ФОРМОВАННОЕ СЛОЕНОЕ НЕТКАНОЕ ПОЛОТНО, СОДЕРЖАЩЕЕ ЧАСТИЦЫ
MOULDED LAYERED NON-WOVEN FABRIC CONTAINING PARTICLES

Уровень техники
Изобретение, в общем, относится к фильтрующим элементам, которые используют формованные слоеные нетканые полотна, содержащие частицы. Настоящее изобретение также направлено на системы защиты дыхательных путей, содержащие такие фильтрующие элементы.
Устройства защиты дыхательных путей для применения в присутствии паров и других опасных переносимых воздухом веществ часто используют фильтрующий элемент, содержащий частицы сорбента. Конструирование таких фильтрующих элементов может включать равновесие иногда конкурирующих факторов, таких как перепад давления, волновое сопротивление, общий срок годности, масса, толщина, габаритные размеры, сопротивляемость к потенциально поражающим силам, таким, как вибрация или истирание, и различия между образцами. Волокнистые полотна, содержащие частицы сорбента, часто имеют низкий перепад давления и другие преимущества.
Волокнистые полотна, содержащие частицы сорбента, были введены в чашеобразные формованные респираторы. См., например, Патент США №3,971,373, выданный Braun. Типичная конструкция такого устройства защиты дыхательных путей включает один или более содержащих частицы и удерживающих частицы слоев набивки, размещенных между парой слоев, сохраняющих форму. См., например, Патент США №6,102,039, выданный Springett et al. Сохраняющие форму слои типично обеспечивают структурную целостность в отношении относительно мягкого во всем остальном промежуточного слоя, таким образом, что данное устройство в целом может сохранять чашеобразную форму.
Остается необходимость в фильтрующих элементах, имеющих полезные эксплуатационные характеристики, структурную целостность и более простую конструкцию и легкость изготовления.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на фильтрующий элемент, содержащий пористое нетканое полотно. Полотно содержит первый слой с первыми термопластичными эластомерными полимерными волокнами и первыми активными частицами, расположенными в нем, и второй слой, содержащий вторые термопластичные эластомерные полимерные волокна и вторые активные частицы, расположенные в нем. Полотно имеет трехмерную деформацию, и первый слой является соприкасающимся со вторым слоем по всей деформации. В одном иллюстративном осуществлении, трехмерная деформация характеризуется толщиной, которая варьируется не более чем в 5 раз, вдоль, по меньшей мере, одного направления по деформации. Дополнительно или альтернативно, деформация может содержать поверхность, характеризующуюся отклонением толщины полотна от планарной конфигурации в, по меньшей мере, 0,5 раза в данном расположении.
Краткое описание фигур
Настоящее изобретение может быть более полно понятным при рассмотрении приведенного ниже подробного описания различных осуществлений настоящего изобретения в связи с чертежами, которые прилагаются, в которых:
Фиг.1 представляет собой схематический вид в перспективе секции пористого нетканого полотна в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 представляет собой схематический вид в перспективе в поперечном сечении одного иллюстративного фильтрующего элемента, использующего пористое нетканое полотно, имеющее трехмерную деформацию.
Фиг.3 представляет собой схематический вид в перспективе в поперечном сечении другого иллюстративного фильтрующего элемента, содержащего пористое нетканое полотно, имеющее трехмерную деформацию.
Фиг.4 представляет собой схематический вид в перспективе в поперечном сечении другого иллюстративного фильтрующего элемента, содержащего пористое нетканое полотно, имеющее трехмерную деформацию.
Фиг.5 представляет собой схематический вид в поперечном сечении еще одного иллюстративного фильтрующего элемента, содержащего пористое нетканое полотно, имеющее две или более трехмерных деформаций.
Фиг.6 представляет собой схематический вид в поперечном сечении иллюстративного фильтрующего элемента в соответствии с настоящим изобретением, который расположен в картридже.
Фиг.7 представляет собой вид в перспективе иллюстративной системы защиты дыхательных путей, использующей фильтрующий элемент, показанный на Фиг.6.
Фиг.8 представляет собой вид в перспективе, частично срезанный, одноразового устройства защиты дыхательных путей, использующего иллюстративный фильтрующий элемент в соответствии с настоящим изобретением, показанный на Фиг.3.
Фиг.9 представляет собой вид в поперечном сечении радиальной фильтрующей системы, такой, как приемлемые для применения в системах коллективной защиты, использующие иллюстративный фильтрующий элемент в соответствии с настоящим изобретением, показанный на Фиг.4.
Фиг.10 иллюстрирует иллюстративный способ получения пористых нетканых полотен, имеющих трехмерную деформацию, в соответствии с настоящим изобретением.
Фигуры необязательно масштабировать. Аналогичные номера, которые используют на фигурах, относятся к аналогичным компонентам. Использование номера относится к компоненту на данной фигуре, однако, оно не предназначено для ограничения компонента на другой фигуре, имеющего тот же номер.
Подробное описание изобретения
В приведенном в данной заявке описании сделаны ссылки на чертежи, которые прилагаются, которые образуют часть данной заявки и которые приведены для иллюстрации нескольких конкретных осуществлений. Должно быть понятно, что другие осуществления входят в настоящее изобретение и могут быть произведены, не выходя за объем или суть настоящего изобретения. Приведенное ниже подробное описание, поэтому, не должно быть воспринято как ограничивающее.
Все научные и технические термины, используемые в данной заявке, имеют значения, традиционно используемые в данной области техники, если не указано иное. Если не указано иное, все числа, выражающие размеры параметров, количества и физические свойства, которые используют в данном описании и формуле изобретения, должны подразумеваться как модифицированные во всех случаях под термином «приблизительно». Соответственно, если не указано иное, численные параметры, приведенные в приведенном ниже описании и формуле изобретения, которая прилагается, являются приближениями, которые могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, рассмотренных как такие, которые должны быть получены специалистом в данной области техники, применяя доктрины, описанные в данной заявке.
Указание численных диапазонов при помощи конечных точек включает все числа, подпадающие в данный диапазон (например, от 1 до 5 включает 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,80, 4 и 5) и любой диапазон в данном диапазоне.
Как используют в данном описании и формуле изобретения, которая прилагается, форма единственного числа охватывает осуществления, имеющие множественные ссылки, если из контекста четко не следует иное. Как используют в данном описании и формуле изобретения, которая прилагается, термин «или» в общем, применяют в его смысле, включая «и/или», если из контекста четко не следует иное.
Иллюстративные осуществления настоящего изобретения используют два или более слоев пористых нетканых полотен, где, по меньшей мере, два слоя содержат термопластичные эластомерные полимерные волокна и активные частицы, впутанные в волокнах. Полотна в соответствии с настоящим изобретением характеризуются трехмерной формой или деформацией, которая может быть придана волокну, например, при помощи процесса формования.
Как ожидают, данная заявка облегчает получение формованных фильтрующих элементов, включая фильтрующие элементы, которые могут быть применены в устройствах защиты дыхательных путей, с эксплуатационными и конструкционными признаками, которых тяжело достичь при помощи существующих технологий. Первичная существующая технология получения формованных фильтрующих элементов, склеенных смолой частиц углерода, включает комбинирование мелкоизмельченных частиц смолы с частицами углерода с последующим их формованием под воздействием тепла и давления. Такие содержащие углерод формы часто используют в фильтрующих слоях. Однако такая существующая технология имеет различные недостатки. Например, измельчение смолы в мелкие частицы для применения в процессе склеивания частиц смолой имеет тенденцию к тому, чтобы быть относительно дорогой процедурой. Дополнительно, процесс склеивания смолой имеет тенденцию к тому, чтобы закупоривать поверхность углерода, таким образом, уменьшая активность углерода. Дополнительно, очень сложно разделить на слои массы частиц, склеенных смолой.
Наоборот, иллюстративные фильтрующие элементы в соответствии с настоящим изобретением, как ожидают, имеют более низкий перепад давления ввиду использования волокон вместо склеивающей смолы, более низкие затраты при обработке и гораздо более высокое сохранение активности углерода. Другие преимущества осуществлений настоящего изобретения включают обеспечение альтернативы фильтрующему слою, который получают с использованием процесса ливневого наполнения, и способность получения сложных форм фильтрующих элементов, чего сложно достичь при помощи традиционных набивок фильтров. Дополнительно, иллюстративные осуществления настоящего изобретения обеспечивают преимущественный способ комбинирования множественных слоев полотен, содержащих углерод, в фильтрующий слой. Множественные слои могут включать толстые слои с очень большими частицами для емкости, тонкие «полирующие» слои с меньшими частицами, или слои, обработанные различными материалами для достижения широкого диапазона фильтрующих эксплуатационных свойств.
На Фиг.1 схематично показана секция пористого нетканого полотна 10, приемлемого для применения в иллюстративных осуществлениях настоящего изобретения. Как используют в данной заявке, слово «пористый» относится к изделию, которое является достаточно проницаемым для газов таким образом, чтобы его можно было использовать в фильтрующем элементе устройства защиты дыхательных путей. Фраза «нетканое полотно» относится к волокнистому полотну, характеризующемуся запутанностью или точечным соединением волокон. Пористое нетканое полотно 10 содержит активные частицы 12a, 12b, 12c, расположенные, например, впутанные, в полимерных волокнах 14a, 14b, 14c. Небольшие соединенные поры, образованные в нетканом полотне 10 (например, между полимерными волокнами и частицами), пропускают окружающий воздух, или другие текучие среды проходят через нетканое полотно 10. Активные частицы, например, 12a, 12b, 12c, могут быть способными к поглощению растворителей и других потенциально опасных веществ, присутствующих в таких текучих средах. Слово «впутанные» при использовании в отношении частиц в нетканом полотне относится к частицам, которые в достаточной степени связаны или уловлены полотном таким образом, чтобы оставаться внутри или на полотне, если полотно подвергают осторожному обращению, такому, как драпировка полотна над горизонтальным стержнем. Примеры приемлемых нетканых полотен и способы их получения описаны, например, в публикации патентной заявки США №US 2006/0096911.
Примеры активных частиц, приемлемых для применения в некоторых осуществлениях настоящего изобретения, включают сорбенты, катализаторы и химически реакционно-способные вещества. Может быть применено множество активных частиц. В некоторых осуществлениях, активные частицы будут способны поглощать или адсорбировать газы, аэрозоли или текучие среды, которые, как ожидают, будут присутствовать в условиях целевого применения. Активные частицы могут иметь любую применимую форму, включая шарики, хлопья, гранулы или агломераты. Предпочтительные активные частицы включают активированный уголь; окись алюминия и другие оксиды металлов; бикарбонат натрия; частицы металлов (например, частицы серебра), которые могут удалять компонент из текучей среды путем адсорбции, химической реакции или амальгамирования; каталитические агенты на основе частиц, такие как гопкалит или наноразмерные частицы золота (которые могут катализировать окисление моноксида углерода); глину и другие минералы, обработанные кислотными растворами, такими, как уксусная кислота, или щелочными растворами, такими, как водный гидроксид натрия; ионно-обменные смолы, молекулярные сита и другие цеолиты; кремнезем; биоциды; фунгициды и вируциды. Активированный уголь и окись алюминия являются особо предпочтительными активными частицами.
Иллюстративные каталитические материалы включают Carulite 300 (также имеет название гопкалит, комбинация оксида меди и диоксида марганца (из MSDS)), который удаляет моноксид углерода (CO), или катализатор, содержащий наноразмерные частицы золота, такой, как гранулированный активированный уголь, покрытый диоксидом титана и наноразмерными частицами золота, расположенными на слое диоксида титана (патентная заявка США №2004/0095189 A1), который удаляет CO, OV и другие соединения.
Иллюстративные химически реакционно-способные соединения включают триэтилендиамин, гопкалит, хлорид цинка, окись алюминия (для фтороводорода), цеолиты, карбонат кальция и газопромыватели на основе диоксида углерода (например, гидроксид лития). Любое одно или более из таких химически реакционно-способных веществ могут находиться в форме частиц или подложкой для них могут быть частицы, типично с большими площадями поверхностей, такие как частицы активированного угля, окиси алюминия или цеолита.
Более чем один тип активных частиц может быть использован в том же самом иллюстративном пористом нетканом полотне в соответствии с настоящим изобретением. Например, могут быть применены смеси активных частиц, например, для поглощения смесей газов. Желаемый размер активных частиц может значительно варьироваться и обычно будет выбран, исходя, частично, из целевых условий обслуживания. Как общее правило, активные частицы могут иметь различные размеры средних диаметров от приблизительно 5 до 3000 микрометров. Предпочтительно активные частицы имеют средний диаметр менее чем приблизительно 1500 микрометров, более предпочтительно имеют средний диаметр от приблизительно 30 до приблизительно 800 микрометров, и наиболее предпочтительно имеют средний диаметр от приблизительно 100 до приблизительно 300 микрометров. Смеси (например, бимодальные смеси) активных частиц, имеющих различные диапазоны размеров, могут быть также применены. В некоторых осуществлениях настоящего изобретения, более чем 60 массовых процентов активных частиц впутаны в полотно. В других осуществлениях, предпочтительно, по меньшей мере 80 массовых процентов активных частиц, более предпочтительно по меньшей мере 84 массовых процента и наиболее предпочтительно по меньшей мере 90 массовых процентов активных частиц впутаны в полотно.
Примеры полимерных волокон, приемлемых для применения в некоторых осуществлениях настоящего изобретения, включают термопластичные полимерные волокна и, предпочтительно, термопластичные эластомерные полимерные волокна. Множество волокнообразующих полимерных веществ могут быть приемлемым образом применены, включая термопластичные вещества, такие как полиуретановые эластомерные материалы (например, доступные под торговыми названиями IROGRAN™ от Huntsman LLC и ESTANE™ от Noveon, Inc.), термопластичные эластомерные полиолефины (такие как полиолефиновые термопластичные эластомеры, доступные от ExxonMobil под торговым названием Vistamaxx), полибутиленовые эластомерные материалы (например, доступные под торговым названием CRASTIN™ от Е.I.DuPont de Nemours & Co.), сложно-полиэфирные эластомерные материалы (например, доступные под торговым названием HYTREL™ от Е.I.DuPont de Nemours & Co.), эластомерные материалы на основе блок-сополимеров полиамидов и простых эфиров (например, доступные под торговым названием РЕВАХ™ от Atofina Chemicals, Inc.) и эластомерные стироловые блок-сополимеры (например, доступные под торговыми названиями KRATON™ от Kraton Polymers и SOLPRENE™ от Dynasol Elastomers).
Некоторые полимеры могут быть растянуты до гораздо более чем 125 процентов их изначальной релаксационной длины и многие из них будут восстановлены по существу до их изначальной релаксационной длины после высвобождения сил смещения, и этот последний класс веществ является, в общем, предпочтительным. Термопластичные полиуретаны, эластомерные полиолефины, полибутилены и стирольные блок-сополимеры являются в особенности предпочтительными. При желании, часть полотна может представлять собой другие волокна, не имеющие указанной эластичности или сжатия при кристаллизации, например, волокна традиционных полимеров, таких как полиэтилен терефталат; многокомпонентные волокна (например, двухкомпонентные волокна с оболочкой из второго волокна, разделяемые или параллельные двухкомпонентные волокна и так называемые волокна типа «островки в море»); штапельные волокна (например, из природных или синтетических материалов) и т.п. Предпочтительно, однако, применяют относительно малые количества таких других волокон таким образом, чтобы не уменьшать ненадлежащим образом желаемый уровень нагрузки сорбента и свойства готового полотна.
Фиг.2 представляет собой схематический вид в перспективе в поперечном сечении одного иллюстративного фильтрующего элемента 20, использующего пористое нетканое полотно 22. Полотно 22 содержит два или более слоев, таких как первый и второй слои 26 и 28, каждый из которых или оба могут быть пористым нетканым полотном 10, таким как показано на Фиг.1. В одном иллюстративном осуществлении, первый слой полотна 26 содержит первые активные частицы 26а, впутанные в первых полимерных волокнах 26b, и второй слой полотна 28 содержит вторые активные частицы 28а, впутанные во вторых полимерных волокнах 28b.
Различные комбинации материалов первых активных частиц 26а, первых полимерных волокон 26b, вторых активных частиц 28а и вторых полимерных волокон 28b могут быть применены в иллюстративных осуществлениях настоящего изобретения. Одно иллюстративное осуществление представляет собой фильтрующий элемент, в котором первый слой 26 разработан для фильтрования большей части целевого загрязняющего вещества (такого, как газ), в то время как второй слой 28 разработан для удаления небольших количеств целевого загрязняющего вещества, которое проходит через первый слой 26. В таких иллюстративных осуществлениях, первый слой будет типично содержать большие (например, от 12×20 до 6×12) частицы сорбента. Второй слой будет типично содержать меньшие частицы сорбента или катализатора (например, от 80×325 до 60×140).
Другое иллюстративное осуществление представляет собой фильтрующий элемент, в котором первый слой 26 и второй слой 28 оба разработаны для обеспечения первичной фильтрующей функции для одного компонента многокомпонентной фильтрующей системы. В таких иллюстративных осуществлениях, первый слой 26 может содержать соответствующий сорбент и/или каталитические активные частицы для удаления одного компонента из газового потока, в то время как второй (и/или третий, четвертый, и т.д.) слой 28 будет содержать соответствующие активные частицы для удаления второго компонента из газового потока. Например, может быть желаемым разработать фильтрующий элемент, который сможет фильтровать оба кислотного и основного газов. В таком случае, первый слой 26 может содержать активные частицы для удаления кислотных газов, в то время как второй слой 28 может содержать активные частицы для удаления основных газов. Оба типа активных частиц могут быть частицами активированного угля, которые обрабатывают кислотные или основные газы.
В других иллюстративных осуществлениях, фильтрующий элемент может содержать комбинации указанных выше конструкций. Иллюстративные осуществления могут содержать множественные наборы слоев больших частиц/малых частиц, каждый из которых разработан для фильтрования различных компонентов газового потока. Вещества, используемые для первых полимерных волокон 26b и вторых полимерных волокон 28b, могут быть одинаковыми или разными. В одном иллюстративном осуществлении, первый и второй слои оба могут содержать одинаковый тип выдувных микроволокон, содержащих те же самые вещества.
Обращаясь дополнительно к Фиг.2, полотно 22 имеет трехмерную деформацию 24, которая проиллюстрирована в поперечном сечении. В особенности, скорее, чем планарную конфигурацию, в которой большинство поверхностей 22а и 22b полотна 22 будут иметь планарные конфигурации и будут, в общем, параллельны одна другой, что может быть в случае типичных нетканых полотен, содержащих частицы, полотно 22 сформировано, например, по меньшей мере, таким образом, что одна из его основных поверхностей 22а и 22b отклоняется от планарной конфигурации. В данном иллюстративном осуществлении первая поверхность 22а смещена от планарной конфигурации на Da, в то время как вторая поверхность 22а смещена от планарной конфигурации на Db. Предпочтительно, первый слой 26 является соприкасающимся со вторым слоем 28 по деформации, как показано на Фиг.2. Как показано на Фиг.2, первый и второй слои 26 и 28 размещены непосредственно прилегающими друг к другу. Дополнительно, первый и второй слои 26 и 28 находятся в фактическом контакте (без каких-либо воздушных промежутков или промежуточных слоев) вдоль границы 27.
Полотно 22 дополнительно характеризуется толщиной полотна Т, которая может быть определена как расстояние между первой поверхностью 22а и второй поверхностью 22b. Некоторые иллюстративные размеры деформаций в соответствии с иллюстративными осуществлениями настоящего изобретения включают толщину Т, составляющую от 5 до 10 мм или более. Значение Т будет зависеть от целевого назначения фильтрующего элемента и других соображений. Деформация 24 дополнительно характеризуется линейной длиной L, которая может быть определена как длина выступа в планарную поверхность под деформацией 24 поперечного сечения деформации 24 в плоскости, которая включает смещение Da. В некоторых иллюстративных осуществлениях, по меньшей мере, один из Da и Db составляет по меньшей мере 0,5 толщины полотна Т в месте полотна, в котором измеряют смещение. В показанном иллюстративном осуществлении, толщину Т и смещение Da оба измеряют в месте 23. В других иллюстративных осуществлениях, по меньшей мере, один из Da и Db могут в, по меньшей мере, 1-10, 2-10, 4-10, 5-10 или более чем в 10 раз превышать толщину полотна Т в месте полотна, в котором измеряют смещение, в зависимости от целевого использования фильтрующего элемента или других соображений.
Обращаясь дополнительно к Фиг.2, основная поверхность 22а полотна 22 иллюстративного фильтрующего элемента 20 может быть охарактеризована как вогнутая поверхность, в то время как основная поверхность 22b может быть охарактеризована как выпуклая поверхность. В некоторых таких иллюстративных осуществлениях, вогнутая поверхность 22а характеризуется отклонением Da от планарной конфигурации, которое составляет, по меньшей мере, 0,5 толщины полотна Т в месте полотна, где измеряют смещение. В других иллюстративных осуществлениях, Da поверхности 22а может в, по меньшей мере, 1-10, 2-10, 4-10, 5-10, или более чем в 10 раз превышать толщину полотна Т в месте полотна, где измеряют смещение, в зависимости от целевого назначения фильтрующего элемента или других соображений.
В некоторых типичных иллюстративных осуществлениях, длина линейной деформации L может в, по меньшей мере, 3-4, или 3-5 раз превышать толщину Т. В других иллюстративных осуществлениях, длина линейной деформации L может превышать ее в, по меньшей мере, 10-50, 20-50, 30 или более, 40 или более, или 50 или более раз. Некоторые иллюстративные абсолютные значения L включают 2 см, 4 см или 10 см или более. Значение L и его соотношение с Т будут зависеть от различных факторов, включая целевое применение фильтрующего элемента. Специалисты в данной области техники смогут легко оценить, что деформации полотна 22 могут иметь любую другую приемлемую форму и размер, включая, но не ограничиваясь приведенным, показанные на Фиг.3-4.
В некоторых иллюстративных осуществлениях настоящего изобретения, полотно 22 может быть сохраняющим форму. В контексте настоящего изобретения, термин «сохраняющий форму,» в отношении к изделию, означает, что изделие имеет достаточную эластичность и структурную целостность таким образом, чтобы (i) сопротивляться деформации при применении силы или (ii) уступать деформирующей силе, но затем по существу возвращать исходную форму после устранения деформирующей силы, где количество и тип деформирующей силы являются типичными в обычных условиях, в которых предполагают использовать изделие. В некоторых иллюстративных осуществлениях настоящего изобретения, полотно 22 может быть самоподдерживающимся. Термин «самоподдерживающийся», в отношении к изделию, означает, что изделие обладает достаточной жесткостью для того, чтобы быть способным к сохранению непланарной конфигурации самой по себе, то есть, при отсутствии любых дополнительных поддерживающих слоев или структур.
Фиг.3 представляет собой схематический вид в перспективе в поперечном сечении другого иллюстративного фильтрующего элемента 30, использующего пористое нетканое полотно 32. Полотно 32 содержит два или более слоев, таких как первый и второй слои 36 и 38, каждый из которых или оба могут быть пористым нетканым полотном 10, как показано на Фиг.1. В одном иллюстративном осуществлении, первый слой полотна 36 содержит первые активные частицы 36а, впутанные в первых полимерных волокнах 36b, и второй слой полотна 38 содержит вторые активные частицы 38а, впутанные во вторых полимерных волокнах 38b.
Полотно 32 имеет трехмерную деформацию 34. Предпочтительно, первый слой 36 является соприкасающимся со вторым слоем 38 по деформации, как показано на Фиг.3. В данном иллюстративном осуществлении, первая поверхность 32а смещена от планарной конфигурации на Da', в то время как вторая поверхность 32а смещена от планарной конфигурации на Db'. Полотно 32 дополнительно характеризуется вариабельной толщиной полотна T1, Т2, Т3 и Т4, каждая из которых определена как расстояние между первой поверхностью 32а и второй поверхностью 32b. Деформация 34 дополнительно характеризуется линейной длиной линии L'. L' является выступом поперечного сечения деформации 34, в плоскости, содержащей смещение Da′, в планарную поверхность под деформацией 34. В некоторых иллюстративных осуществлениях настоящего изобретения, полотно 32 может быть самоподдерживающимся и/или сохраняющим форму.
Предпочтительно, в осуществлениях, которые имеют вариабельную толщину полотна, толщина варьируется не более чем в 10 раз по сравнению со средней толщиной Tav, вдоль, по меньшей мере, одного направления по деформации 34. Более предпочтительно, толщина варьируется не более чем в 5 раз по сравнению со средней толщиной Tav, вдоль, по меньшей мере, одного направления по деформации 34, и, даже более предпочтительно, не более чем в 2, 1, и наиболее предпочтительно, не более чем в 0,5 раза. Средняя толщина может быть рассчитана путем выбора конкретного направления по деформации 34, например, вдоль поперечного сечения полотна 32 и деформации 34 плоскости, приведенной на Фиг.3, измерением значений толщин полотна, предпочтительно, для, по меньшей мере, 4 различных мест (например, 1, 2, 3 и 4) вдоль выбранного направления (т.е., значения T1, Т2, Т3 и Т4), и усреднения данных значений следующим образом:
Tav=(Т1+Т2+Т3+Т4)/4
В некоторых иллюстративных осуществлениях, места 1, 2, 3 и 4 могут быть выбраны путем деления L на 5 приблизительно равных частей и измерения толщин в 4 внутренних точках. Некоторые иллюстративные осуществления трехмерной деформации 34 полотна 32 могут быть охарактеризованы градиентом плотности, который имеет относительно низкое значение. В одном иллюстративном осуществлении, трехмерная деформация 34 характеризуется градиентом плотности, составляющим менее чем 20 к 1. В других иллюстративных осуществлениях, трехмерная деформация 34 может быть охарактеризована градиентом плотности, составляющим менее чем 10 к 1, 3 к 1 или 2 к 1.
Градиент плотности может быть определен следующим образом. Две пробы отбирают из двух различных мест трехмерной деформации 34 полотна 32, таких как любые два места 1, 2, 3 и 4, показанные на Фиг.3. Плотности δ1 и δ2 могут быть затем определены при помощи процедуры, описанной ниже, и градиент плотности δg определяют как соотношение большего значения плотности δ2 и меньшего значения плотности δ1.
Фиг.4 является схематическим видом в перспективе другого иллюстративного фильтрующего элемента 40, использующего пористое нетканое полотно 42. Полотно 42 имеет трехмерную деформацию 44. В данном иллюстративном осуществлении, первая поверхность 42а и вторая поверхность 42b полотна 42 смещены от планарной конфигурации таким образом, что полотно 42 образует, в общем, цилиндрическую форму. Полотно 42 содержит два или более слоев, таких как первый и второй слои 46 и 48, каждый из которых или оба могут быть пористым нетканым полотном 10, как показано на Фиг.1. В одном иллюстративном осуществлении, первый слой полотна 46 содержит первые активные частицы 46а, впутанные в первых полимерных волокнах 46b, и второй слой полотна 48 содержит вторые активные частицы 48а, впутанные во вторых полимерных волокнах 48b. Предпочтительно, первый слой 46 является соприкасающимся со вторым слоем 48 по деформации, как показано на Фиг.4. Такие иллюстративные фильтрующие элементы являются особо преимущественными для применения в устройствах защиты дыхательных путей, разработанных для применения для защиты при проблемах смешанных газов, например, паров аммиака и органических веществ.
Фиг.5 представляет собой вид в поперечном сечении другого иллюстративного фильтрующего элемента 50, использующего пористое нетканое полотно 52, такое, как полотна, описанные в связи с другими иллюстративными осуществлениями настоящего изобретения. Полотно 52 имеет две или более трехмерные деформации 54. В данном иллюстративном осуществлении, первая поверхность 52а и вторая поверхность 52b полотна 52 смещены от планарной конфигурации таким образом, что полотно 52 образует серии трехмерных деформаций. В показанном осуществлении, деформации 54 образуют линейный массив (деформации 54 образуют повторяющуюся последовательность вдоль одного направления). В других иллюстративных осуществлениях, деформации 54 образуют двухмерный массив (деформации 54 образуют повторяющуюся последовательность вдоль двух различных направлений). В других иллюстративных осуществлениях, деформации 54 могут образовывать любой тип распределения, такой, как рандомизованный массив. Отдельные деформации могут быть аналогичны по размеру и/или форме или они могут отличаться друг от друга. Полотно 52 содержит два или более слоев, таких как первый и второй слои 56 и 58. Предпочтительно, первый слой 56 является соприкасающимся со вторым слоем 58 по деформации, например, вдоль границы 57, как показано на Фиг.5.
На Фиг.6 показан схематический вид в поперечном сечении другого иллюстративного фильтрующего элемента 150 в соответствии с настоящим изобретением. Иллюстративный фильтрующий элемент 150 содержит корпус 130. Пористое нетканое полотно 120, сконструированное в соответствии с настоящим изобретением, такое, как иллюстративное полотно, показанное на Фиг.2, расположено внутри корпуса 130. Полотно 120 содержит два или более слоев, таких как первый и второй слои 126 и 128, каждый из которых или оба могут быть пористым нетканым полотном, как описано в данной заявке выше. Полотно 32 имеет трехмерную деформацию 34. Предпочтительно, первый слой 36 является соприкасающимся со вторым слоем 38 по деформации, как показано на Фиг.3. Корпус 130 содержит крышку 132 с отверстиями 133. Окружающий воздух заходит в фильтрующий элемент 150 через отверстия 133, проходит через полотно 120 (вследствие чего потенциально опасные вещества в таком окружающем воздухе обрабатываются активными частицами в полотне 120) и выходит в корпус 130 за впускной воздушный клапан 135, смонтированный на опоре 137.
Втулка 138 и штыкообразный выступ 139 позволяют съемное присоединение фильтрующего элемента 150 к устройству защиты дыхательных путей 160, показанному на Фиг.7. Устройство 160, которое иногда называют респиратор-полумаска, содержит деформируемую маску 162, которая может быть вставлена формованием вокруг относительно тонкого жесткого структурного элемента или вставки 164. Вставка 164 содержит клапан выхода 165 и имеющие вырез штыкообразные отверстия с резьбой (не показаны на Фиг.7) для съемно присоединенных корпусов 130 фильтрующих элементов 150 в боковых участках устройства 160. Регулируемая лента 166 и опоясывающие ленты 168 позволяют надежно носить устройство 160 над носом и ртом пользователя. Дополнительные детали относительно конструкции такого устройства будут знакомы специалистам в данной области техники.
На Фиг.8 показаны другие иллюстративные устройства защиты дыхательных путей 270, в которых могут быть использованы иллюстративные осуществления настоящего изобретения. Устройство 270 иногда называют одноразовой или не требующей обслуживания маской, и оно, в общем, имеет чашеобразную оболочку или корпус респиратора 271, содержащий внешнее покровное полотно 272, пористое нетканое полотно 220, сконструированное в соответствии с настоящим изобретением, такое, как иллюстративные полотна, показанные на Фиг.2 и 3, и внутреннее покровное полотно 274. Торцевое сварное соединение 275 удерживает эти слои вместе и обеспечивает участок лицевого уплотнения для уменьшения утечки через торец устройства 270. Устройство 270 содержит регулируемые крепления для головы и шеи 276, прикрепленные к устройству 270 выводными планками 277, носовой ремешок 278 и клапан выдоха 279. Дополнительные детали относительно конструкции такого устройства будут знакомы специалистам в данной области техники.
На Фиг.9 показано другое иллюстративное устройство защиты дыхательных путей 300, в котором могут быть использованы иллюстративные осуществления настоящего изобретения, в особенности, иллюстративные осуществления, проиллюстрированного на Фиг.4. Устройство 300 иногда называют фильтрующей системой радиальной фильтрации, например, его используют в системах обработки воздуха для коллективной защиты. В проиллюстрированном осуществлении, вход 314 расположен во внутренней периферии 310а корпуса 310. Выход 316, который находится в гидравлическом соединении с входом 314, может быть расположен во внешней периферии 310b корпуса 310. Иллюстративный фильтрующий элемент 320, расположенный внутри внутренней части корпуса, содержит пористое нетканое полотно 322 в соответствии с настоящим изобретением и три слоя пористого нетканого полотна 324 в соответствии с настоящим изобретением.
Полотно 322 может содержать вещества, которые отличаются от одного или более слоев полотна 324 и/или оно может иметь фильтрующие свойства, отличающиеся от фильтрующих свойств одного или более слоев полотна 324. В некоторых иллюстративных осуществлениях, слой полотна 324 может содержать вещества, отличные от веществ одного или более других слоев полотна 324, и/или оно может иметь фильтрующие свойства, отличающиеся от фильтрующих свойств одного или более слоев полотна 324. Дополнительный фильтрующий элемент, такой, как фильтрующий элемент 330 на основе частиц, может быть также обеспечен во внутренней части корпуса 310. Фильтрующий элемент на основе частиц предпочтительно обеспечен сверху фильтрующего элемента 320.
В одном осуществлении, воздух или другая текучая среда проходят во вход 314, расположенный во внутренней периферии корпуса 310. Затем воздух может проходить через каждый из фильтрующих элементов, как показано при помощи стрелки F, пока не пройдет через выход 316. Настоящее изобретение может быть также применено для других систем обработки текучих сред, и осуществления настоящего изобретения могут иметь различные конфигурации и расположения входа 314 и выхода 316. Например, расположения входа и выхода могут быть реверсированы.
Фиг.10 иллюстрирует иллюстративный способ и устройство 900 для получения сохраняющих форму самоподдерживающихся нетканых полотен, имеющих трехмерную деформацию, в соответствии с настоящим изобретением. Полотно, содержащее частицы 920, может иметь сначала планарную конфигурацию. Трехмерная деформация в соответствии с настоящим изобретением может быть придана полотну 920, например, путем формования полотна 920 при помощи иллюстративного устройства 900. Устройство 900 содержит первую термостатируемую заливочную форму 904а и вторую термостатируемую заливочную форму 904b. Формы заливочных форм зависят от формы желаемой деформации, которую необходимо придать полотну 902. Поршень пневмопривода 906 может быть использован для контроля движения первой заливочной формы 904а в направлении второй заливочной формы 904b. Каркас 902 поддерживает заливочные формы 904а, 904b и поршень 906.
2
2
2
В иллюстративном способе получения сохраняющих форму самоподдерживающихся нетканых полотен, имеющих трехмерную деформацию, слои полотна 922 и 924 размещают между заливочными формами 904а и 904b, заливочные формы сводят вместе таким образом, что они подвергают слои полотна 922 и 924 сжатию и нагреванию таким образом, что слои полотна 922 и 924 формируют вместе таким образом, чтобы они соприкасались и также образовывали желаемую форму. Температуры заливочных форм 904а и 904b могут быть одинаковыми или различными и, как ожидают, зависят от полимера(полимеров), которые используют в слоях волокна полотна 922 и 924. При использовании термопластичного полиолефинового эластомера бренда ExxonMobil Vistamaxx 2125, ожидают, что рабочие температуры формы будут составлять от 75°C до 250°C и, более предпочтительно, от 95°C до 120°C. Давления, которые прилагают заливочные формы 904а и 904b к слоям полотна 922 и 924, как ожидают, зависят от полимера(полимеров), которые используют в слоях волокна полотна 922 и 924, и они могут также зависеть от типа и количества активных частиц. Например, при использовании смолы бренда ExxonMobil Vistamaxx 2125, рабочие давления, как ожидают, будут составлять от 20 грамм/см до 10000 грамм/см, и более предпочтительно от 300 до 2000 грамм/см. Иллюстративные времена формования в таких условиях, как ожидают, будут составлять от 2 секунд до 30 минут. В общем, времена формования будут зависеть от температур, давлений и полимеров, и активных частиц.
Как полагают, процесс формования смягчает и формирует термопластичные эластомерные полимерные волокна полотна, таким образом, что полученное в результате полотно, имеющее трехмерную деформацию желаемой формы, также содержит соприкасающиеся слои, образованные из слоев полотна 922 и 924. Такие соприкасающиеся слои, образованные при помощи иллюстративного процесса настоящего изобретения, более трудно отделять и они участвуют в повышении износостойкости конструкции фильтрующего элемента. Также считают, что процесс формования является эффективным при получении полотен, способных быть самоподдерживающимися и сохраняющими форму. Другие иллюстративные способы могут включать формование слоев полотна 922 и 924 на или в прессе с нагретыми валиками или путем размещения креплений с нагрузками в печи.
ТЕСТОВЫЕ МЕТОДЫ
Для расчета плотности пробы фильтрующего элемента в соответствии с настоящим изобретением, можно типично начать с получения относительно неповрежденной и целесообразно характеристичной части фильтрующего элемента. Это может быть реализовано, например, путем отрезания части от пробы, которую исследуют, предпочтительно таким образом, что проба содержит, по меньшей мере, часть трехмерной деформации в соответствии с настоящим изобретением. Важно, чтобы часть была достаточно большой во всех измерениях, которые считают «характеристичными.» Более конкретно, проба должна быть больше, чем активные частицы, диспергированные в полотне, и, предпочтительно, по меньшей мере, в 5 раз больше наибольшего размера частицы в полотне, и, более предпочтительно, по меньшей мере, в 100 больше наибольшего размера частицы в полотне.
Форма пробы может быть выбрана таким образом, чтобы было легко измерить ее размеры и рассчитать объем, такая, как прямоугольная или цилиндрическая. В случае искривленных поверхностей, может быть преимущественным позволить устройству (ножевой штамп), который используют для разрезания пробы, определять диаметр, например, ножевой штамп. Для измерения размеров такой пробы можно использовать ASTM D 1777-96, тестовая опция №5, в качестве направляющего. Размер прижимной лапки должен быть отрегулирован для приспособления к существующему размеру пробы. Желательно не деформировать пробу во время процесса измерения, но в некоторых обстоятельствах может быть приемлемым более высокое давление, чем указанное в опции №5. Поскольку структуры для измерения являются пористыми, то контакт должен быть по всей области, которая является достаточно большой относительно одной активной частицы. После определения объема характеристической части, необходимо взвесить характеристическую часть. Плотность определяют путем деления массы на объем.
Также возможно охарактеризовать плотность иллюстративных осуществлений настоящего изобретения путем сравнения плотности компонента на основе частиц в нетканом полотне с плотностью «набивки фильтра» из того же самого материала на основе частиц. Это будет включать удаление частиц из известного объема «характеристической части» и взвешивание такой полученной в результате пробы на основе частиц. Такая частица может быть затем погружена в градуированный цилиндр для получения ее объема «набивки фильтра». Из этих данных можно рассчитать «набивную или кажущуюся» плотность путем деления массы на измеренный объем. Однако результат может быть искажен остаточными полимерами, прилипшими к частице.
ПРИМЕР
Следующие слои собирали и формовали в фильтрующий респиратор с лицевой маской (похожей на чашу) в соответствии со способами настоящего изобретения:
1. Внешняя оболочка: слой нетканого материала - 20% Kosa Со. тип 295 1,5 дюйма резаные, 6 денье полиэфирные штапельные волокна и 80% Kosa Со. тип 254 1,5 дюйма резаные, 4 денье бико-полиэфирные штапельные волокна.
2. Слой выдувной микроволоконной фильтрующей среды.
2
3. Слой 4000 г/м (грамм на квадратный метр) пористого нетканого полотна в соответствии с настоящим изобретением, включая 12×20 органические активированные паром частицы углерода типа GG, доступные от Kuraray, впутанные в термопластичные эластомерные полиолефиновые волокна.
2
4. Слой 600 г/м пористого нетканого полотна в соответствии с настоящим изобретением, включая 40×140 органические активированные паром частицы углерода, впутанные в термопластичные эластомерные полиолефиновые полимерные волокна.
5. Слой плотного полученного аэродинамическим способом микроволоконного гладкого нетканого полотна.
6. Внутренняя оболочка: слой нетканого материала - 20% Kosa Со. тип 295 1,5 дюйма, резаные, 6 денье полиэфирные штапельные волокна и 80% Kosa Со. тип 254 1,5 дюйма, резаные, 4 денье бико-полиэфирные штапельные волокна.
Вышеуказанные слои помещают в формовочное устройство, предназначенное для формования фильтрующих респираторов с лицевой маской. Верхнюю заливочную форму устанавливали при температуре 235°F, в то время как нижнюю заливочную форму устанавливали при температуре 300°F.
Перепад давления конструкций респираторов, сформированных таким образом, при измерении при 85 л/мин, составлял от 14,9 мм воды до 33,7 мм воды. При анализе в соответствии с тестовым методом CEN для циклогексана (тестовые условия: 1000 ppm, 30 л/мин, 20°С, 70% относительной влажности, 10 ppm дыхания), формованная конструкция респиратора имела срок годности 40-59 минут. Соответствующий тест CEN описан в Британском стандарте BS EN 141:200 «Respiratory protective devices - Gas filters and combined filters - Requirements, testing, marking.»
Таким образом, описаны осуществления формованного слоеного нетканого полотна, содержащего частицы. Специалист в данной области техники оценит, что настоящее изобретение может быть реализовано на практике в осуществлениях, отличных от описанных в данной заявке. Например, могут быть использованы более чем два слоя в соответствии с настоящим изобретением. Описанные осуществления представлены для иллюстрации и не являются ограничивающими, и настоящее изобретение ограничено только формулой изобретения, приведенной в данной заявке ниже.