DE60307870T2

DE60307870T2 - Geformtes filterelement, welches thermisch gebundene stapelfasern und elektrisch geladene mikrofasern enthält

Info

Publication number: DE60307870T2
Application number: DE2003607870
Authority: DE
Inventors: James E. Saint Paul SPRINGETT; Seyed A. Saint Paul ANGADJIVAND
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: TW200401659A; BR0312829B1; WO2004011123A2; CN1954993A; TWI270403B; MXPA05000745A; EP1551528A2; CN1671457A; CN1302832C; WO2004011123A3; JP4902960B2; CN1954993B; KR20050025653A; JP2005533644A; US6827764B2; EP1551528B1; BR0312829A; US20040016345A1; AU2003281777A1; AU2003281777B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein geformtes Filterelement, welches thermisch gebundene Stapelfasern und nicht thermisch gebundene, elektrisch geladene Mikrofasern aufweist. Filterelemente dieser Erfindung können in Gesichtsmasken verwendet werden, welche den Träger und andere vor Verunreinigungen schützen.
Filterelemente, bei welchen Mikrofasern verwendet werden, um luftübertragene Partikel einzufangen, sind seit vielen Jahren bekannt und in Verwendung. Die Filterelemente, welche Mikrofasern enthalten, werden allgemein in Atemgeräten verwendet, um einem Träger saubere, gefilterte Luft zuzuführen – siehe zum Beispiel US-Patentschrift 5,656,368 an Braun et al., US-Patentschrift 5,307,796 an Kronzer et al. und US-Patentschrift 4,729,371 an Krueger et al. Eine elektrische Ladung wird typischerweise den Mikrofasern gegeben, um ihre Einfangeffizienz zu verbessern. 1980 haben Kubik et al. ein Verfahren zur Einführung einer anhaltenden elektrischen Ladung in schmelzgeblasene Mikrofasern während der Faserbildung beschrieben (siehe US-Patentschrift 4,215,682). Nach der Entwicklung von Kubik et al. wurden andere, Ladetechniken zur Herstellung von Elektretmikrofasern entwickelt – siehe zum Beispiel US-Patentschrift 4,588,537 an Klaase et al., 5,227,172 an Deeds et al. und 5,496,507 an Angadjivand et al.
Wenn sie als Filterelement verwendet werden, werden Bahnen aus elektrisch geladenen Mikrofasern allgemein von einer anderen Struktur unterstützt. Obwohl die Bahnen typischerweise ausreichende Einheit aufweisen, um selbst als Matte gehandhabt zu werden, besitzen sie keine ausreichende strukturelle Steifigkeit, um eine mehr als vorübergehende Formbeständigkeit aufzuweisen. Daher sind in Atemgeräten die Filterbahnen, welche Mikrofasern enthalten, regelmäßig durch eine permanent geformte, formgebende Lage unterstützt. Die Filterbahn ist über der formgebenden Lage angeordnet und an ihr befestigt, um ihre geformte Konfiguration anzunehmen. Beispiele für Patentschriften, welche die Verwendung einer separaten formgebenden Lage offenbaren, um eine Filterlage, welche Mikrofasern enthält, in einem Atemgerät zu unterstützen, umfassen US-Patentschrift 4,536,440 an Berg, 4,807,619 an Dyrud et al. und 4,850,347 an Skov.
In den Patentschriften von Berg und Dyrud et al. umfasst die formgebende Lage Fasern, welche an Überschneidungspunkten der Fasern aneinander und an andere Fasern in der gesamten geformten Bahn gebunden sind. Die Fasern, welche verwendet werden, um die gewünschte geformte Konfiguration der formgebenden Lage zu erreichen, sind vorzugsweise thermisch bindungsfähige Zweikomponentenfasern, welche eher grob oder groß sind, das heißt 10 Denier oder größer. Bei Skov nimmt die formgebende Lage die Form eines durchbrochenen, geformten Plastiknetzes an.
Zusätzlich zu diesen Strukturen werden Filterbahnen aus Polymermikrofasern auch durch die Verwendung von Stoffen, beabstandeten Bändern, Filamenten oder Fasern in einer geformten Konfiguration gehalten – siehe US-Patentschrift 5,656,368 an Braun et al., welche die Anordnung dieser formerhaltenden Elemente über den Oberseiten von Rillen in einer Vliesbahn beschreibt, um ihren gerillten Zustand zu erhalten. Braun et al. erklären auch, dass Vliesbahnen aus Polymermikrofasern in einem voluminösen Zustand gehalten werden müssen, um eine optimale Filterleistung zu erzielen. Filterungsparameter wie z.B. Druckabfall und Nutzungsdauer können negativ beeinflusst werden, wenn Bahnen aus Polymermikrofasern zusammengedrückt werden.
In einem noch anderen Ansatz zur Aufrechterhaltung der Form einer Vliesbahn aus Mikrofasern wird die Formerhaltung nicht durch eine externe Struktur, wie z.B. eine formgebende Lage, bereitgestellt sondern stattdessen durch die Mikrofasern selbst. In diesem Ansatz, der in US-Patentschrift 6,057,256 an Krueger et al. beschrieben ist, werden die Mikrofasern aus zwei Komponenten hergestellt: Die erste ist eine Faserunterstützungskomponente und die zweite ist eine thermisch erweichende oder Bindekomponente. Während des Formens wird die Bahn auf eine Temperatur erhitzt, die höher ist als die Erweichungstemperatur der zweiten Komponente, um Bindungen zwischen angrenzenden Fasern zu erzeugen. Die Bindungen finden statt, wo die erweichten Komponenten an Überschneidungspunkten der Fasern ineinander greifen. Während also die erste Komponente der Bahn die Faserunterstützung verleiht, welche sie vor dem Zusammenfallen oder Vereinigen bewahrt, ermöglicht die zweite Komponente, dass sie in eine bestimmte Form geformt wird. Das Produkt kann auch Stapelfasern enthalten, um die Bahn zu öffnen oder zu lockern.
Mit der Ausnahme des Zweikomponenten-Mikrofaserproduktes, das von Krueger et al. beschrieben ist, werden die Mittel zum Unterstützen und Verleihen der Form für eine Filterbahn, welche Mikrofasern enthält, durch eine separate oder nicht integrierte Unterstützungsstruktur erzielt. Diese Produkte erfordern daher, dass die Bahn, welche Mikrofasern enthält, separat von der Unterstützungsstruktur hergestellt wird, und erfordern auch, dass es eine Vorrichtung zum Verbinden der zwei Elemente gibt, um den entstehenden Verbundartikel zu schaffen. Die Verwendung dieser zusätzlichen Herstellungsschritte und die Notwendigkeit der zusätzlichen Herstellungsausrüstung, um diese Schritte umzusetzen, erhöhen die Endkosten des Produktes. Außerdem muss bei der Handhabung der Bahnen, welche Mikrofasern enthalten, Acht gegeben werden, dass die Bahnen nicht beschädigt werden und einen Verlust der Filterleistung erleiden, wie von Braun et al. gelehrt.
Obwohl Krueger et al. in der Lage waren, ein geformtes Filterelement, welches Mikrofasern enthält, ohne Verwendung einer separaten Unterstützungsstruktur zu erreichen, verlässt sich ihr Produkt allerdings auf die Mikrofaser selbst, um der Maske die Struktur zu verleihen. Wenn die Mikrofasern für diesen Zweck zusammengebunden werden, weisen sie die Tendenz auf, dass sie nicht vollständig ihren Hauptzweck der Filterung von Partikeln aus dem Luftstrom, der durch die Bahn tritt, erfüllen.
Die vorliegende Erfindung stellt kurz zusammengefasst ein neues Filterelement bereit, welches in geeigneter Weise im Wesentlichen eine poröse geformte Bahn umfasst oder aus dieser besteht, welche thermisch bindungsfähige Stapelfasern und nicht thermisch gebundene, elektrisch geladene Mikrofasern enthält. Die geformte Bahn wird zumindest teilweise durch Bindungen zwischen den Stapelfasern an Überschneidungspunkten der Fasern in ihrer geformten Konfiguration gehalten.
Das Filterelement der Erfindung ermöglicht, dass eine geformte Struktur ohne Verwendung einer separaten Unterstützungsstruktur geschaffen wird. Das Filterelement der Erfindung erfordert auch nicht, dass die Mikrofasern aus Gründen der Erhaltung der geformten Gestalt der Vliesbahn zusammengebunden werden. Da die thermisch gebundenen Stapelfasern und die nicht thermisch gebundenen, elektrisch geladenen Mikrofasern in der selben Lage vorliegen, kann die Bahn in viele verschiedene Konfigurationen geformt werden, ohne dass thermisch gebundene Zweikomponenten-Mikrofasern verwendet werden. Es gibt auch keinen Bedarf an einer separaten Unterstützungsstruktur oder keine Notwendigkeit, die Lage aus Mikrofasern mit der zusätzlichen Struktur zu verbinden.
Die Filterelemente der vorliegenden Erfindung können eine wünschenswerte Kombination aus guter Filterleistung und guter struktureller Einheit ergeben, obwohl die Filterelemente während des Formvorganges einer Kompression unterworfen werden können. Die gute Leistung und die guten strukturellen Eigenschaften können trotz der früheren Annahme erreicht werden, dass Filterungsparameter wie z.B. Druckabfall und Lebensdauer negativ beeinflusst werden könnten, wenn eine Vliesbahn aus Polymermikrofasern einer zusätzlichen Handhabung, wie z.B. bei einem Formvorgang, unterworfen wird. Bisher bekannte Filterstrukturen, wie z.B. jene, die in dem '368-Patent an Braun et al. beschrieben sind, müssen einen voluminösen Bahnzustand beibehalten, um optimale Filterleistung zu erreichen. Die vorliegende Erfindung allerdings ist in der Lage, gute mechanische und Filtereigenschaften in Verbindung mit einem vereinfachten Vorgang zur Schaffung eines geformten Filterelementes aufzuweisen. Die vorliegende Erfindung kann daher ein geformtes Filterelement herstellen, welches ein guter Kandidat zur Verwendung in einer geformten Atemmaske ist.
In Bezug auf die Erfindung werden die folgenden Ausdrücke definiert, wie nachfolgend angeführt:
"Denier" bedeutet das Gewicht in Gramm von 9.000 Metern Filament;
"elektrisch geladen" bedeutet, dass die Fasern eine elektrische Ladung aufweisen, welche gemessen werden kann und auf den Fasern für eine mehr als vorübergehende Dauer vorliegt;
"Filterelement" bedeutet eine Fluid durchlässige Struktur, welche in der Lage ist, Verunreinigungen aus einem Fluid, welches durch es durchtritt, zu entfernen;
"Mikrofasern" bedeutet Fasern, welche eine unbestimmte Länge aufweisen und welche einen durchschnittlichen geometrischen Faserdurchmesser von etwa 15 Mikrometern (μm) oder weniger aufweisen;
"geformte Bahn" bedeutet eine Struktur, welche in zwei Richtungen wesentlich größer ist als in eine dritte und welche in eine gewünschte Form geformt worden ist, wie z.B. zu einer Gesichtsmaske, einem Ofenfilter, einer Bahn oder einer Serie von Bahnen usw.;
"Formtemperatur" bedeutet die Temperatur, auf welche die Bahn erhitzt wird, um das Formen zu ermöglichen;
"nicht thermisch gebunden" bedeutet, dass sich die Fasern nicht wesentlich an angrenzende, berührende Fasern binden, nachdem sie auf eine Temperatur erhitzt worden sind, welche zum Formen einer Bahn geeignet ist, in welcher die nicht thermisch gebundenen Fasern enthalten sind;
"porös" bedeutet Fluid durchlässig;
"Feststoffgehalt" bedeutet den Prozentsatz an Feststoffen in einer Bahn und wird als Anteil ohne Einheiten ausgedrückt, wobei eine höhere Zahl auf einen größeren Feststoffanteil hinweist; und
"Erweichungstemperatur" bedeutet die niedrigste Temperatur, bei der eine Faserkomponente auf ein Maß erweicht wird, welches jener Faserkomponente ermöglicht, sich an eine andere Faser zu binden und diesen gebundenen Zustand aufrecht zu erhalten, wenn sie abgekühlt wird;
"Stapelfasern" bedeutet Fasern, welche eine bestimmte Länge aufweisen;
"thermisch bindungsfähige Fasern" bedeutet Fasern, welche sich an angrenzende, berührende Fasern binden können, nachdem sie mindestens über ihre Erweichungstemperatur erhitzt und nachfolgend gekühlt worden sind;
"thermisch gebundene Fasern" bedeutet Fasern, welche an angrenzende berührende Fasern gebunden sind, nachdem sie mindestens über ihre Erweichungstemperatur erhitzt worden sind und nachfolgend gekühlt worden sind.
1 ist eine Fotografie (100fach vergrößert) einer Vliesbahn 10, welche geformt werden kann, um ein Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
2 ist eine Fotografie (100fach vergrößert) einer Bahn 10', welche geformt worden ist, um ein Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
3 ist eine Seitenansicht, welche ein Beispiel einer Filtergesichtsmaske 16 der vorliegenden Erfindung zeigt, welche von einer Person getragen wird.
4 ist eine Schnittansicht, welche entlang der Linien 4-4 von 3 vorgenommen ist.
5 ist eine teilweise Schnittansicht einer Vorrichtung 29, welche verwendet werden kann, um eine Bahn 10, welche sowohl Stapelfasern als auch Mikrofasern enthält, zu formen.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer Wasserstrahl-Sprühvorrichtung, welche verwendet werden kann, um einer Faserbahn 10 elektrische Ladung zu verleihen.
7 ist eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, einer Vorrichtung 54, welche zur Bildung eines Gesichtsmaskenkörpers 22 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
8 ist eine Querschnittsansicht, welche entlang der Linien 8-8 von 7 vorgenommen ist.
9 ist eine Querschnittsansicht, welche entlang der Linien 9-9 von 7 vorgenommen ist.
1 zeigt eine Vliesbahn 10, welche verwendet werden kann, um ein geformtes Filterelement gemäß dieser Erfindung herzustellen. Wie auf dem Foto gezeigt, kann die Bahn 10 thermisch bindungsfähige Stapelfasern 12 und nicht thermisch gebundene Mikrofasern 14 umfassen. Die Stapelfasern 12 sind über das gesamte Netzwerk aus nicht thermisch gebundenen Mikrofasern 14 verteilt. Die thermisch bindungsfähigen Stapelfasern 12 stellen eine voluminösere, weniger dichte Bahn bereit als es eine Bahn ist, welche aus den nicht thermisch gebundenen Mikrofasern alleine wäre. Die vorgeformte Bahn weist typischerweise einen Feststoffgehalt von etwa 5 bis 30 %, typischer etwa 10 bis 20 % auf. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Bahn etwa 30 bis 70 Gewichts% thermisch bindungsfähige Stapelfasern und mehr bevorzugt etwa 40 bis 60 Gewichts% thermisch bindungsfähige Stapelfasern, bezogen auf das Gewicht der Fasern in der Bahn. Die Bahn umfasst auch vorzugsweise etwa 30 bis 70 Gewichts% nicht thermisch bindungsfähige Mikrofasern und mehr bevorzugt etwa 40 bis 60 Gewichts% nicht thermisch bindungsfähige Mikrofasern, bezogen auf das Gewicht der Fasern in der Bahn. In einer mehr bevorzugten Ausführungsform wären etwa 50 bis 60 Gewichts% Mikrofasern und etwa 40 bis 50 Gewichts% Stapelfasern. Daher ist es bevorzugt, dass die Bahn mehr Mikrofasern als Stapelfasern, bezogen auf das Gewicht, enthält.
Die Stapelfasern 12 sind thermisch bindungsfähig, was diesen Fasern ermöglicht, sich an angrenzende, berührende Fasern zu binden, nachdem sie über ihre Erweichungstemperatur erhitzt worden sind und gekühlt worden sind. Die Stapelfasern weisen eine bestimmte Länge auf, das heißt sie sind typischerweise maschinell auf eine spezielle vorbestimmte oder erkennbare Länge geschnitten. Sie werden auch durch Verfahren hergestellt, bei denen der Faserdurchmesser stärker dem Durchmesser der Öffnung ähnelt, durch welche die Faser extrudiert wird. Die Länge der Stapelfasern ist typischerweise kleiner als 2 Fuß oder 0,61 Meter oder kleiner als 1 Fuß oder 0,305 Meter. Die Stapelfasern hätten vorzugsweise eine Länge von etwa 1 bis 8 Zentimeter (cm) (0,4 Inch bis 3,2 Inch), mehr bevorzugt etwa 2,5 cm bis 5 cm (1 bis 2 Inch). Der mittlere geometrische Faserdurchmesser für die Stapelfasern ist im Allgemeinen größer als etwa 15 μm im Durchschnitt und typischerweise größer als 20, 30, 40 oder 50 μm im Durchschnitt. Dieser Faserdurchmesser kann gemäß dem unten angeführten Test berechnet werden. Die Stapelfasern weisen auch im Allgemeinen ein Denier von mehr als etwa 3 g/9.000m und mehr als etwa 4 g/9.000 m auf. An der Obergrenze ist das Denier typischerweise kleiner als etwa 50 g/m und üblicherweise kleiner als etwa 20 g/m bis 15 g/m.
Die Stapelfasern sind typischerweise aus der synthetischen Vielfalt ausgewählt, damit sie während des Formvorganges aneinander gebunden werden können. Die Stapelfasern sind typischerweise aus Polymermaterialien hergestellt, welche sich erweichen und sich an andere Fasern binden, wenn sie erhitzt und gekühlt werden. Stapelfasern, welche zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, können aus Polyethylenterephthalat, Polyester, Polyethylen, Polypropylen, Copolyester, Polyamid oder Kombinationen daraus hergestellt werden. Die Stapelfasern behalten typischerweise nach der Bindung viel von ihrer Faserstruktur. Die Stapelfasern können gekräuselte Fasern sein, wie die Fasern, die in US-Patentschrift 4,118,531 an Hauser beschrieben sind. Gekräuselte Fasern weisen entlang ihrer Länge einen fortlaufenden welligen, lockigen oder zackigen Charakter auf. Die Stapelfasern umfassen vorzugsweise gekräuselte Fasern, welche etwa 10 bis 30 Kräuselungen pro cm (5,1 bis 11,9 Kräuselungen pro Inch) aufweisen. Die Stapelfasern können Einkomponentenfasern oder Mehrkomponentenfasern sein. Beispiele für im Handel erhältliche thermisch bindungsfähige Einkomponenten-Stapelfasern umfassen KOSA T-255, T-259, T-271 und T-295, erhältlich von Kosa, Charlotte, North Carolina; und Type 410 PETG, Type 110 PETG, erhältlich von Foss Manufacturing Inc., Hampton, New Hampshire. Die Mehrkomponentenfasern können zwei oder mehrere Faserkomponenten aufweisen, wobei mindestens eine der Komponenten sich während des Erhitzens erweicht, um zu ermöglichen, dass die Stapelfasern an Überschneidungspunkten der Fasern aneinander gebunden werden können. Die Mehrkomponentenfasern können Zweikomponentenfasern sein, welche eine längengleiche Seite-an-Seite-Konfiguration, eine längengleiche konzentrische Hülle-Kern-Konfiguration oder eine längengleiche elliptische Hülle-Kern-Konfiguration aufweisen. Zweikomponentenfasern sind im Allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Hauptfaserkomponenten aufweisen. Beispiele für Zweikomponentenfasern, welche als thermisch bindungsfähige Stapelfasern in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, umfassen KOSA T-254, T-256 und Polypropylen/Polyethylen-Zweikomponentenfasern (CHISSO ES, ESC, EAC, EKC) und Polypropylen/Polypropylen-Zweikomponentenfasern (CHISSO EPC) und Polypropylen/Polyethylen-Terephthalat-Zweikomponentenfasern (CHISSO ETC), verkauft von Chisso Inc., Osaka, Japan.
Die Mikrofasern, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, weisen einen mittleren geometrischen Faserdurchmesser von etwa 15 μm oder weniger, typischer etwa 12 μm oder weniger auf. Anders als Stapelfasern, welche eine spezielle oder erkennbare Länge aufweisen, weisen die Mikrofasern eine unbestimmte Länge auf. Der mittlere geometrische Faserdurchmesser der Mikrofasern beträgt im Allgemeinen etwa 3 bis 10 μm.
Die Mikrofasern können die Form einer verschlungenen Bahn aus elektrisch geladenen schmelzgeblasenen Mikrofasern annehmen. Schmelzgeblasene Mikrofasern oder BMF können durch Extrudieren eines faserbildenden Materials durch eine Düsenöffnung in einen Gasstrom erzeugt werden – siehe zum Beispiel US-Patentschrift 4,215,682 an Kubik et al. Schmelzgeblasene Mikrofasern weisen, wenn sie zufallsmäßig in einer Bahn verschlungen sind, ausreichende Einheit auf, um selbst als Matte gehandhabt zu werden. Sie können aber typischerweise nicht zu einer gewünschten Konfiguration geformt werden, ohne dass die Filtereigenschaften der Bahn negativ beeinflusst werden. Beispiele für Materialien, welche verwendet werden können, um schmelzgeblasene Mikrofasern herzustellen, sind in US-Patentschrift 5,706,804 an Baumann et al., US-Patentschrift 4,419,993 an Peterson, US-Reissue-Patentschrift Re. 28,102 an Mayhew, US-Patentschrift 5,472,481 und 5,411,576 an Jones et al. und US-Patentschrift 5,908,598 an Rousseau et al. offenbart. Geblasene Mikrofasern können im Wesentlichen aus jedem beliebigen thermoplastischen faserbildenden Harz hergestellt werden. Um sicher zu stellen, dass die Bahnen zufriedenstellende Elektreteigenschaften oder Ladungstrennung beibehalten, werden die Mikrofasern aus nicht leitenden Harzen gebildet, das sind Harze mit einem Volumenwiderstand bei Raumtemperatur (22 °C) von 10¹⁴ Ohm-cm oder größer. Vorzugsweise ist der Volumenwiderstand etwa 10¹⁶ oder größer. Der Widerstand des polymeren faserbildenden Materials kann gemäß dem standardisierten Test ASTM D 257-93 gemessen werden. Das faserbildende Material, das verwendet wird, um die schmelzgeblasenen Fasern zu bilden, sollte auch im Wesentlichen frei von Komponenten wie antistatischen Mitteln sein, welche die elektrische Leitfähigkeit erhöhen oder auf andere Weise die Fähigkeit der Faser stören könnten, elektrostatische Ladungen anzunehmen und zu halten. Einige Beispiele für Polymere, welche im polymeren faserbildenden Material verwendet werden können, umfassen thermoplastische Polymere, welche Polycarbonate, Polyester, Polyamide, Polyurethane, Blockcopolymere wie z.B. Styren-Butadien-Styren- und Styren-Isopren-Styren-Blockcopolymere enthalten, und Polyolefine, wie z.B. Polypropylen, Polybutylen und Poly(4-methyl-1-penten) oder Kombinationen solcher Harze. Für Filteranwendungen sind die Fasern im Allgemeinen aus Poly-4-methyl-1-Penten und/oder Polypropylen hergestellt. Vorzugsweise werden die schmelzgeblasenen Mikrofasern aus dem Homopolymer-Polypropylen hergestellt wegen seiner Fähigkeit, elektrische Ladung aufrechtzuerhalten, insbesondere in feuchter Umgebung.
Zusätzlich zu thermisch gebundenen Stapelfasern und nicht thermisch gebundenen Mikrofasern können Filterelemente der vorliegenden Erfindung nicht thermisch gebundene Stapelfasern, welche zum Beispiel aus Polyester und/oder Polypropylen hergestellt sind, umfassen, einschließlich Viskosereyon und FR-Fasern zum Absorbieren von Feuchtigkeit oder Bereitstellen von Flammenschutz.
Die Fasermaterialien können Zusatzstoffe enthalten, um die Filterleistung zu verbessern, umfassend die Zusatzstoffe, welche in US-Patentschrift 5,025,052 und 5,099,026 an Crater et al. beschrieben sind, und können auch geringe Mengen an extrahierbaren Kohlenwasserstoffen aufweisen, um die Filterleistung zu verbessern – siehe zum Beispiel US-Patentschrift 6,213,12 an Rousseau et al. Faserbahnen können auch so hergestellt werden, dass sie eine erhöhte Beständigkeit gegen Ölnebel aufweisen, wie in US-Patentschrift 4,874,399 an Reed et al. und in US-Patentschrift 6,238,466 und 6,068,799, beide an Rousseau et al., gezeigt. Die Faserbahnen können fluoriert sein, wie in der International Publication WO 00/01737 beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform zur Filterung von Verunreinigungen in einer Ölnebelumgebung weisen die Fasern Fluoratome an der Oberfläche der Fasern auf, wie in US-Patentschrift 6,409,806, 6,398,847 B1 und 6,397,458 an Jones et al. gelehrt.
2 zeigt eine vergrößerte Fotografie einer geformten Bahn 10', welche sowohl thermisch gebundene Stapelfasern als auch nicht thermisch gebundene Mikrofasern enthält. Wie gezeigt sind die Stapelfasern 12 an Überschneidungspunkten 13 der Fasern aneinander gebunden. Die Mikrofasern 14 andererseits haben im Allgemeinen ihre ungebundene Ausrichtung beibehalten. Obwohl die Stapelfasern 12 an Überschneidungspunkten der Fasern aneinander gebunden sind, müssen die Bindungen nicht an allen derartigen Punkten stattfinden. Faserbindung muss nur an einer ausreichenden Zahl von Überschneidungen stattfinden, um dem geformten Produkt zu erlauben, seine gewünschte Gestalt für mehr als eine vorübergehende Dauer zu behalten. Die Bindung zwischen den Stapelfasern stellt ein halbstarres dreidimensionales Fasergitter in der geformten Bahn 10' bereit. Da die Stapelfasern über die Erweichungstemperatur der Bindekomponenten in den Fasern und vielleicht auf ihre Schmelztemperatur erhitzt werden, erweicht (erweichen) sich die Bindekomponente(n) der Fasern und schmilzt (schmelzen) an einer ausreichenden Zahl von Punkten, wo die Fasern einander berühren 13, zusammen. Um Beschädigung oder eine andere Veränderung der Einheit der Mikrofasern während des Formvorganges zu verhindern, wird die Bahn angemessen unterhalb der Erweichungstemperatur von im Wesentlichen allen Komponenten der Mikrofasern geformt. Obwohl die Mikrofasern, welche durch eine Schmelzblastechnik hergestellt worden sind, dazu neigen, sich während des Schmelzblasvorganges aneinander zu binden oder stark miteinander verschlungen zu werden, werden die Mikrofasern im Allgemeinen nicht während des Erhitzungsvorganges des Formvorganges aneinander gebunden. Die Mikrofasern können sich allerdings an die Stapelfasern binden, wenn die Bindekomponenten(n) in diesen Fasern sich erweicht (erweichen) und nachfolgend erhärtet (erhärten). Wie gezeigt schmelzen die Stapelfasern 12 und vereinigen sich an Überschneidungspunkten 13 der Fasern. Es ist diese Bindung der Stapelfasern, welche einen Hauptbeitrag zur geformten Struktur des geformten Produktes liefert. Das geformte Produkt 10' umfasst Stapelfasern und Mikrofasern im Wesentlichen in gleichen Gewichtsprozentanteilen wie die nicht-geformte Bahn, welche oben mit Bezugnahme auf 1 beschrieben ist.
Geformte Filterelemente der vorliegenden Erfindung können eine Dicke von etwa 1,0 bis 4 mm aufweisen. Obwohl größere Dicken von bis zu 6 mm hergestellt werden können, ist das Filterelement im Allgemeinen ungefähr 1,0 bis 3,5 mm dick. Es ist in dieser Erfindung festgestellt worden, dass eine gute Filterleistung für das geformte Produkt der Erfindung bei einer Dicke von etwa 1,3 bis 3,0 mm erreicht werden kann. Das geformte Filterelement kann auch einen Feststoffgehalt von etwa 5 bis 30 % und typischerweise etwa 10 bis 20 % aufweisen. Das Flächengewicht des geformten Filterelementes kann etwa 50 bis 300 Gramm pro Quadratmeter (g/m²), typischerweise etwa 100 bis 200 g/m² betragen.
3 zeigt ein Beispiel für ein geformtes Produkt, welches aus einer geformten Bahn wie z.B. jener, die in 2 gezeigt ist, hergestellt werden kann. Wie dargestellt kann das geformte Produkt die Gestalt einer schalenförmigen Atemmaske 16 annehmen, welche über Nase und Mund eines Trägers passt. Die Gesichtsmaske 16 kann ein Ausatmungsventil (nicht gezeigt) aufweisen, welches zentral auf dem Maskenkörper angeordnet ist, um zu ermöglichen, dass ausgeatmete Luft rasch aus dem Inneren der Maske gespült wird. Die Maske 16 kann in eine im Allgemeinen schalenförmige Konfiguration geformt werden, wenn sie so getragen wird, dass sie eng über Nase und Mund einer Person passt. Die Maske 16 ist erwünschterweise derart geformt, dass sie an ihrem Rand 18 einen im Wesentlichen lückenlosen Kontakt mit dem Gesicht des Trägers beibehält. Die Maske 16 kann um den Rand der Maske fest gegen das Gesicht des Trägers gezogen werden durch eine Art Gurt, wie z.B. Bänder 20, welche sich hinter den Kopf und Hals des Trägers erstrecken, wenn die Maske getragen wird. Die Maske 16 bildet einen inneren Gasraum zwischen dem Maskenkörper und dem Gesicht des Trägers. Dieser innere Gasraum ist durch den Maskenkörper 22 von der umgebenden oder atmosphärischen Luft getrennt. Luft, welche vom Träger eingeatmet wird, muss daher durch den Maskenkörper 22 treten, bevor sie in die Atemwege des Trägers eintreten kann. Die Maske 16 kann auch eine anpassungsfähige Nasenklammer 24 aufweisen, welche an der Innenseite oder an der Außenseite des Maskenkörpers oder möglicherweise, wenn vorhanden, zwischen zusätzlichen Lagen angebracht ist, um einen festen Sitz über der Nase und dort, wo die Nase auf den Wangenknochen trifft, bereitzustellen.
Die Filtergesichtsmaske 16 muss nicht unbedingt die Konfiguration aufweisen, welche in 3 gezeigt ist. Die Maske kann andere Konfigurationen annehmen, wie z.B. die flach-gefaltete Maske, welche in US-Patentschrift 6,026,511, 6,123,077 und 6,394,090 B1 gezeigt ist. Oder sie kann die ausgedehnte schalenförmige Konfiguration aufweisen, wie in US-Patentschrift 4,827,924 an Japuntich gezeigt. Die Nasenklammer 24 kann die Konfiguration aufweisen, welche in US-Patentschrift 5,558,089 an Castiglione beschrieben ist. Die Maske könnte auch eine thermochromische Sitzanzeigedichtung an ihrem Rand aufweisen, um dem Träger zu ermöglichen, leicht festzustellen, ob ein richtiger Sitz eingerichtet worden ist – siehe US-Patentschrift 5,617,849 an Springett et al. Außerdem könnte das Filterelement des Atemschutzgerätes andere Konfigurationen annehmen als einen geformten Maskenkörper. Das Filterelement könnte zur Verwendung in einer Filterkartusche geformt werden, welche eine bestimmte Gestalt aufweist, zum Beispiel eine gebogene Gestalt, um näher am Gesicht eines Trägers zu ruhen. Die Filterkartusche könnte abnehmbar an einem Gesichtsstück angebracht werden, welches über Nase und Mund einer Person passt, wie z.B. der elastomere Maskenkörper, welcher in US-Patentschrift 5,062,421 an Burns und Reischel beschrieben ist.
4 zeigt einen Querschnitt des Maskenkörpers 22 von 3. Wie gezeigt weist der Maskenkörper 22 nur eine Lage auf, um ihm Filtereigenschaften und Formhalteeigenschaften zu verleihen. Wie oben angegeben weisen Masken, welche in der Vergangenheit hergestellt worden sind, im Allgemeinen eine separate Unterstützungsstruktur oder Unterstützungslage auf, um die Maske mit ihrer strukturellen Einheit auszustatten. Die vorliegende Erfindung allerdings kann eine Filtergesichtsmaske bereitstellen, welche sehr gute Filterleistung ohne Verwendung von separaten formgebenden Lage(n) und Mikrofasern enthaltenden Filterlage(n) zeigt. Die Filter- und Struktureigenschaften können in eine einzelne Lage eingebracht werden, welche sowohl thermisch gebundene Stapelfasern als auch nicht thermisch bindungsfähige Mikrofasern aufweist. Obwohl eine gute Filterung in einem einlagigen Produkt erreicht werden kann, können andere Lagen, wie z.B. Lagen von zusätzlichen Filtermedien, umfassend Lagen von elektrisch geladenen BMF-Bahnen, verwendet werden, um die Filtereigenschaften zu verbessern. Solche Bahnen sind zuvor beschrieben worden – siehe US-Patentschrift 4,795,668 an Krueger et al., 4,874,399 an Reed et al., 4,988,560 an Meyer et al. und 5,496,507 an Angadjivand et al. Andere Beispiele für Filtermedien, welche verwendet werden könnten, umfassen jene, welche in US-Patentschrift 5,898,981, 5,419,953, 4,798,850, 4,215,682, 4,178,157, 3,998,916 und 3,644,605 beschrieben sind. Diese grundlegenden Arten von Filtermedien können mehrlagige Verbund-Luftfiltermedien aufweisen, bei denen eine flammenhemmende Vorfilterlage, ein Mischfaser-Filtermaterial und Bahnen aus fibrillierten, elektrisch geladenen Fasern verwendet werden. Außerdem können Feststoffe, wie z.B. aktive Feststoffe (das sind Feststoffe, welche in der Lage sind, eine Funktion zu erfüllen, einschließlich Adsorption, Absorption, Katalyse usw.), zum Beispiel Aktivkohle, in die Bahn eingebracht werden – siehe z.B. US-Patentschrift 3,971,373 an Braun – um ein Filterelement herzustellen, welches die Fähigkeit aufweist, nicht nur Feststoffe sondern auch gasförmige Verunreinigungen, wie z.B. Säure bildendes Gas, organische Dämpfe, Ammoniak und Kombinationen solcher Gase, zu entfernen.
Filterelemente der Erfindung können eine sehr gute Filterleistung erreichen, wie durch den Qualitätsfaktorparameter, Q_F, angegeben, der nachfolgend beschrieben ist. Q_F-Werte größer als 0,30 (mm H₂O)^–1 und noch größer als 0,40 (mm H₂O)^–1 und sogar größer als 0,70 oder 0,80 (mm H₂O)^–1 können erreicht werden, Außer der Verwendung in einer Atemmaske kann die vorliegende Erfindung andere geformte Strukturen bereitstellen, einschließlich Luftfilter, welche eine gewellte oder gefältelte Gestalt annehmen, zur Verwendung zum Beispiel als Kesselfilter, Kabinenluftfilter, wie z.B. zur Verwendung in einem Auto, Boot oder Flugzeug, und Raumluftfilter, einschließlich Klimaanlagenfilter.
5 zeigt eine Anordnung einer Vorrichtung 29, welche zur Herstellung einer Bahn 10 verwendet werden, kann, welche sowohl Stapelfasern als auch schmelzgeblasene Mikrofasern enthält. Diese Vorrichtung 29 stellt Bahnen aus schmelzgeblasenen Mikrofasern durch Extrudieren von geschmolzenem faserbildendem Material durch eine Düsenöffnung 30 her. Lösungsgeblasene und andere Arten von Mikrofasern können ebenfalls verwendet werden, um die Mikrofasern geeignet zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zu machen. Der Mikrofaserblasabschnitt der dargestellten Vorrichtung kann eine herkömmliche Struktur sein, wie zum Beispiel in Wente, Van A. Superfine Thermoplastic Fibers, 48 Indus. Engn. Chem. 1342 et.seq. (1956), oder in Report No. 4364 der Naval Research Laboratories (25. Mai 1954) mit dem Titel Manufacture of Superfine Organic Fibers von Wente, V. An.; Boon, C.D.; und Fluharty, E.L. gelehrt. Eine solche Struktur weist eine Düse 26 auf, welche eine Extrusionskammer 28 aufweist, durch welche ein verflüssigtes faserbildendes Material bewegt wird. Düsenöffnungen 30 können in einer Reihe über ein vorderes Ende der Düsenvorderseite angeordnet sein, durch welche das faserbildende Material extrudiert wird. Mitwirkende Gasöffnungen 32 sind angrenzend an die Düse 30 angeordnet und erlauben einem Gas, typischerweise erhitzte Luft, mit sehr hoher Geschwindigkeit durchgedrückt zu werden. Die Hochgeschwindigkeits-Gasströme ziehen das extrudierte faserbildende Material heraus und verfeinern es. Das faserbildende Material verfestigt sich dann, wenn die Mikrofasern zu einem Sammler 34 wandern. Der Sammler 34 ist typischerweise ein fein perforiertes Gitter, welches in diesem Fall auf einem Band in einer geschlossenen Schleife ist. Der Sammler kann allerdings alternative Formen annehmen, wie z.B. ein flaches Gitter oder eine Trommel oder einen Zylinder. Der Sammler kann auch eine im Allgemeinen zylindrische Formoberfläche aufweisen, welche sich um eine Achse dreht und sich in Richtung der Achse derart bewegt, dass ein ausgewählter Punkt auf dem Sammler sich in einem Schraubenmuster bewegt – siehe US-Patentschrift 6,139,308 an Berrigan et al. Eine Gasabzugsvorrichtung kann hinter dem Gitter angeordnet sein, um beim Ablegen der Fasern und Entfernen des Gases zu helfen.
Die thermisch bindungsfähigen Stapelfasern 12 können in den Strom von geblasenen Mikrofasern 14 in der dargestellten Vorrichtung, die in 5 gezeigt ist, durch Verwendung einer Vorreißerrolle 36 eingebracht werden, welche über der Mikrofaser-Blasvorrichtung angeordnet ist. Eine Bahn 38 aus Bauschfasern, typischerweise eine lockere Vliesbahn, wie sie auf einer Garnette oder einem "Rando-Webber" hergestellt wird, wird entlang eines Tisches 40 unter einer Antriebsrolle 42 weiterbefördert, wobei die Vorderkante gegen die Vorreißerrolle 36 eingreift. Die Vorreißerrolle 36 dreht sich in Richtung des Pfeils und reißt Fasern von der Vorderkante der Bahn 38 ab, wodurch die Fasern voneinander getrennt werden. Die abgerissenen Fasern werden in einem Luftstrom durch eine enthaltene Rinne oder Führung 42 und in den Strom von geblasenen Mikrofasern befördert, wo sie mit den Mikrofasern gemischt werden. Der Luftstrom wird inhärent durch Drehung der Vorreißerrolle erzeugt oder der Luftstrom kann durch Verwendung eines Zusatzföns oder -gebläses verstärkt werden, welcher durch einen Kanal 44 arbeitet.
Der gemischte Strom aus Stapelfasern und Mikrofasern geht dann weiter zum Sammler 34, wo die Fasern eine Bahn 10 aus zufallsmäßig vermischten und miteinander verschlungenen Fasern bilden. Bei genauer Untersuchung können die Stapelfasern und Mikrofasern gründlich gemischt sein – zum Beispiel frei von Klumpen von Stapelfasern, das heißt Ansammlungen von Stapelfasern mit einem Durchmesser von einem Zentimeter oder mehr, wie es erzielt würde, wenn ein abgeschnittener Abschnitt eines mehrendigen Kabels von Stapelfasern ungetrennt wäre oder wenn Stapelfasern zusammengeballt wären, bevor sie in den Mikrofaserstrom eingebracht würden. Die entstehende Bahn 10 kann vom Sammler abgenommen und zu einer Lagerungsrolle gewickelt werden und kann nachfolgend in Schneide-, Handhabungs- oder Formvorgängen bearbeitet werden.
Die hergestellte Verbundbahn kann aus einer einzelnen Lage bestehen, welche durch die Vorrichtung abgelegt wird, wie gezeigt, oder kann ein mehrmagiges Produkt sein, bei dem die Lagen typischerweise zumindest bei ungenauer Betrachtung nicht erkennbar sind. Mehrlagige Produkte können entweder durch zwei- oder mehrmaliges Führen der gesammelten Bahn unter einer Misch- und Ablegevorrichtung, wie in 5 dargestellt, gebildet werden oder dadurch, dass eine zusätzliche Misch- und Ablegevorrichtung entlang der Länge eines Sammelbandes angeordnet ist.
Die Filterelemente der Erfindung weisen eine elektrische Ladung auf, welche der Bahn verliehen wird, um ihre Filtereffizienz zu verbessern. Die elektrische Ladung kann auf den Mikrofasern alleine oder sowohl auf den Mikrofasern als auch auf den Stapelfasern enthalten sein. Wenn die Stapelfasern auch geladen sein sollen, müssen sie eine nicht leitende Oberfläche aufweisen, damit jegliche Ladung, welche an den Fasern angebracht wird, nicht verloren geht. Daher sollten die Stapelfasern aus einem nicht leitenden Polymermaterial hergestellt werden, wie oben mit Bezug auf die Mikrofasern beschrieben. Filtermedien, bei denen elektrisch geladene schmelzgeblasene Mikrofasern verwendet werden, sind zum Beispiel in US-Patenschrift 5,968,635 an Rousseau et al. offenbart. Die Fasern können oberflächenmodifizierende Mittel enthalten, wie z.B. Fluor, um die Ölnebel-Filterleistung zu verbessern, – siehe US-Patentschrift 6,398,847 B1 an Jones et al. Elektrische Ladung kann Vliesfaserbahnen unter Verwendung bekannter Techniken verliehen werden, welche zum Beispiel in US-Patentschrift 4,215,682 an Kubik et al., US-Patentschrift 4,592,815 an Nakao und US-Patentschrift 5,496,507 an, Angadjivand et al. beschrieben sind. Diese Verfahren können Hydroladung umfassen, wie im '507 Patent an Angadjivand et al. beschrieben, oder können Coronaladung umfassen, wie im '815 Patent an Nakao beschrieben, oder Kombinationen solcher Techniken. Außerdem können Triboladungstechniken verwendet werden, wie in US-Patentschrift 4,798,850 an Brown et al. beschrieben. Aktuellere Ladungstechniken sind auch in US-Patentschrift 6,375,886 B1 an Angadjivand und US-Patentschrift 6,406,657 an Eitzman et al. und in den US-Patentanmeldungen Seriennr. 09/416,216 und 09/548,892 beschrieben, welche jeweils als International Patent Publications WO 01/27381 und WO 01/80257 veröffentlicht wurden. Diese neueren Techniken können die Verwendung von nicht wässrigen polaren Flüssigkeiten und anderen Verfahren zur Erreichung von ausreichendem Kontakt zwischen dem Wasser und/oder der polaren Flüssigkeit und den Fasern umfassen. Ein bekanntes Hydroladungsverfahren umfasst das Auftreffen eines Stroms aus Wassertröpfchen auf einer Bahn mit einem Druck, welcher ausreichend ist, um eine Elektretladung zur Filterverbesserung bereitzustellen. Der Druck, welcher notwendig ist, um optimale Ergebnisse zu erreichen, kann variieren in Abhängigkeit vom Typ des verwendeten Sprühers, dem Typ des Polymers, aus welchem die Bahn gebildet ist, der Konzentration der Zusatzstoffe im Polymer und der Dicke und Dichte der Bahn und davon, ob eine Vorbehandlung, wie z.B. Coronaoberflächenbehandlung, vor dem Hydroladen durchgeführt worden ist. Im Allgemeinen sind Druckwerte im Bereich von etwa 69 bis 3450 kPa (10 bis 500 psi) geeignet. Vorzugsweise ist das Wasser, welches verwendet wird, um die Wassertröpfchen bereitzustellen, verhältnismäßig rein. Destilliertes oder entionisiertes Wasser ist Leitungswasser vorzuziehen.
6 zeigt ein Beispiel für ein geeignetes Sprühmittel 45 zum Laden einer Bahn. Die Faserbahn 10 wird auf einem Tragemittel 46 transportiert, welches in Form eines vorzugsweise porösen Bandes, wie z.B. einem Maschengitter oder einem Stoff, vorliegen kann. Wasserstrahlen 48 im Wasserstrahlkopf 50 versehen den Wassersprühstrahl mit einer Pumpe (nicht gezeigt), welche den Wasserdruck bereitstellt. Wasserstrahlen 48 treffen auf der Bahn 10 an Aufschlagpunkten 52 auf. Vorzugsweise ist ein Vakuum unterhalb einer porösen Tragevorrichtung bereitgestellt, um die Sprühflüssigkeit durch die Bahn zu ziehen und Energie für Trocknungszwecke zu verringern.
Weitere Beispiele für geeignete Sprühmittel zum Laden der Vliesbahnen umfassen Zerstäuber, wie die Geräte, welche im '507 Patent an Angadjivand et al. gezeigt sind. In diesem Gerät werden Wasser, welches durch eine Wasserleitung bereitgestellt wird, und Druckluft, welche durch eine Luftleitung bereitgestellt wird, zu einer Düse geführt, welche mit einem Sprühnebel durch Pumpaktionssprüher auf die Bahn einwirkt, wobei ein Pumpenarm Wasser, welches durch ein Wasserzuführmittel bereitgestellt wird, durch eine Düse drückt, um einen Sprühnebel bereitzustellen.
Die Menge an Ladung, welche der Bahn verliehen wird, kann unter Anwendung bekannter Verfahren gemessen werden, umfassend thermisch stimulierte Entladungstechniken (TSD) – siehe zum Beispiel US-Patentschrift 6,375,886 B1 an Angadjivand et al. Der geformte Elektretfilter enthält vorzugsweise Fasern, welche eine andauernde elektrische Ladung aufweisen, typischerweise eine Ladung, welche für die beabsichtigte Lebensdauer eines Filterelementes anhält.
7–9 stellen eine Vorrichtung 54 zur Bildung von Schalen 22 für Gesichtsmasken gemäß einem Verfahren dieser Erfindung dar. Schalen 22 können durch Führen einer Vliesfaserbahn 10 durch ein optionales Vorverdünnungsstadium 56, ein Erhitzungsstadium 58 und ein Kaltformstadium 60 hergestellt werden. Wahlweise kann eine Glätt- oder Deckbahn (nicht gezeigt) in übereinandergelegter Beziehung zur Bahn 10 geführt werden, um ein angenehmeres Gefühl bereitzustellen, wenn sie in Kontakt mit dem Gesicht des Trägers ist. Ein Beispiel für eine geeignete Deckbahn ist in US-Patentschrift 6,041,782 an Angadjivand et al. beschrieben. Die Deckbahnen können aus spinngebundenen Fasern oder schmelzgeblasenen Fasern, einschließlich Mikrofasern, hergestellt werden.
Im Vorverdünnungsstadium 56 wird die Bahn 10 so stark erhitzt, dass die Bindekomponente(n) der Stapelfasern auf den Bahnoberflächen 62 und 64 erweicht werden. Die untere Oberfläche 62 und die obere Oberfläche 64 der Bahn 10 berühren erhitzte Kalanderwalzen 66 und 68, um die bindungsfähigen Komponenten der Fasern zu erweichen. Beim Verlassen der Kalanderwalzen 66 und 68 erhärten sich die erweichten Komponenten der Fasern und die Fasern auf den Oberflächen 62 und 64 werden aneinander gebunden. Die Bahn 10 wird dann auf ein sich bewegendes Ofenband 70 gelegt und tritt in das Erhitzungsstadium 58 ein.
Im Erhitzungsstadium 58 erhitzen Infrarotheizvorrichtungen (IR) 72 und Heißluftaufprall 74 durch Perforationen 76 die thermisch bindungsfähigen Fasern in der Bahn 10, um die gebundenen Komponenten der Fasern in der gesamten Bahn zu erweichen. Das Ofenband 70 weist einen Maschenaufbau auf, welcher der IR-Wärme und dem Heißluftaufprall erlaubt, auf den Oberflächen 62 und 64 aufzutreffen. Die Form-/Erhitzungsbedingungen sollten sorgfältig gesteuert werden, damit die Mikrofaserkomponenten in einem nicht thermisch gebundenen Zustand erhalten bleiben. Das wird durch Verhindern der autogenen Bindung der Mikrofaserkomponente während des Formvorganges erreicht. Thermische Bindungen, wie sie durch die Stapelfasern bereitgestellt werden, stellen ein halbstarres, dreidimensionales Fasergitter in dem geformten Filterelement bereit. Das Gitter aus thermisch gebundenen Fasern erhält die Maske in ihrer geformten Form, ohne wesentlich den Luftstrom durch das Fasernetzwerk zu behindern.
Nach dem Erhitzen wird die Bahn 10 zum Kaltformstadium 60 geführt, während die gebundenen Komponenten der Fasern in der Bahn 10 noch weich sind. Die Bahn 10 wird dann auf Bändern 78 und 80 transportiert und zwischen nicht erhitzten Formelementen 82 und 84 angeordnet, wo sie dann zu den becherförmigen Schalen 22 oder insbesondere zu der Form von Gesichtsmasken 22 geformt wird. Eine Anordnung 86 von der Art eines Aufbereitungs-Heberades kann eingesetzt werden, um einen fortlaufenden Formvorgang bereitzustellen. Die heberadartige Anordnung 86 weist eine erste und eine zweite Drehvorrichtung, jeweils 88 und 90 auf. Formelemente 82 und 84 drehen sich jeweils gegen den Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn und werden jeweils durch eine Kette 92 auf Kettenrädern 78 angetrieben. An der Formstelle kommen die Elemente 82 und 84 zusammen, um die Bahn 10 zu becherförmigen Schalen 22 zu formen. Die Vorrichtung, welche in 7–9 gezeigt ist, ist in US-Patentschrift 5,307,796 an Kronzer et al. vollständiger beschrieben.
Filterelemente und Gesichtsmasken, welche gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, weisen die Form- und Filterlagen einstückig miteinander verbunden auf, das heißt Formhaltung und gute Filterleistung werden in einer einzigen geformten Bahn und nicht in zwei separaten Bahnen oder Lagen bereitgestellt, welche nachfolgend typischerweise durch eine Randabdichtung an der äußeren Begrenzung miteinander verbunden werden. Die einstückige Natur des Filterelementes der Erfindung ermöglichen nicht, dass der Formaspekt und der Filteraspekt physisch getrennt werden, ohne das Filterelement selbst zu zerstören.
Beispiele
Die folgenden Testverfahren wurden verwendet, um die Bahnen und geformten Filterelemente zu bewerten:
Feststoffdurchtritt mit Natriumchlorid
Durchtritt und Druckabfall für einen einzelnen geformten Filter wurden durch Verwendung eines AFT Tester, Model 8130, von TSI Incorporated, St. Paul, Minnesota, bestimmt. Natriumchlorid (NaCl) in einer Konzentration von 20 Milligramm pro Kubikmeter (mg/m³) wurden als Versuchsaerosol verwendet. Die Aerosolmengen wurden mit einer Geschwindigkeit von 13,8 Zentimetern pro Sekunde (cm/s) abgegeben. Der Druckabfall über der geformten Filterprobe wurde während des Durchtrittstests gemessen und ist in Millimeter Wasser (mmH₂O) angegeben.
Mittlerer geometrischer Faserdurchmesser
Die Bestimmung des mittleren geometrischen Faserdurchmessers für Fasern, welche in Bahnen für die Erfindung verwendet werden, kann durch Bildanalyse von mikroskopischen Aufnahmen einer Bahnprobe durchgeführt werden.
Bahnproben wurden hergestellt durch Befestigen einer Bahnprobe auf einem Rasterelektronenmikroskoptisch und Aufdampfbeschichten der Fasern mit ungefähr 100 Ångström (Å) Gold/Palladium. Das Beschichten wurde unter Verwendung einer DENTON Vacuum Desk II Cold Sputter Vorrichtung (DENTON Vacuum, LLC, 1259 North Church Street, Moorestown, New Jersey, 08057, USA) mit einer 40 Milliampere Zerstäubungskathoden-Beschichtungsquelle bei einem Kammervakuum von 50 Millitorr, zugeführt mit einem Argon-Gasstrom von 125-150 Millitorr. Die Dauer des Beschichtungsvorganges betrug ungefähr 45 Sekunden. Die beschichtete Probe wurde dann in ein LEO VP 1450 Rasterelektronenmikroskop (LEO Electron Microscopy Inc, One Zeiss Drive, Thournwood, New York, New York 10594) gegeben und bei 0° Schrägstellung, 15 Kilovolt (kV) Beschleunigungsspannung und 15 mm WD (working distance – Arbeitsabstand) dargestellt. Elektronische Bilder, welche mit 1000facher Vergrößerung gemacht wurden, wurden verwendet, um die Mikrofaserdurchmesser zu bestimmen, und Bilder, welche mit 500 oder 250 Vergrößerungen gemacht wurden, wurden verwendet, um die Stapelfaserdurchmesser zu bestimmen. Elektronische Bilder der Oberflächenansicht einer Probe wurden unter Verwendung eines Computers mit UTHSCSA (University of Texas Health Science Center in San Antonio) Image Tool for Windows Version 2.00, erhältlich von der University of Texas, analysiert. Um eine Bildanalyse durchzuführen, wurde das Image Tool zuerst auf die Mikroskopvergrößerung kalibriert und dann wurde das elektronische Bild einer Probe derart bearbeitet, dass einzelne Fasern über ihre Breite gemessen wurden. Nur einzelne Fasern (keine kombinierten oder strangbildenden Fasern) von jedem Bild wurden gemessen. Ein Minimum von 18 bis 20 Stapelfasern und ein Minimum von 66 bis zu 116 geblasenn Mikrofasern wurden von jeder Probe gemessen. Die Fasergröße ist als mittlerer Durchmesser in Mikrometer (μm) für eine gegebene Durchgangszahl angegeben.
Steifigkeitsbestimmung des geformten Artikels
Steifigkeit eines geformten Filterelementes wurde unter Verwendung eines King Stiffness Tester, erhältlich von Jaking & Co., Greensboro, North Carolina, gemessen. Steifigkeit wird bestimmt als die Kraft, die erforderlich ist, um eine flache Prüfspitze mit 2,54 cm Durchmesser 8,06 cm (3,175 Inch) in die Tiefe des Filterelementes zu drücken. Das Prüfspitzenelement wurde außerhalb des Filterelementes angeordnet und wurde senkrecht auf die Plattform ausgerichtet, auf welche das Filterelement zum Testen gelegt wurde. Für eine geformte Filtergesichtsmaske wird die Gesichtsmaske so auf eine Plattform gelegt, dass die konvexe Seite zur Prüfspitze zeigt und unter der Prüfspitze zentriert ist. Die Prüfspitze wurde dann gegen die Maske gesenkt mit einer Geschwindigkeit von 32 mm/s, berührte die Gesichtsmaske und drückte sie bis zum festgelegten Maß (21 Millimeter) zusammen. Am Ende der vollständigen Absenkung der Prüfspitze, wurde die Kraft (in Newton) aufgezeichnet, welche erforderlich war, um den Gegenstand zusammenzudrücken.
Qualitätsfaktor (Q_F)
Qualitätsfaktor wird wie folgt bestimmt:
Der Durchtritt und der Druckabfall werden verwendet, um einen Qualitätsfaktor "Q_F-Wert" vom natürlichen log (Ln) des NaCl-Durchtritts nach der folgenden Formel zu berechnen: Q_F(1/mmH₂O) = –Ln {NaCl-Durchtritt(%)/100}/Druckabfall (mmH₂O)
Ein höherer anfänglicher Q_F-Wert deutet auf eine bessere anfängliche Filterleistung hin. Verringerte Q_F-Werte stimmen effektiv mit verringerter Filterleistung überein.
Beispiel 1
Eine Mikrofaser-Kombinationsbahn, welche verwendet wurde, um das geformte Filterelement der vorliegenden Erfindung zu bilden, wurde aus einer Mischung aus geblasenen Mikrofasern und thermisch bindungsfähigen Stapelfasern gemäß dem Verfahren hergestellt, welches in US-Patentschrift 4,118,531 (Hauser) beschrieben ist und oben in 5 gezeigt ist. Die geblasene Mikrofaserkomponente der Kombinationsbahn wurde hergestellt unter Verwendung einer Mischung aus Polypropylen Fina Typ 3960, erhältlich von FINA Oil and Chemical Co., Houston, Texas, und Poly-4-methyl-1-penten Typ TPX-DX820 von Mitsui Petrochemical Industries, Ltd., Tokyo, Japan. Chimassorb 944FL, erhältlich von Ciba Geigy Corporation, Hawthorne, New York, war als Schmelzzusatz enthalten. Die Gewichtsverhältnisse der Komponenten, welche in der geblasenen Mikrofaserkomponente verwendet wurden, betrugen 98 % Polypropylen, 1,2 % TPX-DX820 und 0,8 Chimassorb 944 FL. Das Flächengewicht der Mikrofaserkomponente betrug 98 Gramm pro Quadratmeter (g/m²) und der mittlere geometrische Faserdurchmesser wurde mit 4,4 μm gemäß dem oben angegebenen Test für den mittleren geometrischen Faserdurchmesser bestimmt.
Die thermisch bindenden Zweikomponenten-Stapelfasern, welche mit der Mikrofaserbahn gemischt wurden, um die Kombinationsbahn zu bilden, waren CELBOND Typ T254, erhältlich von KOSA, Charlotte, North Carolina. Die thermisch bindende Stapelfaser wies eine lineare Dichte von 12 Denier pro Filament (dpf) und eine Schnittlänge von 38 mm auf. Der mittlere geometrische Faserdurchmesser betrug 33 μm. Die Stapelfasern wurden direkt in den geblasenen Mikrofaserstrom eingebracht. Das Flächengewicht der Stapelfaserkomponente in der Bahn betrug ungefähr 115 g/m². Das gesamte Flächengewicht der Kombinationsbahn betrug 214 g/m².
Die Kombinationsbahn wurde hydrogeladen gemäß dem Verfahren, welches in US-Patentschrift 5,496,507 an Angadjivand et al. beschrieben ist. Hydroladen wurde durchgeführt, indem die Bahn mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/s über einen Vakuumschlitz geführt wurde, während entionisiertes Wasser mit einem hydrostatischen Druck von etwa 620 Kilopascal (kPa) aus einem Paar Teejet 9501 Sprühdüsen (erhältlich von Spraying Systems Co, Wheaton, Illinois) auf die Bahn gesprüht wurde, welche etwa 10 cm auseinander angebracht waren und etwa 7 cm über dem Vakuumschlitz zentriert waren. Die Bahn wurde dann umgedreht und der Hydroladevorgang wurde wiederholt, damit beide Seiten der Bahn mit entionisiertem Wasser besprüht werden konnten. Überschüssiges Wasser wurde dann entfernt, indem die Bahn ein drittes Mal über den Vakuumschlitz geführt wurde. Die Bahn wurde dann unter Umgebungsbedingungen im Hängen trocknen gelassen.
Das Formen der geladenen Bahn wurde durchgeführt, indem die Bahn zwischen zusammenpassenden Teilen einer halbkugelförmigen, becherförmigen, erhitzten Form gepresst wurde, welche etwa 55 mm hoch war und ein Volumen von etwa 310 cm³ aufwies. Bei diesem Heißformverfahren wurden die obere und die unter Hälfte der Form auf etwa 110 °C erhitzt und die Bahn wurde zwischen die Formhälften gegeben. Die erhitzte Form wurde dann mit einem Schlitz von 0,508 bis 0,762 mm für ungefähr 15 Sekunden geschlossen. Nach der festgelegten Zeit wurde die Form geöffnet und das geformte Produkt wurde entnommen.
Anfänglicher Durchtritt und Druckabfall der geformten Gesichtsmaske wurden unter Verwendung des AFT-8130 Partikeldurchtrittstests gemessen. Die Steifigkeit des Elementes wurde durch das Testverfahren für die Steifigkeitsbestimmung des geformten Artikels gemessen. Die Testergebnisse sind unterhalb in Tabelle 1 angegeben.
Beispiel 2
Ein geformter becherförmiger Filter wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Zweikomponenten-Stapelfaser durch eine Mischung aus 70 % CELBOND T254, (12 dpf, Länge 38 mm) und 30 Polyesterstapelfaser, erhältlich als Type 295, (15 dpf, Länge 38 mm) ersetzt wurde. Der mittlere geometrische Faserdurchmesser für die CELBOND T254 Stapelfaser betrug 33 μm, der mittlere geometrische Faserdurchmesser der Type 295 betrug 35 μm und der mittlere geometrische Faserdurchmesser der Mikrofasern betrug 4,4 μm. Das Flächengewicht der Stapelfaserkomponente betrug ungefähr 130 g/m². Das gesamte Flächengewicht der Kombinationsbahn betrug etwa '242 g/m². Das geformte becherförmige Filterelement in diesem Beispiel wurde getestet und die Ergebnisse sind unterhalb in Tabelle 1 gezeigt.
Beispiel 3
Ein geformter Filter wurde hergestellt wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass die Zweikomponenten-Stapelfaser durch eine Mischung aus 49 % CELBOND T254, (12 dpf, Länge 38 mm), 21 % Polyesterstapelfaser, erhältlich als Typ 295, (15 dpf, Länge 38 mm) und 7 Mikrofaser-Mikrobahnen, wie in US-Patentschrift 4,813,946 an Insley beschrieben, ersetzt wurde. Der mittlere geometrische Faserdurchmesser für die CELBOND T254 Stapelfaser betrug 33 μm, der mittlere geometrische Faserdurchmesser der Type 295 betrug 35 μm und der mittlere geometrische Faserdurchmesser der Mikrofasern betrug 4,4 μm. Der Schmelzzusatz CHIMASSORB 944FL, welcher in diesem Beispiel verwendet wurde, wurde mit 1,0 Gewichtsprozent als Ersatz für die Kombination aus TPX-DX820/CHIMASSORB 944 FL, welche in Beispiel 1 verwendet wurde, verwendet. Das Verhältnis der geblasenen Polypropylen-Mikrofasern wurde auf 99 Gewichts erhöht. Das Flächengewicht der geblasenen Mikrofaserkomponente in der Kombinationsbahn betrug ungefähr 52 m/m², die Stapelfaser hatte ungefähr 115 g/m² und die Mikrofaser-Mikrobahnen ungefähr 17 g/m². Das gesamte Flächengewicht der Kombinationsbahn betrug etwa 219 g/m². Der Gegenstand von Beispiel 3 wurde auf Druckabfall, Durchtritt und Steifigkeit getestet und der Qualitätsfaktor wurde bestimmt:
TABELLE 1
Die Daten, die in Tabelle 1 gezeigt sind, zeigen, dass der Druckabfall mit der Zugabe von Stapelfasern verringert werden kann und dass die geformte Schale immer noch eine Steifigkeit größer als 0,5 Newton aufweist. Die Zugabe von Mikrofaser-Mikrobahnen erhöht den Druckabfall etwas, erhöht aber dabei auch die Steifigkeit.
Beispiel 4
Eine geblasene Mikrofaser-Kombinationsbahn wurde hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, unter Verwendung von 45 Gewichts% geblasener Mikrofaser und 55 Gewichts thermisch bindender Zweikomponenten-Stapelfaser. Der mittlere geometrische Faserdurchmesser für die Stapelfasern und Mikrofasern betrug jeweils 33 und 4,4 μm. In diesem Beispiel wurden kein TPX oder CHIMASSORB 944 zu der Mikrofaser hinzugefügt. Die entstehende Kombinationsbahn wies ein gesamtes Flächengewicht von etwa 100 g/m² auf. Die Bahn wurde auf beiden Seiten durch ein Fluorierungsmittel behandelt, wie allgemein in WO 00/01737 beschrieben. Die Bahn des Beispiels wurde fluoriert unter Verwendung eines parallelplattigen, kapazitiv gekoppelten Plasmareaktors Model 2480 von PlasmaTherm, St. Petersburg, Florida. Der Elektrodenabstand wurde bei PlasmaTherm für diesen Versuch von seinen 15 cm auf 1,6 cm verringert. Die Bahnprobe wurde in Abschnitte von 20,3 cm mal 30,5 cm geschnitten und wurde auf die angetriebene Elektrode im Reaktor gegeben. Die Reaktorkammer wurde dann geschlossen und auf einen Kammerdruck von etwa 1,3 Pa oder weniger gepumpt. Perfluorpropangas C₃F₈, erhältlich von 3M Company, St. Paul, Minnesota, wurde mit einer Geschwindigkeit von 83 Standard cm³/min in die Kammer gegeben, bis ein Kammerdruck von 40 Pa erreicht wurde. Die Elektroden der Kammer wurden dann auf 1000 Watt angetrieben unter Verwendung von 13,56 MHz von einer Stromquelle und die Bahn wurde für eine Minute behandelt. Das Plasma wurde dann gelöscht und die Gasabgabe unterbrochen. Die Kammer wurde dann evakuiert und auf atmosphärischen Druck entlüftet, bevor die Probe entnommen, umgedreht und zurück in den Reaktor gegeben wurde. Das Verfahren wurde wiederholt, damit beide Seiten der Bahn die gleiche Behandlung erhalten haben.
Dann wurde die behandelte Bahn geladen und geformt, wie in Beispiel 1 beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Bandgeschwindigkeit für das Laden 10,2 cm/s betrug und der Wasserdruck 827 kPa betrug. Die Wasserstrahlen wurden 15 cm über dem Band angeordnet. Die geformte Bahn wurde auf NaCl-Partikeldurchtritt und Druckabfall getestet und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben.
Beispiel 5
Eine Bahn wurde hergestellt, wie in Beispiel 4 beschrieben, mit der Ausnahme, dass bei der Fluorierungsbehandlung die Gasstromgeschwindigkeit des C₃F₈ 169 Standard cm³/min betrug, der Kammerdruck 66,7 Pa betrug und es eine Behandlungszeit von 30 Sekunden für jede Seite der Bahn gab. Zwei Lagen der Bahn wurden kombiniert und geformt, wie in Beispiel 1 gezeigt. Die geformten Bahnen wurden auf NaCl-Partikeldurchtritt und Druckabfall getestet und der Q_F-Wert wurde berechnet und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben:
TABELLE 2
Die Daten, die oben in Tabelle 2 gezeigt sind, zeigen, dass im Vergleich zu Beispiel 1–3 das Flächengewicht durch Fluorieren der Bahn verringert werden kann und eine bessere Filterleistung erreicht wird.

Claims

Filterelement, umfassend: eine poröse geformte Bahn, die thermisch gebundene Stapelfasern und nicht thermisch gebundene, elektrisch geladene Mikrofasern enthält, wobei die poröse geformte Bahn zumindest teilweise durch Bindungen zwischen den Stapelfasern an Überschneidungspunkten der Fasern in ihrer geformten Konfiguration gehalten wird.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei die poröse geformte Bahn etwa 30 bis 70 Gew.-% thermisch bindungsfähige Stapelfasern und etwa 30 bis 70 Gew.-% nicht thermisch bindungsfähige Mikrofasern enthält.
Filterelement nach den Ansprüchen 1–2, wobei die poröse geformte Bahn mehr Mikrofasern als Stapelfasern, bezogen auf das Gewicht, enthält.
Filterelement nach den Ansprüchen 1–3, wobei die Länge der Stapelfasern weniger als 0,3 m beträgt; wobei die Stapelfasern einen mittleren geometrischen Faserdurchmesser von etwa 15 μm oder mehr aufweisen; wobei die Stapelfasern ein Denier aufweisen, das größer als etwa 3 g/9.000 m ist; wobei die Stapelfasern ein thermoplastisches polymeres Material umfassen, das Polyethylenterephthalat, Polyester, Polethylen, Polypropylen, Copolyester, Polyamid oder Kombinationen davon enthält; und wobei die Stapelfasern gekräuselte polymere Fasern mit einer bestimmenden Länge sind.
Filterelement nach den Ansprüchen 1–4, wobei die Stapelfasern etwa 10 bis 30 Kräuselungen pro cm aufweisen.
Filterelement nach den Ansprüchen 1–5, wobei die Stapelfasern Zweikomponentenfasern einschließen.
Filterelement nach den Ansprüchen 1–6, wobei die Mikrofasern einen mittleren geometrischen Faserdurchmesser von etwa 3 bis 10 μm aufweisen.
Filterelement nach den Ansprüchen 1–7, wobei die Mikrofasern aus einem nicht leitenden Harz gebildet sind, das einen Volumenwiderstand bei Raumtemperatur von 10¹⁴ Ohm-cm oder größer aufweist und Polypropylen, Poly(4-methyl-1-penten), Polybutylen oder eine Kombination davon umfassen.
Filterelement nach den Ansprüchen 1–8, wobei die Mikrofasern schmelzgeblasene Mikrofasern sind, die Polypropylen enthalten.
Filterelement nach Anspruch 1, das eine Dicke von etwa 1 bis 4 mm, einen Feststoffgehalt von etwa 5 bis 30 %, ein Basisgewicht von etwa 50 bis 300 g/m² und einen Qualitätsfaktor QF von größer als 0,40 aufweist, wobei QF (1/mm H₂O) = –Ln{NaCl-Penetration(%)/100}/Druckabfall (mm H₂O).
Filtergesichtsmaske, die einen porösen Maskenkörper umfasst, der derart angepasst ist, dass er über die Nase und den Mund einer Person passt, wobei der poröse Maskenkörper Luft zu dem Zwecke durchlässt, dass sie vor dem Einatmen durch einen Träger der Filtergesichtsmaske gefiltert wird, wobei der Maskenkörper aus dem Filterelement nach den Ansprüchen 1–10 gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Filterelements, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer vorgeformten Faserbahn, die thermisch bindungsfähige Stapelfasern und elektrisch geladene nicht thermisch bindungsfähige Mikrofasern einschließt; und Formen der Faserbahn zu einer vorgesehenen Form.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die vorgeformte Bahn einen Feststoffgehalt von etwa 5 bis 30 aufweist.
Verfahren nach den Ansprüchen 12–13, wobei die vorgeformte Bahn etwa 30 bis 70 Gew.-% thermisch bindungsfähige Stapelfasern und etwa 30 bis 70 Gew.-% nicht thermisch bindungsfähige Mikrofasern enthält.
Verfahren nach den Ansprüchen 12–14, wobei die vorgeformte Faserbahn durch Einbringen von thermisch bindungsfähigen Stapelfasern in einen Strom aus geblasenen Mikrofasern bereitgestellt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 12–15, wobei sowohl die Stapelfasern als auch die Mikrofasern eine nicht leitende Oberfläche aufweisen und elektrisch geladen sind.