㎛의 섬유 직경에서 하나 이상의 마이크로섬유 모드를 나타낼 수 있다. 특정 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 1 ㎛ 또는 2 ㎛의 마이크로섬유 모드를 나타낼 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 적어도 약 11 ㎛, 15 ㎛, 또는 20 ㎛의 섬유 직경에서 하나 이상의 메조섬유 모드를 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 최대 약 50 ㎛, 40 ㎛, 또는 30 ㎛의 섬유 직경에서 하나 이상의 메조섬유 모드를 나타낼 수 있다. 그러한 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 대응하는 섬유 직경들이 더 작은 섬유 직경의 적어도 약 50%, 100%, 200%, 또는 400%만큼 상이한 적어도 2개의 모드를 나타낼 수 있다. 2중 모드 섬유 혼합물 웨브 히스토그램은 (도 9 및 도 10에 예시된 바와 같이) 더 작은 직경의 멜트블로운 섬유 개체군과 더 큰 직경의 멜트블로운 섬유 개체군 사이에서 하나 이상의 갭을 나타낼 수 있다. 또는, 그러한 갭은 존재하지 않을 수 있다.

예를 들어, 질량 도수 히스토그램을 관찰함으로써 확인될 수 있는 바와 같이, 메조섬유는 중량에 의해 측정될 때 멜트블로운 섬유 재료의 상당 부분을 구성할 수 있고, 따라서 웨브에 강도 및 기계적 완전성을 제공할 수 있다. 일 실시 형태에서, 메조섬유는 멜트블로운 섬유의 적어도 약 30 중량%를 구성한다. 추가의 실시 형태에서, 메조섬유는 멜트블로운 섬유의 적어도 약 40 중량%, 50 중량%, 60 중량%, 또는 70 중량%를 구성한다.

예를 들어, 섬유 도수 히스토그램을 관찰함으로써 확인될 수 있는 바와 같이, 마이크로섬유는 웨브 내의 섬유의 개수의 대부분을 구성할 수 있고, 따라서 미세한 입자를 포획하는 원하는 능력을 제공할 수 있다. 일 실시 형태에서, 메조섬유보다 적어도 5배 많은 마이크로섬유가 있다. 대안적인 실시 형태에서 메조섬유보다 적어도 10배, 다른 실시 형태에서 적어도 20배 많은 마이크로섬유가 있다.

스테이플 섬유(12)는 멜트블로운 섬유(14)의 망상 조직 전반에 걸쳐 분포되어 그 안에서 엉킨다. 다양한 실시 형태에서, 웨브는 적어도 약 30 중량%, 40 중량%, 또는 45 중량%의 스테이플 섬유를 포함한다. 추가의 실시 형태에서, 웨브는 최대 약 70 중량%, 60 중량%, 또는 55 중량%의 스테이플 섬유를 포함한다.

스테이플 섬유는 전형적으로 웨브로 멜트블로잉되는 것과 반대로 (후술하는 예시적인 공정에 의한 것과 같이) 고형화된 형태로 부직 웨브에 첨가된다. 흔히, 이들은 섬유 직경이 (예컨대, 멜트블로운 섬유에 비해) 섬유를 압출하는 오리피스의 크기와 훨씬 더 유사하도록 공정에 의해 제조된다. 그 제조 공정 또는 조성에 관계없이, 스테이플 섬유는 전형적으로 특정한 미리설정되거나 식별가능한 길이로 기계 절단된다. 스테이플 섬유의 길이는 전형적으로 멜트블로운 섬유의 길이보다 훨씬 더 작고, 0.61 m 미만 또는 약 0.3 m 미만일 수 있다. 스테이플 섬유는 바람직하게는 약 1 내지 8 ㎝, 더 바람직하게는 약 2.5 ㎝ 내지 6 ㎝의 길이를 가질 것이다. 스테이플 섬유에 대한 평균 기하학적 섬유 직경은 일반적으로 평균 약 15 ㎛를 초과하고, 다양한 실시 형태에서 20, 30, 40, 또는 50 ㎛를 초과할 수 있다. 스테이플 섬유는 일반적으로 약 3 g/9,000 m 초과, 및 약4 g/9,000 m 이상의 데니어를 갖는다. 상한에서, 데니어는 전형적으로 약 50 g/9,000 m 미만, 더 일반적으로 약 20 g/9000 m 미만 내지 15 g/9000 m이다.

스테이플 섬유는 전형적으로 합성 중합체 재료이다. 그들의 조성은 이들이 (형상화된 호흡기 본체를 형성하기 위해 사용되는 바와 같은) 전형적인 성형 공정 중에 서로에 대해 그리고/또는 멜트블로운 섬유에 대해 용융 접합될 수 있도록 선택될 수 있다. 또는, 그들은 이들이 전형적인 성형 공정 중에 서로에 대해 또는 멜트블로운 섬유에 대해 접합되지 않도록 하는 특성(예컨대, 융점)을 갖는 재료로 제조될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 스테이플 섬유와 관련하여, "열 접합성"(thermally bondable)이라는 용어는 일반적으로 서로에 대해 또는 멜트블로운 섬유에 대해 어느 정도 용융 접합이 가능한 하나 이상의 성분을 갖는 스테이플 섬유들을 지칭하도록 사용될 것이다. "열 비접합성"(thermally nonbondable)이라는 용어는 일반적으로 서로에 대해 또는 사용되는 멜트블로운 섬유에 대해 상당한 정도로 용융 접합이 가능한 임의의 성분을 갖지 않는 스테이플 섬유들을 지칭하도록 사용될 것이다.

스테이플 섬유가 열 비접합성인 소정의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 (그 여과 특성에 영향을 줄 수 있는) 웨브를 상당히 압착함이 없이, (예를 들어, 사람의 코 및 입 위에 맞춰지도록 되어 있고 개인용 호흡기에 유용한 전형적인 컵 형상의 기하학적 형상으로) 성형되는 우수한 능력을 제공할 수 있다. 스테이플 섬유가 열 접합성인 다른 실시 형태에서, 웨브의 더 큰 압착이 성형 공정 중에 발생할 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 여전히 다양한 여과 응용에 대해 적합할 것이다. 특히, 그러한 웨브는 성형된 구성을 유지하는 우수한 능력을 지닐 수 있어서, 웨브를 소정의 성형된 호흡기 및/또는 주름진 필터에 적합하게 한다.

적합한 스테이플 섬유는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 코폴리에스테르, 폴리아미드, 또는 전술한 것들의 조합으로부터 제조될 수 있다. 접합성인 경우, 스테이플 섬유는 전형적으로 접합 후에 그들의 섬유 구조의 많은 부분을 유지한다. 스테이플 섬유는 하우저(Hauser)의 미국 특허 제4,118,531호에 설명되어 있는 섬유처럼 크림핑된(crimped) 섬유일 수 있다. 크림핑된 섬유는 그 길이를 따라 연속적인 물결 형태(wavy), 말린 형태(curly) 또는 톱날 형태(jagged)의 프로파일을 가질 수 있다. 스테이플 섬유는 ㎝당 약 10 내지 30개의 크림프를 포함하는 크림핑된 섬유를 포함할 수 있다. 스테이플 섬유는 단일 성분 섬유 또는 다중 성분 섬유일 수 있다. 전형적으로 채용되는 성형 조건에서 비접합성인 구매가능한 단일 성분 섬유의 예는 미국 노스캐롤라이나주 샤를롯 소재의 인비스타 코포레이션(Invista Corp.)으로부터 입수가능한 T-295를 포함한다. 구매가능한 단일 성분의 열 접합성 스테이플 섬유의 예는 역시 인비스타 코포레이션으로부터 입수가능한 T 255, T 259, 및 T 271과, 미국 뉴햄프셔주 햄프턴 소재의 포스 매뉴팩처링 인크.(Foss Manufacturing Inc.)로부터 입수가능한 Type 410 PETG, Type 110 PETG를 포함한다. 스테이플 섬유는 또한 성분들 중 적어도 하나가 가열 중에 연화되어 스테이플 섬유들이 서로에 대해 접합되도록 하거나 스테이플 섬유가 멜트블로운 섬유에 대해 접합되도록 하는, 다중 성분 섬유일 수 있다. 상이한 성분들은 상이한 유형의 중합체(예컨대, 폴리에스테르 및 폴리프로필렌)일 수 있거나, 상이한 융점을 갖는 동일한 유형의 중합체일 수 있다. 다중 성분 섬유는 동연적인 나란한 구성, 동연적인 동심 시스-코어(sheath-core) 구성, 또는 동연적인 타원형 시스-코어 구성을 갖는 2성분 섬유일 수 있다. 열 접합되는 스테이플 섬유로서 사용될 수 있는 2성분 섬유의 예는 인비스타 코포레이션으로부터 입수가능한 T 254, T256과, 모두 일본 오사카 소재의 치소 인크.(Chisso Inc.)로부터 입수가능한 폴리프로필렌/폴리에틸렌 2성분 섬유(예컨대, Chisso ES, ESC, EAC, EKC), 폴리프로필렌/폴리프로필렌 2성분 섬유(Chisso EPC) 및 폴리프로필렌/폴리에틸렌-테레프탈레이트 2성분 섬유(Chisso ETC)와, 대만 타이페이 소재의 난 야 플라스틱스 코포레이션(Nan Ya Plastics Corporation)으로부터 입수가능한 Type LMF 폴리에스테르 50/50 시스/코어 스테이플 섬유를 포함한다.

멜트블로운 섬유는, 예를 들어 큐빅(Kubik) 등의 미국 특허 제4,215,682호에 설명되어 있는 바와 같이, 예컨대 섬유 형성 재료를 다이 오리피스를 통해 기체 스트림 내로 압출함으로써, 멜트블로잉 공정에 의해 제조되는 것이다. 전형적으로, 멜트블로운 섬유는 스테이플 섬유에 비해 매우 길다. 전형적으로 특정한 또는 식별가능한 길이를 갖는 스테이플 섬유와 달리, 멜트블로운 섬유는 전형적으로 부정의(indeterminate) 길이를 갖는다. (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.) 또한, 고형화된 멜트블로운 섬유의 직경은 용융된 섬유 전구체를 생성하는 공급 오리피스의 크기와 현저하게 상이할 수 있다(예컨대, 훨씬 더 작을 수 있음).

일 실시 형태에서, 멜트블로운 마이크로섬유 및 메조섬유를 제조하기 위해 사용되는 수지들은 동일한 중합체 조성의 것이다. 그러한 경우에, 마이크로섬유 및 메조섬유는 멜트블로잉 공정 중에 또는 후속 성형 공정 중에, 각각의 공정에 대해 사용되는 특정 조건에 따라, 서로에 대해 용융 접합될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 멜트블로운 섬유(마이크로섬유 및 메조섬유)를 제조하기 위해 사용되는 수지들은 상이한 중합체 조성의 것이다.

일 실시 형태에서, 마이크로섬유 및 메조섬유를 제조하기 위해 사용되는 수지들은 용융 유동 지수가 실질적으로 동일한 것이다. 대안적인 실시 형태에서, 마이크로섬유 및 메조섬유를 제조하기 위해 사용되는 수지들은 용융 유동 지수가 실질적으로 상이한 것이다.

멜트블로잉에 적합할 수 있는 섬유 형성 수지의 몇몇 예는 열가소성 중합체, 예컨대 폴리카르보네이트, 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 블록 공중합체, 예컨대 스티렌-부타디엔-스티렌 및 스티렌-아이소프렌-스티렌 블록 공중합체, 및 폴리올레핀, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 및 폴리(4-메틸-1-펜텐), 또는 그러한 수지들의 조합을 포함한다. 멜트블로운 섬유를 제조하기 위해 사용될 수 있는 재료의 예는 바우만(Baumann) 등의 미국 특허 제 5,706,804호, 피터슨(Peterson)의 미국 특허 제4,419,993호, 메이휴(Mayhew)의 미국 재발행 특허 제28,102호, 존스(Jones) 등의 미국 특허 제 5,472,481호와 제5,411,576호, 및 루소(Rousseau) 등의 미국 특허 제 5,908,598호에 개시되어 있다.

대전될 웨브의 경우, 투입 중합체 수지는 본질적으로 만족스러운 일렉트릿(electret) 특성 또는 전하 분리(charge separation)를 유지하는 임의의 열가소성 섬유 형성 재료일 수 있다. 대전가능한 웨브에 대해 바람직한 중합체 섬유 형성 재료는 실온(22℃)에서 10¹⁴ ohm-㎝ 이상의 체적 저항을 갖는 비-전도성 수지이다. 바람직하게는, 체적 저항은 약 10¹⁶ ohm-㎝ 이상이다. 대전가능한 웨브에 사용하기 위한 중합체 섬유 형성 재료는 또한 바람직하게는 전기 전도성을 현저하게 증가시키거나 달리 정전기 전하를 수용하여 유지하는 섬유의 능력을 방해할 수 있는 정전기 방지제와 같은 성분이 실질적으로 없다. 대전가능한 웨브에 사용될 수 있는 중합체의 몇몇 예는 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 환형 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 당업자에게 친숙한 다른 중합체를 포함한다.

첨가제가 웨브의 여과 성능, 일렉트릿 대전 용량, 기계적 특성, 시효 특성, 착색, 표면 특성 또는 다른 관심 특징을 향상시키기 위해 포함될 수 있다. 예를 들어, 중합체는 크레이터(Crater) 등의 미국 특허 제5,025,052호 및 제5,099,026호에 설명되어 있는 첨가제를 비롯하여 여과 성능을 향상시키기 위한 첨가제를 함유할 수 있고, 또한 (예를 들어, 루소 등의 미국 특허 제6,213,122호에 설명되어 있는 바와 같이) 여과 성능을 개선하기 위해 낮은 수준의 추출가능한 탄화수소를 가질 수 있다. 섬유질 웨브는 또한 리드(Reed) 등의 미국 특허 제4,874,399호 및 모두 루소 등의 미국 특허 제6,238,466호 및 제6,068,799호에 도시되어 있는 바와 같이 증가된 유성 연무 저항성(oily mist resistance)을 갖도록 제조될 수 있다.

다른 잠재적으로 적합한 첨가제는 충전제, 핵화제(예컨대, 밀리켄 케미칼(Milliken Chemical)로부터 밀라드(MILLAD)라는 상표명으로 입수가능한 제품 3988 다이벤질리덴 소르비톨), 일렉트릿 대전 촉진 첨가제(예컨대, 트라이스테아릴 멜라민, 및 시바 스페셜티 케미칼즈(Ciba Specialty Chemicals)로부터 키마소브(CHIMASSORB)라는 상표명으로 입수가능한 제품 119 및 944와 같은 다양한 광 안정화제), 경화 개시제, 강화제(예컨대, 폴리(4-메틸-1-펜텐)), 표면 활성화제 및 표면 처리제(예컨대, 존스 등의 미국 특허 제6,398,847 B1호, 제6,397,458 B1호, 및 제6,409,806 B1호에 설명된 바와 같은 유상 연무 환경에서 여과 성능을 개선하기 위한 불소 원자 처리제)를 포함한다.

사용되는 다양한 첨가제의 유형 및 양은 당업자에게 친숙할 것이다. 예를 들어, 일렉트릿 대전 촉진 첨가제는 일반적으로 약 5 중량% 미만, 더 전형적으로 약 2 중량% 미만의 양으로 존재한다.

도 2는, 예를 들어 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 비롯하여 다양한 직경의 멜트블로운 섬유를 포함하는 웨브를 생성하기 위해 사용될 수 있는 장치(200)의 예시적인 배열을 도시한다. 호퍼(202) 및 압출기(204)로부터 공급되는 용융된 섬유 형성 중합체 재료가 입구(208)를 거쳐 멜트블로잉 다이(206)로 진입하고, 다이 공동(210)을 통해 유동하고, 다이 공동(210)의 전방 단부를 가로질러 일렬로 배열되고 다이 공동(210)과 유체 연통하는 보다 큰 크기와 보다 작은 크기의 오리피스들의 열(도 3과 관련하여 이하 논의됨)을 통해 다이 공동(210)을 빠져 나온다(일 실시 형태에서, 다이 공동(210)은 도 2에 도시되지 않은, 도관 또는 도관들에 의해 오리피스와 유체 연통한다). 따라서, 용융된 섬유 형성 재료는 오리피스로부터 압출되어, 필라멘트(212)를 형성한다. 일 세트의 개방부가 제공되고, 이를 통해 기체, 전형적으로 가열된 공기가 매우 고속으로 강제 이송되어 필라멘트(212)를 멜트블로운 섬유의 부유 스트림(214)을 형성하는 섬유로 세장화한다. 특정 실시 형태에서, 전술한 장치는 단일 압출기, 단일 다이, 및 단일 다이 공동을 포함한다.

도 3은 세장화 기체 편향기 판(deflector plate)이 제거된, 예시적인 멜트블로잉 다이(206)의 확대된 단부 사시도이다. 일 실시 형태에서, 다이(206)는 복수의 유동 통로를 형성하는 더 큰 오리피스(306) 및 더 작은 오리피스(308)의 열(304)을 갖는 돌출 팁 부분(302)을 포함하고, 이 유동 통로를 통해 용융된 섬유 형성 재료가 다이(206)를 빠져 나와서 필라멘트(212)를 형성한다. 더 큰 오리피스(306) 및 더 작은 오리피스(308)는 원형일 수 있지만, 다른 형상을 또한 포함할 수 있다. 구멍(310)이 다이의 여러 부분들을 함께 유지하는 관통 볼트(도 3에는 도시 안됨)를 수납한다. 도 3에 도시된 실시 형태에서, 더 큰 오리피스(306) 및 더 작은 오리피스(308)는 2:1의 크기 비를 갖고, 각각의 더 큰 오리피스(306)에 대해 9개의 더 작은 오리피스(308)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. 다양한 실시 형태에서, 더 작은 오리피스의 직경(또는 비원형 오리피스가 사용되는 경우 최대 치수)은 적어도 약 0.2 ㎜ 내지 적어도 약 0.4 ㎜ 또는 적어도 약 0.5 ㎜의 범위일 수 있다. 더 작은 오리피스와 더 큰 오리피스의 개수 및 그들의 치수는 더 큰 오리피스로부터의 용융된 압출물 대 더 작은 오리피스로부터의 용융된 압출물의 체적 유동의 공칭 비가 약 70:30, 60:40, 50:50, 40:60, 내지 30:70의 범위로 제공할 수 있도록 선택될 수 있다. 그러나, 다양한 크기의 오리피스들로부터의 체적 유동의 정확한 비는 중합체 수지의 점도 및 압출 공정에 채용되는 작동 조건에 의해 영향을 받을 것이다. 따라서, 본 명세서에 기초하여 이해될 바와 같이, 작동 조건, 예컨대 중합체 유량, 압출기 및/또는 다이 작동 온도, 세장화 공기 유량 등(및 후술하는 바와 같이 장치(220)를 거쳐 도입되는 스테이플 섬유)은 이렇게 형성된 부직 웨브가 원하는 구조 및 물리적 특성을 갖도록 모두 조합하여 선택될 수 있다. 이러한 방식으로, 도 2 및 도3 에 도시된 장치는 더 큰 크기의 오리피스로부터 방출되는 더 큰 직경의 섬유 및 더 작은 크기의 오리피스로부터 방출되는 더 작은 직경의 섬유를 포함하는 스트림을 제공하고, 그럼으로써 예컨대 2중 모드 섬유 직경 분포를 포함하는 부직 웨브를 생성하도록 작동될 수 있다.

도 4는, 예를 들어 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 비롯하여 다양한 직경의 멜트블로운 섬유를 포함하는 웨브를 생성하기 위해 사용될 수 있는 제2 장치(800)의 예시적인 배열을 도시한다. 단일 멜트블로잉 다이(201)가 호퍼(205), 압출기(207), 및 도관(209)으로부터 공급되는 용융된 제1 섬유 형성 재료를 공급받는다. 다이(201)는 호퍼(211), 압출기(213), 및 도관(217)으로부터 공급되는 용융된 제2 섬유 형성 재료를 개별적으로 공급받는다. 도관(209, 217)은 제1 및 제2 다이 공동(268, 270)과 각각 유체 연통하며, 이 다이 공동들은 다이 공동(268, 270)을 위한 외벽을 형성하는 대체로 대칭인 제1 및 제2 부분(222, 224) 내에 위치된다. 대체로 대칭인 제1 및 제2 부분(226, 228)은 다이 공동(268, 270)을 위한 내벽을 형성하고, 시임(seam)(230)에서 만난다. 부분(226, 228)은 단열부(insulation)(232)에 의해 그들의 길이의 대부분을 따라 분리될 수 있다. 편향기 판(240, 242)은 세장화 유체(예컨대, 가열된 공기)의 스트림을, 이들이 멜트블로잉 다이(201)로부터 방출되는 필라멘트(212) 상에 수렴하여 필라멘트(212)를 섬유(214)로 세장화하도록 지향시킨다.

도 5는 세장화 기체 편향기 판(240, 242)이 제거된, 예시적인 멜트블로잉 다이(201)의 확대된 단부 사시도이다. 부분(222, 224)은 제1 세트의 오리피스(246) 및 제2 세트의 오리피스(248)가 위치되고 그를 통해 필라멘트(212)가 나올 시임(244)을 따라 만난다. 일 실시 형태에서, 세트(246) 내의 오리피스 및 세트(248) 내의 오리피스는 동일한 크기(예컨대, 원형 오리피스의 경우 직경)의 것이다. 대안적인 실시 형태에서, 세트(246) 내의 오리피스 및 세트(248) 내의 오리피스는 상이한 크기의 것이다. 다이 공동(268, 270)은 통로(234, 236, 238)를 거쳐 제1 세트의 오리피스(246) 및 제2 세트의 오리피스(248)와 각각 유체 연통한다. 도 5에 도시된 예시적인 실시 형태에서, 오리피스(246, 248)는 다이(201)의 출구 단부를 가로질러 단일 열로 교번하는 순서로 그리고 다이 공동(268, 270)과 50:50 비로 각각 유체 연통하여 배열된다. 오리피스의 다른 배열 및 오리피스(246, 248)의 개수의 다른 비가 채용될 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 채용될 수 있다. 복수의 열로 배열되는 경우, 각각의 열은 단 하나의 세트로부터 또는 제1 및 제2 세트 둘 모두로부터의 오리피스를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 세트 내의 오리피스의 개수는 50:50, 50:50 미만(예컨대, 10:90, 20:80, 30:70, 40:60 등), 및 50:50 초과(예컨대, 60:40, 70:30, 80:20, 90:10 등)을 비롯하여 다양한 비로 있을 수 있다. 제1 및 제2 세트 둘 모두로부터의 오리피스가 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 팁은, 멜트블로잉 다이 내의 제1, 제2, 제3, 및 필요하다면 추가의 다이 공동과 각각 유체 연통하며 제1, 제2, 제3, 및 필요하다면 추가의 압출기에 의해 공급받는, 오리피스의 하나 초과의 세트, 예컨대, 오리피스의 제1, 제2, 제3, 및 필요하다면 추가의 세트를 포함할 수 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 장치는 하나의 다이 공동/오리피스 세트로부터 방출되는 더 큰 크기의 섬유 및 다른 다이 공동/오리피스 세트로부터 방출되는 더 작은 크기의 섬유를 포함하는 스트림을 제공하고, 그럼으로써 예컨대 2중 모드 멜트블로운 섬유 직경 분포를 포함하는 부직 웨브를 생성하도록 작동될 수 있다. 이는 일 실시 형태에서 하나의 오리피스 세트로부터 방출되는 용융된 섬유 형성 재료가 다른 오리피스 세트로부터 방출되는 용융된 섬유 형성 재료와 상이한 점도를 포함하도록 하는 조건 하에서 장치를 작동시킴으로써 행해질 수 있다. 특정 실시 형태에서, 제1 섬유 형성 재료는 더 작은 직경의 필라멘트를 형성하기 위해 실질적으로 더 낮은 점도에서 제1 세트의 오리피스를 통해 유동하고, 제2 섬유 형성 재료는 더 큰 직경의 필라멘트를 형성하기 위해 실질적으로 더 높은 점도에서 제2 세트의 오리피스를 통해 유동한다. (이러한 맥락에서, 실질적으로 더 높은/더 낮은은 예컨대 적어도 약 20%만큼 상이한 것을 의미할 수 있다.) 2개의 오리피스 세트로부터 방출되는 압출물들 사이의 그러한 점도 차이는 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 제1 섬유 형성 재료는 실질적으로 더 높은 온도에서 제1 세트의 오리피스를 통해 유동할 수 있고, 제2 섬유 형성 재료는 실질적으로 더 낮은 온도에서 제2 세트의 오리피스를 통해 유동할 수 있다. (이러한 맥락에서, 실질적으로 더 높은은 예컨대 적어도 약 10℃만큼 상이한 것을 의미할 수 있다.) 이는 예를 들어 하나의 압출기 내에서의 더 높은 배럴(barrel) 온도 및 다른 압출기 내에서의 더 낮은 배럴 온도의 사용, 및/또는 하나의 압출기 내에서의 더 높은 도관 온도 및 다른 압출기 내에서의 더 낮은 도관 온도의 사용, 및/또는 (다이 공동 온도들이 독립적으로 제어될 수 있는 경우) 하나의 다이 공동에 대한 더 높은 다이 공동 온도 및 다른 다이 공동에 대한 더 낮은 다이 공동 온도의 사용에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 예시적인 일 실시 형태에서, 중합체 수지는 압출기(213)가 압출기(207)보다 더 낮은 배럴 온도에 유지되는 상태에서, 압출기(207)로부터 다이 공동(268)으로 그리고 압출기(213)로부터 다이 공동(270)으로 공급되어, 상대적으로 더 큰 직경의 섬유가 오리피스 세트(248)로부터 생성되고 상대적으로 더 작은 직경의 섬유가 오리피스 세트(246)로부터 생성된다. 이러한 실시 형태에서, 2개의 섬유 형성 재료는 실질적으로 동일한 용융 유동 지수의 것일 수 있다.

다른 실시 형태에서, 실질적으로 상이한 용융 유동 지수의 중합체 수지들이 2개의 오리피스 세트에 공급되어, 원하는 점도 차이를 달성한다. (이러한 경우에, 상이한 온도의 2개의 압출기, 도관, 및/또는 다이 공동을 갖는 것은 필수적이지 않을 수 있지만, 이는 또한 필요하다면 행해질 수 있다.) 따라서, 예시적인 일 실시 형태에서, 실질적으로 더 높은 용융 유동 지수(즉, 더 낮은 용융 점도)의 중합체 수지가 압출기(207)로부터 다이 공동(268)으로 공급될 수 있고, 실질적으로 더 낮은 용융 유동 지수의 중합체 수지가 압출기(213)로부터 다이 공동(270)으로 공급될 수 있어서, 오리피스 세트(248)로부터 상대적으로 더 큰 직경의 섬유 및 오리피스 세트(246)로부터 상대적으로 더 작은 직경의 섬유를 생성한다. (이러한 맥락에서, 실질적으로 상이한 및 실질적으로 더 높은/더 낮은은 예컨대 적어도 약 20%만큼 상이한 것을 의미할 수 있다.)

다른 실시 형태에서, 장치(800)는 용융된 제1 섬유 형성 재료가 각각의 오리피스를 통한 용융된 재료의 선속도(즉, 오리피스 면적으로 나눈 오리피스를 통한 체적 유량)이 상대적으로 더 낮은 상태로 제1 세트의 오리피스를 통해 유동하여, 더 작은 직경의 필라멘트를 형성하도록 설계 및/또는 작동될 수 있다. 그리고, 용융된 제2 섬유 형성 재료는 제2 세트의 오리피스를 통해 유동하고, 이들 오리피스 각각을 통한 이러한 용융된 재료의 선형 유량은 상대적으로 더 높아서, 더 큰 직경의 필라멘트를 형성한다. (이러한 맥락에서, 상대적으로 더 높은/더 낮은은 예컨대 적어도 약 20%만큼 상이한 것을 의미할 수 있다.)

일 실시 형태에서, 이는 용융된 제1 수지를 제1 압출기로부터 더 낮은 체적 유량으로 제1 다이 공동 및 오리피스 세트로 공급하고, 용융된 제2 수지를 제2 압출기로부터 더 높은 체적 유량으로 제2 다이 공동 및 오리피스 세트로 공급함으로써 달성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 중합체 수지는 압출기(207)로부터 다이 공동(268)으로 그리고 압출기(213)로부터 다이 공동(270)으로 공급되고, 압출기(213)가 압출기(207)보다 더 큰 중합체 유량을 제공하여, 오리피스(248)로부터 상대적으로 더 큰 직경의 섬유를 그리고 오리피스(246)로부터 상대적으로 더 작은 직경의 섬유를 생성한다. 2개의 압출기 사이의 체적 출력의 그러한 차이는 당업계에 공지된 다양한 방법에 의해 달성될 수 있다.

소정의 실시 형태에서, 특히 각각의 오리피스 세트 내의 오리피스의 개수 또는 2개 세트의 오리피스의 크기에 있어서 차이가 있는 실시 형태에서, 압출기 출력은 그에 따라 조정될 것이다. 몇몇 경우에, 더 낮은 체적 유량으로 작동하는 압출기는 더 큰 직경의 섬유를 생성할 수 있고, 더 높은 체적 유량으로 작동하는 압출기는 더 작은 직경의 섬유를 생성할 수 있다.

상기 파라미터 값(수지 용융 유동 지수 및/또는 압출기 체적 출력, 압출기 배럴 온도, 압출기 도관 온도, 및/또는 다이 공동 온도를 포함하지만 이들로 한정되지 않는 압출기 작동 조건의 선택) 중 임의의 것 또는 전부는 원하는 특성을 갖는 멜트블로운 섬유 웨브를 생성하기 위해 단독으로 또는 다른 파라미터와 조합하여 선택될 수 있다. 압출 분야의 당업자는 본 명세서에 기초하여 많은 접근법이 채용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 개별적으로 또는 조합된 이들 파라미터 선택 중 임의의 것 또는 전부는 또한 원하는 특성을 갖는 멜트블로운 섬유 웨브를 생성하기 위해 다이 오리피스 크기 및 구성의 선택과 조합될 수 있다.

도 2 및 도 3과 관련하여 설명된 다이 오리피스 설계 및 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 방법이 조합될 수 있는 것이 또한 고려된다. 즉, 수지는 크기에 있어서 상이한 (예컨대, 동일 다이 내의) 오리피스 세트들로 (예컨대, 개별 압출기들에 의해) 개별적으로 공급될 수 있다. 또는, 수지는 오리피스 세트들 중 하나 또는 둘 모두가 복수의 크기의 오리피스들을 포함하는, 개별 오리피스 세트로 개별적으로 공급될 수 있다.

상기 논의된 다양한 오리피스 설계 파라미터, 및 상기 논의된 압출 작동 파라미터는 더 큰 오리피스로부터의 용융된 압출물 대 더 작은 오리피스로부터의 용융된 압출물의 체적 유동의 공칭 비가, 예를 들어 약 90:10, 80:20, 70:30, 60:40, 50:50, 40:60, 30:70, 20:80에서 약 10:90까지의 범위로 제공할 수 있도록 선택될 수 있다. 그러나, 이들 동일한 파라미터는 전술한 바와 같이, 이렇게 형성된 섬유들의 직경에 영향을 준다. 따라서, 당업자는 본 명세서에 기초하여, 다양한 파라미터의 신중한 선택이 상이한 직경의 섬유를 생성하고 그러한 상이한 직경의 섬유들의 원하는 상대 개체군을 생성하는 이중 목적을 달성하기 위해 요구된다는 것을 이해할 것이다.

각각의 오리피스 세트로 공급되는 각각의 수지의 조성은 (수지들이 실질적으로 동일한 용융 유동 지수를 포함하는지의 여부와 별도로 그리고 그와 관계없이) 원하는 대로 선택될 수 있다. 일 실시 형태에서, 수지들은 동일한 중합체 조성의 것이고, 즉 이들은 본질적으로 동일한 반복 분자 단위를 갖지만, 이들은 분자량, 용융 지수, 제조 방법, 결정 형태, 상업적 형태, 첨가제의 존재 및 양 등에 있어서 상이할 수 있다. 동일한 중합체 조성의 수지들을 사용하는 것은, 예를 들어 멜트블로잉 공정 중에 그리고/또는 후속 성형 공정 중에 더 큰 섬유와 더 작은 섬유가 서로에 대해 접합하는 향상된 능력을 제공할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 수지들은 상이한 중합체 조성의 것이고, 즉 이들은 상당량의 상이한 반복 분자 단위를 갖는다(예를 들어, 폴리에틸렌과 폴리프로필렌은 상이한 중합체 조성일 것이다). 상이한 중합체 조성의 수지들을 사용하는 것은, 예를 들어 더 큰 섬유와 더 작은 섬유의 소정의 특성들이 주어진 응용에 대해 개별적으로 선택되도록 할 수 있다. 당연히, 수지들이 동일하거나 상이한 중합체 조성인지의 여부에 관계없이, (대전 첨가제 등과 같은) 첨가제의 양 및 유형은 주어진 응용의 필요에 맞춰지도록, 더 큰 섬유와 더 작은 섬유에 대해 원하는 대로 선택될 수 있다.

스테이플 섬유(12)는 도 2 및 도 4에 도시된 예시적인 장치(220)의 사용을 통해 멜트블로운 섬유(214)의 스트림 내로 도입될 수 있다. 그러한 장치는 멜트블로잉 장치 부근에 배치되는 리커인 롤(lickerin roll)(36)을 제공한다. 스테이플 섬유의 집합물(38)(전형적으로, 가닛(garnet) 기계 또는 "란도-웨버"(Rando-Webber) 상에서 제조되는 것과 같은 헐거운 부직 웨브)가 구동 롤(42) 아래에서 테이블(40)을 따라 추진되며, 여기서 선단 에지가 리커인 롤(36)에 대해 맞물린다. 리커인 롤(36)은 화살표의 방향으로 회전하고, 웨브(38)의 선단 에지로부터 섬유를 집어 올려서, 섬유들을 서로 분리한다. 집어 올려진 섬유는 포함된 홈통 또는 덕트(45)를 통해 멜트블로운 섬유의 스트림(214) 내로 공기 스트림으로 이송되며, 여기서 이들은 멜트블로운 섬유와 혼합된다. 공기 스트림은 본질적으로 리커인 롤의 회전에 의해 발생될 수 있거나, 공기 스트림은 덕트(44)를 통해 작동하는 보조 팬 또는 송풍기의 사용에 의해 증대될 수 있다.

스테이플 섬유와 메조섬유 및 마이크로섬유의 혼합되어 엉킨 스트림(215)은 그 다음 수집기(216)로 진행하며, 여기서 섬유들은 자립식 웨브, 예컨대 스테이플 섬유, 마이크로섬유, 및 메조섬유를 포함하는 무작위로 혼합되고 엉킨 섬유들의 2중 모드 섬유 혼합물 웨브(218)를 형성한다. 수집기(216)는 전형적으로 폐쇄 루프 벨트, 편평 스크린, 또는 드럼 또는 실린더를 포함할 수 있는, 미세 천공된 스크린이다. 수집기는 (베리건(Berrigan) 등의 미국 특허 제6,139,308호에 설명되어 있는 바와 같이) 수집기 상의 선택된 지점이 나선형 패턴으로 이동하도록, 축에 대해 회전하며 축의 방향으로 이동하는 대체로 원통형인 형성 표면을 또한 가질 수 있다. 기체 취출 장치가 스크린 후방에 위치되어, 섬유를 침착시키고 기체를 제거하는 것을 보조할 수 있다. 생성된 웨브(218)는 수집기로부터 박리되어 저장 롤로 권취될 수 있고, 이후에 절단, 취급, 또는 성형 작업에서 처리될 수 있다.

그러한 웨브 내의 다양한 섬유 개체군들은 전형적으로 균일하게 엉키고, 즉 다양한 섬유 직경의 멜트블로운 섬유와 스테이플 섬유는 웨브의 길이 및 폭 전반에 걸쳐 균일하게 분포된다. 전형적으로, 다양한 섬유 개체군들은 또한 웨브의 두께를 통해 균일하게 존재할 것이다. 그러나, 다층 웨브의 상이한 층들 내에 상이한 섬유 개체군을 갖는 다층 웨브가 생성될 수 있다. 그러한 다층 생성물은 도 2 또는 도 4에 도시된 유형의 제2 웨브 형성 장치 아래로 초기에 형성된 웨브를 통과시킴으로써 또는 수집 벨트의 길이를 따라 배치된 제2 웨브 침착 스테이션을 구비함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로, 초기에 형성된 웨브는 일시적으로 감기고, 그 후 추가의 층의 침착을 위해 동일한(또는 상이한) 웨브 형성 장치로 통과될 수 있다. 또는, 2개의 개별적으로 형성된 웨브들이 층상화, 라미네이팅 등이 되어, 다층 구조를 형성할 수 있다. 이러한 방법들 중 임의의 것에 의해, 다층 웨브의 상이한 층들이 멜트블로운 섬유, 및/또는 스테이플 섬유의 상이한 개체군을 지니는, 다층 2중 모드 섬유 혼합물 웨브가 형성될 수 있다.

필요하다면, 일렉트릿 전하가 다양한 방식으로 개시된 부직 웨브에 부여될 수 있다. 이는 예를 들어 안가드지반드(Angadjivand) 등의 미국 특허 제5,496,507호에 개시된 바와 같이 웨브를 물과 접촉시킴으로써, 클라세(Klasse) 등의 미국 특허 제4,588,537호에 개시된 바와 같이 코로나 처리함으로써, 예를 들어 루소 등의 미국 특허 제5,908,598호에 개시된 바와 같이 하이드로차징함으로써, 존스 등의 미국 특허 제6,562,112 B2호 및 데이비드(David) 등의 미국 특허 출원 공개 제2003/0134515 A1호에 개시된 바와 같이 플라즈마 처리함으로써, 또는 이들의 조합에 의해 수행될 수 있다.

2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 스테이플 섬유, 메조섬유, 및 마이크로섬유의 그들의 엉킨 조합으로 인해 다수의 유리한 특성을 지닐 수 있다.

다양한 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 두께는 적어도 약 1 ㎜, 4 ㎜, 또는 8 ㎜일 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 최대 두께는 약 30 ㎜, 25 ㎜, 또는 20 ㎜일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 고형도는 적어도 약 1.0%, 1.5%, 2.0%, 또는 2.5%일 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 고형도는 최대 약 8.0%, 6.0%, 또는 4.0%일 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 적어도 약 3 ㎛, 7 ㎛, 또는 11 ㎛의 유효 섬유 직경을 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 최대 약 50 ㎛, 40 ㎛, 또는 30 ㎛의 유효 섬유 직경을 나타낼 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 2중 모드 혼합물 웨브는 적어도 약 30 g/㎡, 80 g/㎡, 또는 100 g/㎡의 평량을 가질 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 2중 모드 혼합물 웨브는 최대 약 300 g/㎡, 250 g/㎡, 또는 200 g/㎡의 평량을 가질 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브는 (분당 32 리터의 기체 스트림이 대략 101 ㎠ 면적의 시험 웨브로 통과될 때) 39.2 ㎩ (4 ㎜ H₂O), 19.6 ㎩ (2 ㎜ H₂O), 또는 4.9 ㎩ (0.5 ㎜ H₂O)미만의 압력 강하를 나타낼 수 있다.

2중 모드 섬유 혼합물 웨브(218)는 임의의 많은 적합한 방법을 통해, 여러 유형의 여과 장치들 중 임의의 것 내로 통합될 수 있다. 일 실시 형태에서, 웨브(218)는 전술한 공정에서 제조되는 바와 같은 형태의 편평 웨브로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 편의 웨브(218)가 다이 커팅되어 캐니스터(canister) 또는 홀더 내에 배치될 수 있다. 대안적으로, 웨브(218)는 폴드-플랫 마스크(fold-flat mask) 유형의 호흡기, 예컨대 편평하게 포장되지만 호흡기가 컵 형상의 구성으로 개방되도록 하는 시임, 주름, 및/또는 절첩부를 구비하여 형성된 호흡기 내에서 여과 층으로서 사용될 수 있다. 대안적인 실시 형태에서, 웨브(218)는 비-평면형 형상, 예컨대 주름진 필터로 형상화(예컨대, 성형)될 수 있다.

일 실시 형태에서, 웨브(218)는 사람의 코 및 입 위에 맞춰지도록 되어 있는 형상, 예를 들어 소위 컵 형상으로 형상화(예를 들어, 성형)될 수 있다. 도 6은 예시적인 컵 형상의 일회용 개인용 호흡기(400)를 부분 단면으로 도시한다. 호흡기(400)는 2중 모드 섬유 혼합물 웨브 여과 층(218)을 포함하는 마스크 본체(401)를 포함하고, 내부 층(402) 및/또는 외부 층(406)을 포함할 수 있다. 선택적인 용접된 에지(408)가 이러한 층들을 함께 유지하고, 호흡기(400)의 에지를 지나는 누출을 감소시키기 위한 안면 밀봉 영역을 제공한다. 누출은, 예를 들어 금속, 예컨대 알루미늄 또는 플라스틱, 예컨대 폴리프로필렌의 선택적인 유연하고 매우 부드러운 코 밴드(410)에 의해 추가로 감소될 수 있다. 호흡기(400)는 또한 (예컨대, 탭(414)을 사용하여 체결되는 조정가능한 머리 및 목 스트랩(412)을 포함하는) 하니스(412)를 포함하고, 선택적으로 호기 밸브(416)를 포함할 수 있다.

선택적으로, 하나 또는 양 내부 층 및 외부 층(402, 406)이 제공될 수 있고, 다수의 기능을 수행할 수 있다. 일 실시 형태에서, 하나 또는 양 층은 순수하게 미적인 역할만을 수행할 수 있다. 다른 실시 형태에서, 내부 층은 안가드지반드 등의 미국 특허 제6,041,782호에 설명되어 있는 방법 및 재료를 사용하여, 착용자에게 개선된 편안함을 제공하도록 선택될 수 있다. 이러한 용도에 추가하여 또는 그 대신에, 내부 및/또는 외부 층은 호흡기의 원하는 성형된 형상 및/또는 여과 층(218)에 대한 지지를 제공하도록 형상화 층으로서 역할할 수 있다. 그러한 형상화 층은, 예를 들어 다이루드(Dyrud) 등의 미국 특허 제4,807,619호 및 베르그(Berg)의 미국 특허 제4,536,440호에 설명되어 있는 바와 같이, 예를 들어 컵 형상의 구성으로 성형된 열 접합성 섬유들의 부직 웨브로부터 제조될 수 있다. 그러한 형상화 층은 또한 스코브(Skov)의 미국 특허 제4,850,347호에 개시되어 있는 형상화 층과 유사하게, 다공성 층 또는 가요성 플라스틱의 투각 "어망" 유형의 망상 조직(open work "fishnet" type network)으로부터 제조될 수 있다. 형상화 층은 미국 특허 제4,850,347호 또는 크론저(Kronzer) 등의 미국 특허 제5,307,796호에 설명되어 있는 것과 같은 공지된 절차에 따라 성형될 수 있다. 그러한 형상화 층이 여과 층(218)에 대한 구조 및/또는 지지를 제공하는 1차적인 목적으로 제공될 수 있지만, 형상화 층(들)은 또한 필터로서, 예를 들어 더 큰 입자를 위한 조질 예비 필터(coarse prefilter)로서 작용할 수 있다.

형상화 층은 섬유들이 섬유 접촉 지점에서 서로에 대해 접합되도록 하는 접합 성분을 갖는 섬유를 함유할 수 있다. 그러한 접합 성분은 인접 접촉하는 섬유들이 열을 받고 냉각될 때 유착되도록 한다. 그러한 열 접합 섬유들은 예컨대 단일 필라멘트 및 2성분 형태가 될 수 있다.

형상화 층을 형성하기 위해 유용한 적합한 섬유, 및 형상화 층을 형성하는 일반적인 방법은 다이루드 등의 미국 특허 제4,807,619호, 베르그의 미국 특허 제4,536,440호, 및 안가드지반드 등의 미국 특허 제 6,041,782에서 확인된다.

2중 모드 섬유 혼합물 여과 층(218) 및 선택적인 커버 층(402, 406)에 추가하여, 다른 여과 층 또는 층들이 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 도 6에, 선택적인 2차 여과 층(405)이 도시되어 있다. 여과 층(405)은 원하는 대로 선택된 임의의 여과 층, 매체, 또는 멤브레인으로 구성될 수 있다. 일 실시 형태에서, 여과 층(405)은 멜트블로운 섬유의 층을 포함한다. 상기 논의된 바와 같이 비교적 두꺼울 수 있는 여과 층(218)과 비교하여, 여과 층(405)은 예컨대 1 내지 3 ㎜로 더 얇을 수 있다. 이는 또한 그가 쌍을 이루는 2중 모드 섬유 혼합물 웨브와 상이한 유효 섬유 직경을 가질 수 있다. 소정의 실시 형태에서, 여과 층(405) 및 2중 모드 섬유 혼합물 여과 층(218)은 상보적인 방식으로 역할하도록, 즉 각각이 서로의 성능을 증대시키는 특성을 갖도록 선택될 수 있다. 그렇게 선택되면, 층들(405, 218)의 조합은 유의한 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 층(405)은 (입자의 통과를 방지하는 측면에서) 우수한 여과 특성을 제공할 수 있지만, 막히기 쉬울 수 있다. 다른 한편으로, 층(218)은 높은 로딩 용량을 지닐 수 있다. 따라서, 층(218)은 입자 함유 기체 스트림과 층(405) 사이에(즉, 전형적인 컵 형상의 호흡기의 볼록한 면 상에) 배치될 수 있어서, 층(405)이 막히지 않도록 입자의 대부분을 포획한다. 따라서, 2개의 그러한 층들의 조합은 단독으로 사용되는 각각의 층에 대비하여 현저하게 우수한 성능을 제공할 수 있다. 일 실시 형태에서, 필터 층(405)은 안가드지반드 등의 미국 특허 제6,932,182호에 설명되어 있는 유형의 멜트블로운 섬유 필터 층을 포함한다. 다양한 실시 형태에서, 필터 층(405)은 적어도 1 ㎛, 3 ㎛, 또는 5 ㎛의 유효 섬유 직경을 가질 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 필터 층(405)은 최대 20 ㎛, 10 ㎛, 또는 6 ㎛의 유효 섬유 직경을 가질 수 있다.

2차 여과 층(405)이 필요한 경우, 이는 후술하는 바와 같이, 층(218)과 개별적으로 제조되어, 호흡기가 제조되는 성형 공정 중에 호흡기 내로 도입될 수 있다. 또는, 이는 개별적으로 제조되고, 여과 층(218)에 라미네이팅되어, 호흡기 성형 공정을 받게 되는 다층 라미네이트를 형성할 수 있다. 층들(218, 405)은 전술한 방법에 따라, 최적의 여과 성능을 위해 대전될 수 있다. 그러한 대전은 각각의 층 상에서 개별적으로 수행될 수 있거나, 웨브는 단일 공정에서 조합(예컨대, 라미네이팅)되고 대전될 수 있다. 일 실시 형태에서, 필터 층(405)은 안가드지반드 등의 미국 특허 제5,496,507호에 설명되어 있는 공정에 따라 개별적으로 대전된다.

다른 층 및/또는 첨가제가 또한 포함될 수 있고, 예를 들어 하나 이상의 층들이 2006년 5월 8일자로 출원되고 발명의 명칭이 입자 함유 섬유질 웨브인 미국 특허 출원 제11/431,152호에 설명되어 있는 다공성 층과 같은, 관심 증기를 포착하기 위해 채용될 수 있는 흡착 입자를 함유할 수 있다. 다른 층들이 다양한 이유(예를 들어, 미적, 장식적, 기계적 지지 또는 강성)로 포함될 수 있다.

일 실시 형태에서, 개인용 호흡기(400)는 다음의 공정을 통해 2중 모드 섬유 혼합물 웨브(218)로부터 제조될 수 있다. 2중 모드 섬유 혼합물 웨브(218) 및 선택적인 여과 층(405)은 전술한 공정에 의해 대전되고, 그 후 적층된 관계로 배치된다. (대전 공정은 각각의 웨브 상에서 개별적으로 수행될 수 있고 그 후에 웨브들이 모아지며, 대안적으로는 웨브들이 모아지고, 예컨대 라미네이팅되고 하나의 유닛으로서 대전될 수 있다.) 선택적인 커버 층 웨브들(402, 406) 중 하나 또는 모두는 그 후 웨브(218)에 대해(또는 웨브들(218, 405)의 조합에 대해) 적층된 관계로 배치될 수 있다.

여과 층(들) 및 커버 층(들)의 적층체는 그 후 (전형적으로 가열되는) 컵 형상의 수형 및 암형 성형 표면을 갖는 성형 장치 내에 배치된다. 성형 표면들은 그 후 충분한 시간 동안 그리고/또는 충분한 압력에서 모아져서, 다층 적층체를 (전형적으로 볼록 및 오목 면들을 갖는) 컵 형상의 마스크 본체로 형성한다. 과잉 재료는 그 후 성형된 조각 둘레로부터 절단될 수 있고, 그 후에 스트랩, 하니스, 밸브 등이 원하는 대로 추가되어 완성된 호흡기를 형성할 수 있다.

성형 공정은 전형적으로 선택적인 2차 여과 층(들) 및 선택적인 형상화 층과 함께, 여과 층(218)에 일정 정도의 영구적인 형상을 부여한다. 성형 공정은 섬유들 사이의 접촉 지점에서 다양한 개별 섬유들 사이에 일정량의 용융 접합을 부여할 수도 있고, 또한 다양한 층들의 서로에 대한, 즉 2중 모드 섬유 혼합물 층(218)과 선택적인 층(405) 사이, 층(218)과 층(402 및/또는 406) 사이 등의 일정량의 용융 접합을 부여할 수 있다. 다양한 층들 사이의 충분한 접합이 성형 공정에서 수행되지 않은 경우, 추가의 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, (초음파 용접과 같은) 접합 공정이 호흡기의 에지(408) 둘레에서 수행될 수 있거나, 기계식 클램프 또는 다른 접합 수단이 에지(408) 둘레에서 사용되어 층들이 적절하게 함께 유지되는 것을 보장할 수 있다. 이것이 충분하지 않은 경우, 국소화된 접합 처리(예컨대, 점 용접 등)가 호흡기의 특성이 부당하게 영향을 받지 않는 한, 호흡기 상의 적절한 위치에서 사용될 수 있다. 안가드지반드 등의 미국 특허 제6,923,182호에 설명되어 있는 바와 같이, 다양한 층들을 함께 접합시키기 위해 접착제 층을 사용하는 것이 또한 가능하다.

2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 포함하는 성형된 호흡기는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 단독으로 또는 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 2차 여과 층과 조합하여, 다수의 유용한 특성을 나타낼 수 있다. 다양한 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 포함하는 성형된 호흡기는 (분당 85 리터의 기체 스트림이 70 ㎎의 소금으로 로딩된 대략 159 ㎠의 시험 웨브로 통과될 때) 0.49 ㎪ (50 ㎜ H₂O), 0.25 ㎪ (25 ㎜ H₂O), 또는 0.19 ㎪ (20 ㎜ H₂O) 미만의 압력 강하를 나타낼 수 있다. 추가의 실시 형태에서, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 포함하는 성형된 호흡기는 (분당 30 리터의 기체 스트림이 40 ㎎의 용접 연기로 로딩된 대략 159 ㎠의 시험 웨브로 통과될 때) 80 ㎩, 60 ㎩, 또는 40 ㎩ 미만의 압력 강하를 나타낼 수 있다.

특성들의 이러한 조합은 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 다양한 여과 응용, 예를 들어 미립자의 다량의 심도 로딩이 웨브를 막고 그리고/또는 불만족스러운 높은 압력 강하에 직면함이 없이 얻어질 수 있는 것에 대해 매우 적합하게 할 수 있다.

본 발명은 다음의 실시예에 의해 추가로 설명된다.

<실시예>

다음의 시험 방법들을 웨브 및 성형된 필터 요소를 평가하기 위해 사용하였다.

염화나트륨에서의 미립자 투과

개별 성형된 필터 샘플에 대한 투과 및 압력 강하를 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 티에스아이 인코포레이티드(TSI Incorporated)로부터의 AFT 시험기, 모델 8130을 사용함으로써 결정하였다. 입방미터당 20 밀리그램(㎎/m3) 농도의 염화나트륨(NaCl)을 챌린지 에어로졸(challenge aerosol)로서 사용하였다. 에어로졸 챌린지를 분당 85 리터의 유량에 대응하는, 초당 13.8 센티미터(㎝/초)의 면속도로 송출하였다. 성형된 필터 시편(대략 159 ㎠의 면적)에 걸친 압력 강하를 투과 시험 중에 측정하였고, 밀리미터 물(㎜ H₂O)의 단위로 기록하였다. 특히, 70 ㎎ 소금 로딩에서의 압력 강하를 기록하였다.

용접 연기 시험

성형된 필터 샘플을 다음과 같은 장치 및 방법을 사용하여 용접 연기에 노출시켰다. 연강 용접 판(6 ㎜ 두께)을 수집기 챔버 내에 위치시켰다. 플럭스 코어형 와이어(flux cored wire)(니테츠(Nittetsu) SF-1; 1.2 ㎜ 직경)를 강철 판에 인접하여 위치시켰다. 용접 차폐 기체(CO₂)를 13 리터/분 유량으로 용접 영역으로 도입하였다. 22 V의 용접 전압 및 170 A의 전류를 와류 송풍기(vortex blower)에 의해 수집기 챔버로부터 연기 챔버(0.8 m x 1.0 m x 1.3 m) 내로 전달되는 연기 농도를 발생시키기 위해 사용하였다. 이어서, 연기 함유 공기를 연기 챔버로부터 샘플링 시스템을 통해 샘플링 시스템의 하류 단부의 흡입 펌프에 의해 흡인하였다. 성형된 필터 샘플을 연기 함유 공기가 약 159 ㎠의 샘플의 면적으로 통과되도록 샘플링 시스템 내의 홀더 박스 내에 배치하였다. HEPA 필터링된 희석 공기를 연기 챔버의 하류 및 샘플 홀더 박스의 상류에 위치된 밸브에 의해 샘플링 시스템 내로 도입하였다. 흡입 펌프를 작동시켰고, 샘플이 30 리터/분의 유량에서, 공기 입방미터당 대략 50 ㎎의 연기 샘플에서 연기 함유 공기로 챌린징되는 조건 하에서, 희석 공기를 도입하였다. 광 산란 검출기(시바타 사이언티픽 테크놀러지 엘티디.(Shibata Scientific Technology Ltd.)로부터 입수가능한 AP-632F)를 샘플의 상류 및 하류에 위치시켜서, 샘플에 충돌하고 그를 통해 투과하는 연기 농도를 각각 모니터링하였다. 성형된 필터 시편에 걸친 압력 강하를 투과 시험 중에 측정하였고, 파스칼(㎩) 단위로 기록하였다. 특히, 40 ㎎ 용접 연기 로딩 시의 압력 강하를 기록하였다.

유효 섬유 직경

웨브 시편에 대한 유효 섬유 직경(EFD)을 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles", Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 기술되어 있는 방법에 따라 결정하였다.

압력 강하

웨브 시편을 분당 32 리터(lpm)의 공기 유동에 노출시킬 때의 그의 압력 강하로 특성화하였다.

섬유 직경 분포

섬유 (직경) 크기 분포의 결정을 웨브 시편의 현미경 사진의 화상 분석에 의해 수행하였다. 웨브 시편을, 웨브 샘플을 주사 전사 현미경 스터브 상에 장착하고 섬유를 금/팔라듐의 대략 100 옹스트롬(Å)으로 증기-도금함으로써 제조하였다. 도금은 16.7 내지 19.9 ㎩ (125 내지 150 밀리토르(millitorr))의 아르곤 기체 유동을 공급받는 6.7 ㎩ (50 밀리토르)의 챔버 진공에서 40 밀리암페어 스퍼터 캐소드 도금 소스(sputter cathode plating source)에 의해 (미국 뉴저지주 무어스타운 소재의 덴톤 배큠(DENTON Vacuum)으로부터 입수가능한) 덴톤 배큠 데스크 II 콜드 스퍼터 장치(DENTON Vacuum Desk II Cold Sputter apparatus)를 사용하여 행하였다. 도금 공정의 지속기간은 대략 45초였다. 그 후, 도금된 샘플을 LEO VP 1450 주사 전사 현미경(미국 10594 뉴욕주 뉴욕 썬우드 원 자이스 드라이브 소재의 레오 일렉트론 마이크로스코피 인크.(LEO Electron Microscopy Inc.)) 내에 삽입하고, 0도 경사, 15 킬로볼트(㎸) 가속 전압, 및 15 ㎜ WD(작업 거리)에서 촬영하였다. 다양한 배율에서 취해진 전자 화상을 섬유 직경을 결정하기 위해 사용하였다. 시편의 표면 시계의 전자 화상을 텍사스 대학(University of Texas)으로부터 입수가능한 개인용 컴퓨터 실행 UTHSCSA(University of Texas Health Science Center in San Antonio) 윈도우용 이미지 툴 버전 2.00을 사용하여 분석하였다. 화상 분석을 수행하기 위해, 이미지 툴을 먼저 현미경 배율에 대해, 그 다음 개별 섬유들이 그들의 폭(직경)을 가로질러 측정되도록 처리된 시편의 전자 화상에 대해 보정하였다. 최소 150개의 멜트블로운 섬유를 각각의 웨브 샘플에 대해 측정하였다. 각각의 화상으로부터의 개별 섬유(꼬이거나 묶인 섬유가 아님)만을 측정하였다.

히스토그램의 생성을 위해, 섬유 직경을 가장 근사의 마이크로미터로 올림하였다(예컨대, 2 마이크로미터의 히스토그램 값은 1 및 2 마이크로미터 사이의 측정된 직경을 갖는 섬유를 포함한다). 섬유 도수 히스토그램을 위해, 각각의 섬유 직경에 대해, 도수(섬유의 개수)를 기록하였다. 질량 도수 히스토그램 데이터를 각각의 섬유 직경에 대해, 섬유 도수(섬유의 개수)를 섬유 직경의 제곱에 비례하는 계수에 의해 곱함으로써 얻었다. 사용된 시험 방법으로 인해, 특정 직경(보통 22 마이크로미터 직경, 또는 몇몇 경우에 18 마이크로미터) 초과의 섬유의 존재 및 개수를 검출하였지만, 직경은 정량화할 수 없었다. 따라서, 이들 섬유에 대해 기록된 질량 도수 값(즉, 18 마이크로미터 초과 또는 22 마이크로미터 초과와 같은 질량 도수 히스토그램 상에 도시된 것)은 스케일링하지 않는다.

히스토그램의 생성을 위해, 멜트블로운 섬유만을 계수하였다. 외양(예컨대, 표면 텍스처, 프로파일 등), 그들의 더 짧은 길이, 및/또는 그들의 확정된 길이에 의해 멜트블로운 섬유로부터 구분될 수 있는 스테이플 섬유는 히스토그램 내에 포함시키지 않았다.

필요한 경우, 섬유 개체군 또는 부직 웨브에 대해, 평균 기하학적 섬유 직경은 예를 들어 스프링겟 등의 미국 특허 제6,827,764호에 개시되어 있는 절차에 따라, 그러한 섬유 직경 분포 데이터로부터 결정할 수 있다.

실시예 1

도 2 및 도 3에 도시된 것과 유사한 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 설명되어 있는 것과 유사한 절차를 사용하여, 마이크로섬유와 메조섬유의 엉킨 혼합물을 함유하는 멜트블로운 섬유 웨브를 생성하였다.

멜트블로운 섬유를 프랑스 파리 소재의 토탈 에스.에이.(Total S.A.)로부터 EOD-12라는 상표명으로 입수가능한 1350 용융 유동 폴리프로필렌으로부터 형성하였고, 이에 1 중량%의 트라이스테아릴 멜라민을 일렉트릿 대전 첨가제로서 첨가하였다. 중합체를 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 20/1의 길이/직경 비 및 3/1의 압축 비를 가졌다. 제니스(Zenith) 10 cc/rev 용융 펌프가 중합체의 유동을 50.8 ㎝ 폭의 드릴링된 오리피스 멜트블로잉 다이로 계량 공급하였다. 원래 0.3 ㎜ 직경의 오리피스를 포함했던 다이를, 매 9번째 오리피스를 0.6 ㎜로 드릴링함으로써 변형시켰고, 그럼으로써 더 큰 크기의 구멍에 대한 더 작은 크기의 구멍의 개수의 9:1 비 및 더 작은 구멍 크기에 대한 더 큰 구멍 크기의 2:1 비를 제공하였다. 이러한 다이 설계는 체적을 기준으로 대략 60/40의 더 큰 직경의 전체 섬유 압출물 대 더 작은 직경의 전체 섬유 압출물의 공칭 비를 송출하도록 역할하였다. (전술한 바와 같이, 정확한 비는 사용된 특정 공정 조건 및 수지에 의존한다.) 오리피스들의 선은 10 구멍/㎝의 구멍 간격을 가졌다. 가열된 공기를 다이 팁에서 섬유를 세장화하기 위해 사용하였다. 에어 나이프(airknife)를 다이 팁으로부터의 0.5 ㎜의 음의 셋백(negative setback) 및 0.76 ㎜ 공기 갭으로 위치시켰다. 없거나 적당한 진공을 웨브 형성 지점에서 중간 메시 수집기 스크린을 통해 흡인하였다. 압출기로부터의 중합체 출력 속도는 약 0.18 ㎏/㎝/시였고, DCD(다이 대 수집기 거리)는 약 74 ㎝였고, 공기 압력은 원하는 대로 조정하였다.

(스테이플 섬유를 함유하지 않는) 이러한 방식으로 형성된 2중 모드 멜트블로운 섬유 웨브의 샘플을 표 1에 보고되어 있는 다양한 특성에 의해 특성화하였다.

(전술한 바와 같은) 스테이플 섬유 첨가 유닛을 그 다음 시작시켰고, 상기 조건에 따라 제조된 멜트블로운 섬유를 포함하고 또한 멜트블로운 섬유 스트림 내로 도입된 스테이플 섬유를 포함하는 웨브를 형성하였다. 스테이플 섬유는 인비스타 코포레이션으로부터 T-295라는 상표명으로 입수가능한 6 데니어 폴리에스테르 섬유 제품을 포함하였고, 대략 50 중량%의 멜트블로운 섬유 및 50 중량%의 스테이플 섬유를 포함하는 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 형성하도록 도입시켰다.

생성된 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 안가드지반드 등의 미국 특허 제5,496,507호에 설명되어 있는 공정에 따라 하이드로차징하였다. 하이드로차징은 진공 슬롯 위에서 약 10 ㎝ 이격되어 장착되고 약 7 ㎝에 중심 설정된 (미국 일리노이주 휘톤 소재의 스프레잉 시스템즈 컴퍼니(Spraying Systems Co.)로부터 입수가능한) 티젯(Teejet) 9501 분무기 노즐 쌍으로부터 탈이온수를 약 620 ㎪의 정수압에서 웨브 상으로 분무하면서, 웨브를 5 ㎝/초의 속도로 진공 슬롯 위에서 통과시킴으로써 수행하였다. 그 후, 웨브를 뒤집어서, 하이드로차징 공정을 반복하여, 웨브의 양 면이 탈이온수로 충돌되게 하였다. 과잉의 물은 그 후 웨브를 진공 슬롯 위에서 3회째 통과시킴으로써 제거하였다. 그 후, 웨브를 걸어둠으로써 주변 조건 하에서 건조되게 하였다.

이어서, 이러한 방식으로 형성된 2중 모드 섬유 혼합물 웨브의 샘플을 표 2에 보고되어 있는 다양한 특성에 의해 특성화하였다.

대표적인 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 또한 히스토그램 데이터를 생성하기 위해, 전술한 장비 및 절차를 사용하여 분석하였다. 도 7은 이러한 샘플의 멜트블로운 섬유 개체군에 대한 섬유 도수 히스토그램이다. 도 8은 동일한 샘플에 대한 질량 도수 히스토그램이다. 도 7의 섬유 도수 히스토그램을 참조하면, 이러한 샘플은 약 2 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 마이크로섬유 모드를 그리고 약 14 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 메조섬유 모드를 나타내는 것으로 보인다.

2차 필터 웨브를 또한, 이러한 경우에 필터 웨브가 평방미터당 25 그램의 평량을 갖는 차이를 가지고, 미국 특허 제6,923,182호의 실시예 1에 개시되어 있는 방법에 따라, 생성하고 대전시켰다. 이러한 2차 필터 웨브는 균일한 오리피스 직경을 갖는 다이를 사용하여 제조하였다. 사용된 수지는 프랑스 파리 소재의 토탈 에스.에이.로부터 3960이라는 상표명으로 입수가능한 폴리프로필렌 수지였다. 스테이플 섬유는 2차 필터 웨브 내에 존재하지 않았다. 이러한 2차 층은 따라서 대략 25 g/㎡의 평량, 대략 8.4%의 고형도, 및 대략 4.7 ㎛의 유효 섬유 직경을 갖는 다공성 멜트블로운 부직물을 포함하였다. (2차 필터 웨브는 대략 2 마이크로미터 섬유 직경의 마이크로섬유 모드에서, 도 15에 도시된 것과 유사한 섬유 도수 히스토그램을 나타내었다.)

2중 모드 섬유 혼합물 웨브 및 2차 필터 웨브의 조각들을 미국 특허 제6,041,782호에 개시되어 있는 절차에 따라 제조된 외부 (상부 및 하부) 형상화 층들과 함께 모았다. 형상화 층들은 대만 타이페이 소재의 난 야 플라스틱스 코포레이션으로부터 LMF라는 상표명으로 입수가능한 4 데니어 2성분 스테이플 섬유로부터 제조된 55 g/㎡ 평량의 부직 웨브로 구성되었다.

호흡기를 형성하기 위한 웨브 층들의 성형은 높이가 약 55 ㎜이고 약 310 ㎤의 체적을 갖는 반구형의 컵 형상의 가열된 주형의 정합 부분들 사이에 층들을 배치시킴으로써 행하였다. 주형의 상부 및 하부 반부들을 약 108℃로 가열하였다. 가열된 주형을 대략 6초 동안 대략 2.5 ㎜의 갭으로 폐쇄하였다. 그 후에, 주형을 개방하였고, 성형된 제품을 제거하고 수동으로 다듬질하였다. 이어서, 초음파 접합을 성형된 호흡기의 에지 상에서 수행하였다.

호흡기는 2차 층이 2중 모드 섬유 혼합물 웨브 층에 대해, 호흡기의 오목 면을 향하도록 성형하였다. 이렇게 형성된 호흡기의 특성들을 (2중 모드 섬유 혼합물 웨브 층이 2차 층의 상류에 위치되도록, 호흡기가 그의 볼록 면 상에서 기체 스트림에 노출된 상태로) 시험하였고, 표 3에 열거하였다.

실시예 2

실시예 1의 일반적인 방법을 사용하여, 웨브를 다음의 차이를 가지고 유사한 방식으로 제조하였다. 멜트블로운 섬유를 미국 텍사스주 어빙 소재의 엑손모빌 코포레이션(ExxonMobil Corporation)으로부터 3746이라는 제품명으로 입수가능한 1475 용융 유동 폴리프로필렌으로부터 형성하였다. 압출기로부터의 중합체 출력 속도는 약 0.27 ㎏/㎝/시였고, 에어 나이프를 0.25 ㎜의 양의 셋백으로 위치시켰고, DCD(다이 대 수집기 거리)는 약 33 ㎝였다. 멜트블로운 섬유의 스트림 내로 도입한 스테이플 섬유는 난 야 코포레이션으로부터 LMF라는 상표명으로 입수가능한 4 데니어 2성분 50/50 시스/코어 폴리에스테르 섬유를 포함하였다.

이러한 조건 하에서 제조된 대표적인 멜트블로운 섬유 웨브 샘플 및 2중 모드 섬유 혼합물 웨브로부터의 데이터가 표 1 및 표 2에 열거되어 있다. 이러한 웨브는 성형된 호흡기 샘플로 형성하지 않았다.

대표적인 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 또한 히스토그램 데이터를 생성하기 위해, 전술한 장비 및 절차를 사용하여 분석하였다. 도 9는 이러한 샘플의 멜트블로운 섬유 개체군에 대한 섬유 도수 히스토그램이다. 도 10은 동일한 샘플에 대한 질량 도수 히스토그램이다. 도 9의 섬유 도수 히스토그램을 참조하면, 이러한 샘플은 약 2 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 마이크로섬유 모드를 그리고 약 21 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 메조섬유 모드를 나타내는 것으로 보인다.

실시예 3

실시예 1의 일반적인 방법을 사용하여, 웨브를 다음의 차이를 가지고 유사한 방식으로 제조하였다. 멜트블로운 섬유의 스트림 내로 도입한 스테이플 섬유는 난 야 코포레이션으로부터 LMF라는 상표명으로 입수가능한 4 데니어 2성분 50/50 시스/코어 폴리에스테르 섬유를 포함하였다.

웨브를 실시예 1과 유사한 방식으로 성형된 호흡기로 형성하였고, 외부 및 내부 형상화 층과, 25 g/㎡의 2차 필터 층을 포함하였다.

샘플을 실시예 1에서와 유사한 방식으로 시험하였다. 이러한 조건 하에서 제조된 대표적인 멜트블로운 섬유 웨브 샘플 및 2중 모드 섬유 혼합물 웨브 샘플, 및 이로부터 제조된 성형된 호흡기로부터의 데이터가 표 1, 표 2, 및 표 3에 열거되어 있다.

섬유 직경 히스토그램은 이러한 실시예에 대해 얻어지지 않았다.

실시예 4

실시예 1의 일반적인 방법을 사용하여, 웨브를 다음의 차이를 가지고 유사한 방식으로 제조하였다. 멜트블로운 섬유를 미국 텍사스주 어빙 소재의 엑손모빌 코포레이션으로부터 3746이라는 제품명으로 입수가능한 1475 용융 유동 폴리프로필렌으로부터 형성하였다. 에어 나이프를 0.25 ㎜의 양의 셋백으로 위치시켰다. 멜트블로운 섬유의 스트림 내로 도입한 스테이플 섬유는 난 야 코포레이션으로부터 LMF라는 상표명으로 입수가능한 4 데니어 2성분 50/50 시스/코어 폴리에스테르 섬유를 포함하였다. 스테이플 섬유를 대략 70 중량%의 멜트블로운 섬유 및 30 중량%의 스테이플 섬유를 포함하는 제품 웨브를 형성하도록 도입하였다.

호흡기를 형성하기 위한 웨브 층들의 성형은 약 114℃ 의 주형 온도, 대략 1.0 ㎜의 주형 갭, 및 대략 10초의 성형 시간에서 실시예 1과 유사한 방식으로 행하였다. 구조물은 외부 및 내부 형상화 층을 포함하였지만, 2차 필터 층은 포함하지 않았다.

샘플을 실시예 1에서와 유사한 방식으로 시험하였다. 이러한 조건 하에서 제조된 대표적인 멜트블로운 섬유 웨브 샘플 및 2중 모드 섬유 혼합물 웨브, 및 이로부터 제조된 성형된 호흡기로부터의 데이터가 표 1, 표 2, 및 표 3에 열거되어 있다.

대표적인 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 또한 히스토그램 데이터를 생성하기 위해, 전술한 장비 및 절차를 사용하여 분석하였다. 도 11은 이러한 샘플의 멜트블로운 섬유 개체군에 대한 섬유 도수 히스토그램이다. 도 12는 동일한 샘플에 대한 질량 도수 히스토그램이다. 도 11의 섬유 도수 히스토그램을 참조하면, 이러한 샘플은 약 2 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 마이크로섬유 모드를 그리고 약 15 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 메조섬유 모드를 나타내는 것으로 보인다.

실시예 5

실시예 1의 일반적인 방법을 사용하여, 웨브를 다음의 차이를 가지고 유사한 방식으로 제조하였다. 멜트블로운 섬유를 미국 텍사스주 어빙 소재의 엑손모빌 코포레이션으로부터 3155라는 제품명으로 입수가능한 36 용융 유동 폴리프로필렌으로부터 형성하였고, 압출기로부터의 중합체 출력 속도는 약 0.27 ㎏/㎝/시였으며, 에어 나이프는 0.25 ㎜의 양의 셋백으로 위치시켰고, DCD(다이 대 수집기 거리)는 약 51 ㎝였으며, 스테이플 섬유는 사용하지 않았다. 호흡기를 형성하기 위한 웨브 층들의 성형은 약 108℃의 주형 온도, 대략 2.5 ㎜의 주형 갭, 및 대략 6초의 성형 시간에서 실시예 1과 유사한 방식으로 행하였다. 구조물은 외부 및 내부 형상화 층을 포함하였지만, 2차 필터 층은 포함하지 않았다.

이러한 조건 하에서 제조된 대표적인 2중 모드 멜트블로운 섬유 웨브 샘플(스테이플 섬유를 함유하지 않음), 및 이로부터 제조된 성형된 호흡기로부터의 데이터가 표 1, 표 2, 및 표 3에 열거되어 있다.

실시예 5에 설명되어 있는 바와 같이 제조된 대표적인 멜트블로운 섬유 웨브 샘플을 또한 히스토그램 데이터를 생성하기 위해, 전술한 장비 및 절차를 사용하여 분석하였다. 도 13은 이러한 샘플의 멜트블로운 섬유 개체군에 대한 섬유 도수 히스토그램이다. 도 14는 동일한 샘플에 대한 질량 도수 히스토그램이다. 도 13의 섬유 도수 히스토그램을 참조하면, 이러한 샘플은 약 1 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 마이크로섬유 모드를 그리고 약 15 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 메조섬유 모드를 나타내는 것으로 보인다.

실시예 6

다공성 부직 멜트블로운 섬유 웨브를, 이러한 경우에 필터 웨브가 평방미터당 25 그램의 평량을 갖는 차이를 가지고, 미국 특허 제6,923,182호의 실시예 1에 개시되어 있는 방법에 따라 생성하였다. 사용된 수지는 프랑스 파리 소재의 토탈 에스.에이.로부터 3960이라는 상표명으로 입수가능한 폴리프로필렌 수지였다. 웨브를 대략 10 구멍/㎝의 구멍 간격으로 약 0.38 ㎜의 균일한 오리피스 직경을 갖는 다이를 사용하여 제조하였다. 스테이플 섬유는 존재하지 않았다. 따라서, 이러한 웨브는 2중 모드 멜트블로운 섬유 직경 분포를 갖지 않는 다공성 멜트블로운 부직 웨브를 포함하였다.

이러한 웨브로부터의 대표적인 샘플을 히스토그램 데이터를 생성하기 위해, 전술한 장비 및 절차를 사용하여 분석하였다. 도 15는 이러한 샘플의 멜트블로운 섬유 개체군에 대한 섬유 도수 히스토그램이다. 도 16은 동일한 샘플에 대한 질량 도수 히스토그램이다. 도 15의 섬유 도수 히스토그램을 참조하면, 이러한 샘플은 (2 마이크로미터 섬유 직경에서) 적어도 하나의 마이크로섬유 모드를 나타내는 것으로 보이지만, 메조섬유 모드는 나타내지 않는다.

성형된 호흡기 샘플은 이러한 웨브로부터 생성하지 않았다.

실시예 7

도 4 및 도 5에 도시된 것과 유사한 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 설명되어 있는 것과 유사한 절차를 사용하여, 마이크로섬유와 메조섬유의 엉킨 혼합물을 함유하는 멜트블로운 섬유 웨브를 생성하였다.

사용된 수지는 프랑스 파리 소재의 토탈 에스.에이.로부터 3960이라는 상표명으로 입수가능한 폴리프로필렌 수지였고, 이에 0.8 중량%의 트라이스테아릴 멜라민을 일렉트릿 대전 첨가제로서 첨가하였다. 수지를 크롬프턴 앤드 노울즈 코포레이션의 데이비스 스탠다드 디비전으로부터의 모델 20 데이비스 스탠다드™ 50.8 ㎜ (2 인치) 단축 압출기로 공급하였다. 압출기는 20/1의 길이/직경 비 및 3/1의 압축 비를 가졌다. 동일한 수지를 크롬프턴 앤드 노울즈 코포레이션의 데이비스 스탠다드 디비전으로부터의 데이비스 스탠다드™ 38 ㎜ (1.5 인치) 단축 압출기로 개별적으로 공급하였다. 제니스 펌프스(Zenith Pumps)로부터의 10 cc/rev 제니스™ 용융 펌프를 사용하여, 각각의 중합체의 유동을 10 구멍/㎝의 간격으로 0.38 ㎜ 직경 오리피스를 채용하는 50.8 ㎝ 폭의 드릴링된 오리피스 멜트블로잉 다이 내의 개별 다이 공동으로 계량 공급하였고, 이때 교번하는 오리피스들은 각각의 다이 공동에 의해 공급되었다. 가열된 공기가 다이 팁에서 섬유를 세장화하였다. 에어 나이프는 0.25 ㎜의 양의 셋백 및 0.76 ㎜ 에어 갭을 채용하였다. 적당한 진공을 웨브 형성 지점에서 중간 메시 수집기 스크린을 통해 흡인하였다. 압출기로부터의 조합된 중합체 출력 속도는 0.18 ㎏/㎝/시였고, DCD(다이 대 수집기 거리)는 50.8 ㎝였으며, 수집기 속도는 대략 50 gsm(평방미터당 그램)의 평량을 갖는 웨브를 제공하기 위해 필요한 대로 조정하였다. 장비 설계 파라미터 및 작동 조건의 이러한 조합은 체적을 기준으로 대략 65/35의 더 큰 직경의 전체 섬유 압출물 대 더 작은 직경의 전체 섬유 압출물의 공칭 비를 송출하도록 역할하였다.

생성된 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 안가드지반드 등의 미국 특허 제5,496,507호에 설명되어 있는 공정에 따라 하이드로차징하였다. 하이드로차징은 진공 슬롯 위에서 약 10 ㎝ 이격되어 장착되고 약 7 ㎝에 중심 설정된 (미국 일리노이주 휘톤 소재의 스프레잉 시스템즈 컴퍼니(Spraying Systems Co.)로부터 입수가능한) 티젯 9501 분무기 노즐 쌍으로부터 탈이온수를 약 620 ㎪의 정수압에서 웨브 상으로 분무하면서, 웨브를 5 ㎝/초의 속도로 진공 슬롯 위에서 통과시킴으로써 수행하였다. 그 후, 웨브를 뒤집어서, 하이드로차징 공정을 반복하여, 웨브의 양 면이 탈이온수로 충돌되게 하였다. 과잉의 물은 그 후 웨브를 진공 슬롯 위에서 3회째 통과시킴으로써 제거하였다. 그 후, 웨브를 걸어둠으로써 주변 조건 하에서 건조되게 하였다.

대표적인 2중 모드 섬유 혼합물 웨브를 또한 히스토그램 데이터를 생성하기 위해, 전술한 장비 및 절차를 사용하여 분석하였다. 도 17은 이러한 샘플의 멜트블로운 섬유 개체군의 섬유 도수 히스토그램이다. 도 18은 동일한 샘플의 질량 도수 히스토그램이다. 도 17의 섬유 도수 히스토그램을 참조하면 이러한 샘플은 약 3 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 마이크로섬유 모드를 그리고 약 15 마이크로미터 섬유 직경에서 적어도 하나의 메조섬유 모드를 나타내는 것으로 보인다.

2중 모드 섬유 혼합물 웨브 및 2차 필터 웨브의 조각들을 미국 특허 제6,041,782호에 개시되어 있는 절차에 따라 제조된 외부 (상부 및 하부 형상화) 층들과 함께 모았다. 형상화 층들은 대만 타이페이 소재의 난 야 플라스틱스 코포레이션으로부터 LMF라는 상표명으로 입수가능한 4 데니어 2성분 스테이플 섬유로부터 제조된 55 g/㎡ 평량의 부직 웨브로 구성되었다.

호흡기를 형성하기 위한 웨브 층들의 성형은 높이가 약 55 ㎜이고 약 310 ㎤의 체적을 갖는 반구형의 컵 형상의 가열된 주형의 정합 부분들 사이에 층들을 배치시킴으로써 행하였다. 주형의 상부 및 하부 반부들을 약 108℃로 가열하였다. 가열된 주형을 대략 6초 동안 대략 2.5 ㎜의 갭으로 폐쇄하였다. 그 후에, 주형을 개방하였고, 성형된 제품을 제거하고 수동으로 다듬질하였다. 이어서, 초음파 접합을 성형된 호흡기의 에지 상에서 수행하였다. 호흡기는 2차 층이 2중 모드 섬유 혼합물 웨브 층에 대해, 호흡기의 오목 면을 향하도록 성형하였다.

이렇게 형성된 호흡기의 특성들을 (2중 모드 섬유 혼합물 웨브 층이 2차 층의 상류에 위치되도록, 호흡기가 그의 볼록 면 상에서 기체 스트림에 노출된 상태로) 시험하였고, 표 3에 열거하였다.

멜트블로운 섬유 웨브, 2중 모드 섬유 혼합물 웨브(실시예 5 및 실시예 6에 대해 전술한 바와 같은 예외), 및 2중 모드 섬유 혼합물 웨브(실시예 5 및 실시예 6에서 전술한 바와 같은 예외)를 포함하는 성형된 호흡기의 특성들이 표 1, 표 2, 및 표 3에 제시되어 있다. 이러한 표에서, EFD는 마이크로미터 단위의 유효 섬유 직경이고, "d"는 9000 m의 섬유 길이에 대한 그램 단위의 데니어를 표시하고, lpm은 분당 리터를 표시하고, 다른 파라미터는 본 명세서에서 상기 정의된 바와 같다.

본 발명의 다수의 실시 형태가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명으로부터 벗어남이 없이 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 다른 실시 형태가 하기의 특허청구범위의 범주 내에 있다.

Claims

멜트블로운 섬유(meltblown fiber)와 엉킨 스테이플 섬유(staple fiber)를 포함하는 다공성 부직 웨브(porous nonwoven web)의 적어도 하나의 성형된 층을 포함하며,
멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유(microfiber)와 메조섬유(mesofiber)의 2중 모드(bimodal) 혼합물을 포함하는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 마이크로섬유와 메조섬유는 동일한 중합체 조성의 것인 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 마이크로섬유와 메조섬유는 상이한 중합체 조성의 것인 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 다공성 부직 웨브의 성형된 층은 약 30 내지 약 70 중량%의 스테이플 섬유를 포함하는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 스테이플 섬유는 비접합성 섬유인 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 스테이플 섬유는 접합성 섬유인 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 메조섬유보다 적어도 약 5배 많은 마이크로섬유가 있고, 메조섬유는 멜트블로운 섬유의 적어도 약 30 중량%를 구성하는 성형된 호흡기.
제7항에 있어서, 메조섬유는 2중 모드 혼합물의 적어도 약 50 중량%를 구성하는 성형된 호흡기.
제7항에 있어서, 메조섬유는 2중 모드 혼합물의 적어도 약 70 중량%를 구성하는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 섬유 도수 히스토그램은 약 1 내지 약 2 ㎛의 마이크로섬유 모드를 나타내는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 섬유 도수 히스토그램은 약 1 μm 내지 약 2 ㎛의 마이크로섬유 모드 및 적어도 약 15 ㎛의 메조섬유 모드를 나타내는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 다공성 부직 웨브는 대전되는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 적어도 하나의 외부 형상화 층을 추가로 포함하는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 70 ㎎ 소금 로딩 및 분당 85 리터 기체 유량에서 약 0.49 ㎪ (50 ㎜ H₂O) 미만의 압력 강하를 나타내는 성형된 호흡기.
제1항에 있어서, 40 ㎎ 용접 연기 로딩 및 분당 30 리터 기체 유량에서 약 80 ㎩ 미만의 압력 강하를 나타내는 성형된 호흡기.
멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브의 적어도 하나의 성형된 컵 형상의 층 - 여기서, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함함 - ; 및
다공성 부직 웨브에 인접한 적어도 하나의 성형된 컵 형상의 2차 여과 층
을 포함하는 성형된 컵 형상의 호흡기.
제16항에 있어서, 2차 여과 층은 평량이 약 10 g/㎡ 내지 약 100 g/㎡이고 EFD가 1 내지 10 ㎛인 부직 웨브인 성형된 컵 형상의 호흡기.
제16항에 있어서, 2차 여과 층은 제16항의 부직 웨브에 접합되는 성형된 컵 형상의 호흡기.
제16항에 있어서, 2차 여과 층은 성형된 컵 형상의 호흡기의 오목 면 상에 위치되는 성형된 컵 형상의 호흡기.
성형된 호흡기를 제조하기 위한 방법으로서,
멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브를 형성하는 단계 - 여기서, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함함 - ;
다공성 부직 웨브를 대전시키는 단계; 및
성형된 호흡기를 형성하도록 대전된 웨브를 성형하는 단계
를 포함하는 방법.
제20항에 있어서, 다공성 부직 웨브에 대해 적층된 관계로 적어도 하나의 형상화 층을 제공하는 단계를 포함하며, 형상화 층은 다공성 부직 웨브와 함께 성형되는 방법.
성형된 호흡기를 제조하기 위한 방법으로서,
멜트블로운 섬유와 엉킨 스테이플 섬유를 포함하는 다공성 부직 웨브를 형성하는 단계 - 여기서, 멜트블로운 섬유는 엉킨 마이크로섬유와 메조섬유의 2중 모드 혼합물을 포함함 - ;
다공성 부직 웨브에 대해 적층된 관계로 2차 여과 층을 배치하는 단계;
다공성 부직 웨브와 2차 여과 층을 대전시키는 단계; 및
성형된 호흡기를 형성하도록 다공성 부직 웨브/2차 여과 층 적층체를 성형하는 단계
를 포함하는 방법.
제22항에 있어서, 다공성 부직 웨브와 2차 여과 층은 적층된 관계로 배치되기 전에 개별적으로 대전되는 방법.
제22항에 있어서, 다공성 부직 웨브와 2차 여과 층은 적층된 관계로 배치된 후에 함께 대전되는 방법.