KR20120098939A - 마스크 본체 내에 팽창 메시를 갖는 안면부 여과식 호흡기 - Google Patents

마스크 본체 내에 팽창 메시를 갖는 안면부 여과식 호흡기 Download PDF

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Abstract

안면부 여과식 호흡기(10)가 하니스(14) 및 마스크 본체(12)를 갖는다. 마스크 본체(12)는 지지 구조물(16) 및 여과 구조물(18)을 포함한다. 지지 구조물(16)은 의도된 컵 형상의 구성으로 성형된 팽창 메시(20)를 포함하며, 여과 구조물(18)은 주위 공기로부터 오염물을 제거하기 위한 여과 층(42)을 포함한다. 지지 구조물(16) 내에서의 팽창 메시(20)의 사용은 메시(20) 내의 더욱 균일한 크기의 개방부들(26)을 제공하며, 메시 중첩 및 메시 뒤틀림에 대한 가능성을 감소시킨다.

Description

마스크 본체 내에 팽창 메시를 갖는 안면부 여과식 호흡기{FILTERING FACE-PIECE RESPIRATOR HAVING AN AUXETIC MESH IN THE MASK BODY}
본 발명은 마스크 본체의 지지 구조물 내에 팽창 메시(auxetic mesh)를 갖는 안면부 여과식 호흡기(filtering face-piece respirator)에 관한 것이다.
호흡기는 2가지 통상적인 목적, 즉 (1) 불순물 또는 오염물이 착용자의 호흡 경로로 진입하는 것을 방지하는 것, 및 (2) 다른 사람 또는 물건이 착용자가 내쉬는 병원균 및 다른 오염물에 노출되는 것을 방지하는 것 중 적어도 한 가지 목적을 위해 사람의 호흡 경로에 걸쳐 통상 착용된다. 첫번째 상황에서, 호흡기는, 예를 들어 자동차 정비소 내에서와 같이 공기가 착용자에게 유해한 입자를 함유하는 환경에서 착용된다. 두 번째 상황에서, 호흡기는, 예를 들어 수술실 또는 청정실에서와 같이 다른 사람 또는 물건에 대한 오염의 위험이 있는 환경에서 착용된다.
다양한 호흡기가 이들 목적 중 어느 하나(또는 둘 모두)를 충족시키기 위해 설계되었다. 이들 호흡기 중 일부는, 마스크 본체 자체가 여과 메커니즘으로서 기능하기 때문에, "안면부 여과식"으로서 분류되었다. 부착가능한 필터 카트리지(예컨대, 유샤크(Yuschak) 등의 미국 재발행 특허 제39,493호 참조) 또는 삽입-성형된 필터 요소(예컨대, 브라운(Braun)의 미국 특허 제4,790,306호 참조)와 함께 고무 또는 탄성중합체 마스크 본체를 사용하는 호흡기와 달리, 안면부 여과식 호흡기는 필터 카트리지를 설치 또는 교체할 필요가 없도록 필터 매체가 전체 마스크 본체의 대부분을 포함하도록 한다. 종래의 안면부 여과식 호흡기는 마스크 본체에 그의 의도된 컵 형상의 구성을 제공하기 위해 열-접합 섬유의 부직포 웨브(non-woven web)로 통상 구성되었다. 이들 안면부 여과식 호흡기는 중량 면에서 상대적으로 가볍고 사용하기 쉽다. 그러한 안면부 여과식 호흡기를 개시하는 특허의 예는 크론저(Kronzer) 등의 미국 특허 제7,131,442호, 앙가드지반트(Angadjivand) 등의 제6,923,182호 및 제6,041,782호, 보스톡(Bostock) 등의 제6,568,392호 및 제6,484,722호, 첸(Chen)의 제6,394,090호, 다이루드(Dyrud) 등의 제4,807,619호, 및 베르그(Berg)의 제4,536,440호를 포함한다.
종래의 안면부 여과식 호흡기는 또한 마스크 형상 및 필터 매체를 위한 지지를 제공하기 위해 투각 플라스틱 메시(open-work plastic mesh) 구조물을 사용하였다. 플라스틱 메시-유형 지지 구조물을 설명하는 특허의 예는 매기드슨(Magidson) 등의 제4,873,972호, 스코브(Skov)의 제4,850,347호, 및 허버(Huber) 등의 의장 특허 제285,374호를 포함한다. 지지 구조물로서 투각 플라스틱 메시를 사용하는 구매가능한 호흡기는, 예를 들어 미국 캘리포니아주 컬버 시티 소재의 몰덱스-메트릭 인크.(Moldex-Metric Inc.)에 의해 판매되는 2200-2500 시리즈 및 EX-ON 시리즈 미립자 호흡기를 포함한다. 안면부 여과식 호흡기를 위한 공지된 메시 지지 구조물은 모두 양의 푸아송 비(positive Poisson ratio)를 나타낸다 - 즉, 이들은 연신될 때 측방향으로 수축하고 압축될 때 측방향으로 확장한다. 이들 측방향 수축 및 확장은 마스크 본체 제조 동안 열 및 압력이 가해진 완성된 제품에서 알아채게 될 수 있다.
본 발명은, (a) 하니스(harness); 및 (b) (i) 여과 층을 포함하는 여과 구조물; 및 (ii) 의도된 형상으로 성형된 팽창 메시를 포함하는 지지 구조물을 포함하는 마스크 본체를 포함하는 안면부 여과식 호흡기에 관한 것이다.
본 발명은 또한 안면부 여과식 호흡기를 제조하는 신규한 방법을 제공한다. 이 신규한 방법은 마스크 본체에 사용하기 위한 의도된 형상으로 팽창 메시를 성형하는 단계; 성형된 팽창 메시 내에 여과 구조물을 지지시키는 단계; 및 마스크 본체에 하니스를 결합시키는 단계를 포함한다.
본 발명은, 마스크 본체가 성형된 팽창 메시를 포함하는 지지 구조물을 포함한다는 점에서 공지된 안면부 여과식 호흡기와 상이하다. 비록 중합체 메시가 마스크 본체 내의 지지 구조물로서 성공적으로 사용되었지만, 사용된 메시 구조물은 팽창하지 못하였다 - 즉, 이들은 음(negative)의 푸아송 비를 나타내지 않는다. 음의 푸아송 비를 나타내는 메시는 적어도 하나의 치수로 연신될 수 있어서, 메시가 횡방향으로 확장되게 한다. 본 발명자는 팽창 메시가 성형될 때 덜 뒤틀릴 것임을 발견하였다. 팽창 메시는 생성된 성형된 구조물 내의 메시 개방부들의 크기에 있어서의 더 큰 균일성을 제공한다. 메시 개방부 균일성에서의 개선은 더 우수한 미적 특성을 갖는 마스크 본체를 제공할 수 있다. 공지된 호흡 마스크 - 지지 구조물로서 비-팽창 투각 메시를 사용한 것 - 는 메시 개방부들의 크기에 있어서의 분명한 변동성을 나타내었다. 상이한 크기의 개방부들은 보기에 좋지 않은 것으로 고려될 수 있고, 메시의 부분들은 때때로 성형 작업 동안 중첩되고 뒤틀릴 수 있다. 본 발명은 그러한 문제점을 완화시키며, 따라서 개선된 외관을 갖는 것으로 고려될 수 있는 성형된 안면부 여과식 호흡기를 제공한다. 본 발명의 호흡기를 제조할 때, 호흡기 폐기에 대한 가능성이 덜 할 수 있다 - 이는 그러한 제조 결함으로 인해 버려지는 마스크 본체가 적어질 수 있기 때문이다.
용어
이하에 기재되는 용어는 아래 정의된 바와 같은 의미를 가질 것이다:
"팽창"은 음의 푸아송 비를 나타내는 것을 의미한다.
"포함하다(또는 포함하는)"는 특허 용어에서 표준인 것과 같은 그의 정의를 의미하는데, "구비하다", "갖는", 또는 "함유하는"과 대체로 동의어인 개방형 용어이다. "포함하다", "구비하다", "갖는", 및 "함유하는"과 이의 변형이 통상적으로 사용되는 개방형 용어이지만, 본 발명은 또한 본 발명의 청구 대상의 성능에 해로운 영향을 미칠 것들 또는 요소들만을 배제한다는 점에서 반개방형 용어인 "본질적으로 ~로 이루어진"과 같은 더 좁은 용어를 사용하여 적합하게 설명될 수도 있다.
"깨끗한 공기"는 오염물을 제거하기 위해 여과된 소정 체적의 대기 중의 주위 공기를 의미한다.
"오염물"은 입자(먼지, 안개 및 연무를 포함함), 및/또는 일반적으로 입자인 것으로 간주되지 않을 수 있지만(예컨대, 유기 증기 등) 호기 유동 스트림 내의 공기를 포함하여 공기 중에 현탁될 수 있는 다른 물질을 의미한다.
"가로방향 치수(crosswise dimension)"는 호흡기를 전방으로부터 볼 때 좌우로 호흡기를 가로질러 측방향으로 연장하는 치수이다.
"호기 밸브"는 유체가 안면 여과식 마스크의 내부 기체 공간에서 배출되게 하도록 개방되는 밸브를 의미한다.
"외부 기체 공간"은 호기된 기체가 마스크 본체 및/또는 호기 밸브를 통해 이를 지나 통과한 후에 진입하는 주위 대기 중의 기체 공간을 의미한다.
"안면부 여과식"은 마스크 본체 자체가 그를 통과하는 공기를 여과하도록 설계되어, 이러한 목적을 달성하기 위해 마스크 본체에 부착되거나 그에 성형되는 별도의 식별가능한 필터 카트리지 또는 삽입-성형된 필터 요소가 존재하지 않는 것을 의미한다.
"필터" 또는 "여과 층"은 공기-투과성 재료의 하나 이상의 층을 의미하며, 층(들)은 그를 통과하는 공기 스트림으로부터 (입자와 같은) 오염물을 제거하는 주된 목적을 위해 구성된다.
"여과 구조물"은 주로 공기를 여과하기 위해 설계되는 구성물을 의미한다.
"하니스"는 마스크 본체를 착용자의 안면 상에 지지하는 것을 보조하는 구조물 또는 부품들의 조합을 의미한다.
"내부 기체 공간"은 안면부 여과식 호흡기가 착용된 때의 마스크 본체와 사람의 안면 사이의 공간을 의미한다.
"마스크 본체"는, 사람의 코 및 입 위에 맞춰지도록 설계되며 외부 기체 공간으로부터 분리된 내부 기체 공간을 한정하는 것을 돕는 공기-투과성 구조물을 의미한다.
"메시"는, 개방 공간들의 네트워크를 갖고 제1 및 제2 치수가 제3 치수보다 실질적으로 더 큰 구조물을 의미한다.
"성형된" 또는 "성형하는"은 열 및 압력을 사용하여 원하는 형상으로 형성하는 것을 의미한다.
"다수"는 100개 이상을 의미한다.
"코 클립(nose clip)"은 적어도 착용자의 코 주위에서 밀봉을 개선하기 위해 마스크 본체 상에 사용하도록 구성된 장치로서, (코 발포체와는 상이한) 기계적 장치를 의미한다.
"주변부"는 사람이 호흡기를 착용할 때 착용자의 안면에 대체로 근접하여 배치될 마스크 본체의 외부 에지를 의미한다.
"중합체"는 규칙적으로 또는 불규칙적으로 배열된, 반복되는 화학 단위를 함유하는 재료를 의미한다.
"중합체" 및 "플라스틱"은 각각 주로 하나 이상의 중합체를 포함하고 또한 다른 성분을 함유할 수 있는 재료를 의미한다.
"복수"는 2개 이상을 의미한다.
"호흡기"는 착용자에게 호흡할 깨끗한 공기를 제공하기 위해 사람이 착용하는 공기 여과 장치를 의미한다.
"지지 구조물"은 그의 원하는 형상을 유지하기에 충분한 구조적 완전성을 갖도록, 그리고 그에 의해 지지되는 여과 구조물의 의도된 형상을 유지하는 것을 돕도록 설계되는 구성물을 의미한다.
<도 1>
도 1은 사람의 안면 상에 착용된, 본 발명에 따른 안면부 여과식 호흡기(10)의 전방 사시도.
<도 2>
도 2는 도 1에서 원으로 둘러싸인 영역의 확대도.
<도 3>
도 3은 도 1의 선 3-3을 따라 취한 마스크 본체(12)의 단면도.
<도 4>
도 4는 팽창 메시(20)를 제조하기 위한 장치(50)의 개략도.
<도 5>
도 5는 캐스팅 롤(58) 상으로의 압출된 중합체 재료(60)의 캐스팅을 도시하는 확대도.
<도 6>
도 6은 팽창 메시를 제조하는 데 사용될 수 있는 캐스팅 롤(58)의 사시도.
<도 6a>
도 6a는 도 6에 도시된 캐스팅 롤(58)의 외부 표면의 일부분의 확대도.
<도 7>
도 7은 팽창 메시를 제조하는 데 사용될 수 있는 팽창 주형의 평면도.
<도 8>
도 8은 본 발명과 함께 성형된 호흡기를 제조하는 데 사용될 수 있는 팽창 메시(20)의 정면도.
본 발명을 실시함에 있어서, 마스크 본체를 위한 형상-제공 층으로서 팽창 메시를 포함하는 안면부 여과식 호흡기가 제공된다. 본 발명자는 팽창 메시의 사용이 마스크 본체에 그의 원하는 형상 및 구성을 제공하기에 충분한 구조적 완전성을 제공할 뿐만 아니라, 메시 내의 각각의 개방 공간의 크기를 유지하는 방식으로도 작용한다는 것을 발견하였다. 팽창 메시가 성형 동안 그의 3차원 형상을 달성함에 따라, 종래의 메시가 이중-곡선형(bi-curved) 표면 위에서 형성된 후에 관찰되는 뒤틀림과 달리, 메시는 프랙탈(fractal) 방식으로 변형하여 초기 메시 외관을 실질적으로 유지한다. 안면부 여과식 호흡기 내의 지지 구조물 또는 형상화 층으로서 사용되는 공지된 메시는 흔히 원하는 3차원 형상으로 성형될 때 뒤틀림, 주름, 및 접힘을 나타낸다. 성형되기 전에, 팽창 메시는 초기의 2차원의 평평한 형태로 제공될 수 있으며, 이는 취급 및 보관하기 쉽다. 초기의 평평한 팽창 메시를 3차원 형상으로 변환하는 것은, 보통 유사한 결함 없는 네팅(defect-free netting)을 제작할 것을 필요로 할 배치 공정(batch process)과 비교할 때, 더욱 효율적인 제조 경로를 제공할 수 있다. 즉, 비-팽창 메시가 상기 언급된 뒤틀림 없이 3차원 제품을 제조하기 위해 사용되는 경우, 배치-유형 캐스팅(batch-type casting) 또는 사출 성형 공정이 전형적으로 그러한 목적을 위해 채용될 것이다.
도 1은 착용자가 호흡할 깨끗한 공기를 제공하기 위해 본 발명에 따라 사용될 수 있는 안면부 여과식 호흡기(10)의 예를 도시한다. 안면부 여과식 호흡기(10)는 마스크 본체(12) 및 하니스(14)를 포함한다. 마스크 본체(12)는 지지 구조물(16)을 갖고, 이 지지 구조물은 마스크 본체에 구조적 완전성을 제공하고 지지 구조물(16) 후방에 존재하는 여과 구조물(18)을 위한 지지를 제공한다. 여과 구조물(18)은 호흡기(10)의 착용자가 들이쉴 때 주위 공기로부터 오염물을 제거한다. 지지 구조물(16)은 마스크 본체(12)의 형상을 한정하는 3차원 형상으로 성형된 팽창 메시(20)를 포함한다. 팽창 메시(20)는, 그의 성형된 형상일 때, 마스크 본체(12)가 그의 의도된 형상을 유지하기에 충분한 구조적 완전성을 제공할 수 있다. 여과 구조물(18)은 마스크 본체 주변부(22)에서 지지 구조물(16)에 고정될 수 있다. 여과 구조물(18)은 또한 호기 밸브(도시 안됨)가 마스크 본체에 고정될 때 마스크 본체의 정점(23)에서 지지 구조물(16)에 고정될 수 있다. 하니스(14)는 마스크 본체(12)가 사람의 코 및 입 위에서 지지되게 할 수 있는 하나 이상의 스트랩(strap)(24)을 포함할 수 있다. 조절가능한 버클(buckle)이 하니스 상에 제공되어 스트랩(24)의 길이가 조정되게 할 수 있다. 체결 또는 걸쇠(clasping) 메커니즘이 또한 스트랩에 부착되어, 하니스(14)가 사람의 안면으로부터 호흡기(10)를 제거할 때 분해되고 사람의 안면으로부터 호흡기(10)를 착용할 때 재조립되게 할 수 있다.
도 2는 본 발명과 함께 사용될 수 있는 투각 팽창 메시(20)의 확대도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 팽창 메시(20)는 중합체 스트랜드(strand)(28)에 의해 한정될 수 있는 다수의 개방 공간(26)을 포함한다. 각각의 개방 공간(26)을 한정하는 스트랜드(28)는 제1 및 제2 측부(30, 32)와 제3 및 제4 측부(34, 36)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 측부(30, 32)는 선형일 수 있고, 반면에 제3 및 제4 측부는 비-선형일 수 있으며 제1 및 제2 측부(30, 32)에 대해 비-수직하게 오프셋된 세그먼트를 포함할 수 있다. 오프셋된 세그먼트는 제1 및 제2 측부(30, 32)에 대해 직각을 형성하지 않는다. 오히려, 이들은 약 20 내지 80도, 더 전형적으로는 약 40 내지 70도일 수 있는 각도(α)를 갖는 셰브론 단부(chevron end)를 형성한다. 각각의 개방부는 전형적으로 약 5 내지 50 제곱밀리미터(㎟), 더 전형적으로는 약 10 내지 35 ㎟의 크기를 갖는다. 다른 공지된 또는 이후 개발될 팽창 기하학적 형상이 본 발명에 적합하게 사용될 수도 있다. 팽창 메시의 푸아송 비는 전형적으로 -0.2 미만, 더 전형적으로는 -0.4 미만, 그리고 더욱 더 전형적으로는 -0.7 미만이지만, 대개 -2.2보다 더 작지는 않다. 음의 푸아송 비를 나타내고 본 발명과 함께 사용하기에 적합할 수 있는 메시의 예는 헨겔몰렌(Hengelmolen)의 미국 특허 공개 제2006/0129227A2호 및 앨더슨(Alderson) 등의 제2006/0180505A1호에 설명되어 있다. 상단부에서, 푸아송 비는 0 이하이다. 메시 내의 다수의 개방부는, 성형된 후에, 유사한 크기를 유지하는 경향을 가진다. 후술되는 셀 크기 결정 방법에 따라 시험될 때, 셀 크기의 표준 편차는 0.04, 0.03 미만, 그리고 심지어 0.025 미만이었다.
도 3은 지지 구조물(16) 및 여과 구조물(18)을 포함하는 마스크 본체(12)의 단면을 도시한다. 지지 구조물(16)은 전형적으로 약 0.60 내지 0.85 밀리미터(㎜)의 두께를 갖고, 각각의 스트랜드(28)는 전형적으로 약 0.1 내지 3.5 ㎟, 더 전형적으로는 약 1.5 내지 2.6 ㎟의 평균 단면적을 갖는다. 팽창 메시(20)는 마스크 본체의 외부 표면 상에 존재할 수 있거나, 이는 내부 표면 상에, 또는 마스크 본체를 포함하는 외부 층들 사이에 존재할 수 있다. 또한, 팽창 메시는 다양한 중합체 재료로부터 제조될 수 있다. 팽창 메시 형성에 적합한 중합체는 일반적으로 열가소성 또는 열경화성 재료이다. 열가소성 재료는, 열의 인가 시에 용융 및/또는 유동하고 냉각 시에 재응고되며 열의 인가 시에 다시 용융 및/또는 유동하는 재료이다. 열가소성 재료는 가열 및 냉각 시에 물리적 변화만을 겪고, 뚜렷한 화학적 변화는 일어나지 않는다. 그러나, 열경화성 재료는 가열 또는 경화될 때 가교결합되는 것과 같이 비가역적으로 경화되는 경화성 재료이다. 일단 경화되면, 열경화성 재료는 열의 인가 시에 뚜렷하게 용융 또는 유동하지 않을 것이다.
팽창 메시를 형성하는 데 사용될 수 있는 열가소성 중합체의 예는 폴리올레핀, 예컨대 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부틸렌, 그러한 폴리올레핀의 2가지 이상의 블렌드, 및 에틸렌 및/또는 프로필렌의 서로와의 및/또는 소량의 공중합성 고급 알파 올레핀, 예컨대 펜텐, 메틸펜텐, 헥센, 또는 옥텐과의 공중합체; 할로겐화 폴리올레핀, 예컨대 염소화 폴리에틸렌, 폴리(비닐리덴 플루오라이드), 폴리(비닐리덴 클로라이드), 및 가소화 폴리(비닐 클로라이드); 사이클로헥산 다이메탄올, 테트라메틸렌 글리콜, 및 테레프탈산의 코폴리에스테르-에테르 탄성중합체; 코폴리에스테르 탄성중합체, 예컨대 폴리부틸렌 테레프탈레이트 및 장쇄 폴리에스테르 글리콜의 블록 공중합체; 폴리에테르, 예컨대 폴리페닐렌옥사이드; 폴리아미드, 예컨대 폴리(헥사메틸렌 아디프아미드), 예를 들어 나일론 6 및 나일론 6,6; 나일론 탄성중합체, 예컨대 나일론 11, 나일론 12, 나일론 6,10 및 폴리에테르 블록 폴리아미드; 폴리우레탄; 에틸렌, 또는 에틸렌 및 프로필렌과, (메트)아크릴산의 또는 저급 알칸올 및 에틸렌계-불포화 카르복실산의 에스테르의 공중합체, 예컨대 에틸렌과 (메트)아크릴산, 비닐 아세테이트, 메틸 아크릴레이트, 또는 에틸 아크릴레이트의 공중합체; 이오노머, 예컨대 아연, 리튬, 또는 나트륨 반대이온으로 안정화된 에틸렌-메타크릴산 공중합체; 아크릴로니트릴 중합체, 예컨대 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체; 아크릴 공중합체; 화학적으로 개질된 폴리올레핀, 예컨대 올레핀의 말레산 무수물- 또는 아크릴산-그래프트된 단일중합체 또는 공중합체 및 그러한 중합체의 2가지 이상의 블렌드, 예컨대 폴리에틸렌 및 폴리(메틸 아크릴레이트)의 블렌드, 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 및 에틸렌-메틸 아크릴레이트의 블렌드; 폴리프로필렌 및/또는 폴리에틸렌과 폴리(비닐 아세테이트)의 블렌드; 및 A-B 또는 A-B-A 유형의 스티렌의 열가소성 탄성중합체 블록 공중합체 - 여기서 A는 열가소성 폴리스티렌 블록을 나타내고 B는 폴리아이소프렌, 폴리부타디엔, 또는 폴리(에틸렌/부틸렌)의 고무질 블록을 나타내며, 그 예는 선형, 방사형, 별형 및 테이퍼형 스티렌-아이소프렌 블록 공중합체, 선형 스티렌-(에틸렌-부틸렌) 블록 공중합체, 및 선형, 방사형, 및 별형 스티렌-부타디엔 블록 공중합체를 포함함 - 를 포함한다. 전술된 중합체들은 보통은 고체이고, 일반적으로 고분자량이며, 용융-압출가능하여, 이들은 압출 다이 조립체로 스트림으로서 펌핑되어 그로부터 압력 하에서 용이하게 압출될 수 있는 용융된 점성 액체를 형성하도록 가열될 수 있다.
적합한 구매가능한 중합체의 예는 "엘박스(ELVAX)" 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 엘박스 40W, 4320, 250, 및 350; "에막(EMAC)" 에틸렌-메틸 아크릴레이트 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 에막 DS-1274, DS-1176, DS-1278-70, SP 2220 및 SP-2260; "비스타 플렉스(VISTA FLEX)" 열가소성 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 비스타 플렉스 641 및 671; "프리마코(PRIMACOR)" 에틸렌-아크릴산 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 프리마코 3330, 3440, 3460, 및 5980; "퓨사본드(FUSABOND)" 말레산 무수물-폴리올레핀 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 퓨사본드 MB-110D 및 MZ-203D; "하이몬트(HIMONT)" 에틸렌-프로필렌 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 하이몬트 KS-057, KS-075, 및 KS-051P; "피나(FINA)" 폴리프로필렌으로서 판매되는 것들, 예컨대 피나 3860X; "에스코렌(ESCORENE)" 폴리프로필렌으로서 판매되는 것들, 예컨대 에스코렌 3445; "베스토플라스트(VESTOPLAST) 750" 에틸렌-프로필렌-부텐 공중합체로서 판매되는 중합체; "설린(SURLYN)" 이오노머로서 판매되는 것들, 예컨대 설린 9970 및 1702; "울트라미드(ULTRAMID)" 폴리아미드로서 판매되는 것들, 예컨대 울트라미드 B3 나일론 6 및 울트라미드 A3 나일론 6,6; "자이텔(ZYTEL)" 폴리아미드로서 판매되는 것들, 예컨대 자이텔 FE3677 나일론 6,6; "릴산(RILSAN)" 폴리아미드 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 BMNO P40, BESNO P40 및 BESNO P20 나일론 11; "페박스(PEBAX)" 폴리에테르 블록 폴리아미드 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 페박스 2533, 3533, 4033, 5562 및 7033; "하이트렐(HYTREL)" 폴리에스테르 탄성중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 하이트렐 3078, 4056 및 5526; "크라톤(KRATON)" 및 "유로프렌 졸(EUROPRENE SOL) TE" 스티렌 블록 공중합체로서 판매되는 것들, 예컨대 크라톤 D1107P, G1657, G1750X, 및 D1118X와 유로프렌 졸 TE 9110, 및 6205를 포함한다.
전술된 바와 같이, 2가지 이상의 재료의 블렌드가 또한 팽창 메시의 제조에 사용될 수 있다. 그러한 블렌드의 예는 85 내지 15 중량%의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트), 예컨대 "엘박스" 공중합체와, 15 내지 85 중량%의 폴리(에틸렌-아크릴산), 예컨대 "프리마코" 중합체의 블렌드 - 이 블렌드의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트) 성분은 일반적으로 50,000 내지 220,000의 중량 평균 분자량(Mw)을 가질 것이고 5 내지 45 몰%의 비닐 아세테이트 공단량체로부터 유도된 그의 상호중합된 단위 및 에틸렌으로부터의 단위의 잔량을 가질 것이며, 이 블렌드의 폴리(에틸렌-아크릴산) 성분은 일반적으로 50,000 내지 400,000의 Mw를 가질 것이고 1 내지 10 몰%의 아크릴산으로부터 유도된 그의 상호중합된 단위 및 에틸렌으로부터의 잔량을 가질 것임 - ; 40,000 내지 150,000의 Mw를 갖고 동일하게 다량의 부텐 및 프로필렌과 소량의 에틸렌으로부터 유도된 20 내지 70 중량%의 폴리(에틸렌-프로필렌-부텐) 삼원공중합체, 예컨대 "베스토플라스트 750" 중합체와, 80 내지 30 중량%의 아이소탁틱 폴리프로필렌의 블렌드; 15 내지 85 중량%의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트)와 85 내지 15 중량%의 폴리(에틸렌-메틸 아크릴레이트), 예컨대 "에막" 중합체를 함유하는 블렌드 - 이러한 블렌드의 폴리(에틸렌-비닐 아세테이트) 성분은 전술된 것과 유사한 분자량 및 조성을 가질 수 있고, 폴리(메틸 아크릴레이트) 성분은 50,000 내지 200,000의 Mw 및 4 내지 40 몰%의 메틸 아크릴레이트 공단량체로부터 유도된 그의 상호중합된 단위를 가질 수 있음 - 를 포함한다.
폴리프로필렌이 여과 구조물(여과 층이 흔히 폴리프로필렌을 또한 포함함)에 대한 지지 구조물의 적절한 용접을 가능하게 하도록 팽창 메시(20)에 사용하기에 바람직할 수 있다. 팽창 메시(20)를 제조하는 데 사용되는 중합체 재료는 전형적으로 약 0.3 내지 1900 메가파스칼(MPa), 더 전형적으로는 2 내지 250 MPa의 영률(Young's modulus)을 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 여과 구조물(18)은 하나 이상의 커버 웨브(40a, 40b) 및 여과 층(42)을 포함할 수 있다. 커버 웨브(40a, 40b)는 여과 층(42)의 대향하는 면들 상에 위치되어, 그로부터 풀려 나올 수 있는 임의의 섬유를 포획할 수 있다. 전형적으로, 커버 웨브(40a, 40b)는 특히 착용자의 안면과 접촉하는 여과 구조물(18)의 면에 대해 편안한 느낌을 제공하는 섬유를 선택하여 제조된다. 본 발명의 지지 구조물과 함께 사용될 수 있는 다양한 필터 층 및 커버 웨브의 구성이 이하에서 더 상세히 설명된다. 맞춤 및 착용자 편안함을 개선하기 위해, 탄성중합체 안면 시일(face seal)이 여과 구조물(18)의 주변부에 고정될 수 있다. 그러한 안면 시일은 호흡기가 착용 중일 때 착용자의 안면과 접촉하도록 반경방향 내향으로 연장할 수 있다. 안면 시일의 예는 보스톡 등의 미국 특허 제6,568,392호, 스프링겟(Springett) 등의 제5,617,849호, 및 매리야넥(Maryyanek) 등의 제4,600,002호와, 야드(Yard)의 캐나다 특허 제1,296,487호에 설명되어 있다. 마스크 본체는, 예를 들어 크론저 등의 미국 특허 제7,131,442B1호에 언급되고 설명된 공정을 사용하여 성형될 수 있다.
본 발명과 함께 사용되는 마스크 본체는 다양한 상이한 형상 및 구성을 취할 수 있다. 여과 구조물이 여과 층 및 2개의 커버 웨브를 포함하는 다중 층을 구비한 것으로 예시되었지만, 여과 구조물은 단순히 여과 층들의 조합 또는 필터 층(들)과 커버 웨브(들)의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전처리-필터(pre-filter)가 더 치밀하고 선택적인 하류 여과 층의 상류에 배치될 수 있다. 또한, 활성탄과 같은 흡착(sorptive) 재료가 여과 구조물을 포함하는 다양한 층들 및/또는 섬유들 사이에 배치될 수 있다. 또한, 미립자 및 증기 둘 모두에 대한 여과를 제공하기 위해 별개의 미립자 여과 층이 흡착 층과 함께 사용될 수 있다. 여과 구조물은 그의 구조적 완전성에 기여하는 하나 이상의 수평 및/또는 수직 경계선(예컨대, 용접선 또는 접힘선)을 가질 수 있다. 여과 구조물(18)은 일반적으로 지지 구조물(16) 내에 맞춰지도록 구성된다.
본 발명의 마스크 본체에 사용되는 여과 구조물은 입자 포획 또는 기체 및 증기 유형 필터일 수 있다. 여과 구조물은 또한, 예를 들어 액체 에어로졸 또는 액체 파편(splash)(예컨대, 혈액)이 필터 층을 통과하는 것을 방지하기 위해, 필터 층의 일 면으로부터 다른 면으로의 액체의 전달을 방지하는 장벽 층일 수 있다. 유사하거나 유사하지 않은 필터 매체의 다중 층이 응용에서 요구되는 대로 본 발명의 여과 구조물을 구성하도록 사용될 수 있다. 본 발명의 층상 마스크 본체에 유리하게 채용될 수 있는 필터는 마스크 착용자의 호흡 작업을 최소화하기 위해 압력 강하가 대체로 낮다(예를 들어, 초당 13.8 센티미터의 면속도에서 약 195 내지 295 파스칼 미만). 여과 층은 또한 가요성이며, 제품 제조를 가능하게 하기에 그리고 예상되는 사용 조건 하에서 그들의 구조를 대체로 유지하기에 충분한 전단 강도를 갖는다. 입자 포획 필터의 예는 가는 무기 섬유(예를 들어, 섬유유리) 또는 중합체 합성 섬유의 하나 이상의 웨브를 포함한다. 합성 섬유 웨브는 멜트블로잉(meltblowing)과 같은 공정으로부터 제조되는 일렉트릿-대전된 중합체 미세섬유(electret-charged polymeric microfiber)를 포함할 수 있다. 전기 대전된 폴리프로필렌으로부터 형성된 폴리올레핀 미세섬유가 미립자 포획 응용에 대한 특정한 유용성을 제공한다. 대안적인 필터 층은 호흡 공기로부터 유해하거나 냄새나는 기체를 제거하기 위한 흡착제 성분을 포함할 수 있다. 흡착제는 접착제, 결합제, 또는 섬유질 구조물에 의해 필터 층 내에 구속되어 있는 분말 또는 과립을 포함할 수 있다 - 스프링겟 등의 미국 특허 제6,334,671호 및 브라운의 미국 특허 제3,971,373호 참조. 흡착제 층은 얇은 밀착 층을 형성하기 위해, 섬유질 또는 망상 발포체(reticulated foam)와 같은 기재를 코팅함으로써 형성될 수 있다. 흡착제 재료는 화학적으로 처리되거나 처리되지 않은 활성탄, 다공성 알루미나-실리카 촉매 기재, 및 알루미나 입자를 포함할 수 있다. 다양한 구성으로 맞추어질 수 있는 흡착 여과 구조물의 예는 센쿠스(Senkus) 등의 미국 특허 제6,391,429호에 설명되어 있다.
여과 층은 전형적으로 원하는 여과 효과를 달성하도록 선택된다. 여과 층은 일반적으로 여과 층을 통과하는 기체 스트림으로부터 입자 및/또는 다른 오염물을 높은 비율로 제거할 것이다. 섬유질 필터 층의 경우, 선택되는 섬유는 여과될 물질의 종류에 좌우되며, 전형적으로 이들 섬유가 성형 작업 동안 함께 접합되지 않도록 선택된다. 지시된 바와 같이, 여과 층은 다양한 형상 및 형태로 형성될 수 있고, 전형적으로 약 0.2 밀리미터(㎜) 내지 1 센티미터(㎝), 더 전형적으로는 약 0.3 ㎜ 내지 0.5 ㎝의 두께를 가지며, 대체로 평면인 웨브일 수 있거나, 확장된 표면적을 제공하도록 주름질 수 있다 - 예를 들어, 브라운 등의 미국 특허 제5,804,295호 및 제5,656,368호 참조. 여과 층은 또한 접착제 또는 임의의 다른 수단에 의해 함께 결합되는 다중 여과 층을 포함할 수 있다. 여과 층을 형성하기 위해 공지된(또는 이후 개발될) 본질적으로 임의의 적합한 재료가 여과 재료로서 사용될 수 있다. 문헌[Wente, Van A., Superfine Thermoplastic Fibers, 48 Indus. Engn. Chem., 1342 et seq. (1956)]에 교시된 것과 같은 멜트-블로운 섬유의 웨브가 특히 지속적으로 전기 대전된(일렉트릿) 형태일 때 특히 유용하다(예를 들어, 큐빅(Kubik) 등의 미국 특허 제4,215,682호 참조). 이들 멜트-블로운 섬유는 약 20 마이크로미터(㎛) 미만, 전형적으로 약 1 내지 12 ㎛의 유효 섬유 직경을 갖는 미세섬유일 수 있다("블로운 미세섬유"를 BMF로 지칭함). 유효 섬유 직경은 문헌[Davies, C. N., The Separation Of Airborne Dust Particles, Institution Of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952]에 따라 결정될 수 있다. 폴리프로필렌, 폴리(4-메틸-1-펜텐) 및 이들의 조합으로부터 형성된 섬유를 함유하는 BMF 웨브가 특히 바람직하다. 특히 미세필름 형태의 로진-울 섬유질 웨브 및 유리 섬유의 웨브 또는 용액-블로운이나 정전기로 분무된 섬유뿐만 아니라, 반 턴하우트(van Turnhout)의 미국 재발행 특허 제31,285호에 교시된 바와 같은 전기 대전된 미소섬유형-필름(fibrillated-film) 섬유가 또한 적합할 수 있다. 아이츠만(Eitzman) 등의 미국 특허 제6,824,718호, 앙가드지반트 등의 제6,783,574호, 인슬리(Insley) 등의 제6,743,464호, 아이츠만 등의 제6,454,986호 및 제6,406,657호, 및 앙가드지반트 등의 제6,375,886호 및 제5,496,507호에 개시된 것과 같이 섬유를 물과 접촉시킴으로써 전하가 섬유에 부가될 수 있다. 전하는 또한 클라쎄(Klasse) 등의 미국 특허 제4,588,537호에 개시된 바와 같은 코로나 대전에 의해 또는 브라운의 미국 특허 제4,798,850호에 개시된 바와 같은 트라이보대전(tribocharging)에 의해 섬유에 부가될 수 있다. 또한, 하이드로-대전(hydro-charging) 공정을 통해 제조되는 웨브의 여과 성능을 향상시키기 위해 첨가제가 섬유 내에 포함될 수 있다(루쏘(Rousseau) 등의 미국 특허 제5,908,598호 참조). 특히, 불소 원자는 유성 안개(oily mist) 환경에서의 여과 성능을 개선하기 위해 필터 층 내에서 섬유의 표면에 배치될 수 있다 - 존스(Jones) 등의 미국 특허 제6,398,847 B1호, 제6,397,458 B1호, 및 제6,409,806B1호, 키르크(Kirk) 등의 제7,244,292호, 및 스파츠(Spartz) 등의 제7,244,291호 참조. 일렉트릿 BMF 여과 층에 대한 전형적인 평량(basis weight)은 제곱미터당 약 10 내지 100 그램이다. 예를 들어, 앙가드지반트 등의 '507 특허에 설명된 기술에 따라 전기 대전될 때, 그리고 존스 등, 키르크 등, 및 스파츠 등의 특허에 언급된 것과 같이 불소 원자를 포함할 때, 평량은 각각 약 20 내지 40 g/㎡ 및 약 10 내지 30 g/㎡일 수 있다.
내부 커버 웨브는 착용자의 안면과 접촉하기 위한 매끄러운 표면을 제공하도록 사용될 수 있으며, 외부 커버 웨브는 마스크 본체 내의 풀린 섬유를 포집하기 위해 또는 미적 이유로 선택적으로 사용될 수 있다. 커버 웨브는, 비록 여과 층의 외부(또는 상류) 상에 배치될 때 전처리-필터로서 작용할 수 있지만, 전형적으로는 여과 구조물에 임의의 실질적인 여과 이득을 제공하지 않는다. 적합한 정도의 편안함을 얻기 위해, 내부 커버 웨브는 바람직하게는 상당히 낮은 평량을 가지며, 상당히 미세한 섬유로부터 형성된다. 더 구체적으로, 커버 웨브는 약 5 내지 50 g/㎡ (전형적으로 10 내지 30 g/㎡)의 평량을 갖도록 형성될 수 있다. 커버 웨브에 사용되는 섬유는 흔히 약 5 내지 24 마이크로미터, 전형적으로 약 7 내지 18 마이크로미터, 그리고 더 전형적으로는 약 8 내지 12 마이크로미터의 평균 섬유 직경을 갖는다. 커버 웨브 재료는 일정 정도의 탄성도(반드시 그렇지는 않지만, 전형적으로, 100 내지 200%의 파단 탄성도)를 가질 수 있고, 소성 변형될 수 있다.
커버 웨브에 적합한 재료는 블로운 미세섬유(BMF) 재료, 특히 폴리올레핀 BMF 재료, 예를 들어 폴리프로필렌 BMF 재료(폴리프로필렌 블렌드 및 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 블렌드 또한 포함)일 수 있다. 커버 웨브를 위한 BMF 재료를 제조하기에 적합한 공정이 사비(Sabee) 등의 미국 특허 제4,013,816호에 설명되어 있다. 웨브는 매끄러운 표면, 전형적으로 매끄러운 표면의 드럼 또는 회전 수집기 상에 섬유를 수집함으로써 형성될 수 있다 - 베리건(Berrigan) 등의 미국 특허 제6,492,286호 참조. 스펀-본드(spun-bond) 섬유가 또한 사용될 수 있다.
전형적인 커버 웨브는 폴리프로필렌 또는 50 중량% 이상의 폴리프로필렌을 함유하는 폴리프로필렌/폴리올레핀 블렌드로부터 제조될 수 있다. 이들 재료는 착용자에게 고도의 부드러움과 편안함을 제공하고 또한 필터 재료가 폴리프로필렌 BMF 재료일 때 층들 사이에 접착제를 필요로 하지 않고서 필터 재료에 고정되어 유지되는 것으로 밝혀졌다. 커버 웨브에 사용하기에 적합한 폴리올레핀 재료는, 예를 들어 단일 폴리프로필렌, 2개의 폴리프로필렌의 블렌드, 및 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 블렌드, 폴리프로필렌과 폴리(4-메틸-1-펜텐)의 블렌드, 및/또는 폴리프로필렌과 폴리부틸렌의 블렌드를 포함할 수 있다. 커버 웨브를 위한 섬유의 일례는 약 25 g/㎡의 평량을 제공하고 0.2 내지 3.1 범위의 섬유 데니어(denier)(100개의 섬유에 대한 평균이 약 0.8로 측정됨)를 갖는, 엑손 코포레이션(Exxon Corporation)으로부터의 폴리프로필렌 수지 "에스코린(Escorene) 3505G"로부터 제조된 폴리프로필렌 BMF이다. 다른 적합한 섬유는 약 25 g/㎡의 평량을 제공하고 약 0.8의 평균 섬유 데니어를 갖는 폴리프로필렌/폴리에틸렌 BMF(역시 엑손 코포레이션으로부터의 85%의 수지 "에스코린 3505G" 및 15%의 에틸렌/알파-올레핀 공중합체 "이그젝트(Exact) 4023"을 포함하는 혼합물로부터 제조됨)이다. 적합한 스펀본드 재료가 독일 파이네 소재의 코로빈 게엠베하(Corovin GmbH)로부터 "코로소프트 플러스(Corosoft Plus) 20", "코로소프트 클래식(Corosoft Classic) 20" 및 "코로빈(Corovin) PP-S-14"라는 상표명으로 입수가능하며, 카디드(carded) 폴리프로필렌/비스코스 재료가 핀란드 나킬라 소재의 제이.더블유. 수오미넨 오와이(J.W. Suominen OY)로부터 "370/15"라는 상표명으로 입수가능하다.
본 발명에 사용되는 커버 웨브는 바람직하게는 처리 후에 웨브 표면으로부터 돌출하는 아주 적은 수의 섬유를 가지며, 따라서 매끄러운 외부 표면을 갖는다. 본 발명에 사용될 수 있는 커버 웨브의 예는, 예를 들어 앙가드지반트의 미국 특허 제6,041,782호, 보스톡 등의 미국 특허 제6,123,077호, 및 보스톡 등의 국제 출원 공개 WO 96/28216A호에 개시되어 있다.
하니스에 사용되는 스트랩(들)은 다양한 재료, 예컨대 열경화성 고무, 열가소성 탄성중합체, 편조된(braided) 또는 편직된(knitted) 얀(yarn)/고무 조합, 비탄성의 편조된 성분 등으로부터 제조될 수 있다. 스트랩(들)은 탄성 재료, 예컨대 탄성의 편조된 재료로부터 제조될 수 있다. 스트랩은 바람직하게는 그의 총 길이의 2배 초과로 확장될 수 있으며, 그의 이완된 상태로 복원될 수 있다. 스트랩은 또한 가능하게는 그의 이완된 상태의 길이의 3배 또는 4배로 늘어날 수 있으며, 장력이 제거될 때 그에 대한 어떠한 손상도 없이 그의 원래의 상태로 복원될 수 있다. 따라서, 탄성 한계는 그의 이완된 상태일 때의 스트랩의 길이의 2배, 3배, 또는 4배 이상인 것이 바람직하다. 전형적으로, 스트랩(들)은 길이가 약 20 내지 30 ㎝이고, 폭이 3 내지 10 ㎜이며, 두께가 약 0.9 내지 1.5 ㎜이다. 스트랩(들)은 연속적인 스트랩으로서 제1 탭으로부터 제2 탭으로 연장할 수 있으며, 또는 스트랩은 추가의 체결구 또는 버클에 의해 함께 결합될 수 있는 복수의 부분을 가질 수 있다. 예를 들어, 스트랩은, 체결구에 의해 함께 결합될 수 있으며 안면으로부터 마스크 본체를 제거할 때 착용자에 의해 신속하게 해제될 수 있는 제1 및 제2 부분을 가질 수 있다. 본 발명과 함께 사용될 수 있는 스트랩의 예가 슈(Xue) 등의 미국 특허 제6,332,465호에 도시되어 있다. 스트랩의 하나 이상의 부분을 함께 결합하는 데 사용될 수 있는 체결 또는 걸쇠 메커니즘의 예가, 예를 들어 브로스트롬(Brostrom) 등의 미국 특허 제6,062,221호, 세팔라(Seppala)의 제5,237,986호, 및 치엔(Chien)의 유럽 특허 EP1,495,785A1호에 도시되어 있다.
본 발명에 사용되는 커버 웨브는 바람직하게는 처리 후에 웨브 표면으로부터 돌출하는 아주 적은 수의 섬유를 가지며, 따라서 매끄러운 외부 표면을 갖는다. 본 발명에 사용될 수 있는 커버 웨브의 예는, 예를 들어 앙가드지반트의 미국 특허 제6,041,782호, 보스톡 등의 미국 특허 제6,123,077호 및 보스톡 등의 국제 출원 공개 WO 96/28216A호에 개시되어 있다.
하니스에 사용되는 스트랩은 다양한 재료, 예컨대 열경화성 고무, 열가소성 탄성중합체, 편조된 또는 편직된 얀/고무 조합, 비탄성의 편조된 성분 등으로부터 제조될 수 있다. 스트랩은 탄성 재료, 예컨대 탄성의 편조된 재료로부터 제조될 수 있다. 스트랩은 바람직하게는 그의 총 길이의 2배 초과로 확장될 수 있으며, 그의 이완된 상태로 복원될 수 있다. 스트랩은 또한 그의 이완된 상태의 길이의 3배 또는 4배로 늘어날 수 있으며, 장력이 제거될 때 그에 대한 어떠한 손상도 없이 그의 원래의 상태로 복원될 수 있다. 따라서, 탄성 한계는 그의 이완된 상태일 때의 스트랩의 길이의 2배, 3배, 또는 4배 이상인 것이 바람직하다. 전형적으로, 스트랩은 길이가 약 25 내지 60 ㎝이고, 폭이 5 내지 10 ㎜이며, 두께가 약 0.9 내지 1.5 ㎜이다. 스트랩은 연속적인 스트랩으로서 마스크 본체의 대향하는 측부 상의 제1 버클로부터 제2 버클로 연장할 수 있으며, 또는 스트랩은 추가의 체결구 또는 버클에 의해 함께 결합될 수 있는 복수의 부분을 가질 수 있다. 예를 들어, 스트랩은, 체결구에 의해 함께 결합될 수 있으며 안면으로부터 마스크 본체를 제거할 때 착용자에 의해 신속하게 해제될 수 있는 제1 및 제2 부분을 가질 수 있다. 본 발명과 함께 사용될 수 있는 스트랩의 예가 슈 등의 미국 특허 제6,332,465호에 도시되어 있다. 스트랩의 하나 이상의 부분을 함께 결합하는 데 사용될 수 있는 체결 및 걸쇠 메커니즘의 예가, 예를 들어 하기의, 브로스트롬 등의 미국 특허 제6,062,221호, 세팔라의 제5,237,986호, 및 치엔의 유럽 특허 EP1,495,785A1호에 도시되어 있다.
내부 기체 공간으로부터 호기된 공기를 정화시키는 것을 용이하게 하기 위해 호기 밸브가 마스크 본체에 부착될 수 있다. 호기 밸브의 사용은 마스크 내부로부터 덥고 습한 호기된 공기를 신속하게 제거함으로써 착용자의 편안함을 개선할 수 있다. 예를 들어, 마틴(Martin) 등의 미국 특허 제7,188,622호, 제7,028,689호, 및 제7,013,895호; 야푼티히(Japuntich) 등의 제7,428,903호, 제7,311,104호, 제7,117,868호, 제6,854,463호, 제6,843,248호, 및 제5,325,892호; 미텔슈타트(Mittelstadt) 등의 제6,883,518호, 및 보워스(Bowers)의 재발행 특허 제37,974호를 참조한다. 호기된 공기를 내부 기체 공간으로부터 외부 기체 공간으로 신속하게 전달하기 위해, 적합한 압력 강하를 제공하고 마스크 본체에 적절하게 고정될 수 있는 본질적으로 임의의 호기 밸브가 본 발명과 관련하여 사용될 수 있다.
코 클립이 또한 코 영역 위에서의 맞춤을 개선하기 위해 마스크 본체에 부착될 수 있다. 예를 들어, 카스티글리온(Castiglione)의 미국 특허 제5,558,089호 및 의장 특허 제412,573호를 참조한다.
실시예
셀 크기 결정
개방 공간 또는 셀의 측정을 용이하게 하도록 고정구 내에 장착된 한정된 직경의 로드(rod)들을 사용하여 팽창 메시 셀 크기를 결정하였다. 프로브 로드(probe rod)들의 직경 범위는 0.0254 ㎝(센티미터)의 증분으로 0.0254 ㎝에서 0.5334 ㎝까지였다. 프로브의 배치 전의 셀 형상의 뒤틀림을 야기하지 않고서 셀 내로 끼워지는 최대 크기의 프로브를 선택함으로써 셀 크기를 측정하였다. 이러한 크기를 기록하였고, 성형된 메시 내에 포함된 모든 셀을 측정하여 셀들이 각각의 프로브 크기에 일치할 때까지 다음 셀 크기를 측정하고 기록하였다.
팽창 메시 형성 장치 및 공정
팽창 웨브를 도 4에 도시된 장치와 유사한 시스템(50)을 사용하여 제조하였다. 40 ㎜ 직경의 2축(twin-screw) 압출기에 기어 펌프를 설치하였고, 용융된 중합체 블렌드를 대략 246℃의 용융 온도에서 슬롯 다이(54)로, 1.43 kg/hr/㎝(센티미터 단위의 다이의 길이당 시간당 킬로그램)의 압출 속도로 전달하도록 사용하였다. 중합체 블렌드는 안료 및 상호점착 방지제(anti-block agent)를 포함한 3-부분(three-part) 중합체 조성을 포함하였다. 중합체 블렌드 제형이 이하의 표 1에 주어져 있다. 슬롯 다이(54)의 단부에서, 중합체 블렌드는 팽창 메시가 형성되는 캐스팅 롤(58)로 전달된다. 생성된 메시(20)는 캐스팅 롤(58)로부터 제거되고, 여기서 이는 분리(take-off) 롤(74)로 전달된다. 백업(back-up) 롤(76)이 분리 롤(74)과 접촉하여, 팽창 메시를 롤로부터의 이탈 지점까지 분리 롤 상에서 유지시킨다.
도 5는 슬롯 다이(54), 닥터 블레이드(doctor blade)(56), 및 캐스팅 롤(58)의 배향을 더욱 상세하게 도시한다. 슬롯 다이(54)를 약 246℃의 온도에서 유지하였고, 용융된 중합체의 뱅크(bank)(60)가 수평 평면을 따라 형성되도록 캐스팅 롤(58)에 대해 위치시켰다. 캐스팅 롤(58)을 닥터 블레이드(56)에 대항하여 회전시킴으로써 용융된 중합체(60)를 캐스팅 롤 공동(62) 내로 가압하였다. 닥터 블레이드(56)가 용융된 중합체(60)를 캐스팅 롤 공동(62) 내로 가압하였고, 동시에 용융된 중합체(60)가 공동 내에만 남겨지도록 캐스팅 롤(58)의 외부 표면(64)을 닦아 내었다. 캐스팅 롤(58)을 거쳐 중합체 뱅크(60)로부터 제거된 중합체를 슬롯 다이(54)의 수지 채널(66)을 통해 다시 채웠다. 이러한 공정에 의해, 팽창 메시를 연속적으로 캐스팅하였다.
Figure pct00001
처리 동안, 닥터 블레이드(56)는 0.656 kN/㎝(선형 ㎝당 킬로-뉴턴)의 압력 - 캐스팅 롤(58)의 채널 또는 공동(62)을 채우기 위해 용융된 중합체(60)를 가압한 압력 - 에서 회전하는 캐스팅 롤(58)에 대항하여 가압하였다. 닥터 블레이드(56)를 246℃의 온도에서 유지하였다. 중합체 뱅크(60)는 캐스팅 롤의 채널(62)을 채우기 위해 충분한 중합체가 캐스팅 롤(58)의 횡방향 길이에 걸쳐 존재한 것을 보장하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 장치(50)는 2-롤 전달 시스템을 사용하였으며, 이는 캐스팅된 팽창 메시(20)를 캐스팅 롤(58)로부터 추출하고 이를 수집 장치로 이송하기 위해 크롬 분리 롤(74) 및 고무-표면처리된 백업 롤(76)로 구성하였다. 분리 롤(74)은 슬롯 다이(54)와 캐스팅 롤(58) 사이의 접촉 지점으로부터 반시계 방향(회전 방향)으로 225° 지점에서 캐스팅 롤(58)과 접촉하였다. 백업 롤(76)은 캐스팅 롤(58)과 분리 롤(74) 사이의 접촉 지점으로부터 시계 방향(회전 방향)으로 135°지점에서 분리 롤(74)과 접촉하였다. 양 롤은 대략 4.4℃의 온도에서 유지하였고, 5.0 m/min(분당 미터)의 표면 속도를 가졌다. 캐스팅 롤(58)과 분리 롤(74) 사이의 닙(nip) 압력은 4.37 N/㎝로 유지하였다; 분리 롤(74)과 백업 롤(76) 사이의 닙 압력은 4.37 N/㎝였다. 캐스팅 롤을 떠난 후에, 팽창 메시(20)를 분리 롤(74)로 전달하였고 추가로 냉각시켰으며 웨브 취급 롤을 통해 권취 롤(도시 안됨)로 이송하였다. 생성된 메시는 약 1.63 ㎜의 두께 및 47 g/㎠(제곱센티미터당 그램)의 평량을 가졌다. 팽창 메시의 최종 권취된 롤은 각각의 팽창 패턴 요소들 사이에 중합체 재료의 간헐적인 얇은 필름을 포함하였다. 모든 잔류 요소간 필름을 핀셋(tweezer)을 사용하여 손으로 제거하였다. 잔류 필름 제거의 다른 방법은 연소(burning), 가열(heating), 브러싱(brushing), 펀칭(punching) 등을 포함할 수 있다.
도 6 및 도 6a에 도시된 바와 같이, 캐스팅 롤(58)은 그의 면 내로 기계가공된 팽창-형상 공동 패턴(62)을 가졌다. 공동 패턴(62)을 23.5 ㎝ 직경의 크롬-표면처리된 강철 롤(58)의 면(77) 내로 절삭하였다. 6° 끼인각을 갖는, 미국 매사추세츠주 롤리 소재의 하비 툴 컴퍼니 엘엘씨(Harvey Tool Company LLC)의 하비 툴(Harvey Tool) #11815-30 카바이드 미니어쳐 테이퍼드 엔드 밀(Carbide Miniature Tapered End Mill)을 사용하여, 상호연결되는 채널들(82)의 팽창-형상 패턴(62)을 캐스팅 롤(58)의 면(77) 내로 기계가공하였다. 팽창 패턴(62)의 채널들(82)을 1.143 ㎜의 깊이로 기계가공하였고, 이때 직사각형 채널을 3° 테이퍼진 에지에 의해 형성하였다. 채널들(82)은 롤 면(77) 내의 비절삭 "섬(island)" 영역(86)에 의해 한정되며, 이로써 기계가공된 영역이 채널들(82)을 구성하였다. 닥터 블레이드(56)가 메시 형성 동안 그 상으로 타고 가는 롤 면(84) 상의 기계가공되지 않은 섬들(86)은 이등변의 오목한 "셰브론" 단부(87)를 갖는 긴 육각형의 형상이었다.
도 7에 도시된 바와 같이, 섬들(86)을, 그들의 장축(80)이 롤(76)의 원주방향 선과 정렬되도록 롤(76) 상에 배향하였다. 섬들(86)은 각각 11.1 ㎜ 및 3.1 ㎜의 전체 높이(H) 및 폭(W)을 가졌다. 육각형의 각각의 주 측부(94)의 단부로부터 1.67 ㎜로 연장하고 그의 장축 중심선(80)에서 만나는 2개의 동일 길이의 선(92)이 섬(86)의 단부 셰브론(87)을 형성하였다. 섬들은 그들의 장축(80) 또는 좁은 축(단축)(89) 중 어느 하나를 따라 그들의 중심선에 대해 이격시켰다. 모든 섬의 장축은 캐스팅 롤(76)의 원주방향 선에 평행하였다. 섬들의 좁은 축(89)은 캐스팅 롤(58)의 축을 따라 배향하였다. 섬들의 교번하는 횡방향 열들은 열로부터 각각의 섬의 폭의 절반만큼 위 또는 아래로 오프셋시켰다. 섬들(81)의 횡방향 간격은 장축(80)으로부터 인접한 장축(80)까지 4.27 ㎜였다. 섬들의 원주방향 간격(83)은 단축(89)으로부터 단축(89)까지 11.88 ㎜였다. 각도(α)는 69도였다. 섬들(86)을 이러한 방식으로 형성함으로써, 채널들(82)의 네트워크를 생성하였다; 이들 채널(82)을 캐스팅 공정 동안 중합체로 채웠고 팽창 메시(20)를 위한 주형으로서 작용시켰다. 도 8은 전술된 바와 같이 생성된 성형된 팽창 메시(20)의 이미지를 도시한다.
팽창 메시 특성 해석 시험 방법
팽창 메시 형성 장치 및 공정에서 설명된 바와 같이 생성된 팽창 메시를 인장 시험 절차를 통해 그들의 팽창 특성에 대해 평가하였다. 이러한 절차에서, 메시의 10.2 ㎝ × 1.0 ㎝ 섹션을, 메시 셀의 장축이 인장 시험 장치의 횡축과 일렬로 배향되도록 절단하였다. 인장 시험 장치의 크로스헤드 속도는 샘플이 그의 원래 길이의 50 및 100%로 신장될 때까지 분당 50.8 센티미터로 유지하였다. 팽창 구조에서 나타나는 바와 같이, 인장 하에 배치된 때, 샘플 섹션은 축방향 하중에 응답하여 폭이 증가하였다. 샘플은 양 신장 모두에서 그의 원래 폭의 105%의 폭으로 증가하였다.
팽창 메시의 3차원 성형
팽창 메시 형성 장치 및 공정 단락에서 설명된 바와 같이 생성된 팽창 메시를 3차원 컵 형상으로 성형하였다. 팽창 메시를, 알루미늄 수형 주형 위에서 메시의 21.5 ㎝ × 25.5 ㎝ 섹션을 드레이핑(draping)함으로써 호흡기의 컵 형상으로 성형하였다. 주형은 13.3 ㎝의 주축, 10.5 ㎝의 부축, 및 4.4 ㎝의 돔(dome) 높이를 갖고서 타원형 기부를 구비한 대체로 반구형 형상을 가졌다. 반구형 형상의 주형을, 주형의 기부를 지나 대략 3.4 ㎝로 연장된 직사각형 알루미늄 판에 고정하였다. 팽창 메시의 섹션을, 그의 에지가 기부 판의 외부 주변부를 지나 연장되도록 주형 위에서 드레이핑하였다. 주형의 주변부를 반영하는 내부 절결부(cutout)를 갖는 주변부 알루미늄 프레임을, 메시가 현저한 메시 뒤틀림 없이 주형 위에서 당겨질 수 있도록, 팽창 메시 및 주형 위에 배치하였다. 이어서, 주변부 프레임을, 메시를 주형에 대항하여 정위치로 유지되도록 기부 판에 고정하였다. 주형, 메시, 및 고정 판 조립체를 105C의 온도에서 20분 동안 예열된 공기 순환식 오븐 내에 배치하였다. 규정된 지속기간 동안 오븐 내에서 가열한 후에, 조립체를 오븐으로부터 제거하였고 실온으로 냉각되게 하였다. 조립체가 실온에 도달한 때, 주변부 프레임을 기부 판으로부터 해제시켰고, 생성된 성형된 팽창 메시를 주형으로부터 제거하였다. 성형된 팽창 메시가 그의 전반적인 팽창 구조를 유지한 것을 관찰하였고, 이는 주형 내에서의 압축 후에도 형상을 유지하였다. 또한, 팽창 메시는 메시에 접힘 또는 주름과 같은 현저한 뒤틀림 없이 수형 주형 형상에 용이하게 순응할 수 있었다는 것에 주목하였다.
호흡기 셀 크기 비교
팽창 메시의 3차원 성형 단락에서 전술된 바와 같이 생성된 호흡기 쉘 메시를 주형 구조 전체에 걸쳐 셀의 크기를 조사함으로써 셀 크기 균일성에 대해 평가하였다. 팽창 메시의 셀 크기 균일성을, 구매가능한 안면부 여과식 호흡 마스크로부터 제거된 쉘 메시의 균일성과 비교하였다. 각각의 수개의 쉘 메시에 대한 셀 개방부 크기 및 크기 분포의 상세한 측정치를 결정하였다. 호흡기 쉘 메시는 영국 옥스퍼드주 소재의 제이에스피 엘티디(JSP Ltd)에 의해 제조된 JSP 822 마스크; 인도 소재의 나니 뭄바이-엠엔(Nani Mumbai-MN)에 의해 제조된 비너스(Venus) 190 마스크; 모두 미국 캘리포니아주 컬버 시티 소재의 몰덱스-메트릭(Moldex-Metric)에 의해 제조된 2200 마스크 내부 쉘, 2200 마스크 외부 쉘, 및 2600 외부 쉘로부터 평가하였다. 메시를, 독립형인 쓰리엠(3M) 팽창 메시를 제외하고는, 셀 크기 측정을 가능하게 하도록 필터 매체로부터 제거하였다. 각각의 셀 개방부 크기를 셀 크기 결정에서 전술된 바와 같은 계측 프로브를 사용하여 전체 메시에 대해 측정하고 기록하였다.
측정 결과를 주어진 크기의 메시 내에 포함되는 셀의 수를 제공하도록 집계하였으며, 표 2를 참조한다. 이러한 데이터로부터, 결정된 셀 크기 분포 및 표준 편차를 결정하였고, 표 2에 주어져 있다.
Figure pct00002
표 2에 나타낸 데이터는 성형된 팽창 메시가 공지된 비-팽창 성형된 메시들에 비해 가장 좁은 셀 크기 분포를 갖는다는 것을 보여준다. 표준 편차에 대한 데이터의 분석은 본 발명의 팽창 메시가 측정된 모든 6개의 메시 중 가장 작은 표준 편차를 갖는다는 것을 보여준다. 팽창 메시에서의 셀 크기 분포의 감소는 팽창 구조의 변형 특성의 결과이고, 이는 메시의 접힘 또는 당김과 같은 전체적인 변형 없이 고도로 윤곽화된 형상에 더욱 용이하게 일치하는 것을 허용한다.

Claims (21)

  1. (a) 하니스(harness); 및
    (b) (i) 여과 층을 포함하는 여과 구조물; 및
    (ii) 의도된 형상으로 성형된 팽창 메시(auxetic mesh)를 포함하는 지지 구조물
    을 포함하는 마스크 본체
    를 포함하는 안면부 여과식 호흡기(filtering face-piece respirator).
  2. 제1항에 있어서, 메시는 컵 형상으로 성형되는 안면부 여과식 호흡기.
  3. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 제1 및 제2 측부와 제3 및 제4 측부에 의해 한정된 다수의 개방 공간을 포함하며, 제1 및 제2 측부는 선형이고, 제3 및 제4 측부는 비-선형이며 제1 및 제2 측부에 대해 비-수직하게 오프셋된 세그먼트를 포함하는 안면부 여과식 호흡기.
  4. 제3항에 있어서, 오프셋된 세그먼트는 선형인 제1 및 제2 측부로부터 약 20 내지 80도의 각도(α)로 존재하는 안면부 여과식 호흡기.
  5. 제4항에 있어서, 각도(α)는 약 40 내지 70도인 안면부 여과식 호흡기.
  6. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 5 내지 50 제곱밀리미터의 크기를 갖는 다수의 개방부를 포함하는 안면부 여과식 호흡기.
  7. 제6항에 있어서, 개방부는 10 내지 35 제곱밀리미터의 크기를 갖는 안면부 여과식 호흡기.
  8. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 -0.2 미만의 푸아송 비(Poisson ratio)를 나타내는 안면부 여과식 호흡기.
  9. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 -0.4 미만의 푸아송 비를 나타내는 안면부 여과식 호흡기.
  10. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 -0.7 미만의 푸아송 비를 나타내는 안면부 여과식 호흡기.
  11. 제10항에 있어서, 팽창 메시는 -2.2보다 더 작지는 않은 푸아송 비를 나타내는 안면부 여과식 호흡기.
  12. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 약 0.6 내지 0.85 밀리미터의 두께를 갖는 안면부 여과식 호흡기.
  13. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 약 0.1 내지 3.5 제곱밀리미터의 평균 단면적을 갖는 스트랜드(strand)를 포함하는 안면부 여과식 호흡기.
  14. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 약 1.5 내지 2.6 제곱밀리미터의 평균 단면적을 갖는 스트랜드를 포함하는 안면부 여과식 호흡기.
  15. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 폴리프로필렌을 포함하는 안면부 여과식 호흡기.
  16. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 약 0.3 내지 1900 메가파스칼의 영률(Young's modulus)을 갖는 중합체 재료를 포함하는 안면부 여과식 호흡기.
  17. 제1항에 있어서, 팽창 메시는 약 2 내지 250 메가파스칼의 영률을 갖는 중합체 재료를 포함하는 안면부 여과식 호흡기.
  18. 제1항에 있어서, 성형된 팽창 메시는 0.04 미만의 표준 편차를 갖는 셀 크기 분포를 나타내는 안면부 여과식 호흡기.
  19. 제1항에 있어서, 성형된 팽창 메시는 0.03 미만의 표준 편차를 갖는 셀 크기 분포를 나타내는 안면부 여과식 호흡기.
  20. 제1항에 있어서, 성형된 팽창 메시는 0.025 미만의 표준 편차를 갖는 셀 크기 분포를 나타내는 안면부 여과식 호흡기.
  21. 안면부 여과식 호흡기를 제조하는 방법으로서,
    (a) 마스크 본체에 사용하기 위한 의도된 형상으로 팽창 메시를 성형하는 단계;
    (b) 성형된 팽창 메시 내에 여과 구조물을 지지시키는 단계; 및
    (c) 마스크 본체에 하니스를 결합시키는 단계
    를 포함하는 방법.
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