过滤器组件、预过滤器组件和包括它们的呼吸器的制作方法

1.本公开广义地涉及空气过滤介质、非织造纤维幅材以及包括它们的制品。


背景技术：

2.包含有毒或有害物质的空气通常通过过滤(例如，使用呼吸器或hvac过滤器)来去除那些物质。
3.呼吸器设计认证由美国国家职业安全卫生研究所(niosh)监管。niosh为已经受到不同污染物挑战的呼吸器建立了各种去除效率标准。例如，使用邻苯二甲酸二辛酯(dop)的混悬液滴的油雾去除效率的标准必须通过被指定用于存在油的环境中的过滤介质来满足。由于去除效率可响应于油负载而改变，因此标准规定了在固定暴露于测试用气溶胶的情况下的最低去除效率。其他监管机构可使用石蜡油或不同的油。
4.自1995年7月生效的niosh制定的用于非动力空气净化颗粒呼吸器的标准(参见42c.f.r.第84部分，公布于1995年6月8日)。这些法规包括若干种不同的分类，其中一种通常被称为“p系列”并且涉及旨在用于去除油基液体颗粒的过滤器。对于p系列认证，呼吸器过滤介质必须在dop去除效率测试的终点表现出不降低的效率。
5.纤维驻极体过滤介质已用于颗粒空气过滤器多年。驻极体过滤介质上的准永久性静电荷与纯机械过滤器相比提高了它们的过滤效率。增强的效率导致驻极体过滤器与具有相同效率和表面积的机械过滤器相比气流阻力更小(压降更低)。与由机械过滤介质制成的那些呼吸器相比，利用驻极体过滤介质的呼吸器通常可被制成重量更轻并且更紧凑。
6.然而，驻极体过滤介质的效率可通过暴露于某些气溶胶而降低；机械过滤器通常更能抵抗这种类型的效率损失。为了认证负压呼吸保护装置，niosh法规42cfr 84要求通过空气过滤测试，该空气过滤测试在用规定量的最大穿透尺寸的固体氯化钠气溶胶或油性液体邻苯二甲酸二辛酯(dop)气溶胶颗粒装载呼吸器期间使过滤效率最小化。这些装载测试已被证实能降低某些类型的驻极体过滤介质的过滤效率。
7.例如，来自具有相对高的介电常数的油诸如dop的液体气溶胶可降低驻极体过滤器的过滤效率。液体气溶胶也可润湿纤维表面。由某些气溶胶引起的静电过滤器的过滤效率损失的可能机制包括以下几点：(1)通过捕集的气溶胶颗粒上的相反电荷中和纤维上的电荷，(2)通过一层捕集的颗粒筛选纤维电荷，以及(3)通过表面层的溶解或通过化学反应，由气溶胶破坏纤维的电荷携带部分。


技术实现要素：

8.仍然需要可从空气流中去除油性气溶胶同时长时间保持可接受的过滤性能的新型过滤器装置。本公开通过提供适合与空气过滤介质组件中的驻极体非织造纤维空气过滤介质一起使用的过滤器组件来解决这一需求。空气过滤器组件表现出去除油性气溶胶和颗粒物的稳定效率。
9.因此，在一个方面，本公开提供了一种过滤器组件，该过滤器组件包括：
10.空气过滤器，所述空气过滤器包括具有第一驻极体电荷的第一非织造纤维幅材，并且其中所述第一非织造纤维幅材包含聚丙烯、聚酯、聚苯乙烯或聚乙烯中的至少一种；和
11.预过滤介质，所述预过滤介质包括第二非织造纤维幅材，所述第二非织造纤维幅材具有第二驻极体电荷并且包含聚(4-甲基戊烯)和静电充电添加剂，
12.其中所述过滤器组件被构造成使得穿过所述预过滤介质的空气被引导通过所述空气过滤介质。
13.在另一方面，本公开提供了一种呼吸器，该呼吸器包括根据本公开的过滤器组件。
14.在另一方面，本公开提供了一种预过滤器组件，该预过滤器组件包括：
15.预过滤器框架，所述预过滤器框架具有入口开口和出口开口；和
16.由所述预过滤器框架保持的预过滤介质，所述预过滤介质包括非织造纤维幅材，所述非织造纤维幅材具有驻极体电荷并且包含：
17.热塑性芯-皮纤维，所述热塑性芯-皮纤维包括纤维芯，所述纤维芯具有设置在其上的包含聚(4-甲基戊烯)的皮层；和
18.静电充电添加剂，其中所述静电充电添加剂包含在所述纤维芯或所述皮层中的至少一者中。
19.有利的是，即使在油性气溶胶的存在下，根据本公开的过滤器组件(其可包括根据本公开的预过滤器组件)也可在长期使用中表现出持续的期望过滤器性能特性。
20.如本文所用：
21.术语“4-甲基戊烯”是指4-甲基-1-戊烯；
22.术语“聚(4-甲基-1-戊烯)”是指包含至少90重量％的4-甲基戊-1,2-二基)(即，)单体单元和任选地至多10重量％(例如，至多10重量％、至多9重量％、至多8重量％、至多7重量％、至多6重量％、至多5重量％、至多4重量％、至多3重量％、至多2重量％、至多1重量％)的至少亚烷基(例如，亚乙基、亚丙基、亚丁基、亚戊基、亚己基、亚异辛基)单体单元的聚合物；以及
23.术语“驻极体电荷”意指存在至少准永久性电荷，其中“准永久性”意指电荷在标准大气条件(22℃、101,300帕斯卡大气压力和50％相对湿度)下存在足够长的时间以显著可测量。电荷可通过如美国专利9,815,067(schultz等人)在第18栏第12-42行中所述的x射线放电测试来表征，该专利以引用方式并入本文。
24.在考虑具体实施方式以及所附权利要求书时，将进一步理解本公开的特征和优点。
附图说明
25.图1为根据本公开的示例性过滤器组件100的示意性剖视图。
26.图2为可用于实施本公开的示例性芯-皮纤维200的示意性剖视图。
27.图3为根据本公开的示例性预过滤器组件300的透视图。
28.图4为根据本公开的一个实施方案的示例性呼吸器40的示意性前视图。
29.图5为图4的面罩主体42的示意性剖视图。
30.在说明书和附图中重复使用的参考符号旨在表示本公开的相同或类似的特征结构或元件。应当理解，本领域的技术人员可设计出落入本公开原理的范围和实质内的许多其他修改形式和实施方案。附图可不按比例绘制。
具体实施方式
31.现在参见图1，过滤器组件100包括空气过滤介质110和预过滤介质120。过滤器组件100被构造成使得穿过预过滤介质120的空气130被引导通过空气过滤介质110。空气过滤介质110包括第一非织造纤维幅材112，该第一非织造纤维幅材具有第一驻极体电荷并且包含聚丙烯、聚酯、聚苯乙烯或聚乙烯中的至少一种。预过滤介质120包括第二非织造纤维幅材122，该第二非织造纤维幅材具有第二驻极体电荷并且包含聚(4-甲基戊烯)和静电充电添加剂。
32.第一非织造纤维幅材包含多根互连和/或缠结的纤维。一般来讲，纤维包含聚丙烯、聚酯、聚苯乙烯或聚乙烯中的至少一种。然而，如果需要，也可使用这些纤维与其他材料(例如，颗粒和/或纤维形式)的共混物。
33.第二非织造纤维幅材包含多根互连和/或缠结的纤维，所述纤维包含聚(4-甲基-1-戊烯)。在一些优选的实施方案中，纤维还包含除聚(4-甲基-1-戊烯)之外的热塑性组分。在此类实施方案中，纤维可包括如下文所述的芯-皮纤维。然而，如果需要，也可使用纤维与其他材料(例如，颗粒和/或纤维形式)的共混物。
34.包含所列出的纤维材料的纤维可与附加纤维组合以形成非织造纤维幅材。纤维可包含任何有机或无机材料。例如，纤维可包括陶瓷纤维、玻璃纤维、玻璃陶瓷纤维、天然纤维或合成纤维。
35.优选地，合成纤维包含至少一种热塑性聚合物。示例性热塑性聚合物包括苯乙烯嵌段共聚物(例如，sis、sebs、sbs)、热塑性聚烯烃、弹性体合金(例如，弹性体热塑性丙烯酸酯嵌段共聚物，诸如可以kurarity从日本冈山的可乐丽有限公司(kuraray company,ltd.,okayama,japan)商购获得的聚甲基丙烯酸甲酯-嵌段-聚(丙烯酸丁酯)-嵌段-聚甲基丙烯酸甲酯)、热塑性聚氨酯(tpu)、热塑性聚酯和共聚酯；聚氯乙烯；聚苯乙烯；聚碳酸酯；热塑性聚酯(例如，聚交酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯)；全氟化聚合物和共聚物、热塑性聚酰胺以及任何前述物质的共混物。
36.热塑性聚酯可包括例如聚乳酸和聚己内酯。可熔融加工(长丝成形)的聚乳酸聚合物材料(例如，l-d共聚物)可例如以商品名ingeo6100d、6202d和6260d从美国明尼苏达州明尼唐卡的natureworks公司(natureworks llc,minnetonka,minnesota)商购获得。可熔融加工的聚乳酸聚合物材料(例如，d-乳酸均聚物)可例如以商品名synterra pdla 1010购自荷兰的synbra technologies公司(synbra technologies,the netherlands)。许多其他可能合适的聚乳酸材料也是可用的。
37.示例性热塑性聚氨酯(tpu)包括聚酯基tpu和聚醚基tpu。一种示例性聚酯基热塑性聚氨酯可以irogran(ps 440-200型)得自美国德克萨斯州伍德兰的亨斯迈公司(the huntsman corporation,the woodlands,texas)。示例性聚醚tpu树脂包括以商品名estane从美国俄亥俄州克利夫兰的古德里奇公司(b.f.goodrich company,cleveland,ohio)商购获得的那些。
38.示例性热塑性聚烯烃包括丙烯、乙烯、1-丁烯、1-己烯、1-辛烯、1-癸烯、4-甲基-1-戊烯和1-十八烯的均聚物和共聚物。其中，乙烯和/或丙烯的均聚物和共聚物是优选的，其中乙烯通常是优选的。代表性示例包括聚乙烯(例如hdpe、ldpe、lldpe、vldpe；uldpe、uhmw-pe等级)、聚丙烯、聚(1-丁烯)、聚(3-甲基丁烯)、聚(4-甲基-1-戊烯)以及本文所述的烯烃单体的共聚物。
39.合适的热塑性树脂的示例包括例如聚丙烯树脂：escorene pp3746g，可从美国德克萨斯州欧文市的埃克森美孚公司(exxon-mobil corporation,irving,tx)商购获得；total pp3960、total pp3860和total pp3868，可从美国德克萨斯州休斯敦的美国道达尔石化公司(total petrochemicals usa inc.,houston,tx)商购获得；以及metocene mf 650w，可从荷兰鹿特丹的利安德巴塞尔工业公司(lyondellbasell industries,inc.,rotterdam,netherlands)商购获得；以及聚-4-甲基-1-戊烯树脂tpx-mx002，可从日本东京的三井化学株式会社(mitsui chemicals,inc.,tokyo,japan)商购获得。
40.除非另外指明，否则本公开中使用的非织造纤维幅材可具有任何基重、厚度、孔隙度和/或密度。本公开中使用的非织造纤维幅材可具有任何基重和厚度，例如1g/m2(gsm)至400gsm、1gsm至200gsm、10gsm至200gsm、50gsm至约200gsm或甚至100gsm至约200gsm。在一些实施方案中，非织造纤维幅材是膨松有弹性的开孔式非织造纤维幅材。
41.非织造纤维幅材可例如通过常规的气流成网、梳理成网、缝编、纺粘、湿法成网、熔纺和/或熔喷工序制备，优选地通过熔喷、熔纺和/或纺粘工序制备。
42.纺粘非织造纤维幅材可根据熟知的常规方法形成，其中熔纺纤维沉积在移动带上，其中它们形成具有纤维间粘结的非织造连续纤维幅材。熔喷非织造纤维幅材通过类似的方法制备，不同的是高速气体冲击在挤出的纤维上，从而在将纤维收集在转鼓上之前将纤维拉伸并减薄。熔喷纤维幅材同样具有纤维间粘结，但该幅材通常不具有对应的纺粘纤维幅材的内聚强度。
43.熔喷方法是本领域中熟知的。如本文所用，术语“熔喷”是指其中通过将熔融热塑性材料通过多个通常为圆形的精细模具毛细管挤出到高速气体(例如，空气)流中来形成纤维的工艺，所述高速气体流使熔融热塑性材料变细并形成纤维，所述纤维可为微纤维直径，诸如直径小于10微米。此后，熔喷纤维由气体流运送并沉积在收集表面上，以形成无规熔喷纤维的幅材。此类工艺在例如美国专利3,849,241(butin等人)、4,307,143(meitner等人)、和4,707,398(wisneski等人)中有所公开。任选地，熔喷工艺还可包括向多根离散、不连续、多组分纤维中添加多根短纤维或者添加多个颗粒中的至少一者，以形成复合非织造纤维幅材。
44.在一些实施方案中，非织造幅材可通过纤维(例如，芯-皮纤维和任选的二次纤维)的气流成网来制备。可使用诸如以商品名rando webber购自美国纽约州马其顿的兰多机械公司(rando machine company,macedon,new york)的设备制备气流成网非织造纤维幅材。在一些实施方案中，可使用一类名为重力成网法的气流成网法，例如在授予lalouch的美国专利申请公布2011/0247839中所述，该专利申请公布以引用方式并入本文。
45.例如，可通过诸如交叉铺网、缝编、针缝、水刺、化学粘结和/或热粘结之类的技术使非织造纤维幅材致密和强化。
46.第一非织造纤维幅材和第二非织造纤维幅材包含至少一种电荷加强添加剂，所述
电荷加强添加剂可为相同的或不同的。许多用于制备含驻极体的纤维幅材的电荷加强添加剂是本领域中已知的。示例性静电荷加强添加剂可包括颜料、光稳定剂、主要抗氧化剂和次要抗氧化剂、金属钝化剂、受阻胺、受阻酚、金属盐、亚磷酸三酯、磷酸盐、含氟化合物以及它们的组合。
47.示例性电荷加强添加剂包括热稳定有机三嗪化合物或低聚物，除了位于三嗪环上的那些氮原子之外，所述化合物或低聚物还包含至少一个氮原子，参见例如均授予rousseau等人的美国专利6,268,495、5,976,208、5,968,635、5,919,847和5,908,598。
48.已知用于增强驻极体的另一种电荷加强添加剂是“chimassorb944”：(聚[[6-(1,1,3,3-四甲基丁基)氨基]-s-三嗪-2,4-二基][[(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]六亚甲基[(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]])，可购自德国路德维希港的巴斯夫公司(basf,ludwigshafen,germany)。
[0049]
电荷加强添加剂可为n-取代的氨基芳族化合物，具体地三氨基取代的化合物，诸如2,4,6-三苯胺基-对-(碳-2
’‑
乙基己基-1
’‑
氧)-1,3,5-三嗪，可以商品名uvinul t-150购自德国路德维希港的巴斯夫公司。另一种电荷添加剂为2,4,6-三-(十八烷基氨基)-三嗪，其也被称为三硬酯基三聚氰胺(“tsm”)。
[0050]
电荷加强添加剂的其他示例在美国公布专利申请2011/0137082(li等人)、美国专利8613795(li等人)、7,390,351(leir等人)、美国专利5,057,710(nishiura等人)、以及均授予susumu等人的美国专利4,652,282和4,789,504)以及美国专利8,790,449b2(li等人)中提供。
[0051]
在一些实施方案中，静电充电添加剂选自颜料、光稳定剂、主要抗氧化剂和次要抗氧化剂、金属钝化剂、受阻胺、受阻酚、金属盐、亚磷酸三酯、磷酸盐、含氟化合物以及它们的组合物。
[0052]
优选地，在挤出以形成热塑性纤维之前，任何电荷加强添加剂包含在熔融热塑性塑料中，但这不是必需的。
[0053]
包含在本公开的非织造纤维幅材中的纤维(也包括芯-皮纤维)可以在它们形成时被充电，或者在它们形成后被充电。对于驻极体过滤介质(例如，非织造纤维幅材)，介质通常在形成纤维幅材之后被充电。
[0054]
通常可以使用本领域已知的任何标准充电方法。例如，可通过多种方式进行充电，包括摩擦充电和电晕放电。还可以使用这些方法的组合。如上所述，在一些实施方案中，本公开的驻极体料片需要具有这样的特点，即能够单独通过电晕放电进行充电，特别是直流电晕放电，无需另外的充电方法。合适的电晕放电工艺的示例在美国专利公布号30,782(van turnhout)、美国专利公布号31,285(van turnhout)、美国专利公布号32,171(van turnhout)、美国专利4,215,682(davis等人)、美国专利4,375,718(wadsworth等人)、美国专利5,401,446(wadsworth等人)、美国专利4,588,537(klaase等人)、美国专利4,592,815(nakao)、美国专利6,365,088(knight等人)、英国专利384,052(hansen)、美国专利5,643,525(mcginty等人)、日本专利4,141,679b2(kawabe等人)中有所描述。另外的方法由m.paajanen等人在《物理学杂志d辑：应用物理》(2001年)，第34卷，第2482-2488页(journal of physics d:applied physics(2001),vol.34,pp.2482-2488)以及由g.m.sessler和j.e.west在《静电学杂志》(1975年)，第1卷，第111-123页(journal of electrostatics
(1975),1,pp.111-123)中进行了论述。
[0055]
可用于对驻极体幅材充电的另一种技术是水充电。幅材的水充电通过使纤维与水以足以赋予纤维电荷的方式接触，随后干燥幅材来进行。水充电的一个示例涉及用水射流或水滴流，以足以为幅材提供提高过滤性的驻极体电荷的压力冲击幅材，并且然后干燥幅材。达到最佳结果的必需压力根据以下因素而变化：使用的喷雾器的类型、形成织物的聚合物类型、加入到聚合物的添加剂的类型和浓度、幅材的厚度和密度以及是否在水充电之前进行预处理，例如电晕表面处理。一般来讲，水压力在约10psi至500psi(69kpa至3450kpa)范围内为合适的。水射流或水滴流可以由任何合适的喷雾装置提供。可用的喷雾装置的一个示例是用于水力缠结纤维的设备。合适的水充电方法的示例在美国专利5,496,507(angadjivand等人)中有所描述。其他方法在美国专利6,824,718(eitzman等人)、美国专利6,743,464(insley等人)、美国专利6,454,986(eitzman等人)、美国专利6,406,657(eitzman等人)和美国专利6,375,886(angadjivand等人)中有所描述。幅材的水充电也可使用美国专利7,765,698(sebastian等人)中公开的方法进行。
[0056]
芯-皮纤维和/或包含芯-皮纤维的非织造纤维幅材可在其形成时被充电，或者在其形成之后被充电。对于驻极体过滤介质(例如，非织造纤维幅材)，介质通常在形成纤维幅材之后被充电。
[0057]
在优选的实施方案中，(即，预过滤介质的)第二非织造纤维幅材包含具有纤维芯和皮层的芯-皮纤维。
[0058]
现在参见图2，示例性芯-皮纤维200包括其上设置有包含聚(4-甲基戊烯)的皮层220的纤维芯210。静电充电添加剂包含在纤维芯210或皮层220中的至少一者中。虽然未示出，但是皮层220沿着纤维长度(排除纤维末端)共延。皮层220包含聚(4-甲基戊烯)。虽然图2所示的芯-皮纤维和纤维芯具有圆形横截面，但也可使用其他横截面，诸如三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形、星形、椭圆形、三叶形和四叶形。同样，尽管图2示出了居中定位的纤维芯，但其也可偏心定位。在一些实施方案中，可存在多个纤维芯(例如，2、3、4、5、6、7或8个纤维芯)。
[0059]
纤维芯可包含任何有机或无机材料。例如，纤维芯可包含陶瓷纤维、玻璃纤维、玻璃陶瓷纤维、天然纤维或合成纤维。
[0060]
优选地，纤维芯包含至少一种如上文所公开的热塑性聚合物。在一些实施方案中，纤维芯包含能够保持大量捕获的静电荷的热塑性聚合物。可用于本公开的热塑性聚合物能够在形成为幅材并充电时保持大量捕获的静电荷。通常，此类树脂在预期用途温度下的dc(直流电)电阻率大于10
14
ω-cm。能够获得捕获电荷的聚合物包括聚烯烃，诸如聚丙烯、聚乙烯(例如，hdpe、ldpe、lldpe、vldpe；uldpe、uhmw-pe等级)和聚-4-甲基-1-戊烯(例如，可从日本东京的三井化学株式会社(mitsui chemicals,inc.,tokyo,japan)商购获得的聚-4-甲基-1-戊烯树脂tpx-dx820、tpx-dx470、tpx-mx002)；聚氯乙烯；聚苯乙烯；聚碳酸酯；聚酯，包括聚交酯；以及全氟聚合物和共聚物。特别可用的材料包括聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、它们的共混物或由丙烯和4-甲基-1-戊烯中的至少一者形成的共聚物。
[0061]
合适的热塑性塑料的示例包括例如以下聚丙烯：escorene pp3746g，可从美国德克萨斯州欧文的埃克森美孚公司(exxon-mobil corporation,irving,texas)商购获得；total pp3960、total pp3860和total pp3868，可从美国德克萨斯州休斯敦的美国道达尔
石化公司(total petrochemicals usa inc.,houston,texas)商购获得；metocene mf 650w，可从荷兰鹿特丹的利安德巴塞尔工业公司商购获得；以及聚-4-甲基-1-戊烯树脂tpx-mx002，可从日本东京的三井化学株式会社(mitsui chemicals,inc.,tokyo,japan)商购获得。
[0062]
纤维芯还可包含一种或多种常规助剂，诸如抗氧化剂、光稳定剂、增塑剂、酸中和剂、填料、抗微生物剂、表面活性剂、抗粘连剂、颜料、底漆、分散剂和其他粘合增进剂。掺入美国专利7,879,746(klun等人)中所述的抗微生物剂和增强剂对于医疗应用而言可能是特别有益的，该专利以引用方式并入本文。掺入美国专利申请公布2012/0077886(scholz等人)中所述的表面活性剂对于某些应用而言可能是特别有益的，该专利申请公布以引用方式并入本文。
[0063]
纤维芯可具有任何平均直径，但优选地在1微米至100微米、更优选地5微米至50微米并且甚至更优选地10微米至25微米的范围内。
[0064]
皮层包含聚(4-甲基-1-戊烯)。它与纤维芯的外表面形成共延的皮层，不包括纤维芯的通常未涂覆有皮层的末端。虽然不是必需的，但是皮层优选地为基本上均匀且完整的。皮层可具有任何厚度，但平均厚度优选地为1微米至8微米，更优选地为1微米至5微米。在一些优选的实施方案中，皮层占热塑性芯-皮纤维的1重量％至40重量％；然而，也可以使用其他量。
[0065]
纤维芯和皮层中的至少一者可包含静电荷加强添加剂。上文列出了示例性电荷加强添加剂。
[0066]
此外，可对纤维和/或非织造纤维幅材进行处理以对它们的表面进行化学改性。
[0067]
可添加任何合适量的电荷加强添加剂。本公开的电荷加强添加剂即使添加相对少的量也可为有效的。通常，基于热塑性树脂和电荷加强添加剂的共混物的总重量，电荷加强添加剂以至多约10％、更典型地在0.02重量％至5重量％的范围内的量存在于该共混物中。在一些实施方案中，电荷加强添加剂以0.1重量％至3重量％、0.1重量％至2重量％、0.2重量％至1.0重量％或0.25重量％至0.5重量％范围内的量存在。
[0068]
热塑性聚合物和电荷加强添加剂的共混物可通过熟知的方法制备。通常，使用熔融挤出技术对共混物进行加工，因此可应用间歇工艺将该共混物预混成粒料，或者可应用连续工艺在挤出机中混合热塑性树脂和电荷加强添加剂。在采用连续工艺时，热塑性树脂和电荷加强添加剂可以固体的形式进行预混合，或分别添加至挤出机并让它们在熔化的状态混合。
[0069]
可用于形成预共混粒料的熔融混合器的示例包括提供分散混合功能、分布混合功能或分散混合与分布混合组合功能的熔融混合器。间歇式方法的示例包括使用brabender(例如可从新泽西州南哈肯萨克c.w.布拉本德仪器公司(c.w.brabender instruments,inc.；south hackensack,nj)商购获得的brabender prep center)brabender instruments,inc.；或banbury内部混合和辊磨设备(例如，可得自美国康涅狄格州安索尼亚的法雷尔公司(farrel co.；ansonia,connecticut)的设备)的那些。间歇式混合后，可立即将所生成的混合物骤冷并将其保存于混合物熔融温度以下的温度以备后续加工。
[0070]
连续方法的示例包括单螺杆挤出、双螺杆挤出、圆盘挤出、往复式单螺杆挤出和销钉机筒单螺杆挤出。连续方法可包括使用分配元件如腔体转移混合器(例如，ctm，可从英国
什鲁斯伯里的rapra科技有限公司(rapra technology,ltd.；shrewsbury,england)商购获得)。以及销钉混合元件、静态混合元件或分散混合元件(可商购获得的例如maddock混合元件或saxton混合元件)。
[0071]
可用于挤压通过间歇工艺制备的预共混粒料的挤出机的示例包括与上述连续工艺中所描述的设备类型相同的设备。可用的挤出条件通常是适于挤出不含添加剂的树脂的那些条件。
[0072]
用于实施本公开的纤维(包括芯-皮纤维)可具有任何平均纤维直径，并且可为连续纤维、无规纤维和/或短纤维。例如，在一些实施方案中，纤维(即，单独的纤维)的平均纤维直径可为大于或等于11微米(例如，大于或等于12微米、大于或等于15微米、大于或等于20微米)、至多25微米、至多26微米、至多27微米、至多28微米、至多29微米、至多30微米、至多35微米、至多40微米或甚至至多50微米。在一些优选的实施方案中，纤维的平均直径优选地为10微米-50微米，更优选地为15微米-40微米，更优选地为20微米至30微米，或甚至20微米至25微米。
[0073]
用于制备芯-皮纤维的方法是熟知的，并且不需要在此详细描述。为了形成芯-皮纤维，一般来讲，将至少两种聚合物单独挤出，并且馈送到聚合物分配系统中，其中将所述聚合物引入分段式喷丝板中。所述聚合物沿循通向纤维喷丝头的单独路径，并且在包括例如至少两个同心圆孔的喷丝孔中混合，从而提供芯-皮型纤维。还可以想到其他构型。然后通常通过机械辊系统将混合聚合物长丝冷却、固化并拉伸至中间长丝直径并收集。随后，长丝可在低于其软化温度的温度下被“冷拉伸”至期望的成品纤维直径，并且卷曲或纹理化，并且切割成期望的纤维长度。芯-皮纤维可被切割成相对短的长度，诸如长度通常在约25毫米至约50毫米范围内的短纤维以及甚至更短并且长度通常小于约18毫米的短切纤维。参见例如美国专利4,789,592(taniguchi等人)和5,336,552(strack等人)。
[0074]
本文所述的纤维(长丝)通常可使用本领域已知的用于制备长丝的技术来制备。此类技术包括湿纺丝、干纺丝、熔体纺丝、熔喷或凝胶纺丝。
[0075]
对于形成芯-皮型长丝特别有利的是熔体纺丝。在熔体纺丝中，将聚合物加热、通过喷丝头，并且纤维在冷却时固化。例如，可进行熔体纺丝法以收集多组分长丝。如本文所用的术语“熔纺”是指如下所形成的长丝：从一组孔挤出熔融长丝并使长丝冷却和(至少部分地)固化以形成长丝，其中长丝穿过空气空间(可包含流动空气流)以帮助冷却和固化长丝，然后使由此形成的纤维穿过细化(即，拉伸)单元以拉伸纤维。
[0076]
熔纺与熔喷的区别可在于，熔喷涉及将熔融长丝挤出到通过吹气孔而引入的会聚高速空气流中，这些吹气孔靠近挤出孔定位。熔体纺丝与静电纺丝的区别还可在于，静电纺丝可被描述为从需要的溶剂溶液中挤出。喷丝头的改进得到多组分(例如，芯-皮)纤维(参见例如美国专利4,406,850(hills)、5,458,972(hagen)、5,411,693(wust)、5,618,479(lijten)和5,989,004(cook))。根据本公开的长丝还可通过膜的原纤化制备，这可提供具有矩形横截面的长丝。
[0077]
如上所述的芯-皮纤维可用于制造预过滤器组件。现在参见图3，示例性预过滤器组件300包括预过滤器框架310和预过滤介质340。预过滤器框架310具有入口开口320和出口开口(未示出，但与入口开口320对称地相对)。预过滤介质340由预过滤器框架310保持。预过滤介质340包括非织造纤维幅材，该非织造纤维幅材具有驻极体电荷并且包含芯-皮纤
维200。
[0078]
根据本公开的示例性过滤器组件的应用包括例如hvac过滤和呼吸器。
[0079]
如本文所用，术语“呼吸器”意指佩戴在人的呼吸通道上方以防止污染物进入佩戴者的呼吸道并且/或者保护其他人或物在呼吸期间不暴露于由佩戴者排出的病原体或其他污染物的系统或装置，包括但不限于过滤面罩。
[0080]
现在参见图4和图5，示例性呼吸器40包括面罩主体42，该面罩主体可具有弯曲的半球形状或者可根据需要呈现其他形状(例如，参见美国专利5,307,796(kronzer等人)和4,827,924(japuntich))。在面罩40中，根据本公开的过滤器组件100(参见图1)被夹在覆盖幅材43与内部成形层45之间。成形层45为面罩主体42提供结构并支承过滤介质200。
[0081]
成形层45可位于过滤器组件100的任一侧上，并且可例如由模制为杯形构型的热粘结纤维的非织造幅材制成。成形层可根据已知的工序模制而成(例如，参见美国专利5,307,796(kronzer等人)，该专利的公开内容以引用方式并入本文)。一个或多个成形层通常由双组分纤维制成，所述双组分纤维具有由较低熔点材料的皮围绕的高熔点材料诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯的芯，使得当在模具中加热时，成形层适形于模具的形状并且在冷却至室温时保持该形状。当与另一层(诸如过滤层)压在一起时，低熔点皮材料也可用于将这些层粘结在一起。
[0082]
为了将面罩40紧密地保持在佩戴者的面部上，面罩主体42可具有附接到其上的带52、系带、面罩带具等。可在面罩主体42上提供诸如铝的金属的柔韧软带54，以允许其成形为使面罩40在佩戴者的鼻部上保持期望的贴合关系(例如，参见美国专利5,558,089(castiglione等人))。根据本公开的呼吸器还可包括附加层、阀(例如，参见美国专利5,509,436(japuntich等人))、模制面具等。可结合根据本公开的驻极体过滤介质的呼吸器的示例包括美国专利4,536,440(berg)、4,827,924(japuntich)、5,325,892(japuntich等人)、4,807,619(dyrud等人)、4,886,058(brostrom等人)和re35,062(brostrom等人)中所述的那些。
[0083]
本公开的选择实施方案
[0084]
在第一实施方案中，本公开提供了一种过滤器组件，所述过滤器组件包括：
[0085]
空气过滤介质，所述空气过滤介质包括具有第一驻极体电荷的第一非织造纤维幅材；和
[0086]
预过滤介质，所述预过滤介质包括第二非织造纤维幅材，所述第二非织造纤维幅材具有第二驻极体电荷并且包含聚(4-甲基戊烯)和静电充电添加剂，
[0087]
其中所述过滤器组件被构造成使得穿过所述预过滤介质的空气被引导通过所述空气过滤介质。
[0088]
在第二实施方案中，本公开提供了一种根据第一实施方案所述的过滤器组件，其中所述第二非织造纤维幅材包含芯-皮纤维，所述芯-皮纤维包括：
[0089]
纤维芯，所述纤维芯具有设置于其上的聚(4-甲基戊烯)皮层；和
[0090]
所述静电充电添加剂，其中所述静电充电添加剂包含在所述纤维芯或所述皮层中的至少一者中。
[0091]
在第三实施方案中，本公开提供了一种根据第一实施方案或第二实施方案所述的过滤器组件，其中所述静电充电添加剂存在于所述纤维芯中。
[0092]
在第四实施方案中，本公开提供了一种根据第一实施方案至第三实施方案中任一项所述的过滤器组件，其中所述静电充电添加剂存在于所述皮层中。
[0093]
在第五实施方案中，本公开提供了一种根据第一实施方案至第三实施方案中任一项所述的过滤器组件，其中所述静电充电添加剂存在于所述纤维芯和所述皮层两者中。
[0094]
在第六实施方案中，本公开提供了一种根据第二实施方案至第五实施方案中任一项所述的过滤器组件，其中所述纤维芯包含聚丙烯、聚酯、聚苯乙烯或聚乙烯。
[0095]
在第七实施方案中，本公开提供了一种根据第二实施方案至第六实施方案中任一项所述的过滤器组件，其中所述皮层占所述热塑性芯-皮纤维的1重量％至40重量％。
[0096]
在第八实施方案中，本公开提供了一种根据第一实施方案至第七实施方案中任一项所述的过滤器组件，其中所述静电充电添加剂选自颜料、光稳定剂、主要抗氧化剂和次要抗氧化剂、金属钝化剂、受阻胺、受阻酚、金属盐、亚磷酸三酯、磷酸盐、含氟化合物以及它们的组合物。
[0097]
在第九实施方案中，本公开提供了一种根据第一实施方案至第八实施方案中任一项所述的过滤器组件，其中所述第一非织造纤维幅材包含聚丙烯、聚酯、聚苯乙烯(聚乳酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚己内酯)、聚(4-甲基-1-戊烯)或聚乙烯中的至少一种。
[0098]
在第十实施方案中，本公开提供了一种呼吸器，所述呼吸器包括根据第一实施方案至第九实施方案中任一项所述的过滤器组件。
[0099]
在第十一实施方案中，本公开提供了一种预过滤器组件，所述预过滤器组件包括：
[0100]
预过滤器框架，所述预过滤器框架具有入口开口和出口开口；和
[0101]
由所述预过滤器框架保持的预过滤介质，所述预过滤介质包括非织造纤维幅材，所述非织造纤维幅材具有驻极体电荷并且包含：
[0102]
热塑性芯-皮纤维，所述热塑性芯-皮纤维包括纤维芯，所述纤维芯具有设置在其上的包含聚(4-甲基戊烯)的皮层；和
[0103]
静电充电添加剂，其中所述静电充电添加剂包含在所述纤维芯或所述皮层中的至少一者中。
[0104]
在第十二实施方案中，本公开提供了一种根据第十一实施方案所述的预过滤器组件，其中所述纤维芯包含聚丙烯、聚酯、聚苯乙烯或聚乙烯。
[0105]
在第十三实施方案中，本公开提供了一种根据第十一实施方案或第十二实施方案所述的预过滤器组件，其中所述静电充电添加剂选自颜料、光稳定剂、主要抗氧化剂和次要抗氧化剂、金属钝化剂、受阻胺、受阻酚、金属盐、亚磷酸三酯、磷酸盐、含氟化合物以及它们的组合物。
[0106]
在第十四实施方案中，本公开提供了一种根据第十一实施方案至第十三实施方案中任一项所述的预过滤器组件，其中所述皮层占所述热塑性芯-皮纤维的1重量％至40重量％。
[0107]
在第十五实施方案中，本公开提供了一种根据第十一实施方案至第十四实施方案中任一项所述的预过滤器组件，其中所述纤维芯具有驻极体电荷。
[0108]
通过以下非限制性实施例，进一步示出了本公开的目的和优点，但在这些实施例中引用的具体材料及其量以及其他条件和细节不应视为对本公开的不当限制。
[0109]
实施例
[0110]
除非另有说明，否则实施例及本说明书其余部分中的所有份数、百分比、比等均以重量计。在这些实施例中，“ce
‑”
表示比较例，“e
‑”
表示实施例。另外，“efd”是指有效纤维直径。
[0111]
表1
[0112][0113]
表2
[0114]
[0115][0116]
纤维和非织造纤维幅材样品制备
[0117]
步骤a
–
形成非织造纤维幅材：
[0118]
通过首先将配混的充电添加剂与热塑性树脂等级之一干混，然后挤出纤维以形成bmf或纺粘幅材来形成非织造纤维幅材。就皮/芯型样品而言，在一些情况下，皮和芯可各自包含一种添加剂、添加剂的共混物，或不包含添加剂。
[0119]
步骤b
–
制备驻极体：
[0120]
将在上述步骤a中制备的非织造纤维幅材通过以下三种驻极体充电方法中的一种方法进行充电：电晕充电、电晕预处理和水充电，或通过水充电进行充电。所述方法分别被命名为充电方法c和h。
[0121]
充电方法c
–
电晕充电：
[0122]
通过直流电晕放电对在步骤a(上文)中制备的非织造纤维幅材进行充电。通过在接地表面上以约3厘米/秒的速率将幅材传送通过电晕线源下方而完成电晕充电，其中电晕线源在每厘米的放电源长度上具有约0.01毫安的电晕电流。该电晕源在运载料片的接地表面上方约3.5厘米。该电晕源由正直流电压驱动。
[0123]
充电方法h
–
水充电：
[0124]
从喷嘴不断产生电导率小于5微西门子/厘米的高纯水的细小喷雾，工作压力为896千帕(130psig)，流速为约1.4升/分钟。通过多孔传送带以约10厘米/秒的速度将步骤a(上文)中制备的非织造纤维幅材传送穿过水喷雾，与此同时真空驱使水从下方穿过该幅材。将每个熔喷料片两次运送穿过水充电器(依次地每侧穿过一次)，然后使其彻底干燥过夜后再进行过滤器测试。
[0125]
过滤性能测试方法、非织造熔喷微纤维幅材
[0126]
初始过滤性能：
[0127]
测试样品的气溶胶穿透率％(％pen)和压降(δp)，并由这两个值计算品质因数(qf)。使用8130型自动过滤器测试仪aft(automated filter tester aft model 8130)(购自美国明尼苏达州圣保罗的tsi公司(tsi,inc.,st.paul,mn))评估非织造微纤维幅材的过滤性能(％pen和qf)，该自动过滤器测试仪使用邻苯二甲酸二辛酯(dop)作为测试用气溶胶并且使用压力换能器测量过滤器上的压降(δp(mm/h2o))。dop气溶胶是标称的单分散性0.33微米质量中值(mmd)直径，具有上游浓度50-200mg/m3和目标浓度100mg/m3。迫使气溶胶以85升/分钟的校准流速(13.8cm/s的面速度)通过过滤介质样品。关闭气溶胶离子发生器以进行这些测试。总测试时间为23秒(上升时间为15秒，试样时间为4秒，吹扫时间为4秒)。使用校准的光度计通过在过滤介质上游和下游进行光散射来测定dop气溶胶浓度。将dop
的％pen定义为：％pen＝100
×
(dop下游浓度/dop上游浓度)。对于每种材料，在熔喷料片上的不同位置进行6次单独的测定，并将测定结果进行平均。
[0128]
使用％pen和δp由下列公式计算qf：
[0129]
qf＝-ln(％pen/100)/δp
[0130]
其中ln代表自然对数。如此制备的样品的qf被称为q0。另外的测试是在72℃处测量qf之前将六个样品热老化3天。这六个qf的平均值表示为q3。
[0131]
负载测试
[0132]
dop负载是过滤介质对因暴露于油雾气溶胶而导致的降解的抗性的直接量度。在样品长时间暴露于指定条件下的dop气溶胶期间，监测样品的穿透率和样品上的压降。使用标准设备和测试工序测量过滤器性能。
[0133]
使用设置有油气溶胶发生器的8130型自动过滤器测试仪(aft)进行测量。通过aft仪器自动计算dop穿透率％，其中通过光散射测量上游和下游的浓度。除非另外指明，否则测量均在气溶胶中和器关闭并且通过样品的流速为85升/分钟(l/min)的情况下进行。
[0134]
以如下方式测试样品。切割样品并将其安装在样品夹持器中，使得样品的11.45cm(4.5英寸)直径部分暴露于气溶胶。面速度为13.8厘米/秒(cm/s)。继续每个测试，直到样品上的暴露为暴露于100mg或200mg dop，这取决于具体的测试。dop穿透率％和对应的压降数据由aft确定并传输到存储数据的附接计算机。
[0135]
qf也可使用初始dop穿透率和负载100mg和200mg后的dop穿透率由负载曲线进行计算。这些值分别称为q0'、q100和q200。
[0136]
有效纤维直径(efd)和密实度的测定：
[0137]
有效纤维直径和密实度根据davies,c.n.，气载粉尘和颗粒的分离，机械工程师学会，《伦敦论文集ib》(1952年)(davies,c.n.,the separation of airborne dust and particulates,institution of mechanical engineers,london proceedings,ib(1952))中所述的方法进行测定。
[0138]
幅材w1-w9的制备
[0139]
用皮、芯以及它们的组合中的静电充电添加剂制备皮-芯纤维。通过初始品质因数q0和老化后品质因数q3测量初始性能。幅材特性、组成、充电方法和过滤性能列于表3(下文)中，其中所有幅材均为纺粘幅材。
[0140]
表3
[0141][0142]
幅材w10-w16的制备
[0143]
这些实施例报告了pp幅材和pmp幅材的油负载结果。报告的值为0mg、100mg和200mg dop暴露下的穿透率百分比。还通过报告100mg下的chg％和200mg下的chg％来测量电荷劣化的速度，其中这些值报告为：
[0144]
％chg@100＝(％pen
100mg
─
％pen
0mg
)/％pen
100mg
×
100
[0145]
％chg@200＝(％pen
200mg
─
％pen
0mg
)/％pen
100mg
×
200
[0146]
双层构造的幅材特性、组成和油负载结果报告于表4和表5中。结果显示pmp幅材作为预过滤器的实用性。
[0147]
表4
[0148][0149][0150]
表5
[0151]
幅材充电方法δp，mm/h2o％pen0％pen100％pen200％chg@100％chg@200w10c4.921.847.470.8117.4224.8w11h5.05.122.040.4333.1695.3w12h4.43.920.741.6433.5972.2w13c5.322.428.534.327.253.1w14c4.925.332.138.226.951.0w15c4.723.931.439.931.466.9w16c7.527.133.04321.858.7
[0152]
比较例ce-1和ce-2以及实施例e-1和e-2
[0153]
在这些实施例中，多层负载对油穿透的影响表明，高表面积的带电pmp幅材可具有降低的气溶胶穿透率。数据以及非pmp比较报告于表6(下文)中。
[0154]
表6
[0155][0156][0157]
幅材w17-w27的制备
[0158]
在这些实施例中，q0、q100和q200值由不具有充电添加剂的幅材的油负载值计算。所有构造均为具有pmp皮的皮-芯构造。幅材特性列于表7中，并且结果列于表8中。
[0159]
表7
[0160][0161][0162]
表8
[0163]
幅材δp，mm/h2o％pen0％pen100％pen200q0'q100q200w172.568.871.1 0.150.14 w185.634.343.954.80.190.150.11w195.643.853.969.00.150.110.07w206.043.157.872.20.140.090.05w212.653.059.3 0.240.20 w225.025.832.143.40.270.230.17w235.127.840.151.30.250.180.13w245.927.537.853.50.220.160.11w252.451.761.2 0.270.20 w261.557.364.9 0.370.29 w260.860.170.1 0.640.44 w270.769.074.7 0.530.42 [0164]
幅材w28和w29的制备，比较例ce-3至ce-6
[0165]
以及实施例e-3至e-8
[0166]
在这些实施例中，使用所选非织造纤维幅材作为驻极体-pp幅材的预过滤器。用作预过滤器的大多数幅材已在上文中有所描述。对于未在上文描述的预过滤器幅材，信息在
下表9中给出。关于层合构造的信息和结果在表10中给出。
[0167]
表9
[0168][0169][0170]
表10
[0171][0172]
表11
[0173]
实施例δp，mm/h2o％pen0％pen100％pen200ce-37.70.2114.744.3ce-417.10.00.203.37ce-510.00.105.2727.7ce-65.05.0822.040.4e-310.20.092.308.5e-412.90.08.641.2e-59.40.328.7128.0e-68.20.3410.432.3e-710.30.293.037.78e-84.912.922.726.7
[0174]
比较例ce-7和实施例9
[0175]
表12(下文)包括了过滤器构造ce-15和e-29的油负载至1,000mg dop的结果。
[0176]
表12
[0177]
实施例初级过滤器预过滤器δp，mm/h2o％pen@0mg％pen@1000mgce-7ce-34层w1117.50.00350.2e-9ce-34层w213.20.03328.3
[0178]
本技术中以引用方式并入的所有引用的参考文献、专利和专利申请以一致的方式并入。在并入的参考文献部分与本技术之间存在不一致或矛盾的情况下，应以本技术中的信息为准。为了使本领域的普通技术人员能够实践受权利要求书保护的本公开而给出的前述说明不应理解为是对本公开范围的限制，本公开的范围由权利要求书及其所有等同形式限定。