专利名称：包含热粘合短纤维和带电微纤的模塑过滤元件的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种包含热粘合短纤维和带电微纤的模塑过滤元件。本发明所述的过滤元件可以用于保护佩戴者或其他人暴露于污染物的面罩。
背景技术：
使用带有微纤的过滤元件来俘获空气中的微粒已众所周知且已得到应用。具有微纤的过滤元件通常用于呼吸器为佩戴者提供过滤后干净的空气——例子见Braun等美国专利5656368，Kronzer等人的美国专利5307796和Krueger等人的美国专利4729371。微纤上通常带有电荷以此增加微纤的俘获效率。1980年Kubik等人描述了一种在纤维成型过程中，在熔喷微纤中引入一种持久的电荷(见美国专利4215682)。在Kubik等的发明后，其他用于生产介电体微纤的电荷技术也发展起来——例子见Klaase等的美国专利4588537，Deeds等人的美国专利5227172和Angadjivand等的美国专利5496507。
具有带电微纤的网被用作过滤元件时，通常需要另一种结构进行支撑。虽然这些网通常具有足够的完整性可以自身加工成一个垫，但是它们不具有足够的结构硬度，只能显示出短时间的形状保持力。因此，在呼吸器里，具有微纤的过滤网通常用持久模塑的成形层来支撑。过滤网被置于成形层上这样就可以安全得使网呈现模塑形态。显示用分离的成形层来支撑具有微纤过滤层的专利例子包含Berg的美国专利4526440，Dyrud等的美国专利4807619和Skov的美国专利4850347。
在Berg和Dyrud等的专利中，成形层包括这样的纤维在整个模塑网内，纤维在在纤维交叉点处彼此粘合，并粘合到其他纤维上。该用于得到所要求成形层的模塑结构的纤维，优选是热粘合双组分纤维，这样的双组分纤维是横向的，且具有相当大的尺寸，即10旦或更大。在Skov的专利中，成形层具有敞开结构，该结构是一种模塑的塑料网孔的结构。
除了这些结构，聚合物微纤的过滤网也可以通过使用织物、间隔的带、长丝或者纤维来保持成形结构——见Braun等美国专利5656368，该专利描述了在非织造织物内褶皱顶部放置形状保持组件，来保持它的褶皱状态。Braun等还解释了为了得到最优的过滤性能，高聚物微纤非织造织物网需要保持一个蓬松状态。如果高聚物微纤被紧密地放在一起，过滤参数如压力降和使用寿命都会受到不良的影响。
在另一种保持微纤非织造织物网形状的方法中，形状保持力不是由外部结构例如成形层提供，而是由微纤自己提供。这种方法是由Krueger等在美国专利6057256中描述的，所述微纤由两种组分制成第一种为纤维支撑组分，第二组分为热软化或粘合组分。在模塑过程中，网加热到第二组分软化温度以上使相邻纤维产生结合。当软化组分在纤维交叉点处相互结合就产生了所述的粘合。因此，当第一组分对网提供了纤维支撑、来防止其塌陷或聚结时，第二组分使得该网模塑成一种特定的形状。这个产品也包含短纤维用以解开或松散网。
Krueger等描述的生产双组分微纤产品的例子是一个例外，该方法是使用一种分离的也就是非完整的支撑结构，对微纤过滤网进行支撑和定型。因此这些产品需要微纤网与支撑结构分开生产，且需要一种能使两组分连接起来而制成最终复合材料的装置。增加这些附加生产步骤，就需要能完成这些步骤的附加生产设备，这就会增加产品的总成本。此外，Braun等还提出处理含有微纤网要注意以免其在过滤性能上有损坏和损伤。
虽然Krueger等人能够得到一种不需使用单独的支撑结构的含有微纤的模塑过滤元件，但是它们的产品是依靠微纤本身为面罩提供结构。当微纤为了该目的而变得粘合起来时，他们就不能完成过滤经过网的气流中的颗粒的主要任务。
发明内容
总的来说，本发明提供了一种新型的过滤元件，这种过滤元件可以合适地包含一种多孔模塑网，或基本由该多孔模塑网组成，该网包含热粘合短纤维和非热粘合带电微纤。所述的模塑网通过短纤维在纤维交叉点处的结合，能保持其至少一部分的模塑结构。
本发明所述的过滤元件不需使用单独的支撑结构，就能够形成具有形状的结构。本发明所述的过滤元件也无需使微纤粘合起来，以达到保持非织造织物网的模塑形状的目的。由于热粘合短纤维和非热粘合带电微纤同时存在于同一层中，该网可以在不使用热粘合双组分微纤的情况下，模塑成多种结构。该发明也无需单独的支撑结构，或不需将微纤层结合到其它结构上。
虽然本发明的过滤元件在模塑过程中可能经受压力，但是它可以获得所要求的优良过滤性能和优良结构完整性的综合性能。尽管以前的观点认为高聚物微纤的非织造织物经受例如模塑加工等附加加工后，过滤参数如压力降和使用寿命都会受到不良的影响，但是本发明可以得到良好的过滤性能和结构特性。如Braun等在’368专利中描述的那样，为了得到最佳的过滤性能，以前已知的过滤结构需要保持蓬松网的状态。但是本发明在简化形成有形状的过滤元件的操作的情形下，能够表现出优良的力学和过滤性能。因此本发明能够生产一种适用于模塑呼吸面罩内的优良的模塑过滤元件。
下面是关于本发明术语的定义“旦”是指9000米丝的克数；“带电的”是指纤维上带有可以被检测到的电荷而且是电荷是长期存在的；“过滤元件”是指一种流体可以透过的结构，这种结构可以去除通过流体中的污染物；“微纤”是指具有不确定长度且平均几何直径通常约15微米或更小的纤维；“模塑网”是指一种结构，这种结构在二维上完全比在第三维上大，可以制成想要的形状如面罩、熔炉过滤器、面板或一系列的面板等；“模塑温度”是指网被加热至完成模塑的温度；“非热粘合的”是指当加热到网模塑的适合温度时纤维和相邻纤维没有完全结合，该网包含非热粘合纤维；“多孔的”是指流体可以透过的；“固体含量”是指网中固体的百分率，用不为1的分数表示，值越大表示固体含量越多；“软化温度”是指一个纤维组分软化到可以与其他纤维结合且当降温时保持结合状态的最低温度；“短纤维”是指具有确定长度的纤维；“可热粘合纤维”指当纤维被加热至至少其软化温度以上，并充分冷却后，能够与相邻纤维粘合。
“热粘合纤维”指当纤维被加热至至少其软化温度以上，并充分冷却后，与相邻接触的纤维结合。
附图的简要说明
图1是非织造织物10的照片(放大倍数为100倍)，该非织造织物根据本发明可以用于模塑制成过滤元件。
图2是网10’的照片(放大倍数为100倍)，该非织造织物根据本发明可以用于模塑制成过滤元件。
图3是由本发明制成的过滤面罩样品16的侧视图。
图4是图3中沿线4-4得到的截面图。
图5是装置29的局部剖视图，该装置可以用于制造含有短纤维和微纤的网10。
图6是一种喷水装置的透视图，该装置可以把电荷赋予纤维网10。
图7是装置54的局部横截面侧视图，根据本发明该装置可以制成面罩主要部分22。
图8是图7中沿线8-8得到的截面图。
图9是图7中沿线9-9得到的截面图。
具体实施例方式
图1描述的是非织造织物10，根据本发明该非织造织物可以用于制成模塑滤芯。如照片所示，网10包含热粘合短纤维12和非热粘合微纤14。短纤维12分布式得穿过由非热粘合微纤14的网络。热粘合短纤维12较之单独用非热粘合微纤制得的网而言，更松散，不那么致密。预压网通常含有约5％到30％的固态，更多是含有约10％到20％。在一个优选例子中，网包含重量百分约30％至70％的热粘合短纤维，更优的是包含重量百分约40％至60％的热粘合短纤维，以上数据是基于网中纤维质量的基础上。优选的网包含重量百分约30％至70％的非热粘合微纤，更优的是包含重量百分约40％至60％的非热粘合微纤，以上数据是基于网中纤维质量的基础上的。在一个更优化的例子中，网中包含重量百分约50％至60％的微纤和重量百分约40％至50％的短纤维。因此，就质量而言网中微纤比短纤维多是最佳的。
短纤维12是热粘合的，当加热到该短纤维的软化温度再降温后，该短纤维允许和邻近接触的纤维结合。所述短纤维具有确定的长度，也就是说，该短纤维完全由机器切成预先确定的或可以确定的长度。所述短纤维是由一些步骤制得的，这些步骤可以使纤维的直径更接近于纤维挤出孔的直径。该短纤维的长度通常小于2英尺即0.61米，或1英尺即0.305米。优选短纤维的长度约在1至8厘米间(0.4英寸至3.2英寸间)，更优的长度约在2.5厘米至5厘米间(1至2英寸间)。该短纤维的平均几何直径通常大于约15微米，具普遍的平均值是大于20，30，40或50微米。纤维的直径由下文所述的测试进行计算。所述短纤维的旦数大于约3克/9000米，和大于约4克/9000米。达到上限时，通常其旦数小于约50克/米及更普遍的情况是小于20克/米至15克/米。
所述短纤维通常具有合成多样性所以它们可以在模塑过程中相互结合。该短纤维通常在加热和冷却后会软化及与其他纤维结合的聚合物材料制成。适用于本发明的短纤维可以用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、共聚酯、聚酰胺及它们的组合物。所述短纤维在结合后通常保留纤维的大部分结构。该短纤维可以是如Hauser的专利4118531所描述的卷曲纤维。卷曲纤维沿长度方向具有连续波状，卷曲或锯状特性。所述短纤维包含每厘米有约10至30个卷(每英寸约5.1至11.9个卷)的卷曲纤维。该短纤维可以是单组分纤维也可以是多组分纤维。单组分热粘合短纤维在经济上可行的例子包含在Kosa of Charlotte，被卡罗来纳州的KOSA T-255，T-259，T-271及T-295，和英国新汉普郡Hampton的Foss Manufactary公司的Type 410 PETG型及110 PETG型。多组分纤维可以含有两种或两种以上的纤维组分，其中至少有一种组分加热后会软化以使得该短纤维在纤维交叉点处相互结合。多组分纤维可以是具有同延并排结构、同延的同心壳-芯结构或同延的椭圆壳-芯结构的双组分纤维。双组分纤维通常表现出具有两种主要纤维组分的特点。用于本发明的热粘合短纤维的双组分纤维包含日本Chisso Inc.of Osaka生产的KOSA T-254，T-256，聚丙烯/聚乙烯双组分纤维(CHISSO ES，ESC，EAC，EKC)，聚丙烯/聚丙烯双组分纤维(CHISSO EPC)和聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯双组分纤维(CHISSO ETC)。
本发明所述的维纤的平均几何纤维直径约为15微米或更少，更常见的值约为12微米或更小。不像短纤维具有明确或可确定的长度，微纤长度是不确定的。微纤的几何纤维直径的平均值约为3至10微米。
所述微纤为缠绕的带电熔喷微纤网的结构。熔喷微纤即BMF可以通过从口型槽口挤出成纤材料进入过热蒸汽得到——见Kubik等的美国专利4215682。在网中无规缠绕的熔喷微纤通常具有足够的完整性而自己形成一种垫子。但是它们在影响网过滤性能的情况下不能模塑成想要的结构。可以用于熔喷微纤的材料在下述专利中有介绍Baurmann等的美国专利No.5706804，Peterson的美国专利441993，Mayhew的美国Reissue专利No.Re.28102，Jones等的美国专利5472481和5411576，Rousseau等的美国专利5908598。喷出的微纤实质上可以由任何一种热塑性成纤树脂制备。为了保证网保持令人满意的介电性能或电荷分离能力，所述微纤由非导电树脂制成，也就是说，在室温(22℃)下树脂的体积电阻率大约在1014欧姆-厘米或更大，该体积电阻率优选约为1016欧姆-厘米或更大。高聚物成纤材料的电阻率可以根据标准化ASTMD257-93测试测得。用于制造熔喷纤维的成纤材料还必须完全与抗静电剂等组分分离，因为抗静电剂会增加纤维的电导率或者影响纤维接受和保留静电荷的能力。可以用于高聚物成纤材料的例子包含含有聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯的热塑性高聚物，嵌段共聚物如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯，以及聚烯烃如聚丙烯、聚丁烯、聚4-甲基-1-戊烯、或这些树脂的组合物。纤维用于过滤中通常由聚4-甲基-1-戊烯和/或聚丙烯制成。优选的熔喷微纤是由聚丙烯的均聚物制备的，因为该材料具有尤其在潮湿的环境下保持电荷的能力。
除了热粘合短纤维和非热粘合微纤外，本发明所述的过滤元件还包含由聚酯和/或聚丙烯制成的非热粘合短纤维，粘液丝和增强纤维用于吸收湿气或提供耐火性。
该成纤材料可以包含用于增加过滤性能的添加剂，Crater等在美国专利5025052和5099026中对这些添加剂进行了描述。该成纤材料还可含有轻度可萃取的碳氢化合物以改进过滤性能——例子见Rousseau等的美国专利6213122。如Reed等的美国专利4874399和Rousseau等的美国专利6238466及6068799所示，纤维网的构成还可以提高防油雾性能。如InternationalPublication WO 00/01737所述，可以对该纤维网进行氟化。Jones等在美国专利6409806、6398847B1和6397458中讲述了一个优选例子，在该例子中为了过滤油雾环境里的污染物，使纤维的表面带有氟化的原子。
图2描述的是模塑网的放大照片，该网包含热粘合短纤维和非热粘合微纤。如图所示，短纤维12在纤维交叉点13处相互结合。另一方面微纤14通常保持其非结合倾向。虽然短纤维12在纤维交叉点处相互结合，但是它不必在所有的交叉点产生结合。只需足够数量交叉点处的纤维结合来使模塑产品长期保持其想得到的形状。短纤维间的结合为模塑网10’提供了一种半刚性的三维纤维晶格结构。因为该短纤维要加热到纤维中粘合组分的软化温度以上，且可能达到熔融温度，所以纤维中的粘合组分软化且在纤维相互接触点13处相互结合。在模塑过程中为了防止损坏和改变微纤的完整性，该网完全在所有微纤组分的软化温度下进行模塑。虽然用熔喷技术制得的微纤在熔喷过程中有结合或严重互相缠结的趋势，但是该微纤通常在热模塑过程中不会相互结合。但是，在这些纤维中粘合组分软化且最终硬化时，该微纤会与短纤维结合。如图所示，短纤维12熔融且在纤维交叉点13处结合。这种短纤维间的结合对模塑成品成形结构起了主要的作用。模塑产品10’包含的短纤维和微纤在本质上而言具有相同的质量与上文描述的图1中的非模塑网相同。
本发明的模塑过滤元件的厚度大约为1至4毫米。虽然可以生产出厚度达到6毫米的过滤元件，但是该过滤元件的厚度通常约为1.0至3.5毫米。本发明发现模塑产品的厚度在约1.3至3.0毫米时可以得到好的过滤性能。该模塑过滤元件的固体含量约为5％-30％，且常规的固体含量约为10％-20％。该模塑过滤元件的单位重量约为50-300克/平方米，且通常其单位重量约为100-200克/平方米。
图3描述的是模塑产品的一个例子，该产品用图2所示的模塑网生产。如图所示，该模塑产品的形状为杯状呼吸器面罩16，该呼吸器适合罩住佩戴者的鼻子和嘴。在面罩16的中心有一个吸气阀(未显示出)，它可以使呼出的空气立刻从面罩内部清除出去。面罩16通常做成杯状这样佩戴时能使面罩和人体的鼻子和嘴完全贴合。面罩16与佩戴者的脸部在外围18处完全紧密的接触。当佩戴面罩时，通过系在脖子后方的带子20的固定，面罩16可以和佩戴着的脸部在面罩外围紧密贴合。面罩16在面罩主体和佩戴者脸部之间形成一个气体空间。面罩主体22将这个内部气体空间与环境即大气分隔开。因此佩戴者吸入的空气在进入佩戴者呼吸道前必须通过面罩主体22。面罩16也可以有一个合适的鼻夹24，该鼻夹可以装在面罩主体的外部或内部，如果有附加层，鼻夹也可能在附加层的中间，这样在鼻子和颧骨的连接处面罩就可以和鼻子有合适的贴合。
该过滤面罩16不必具有如图3所示的结构。面罩也可以具有其他形状如美国专利6026511、6123077和6394090B1介绍的平罩式。或者如Japuntich的美国专利4827924所示的延伸式杯状结构。鼻夹24可以具有Castiglione在美国专利5558089中描述的结构。面罩还可以有热致变色装置来显示外围的密闭性，这样可以使佩戴者简单的确定是否佩戴合适——例子建Springett等的专利5617849。此外呼吸器过滤元件可以不具有模塑面罩主体的形状。过滤元件可以制成具有特殊形状的滤筒，例如弯曲的形状以更贴合佩戴者的脸部。这种滤筒可以可以灵活地附于脸部线条这样可以适合人体的鼻子和嘴如Burns和Reischel的美国专利5062421描述的弹性面罩主体。
图4描述的是图3中面罩主体22的截面图。如图所示，面罩主体22只有一层物质来提供过滤性能和形状保持性能。如上文所述，以前生产的面罩通常包含一个分离的支撑结构或层为面罩提供结构完整性。但是本发明可以提供的过滤面罩具有良好的过滤性能且无需分离的成形层和微纤过滤层。包含热粘合短纤维和非热粘合微纤的一层就具有过滤和结构的结合性能。虽然单层的产品可以得到良好的过滤性能，但是其他诸如附加过滤介质，带电的BMF网等可以用于增强其过滤性能。以前的专利已对这些网进行了描述，这些专利是Krueger等的美国专利4795668、Reed等的4874399、Meyer等的4988560和Angadjivand等的5496507。其他使用过滤介质的例子有美国专利5898981，5419953，4798850，4215682，4178157，3998916和3644605。过滤介质的基本种类包含使用防火预过滤层的多层组分空气过滤介质，混合纤维过滤材料，有原纤维组织的带电纤维网。此外，颗粒物质如活性颗粒(是一种具有吸附、吸收或催化等功能的颗粒物质)，例如Braun在美国专利3971373中介绍的把活性碳进入网中所制成的过滤元件不仅可以去除颗粒物质而且可以去除气态污染物如酸性气体、碱性蒸汽、氨气及上述气体的混合物。
本发明所述的过滤元件可以达到良好的过滤性能，可以通过品质因子QF来表示，下文会对此参数进行描述。QF的值大于0.30(mmH2O)-1，还可以大于0.40(mmH2O)-1，甚至可以达到0.70或0.80(mmH2O)-1。
本发明除了可以应用于呼吸器的面罩外，还可以制成其他的结构，包含波纹状的或折叠式的空气过滤器，可以用于熔炉过滤器，汽车或轮船使用的舱式空气过滤器以及包含空调过滤器在内的室内空气过滤器。
图5描述的是装置29的一种排布，该装置是用于制备包含短纤维和熔喷微纤的网10。该装置29制备网中熔喷微纤是通过把熔融的成纤材料从模口30挤出得到的。溶喷等其他种类的微纤也可以制成适用于本发明的微纤。插图上的装置的微纤喷出部分可以是一种传统结构，下述例子对其进行了讲述Wente，Van A.的文章“超细热塑性纤维”，发表于《Indus.Engn.Chem.》(48，自1342页起，1956)，或《Naval Research Laboratories》(1954年5月25)上标题为“超细有机纤维的制造”的报道No.4364，作者为Wente，V.An；Boon，C.D；和Fluharty，E.I。这个结构包含冲模26，它具有喷出腔28，事先液化过的成纤材料通过该喷出腔。模口30直线并穿过口模面的最前端，成纤材料通过该口模面喷出。联动喷气孔32位于模口30旁边，它使气体通常是热空气以很高的速度通过。高速气态蒸汽喷出会削弱成纤材料的喷出。当成纤材料到达集流器34时固化。集流器34通常是一个有细微小孔的筛子，在这个例子中是一条闭环结构的带子。但是该集流器可以采用不同的形状例如平板、滚筒或圆筒。该集流器还通常具有圆筒的成行表面，该表面沿一个轴旋转且沿该轴运动，这样集流器上选出的点就做螺旋式运动——见Berrigan等的美国专利6139308。气体回收装置可以置于筛子后面用来辅助沉淀纤维和去除气体。
喷出微纤装置上方的刺辊罗拉36将可热粘合的短纤维12引入图5中装置的喷出的微纤流14中。具有散纤维的网38通常是一种松散、非织造的网如在丁字机或蓝多制网机上制备的网，该网由推动在主动辊42下的工作台40推动，主动辊42的前缘与刺辊罗拉36啮合。刺辊罗拉36沿箭头方向转动同时从网38的前缘截取纤维，把纤维一根根分离。被捡取的纤维通过槽或输送管道中的气流传进喷出微纤的气流，这样它们就可以和微纤混合在一起。该气流是刺辊罗拉转动产生的固有气流，通过输送管道44使用辅助风扇或吹风机可以增加该气流。
接着，短纤维和微纤的混合物流继续到达集流器34，在集流器上纤维可以形成具有无规混合和结合纤维的网。经过精密的检测，短纤维和微纤已经完全结合在一起了——例如块状短纤维的打松，也就是说，收集1厘米或更长一点的短纤维，可以通过下了方法得到没有分离的短纤维多头丝束的切除部分或被引入微纤气流前团聚的短纤维。所得的网10可以从集流器上剥离，然后盘绕到贮存罗拉上最后可以进行切断，处理及模塑操作等加工。
制成的复合网可以是由单一的一层组成，该层是由所示的装置沉淀而得，也可以是多层的产品，这些层通常是很难分辨的至少在临时检测中很难分辨。多层产品可以通过把收集的网放在图5所示的混合沉淀设备上2次或2次以上或者使用沿收集带放置的附加混合沉淀装置。
本发明所述的过滤元件为网赋予了电荷来增进其过滤效率。可以在微纤上单独引入电荷，也可以将电荷引入微纤和短纤维。如果短纤维也想带电的话，它们就需要一种非导电表面以防止置于纤维上的电荷散去。因此，短纤维要用上文描述的微纤使用的非导电高聚物材料制备。Rousseau等的美国专利5968635对带电熔喷微纤介质进行了描述。该纤维可以包含表面改性剂如通过氟化来改善其油雾过滤性能——见Jones等的美国专利6398847B1。根据Kubik等的美国专利4215682，Nakao的美国专利4592815和Angadjivand等的美国专利5496507可以用已知技术将电荷附到非织造纤维网上。这些方法包含Angadjivand等的美国专利5496507描述的氢充电，Nakao的美国专利4592815描述的电晕充电或两种技术的结合。此外，也可以使用Brown等的美国专利4798850描述的摩擦充电技术。Angadjivand等的美国专利6375886B1，Eitzman等的美国专利6406657和作为国际专利WO 01/27381及01/80257发表的美国专利序列号为09/416216及09/548892的专利均分别描述了更新的充电技术。这些更新的技术可以包含使用非水极性液体和其他能够使得水或极性液体与纤维充分接触的方法。已知的氢充电的方法是包含用足够的压力将水滴撞击到网上来提供过滤以增强其介点充电。达到最佳效果的电压根据使用的喷雾器、形成网的高聚物种类、高聚物种添加剂的浓度、网的厚度和密度、是否进行过预处理如在氢充电前进行电晕表面处理等因素进行变化。通常压力在大约10到500psi(69到3450kPa)的范围内合适，最好用于提供水滴的水要相对纯净。最好对自来水进行蒸馏或者进行去离子处理。
图6描述的是充电网使用的一种适合的喷射工具45。纤维网10以带子的形式最好是多孔网筛或织物被传送到支撑工具46。喷水头50中的喷水式推进器48在一定水压下用泵进行喷水。喷水式推进器48在撞击头52处对网10进行撞击。最好在多孔的支撑体下抽真空以引导透过网的喷射和用来降低能耗要求。
合适用于充电非织造织物的喷射工具的其它例子包含Angadjivand等的美国专利5496507中的喷雾器设备。这个设备中的水是由水管提供的，空气是由空气管道提供的，水和空气用喷射雾泵喷射器的喷嘴喷到网上，泵用给水工具提供的水通过喷嘴提供喷射雾。
赋予网上的电荷数可以用已知的程序进行测量包含开路热刺激放电技术(TSD)——例子见Angadjivand等的美国专利6375886B1。模塑介电过滤器最好包含有持久电荷的纤维，通常电荷可以延长过滤元件的预期使用期限。
图7-9描述了装置54，根据本发明该装置可以制造面罩用外壳22。外壳22是将非织造纤维网10通过一个可选的预热区域56、热定型区域58和冷却模塑区域60。可以将平整的网或覆盖层网(未显示)叠加到网10上，这样当网与佩戴者接触时，能使佩戴者感到更舒服。Angadjivand等的美国专利6041782描述了一种合适的覆盖网。这种覆盖网可以用包含微纤的纺粘纤维或熔喷纤维制造。
预热区域56中，网10被加热到网表面短纤维的粘合组分62和64软化。网10上略低的表面62和略高表面64接触砑光辊66和68来软化纤维的可粘合组分。一旦离开砑光辊66和68，纤维软化的组分变硬，表面62和64上的纤维就相互结合。网10被置于移动的恒温传送带上进入加热区域58。
在加热区域58中，红外加热器72和热空气喷射器74通过孔76加热网上可热粘合纤维来软化穿过纤维的粘合组分。恒温传送带70具有网孔结构。这个结构可以使红外热和热空气喷射到表面62和64。要小心控制模塑/加热条件，这样微纤组分能保持非热粘合状态。这可以防止微纤组分在模塑过程中的自结合。由短纤维提供的热粘合为模塑过滤元件的纤维提供了半刚性三维晶格。这种热粘合纤维的晶格使面罩能在完全不抑制气流通过纤维网络的情况下保持模塑结构。
加热后，网10进入冷却模塑区60，这时网10中纤维粘合组分仍然是软的。然后用传输带78和80将网传输到非热模塑组件78和84中间，这里就可以将其模塑成杯状外壳22或者更特别的是可以做成面罩22的形状。转轮式排布86可以用于提供一个连续的模塑过程。转轮式排布86包含第一和第二旋转装置，分别为88和90。模塑组件82和84在链轮齿78上由链条92带动分别做逆时针和顺时针旋转。在模塑点上，组件82和84合并且把网10铸成杯状外壳22。Kronzer等的美国专利5307796对图7-9所示的装置有更详尽的描述。
根据本发明制备的过滤元件和面罩模塑层和过滤层完整的结合，也就是说，它是单一的模塑网而不是分离的网或层通常在周边密封，它还同时具有形状保持力和良好的过滤性能。本发明所述过滤元件的完整本质在不破坏过滤元件本身的情况下不允许将其在形状和过滤方面在物理上分离。
实施例下述测试方法用来评估网和模塑过滤元件氯化钠的颗粒渗透单一模塑过滤元件的渗透和压力降可以用明尼苏达州圣保罗市TSI公司的AFT测试仪Model 8130确定。用浓度为20毫克/立方米的氯化钠作为气溶胶。气溶胶以每秒13.8厘米(厘米/秒)的面速度释放。模塑过滤元件样本的压力降通过渗透测试测量，用毫米水柱(mmH2O)表示。
平均几何纤维直径确定本发明网中纤维的平均几何纤维直径可以通过分析网样本的显微镜照片的方法。网样本是通过在扫描电镜轴上制作网样品并在纤维上气镀上大约100埃(A)金/钯。用设备DENTON Vacuum Desk II Cold Sputter(DENTONVacuum，LLC，1259 North Church Street，Moorestown，New Jersey，08057，USA)以400毫安培的溅射阴极电镀源、50毫米汞柱的真空度及125到150毫米汞柱的氩气流量下进行电镀。电镀时间约为45秒。然后把镀好的样品插入LEO VP 1450扫描电镜中(LEO Electron Microscopy Inc，One Zeiss Drive，Thournwood，New York，New York 10594)，在0°倾斜角、15千伏(kV)加速电压和15毫米WD(焦点距离)下成像。放大倍数为1000倍的电镜照片用来确定微纤的直径，放大倍数为500倍或250倍的电镜照片用来确定短纤维的直径。样本表面的电镜照片可以用个人电脑上在Windows版本2.00下运行德克萨斯大学的TUHSCSA(University of Texas Heakth Science Center inSan Antonio)图像处理工具进行分析。为了实行图像分析，图像处理工具先要进行显微镜放大倍数的校准，然后对样本的电镜照片进行处理这样就对单独纤维进行测量通过它们的宽度。仅对每张照片中的单独纤维(没有紧密结合或粘连的纤维)进行测量。每个样品可以对至少18到20根短纤维和少到66多到116根熔喷微纤进行测量。对于给定的支数，纤维尺寸用微米表示平均直径。
模塑材料的硬度测定模塑过滤元件的硬度是用Jaking&Co.，North Carolina的King硬度测试仪测量的。硬度是通过在过滤元件的8.06厘米(3.175英寸)深处中放入一个直径为2.54厘米的平面探头测定出的力。探头元件放在过滤元件的外部且垂直于用于微纤测试的平台放置。对一个模塑过滤面罩来说，该面罩是放在一个平台上的，面罩凸起的一边的中心对准探头的下方。然后探头以32毫米/秒的速度对着面罩下降、接触该面罩并压下一定的范围(21毫米)。当探头完全下降后，压在材料上的力(以牛顿为单位)就被记录下来。
品质因子(QF)品质因子用下述方法测定用下面公式对渗透、压力降和氯化钠渗透率的自然对数来计算品质因子“QF值”QF(1/mmH2O)＝Ln{NaCl渗透率(％)/100}/压力降(1/mmH2O)较高的原始QF值显示好的原始过滤性能。QF值的降低和过滤性能的下降有关。
实施例1用于形成本发明模塑过滤元件的微纤组合网，是根据Hauser的美国专利4118531并如图5所示的方法，由熔喷微纤和可热粘合短纤维的混合物制成。组合网的熔喷微纤组分采用以下组分的共混物制成购自德克萨斯休斯敦的FINA Oil及Chemical公司的Fina型3960聚丙烯、购自日本东京MitsuiPetrochemical Industries公司的TPX-DX820型聚4-甲基-1-戊烯。加入购自纽约Hawthrone的Ciba Geigy公司的Chimassorb 944FL，作为熔体添加剂。用于熔喷微纤组分中的各组分重量比为98％聚丙烯，1.2％TPX-DX820和0.8％Chimassorb 944FL。微纤组分的单位重量为每平方98克(克/平方米)，根据前文介绍的测试平均几何纤维直径的测试仪测得的平均几何纤维直径为4.4微米。
热粘合的双组分短纤维与微纤网混合后就得到组合网，该网是购自北卡罗来纳州CELBOND的Charlotte KOSA公司的T254型网。热粘合短纤维的线密度为每根单丝12旦(dpf)，其切断长度为38毫米。平均几何纤维直径为33微米。短纤维被直接加入熔喷微纤流中。网中短纤维组分的单位重量大约为115克/立方米。组合网的总单位重量为214克/立方米。
根据Angadjivand等的美国专利5496507所述方法，对组合网进行水力充电。水力充电这样进行令网以5厘米/秒的速度通过真空口，同时将去离子水以大约620千帕(kPa)的静水压从一对Teejet 9501喷雾器喷嘴(购自伊利诺斯州Wheaton的喷雾器系统公司)喷到网上，这对喷嘴分开10厘米，装配在真空口上方7厘米处。然后将网翻转，用去离子水对网两边都进行水力充电处理。让网第三次通过真空口以去除多余的水。然后将该网在室温条件下晾干。
将已经充电的网这样模塑将网压在成对的半球杯状已加热模具之间，该模具高约为55毫米，体积约为310立方厘米。在该热模塑方法中，模具的上、下两半被加热到大约110℃，将网放到两半模具的中间。然后以0.508到0.762毫米的间距，将已加热的模具闭合约15秒。经过该特定时间，就打开模具，取出模塑的产品。
用AFT-8130颗粒渗透测试仪对模塑面罩进行原始渗透量和压力降进行测量。用模塑材料硬度测定仪对该组件进行硬度测试。测试结果在下文的表1中给出。
实施例2用实施例1描述的方法制备模塑杯状过滤器，除了双组分短纤维用70％CELBOND T254(12旦每根丝，38毫米长)与30％295型聚酯短纤维(15旦每根丝，38毫米长)混合物代替。CELBOND T254短纤维的平均几何纤维直径为33微米，295型为35微米，微纤的平均几何纤维直径为4.4微米。短纤维组分的单位重量大约为130克/平方米。组合网的总单位重量大约为242克/平方米，对本例子中模塑杯状过滤元件进行测试，测试结果在下文的表1中给出。
实施例3用实施例1描述的方法制备模塑杯状过滤器，除了双组分短纤维用以下组分的混合物代替49％CELBOND T254(12旦每丝，38毫米长)、21％295型聚酯短纤维(15旦每丝，38毫米长)及7％根据Insley的美国专利4813946介绍的微纤微网。CELBOND T254短纤维的平均几何纤维直径为33微米，295型为35微米以及微纤的平均几何纤维直径为4.4微米。本例子使用的熔融添加剂CHIMASSORB 944FL以1.0重量％的替代实施例1中使用的组合物TPXDX820/CHIMASSORB944FL。熔喷纤维聚丙烯的质量百分比上升为99％。该组合网中的熔喷微纤组分的单位重量大约为52克/平方米，短纤维的大约为115克/平方米以及微纤微网的大约为17克/平方米。该组合网的总单位重量约为219克/平方米。对例子3中材料的压力降、渗透率、硬度和品质因子进行测定表1
表1中显示的数据说明短纤维的加入会降低压力降同时模塑外壳的硬度大于0.5牛顿。微纤微网的加入会使压力降有所增加但同时也会增加硬度。
实施例4用45重量％熔喷微纤和55重量％热粘合双组分短纤维，按照实施例1描述方法制备熔喷微纤组合网。短纤维及微纤的平均几何纤维直径分别为33和4.4微米。本实施例中没有将TPX或CHIMASSORB 944加入微纤。所得组合网的总单位重量约为100克/平方米。通常用WO00/01737描述的方法对该网的两面进行氟化处理。该实施例的网用具有平行板式电容的复式等离子体反应器Model 2480进行氟化，该设备由Florida St.Petersburg PlasmaTherm生产的。为了这个实验PlasmaTherm将电极间距从15厘米降至1.6厘米。该网样品切成20.3厘米×30.5厘米的部分，放置在反应器里的通电电极上。然后将反应室关上用泵把室压加到1.3Pa或更低。将购自Minnesota St.Paul的3M公司的全氟丙烷C3F8气体以83标准厘米3/分钟的速度加到该室中，直到室压达到40Pa。然后用13.56兆赫兹的电源使该室内的电极通电达到1000瓦特，对该网处理一分钟。然后减弱等离子体，气体输送随之停止。在样品拿出之前，将该室通大气、翻转、置于反应器的背面。重复上述过程，使网的两面都受到相同的处理。
然后将该网如实施例1所述的充电和成形，除了传输带速度为10.2厘米/秒及水压为827kPa。喷水式推进器置于传输带上方15厘米。模塑网用NaCl颗粒渗透率和压力降进行测试，结果在表2中给出。
实施例5用实施例4中介绍的方法制备网，除了氟化处理时C3F8气流的速度为169标准厘米3/分钟，室压为66.7Pa，用30秒处理时间对网的两面进行处理。网的两层用实施例1中的描述的方法合成和定型。对成形网进行NaCl颗粒渗透率、压力降测试并计算出QF值，结果在表2中给出。
表2
上表表2所显示的数据说明通过与实施例1-3的比较，氟化网的单位重量降低了而过滤性能提高了。
所有本文引用的专利和专利应用包含在背景部分引用的国际出版物和文献，如果完全复制，会以参考并入本文章。
本发明可以实际适用于上文未明确描述的组件或项目。
权利要求
1.一种过滤元件，它包含一个多孔模塑网，该网包含热粘合短纤维和非热粘合带电微纤，该多孔模塑网通过短纤维在纤维交叉点处的粘合，保持其至少一部分的模塑形状。
2.如权力要求1所述的过滤元件，其中所述的多孔模塑网包含约30重量％-70重量％热粘合短纤维，并包含约30重量％-70重量％的非热粘合微纤。
3.如权力要求1-2所述的过滤元件，其中所述的多孔模塑网包含的微纤多于短纤维。
4.如权力要求1-3所述的过滤元件，其中所述的短纤维长度小于0.3米，所述短纤维的平均几何直径约为15微米或更大，所述短纤维的旦数大于约3克/9000米，所述短纤维包含热塑性聚合物材料，该聚合物材料包含聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、共聚酯、聚酰胺及其组合物，所述的短纤维是具有确定长度的卷曲聚合物纤维。
5.如权力要求1-4所述的过滤元件，其中所述的短纤维每厘米有约10-30个卷曲。
6.如权力要求1-5所述的过滤元件，其中所述的短纤维包含双组分纤维
7.如权力要求1-6所述的过滤元件，其中所述的微纤的平均几何纤维直径约为3-10微米。
8.如权力要求1-7所述的过滤元件，其中所述的微纤由非导电树脂制得，该树脂在室温(22℃)下树脂的体积电阻率大约在1014欧姆-厘米或更大，而且包括聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚丁烯或它们的组合。
9.如权力要求1-8所述的过滤元件，其中所述的微纤是包含聚丙烯的熔喷微纤。
10.如权力要求1所述的过滤元件，该过滤元件厚度约为1-4毫米，固体含量约为5％-30％，单位重量约为50-300克/平方米，且显示出的品质因子大于0.40。
11.一种过滤面罩，它包含适于戴到人的鼻子和嘴上的多孔面罩主体，该多孔面罩主体使空气在被戴者吸入前经过面罩，以便进行过滤，该面罩主体由权利要求1-10所述的过滤元件形成。
12.一种制造过滤元件的方法，该方法包括提供一种预模塑的纤维网，该网包括可热粘合短纤维和不可热粘合带电微纤；和将该纤维网模塑成预定形状。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述的预模塑网具有约5％-30％的固体含量。
14.如权利要求12-13所述的方法，其中所述的预模塑网包含30重量％-70重量％可热粘合短纤维，并包含30重量％-70重量％的不可热粘合微纤。
15.如权利要求12-14所述的方法，其中所述的预模塑纤维网这样提供将可热粘合短纤维加入喷出的微纤流中。
16.如权利要求12-15所述的方法，其中所述的短纤维和微纤均具有非导电表面而且带电。
全文摘要
本发明涉及一种过滤元件，它包含多孔模塑网10′，该网含有热粘合短纤维12和非热粘合带电微纤14。所述模塑网通过短纤维12在纤维交叉点13处的粘合保持其至少一部分的模塑形状。所述网可以模塑成例如过滤面罩16的形状。
文档编号A61M16/06GK1671457SQ03817637
公开日2005年9月21日 申请日期2003年6月16日 优先权日2002年7月25日
发明者J·E·斯帕啉季特, S·A·安加吉范达 申请人:3M创新有限公司