專利名稱：采用成形的含顆粒非織造纖維網(wǎng)的過濾元件的制作方法
采用成形的含顆粒非織造纖維網(wǎng)的過濾元件
背景技術(shù)：
本發(fā)明整體涉及采用成形的含顆粒非織造纖維網(wǎng)的過濾元件。更具體地講，本發(fā)明涉及包括保形自支承的非織造纖維網(wǎng)的過濾元件，其中所述纖維網(wǎng)具有三維變形。本發(fā)明還涉及包括此類過濾元件的呼吸保護系統(tǒng)。在存在蒸氣和其他危險性氣源物質(zhì)的情況下使用的呼吸保護裝置通常采用包含吸附劑顆粒的過濾元件。此類過濾元件的設(shè)計會涉及到有時是相互競爭之因素的平衡，所述因素諸如為壓降、耐沖擊性、整體使用壽命、重量、厚度、總體尺寸、對潛在的損害力(如振動或磨損)的抵抗能力以及樣品之間的差異性。填充有吸附劑顆粒的纖維網(wǎng)通常具有較低的壓降以及其他優(yōu)點。填充有吸附劑顆粒的纖維網(wǎng)已被組裝到杯狀模制呼吸器中。參見，如授予Braim 的美國專利No. 3，971，373。此類呼吸保護裝置的典型構(gòu)造包括在一對保形層之間布置的一個或多個含顆粒和顆粒保持層。參見例如授予Springett等人的美國專利No. 6，102，039。 保形層為另外相對柔軟的中間層提供結(jié)構(gòu)完整性，以使得組件整體可以保持為杯形。一直需要具有有利性能特性、結(jié)構(gòu)完整性、較簡單構(gòu)造且易于制造的過濾元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及采用多孔保形自支承的非織造纖維網(wǎng)的過濾元件。所述纖維網(wǎng)包括熱塑性彈性聚合物纖維和布置在所述纖維內(nèi)的活性顆粒，并且所述纖維網(wǎng)具有三維變形。在一個實施中，三維變形的特征在于沿纖維網(wǎng)厚度方向具有均勻密度。在另一個實施中，三維變形的特征在于沿整個變形至少一個方向的厚度變化不超過5倍。在另一個實施中，三維變形具有這樣的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏離平面構(gòu)型，且偏離量為那一位置纖維網(wǎng)厚度的至少0.5倍。


結(jié)合附圖對本發(fā)明的各種實施例所做的以下詳細說明可以更全面地理解本發(fā)明， 其中圖1為根據(jù)本發(fā)明的多孔非織造纖維網(wǎng)的局部示意透視圖；圖2為使用具有三維變形的保形自支承非織造纖維網(wǎng)的一個示例性過濾元件的橫截面示意透視圖；圖3為包括具有三維變形的保形自支承非織造纖維網(wǎng)的另一個示例性過濾元件的橫截面示意透視圖；圖4為包括具有三維變形的保形自支承非織造纖維網(wǎng)的另一個示例性過濾元件的橫截面示意透視圖；圖5為包括具有二維或多于三維變形的保形自支承非織造纖維網(wǎng)的另一個示例性過濾元件的橫截面示意圖；圖6是布置于濾筒中的根據(jù)本發(fā)明的示例性過濾元件的示意性剖視圖7為使用圖6所示過濾元件的示例性呼吸保護系統(tǒng)的透視圖；圖8為使用圖3所示的根據(jù)本發(fā)明的示例性過濾元件的一次性呼吸保護裝置的局部截面透視圖；圖9為徑向過濾系統(tǒng)的剖視圖，所述徑向過濾系統(tǒng)例如使用圖4所示的根據(jù)本發(fā)明的示例性過濾元件且適用于集體防護系統(tǒng)的那些；圖10示出了制備根據(jù)本發(fā)明的具有三維變形的保形自支承非織造纖維網(wǎng)的一個示例性方法。附圖未必按比例繪制。在附圖中使用的相同的標號表示相同的部件。然而，在給定附圖中使用標號來表示組件并非意圖限制標記有相同標號的其他附圖中的組件。
具體實施例方式在下面的說明中，參考了附圖，附圖形成說明的一部分，并且在附圖中通過舉例說明的方式示出了若干特定的實施例。應(yīng)當理解，在不偏離本發(fā)明的范圍或精神的前提下可以設(shè)想其他的實施例并進行實施。因此，以下的具體實施方式
不應(yīng)被理解成具有限制性意義。除非另外指明，否則本文所用的所有科技術(shù)語具有在本領(lǐng)域中通常使用的含義。 本文給定的定義旨在有利于理解本文頻繁使用的某些術(shù)語，并無限制本發(fā)明范圍之意。除非另外指明，否則在所有情況下，說明書和權(quán)利要求書中用來表述特征尺寸、數(shù)量和物理特性的所有數(shù)字均應(yīng)理解為由術(shù)語“約”來修飾。因此，除非另外指明，否則上述說明書和所附權(quán)利要求書中給出的數(shù)值參數(shù)均為近似值，根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員利用本文所公開的教導(dǎo)內(nèi)容尋求獲得的所需特性情況，這些近似值可有所不同。用端點來表述的數(shù)值范圍包括該范圍內(nèi)包含的所有數(shù)字(例如，1至5包括1、 1. 5、2、2. 75,3,3. 80,4和5)以及該范圍內(nèi)的任意范圍。本說明書和所附權(quán)利要求中的單數(shù)形式“一種”、“一個”和“所述”均涵蓋具有多個指代物的實施例，除非其內(nèi)容明確指示另外的情況。如本說明書和所附權(quán)利要求書中所用，術(shù)語“或”的含義一般來講包括“和/或”，除非該內(nèi)容明確地表示其他含義。本發(fā)明的示例性實施例使用多孔保形自支承非織造纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)包含熱塑性彈性聚合物纖維和嵌入到纖維中的活性顆粒。根據(jù)本發(fā)明的纖維網(wǎng)的特征在于具有三維形狀或變形，所述形狀或變形可通過(例如)模制工藝賦予纖維網(wǎng)。本發(fā)明預(yù)期有利于成形模制過濾元件的制備，所述成形模制過濾元件用于呼吸器且具有以現(xiàn)有技術(shù)難以實現(xiàn)的性能及設(shè)計特征。制備成形過濾元件樹脂粘合碳粒的主要現(xiàn)有技術(shù)包括將細磨的樹脂顆粒與碳粒組合在一起，再在高溫和壓力下將其成形。此類碳填充形狀通常用于濾床中。然而，這一現(xiàn)有技術(shù)具有多個缺點。例如，將樹脂研磨為小顆粒以用于樹脂粘合顆粒工藝往往是一道成本相對昂貴的工序。另外，樹脂粘合工藝趨向于錮囚碳表面，從而降低碳的活性。相比之下，根據(jù)本發(fā)明的示例性過濾元件由于使用纖維代替了粘合樹脂，有望具有較低的壓降，并具有較低的加工成本，且能夠更好地保持碳活性。本發(fā)明的實施例的其他優(yōu)點包括使用暴風(fēng)雪式填充工藝制備出了濾床的替代形式，并能夠制備傳統(tǒng)填充床難以實現(xiàn)的過濾元件的復(fù)雜形狀。
圖1示意性地顯示了適用于本發(fā)明示例性實施例的多孔非織造纖維網(wǎng)10的一部分。如本說明書所用，單詞“多孔”是指該制品可充分地使氣體透過，以便可以用于個人呼吸保護裝置的過濾元件中。短語“非織造纖維網(wǎng)”是指具有纖維纏結(jié)或纖維以點粘合特征的纖維網(wǎng)。多孔非織造纖維網(wǎng)10包括布置于(例如嵌入)聚合物纖維網(wǎng)14a、14b、14c的活性顆粒12a、12b、12c。在非織造纖維網(wǎng)10中所形成的小的連通孔(例如在聚合物纖維網(wǎng)和顆粒之間)允許環(huán)境空氣或其他流體穿過非織造纖維網(wǎng)10?；钚灶w粒例如12a、12b、 12c能夠吸附存在于此類流體中的溶劑及其他潛在有毒的物質(zhì)。單詞“嵌入”在相對于非織造纖維網(wǎng)中的顆粒而使用時是指該顆粒充分粘合在網(wǎng)中或陷入網(wǎng)中，從而使得當所述纖維網(wǎng)經(jīng)受溫和的處理(如將纖維網(wǎng)懸垂在水平桿上)時，所述顆粒仍保持在纖維網(wǎng)之內(nèi)或纖維網(wǎng)之上。此類多孔非織造纖維網(wǎng)的例子及其制各方法在(例如)專利申請公布No. US 2006/0096911中有所描述。適用于本發(fā)明的一些實施例中的活性顆粒的例子包括吸附劑、催化劑和化學(xué)反應(yīng)性物質(zhì)?？刹捎枚喾N活性顆粒。在一些實施例中，活性顆粒能夠吸收或吸附預(yù)計在擬定使用條件下出現(xiàn)的氣體、氣溶膠或液體?；钚灶w粒可呈任何可使用的形式，包括小珠、薄片、顆?；蚓奂?。優(yōu)選的活性顆粒包括活性炭；氧化鋁和其它金屬氧化物；碳酸氫鈉；可通過吸附、化學(xué)反應(yīng)或汞齊化從流體移除組分的金屬顆粒(如銀顆粒)；粒狀催化劑，例如霍加拉特(其可催化一氧化碳的氧化)；納米尺寸的金顆粒；由酸性溶液(例如乙酸)或堿性溶液 (例如氫氧化鈉水溶液)處理過的粘土和其他礦物；離子交換樹脂；分子篩和其他沸石；硅石；殺菌劑；殺真菌劑和殺病毒劑?；钚蕴亢脱趸X是尤其優(yōu)選的活性顆粒。示例性催化劑材料包括能夠去除一氧化碳(CO)的Carulite 300(也稱作霍加拉特，一種氧化銅與二氧化錳的組合物(得自MSDS))，或包含納米尺寸的金顆粒的催化劑(涂覆有二氧化鈦并在二氧化鈦層上布置有納米尺寸的金顆粒的顆粒狀活性炭(美國專利申請No. 2004/0095189 Al)，所述顆粒狀活性炭可去除CO、OV及其他化合物。示例性化學(xué)反應(yīng)性物質(zhì)包括三亞乙基二胺、霍加拉特、氯化鋅、氧化鋁(針對氟化氫)、沸石、碳酸鈣和二氧化碳滌氣劑(如氫氧化鋰)。任何一個或多個此類化學(xué)反應(yīng)性物質(zhì)都可能以顆粒形式存在或者負載于顆粒上，通常負載于具有大表面積的顆粒上，如活性炭、 氧化鋁或沸石顆粒。根據(jù)本發(fā)明，在同一示例性多孔非織造纖維網(wǎng)中可使用不止一種類型的活性顆粒。例如，可使用活性顆?；旌衔飦砦綒怏w混合物。希望的活性顆粒的尺寸可能變化很大，且通常部分地根據(jù)擬定使用條件來選擇活性顆粒的尺寸。作為一般指導(dǎo)，所述活性顆粒的尺寸可以在約5至3000微米的平均直徑范圍內(nèi)變化。優(yōu)選的是，所述活性顆粒的平均直徑小于約1500微米，更優(yōu)選的平均直徑在約30和約800微米之間，而最優(yōu)選的平均直徑在約100和約300微米之間?？墒褂貌煌叽绶秶幕钚灶w粒的混合物(如雙峰式混合物)。 在本發(fā)明的一些實施例中，將超過60重量％的活性顆粒嵌入到纖維網(wǎng)中。在其他實施例中，優(yōu)選地將至少80重量％的活性顆粒、更優(yōu)選為至少84重量％以及最優(yōu)選為至少90重量％的活性顆粒嵌入到纖維網(wǎng)中。適用于本發(fā)明的一些實施例的聚合物纖維例子包括熱塑性聚合物纖維并且優(yōu)選為熱塑性彈性聚合物纖維。各種可形成纖維的聚合物材料均適用，包括熱塑性塑料例如聚氨酯彈性體材料(例如購自Huntsman LLC的商品名為IR0GRAN 的材料以及購自Noveon, Inc.的商品名為ESTANE 的材料)、熱塑性彈性體聚烯烴(例如購自Exxon Mobil Chemical的商品名為Vistamaxx的聚合物)、聚丁烯彈性體材料(例如購自E. I. Dupont de Nemours & Co.的商品名為CRASTIN 的材料)、聚酯彈性體材料(例如購自E. I. Dupont de Nemours & Co.的商品名為HYTREL 的材料)、聚醚嵌段共聚酰胺彈性體材料(例如購自 Atofina Chemicals, Inc.的商品名為PEBAX 的材料)以及彈性體苯乙烯嵌段共聚物(例如購自Kraton Polymers的商品名為KRAT0N 的材料以及購自Dynasol Elastomers的商品名為S0LPRENE 的材料)。某些聚合物可以拉伸至遠大于其初始松弛長度的125%，并且這些中的許多都可以在偏置力釋放之后基本恢復(fù)其初始松弛長度，一般優(yōu)選這后一類材料。尤其優(yōu)選熱塑性聚氨酯、熱塑性彈性體聚烯烴、聚丁烯以及苯乙烯嵌段共聚物。如果需要，纖維網(wǎng)的一部分可以表示其他不具有所列舉的彈性或結(jié)晶收縮性的纖維，例如傳統(tǒng)聚合物如聚對苯二甲酸乙二醇酯的纖維；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 “海島型”纖維)；短纖維(例如天然或合成材料的短纖維)等等。然而，優(yōu)選使用相對較少量的此類其他纖維，以不過度減損所需的吸附劑裝填量以及最終的纖維網(wǎng)性能。圖2為使用保形自支承的非織造纖維網(wǎng)22的一個示例性過濾元件20的橫截面示意透視圖，該纖維網(wǎng)可以是圖1所示的多孔非織造纖維網(wǎng)10。在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語 “保形”當涉及制品時，表示該制品具有足夠的回彈性和結(jié)構(gòu)完整性從而(i)在施加外力時抵抗變形或(ii)屈服于變形力但在移除變形力后可緊接著基本恢復(fù)到其初始形狀，其中變形力的大小和種類為所述制品意圖使用的通常條件下存在的典型變形力。術(shù)語“自支承” 當涉及制品時，表示該制品具有足夠的硬度從而能夠獨自保持非平面構(gòu)型，也就是說，不需要借助任何其他的支撐層或結(jié)構(gòu)。再次參見圖2，纖維網(wǎng)22具有三維變形對，所述三維變形以橫截面示出。特別是， 纖維網(wǎng)22并非平面構(gòu)型，即纖維網(wǎng)22的主表面2 和22b并非如典型非織造的含顆粒纖維網(wǎng)那樣為平面構(gòu)型且彼此平行，而是纖維網(wǎng)22被成形為使得其主表面2 和22b中至少一者偏離平面構(gòu)型。在該示例性實施例中，第一表面2 偏離平面構(gòu)型的距離高達Da，而第二表面2 偏離平面構(gòu)型的距離高達Db。纖維網(wǎng)22的特征還在于具有纖維網(wǎng)厚度T，所述纖維網(wǎng)厚度可定義為第一表面 22a與第二表面22b之間的距離。根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的變形的一些示例性尺寸包括纖維網(wǎng)厚度T為5至IOnm或更大。T值取決于過濾元件的預(yù)期最終用途以及其他考慮因素。變形M的特征還在于具有線性長度L，所述線性長度可定義為變形M在包括位移Da 的平面中的橫截面投影在變形M下方的平表面上的長度。在一些示例性實施例中，在測量位移的纖維網(wǎng)位置處，Da和Db中的至少一者為纖維網(wǎng)厚度T的至少0. 5倍。在示出的示例性實施例中，厚度T和位移Da均在位置23處進行測量。在其他示例性實施例中，在測量位移的纖維網(wǎng)位置處，Da和Db中的至少一者可以為纖維網(wǎng)厚度T的至少1至10倍、2至10倍、4至10倍、5至10倍、或10倍以上，具體取決于過濾元件的預(yù)期最終用途或其他考慮因素。再次參見圖2，示例性過濾元件20的纖維網(wǎng)22的主表面2 可以表征為凹形表面，而主表面22b可以表征為凸形表面。在一些此類示例性實施例中，凹形表面22a的特征在于在測量位移的纖維網(wǎng)位置處，偏離平面構(gòu)型的偏移量Da為纖維網(wǎng)厚度T的至少0. 5倍。在其他示例性實施例中，在測量位移的纖維網(wǎng)位置處，表面22a的Da可為纖維網(wǎng)厚度 T的至少1至10倍、2至10倍、4至10倍、5至10倍、或10倍以上，具體取決于過濾元件的預(yù)期最終用途或其他考慮因素。在一些典型示例性實施例中，線性變形長度L可以為厚度T的至少3至4倍、或3 至5倍。在其他示例性實施例中，線性變形長度L可以為厚度T的至少10至50倍、20至 50倍、30倍或以上、40倍或以上、或50倍或以上。L的一些示例性絕對值包括2cm、4cm或 IOcm或以上。L值及其與T的比值取決于多種因素，包括過濾元件的最終用途。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易認識到纖維網(wǎng)22的變形可具有其他合適的形狀和尺寸，包括但不限于圖3-4所示出的那些。圖3為使用保形自支承的非織造纖維網(wǎng)32的另一個示例性過濾元件30的橫截面示意透視圖。纖維網(wǎng)32具有三維變形34。在該示例性實施例中，第一表面3 偏離平面構(gòu)型的距離高達Da'，而第二表面3 偏離平面構(gòu)型的距離高達Db'。纖維網(wǎng)32的特征還在于具有變化的纖維網(wǎng)厚度Tl、T2、T3和T4，每一纖維網(wǎng)厚度均定義為第一表面3 與第二表面32b之間的距離。變形34特征還在于具有線條L'的線性長度。L'是變形34在包括位移Da的平面中的橫截面在變形34下方的平表面上的投影。優(yōu)選地，在具有變化纖維網(wǎng)厚度的實施例中，在整個變形34中沿至少一個方向的厚度變化不超過平均厚度Tav的10倍。更優(yōu)選地，在整個變形34中沿至少一個方向的厚度變化不超過平均厚度Tav的5倍，并且甚至更優(yōu)選不超過2倍、1倍，并且最優(yōu)選不超過 0.5倍。平均厚度可通過如下方式計算選擇整個變形34中的特定方向(例如沿纖維網(wǎng)32 和變形34在圖3所在頁面平面的橫截面)，測量纖維網(wǎng)厚度值，優(yōu)選沿所選方向測量至少4 個位置(如1、2、3和4)的值(即，值T1、T2、T3和T4)，然后按下列公式對這些值取平均Tav = (Tl+T2+T3+T4)/4在一些示例性實施例中，位置1、2、3和4的選擇可通過將L分為5段大致相等的部分并在4個內(nèi)部點處測量厚度。還參照圖3，用于示例性過濾元件30的示例性保形自支承的非織造纖維網(wǎng)32具有三維變形34，該三維變形特征在于沿該纖維網(wǎng)厚度方向具有均勻密度。更具體地講，在此類示例性實施例中，如果纖維網(wǎng)橫截面呈現(xiàn)出具有僅一個、兩個或更多個連續(xù)層的一體構(gòu)造， 那么纖維網(wǎng)密度可視為在厚度方向是均勻的，這與具有由一個或多個氣隙分隔開的兩個或更多個層的層狀結(jié)構(gòu)截然相反。在一些示例性實施例中，纖維網(wǎng)32的三維變形34的特征在于可具有相對較小值的密度梯度。在一個示例性實施例中，三維變形34的特征在于可具有小于20 1的密度梯度。在其他示例性實施例中，三維變形34的特征在于可具有小于10 1、3 1、或2 1 的密度梯度。密度梯度可按下列方法確定。從纖維網(wǎng)32的三維變形34的兩個不同位置選取兩個樣品，如圖3所示的位置1、2、3和4中的任意兩個。然后使用下列所述步驟確定密度δ 1 和δ 2，密度梯度δ g為較大的密度值δ 2與較小的密度值δ 1之比。圖4為使用保形自支承非織造纖維網(wǎng)42的另一個示例性過濾元件40的示意透視圖。纖維網(wǎng)42具有三維變形44。在該示例性實施例中，纖維網(wǎng)42的第一表面4 和第二表面42b偏離平面構(gòu)型使得纖維網(wǎng)42大致呈圓柱形。該示例性過濾元件尤其有利于用在為應(yīng)對混合氣體挑戰(zhàn)(如氨氣和有機蒸氣)而設(shè)計的呼吸保護裝置中。圖5為使用多孔非織造纖維網(wǎng)52的另一個示例性過濾元件50的剖視圖，所述纖維網(wǎng)52例如結(jié)合本發(fā)明的其他示例性實施例所述的纖維網(wǎng)。纖維網(wǎng)52具有兩個或多個三維變形M。在該示例性實施例中，纖維網(wǎng)52的第一表面5 和第二表面52b偏離平面構(gòu)型使得纖維網(wǎng)52形成一系列三維變形。在所示出的實施例中，變形M形成線性陣列(變形M沿一個方向形成重復(fù)序列)。在其他示例性實施例中，變形M形成二維陣列(變形 54沿兩個不同方向形成重復(fù)序列)。在其他示例性實施例中，變形M可形成任何類型的分布，如隨機陣列。各個變形在尺寸和/或形狀上可以彼此相近也可以彼此不同。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性過濾元件150的示意性剖視圖。示例性過濾元件150包括殼體130。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的保形自支承非織造纖維網(wǎng)120(如圖2所示的示例性纖維網(wǎng))布置在殼體130的內(nèi)部。殼體130包括具有開口 133的封蓋132。環(huán)境空氣通過開口 133進入過濾元件150中，穿過纖維網(wǎng)120(于是，環(huán)境空氣中的潛在有害物質(zhì)被纖維網(wǎng)120中的活性顆粒處理)并通過安裝于支承體137上的進氣閥135從殼體130排出ο龍頭138和卡口法蘭139使過濾元件150以可更換的方式附接到呼吸保護裝置 160，如圖7所示。裝置160有時是指半面罩呼吸器，其包括適形面罩162，所述適形面罩可在相對較薄的剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件或插件164周圍嵌件成型。插件164包括呼氣閥165和凹形卡口螺紋開口(圖7中未示出)以便可拆卸地連接裝置160面頰區(qū)的過濾元件150的殼體 130?？烧{(diào)式頭帶166和頸帶168使裝置160可以牢固佩戴于佩戴者的鼻部和口部上。有關(guān)這種裝置構(gòu)造的進一步詳情是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的。圖8示出了另一個示例性呼吸保護裝置270，本發(fā)明的示例性實施例可用于該呼吸保護裝置。裝置270有時是指一次性或免維護面罩，并且它具有大體上杯形的殼體或呼吸器主體271，包括外部覆蓋纖維網(wǎng)272、根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的保形自支承非織造纖維網(wǎng) 220 (如圖2和3所示的示例性纖維網(wǎng))、以及內(nèi)部覆蓋纖維網(wǎng)274。焊接邊緣275將這些層連接在一起并提供了面密封區(qū)域以減少經(jīng)過裝置270邊緣的滲漏。裝置270包括可調(diào)式頭帶和頸帶276，所述頭帶和頸帶通過拉袢277、鼻帶278和呼氣閥279扣緊在裝置270上。 有關(guān)此類裝置構(gòu)造的更多細節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的。圖9示出了另一個示例性呼吸保護裝置300，本發(fā)明的示例性實施例可用于該呼吸保護裝置，特別是圖4所示的示例性實施例。裝置300有時是指徑流過濾系統(tǒng)，例如在空氣處理系統(tǒng)中用于集體防護的那些。在圖示實施例中，入口 314位于殼體310的內(nèi)周邊 310a上。出口 316與入口 314流體流通，可位于殼體310的外周邊310b上。布置于殼體內(nèi)部的示例性過濾元件320包括根據(jù)本發(fā)明的多孔非織造纖維網(wǎng)322以及根據(jù)本發(fā)明的三層多孔非織造纖維網(wǎng)324。纖維網(wǎng)322可包括不同于一層或更多層纖維網(wǎng)3M的材料和/或具有不同于一層或更多層纖維網(wǎng)324的過濾性質(zhì)。在一些示例性實施例中，一層纖維網(wǎng)3M可包括不同于一層或更多層其他纖維網(wǎng)3M的材料和/或具有不同于一層或更多層纖維網(wǎng)324的過濾性質(zhì)。另一個過濾元件(例如顆粒過濾元件330)還可設(shè)置于殼體310的內(nèi)部。顆粒過濾元件優(yōu)選地設(shè)置于過濾元件320的上游。在一個實施例中，空氣或另一流體流經(jīng)位于殼體310的內(nèi)周邊的入口 314。然后空氣可以按箭頭F所示的方向穿過每個過濾元件并最終由出口 316穿出。本發(fā)明還可用于其他流體處理系統(tǒng)，并且本發(fā)明的實施例可具有不同構(gòu)造和位置的入口 314和出口 316。例如，入口和出口的位置可以顛倒。圖10示出了用于制備根據(jù)本發(fā)明的具有三維變形的保形、自支承非織造纖維網(wǎng)的一個示例性方法和設(shè)備900。包含顆粒的纖維網(wǎng)920最初可具有平面構(gòu)型。例如可通過使用示例性設(shè)備900模制纖維網(wǎng)920，將根據(jù)本發(fā)明的三維變形賦予纖維網(wǎng)920。設(shè)備900 包括第一溫控模具90 和第二溫控模具904b。模具的形狀取決于期望賦予纖維網(wǎng)902的變形形狀?？墒褂每諝庵聞悠骰钊?06控制從第一模具90 到第二模具904b的運動。機架902支撐模具904a、904b和活塞906。在一個制備具有三維變形的保形自支承非織造纖維網(wǎng)的示例性方法中，纖維網(wǎng) 920被置于模具90 和904b之間，這兩個模具合在一起以對纖維網(wǎng)920加壓加熱，使纖維網(wǎng)920模制成所期望的形狀。模具90 和904b的溫度可以相近或者不同，并預(yù)計取決于用在纖維網(wǎng)920的纖維中的聚合物。如果ExxonMobil Vistamaxx牌2125熱塑性聚烯烴彈性體用于纖維網(wǎng)902的纖維，則預(yù)計模具工作溫度為75°C至250°C，并且更優(yōu)選為95°C至 120°C。由模具90 和904b施加到纖維網(wǎng)920上的壓力預(yù)計取決于用在纖維網(wǎng)920的纖維中的聚合物并還可取決于活性顆粒的種類與數(shù)量。例如，如果ExxonMobil Vistamaxx牌 2125樹脂用于纖維網(wǎng)902的纖維，則預(yù)計工作壓力為20gr/Cm2至lOOOOgr/cm2，并且更優(yōu)選為300至2000gr/cm2。在此條件下，示例性模制時間預(yù)計為2秒至30分鐘。一般來講，模制時間將取決于溫度、壓力以及聚合物和活性顆粒。據(jù)信，模制工藝可以軟化并形成纖維網(wǎng)的熱塑性彈性聚合物纖維，進而使所得到的具有所需形狀三維變形的纖維網(wǎng)也能夠自支承和保形。其他示例性方法可包括在配備加熱板的熱壓機上或內(nèi)部對纖維網(wǎng)920進行模制或者將具有一定重量的固定裝置放于烘箱中對其進行模制。測試方法為了計算根據(jù)本發(fā)明的過濾元件樣品的密度，通?？梢杂刹杉鄬ξ词軗p的以及比較典型的過濾元件片開始?？赏ㄟ^(例如)從所研究的樣品上切下一片來完成采集，優(yōu)選地，要使根據(jù)本發(fā)明的三維變形的至少一部分包含于樣品中。切片在所有維度上都足夠大以使其具有“典型性”很重要。更具體地講，樣品必須遠大于分散于纖維網(wǎng)內(nèi)的活性顆粒， 并且優(yōu)選地，為纖維網(wǎng)內(nèi)顆粒最大尺寸的至少5倍，并且更優(yōu)選地，為纖維網(wǎng)內(nèi)顆粒最大尺寸的至少100倍?？蛇x擇容易測量尺寸并計算體積的樣品形狀，例如矩形或圓柱形。就曲面而言，可能有利的是，允許所使用的裝置(刀模)切割樣品以限定直徑(如刀模)。為了測量該樣品的尺寸，可使用ASTM D1777-96測試選項#5作為指南。壓腳尺寸將必須調(diào)整至能夠適應(yīng)可得的樣品尺寸。不希望在測量過程中使樣品變形，但是選項#5中所規(guī)定的更高的壓力在某些情況下是可以接受的。由于待測的結(jié)構(gòu)為多孔的，因此接觸應(yīng)當擴展至相對單個活性顆粒較大的區(qū)域。確定典型切片的體積后，應(yīng)當稱量典型切片的重量。密度由重量除以體積得到。還可通過比較非織造纖維網(wǎng)內(nèi)的顆粒組分的密度與相同顆粒物質(zhì)的“填充床”的密度來表征本發(fā)明示例性實施例的密度。這將包括從已知體積的“典型切片”移除顆粒并稱量所得顆粒樣品的重量。然后將該顆粒傾注到量筒中以得到其“填充床”體積。由這些數(shù)據(jù)，可通過重量除以所測得的體積得到“填充或表觀密度”。然而，該結(jié)果可能由于殘留聚合物粘附于顆粒而被扭曲。實例根據(jù)本發(fā)明方法將下列層組裝并模制成過濾面罩呼吸器形狀(類似杯形)1.外殼一層非織造材料層-20% Kosa Co. 295型1. 5英寸切削長度、6旦尼爾聚酯短纖維與80% Kosa Co. 254型1. 5英寸切削長度、4旦尼爾二共聚聚酯短纖維。2. 一層吹塑微纖維過濾介質(zhì)。3. 一層根據(jù)本發(fā)明的4000gsm (克每平方米)多孔非織造纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)包括嵌入到熱塑性彈性體聚烯烴纖維中的購自Kuraray的GG型12X20有機蒸氣活性炭顆粒。4. 一層據(jù)本發(fā)明的600gsm多孔非織造纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)包括嵌入到熱塑性彈性體聚烯烴聚合物纖維中的40X 140有機蒸氣活性炭顆粒。5. 一層致密熔噴微纖維平滑非織造纖維網(wǎng)。6.內(nèi)殼一層非織造材料層-20% Kosa Co. 295型1. 5英寸切削長度、6旦尼爾聚酯短纖維與80% Kosa Co. 254型1. 5英寸切削長度、4旦尼爾二共聚聚酯短纖維。上述各層被放入模制設(shè)備中旨在模制過濾面罩呼吸器。頂部模具溫度設(shè)為 235 0F，而底部模具溫度設(shè)為300 0F。在85L/m流量下測得由此形成的呼吸器構(gòu)造壓降在14. 9mm水柱與33. 7mm水柱之間。當依照針對環(huán)己烷的CEN測試方法(測試條件1000ppm、30Lpm、20°C、70% RHUOppm 滲透濃度)測試時，模制呼吸器構(gòu)造的使用壽命為40-59分鐘。一個相關(guān)的CEN測試在英國標準 BS EN 141 200 “Respiratory protective devices-Gas filters and combined filters-Requirements, testing, marking"(呼吸保護裝置一氣體過濾器和組合過濾器一要求、測試和標記)中有所描述。因此，本發(fā)明公開了采用成形的含顆粒非織造纖維網(wǎng)的過濾元件的實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會知道，可使用除已公開的實施例之外的實施例實施本發(fā)明。描述公開的實施例的目的是為了舉例說明而不是限制，并且本發(fā)明僅受以下權(quán)利要求書的限制。
權(quán)利要求
1.一種過濾元件，包括多孔保形自支承的非織造纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)包含熱塑性彈性聚合物纖維和布置在所述纖維內(nèi)的活性顆粒；其中所述纖維網(wǎng)具有三維變形，所述三維變形的特征在于沿所述纖維網(wǎng)厚度方向具有均勻密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中所述變形具有這樣的表面特征，其特征在于偏離平面構(gòu)型且偏離量為所述纖維網(wǎng)厚度的至少0. 5倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中所述纖維網(wǎng)厚度沿整個所述變形的至少一個方向的變化不超過所述纖維網(wǎng)厚度的2倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾元件，其中所述三維變形的特征在于密度梯度小于 20 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的過濾元件，其中所述三維變形的特征在于密度梯度小于 10 1。
6.一種過濾元件，包括多孔保形自支承的非織造纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)包含熱塑性彈性聚合物纖維和布置在所述纖維內(nèi)的活性顆粒；其中所述纖維網(wǎng)具有三維變形，所述三維變形的特征在于沿整個所述變形至少一個方向的厚度變化不超過5倍。
7.一種過濾元件，包括多孔保形自支承的非織造纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)包含熱塑性彈性聚合物纖維和布置在所述纖維內(nèi)的活性顆粒；并且其中所述纖維網(wǎng)具有三維變形，所述變形具有這樣的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏離平面構(gòu)型，且偏離量為那一位置處所述纖維網(wǎng)厚度的至少0. 5倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過濾元件，其中所述變形具有這樣的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏離平面構(gòu)型且偏離量為所述纖維網(wǎng)厚度的至少1倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的過濾元件，其中所述變形具有這樣的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏離平面構(gòu)型且偏離量為所述纖維網(wǎng)厚度的至少5倍。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件，其中所述纖維網(wǎng)的特征在于其密度為用相似活性顆粒制備得到的填充床密度的至少30%。
11.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件，其中所述變形具有一定曲率。
12.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件，其中所述纖維網(wǎng)包括嵌入到所述纖維網(wǎng)中的重量百分比超過60%的吸附劑顆粒。
13.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件，其中所述纖維網(wǎng)包括嵌入到所述纖維網(wǎng)中的重量百分比至少80%的吸附劑顆粒。
14.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件，其中所述纖維包括至少下列一者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、熱塑性彈性聚烯烴以及熱塑性苯乙烯嵌段共聚物。
15.根據(jù)權(quán)利要求1、6或7所述的制品，其中所述活性顆粒包括至少下列一者吸附劑、催化劑以及化學(xué)反應(yīng)性物質(zhì)。
16.一種濾筒，包括殼體以及布置于所述殼體內(nèi)的如權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件。
17.—種呼吸保護系統(tǒng)，包括一般至少裹住佩戴者的鼻部和口部的內(nèi)部部分、用于為所述內(nèi)部部分供給環(huán)境空氣的進氣通道、以及布置在整個所述進氣通道中用于過濾所供給空氣的如權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的呼吸保護系統(tǒng)，其中所述呼吸保護系統(tǒng)為免維護呼吸器。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的呼吸保護系統(tǒng)，其中所述呼吸保護系統(tǒng)為動力驅(qū)動的空氣凈化呼吸器。
20.一種呼吸保護系統(tǒng)，包括一對濾筒，每個濾筒包括殼體以及布置于所述殼體內(nèi)的如權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件。
21.一種徑向過濾系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1、6或7所述的過濾元件，所述過濾元件被構(gòu)造為圓柱體。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種過濾元件，所述過濾元件使用多孔保形自支承的非織造纖維網(wǎng)。所述纖維網(wǎng)包括熱塑性彈性聚合物纖維和布置在所述纖維內(nèi)的活性顆粒。所述纖維網(wǎng)還具有三維變形。
文檔編號A62B7/00GK102292127SQ200980155099
公開日2011年12月21日 申請日期2009年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月18日
發(fā)明者布里頓·G·比林斯利, 馬爾文·E·瓊斯 申請人:3M創(chuàng)新有限公司