專利名稱：具有惰性阻隔層的圖案化化學(xué)傳感器的制作方法
具有惰性阻隔層的圖案化化學(xué)傳感器本發(fā)明涉及一種可響應(yīng)于在化學(xué)品中的暴露而顯示預(yù)定可見圖案的傳感器。
背景技術(shù)：
傳感器通常用于檢測特定化學(xué)物質(zhì)存在與否。為實(shí)現(xiàn)此目的，已提供了各種形式的已知傳感器。例如，已經(jīng)開發(fā)出指示牌和徽章-參見例如美國專利6，284, 198和美國專利申請2004/0223876A1，以及包括化學(xué)指示劑的過濾器、濾筒和呼吸面罩(呼吸器)_參見例如美國專利5，323，774,5, 297，544和4，684，308。已經(jīng)開發(fā)出來的一種特定的化學(xué)傳感器為具有膜狀主體的無源式使用壽命終止指示器(ESLI)。膜主體內(nèi)部為用于檢測特定化學(xué)物質(zhì)是否存在的檢測層。膜狀無源ESLI的實(shí)例在授予Rakow等人的美國專利公開案2008/0063575A1和2008/0063874A1中有所描述?？蓪SLI進(jìn)行調(diào)控，以對各種有機(jī)蒸氣和反應(yīng)性氣體產(chǎn)生響應(yīng)。已在濾筒中使用ESLI，以幫助用戶了解濾筒的使用壽命何時(shí)終止-參見例如美國專利 7, 442，237,6, 497，756,5, 323，774,5, 297，544,4, 684，380,4, 530，706,4, 365，627、4，326，514 和 4，154,586。美國專利申請 2007/0137491 及 12/470，865、12/470，890、以及12/470，920也描述了采用使用壽命終止指示器的濾筒。將ESLI設(shè)置在鄰近殼體側(cè)壁的位置，從而可容易地從外部對其進(jìn)行觀察。通常將ESLI設(shè)計(jì)為比色傳感器-即它們在暴露于所過濾空氣中的足量污染物時(shí)會改變顏色。對顏色改變和傳感器位置進(jìn)行調(diào)控，以提供與濾筒使用壽命終止時(shí)刻相符的指示。比色ESLI的一個(gè)特定的問題是佩戴者需要記住初始顏色，才能在鄰近ESLI的位置沒有初始參照色時(shí)知道何時(shí)發(fā)生了顏色改變。如果佩戴者無法記住初始顏色，則所述佩戴者將無法確定ESLI正在顯示的是初始顏色還是警告顏色。因?yàn)橐阎腅SLI未被設(shè)計(jì)成向使用者提供無需使用者記憶或區(qū)分初始顏色和警告顏色的警告，所以當(dāng)佩戴者未能注意到顏色改變時(shí)可能會發(fā)生安全問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種檢測化學(xué)物質(zhì)的新型傳感器。該傳感器具有包括膜主體的膜，該膜主體具有檢測層并且可通過提供顏色改變而對化學(xué)物質(zhì)的存在產(chǎn)生響應(yīng)。該膜還包括阻隔層，該阻隔層具有第一主表面并結(jié)合到膜主體，但是對檢測層為惰性的，以防止阻隔層與化學(xué)物質(zhì)作用而引起膜主體在垂直于阻隔層第一主表面的區(qū)域中發(fā)生顏色改變。如上所指出，已知的ESLI會發(fā)生完全的顏色改變，這需要使用者辨別初始顏色和警告顏色。本發(fā)明通過提供對檢測層為惰性的阻隔層而省去了這種對記憶不同顏色的需要。另外，由于“舊”顏色和“新”顏色并排地布置在同一個(gè)一體式膜主體中，所以對照物被精確地排列并可易于識別，從而允許進(jìn)行多種圖像的制備。因?yàn)樽韪魧訉z測層為惰性，所以即使阻隔層結(jié)合到膜主體上，膜主體也不會響應(yīng)于阻隔層的存在而產(chǎn)生顯著顏色改變。另外，因?yàn)樽韪魧咏Y(jié)合到膜主體上，所以傳感器所響應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)也無法與檢測層產(chǎn)生聯(lián)系，從而不會引起傳感器那一部分中發(fā)生顏色改變。因此，傳感器的某些區(qū)域被掩蔽起來而不發(fā)生顏色改變，并因此保持初始的傳感器顏色。因而，當(dāng)傳感器確實(shí)發(fā)生顏色改變時(shí)，傳感器所掩蔽的部分在其他部分呈現(xiàn)警告顏色時(shí)保持其初始顏色。本發(fā)明能夠提供初始顏色和警告顏色間的明顯對比。使用者因此可以看到兩個(gè)不同的顏色區(qū)域、而非一種特定的顏色或這兩者的合并情況。本發(fā)明從而無需記住初始顏色和警告顏色之間的差別，并且能夠在兩個(gè)不同的顏色區(qū)域間形成細(xì)紋或明確的界線。根據(jù)本發(fā)明結(jié)合到膜主體的惰性阻隔層可以多種構(gòu)造提供，使得使用者可看到多個(gè)可清楚識別的圖像。由于待檢測的化學(xué)物質(zhì)無法在膜主體和惰性阻隔層間顯著滲透，所以將阻隔層結(jié)合到膜主體的能力可提供良好的圖像分辨率。惰性阻隔層用于阻止檢測層在傳感器的那個(gè)區(qū)域中發(fā)出假陽性警告。因此，當(dāng)使用者看到特定的圖像時(shí)，他們就知道傳感器已進(jìn)入其警告模式。此特征特別適用于已到達(dá)其使用壽命終點(diǎn)的濾筒。一旦傳感器已顯示出警告圖像，使用者就會知道該更換濾筒了。在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述傳感器可用于具有用于指示使用壽命剩余水平的標(biāo)記的濾筒上?？稍诶缡Ｓ?5%、50%、25%或10%的使用壽命時(shí)提供標(biāo)記。此特征使得傳感器也用作濾筒上的剩余壽命指示器或“RLI”。術(shù)語表如本文中所使用“化學(xué)物質(zhì)”是指分子、原子、離子、自由基，或它們中的任意種的組合；“清潔空氣”是指已濾除污染物的一定體積的大氣環(huán)境空氣；“顏色改變”是指產(chǎn)生對人眼來說明顯不同于第一種顏色或色調(diào)的第二種顏色或色調(diào)；“污染物”是指氣體、蒸氣和顆粒(包括粉塵、霧靄和煙氣)和/或通?？赡懿槐灰暈闅怏w、蒸氣或顆粒但可存在于空氣中并對人體有害的其他物質(zhì)；“檢測層”是指當(dāng)暴露于化學(xué)物質(zhì)時(shí)會顯示出光學(xué)性能改變的一層材料；“使用壽命終止指示器”或“ESLI”是指能夠?yàn)槿颂峁┫率鲂畔⒌难b置，所述信息有關(guān)于何時(shí)過濾器由于過濾容量部分地或完全地耗竭而不可再適于使用；“外部氣體空間”是指呼出的氣體在穿過且離開面罩主體和/或呼氣閥后所進(jìn)入的環(huán)境大氣空間；“膜”是指在兩個(gè)維度中比在第三維度中大得多的結(jié)構(gòu)體；“膜主體”是指膜形式的多層的組合，且此類層能夠響應(yīng)于化學(xué)物質(zhì)的存在而產(chǎn)生顏色改變；“濾筒”是指主要用來容納過濾材料或過濾介質(zhì)并且適于連接至個(gè)人呼吸防護(hù)裝置的面罩主體的結(jié)構(gòu)體；“過濾材料”或“過濾介質(zhì)”是指適于提供潔凈空氣的結(jié)構(gòu)、或者部件或元件組合；“殼體”是指為容納另一物體而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或部件組合；“惰性”是指不與另一物體反應(yīng)；“一體的”是指所考慮的各部件被同時(shí)制作于一起而不是隨后組裝在一起的兩個(gè)單獨(dú)部件；“內(nèi)部氣體空間”是指面罩主體與人的面部之間的空間；“并置的”或“并排的”是指設(shè)置成大致并排的關(guān)系但不必彼此接觸；“掩蔽”(在不涉及“面罩主體”時(shí))是指具有限制對象的視野或覆蓋對象的一部分的能力；“阻隔層”是指阻隔某些化學(xué)物質(zhì)從其中穿過(即，從層的第一主表面到第二主表面)的層；“聚合物”是指含有規(guī)則或不規(guī)則排列的重復(fù)化學(xué)單元的物質(zhì)；“剩余壽命指示器”或“RLI”是指能夠?yàn)槿藗兲峁┯嘘P(guān)于剩余過濾能力的信息的設(shè)備；“吸附劑”是指能夠通過吸收、吸附、化學(xué)吸附、分解、反應(yīng)、催化或其他適宜的方式來捕獲、阻隔或改變污染物的材料；以及“警告信號”是指告知觀察者已到達(dá)更換濾筒時(shí)間的可視指示。


圖1為可在濾筒12中使用圖案化化學(xué)傳感器40的呼吸器10的透視圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明的濾筒12的透視圖。圖3為圖2所示的濾筒12沿線3-3截取的剖視圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出呼吸器10，其具有可固定在面罩主體14的相對兩側(cè)的濾筒12。面罩主體14被設(shè)計(jì)成可緊密貼合于佩戴者的面部。為此，呼吸器10包括用于將面罩主體14朝佩戴者的面部拉延的帶具16。帶具16可包括一個(gè)或多個(gè)針對此目的而設(shè)的帶18。帶18可接合至面罩主體14并且可通過使用帶扣20來調(diào)節(jié)長度?？赏ㄟ^卡口附件21、螺紋方式或用于將濾筒12固定于面罩主體14的任何其他適宜的方式來將濾筒12附接到面罩主體14 上。濾筒12具有殼體22和蓋對，所述濾筒12包含過濾介質(zhì)以用于過濾透過濾筒12而吸入面罩內(nèi)的環(huán)境空氣。使用者呼出的空氣通過呼氣閥25從內(nèi)部氣體空間傳送至外部氣體空間。圖2示出濾筒12可包括殼體22，所述殼體22具有從第一周邊28延伸至第二周邊 30的側(cè)壁沈。蓋M可包括空氣通過表面32以及沿蓋M的周邊設(shè)置的固定凸緣34。蓋 24可在殼體周邊28處固定于側(cè)壁26。蓋M可在空氣通過表面32中包含一系列開口 36。 傳感器40可與殼體側(cè)壁沈在其內(nèi)表面處以并置方式相鄰。傳感器可設(shè)計(jì)為檢測一種或多種化學(xué)物質(zhì)，包括有機(jī)蒸氣。側(cè)壁26在傳感器40的區(qū)域內(nèi)可為透明的，以使得傳感器易于被佩戴者或其他人觀察到。或者，整個(gè)側(cè)壁26均可為透明的，以使得傳感器40和過濾介質(zhì)均可經(jīng)側(cè)壁觀察到。如圖所示，傳感器40包括可為矩形或條紋形式的第一區(qū)域42和第二區(qū)域44。第一區(qū)域42指示傳感器的初始顏色，而第二區(qū)域44指示警告顏色。在濾筒12暴露于傳感器被設(shè)計(jì)用于檢測的化學(xué)物質(zhì)前，整個(gè)傳感器40將顯示顏色42。一旦濾筒相對于傳感器所要檢測的化學(xué)物質(zhì)中的一者或多者的使用壽命結(jié)束，區(qū)域44就變成不同于42處的初始顏色的顏色。顏色改變可能開始于區(qū)域44的上游邊緣45，隨后朝第二邊緣46移動并逐漸遍及此區(qū)域44。可將一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記47設(shè)置在側(cè)壁沈上，用于指示濾筒內(nèi)充足的吸附容量何時(shí)耗盡而需要“盡快”(即，在不到約60分鐘內(nèi))更換。該標(biāo)記可延伸遍及整個(gè)傳感器或遍及區(qū)域44?；蛘撸瑯?biāo)記可設(shè)置為與傳感器相鄰。因此，標(biāo)記的作用可類似于汽車中汽油表上的早期“空”信號?？墒褂妙~外的標(biāo)記來顯示25%、50%或75% (或33%和66%)已消耗。標(biāo)記也可設(shè)計(jì)用于注明僅剩10%或5%的使用壽命。據(jù)此，傳感器用作RLI。警告標(biāo)記可為耐久地或永久地跨越傳感器的變色部分而設(shè)置的信號邊界。這可通過在組裝濾筒前制造濾筒殼體而實(shí)現(xiàn)。通常通過注塑成型而實(shí)現(xiàn)的此種制造過程可獲得視覺信號邊界結(jié)構(gòu)，例如密紋。信號邊界結(jié)構(gòu)可通過若干方式模制形成，例如脊或作為殼體表面上不同紋理的區(qū)域間的邊界。另外，信號邊界結(jié)構(gòu)可簡單地印刷在殼體的側(cè)上或印刷在附著于靠近傳感器的濾筒主體上的標(biāo)簽上。當(dāng)在組裝濾筒前制造殼體時(shí)，通過包括該信號邊界結(jié)構(gòu)，可非常精確和可重復(fù)地設(shè)置信號邊界結(jié)構(gòu)，從而改善傳感器精度并降低制造成本。在制造與本發(fā)明有關(guān)的濾筒時(shí)，可使用現(xiàn)在已知或?qū)黹_發(fā)的技術(shù)來制造濾筒殼體、過濾介質(zhì)和蓋?？墒褂米⑺艹尚筒僮鱽碇圃鞛V筒殼體和蓋?？稍谝脒^濾材料之前在基部充氣室的頂部處設(shè)置第一稀松布。過濾材料可為這樣的過濾材料，其可移除氣體或蒸氣污染物并且包括能夠吸附一種或多種不希望有的污染物的活性顆粒。吸附性介質(zhì)可包括多種活性顆粒，例如活性炭或氧化鋁。例如授予Brey等人的美國專利7，309，513、授予knkus等人的美國專利5，696，199、授予Abler等人的美國專利5，496，785和授予Braun等人的美國專利5，078，132描述了可用于本發(fā)明的濾筒中的各種類型的活性顆粒。活性顆?？蔀榇祟惢钚灶w粒的堆積床或粘合床的形式-參見例如授予Braim等人的美國專利5，033，465和授予Senkus的美國專利6，391，429?？稍诨钚灶w粒引入之前抵靠殼體側(cè)壁沈的內(nèi)表面設(shè)置傳感器40。需要將傳感器40相對于y維度適當(dāng)?shù)卦O(shè)置，以便在過濾器使用壽命已終止時(shí)可通過殼體側(cè)壁沈看到適當(dāng)?shù)念伾兓６ㄎ坏奈⑿∑羁稍斐身憫?yīng)信號的較大差異。可在過濾材料的上游表面上設(shè)置第二稀松布。上游稀松布可包括適宜的纖維介質(zhì)，所述纖維介質(zhì)有助于將活性顆粒保持在適當(dāng)?shù)奈恢眉霸谄鋬啥颂峁┑偷膲航?，并有助于充分地分配穿過其的空氣?？捎糜谙∷刹嫉牟牧系膶?shí)例包括非織造聚酯和非織造聚丙烯(例如紡粘網(wǎng))。當(dāng)過濾材料以及稀松布已適當(dāng)設(shè)置在濾筒殼體22中之后，可將濾筒蓋M固定于殼體側(cè)壁沈?？稍谥苓呌^和凸緣34處例如通過機(jī)械、化學(xué)或物理方式(包括焊接或粘合劑粘合)或者任何其他適宜的方式來實(shí)現(xiàn)固定。除吸附劑活性顆粒外，濾筒還可以包括一層或多層設(shè)計(jì)用于清除顆粒的過濾介質(zhì)?？稍诨钚灶w粒的上游或下游使用纖維顆粒過濾器以移除來自環(huán)境空氣的顆粒污染物。有多種纖維網(wǎng)可適于用作顆粒過濾器。這些網(wǎng)通常為可利用下述技術(shù)制備的非織造纖維結(jié)構(gòu)，所述技術(shù)為例如 Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers,48 INDUS. ENGN.CHEM. 1342-46 (Van A. W^ente，超細(xì)熱塑性纖維，《工業(yè)工程化學(xué)》第48卷第1；342_1346頁)和Van A. Wente等人所著的出版于1卯4年5月25日的名為Manufacture of Super FineOrganic Fibers ( Ig^WI/lW^it )的 Report No. 4364 of the Naval ResearchLaboratories (海軍研究實(shí)驗(yàn)室第4364號報(bào)告)中所述的氣紡工藝、濕法成網(wǎng)工藝、水纏結(jié)法、紡粘工藝和熔噴工藝。纖維網(wǎng)可使用這些技術(shù)的組合和這些纖維的組合制備。微纖維(特別是熔噴微纖維)尤其適用于用作過濾器的纖維網(wǎng)。如本文所用，“微纖維”是指有效直徑為約35微米或更小的纖維。有效纖維直徑可使用Davies，C. N.，The Separation ofAirborne Dust and Particles, INST. MECH. ENGN.，LONDON PR0C. IB(1952)(Davies, C. N.，空氣中浮塵和粒子的分離，《機(jī)械工程師學(xué)會會報(bào)》IB輯，London，1952年)中的第12號公式進(jìn)行計(jì)算。對于過濾應(yīng)用，微纖維通常具有小于約30微米、更通常地為約1至約15微米的有效纖維直徑。還可使用由原纖化膜制成的纖維-參見例如授予Van Turnout的美國專利第RE30, 782號、第RE32, 171號、第3，998，916號及第4，178，157號。也可以將短纖維與微纖維組合，以提高纖維網(wǎng)的蓬松度，即降低其密度。包含短纖維的網(wǎng)的實(shí)例在授予Hauser 的美國專利4，118，531中有所公開。 如圖3所示，傳感器40可包括薄膜多層式構(gòu)造，所述薄膜多層式構(gòu)造可檢測從呼吸器濾筒的氣體入口流至氣體出口的所關(guān)注的化學(xué)物質(zhì)。此類無源傳感器通常包含多孔檢測層48、半反射層50和反射層52。多孔檢測層48的光學(xué)厚度在存在特定的化學(xué)物質(zhì)的情況下會發(fā)生改變(物理厚度不一定會改變)。半反射層50可從濾筒的外面觀察到并且通常不被蒸氣滲透。反射層52大體上可滲透化學(xué)物質(zhì)并且足夠靠近過濾介質(zhì)，使得化學(xué)物質(zhì) (例如蒸氣)可穿過反射層進(jìn)入檢測層48并且充分改變檢測層光學(xué)厚度，從而在通過半反射層50觀察時(shí)，導(dǎo)致指示器外觀中出現(xiàn)視覺上可辨別的變化。粘合劑53可用于將傳感器 40固定到殼體側(cè)壁沈的內(nèi)表面上。 阻隔層M可設(shè)置在第二區(qū)域44的相對兩側(cè)上，所述區(qū)域44在暴露于一種或多種化學(xué)物質(zhì)時(shí)會發(fā)生響應(yīng)而改變顏色。阻隔層M可在界面56處粘合到反射層52上。界面 56可為對檢測層48顯示出惰性的粘合劑層?；蛘?，阻隔層M本身可為對檢測層48顯示出惰性的粘合劑層。當(dāng)阻隔層M粘合到反射層52上時(shí)，檢測層48在區(qū)域42中不會發(fā)生顯著的光學(xué)改變。假如沒有粘合到膜主體58的惰性阻隔層M，膜主體58通常將會產(chǎn)生對垂直于傳感器40的外主表面觀察膜主體的人來說可見的顏色改變。因而，當(dāng)沿著垂直于阻隔層M的第一主表面59的方向χ觀察膜時(shí)，在傳感器的區(qū)域42中不會觀察到任何可見的顏色改變。第一區(qū)域42因此不會改變顏色，而第二區(qū)域44則會產(chǎn)生對沿方向χ觀察傳感器 40的使用者可見的顯著的顏色改變。雖然區(qū)域42和區(qū)域44顯示不同的顏色或色調(diào)，但是這兩個(gè)區(qū)域在膜主體58中彼此成一整體。當(dāng)化學(xué)物質(zhì)穿過過濾介質(zhì)60時(shí)，使用者可觀察到從過濾介質(zhì)的上游側(cè)向下游側(cè)移動的顏色漸變過程。結(jié)合本發(fā)明使用的傳感器可為剛性的或柔性的。可通過各種方式(例如，粘合劑技術(shù)、物理技術(shù)、堆積技術(shù)或機(jī)械接合)將傳感器固定到殼體側(cè)壁26上。有利的是，柔性指示器可充分彎曲而無斷裂，以使其可利用一個(gè)或多個(gè)軋制加工步驟來被制造?？山Y(jié)合本發(fā)明使用的傳感器優(yōu)選為能吸收或吸附需從空氣中濾除的氣體蒸氣的無源傳感器。傳感器可為基本上任何已知的或?qū)黹_發(fā)的裝置(無源或有源的)，所述裝置能夠?yàn)楹粑髋宕髡咛峁┻^濾器已達(dá)到其使用壽命終點(diǎn)的適當(dāng)指示。無源傳感器的實(shí)例已在授予Rakow等人的美國專利公開案2008/0063575A1和2008/0063874A1中有所描述，還可參見授予Rakow等人的美國專利7，449，146B2、授予Wendland等人的美國專利申請61/180，483和授予Rakow等人的美國專利申請61/180，492?？墒褂玫膫鞲衅靼憫?yīng)于有機(jī)蒸氣、反應(yīng)性氣體例如酸性氣體(例如S02、Cl2, HC1、C102、HCN、HF、H2S和氮的氧化物)及堿性氣體(例如氨氣、甲胺)以及氯化氰和甲醛的ESLI。傳感器可包括可在一個(gè)或多個(gè)軋制加工步驟中進(jìn)行處理的任選基底，例如玻璃或柔性塑料膜。有利地是，基底具有足夠低的蒸氣滲透性，使得所關(guān)注的化學(xué)物質(zhì)不會被傳送進(jìn)檢測層或從該層傳送出。將傳感器附接到側(cè)壁的粘合劑應(yīng)為惰性的，這樣它才不會污染檢測層。也可將多孔基底設(shè)置在反射層和吸附劑介質(zhì)之間?？稍试S所關(guān)注的化學(xué)物質(zhì)從吸附劑介質(zhì)穿過可滲透的基底和反射層，并由此進(jìn)入檢測層。傳感器的整體厚度(基底除外) 可為約0.5至2微米(μπι)。半反射層和反射層可各自由提供漫射或優(yōu)選地提供鏡面光反射的多種材料制成， 并且當(dāng)被適當(dāng)?shù)亻g隔開時(shí)可配合以提供易于在視覺上可辨識的指示器外觀變化。合適的半反射層和反射層材料包括金屬，例如鋁、鉻、金、鎳、硅、銀、鈀、鉬、鈦以及包含這些金屬的合金；金屬氧化物，例如氧化鉻、氧化鈦和氧化鋁；以及描述于美國專利第5，699，188號 (Gilbert 等人)、第 5，882，774 號(Jonza 等人)和第 6，049，419 號(Wheatley 等人)、以及 PCT已公布的專利申請第WO 97/01778號(Ouderkirk等人)中的多層光學(xué)膜(包括雙折射多層光學(xué)膜)。半反射層和反射層可以相同或不同。金屬納米粒子涂層(如金屬納米粒子油墨)可用于形成反射層，如在美國專利申請第11/530，619號中所述的名稱為Permeable Nanoparticle Reflector (可滲透納米粒子反射器)。半反射層的反射率通常低于反射層并透射一些入射光。半反射層可例如具有約2 至約50納米(nm)的物理厚度、在500nm處為約10%至約80%的透光率，以及在500nm處為約80%至約20%的反射率。半反射層可能本身為不可滲透化學(xué)物質(zhì)的(如果這樣，則希望其是連續(xù)的)并且可任選地涂敷在合適的基底上，或以其他方式鄰近于合適的基底。半反射層也可為可滲透化學(xué)物質(zhì)的(如果這樣，例如可為不連續(xù)的或半連續(xù)的)，并且可將其涂敷在適當(dāng)?shù)夭粷B透蒸氣的基底上，或以其他方式鄰近于這樣的基底。有利地，與檢測層相鄰的半反射層的表面的平整度在約士20nm以內(nèi)。反射層可例如具有約1至約500nm的物理厚度、在500nm處為約0%至約80%的透光率，以及在500nm處為約100%至約20%的反射率。反射層優(yōu)選為多孔的、圖案化的、不連續(xù)的、半連續(xù)的或者可充分滲透的，使得蒸氣可從吸附劑介質(zhì)穿過反射層而進(jìn)入檢測層。檢測層混合物可以為均勻的或不均勻的，并且其可以例如由無機(jī)組分的混合物、 有機(jī)組分的混合物或無機(jī)和有機(jī)組分的混合物制成。由組分混合物制成的檢測層可具有對被分析物群組改良的檢測性。檢測層有利地具有一系列的孔尺寸或表面積，孔尺寸或表面積被選擇為提供與所述吸附劑介質(zhì)的吸附特性類似的吸附特性?？墒褂枚嗫撞牧?(例如由高內(nèi)相乳液制成的泡沫)獲得合適的孔隙率，例如在美國專利第6，573，305B1號 (Thimhorst等人)中所述的那些。孔隙率還可以通過二氧化碳發(fā)泡來產(chǎn)生微孔材料而獲得(參見“Macromolecules”，2001，vol. 34,pp. 8792-8801(《大分子》，2001 年，第 34 卷，第 8792-8801頁))，或者可以通過共混聚合物的納米相分離而獲得(參見“kience”，1999， vol. 283,p. 520(《科學(xué)》，1999年，第283卷，第520頁))。一般來講，孔直徑優(yōu)選地為小于所需指示器著色的峰值波長。納米級孔徑的孔是優(yōu)選的，例如具有約0. 5至約20nm、0. 5至約10nm、或0. 5至約5nm的平均孔徑。代表性的無機(jī)檢測層材料包括多孔硅、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氧氮化物、 以及其他能夠形成為具有適當(dāng)厚度的透明且多孔的層以通過光學(xué)干涉作用來產(chǎn)生顏色或色度的變化的無機(jī)材料。例如，無機(jī)檢測層材料可以為氧化硅類、氮化硅類、氮氧化硅類、氧化鋁類、氧化鈦類、氮化鈦、氮氧化鈦、氧化錫類、氧化鋯類、沸石類或它們的組合。由于多孔硅石的穩(wěn)健性和與濕蝕刻處理的相容性，因此它是尤為理想的無機(jī)檢測層材料。代表性的多孔硅石材料在Ogawa等人的Chem. Commun. pp. 1149-1150 (1996)(《化學(xué)通訊》，第 1149-1150 頁，1996 年)、Kresge 等人的 Nature, Vol. 359，pp. 710-712(1992)(《自然》，第 359 卷，第 710-712 頁，1992 年)、Jia 等人的 Chemistry Letters,Vol. 33(2)，pp. 202-203(2004)(《化學(xué)快報(bào)》，第33卷第2期，第202-203頁，2004年)以及美國專利第5，858，457號(Brinker等人)中有所描述。也可采用多種有機(jī)分子作為有機(jī)模板。例如，可使用糖類(例如葡萄糖和甘露糖)作為有機(jī)模板以生成多孔硅酸鹽類，參見Wei等人的Adv. Mater. 1998，Vol. 10，p. 313 (1998)(《先進(jìn)材料》，1998 年，第 10 卷，第 313 頁)。代表性有機(jī)檢測層材料包括聚合物、共聚物(包括嵌段共聚物)和它們的混合物，其由(或可由)多種類別的單體制備，這些單體包括疏水性丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯類、雙官能單體、乙烯基單體、烴單體(烯烴類)、硅烷單體、氟化單體、羥基化單體、丙烯酰胺類、酸酐類、醛官能化單體、胺或胺鹽官能化單體、酸官能化單體、環(huán)氧化物官能化單體及其混合物或組合。美國專利申請公開案第us 2004/0184948A1號包含此類單體的詳盡列表。具有固有微孔性(PIM)的上述聚合物可形成尤為理想的檢測層。PIM通常是形成微孔固體的非網(wǎng)狀聚合物。由于其典型的高度剛性和扭曲的分子結(jié)構(gòu)，使得PIM無法有效地填充空間，從而形成本發(fā)明所公開的微孔結(jié)構(gòu)。合適的PIM包括(但不限于)在Budd等人的"Polymers of intrinsic microporosity(PIMs) :robust,solution-processable,organicmicroporous materials，，Chem. Commun.，2004，pp. 23O-23I (具有固有微孔性(PIM)的聚合物穩(wěn)固、可溶液加工的有機(jī)微孔材料，《化學(xué)通訊》，2004年，第230-231頁)中公開的聚合物。另外的PIM在Budd等人的J. Mater. Chem.，2005，15，pp. 1977-1986 (《材料化學(xué)期刊》，2005 年，第 15 卷第 1977-1986 頁)、McKeown 等人的 Chem. Eur. J. 2005，11，No. 9，26104620(《歐洲化學(xué)》雜志，2005年，第11卷第9期，第沈10_2620頁)以及已公布的PCT專利申請第WO 2005/012397A2號(McKeown等人)中有所公開。本發(fā)明的化學(xué)傳感器膜的阻隔層優(yōu)選為易于圖案化的，其具有低的化學(xué)物質(zhì)滲透性或不具有化學(xué)物質(zhì)滲透性，并且不包含或只包含極少量可滲入傳感器中并引起被掩蔽區(qū)域(即垂直于阻隔層的主表面的區(qū)域)附近發(fā)生不期望有的顏色改變的有機(jī)小分子污染物。理想的是，由阻隔層所掩蔽的區(qū)域在傳感器暴露于被分析物前相對于非掩蔽區(qū)域在視覺上不易察覺。在一實(shí)施例中，可將壓敏粘合劑用作阻隔層。聚異丁烯(PIB)粘合劑尤其是基于其高純度而成為這些層的可用材料。由異丁烯單體制備聚合物，以使得在制備所述聚合物的過程中產(chǎn)生的任何殘留物均為氣體，而非可被膜主體吸收的蒸氣。聚異丁烯材料可從若干制造商商購獲得。均聚物可例如以商品名0PPAN0L(例如，0PPAN0L B15、B30、B50、B100、B150和B200)商購自BASF Corp. (Florham Park, NJ) 這些聚合物的重均分子量通常為約40，000克/摩爾至4，000, 000克/摩爾。再一些實(shí)例性的均聚物可以寬泛的分子量范圍商購自 United Chemical Products (UCP) ( . Petersburg，Russia)。例如，以商品名 SDG 商購自UCP的均聚物的粘均分子量在約35，000克/摩爾至65，000克/摩爾的范圍內(nèi)。以商品名EFR0LEN商購自UCP的均聚物的粘均分子量在約480，000克/摩爾至約4，000, 000克/摩爾的范圍內(nèi)。以商品名JHY商購自UCP的均聚物的粘均分子量在約3，000克/摩爾至約55，000克/摩爾的范圍內(nèi)。這些均聚物通常不具有反應(yīng)性雙鍵。其他合適的聚異丁烯均聚物可以商品名GLISS0PAL(例如，GLISSOPAL 1000,1300和2300)商購自BASF Corp. (Florham Park, NJ) 0這些聚異丁烯材料通常具有末端雙鍵并被視為反應(yīng)性聚異丁烯材料。這些聚合物的數(shù)均分子量通常在約500克/摩爾至約2，300克/摩爾的范圍內(nèi)。重均分子量與數(shù)均分子量的比率通常在約1. 6至2. 0的范圍內(nèi)。通過在少量的另一種單體(例如苯乙烯、異戊二烯、丁烯或丁二烯)存在的情況下使異丁烯聚合來制備聚異丁烯共聚物。這些共聚物通常由單體混合物制備，所述單體混合物包含基于單體混合物中的單體重量計(jì)至少70重量％、至少75重量％、至少80重量％、 至少85重量％、至少90重量％、或至少95重量％的異丁烯。合適的異丁烯/異戊二烯共聚物可以商品名 EXXON BUTYL(例如，EXXON BUTYL 065、068 和 268)商購自 Exxon Mobil Corp。這些材料的不飽和度在約1. 05摩爾％至約2. 30摩爾％的范圍內(nèi)。其他實(shí)例性的異丁烯 / 異戊二烯共聚物可商購自 United Chemical Products (St. Petersburg, Russia)，例如不飽和度為約1. 7摩爾％的BK-1675N。再一些實(shí)例性的異丁烯/異戊二烯共聚物可商購自 LANXESS (Sarnia, Ontario, Canada)，例如不飽和度為約 1. 85 摩爾 ％的 LANXESS BUTYL 301、不飽和度為約ι. 75摩爾％ WLANXESS BUTYL 101-3，以及不飽和度為約2.25重量％的 BUTYL 402。合適的異丁烯/苯乙烯嵌段共聚物可以商品名SIBSTAR商購自Kaneka(Osaka， Japan)。這些材料可以苯乙烯含量基于共聚物的重量計(jì)在約15重量％至30重量％范圍內(nèi)的兩嵌段和三嵌段形式獲得。聚烯烴彈性體例如乙烯-辛烯嵌段共聚物(可以商品名 INFUSE從Dow Chemical商購獲得)也可用于傳感器掩蔽。商品名為Engage的乙烯-辛烯共聚物(Dow Chemical,Midland,MI)也可用于掩蔽傳感器。可使用其他符合粘性Dahlquist 標(biāo)準(zhǔn)的聚烯烴，包括聚合物、共混物或由從C2到C12的單不飽和烴類合成的共聚物，尤其是聚乙烯和聚辛烯。環(huán)狀聚烯烴也可用于掩蔽傳感器，例如人造橡膠或增粘橡膠。可用于膜主體掩蔽的其他壓敏粘合劑包括丙烯酸類粘合劑。許多丙烯酸類粘合劑具有高含量的殘留溶劑和/或單體，這些殘留溶劑和/或單體將遷移至傳感器中而導(dǎo)致不期望有的顏色改變。然而，如果在粘合劑附接到傳感器之前將這些殘留物從粘合劑中排出， 則丙烯酸類粘合劑可充當(dāng)優(yōu)質(zhì)的阻隔層。不會使傳感器顏色發(fā)生不期望的顏色改變的丙烯酸類PSA的實(shí)例為3M 極低釋氣性粘合劑(3M Very Low Outgassing adhesive)，其可在例如帶襯墊聚酯膠帶6690 (Linered Polyester Tape 6690)和極低釋氣性高剪切聚酯膠帶 8439 (Very Low Outgassing High Shear Polyester Tape 8439)中找到，以及 3M 光學(xué)透明粘合劑 8172(3M 0ptically Clear Adhesive 8172)。在一實(shí)施例中，將壓敏粘合劑以壓敏膠帶的形式施用到膜主體上，其中將粘合劑涂敷在襯墊膜上、切成片，然后粘附到傳感器膜上。在此實(shí)施中，襯墊通常提供額外的屏蔽以防止蒸氣滲透進(jìn)傳感器；因此，襯墊在應(yīng)用后通常保持與粘合劑附接?？梢灶愃频姆绞绞褂帽骋r，從而提供掩蔽膠帶。膠帶或粘合劑可位于具有不同剝離度兩片襯墊、背襯-襯墊組合或帶低粘附力背膠的單個(gè)背襯之間。襯墊可根據(jù)其釋放化學(xué)特性和釋放值進(jìn)行選擇，所述釋放值的測量單位為盎司每英寸(oz/in)或牛頓每分米(N/dM)。理想的是，可避免釋出可能會污染傳感器或轉(zhuǎn)移(即使含量很低)至粘合劑的化學(xué)物質(zhì)，以免更改與傳感器膜的剝離值。本發(fā)明還提供包括設(shè)置在支承體或背襯上的上述壓敏粘合劑的層的粘合劑掩蔽制品(例如膠帶等)。支承體可以為防粘基底或襯墊以提供所謂的轉(zhuǎn)移膠帶，在該膠帶中暴露的粘合劑可以被設(shè)置為與基底或表面相接觸，并且隨后可將防粘襯墊從粘合劑剝離掉以暴露出用于粘合至另一基底或表面的粘合劑的另一部分。粘合劑制品可以被提供為膠帶或粘合劑片材，其可以通過諸如將粘合劑組合物擠出、涂敷或噴霧到背襯層上之類的多種已知方法中的任一種進(jìn)行制備。壓敏粘合帶或片材可以層合到表面或膜主體上。膠帶或片材也可被沖切成任何所需的形狀。合適的基底的實(shí)例包括防粘襯墊(如有機(jī)硅防粘襯墊)和膠帶背襯(可為已涂底漆或未涂底漆的紙材或塑料)。襯墊的實(shí)例包括得自CP Films (St. Louis, MO)的T-系列襯墊。背襯的合適的材料包括聚烯烴、聚苯乙烯、聚酯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚(偏二氟乙烯)、纖維素和纖維素衍生物?？赏糠鬅崛廴诘姆侨芤盒驼澈蟿┳鳛檠诒尾牧?。在高溫(通常為至少150華氏度)下將這些材料涂敷在傳感器膜上，然后使其冷卻形成固態(tài)阻隔層。優(yōu)選的熱熔性粘合劑不包含可能會污染傳感器的小分子共添加劑。實(shí)例包括得自3M公司W(wǎng)kotch Weld 熱熔融粘合劑，例如kotch Weld粘合劑3779和3789。所述粘合劑為100%的固態(tài)熱塑性和熱固性樹脂，其在加熱時(shí)成為流體，而冷卻時(shí)在數(shù)秒內(nèi)變硬?？墒褂脽崛蹏娔z槍(例如^anleyBostitch SBGR-30K噴膠槍)或得自3M Scotch Weld 系列產(chǎn)品的熱熔涂敷器，而將這些粘合劑涂敷到膜主體上。在使用傳感器前將該材料冷至室溫。也可使用聚合物材料作為阻隔層以掩蔽膜主體的區(qū)域。在一實(shí)施例中，將水溶性聚合物用于掩蔽膜主體。用于掩蔽的水性聚合物的實(shí)例包括(但不限于)聚(乙烯醇)、乙基纖維素、羥乙基纖維素、以及聚(乙二醇)。也可使用由如下類別的單體制備的聚合物和共聚物乙烯醇、乙烯基苯酚、乙二醇、環(huán)氧乙烷。通常在水溶液中制備這些聚合物，然后將其涂敷到膜主體上以提供保形涂層來掩蔽膜主體的所需區(qū)域?？赏ㄟ^溶液涂敷技術(shù)完成該涂敷，所述技術(shù)包括(但不限于)刷漿、旋涂、噴涂、浸涂、凹版印刷涂敷、模具涂敷、噴墨印刷和絲網(wǎng)印刷。也可使用注射器或吸移管將聚合物型溶液噴射到膜主體上。使用前將被涂敷的膜主體置于環(huán)境溫度或高溫下干燥。另一種代表性類別的聚合物型阻隔層包含環(huán)氧樹脂。通常，環(huán)氧材料經(jīng)紫外固化或熱固化。該工藝的要求為基礎(chǔ)環(huán)氧聚合物在分子水平上足夠大從而不會滲入到膜主體中，該工藝是無溶劑的，并且環(huán)氧樹脂在涂敷到膜主體后迅速固化。環(huán)氧樹脂可在類似的應(yīng)用中涂敷到上述具有后固化循環(huán)應(yīng)用的膜主體上。此類環(huán)氧樹脂的實(shí)例可為MOmentiVeTMUV9500，這是一種無溶劑、光致固化型環(huán)氧硅氧烷聚合物。石蠟或樹脂(例如用于熱印刷的有機(jī)材料)可用于膜主體掩蔽。這些材料包括(但不限于)用于熱印刷工藝的石蠟和樹脂。商業(yè)實(shí)例包括得自Tektronix，Inc.的Coloi^tix材料和得自Xerox Inc.的固態(tài)油墨材料。無機(jī)材料也可用于阻隔層。這些材料包括金屬，包括(但不限于)鋁、鉻、金、鎳、硅、銀、鉬和鈀。也可使用金屬氧化物和半金屬氧化物，例如硅、鈦和鉻的氧化物、氮化物、碳化物、磷化物以及硫化物，或這些材料的混合物。這些材料可通過真空涂敷技術(shù)(例如濺射、蒸發(fā)涂敷、化學(xué)氣相沉積或等離子體沉積)而涂敷到膜主體的選定區(qū)域。可使用掩模來覆蓋這些涂敷方法中的源或目標(biāo)，從而在傳感器基底上形成所需的沉積圖案。例如，包含一系列狹縫的掩模將在傳感器基底上產(chǎn)生具有線條的阻隔層。溶液涂敷技術(shù)，包括(但不限于)刷漿、旋涂、噴涂、浸涂、凹版印刷涂敷、模具涂敷、噴墨印刷和絲網(wǎng)印刷，也可用于沉積無機(jī)材料或其前體。例如，可使用無機(jī)溶膠凝膠處理來沉積無機(jī)前體，所述無機(jī)前體在沉積后發(fā)生反應(yīng)，生成無機(jī)氧化物或其他無機(jī)材料?？蓪⑸鲜鲎韪魧討?yīng)用于傳感器以生成可用于化學(xué)指示的多種不同的視覺圖案。暴露于化學(xué)分析物時(shí)所顯示出的圖案可包括形狀、字母、徽標(biāo)、剩余過濾容量指示、消息、說明、或其他指示。傳感器可視需要包括額外的層或元件。例如，可將帶吸附劑的復(fù)合物的多孔層 (如置于原纖化PTFE基質(zhì)中的活性炭粒子幅材，例如在上述的美國專利第4，208，194號中所述)放置在反射層和吸附劑介質(zhì)之間，以使?jié)B透進(jìn)入指示器的蒸氣均質(zhì)化或者以其他方式調(diào)節(jié)指示器對吸附劑介質(zhì)中的條件的響應(yīng)。當(dāng)傳感器的一部分改變成指示應(yīng)更換濾筒的顏色或色調(diào)時(shí)，這種外觀變化反映出吸附劑消耗的指定程度，所述指定程度強(qiáng)制更換濾筒。 換句話講，濾筒制造商可以調(diào)整對特定傳感器的選擇，從而可實(shí)現(xiàn)特定的吸附劑消耗程度。 吸附劑消耗程度的選擇可取決于多種因素，包括提供足夠的緩沖劑以使得當(dāng)濾筒被辨識為需要更換時(shí)吸附劑未被100%消耗。例如該吸附劑消耗程度可被辨識成能再使用一到三小時(shí)，這樣使得佩戴者具有足夠的時(shí)間來注意傳感器已發(fā)生指示出滿足響應(yīng)信號或需要更換濾筒的顏色變化。盡管已使用覆蓋佩戴者的鼻部、嘴和眼睛的全面罩式呼吸器面罩對本發(fā)明作了說明，但本發(fā)明也可結(jié)合僅覆蓋佩戴者的鼻部和嘴的半面罩使用。此外，結(jié)合本發(fā)明使用的濾筒可永久性地或可拆卸地附接到面罩主體上。帶具還可具有多種構(gòu)造，并可包括一些附加部件例如將呼吸器支撐在佩戴者頭上的冠部構(gòu)件。因此，當(dāng)提供傳感器和具有設(shè)置在濾筒上的傳感器的呼吸器面罩時(shí)，可根據(jù)本發(fā)明設(shè)想多種實(shí)施例。^M以下示例性實(shí)例進(jìn)一步說明了本發(fā)明，除非另外指明，否則其中所有份數(shù)及百分?jǐn)?shù)均為按重量計(jì)。下表1中所示出的縮寫用于實(shí)例說明表 權(quán)利要求
1.一種檢測化學(xué)物質(zhì)的傳感器，包括膜，具有膜主體，所述膜主體包括檢測層并且可通過提供顏色改變而對化學(xué)物質(zhì)的存在產(chǎn)生響應(yīng)；所述膜還包括阻隔層，所述阻隔層具有第一主表面并結(jié)合到所述膜主體，但是對所述檢測層為惰性的，以防止所述阻隔層與所述化學(xué)物質(zhì)作用而引起所述膜主體在垂直于所述阻隔層的所述第一主表面的區(qū)域中發(fā)生顏色改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述阻隔層包含粘合劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述阻隔層包含壓敏粘合劑(PSA)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所述阻隔層為PSA，并且其中所述傳感器檢測有機(jī)蒸氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所述PSA包括聚異丁烯、聚異丁烯共聚物、丙烯酸類或它們的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述PSA包括聚異丁烯、聚異丁烯共聚物、或丙烯酸類聚合物或它們的組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中所述阻隔層包含熱熔粘合劑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述阻隔層包含水溶性聚合物或共聚物。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述阻隔層包含環(huán)氧樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述阻隔層包含蠟。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述阻隔層包含樹脂。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其為使用壽命終止指示器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其為剩余壽命指示器。
14.一種濾筒，包括殼體、設(shè)置在所述殼體中的過濾介質(zhì)、以及透過所述殼體的側(cè)壁可見的根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的濾筒，其中所述濾筒包括指示濾筒剩余壽命的一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的傳感器，其中所述一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記被模制入所述濾筒殼體的所述側(cè)壁中。
17.—種呼吸器，包括面罩主體和一個(gè)或多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求14所述的濾筒。
18.一種濾筒，包括(a)傳感器，用于檢測化學(xué)物質(zhì)是否存在；(b)殼體，其包括側(cè)壁；(c)蓋，其固定到所述側(cè)壁的第一周邊；以及(d)過濾介質(zhì)，設(shè)置在所述殼體中；其中所述傳感器與所述殼體側(cè)壁的內(nèi)表面并置，所述殼體側(cè)壁至少在所述傳感器所在區(qū)域中是透明的，所述殼體側(cè)壁包括一個(gè)或多個(gè)標(biāo)記以向用戶傳達(dá)所述濾筒的剩余壽命。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的濾筒，其中所述標(biāo)記被模制入所述殼體側(cè)壁中。
20.一種呼吸器，包括面罩主體、固定到所述面罩主體的帶具、以及一個(gè)或多個(gè)可連接到所述面罩主體的根據(jù)權(quán)利要求18所述的濾筒。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種檢測化學(xué)物質(zhì)例如有機(jī)蒸氣的傳感器(40)。所述傳感器(40)包括具有膜主體(58)的膜，所述膜主體包括檢測層(48)并且通過提供顏色改變而對化學(xué)物質(zhì)的存在產(chǎn)生響應(yīng)。所述膜還包括阻隔層(54)，所述阻隔層具有第一主表面(59)并結(jié)合到所述膜主體(58)，但是對所述檢測層(48)為惰性的，以防止所述阻隔層(54)與所述化學(xué)物質(zhì)作用而引起所述膜主體(58)在垂直于所述阻隔層(54)的所述第一主表面(59)的區(qū)域(42)中發(fā)生顏色改變。具有此種構(gòu)造的傳感器可在所述傳感器上提供明顯可見的圖像，這將有助于評估濾筒的剩余壽命。
文檔編號G01N33/52GK102576014SQ201080046359
公開日2012年7月11日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者尼爾·A·拉科, 布賴恩·L·林齊, 托馬斯·W·霍姆奎斯特-布朗, 杜安·D·范斯勒, 理查德·J·波里爾, 約翰·C·赫爾蒂恩, 維韋卡·巴拉蒂 申請人:3M創(chuàng)新有限公司