專利名稱：含顆粒的纖維網(wǎng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含顆粒的纖維網(wǎng)和過濾裝置。
背景技術(shù)：
在溶劑和其它危險(xiǎn)性的氣源物質(zhì)存在的條件下使用的呼吸裝置有時(shí)會(huì)采用含有吸附劑顆粒的過濾器元件。該過濾器元件可以是具有吸附劑顆粒床的柱，或者可以是具有過濾材料層或過濾材料插入物的柱，其中該過濾材料包含有或涂敷有吸附劑顆粒。過濾器元件的設(shè)計(jì)會(huì)涉及到平衡有時(shí)相互抵觸的因素，所述因素例如為壓力降、沖擊阻力、總體使用壽命、重量、厚度、總體尺寸、對(duì)諸如振動(dòng)或磨耗之類的潛在破壞力的抵抗能力、以及樣品之間的差異性。吸附劑顆粒填充床通常以最小的總體體積提供最長的使用壽命，但是其壓力降可能會(huì)高于最佳值。裝填有吸附劑顆粒的纖維網(wǎng)通常具有低的壓力降，但是也可能會(huì)具有較短的使用壽命、過大的體積、或比希望值高的樣品間差異。
與含顆粒的纖維網(wǎng)相關(guān)的參考文獻(xiàn)包括美國專利No.2,988,469(Watson)、3,971,373(Braun)、4,429,001(Kolpin等人)、4,681,801(Eian等人)、4,741,949(Morman等人)、4,797,318(Brooker等人，’318)、4,948,639(Brooker等人，’639)、5,035,240(Braun等人，’240)、5,328,758(Markell等人)、5,720,832(Minto等人)、5,972,427(Mühlfeld等人)、5,885,696(Groeger)、5,952,092(Groeger等人，’092)、5,972,808(Groeger等人，’808)、6,024,782(Freund等人)、6,024,813(Groeger等人，’813)、6,102,039(Springett等人)和PCT申請公開No.WO 00/39379和WO00/39380。與其它含顆粒的過濾器結(jié)構(gòu)相關(guān)的參考文獻(xiàn)包括美國專利No.5,033,465(Braun等人，’465)、5,147,722(Koslow)、5,332,426(Tang等人)和6,391,429(Senkus等人)。其它與纖維網(wǎng)相關(guān)的參考文獻(xiàn)包括美國專利No.4,657,802(Morman)。
發(fā)明概述雖然含有活性炭顆粒的熔噴非織造網(wǎng)可以用于從空氣中除去氣體和蒸氣，但是在用于氣體及蒸氣呼吸器的可更換式過濾器柱中可能難以采用這種網(wǎng)。例如，當(dāng)所述的網(wǎng)是由熔噴聚丙烯和活性炭形成時(shí)，易于達(dá)到的炭裝填水平一般為大約100-200g/m2。如果將這種網(wǎng)切成合適的形狀并將其插入可更換式柱的殼體中，則柱不能含有足夠的活性炭來滿足由應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)制訂協(xié)會(huì)(applicable standards-making bodies)所規(guī)定的容量的要求。雖然可以嘗試著達(dá)到較高的炭裝填水平，但是炭顆粒會(huì)從網(wǎng)上掉落下來，從而使得難以在生產(chǎn)環(huán)境下處理該網(wǎng)，并且難以可靠地達(dá)到最終容量的目標(biāo)值。也可以采用諸如真空成形之類的后成形操作來使網(wǎng)變密，但是這需要附加的生產(chǎn)設(shè)備和額外的網(wǎng)處理操作。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過使用具有合適的彈性或合適的收縮趨勢的聚合物制備以高水平裝填有顆粒的非織造網(wǎng)，我們就可以得到具有非常令人滿意的使用壽命長和壓力降較低的性能組合的多孔薄片制品。所得的網(wǎng)可以具有相對(duì)較低的炭脫落傾向，并且特別適用于采用自動(dòng)化設(shè)備大量制造的可更換式過濾柱。
一方面，本發(fā)明提供一種多孔薄片制品，其包含自支承型的聚合物纖維非織造網(wǎng)和嵌入該網(wǎng)中的占至少80重量％的吸附劑顆粒，所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱(即，至少1.6×104(毫米水柱)-1)。
另一方面，本發(fā)明提供一種制備包含自支承型聚合物纖維非織造網(wǎng)和吸附劑顆粒的多孔薄片制品的方法，該方法包括a)使熔融的聚合物流過多個(gè)孔以形成原絲；b)將原絲細(xì)化成纖維；c)將吸附劑顆粒流引入所述原絲或所述纖維中；以及
d)收集纖維和吸附劑顆粒成為非織造網(wǎng)；其中，占至少80重量％的吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中，并且所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱。
另一方面，本發(fā)明提供一種呼吸裝置，該呼吸裝置具有內(nèi)部部分，其通常至少罩住佩帶者的鼻子和嘴；進(jìn)氣通道，用于向內(nèi)部部分提供環(huán)境空氣；以及多孔薄片制品，其被布置成橫過所述進(jìn)氣通道，以過濾所供入的空氣，該多孔薄片制品包含自支承型的聚合物纖維非織造網(wǎng)以及嵌入該網(wǎng)中的占至少80重量％的吸附劑顆粒，所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該制品的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱。
本發(fā)明的又一個(gè)方面是提供一種用于呼吸裝置的可更換式過濾器元件，該元件包括支持結(jié)構(gòu)，用于將該元件安裝在該裝置上；殼體；以及多孔薄片制品，其被布置在該殼體中，從而使得該元件可以過濾進(jìn)入該裝置的空氣，該多孔薄片制品包含自支承型聚合物纖維非織造網(wǎng)以及嵌入該網(wǎng)中的占至少80重量％的吸附劑顆粒，所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該元件的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱。
通過以下的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些和其它方面將更加明了。然而，在任何情況下，以上的概述部分都不能理解為是對(duì)本發(fā)明要求保護(hù)對(duì)象的限制，這些保護(hù)對(duì)象僅由所附的權(quán)利要求書來限定，在審查過程中可修改權(quán)利要求書。
附圖簡要說明

圖1是本公開的多孔薄片制品的示意性剖視圖；圖2是本公開的多層多孔薄片制品的示意性剖視圖；圖3是本公開的可更換式過濾器元件的示意性局部剖視圖；
圖4是本公開的采用圖3所示元件的呼吸裝置的立體圖；圖5是本公開的采用圖1所示多孔薄片制品的拋棄型呼吸裝置在部分切除之后的立體圖；圖6是用于制備多孔薄片制品的熔噴裝置的示意性剖視圖；圖7是用于制備多孔薄片制品的紡粘加工裝置的示意性剖視圖；圖8是用于制備多孔薄片制品的另一種熔噴裝置的示意性剖視圖；圖9和圖10是示出使用壽命對(duì)比情況的圖。
在不同的附圖中，相似的參考標(biāo)號(hào)表示相似的元件。附圖中的各元件沒有按照比例繪制。
發(fā)明詳述在本說明書中，涉及片狀制品而使用的詞語“多孔”是指該制品可以充分地使氣體透過，從而可用于個(gè)人呼吸裝置的過濾器元件中。
短語“非織造網(wǎng)”是指具有纖維纏結(jié)特征或纖維以點(diǎn)粘結(jié)特征的纖維網(wǎng)。
術(shù)語“自支承”是指網(wǎng)具有足夠的抱合力和強(qiáng)度，從而能夠被懸垂和進(jìn)行處理，而不會(huì)實(shí)質(zhì)上撕破或裂開。
短語“將原絲細(xì)化成纖維”是指將一段原絲轉(zhuǎn)變成長度更長、直徑更細(xì)的一段。
詞語“熔噴”是指一種通過以下方式形成非織造網(wǎng)的方法將成纖材料通過多個(gè)孔擠出，以形成原絲，同時(shí)使原絲與空氣或其它細(xì)化用流體接觸，從而將原絲細(xì)化成纖維，然后收集成為細(xì)化纖維層。
短語“熔噴纖維”是指采用熔噴法制成的纖維。雖然據(jù)報(bào)道，熔噴纖維是非連續(xù)的，但是熔噴纖維的縱橫比(長度與直徑之比)本質(zhì)上是極大的(例如，通常為至少大約10,000或更高)。這種纖維不僅長而且充分纏結(jié)，因此通常不可能從一團(tuán)這種纖維中取出一根完整的熔噴纖維或者從頭到尾地追蹤一根熔噴纖維。
短語“紡粘法”是指一種通過以下方式形成非織造網(wǎng)的方法將低粘度的熔體通過多個(gè)孔擠出，以形成原絲，用空氣或其它流體使原絲驟冷，從而至少使原絲表面硬化，將至少部分硬化的原絲與空氣或其它流體接觸，以便將原絲細(xì)化成纖維，并收集成為細(xì)化纖維層，以及，對(duì)其可選地進(jìn)行軋光。
短語“紡粘纖維”是指采用紡粘法制備的纖維。這種纖維通常是連續(xù)的、并且充分纏結(jié)或以點(diǎn)粘結(jié)，因此通常不可能從一團(tuán)這種纖維中取出一根完整的紡粘纖維。
短語“非織造工藝用模頭”是指熔噴法或紡粘法所用的模頭。
詞語“嵌入”在涉及非織造網(wǎng)中的顆粒而使用時(shí)是指該顆粒充分粘附在網(wǎng)中或陷入網(wǎng)中，從而使得當(dāng)網(wǎng)受到溫和的處理(例如將網(wǎng)懸垂在水平棒上)時(shí)，所述的顆粒仍保留在網(wǎng)中或留在網(wǎng)上。
短語“彈性極限”在涉及聚合物而使用時(shí)是指由該聚合物形成的物體可經(jīng)受的、在從應(yīng)力狀態(tài)釋放時(shí)可回到其初始形式的最大變形。
詞語“彈性的”或“彈性”在涉及聚合物而使用時(shí)是指按照ASTM D638-03(塑料拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法)測定，材料在處于其彈性極限情況時(shí)的伸長大于約10％。
短語“結(jié)晶收縮性”是指由于(例如)聚合物鏈折疊或聚合物鏈重排而使得當(dāng)未受約束的纖維從有序性較低、結(jié)晶較少的狀態(tài)轉(zhuǎn)變到有序性較高、結(jié)晶較多的狀態(tài)時(shí)，該未受約束的纖維的長度可能發(fā)生的不可逆的改變。
參照圖1，該圖示意性地示出本公開的多孔薄片制品10的橫截面。制品10具有厚度T以及任何所需尺度的長度和寬度。制品10是這樣一種非織造網(wǎng)，其含有纏結(jié)的聚合物纖維12和嵌入該網(wǎng)中的吸附劑炭顆粒14。位于制品10中的較小的連通的孔(圖1中未指出)可以使環(huán)境空氣或其它流體通過(例如，流過)制品10的厚度維度。顆粒14吸附位于這種流體中的溶劑和其它潛在危險(xiǎn)性物質(zhì)。
圖2是本公開的具有兩個(gè)非織造層22和24的多層制品20的剖視圖。層22和24分別含有纖維和吸附劑顆粒(圖2中未指出)。層22和24可以彼此相同或不同，并且可以與圖1中的制品10相同或不同。例如，當(dāng)層22和24中的吸附劑顆粒由不同的物質(zhì)制成時(shí)，就可以從通過制品20的流體中除去不同的潛在危險(xiǎn)性物質(zhì)。當(dāng)層22和24中的吸附劑顆粒由相同的物質(zhì)制成時(shí)，與具有相同的總體組成和厚度的單層制品相比，可以更為有效地或者以更長的使用期從通過制品20的厚度維度的流體中除去潛在危險(xiǎn)性物質(zhì)。如果需要，多層制品(例如制品20)可以包含多于兩個(gè)的非織造層，例如，三個(gè)或更多、四個(gè)或更多、五個(gè)或更多、或者甚至10個(gè)或更多的層。
圖3是本公開的過濾器元件30的剖視圖。元件30的內(nèi)部可以填充多孔薄片制品31(例如圖1或圖2所示的制品)。殼體32和穿孔蓋33包圍薄片制品31。環(huán)境空氣通過開口36進(jìn)入過濾器元件30中、穿過薄片制品31(所述環(huán)境空氣中的潛在危險(xiǎn)性物質(zhì)在此被薄片制品31中的顆粒吸附)、并通過安裝在支持件37上的進(jìn)氣閥35離開元件30。套口接頭38和卡口凸緣39使得過濾器元件30可以以可更換方式安裝到呼吸裝置(例如圖4所示的本公開的裝置40)上。裝置40是如美國專利No.5,062,421(Burns等人)所示的、所謂的半截式面罩。裝置40包括伏貼的軟性面殼42，面殼42可以圍繞相對(duì)較薄的剛性結(jié)構(gòu)件或嵌件44進(jìn)行嵌件成型。嵌件44包括呼氣閥45、以及用于將過濾器元件30可拆式地安裝在裝置40的面頰區(qū)中的凹進(jìn)式卡口-螺紋開口部(圖4未示出)?？烧{(diào)節(jié)的頭帶46和頸帶48使得裝置40可以被牢固地戴在佩帶者的鼻子和嘴上。這種裝置的結(jié)構(gòu)的其它細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
圖5示出本公開的呼吸裝置50的局部橫截面。裝置50是如美國專利No.6,234,171B1(Springett等人)所示的拋棄型面罩。裝置50具有大體上呈杯狀的殼體或呼吸裝置主體51，該殼體或呼吸裝置主體51由外覆網(wǎng)52、非織造網(wǎng)53(含有如圖1或圖2所示的吸附劑顆粒)和內(nèi)覆網(wǎng)54構(gòu)成。焊接邊緣55將這些層保持在一起并形成面部密封區(qū)，以減少從裝置50的邊緣處產(chǎn)生的泄漏。裝置50包括可調(diào)節(jié)的頭帶和頸帶56，它們通過調(diào)整片57固定到裝置50上；易彎的極軟的金屬鼻帶58，其由諸如鋁之類的金屬構(gòu)成；以及呼氣閥59。這種裝置的結(jié)構(gòu)的其它細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
圖6示出用于以熔噴法制備裝填有顆粒的非織造網(wǎng)的本公開設(shè)備60。熔融的成纖聚合物材料經(jīng)入口63進(jìn)入非織造工藝用模頭62、流過模腔66中的?？p64(均以虛線示出)、并離開模腔66穿過孔(例如孔67)而成為一系列的原絲68。通過進(jìn)氣歧管70引入的細(xì)化用流體(通常為空氣)將原絲68細(xì)化成纖維98。同時(shí)，吸附劑顆粒74通過料斗76，經(jīng)過送料輥78和刮刀80。機(jī)動(dòng)的刷輥82帶動(dòng)送料輥78旋轉(zhuǎn)?？梢砸苿?dòng)帶螺紋的調(diào)節(jié)裝置84來改善橫幅均勻性和顆粒經(jīng)過送料輥78漏下的速度。可以通過改變送料輥78的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)總體的顆粒流速。可以針對(duì)不同的顆粒而改變送料輥78的表面以使進(jìn)料性能達(dá)到最佳化。吸附劑顆粒74形成的料流86從送料輥78落下并穿過滑槽88?？諝饣蚱渌黧w通過歧管90和腔體92，并引導(dǎo)下落的顆粒74穿過管道94形成流體96，將其導(dǎo)入原絲68和纖維98。顆粒74和纖維98的混合物落在多孔收集器100上并形成裝填有顆粒的自支承型非織造熔噴網(wǎng)102。采用這種設(shè)備實(shí)施熔噴操作所用的方式的其它細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
圖7示出用于以紡粘法制備裝填有顆粒的非織造網(wǎng)的本公開設(shè)備106。熔融的成纖聚合物材料經(jīng)入口111進(jìn)入大致垂直設(shè)置的非織造工藝用模頭110、向下流過模腔114中的歧管112和?？p113(均以虛線示出)、并離開模腔114穿過孔(例如位于噴絲頭117中的孔118)而成為一系列的向下延伸的原絲140。經(jīng)管道130和132引入的淬火用流體(通常為空氣)至少使原絲140的表面硬化。將至少部分硬化的原絲140拉向收集器142，同時(shí)通過大致相對(duì)設(shè)置的細(xì)化用流體(通常為空氣)流將其細(xì)化成纖維141，其中細(xì)化用流體流經(jīng)過管道134和136供入。同時(shí)，采用如圖6中通過部件76-94示出的裝置，使吸附劑顆粒74通過料斗76、經(jīng)過送料輥78和刮刀80。由顆粒74形成的料流96通過噴嘴94被引導(dǎo)到纖維141中。顆粒74和纖維141的混合物落在輥143和144承載的多孔收集器142上，并形成裝填有顆粒的自支承型非織造紡粘網(wǎng)146。與輥144相對(duì)設(shè)置的軋光輥148壓縮網(wǎng)146中的纖維并使其以點(diǎn)粘結(jié)，從而制成裝填有顆粒的、軋光的紡粘非織造網(wǎng)150。采用這種設(shè)備實(shí)施紡粘操作所用的方式的其它細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
圖8示出用于以熔噴法制備裝填有顆粒的非織造網(wǎng)的本公開設(shè)備160。該設(shè)備采用兩個(gè)大致縱向的傾斜設(shè)置的非織造工藝用模頭66，這兩個(gè)非織造工藝用模頭66向收集器100噴出大致相對(duì)的原絲流162和164。同時(shí)，吸附劑顆粒74通過料斗166并進(jìn)入導(dǎo)管168。氣動(dòng)渦輪170推動(dòng)空氣通過第二導(dǎo)管172，從而將顆粒從導(dǎo)管168抽到第二導(dǎo)管172中。顆粒通過噴嘴174噴出而成為顆粒流176，由此使顆粒與原絲流162和164混合，或者與所得到的細(xì)化纖維178混合。顆粒74和纖維178的混合物落在多孔收集器100上，并形成裝填有顆粒的自支承型非織造網(wǎng)180。與圖6所示的設(shè)備相比，圖8所示的設(shè)備通常會(huì)使吸附劑顆粒分散地更為均勻。采用圖8所示設(shè)備實(shí)施熔噴操作所用的方式的其它細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
有多種成纖聚合物材料可以采用，這些材料包括熱塑性材料，例如聚氨酯彈性材料(例如，可得自Huntsman LLC公司的商品名為IROGRANTM的和可得自Noveon公司的商品名為ESTANETM的那些產(chǎn)品)、聚丁烯彈性材料(例如，可得自E.I.DuPont de Nemours & Co.公司的商品名為CRASTINTM的那些產(chǎn)品)、聚酯彈性材料(例如，可得自E.I.DuPont de Nemours & Co.公司的商品名為HYTRELTM的那些產(chǎn)品)、聚醚嵌段共聚酰胺彈性材料(例如，可得自AtofinaChemicals公司的商品名為PEBAXTM的那些產(chǎn)品)、以及彈性苯乙烯系嵌段共聚物(例如，可得自Kraton Polymers公司商品名為KRATONTM的和可得自Dynasol Elastomers公司的商品名為SOLPRENETM的那些產(chǎn)品)。有些聚合物可以被拉伸到遠(yuǎn)超過其初始松弛長度的125％的程度，并且在釋放這種偏置力(biasing force)時(shí)，大多數(shù)都會(huì)恢復(fù)到大體上為其初始松弛長度的狀態(tài)，后者這樣的材料通常是優(yōu)選的。熱塑性聚氨酯、聚丁烯和苯乙烯系嵌段共聚物是特別優(yōu)選的。如果需要，網(wǎng)的一部分可以由沒有所述的彈性或結(jié)晶收縮性的其它纖維來代替，所述的其它纖維例如為常規(guī)聚合物(例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)纖維；多組分纖維(例如皮芯纖維、可裂開型或并列型雙組分纖維、以及所謂的“海島”纖維)；短纖(例如，天然材料短纖或合成材料短纖)；等等。但是，優(yōu)選以相對(duì)較少的量使用所述的其它纖維，以免不當(dāng)?shù)亟档退璧奈絼┭b填水平和最終的網(wǎng)的性能。
不希望受理論的束縛，我們認(rèn)為纖維的彈性或結(jié)晶收縮性會(huì)促進(jìn)非織造網(wǎng)的自固結(jié)或致密化作用，減小網(wǎng)中的孔容積，或者減少氣體可在不遇到可利用的吸附劑顆粒的情況下通過其中的這種通道。在有些情況中，可通過使用(例如)噴水或噴射其它冷卻流體將網(wǎng)強(qiáng)制冷卻、或者通過對(duì)收集的網(wǎng)以受限或非受限的方式進(jìn)行退火，來促進(jìn)致密化。優(yōu)選的退火時(shí)間和溫度根據(jù)不同的因素而變化，這些因素包括所采用的聚合物纖維以及吸附劑顆粒裝填水平。對(duì)于采用聚氨酯纖維制備的網(wǎng)而言，一般性的指導(dǎo)方案是退火時(shí)間優(yōu)選為小于大約1小時(shí)。
有多種吸附劑顆?？梢圆捎谩＠硐氲氖?，吸附劑顆粒將能夠吸收或吸附預(yù)期在目標(biāo)使用條件下會(huì)存在的各種氣體、氣溶膠或液體。吸附劑顆?？蔀槿魏慰捎玫男问?，包括小珠、片、顆?；蚓奂w。優(yōu)選的吸附劑顆粒包括活性炭；氧化鋁和其它金屬氧化物；碳酸氫鈉；可以通過吸附、化學(xué)反應(yīng)或汞齊化的方式從流體中除去某種組分的金屬顆粒(例如，銀顆粒)；顆粒狀的催化劑，例如霍加拉特(其可以催化一氧化碳的氧化反應(yīng))；經(jīng)酸性溶液(例如乙酸)或堿性溶液(例如氫氧化鈉水溶液)處理過的粘土和其它礦物材料；離子交換樹脂；分子篩和其它沸石；二氧化硅；殺菌劑；殺真菌劑和殺病毒劑?；钚蕴亢脱趸X是特別優(yōu)選的吸附劑顆粒。可以采用吸附劑顆粒的混合物(例如)以吸附氣體混合物，但是在實(shí)際上，對(duì)處理氣體混合物來說，制備一種在各層中分別采用不同吸附劑顆粒的多層薄片制品可能會(huì)更好。理想的吸附劑顆粒尺寸可廣泛地變化，通常部分地根據(jù)預(yù)期使用條件來選擇該尺寸。作為一般性的指導(dǎo)方案，吸附劑顆粒的尺寸可在平均直徑為大約5-3000微米的范圍內(nèi)變化。優(yōu)選的是，吸附劑顆粒的平均直徑小于約1500微米，更優(yōu)選的是，其平均直徑在約30微米到約800微米之間，最優(yōu)選的是，其平均直徑在約100微米到約300微米之間。也可以采用由具有不同尺寸范圍的吸附劑顆粒形成的混合物(例如，雙峰形式的混合物)，但是在實(shí)際上，制備這樣一種多層薄片制品可能會(huì)更好，其中，位于上游的層采用較大的吸附劑顆粒，而位于下游的層采用較小的吸附劑顆粒。至少80重量％、更優(yōu)選為至少84重量％、最優(yōu)選為至少90重量％的吸附劑顆粒嵌入網(wǎng)中。
在有些實(shí)施方案中，使用壽命可能會(huì)受到以下因素的影響，所述因素為非織造網(wǎng)的收集器側(cè)相對(duì)于預(yù)期的流體流動(dòng)方向是定位于上游還是下游。有時(shí)根據(jù)所用的具體的吸附劑顆粒，使用這兩種定位方式都會(huì)觀察到使用壽命得到延長。
非織造網(wǎng)或過濾器元件的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱?？梢允褂妙愃朴趨⒖嘉墨I(xiàn)Wood，Journal of the American IndustrialHygiene Association，55(1)11-15(1994)中所述的參數(shù)或測量結(jié)果來計(jì)算吸附系數(shù)A，其中kv＝根據(jù)下式的、吸附劑捕獲C6H12蒸氣的有效吸附速度系數(shù)(分鐘-1)，所述式子為C6H12蒸氣→吸附在吸附劑上的C6H12。
We＝吸附劑填充床或吸附劑裝填網(wǎng)的有效吸附容量(gC6H12/g吸附劑)，其中，該吸附劑填充床或吸附劑裝填網(wǎng)接觸在標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下以30L/分鐘的流速(面速度為4.9cm/秒)流動(dòng)的1000ppmC6H12蒸氣，該有效吸附容量是對(duì)0到50ppm(5％)的C6H12透過量而做的吸附曲線進(jìn)行迭代曲線擬合而確定的。
SL＝吸附劑填充床或吸附劑裝填網(wǎng)的使用壽命(分鐘)，其中，該吸附劑填充床或吸附劑裝填網(wǎng)接觸在標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下以30L/分鐘的流速(面速度為4.9cm/秒)流動(dòng)的1000ppm C6H12蒸氣，該使用壽命基于C6H12透過量達(dá)到10ppm(1％)所需的時(shí)間。
ΔP＝吸附劑填充床或吸附劑裝填網(wǎng)與標(biāo)準(zhǔn)溫度和標(biāo)準(zhǔn)壓力下以85L/分鐘的流速(面速度為13.8cm/秒)流動(dòng)的空氣接觸時(shí)的壓力降(mm水柱)。
參數(shù)kv通常不是直接測得的。而是可以采用多變量曲線擬合和下式來求解kv而確定
CxCo=(1+exp[kv×Wρβ×Q-kv×Co×tWe×ρβ×103])-1]]>其中Q＝測試用流速(challenge flow rate)(L/分鐘)；Cx＝C6H12出口濃度(g/L)；Co＝C6H12入口濃度(g/L)；W＝吸附劑重量(g)；t＝接觸時(shí)間；ρβ＝吸附劑填充床的密度或吸附劑裝填網(wǎng)的有效密度，其中，g吸附劑是吸附劑材料的重量(排除網(wǎng)重，如果有網(wǎng)的話)，cm3吸附劑是吸附劑的總體積，cm3網(wǎng)是吸附劑裝填網(wǎng)的總體積，填充床的ρβ的單位是g吸附劑/cm3吸附劑，吸附劑裝填網(wǎng)的ρβ的單位是g吸附劑/cm3網(wǎng)。然后，可以采用下式確定吸附系數(shù)AA＝(kv×SL)/ΔP。
吸附系數(shù)可以為(例如)至少3×104/mm水柱、至少4×104/mm水柱、或者至少5×104/mm水柱。令人意外的是，本發(fā)明的有些實(shí)施方案的吸附系數(shù)高于已知的高品質(zhì)炭填充床的吸附系數(shù)(如下述對(duì)比例1所示的吸附系數(shù)為約3.16×104/mm水柱)。
還可以計(jì)算另一個(gè)系數(shù)Avol，該系數(shù)將吸附系數(shù)A與產(chǎn)品總體積關(guān)聯(lián)起來。Avol的單位是g吸附劑/cm3網(wǎng)·mm水柱，可以采用下式計(jì)算AvolAvol＝A×ρβAvol優(yōu)選為至少約3×103g吸附劑/cm3網(wǎng)·mm水柱，更優(yōu)選為至少約6×103g吸附劑/cm3網(wǎng)·mm水柱，最優(yōu)選為至少約9×103g吸附劑/cm3網(wǎng)·mm水柱。
下面將參照非限制性的例子來描述本發(fā)明，其中，除非另有說明，所有的份數(shù)和百分?jǐn)?shù)都是以重量計(jì)算的。
實(shí)施例1-20和對(duì)比例1-6
采用如圖8所示的、具有兩股合并的縱向原絲流的熔噴設(shè)備，在210℃的聚合物熔融溫度、鉆有孔的模頭和模頭-收集器間距為28cm的條件下，用多種成纖聚合物材料以143-250g/小時(shí)/cm的速度擠出，從而制備一系列的裝填有炭的熔噴非織造網(wǎng)。調(diào)節(jié)擠出速度(以及其它加工參數(shù)，如果需要的話)，以得到有效纖維直徑為17-32微米的網(wǎng)，其中，對(duì)于網(wǎng)的大部分而言，有效纖維直徑為17-23微米。對(duì)制成的網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定炭裝填水平和參數(shù)kv、SL、ΔP、ρβ、A和Avol。在不同的環(huán)境溫度和濕度條件下采用位于不同位置的成網(wǎng)裝置制備網(wǎng)。由此制成多種具有相似的成分和裝填水平、但是表現(xiàn)出一些性能差異的多種網(wǎng)。針對(duì)從Kuraray GG12×20型活性炭制備的炭填充床、以及從聚丙烯或聚氨酯制備的炭裝填水平低的網(wǎng)收集對(duì)比數(shù)據(jù)。下表1列出了實(shí)施例或?qū)Ρ壤幪?hào)、聚合物材料、炭的類型、熔噴模頭的數(shù)量(對(duì)于圖8所示的設(shè)備，該值為2，而對(duì)于對(duì)比例1所示的炭填充床，該值為0)、炭裝填水平、以及上文所述的參數(shù)。參數(shù)SL和ΔP以比值SL/ΔP的方式示出。該表的數(shù)據(jù)按A值大小排序。
表1


(1)PS 440-200是熱塑性聚氨酯(可購自Huntsman LLC公司)。
PS 164-200是熱塑性聚氨酯(可購自Huntsman LLC公司)。
F3960是商品名為FINATM3960的聚內(nèi)烯均聚物(可購自Atofina Chemicals公司)。
表1中的數(shù)據(jù)顯示出本發(fā)明可以得到極高的吸附系數(shù)A值，在許多情況中還超過了炭填充床的吸附系數(shù)A。由聚丙烯制備的網(wǎng)(對(duì)比例2-4和對(duì)比例6)、以及采用彈性纖維但是炭裝填量低于大約80重量％的網(wǎng)(對(duì)比例5)具有較低的吸附系數(shù)A值。例如，用PS 440-200聚氨酯裝填有91重量％的12×20炭制成的網(wǎng)具有27,092-60,433/mm水柱的吸附系數(shù)A值，而采用FINA 3960聚丙烯和91重量％的12×20的炭制備的性能最優(yōu)的網(wǎng)也僅具有15,413/mm水柱的吸附系數(shù)A(實(shí)施例1和17與對(duì)比例2相比較)。即使在炭裝填水平較低的聚氨酯網(wǎng)的情況下，與上述的聚丙烯網(wǎng)相比較，這種性能上的優(yōu)勢也仍然保持(實(shí)施例4與對(duì)比例2相比較)，只要炭裝填水平不低于大約80重量％(例如，參見對(duì)比例5)即可。
實(shí)施例21-41和對(duì)比例7-30采用如圖6所示的、具有單股的水平原絲流的熔噴設(shè)備，在210℃的聚合物熔融溫度、鉆有孔的模頭和模頭-收集器間距為30.5cm的條件下，用多種成纖聚合物材料以143-250g/小時(shí)/cm的速度擠出，從而制備一系列的裝填有炭的熔噴非織造網(wǎng)。調(diào)節(jié)擠出速度(以及其它加工參數(shù)，如果需要的話)，以得到有效纖維直徑為14-24微米的網(wǎng)，其中，網(wǎng)的大部分的有效纖維直徑為17-23微米。對(duì)制成的網(wǎng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定炭裝填水平和參數(shù)kv、SL、ΔP、ρβ、A和Avol。表1中的對(duì)比例1的數(shù)據(jù)一起列在下表2中，表2列出了實(shí)施例或?qū)Ρ壤幪?hào)、聚合物材料、炭的類型、熔噴模頭的數(shù)量(對(duì)于圖6所示的設(shè)備，該值為1，而對(duì)于對(duì)比例1所示的炭填充床，該值為0)、炭裝填水平、以及上文所述的參數(shù)。參數(shù)SL和ΔP以比值SL/ΔP的方式示出。該表的數(shù)據(jù)按A值大小排序。
表2



(2)PS 440-200是熱塑性聚氨酯(可購自Huntsman LLC公司)。
G3548L是商品名為HYTRELTMG3548L的熱塑性聚丁烯/聚(亞烷基醚)鄰苯二甲酸酯彈性體(可購自DuPont Plastics公司)。
F3868是商品名為FINA3868的聚丙烯均聚物(可購自Atofina Chemicals公司)。
PB 0400是商品名為POLYBUTENE-1TM的Grade PB 0400的熱塑性聚丁烯彈性體(可購自BasellPolyolefins公司)。
G-1657是商品名為KRATONTMG-1657的苯乙烯系二/三嵌段共聚物(可購自Kraton Polymers公司)。
F3960是商品名為FINA 3960的聚丙烯均聚物(可購自Atofina Chemicals公司)。
E-1200是商品名為EASTOFLEXTME-1200的無定形聚(內(nèi)烯-乙烯)共聚物(可購自EastmanChemicals公司)。
D2503是商品名為DOWLEXTM2503的線性低密度低分子量聚乙烯樹脂(可購自Dow Plastics公司)。
表2中的數(shù)據(jù)顯示出本發(fā)明可以得到極高的吸附系數(shù)A值。但是，這些值通常低于表1所示的那些值。在有些情況中，采用與表1所用相同的材料和量制備并含有超過80重量％的炭顆粒的網(wǎng)并沒有表現(xiàn)出至少為1.6×104/mm水柱的吸附系數(shù)A(例如，實(shí)施例5和對(duì)比例12相比較)。據(jù)信，這至少部分歸因于在表2制備的網(wǎng)中，炭顆粒分散的均勻程度明顯較差；此外，可能還至少部分歸因于使用的是單層網(wǎng)而不是兩層網(wǎng)。
實(shí)施例42-43和比較例31-32采用與實(shí)施例21-41所用設(shè)備相同的、具有單股的水平原絲流的熔噴設(shè)備，并采用收集之后真空成形的步驟來固結(jié)所得到的網(wǎng)，從而用多種成纖聚合物材料制成一系列的裝填有炭的熔噴非織造網(wǎng)，并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，以確定炭裝填水平和參數(shù)kv、SL、ΔP、ρβ、A和Avol。表1中的對(duì)比例1的數(shù)據(jù)一起列在下表3中，表3列出了實(shí)施例或?qū)Ρ壤幪?hào)、聚合物材料、炭的類型、熔噴模頭的數(shù)量(對(duì)于圖6所示的設(shè)備，該值為1，而對(duì)于對(duì)比例1所示的炭填充床，該值為0)、炭裝填水平、以及上文所述的參數(shù)。參數(shù)SL和ΔP以比值SL/ΔP的方式示出。該表的數(shù)據(jù)按A值大小排序。
表3

(3)PS 440-200是熱塑性聚氨酯(可購自Huntsman LLC公司)。
F3960是商品名為FINA 3960的聚丙烯均聚物(可購自Atofina Chemicals公司)。
表3中的結(jié)果顯示出采用真空方式后成形技術(shù)來固結(jié)所得到的網(wǎng)可以使吸附系數(shù)A提高(例如，實(shí)施例42與實(shí)施例21相比較，以及，對(duì)比例31和32與對(duì)比例10相比較)。但并不是總能觀察到這種提高的效果(例如，實(shí)施例43與實(shí)施例30和31相比較)。
實(shí)施例44采用實(shí)施例21的一般方法，用PS 440-200熱塑性聚氨酯和40×140的炭顆粒制備單層網(wǎng)。制成的網(wǎng)含有0.202g/cm2的炭(91重量％的炭)，并且有效纖維直徑為15微米。采用美國專利No.3,971,373(Braun)中實(shí)施例19的方法，使81cm2的實(shí)施例44制備的網(wǎng)樣品(總含炭量為16.3g)與空氣接觸，該空氣的相對(duì)濕度＜35％、流速為14L/分鐘、并含有250ppm的甲苯蒸氣。圖9是用實(shí)施例44制備的網(wǎng)得到的下游甲苯濃度的圖(曲線B)、以及用Braun的實(shí)施例19制備的網(wǎng)得到的下游甲苯濃度的圖(曲線A)。Braun的實(shí)施例19制備的網(wǎng)含有聚丙烯纖維和17.4g的總炭量(89重量％的炭)。如圖9所示，盡管實(shí)施例44制備的網(wǎng)含有較少的炭，但Braun的實(shí)施例19制備的網(wǎng)仍表現(xiàn)出明顯低于實(shí)施例44制備的網(wǎng)的吸附容量。
實(shí)施例45采用實(shí)施例21的一般方法，用PS 440-200熱塑性聚氨酯制備雙層網(wǎng)，其中第一層采用12×20的炭顆粒，第二層采用40×140的炭顆粒。第一層含有0.154g/cm2的炭(91重量％的炭)，并且有效纖維直徑為26微米。第二層含有0.051g/cm2的炭(91重量％的炭)，并且有效纖維直徑為15微米。采用美國專利No.3,971,373(Braun)中實(shí)施例20的方法，使81cm2的實(shí)施例45制備的網(wǎng)樣品(總含炭量為16.6g)與空氣接觸，該空氣的相對(duì)濕度＜35％、流速為14L/分鐘、并含有350ppm的甲苯蒸氣。圖10是用實(shí)施例45制備的網(wǎng)得到的下游甲苯濃度的圖(曲線B)、以及用Braun的實(shí)施例20制備的網(wǎng)得到的下游甲苯濃度的圖(曲線A)。Braun的實(shí)施例20制備的網(wǎng)含有聚丙烯纖維和18.9g的總炭量(85重量％的炭)。如圖10所示，盡管實(shí)施例45制備的網(wǎng)含有較少的炭，但Braun的實(shí)施例20制備的網(wǎng)仍表現(xiàn)出明顯低于實(shí)施例45制備的網(wǎng)的吸附容量。
對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說顯而易見的是，可以在不偏離本發(fā)明的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改變和變形。本發(fā)明不應(yīng)受限于在此列出的內(nèi)容，這些內(nèi)容僅用于示例性目的。
權(quán)利要求
1.一種多孔薄片制品，其包含自支承型的聚合物纖維非織造網(wǎng)以及嵌入該網(wǎng)中的占至少80重量％的吸附劑顆粒，所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其具有多個(gè)非織造網(wǎng)層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中所述纖維包括熱塑性聚氨酯彈性體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中所述纖維包括熱塑性聚丁烯彈性體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中所述纖維包括熱塑性聚酯彈性體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中所述纖維包括熱塑性苯乙烯系嵌段共聚物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中所述吸附劑顆粒包括活性炭或氧化鋁。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中占至少84重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其中占至少90重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其吸附系數(shù)A為至少3×104/mm水柱。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其吸附系數(shù)A為至少4×104/mm水柱。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的制品，其吸附系數(shù)A為至少5×104/mm水柱。
13.一種制備多孔薄片制品的方法，該多孔薄片制品包含自支承型的聚合物纖維非織造網(wǎng)和吸附劑顆粒，該方法包括以下步驟a)使熔融聚合物流過多個(gè)孔以形成原絲；b)將所述原絲細(xì)化成纖維；c)將吸附劑顆粒流引入所述原絲或所述纖維中；以及d)收集所述纖維和所述吸附劑顆粒成為非織造網(wǎng)；其中，占至少80重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中，并且所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，該方法包括熔噴所述原絲的步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述的熔融聚合物包括熱塑性聚氨酯彈性體。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述的熔融聚合物包括熱塑性聚丁烯彈性體。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述的熔融聚合物包括熱塑性聚酯彈性體。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述的熔融聚合物包括熱塑性苯乙烯系嵌段共聚物。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所述的吸附劑顆粒包括活性炭或氧化鋁。
20.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中占至少84重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中占至少90重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
22.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少3×104/mm水柱。
23.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少4×104/mm水柱。
24.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少5×104/mm水柱。
25.一種呼吸裝置，該呼吸裝置具有內(nèi)部部分，其通常至少罩住佩帶者的鼻子和嘴；進(jìn)氣通道，用于向所述內(nèi)部部分提供環(huán)境空氣；以及多孔薄片制品，其被布置成橫過所述進(jìn)氣通道，以過濾所供入的空氣，該多孔薄片制品包含自支承型的聚合物纖維非織造網(wǎng)和嵌入該網(wǎng)中的占至少80重量％的吸附劑顆粒，所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該制品的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的呼吸裝置，其中所述的聚合物纖維包括熱塑性聚氨酯彈性體、熱塑性聚丁烯彈性體、熱塑性聚酯彈性體、或熱塑性苯乙烯系嵌段共聚物。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的呼吸裝置，其中所述的吸附劑顆粒包括活性炭或氧化鋁。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的呼吸裝置，其中占至少84重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
29.根據(jù)權(quán)利要求25的呼吸裝置，其中占至少90重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
30.根據(jù)權(quán)利要求25的呼吸裝置，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少3×104/mm水柱。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的呼吸裝置，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少4×104/mm水柱。
32.根據(jù)權(quán)利要求25的呼吸裝置，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少5×104/mm水柱。
33.一種用于呼吸裝置的可更換式過濾器元件，該元件具有支持結(jié)構(gòu)，用于將該元件安裝在該裝置上；殼體；以及多孔薄片制品，其被布置在該殼體中，從而使得該元件可以過濾進(jìn)入該裝置的空氣，該多孔薄片制品包含自支承型的聚合物纖維非織造網(wǎng)以及嵌入該網(wǎng)中的占至少80重量％的吸附劑顆粒，所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維的彈性或結(jié)晶收縮性，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該元件的吸附系數(shù)A為至少1.6×104/mm水柱。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其中所述的聚合物纖維包括熱塑性聚氨酯彈性體、熱塑性聚丁烯彈性體、熱塑性聚酯彈性體、或熱塑性苯乙烯系嵌段共聚物。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其中所述的吸附劑顆粒包括活性炭或氧化鋁。
36.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其中占至少84重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
37.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其中占至少90重量％的所述吸附劑顆粒嵌入該網(wǎng)中。
38.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少3×104/mm水柱。
39.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少4×104/mm水柱。
40.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其中該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少5×104/mm水柱。
41.根據(jù)權(quán)利要求33的過濾器元件，其吸附系數(shù)A會(huì)高于置于殼體中的炭填充床所表現(xiàn)出的吸附系數(shù)A。
全文摘要
一種多孔薄片制品，其包含自支承型的聚合物纖維非織造網(wǎng)以及嵌入該網(wǎng)中的占至少80重量％的吸附劑顆粒，所述纖維的彈性或結(jié)晶收縮性充分大于直徑與其相似的聚丙烯纖維，并且所述的吸附劑顆粒充分均勻地分散在該網(wǎng)中，從而使得該網(wǎng)的吸附系數(shù)A為至少1.6×10
文檔編號(hào)A62B7/10GK101057016SQ200580038135
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月8日
發(fā)明者拉里·A·布雷, 安德魯·S·瓦伊納, 馬爾文·E·瓊斯, 約翰·E·特倫德, 雷蒙德·森庫斯(死亡), 瑪莉·E·森庫斯(雷蒙德·森庫斯的法定代表), 托馬斯·I·英斯利 申請人:3M創(chuàng)新有限公司