ВОЛОКНИСТОЕ ПОЛОТНО, СОДЕРЖАЩЕЕ ЧАСТИЦЫ Российский патент 2009 года по МПК D04H1/56 A62B23/00 

Это изобретение относится к волокнистым полотнам, содержащим частицы, и к фильтрации.

Уровень техники

Респираторные устройства, применяемые при наличии в воздухе растворителей и других опасных веществ, иногда используют фильтрующий элемент, содержащий частицы сорбента. Фильтрующий элемент может быть выполнен в виде патрона, содержащего слой частиц сорбента, либо в виде слоя или прокладки фильтровального материала, пропитанного или покрытого частицами сорбента. Разработка фильтрационного элемента может включать достижение баланса таких иногда конкурирующих факторов, как перепад давления, колебание сопротивления, полной срок службы, вес, толщина, общий размер, сопротивление возможному повреждению под воздействием вибрации или трения, разброс характеристик от образца к образцу. Упакованные слои частиц сорбента обычно обеспечивают самый продолжительный срок службы при наименьшем полном объеме, но могут иметь при этом перепад давления, больший оптимального перепада давления. Волокнистые материалы, содержащие частицы сорбента, часто имеют небольшой перепад давления, но могут также иметь короткий срок службы, чрезмерно большой объем или больший, чем желательно, разброс характеристик от образца к образцу.

Ссылки, относящиеся к волокнистым полотнам, содержащим частицы, включают патенты US №№:2988469 (Ватсон), 3971373 (Браун), 4429001 (Колпин и др.), 4681801 (Ейан и др.), 4741949 (Морман и др.), 4797318 (Брукер и др.), 4948639 (Брукер и др.), 5035240 (Браун и др.), 5328758 (Маркелл и др.), 5720832 (Минто и др.), 5972427 (Мюхлфелд и др.), 5885696 (Гругер), 5952092 (Гругер и др.), 5972808 (Гругер и др.), 6024782 (Фреунд и др.), 6024813 (Гругер и др.), 6102039 (Спрингетт и др.) и заявки РСТ: WO 00/39379, и WO 00/39380. Ссылки, относящиеся к другим фильтровальным структурам, содержащим частицы, включают патенты US США №№:5033465 (Браун и др.), 5147722 (Козлов), 5332426 (Танг и д.) и 6391429 (Сенкус и др.). Другие ссылки, относящиеся к волокнистым полотнам, включают патент US №4657802 (Морман).

Краткое изложение изобретения

Хотя получаемые распылением расплава полимера (meltblowing) нетканые полотна, содержащие активированные углеродные частицы, и могут быть применены для удаления из воздуха газов и паров, но их подчас сложно использовать в сменных фильтрационных патронах для респираторов пара и газа. Например, когда полотна сформированы из полипропилена, полученного распылением расплава, и активированных углеродных частиц, реально достижимое содержание углерода в полотне составляет приблизительно 100-200 г/м². Если такие полотна разрезаны по соответствующей форме и вставлены в сменные фильтрационные патроны, то патроны могут не содержать достаточного количества активизированного углерода, чтобы удовлетворять требованиям, установленным соответствующими стандартами. Хотя и может быть достигнуто более высокое содержание углерода, углеродные частицы при этом могут осыпаться с полотна, таким образом, затрудняя обращение с полотном в условиях производства и усложняя достижение необходимого содержания углерода в материале. Последующие операции после формирования материала, такие как вакуумное формование, могут также использоваться для увеличения плотности полотна, но это требует дополнительного производственного оборудования производства и дополнительной обработки полотна.

Обнаружили, что, используя надлежаще эластичный или склонный к усадке полимер для изготовления высоко наполненного нетканого полотна, содержащего частицы, можно получить пористое листовое изделие, имеющее весьма желательную комбинацию длительного срока службы и низкого перепада давления. Полученные таким путем полотна имеют относительно низкую вероятность потери углерода и могут быть особенно полезны для массового производства сменных фильтрационных патронов с использованием автоматизированного оборудования.

В одном аспекте настоящее изобретение представляет собой пористое листовое изделие, включающее самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента в количестве по меньшей мере 80 мас.%, закрепленные в объеме полотна. Нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку, чем подобные нити полипропилена той же толщины. Частицы сорбента достаточно равномерно распределены в полотне, так что полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴/ мм вод.ст. (то есть по меньшей мере 1,6·10⁴ (мм вод.ст)^-1).

В другом аспекте изобретение представляет собой способ изготовления пористого листового изделия, включающего самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента, включающий:

а) формирование волокон пропусканием расплавленного полимера через отверстия;

б) утончение волокон в нити;

в) направление потока частиц сорбента на волокна или нити;

г) формирование из нитей и частиц сорбента нетканого полотна, которое содержит по меньшей мере 80 мас.% частиц сорбента, запутанных в объеме полотна и достаточно равномерно распределенных в нем, полимерные нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку по сравнению с одинаковыми по толщине полипропиленовыми нитями, а полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴/мм вод.ст.

В другом аспекте изобретение представляет собой респираторное устройство, включающее полумаску, которая обычно закрывает по меньшей мере нос и рот владельца, воздухозаборник для поступления окружающего воздуха в полумаску и пористое листовое изделие, расположенное поперек воздухозаборника для фильтрации поступающего воздуха. Пористое листовое изделие включает самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента в количестве по меньшей мере 80 мас.%, запутанных в объеме полотна. Нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку, чем такие же по толщине нити полипропилена. Частицы сорбента достаточно равномерно распределены в полотне, так что полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴/мм вод.ст.

В еще одном аспекте изобретение представляет собой сменный фильтрующий патрон для респираторного устройства, включающий крепежный элемент для установки патрона на устройство, корпус и пористое листовое изделие, размещенное в корпусе так, чтобы патрон мог фильтровать воздух, поступающий в устройство. Пористое листовое изделие включает самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента в количестве по меньшей мере 80 мас.%, запутанные в полотне. Нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку, чем такие же по толщине нити полипропилена. Частицы сорбента достаточно равномерно распределены в полотне, так что полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴/мм вод.ст.

Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны из приведенного ниже детального описания. Однако ни в коем случае вышеупомянутое краткое изложение изобретения не может рассматриваться как ограничение заявляемого предмета изобретения, который определен исключительно приложенной формулой изобретения, которая может быть исправлена при рассмотрении заявки.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематично изображено заявляемое пористое листовое изделие в поперечном разрезе;

на фиг.2 схематично показано заявляемое многослойное пористое листовое изделие в поперечном разрезе;

на фиг.3 схематично изображен сменный фильтрующий патрон в частичном поперечном разрезе;

на фиг.4 показан перспективный вид заявляемого респираторного устройства, использующего патрон, изображенный на фиг.3;

на фиг.5 приведено перспективное изображение с частичным вырезом заявляемого одноразового респираторного устройства, использующего пористое листовое изделие, изображенное на фиг.1;

на фиг.6 схематично показана в поперечном разрезе аппаратура, осуществляющая распыление расплава полимера (meltblowing), для изготовления пористых листовых изделий;

на фиг.7 схематично изображена в поперечном разрезе спанбонд аппаратура для изготовления пористых листовых изделий;

на фиг.8 схематично показана в поперечном разрезе другая аппаратура, осуществляющая распыление расплава полимера, для изготовления пористых листовых изделий;

на фиг.9 и 10 приведены для сравнения графики сроков службы изделий.

Одинаковые символы на различных фигурах чертежа обозначают одинаковые элементы. Элементы на чертеже приведены не в масштабе.

Подробное описание.

Используемое в этом описание применительно к листовому изделию слово ″пористый″ означает, что изделие является достаточно проницаемым для газов, чтобы быть пригодным к использованию в фильтрационном патроне персонального респираторного устройства.

Фраза ″нетканое полотно″ относится к волокнистому полотну, характеризующемуся запутанностью волокон или их точечным скреплением.

Термин ″самоподдерживающееся″ относится к полотну, имеющему достаточное сцепление нитей и прочность, чтобы оно могло быть сложено и обработано без существенного разрыва или излома.

Фраза ″утончение волокон в нити″ означает преобразование сегмента волокна в сегмент большей длины и меньшего диаметра.

Фраза "распыление расплава полимера" означает метод формирования нетканого полотна, при котором формирующий волокно расплавленный материал выходит через множество отверстий, образуя волокна, контактирующие с воздухом или другим потоком, под действием которого волокна утончаются в нити, из которых затем формируют волокнистый слой.

Фраза ″распыленные из расплава нити″ означает нити, изготовленные методом распыления расплава полимера. Отношение длины к диаметру распыленных из расплава нитей чрезвычайно неопределенное (например, обычно по меньшей мере около 10000 или больше), тем не менее, нити прерывистые. Нити являются длинными и достаточно запутанными, так что обычно невозможно удалить целиком распыленную из расплава нить из массы таких нитей или проследить такую нить от ее начала до ее конца.

Фраза ″спанбонд процесс″ означает метод изготовления нетканого полотна путем формирования волокон экструзией расплава с низкой вязкостью через множество отверстий, охлаждения полученных волокон воздухом или потоком другой среды для затвердевания по меньшей мере поверхности волокон, контактирование по меньшей мере частично затвердевших волокон с воздухом или потоком другой среды для утончения волокон в нити и собирание утонченных нитей в слой с факультативным каландрированием.

Фраза ″спанбондовые нити″ означает нити, изготовленные с помощью спанбонд процесса. Такие нити вообще непрерывны, достаточно запутаны или точечно скреплены, так что обычно невозможно удалить полностью одну нить из массы таких нитей.

Фраза ″нетканный фильерный блок″ означает фильерный блок для использования в процессе распыления расплава полимера или спанбонд процессе.

Когда термин ″запутанные″ используется относительно частиц в нетканой полотне, он означает, что частицы скреплены или запутаны в полотне так, что остаются в полотне или на полотне, когда полотно подвергают легкой обработке типа складывания ткани на горизонтальном валу.

Когда фраза ″предел упругости″ используется относительно полимера, она означает максимальную допустимую деформацию, при которой тело, сформированное из полимера, может возвратиться к первоначальной форме после снятия растягивающего усилия.

Когда термин ″эластичный″ или ″эластичность″ используется относительно полимера, он относится к материалу, имеющему удлинение при пределе упругости, больше чем приблизительно 10%, измеренное в соответствии со стандартом Американского общества по испытанию материалов ASTM D638-03, «Метод испытаний эластичных свойств пластмасс».

Фраза ″кристаллизационная усадка″ означает необратимое изменение в длине неограниченного волокна при его переходе из состояния менее упорядоченного, менее кристаллического в состояние более упорядоченное, более кристаллическое, т.е. усадка происходит в результате сворачивания полимерной цепи или перегруппировки полимерной цепи.

На фиг.1 схематично изображено заявляемое пористое листовое изделие 10 в поперечном разрезе. Изделие 10 имеет толщину Т и любую требуемую длину и ширину. Изделие 10 представляет собой нетканое полотно, содержащее спутанные полимерные волокна 12 и частицы углеродного сорбента 14, запутанные в полотне. Маленькие сообщающиеся поры (не показанные на фиг.1) в изделии 10 позволяют окружающему воздуху или потоку другой среды проходить (т.е. течь) через толщу изделия 10. Частицы 14 поглощают из проходящих потоков растворители и другие потенциально опасные вещества.

На фиг.2 показан поперечный разрез заявляемого многослойного изделия 20, имеющего два нетканых слоя 22 и 24. Каждый из слоев 22 и 24 содержит нити и частицы сорбента (не показанные на фиг.2). Слои 22 и 24 могут быть одинаковые или отличные друг от друга. Они могут быть те же самые, что и изделие 10 на фиг.1, или отличные от него. Например, когда частицы сорбента, запутанные в слоях 22 и 24, изготовлены из различных веществ, тогда различные потенциально опасные вещества могут быть удалены из потоков, проходящих через изделие 20. Когда частицы сорбента, запутанные в слоях 22 и 24, изготовлены из одного и того же вещества, тогда потенциально опасные вещества могут быть удалены более эффективно или будет обеспечен более длительный срок службы изделия 20, по сравнению с однослойным изделием эквивалентного состава и толщины. Многослойные изделия, такие как изделие 20, могут при необходимости содержать больше, чем два нетканых слоя, например три или больше, четыре или больше, пять или больше, или даже 10, или больше слоев.

На фиг.3 изображен фильтрующий патрон 30 в поперечном разрезе. Внутренний объем элемента 30 может быть заполнен пористым листовым изделием 31, таким, как показан на фиг.1 или 2. Листовое изделие 31 заключено в корпус 32 и закрыто перфорированной крышкой 33. Окружающий воздух входит в фильтрующий патрон 30 через отверстия 36, проходит через листовое изделие 31 (в котором потенциально опасные вещества, содержащиеся в окружающем воздухе, поглощаются частицами сорбента) и выходит из патрона 30 через впускной клапан 35, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения по опоре 37. Буртик 38 и байонетный выступ 39 обеспечивает разъемное присоединение патрона 30 к респираторному устройству, к такому, как заявленное устройство 40 на фиг.4. Устройство 40 - так называемая полумаска, подобно той, что изображена в патенте US №5062421 (Берне и др.). Устройство 40 включает мягкую эластичную лицевую часть 42, которая может быть сформована вокруг относительно тонкого, твердого структурного элемента или вставки 44. Вставка 44 включает выпускной клапан 45 и утопленные окна с байонетной резьбой (не показанные на фиг.4) для разъемного присоединения фильтрационных патронов 30 в областях устройства 40, противолежащих щекам. Регулируемый ленточный оголовник 46 и регулируемые шейные ремешки 48 обеспечивают надежное перекрытие устройством 40 носа и рта владельца. Дальнейшие детали относительно конструкции такого устройства известны квалифицированным специалистам в данной области.

Фиг.5 показывает заявляемое респираторное устройство 50 с частичным разрезом. Устройство 50 - маска одноразового использования, подобно той, что описана в патенте US №6234171 (Спрингетт и др.). Устройство 50 обычно содержит чашеобразную оболочку или корпус 51 респиратора, выполненный из внешнего покрывающего полотна 52, нетканого полотна 53, содержащего частицы сорбента, такого, как показано на фиг.1 или 2, и внутреннего покрывающего полотна 54. Сваренные края 55 скрепляют эти слои и образуют область лицевого уплотнения, уменьшающую негерметичность краев устройства 50. Устройство 50 включает регулируемые головной и шейный ремешки 56, прикрепленные к устройству 50 застежками 57, гибкую, очень мягкую носовую металлическую полоску 58, например, из алюминия и выпускной клапан 59. Дальнейшие детали относительно конструкции такого устройства известны специалистам в данной области.

Фиг.6 показывает заявляемую аппаратуру 60, использующую распыление расплава полимера, для изготовления нетканого полотна, содержащего частицы.

Расплавленный полимерный материал для формирования нитей поступает в нетканый фильерный блок 62 через входной канал 63, течет через фильерную щель 64 фильерной полости 66 (все показаны пунктиром) и выходит из фильерной полости 66 через отверстия 67 в виде ряда волокон 68. Подаваемый через воздуховоды 70 поток (обычно воздух) утончает волокна 68 в нити 98. Одновременно частицы сорбента 74 подают из бункера 76 с помощью подающего вала 78 и скребка-лопатки 80. Щеточный вал 82 с приводом вращает подающий вал 78. Перемещением винтового регулятора 84 управляют однородностью поперечной ленты и расходом частиц, подаваемых валом 78. Полный расход частиц может быть отрегулирован изменением скорости вращения подающего вала 78. Поверхность подающего вала 78 может быть изменена, чтобы оптимизировать подачу различных частиц. Поток 86 частиц сорбента 74 падает с подающего вала 78 через спускной желоб 88. Воздух или другая текучая среда, проходя через воздуховод 90 и полость 92, направляет падающие частицы 74 через сопло 94 в виде струи 96 между волокнами 68 и нитями 98. Смесь частиц 74 и нитей 98 высаживается на пористый коллектор 100 и формируется в виде самоподдерживающегося нетканого насыщенного частицами полотна 102, полученного распылением расплава полимера. Дальнейшие детали осуществления метода распыления расплава полимера с использованием такой аппаратуры известны квалифицированным специалистам в данной области.

На фиг.7 изображена спанбонд аппаратура 106 для изготовления нетканых насыщенных частицами полотен с использованием спанбонд процесса. Расплавленный полимерный материал для формирования нитей поступает в обычно вертикальный нетканый фильерный блок 110 через входной канал 111, течет вниз по трубопроводу 112 и фильерной щели 113 фильерной полости 114 (все показаны пунктиром) и выходит из фильерной полости 114 через отверстия 118 в фильерной насадке 117 в виде ряда нисходящих волокон 140. Охлаждающая среда (обычно воздух), подводимая по трубопроводам 130 и 132, отверждает по меньшей мере поверхность волокон 140. По меньшей мере частично отвержденные волокна 140 движутся к коллектору 142, в то же время утончаясь в нити 141 под воздействием направленных с двух сторон утончающих потоков среды (обычно воздуха), подаваемых под давлением по трубопроводам 134 и 136. Одновременно частицы сорбента 74 подают из бункера 76 с помощью подающего вала 78 и скребка-лопатки 80 в аппаратуру подобно тому, как это осуществляется компонентами 76-94 на фиг.6. Струю 96 частиц 74 направляют через сопло 94 между нитей 141. Смесь частиц 74 и нитей 98 высаживается на пористый коллектор 142, перемещаемый валами 143 и 144, и формируется в виде самоподдерживающегося нетканого насыщенного частицами спанбондового полотна 146. Каландрирующий вал 148, противолежащий валу 144, сжимает и точечно скрепляет нити в полотне 146, чтобы изготовить каландрированное спанбондовое нетканое полотно 150, насыщенное частицами. Дальнейшие детали осуществления спанбонд процесса с использованием такой аппаратуры знакомы квалифицированным специалистам в данной области.

На фиг.8 показана заявляемая аппаратура 160 для изготовления нетканых насыщенных частицами полотен с использованием процесса распыления расплава полимера. В этой аппаратуре используется два обычно вертикальных наклонно расположенных нетканых фильерных блока 62, производящих два сходящихся потока волокон 162, 164 в направлении коллектора 100. Одновременно частицы сорбента 74 поступают из бункера 166 в трубопровод 168. Воздушная крыльчатка 170 нагнетает воздух во второй трубопровод 172 и соответственно засасывает частицы из трубопровода 168 во второй трубопровод 172. Частицы распыляются через сопло 174 в виде струи 176 частиц, после чего они смешиваются с потоками волокон 162 и 164, или с образующимися утонченными нитями 178. Смесь частиц 74 и нитей 178 высаживается на пористый коллектор 100 и формируется в виде самоподдерживающегося нетканого насыщенного частицами полотна 180. Аппаратура, показанная на фиг.8, обычно обеспечивает более однородное распределение частиц сорбента, чем при использовании аппаратуры, показанной на фиг.6. Дальнейшие детали осуществления процесса распыления расплава полимера с использованием аппаратуры, изображенной на фиг.8, известны квалифицированным специалистам в данной области.

Для формирования нитей могут использоваться различные полимерные материалы, включая термопласты типа полиуретановых эластичных материалов (например, коммерчески доступные IROGRAN (ТМ) фирмы Huntsman LLC и ESTANE (ТМ) фирмы Noveon, Inc), полибутиленовые эластичные материалы (например, коммерчески доступные CRASTIN (ТМ) фирмы Е. I. Du Pont de Nemours and Co.), полиэфирные эластичные материалы (например, коммерчески доступные HYTREL (ТМ) от Е. I. Du Pont de Nemours and Co.), полиэфирные блочные сополиамидные эластичные материалы (например, коммерчески доступные РЕВАХ (ТМ) фирмы Atofina Chemicals, Inc) и эластичные блочные стироловые сополимеры (например, коммерчески доступные KRATON (ТМ) фирмы Kraton Polymers и SOLPRENE (ТМ) фирмы Dynasol Elastomers). Некоторые полимеры могут быть растянуты намного больше, чем на 125% от их начальной ненапряженной длины, многие из них возвращаются к первоначальной ненапряженной длине после снятия растягивающего усилия. Этот последний класс материалов вообще предпочтителен. Термопластические полиуретаны, полибутилены и блочные стироловые сополимеры особенно предпочтительны. По желанию полотно может содержать волокна, которые не обладают указанной выше эластичностью или кристаллизационной усадкой, например нити обычных полимеров типа полиэтилентерефталата; многокомпонентные нити (например, нити с сердцевиной и оболочкой, расщепляемые нити или смежные бикомпонентные нити и так называемые нити ″острова в море″); штапельные нити (например, из натуральных или синтетических материалов) и т.п. Предпочтительно использовать относительно небольшие количества таких волокон, чтобы чрезмерно не уменьшить содержание сорбента и не ухудшить конечные свойства полотна.

Не углубляясь в теорию, полагаем, что характеристики эластичности и кристаллизационной усадки нити способствуют автоскреплению или уплотнению нетканого полотна, уменьшению объема пор в полотне или сокращению путей, через которые газы могут пройти, не сталкиваясь с активной частицей сорбента. Уплотнение может быть достигнуто в некоторых случаях принудительным охлаждением используемого полотна, например разбрызгиванием воды или другой охлаждающей жидкости, или термической обработкой сформированного полотна в той или иной мере. Предпочтительное время и температура обработки зависит от различных факторов, включая вид используемых полимерных нитей и уровень содержания частиц сорбента. Можно рекомендовать как предпочтительную термическую обработку полотен, изготовленных с использованием полиуретановых нитей, в течение меньше приблизительно одного часа.

Могут быть использованы различные частицы сорбента. По желанию частицы сорбента будут способны к абсорбции или адсорбированию газов, аэрозолей или жидкостей, присутствие которых ожидается в предназначенных условиях использования. Частицы сорбента могут быть любой формы, пригодной к использованию, включая бусинки, хлопья, гранулы или агломераты. Предпочтительные частицы сорбента включают активированный углерод; окись алюминия и другие металлические окиси; бикарбонат натрия; металлические частицы (например, серебряные частицы), которые могут удалять компонент из газообразной среды посредством адсорбции, химической реакции или амальгамирования; корпускулярные каталитические агенты типа гопкалита (который может катализировать окисление угарного газа); глина и другие минералы, обработанные кислыми растворами типа уксусной кислоты или щелочными растворами типа водной гидроокиси натрия; ионообменные смолы; молекулярные решета и другие цеолиты; кремнезем; биоциды; фунгициды и вироциды. Предпочтительно в качестве частиц сорбента использовать активизированный углерод и окись алюминия. Могут использоваться и смеси частиц сорбента, например, для поглощения смеси газов, хотя на практике для поглощения смеси газов может быть лучше изготовить многослойное листовое изделие, в котором используются частицы конкретного сорбента в индивидуальных слоях. Предпочтительный размер частиц сорбента может изменяться в широких пределах и обычно выбирается, исходя из заданных условий использования. Могут быть рекомендованы для использования частицы сорбента со средним размером приблизительно от 5 до 3000 мкм. Предпочтительно использовать частицы сорбента со средним размером меньше 1500 мкм, более предпочтительны частицы сорбента со средним размером от приблизительно 30 и до приблизительно 800 мкм, наиболее предпочтителен средний размер частиц от приблизительно 100 до приблизительно 300 мкм. Могут также использоваться смеси (например, бимодальные смеси) частиц сорбента, имеющих различные диапазоны размеров, хотя практически может быть лучше изготовить многослойное листовое изделие, в котором используются более крупные частицы сорбента в верхнем по потоку слое и меньшие по размеру частицы сорбента в нижнем по потоку слое. По меньшей мере 80 мас.% частиц сорбента, более предпочтительно по меньшей мере 84 мас.% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 90 мас.% частиц сорбента закреплено в полотне.

В некоторых вариантах осуществления срок службы может зависеть от ориентации коллекторной стороны нетканого полотна относительно ожидаемого направления потока газа (навстречу течению или по течению). Иногда в зависимости от применяемых специфических частиц сорбента увеличение срока службы может быть достигнуто при использовании обеих ориентаций.

Нетканое полотно или фильтрующий патрон имеют адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴/мм вод. ст. Адсорбционный показатель А может быть рассчитан, используя параметры или измерения, подобные описанным Wood в Журнале американской Индустриальной Ассоциации Гигиены (Journal of the American Industrial Hygiene Association), 55 (1):11-15 (1994), где

k_v - эффективный коэффициент скорости адсорбции (мин^-1) паров С₆Н₁₂ сорбентом согласно уравнению:

C₆H₁₂ пар→C₆H₁₂ поглощенный сорбентом.

W_e - эффективная адсорбционная способность (г С₆Н₁₂/г сорбента) уплотненного слоя сорбента или насыщенного сорбентом полотна, подвергнутого воздействию пара С₆Н₁₂ при его содержании 1000 миллионных частей (ppm), при расходе 30 л/мин (скорость в лобовом сечении 4,9 см/с) при стандартной температуре и давлении, определенная по итеративным (повторяющимся) кривым аппроксимации для кривой в отсутствии адсорбции, построенной от 0 до 50 миллионных частей (5%) проскока С₆Н₁₂.

SL - срок службы (мин) уплотненного слоя сорбента или насыщенного сорбентом полотна, подвергнутого воздействию пара C₆H₁₂ при его содержании 1000 миллионных частей при расходе 30 л/мин (скорость в лобовом сечении 4,9 см/с) при стандартной температуре и давлении, определенный по времени, требуемому, чтобы достигнуть проскока 10 миллионных частей (1%) С₆Н₁₂.

ΔР - перепад давления (мм вод. ст.) уплотненного слоя сорбента или насыщенного сорбентом полотна потоку воздуха при расходе 85 л/мин (скорость в лобовом сечении 13,8 см/с) при стандартной температуре и давлении.

Параметр k_v обычно не измеряется непосредственно. Однако k_v может быть определен решением относительно k_v многомерной кривой аппроксимации и уравнения:

где Q - требуемый расход воздуха (л/мин);

С_х - концентрация С₆Н₄₂ на выходе (г/л);

С_о - концентрация C₆H₁₂ на входе (г/л);

W - масса сорбента (г);

t - время воздействия;

ρ_β - плотность уплотненного слоя сорбента или эффективная плотность насыщенного сорбентом полотна, где г_сорб - масса материала сорбента (исключая массу полотна, если оно присутствует), см³  _сорб - общий объем сорбента, см³ _пол - общий объем насыщенного сорбентом полотна, и ρ_β имеет единицы измерений г_сорб/см³  _сорб для уплотненного слоя сорбента или г_сорб/см³ _пол для насыщенного сорбентом полотна.

Адсорбционный показатель А может быть затем определен, используя уравнение:

А=(k_v×SL)/ΔP.

Адсорбционный показатель А может быть, например, по меньшей мере 3·10⁴/мм вод.ст. или по меньшей мере 4·10⁴/мм вод.ст., или по меньшей мере 5·10⁴/мм вод. ст. Удивительно, но некоторые варианты осуществления изобретения имеют адсорбционные показатели А выше найденного для высококачественного уплотненного углеродного слоя, который, как показано ниже в сравнительном примере 1, равен приблизительно 3,16·10⁴/мм вод. ст. В дальнейшем может быть также рассчитан показатель А_об, определяемый как отношение адсорбционного показателя А к общему объему изделия. А_об имеет единицу измерения г_сорб/см³ _пол-мм вод. ст. и может быть рассчитан, используя уравнение:

А_об=А×ρ_β

Предпочтительно А_об составляет по меньшей мере приблизительно 3·10³ г_сорб/см³ _пол-мм вод. ст., более предпочтительно по меньшей мере приблизительно 6·10³ г_сорб/см³ _пол-мм вод. ст. и наиболее предпочтительно по меньшей мере приблизительно 9·10³ г_сорб/см³ _пол-мм вод. ст.

Изобретение описано ниже со ссылкой на следующие примеры, не ограничивающие изобретение, в которых все части и проценты относятся к массе, если иначе не указано.

Примеры 1-20 и сравнительные примеры 1-6

Был изготовлен ряд насыщенных углеродом нетканых полотен с использованием аппаратуры распыления расплава полимера, подобно той, что показана на фиг.8. В аппаратуре с помощью просверленных сопел фильерного блока формировались два сливающихся вертикальных потока волокон из расплава полимера при температуре 210°С. Расстояние между соплами фильерного блока и коллектором составляло 28 см. Для формирования нитей использовались различные полимерные материалы, экструдированные при расходе 143-250 г/ч/см. Скорость экструзии (и, при необходимости, другие параметры обработки) была отрегулирована, чтобы получить полотна, содержащие нити со средним эффективным диаметром 17-32 мкм, преимущественно полотна, содержащие нити со средним эффективным диаметром 17-23 мкм. В изготовленных полотнах определялись: уровень наполнения углеродом и параметры k_v, SL, ΔР, ρ_β, А и А_об. Полотна были изготовлены при различной температуре окружающей среды и различной влажности и с использованием расположенного на различных участках оборудования, формирующего полотно. Таким образом, были изготовлены разнообразные полотна, имеющие одинаковые компоненты и уровень наполнения углеродом, но демонстрирующие некоторые различия в условиях изготовления. Сравнительные данные были получены при испытании уплотненного углеродного слоя, изготовленного из активированного углерода типа GG 12×20 фирмы Kukaray, и полотен, изготовленных из полипропилена или полиуретана с низким наполнением углеродом. В таблице 1 приведены номера примеров или сравнительных примеров, полимерный материал, тип углерода, число фильерных блоков (два для аппаратуры на фиг.8 или ни одного для уплотненного углеродного слоя, показанного в сравнительном примере 1), уровень наполнения полотна углеродом и вышеупомянутые параметры. Параметры SL и ΔР выражены как отношение SL/ΔP. Данные в таблице расположены в соответствии с величиной А.

Данные в таблице 1 показывают, что могут быть получены очень высокие величины адсорбционного показателя А, во многих случаях превышающие адсорбционный показатель уплотненного углеродного слоя. Полотна, изготовленные из полипропилена (сравнительные примеры №2-4 и 6), и полотна, изготовленные с использованием эластомерных нитей, но с содержанием углерода, меньшим, чем приблизительно 80 мас.% (сравнительный пример №5), имели более низкие адсорбционные показатели А. Например, полотна, изготовленные с использованием полиуретана PS 440-200 и с содержанием 91 мас.% 12×20 углерода, имели адсорбционный показатель А между 27,092/мм вод.ст. и 60,433/мм вод. ст., тогда как самое лучшее полотно, изготовленное с использованием полипропилена FINA 3960 и с 91 мас.% 12×20 углерода, имело адсорбционный показатель А только 15,413 /мм вод. ст. (сравнить пример №1 и №17 с сравнительным примером №2). Это преимущество эксплутационных качеств сохранялось и у полиуретановых полотен с более низким наполнением углеродом (сравнить, например, пример №4 и сравнительный пример №2), пока наполнение углеродом не оказывалось меньше приблизительно 80 мас.% (см., например, сравнительный пример №5).

Примеры 21-41 и сравнительные примеры 7-30

Был изготовлен ряд насыщенных углеродом нетканых полотен с использованием аппаратуры с одним горизонтальным потоком волокон, подобно той, что показана на фиг.6. Температура расплавленного полимера составляла 210°С. Использовался фильерный блок с просверленными соплами. Расстояние между соплами фильерного блока и коллектором составляло 30,5 см. Для формирования нитей использовались различные полимерные материалы, экструдированные при расходе 143-250 г/ч/см. Скорость экструзии (и, при необходимости, другие параметры обработки) были отрегулированы, чтобы получить полотна, содержащие нити со средним эффективным диаметром 14-24 мкм, преимущественно полотна, содержащие нити со средним эффективным диаметром 17-23 мкм. В изготовленных полотнах определялись: уровень наполнения углеродом и параметры k_v, SL, ΔР, ρ_β, А и А_об. В таблице 2, вместе с данными сопоставительного примера №1 таблицы 1, приведены номера примеров или сравнительных примеров, полимерный материал, тип углерода, число фильерных блоков (один для аппаратуры на фиг.6 или ни одного для уплотненного углеродного слоя, показанного в сравнительном примере 1), уровень наполнения

полотна углеродом и вышеупомянутые параметры. Параметры SL и ΔР выражены как отношение SL/ΔP. Данные в таблице отсортированы в соответствии с величиной А.

Приведенные в таблице 2 данные показывают, что могут быть получены очень высокие величины адсорбционного показателя А. Однако эти величины в основном оказались ниже, чем приведенные в таблице 1. Некоторые экземпляры полотен, изготовленные с использованием материалов и их количеств, подобно использованным в таблице 1, и содержащие более 80 мас.% частиц углерода, не показывали адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴/мм вод. ст. (сравнить, например, пример №5 и сравнительный пример №12). Можно предположить, что это по меньшей мере частично обусловлено менее однородным распределением углеродных частиц в полотнах, указанных в таблице 2, и возможно также по меньшей мере частично из-за использования однослойного полотна, а не двухслойного полотна.

Примеры 42-43 и сравнительные примеры 31-32

Был изготовлен ряд насыщенных углеродом нетканых полотен из различных полимерных материалов с использованием аппаратуры с одним горизонтальным потоком волокон, подобно той, которая использовалась в примерах №№21-41. Дополнительно производилось операция вакуумной обработки сформированного полотна для его уплотнения. В изготовленных полотнах определялись: уровень наполнения углеродом и параметры k_v, SL, ΔР, ρ_β, А и А_об. В таблице 3, вместе с данными сопоставительного примера №1 таблицы 1, приведены номера примеров или сравнительных примеров, полимерный материал, тип углерода, число фильерных блоков (один для аппаратуры на фиг.6 или ни одного для уплотненного углеродного слоя, показанного в сравнительном примере №1), уровень наполнения полотна углеродом и вышеупомянутые параметры. Параметры SL и ΔР выражены как отношение SL/ΔP. Данные в таблице отсортированы в соответствии с величиной А.

Результаты, приведенные в таблице 3, показывают, что использование технологии вакуумной обработки сформированного полотна для его уплотнения может обеспечить увеличение адсорбционного показателя А (сравнить, например, пример №42 с примером №21 и сравнительные примеры №31 и №32 со сравнительным примером №10). Это увеличение А не всегда наблюдалось (сравнить, например, пример №43 с примерами №30 и №31).

Пример 44

С использованием того же способа, который применялся в примере №21, было изготовлено однослойное полотно на основе термопластичного полиуретана PS 440-200 и углеродных гранул размером 40×140. Изготовленное полотно содержало 0,202 г/см² углерода (91 мас.% углерода) и имело волокна с эффективным диаметром 15 мкм. Используя способ, описанный в патенте US №3971373 (Браун), был изготовлен образец, указанный в примере №19. Этот образец и образец полотна площадью 81 см² по примеру №44, содержащий 16,3 г углерода, испытывались в потоке воздуха, имевшем относительную влажность менее 35% и содержавшем 250 миллионных частей паров толуола. Расход воздуха составлял 14 л/мин. На фиг.9 приведены графики временной зависимости концентрации толуола, прошедшего через полотно, для полотна примера №44 (кривая В) и полотна Брауна примера №19 (кривая А). Полотно Брауна примера №19 содержало полипропиленовые нити и 17,4 г углерода (89 мас.% углерода). Как следует из фиг.9, полотно примера №19 имело меньшую адсорбционную емкость, чем полотно примера №44, даже учитывая, что полотно примера №44 содержало меньшее количество углерода.

Пример 45

С использованием того же способа, который применялся в примере №21, было изготовлено двухслойное полотно на основе термопластичного полиуретана PS 440-200 и углеродных гранул. Первый слой содержал углеродные гранулы размером 12×20, а второй слой содержал углеродные гранулы размером 40×140. Первый слой содержал 0,154 г/см² углерода (91 мас.% углерода) и имел нити с эффективным диаметром 26 мкм. Второй слой содержал 0,051 г/см² углерода (91 мас.% углерода) и имел нити с эффективным диаметром 15 мкм. Используя способ, описанный в патенте US №3971373 (Браун), был изготовлен образец, указанный в примере №20. Этот образец и образец полотна площадью 81 см² по примеру №45, содержащий 16,6 г углерода, испытывались в потоке воздуха, имевшем относительную влажность менее 35% и содержавшем 350 миллионных частей паров толуола. Расход воздуха составлял 14 л/мин. На фиг.10 приведены графики временной зависимости концентрации толуола, прошедшего через полотно, для полотна примера №45 (кривая В) и полотна Брауна примера №20 (кривая А). Полотно Брауна примера №20 содержало полипропиленовые нити и 18,9 г углерода (85 мас.% углерода). Как следует из фиг.10, полотно примера №20 имело меньшую адсорбционную емкость, чем полотно примера №45, даже учитывая, что полотно примера №45 содержало меньшее количество углерода.

Различные модификации и варианты заявляемого изобретения будут очевидны для специалистов в данной области, не отступая от сущности изобретения. Это изобретение не должно быть ограничено изложенными выше сведениями, которые были приведены только для иллюстративных целей.

Изобретение относится к волокнистым полотнам, содержащим частицы, а также к фильтрации. Пористое листовое изделие включает самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента в количестве по меньшей мере 80 мас.%, запутанные в полотне и достаточно равномерно распределенные в нем. Полимерные нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку по сравнению с одинаковыми по толщине полипропиленовыми гомополимерными нитями, полученными распылением расплава, так что полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴ 1/мм вод.ст. При этом листовое изделие характеризуются проницаемостью для газов, достаточной для использования в фильтрационном патроне персонального распираторного изделия. Изделия имеют низкий перепад давления и могут обеспечить создание фильтрующих патронов, имеющих длительный срок службы и адсорбционный показатель, приближающийся, а в ряде случаев превосходящий, адсорбционный показатель уплотненного углеродного слоя. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 табл., 10 ил.

1. Пористое листовое изделие, включающее самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента в количестве по меньшей мере 80 мас.%, запутанные в полотне и достаточно равномерно распределенные в нем, при этом полимерные нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку по сравнению с одинаковыми по толщине полипропиленовыми гомополимерными нитями, полученными распылением расплава, а полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴ 1/мм вод.ст., причем листовое изделие характеризуется проницаемостью для газов, достаточной для его использования в фильтрационном патроне персонального респираторного устройства.

2. Изделие по п.1, отличающееся тем, что упомянутое полотно выполнено многослойным.

3. Изделие по п.1, отличающееся тем, что нити включают термопластичный полимер, выбранный из группы: полиуретановый эластомер, полибутиленовый эластомер, полиэфирный эластомер, стироловый блочный сополимер и/или их композиции, а частицы сорбента включают активированный уголь или окись алюминия.

4. Изделие по п.1, отличающееся тем, что в полотне запутано по меньшей мере 84 мас.% частиц сорбента.

5. Изделие по п.1, отличающееся тем, что полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 3,0·10⁴ 1/мм вод.ст.

6. Изделие по п.1, отличающееся тем, что оно получено с использованием аппаратуры распыления расплава полимера с двумя сливающимися вертикальными потоками волокон или нитей.

7. Способ изготовления пористого листового изделия, включающего самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента, включающий:
а) формирование волокон пропусканием расплавленного полимера через отверстия;
б) утончение волокон в нити;
в) направление потока частиц на волокна или нити и
г) формирование из нитей и частиц сорбента нетканого полотна, в котором по меньшей мере 80 мас.% частиц сорбента запутано в полотне и достаточно равномерно распределено в нем, полимерные нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку по сравнению одинаковыми по толщине полипропиленовыми гомополимерными нитями, полученными распылением расплава, а полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴ 1/мм вод.ст., при этом листовое изделие характеризуется проницаемостью для газов, достаточной для его использования в фильтрационном патроне персонального респираторного устройства.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что утончение волокон в нити осуществляют распылением волокон, образующихся из расплава полимера.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что расплавленный полимер включает термопластичный полимер, выбранный из группы: полиуретановый эластомер, полибутиленовый эластомер, полиэфирный эластомер, стироловый блочный сополимер и/или их композиции, а частицы сорбента включают активированный уголь или окись алюминия.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что в полотне запутано по меньшей мере 90 мас.% частиц сорбента, а полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 4,0·10⁴ 1/мм вод.ст.

11. Респираторное устройство, включающее полумаску, закрывающую по меньшей мере нос и рот владельца, воздухозаборник для поступления окружающего воздуха в полумаску, и пористое листовое изделие, расположенное поперек воздухозаборника для фильтрации поступающего воздуха, при этом пористое листовое изделие характеризуется достаточной проницаемостью для газов и включает самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента в количестве по меньшей мере 80 мас.%, запутанные в полотне и достаточно равномерно распределенные в нем, полимерные нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку по сравнению с одинаковыми по толщине полипропиленовыми гомополимерными нитями, полученными распылением расплава, а полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴ 1/мм вод.ст.

12. Респираторное устройство по п.11, отличающееся тем, что полимерные нити включают термопластичный полимер, выбранный из группы: полиуретановый эластомер, полибутиленовый эластомер, полиэфирный эластомер, стироловый блочный сополимер и/или их композиции, а частицы сорбента включают активированный уголь или окись алюминия.

13. Сменный фильтрующий патрон для респираторного устройства, включающий крепежный элемент для установки патрона на устройство, корпус и пористое листовое изделие, размещенное в корпусе так, чтобы патрон мог фильтровать воздух, поступающий в устройство, при этом пористое листовое изделие характеризуется достаточной проницаемостью для газов и включает самоподдерживающееся нетканое полотно из полимерных нитей и частицы сорбента в количестве по меньшей мере 80 мас.%, запутанные в полотне и достаточно равномерно распределенные в нем, полимерные нити имеют достаточно большую эластичность или достаточно большую кристаллизационную усадку по сравнению с одинаковыми по толщине полипропиленовыми гомополимерными нитями, полученными распылением расплава, а полотно имеет адсорбционный показатель А по меньшей мере 1,6·10⁴ 1/мм вод.ст.