專利名稱：防毒面具和過濾芯子的制作方法
技術領域：
本發(fā)明與防止氣體或蒸汽的防毒面具和過濾芯子有關，它具有粘結的吸附劑過濾元件，安裝該過濾元件的套管，以及使過濾元件保持在適當位置的套管的折疊邊緣。
諸如活性炭之類的吸附劑顆粒通常用于防毒面具，以作氣體或蒸汽的過濾器。這種過濾器一般按照吸附劑材料安裝在過濾器里的方式進行分類，并包括填充型床式過濾器，裝載型非織造的過濾器，裝載型泡沫塑料過濾器，以及粘結的吸附劑過濾器。
在填充型床式過濾器里，吸附劑顆粒由覆蓋著進口和出口區(qū)域的剛性柵格和絲網施加的、并傳送通過顆粒床的壓縮力而被約束在一容器里。實際上，所有的填充型床式過濾器是圓柱形的，具有穩(wěn)定的厚度或床深，并具有平面的進口和出口。為了充填芯子，通常傾倒吸附劑顆粒使其通過絲網，并在它們落下時散開，由此形成一基本上以最大密度填充的一水平床。來自約束柵格和絲網的壓縮力抑制顆粒移動，以使通過填充型床的溝流減小到最低程度。
美國專利第4,543,112號公布了填充型床式過濾器的一個例子。這個專利描述了依序安裝第一彈性穿孔板，第一滯留濾料，吸附劑床，第二滯留濾料，第二彈性穿孔板，以及在濾毒罐的圓柱形部分內的一蓋子，從而形成一吸附劑過濾組件。該蓋子受力向下壓縮吸附劑床，并彈性地偏壓第一彈性穿孔板。當零件在壓縮下連接在一起時，圓柱罐的環(huán)形邊緣部分被卷進在濾毒罐蓋子圓周上延伸的凹槽里，以便不透氣地密封和機械地固定處在組裝和壓縮關系中的零件。
必需的零件數(shù)量和加工步驟使其復雜化，并使其重量大，體積大和成本高。另一個問題出現(xiàn)在當填充型床式防毒面具連續(xù)地與一顆粒過濾器結合、以用于含有顆粒、以及諸如使用噴漆的有害蒸汽環(huán)境中時。在這種情況下，保持柵格和絲網不動將在顆粒過濾器里產生不均勻的氣流通道，由此降低過濾介質的利用，并增加了通過的壓力降。
已經揭示了裝載式非織造纖維在形成纖維網的纖維之間的空隙里含有吸附劑顆粒。美國專利第3,971,373號公開了一個例子。還揭示了裝載式泡沫塑料含有分布在和粘結在泡沫塑料結構里的吸附劑顆粒。美國專利第4,046,939號描述了一種充滿碳的泡沫塑料，用于抵抗有害的化學物質的防護衣。裝載式非織造纖維網和裝載式泡沫塑料結構必須加邊，以便密封防毒面具零件，防止未過濾的氣體繞過過濾器進入。已知的密封裝置包括諸如美國專利第5,063,926號所述的粘結劑，以及諸如美國專利第5,222,488號所述的墊圈或密封環(huán)。與填充型床相比，裝載式結構一般具有吸附劑顆粒密度較低的缺點。
超過填充型床式技術和裝載式纖維網和泡沫塑料的一個顯著進步是粘結的吸附劑的發(fā)明。在粘結的吸附劑技術里，利用將吸附劑顆粒粘結在一起的聚合物顆粒，將吸附劑顆粒模制成一單一的結構。粘結的吸附劑結構消除了對附加的支承結構(如填充型床所需要的)的需要。美國專利第5,033,465號描述了粘結的吸附劑結構的一個例子。粘結的吸附劑結構利用粘結劑被密封在防毒面具里--例如，見美國專利第5,078,1 32號；或通過注塑模制--例如，見美國專利第4,790,306號。在這些防毒面具里的過濾元件不能被方便地調換，這樣，當過濾器使用壽命到期時，防毒面具只能當廢物扔掉。
本發(fā)明提供一種新的過濾芯子和一種新的防毒面具，以克服已知的防毒面具和過濾芯子的某些缺點。
簡單地說，本發(fā)明的過濾芯子包括(1)一殼體，它包括一具有一內側表面的套管和一自該套管延伸的折疊的邊緣；以及(2)一過濾元件，它包括一粘結的吸附劑過濾元件，該過濾元件被抵壓在套管內側表面上以在它們之間形成一壓配合，并由折疊邊緣固定在套管里。本發(fā)明的防毒面具簡單地說包括一防毒面具面罩和下面概述的過濾芯子。
本發(fā)明的過濾芯子和防毒面具具有一粘結的吸附劑過濾元件，一安裝過濾元件的套管，以及一使過濾元件保持在適當位置的套管的折疊邊緣。通過在與套管交界面處對過濾元件的壓縮，粘結的吸附劑過濾元件和套管殼體之間的交界面可防止出現(xiàn)溝流(即，環(huán)繞著過濾元件的未過濾氣體通過)。當氣體經過孔道里的過濾元件時，它避免與吸附劑顆粒接觸，從而出現(xiàn)污染物質過早的穿透。在套管上可設置一壁厚減小的環(huán)形凹槽，以限定一折疊線，用于形成一折疊邊緣。當在折疊線處徑向向內折疊套管時，由此產生的折疊邊緣使過濾元件在套管內保持在適當位置。一般來說，顆粒過濾器可在折疊套管前鄰接在粘結的吸附劑過濾元件旁。
本發(fā)明的過濾芯子和防毒面具包含少量的零件，并可用相當少的步驟組裝?；旧峡稍谝粋€步驟里容易地和費用不大地注塑模制的套管，它可提供一安裝過濾元件的殼體、一確保所有吸入氣體經過過濾元件的密封裝置、以及一將過濾元件固定在殼體里的保持裝置。其結果是過濾芯子和防毒面具在重量上比較輕，具有最少的零件，并且比較容易制造。
在附圖中


圖1是按照本發(fā)明的防毒面具10的局部剖視的立體圖；圖2是按照本發(fā)明的過濾器殼體16的剖視圖；以及圖3是按照本發(fā)明的過濾芯子12的剖視圖，它具有利用折疊邊緣42在其內固定的粘結的吸附劑過濾元件20。
圖1描述了本發(fā)明的一種防毒面具10的一個例子。防毒面具10包括一過濾芯子12和面罩14。過濾芯子包括一殼體16和一過濾元件18。殼體16被制成將過濾元件安裝在殼體16里時使過濾元件18略被壓縮的大小和形狀。過濾元件18包括一粘結的吸附劑過濾元件20和可選用的顆粒濾料22。這里使用的術語“粘結的吸附劑過濾元件”意味著一整體，它包括通過聚合的粘合劑顆粒粘結在一起、形成一剛性的多孔結構的吸附劑細粒，它能用來吸附經過該過濾元件的氣態(tài)的污染物質。如圖所示，顆粒濾料22較佳的是置于粘結的吸附劑過濾元件20的上游側，以防止顆粒堵塞吸附劑過濾元件的孔隙。
面罩14被制成可與人的鼻子和嘴巴配合的尺寸?？上胂筇峁┮环N可與人們面孔的其它部分(即，眼睛)配合的面罩，諸如一種全面罩結構；然而，這里所述的面罩一般被制成半面罩結構，即，它只覆蓋鼻子和嘴巴。如圖所示，面罩14可包括柔軟的、服貼的部分24，它密封模制在剛性的中心部分26的周邊上。剛性的中心部分26包括一進氣孔(未畫出)，過濾氣體通過進氣孔進入防毒面具內部。呼出的氣體可通過一在面罩14內的呼氣閥(未畫出)。具有柔軟的、服貼的面部部分、以及其上安裝著過濾芯子的剛性的中心部分的防毒面具在現(xiàn)有技術里，如授予伯恩斯和賴施舍爾的美國專利第5,062,421號里已被公布。
圖2描述了一過濾器殼體16，它被用來形成過濾芯子12(圖1和3)。過濾器殼體16包括進氣孔28、套管32，這里顯示了它在安裝前的形狀。要過濾的氣體通過進氣孔28進入過濾元件，然后通過排氣孔30離開芯子。套管32較佳的是被制成在端部34處(在那里限定進氣孔)有一直徑，該直徑略大于粘結的吸附劑過濾元件20(圖1和3)的直徑，以便方便地將過濾元件插入套管32。套管的內表面36略呈錐形，即其直徑沿一軸向向著殼體底部或后表面的直線逐漸減小。該錐形從圖2中的線39處開始。套管內徑在沿著軸向、向著后表面38的某些地方較佳的是略小于粘結的吸附劑過濾元件20的外徑。將過濾元件壓入錐形套管32會使過濾元件略微壓縮，并在過濾元件和套管之間形成壓配合。
可在套管32上提供壁厚減小的環(huán)形凹槽40，以限定一折疊線。
如圖3所示，折疊線位于套管32上，這樣，當粘結的過濾元件18壓入到位，并將套管壁徑向向內折疊時，折疊的邊緣42正好貼著過濾元件18的進氣表面43，從而使它牢牢地固定在適當?shù)奈恢蒙?。過濾元件18具有一般的圓柱形結構，并帶有由外周表面44隔開的進氣表面43和排氣表面45。在套管內側表面36(圖2)上錐度較佳的是大到足以允許粘結的吸附劑過濾元件方便地插入，也小到足以能在套管和過濾元件18外周表面44的基本部分之間形成壓配合。這將防止未過濾的氣體進入戴面具者的呼吸道，也可防止在組裝時過濾元件移位。已發(fā)現(xiàn)0.5度到5度的斜度是令人滿意的錐形。在殼體底部處的、令人滿意的套管內徑較佳的是大約小于過濾元件直徑的0.1mm到1.3mm，最好是大約小于過濾元件直徑的0.4mm。換句話說，在其底部處的套管的圓周較佳的是約小于過濾元件圓周的百分之0.1到1.7。在凹槽40處的套管32的厚度小到足以允許套管被折疊180°，大到足以在折疊時不會被折斷或破裂。已發(fā)現(xiàn)約0.2到0.7mm的厚度是令人滿意的。
套管較佳的是用諸如彈性塑料的彈性材料制成，它能沿著厚度減小的凹槽被折疊而不會折斷。這種材料較佳的也可是剛性的，以便足以保持它沿套管內壁的位置。已經發(fā)現(xiàn)，在22℃(73°F)時具有2×108到30×108帕彎曲模量的材料是令人滿意的。套管材料較佳的是在22℃時具有6×108到15×108帕的彎曲模量。這種材料較佳的是熱塑性的，以便制造。其中，適當?shù)牟牧鲜蔷垡蚁?，聚丙烯和熱塑性橡膠。具有6.5×108帕(95,000psi)彎曲模量、諸如Dowlex2553聚乙烯(Dow化學公司，密歇根州)之類的低密度聚乙烯是一種特別適當?shù)牟牧?。另一種適當?shù)牟牧鲜荄ow 8454、一種具有9.7×108帕(140,000psi)彎曲模量的高密度聚乙烯。較佳的是用注塑模制這種套管。
一種粘結的吸附劑過濾元件可用吸附劑細粒或顆粒來制造，它們通過粘合的粘結劑顆粒已被制成一剛性的、多孔的、自保持的、單一的、耐沖擊的整體。吸附劑細粒基本上在整個粘結的吸附劑結構內均勻地分配，并互相隔開，以便允許流體通過。吸附劑細?？墒?例如)活性炭、鋁、硅膠、膨潤土、硅藻土、離子交換樹脂、粉末狀的沸石(天然的和合成的)、分子篩、和催化的顆粒，而聚合的粘結劑顆?？墒?例如)，聚安酯、乙烯、或醋酸乙烯酯、或聚乙烯。授予布朗和雷考的美國專利第5,033,465號公布了選擇適當?shù)恼辰Y劑和準備適當?shù)恼辰Y的吸附劑結構。該專利的描述在這里被參考引用。
一般來說，用于除塵或其它顆粒的過濾器在折疊邊緣形成前可鄰接粘結的吸附劑過濾元件的上游表面。組合顆粒和粘結的吸附劑過濾器特別用于氣體(或蒸汽)和顆粒污染物質的環(huán)境中，例如，在噴漆和噴殺蟲劑的環(huán)境中。顆粒過濾器較佳的是具有略大于套管內徑的尺寸，以便在折疊套管時，套管可阻擋顆粒過濾器的邊緣，使其固定，并提供一無泄漏的邊緣密封。一種適當?shù)倪^濾器介質是來自明尼蘇達州的3M公司的Filtrete牌濾料。此外，顆粒過濾器也可安裝在吸附劑過濾器的下游。
在過濾元件壓入套管，在套管內側表面36和過濾元件的外周表面44之間形成壓配合之后，如圖3所示，徑向向內折疊套管邊緣。這可以通過下述方式實現(xiàn)，將邊緣上的一點向內折疊超過90°，并讓它保持不動，然后環(huán)繞著套管圓周做相同的事，直至所有的邊緣折疊到位并緊貼著套管的內表面36(圖2)。套管的折疊邊緣42可正好抵壓過濾元件的進氣表面43，以防止從環(huán)繞著過濾元件外周表面44的孔道中吸入氣體，此外，還可在過濾元件和套管內側表面之間保持壓配合。
套管可是面罩的一整體部分(即，形成一個部分，而不是固定在上面)，或者它可以是可替換的過濾芯子部分，即可拆卸地安裝在防毒面具的面罩上。在一較佳的實施例里，套管和粘結的過濾元件是可替換的芯子部分，即，它具有扣壓裝置，以便允許過濾芯子扣壓在防毒面具面罩的配合部分上，如名稱為“具有扣壓固定過濾芯子的防毒面具”的美國專利第08/375,855號所述的。該專利的描述在這里被參考引用。
雖然附圖描述的防毒面具和過濾芯子使用了形狀是圓形的過濾元件，但在本發(fā)明的其它實施例里也可使用具有其它形狀的過濾元件。例如，過濾元件可以是橢圓形的、卵形的或其它曲線形狀的。要避免使用尖角結構，因為在角落處很容易產生吸入氣體的溝流。當使用非圓形的過濾元件時，套管具有略小于粘結的吸附劑過濾元件外周的外周，以便獲得壓配合。因為套管略呈錐形，故沿著平行于套管軸線的一條線、并向著套管底部的方向，該外周逐漸減小。
然而，在本發(fā)明里，不一定使用錐形套管，以便在過濾元件和過濾芯子的套管之間產生壓配合。例如，一非錐形的套管可與一具有錐形外周表面的過濾元件一起使用?；蛘?，一非錐形的套管可與一非錐形的過濾元件一起使用，而該過濾元件具有略大于套管內側表面圓周的圓周。名稱為“可壓縮的壓配合過濾元件的防毒面具”的美國專利第08/376,199號描述了壓配合過濾元件的另一例子。該專利的描述在這里被參考使用。使粘結的吸附劑過濾元件壓縮的套管內側表面的圓周一般小于未壓縮的粘結的吸附劑過濾元件的圓周，但與在未壓縮狀態(tài)下的過濾元件外周表面的圓周相比不超過10％，較佳的是不超過5％，最好不超過2％。
包含本發(fā)明過濾芯子的防毒面具可用來保護人免受有毒氣體或蒸汽的侵害。有毒氣體或蒸汽過濾器的主要類型是那些用于有機物蒸汽、酸性氣體(包括氯化氫、二氧化硫、氯氣、硫化氫、二氧化氯等)、氨水或甲胺、甲醛、汞蒸汽和放射性碘化物的過濾器。
例子準備樣品首先，通過按照下述工藝制造粘結的碳結構來制造過濾芯子。用12×20(1.68mm×..84mm)美國標準粒度的Kuraray GG活性炭在熱處理工藝中與熱塑性聚氨酯，Morthane PS455-100(莫頓聚硫橡膠公司)混合，后者通過研磨該聚合物變?yōu)榉勰┬螤?，然后收集通過美國標準50粒度(297微米)的部分。產生的聚合物粉末的大小范圍約是37-297微米，平均顆粒直徑約是150微米。
碳細粒約占最終混合物重量的86％或18.5克。然后，使用一定做的組合機器，以便利用碳/聚合物混合物和諸如Remay2250(Remay公司，田納西州)的76.5cm直徑的非織造聚酯稀松材料來模制粘結的碳結構。在該機器第一工位，將非織造稀松材料放在7.77cm直徑和約3.81cm深的圓形模子里。在該稀松材料置于模子底部后，將模子送到下一工位，通過一系篩網，將21.5克的碳/聚合物混合物加入到該模子中。使用一系列的篩網是為了控制混合物進入模子的方式；其結果是模子被填滿到一定程度。一旦混合物進入模子并被弄平，將材料加熱到聚合物粘結劑顆粒的熔點。加熱之后，將混合物壓縮成其最后形狀，并將過濾元件冷卻到室溫。
由此形成的結構是一單一的粘結的吸附劑過濾元件，它在圓柱形一個平的表面上具有非織造稀松材料。粘結的吸附劑過濾元件具有78mm的外徑和10.2mm的深度。
為了組裝過濾芯子，將粘結的吸附劑過濾元件配合固定在注塑模制的套管里。套管是利用高密度的聚乙烯Dow8454模制而成的。套管內側表面以大約2度的斜度略呈錐形，以便在粘結的吸附劑過濾元件和套管壁之間形成壓配合。在套管底部處的內徑是77.6mm；這樣，提供0.4mm過盈。
一旦粘結的濾料固定在套管內的適當位置上，從Filtrete牌濾料上割下一79.7mm直徑的顆粒濾料，并將其放置在粘結的吸附劑過濾元件的頂部。顆粒濾料的公稱基準重量是200g/m2。將套管里安裝著兩個過濾元件的組件安裝在一卷邊裝置里，該裝置將在轉折點處的塑料壁徑向向內折疊，直至它抵壓著套管的內側壁。在操作過程中，當套管的折疊邊緣受力進入緊靠套管內側表面的位置時，顆粒濾料的邊緣被緊壓。當折疊邊緣到位時，在過濾元件和套管之間形成一牢固結合。
測試工藝將過濾芯子固定在注塑模制的測試臺上準備對其進行測試。通過芯子和測試臺之間的扣壓固定裝置來固定芯子。測試臺是利用Amoco3234聚丙烯(Amoco化學公司，芝加哥，伊利諾斯州)模制出來的。由于在接觸線處連接件之間的過盈配合，扣壓固定在芯子和測試臺之間形成一不透氣的密封。測試臺被密封在一帶有2.0cm中心孔的平板上，而平板又固定在一錐形設備上。該錐形設備提供一不透氣的密封，并可容易地從測試室里放置和卸下測試夾具。當測試氣體和蒸汽時，使芯子經受每分鐘30升(1pm)、含50％相對濕度空氣和百萬分之三百(ppm)CCl4的氣流。這種條件的氣流一般用來測試工業(yè)用的半面罩防毒面具，特別是代表了日本勞動部所要求的條件的特征(勞動部68號公報，關于氣體面罩的標準(1990))。當芯子遇到空氣體里的300ppm CCl4時，供CCl4漏過的Miran103氣體分析儀檢測到流出物。從時刻為零到取得的流出物達到5ppmCCl4的時刻之間的時間涉及到芯子的使用壽命。日本勞動部所要求的最短的使用壽命為50分鐘。
在顆粒穿透試驗的情況下，如上所述，將芯子固定在測試臺上，并且讓芯子組件經受在每立方米12毫克濃度下的95 lpm NaCl微粒流。TSI 8110型微粒發(fā)生器和計量儀(熱系統(tǒng)股份有限公司)檢測到流出物。8110型產生NaCl微粒，然后檢測和計算NaCl懸浮微粒的穿透百分比。
測試結果如下面的表1所示。
權利要求
1.一種過濾芯子，包括(1)一殼體，它包括一具有一內側表面的套管和一自該套管延伸的折疊的邊緣；以及(2)一過濾元件，它包括一粘結的吸附劑過濾元件，該過濾元件被抵壓在套管內側表面上，以在它們之間形成一壓配合，并由折疊邊緣固定在套管里。
2.如權利要求1所述的過濾芯子，其特征在于，套管具有一錐形的內側表面，并具有0.5到5度的斜度。
3.如權利要求1-2所述的過濾芯子，其特征在于，過濾元件具有錐形的外周表面。
4.如權利要求1-3所述的過濾芯子，其特征在于，套管具有一略大于粘結的吸附劑過濾元件外徑的內徑，套管的內徑沿著軸向朝向殼體后表面的一條線逐漸減小，其中，套管的內徑在軸向朝向后表面的某一點起略小于粘結的吸附劑過濾元件的外徑。
5.如權利要求1-4所述的過濾芯子，其特征在于，套管具有一壁厚減小的環(huán)形凹槽，以限定一折疊線，并形成一環(huán)繞該折疊線的折疊邊緣。
6.如權利要求1-5所述的過濾芯子，其特征在于，套管被徑向向內折疊以提供所述折疊邊緣。
7.如權利要求1-6所述的過濾芯子，其特征在于，所述套管由在22℃具有2×108到30×108帕彎曲模量的聚合材料制成。
8.如權利要求1-7所述的過濾芯子，其特征在于，在殼體底部的套管內徑比過濾元件的直徑小0.1到0.8mm。
9.如權利要求1-8所述的過濾芯子，其特征在于，套管的內側表面具有一圓周，在該圓周處套管對粘結的吸附劑過濾元件進行壓縮，該圓周比未壓縮的粘結的吸附劑過濾元件的圓周小，但小于未壓縮的粘結的吸附劑過濾元件圓周不超過百分之十。
10.一種防毒面具，包括(1)一種尺寸至少與人的鼻子和嘴巴配合的面罩；以及(2)如權利要求1-9所述的過濾芯子。
全文摘要
一種防毒面具(10)包括一具有殼體(16)和粘結的吸附劑過濾元件(20)的過濾芯子(12)。殼體(16)包括一具有一內側表面(36)和一折疊邊緣(42)的套管(32)。過濾元件(18)包括粘結的吸附劑過濾元件(20),它被抵壓在套管的內側表面(36)上,并由折疊邊緣(42)固定在套管(32)內。
文檔編號B01D39/14GK1173138SQ95197397
公開日1998年2月11日 申請日期1995年12月22日 優(yōu)先權日1995年1月20日
發(fā)明者托馬斯·W·霍爾姆奎斯特－布朗, 彼得·O·雷科 申請人:美國3M公司