加入活性剂的充有静电的过滤介质的制作方法

专利名称：加入活性剂的充有静电的过滤介质的制作方法
技术领域：
本申请要求美国临时申请60/411,066， 60/434,526和60/458,800 的优先权，它们的申请日分别为2002年9月16日，2002年12月19 日和2003年3月28日。它们的内容全部作为本申请的参考文献。
本发明涉及充有静电的过滤介质，更具体地说，涉及加入活性剂 的充有静电的介质，及其制备方法。
背景技术：
现有技术的过滤方法包括例如机械过滤-颗粒的物理保持性要 大于过滤介质的孔；静电过滤-将颗粒在不杀灭/减活颗粒的情况下 粘附到过滤器内的颗粒上，并按照于1999年11月9日授与本发明人 的题目是"使用碘/树脂消毒剂对空气的消毒"的美国专利US 5,980,827的教导和要求保护的方式进行过滤。现已确定，当产品加 入具有盘旋通路的介质时，在细小薄介质内进行过滤可改善碘化树脂 的过滤效果。通过迫使微生物/毒素通过迂回路径，可最终使微生物/ 毒素被杀灭/减活。提供迂回路径的一种方法是使用无纺介质。
在公开的题目为"在三维基体结构中对颗粒的固定"的美国专利 申请20010045398中，第一次生产出无纺材料，而后，利用酒精和部 分溶剂加入一种例如在美国专利5，639，452( '452专利)中公开的碘化 树脂，同时利用脉动真空泵打开过滤孔，使活性剂通过它("三元合 成"树脂)。美国专利US 6,346,125教导，将一种含水抗菌剂加入不充静电的 无纺材料中。特别是，M25专利描述了一种用于将含水抗菌剂加入 一种不充静电的无纺材料中的特定方法。然而，在没有静电特性的情 况下，无纺材料必须有较大的厚度，以使微生物与用于净化的抗菌剂 充分接触。
美国专利US 5,952,092教导了一种具有化学活性颗粒的无纺纤 维。但在该创新中，该专利没有教导使用静电底层。
无纺驻极体及其制备方法已是现有技术中已知的。例如，美国专 利US 5,409,766描述了一种处于驻极体状态的无纺纤维，它由用聚合 物组分形成的单丝组成，这些聚合物组分能长时间地在热湿条件下收 集灰尘。另外还公开了一种用于生产无纺纤维的方法，以及由这种无 纺纤维组成的空气过滤遮挡材料。但这种现有技术系统没有提供抗菌 /抗毒特性。因此，对悬浮在无纺纤维中的微生物/毒素不能杀菌和减 活。 一旦无纺材料的静电特性消失或材料饱和，则微生物/毒素可重 新释放回大气中。
现已知，可将充静电的过滤料用于例如面具中。相对于二者，面 部密封是一个众所周知的问题，并且人们还试图提出在产业上存在的 局限性。问题在于人的身体形态的结构或组织是相互存在差异的，这 种差异产生较大范围的几何背离，这就难以产生100%的空气密封。 对于面具来说，很难在面部尺寸和形状范围内在皮肤和面具之间形成 密封。人们已尝试了各种不同的技术手段，如使用粘性密封、平宽密 封和弹性密封。在产业上人们已将注意力转向产生空气密封上，但是， 实际上产生的压差迫使在密封件和皮肤之间的间隙中的空气绕流过 空气过滤材料。本发明的静电过滤料可用海绵或其它可透气的无纺材 料制成，以将压差减到最小，因而可防止空气被迫通过间隙。另外， 由于具有低压降(像静电过滤料)的细小过滤料，可有效地利用衬垫在 使用者与面具之间形成密封，这种过滤料带来了与其混合的活性剂的优点。
另一种已知的现有技术教导使用高压降介质，包括HEPA过滤器 的机械过滤。但本发明的压力降要比单独使用HEPA过滤器的压力降 大约低50°/。到90%。过滤料还包括在通道中杀灭植物细菌、孢子和病 毒的材料。它们被从气流中滤出并被杀灭。此外，本发明是自动消毒 的，即它不仅过滤流过它的空气，而且还能杀灭捕获在过滤料中的细 菌。因此，这种介质保护了使用者和外部空气。
由于现有技术存在缺陷，所以最好是使用一种具有优越于现有解 决方案的特征的驻极体。本发明的改进包括一种有助于活性剂的底 层，即电介质。

发明内容
本发明克服了现有技术的上述问题。特别地，按照本发明的一个 方面，提供一种可充静电的、其内加入活性剂的无纺介质。这种改进 的介质能比现有技术的解决方案更有效地根除微生物和/或毒素，而 且还能自动消毒。
本发明还提供制备可充静电的、其内加入活性剂的过滤介质的方 法。可采用各种方法制备底层；活性剂可按照不同的方法加入；并且 也可按不同的方法充静电，所有这些都在这些描述了或是现有技术中 已知的。
由于对每种过滤料使用非常少的活性剂，所以可在保持有效性的 同时降低成本。另外，本发明的强化静电过滤提供了附加的活性剂的 性能和静电特性。
除了本发明的上述方面外，在阅读了下面参照附图的描述后，将 对其它的方面、特征和优点有更深的理解。


图1是表示按照本发明技术教导的一个典型实施例的外貌图；图2和3表示可充静电的底层的典型实施例；
图4是表示提供一种加入活性剂的无纺介质的典型实施例。
具体实施例方式
下面描述本发明的一些典型实施例。本发明所描述的实施例对本 领域的专业技术人员来说显然只是为了通过一些实例进行举例说明， 而不是限制。在本说明书中公开的所有特征，除非是特意说明，都可 用具有相同或相似目的的其它特征取代。因此，属于本发明改型的许 多其它实施例都将作为这里所限定的本发明及其等同物而落入本发 明的范围内。
本发明提供一种充静电的过滤介质，它包括一种其内加入活性剂 的底层。
过滤介质
本发明的过滤介质包括(l)底层，(2)加入的活性剂和(3)静电荷。 底层
底层包括具有电介质特性能强化具有电介质特性的任何材料，并 且这些材料内加入活性剂。
在一个特定实施例中，底层可以是具有纤维性基体结构的纤维基 材料；它可以是具有开放小室的基体结构的类似海绵的材料；它可以 是弹性或非弹性的；等等。
如上所述，在一个实施例中，底层是无纺纤维。无纺材料是一种 相互粘合在一起的纤维，而不是纺成的和织成的布。它可以是通过摩 擦或粘合方法结合起来而制成的定向或随机定向的片、垫，网或絮的 纤维；它可采取纤维的形式。图1提供了一个无纺纤维的典型实施例。在另一个实施例中，底层可以是一种松软度可变的无纺织物，包 括聚合物纤维。该聚合物可以是例如尼龙、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等， 或是任何适合于用作底层的其它聚合物。另外，底层可用非聚合物纤 维材料制成。
无纺材料可以是一种适用于高效颗粒空气过滤器(即HEPA过滤 器)的材料。适合的无纺材料可从Technol Aix en Provence Cedex 03 France(参见加拿大专利1，243，801)获得；另一种适用材料可以从 Minnesota Mining & Manufacturing Co.(3M)获得。无纺木才料可具有三 维结构，这种结构是一种提供能捕集(即用物理方式)所需活性剂的基 体。例如，如果无纺材料是基于纤维的材料，则无纺材料的结构纤维 是现有的并以提供能捕集所需活性剂的纤维化基体结构的方式分布。 无纺材料可具有微观结构。在一个特定实施例中，活性剂具有适合于 被所需无纺材料的三维(例如网状)基体结构捕集的粒度。
其它底层还包括玻璃纤维和像纤维素这样的纤维，这种纤维最终 形成纸基纤维介质。任何有起活性剂载体作用并具有电介质特性或可 使其赋予电介质特性的底层都适合于作为本发明的底层。当使用没有 强电介质特性的底层，如玻璃纤维时，还可提供改进的底层电介质特 性。本发明不局限于使用无纺材料。其它适用的底层可包括海绵材料 或泡沫材料。
活性剂
本发明的活性剂可以是例如抗菌剂、抗毒素或类似物质。抗菌剂 可以是生物静电剂或生物杀生剂。生物静电剂是抑制所有或某些细菌 孢子、病毒、真菌等(具有生物活性的颗粒)生长的材料，而生物杀生 剂是一种杀灭所有或某些细菌孢子、病毒、真菌等的材料。生物静电 剂最好如上述的专利'452中所描述的，包括碘化树脂颗粒。其它适 用的活性剂包括其上附有抗菌剂的银、铜、沸石，卤化树脂及现有技术中已知的能灭活/减活微生物/毒素剂，包括例如活性碳，其它金属 及其它化合物。例如下面将适用的金属和/或化合物非穷举地列出。 典型金属
铝、钡、硼、钙、铬、铜、铁、镁、锰、钼、镍、铅、钾、硅、 钠、锶、锌
典型化合物
N-甲基哌嗪
氢氧化钾
氯化锌
氯化钙
碳酸钠和重碳酸钠的混合物
本说明书中所列举的抗菌剂是为了阅读方便，而不是对本发明的 限定。
薪敏箭
加入活性剂的过滤介质也充有静电。因此，通过介质表面的势能 产生电场，其中电场能吸引和/或排斥引入介质中的带电颗粒，使得 '在某些情况下可改变带电颗粒的运动路径。
图2-3提供了充有静电的介质的典型表示方法。本发明的充有静 电的过滤介质例如可以是单层的或多层的。可对每层单独充电。单层 介质可在一侧具有正电荷，在另一侧具有负电荷。多层介质的一个例 子是双层介质。最好采用双层介质，其中这种双层介质包括两层，在 每层的一侧充正电荷，另一侧充负电荷，其中这两层是被空气空间分
离的，并且两层这样定向两层中的一层的负电侧靠近另一层的正电 侦'J。在这两层的实施例中，该空气空间提高了充静电的过滤介质的净介电常数。
最好提供高介电常数，以延长保持电荷的时间例如当使用上述 空气空间时，提供有良好介电常数的空气。因而，本发明即使在潮湿 环境中也是非常有效的。
最终的介质是一种其上附有活性剂或其内浸渍活性剂并具有静 电荷的绝缘载体。本发明的介质可形成不同的厚度、密度和压力降。 这里描述的介质可用于例如衣服、创伤敷料、空气过滤器、遮盖物、 内衬和常用的任何过滤材料。
制备方法
技术领域：
本发明还提供制备充静电的、其上加入活性剂的过滤介质的制备
方法。底层本身可按照各种已知的方法制备，如熔体喷射(melt blown)、纺时喷射(spunblown)、空气覆盖(air laid)、挤拉(carted)等。
力M活丝鹏方法
现有的使用聚丙烯的加入方法需要使用聚丙烯来保持纤维的厚 度，从而使固体颗粒长时间地保持，以防止微粒离开纤维。在本发明 中，活性剂，例如在M52中公开的碘化树脂，可用物理方式被捕集 在纤维中。因此，活性剂不必粘附到要加入介质的纤维上。
在本发明中，活性剂可用不同的方法加入底层。例如采用在高温 高压的混合和熔化过程中的熔化时，通过活性剂的乳化，或通过在工 艺中挤出无纺纤维后，再喷射活性剂等加入方法。
在图4所示的优选实施例中，将聚合物颗粒，如聚丙烯颗粒通过 挤出^l挤出；挤出的纤维具有不同的厚度和长度。当纤维被挤出时， 它们朝收集网方向下落。所需的活性剂设置在靠近最终纤维的挤出点 的位置上的混团(cloud)中，在纤维仍处于半液半固态时，该混团包围 着冷却纤维。在一个实施例中，活性剂颗粒可在0.2微米至0.5毫米的范围内。但是，本领域的一个普通专业技术人员可将采用较小和较 大颗粒粒径的活性剂。通过对活性剂颗粒的放置和收集，以使它们与 收集网上的纤维结合或捕集在纤维上。在其上加入活性剂的纤维落到 收集网上后，利用已知的方法使最终的介质形成网。此外，混团可以 处于不同的物理状态，包括蒸汽、细干燥粉尘或雾化或烟雾状颗粒。 有利地是，混团的结合可在室温下进行，这时颗粒也处于室温。另外， 厚度、长度和压力限定了最终介质的机械特性。
用于上述实施例的适合的熔体喷射系统是由新泽西州Hillside 的Accurate Products Co.提供的Accuweb。
使活性剂结合到纤维介质上的其它不同方法也适用于本发明。首 先，例如使用公开在美国专利申请20010045398A1中的方法。第二， 将挤出的发状纤维的管(bail)浸没在活性剂中(并使用酒精来实现浸 湿)，然后利用压力和温度制成毡。第三，利用由加入挤出漏斗中的 活性剂制备的固体聚合物颗粒制成混合，然后挤入细发状管(bail)中。 在通过一定温度和压力过程制成毡。第四，挤出的底层，如处于发状 替代物的聚合物底层，并在挤出后将活性剂喷射成固态。活性剂可像 烟雾一样蒸发。第五，活性剂可被喷射或喷雾成无纺纤维，同时使纤 维受压。第六，挤拉(cart)细丝的管(bail)并将最终的介质与活性剂混 合，以形成其内加入活性剂的片。第七，将活性剂沉积在无纺介质上， 然后用针刺法冲压介质，以使活性剂充满并通过介质。其它方法也可 采用。
在发明的另一个实施例中，将聚合物颗粒放入在挤出之前就形成 的粉状活性剂的挤出机的漏斗中。因此，活性剂在熔化之前在漏斗中 混合。将这两种成分混合、加热，然后挤出，以形成用于制成毡的细 "发"状纤维。在上述实施例的加入活性剂的最终的细发为管(bail) 状绒线。根据聚合物的需要，底层可以是透明的。因此，其上加入活 性剂的聚合物纤维可用压力水进行处理，然后加热形成毡。在其它实施例中，其上加入活性剂的最终的聚合物纤维可以是气流法(airlaid)、 真空法(vacuum laid)、水法(water laid)等制成的。
虽然这里没有特别描述，但其它传统或已知的将活性剂与底层结 合的方法也适用于本发明。因此，从这一点上说，底层具有加入其内 的活性剂。
薪冶充冶方法
加入活性剂的底层带有静电荷。电荷可通过电晕、针刺法、化学 增强法、任何其它已知的感应系统或方法产生，或利用上述方法的结 合来产生电荷。针刺法形成高水平的摩擦，所以能增加电荷。
在一个特定实施例中，为了将形成介质，例如毡的充有静电的无 纺纤维旋转到大约25Kv的电晕系统中，使其缓慢通过直到完全充电。 最终的材料能在约6个月至2年间保持其电荷。
静电过滤介质的工作过程
在工作中，将污染的空气或液体流引导到本发明的使用充有静电 的过滤介质的过滤器，利用压力梯度强迫或抽吸空气/流体流，使其 通过过滤介质。该流可包含要通过过滤元件去除或处理的各种粒径的 污染的颗粒。当该流接近过滤介质时，它被引导通过过滤介质，使污 染的颗粒与过滤介质接触，并利用按本申请其它地方所描述的活性剂 从该流中去除或处理污染的颗粒。利用使颗粒经旋绕的路径通过过滤 介质的过滤器特性可实现上述处理，从而延长了污染物与活性剂的接 触时间。在处理该流中的颗粒时，接触时间的延长提高了活性剂的效 率。
颗粒通过盘绕路径可使其增加过滤元件底层的静电特性和无纺 特性。对于过滤元件的静电特性来说，污染颗粒的盘绕路径可归因于 颗粒的极性。极性分子是中性的，并具有较大尺寸。由于尺寸较大，所以当受电场控制而使污染颗粒从其路径上转向时，污染物具有磁 矩。
此外，污染颗粒的盘绕路径归因于过滤底层的无纺特性。这是由 于无纺底层不具有要通过的流体流的直接和连续的路径来实现的。而 由于无纺特性，底层由多孔材料构成，其中不会由单孔材料形成通过 底层的连续路径。因此，流体流和由流体流携带的颗粒连续转向地通 过底层。这样就延长了通过过滤器的时间，暴露于活性剂的程度增强 了。
附加用途
本发明还可采用与现有的无纺纤维兼容的方式。使用各种物品， 包括耐用和一次性物品。例如，无纺材料可用于如下产品，如尿布、 卫生巾、成人失禁巾，抹布、床内衬、汽车产品、面具、空气过滤、 水过滤、生物流体过滤、家庭陈设和地面织物。这里所述的介质可用 于，例如布、创伤敷料、空气过滤器、遮盖物、内衬。其它用途包括 在现有技术中己知的静电过滤器和抗菌剂或抗毒素过滤器。
在一个特定实施例中，本发明的具有或不具有活性剂的过滤介质
可用作一个封闭物，或使如面具和HVAC等产品的过滤空气的过滤 封闭物。按照本发明，提供一种用具有静电特性的底层和加入活性剂 的静电材料构成的封闭材料，这种材料是一种三维结构的高伸縮性 (在一个实施例中，厚度为l")可透气材料，它放置在面具或空气过 滤器周围，以便不形成所谓的气密连接，而取而代之的是形成可透气 密封，它实际上覆盖所有具有不同几何表面的外形，以提供具有过滤 特性的可透气密封。该方法将封闭物放入过滤器，从而使旁流过由于 不完善配合形成的间隙的空气再流过密封物并被过滤。此外，与"弹 性密封"相反，在气密方法中有害的压差在我们的方法中则无害，这 是由于通过最小阻力的空气将通过面具的过滤材料的缘故。封闭面具或其它过滤器种类的这种方法可通过替换具有相同特性的可透气泡 沫的无纺过滤元件来实现。因此，现有技术的面具试图阻止空气在密 封处流动，而本发明的面具起密封垫的作用，它使空气通过并杀灭进 入气流的孢子、病毒、细菌、真菌等，该气流中含有有效的活性剂，
如公开在上述'452专利中的碘化树脂。因此，使用一些带子将面具 固定在适当位置，以压縮本发明的密封垫，以便基本上与整个脸配合。
试验数据
将本发明的过滤介质的一个特定实施例与现有的静电过滤器相 比进行试验测试。每测试都是在处理具有不同污染物的空气的相同环 境下进行的。在这些测试过程中，收集所提供的试验数据。在每一测 试中，将一种污染物以可控制的量引入一个腔内，并送入四条线路中。 两条线路包括本发明的过滤器，该过滤器包括加入M52专利的碘化 树脂的充有静电的过滤器。第三条线路包括被称为Transweb的充有 静电的过滤器。这种过滤器没有抗菌特性或加入活性剂的任何其它种 类的特性。并提供用于控制的第四条线路，它没有过滤器，用于确定 进入控制腔中的污染物的量是否等于排出控制腔中的污染物的量。
表A列出了表示本发明一些典型实施例的某些特性。试验号 AF276描述了不同的过滤膜对于GB孢子过滤30，60，120，180,240,300 和360分钟的性能。BG孢子必须具有约8000至30000孢子的量，这 是使普通人致病的量。从表A中可以看出，对于30，60,120，180,240，300 和360分钟测试的每次测试，本发明的过滤器100°/。地减少了气流中 的BG孢子量。
正如从表A中看出的，在这些试验中，本发明的静电过滤器基 本上达到了与Transweb相同或相似的净效应。但是，本发明个有一 个重要优点，即本发明杀灭了孢子，而不是仅仅将它们保存在过滤器 中。因此，与本发明不同，如果Transweb由使用者处理或与皮肤接触，则可能发生污染。本发明可保持过滤器的卫生。
^!在来看表B，试验号AF270的结果显示了不同的过滤膜对于 MS2病毒过滤30，60，120，180，240,300和360分钟的性能的测试结果。 从1至1000范围的病毒量将使普通人致病。因此，即使一个病毒也 能使人致病。正如从表B中看出的，对于30,60，120,180，240,300和360 分钟的测试，本发明的过滤器可100Q/c)地减少气流中的MS2病毒。但 Transweb不能达到100%地减少MS2病毒，并在流出的气流中发现 1000至10000个病毒单位。用Transweb对付被MS2病毒污染的空气 不能达到理想的效果。因此，从表B中可以看出，相对于表A来说， 除上述消毒特性的优点外，随着时间的过去，本发明能更有效地抵御 MS2这样的病毒。由于只有小量的病毒污染人类(l至1000个病毒), 所以与本发明不同，Transweb不能有效地保护使用者被这些病毒侵 害。
结论
现已描述了本发明的一个或多个典型实施例，显然，对于本领域 的专业人员来说，上述的描述只是为了通过实例进行举例说明，而不 是限制，除了特别说明的外，在本说明书(包括所有权利要求，摘要 和附图)中描述的所有特征都可用具有相同目的、等同物或类似目的 的其它特征替代。因此，附加的和变换的许多其它实施例都将落入由 权利要求书及等同物限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种组合，其包括可透气的面具，其有紧贴用户面形的外围；以及可压缩的衬垫，其由在所述面具的所述外围上的可透气过滤材料组成，该可透气过滤材料适于设置在所述面具的所述外围与用户面部之间，从而填塞之间可能存有的任何空间。
2. 根据权利要求l的组合，其中所述可压縮的衬垫包括包含在内的活性剂。
3. 根据权利要求1的组合，其中所述可压縮的衬垫包括多孔介电载体。
4. 根据权利要求3的组合，其中所述多孔介电载体是无纺材料。
5. 根据权利要求3的组合，其中所述多孔介电载体是具有纤维性三维基体结构的纤维基材料。
6. 根据权利要求3的组合，其中所述多孔介电载体是具有开孔小室基体结构的海绵类材料。
7. 根据权利要求2的组合，其中所述活性剂是从由金属和化合物组成的组中选择。
8. 根据权利要求2的组合，其中所述活性剂是碘化树脂。
9. 一种组合，其包括可透气的面具，其有紧贴用户面形的外围；以及可压縮的衬垫，其由在所述面具的所述外围上含有活性剂的可透气过 滤材料组成，该可透气过滤材料适于设置在所述面具的所述外围与用户面 部之间，从而填塞之间可能存有的任何空间，其中所述可压縮的衬垫包括横越其的静电荷。
10. 根据权利要求9的组合，其中可压縮的衬垫包括多孔介电载体。
11. 根据权利要求10的组合，其中所述多孔介电载体是无纺材料。
12. 根据权利要求10的组合，其中所述多孔介电载体是具有纤维性基 体结构的纤维基材料。
13. 根据权利要求10的组合，其中所述多孔介电载体是具有开孔小室 基体结构的海绵类材料。
14. 根据权利要求9的组合，其中所述活性剂是从由金属和化合物组 成的组中选择。
15. 根据权利要求9的组合，其中所述活性剂是碘化树脂。
16. 根据权利要求5的组合，其中所述纤维基体结构是设置成把该活 性剂捕集在所述三维基体结构中。
17. 根据权利要求5的组合，其中该活性剂与该纤维基材料相互结合。
18. 根据权利要求4的组合，其中所述无纺材料包括从由尼龙、聚乙 烯和聚丙烯组成的组中选择出来的聚合物纤维。
19. 根据权利要求2的组合，其中所述活性剂是生物静电剂材料和/或 生物杀生剂材料。
20. 根据权利要求2的组合，其中该活性剂是是从由银、铜、卤化树 脂和活性碳组成的组中选择。
21. 根据权利要求2的组合，其中该活性剂是金属，所述金属是从由 铝、钡、硼、钙、铬、铜、铁、镁、锰、钼、镍、铅、钾、硅、钠、锶和 锌组成的组中选择。
22. 根据权利要求2的组合，其中该活性剂是化合物，所述化合物是 从由N-甲基哌嗪、氢氧化钾、氯化锌、氯化钙、以及碳酸钠和重碳酸钠的 混合物组成的组中选择。
23. 根据权利要求16的组合，其中该纤维基材料包括横越其的静电荷， 所述静电荷能够在横越所述纤维基材料的表面产生势能。
24. 根据权利要求23的组合，其中该静电荷是单层的或多层的。
25. 根据权利要求24的组合，其中该静电荷是大约25Kv。
全文摘要
本发明涉及加入活性剂的充有静电的过滤介质。具体地说，本发明提供一种组合，其包括可透气的面具，其有紧贴用户面形的外围；以及可压缩的衬垫，其由在所述面具的所述外围上的可透气过滤材料组成，该可透气过滤材料适于设置在所述面具的所述外围与用户面部之间，从而填塞之间可能存有的任何空间。
文档编号B03C3/28GK101306278SQ20081000863
公开日2008年11月19日 申请日期2003年9月8日 优先权日2002年9月16日
发明者皮埃尔·梅西尔 申请人:特里奥辛控股有限公司