KR20120087174A - 보강된 필터 매체 - Google Patents

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KR20120087174A
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reinforcement
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KR1020127015473A
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세이에드 안가드지반드
마빈 이 존스
필립 지 마틴
존 엠 브랜드너
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

열가소성 물질 또는 열경화성 물질의 이산된 비교차 스트랜드들을 필터 매체 웨브에 접착시킴으로써 보강된 필터 매체가 제조된다. 필터 매체는 천, 부직 웨브 또는 여과 폼일 수 있다. 보강된 필터 매체는 플랫-폴드형(flat-fold) 호흡기 또는 성형된 호흡기를 비롯한 호흡기를 제조하는 데 사용될 수 있다.

Description

보강된 필터 매체{REINFORCED FILTER MEDIA}
본 발명은 필터 매체, 특히 호흡기(respirator)를 제조하는 데 사용될 수 있는 필터 매체에 관한 것이다.
필터 매체는 공기 여과에 적합한 재료, 흔히 웨브(web), 예컨대 섬유질 웨브이다. 필터 매체는 개인용 호흡기의 형성에서의 응용을 포함한 다양한 응용에 유용하다. 개인용 호흡기는 착용자가 공기 중에 부유하는 입자를 흡입하거나, 또는 불쾌하거나 유해한 기체를 호흡하는 것을 방지하기 위해 통상 사용된다. 호흡기는 일반적으로 2가지 유형, 즉 플랫-폴드형(flat-folded) 형태 또는 성형된 형태 중 하나이다. 플랫-폴드형 마스크는 일반적으로 편평한 상태로 포장되지만, 마스크에는 착용자의 안면에 맞추어지는 컵형 구성으로 마스크가 펼쳐질 수 있게 하는 시임(seam), 주름(pleat), 및/또는 접힘선(fold)이 형성된다. 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. 개인용 호흡기의 형상화된 형태는 일반적으로 성형된 컵형 형태이다. 플랫-폴드형 형태와 대조적으로, 컵형 형태는 안면-맞춤(face-fitting) 구성으로 다소 영구적으로 형성되고, 일반적으로 사용 동안 그 구성을 유지한다.
보강된 필터 매체를 포함하는 호흡기, 보강된 필터 매체의 제조 방법, 및 호흡기의 제조 방법이 개시된다.
일부 실시 형태에서, 호흡기는 보강된 필터 매체를 포함하며, 보강된 필터 매체는 중합체 웨브, 및 웨브에 부착되는 보강재의 이산된 비교차 스트랜드(discrete, non-intersecting strand)들을 포함한다.
필터 매체의 제조 방법이 또한 개시된다. 일부 실시 형태에서, 상기 방법은 중합체 웨브를 제공하는 단계, 및 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 웨브의 적어도 하나의 표면에 접촉시키는 단계를 포함하며, 여기서 보강재의 스트랜드들은 중합체 웨브에 접착된다.
호흡기의 제조 방법이 또한 개시된다. 일부 실시 형태에서, 상기 방법은 중합체 웨브 및 웨브에 부착되는 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 포함하는 보강된 필터 매체를 제공하는 단계; 및 호흡기를 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 형성 단계는 보강된 필터 매체를 형상화된 프리폼(pre-form)으로 절단하는 단계, 및 프리폼을 밀봉하여 플랫-폴드형 호흡기를 형성하는 단계를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 형성 단계는 매체를 성형하여 컵형 호흡기를 형성하는 단계를 포함한다.
일부 실시 형태에서, 호흡기의 제조 방법은 필터 매체 웨브를 제공하는 단계, 천(fabric), 부직 웨브(nonwoven web), 또는 여과 폼(filtering foam) 및 중합체 웨브에 부착되는 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 포함하는 보강된 중합체 웨브를 제조하는 단계; 필터 매체 웨브 및 보강된 중합체 웨브를 함께 적층하는 단계; 및 호흡기를 형성하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 하나의 예시적인 장치를 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 플랫-폴드형 호흡기 실시 형태의 사시도.
도 3은 본 발명의 플랫-폴드형 호흡기 실시 형태의 사시도.
도 4는 본 발명의 컵형 호흡기 실시 형태의 사시도.
도 5는 본 발명의 컵형 호흡기 실시 형태의 사시도.
도 6은 실시예 1A 와 실시예 1B 및 비교예 C1에 대한 형성된 셸 붕괴 시험(Formed Shell Collapse Test) 데이터의 그래프.
도 7은 실시예 2 및 비교예 C2에 대한 형성된 셸 붕괴 시험 데이터의 그래프.
보강재의 스트랜드들이 부착된 중합체 웨브를 포함하는 보강된 필터 매체가 개시된다. 그러한 필터 매체는 매우 다양한 응용에 유용하다. 중합체 웨브는 천, 부직 섬유질 웨브, 또는 여과 폼일 수 있다. 보강재는 웨브에 직접 적용되어 웨브에 대한 보강을 제공하여 웨브를, 예를 들어 더 내압착성이 되게 할 수 있다. 본 발명의 보강된 필터 매체는 호흡기 마스크, 특히 메시(mesh) 또는 스크림(scrim)으로부터의 보강과 같은 추가의 보강을 필요로 하지 않는 호흡기 마스크를 제조하기에 특히 적합하다.
보강된 필터 매체는 중합체 웨브를 제공하는 단계 및 보강재를 스트랜드들의 형태로 중합체 웨브 상에 침착시키는 단계에 의해 제조될 수 있다. 스트랜드들은 중합체 웨브에 접착된다. "접착(adhering)"은 본질적으로 스트랜드의 전체 길이가 중합체 웨브와 접촉되고 중합체 웨브에 접착되는 것을 의미한다. 일부 실시 형태에서, 전구체 재료의 스트립들이 중합체 웨브 상에 침착되고 후처리에 처해져 스트랜드들을 형성한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "필터 매체"는 공기 여과에 적합한 웨브 형태의 중합체 재료를 말한다. 웨브는 재료의 단층을 포함할 수 있거나 다층 구조물을 포함할 수 있다. 다층 구조물에서, 몇몇 층은 여과 이외의 목적, 예를 들어 지지, 완충 등을 제공할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "스트랜드"는 보강재의 이산된 비교차 연속 필라멘트를 말한다. 스트랜드는 다른 스트랜드들과 중첩될 수 있지만 스트랜드들은 이산된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "스트립"은 후처리에 처해질 때 스트랜드로 되는 재료의 이산된 비교차 연속 필라멘트를 말한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 스트립들을 스트랜드들로 변환시키는 것과 관련된 용어 "후처리"는 스트립의 재료가 스트랜드의 보강재가 되게 하는 임의의 공정을 말한다. 후처리의 예에는 건조, 열경화, 방사선 경화 등이 포함된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "호흡기"는 공기가 사람의 호흡계로 진입하기 전에 공기를 여과하기 위해 사람에 의해 착용되는 장치를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "플랫-폴드형 호흡기"는 보관을 위해 편평하게 접힐 수 있고, 적어도 사람의 코 및 입 위에 맞춰지는 형상으로 펼쳐질 수 있고, 그러한 사람에 의해 착용된 때 하나 이상의 대기중 오염물을 제거하도록 설계된 장치를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 호흡기 마스크 본체에 대하여 사용될 때의 용어 "컵형"은, 마스크 본체가 착용된 때 착용자의 안면으로부터 이격되게 하는 구성을 갖는 것을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 웨브 또는 웨브들의 층에 대하여 사용될 때의 용어 "성형"은 웨브(들)를 미리 설정된 형상으로 형성하기 위해 열 및/또는 압력을 사용하는 것을 의미한다. "성형된 웨브"는 사람의 코 및 입 위에 맞춰지도록 되어 있는 컵 형상과 같은 원하는 형상으로 형성된 구조물을 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "성형된 호흡기"는 적어도 사람의 코 및 입 위에 맞춰지는 형상으로 성형되고, 사람에 의해 착용된 때 하나 이상의 대기중 오염물을 제거하도록 설계된 장치를 의미한다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "여과 폼"은 개방 셀 또는 반개방 셀 구성을 갖고, 필터 매체로서 또는 보충적인 층으로서 필터 매체 구조물에 사용하기에 적합한 폼 재료를 의미한다.
본 발명의 보강된 필터 매체는 보강재의 스트랜드들로 보강된 중합체 웨브를 포함한다. 보강재의 스트랜드들이 부착되는 중합체 웨브는 단층 중합체 웨브 또는 다층 중합체 웨브일 수 있다. 중합체 웨브는 필터 매체일 수 있거나 필터 매체의 구성요소인 층일 수 있다. 보강재는 중합체 웨브에 부착된다. "부착되는"은 본질적으로 전체 스트랜드가 중합체 웨브와 접촉되고 중합체 웨브에 접착되는 것을 의미한다.
중합체 웨브는 필터 매체의 제조에 있어서 유용한 임의의 적합한 중합체 웨브일 수 있다. 적합한 중합체 웨브의 예는 천, 섬유질 웨브, 및 여과 폼이다. 적합한 여과 폼의 예에는, 예를 들어 개방 셀 및 반개방 셀 폼 구조물이 포함된다. 여과 폼은 열가소성 물질 또는 열경화성 물질, 예를 들어 폴리우레탄, 폴리비닐 중합체(예컨대, 폴리비닐 클로라이드 중합체) 등으로부터 제조될 수 있다. 섬유질 중합체 웨브의 예에는 마이크로섬유 웨브, 피브릴화된(fibrillated) 필름 웨브, 직조 또는 부직 웨브(예컨대, 에어레이드(airlaid) 또는 카디드(carded) 스테이플 섬유), 용액-블로운(solution-blown) 섬유 웨브, 또는 이들의 조합이 포함된다. 그러한 웨브를 형성하는 데 유용한 재료에는, 예를 들어 폴리올레핀, 예컨대 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리부틸렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 이들의 블렌드, 할로겐 치환된 폴리올레핀, 예컨대 하나 이상의 클로로에틸렌 단위 또는 테트라플루오로에틸렌 단위를 함유하고 또한 아크릴로니트릴 단위를 함유할 수 있는 것들, 폴리에스테르, 폴리카르보네이트, 폴리우레탄, 로진-울(rosin-wool), 유리, 셀룰로오스 또는 이들의 조합이 포함된다.
부직 섬유질 중합체 웨브가 특히 필터 매체로서 유용하다. 일부 실시 형태에서, 웨브는 부직 마이크로섬유 웨브이다. 전형적으로, 마이크로섬유는 평균 직경이 1 내지 100 마이크로미터, 또는 더 전형적으로는 3 내지 30 마이크로미터이며, 마이크로섬유는 원형 단면을 갖지 않아도 된다. 적합한 부직 마이크로섬유 웨브의 예에는 멜트-블로운(melt-blown) 마이크로섬유 웨브 및 나노섬유 라미네이트가 포함된다.
본 발명에 유용한 멜트-블로운 마이크로섬유 웨브는 문헌[Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346] 및 문헌[Report No. 4364 of the Naval Research Laboratories, published May 25, 1954, entitled "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" by Van A. Wente et al.]에 기재된 바와 같이 제조될 수 있다.
섬유 일렉트릿 필터(fibrous electret filter)용으로 유용한 멜트-블로운 마이크로섬유는 문헌[Davies, C. N., "The Separation of Airborne Dust and Particles," Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 설명된 방법에 따라 계산할 때, 전형적으로 유효 섬유 직경이 약 3 내지 30 마이크로미터, 일부 실시 형태에서는 약 7 내지 15 마이크로미터이다.
스테이플 섬유가 또한 웨브에 존재할 수 있다. 스테이플 섬유의 존재는 통상 블로운 마이크로섬유만으로 된 웨브보다 더욱 로프티(lofty)하고 덜 치밀한 웨브를 제공한다. 일반적으로, 약 90 중량% 이하, 더 전형적으로는 약 70 중량% 이하의 스테이플 섬유가 존재한다. 스테이플 섬유를 함유하는 웨브의 예가 미국 특허 제4,118,531호(하우서(Hauser)), 미국 특허 제6,827,764호(스프링에트(Springett)), 및 미국 특허출원 공개 제2008/0318014호(안가드지반드(Angadjivand))에 개시되어 있다.
2성분(bicomponent) 스테이플 섬유가 또한 필터 매체의 여과 층에 또는 하나 이상의 다른 층에 사용될 수 있다. 코어 부분보다 융점이 더 낮은 외부 층을 일반적으로 갖는 2성분 스테이플 섬유는, 예를 들어 외부 층을 가열하여 2성분 섬유의 외부 층이 유동하여 2성분 또는 다른 스테이플 섬유인 인접한 섬유들과 접촉하게 함으로써, 섬유 교차 지점들에서 함께 접합된 탄성 형상화 층(resilient shaping layer)을 형성하는 데 사용될 수 있다. 형상화 층은 또한 열유동성(heat-flowable) 폴리에스테르의 결합제 섬유가 스테이플 섬유와 함께 포함된 채로 제조될 수 있으며, 형상화 층의 가열시, 결합제 섬유가 용융되어 섬유 교차 지점으로 유동하는데, 여기서 결합제 섬유는 섬유 교차 지점을 둘러싼다. 냉각시, 섬유의 교차 지점에서 접합이 발생되고 이 섬유 덩어리를 원하는 형상으로 유지시킨다. 또한, 섬유의 접합을 제공하기 위하여 아크릴 라텍스 또는 분말상 열활성 접착 수지와 같은 결합제 재료가 웨브에 적용될 수 있다.
전기적으로 대전된 섬유, 소위 일렉트릿이 또한 사용될 수 있다. 그러한 일렉트릿 섬유의 예가 미국 특허 제4,215,682호(쿠빅(Kubik) 등), 미국 특허 제4,588,537호(클라세(Klasse) 등)에 개시되어 있다. 일렉트릿을 분극 또는 대전시키는 다른 방법, 예를 들어 미국 특허 제4,375,718호(와드스워스(Wadsworth) 등) 또는 미국 특허 제4,592,815호(나카오(Nakao))의 공정에 의한 방법이 또한 본 발명에 유용할 수 있다. 미국 재발행 특허 제31,285호(반 턴하우트(van Turnhout))에 교시된 전기적으로 대전된 피브릴화된-필름 섬유가 또한 유용하다. 일반적으로, 대전 공정은 미국 특허 제5,496,507호(안가드지반드)에 기재된 바와 같이 재료를 코로나 방전, 펄스형 고전압, 또는 물에 의한 충돌(하이드로차징(hydrocharging))에 처하게 하는 것을 포함한다.
흡수흡착 미립자 물질(sorbent particulate material), 예컨대 활성탄 또는 알루미나가 또한 웨브에 포함될 수 있다. 이러한 입자는 웨브 내용물의 최대 약 80 체적%의 양으로 존재할 수 있다. 입자 로딩된(particle-loaded) 웨브의 예는, 예를 들어 미국 특허 제3,971,373호(브라운(Braun)), 미국 특허 제4,100,324호(앤더슨(Anderson)) 및 미국 특허 제4,429,001호(콜핀(Kolpin) 등)에 기재되어 있다.
중합체 웨브는 약 0.1 ㎜ 내지 30 ㎜ 또는 심지어 약 0.5 ㎜ 내지 10 ㎜의 다양한 두께일 수 있다.
보강 스트랜드들은 중합체 웨브에 접착되는 보강재의 이산된 비교차 연속 필라멘트를 포함한다. 일부 실시 형태에서, 웨브는 필터 매체 웨브이지만, 필터 매체 웨브를 포함하는 다층 구조물 내로 혼입되는 다른 중합체 웨브가 사용될 수 있다. 전형적으로, 보강 스트랜드들은 보강재를 중합체 웨브 상에 직접 침착시키거나, 전구체 재료의 스트립을 중합체 웨브 상에 침착시키고 스트립을 후처리에 처하게 하여 보강재의 스트랜드들을 생성함으로써 형성된다.
보강 스트랜드들은 일반적으로 열가소성 물질 또는 열경화성 물질이다. 열가소성 물질은 열의 적용시에 용융 및/또는 유동되고, 냉각시에 재고화되고, 열의 적용시에 다시 용용 및/또는 유동되는 물질이다. 열가소성 물질은 가열 및 냉각시에 단지 물리적 변화만을 겪으며, 인식가능할 정도의 화학적 변화는 일어나지 않는다. 그러나, 열경화성 물질은 가열 또는 경화될 때, 비가역적으로 경화하는, 예를 들어 가교결합되게 되는 경화성 물질이다. 일단 경화되면, 열경화성 물질은 열의 적용시에 인식가능할 정도로 용융 또는 유동하지는 않을 것이다.
일반적으로, 스트랜드들을 형성하기 위해 중합체 웨브에 직접 적용되는 재료는 열가소성 물질, 열가소성 물질들의 블렌드 또는 열가소성 물질들의 혼합물이다. 이러한 방식으로, 스트랜드들은 단일 재료, 재료들의 블렌드 또는 다성분 재료, 예를 들어 2성분 코어-시스(core-sheath) 재료 - 여기서 하나의 재료 또는 재료들의 블렌드가 코어를 형성하고 상이한 재료 또는 재료들의 블렌드가 코어 둘레에 시스를 형성함 - 를 포함할 수 있다.
본 발명의 스트랜드들을 형성하는 데 사용될 수 있는 열가소성 중합체의 예는 하기의 부류로부터 선택될 수 있다: 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 그러한 폴리올레핀들 중 둘 이상의 블렌드, 및 에틸렌 및/또는 프로필렌의 서로와의 공중합체 및/또는 소량의 공중합성 고차 알파 올레핀, 예컨대 펜텐, 메틸펜텐, 헥센, 또는 옥텐과의 에틸렌 및/또는 프로필렌의 공중합체; 할로겐화 폴리올레핀, 예를 들어 염소화 폴리에틸렌, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 가소화된 폴리(비닐 클로라이드); 테레프탈산, 테트라메틸렌 글리콜, 및 사이클로헥산 다이메탄올의 코폴리에스테르-에테르 탄성중합체; 코폴리에스테르 탄성중합체, 예를 들어 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 장쇄 폴리에스테르 글리콜의 블록 공중합체; 폴리에테르, 예를 들어 폴리페닐렌옥사이드; 폴리아미드, 예를 들어 폴리(헥사메틸렌 아디프아미드), 예컨대 나일론 6 및 나일론 6,6, 나일론 탄성중합체, 예컨대 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6,10 및 폴리에테르 블록 폴리아미드; 폴리우레탄; (메트)아크릴산과의 에틸렌, 또는 에틸렌 및 프로필렌의 공중합체 또는 저급 알칸올과 에틸렌계 불포화 카르복실산의 에스테르와의 에틸렌, 또는 에틸렌 및 프로필렌의 공중합체, 예를 들어 (메트)아크릴산, 비닐 아세테이트, 메틸 아크릴레이트, 또는 에틸 아크릴레이트와의 에틸렌의 공중합체; 이오노머, 예를 들어 아연, 리튬, 또는 나트륨 반대이온으로 안정화된 에틸렌-메타크릴산 공중합체; 아크릴로니트릴 중합체, 예를 들어 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체; 아크릴 공중합체; 화학적으로 개질된 폴리올레핀, 예를 들어 올레핀의 말레산 무수물- 또는 아크릴산-그래프트된 단일중합체 또는 공중합체 및 그러한 중합체들 중 둘 이상의 블렌드, 예를 들어 폴리에틸렌과 폴리(메틸 아크릴레이트)의 블렌드, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체와 에틸렌-메틸 아크릴레이트의 블렌드; 폴리에틸렌 및/또는 폴리프로필렌과 폴리(비닐 아세테이트)의 블렌드; 및 A-B 또는 A-B-A 유형의 스티렌의 열가소성 탄성중합체 블록 공중합체(여기서, A는 열가소성 폴리스티렌 블록을 나타내고, B는 폴리아이소프렌, 폴리부타디엔, 또는 폴리(에틸렌/부틸렌)의 고무질 블록을 나타냄) - 예에는 선형, 방사상, 성상(star), 및 테이퍼 형성된(tapered) 스티렌-아이소프렌 블록 공중합체, 선형 스티렌-(에틸렌-부틸렌) 블록 공중합체, 및 선형, 방사상, 및 성상 스티렌-부타디엔 블록 공중합체가 포함됨 - . 전술한 중합체들은 통상적으로 고체이며, 대체로 고분자량이고, 용융-압출가능하여, 이들이 가열되어 용융된 점성 액체를 형성할 수 있게 하며 이 액체는 스트림으로서 압출 다이 조립체로 펌핑되고 압력 하에서 그로부터 용이하게 스트랜드로서 압출될 수 있게 된다.
적합한 중합체의 다수의 예는 구매가능하며, 너무 많아서 완전히 망라된 목록을 제공하지는 못하지만, 유용한 구매가능한 중합체의 몇몇 예로 하기의 것들이 포함된다: "엘박스(ELVAX)" 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 엘박스 40W, 4320, 250, 및 350; "이맥(EMAC)" 에틸렌-메틸 아크릴레이트 공중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 이맥 DS-1274, DS-1176, DS-1278-70, SP 2220 및 SP-2260; "비스타 플렉스(VISTA FLEX)" 열가소성 탄성중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 비스타 플렉스 641 및 671; "프리마코르(PRIMACOR)" 에틸렌-아크릴산 공중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 프리마코르 3330, 3440, 3460, 및 5980; "푸사본드(FUSABOND)" 말레산 무수물-폴리올레핀 공중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 푸사본드 MB-110D 및 MZ-203D; "하이몬트(HIMONT)" 에틸렌-프로필렌 공중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 하이몬트 KS-057, KS-075, 및 KS-051P; "피나(FINA)" 폴리프로필렌으로 판매되는 것들, 예를 들어 피나 3860X; "에스코렌(ESCORENE)" 폴리프로필렌으로 판매되는 것들, 예를 들어 에스코렌 3445; "베스토플라스트(VESTOPLAST) 750" 에틸렌-프로필렌-부텐 공중합체로 판매되는 중합체; "서린(SURLYN)" 이오노머로 판매되는 것들, 예를 들어 서린 9970 및 1702; "울트라미드(ULTRAMID)" 폴리아미드로 판매되는 것들, 예를 들어 울트라미드 B3 나일론 6 및 울트라미드 A3 나일론 6,6; "자이텔(ZYTEL)" 폴리아미드로 판매되는 것들, 예를 들어 자이텔 FE3677 나일론 6,6; "릴산(RILSAN)" 폴리아미드 탄성중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 BMNO P40, 베스노(BESNO) P40 및 베스노 P20 나일론 11; "페박스(PEBAX)" 폴리에테르 블록 폴리아미드 탄성중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 페박스 2533, 3533, 4033, 5562 및 7033; "하이트렐(HYTREL)" 폴리에스테르 탄성중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 하이트렐 3078, 4056 및 5526; "크레이튼(KRATON)" 및 "유로프렌 졸 티(EUROPRENE SOL TE)" 스티렌 블록 공중합체로 판매되는 것들, 예를 들어 크레이튼 D1107P, G1657, G1750X, 및 D1118X 및 유로프렌 졸 티 9110, 및 6205.
위에서 언급된 바와 같이, 둘 이상의 재료들의 블렌드가 또한 스트랜드로서, 또는 코어-시스 스트랜드에서의 코어 또는 시스 재료 중 어느 하나 또는 둘 모두로서 사용될 수 있다. 필라멘트, 예를 들어 코어-시스 필라멘트와 같은 다성분 필라멘트를 형성하는 데 특히 바람직한 것으로 밝혀진 몇몇 블렌드가 미국 특허 제5,811,186호(마틴(Martin) 등) - 이 특허는 코어-시스 필라멘트와 같은 다성분 필라멘트를 형성하는 방법에 대한 설명을 또한 포함하고 있음 - 에 기재되어 있다. 그러한 블렌드의 예에는 하기의 것들이 포함된다: 85 내지 15 중량%의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트), 예컨대 "엘박스" 공중합체와 15 내지 85 중량%의 폴리(에틸렌-아크릴산), 예컨대 "프리마코르" 중합체의 블렌드 - 이 블렌드의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트) 성분은 일반적으로 중량 평균 분자량 Mw가 50,000 내지 220,000이고, 그의 혼성중합된 단위의 5 내지 45 몰%는 비닐 아세테이트 공단량체로부터 유도되고 단위의 나머지는 에틸렌으로부터 유도될 것이며, 이 블렌드의 폴리(에틸렌-아크릴산) 성분은 일반적으로 Mw가 50,000 내지 400,000이고, 그의 혼성중합된 단위의 1 내지 10 몰%는 아크릴산으로부터 유도되고 나머지는 에틸렌으로부터 유도될 것임 - ; Mw가 40,000 내지 150,000이고, 동일한 다량의 부텐 및 프로필렌과 소량의 에틸렌으로부터 유도되는 20 내지 70 중량%의 폴리(에틸렌-프로필렌-부텐) 삼원공중합체, 예컨대 "베스토플라스트 750" 중합체와 80 내지 30 중량%의 아이소택틱 폴리프로필렌의 블렌드; 15 내지 85 중량%의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트) 및 85 내지 15 중량%의 폴리(에틸렌-메틸 아크릴레이트), 예컨대 "이맥" 중합체를 함유하는 블렌드 - 이 블렌드의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트) 성분은 상기에 기재된 것과 같은 분자량 및 조성을 가질 수 있고, 폴리(메틸 아크릴레이트) 성분은 Mw가 50,000 내지 200,000이고, 그의 혼성중합된 단위의 4 내지 40 몰%는 메틸 아크릴레이트 공단량체로부터 유도될 수 있음 - .
보강 스트랜드들이 중합체 웨브 상에 직접 침착되는 실시 형태에서, 침착은 예를 들어 압출 기술을 사용하여 스트랜드들을 중합체 웨브 상으로 직접 압출함으로써 달성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전형적으로 압출된 스트랜드들이 완전히 냉각되기 전에, 압력을 적용함으로써 웨브에 대한 스트랜드들의 접착을 돕는 것이 또한 바람직할 수 있다.
매우 다양한 압출 기술이 보강 스트랜드들을 제조하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 미국 특허출원 공개 제2004/0143942호(세스(Seth))에 기재된 것과 같은, 연속 스트랜드들을 이동하는 웨브 상으로 압출하는 다중 다이를 포함하는 기술이 특히 유용하다. 그러한 기술은 압출된 스트랜드들의 치수를 제어하도록 다수의 선택사양을 허용한다. 예를 들어, 스트랜드들의 치수는 압출기의 압력을 변화시킴으로써(압출기 스크류 속도 또는 유형을 변화시킴으로써), 웨브가 이동하는 속도를 변화시킴으로써(웨브 속도를 늦추게 되면 일반적으로 더 넓은 압출된 스트랜드들을 생성할 것인 반면, 웨브 속도를 높이게 되면 일반적으로 더 좁은 압출된 스트랜드들을 생성할 것임), 이격된 다이 개구들의 치수의 변경 등에 의해 용이하게 달라질 수 있다. 추가적으로, 이웃한 스트랜드들이 균일하지 않을 수 있는데, 즉 이웃한 스트랜드들이 크기 또는 형상에 있어서 상이할 수 있다. 유사하게, 압출기의 제어 및/또는 이동하는 웨브의 제어에 의해, 선형, 파형, 지그재그형, 소용돌이형 등과 같은 패턴이 있는 스트랜드들이 압출될 수 있거나, 또는 이들 스트랜드는 웨브 상의 상이한 지점들에서 상이한 두께 또는 상이한 패턴을 가질 수 있다.
본 발명의 보강된 필터 매체를 제조하는 데 적합한 장치 및 방법이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, 코팅 장치(100)를 사용하여 보강된 필터 매체(200)를 제조한다. 중합체 웨브(110)가 장치로 진입하고, 보강재의 스트랜드들이 중합체 웨브 상으로 압출되고, 보강된 필터 매체(200)로서 장치를 떠난다. 장치(100)는 일반적으로 원통형 롤러(120, 121, 140) 및 닙(nip) 롤러(142)를 포함한다. 롤러(120, 121, 140)는 원하는 대로 가열 또는 냉각된 롤러일 수 있다. 일부 실시 형태에서, 롤러(121, 140)는 둘 모두 가열된 롤러이며, 다른 실시 형태에서, 롤러(121)는 가열된 롤러이고 롤러(140)은 냉각된 롤러이다. 또 다른 실시 형태에서, 이들 롤러 중 어느 것도 가열 또는 냉각되지 않는다.
도 1에 도시된 장치(100)는 또한 사용자-선택가능 스트랜드 다이(132)를 공급하도록 작동가능한 압출기(130)를 포함한다. 스트랜드 다이(132)는 대체로 평행한 이격된 관계로 연장되는 재료의 다수의 신장된 용융된 스트랜드(214)들을 형성하도록 스트랜드 재료를 압출하기 위한 이격된 개구들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이격된 개구들은 동일하거나 상이할 수 있다. 상이하다면, 이격된 개구들은 상이한 두께, 형상, 패턴 또는 상이한 두께, 형상 또는 패턴의 조합을 갖는 복수의 스트랜드들을 발생시킨다. 스트랜드 다이(132)는, 중합체 웨브(110)가 롤러(120) 상에서 롤러(140) 상으로 진행하는 동안 재료의 용융된 스트랜드(214)들이 중합체 웨브 상으로 압출되고 이어서 중합체 웨브(110)로 전달되도록 다양한 상이한 방식들로 위치될 수 있거나, 이들 두 위치들 사이의 중간 지점에 위치될 수 있다.
스트랜드들의 치수는 압출기(130) 내의 압력을 변화시킴으로써(예컨대, 압출기 스크류 속도 또는 유형을 변화시킴으로써); 중합체 웨브(110)가 이동되는 속도를 변화시킴으로써(즉, 압출기(130)로부터의 소정의 산출률에 대해, 웨브(110)가 이동되는 속도를 증가시키게 되면 스트랜드들의 직경을 감소시킬 반면, 웨브(110)가 이동되는 속도를 감소시키게 되면 스트랜드들의 직경을 증가시킬 것임); 이격된 다이 개구들의 치수를 변화시킴으로써 등에 의해 용이하게 달라질 수 있다.
스트랜드 다이(132)는 상이한 구성, 예컨대 상이한 직경 및 상이한 간격의 스트랜드(214)들이 형성될 수 있도록 용이하게 교체할 수 있다. 스트랜드 다이(132)의 길이를 따라 개구들에 대한 선택적으로 조정가능한 간격 및/또는 직경은, 예를 들어 중합체 웨브(110)를 가로질러 다양한 위치들에서의 스트랜드 두께의 변화를 허용한다. 스트랜드 다이(132)는 또한 다른 구성의 스트랜드, 예를 들어 중공 스트랜드, 둥근 형상 이외의 형상(예컨대, 정사각형, 직사각형, 계란형, 삼각형, 성상, 십자형 등)을 갖는 스트랜드, 또는 2성분 스트랜드, 예를 들어 코어-시스 스트랜드를 형성하도록 선택될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 보강 스트랜드는 전구체 재료의 스트립을 중합체 웨브 상에 침착시키고 스트립을 후처리에 처하게 하여 스트립을 보강재의 스트랜드로 변환시킴으로써 제조된다. 스트립의 침착은, 예를 들어 인쇄, 다이 코팅, 나이프 코팅 등을 비롯한 다양한 코팅 기술에 의해 수행될 수 있다. 인쇄 기술의 예에는, 예를 들어 스크린 인쇄(회전 인쇄를 포함함), 그라비어 인쇄, 서모그래픽 인쇄(thermographic printing), 플렉소그래픽 인쇄(flexographic printing), 요판 인쇄(intaglio printing), 및 잉크젯 인쇄가 포함된다.
전형적으로, 전구체 재료는 열경화성 물질이지만, 예를 들어 열가소성 중합체의 용액을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 전구체 재료는 단량체, 올리고머, 또는 중합체, 또는 이들의 혼합물로부터 제조될 수 있으며, 100% 고체이거나 또는 용매계 또는 수계 용액 또는 혼합물일 수 있다. 일반적으로, 전구체 재료는 실온에서 액체이다. 일부 공정의 경우, 액체는 점성 조성물이다. 전구체 재료는 또한 충분한 온도로 가열되는 동안에 침착될 수 있는 열연화성 또는 열액화성 조성물일 수 있다.
일부 실시 형태에서, 전구체 재료 구조물이 재료의 후건조(post-drying) 전에 과도하게 유동하지 않는 한 전구체 재료의 일부로서 액체 담체가 사용될 수 있다. 액체 담체는 유기 또는 수성일 수 있으며, 일부 실시 형태에서는 용매이다.
일부 실시 형태에서, 전구체 재료는 화학적 경화성 재료이며, 이는 침착된 후에, 예를 들어 중합, 가교결합, 또는 둘 모두에 의해 후처리되어 견고한 최종 구조물을 제조할 수 있다. 특정 예에는 경화성 잉크, 경화성 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴레이트 작용성 재료, 경화성 비닐 에테르, 경화성 불포화 재료, 에폭사이드 작용성 재료 및 경화성 실리콘이 포함된다.
그러나, 형성된 보강 스트랜드들은 중합체 웨브에 접착되는 보강재의 이산된 비교차 연속 필라멘트를 포함한다. 스트랜드들은 다양한 형상을 취할 수 있다. 스트랜드들은 직선, 파형선, 소용돌이, 또는 더 복잡한 형상의 형태일 수 있다. 연속이지만 스트랜드들은 전체 스트랜드를 따라 균일한 두께 또는 형상을 갖지 않을 수 있다. 예를 들어, 스트랜드는 스트랜드의 길이를 따라 상이한 지점들에서 더 두껍거나 더 얇을 수 있으며, 웨브 상의 소정 지점들에서 직선일 수 있고 다른 지점들에서 파형선일 수 있다. 부가적으로, 이웃한 스트랜드들은 크기, 형상 또는 패턴에 있어서 동일하거나 상이할 수 있다.
스트랜드들은 약 0.1 ㎜ 내지 10 ㎜, 약 0.1 ㎜ 내지 2 ㎜ 또는 심지어 약 0.2 ㎜ 내지 1 ㎜의 다양한 두께일 수 있다.
일반적으로, 스트랜드 재료 또는 전구체 재료는 웨브 재료에 직접 적용되지만, 일부 경우에는 스트랜드 재료 또는 스트랜드 전구체 재료의 적용 전에 웨브 재료를 소정 처리에 처하게 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러한 전처리에는 웨브의 표면을 변경시키기 위한 웨브의 물리적 처리, 예를 들어 열, 방사선, 플라즈마 방전 등의 적용이 포함될 수 있다. 부가적으로, 전처리는 웨브에 대한 코팅 또는 코팅들의 적용을 포함할 수 있다. 이들 코팅은 웨브에 대한 스트랜드 재료의 접착을 향상시킬 수 있다. 적합한 코팅의 일례는, 스트랜드 재료를 웨브에 접착시키는 것을 돕는 점착성 재료, 예컨대 접착제의 적용이다.
전술된 바와 같이, 보강 스트랜드들은 중합체 웨브에 부착된다. 중합체 웨브는 필터 매체일 수 있거나, 또는 중합체 웨브는 다층 필터 매체의 일부이거나 나중에 추가의 층들과 조합되어 필터 매체를 형성하는 대안적인 중합체 웨브일 수 있다.
보강된 필터 매체는, 예를 들어 호흡기, 예컨대 필터링 페이스피스(filtering facepiece) 호흡기의 공기 필터 요소로서의 응용, 또는 가정용 및 산업용 노(furnace) 및 공기 조화기, 공기 청정기, 진공 청소기, 의료용 공기 라인 필터, 및 차량용 및 통상적인 장비, 예컨대 컴퓨터, 컴퓨터 디스크 드라이브 및 전자 장비를 위한 공조 시스템과 같은 목적을 위한 응용과 같은 다양한 응용들에 사용될 수 있다. 호흡기 용도에서, 필터 매체는 성형 또는 접혀진 반면형(half-face) 호흡기, 교환식 카트리지 또는 캐니스터, 또는 프리필터(prefilter) 형태일 수 있다.
도 2 및 도 3은 스트랜드-보강된 플랫-폴드형 호흡기의 예를 도시하고, 도 4 및 도 5는 스트랜드-보강된 컵형 호흡기의 예를 도시한다. 도 2에서, 플랫-폴드형 호흡기(200)는 보강재의 스트랜드(210)들을 포함한다. 스트랜드(210)들은 호흡기의 폭을 따라 연장된다. 도 3에서, 플랫-폴드형 호흡기(300)는 보강재의 스트랜드(310)들을 포함한다. 스트랜드(310)들은 호흡기의 길이를 따라 연장된다. 도 4에서, 컵형 호흡기(400)는 보강재의 스트랜드(410)들을 포함한다. 스트랜드(410)들은 호흡기의 폭을 따라 연장된다. 도 5에서, 컵형 호흡기(500)는 보강재의 스트랜드(510)들을 포함한다. 스트랜드(510)들은 호흡기의 길이를 따라 연장된다.
본 발명의 보강된 필터 매체는 여과 호흡기에 특히 유용하다. 여과 호흡기 또는 안면 마스크는 사람의 호흡계를 공기 중에 부유된 입자로부터 또는 불쾌하거나 유해한 가스로부터 보호하도록 돕는 것이 요구될 때 매우 다양한 응용에서 사용하다. 일반적으로, 그러한 호흡기 또는 안면 마스크는 2가지 유형, 즉 성형된 컵형 형태 또는 플랫 폴드형 형태 중 하나이다. 플랫-폴드형 형태는 필요할 때까지 착용자의 주머니에 지니고 다닐 수 있으며 착용들 사이에 내부가 깨끗하게 유지되도록 편평하게 다시 접힐 수 있다는 점에서 이점을 갖는다.
안면 마스크의 플랫-폴드형 형태는 다양한 형상을 가질 수 있으며 다양한 방법으로 접히도록 설계될 수 있다. 상이한 유형의 플랫-폴드형 안면 마스크의 예가, 예를 들어 미국 특허 제6,394,090호(첸(Chen) 등) 및 제6,123,077호(보스톡(Bostock) 등)에 기재되어 있다.
안면 마스크의 구매가능한 플랫-폴드형 형태의 예는 형태가 직사각형인 천으로 구성되고 착용자의 입과 대체로 평행하게 연장되는 주름을 갖는 것이다. 그러한 구조물은 흔히 안면 마스크를 착용자의 안면과의 접촉으로부터 떨어뜨려 유지하기 위하여 강화 요소를 갖는다. 이들 구매가능한 플랫-폴드형 호흡기는 전형적으로 강화 부재(예를 들어, 탄성 지지틀 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 등의 미국 특허 제6,123,077호 참조)을 사용하여, 펼쳐진 호흡기에 대해 더 큰 구조 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 접촉하는 것을 억제하거나 방지할 수 있다. 강화는 때때로 또한 라미네이팅된 구조에서 안면 마스크의 폭을 가로질러 주름을 융합함으로써 또는 안면 마스크의 폭을 가로질러 시임을 제공함으로써 제공되었다. 본 발명의 보강된 필터 매체는 강화 요소, 융합된 주름 또는 시임에 대한 요건 없이 사용될 수 있다. 이는 플랫-폴드형 호흡기의 더욱 용이한 제조를 허용한다.
본 발명의 플랫-폴드형 호흡기는 단층 구조물 또는 다층 구조물일 수 있다. 다층 구조물에서는 그 층들 중 하나 이상이 중합체 재료의 스트랜드들에 의해 보강될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 플랫-폴드형 호흡기는 단층의 필터 매체를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 이러한 필터 매체의 층은 하나 이상의 커버 층에 의해 보호될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 플랫-폴드형 호흡기는 필터 매체 및 커버 층 이외에 추가의 층들을 포함한다. 플랫-폴드형 호흡기는, 예를 들어 별도의 강화 층에 대한 필요성이 없다는 것을 제외하고는, 미국 특허 제6,394,090호(첸 등)에 기재된 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 플랫-폴드형 호흡기는 배치(batch) 공정(예컨대, 플런지 용접에 의함) 또는 연속 공정(예컨대, 회전 용접)과 같은 다양한 기술을 사용하여 서로 부착될 수 있는 다층으로부터 또는 단층으로부터 형성될 수 있다. 어느 공정이든, 플랫-폴드형 호흡기는 외부 형성 에지들을 접합시키고 절단함으로써 단일 필터 매체 층 또는 다층 구조물의 실질적으로 편평한 시트(본 명세서에서 "프리폼(preform)"이라고도 함)를 형성함으로써 제조된다. 에지들을 형성하는 데 다른 기술이 사용될 수 있는데, 초음파 용접, 스티칭, 및 압력의 적용과 같은 다른 기술을 이용하여 (열을 가하거나 가하지 않고서) 에지들을 형성할 수 있다. 실질적으로 편평한 프리폼은 임의의 형상을 가질 수 있다. 일부 실시 형태에서, 실질적으로 편평한 프리폼은 다이아몬드 형상을 갖지만, 다른 형상(예컨대, 오각형, 육각형, 반원형, 정사각형, 나비형 등)도 마찬가지로 적합하다. 전형적으로, 플랫-폴드형 호흡기의 형성 방법은 프리폼 내에 적어도 하나의 구분선을 형성하는 단계; 실질적으로 이등분하는 축을 따라 프리폼을 접는 단계; 및 제1 각도와 제2 각도를 형성하는 단계를 포함한다.
개시된 더욱 복잡한 구성에는 더 큰 단부에서 개방 단부를 갖고 더 작은 단부에서 폐쇄 단부를 갖는 대체로 테이퍼 형상의, 대향 측벽들을 갖는 여과 시트 재료의 포켓으로부터 제조된 컵형 필터링 페이스피스가 포함된다. 폐쇄 단부에서의 포켓의 에지는 외측으로 만곡되는데, 예를 들어 교차하는 직선 및/또는 곡선에 의해 한정되고, 폐쇄 단부에는 포켓의 폐쇄 단부의 내측으로 접혀지는 표면을 한정하는 접힘선이 제공되어, 흡입시 착용자의 안면에 대해 붕괴되는 것에 대항하여 포켓을 강성으로 하기 위한 대체로 원추형인 내측으로 연장되는 리세스(recess)를 형성한다.
본 발명의 성형된 호흡기는 단층 구조물 또는 다층 구조물일 수 있다. 다층 구조물에서는 그 층들 중 하나 이상이 중합체 재료의 스트랜드들에 의해 보강될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 성형된 호흡기는 단층의 필터 매체를 포함한다. 다른 실시 형태에서, 이러한 필터 매체의 층은 하나 이상의 커버 층에 의해 보호될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 성형된 호흡기는 필터 매체 및 커버 층 이외에 추가의 층들을 포함한다. 성형된 호흡기를 형성하기 위해, 필터 매체 또는 여과 층(들) 및 커버 층(들)의 적층체(stack)가 컵 형상의 수형(male) 및 암형(female) 성형 표면들을 갖는 성형 장치 내로 넣어진다. 이들 성형 표면은 전형적으로 가열된다. 그리고 나서, 성형 표면들은 충분한 시간 동안 그리고/또는 충분한 압력에서 합쳐지게 되어, 필터 매체 또는 다층 적층체를 (전형적으로 볼록면 및 오목면을 갖는) 컵형 마스크 본체로 형성한다. 그리고 나서, 과잉 재료는 성형된 조각 둘레로부터 절단될 수 있고, 그 후에 스트랩, 하니스, 밸브 등이 원하는 대로 추가되어 완성된 호흡기를 형성할 수 있다. 성형 공정은 전형적으로 선택적인 추가의 층들과 함께 필터 매체 층에 대해 어느 정도의 영구적인 형상화를 부여한다. 성형 공정은 또한 섬유들 사이의 접촉 지점에서 다양한 개별 섬유들 사이에 일정량의 용융 접합을 부여할 수 있고, 또한 다양한 층들의 서로에 대한 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 둘레에서 수행될 수 있거나, 기계식 클램프 또는 다른 접합 수단이 에지 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. 미국 특허 제6,923,182호(안가드지반드 등)에 설명되어 있는 바와 같이 다양한 층들을 함께 접합시키기 위해 접착제 층을 사용하는 것이 또한 가능하다.
일부 실시 형태에서, 그 자체가 필터 매체가 아닌, 부착된 보강 스트랜드들을 갖는 중합체 웨브를 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 보강된 중합체 웨브는 필터 매체 층을 비롯한 하나 이상의 추가의 재료 층들과 조합될 수 있으며, 이는 이어서 플랫-폴드형 또는 컵형 호흡기 마스크로 형성될 수 있다. 그러한 중합체 웨브의 예에는, 예를 들어 캐리어 웨브, 커버 웨브, 완충 웨브, 지지 웨브 등이 포함된다. 이러한 방식으로, 보강된 중합체 웨브는 필터 매체 웨브와는 별도로 형성되고 조합되어 보강된 필터 매체를 형성할 수 있다.
실시예
이들 실시예는 단지 예시 목적만을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위의 범주를 제한하려는 것이 아니다. 달리 언급되지 않는 한, 실시예 및 본 명세서의 나머지 부분에서의 모든 부, 백분율, 비 등은 중량 기준이다. 달리 언급되지 않는 한, 사용한 용매 및 기타 시약은 미국 위스콘신주 밀워키 소재의 시그마-알드리치 케미칼 컴퍼니(Sigma-Aldrich Chemical Company)로부터 획득하였다.
Figure pct00001
Figure pct00002
시험 방법
염화나트륨에서의 미립자 투과
이 시험 방법은 NIOSH 42CFR 파트 84 - N95 NaCl 시험이다. 85 리터/분의 유량으로 전달되는 NaCl 입자를 함유하는 챌린지 에어로졸을 사용하여 퍼센트 투과율 및 압력 강하를 측정하고, (미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 티에스아이 인크.(TSI Inc.)로부터 구매가능한) 티에스아이 모델 8130 고속 자동화 필터 시험기를 사용하여 이를 평가하였다. 입자는 약 16 내지 23 ㎎/㎥의 대기중 농도(airborne concentration)로 약 0.075 마이크로미터의 직경을 갖는 입자를 함유하는 에어로졸을 제공하도록 2% NaCl 용액으로부터 생성되었으며, 자동화 필터 시험기는 히터 및 입자 중화기(particle neutralizer) 둘 모두가 켜진 상태로 작동되었다. 이 시험을 정지하기 전에 성형된 매트릭스에 대해 85 리터/분의 유량으로 최대 NaCl 입자 투과율까지 샘플을 로딩하였다. 보정된 광도계를 필터 입구 및 출구에서 사용하여 필터를 통한 % 입자 투과율 및 입자 농도를 측정하였다.
형성된 셸 붕괴 시험(Formed Shell Collapse Test)
이 시험은 컵형 호흡기의 반동력(rebound force)을 측정한다. 반경이 12 ㎜인 시험 프로브를 구비한 텍스처 테크놀로지즈 코포레이션(Texture Technologies Corp)으로부터의 텍스처 분석기 모델 TA-XT2를 사용하였다. 이 시험은 1 사이클로 수행하였다. 프로브를 호흡기의 곡면의 끝(cusp) 위에 놓았다. 30 ㎜ 휨에 이르기까지 5 ㎜/min의 하향 속도로 호흡기 시편에 힘 F를 적용하였다. 원하는 최대 휨에 도달하였을 때, 힘(시험 프로브)의 방향을 역전시키고 시험 프로브를 5 ㎜/min의 상향 속도로 서서히 뒤로 후퇴시켰다. 되돌아오는 동안의 느린 크로스헤드 속도는 반동력이 정확하게 기록될 수 있게 하였다. 시험 동안, 힘 대 거리의 그래프를 그렸다.
플랫-폴드형 붕괴 시험(Flat-Fold Collapse Test)
이 시험은 플랫-폴드형 호흡기의 내붕괴성을 측정한다. 시험기는 붕괴 감지 장치를 지지하는 플레이트에 의해 분리된 2 섹션 기밀 챔버였다. 붕괴 감지 장치는 수 개의 발광 다이오드(LED) 및 포토트랜지스터를 가졌다. 붕괴 감지 장치는 이러한 하기의 방식으로 작동하였다: 시험 동안, LED와 포토트랜지스터 사이에 전기 신호를 전송하였으며; 압력이 상부 챔버 내에서 증대되어 호흡기가 붕괴되게 하였을 때, 신호는 차단되어 붕괴를 지시하였다. 시험 호흡기를 붕괴 감지 장치 위에 놓고, 중앙에 경량인 연성 플라스틱 시트를 갖는 다른 플레이트를 호흡기 위에 놓았다. 플라스틱 시트는 호흡기를 통한 기류를 방지하면서 호흡기의 붕괴를 보장하였다. 21 ㎪(30 psi)의 공기압 입력을 사용하는 질량 유동 제어기를 사용하여 상부 챔버 내의 압력을 서서히 상승시키고 0.5 내지 50 리터/분의 일정 수준으로 유량을 유지하였다. 붕괴 감지 장치가 붕괴를 지시했을 때, 유량 제어기를 자동으로 정지시켰다. 차압 변환기를 사용하여 가압된 상부 챔버와 가압되지 않은 하부 챔버 사이의 압력차를 모니터링하였다. 붕괴 감지 장치에 의해 붕괴를 검출했을 때, 압력차를 붕괴 압력으로서 기록하였다. 전형적으로 다중 실시를 사용하여 평균 붕괴 압력을 제공하였다.
비교예 C1:
보강 스트랜드들을 갖지 않는 부직 성형된 셸 웨브를 제조하였다. 부직 셸 웨브는 평량이 106 g/㎡이고 두께가 8 ㎜이고 고형도가 1%인 드라이-레이드(dry-laid) 웨브였다. 이 부직 웨브는 함께 열적으로 결합된 스테이플 섬유들의 블렌드로부터 제조하였다. 이 웨브를 70:30 섬유-1/섬유-2 섬유 중량비의 섬유 1과 섬유 2의 카디드 블렌드에 의해 제조하고, 후속하여 카디드 웨브를 약 1분 동안 163℃의 순환식 공기 오븐 안에 넣어 결합제 섬유를 활성화시키고 웨브를 압밀하였다. 성형된 셸을 형성하기 위한 부직 셸 층의 성형은 부직 웨브 층을 높이가 약 55 ㎜이고 부피가 약 310 ㎤인 2개의 정합하는 반구형 컵 형상의 가열된 주형들 사이에 놓음으로써 행하였다. 주형의 상부 절반부 및 하부 절반부를 각각 약 93℃ 및 105℃로 가열하였다. 가열된 주형을 대략 6초 동안 대략 1.27 ㎜의 갭으로 폐쇄하였다. 이 시간 후에, 주형을 개방하고 성형된 제품을 꺼내고 수동으로 다듬질하였다. 이어서, 성형된 셸의 외주에 초음파 접합을 수행하였다. 성형된 컵형 셸을 상기의 시험 방법에 기재된 '형성된 셸 붕괴 시험'을 사용하여 내파쇄성/내탄성에 대하여 평가하였다. 시험 결과가 도 6에 도시되어 있다.
실시예 1
보강 스트랜드들을 갖는 부직 성형된 셸 웨브를 제조하였다. 부직 셸 웨브는 평량이 106 g/㎥이고 두께가 8 ㎜이고 고형도가 1%인 드라이-레이드 웨브였다. 이 부직 웨브를 함께 열적으로 결합된 스테이플 섬유들의 블렌드로부터 제조하였다. 이 웨브를 70:30 섬유-1/섬유-2 섬유 중량비의 섬유-1과 섬유-2의 카디드 블렌드에 의해 제조하고, 후속하여 카디드 웨브를 약 1분 동안 163℃의 순환식 공기 오븐 안에 넣어 결합제 섬유를 활성화시키고 웨브를 압밀하였다. 51 ㎜ 단축 압출기 내에 65:35 중량비의 PU-1과 PP-1의 혼합물을 넣었다. 이 압출기를 210℃ 및 13 RPM에서 작동시키고, 필라멘트들을 이 압출기로부터 0.51, 0.64, 및 0.79 ㎜ 오리피스를 통해 5.0 m/min의 라인 속도로 상부의 매끄러운 수집 롤 상으로 1 ㎝ 폭 당 3개의 필라멘트로 해서 압출하였다. 이렇게 형성된 필라멘트들을 전술된 웨브 상으로 지나가게 하였다. 생성된 부직 보강 셸 웨브는 총 평량이 약 214 g/㎡였으며, 이 중 약 110 g/㎡는 보강 스트랜드들이었다. 성형된 셸을 형성하기 위한 부직 셸 층의 성형은 부직 웨브 층을 높이가 약 55 ㎜이고 부피가 약 310 ㎤인 2개의 정합하는 반구형 컵 형상의 가열된 주형들 사이에 놓음으로써 행하였다. 주형의 상부 절반부 및 하부 절반부를 각각 약 93℃ 및 105℃로 가열하였다. 가열된 주형을 대략 6초 동안 대략 2.50 ㎜의 갭으로 폐쇄하였다. 이 시간 후에, 주형을 개방하고 성형된 제품을 꺼내고 수동으로 다듬질하였다. 이어서, 성형된 셸의 외주에 초음파 접합을 수행하였다. 실시예 1A의 경우에는 성형을 (스트랜드들이 착용자의 안면의 폭을 가로지르게 될 방향으로 컵 위를 지나가도록) 기계 방향으로 행하였으며, 실시예 1B의 경우에는 성형을 (스트랜드들이 착용자의 안면의 폭과 수직이게 될 방향으로 컵 위를 지나가도록) 웨브 폭방향으로 행하였다. 성형된 컵형 셸을 상기의 시험 방법에 기재된 '형성된 셸 붕괴 시험'을 사용하여 내파쇄성/내탄성에 대하여 평가하였다. 시험 결과가 도 6에 도시되어 있다.
실시예 2
보강 스트랜드들을 갖는 부직 성형된 셸 웨브를 제조하고 이를 사용하여 호흡기를 제조하였다. 스트랜드 보강된 부직 섬유 웨브를 제조하였다. 51 ㎜ 단축 압출기 내에 65:35 중량비의 PU-1과 PP-1의 혼합물을 넣었다. 이 압출기를 210℃ 및 13 RPM에서 작동시키고, 필라멘트들을 이 압출기로부터 0.64 및 0.79 ㎜ 오리피스를 통해 5.0 m/min의 라인 속도로 CW-1 웨브 상으로 1 ㎝ 웨브 폭 당 3개의 필라멘트로 해서 압출하였다. 생성된 부직 보강 셸 웨브는 총 평량이 약 150 g/㎡였으며, 이 중 약 120 g/㎡는 보강 스트랜드들이었다. FM-1 및 커버웨브-1의 샘플을 보강된 웨브에 라미네이팅하고, 형성된 구조물을 함께 성형하여 완성된 호흡기를 제조하였다. 호흡기를 보강된 층이 호흡기의 볼록한 측을 향하고 커버웨브-1 층이 호흡기의 오목한 측 상에 있으며 FM-1이 보강된 층과 커버웨브 사이에 개재되도록 성형하였다. 필터 웨브는 평량이 35 g/㎡이고, 섬유 크기가 4.7 마이크로미터였다. 적층화된 웨브의 성형은 정합하는 암형과 수형 주형들 사이에서 조립된 층을 가압함으로써 행하여졌다. 암형 주형은 높이가 약 55 ㎜이고 부피가 310 ㎤였다. 주형의 상부 절반부 및 하부 절반부를 약 105℃로 가열하고, 웨브를 금형 절반부들 사이에 놓았다. 이어서, 가열된 주형을 대략 10 내지 15초 동안 1.27 ㎜의 갭으로 폐쇄하였다. 지정된 시간 후에, 주형을 개방하고, 성형된 제품을 꺼내었다. 성형된 컵형 호흡기를 상기의 시험 방법에 기재된 '형성된 셸 붕괴 시험'을 사용하여 내파쇄성/내탄성에 대하여 평가하였다. 시험 결과가 도 7에 도시되어 있다.
비교예 C2:
비교예 C2의 경우에는 구매가능한 호흡기인 '상업용 호흡기-1'을 사용하였다. 성형된 컵형 호흡기를 상기의 시험 방법에 기재된 '형성된 셸 붕괴 시험'을 사용하여 내파쇄성/내탄성에 대하여 평가하였다. 시험 결과가 도 7에 도시되어 있다.
실시예 3
보강 스트랜드들을 갖는 부직 필터 재료 웨브를 제조하고 이를 사용하여 호흡기를 제조하였다. 스트랜드 보강된 부직 필터 매체 웨브를 제조하였다. 51 ㎜ 단축 압출기 내에 65:35 중량비의 PU-1과 PP-1의 혼합물을 넣었다. 이 압출기를 210℃ 및 13 RPM에서 작동시키고, 필라멘트들을 이 압출기로부터 0.51 및 0.79 ㎜ 오리피스를 통해 5.0 m/min의 라인 속도로 상부의 매끄러운 수집 롤 상으로 1 ㎝ 폭 당 3개의 필라멘트로 해서 압출하였다. 이렇게 형성된 필라멘트들을 FM-2의 웨브 상으로 지나가게 하였다. 섬유는 직경이 1.0 내지 1.5 ㎜이고 평량이 70 g/㎡였다. 생성된 부직 보강 셸 웨브는 총 평량이 약 170 g/㎡였으며, 이 중 약 70 g/㎡는 보강 스트랜드들이었다. 커버웨브-1의 샘플을 보강된 FM-2 웨브에 라미네이팅하고, 형성된 구조물을 함께 성형하여 완성된 호흡기를 제조하였다. 적층화된 웨브의 성형은 정합하는 암형과 수형 주형들 사이에서 조립된 층을 가압함으로써 행하여졌다. 주형의 상부 절반부를 약 79℃(175℉)로 가열하고, 주형의 하부 절반부를 약 116℃(240℉)로 가열하고, 웨브를 금형 절반부들 사이에 놓았다. 이어서, 가열된 주형을 대략 9초 동안 0.51 ㎜(0.020 인치)의 갭으로 폐쇄하였다. 지정된 시간 후에, 주형을 개방하고, 성형된 제품을 꺼내었다. 성형된 컵형 호흡기를 상기의 시험 방법에 기재된 '염화나트륨에서의 미립자 투과' 시험을 사용하여 평가하였다. 시험 결과가 표 1에 나타나 있다.
실시예 4
보강 스트랜드들을 갖는 부직 필터 재료 웨브를 제조하고 이를 사용하여 호흡기를 제조하였다. 스트랜드 보강된 부직 필터 매체 웨브를 제조하였다. 51 ㎜ 단축 압출기 내에 65:35 중량비의 PU-1과 PP-1의 혼합물을 넣었다. 이 압출기를 210℃ 및 13 RPM에서 작동시키고, 필라멘트들을 이 압출기로부터 0.51 및 0.79 ㎜ 오리피스를 통해 5.0 m/min의 라인 속도로 상부의 매끄러운 수집 롤 상으로 1 ㎝ 폭 당 3개의 필라멘트로 해서 압출하였다. 이렇게 형성된 필라멘트들을 FM-2의 웨브 상으로 지나가게 하였다. 웨브는 평량이 100 g/㎡였다. 생성된 부직 보강 셸 웨브는 총 평량이 약 200 g/㎡였으며, 이 중 약 100 g/㎡는 보강 스트랜드들이었다. 커버웨브-1의 샘플을 보강된 FM-2 웨브에 라미네이팅하고, 형성된 구조물을 함께 성형하여 완성된 호흡기를 제조하였다. 적층화된 웨브의 성형은 정합하는 암형과 수형 주형들 사이에서 조립된 층을 가압함으로써 행하여졌다. 주형의 상부 절반부를 약 79℃(175℉)로 가열하고, 주형의 하부 절반부를 약 116℃(240℉)로 가열하고, 웨브를 금형 절반부들 사이에 놓았다. 이어서, 가열된 주형을 대략 9초 동안 0.51 ㎜(0.020 인치)의 갭으로 폐쇄하였다. 지정된 시간 후에, 주형을 개방하고, 성형된 제품을 꺼내었다. 성형된 컵형 호흡기를 상기의 시험 방법에 기재된 '염화나트륨에서의 미립자 투과' 시험을 사용하여 평가하였다. 시험 결과가 표 1에 나타나 있다. 이들 실시예는 필터 재료에 대한 N95 규격을 통과한다.
Figure pct00003
실시예 5와 비교예 C3 및 비교예 C4:
보강 스트랜드들을 갖는 부직 웨브를 제조하고 이를 사용하여 플랫-폴드형 호흡기를 제조하였다. 51 ㎜ 단축 압출기 내에 99.5 중량% PE 및 0.5 중량% 청색 안료를 넣었다. 이 압출기를 198℃ 및 15 RPM에서 작동시키고, 필라멘트들을 이 압출기로부터 0.64, 0.64, 및 0.79 ㎜ 오리피스를 통해 5.0 m/min의 라인 속도로 상부의 매끄러운 수집 롤 상으로 1 ㎝ 폭 당 3개의 필라멘트로 해서 압출하였다. 이렇게 형성된 필라멘트들을 커버웨브-2의 웨브 상으로 지나가게 하였다. 생성된 부직 보강 웨브는 총 평량이 약 128 g/㎡였으며, 이 중 약 78 g/㎡는 보강 스트랜드들이었다. 이렇게 제조된 보강된 부직 웨브에 (양 방향으로, 즉 수평으로 또는 형성된 호흡기의 길이가 될 어떤 방향으로, 그리고 수직으로 또는 형성된 호흡기의 폭이 될 어떤 방향으로) FM-1 및 커버웨브-2의 층을 라미네이팅하고, 이어서 절단하고, 미국 특허 제6,390,090호에 기재된 바와 같이 함께 초음파로 밀봉하여 플랫-폴드형 호흡기를 형성하였다. 실시예 5A의 호흡기는 수직으로 연장되는 보강 스트랜드들을 가지며, 실시예 5B의 호흡기는 수평으로 연장되는 보강 스트랜드들 갖는다. 실시예 5A 및 실시예 5B뿐만 아니라 비교예 C3(강화 요소를 포함하는 상업용 호흡기-2) 및 비교예 C4(강화 요소를 포함하지 않는 상업용 호흡기-3)에 대한 플랫-폴드형 호흡기를 상기의 시험 방법에 기재된 '플랫-폴드형 붕괴 시험'을 사용하여 내붕괴성에 대하여 평가하였다. 시험 결과가 표 2에 나타나 있다.
Figure pct00004

Claims (32)

  1. 보강된 필터 매체를 포함하며,
    보강된 필터 매체는
    중합체 웨브; 및
    웨브에 부착되는 보강재의 이산된 비교차 스트랜드(discrete, non-intersecting strand)들을 포함하는 호흡기.
  2. 제1항에 있어서, 중합체 웨브는 천(fabric), 부직 웨브(nonwoven web), 또는 여과 폼(filtering foam)을 포함하는 호흡기.
  3. 제1항에 있어서, 보강재는 열가소성 물질 또는 열경화성 물질을 포함하는 호흡기.
  4. 제1항에 있어서, 보강재는 폴리올레핀; 할로겐화 폴리올레핀; 테레프탈산, 테트라메틸렌 글리콜, 및 사이클로헥산 다이메탄올의 코폴리에스테르-에테르 탄성중합체; 코폴리에스테르 탄성중합체; 폴리에테르; 폴리아미드; 폴리에테르 블록 폴리아미드; 폴리우레탄; 아크릴과의 에틸렌, 또는 에틸렌 및 프로필렌의 공중합체; 이오노머; 아크릴로니트릴 중합체; 아크릴 공중합체; 화학적으로 개질된 폴리올레핀; 또는 열가소성 탄성중합체 블록 공중합체; 또는 이들의 블렌드 또는 조합을 포함하는 호흡기.
  5. 제1항에 있어서, 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들은 코어-시스 구조물(core-sheath construction)을 포함하는 호흡기.
  6. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 추가의 웨브 층을 추가로 포함하는 호흡기.
  7. 제1항에 있어서, 플랫-폴드형(flat-fold) 호흡기인 호흡기.
  8. 제1항에 있어서, 성형된 컵형 호흡기인 호흡기.
  9. 필터 매체의 제조 방법으로서,
    중합체 웨브를 제공하는 단계; 및
    보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 웨브의 적어도 하나의 표면에 접촉시키는 단계를 포함하며,
    보강재의 스트랜드들은 중합체 웨브에 접착되는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 중합체 웨브를 전처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 중합체 웨브를 후처리하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 후처리 단계는 압력을 가하여 중합체 웨브에 대한 보강재의 스트랜드들의 접착을 돕는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 중합체 웨브는 천, 부직 웨브, 또는 여과 폼을 포함하는 방법.
  14. 제9항에 있어서, 보강재는 열가소성 물질 또는 열경화성 물질을 포함하는 방법.
  15. 제9항에 있어서, 보강재는 폴리올레핀; 할로겐화 폴리올레핀; 테레프탈산, 테트라메틸렌 글리콜, 및 사이클로헥산 다이메탄올의 코폴리에스테르-에테르 탄성중합체; 코폴리에스테르 탄성중합체; 폴리에테르; 폴리아미드; 폴리에테르 블록 폴리아미드; 폴리우레탄; 아크릴과의 에틸렌, 또는 에틸렌 및 프로필렌의 공중합체; 이오노머; 아크릴로니트릴 중합체; 아크릴 공중합체; 화학적으로 개질된 폴리올레핀; 또는 열가소성 탄성중합체 블록 공중합체; 또는 이들의 블렌드 또는 조합을 포함하는 방법.
  16. 제9항에 있어서, 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들은 코어-시스 구조물을 포함하는 방법.
  17. 제9항에 있어서, 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 웨브의 적어도 하나의 표면에 접촉시키는 단계는 열가소성 물질의 압출을 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 고온 용융 압출(hot melt extrusion)은 하나 초과의 열가소성 물질의 공압출을 포함하는 방법.
  19. 제9항에 있어서, 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 웨브의 적어도 하나의 표면에 접촉시키는 단계는 열경화성 물질의 코팅을 포함하는 방법.
  20. 제9항에 있어서, 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들은 선형, 파형, 지그재그형, 소용돌이형, 또는 이들의 조합을 포함하는 방법.
  21. 제9항에 있어서, 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들은 상이한 두께, 형상, 패턴 또는 이들의 조합을 갖는 복수의 스트랜드들을 포함하는 방법.
  22. 제9항에 있어서, 중합체 웨브를 정전기적으로 대전시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  23. 호흡기의 제조 방법으로서,
    중합체 웨브 및 웨브에 부착되는 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 포함하는 보강된 필터 매체를 제공하는 단계; 및
    호흡기를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 보강된 필터 매체를 제공하는 단계는 보강된 필터 매체와 함께 적어도 하나의 추가의 웨브를 적층하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 호흡기를 형성하는 단계는
    보강된 필터 매체를 형상화된 프리폼(pre-form)으로 절단하는 단계; 및
    프리폼을 밀봉하여 플랫-폴드형 호흡기를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 형상화된 프리폼은 대략 반원인 형상을 포함하는 방법.
  27. 제23항에 있어서, 호흡기를 형성하는 단계는
    매체를 성형하여 컵형 호흡기를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 제23항에 있어서, 중합체 웨브를 정전기적으로 대전시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  29. 호흡기의 제조 방법으로서,
    필터 매체 웨브를 제공하는 단계;
    천, 부직 웨브, 또는 여과 폼 및 중합체 웨브에 부착되는 보강재의 이산된 비교차 스트랜드들을 포함하는 보강된 중합체 웨브를 제조하는 단계;
    필터 매체 웨브 및 보강된 중합체 웨브를 함께 적층하는 단계; 및
    호흡기를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  30. 제29항에 있어서, 호흡기를 형성하는 단계는
    적층된 필터 매체 웨브 및 보강된 중합체 웨브를 형상화된 프리폼으로 절단하는 단계; 및
    프리폼을 밀봉하여 플랫-폴드형 호흡기를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제29항에 있어서, 호흡기를 형성하는 단계는
    적층된 필터 매체 웨브와 보강된 중합체 웨브를 성형하여 컵형 호흡기를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  32. 제29항에 있어서, 필터 매체 웨브 및 보강된 중합체 웨브와 함께 추가의 층들을 적층하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
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