專利名稱：包含熱粘合短纖維和帶電微纖的模塑過濾元件的制作方法
技術領域：
本發明是關于一種包含熱粘合短纖維和帶電微纖的模塑過濾元件。本發明所述的過濾元件可以用于保護佩戴者或其他人暴露于污染物的面罩。
背景技術：
使用帶有微纖的過濾元件來俘獲空氣中的微粒已眾所周知且已得到應用。具有微纖的過濾元件通常用于呼吸器為佩戴者提供過濾后干凈的空氣——例子見Braun等美國專利5656368，Kronzer等人的美國專利5307796和Krueger等人的美國專利4729371。微纖上通常帶有電荷以此增加微纖的俘獲效率。1980年Kubik等人描述了一種在纖維成型過程中，在熔噴微纖中引入一種持久的電荷(見美國專利4215682)。在Kubik等的發明后，其他用于生產介電體微纖的電荷技術也發展起來——例子見Klaase等的美國專利4588537，Deeds等人的美國專利5227172和Angadjivand等的美國專利5496507。
具有帶電微纖的網被用作過濾元件時，通常需要另一種結構進行支撐。雖然這些網通常具有足夠的完整性可以自身加工成一個墊，但是它們不具有足夠的結構硬度，只能顯示出短時間的形狀保持力。因此，在呼吸器里，具有微纖的過濾網通常用持久模塑的成形層來支撐。過濾網被置于成形層上這樣就可以安全得使網呈現模塑形態。顯示用分離的成形層來支撐具有微纖過濾層的專利例子包含Berg的美國專利4526440，Dyrud等的美國專利4807619和Skov的美國專利4850347。
在Berg和Dyrud等的專利中，成形層包括這樣的纖維在整個模塑網內，纖維在在纖維交叉點處彼此粘合，并粘合到其他纖維上。該用于得到所要求成形層的模塑結構的纖維，優選是熱粘合雙組分纖維，這樣的雙組分纖維是橫向的，且具有相當大的尺寸，即10旦或更大。在Skov的專利中，成形層具有敞開結構，該結構是一種模塑的塑料網孔的結構。
除了這些結構，聚合物微纖的過濾網也可以通過使用織物、間隔的帶、長絲或者纖維來保持成形結構——見Braun等美國專利5656368，該專利描述了在非織造織物內褶皺頂部放置形狀保持組件，來保持它的褶皺狀態。Braun等還解釋了為了得到最優的過濾性能，高聚物微纖非織造織物網需要保持一個蓬松狀態。如果高聚物微纖被緊密地放在一起，過濾參數如壓力降和使用壽命都會受到不良的影響。
在另一種保持微纖非織造織物網形狀的方法中，形狀保持力不是由外部結構例如成形層提供，而是由微纖自己提供。這種方法是由Krueger等在美國專利6057256中描述的，所述微纖由兩種組分制成第一種為纖維支撐組分，第二組分為熱軟化或粘合組分。在模塑過程中，網加熱到第二組分軟化溫度以上使相鄰纖維產生結合。當軟化組分在纖維交叉點處相互結合就產生了所述的粘合。因此，當第一組分對網提供了纖維支撐、來防止其塌陷或聚結時，第二組分使得該網模塑成一種特定的形狀。這個產品也包含短纖維用以解開或松散網。
Krueger等描述的生產雙組分微纖產品的例子是一個例外，該方法是使用一種分離的也就是非完整的支撐結構，對微纖過濾網進行支撐和定型。因此這些產品需要微纖網與支撐結構分開生產，且需要一種能使兩組分連接起來而制成最終復合材料的裝置。增加這些附加生產步驟，就需要能完成這些步驟的附加生產設備，這就會增加產品的總成本。此外，Braun等還提出處理含有微纖網要注意以免其在過濾性能上有損壞和損傷。
雖然Krueger等人能夠得到一種不需使用單獨的支撐結構的含有微纖的模塑過濾元件，但是它們的產品是依靠微纖本身為面罩提供結構。當微纖為了該目的而變得粘合起來時，他們就不能完成過濾經過網的氣流中的顆粒的主要任務。
發明內容
總的來說，本發明提供了一種新型的過濾元件，這種過濾元件可以合適地包含一種多孔模塑網，或基本由該多孔模塑網組成，該網包含熱粘合短纖維和非熱粘合帶電微纖。所述的模塑網通過短纖維在纖維交叉點處的結合，能保持其至少一部分的模塑結構。
本發明所述的過濾元件不需使用單獨的支撐結構，就能夠形成具有形狀的結構。本發明所述的過濾元件也無需使微纖粘合起來，以達到保持非織造織物網的模塑形狀的目的。由于熱粘合短纖維和非熱粘合帶電微纖同時存在于同一層中，該網可以在不使用熱粘合雙組分微纖的情況下，模塑成多種結構。該發明也無需單獨的支撐結構，或不需將微纖層結合到其它結構上。
雖然本發明的過濾元件在模塑過程中可能經受壓力，但是它可以獲得所要求的優良過濾性能和優良結構完整性的綜合性能。盡管以前的觀點認為高聚物微纖的非織造織物經受例如模塑加工等附加加工后，過濾參數如壓力降和使用壽命都會受到不良的影響，但是本發明可以得到良好的過濾性能和結構特性。如Braun等在’368專利中描述的那樣，為了得到最佳的過濾性能，以前已知的過濾結構需要保持蓬松網的狀態。但是本發明在簡化形成有形狀的過濾元件的操作的情形下，能夠表現出優良的力學和過濾性能。因此本發明能夠生產一種適用于模塑呼吸面罩內的優良的模塑過濾元件。
下面是關于本發明術語的定義“旦”是指9000米絲的克數；“帶電的”是指纖維上帶有可以被檢測到的電荷而且是電荷是長期存在的；“過濾元件”是指一種流體可以透過的結構，這種結構可以去除通過流體中的污染物；“微纖”是指具有不確定長度且平均幾何直徑通常約15微米或更小的纖維；“模塑網”是指一種結構，這種結構在二維上完全比在第三維上大，可以制成想要的形狀如面罩、熔爐過濾器、面板或一系列的面板等；“模塑溫度”是指網被加熱至完成模塑的溫度；“非熱粘合的”是指當加熱到網模塑的適合溫度時纖維和相鄰纖維沒有完全結合，該網包含非熱粘合纖維；“多孔的”是指流體可以透過的；“固體含量”是指網中固體的百分率，用不為1的分數表示，值越大表示固體含量越多；“軟化溫度”是指一個纖維組分軟化到可以與其他纖維結合且當降溫時保持結合狀態的最低溫度；“短纖維”是指具有確定長度的纖維；“可熱粘合纖維”指當纖維被加熱至至少其軟化溫度以上，并充分冷卻后，能夠與相鄰纖維粘合。
“熱粘合纖維”指當纖維被加熱至至少其軟化溫度以上，并充分冷卻后，與相鄰接觸的纖維結合。
附圖的簡要說明
圖1是非織造織物10的照片(放大倍數為100倍)，該非織造織物根據本發明可以用于模塑制成過濾元件。
圖2是網10’的照片(放大倍數為100倍)，該非織造織物根據本發明可以用于模塑制成過濾元件。
圖3是由本發明制成的過濾面罩樣品16的側視圖。
圖4是圖3中沿線4-4得到的截面圖。
圖5是裝置29的局部剖視圖，該裝置可以用于制造含有短纖維和微纖的網10。
圖6是一種噴水裝置的透視圖，該裝置可以把電荷賦予纖維網10。
圖7是裝置54的局部橫截面側視圖，根據本發明該裝置可以制成面罩主要部分22。
圖8是圖7中沿線8-8得到的截面圖。
圖9是圖7中沿線9-9得到的截面圖。
具體實施例方式
圖1描述的是非織造織物10，根據本發明該非織造織物可以用于制成模塑濾芯。如照片所示，網10包含熱粘合短纖維12和非熱粘合微纖14。短纖維12分布式得穿過由非熱粘合微纖14的網絡。熱粘合短纖維12較之單獨用非熱粘合微纖制得的網而言，更松散，不那么致密。預壓網通常含有約5％到30％的固態，更多是含有約10％到20％。在一個優選例子中，網包含重量百分約30％至70％的熱粘合短纖維，更優的是包含重量百分約40％至60％的熱粘合短纖維，以上數據是基于網中纖維質量的基礎上。優選的網包含重量百分約30％至70％的非熱粘合微纖，更優的是包含重量百分約40％至60％的非熱粘合微纖，以上數據是基于網中纖維質量的基礎上的。在一個更優化的例子中，網中包含重量百分約50％至60％的微纖和重量百分約40％至50％的短纖維。因此，就質量而言網中微纖比短纖維多是最佳的。
短纖維12是熱粘合的，當加熱到該短纖維的軟化溫度再降溫后，該短纖維允許和鄰近接觸的纖維結合。所述短纖維具有確定的長度，也就是說，該短纖維完全由機器切成預先確定的或可以確定的長度。所述短纖維是由一些步驟制得的，這些步驟可以使纖維的直徑更接近于纖維擠出孔的直徑。該短纖維的長度通常小于2英尺即0.61米，或1英尺即0.305米。優選短纖維的長度約在1至8厘米間(0.4英寸至3.2英寸間)，更優的長度約在2.5厘米至5厘米間(1至2英寸間)。該短纖維的平均幾何直徑通常大于約15微米，具普遍的平均值是大于20，30，40或50微米。纖維的直徑由下文所述的測試進行計算。所述短纖維的旦數大于約3克/9000米，和大于約4克/9000米。達到上限時，通常其旦數小于約50克/米及更普遍的情況是小于20克/米至15克/米。
所述短纖維通常具有合成多樣性所以它們可以在模塑過程中相互結合。該短纖維通常在加熱和冷卻后會軟化及與其他纖維結合的聚合物材料制成。適用于本發明的短纖維可以用聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酯、聚乙烯、聚丙烯、共聚酯、聚酰胺及它們的組合物。所述短纖維在結合后通常保留纖維的大部分結構。該短纖維可以是如Hauser的專利4118531所描述的卷曲纖維。卷曲纖維沿長度方向具有連續波狀，卷曲或鋸狀特性。所述短纖維包含每厘米有約10至30個卷(每英寸約5.1至11.9個卷)的卷曲纖維。該短纖維可以是單組分纖維也可以是多組分纖維。單組分熱粘合短纖維在經濟上可行的例子包含在Kosa of Charlotte，被卡羅來納州的KOSA T-255，T-259，T-271及T-295，和英國新漢普郡Hampton的Foss Manufactary公司的Type 410PETG型及110PETG型。多組分纖維可以含有兩種或兩種以上的纖維組分，其中至少有一種組分加熱后會軟化以使得該短纖維在纖維交叉點處相互結合。多組分纖維可以是具有同延并排結構、同延的同心殼-芯結構或同延的橢圓殼-芯結構的雙組分纖維。雙組分纖維通常表現出具有兩種主要纖維組分的特點。用于本發明的熱粘合短纖維的雙組分纖維包含日本Chisso Inc.of Osaka生產的KOSAT-254，T-256，聚丙烯/聚乙烯雙組分纖維(CHISSO ES，ESC，EAC，EKC)，聚丙烯/聚丙烯雙組分纖維(CHISSO EPC)和聚丙烯/聚對苯二甲酸乙二醇酯雙組分纖維(CHISSO ETC)。
本發明所述的維纖的平均幾何纖維直徑約為15微米或更少，更常見的值約為12微米或更小。不像短纖維具有明確或可確定的長度，微纖長度是不確定的。微纖的幾何纖維直徑的平均值約為3至10微米。
所述微纖為纏繞的帶電熔噴微纖網的結構。熔噴微纖即BMF可以通過從口型槽口擠出成纖材料進入過熱蒸汽得到——見Kubik等的美國專利4215682。在網中無規纏繞的熔噴微纖通常具有足夠的完整性而自己形成一種墊子。但是它們在影響網過濾性能的情況下不能模塑成想要的結構。可以用于熔噴微纖的材料在下述專利中有介紹Baurmann等的美國專利No.5706804，Peterson的美國專利441993，Mayhew的美國Reissue專利No.Re.28102，Jones等的美國專利5472481和5411576，Rousseau等的美國專利5908598。噴出的微纖實質上可以由任何一種熱塑性成纖樹脂制備。為了保證網保持令人滿意的介電性能或電荷分離能力，所述微纖由非導電樹脂制成，也就是說，在室溫(22℃)下樹脂的體積電阻率大約在1014歐姆-厘米或更大，該體積電阻率優選約為1016歐姆-厘米或更大。高聚物成纖材料的電阻率可以根據標準化ASTM D257-93測試測得。用于制造熔噴纖維的成纖材料還必須完全與抗靜電劑等組分分離，因為抗靜電劑會增加纖維的電導率或者影響纖維接受和保留靜電荷的能力。可以用于高聚物成纖材料的例子包含含有聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚氨酯的熱塑性高聚物，嵌段共聚物如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯和苯乙烯-異戊二烯-苯乙烯，以及聚烯烴如聚丙烯、聚丁烯、聚4-甲基-1-戊烯、或這些樹脂的組合物。纖維用于過濾中通常由聚4-甲基-1-戊烯和/或聚丙烯制成。優選的熔噴微纖是由聚丙烯的均聚物制備的，因為該材料具有尤其在潮濕的環境下保持電荷的能力。
除了熱粘合短纖維和非熱粘合微纖外，本發明所述的過濾元件還包含由聚酯和/或聚丙烯制成的非熱粘合短纖維，粘液絲和增強纖維用于吸收濕氣或提供耐火性。
該成纖材料可以包含用于增加過濾性能的添加劑，Crater等在美國專利5025052和5099026中對這些添加劑進行了描述。該成纖材料還可含有輕度可萃取的碳氫化合物以改進過濾性能——例子見Rousseau等的美國專利6213122。如Reed等的美國專利4874399和Rousseau等的美國專利6238466及6068799所示，纖維網的構成還可以提高防油霧性能。如InternationalPublication WO 00/01737所述，可以對該纖維網進行氟化。Jones等在美國專利6409806、6398847B1和6397458中講述了一個優選例子，在該例子中為了過濾油霧環境里的污染物，使纖維的表面帶有氟化的原子。
圖2描述的是模塑網的放大照片，該網包含熱粘合短纖維和非熱粘合微纖。如圖所示，短纖維12在纖維交叉點13處相互結合。另一方面微纖14通常保持其非結合傾向。雖然短纖維12在纖維交叉點處相互結合，但是它不必在所有的交叉點產生結合。只需足夠數量交叉點處的纖維結合來使模塑產品長期保持其想得到的形狀。短纖維間的結合為模塑網10’提供了一種半剛性的三維纖維晶格結構。因為該短纖維要加熱到纖維中粘合組分的軟化溫度以上，且可能達到熔融溫度，所以纖維中的粘合組分軟化且在纖維相互接觸點13處相互結合。在模塑過程中為了防止損壞和改變微纖的完整性，該網完全在所有微纖組分的軟化溫度下進行模塑。雖然用熔噴技術制得的微纖在熔噴過程中有結合或嚴重互相纏結的趨勢，但是該微纖通常在熱模塑過程中不會相互結合。但是，在這些纖維中粘合組分軟化且最終硬化時，該微纖會與短纖維結合。如圖所示，短纖維12熔融且在纖維交叉點13處結合。這種短纖維間的結合對模塑成品成形結構起了主要的作用。模塑產品10’包含的短纖維和微纖在本質上而言具有相同的質量與上文描述的圖1中的非模塑網相同。
本發明的模塑過濾元件的厚度大約為1至4毫米。雖然可以生產出厚度達到6毫米的過濾元件，但是該過濾元件的厚度通常約為1.0至3.5毫米。本發明發現模塑產品的厚度在約1.3至3.0毫米時可以得到好的過濾性能。該模塑過濾元件的固體含量約為5％-30％，且常規的固體含量約為10％-20％。該模塑過濾元件的單位重量約為50-300克/平方米，且通常其單位重量約為100-200克/平方米。
圖3描述的是模塑產品的一個例子，該產品用圖2所示的模塑網生產。如圖所示，該模塑產品的形狀為杯狀呼吸器面罩16，該呼吸器適合罩住佩戴者的鼻子和嘴。在面罩16的中心有一個吸氣閥(未顯示出)，它可以使呼出的空氣立刻從面罩內部清除出去。面罩16通常做成杯狀這樣佩戴時能使面罩和人體的鼻子和嘴完全貼合。面罩16與佩戴者的臉部在外圍18處完全緊密的接觸。當佩戴面罩時，通過系在脖子后方的帶子20的固定，面罩16可以和佩戴著的臉部在面罩外圍緊密貼合。面罩16在面罩主體和佩戴者臉部之間形成一個氣體空間。面罩主體22將這個內部氣體空間與環境即大氣分隔開。因此佩戴者吸入的空氣在進入佩戴者呼吸道前必須通過面罩主體22。面罩16也可以有一個合適的鼻夾24，該鼻夾可以裝在面罩主體的外部或內部，如果有附加層，鼻夾也可能在附加層的中間，這樣在鼻子和顴骨的連接處面罩就可以和鼻子有合適的貼合。
該過濾面罩16不必具有如圖3所示的結構。面罩也可以具有其他形狀如美國專利6026511、6123077和6394090B1介紹的平罩式。或者如Japuntich的美國專利4827924所示的延伸式杯狀結構。鼻夾24可以具有Castiglione在美國專利5558089中描述的結構。面罩還可以有熱致變色裝置來顯示外圍的密閉性，這樣可以使佩戴者簡單的確定是否佩戴合適——例子建Springett等的專利5617849。此外呼吸器過濾元件可以不具有模塑面罩主體的形狀。過濾元件可以制成具有特殊形狀的濾筒，例如彎曲的形狀以更貼合佩戴者的臉部。這種濾筒可以可以靈活地附于臉部線條這樣可以適合人體的鼻子和嘴如Burns和Reischel的美國專利5062421描述的彈性面罩主體。
圖4描述的是圖3中面罩主體22的截面圖。如圖所示，面罩主體22只有一層物質來提供過濾性能和形狀保持性能。如上文所述，以前生產的面罩通常包含一個分離的支撐結構或層為面罩提供結構完整性。但是本發明可以提供的過濾面罩具有良好的過濾性能且無需分離的成形層和微纖過濾層。包含熱粘合短纖維和非熱粘合微纖的一層就具有過濾和結構的結合性能。雖然單層的產品可以得到良好的過濾性能，但是其他諸如附加過濾介質，帶電的BMF網等可以用于增強其過濾性能。以前的專利已對這些網進行了描述，這些專利是Krueger等的美國專利4795668、Reed等的4874399、Meyer等的4988560和Angadjivand等的5496507。其他使用過濾介質的例子有美國專利5898981，5419953，4798850，4215682，4178157，3998916和3644605。過濾介質的基本種類包含使用防火預過濾層的多層組分空氣過濾介質，混合纖維過濾材料，有原纖維組織的帶電纖維網。此外，顆粒物質如活性顆粒(是一種具有吸附、吸收或催化等功能的顆粒物質)，例如Braun在美國專利3971373中介紹的把活性碳進入網中所制成的過濾元件不僅可以去除顆粒物質而且可以去除氣態污染物如酸性氣體、堿性蒸汽、氨氣及上述氣體的混合物。
本發明所述的過濾元件可以達到良好的過濾性能，可以通過品質因子QF米表示，下文會對此參數進行描述。QF的值大于0.30(mmH2O)-1，還可以大于0.40(mmH2O)-1，甚至可以達到0.70或0.80(mmH2O)-1。
本發明除了可以應用于呼吸器的面罩外，還可以制成其他的結構，包含波紋狀的或折疊式的空氣過濾器，可以用于熔爐過濾器，汽車或輪船使用的艙式空氣過濾器以及包含空調過濾器在內的室內空氣過濾器。
圖5描述的是裝置29的一種排布，該裝置是用于制備包含短纖維和熔噴微纖的網10。該裝置29制備網中熔噴微纖是通過把熔融的成纖材料從模口30擠出得到的。溶噴等其他種類的微纖也可以制成適用于本發明的微纖。插圖上的裝置的微纖噴出部分可以是一種傳統結構，下述例子對其進行了講述Wente，Van A.的文章“超細熱塑性纖維”，發表于《Indus.Engn.Chem.》(48，自1342頁起，1956)，或《Naval Research Laboratories》(1954年5月25)上標題為“超細有機纖維的制造”的報道No.4364，作者為Wente，V.An；Boon，C.D；和Fluharty，E.I。這個結構包含沖模26，它具有噴出腔28，事先液化過的成纖材料通過該噴出腔。模口30直線并穿過口模面的最前端，成纖材料通過該口模面噴出。聯動噴氣孔32位于模口30旁邊，它使氣體通常是熱空氣以很高的速度通過。高速氣態蒸汽噴出會削弱成纖材料的噴出。當成纖材料到達集流器34時固化。集流器34通常是一個有細微小孔的篩子，在這個例子中是一條閉環結構的帶子。但是該集流器可以采用不同的形狀例如平板、滾筒或圓筒。該集流器還通常具有圓筒的成行表面，該表面沿一個軸旋轉且沿該軸運動，這樣集流器上選出的點就做螺旋式運動——見Berrigan等的美國專利6139308。氣體回收裝置可以置于篩子后面用來輔助沉淀纖維和去除氣體。
噴出微纖裝置上方的刺輥羅拉36將可熱粘合的短纖維12引入圖5中裝置的噴出的微纖流14中。具有散纖維的網38通常是一種松散、非織造的網如在丁字機或藍多制網機上制備的網，該網由推動在主動輥42下的工作臺40推動，主動輥42的前緣與刺輥羅拉36嚙合。刺輥羅拉36沿箭頭方向轉動同時從網38的前緣截取纖維，把纖維一根根分離。被撿取的纖維通過槽或輸送管道中的氣流傳進噴出微纖的氣流，這樣它們就可以和微纖混合在一起。該氣流是剌輥羅拉轉動產生的固有氣流，通過輸送管道44使用輔助風扇或吹風機可以增加該氣流。
接著，短纖維和微纖的混合物流繼續到達集流器34，在集流器上纖維可以形成具有無規混合和結合纖維的網。經過精密的檢測，短纖維和微纖已經完全結合在一起了——例如塊狀短纖維的打松，也就是說，收集1厘米或更長一點的短纖維，可以通過下了方法得到沒有分離的短纖維多頭絲束的切除部分或被引入微纖氣流前團聚的短纖維。所得的網10可以從集流器上剝離，然后盤繞到貯存羅拉上最后可以進行切斷，處理及模塑操作等加工。
制成的復合網可以是由單一的一層組成，該層是由所示的裝置沉淀而得，也可以是多層的產品，這些層通常是很難分辨的至少在臨時檢測中很難分辨。多層產品可以通過把收集的網放在圖5所示的混合沉淀設備上2次或2次以上或者使用沿收集帶放置的附加混合沉淀裝置。
本發明所述的過濾元件為網賦予了電荷來增進其過濾效率。可以在微纖上單獨引入電荷，也可以將電荷引入微纖和短纖維。如果短纖維也想帶電的話，它們就需要一種非導電表面以防止置于纖維上的電荷散去。因此，短纖維要用上文描述的微纖使用的非導電高聚物材料制備。Rousseau等的美國專利5968635對帶電熔噴微纖介質進行了描述。該纖維可以包含表面改性劑如通過氟化來改善其油霧過濾性能——見Jones等的美國專利6398847B1。根據Kubik等的美國專利4215682，Nakao的美國專利4592815和Angadjivand等的美國專利5496507可以用已知技術將電荷附到非織造纖維網上。這些方法包含Angadjivand等的美國專利5496507描述的氫充電，Nakao的美國專利4592815描述的電暈充電或兩種技術的結合。此外，也可以使用Brown等的美國專利4798850描述的摩擦充電技術。Angadjivand等的美國專利6375886B1，Eitzman等的美國專利6406657和作為國際專利WO 01/27381及01/80257發表的美國專利序列號為09/416216及09/548892的專利均分別描述了更新的充電技術。這些更新的技術可以包含使用非水極性液體和其他能夠使得水或極性液體與纖維充分接觸的方法。已知的氫充電的方法是包含用足夠的壓力將水滴撞擊到網上來提供過濾以增強其介點充電。達到最佳效果的電壓根據使用的噴霧器、形成網的高聚物種類、高聚物種添加劑的濃度、網的厚度和密度、是否進行過預處理如在氫充電前進行電暈表面處理等因素進行變化。通常壓力在大約10到500psi(69到3450kPa)的范圍內合適，最好用于提供水滴的水要相對純凈。最好對自來水進行蒸餾或者進行去離子處理。
圖6描述的是充電網使用的一種適合的噴射工具45。纖維網10以帶子的形式最好是多孔網篩或織物被傳送到支撐工具46。噴水頭50中的噴水式推進器48在一定水壓下用泵進行噴水。噴水式推進器48在撞擊頭52處對網10進行撞擊。最好在多孔的支撐體下抽真空以引導透過網的噴射和用來降低能耗要求。
合適用于充電非織造織物的噴射工具的其它例子包含Angadjivand等的美國專利5496507中的噴霧器設備。這個設備中的水是由水管提供的，空氣是由空氣管道提供的，水和空氣用噴射霧泵噴射器的噴嘴噴到網上，泵用給水工具提供的水通過噴嘴提供噴射霧。
賦予網上的電荷數可以用已知的程序進行測量包含開路熱刺激放電技術(TSD)——例子見Angadjivand等的美國專利6375886B1。模塑介電過濾器最好包含有持久電荷的纖維，通常電荷可以延長過濾元件的預期使用期限。
圖7-9描述了裝置54，根據本發明該裝置可以制造面罩用外殼22。外殼22是將非織造纖維網10通過一個可選的預熱區域56、熱定型區域58和冷卻模塑區域60。可以將平整的網或覆蓋層網(未顯示)疊加到網10上，這樣當網與佩戴者接觸時，能使佩戴者感到更舒服。Angadjivand等的美國專利6041782描述了一種合適的覆蓋網。這種覆蓋網可以用包含微纖的紡粘纖維或熔噴纖維制造。
預熱區域56中，網10被加熱到網表面短纖維的粘合組分62和64軟化。網10上略低的表面62和略高表面64接觸砑光輥66和68來軟化纖維的可粘合組分。一旦離開砑光輥66和68，纖維軟化的組分變硬，表面62和64上的纖維就相互結合。網10被置于移動的恒溫傳送帶上進入加熱區域58。
在加熱區域58中，紅外加熱器72和熱空氣噴射器74通過孔76加熱網上可熱粘合纖維來軟化穿過纖維的粘合組分。恒溫傳送帶70具有網孔結構。這個結構可以使紅外熱和熱空氣噴射到表面62和64。要小心控制模塑/加熱條件，這樣微纖組分能保持非熱粘合狀態。這可以防止微纖組分在模塑過程中的自結合。由短纖維提供的熱粘合為模塑過濾元件的纖維提供了半剛性三維晶格。這種熱粘合纖維的晶格使面罩能在完全不抑制氣流通過纖維網絡的情況下保持模塑結構。
加熱后，網10進入冷卻模塑區60，這時網10中纖維粘合組分仍然是軟的。然后用傳輸帶78和80將網傳輸到非熱模塑組件78和84中間，這里就可以將其模塑成杯狀外殼22或者更特別的是可以做成面罩22的形狀。轉輪式排布86可以用于提供一個連續的模塑過程。轉輪式排布86包含第一和第二旋轉裝置，分別為88和90。模塑組件82和84在鏈輪齒78上由鏈條92帶動分別做逆時針和順時針旋轉。在模塑點上，組件82和84合并且把網10鑄成杯狀外殼22。Kronzer等的美國專利5307796對圖7-9所示的裝置有更詳盡的描述。
根據本發明制備的過濾元件和面罩模塑層和過濾層完整的結合，也就是說，它是單一的模塑網而不是分離的網或層通常在周邊密封，它還同時具有形狀保持力和良好的過濾性能。本發明所述過濾元件的完整本質在不破壞過濾元件本身的情況下不允許將其在形狀和過濾方面在物理上分離。
實施例下述測試方法用來評估網和模塑過濾元件氯化鈉的顆粒滲透單一模塑過濾元件的滲透和壓力降可以用明尼蘇達州圣保羅市TSI公司的AFT測試儀Model 8130確定。用濃度為20毫克/立方米的氯化鈉作為氣溶膠。氣溶膠以每秒13.8厘米(厘米/秒)的面速度釋放。模塑過濾元件樣本的壓力降通過滲透測試測量，用毫米水柱(mmH2O)表示。
平均幾何纖維直徑確定本發明網中纖維的平均幾何纖維直徑可以通過分析網樣本的顯微鏡照片的方法。網樣本是通過在掃描電鏡軸上制作網樣品并在纖維上氣鍍上大約100埃(A)金/鈀。用設備DENTON Vacuum Desk II Cold Sputter(DENTONVacuum，LLC，1259 North Church Street，Moorestown，New Jersey，08057，USA)以400毫安培的濺射陰極電鍍源、50毫米汞柱的真空度及125到150毫米汞柱的氬氣流量下進行電鍍。電鍍時間約為45秒。然后把鍍好的樣品插入LEO VP 1450掃描電鏡中(LEO Electron Microscopy Inc，One Zeiss Drive，Thournwood，New York，New York 10594)，在0°傾斜角、15千伏(kV)加速電壓和15毫米WD(焦點距離)下成像。放大倍數為1000倍的電鏡照片用來確定微纖的直徑，放大倍數為500倍或250倍的電鏡照片用來確定短纖維的直徑。樣本表面的電鏡照片可以用個人電腦上在Windows版本2.00下運行德克薩斯大學的TUHSCSA(University of Texas Heakth Science Center in SanAntonio)圖像處理工具進行分析。為了實行圖像分析，圖像處理工具先要進行顯微鏡放大倍數的校準，然后對樣本的電鏡照片進行處理這樣就對單獨纖維進行測量通過它們的寬度。僅對每張照片中的單獨纖維(沒有緊密結合或粘連的纖維)進行測量。每個樣品可以對至少18到20根短纖維和少到66多到116根熔噴微纖進行測量。對于給定的支數，纖維尺寸用微米表示平均直徑。
模塑材料的硬度測定模塑過濾元件的硬度是用Jaking&Co.，North Carolina的King硬度測試儀測量的。硬度是通過在過濾元件的8.06厘米(3.175英寸)深處中放入一個直徑為2.54厘米的平面探頭測定出的力。探頭元件放在過濾元件的外部且垂直于用于微纖測試的平臺放置。對一個模塑過濾面罩來說，該面罩是放在一個平臺上的，面罩凸起的一邊的中心對準探頭的下方。然后探頭以32毫米/杪的速度對著面罩下降、接觸該面罩并壓下一定的范圍(21毫米)。當探頭完全下降后，壓在材料上的力(以牛頓為單位)就被記錄下來。
品質因子(QF)品質因子用下述方法測定用下面公式對滲透、壓力降和氯化鈉滲透率的自然對數來計算品質因子“QF值”QF(1/mmH2O)＝Ln{NaCl滲透率(％)/100}/壓力降(1/mmH2O)較高的原始QF值顯示好的原始過濾性能。QF值的降低和過濾性能的下降有關。
實施例1用于形成本發明模塑過濾元件的微纖組合網，是根據Hauser的美國專利4118531并如圖5所示的方法，由熔噴微纖和可熱粘合短纖維的混合物制成。組合網的熔噴微纖組分采用以下組分的共混物制成購自德克薩斯休斯敦的FINA Oil及Chemical公司的Fina型3960聚丙烯、購自日本東京MitsuiPetrochemical Industries公司的TPX-DX820型聚4-甲基-1-戊烯。加入購自紐約Hawthrone的Ciba Geigy公司的Chimassorb 944FL，作為熔體添加劑。用于熔噴微纖組分中的各組分重量比為98％聚丙烯，1.2％TPX-DX820和0.8％Chimassorb 944FL。微纖組分的單位重量為每平方98克(克/平方米)，根據前文介紹的測試平均幾何纖維直徑的測試儀測得的平均幾何纖維直徑為4.4微米。
熱粘合的雙組分短纖維與微纖網混合后就得到組合網，該網是購自北卡羅來納州CELBOND的Charlotte KOSA公司的T254型網。熱粘合短纖維的線密度為每根單絲12旦(dpf)，其切斷長度為38毫米。平均幾何纖維直徑為33微米。短纖維被直接加入熔噴微纖流中。網中短纖維組分的單位重量大約為115克/立方米。組合網的總單位重量為214克/立方米。
根據Angadjivand等的美國專利5496507所述方法，對組合網進行水力充電。水力充電這樣進行令網以5厘米/秒的速度通過真空口，同時將去離子水以大約620千帕(kPa)的靜水壓從一對Teejet 9501噴霧器噴嘴(購自伊利諾斯州Wheaton的噴霧器系統公司)噴到網上，這對噴嘴分開10厘米，裝配在真空口上方7厘米處。然后將網翻轉，用去離子水對網兩邊都進行水力充電處理。讓網第三次通過真空口以去除多余的水。然后將該網在室溫條件下晾干。
將已經充電的網這樣模塑將網壓在成對的半球杯狀已加熱模具之間，該模具高約為55毫米，體積約為310立方厘米。在該熱模塑方法中，模具的上、下兩半被加熱到大約110℃，將網放到兩半模具的中間。然后以0.508到0.762毫米的間距，將已加熱的模具閉合約15秒。經過該特定時間，就打開模具，取出模塑的產品。
用AFT-8130顆粒滲透測試儀對模塑面罩進行原始滲透量和壓力降進行測量。用模塑材料硬度測定儀對該組件進行硬度測試。測試結果在下文的表1中給出。
實施例2用實施例1描述的方法制備模塑杯狀過濾器，除了雙組分短纖維用70％CELBOND T254(12旦每根絲，38毫米長)與30％295型聚酯短纖維(15旦每根絲，38毫米長)混合物代替。CELBOND T254短纖維的平均幾何纖維直徑為33微米，295型為35微米，微纖的平均幾何纖維直徑為4.4微米。短纖維組分的單位重量大約為130克/平方米。組合網的總單位重量大約為242克/平方米，對本例子中模塑杯狀過濾元件進行測試，測試結果在下文的表1中給出。
實施例3用實施例1描述的方法制備模塑杯狀過濾器，除了雙組分短纖維用以下組分的混合物代替49％CELBOND T254(12旦每絲，38毫米長)、21％295型聚酯短纖維(15旦每絲，38毫米長)及7％根據Insley的美國專利4813946介紹的微纖微網。CELBOND T254短纖維的平均幾何纖維直徑為33微米，295型為35微米以及微纖的平均幾何纖維直徑為4.4微米。本例子使用的熔融添加劑CHIMASSORB 944FL以1.0重量％的替代實施例1中使用的組合物TPXDX820/CHIMASSORB944FL。熔噴纖維聚丙烯的質量百分比上升為99％。該組合網中的熔噴微纖組分的單位重量大約為52克/平方米，短纖維的大約為115克/平方米以及微纖微網的大約為17克/平方米。該組合網的總單位重量約為219克/平方米。對例子3中材料的壓力降、滲透率、硬度和品質因子進行測定表1
表1中顯示的數據說明短纖維的加入會降低壓力降同時模塑外殼的硬度大于0.5牛頓。微纖微網的加入會使壓力降有所增加但同時也會增加硬度。
實施例4用45重量％熔噴微纖和55重量％熱粘合雙組分短纖維，按照實施例1描述方法制備熔噴微纖組合網。短纖維及微纖的平均幾何纖維直徑分別為33和4.4微米。本實施例中沒有將TPX或CHIMASSORB 944加入微纖。所得組合網的總單位重量約為100克/平方米。通常用WO00/01737描述的方法對該網的兩面進行氟化處理。該實施例的網用具有平行板式電容的復式等離子體反應器Model2480進行氟化，該設備由Florida St.Petersburg PlasmaTherm生產的。為了這個實驗PlasmaTherm將電極間距從15厘米降至1.6厘米。該網樣品切成20.3厘米×30.5厘米的部分，放置在反應器里的通電電極上。然后將反應室關上用泵把室壓加到1.3Pa或更低。將購自Minnesota St.Paul的3M公司的全氟丙烷C3F8氣體以83標準厘米3/分鐘的速度加到該室中，直到室壓達到40Pa。然后用13.56兆赫茲的電源使該室內的電極通電達到1000瓦特，對該網處理一分鐘。然后減弱等離子體，氣體輸送隨之停止。在樣品拿出之前，將該室通大氣、翻轉、置于反應器的背面。重復上述過程，使網的兩面都受到相同的處理。
然后將該網如實施例1所述的充電和成形，除了傳輸帶速度為10.2厘米/秒及水壓為827kPa。噴水式推進器置于傳輸帶上方15厘米。模塑網用NaCl顆粒滲透率和壓力降進行測試，結果在表2中給出。
實施例5用實施例4中介紹的方法制備網，除了氟化處理時C3F8氣流的速度為169標準厘米3/分鐘，室壓為66.7Pa，用30秒處理時間對網的兩面進行處理。網的兩層用實施例1中的描述的方法合成和定型。對成形網進行NaCl顆粒滲透率、壓力降測試并計算出QF值，結果在表2中給出。
表2
上表表2所顯示的數據說明通過與實施例1-3的比較，氟化網的單位重量降低了而過濾性能提高了。
所有本文引用的專利和專利應用包含在背景部分引用的國際出版物和文獻，如果完全復制，會以參考并入本文章。
本發明可以實際適用于上文未明確描述的組件或項目。
權利要求
1.一種制造過濾元件的方法，該方法包括提供一種預模塑的纖維網，該網包括可熱粘合短纖維和不可熱粘合帶電微纖；和將該纖維網模塑成預定形狀。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述的預模塑網具有約5％-30％的固體含量。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中所述的預模塑網包含30重量％-70重量％可熱粘合短纖維，并包含30重量％-70重量％的不可熱粘合微纖。
4.如權利要求1或2所述的方法，其中所述的預模塑纖維網這樣提供將可熱粘合短纖維加入噴出的微纖流中。
5.如權利要求1或2所述的方法，其中所述的短纖維和微纖均具有非導電表面而且帶電。
6.如權利要求1或2所述的方法，其中所述的預定形狀是杯狀面罩主體。
全文摘要
本發明涉及一種過濾元件，它包含多孔模塑網10′，該網含有熱粘合短纖維12和非熱粘合帶電微纖14。所述模塑網通過短纖維12在纖維交叉點13處的粘合保持其至少一部分的模塑形狀。所述網可以模塑成例如過濾面罩16的形狀。
文檔編號A62B7/10GK1954993SQ200610110919
公開日2007年5月2日 申請日期2003年6月16日 優先權日2002年7月25日
發明者J·E·斯帕啉季特, S·A·安加吉范達 申請人:3M創新有限公司