采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件的制作方法
专利名称：采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件的制作方法
采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件
背景技术：
本发明整体涉及采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件。更具体地讲，本发明涉及包括保形自支承的非织造纤维网的过滤元件，其中所述纤维网具有三维变形。本发明还涉及包括此类过滤元件的呼吸保护系统。在存在蒸气和其他危险性气源物质的情况下使用的呼吸保护装置通常采用包含吸附剂颗粒的过滤元件。此类过滤元件的设计会涉及到有时是相互竞争之因素的平衡，所述因素诸如为压降、耐冲击性、整体使用寿命、重量、厚度、总体尺寸、对潜在的损害力(如振动或磨损)的抵抗能力以及样品之间的差异性。填充有吸附剂颗粒的纤维网通常具有较低的压降以及其他优点。填充有吸附剂颗粒的纤维网已被组装到杯状模制呼吸器中。参见，如授予Braim 的美国专利No. 3，971，373。此类呼吸保护装置的典型构造包括在一对保形层之间布置的一个或多个含颗粒和颗粒保持层。参见例如授予Springett等人的美国专利No. 6，102，039。 保形层为另外相对柔软的中间层提供结构完整性，以使得组件整体可以保持为杯形。一直需要具有有利性能特性、结构完整性、较简单构造且易于制造的过滤元件。
发明内容
本发明涉及采用多孔保形自支承的非织造纤维网的过滤元件。所述纤维网包括热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒，并且所述纤维网具有三维变形。在一个实施中，三维变形的特征在于沿纤维网厚度方向具有均勻密度。在另一个实施中，三维变形的特征在于沿整个变形至少一个方向的厚度变化不超过5倍。在另一个实施中，三维变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型，且偏离量为那一位置纤维网厚度的至少0.5倍。
结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细说明可以更全面地理解本发明， 其中图1为根据本发明的多孔非织造纤维网的局部示意透视图；图2为使用具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的一个示例性过滤元件的横截面示意透视图；图3为包括具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的另一个示例性过滤元件的横截面示意透视图；图4为包括具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的另一个示例性过滤元件的横截面示意透视图；图5为包括具有二维或多于三维变形的保形自支承非织造纤维网的另一个示例性过滤元件的横截面示意图；图6是布置于滤筒中的根据本发明的示例性过滤元件的示意性剖视图7为使用图6所示过滤元件的示例性呼吸保护系统的透视图；图8为使用图3所示的根据本发明的示例性过滤元件的一次性呼吸保护装置的局部截面透视图；图9为径向过滤系统的剖视图，所述径向过滤系统例如使用图4所示的根据本发明的示例性过滤元件且适用于集体防护系统的那些；图10示出了制备根据本发明的具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的一个示例性方法。附图未必按比例绘制。在附图中使用的相同的标号表示相同的部件。然而，在给定附图中使用标号来表示组件并非意图限制标记有相同标号的其他附图中的组件。
具体实施例方式在下面的说明中，参考了附图，附图形成说明的一部分，并且在附图中通过举例说明的方式示出了若干特定的实施例。应当理解，在不偏离本发明的范围或精神的前提下可以设想其他的实施例并进行实施。因此，以下的具体实施方式
不应被理解成具有限制性意义。除非另外指明，否则本文所用的所有科技术语具有在本领域中通常使用的含义。 本文给定的定义旨在有利于理解本文频繁使用的某些术语，并无限制本发明范围之意。除非另外指明，否则在所有情况下，说明书和权利要求书中用来表述特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应理解为由术语“约”来修饰。因此，除非另外指明，否则上述说明书和所附权利要求书中给出的数值参数均为近似值，根据本领域技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性情况，这些近似值可有所不同。用端点来表述的数值范围包括该范围内包含的所有数字(例如，1至5包括1、 1. 5、2、2. 75,3,3. 80,4和5)以及该范围内的任意范围。本说明书和所附权利要求中的单数形式“一种”、“一个”和“所述”均涵盖具有多个指代物的实施例，除非其内容明确指示另外的情况。如本说明书和所附权利要求书中所用，术语“或”的含义一般来讲包括“和/或”，除非该内容明确地表示其他含义。本发明的示例性实施例使用多孔保形自支承非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和嵌入到纤维中的活性颗粒。根据本发明的纤维网的特征在于具有三维形状或变形，所述形状或变形可通过(例如)模制工艺赋予纤维网。本发明预期有利于成形模制过滤元件的制备，所述成形模制过滤元件用于呼吸器且具有以现有技术难以实现的性能及设计特征。制备成形过滤元件树脂粘合碳粒的主要现有技术包括将细磨的树脂颗粒与碳粒组合在一起，再在高温和压力下将其成形。此类碳填充形状通常用于滤床中。然而，这一现有技术具有多个缺点。例如，将树脂研磨为小颗粒以用于树脂粘合颗粒工艺往往是一道成本相对昂贵的工序。另外，树脂粘合工艺趋向于锢囚碳表面，从而降低碳的活性。相比之下，根据本发明的示例性过滤元件由于使用纤维代替了粘合树脂，有望具有较低的压降，并具有较低的加工成本，且能够更好地保持碳活性。本发明的实施例的其他优点包括使用暴风雪式填充工艺制备出了滤床的替代形式，并能够制备传统填充床难以实现的过滤元件的复杂形状。
图1示意性地显示了适用于本发明示例性实施例的多孔非织造纤维网10的一部分。如本说明书所用，单词“多孔”是指该制品可充分地使气体透过，以便可以用于个人呼吸保护装置的过滤元件中。短语“非织造纤维网”是指具有纤维缠结或纤维以点粘合特征的纤维网。多孔非织造纤维网10包括布置于(例如嵌入)聚合物纤维网14a、14b、14c的活性颗粒12a、12b、12c。在非织造纤维网10中所形成的小的连通孔(例如在聚合物纤维网和颗粒之间)允许环境空气或其他流体穿过非织造纤维网10。活性颗粒例如12a、12b、 12c能够吸附存在于此类流体中的溶剂及其他潜在有毒的物质。单词“嵌入”在相对于非织造纤维网中的颗粒而使用时是指该颗粒充分粘合在网中或陷入网中，从而使得当所述纤维网经受温和的处理(如将纤维网悬垂在水平杆上)时，所述颗粒仍保持在纤维网之内或纤维网之上。此类多孔非织造纤维网的例子及其制各方法在(例如)专利申请公布No. US 2006/0096911中有所描述。适用于本发明的一些实施例中的活性颗粒的例子包括吸附剂、催化剂和化学反应性物质。可采用多种活性颗粒。在一些实施例中，活性颗粒能够吸收或吸附预计在拟定使用条件下出现的气体、气溶胶或液体。活性颗粒可呈任何可使用的形式，包括小珠、薄片、颗粒或聚集物。优选的活性颗粒包括活性炭；氧化铝和其它金属氧化物；碳酸氢钠；可通过吸附、化学反应或汞齐化从流体移除组分的金属颗粒(如银颗粒)；粒状催化剂，例如霍加拉特(其可催化一氧化碳的氧化)；纳米尺寸的金颗粒；由酸性溶液(例如乙酸)或碱性溶液 (例如氢氧化钠水溶液)处理过的粘土和其他矿物；离子交换树脂；分子筛和其他沸石；硅石；杀菌剂；杀真菌剂和杀病毒剂。活性炭和氧化铝是尤其优选的活性颗粒。示例性催化剂材料包括能够去除一氧化碳(CO)的Carulite 300(也称作霍加拉特，一种氧化铜与二氧化锰的组合物(得自MSDS))，或包含纳米尺寸的金颗粒的催化剂(涂覆有二氧化钛并在二氧化钛层上布置有纳米尺寸的金颗粒的颗粒状活性炭(美国专利申请No. 2004/0095189 Al)，所述颗粒状活性炭可去除CO、OV及其他化合物。示例性化学反应性物质包括三亚乙基二胺、霍加拉特、氯化锌、氧化铝(针对氟化氢)、沸石、碳酸钙和二氧化碳涤气剂(如氢氧化锂)。任何一个或多个此类化学反应性物质都可能以颗粒形式存在或者负载于颗粒上，通常负载于具有大表面积的颗粒上，如活性炭、 氧化铝或沸石颗粒。根据本发明，在同一示例性多孔非织造纤维网中可使用不止一种类型的活性颗粒。例如，可使用活性颗粒混合物来吸附气体混合物。希望的活性颗粒的尺寸可能变化很大，且通常部分地根据拟定使用条件来选择活性颗粒的尺寸。作为一般指导，所述活性颗粒的尺寸可以在约5至3000微米的平均直径范围内变化。优选的是，所述活性颗粒的平均直径小于约1500微米，更优选的平均直径在约30和约800微米之间，而最优选的平均直径在约100和约300微米之间。可使用不同尺寸范围的活性颗粒的混合物(如双峰式混合物)。 在本发明的一些实施例中，将超过60重量％的活性颗粒嵌入到纤维网中。在其他实施例中，优选地将至少80重量％的活性颗粒、更优选为至少84重量％以及最优选为至少90重量％的活性颗粒嵌入到纤维网中。适用于本发明的一些实施例的聚合物纤维例子包括热塑性聚合物纤维并且优选为热塑性弹性聚合物纤维。各种可形成纤维的聚合物材料均适用，包括热塑性塑料例如聚氨酯弹性体材料(例如购自Huntsman LLC的商品名为IR0GRAN 的材料以及购自Noveon, Inc.的商品名为ESTANE 的材料)、热塑性弹性体聚烯烃(例如购自Exxon Mobil Chemical的商品名为Vistamaxx的聚合物)、聚丁烯弹性体材料(例如购自E. I. Dupont de Nemours & Co.的商品名为CRASTIN 的材料)、聚酯弹性体材料(例如购自E. I. Dupont de Nemours & Co.的商品名为HYTREL 的材料)、聚醚嵌段共聚酰胺弹性体材料(例如购自 Atofina Chemicals, Inc.的商品名为PEBAX 的材料)以及弹性体苯乙烯嵌段共聚物(例如购自Kraton Polymers的商品名为KRAT0N 的材料以及购自Dynasol Elastomers的商品名为S0LPRENE 的材料)。某些聚合物可以拉伸至远大于其初始松弛长度的125%，并且这些中的许多都可以在偏置力释放之后基本恢复其初始松弛长度，一般优选这后一类材料。尤其优选热塑性聚氨酯、热塑性弹性体聚烯烃、聚丁烯以及苯乙烯嵌段共聚物。如果需要，纤维网的一部分可以表示其他不具有所列举的弹性或结晶收缩性的纤维，例如传统聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯的纤维；多组分纤维(例如皮芯纤维、可裂开型或并列型双组分纤维以及所谓的 “海岛型”纤维)；短纤维(例如天然或合成材料的短纤维)等等。然而，优选使用相对较少量的此类其他纤维，以不过度减损所需的吸附剂装填量以及最终的纤维网性能。图2为使用保形自支承的非织造纤维网22的一个示例性过滤元件20的横截面示意透视图，该纤维网可以是图1所示的多孔非织造纤维网10。在本发明的上下文中，术语 “保形”当涉及制品时，表示该制品具有足够的回弹性和结构完整性从而(i)在施加外力时抵抗变形或(ii)屈服于变形力但在移除变形力后可紧接着基本恢复到其初始形状，其中变形力的大小和种类为所述制品意图使用的通常条件下存在的典型变形力。术语“自支承” 当涉及制品时，表示该制品具有足够的硬度从而能够独自保持非平面构型，也就是说，不需要借助任何其他的支撑层或结构。再次参见图2，纤维网22具有三维变形对，所述三维变形以横截面示出。特别是， 纤维网22并非平面构型，即纤维网22的主表面2 和22b并非如典型非织造的含颗粒纤维网那样为平面构型且彼此平行，而是纤维网22被成形为使得其主表面2 和22b中至少一者偏离平面构型。在该示例性实施例中，第一表面2 偏离平面构型的距离高达Da，而第二表面2 偏离平面构型的距离高达Db。纤维网22的特征还在于具有纤维网厚度T，所述纤维网厚度可定义为第一表面 22a与第二表面22b之间的距离。根据本发明示例性实施例的变形的一些示例性尺寸包括纤维网厚度T为5至IOnm或更大。T值取决于过滤元件的预期最终用途以及其他考虑因素。变形M的特征还在于具有线性长度L，所述线性长度可定义为变形M在包括位移Da 的平面中的横截面投影在变形M下方的平表面上的长度。在一些示例性实施例中，在测量位移的纤维网位置处，Da和Db中的至少一者为纤维网厚度T的至少0. 5倍。在示出的示例性实施例中，厚度T和位移Da均在位置23处进行测量。在其他示例性实施例中，在测量位移的纤维网位置处，Da和Db中的至少一者可以为纤维网厚度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，具体取决于过滤元件的预期最终用途或其他考虑因素。再次参见图2，示例性过滤元件20的纤维网22的主表面2 可以表征为凹形表面，而主表面22b可以表征为凸形表面。在一些此类示例性实施例中，凹形表面22a的特征在于在测量位移的纤维网位置处，偏离平面构型的偏移量Da为纤维网厚度T的至少0. 5倍。在其他示例性实施例中，在测量位移的纤维网位置处，表面22a的Da可为纤维网厚度 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，具体取决于过滤元件的预期最终用途或其他考虑因素。在一些典型示例性实施例中，线性变形长度L可以为厚度T的至少3至4倍、或3 至5倍。在其他示例性实施例中，线性变形长度L可以为厚度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的一些示例性绝对值包括2cm、4cm或 IOcm或以上。L值及其与T的比值取决于多种因素，包括过滤元件的最终用途。本领域的普通技术人员将容易认识到纤维网22的变形可具有其他合适的形状和尺寸，包括但不限于图3-4所示出的那些。图3为使用保形自支承的非织造纤维网32的另一个示例性过滤元件30的横截面示意透视图。纤维网32具有三维变形34。在该示例性实施例中，第一表面3 偏离平面构型的距离高达Da'，而第二表面3 偏离平面构型的距离高达Db'。纤维网32的特征还在于具有变化的纤维网厚度Tl、T2、T3和T4，每一纤维网厚度均定义为第一表面3 与第二表面32b之间的距离。变形34特征还在于具有线条L'的线性长度。L'是变形34在包括位移Da的平面中的横截面在变形34下方的平表面上的投影。优选地，在具有变化纤维网厚度的实施例中，在整个变形34中沿至少一个方向的厚度变化不超过平均厚度Tav的10倍。更优选地，在整个变形34中沿至少一个方向的厚度变化不超过平均厚度Tav的5倍，并且甚至更优选不超过2倍、1倍，并且最优选不超过 0.5倍。平均厚度可通过如下方式计算选择整个变形34中的特定方向(例如沿纤维网32 和变形34在图3所在页面平面的横截面)，测量纤维网厚度值，优选沿所选方向测量至少4 个位置(如1、2、3和4)的值(即，值T1、T2、T3和T4)，然后按下列公式对这些值取平均Tav = (Tl+T2+T3+T4)/4在一些示例性实施例中，位置1、2、3和4的选择可通过将L分为5段大致相等的部分并在4个内部点处测量厚度。还参照图3，用于示例性过滤元件30的示例性保形自支承的非织造纤维网32具有三维变形34，该三维变形特征在于沿该纤维网厚度方向具有均勻密度。更具体地讲，在此类示例性实施例中，如果纤维网横截面呈现出具有仅一个、两个或更多个连续层的一体构造， 那么纤维网密度可视为在厚度方向是均勻的，这与具有由一个或多个气隙分隔开的两个或更多个层的层状结构截然相反。在一些示例性实施例中，纤维网32的三维变形34的特征在于可具有相对较小值的密度梯度。在一个示例性实施例中，三维变形34的特征在于可具有小于20 1的密度梯度。在其他示例性实施例中，三维变形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确定。从纤维网32的三维变形34的两个不同位置选取两个样品，如图3所示的位置1、2、3和4中的任意两个。然后使用下列所述步骤确定密度δ 1 和δ 2，密度梯度δ g为较大的密度值δ 2与较小的密度值δ 1之比。图4为使用保形自支承非织造纤维网42的另一个示例性过滤元件40的示意透视图。纤维网42具有三维变形44。在该示例性实施例中，纤维网42的第一表面4 和第二表面42b偏离平面构型使得纤维网42大致呈圆柱形。该示例性过滤元件尤其有利于用在为应对混合气体挑战(如氨气和有机蒸气)而设计的呼吸保护装置中。图5为使用多孔非织造纤维网52的另一个示例性过滤元件50的剖视图，所述纤维网52例如结合本发明的其他示例性实施例所述的纤维网。纤维网52具有两个或多个三维变形M。在该示例性实施例中，纤维网52的第一表面5 和第二表面52b偏离平面构型使得纤维网52形成一系列三维变形。在所示出的实施例中，变形M形成线性阵列(变形M沿一个方向形成重复序列)。在其他示例性实施例中，变形M形成二维阵列(变形 54沿两个不同方向形成重复序列)。在其他示例性实施例中，变形M可形成任何类型的分布，如随机阵列。各个变形在尺寸和/或形状上可以彼此相近也可以彼此不同。图6示出了根据本发明的另一个示例性过滤元件150的示意性剖视图。示例性过滤元件150包括壳体130。根据本发明构造的保形自支承非织造纤维网120(如图2所示的示例性纤维网)布置在壳体130的内部。壳体130包括具有开口 133的封盖132。环境空气通过开口 133进入过滤元件150中，穿过纤维网120(于是，环境空气中的潜在有害物质被纤维网120中的活性颗粒处理)并通过安装于支承体137上的进气阀135从壳体130排出ο龙头138和卡口法兰139使过滤元件150以可更换的方式附接到呼吸保护装置 160，如图7所示。装置160有时是指半面罩呼吸器，其包括适形面罩162，所述适形面罩可在相对较薄的刚性结构构件或插件164周围嵌件成型。插件164包括呼气阀165和凹形卡口螺纹开口(图7中未示出)以便可拆卸地连接装置160面颊区的过滤元件150的壳体 130。可调式头带166和颈带168使装置160可以牢固佩戴于佩戴者的鼻部和口部上。有关这种装置构造的进一步详情是本领域技术人员所熟悉的。图8示出了另一个示例性呼吸保护装置270，本发明的示例性实施例可用于该呼吸保护装置。装置270有时是指一次性或免维护面罩，并且它具有大体上杯形的壳体或呼吸器主体271，包括外部覆盖纤维网272、根据本发明构造的保形自支承非织造纤维网 220 (如图2和3所示的示例性纤维网)、以及内部覆盖纤维网274。焊接边缘275将这些层连接在一起并提供了面密封区域以减少经过装置270边缘的渗漏。装置270包括可调式头带和颈带276，所述头带和颈带通过拉袢277、鼻带278和呼气阀279扣紧在装置270上。 有关此类装置构造的更多细节是本领域技术人员所熟悉的。图9示出了另一个示例性呼吸保护装置300，本发明的示例性实施例可用于该呼吸保护装置，特别是图4所示的示例性实施例。装置300有时是指径流过滤系统，例如在空气处理系统中用于集体防护的那些。在图示实施例中，入口 314位于壳体310的内周边 310a上。出口 316与入口 314流体流通，可位于壳体310的外周边310b上。布置于壳体内部的示例性过滤元件320包括根据本发明的多孔非织造纤维网322以及根据本发明的三层多孔非织造纤维网324。纤维网322可包括不同于一层或更多层纤维网3M的材料和/或具有不同于一层或更多层纤维网324的过滤性质。在一些示例性实施例中，一层纤维网3M可包括不同于一层或更多层其他纤维网3M的材料和/或具有不同于一层或更多层纤维网324的过滤性质。另一个过滤元件(例如颗粒过滤元件330)还可设置于壳体310的内部。颗粒过滤元件优选地设置于过滤元件320的上游。在一个实施例中，空气或另一流体流经位于壳体310的内周边的入口 314。然后空气可以按箭头F所示的方向穿过每个过滤元件并最终由出口 316穿出。本发明还可用于其他流体处理系统，并且本发明的实施例可具有不同构造和位置的入口 314和出口 316。例如，入口和出口的位置可以颠倒。图10示出了用于制备根据本发明的具有三维变形的保形、自支承非织造纤维网的一个示例性方法和设备900。包含颗粒的纤维网920最初可具有平面构型。例如可通过使用示例性设备900模制纤维网920，将根据本发明的三维变形赋予纤维网920。设备900 包括第一温控模具90 和第二温控模具904b。模具的形状取决于期望赋予纤维网902的变形形状。可使用空气致动器活塞906控制从第一模具90 到第二模具904b的运动。机架902支撑模具904a、904b和活塞906。在一个制备具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的示例性方法中，纤维网 920被置于模具90 和904b之间，这两个模具合在一起以对纤维网920加压加热，使纤维网920模制成所期望的形状。模具90 和904b的温度可以相近或者不同，并预计取决于用在纤维网920的纤维中的聚合物。如果ExxonMobil Vistamaxx牌2125热塑性聚烯烃弹性体用于纤维网902的纤维，则预计模具工作温度为75°C至250°C，并且更优选为95°C至 120°C。由模具90 和904b施加到纤维网920上的压力预计取决于用在纤维网920的纤维中的聚合物并还可取决于活性颗粒的种类与数量。例如，如果ExxonMobil Vistamaxx牌 2125树脂用于纤维网902的纤维，则预计工作压力为20gr/Cm2至lOOOOgr/cm2，并且更优选为300至2000gr/cm2。在此条件下，示例性模制时间预计为2秒至30分钟。一般来讲，模制时间将取决于温度、压力以及聚合物和活性颗粒。据信，模制工艺可以软化并形成纤维网的热塑性弹性聚合物纤维，进而使所得到的具有所需形状三维变形的纤维网也能够自支承和保形。其他示例性方法可包括在配备加热板的热压机上或内部对纤维网920进行模制或者将具有一定重量的固定装置放于烘箱中对其进行模制。测试方法为了计算根据本发明的过滤元件样品的密度，通常可以由采集相对未受损的以及比较典型的过滤元件片开始。可通过(例如)从所研究的样品上切下一片来完成采集，优选地，要使根据本发明的三维变形的至少一部分包含于样品中。切片在所有维度上都足够大以使其具有“典型性”很重要。更具体地讲，样品必须远大于分散于纤维网内的活性颗粒， 并且优选地，为纤维网内颗粒最大尺寸的至少5倍，并且更优选地，为纤维网内颗粒最大尺寸的至少100倍。可选择容易测量尺寸并计算体积的样品形状，例如矩形或圆柱形。就曲面而言，可能有利的是，允许所使用的装置(刀模)切割样品以限定直径(如刀模)。为了测量该样品的尺寸，可使用ASTM D1777-96测试选项#5作为指南。压脚尺寸将必须调整至能够适应可得的样品尺寸。不希望在测量过程中使样品变形，但是选项#5中所规定的更高的压力在某些情况下是可以接受的。由于待测的结构为多孔的，因此接触应当扩展至相对单个活性颗粒较大的区域。确定典型切片的体积后，应当称量典型切片的重量。密度由重量除以体积得到。还可通过比较非织造纤维网内的颗粒组分的密度与相同颗粒物质的“填充床”的密度来表征本发明示例性实施例的密度。这将包括从已知体积的“典型切片”移除颗粒并称量所得颗粒样品的重量。然后将该颗粒倾注到量筒中以得到其“填充床”体积。由这些数据，可通过重量除以所测得的体积得到“填充或表观密度”。然而，该结果可能由于残留聚合物粘附于颗粒而被扭曲。实例根据本发明方法将下列层组装并模制成过滤面罩呼吸器形状(类似杯形)1.外壳一层非织造材料层-20% Kosa Co. 295型1. 5英寸切削长度、6旦尼尔聚酯短纤维与80% Kosa Co. 254型1. 5英寸切削长度、4旦尼尔二共聚聚酯短纤维。2. 一层吹塑微纤维过滤介质。3. 一层根据本发明的4000gsm (克每平方米)多孔非织造纤维网，所述纤维网包括嵌入到热塑性弹性体聚烯烃纤维中的购自Kuraray的GG型12X20有机蒸气活性炭颗粒。4. 一层据本发明的600gsm多孔非织造纤维网，所述纤维网包括嵌入到热塑性弹性体聚烯烃聚合物纤维中的40X 140有机蒸气活性炭颗粒。5. 一层致密熔喷微纤维平滑非织造纤维网。6.内壳一层非织造材料层-20% Kosa Co. 295型1. 5英寸切削长度、6旦尼尔聚酯短纤维与80% Kosa Co. 254型1. 5英寸切削长度、4旦尼尔二共聚聚酯短纤维。上述各层被放入模制设备中旨在模制过滤面罩呼吸器。顶部模具温度设为 235 0F，而底部模具温度设为300 0F。在85L/m流量下测得由此形成的呼吸器构造压降在14. 9mm水柱与33. 7mm水柱之间。当依照针对环己烷的CEN测试方法(测试条件1000ppm、30Lpm、20°C、70% RHUOppm 渗透浓度)测试时，模制呼吸器构造的使用寿命为40-59分钟。一个相关的CEN测试在英国标准 BS EN 141 200 “Respiratory protective devices-Gas filters and combined filters-Requirements, testing, marking"(呼吸保护装置一气体过滤器和组合过滤器一要求、测试和标记)中有所描述。因此，本发明公开了采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件的实施例。本领域的技术人员将会知道，可使用除已公开的实施例之外的实施例实施本发明。描述公开的实施例的目的是为了举例说明而不是限制，并且本发明仅受以下权利要求书的限制。
权利要求
1.一种过滤元件，包括多孔保形自支承的非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒；其中所述纤维网具有三维变形，所述三维变形的特征在于沿所述纤维网厚度方向具有均勻密度。
2.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述变形具有这样的表面特征，其特征在于偏离平面构型且偏离量为所述纤维网厚度的至少0. 5倍。
3.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述纤维网厚度沿整个所述变形的至少一个方向的变化不超过所述纤维网厚度的2倍。
4.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述三维变形的特征在于密度梯度小于 20 1。
5.根据权利要求4所述的过滤元件，其中所述三维变形的特征在于密度梯度小于 10 1。
6.一种过滤元件，包括多孔保形自支承的非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒；其中所述纤维网具有三维变形，所述三维变形的特征在于沿整个所述变形至少一个方向的厚度变化不超过5倍。
7.一种过滤元件，包括多孔保形自支承的非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒；并且其中所述纤维网具有三维变形，所述变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型，且偏离量为那一位置处所述纤维网厚度的至少0. 5倍。
8.根据权利要求7所述的过滤元件，其中所述变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型且偏离量为所述纤维网厚度的至少1倍。
9.根据权利要求7所述的过滤元件，其中所述变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型且偏离量为所述纤维网厚度的至少5倍。
10.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维网的特征在于其密度为用相似活性颗粒制备得到的填充床密度的至少30%。
11.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述变形具有一定曲率。
12.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维网包括嵌入到所述纤维网中的重量百分比超过60%的吸附剂颗粒。
13.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维网包括嵌入到所述纤维网中的重量百分比至少80%的吸附剂颗粒。
14.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维包括至少下列一者热塑性聚氨酯弹性体、热塑性聚丁烯弹性体、热塑性聚酯弹性体、热塑性弹性聚烯烃以及热塑性苯乙烯嵌段共聚物。
15.根据权利要求1、6或7所述的制品，其中所述活性颗粒包括至少下列一者吸附剂、催化剂以及化学反应性物质。
16.一种滤筒，包括壳体以及布置于所述壳体内的如权利要求1、6或7所述的过滤元件。
17.—种呼吸保护系统，包括一般至少裹住佩戴者的鼻部和口部的内部部分、用于为所述内部部分供给环境空气的进气通道、以及布置在整个所述进气通道中用于过滤所供给空气的如权利要求1、6或7所述的过滤元件。
18.根据权利要求17所述的呼吸保护系统，其中所述呼吸保护系统为免维护呼吸器。
19.根据权利要求17所述的呼吸保护系统，其中所述呼吸保护系统为动力驱动的空气净化呼吸器。
20.一种呼吸保护系统，包括一对滤筒，每个滤筒包括壳体以及布置于所述壳体内的如权利要求1、6或7所述的过滤元件。
21.一种径向过滤系统，包括如权利要求1、6或7所述的过滤元件，所述过滤元件被构造为圆柱体。
全文摘要
本发明提供了一种过滤元件，所述过滤元件使用多孔保形自支承的非织造纤维网。所述纤维网包括热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒。所述纤维网还具有三维变形。
文档编号A62B7/00GK102292127SQ200980155099
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月3日 优先权日2008年12月18日
发明者布里顿·G·比林斯利, 马尔文·E·琼斯 申请人:3M创新有限公司
采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件
背景技术：
本发明整体涉及采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件。更具体地讲，本发明涉及包括保形自支承的非织造纤维网的过滤元件，其中所述纤维网具有三维变形。本发明还涉及包括此类过滤元件的呼吸保护系统。在存在蒸气和其他危险性气源物质的情况下使用的呼吸保护装置通常采用包含吸附剂颗粒的过滤元件。此类过滤元件的设计会涉及到有时是相互竞争之因素的平衡，所述因素诸如为压降、耐冲击性、整体使用寿命、重量、厚度、总体尺寸、对潜在的损害力(如振动或磨损)的抵抗能力以及样品之间的差异性。填充有吸附剂颗粒的纤维网通常具有较低的压降以及其他优点。填充有吸附剂颗粒的纤维网已被组装到杯状模制呼吸器中。参见，如授予Braim 的美国专利No. 3，971，373。此类呼吸保护装置的典型构造包括在一对保形层之间布置的一个或多个含颗粒和颗粒保持层。参见例如授予Springett等人的美国专利No. 6，102，039。 保形层为另外相对柔软的中间层提供结构完整性，以使得组件整体可以保持为杯形。一直需要具有有利性能特性、结构完整性、较简单构造且易于制造的过滤元件。
发明内容
本发明涉及采用多孔保形自支承的非织造纤维网的过滤元件。所述纤维网包括热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒，并且所述纤维网具有三维变形。在一个实施中，三维变形的特征在于沿纤维网厚度方向具有均勻密度。在另一个实施中，三维变形的特征在于沿整个变形至少一个方向的厚度变化不超过5倍。在另一个实施中，三维变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型，且偏离量为那一位置纤维网厚度的至少0.5倍。
结合附图对本发明的各种实施例所做的以下详细说明可以更全面地理解本发明， 其中图1为根据本发明的多孔非织造纤维网的局部示意透视图；图2为使用具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的一个示例性过滤元件的横截面示意透视图；图3为包括具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的另一个示例性过滤元件的横截面示意透视图；图4为包括具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的另一个示例性过滤元件的横截面示意透视图；图5为包括具有二维或多于三维变形的保形自支承非织造纤维网的另一个示例性过滤元件的横截面示意图；图6是布置于滤筒中的根据本发明的示例性过滤元件的示意性剖视图7为使用图6所示过滤元件的示例性呼吸保护系统的透视图；图8为使用图3所示的根据本发明的示例性过滤元件的一次性呼吸保护装置的局部截面透视图；图9为径向过滤系统的剖视图，所述径向过滤系统例如使用图4所示的根据本发明的示例性过滤元件且适用于集体防护系统的那些；图10示出了制备根据本发明的具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的一个示例性方法。附图未必按比例绘制。在附图中使用的相同的标号表示相同的部件。然而，在给定附图中使用标号来表示组件并非意图限制标记有相同标号的其他附图中的组件。
具体实施例方式在下面的说明中，参考了附图，附图形成说明的一部分，并且在附图中通过举例说明的方式示出了若干特定的实施例。应当理解，在不偏离本发明的范围或精神的前提下可以设想其他的实施例并进行实施。因此，以下的具体实施方式
不应被理解成具有限制性意义。除非另外指明，否则本文所用的所有科技术语具有在本领域中通常使用的含义。 本文给定的定义旨在有利于理解本文频繁使用的某些术语，并无限制本发明范围之意。除非另外指明，否则在所有情况下，说明书和权利要求书中用来表述特征尺寸、数量和物理特性的所有数字均应理解为由术语“约”来修饰。因此，除非另外指明，否则上述说明书和所附权利要求书中给出的数值参数均为近似值，根据本领域技术人员利用本文所公开的教导内容寻求获得的所需特性情况，这些近似值可有所不同。用端点来表述的数值范围包括该范围内包含的所有数字(例如，1至5包括1、 1. 5、2、2. 75,3,3. 80,4和5)以及该范围内的任意范围。本说明书和所附权利要求中的单数形式“一种”、“一个”和“所述”均涵盖具有多个指代物的实施例，除非其内容明确指示另外的情况。如本说明书和所附权利要求书中所用，术语“或”的含义一般来讲包括“和/或”，除非该内容明确地表示其他含义。本发明的示例性实施例使用多孔保形自支承非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和嵌入到纤维中的活性颗粒。根据本发明的纤维网的特征在于具有三维形状或变形，所述形状或变形可通过(例如)模制工艺赋予纤维网。本发明预期有利于成形模制过滤元件的制备，所述成形模制过滤元件用于呼吸器且具有以现有技术难以实现的性能及设计特征。制备成形过滤元件树脂粘合碳粒的主要现有技术包括将细磨的树脂颗粒与碳粒组合在一起，再在高温和压力下将其成形。此类碳填充形状通常用于滤床中。然而，这一现有技术具有多个缺点。例如，将树脂研磨为小颗粒以用于树脂粘合颗粒工艺往往是一道成本相对昂贵的工序。另外，树脂粘合工艺趋向于锢囚碳表面，从而降低碳的活性。相比之下，根据本发明的示例性过滤元件由于使用纤维代替了粘合树脂，有望具有较低的压降，并具有较低的加工成本，且能够更好地保持碳活性。本发明的实施例的其他优点包括使用暴风雪式填充工艺制备出了滤床的替代形式，并能够制备传统填充床难以实现的过滤元件的复杂形状。
图1示意性地显示了适用于本发明示例性实施例的多孔非织造纤维网10的一部分。如本说明书所用，单词“多孔”是指该制品可充分地使气体透过，以便可以用于个人呼吸保护装置的过滤元件中。短语“非织造纤维网”是指具有纤维缠结或纤维以点粘合特征的纤维网。多孔非织造纤维网10包括布置于(例如嵌入)聚合物纤维网14a、14b、14c的活性颗粒12a、12b、12c。在非织造纤维网10中所形成的小的连通孔(例如在聚合物纤维网和颗粒之间)允许环境空气或其他流体穿过非织造纤维网10。活性颗粒例如12a、12b、 12c能够吸附存在于此类流体中的溶剂及其他潜在有毒的物质。单词“嵌入”在相对于非织造纤维网中的颗粒而使用时是指该颗粒充分粘合在网中或陷入网中，从而使得当所述纤维网经受温和的处理(如将纤维网悬垂在水平杆上)时，所述颗粒仍保持在纤维网之内或纤维网之上。此类多孔非织造纤维网的例子及其制各方法在(例如)专利申请公布No. US 2006/0096911中有所描述。适用于本发明的一些实施例中的活性颗粒的例子包括吸附剂、催化剂和化学反应性物质。可采用多种活性颗粒。在一些实施例中，活性颗粒能够吸收或吸附预计在拟定使用条件下出现的气体、气溶胶或液体。活性颗粒可呈任何可使用的形式，包括小珠、薄片、颗粒或聚集物。优选的活性颗粒包括活性炭；氧化铝和其它金属氧化物；碳酸氢钠；可通过吸附、化学反应或汞齐化从流体移除组分的金属颗粒(如银颗粒)；粒状催化剂，例如霍加拉特(其可催化一氧化碳的氧化)；纳米尺寸的金颗粒；由酸性溶液(例如乙酸)或碱性溶液 (例如氢氧化钠水溶液)处理过的粘土和其他矿物；离子交换树脂；分子筛和其他沸石；硅石；杀菌剂；杀真菌剂和杀病毒剂。活性炭和氧化铝是尤其优选的活性颗粒。示例性催化剂材料包括能够去除一氧化碳(CO)的Carulite 300(也称作霍加拉特，一种氧化铜与二氧化锰的组合物(得自MSDS))，或包含纳米尺寸的金颗粒的催化剂(涂覆有二氧化钛并在二氧化钛层上布置有纳米尺寸的金颗粒的颗粒状活性炭(美国专利申请No. 2004/0095189 Al)，所述颗粒状活性炭可去除CO、OV及其他化合物。示例性化学反应性物质包括三亚乙基二胺、霍加拉特、氯化锌、氧化铝(针对氟化氢)、沸石、碳酸钙和二氧化碳涤气剂(如氢氧化锂)。任何一个或多个此类化学反应性物质都可能以颗粒形式存在或者负载于颗粒上，通常负载于具有大表面积的颗粒上，如活性炭、 氧化铝或沸石颗粒。根据本发明，在同一示例性多孔非织造纤维网中可使用不止一种类型的活性颗粒。例如，可使用活性颗粒混合物来吸附气体混合物。希望的活性颗粒的尺寸可能变化很大，且通常部分地根据拟定使用条件来选择活性颗粒的尺寸。作为一般指导，所述活性颗粒的尺寸可以在约5至3000微米的平均直径范围内变化。优选的是，所述活性颗粒的平均直径小于约1500微米，更优选的平均直径在约30和约800微米之间，而最优选的平均直径在约100和约300微米之间。可使用不同尺寸范围的活性颗粒的混合物(如双峰式混合物)。 在本发明的一些实施例中，将超过60重量％的活性颗粒嵌入到纤维网中。在其他实施例中，优选地将至少80重量％的活性颗粒、更优选为至少84重量％以及最优选为至少90重量％的活性颗粒嵌入到纤维网中。适用于本发明的一些实施例的聚合物纤维例子包括热塑性聚合物纤维并且优选为热塑性弹性聚合物纤维。各种可形成纤维的聚合物材料均适用，包括热塑性塑料例如聚氨酯弹性体材料(例如购自Huntsman LLC的商品名为IR0GRAN 的材料以及购自Noveon, Inc.的商品名为ESTANE 的材料)、热塑性弹性体聚烯烃(例如购自Exxon Mobil Chemical的商品名为Vistamaxx的聚合物)、聚丁烯弹性体材料(例如购自E. I. Dupont de Nemours & Co.的商品名为CRASTIN 的材料)、聚酯弹性体材料(例如购自E. I. Dupont de Nemours & Co.的商品名为HYTREL 的材料)、聚醚嵌段共聚酰胺弹性体材料(例如购自 Atofina Chemicals, Inc.的商品名为PEBAX 的材料)以及弹性体苯乙烯嵌段共聚物(例如购自Kraton Polymers的商品名为KRAT0N 的材料以及购自Dynasol Elastomers的商品名为S0LPRENE 的材料)。某些聚合物可以拉伸至远大于其初始松弛长度的125%，并且这些中的许多都可以在偏置力释放之后基本恢复其初始松弛长度，一般优选这后一类材料。尤其优选热塑性聚氨酯、热塑性弹性体聚烯烃、聚丁烯以及苯乙烯嵌段共聚物。如果需要，纤维网的一部分可以表示其他不具有所列举的弹性或结晶收缩性的纤维，例如传统聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯的纤维；多组分纤维(例如皮芯纤维、可裂开型或并列型双组分纤维以及所谓的 “海岛型”纤维)；短纤维(例如天然或合成材料的短纤维)等等。然而，优选使用相对较少量的此类其他纤维，以不过度减损所需的吸附剂装填量以及最终的纤维网性能。图2为使用保形自支承的非织造纤维网22的一个示例性过滤元件20的横截面示意透视图，该纤维网可以是图1所示的多孔非织造纤维网10。在本发明的上下文中，术语 “保形”当涉及制品时，表示该制品具有足够的回弹性和结构完整性从而(i)在施加外力时抵抗变形或(ii)屈服于变形力但在移除变形力后可紧接着基本恢复到其初始形状，其中变形力的大小和种类为所述制品意图使用的通常条件下存在的典型变形力。术语“自支承” 当涉及制品时，表示该制品具有足够的硬度从而能够独自保持非平面构型，也就是说，不需要借助任何其他的支撑层或结构。再次参见图2，纤维网22具有三维变形对，所述三维变形以横截面示出。特别是， 纤维网22并非平面构型，即纤维网22的主表面2 和22b并非如典型非织造的含颗粒纤维网那样为平面构型且彼此平行，而是纤维网22被成形为使得其主表面2 和22b中至少一者偏离平面构型。在该示例性实施例中，第一表面2 偏离平面构型的距离高达Da，而第二表面2 偏离平面构型的距离高达Db。纤维网22的特征还在于具有纤维网厚度T，所述纤维网厚度可定义为第一表面 22a与第二表面22b之间的距离。根据本发明示例性实施例的变形的一些示例性尺寸包括纤维网厚度T为5至IOnm或更大。T值取决于过滤元件的预期最终用途以及其他考虑因素。变形M的特征还在于具有线性长度L，所述线性长度可定义为变形M在包括位移Da 的平面中的横截面投影在变形M下方的平表面上的长度。在一些示例性实施例中，在测量位移的纤维网位置处，Da和Db中的至少一者为纤维网厚度T的至少0. 5倍。在示出的示例性实施例中，厚度T和位移Da均在位置23处进行测量。在其他示例性实施例中，在测量位移的纤维网位置处，Da和Db中的至少一者可以为纤维网厚度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，具体取决于过滤元件的预期最终用途或其他考虑因素。再次参见图2，示例性过滤元件20的纤维网22的主表面2 可以表征为凹形表面，而主表面22b可以表征为凸形表面。在一些此类示例性实施例中，凹形表面22a的特征在于在测量位移的纤维网位置处，偏离平面构型的偏移量Da为纤维网厚度T的至少0. 5倍。在其他示例性实施例中，在测量位移的纤维网位置处，表面22a的Da可为纤维网厚度 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，具体取决于过滤元件的预期最终用途或其他考虑因素。在一些典型示例性实施例中，线性变形长度L可以为厚度T的至少3至4倍、或3 至5倍。在其他示例性实施例中，线性变形长度L可以为厚度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的一些示例性绝对值包括2cm、4cm或 IOcm或以上。L值及其与T的比值取决于多种因素，包括过滤元件的最终用途。本领域的普通技术人员将容易认识到纤维网22的变形可具有其他合适的形状和尺寸，包括但不限于图3-4所示出的那些。图3为使用保形自支承的非织造纤维网32的另一个示例性过滤元件30的横截面示意透视图。纤维网32具有三维变形34。在该示例性实施例中，第一表面3 偏离平面构型的距离高达Da'，而第二表面3 偏离平面构型的距离高达Db'。纤维网32的特征还在于具有变化的纤维网厚度Tl、T2、T3和T4，每一纤维网厚度均定义为第一表面3 与第二表面32b之间的距离。变形34特征还在于具有线条L'的线性长度。L'是变形34在包括位移Da的平面中的横截面在变形34下方的平表面上的投影。优选地，在具有变化纤维网厚度的实施例中，在整个变形34中沿至少一个方向的厚度变化不超过平均厚度Tav的10倍。更优选地，在整个变形34中沿至少一个方向的厚度变化不超过平均厚度Tav的5倍，并且甚至更优选不超过2倍、1倍，并且最优选不超过 0.5倍。平均厚度可通过如下方式计算选择整个变形34中的特定方向(例如沿纤维网32 和变形34在图3所在页面平面的横截面)，测量纤维网厚度值，优选沿所选方向测量至少4 个位置(如1、2、3和4)的值(即，值T1、T2、T3和T4)，然后按下列公式对这些值取平均Tav = (Tl+T2+T3+T4)/4在一些示例性实施例中，位置1、2、3和4的选择可通过将L分为5段大致相等的部分并在4个内部点处测量厚度。还参照图3，用于示例性过滤元件30的示例性保形自支承的非织造纤维网32具有三维变形34，该三维变形特征在于沿该纤维网厚度方向具有均勻密度。更具体地讲，在此类示例性实施例中，如果纤维网横截面呈现出具有仅一个、两个或更多个连续层的一体构造， 那么纤维网密度可视为在厚度方向是均勻的，这与具有由一个或多个气隙分隔开的两个或更多个层的层状结构截然相反。在一些示例性实施例中，纤维网32的三维变形34的特征在于可具有相对较小值的密度梯度。在一个示例性实施例中，三维变形34的特征在于可具有小于20 1的密度梯度。在其他示例性实施例中，三维变形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确定。从纤维网32的三维变形34的两个不同位置选取两个样品，如图3所示的位置1、2、3和4中的任意两个。然后使用下列所述步骤确定密度δ 1 和δ 2，密度梯度δ g为较大的密度值δ 2与较小的密度值δ 1之比。图4为使用保形自支承非织造纤维网42的另一个示例性过滤元件40的示意透视图。纤维网42具有三维变形44。在该示例性实施例中，纤维网42的第一表面4 和第二表面42b偏离平面构型使得纤维网42大致呈圆柱形。该示例性过滤元件尤其有利于用在为应对混合气体挑战(如氨气和有机蒸气)而设计的呼吸保护装置中。图5为使用多孔非织造纤维网52的另一个示例性过滤元件50的剖视图，所述纤维网52例如结合本发明的其他示例性实施例所述的纤维网。纤维网52具有两个或多个三维变形M。在该示例性实施例中，纤维网52的第一表面5 和第二表面52b偏离平面构型使得纤维网52形成一系列三维变形。在所示出的实施例中，变形M形成线性阵列(变形M沿一个方向形成重复序列)。在其他示例性实施例中，变形M形成二维阵列(变形 54沿两个不同方向形成重复序列)。在其他示例性实施例中，变形M可形成任何类型的分布，如随机阵列。各个变形在尺寸和/或形状上可以彼此相近也可以彼此不同。图6示出了根据本发明的另一个示例性过滤元件150的示意性剖视图。示例性过滤元件150包括壳体130。根据本发明构造的保形自支承非织造纤维网120(如图2所示的示例性纤维网)布置在壳体130的内部。壳体130包括具有开口 133的封盖132。环境空气通过开口 133进入过滤元件150中，穿过纤维网120(于是，环境空气中的潜在有害物质被纤维网120中的活性颗粒处理)并通过安装于支承体137上的进气阀135从壳体130排出ο龙头138和卡口法兰139使过滤元件150以可更换的方式附接到呼吸保护装置 160，如图7所示。装置160有时是指半面罩呼吸器，其包括适形面罩162，所述适形面罩可在相对较薄的刚性结构构件或插件164周围嵌件成型。插件164包括呼气阀165和凹形卡口螺纹开口(图7中未示出)以便可拆卸地连接装置160面颊区的过滤元件150的壳体 130。可调式头带166和颈带168使装置160可以牢固佩戴于佩戴者的鼻部和口部上。有关这种装置构造的进一步详情是本领域技术人员所熟悉的。图8示出了另一个示例性呼吸保护装置270，本发明的示例性实施例可用于该呼吸保护装置。装置270有时是指一次性或免维护面罩，并且它具有大体上杯形的壳体或呼吸器主体271，包括外部覆盖纤维网272、根据本发明构造的保形自支承非织造纤维网 220 (如图2和3所示的示例性纤维网)、以及内部覆盖纤维网274。焊接边缘275将这些层连接在一起并提供了面密封区域以减少经过装置270边缘的渗漏。装置270包括可调式头带和颈带276，所述头带和颈带通过拉袢277、鼻带278和呼气阀279扣紧在装置270上。 有关此类装置构造的更多细节是本领域技术人员所熟悉的。图9示出了另一个示例性呼吸保护装置300，本发明的示例性实施例可用于该呼吸保护装置，特别是图4所示的示例性实施例。装置300有时是指径流过滤系统，例如在空气处理系统中用于集体防护的那些。在图示实施例中，入口 314位于壳体310的内周边 310a上。出口 316与入口 314流体流通，可位于壳体310的外周边310b上。布置于壳体内部的示例性过滤元件320包括根据本发明的多孔非织造纤维网322以及根据本发明的三层多孔非织造纤维网324。纤维网322可包括不同于一层或更多层纤维网3M的材料和/或具有不同于一层或更多层纤维网324的过滤性质。在一些示例性实施例中，一层纤维网3M可包括不同于一层或更多层其他纤维网3M的材料和/或具有不同于一层或更多层纤维网324的过滤性质。另一个过滤元件(例如颗粒过滤元件330)还可设置于壳体310的内部。颗粒过滤元件优选地设置于过滤元件320的上游。在一个实施例中，空气或另一流体流经位于壳体310的内周边的入口 314。然后空气可以按箭头F所示的方向穿过每个过滤元件并最终由出口 316穿出。本发明还可用于其他流体处理系统，并且本发明的实施例可具有不同构造和位置的入口 314和出口 316。例如，入口和出口的位置可以颠倒。图10示出了用于制备根据本发明的具有三维变形的保形、自支承非织造纤维网的一个示例性方法和设备900。包含颗粒的纤维网920最初可具有平面构型。例如可通过使用示例性设备900模制纤维网920，将根据本发明的三维变形赋予纤维网920。设备900 包括第一温控模具90 和第二温控模具904b。模具的形状取决于期望赋予纤维网902的变形形状。可使用空气致动器活塞906控制从第一模具90 到第二模具904b的运动。机架902支撑模具904a、904b和活塞906。在一个制备具有三维变形的保形自支承非织造纤维网的示例性方法中，纤维网 920被置于模具90 和904b之间，这两个模具合在一起以对纤维网920加压加热，使纤维网920模制成所期望的形状。模具90 和904b的温度可以相近或者不同，并预计取决于用在纤维网920的纤维中的聚合物。如果ExxonMobil Vistamaxx牌2125热塑性聚烯烃弹性体用于纤维网902的纤维，则预计模具工作温度为75°C至250°C，并且更优选为95°C至 120°C。由模具90 和904b施加到纤维网920上的压力预计取决于用在纤维网920的纤维中的聚合物并还可取决于活性颗粒的种类与数量。例如，如果ExxonMobil Vistamaxx牌 2125树脂用于纤维网902的纤维，则预计工作压力为20gr/Cm2至lOOOOgr/cm2，并且更优选为300至2000gr/cm2。在此条件下，示例性模制时间预计为2秒至30分钟。一般来讲，模制时间将取决于温度、压力以及聚合物和活性颗粒。据信，模制工艺可以软化并形成纤维网的热塑性弹性聚合物纤维，进而使所得到的具有所需形状三维变形的纤维网也能够自支承和保形。其他示例性方法可包括在配备加热板的热压机上或内部对纤维网920进行模制或者将具有一定重量的固定装置放于烘箱中对其进行模制。测试方法为了计算根据本发明的过滤元件样品的密度，通常可以由采集相对未受损的以及比较典型的过滤元件片开始。可通过(例如)从所研究的样品上切下一片来完成采集，优选地，要使根据本发明的三维变形的至少一部分包含于样品中。切片在所有维度上都足够大以使其具有“典型性”很重要。更具体地讲，样品必须远大于分散于纤维网内的活性颗粒， 并且优选地，为纤维网内颗粒最大尺寸的至少5倍，并且更优选地，为纤维网内颗粒最大尺寸的至少100倍。可选择容易测量尺寸并计算体积的样品形状，例如矩形或圆柱形。就曲面而言，可能有利的是，允许所使用的装置(刀模)切割样品以限定直径(如刀模)。为了测量该样品的尺寸，可使用ASTM D1777-96测试选项#5作为指南。压脚尺寸将必须调整至能够适应可得的样品尺寸。不希望在测量过程中使样品变形，但是选项#5中所规定的更高的压力在某些情况下是可以接受的。由于待测的结构为多孔的，因此接触应当扩展至相对单个活性颗粒较大的区域。确定典型切片的体积后，应当称量典型切片的重量。密度由重量除以体积得到。还可通过比较非织造纤维网内的颗粒组分的密度与相同颗粒物质的“填充床”的密度来表征本发明示例性实施例的密度。这将包括从已知体积的“典型切片”移除颗粒并称量所得颗粒样品的重量。然后将该颗粒倾注到量筒中以得到其“填充床”体积。由这些数据，可通过重量除以所测得的体积得到“填充或表观密度”。然而，该结果可能由于残留聚合物粘附于颗粒而被扭曲。实例根据本发明方法将下列层组装并模制成过滤面罩呼吸器形状(类似杯形)1.外壳一层非织造材料层-20% Kosa Co. 295型1. 5英寸切削长度、6旦尼尔聚酯短纤维与80% Kosa Co. 254型1. 5英寸切削长度、4旦尼尔二共聚聚酯短纤维。2. 一层吹塑微纤维过滤介质。3. 一层根据本发明的4000gsm (克每平方米)多孔非织造纤维网，所述纤维网包括嵌入到热塑性弹性体聚烯烃纤维中的购自Kuraray的GG型12X20有机蒸气活性炭颗粒。4. 一层据本发明的600gsm多孔非织造纤维网，所述纤维网包括嵌入到热塑性弹性体聚烯烃聚合物纤维中的40X 140有机蒸气活性炭颗粒。5. 一层致密熔喷微纤维平滑非织造纤维网。6.内壳一层非织造材料层-20% Kosa Co. 295型1. 5英寸切削长度、6旦尼尔聚酯短纤维与80% Kosa Co. 254型1. 5英寸切削长度、4旦尼尔二共聚聚酯短纤维。上述各层被放入模制设备中旨在模制过滤面罩呼吸器。顶部模具温度设为 235 0F，而底部模具温度设为300 0F。在85L/m流量下测得由此形成的呼吸器构造压降在14. 9mm水柱与33. 7mm水柱之间。当依照针对环己烷的CEN测试方法(测试条件1000ppm、30Lpm、20°C、70% RHUOppm 渗透浓度)测试时，模制呼吸器构造的使用寿命为40-59分钟。一个相关的CEN测试在英国标准 BS EN 141 200 “Respiratory protective devices-Gas filters and combined filters-Requirements, testing, marking"(呼吸保护装置一气体过滤器和组合过滤器一要求、测试和标记)中有所描述。因此，本发明公开了采用成形的含颗粒非织造纤维网的过滤元件的实施例。本领域的技术人员将会知道，可使用除已公开的实施例之外的实施例实施本发明。描述公开的实施例的目的是为了举例说明而不是限制，并且本发明仅受以下权利要求书的限制。
权利要求
1.一种过滤元件，包括多孔保形自支承的非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒；其中所述纤维网具有三维变形，所述三维变形的特征在于沿所述纤维网厚度方向具有均勻密度。
2.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述变形具有这样的表面特征，其特征在于偏离平面构型且偏离量为所述纤维网厚度的至少0. 5倍。
3.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述纤维网厚度沿整个所述变形的至少一个方向的变化不超过所述纤维网厚度的2倍。
4.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述三维变形的特征在于密度梯度小于 20 1。
5.根据权利要求4所述的过滤元件，其中所述三维变形的特征在于密度梯度小于 10 1。
6.一种过滤元件，包括多孔保形自支承的非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒；其中所述纤维网具有三维变形，所述三维变形的特征在于沿整个所述变形至少一个方向的厚度变化不超过5倍。
7.一种过滤元件，包括多孔保形自支承的非织造纤维网，所述纤维网包含热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒；并且其中所述纤维网具有三维变形，所述变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型，且偏离量为那一位置处所述纤维网厚度的至少0. 5倍。
8.根据权利要求7所述的过滤元件，其中所述变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型且偏离量为所述纤维网厚度的至少1倍。
9.根据权利要求7所述的过滤元件，其中所述变形具有这样的凹形表面，所述凹形表面的特征在于偏离平面构型且偏离量为所述纤维网厚度的至少5倍。
10.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维网的特征在于其密度为用相似活性颗粒制备得到的填充床密度的至少30%。
11.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述变形具有一定曲率。
12.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维网包括嵌入到所述纤维网中的重量百分比超过60%的吸附剂颗粒。
13.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维网包括嵌入到所述纤维网中的重量百分比至少80%的吸附剂颗粒。
14.根据权利要求1、6或7所述的过滤元件，其中所述纤维包括至少下列一者热塑性聚氨酯弹性体、热塑性聚丁烯弹性体、热塑性聚酯弹性体、热塑性弹性聚烯烃以及热塑性苯乙烯嵌段共聚物。
15.根据权利要求1、6或7所述的制品，其中所述活性颗粒包括至少下列一者吸附剂、催化剂以及化学反应性物质。
16.一种滤筒，包括壳体以及布置于所述壳体内的如权利要求1、6或7所述的过滤元件。
17.—种呼吸保护系统，包括一般至少裹住佩戴者的鼻部和口部的内部部分、用于为所述内部部分供给环境空气的进气通道、以及布置在整个所述进气通道中用于过滤所供给空气的如权利要求1、6或7所述的过滤元件。
18.根据权利要求17所述的呼吸保护系统，其中所述呼吸保护系统为免维护呼吸器。
19.根据权利要求17所述的呼吸保护系统，其中所述呼吸保护系统为动力驱动的空气净化呼吸器。
20.一种呼吸保护系统，包括一对滤筒，每个滤筒包括壳体以及布置于所述壳体内的如权利要求1、6或7所述的过滤元件。
21.一种径向过滤系统，包括如权利要求1、6或7所述的过滤元件，所述过滤元件被构造为圆柱体。
全文摘要
本发明提供了一种过滤元件，所述过滤元件使用多孔保形自支承的非织造纤维网。所述纤维网包括热塑性弹性聚合物纤维和布置在所述纤维内的活性颗粒。所述纤维网还具有三维变形。
文档编号A62B7/00GK102292127SQ200980155099
公开日2011年12月21日 申请日期2009年12月3日 优先权日2008年12月18日
发明者布里顿·G·比林斯利, 马尔文·E·琼斯 申请人:3M创新有限公司
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