CN101980744A - 具有一体式接合的呼气阀的过滤式面罩呼吸器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过滤式面罩呼吸器，其具有带具和面罩主体，其中所述面罩主体包括过滤结构和支承结构。呼气阀附接到所述面罩主体上，并包括与所述面罩主体成一整体的阀座。本发明的优点在于避免了单独制造所述呼气阀的某些或全部非动态部件的需求。并且也不必随后将所述阀座附接到所述面罩主体上。

Description

具有一体式接合的呼气阀的过滤式面罩呼吸器
本发明涉及过滤式面罩呼吸器，其采用一体式固定到面罩主体支承结构上的呼气阀。
背景技术
呼吸器通常佩戴在人们的呼吸通道的上方，以用于两个通用目的中的至少一个：(1)抑制杂质或污染物进入佩戴者的呼吸道；(2)抑制其他人或物暴露于由佩戴者呼出的病原体和其他污染物中。在第一种情况下，在空气中含有对佩戴者有害的粒子的环境中佩戴呼吸器，例如汽车车身修理店中。在第二种情况下，在对其他人或物而言存在污染风险的环境中佩戴呼吸器，例如手术室或洁净室中。
一些呼吸器被归类为“过滤式面罩”，因为其面罩主体本身可用作过滤装置。与结合可附接的滤筒(参见如授予Yuschak等人的美国专利RE39,493)或嵌件成型滤芯(参见如授予Braun的美国专利4,790,306)使用橡胶或弹性体面罩主体的呼吸器不同，过滤式面罩呼吸器使过滤介质包括整个面罩主体的大部分，因而没必要安装或更换滤筒。因此，过滤式面罩呼吸器重量相对较轻并且易于使用。公开了过滤式面罩呼吸器的专利的例子包括授予Kronzer等人的美国专利7,131,442、授予Angadjivand等人的美国专利6,923,182和6,041,782、授予Bostock等人的美国专利6,568,392和6,484,722、授予Chen的美国专利6,394,090以及授予Magidson等人的美国专利4,873,972。
为了提供具有持久杯型构造的过滤式面罩呼吸器，面罩主体通常具有模制的成形层。已由热粘合纤维或透空细丝网制成模制的成形层，其被模制成杯型构造。参见(例如)授予Skov的美国专利4,850,347、授予Dyrud等人的美国专利4,807,619、授予Berg的美国专利4,536,440以及授予Huber等人的美国专利Des.285,374。这些成形层通常支承过滤结构，该过滤结构可以包括带电的微纤维非织造网。
为了提高佩戴者的舒适度，有时候过滤式面罩呼吸器具有安装在面罩主体上的呼气阀，以便从面罩内部快速清除佩戴者呼出的气体；参见授予Martin等人的美国专利7,028,689、7,188,622和7,013,895，授予Japuntich等人的美国专利7,117,868、6,854,463和6,843,248，以及授予Bowers的美国专利RE37,974。从面罩内部快速清除呼出的气体可以提高佩戴者的舒适度。
已使用多种技术将呼气阀安装到呼吸器的面罩主体上。在一些呼吸器中，该阀直接焊接在构成面罩主体的多个层上。在其他构造中，将阀座夹到面罩主体上；参见授予Curran等人的美国专利7,069,931、7,007,695、6,959,709和6,604,524。另外，已采用印刷的粘合剂补片将呼气阀固定到面罩主体上；参见授予Williams等人的美国专利6,125,849。在所有这些技术中，都是将阀与面罩主体分开制造的，并随后将阀附接到包括面罩主体的纤维介质和/或透空细丝网上。
发明内容
本发明提供了用于将呼气阀固定到过滤式面罩呼吸器的面罩主体上的新构造。为此，本发明提供一种过滤式面罩呼吸器，其包括(a)带具；(b)面罩主体，其包括(i)过滤结构、(ii)支承结构；以及(c)呼气阀，其包括与支承结构形成整体的阀座。
如上文所述，常规过滤式面罩呼吸器的独立构造的呼气阀直接固定到面罩主体的纤维和透空塑料结构上。本发明同时制造呼气阀阀座与支承结构，因此避免了这些额外的制造步骤。在本发明中，无需单独制造阀座或将阀座安装到面罩主体上。
因为常规的过滤式面罩呼吸器的面罩主体一般使用包含模制非织造网(由热粘合纤维或透空细丝网形成)的成形层来为面罩主体提供结构完整性，所以无法提供与面罩主体形成整体的呼气阀。在一个实施例中，本发明提供包括一个或多个横向构件的面罩主体支承结构，这些横向构件使得阀座成为面罩主体的牢固部件。阀座可一体式附接到一个或多个横向构件上，以提供更加可靠的新型支承结构。
术语表
下文所述术语具有限定的含义：
“对分”是指划分成两个基本相等的部分；
“从中心隔开”是指沿着将面罩主体对分的线或平面彼此明显分开；
“包含”是指其定义如专利术语中的标准那样，是通常与“包括”、“具有”或“含有”同义的开放式术语。虽然“包含”、“包括”、“具有”和“含有”以及它们的变形为常用的开放式术语，但本发明也可以使用较狭义的术语(例如“大致由…组成”)来适当描述，较狭义的术语为半开放式术语的原因在于它仅清除起到其预期功能方面的那些可能对本发明呼吸器的性能具有有害作用的物或元件；
“洁净空气”意指已滤除了污染物的一定体积的大气环境空气；
“污染物”是指颗粒(包括粉尘、薄雾和烟雾)和/或通常不会被视为颗粒但可悬浮在空气(包括呼出气流中的气体)中的其他物质(例如有机蒸气、细菌等)；
“横向构件”是指至少部分(横向(左右)或纵向(垂直))穿过面罩主体的实心部件；
“横跨维度”为当从正面观察呼吸器时，在整个呼吸器上从左到右横向地延伸的维度；
“呼气阀”是指可以打开，以使得呼出气体离开过滤面罩内部气体空间的阀；
“外部气体空间”是指呼出的气体在穿过并且超过面罩主体和/或呼气阀后进入的环境大气空间；
“过滤式面罩”是指面罩主体本身被设计成过滤穿过它的空气；不存在附接到面罩主体上或模制成面罩主体来实现此目的的可独立识别的滤筒或嵌件成型滤芯；
“过滤器”或“过滤层”是指一个或多个透气材料层，该一个或多个层主要适用于从穿过它的气流中移除污染物；
“过滤结构”是指设计成主要用于过滤空气的构造；
“第一侧面”是指横向远离将面罩垂直对分的平面并且当佩戴呼吸器时位于佩戴者的面颊和/或颌部区的面罩主体区域；
“柔性阀瓣”是指能够随着呼出气流所施加的力而弯曲或挠曲的片状制品；
“带具”是指有助于将面罩主体支承在佩戴者的面部上的结构或部件组合；
“阻碍移动”是指在受到正常使用条件下存在的力作用时不会明显移动；
“成一整体”是指同时一起制造，即作为一个部件制成，而不是随后接合在一起的两个独立制造的部件；
“内部气体空间”是指面罩主体与人面部之间的空间；
“分界线”意指折线、接缝、焊线、粘结线、缝线、铰合线和/或其任意组合；
“活动铰链”是指允许构件从此处延伸，以旋转方式大体上围绕其枢转的机构，这样在正常使用条件下可避免对构件或铰链接头造成损坏；
“面罩主体”是指透气的结构，其被设计成贴合在人的鼻部和嘴部上，并有助于限定与外部气体空间分离的内部气体空间；
“周边”是指面罩主体的外边缘，当某人戴上呼吸器时，该外边缘一般将靠近佩戴者的面部设置；
“褶绉”是指被设计成自身向后折叠的部分；
“打褶的”是指自身被向后折叠；
“聚合物的”和“塑料的”均是指材料主要包括一种或多种聚合物，并且也可以包含其他成分；
“多个”是指两个或更多个；
“呼吸器”是指由某人佩戴以向佩戴者提供清洁空气以供呼吸的空气过滤装置；
“刚性”是指对来自人手指的微小压力基本上不会轻易变形的部件。
“密封表面”是指阀处于关闭位置时与柔性阀瓣接触的表面；
“第二侧面”是指面罩主体的一个区域，该区域远离垂直对分面罩的平面线(第二侧面与第一侧面相对)，并当戴上呼吸器时，将位于佩戴者的颊和/或颌区域；
“支承结构”是指一种构造，该构造设计为具有足够的结构完整性，以便在进行正常操作时，保持其所需的形状并有助于保持由其支承的过滤结构的预期形状；
“间隔”表示物理分离，或在其间具有可测距离；
“横向延伸”表示通常在横跨维度上延伸；
“阀底座”是指包括密封表面并接合到面罩主体上的呼气阀的部分；以及
“阀座”是指包括密封表面和阀底座的呼气阀的部分。
附图说明
图1示出了根据本发明的过滤式面罩呼吸器10被佩戴在人的面部上时的前透视图；
图2a和2b为一体固定到根据本发明的支承结构16上的呼气阀28的剖视图；
图3为面罩主体12的前视图，其具有与根据本发明的支承结构16成一整体的阀座38；
图4为面罩主体12的前视图，其具有呼气阀28，该呼气阀在阀座38处一体接合到支承结构16上；
图5为沿图2b中穿过过滤结构18的线5-5截取的剖视图，该过滤结构可以用于本发明的面罩主体12。
图6为可用于本发明的面罩主体的过滤结构18的透视图；以及
图7为可用于形成过滤结构18的坯料的平面图。
具体实施方式
在实施本发明时，提供的过滤式面罩呼吸器具有与面罩主体的支承结构成一整体的呼气阀阀座。本发明将阀座一体接合到支承结构本身上，而非将阀座安装到包含热粘合纤维或透空塑料网的成形层上。当阀座一体接合到支承结构上时，无需单独制造阀座或将其机械固定到面罩主体上。
图1示出了根据本发明可以使用的成形的过滤式面罩呼吸器10的例子。如图所示，过滤式面罩呼吸器10包括面罩主体12和带具14。面罩主体12具有支承结构16和过滤结构18。支承结构16包括周边20、第一侧面22以及相对的第二侧面24。佩戴呼吸器10时，支承结构16的周边20可以(但并非必须地)接触佩戴者的面部。周边20可以具有在面罩主体12的周边的周围并与其周边相邻的连续延伸360°度的构件或构件的组合。佩戴者的面部通常只接触过滤结构18的内表面或周边，或其他面密封材料，以便实现舒适的贴合。因此，过滤结构18的周边边缘可以在径向上稍微延伸超过支承结构的周边20。面罩主体12也可以包括横向构件25和27，这些横向构件横向延伸穿过面罩主体12。如图所示，这些横向延伸的横向构件25和27从呼吸器的第一侧面22延伸至第二侧面24。然而，本发明设想了这些横向构件不必完全地而仅部分地延伸穿过面罩主体12的实施例。使用从第一侧面22延伸至第二侧面24的横向构件可以提供支承结构16，其具有非常好的结构稳定性，因而可以优选地与本发明结合(但非必须)以提供可以在其上一体固定呼气阀28的结构。这些横向构件也可(例如)沿纵向部分或完全穿过面罩主体12。为了易于与支承结构16同时形成或与其“一体地”形成阀28或其部分，支承结构16可以包括多个横向构件，这些横向构件有助于限定面罩主体的形状，同时支承阀28和过滤结构18。
支承结构16还可以包括可纵向移动的横向延伸构件30。该可纵向移动的横向延伸构件30可以从面罩主体12的第一侧面22延伸至第二侧面24，优选的是，侧面22和24之间没有用任何会阻碍横向延伸构件30进行纵向移动的纵向延伸构件将此横向延伸构件接合在一起。也就是说，优选地不存在将构件30连接到构件27以便在佩戴者伸展其下颌或张开嘴部时限制构件30远离构件27移动的结构构件。当从前面将呼吸器投影到平面上进行观察时，横向是指以通常的“x”方向横穿呼吸器延伸的方向，纵向是指以通常的“y”方向在呼吸器10的底部与顶部之间延伸的维度。当通过此类平面投影观察时，横向延伸构件30能够在通常“y”轴方向上移向和离开构件27。使用可纵向移动的构件30可以使面罩主体12伸展，以更好地适应佩戴者颌部的移动以及各种尺寸的面部。参见提交于2007年9月20日的名称为Filtering Face-Piece Respirator That Has ExpandableMask Body(具有可伸展面罩主体的过滤式面罩呼吸器)的美国专利申请序列号60/974,025(代理人档案号63165US002)。
呼吸器10通过带具14支承在佩戴者的面部上，该带具可以包括第一带子32a和第二带子32b。可以通过一个或多个扣环34调节这些带子32a、32b的长度。可以用包括网装固定、粘结剂粘结、焊接等在内的多种方法在带具固定凸缘构件36a、36b处将扣环34固定到面罩主体12的第一侧面22和第二侧面24上。扣环34也可以一体成形到支承结构16中；参见提交于2007年9月20日的名称为Filtering Face-Piece RespiratorHaving Buckles Integral To The Mask Body(具有与面罩主体成一整体的过滤式面罩呼吸器)的美国专利申请序列号60/974,031(代理人档案号63355US002)。带具凸缘36a、36b的厚度通常可以为约2至3mm。
图2a和2b示出在阀座38处固定到支承结构16上的呼气阀28的剖面。阀座38包括阀底座40，该阀底座在横向构件25和27处一体接合到支承结构16上。呼气阀28还具有阀盖42，其位于阀座38的上方，以限定呼出空气在从阀盖开口44离开阀28之前经过的空气室43。呼气阀28还具有柔性阀瓣46，其可以根据呼吸器佩戴者呼气过程中产生的呼气压力而从密封表面48升起。在图2a中，阀座具有弯曲的密封表面48，而在图2b中，当从侧面观察时，密封表面通常呈平面。阀瓣可以由已知的挠性材料制成(参见(例如)授予Japuntich等人的美国专利6,854,463和授予Martin等人的美国专利7,028,689)并可以呈多种片状形状(参见(例如)授予Mittelstadt等人的美国专利6,883,518)。
图3示出面罩主体12的前视图，其中阀盖(42，图2a和2b)以及柔性阀瓣(46，图2a和2b)已移除，使得阀座38更易看见。如图所示，阀座38包括密封表面48和孔50。尽管示出的密封表面48和孔50均为圆形的，但它们可以独立地呈多种其他构型，包括矩形、椭圆形等。孔50可使呼出的空气从内部气体空间穿过阀，最终进入外部气体空间。当如图3所示从前面观察时，密封表面48围绕孔50。可以在孔50内采用一个或多个孔口分割件52，以在整个孔50内提供多个开口54。可以在阀座38中提供一个或多个阀柱56或其他部件，以使柔性阀瓣(46，图2a和2b)固定到阀座38上时正确对齐。
一体附接到根据本发明的支承结构上的呼气阀可以具有与以下专利中所述的单向阀相似的构造：授予Martin等人的美国专利7,188,622、7,028,689和7,013,895；授予Japuntich等人的美国专利7,117,868、6,854,463、6,843,248和5,325,892；授予Mittelstadt等人的美国专利6,883,518；以及授予Bowers的美国专利RE37,974。阀盖也可以模制为以铰接的方式与阀座成一整体，使得其仅需旋转与阀座接合便可通过摩擦和/或机械或粘合紧固件牢固地固定在阀座上，参见美国专利6,047,698。授予Japuntich等人的美国专利Des.347,298和授予Bryant等人的Des.347,299示出了阀盖设计的例子。可以提供合适压降并可一体固定到支承结构上的几乎任何呼气阀均可以结合本发明使用。
从前面观察时，阀底座的大小通常涵盖小于约25平方厘米(cm2)的面积(测量其外部尺寸得到)。更典型的是，底座的大小涵盖通常小于约16cm2的面积。当使用挡板或悬臂式阀时(参见(例如)授予Japuntich等人的美国专利5,509,436和授予Magidson等人的美国专利6,047,698)，阀底座的纵向尺寸可大于其横向尺寸。通常，包括底座的构件的厚度小于1cm。底座构件的厚度通常大于2mm而小于5mm。更典型的是，底座构件的厚度为约2至4mm。阀底座通常占据约2至10cm2的面积，更典型的是约3至7cm2。底座优选地围绕面罩主体中的开口连续延伸360°。面罩主体的开口以及阀座优选地位于佩戴者佩戴呼吸器时佩戴者嘴部位置的正前方。支承结构的横向构件的厚度可以为约0.25至5mm，更典型地为约1至3mm。带具凸缘36a、36b的厚度通常可以为约2至3mm。
可以用任何已知的技术(例如注模)制造阀座和/或支承结构。已知的塑料(例如烯烃)包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯和聚甲基(戊烯)；塑性体；热塑性体；热塑性弹性体；以及它们的共混物，这些塑料可用于制备框架和/或支承结构。可以在形成框架和/或支承结构的组合物中加入添加剂，例如颜料、UV稳定剂、防结块剂、成核剂、杀真菌剂和杀细菌剂。塑料通常具有约75至300兆帕斯卡(MPa)的弯曲挺度，更通常为约100至250MPa，还通常为约175至225MPa。也可以用金属或陶瓷材料代替塑料来构造阀座和/或支承结构，不过由于处理/成本/柔韧性方面的原因，塑料可以是优选的。
选择用于阀座和/或支承结构的塑料应具有弹性、形状记忆和抗挠曲疲劳性，使得支承结构可多次(即大于100次)变形(尤其是在任何铰链点处)，然后回到其初始位置。所选的塑料应能经受无数次的变形，使得支承结构具有比过滤结构更长的使用寿命。支承结构不是构成过滤结构(或与过滤结构一起制造)必需的一部分的部件或组件，并且包括尺寸设计成大于过滤结构中所用的纤维尺寸的构件。以横截面观察时，支承结构构件可以为矩形、圆形、三角形、椭圆形、梯形等。优选的是阀座的结构呈刚性，使得密封表面保持其所需的构型。尽管期望阀座的结构呈刚性，但阀座接合的横向构件可以具有充分的柔性，使得面罩主体能够适形于佩戴者面部，并使其(例如)在使用期间贴合到另一物体而发生变形时恢复其所需构型。
图4示出阀盖42可以置于阀座38的上方。阀盖42可以铰接的方式沿着一个边缘一体接合到阀座上，或可以胶合、焊接、机械接合到其上，或通过此类方式的组合固定到其上。从而可以将阀盖和阀座制造成单独的部件。美国专利Des.347,298和Des.347,299示出了可以使用的阀盖的例子。阀盖可以包括将柔性阀瓣固定到阀座38上的一个或多个表面。阀盖与阀座的制造材料可以相似或不同，但是通常由相同的刚性塑料制成。
图5示出可以结合本发明使用的示例性过滤结构18的横截面。如图所示，过滤结构18可以包括一个或多个覆盖纤维网70a和70b，以及过滤层72。覆盖纤维网70a和70b可以位于过滤层72的相对的两侧，以便捕捉可能会从该处松掉的任何纤维。通常应选择可提供舒适感(特别是在与佩戴者面部接触的过滤结构18的侧面上提供舒适感)的纤维来制成覆盖纤维网70a和70b。可以结合本发明的支承结构使用的多种过滤层和覆盖纤维网的构造将在下文中更详细地描述。
图6示出了可以用于本发明呼吸器的过滤结构18的一个例子的透视图。过滤结构18可以包括第一横向延伸分界线74a和第二横向延伸分界线74b。这些分界线74a、74b可以在过滤结构18的中部彼此间隔较大的距离，但可以朝侧面76和78横向移动而彼此会聚。分界线74a、74b可以包括折痕、焊接线、缝合线、粘结线、铰合线或它们的组合。一般来讲，第一分界线74a和第二分界线74b对应于支承结构上某些横向构件的位置。当第一分界线74a和第二分界线74b限定可以在其之间形成的褶绉80时，第一分界线74a和第二分界线74b优选地分别固定到横向延伸构件27和30上，从而允许过滤结构以类似手风琴的方式在位于其之间的褶绉80周围打开和关闭。过滤结构18还包括大体垂直的分界线82，其可以位于过滤结构的鼻部区域中，用于清除制造过程中在鼻部区域积聚的多余材料。尽管示出的过滤结构18只有单个褶绉80，但过滤结构18可以在横向维度包括两个或更多个这样的褶绉。在此类情况下，优选的是提供这样的支承结构：其具有可移动的横向延伸构件在此处接合的多个活动铰链。为了提高贴合度和佩戴者舒适度，可以将弹性体面密封件固定到过滤结构18的周边86。当戴上呼吸器时，此类面部密封件可以径向向内延伸以接触佩戴者的面部。面部密封件可由热塑性弹性体制成。面部密封件的例子在授予Bostock等人的美国专利6,568,392、授予Springett等人的美国专利5,617,849、授予Maryyanek等人的美国专利4,600,002、以及授予Yard的加拿大专利1,296,487中有所描述。
过滤结构可采用多种不同的形状和构型。过滤结构通常被适形处理，从而它靠着支承结构或在支承结构内正确贴合。一般来讲，过滤结构的形状和构型对应于支承结构的大致形状。过滤结构可从支承结构向内径向设置，其还可以从支承结构向外径向设置，或其可以设置在构成支承结构的多个构件之间。尽管示出的过滤结构具有包括过滤层和两个覆盖纤维网的多个层，但过滤结构可以只是包括过滤层或过滤层的组合。例如，可在更精选的下游过滤层的上游设置预过滤层。另外，可将吸附性的材料(例如活性炭)设置在具有过滤结构的纤维和/或多种层之间。还可以将单独的颗粒过滤层结合吸附性的层使用，从而得到对颗粒和蒸气两者的过滤。过滤结构可以包括一个或多个允许保持这种杯成形构型的硬化层。作为另外一种选择，过滤结构可以具有有助于其结构完整性的一条或多条水平和/或垂直分界线来协助维持杯状构型。
本发明的面罩主体中使用的过滤结构可为颗粒捕集型过滤器或气体和蒸气型过滤器。过滤结构也可以为防止液体从过滤层的一侧转移到另一侧的阻挡层，以防止(例如)液体气溶胶或液体飞溅渗透过滤层。根据应用需求，可以使用多层类似或不类似的过滤介质，以构造本发明的过滤结构。可以在本发明的分层面罩主体中有利地利用的过滤器一般来讲处于低压降(例如在13.8厘米/秒的面速度下小于约195至295帕斯卡)状态下，以使面罩佩戴者的呼吸工作量最小化。另外，过滤层为柔性的并具有足够的抗剪强度，使得它们在预期使用条件下通常可以保持其结构。颗粒捕集过滤器的例子包括一个或多个细小无机纤维(例如玻璃纤维)网或聚合物合成纤维网。合成纤维网可以包括通过例如熔吹法制成的驻极体充电的聚合物微纤维。由已充电的聚丙烯形成的聚烯烃微纤维尤其为颗粒捕集应用提供实用性。替代的过滤层可以具有用于从呼吸空气中移除危害性或恶臭气体的吸附剂组分。吸附剂可以包括通过粘结剂、胶合剂或纤维结构粘在过滤层中的粉末或颗粒，参见授予Braun的美国专利3,971,373。吸附剂层可以通过涂覆基底(例如纤维或网状泡沫)来形成，以形成薄的粘附层。吸附剂材料可以包括经过或未经过化学处理的活性炭、多孔氧化铝-二氧化硅催化剂基底和氧化铝粒子。可以适应到多种构型中的吸附性过滤结构的实例在授予Senkus等人的美国专利6,391,429中有所描述。
过滤层通常经过选择以实现所需的过滤效果，并且一般来讲，从由其经过的气流中除去高比例的颗粒和/或其他污染物。对于纤维过滤层而言，根据将要过滤掉的物质种类选择纤维，并且通常对纤维进行选择从而在模制操作中它们不会变得粘合在一起。如所指出的那样，过滤层可以多种形状和形式出现，并且厚度通常为约0.2毫米(mm)至1厘米(cm)，更通常为约0.3mm至0.5cm，它可以为大致平面的幅材，或可以为波纹状从而得到膨胀的表面积，参见(例如)授予Braun等人的美国专利5,804,295和5,656,368。过滤层也可以包括通过粘合剂或任何其他方法接合在一起的多个过滤层。已知(或后来开发)用于形成过滤层的基本上所有合适的材料均可用于本发明的过滤材料。熔吹纤维网，例如在Wente、Van A.的Superfine Thermoplastic Fibers，48 Indus.Engn.Chem.(超细热塑性纤维，第48卷，工业与工程化学)，第1342页及后续页等(1956年)中所述，特别是以永久带电(驻极体)的形式存在时是尤其可用的(参见(例如)授予Kubik等人的美国专利No.4,215,682)。这些熔吹纤维可以为有效纤维直径小于约20微米(mm)(称为BMF，即“吹塑微纤维”的简称)，典型地为约1至12μm的微纤维。可以根据Davies，C.N.，TheSeparation Of Airborne Dust Particles，Institution Of MechanicalEngineers，London，Proceedings 1B，1952(Davies，C.N.，空浮尘粒的分离，机械工程师学会(伦敦)，论文集1B，1952年)确定有效的纤维直径。特别优选的是包含由聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)及其组合形成的纤维的BMF网。如在van Turnhout的美国专利Re.31,285中所教导，带电荷的原纤化薄膜纤维也可以为合适的，以及松香-羊毛纤维网和玻璃纤维网或溶液吹塑网、或静电喷涂纤维网，特别是以微薄膜的形式。如授予Eitzman等人的美国专利6,824,718、授予Angadjivand等人的美国专利6,783,574、授予Insley等人的美国专利6,743,464、授予Eitzman等人的美国专利6,454,986和6,406,657、以及授予Angadjivand等人的美国专利6,375,886和5,496,507中所公开的那样，可以让纤维接触水将电荷传递给纤维。正如授予Klasse等人的美国专利4,588,537中所公开的那样，可以通过电晕充电，或者正如授予Braun的美国专利4,798,850中所公开的那样，通过摩擦充电将电荷传递给纤维。另外，可将添加剂包含在纤维中，以增强通过水充电法制成的纤维网的过滤性能(参见授予Rousseau等人的美国专利5,908,598)。尤其可以将氟原子设置在过滤层中的纤维表面处，以改善油雾环境中的过滤性能，参见授予Jones等人的美国专利6,398,847 B1、6,397,458 B1和6,409,806 B1。驻极体BMF过滤层的通常基重为约10至100克/平方米。当根据(例如)’507专利中所述的技术充电时，以及当包括在授予Jones等人的专利中提到的氟原子时，基重可以分别为约20至40g/m2以及约10至30g/m2。
可使用内覆盖纤维网，从而得到用于接触佩戴者的面部的平滑表面，并且可使用外覆盖纤维网，以收集面罩主体中的松散纤维或获得美观效果。虽然覆盖纤维网通常对过滤结构不提供任何基本的有益过滤效果，但当设置在过滤层的外部上(或上游)时，其可充当预过滤器。为了获得合适程度的舒适度，内覆盖纤维网优选地具有相对较小的基重，并且由相对细小的纤维形成。更具体地讲，可以将覆盖纤维网形成为具有约5至50g/m2(通常10至30g/m2)的基重，并且纤维的纤度小于3.5旦尼尔(通常小于2旦尼尔、更通常小于1旦尼尔，但大于0.1旦尼尔)。在覆盖纤维网中使用的纤维通常具有约5微米至24微米的平均纤维直径，通常为约7微米至18微米，更通常为约8微米至12微米。覆盖纤维网材料可以具有一定程度的弹性(断裂时通常但非必须为100至200％)，并且可以塑性变形。
用于覆盖网的适当材料为吹塑微纤维(BMF)材料，尤其是聚烯烃BMF材料，例如聚丙烯BMF材料(包括聚丙烯混合物，并且也包括聚丙烯和聚乙烯的混合物)。制造用于覆盖纤维网的BMF材料的适当工艺描述于授予Sabee等人的美国专利4,013,816中。可以通过将纤维收纳在光滑表面(典型地为表面光滑的辊子)上形成网。还可使用纺粘纤维。
通常的覆盖纤维网可以由聚丙烯或包含50重量％或更多聚丙烯的聚丙烯/聚烯烃混合物制成。已经发现这些材料能够向佩戴者提供高度的柔软性和舒适度，并且当过滤材料为聚丙烯BMF材料时，能够在层之间不需要粘合剂的情况下一直固定到过滤材料上。覆盖纤维网中适用的聚烯烃材料可以包括(例如)单种聚丙烯、两种聚丙烯的混合物、聚丙烯与聚乙烯的混合物、聚丙烯与聚(4-甲基-1-戊烯)的混合物和/或聚丙烯与聚丁烯的混合物。用于覆盖纤维网的纤维的一个例子是由得自Exxon Corporation的聚丙烯树脂“Escorene 3505G”制成的聚丙烯BMF，其提供约25g/m2的基重和在0.2至3.1范围内的纤度(在100根纤维上测量的平均值约0.8)。另一种合适的纤维是聚丙烯/聚乙烯BMF(由包含85％的树脂“Escorene 3505G”和15％的也得自Exxon Corporation的乙烯/α-烯烃共聚物“Exact 4023”的混合物制成)，其提供约25g/m2的基重和具有约0.8的平均纤度。合适的纺粘材料可以商品名“Corosoft Plus 20”、“Corosoft Classic 20”和“Corovin PP-S-14”得自Corovin GmbH(Peine，Germany)，梳理成网的聚丙烯/粘胶纤维材料可以商品名“370/15”得自J.W.Suominen OY(Nakila，Finland)。
本发明中使用的覆盖纤维网优选地在处理之后具有很少的从纤维网表面伸出的纤维，因此具有平滑的外表面。可以在本发明中使用的覆盖纤维网的实例在(例如)授予Angadjivand的美国专利6,041,782、授予Bostock等人的美国专利6,123,077和授予Bostock等人的国际专利96/28216A中有所公开。
实例
测试方法
1.弯曲挺度测试(SFT)
根据ASTM D 5342-97第12.1节至12.7节测量用于制造支承结构的材料的弯曲挺度。为此，从坯料膜切取六个试件，成为约25.4mm宽×约70mm长的矩形件。根据下文所述制备试件。在Taber挺度单位设置成10-100的150-E型Taber V-5挺度测试仪(得自Taber Corporation，455Bryant Street，North Tonawanda，New York，14120)中测量试件。记录测试结束时设备显示器上的Taber挺度读数，使用以下公式计算弯曲挺度：
Figure BPA00001230891700141
Taber挺度＝记录的根据ASTM D5342-97第12.1节至12.7节测量的材料抗弯强度。
宽度＝以cm表示的膜试件宽度，其为2.54cm。
厚度＝使用标准数显卡尺沿着材料的长度在五个等距隔开的位置测量的以cm表示的试件平均厚度。
取这六个样品的弯曲挺度的平均值，得到弯曲挺度。
样品制备
1.弯曲挺度测试试件
使用可共混到一起用于制造呼吸器支承结构的相同复合聚合物成分制备弯曲挺度测试的试件。支承结构的聚合物组合物的例子见表2。使用四十(40)克化合物制备半径为114mm、厚为0.51至0.64mm的圆形膜。将第一批40克复合材料倒入双螺杆辊刃6型BRABENDER密炼机(得自C.W.Brabender instruments Inc.，50 East Wesley Street，P.O.Box 2127，South Hackensack，NJ，07606)。以75转每分钟(RPM)的速度和185℃的温度运行密炼机。将熔化的化合物混合约10分钟后，以44.5千牛(KN)的力挤压混合物以制成直径为114mm、厚为0.51至0.64mm的平坦圆形膜。使用设定为149℃的热压板进行压缩。热压板为Genesis 30吨压力成型机(得自WABASH Equipments 1569 Morris Street，P.O.Box 298，Wabash，IN 46992)。进行弯曲挺度测试前，将膜切成所需的尺寸为25.4mm宽×70mm长的试件。
2.呼吸器支承结构的制造
可使用标准注射成型方法制备呼吸器支承结构的样品。通常与图1、3和4所示支承结构的几何形状匹配的单槽阳模和阴模可在工具厂制造。在松弛状态下，或当支承结构仍在模具上时，测得支承结构从顶部到底部的距离为115mm，从左侧到右侧的距离为120mm。测量可在呼吸器处于无应力状态下时，分别沿着周边上的最高点与最低点和两个活动铰链点之间的直线进行的。包括支承结构的构件的目标厚度为约2.5毫米。可以使横向延伸构件具有梯形横截面，以便更容易地从模具中取出支承结构。横向延伸构件的横截面积范围可以为约7.5至12mm2。通过使用同时制造支承结构和阀座的模具可在设置于中央的横向构件处将阀座一体接合到支承结构上。
以表1所示的条件和设定点，在注射成型过程中可使用110吨Toshiba VIS-6模压机制造支承结构：
表1
呼吸器支承结构注模条件
Figure BPA00001230891700151
可以指定重量百分比将列于下表2的聚合物组合混合，以获得支承结构的所需物理特性。
表2
支承结构组合物
Figure BPA00001230891700152
Figure BPA00001230891700161
*占总组合物的含量低于1重量％。
3.呼吸器过滤结构的制造
呼吸器过滤结构由两层254mm宽的非织造纤维驻极体过滤材料形成，它们层合在相同宽度的一个50克每平方米(gsm)的白色非织造纤维纺粘材料外层和一个22gsm的白色非织造纤维纺粘材料内层之间。两层非织造纤维纺粘材料均由聚丙烯制成。驻极体过滤材料为用于3M 8511 N95呼吸器的标准过滤材料。将层合的纤维网坯料切成254mm长的片材以形成方块，然后形成具有在整个过滤结构中横向延伸的三维(3D)褶绉的杯状形式。
如图7所示，其中虚线表示折叠线，实线表示焊接线(或图7中的分界线74a和74b)，用超声波将曲率半径相同(半径为258.5mm)的两条曲线74a、74b焊接，形成复杂的3D褶绉(图6中的80)。各曲线上最高点之间的距离为40mm，曲线的两端在左右端点(相距约202mm)相遇。通过将层合的过滤介质沿着距离层合纤维网的一个边缘至少76mm的第一折叠线90折叠形成第一曲线74b。在第二折叠线92处将层合纤维网折叠形成第二曲线，沿着该第二曲线焊接形成第二曲线74a，其中第二折叠线92与第一折叠线90之间的距离为62mm。在形成了构成3D褶绉的两条曲线后，除去曲线外部的多余材料。然后沿着垂直中心线94将分层材料折叠，并从距离第二曲线的中点51mm的位置起焊接分界线82(图6)，如图7所示。该步骤可移除任何多余的材料并形成正确贴合呼吸器支承结构的杯型。使用超声焊接法进行焊接。以峰值功率模式、100％的振幅和483MPa的气压使用Branson 2000ae超声焊接设备和电源。
4.其他呼吸器组件
面部密封件：标准3M 4000系列呼吸器面部密封件。
鼻夹：标准3M 8210 Plus N 95呼吸器鼻夹。
头带：标准3M 8210 Plus N 95呼吸器头带材料，但为白色。去掉了3M 8210 Plus呼吸器头带的黄色颜料。
扣环：使用与背包扣环相似的扣环，具有允许对头带材料进行舒适调节的挠性节。
呼气阀盖：8511呼吸器的3M Cool FlowTM阀盖。
呼气阀阀瓣：8511呼吸器的3M Cool FlowTM柔性阀瓣。
5.呼吸器组件
将面部密封件材料切成约140mm×180mm的片材。然后，使用冲切工具在面部密封件中央形成125mm×70mm的椭圆形开口。将具有中央切口的面部密封件连接到如上所述制备的呼吸器过滤结构上。将用于超声焊接过滤元件结构的相同设备用于在类似的工艺条件下将面部密封件固定到过滤结构上。焊砧具有约168mm宽、114mm长的椭圆形形状。在将面部密封件接合到过滤结构后，除去焊线以外的多余材料。将鼻夹横跨鼻区贴附到组装好的过滤结构的外部。然后，将预组装的过滤元件以其所需的取向插入支承结构。复杂的3D褶绉战略性地位于图3和4所示的横向延伸构件27与30之间。用100％输出的手持Branson E-150超声焊接设备焊接1.0秒，沿着每个横向延伸构件形成支承结构与过滤结构之间的连接点，间隔为20至25mm。用12.7mm重型STANLEY装订线材将四个头带扣环网装固定到带具凸缘36a、36b上，其位于活动铰链96上方和下方的支承结构的两侧。将450mm长的编织头带材料穿过扣环，从而完成呼吸器的组装过程。将柔性阀瓣置于阀座上，然后将阀盖置于阀座的顶部，使得阀瓣在阀座上的阀瓣保持表面与阀盖上的相对表面之间被压紧。
弯曲挺度测试结果
选择表2中所列的复合成分，以匹配支承结构所需的结构性质和柔韧性。计算的支承结构材料的弯曲挺度列于下表3中：
表3
呼吸器支承结构材料弯曲挺度
Figure BPA00001230891700181
表3中所列的数据表明支承结构材料的弯曲挺度为约200MPa。
在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可对本发明进行各种修改和更改。因此，本发明并不限于上述内容，而是受以下权利要求书及其任何等同物提及的限制的控制。
本发明也可以在不存在本文未具体描述的任何元件的情况下适当地实践。
以上引用的所有专利和专利申请，包括在背景技术章节中的那些，均以全文引用方式并入本文。如果在并入文件中的公开内容与上述说明书之间存在冲突或不符，以上述说明书为准。

Claims (23)

1.一种过滤式面罩呼吸器，包括：
(a)带具；
(b)面罩主体，其包括：
(i)过滤结构；以及
(ii)支承结构；以及
(c)呼气阀，其包括与所述支承结构成一整体的阀座。
2.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述支承结构包括延伸穿过所述面罩主体至少一部分的多个间隔开的横向构件，所述横向构件中的至少两个与所述呼气阀成一整体。
3.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述支承结构包括一个或多个横向构件，所述阀座与所述一个或多个横向构件成一整体。
4.根据权利要求3所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述横向构件未完全延伸穿过所述面罩主体。
5.根据权利要求3所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述一个或多个横向构件从所述面罩主体的第一侧面延伸至第二侧面。
6.根据权利要求5所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述一个或多个横向构件沿纵向延伸。
7.根据权利要求5所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述一个或多个横向构件沿横向延伸。
8.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述阀座与所述支承结构在阀底座处成一整体。
9.根据权利要求8所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述呼气阀还包括与所述阀座成一整体的阀盖。
10.根据权利要求8所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述阀底座的厚度为约2至5mm，并所述阀底座占据约3至7cm2的面积。
11.根据权利要求10所述的过滤式面罩呼吸器，其中当从前面观察所述阀座时，所述阀座围绕所述面罩主体中的开口连续延伸360°。
12.根据权利要求11所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述横向构件的厚度为约1至3mm。
13.根据权利要求12所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述阀座和所述支承结构包括弯曲挺度为约75至300MPa的塑料。
14.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述阀座和所述支承结构包括弯曲挺度为约100至250MPa的塑料。
15.根据权利要求1所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述阀座和所述支承结构包括弯曲挺度为约175至225MPa的塑料。
16.根据权利要求2所述的过滤式面罩呼吸器，其中所述过滤结构包括过滤层和一个或多个覆盖纤维网，并且从所述支承结构径向向内设置。
17.一种过滤式面罩呼吸器，包括：
(a)带具；
(b)面罩主体，其包括；
(i)过滤结构；以及
(ii)支承结构，其包括从所述面罩主体的第一侧面延伸至第二侧面的多个横向延伸的构件；以及
(c)呼气阀，其包括阀座，所述阀座包括密封表面和柔性阀瓣，所述呼气阀与所述支承结构在所述阀座的底座处成一整体。
18.一种制备过滤式面罩呼吸器的方法，所述方法包括：
(a)提供面罩主体，其包括支承结构，所述支承结构具有与所述支承结构成一整体的呼气阀；以及
(b)将至少一个过滤层支承在所述支承结构上。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述支承结构包括多个构件，所述呼气阀与所述多个构件成一整体。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述过滤层具有设置在其中的开口，所述呼气阀与所述支承结构在所述开口处成一整体，所述开口位于佩戴者佩戴呼吸器时佩戴者嘴部位置的正前方。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述支承结构包括多个构件，所述呼气阀与所述多个构件成一整体。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述构件包括从所述面罩主体的第一侧面延伸至第二侧面的横向延伸构件。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述呼气阀具有涵盖小于16cm2面积的底座，并且所述底座包括约1至7mm厚的构件。
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