CN103189012A - 具有注射成型于过滤结构的支承结构的过滤式面具呼吸器 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了包括面罩主体（12）和带具（14）的过滤式面具呼吸器（10）。所述面罩主体（12）包括支承框架结构（16）和过滤结构（18）。将所述框架结构注射成型于所述过滤结构（18）上，使得所述框架结构（16）成为结合于所述过滤结构（18）。具有这种支承结构的面罩主体允许所述过滤结构紧密地随从其构型，由此为所得制品提供改善的美观性和抗塌陷性。

Description

具有注射成型于过滤结构的支承结构的过滤式面具呼吸器
本发明涉及具有面罩主体的个人呼吸保护装置，其中支承结构已被注射成型在过滤结构上而使得过滤结构成为结合于支承结构。
背景技术
呼吸器通常佩戴在使用者呼吸道的上方，用于以下两个常见用途中的至少一个：（1）减少杂质或污染物进入佩戴者的呼吸道；和（2）保护其他人员或事物不接触佩戴者呼出的病原体和其他污染物。在第一种情况下，在空气中存在对佩戴者有害的颗粒的环境中佩戴呼吸器，例如汽车车身修理店。在第二种情况下，在对其他人员或事物可能造成污染的环境中佩戴呼吸器，例如在手术室或洁净室中。
一些呼吸器被归类为“过滤式面具呼吸器”，因为面罩主体用作呼吸器过滤机构。与使用结合了可连接滤筒（参见例如授予Yuschak等人的美国专利RE39,493）或嵌件成型过滤元件（参见例如授予Braun的美国专利4,790,306）的橡胶或弹性体面罩主体的呼吸器不同，过滤式面具呼吸器的整个面罩主体的大部分由过滤介质构成，使得无需安装或更换滤筒。因此，过滤式面具呼吸器重量较轻、易于使用并且是一次性的。
过滤式面具呼吸器通常包括模塑成形层以支承过滤结构。公开了此类产品的专利例如包括授予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Magidson等人的美国专利4,873,972、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Des.285,374。这些成形层通常由模塑成杯形构型的热粘合纤维或透孔丝网构成。最近，已开发出使用横向延伸的结构构件来支承过滤介质的面罩主体。参见授予Martin等人的美国专利公布2009/0078261A1。
在过滤式面具呼吸器的使用期间，被过滤颗粒会积聚在呼吸器的外表面上，由此减弱其透过性。透过性减弱会引起呼吸阻力，而阻力又会导致呼吸器向佩戴者的面部塌陷。已努力开发出抵制面罩主体塌陷的过滤式面具呼吸器。参见例如授予Angadjivand等人的美国专利6,923,182。提高耐塌陷性的已知方法通常依赖于将附加层添加到面罩主体，例如粘合剂层和成形层。
发明内容
本发明提供了新型过滤式面具呼吸器，其包括：(a)带具；(b)具有(i)过滤结构和(ii)支承框架结构的面罩主体，所述支承框架结构已被注射成型在过滤结构上，使得过滤结构成为结合于其上。
本发明还提供了制备过滤式面具呼吸器的新方法，所述方法包括：提供过滤结构；以及将支承框架结构注射成型在过滤结构上，使得框架结构成为结合于其上。
本发明的新型过滤式面具呼吸器和方法不同于已知呼吸器和制备呼吸器的方法，不同之处在于面罩主体包括框架结构，所述框架结构已被注射成型在过滤结构上而使得过滤结构成为结合于框架结构。常规过滤式面具呼吸器已使用成形层，所述成形层包括无纺布纤维网或塑性网或者支承过滤介质的横向延伸的框架构件。然而，常规过滤式面具呼吸器并未将支承框架结构注射成型在过滤结构上而在这两个部件之间形成结合。本发明使这种结合得以实现，使得过滤结构可呈现支承框架结构的形状或构造。根据本发明，能够实现这种结合，且在结合过程中不会破坏或损毁过滤结构。结果得到这样的呼吸器，其可防塌陷并且美观，因为过滤结构紧密地随从支承结构的预期构型。
术语表
下文说明的术语具有以下含义：
“结合”及其变型形式是指连接在一起；
“中央分隔的”是指从正面观察时沿垂直对分面罩主体的线或平面彼此分离；
“化学粘合”、“化学粘结”、和“化学结合”是指由原子和分子之间的吸引作用导致的物理粘合过程，并且包括共价键和离子键（以及氢键和范德华键）且通常取决于待粘合表面上的可用官能团及其与这样的材料的反应性，该材料被选择成可连接于表面而使得待结合表面的预处理成为不必要；
“洁净空气”是指已滤除污染物的一定体积的大气环境空气；
“包含（或含有）”同专利术语中的标准定义一致，为开放性术语，通常与诸如“包括”、“具有”、和“含有”之类的其他开放式术语同义；
“污染物”是指粒子（包括粉尘、薄雾和烟雾）和/或通常可能不视为粒子（如有机蒸气等）、但可能悬浮在空气（包括呼出气流中的空气）中的其它物质；
“横向尺度”为当从正面观察呼吸器时，在整个呼吸器上从一侧到另一侧横向延伸的尺度；
“相异材料”是指具有不同物理特性的材料；
“外部气体空间”是指呼出的气体在穿过且超出面罩主体和/或呼气阀之后进入的环境大气的气体空间；
“过滤式面具”是指面罩主体本身即设计成可过滤透过它的空气；不存在为达到该目的而附接到面罩主体或模塑进面罩主体内的可单独识别的滤筒或嵌件成型过滤元件；
“过滤器”或“过滤层”是指一个或多个透气材料层，该层适用于从穿过它的空气流中除去污染物（例如颗粒）的主要目的；
“过滤结构”是指设计成主要用于过滤空气的构造；
“第一侧面”是指面罩主体的一个区域，该区域在横向上远离垂直对分呼吸器的平面，并且在戴上呼吸器时位于佩戴者的颊和/或颌区域；
“带具”是指有助于在佩戴者面部上支撑面罩主体的结构或部件的组合；
“注射成型”是指将液体塑料压入模具腔体内并进行冷却，由此制备固体部件；
“整体的”是指用类似材料同时制备的；
“内部气体空间”是指面罩主体与人的面部之间的空间；
“渗透”是指液体材料渗入固体材料中的空隙或间隙内并且随后固化的过程；
“分界线”是指折线、接缝、焊接线、粘合线、缝合线和/或其任意组合；
“面罩主体”是指透气的结构，该结构设计为可贴合在人的鼻部和口部上，并且有助于限定与外部气体空间分隔的内部气体空间；
与支承框架结构相关的“构件”是指单独地并易于识别的固体部件，其尺寸设定成明显构成支承框架结构的总体构造和构型；
“周边”意指面罩主体的外周边部分，当某个人戴上呼吸器时，其靠外的部分大体上邻近佩戴者的面部；
“聚合物”和“塑料”均表示主要包含一种或多种聚合物并且也可以包含其他成分的材料；
“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；
“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），并且在戴上呼吸器时位于佩戴者的颊和/或颌区域；
“间隔”表示物理分离，或在其间具有可测距离；
“支承框架结构”是指其自身的结构完整性足以将面罩主体保持为其预期的三维形状的构造；并且
“横向延伸”是指大致在横向尺度上延伸。
附图说明
图1示出了根据本发明的过滤式面具呼吸器10的前透视图。
图2为示出一例可用于本发明的呼吸器中的过滤结构18的放大的片断示意剖视图。
图3为示出根据本发明的注射成型的支承框架结构构件26与过滤结构18之间的结合的数字显微照片。
图4示出了可结合本发明使用的方法60的流程图。
图5为用于形成过滤结构的未修剪的预成型件64的示意性平面图，所述过滤结构可用于制备根据本发明的呼吸器。
具体实施方式
如下文所述，过滤式面具呼吸器可由面罩主体构成，所述面罩主体包括可具有三维构型的过滤结构以及与之结合的已被注射成型在过滤结构上的支承框架结构。用词“一种”、“一个”和“该”可与“至少一个”互换使用，表示一个或多个所描述的组成单元。为了便于以下的描述并且当从前面观看投影到平面上的过滤式面具呼吸器时，横向尺度横跨呼吸器延伸，并且纵向尺度在呼吸器的底部和顶部之间延伸。
图1示出了包括面罩主体12和带具14的过滤式面具呼吸器10。面罩主体12具有支承框架结构16和过滤结构18。支承框架结构16相对于过滤结构18具有骨架构造。在其中过滤结构设于框架结构后的区域，框架结构16结合于过滤结构18。支承框架结构16包括单件一体模制的三维骨架式构造，所述三维骨架式构造可由相对强固的结构材料构成，所述相对强固的结构材料可挠曲或弯曲以适应不同的面部形状。支承框架结构通常由不止单一构件组成，并且可利用任何合适的方式（包括一体的单件构造）将这些构件连接在一起。支承框架结构16可具有可具有多种三维形状和尺寸，这部分地取决于过滤式面具呼吸器的最终用途。支承框架结构16的三维构型可提供三维杯形构型以贴合到佩戴者的鼻部和嘴部上。可根据例如呼吸器的所需最终用途来设想其他此类三维构型。参见例如授予Japuntich的美国专利4,827,924。
支承框架结构16被注射成型在过滤结构18上。支承框架结构16可包括周边部分20以及第一和第二侧面22和24。周边部分20可由单个连续构件构成或者可以是可围绕面罩主体12延伸约360°的构件或分部的组合。使用者的面部可仅接触过滤结构18的内表面以实现舒适和密封的贴合。支承框架结构16还可包括延伸横跨面罩主体的构件，例如横向延伸构件26、28、和/或30。横向延伸构件中的一个或多个可纵向地扩展或收缩以较好地适应佩戴者颌运动和各种尺寸的面部。参见授予Martin等人的美国专利公布2009/0078261A1。大体横向延伸的肋或构件26和28例如可从第一侧面22延伸到第二侧面24，且这两者间未连接在一起。因此，不存在任何可能妨碍横向延伸构件26和28沿纵向运动的纵向延伸构件。稍有不同地讲，不存在将横向延伸构件26连接到横向延伸构件28的结构构件，所述结构构件会限制在使用者扩颌或张嘴时这两种构件之间的相对运动。在成对的可纵向运动和大体横向延伸的构件26和28之间以及未通过任何结构构件连接在一起的其他横向延伸构件之间的区域，面罩主体12可容易地大致纵向地扩展和收缩。横向延伸构件26、28和30在以横截面观看时可为矩形、圆形、三角形、椭圆形、梯形等，并且可具有例如约2至12mm2或者更典型地为约4至8mm2的横截面积。支承框架结构16限定出可设置在过滤结构的内表面或外表面（或两个侧面）上的骨架构造。
支承框架结构16可包括位于其中活动横向延伸构件26与横向延伸构件28交汇的区域中的周边部分20内的活铰链，参见授予Gebrewold等人的美国专利公布2009/0078262A1。活铰链允许横向延伸构件26和28较容易地彼此面向或背向地移动。
支承框架结构16可由若干已知的材料制成。就可使用的材料而言，这些材料可包括若干已知的塑料，例如：烯烃，包括聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、和聚甲基(戊烯)；塑性体；热塑性塑料；热塑性弹性体；热固性材料，混合物或组合物。还可添加诸如颜料、UV稳定剂、防结块剂、成核剂、杀真菌剂、和杀菌剂之类的添加剂。所用的塑料可表现出弹性、形状记忆以及抗弯曲疲劳性，以使得支承结构可多次变形（如，大于100次），尤其是在任何铰接位置，并且能回到其初始状态。所选的塑料可经受多次变形，以使得支承结构具有比过滤结构长的使用寿命。支承框架结构可例如包括挠曲硬性为约75至300兆帕(MPa)、较典型地为约100至250MPa以及更典型地为约175至225MPa的塑料。可根据授予Martin等人的美国专利公布2009/0078261A1中所述的挠曲硬性试验来测定挠曲硬性。带具14可包括可使用一个或多个扣环36来调整长度的第一和第二扎带32和34。带具14可在第一和第二侧面22、24的带具固定凸缘构件38处固定于面罩主体12。扣环36可在凸缘构件38处通过***成型固定于面罩主体12。还可使用多种其他方法，包括缝合、粘结、焊接、以及它们的组合。授予Stepan的美国专利申请公布US2009/0078266A1描述的面罩主体具有一体地模塑进支承框架结构内的扣环。面罩主体12还可包括从面罩内部清除呼出空气以改善佩戴舒适性的呼气阀40。呼气阀40可通过任何合适的方式（例如粘结、热粘合、超声和激光焊接、机械夹持、以及它们的组合）连接于面罩主体12。参见例如授予Curran等人的美国专利7,069,931和授予Martin等人的美国专利申请公布US2009/0078264A1。呼气阀40还包括阀盖42，所述阀盖42位于阀座上以限定出呼出空气在从阀盖开口44离开阀40之前穿过的空气室。呼气阀40可包括柔性瓣46，其随着佩戴者在呼气过程中产生的呼气压力从阀座提升。
图2示出了可结合本发明的呼吸器使用的过滤结构18的例子。过滤结构18可包括形式为至少一个过滤层50a、50b的过滤介质50并且还分别包括内部和外部覆盖层或纤维网52a、52b。基本上，适于用作呼吸器过滤介质的任何材料均可用于过滤结构中。一般来讲，过滤结构18的形状可对应于支承框架结构的大体形状，使得这两个结构可易于连接在一起。选择用于过滤结构18、尤其是过滤介质50的材料可取决于待过滤物质的种类。例如，过滤结构18可为颗粒捕集过滤器或气体和蒸汽过滤器。过滤结构18也可充当减少液体从过滤层的一侧转移到另一侧的阻挡层，以减少（例如）液体气溶胶或飞溅液体渗透过滤层。根据应用需求，可使用多层类似或相异的过滤介质来构造本说明书描述的过滤结构。可以在本发明的分层面罩主体中有利地使用的过滤结构通常处于低压降（例如在13.8厘米/秒的面速度下小于约200至300帕斯卡），以使得面罩佩戴者的呼吸工作量最小化。另外，过滤层大致为柔性并具有足够的抗剪强度，从而它们在预期使用条件下大体上保持其结构。
过滤结构通常被适配成可靠着支承结构或在支承结构内正确贴合。过滤结构可从支承结构朝内设置、可从支承结构朝外设置或者设置在包括支承结构的各个构件之间。过滤结构也可使用预过滤器。另外，过滤结构可包括用于从呼吸空气移除危害性或有味空气的材料，例如吸附性材料，所述吸附性材料包括设置在构成过滤结构的纤维和/或各个层之间的活性炭，参见授予Braun的美国专利3,971,373。可被适形而进入各种构造的吸附性过滤结构的例子在授予Senkus等人的美国专利6,391,429中有所描述。过滤结构可包括不止一个过滤层并且可结合吸附层使用以将颗粒和蒸气这二者过滤。颗粒捕集过滤器的例子包括一个或多个聚合合成纤维网或细小无机纤维（如玻璃纤维）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特别适用于粒子捕集应用。
如所指出的那样，一个或多个过滤层可具有多种形状和形式。典型地过滤介质可具有约0.2毫米(mm)至1厘米(cm)，更典型地约0.3mm至0.5cm的厚度，并且其可为大体平面的纤维网或者其可为波纹状的以提供扩展的表面积。参见例如授予Braun等人的美国专利5,804,295和5,656,368。过滤介质还可包括通过粘合剂或任何其他方式连接在一起的多个过滤层。熔喷纤维网，例如在Wente,Van A.,Superfine Thermoplastic Fibers,48Indus.Engn.Chem.,1342et seq.(1956)中教导的那些，特别是在持久带电荷形式（驻极体）时尤有用，参见例如授予Kubik等人的美国专利No.4,215,682。各个层的这些熔喷纤维可为具有小于约20微米(μm)、典型地为约1至12μm的有效纤维直径的微纤维（对于“熔喷纤维”而言称为BMF）。有效纤维直径可根据以下文献测定：Davies，C.N.,The Separationof Airborne Dust Particles，Institution Of Mechanical Engineers，London，Proceedings1B，1952（Davies,C.N.，“空气中尘粒的分离”，伦敦机械工程师学会，论文集1B，1952年）。一个示例性实施例可包括BMF纤维网，所述BMF纤维网包含由聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、或者它们的组合或共混物形成的纤维。如在van Turnhout的美国专利Re.31,285中教导的带电荷的形成原纤维的膜的纤维、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）也可为合适的。可以通过让纤维接触水来将电荷赋予纤维，如以下美国专利中所公开的那样：授予Eitzman等人的6,824,718；授予Angadjivand等人的6,783,574；授予Insley等人的6,743,464；授予Eitzman等人的6,454,986和6,406,657；以及授予Angadjivand等人的6,375,886和5,496,507。可通过授予Klasse等人的美国专利4,588,537中所公开的电晕充电法或通过授予Braun的美国专利4,798,850中所公开的摩擦充电法来将电荷赋予纤维。此外，可以将添加剂包含在纤维中，以增强通过水充电法制备的纤维织物的过滤性能（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6,398,847B1、6,397,458B1和6,409,806B1。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，基重可分别为约20至40g/m2以及约10至30g/m2。呼吸器过滤介质可由层合在一个50克/平方米(gsm)的白色无纺布纺粘材料外层和一个22gsm的白色无纺布纺粘材料内层之间的两层标准3M8511N95呼吸器驻极体过滤材料（具有介于约6至12微米范围内的纤维直径）形成。无纺布纺粘材料的两个层可具有约8至12微米的纤维直径，可购自华盛顿州沃舒格尔(Washougal,WA98671)的3720Grant Street的Fiberweb Washougal公司。
内覆盖纤维网可用于提供接触佩戴者面部的平滑表面，并且外覆盖纤维网可用于收集面罩主体中的松散纤维或提供美观效果。虽然覆盖纤维网通常不会对过滤结构提供任何实质的过滤有益效果，但当设置在过滤层的外部（或上游）时，其可用作预过滤器。为了获得适当程度的舒适性，内覆盖纤维网可具有相对较低的基重，并且可由相对精细的纤维形成。更具体地讲，可将覆盖纤维网制作成具有约5至50g/m2（典型地10至30g/m2）的基重。这些纤维典型地小于3.5旦尼尔（更典型地小于2旦尼尔，并且还更典型地小于1旦尼尔但大于0.1旦尼尔）。用于内覆盖纤维网中的纤维通常具有约5微米至24微米、典型地约7微米至18微米、更典型地约8微米至12微米的平均纤维直径。内覆盖纤维网材料可以具有一定程度的弹性（断裂时典型地（但不一定）是100%至200%），并且可塑性变形。用于覆盖纤维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（包括聚丙烯共混物，并且也包括聚丙烯和聚乙烯的共混物）。制备用于覆盖纤维网的BMF材料的适当方法描述于授予Sabee等人的美国专利4,013,816中。可通过将纤维收集在光滑表面（典型地为光滑表面的滚筒）上来形成覆盖纤维网。还可使用纺粘纤维。
典型的覆盖纤维网可由聚丙烯或包含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，这些材料能够给佩戴者提供高度的柔软性和舒适性，并且当过滤材料为聚丙烯BMF材料时，能够在（例如）靠着这些层超声焊接后保持固定于过滤材料。适用于覆盖纤维网中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。用于外覆盖纤维网的纤维的一个例子为由得自Exxon Corporation的聚丙烯树脂“Escorene3505G”制成的聚丙烯BMF，其具有约25g/m2的基重和介于0.2至3.1范围内的纤度（在100根纤维上测量的平均值为约0.8）。用于外覆盖纤维网中的纤维通常具有类似于内覆盖纤维网的平均纤维直径。另一种合适的纤维为聚丙烯/聚乙烯BMF（由包含85%的树脂“Escorene3505G”和15%的乙烯/α-烯烃共聚物“Exact4023”（也得自Exxon Corporation）的混合物制备），所述聚丙烯/聚乙烯BMF提供的基重为约25g/m2并且平均纤度为约0.8。合适的纺粘材料以商品名“CorosoftPlus20”、“Corosoft Classic20”和“Corovin PP-S-14”得自德国派讷的科罗温公司(Corovin GmbH of Peine,Germany)，并且梳理成网的聚丙烯/粘胶纤维材料以商品名“370/15”得自芬兰的J.W.索米宁公司(J.W.SuominenOY of Nakila,Finland)。用于本发明中的覆盖纤维网在处理之后会有极少的纤维从覆盖纤维网突出，因此具有平滑的外表面。可用于本说明书中的覆盖纤维网的例子公开于例如授予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WO96/28216A中。
本发明设想以使得在支承结构和过滤结构之间形成结合的方式将适形的三维支承框架结构注射成型于三维过滤结构。这种接合牢固且可靠，并且可包括支承框架材料以机械互相贯穿方式结合到过滤结构18的一个或多个纤维网内、以及任何可以在机械式结合之外或取代机械式结合而产生的化学粘合或粘结。机械和/或化学粘合或粘结可以为（例如）外覆盖纤维网的纤维与本过滤结构的过滤层中的至少一个的部分或完全熔融所导致。
图3示出了数字显微照片，其示出了可产生的粘合之一例。所示横截面穿过注射成型框架在样品上截取，所述样品通过在室温下用锐利手术刀片切穿粘合区域而制备。在样品上朝向面罩主体的中心穿过横向延伸构件26，由此制备该横截面。如图所示，可实现过滤结构18的机械互相贯穿以及因过滤结构的各个层的压缩产生的增强粘合。这种机械互相贯穿类型的粘合增加了由可存在的任何化学粘合或化学粘结提供的强度。当大致示于区域B中的过滤层50的一部分已为形成结构框架材料的熔融塑料所机械互相贯穿时，大致示于区域A中的外覆盖纤维网52b的纤维层可为几乎完全熔融的；大致示于区域A中的过滤层50可为部分熔融的。本实施例中，渗透程度可为穿过过滤层50的部分的或所有的层。换句话讲，渗透程度可为过滤层50的厚度的全部或某些部分。渗透深度例如可在约0.5微米至约400微米、并且更典型地约5至300微米的范围内。由区域C表示的内覆盖纤维网52a看起来并未被熔融塑料渗透到任何显著程度。通过将模塑操作控制成未渗透内覆盖纤维网52a，可实现改善的美观性，因为若非这样，塑料将不利地影响面罩主体12（图1）的表面修饰或可从表面修饰看见。尽管本发明设想到允许熔融塑料渗透穿过整个过滤结构18的部分，但例如可通过控制过滤结构的各个层或层组合中的渗透深度来对机械互相贯穿的程度进行各种改变。粘合注射成型在实施时压缩过滤结构中的纤维以便进一步地促进良好的粘合。可改变注射成型压力来实现压缩和渗透的上述目标，由此在支承结构和过滤结构之间产生改善的机械连接或互锁。实施于本发明中的注射成型压力不仅通常引起机械互相贯穿，而且它们还可压缩外覆盖纤维网52b和过滤层50以进一步增强两者间的整体粘合。内覆盖纤维网52a和过滤层50可实现某种程度的熔融，但不如外覆盖纤维网和外过滤层所产生的熔融显著。增强的粘合改善过滤结构和支承框架结构之间的抗分离性。可通过下述方式来改善美观性：沿着过滤结构18的表面形成连续和大体均一的粘合且该粘合未延伸超出或延伸穿过内覆盖纤维网52a的表面。
在本发明中，被注射成型在过滤结构上的构件可基本上沿着过滤结构的分界线与其粘合。相比于分离的或不连续的粘合，连续粘合可提供较持久的连接，由此较好地抵制分离。连续粘合还可使外观更好看，这可提供商业优势。支承框架结构的构件也可基本上沿着面罩主体周边结合于过滤结构。注射成型可按照这样的方式实施：例如注射成型压力、模具夹持力、温度和周期时间等条件可被控制成不仅实现可熔融或部分熔融的这些层的化学粘合和/粘结，而且提供未熔融的过滤层的至少纤维的机械互相贯穿或互锁，如上文所述。用于注射成型的温度可熔融外覆盖纤维网层以及过滤层中的一个或多个（例如外过滤层和内过滤层的一部分）。渗透可进行到一定深度，其范围通常从（例如）点M处的熔融末端变化到至少到达和/或穿过内覆盖纤维网52a的一部分。如所指出的那样，内覆盖纤维网52a未被完全渗透，使得在从后面观察面罩主体时，被注射成型的塑料不可见。可获得其他渗透深度以用于实现机械互相贯穿或锚固，这取决于多个因素，包括：纤维层的数量、平均纤维直径、纤维层中粗糙体的尺寸、以及模制期间的注射成型压力、模具夹持力、和液体材料温度。由于美观问题和所指出的其他需求，本图示实施例不允许支承结构穿透内覆盖纤维网52a以致从过滤结构的相对侧可见。
图4示出了制备其中支承框架结构固定于过滤结构的呼吸器的方法60。可通过制作、购买、定制等方式来提供过滤结构。在步骤62中，可将呼气阀连接到过滤介质或过滤结构预成型件。可将呼气阀附接到面罩主体上，以便于清除从内部气体空间呼出的空气。通过从面罩内部快速清除暖湿的呼出空气，呼气阀可用来改善佩戴舒适性。参见例如授予Martin等人的美国专利7,188,622、7,028,689、和7,013,895；授予Japuntich等人的7,428,903、7,311,104、7,117,868、6,854,463、6,843,248、和5,325,892；授予Mittelstadt等人的6,883,518；以及授予Bowers的RE37,974。基本上，提供合适压降和可适当地固定于面罩主体的任何呼气阀均可结合本发明使用，以迅速地将来自内部气体空间的呼出空气递送到外部气体空间。可用上文所述的过滤结构材料/层来制备过滤介质或过滤结构预成型件。预成型件可包括过滤材料的坯料64（图5），所述坯料64的形状可根据预期制备的呼吸器而不同。预成型件坯料在从典型的预成型件坯料卷分配出后可被切成超过呼吸器尺寸的未修剪制品66（图5）。可在未修剪制品66中开出垂直切口67以消除多余的材料和提供杯形形状。将任选呼气阀在开口68处连接到未修剪的预成型件坯料64。
在步骤70中，将支承框架结构模制到预成型件坯料64的过滤结构上。支承框架结构可被注射成型成与过滤结构的分界线72和74形成连续和半连续粘合。另外，支承框架结构的周边部分可被结合于过滤结构18的周边76。可进行注射成型以形成粘合层，可包括过滤层的熔融和部分熔融的织物以及过滤层的纤维的某种形式的机械互相贯穿。如上文所指出的那样，这种类型的粘合可包括机械互锁或连接，所述机械互锁或连接可提供具有增强耐久性的较为强固的连接。可在成形过滤结构66中设置褶绉线77以适应面罩主体扩展。
在一种模式中，可将未修剪的过滤结构64设置在垂直或水平压机中的第一水平半模的芯部。可利用对准***来实现第一模芯与过滤结构和呼气阀之间的适当配准。过滤结构和呼气阀可以（例如）通过重力和通过在阀或支承结构上保持参考特征来保持在适当位置。第二半模具有可使用的腔体，所述腔体的形状和尺寸构成与过滤结构、支承框架和呼气阀的组合形状相反的凹型。支承框架结构可被注射成型在过滤结构的外侧或外部主表面上，由此使得所得结构可类似于例如在图1中看到的结构。作为另外一种选择，支承框架结构可被注射成型在过滤结构的内部上或者过滤结构的两个侧面上。
在配准之后，将液体塑料在注射压力范围和温度范围内注射到第二模具腔体内并且保持一定计时周期，以产生支承框架的塑料与过滤结构的可渗透结构之间的所需机械互相贯穿。可使用多种参数来控制注射成型过程，这取决于例如所用的材料和材料量。典型的参数可包括用于将两个半模夹持在一起的夹持吨力、冷却时间、温度、以及将液体塑料注射到第二模具腔体内的注射压力。
用于支承框架结构的材料可选自先前确认的那些材料。支承框架结构和过滤结构、以及其他部件的材料可为相同的或者可为相异的。选择用于模制的温度、注射压力、和固化时间可以不同并且可部分地取决于有待模制在一起的材料。对于包含聚丙烯的塑料支承结构而言，注射温度可为约150至250℃。对于垂直压机模具而言，模具夹持力可从约至少50吨且更典型地从约60吨变化到约140吨，而液体塑料的温度可根据用于形成支承框架结构的塑料材料而不同。计时周期也可例如根据所用材料而不同。
在步骤80中，可用适当的修剪装置来切割延伸超出支承框架结构的周边的预成型件坯料64的未修剪部分。在一个例子中，预成型件材料的未修剪部分可在置入模具中后去除。刀片修剪装置可切割或修剪横向延伸超出过滤介质周边76的周边悬垂部分。也可使用多种其他技术来修剪多余的材料，例如激光器、热金属丝等等。
在步骤（框）90中，可将面部密封元件固定于支承框架结构的周边。过滤式面具呼吸器上设有面部密封元件，该面部密封元件可以通过将其包覆成型到支承框架结构周边的方式设置。面部密封件也可为模制的、接触模制的、液体注射成型的等等，参见2010年11月19日提交的美国专利申请No.12/949954。通常还可将鼻夹和上文所述类型的多个扣环同时固定于支承框架结构。鼻夹和扣环可位于如上所述的位置，或者位于符合呼吸器领域中良好操作的其他位置。鼻夹可安装在用于固定鼻夹的腔体中并且可在面部密封元件模制到支承框架结构上时包覆成型。
结合本发明使用的鼻夹大致可以为有助于改善在佩戴者的鼻部上方的贴合性的任何额外的部件。由于到佩戴者的面部的轮廓在该区域有显著变化，鼻夹可更好地有助于面罩主体在该位置中实现良好的贴合。鼻夹可以包括（例如）柔韧的极软金属（如铝）带，从而可成形为使面罩在佩戴者的鼻部上方及鼻部与脸颊交界处保持所需的贴合关系。适用鼻夹的例子在美国专利5,558,089和Des.412,573(Castiglione)中示出。其他鼻夹在美国专利申请12/238,737（提交于2008年9月26日）；美国专利公布2007-0044803A1（提交于2005年8月25日）；和2007-0068529A1（提交于2005年9月27日）中有所描述。
实例
呼吸器过滤结构
可按照如下方式来制备如图5所示的呼吸器过滤结构预成型件，所述方式类似于在授予Martin等人的美国专利申请2009/0078261中所述的方法。呼吸器过滤元件或结构,在模制之前为未修剪的预成型件、由位于50克/平方米(gsm)的白色无纺布纺粘材料外层和22gsm的白色无纺布纺粘材料内层之间的两个254毫米(mm)宽的标准3M8511N95呼吸器驻极体层形成。两个纺粘覆盖纤维网层均由聚丙烯构成并且由华盛顿州沃舒格尔(Washougal,WA98671)的3720Grant Street的Fiberweb Washougal公司提供。
注射成型支承结构
使用标准的注射成型方法将呼吸器支承结构的样品注射成型在过滤结构上。形成单腔体阳模和阴模，其具有类似于图1所示的支承结构的几何形状。模具构造允许在模制之前将过滤结构设置在阳模上并且保持固定。模具设计还包括位于阳模和阴模之间的间隙以用于补偿过滤结构厚度。
在154吨的FN3000NISSEI注射成型压机（得自加利福尼亚州阿纳海姆(Anaheim,CA)的Nissei America公司）上利用下表1中列出的工艺条件来完成部件的注射成型。在这些实例中，利用下述树脂材料来制备四个不同的原型。
1.得自罗德岛州波塔基特(Pawtucket,Rhode Island)的Teknor Apex公司的100%Monoprene1249D；
2.得自罗德岛州波塔基特(Pawtucket,Rhode Island)的Teknor Apex公司的50%Monoprene1249D和50%Monoprene1337A；
3.得自伊利诺伊州罗切斯特(Rochester,IL)的Elastocon TPETechnologies公司的50%Elastocon2825和50%Elastocon2810；以及
4.得自得克萨斯州休斯敦的Total Petrochemicals,USA公司的100%聚丙烯7823。
模制之后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。结构的目标厚度为2.5毫米。
表1：
支承结构注射成型工艺条件
在上述实例的每一个中，塑料材料机械机械相互贯穿并且互锁到过滤层中的至少一个层上，而不进入或透过内覆盖纤维网层。过滤结构被充分地结合于支承结构。
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，本说明书并不限于上述实施例，但是受制于以下权利要求书及其任何等同物中阐述的限定。本发明也可在不存在本文未具体描述的任何元件的情况下适当加以实施。上文引用的所有专利和出版物，包括在背景技术部分中的任何一个，均以全文引用方式并入本文。凡与本文存在冲突者，均以本说明书为准。

Claims (20)

1.一种过滤式面具呼吸器，包括：
a）带具；以及
b）面罩主体，所述面罩主体包括：
（i）过滤结构；和
（ii）支承框架结构，所述支承框架结构已被注射成型在所述过滤结构上，使得所述过滤结构成为与其结合。
2.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述注射成型的支承框架结构和所述过滤结构通过机械互相贯穿和化学粘合中的至少一种方式结合。
3.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述注射成型的支承框架结构不进入所述过滤结构的第一主表面内，从而能够从所述支承框架结构与所述过滤结构结合的相对的第二主表面处看见。
4.根据权利要求3所述的过滤式面具呼吸器，其中在所述注射成型的支承框架结构和所述过滤结构之间的界面处存在连续粘合。
5.根据权利要求4所述的过滤式面具呼吸器，其中所述过滤结构在所述连续粘合处通过所述支承框架结构在其上注射成型而被压缩。
6.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述支承框架结构具有骨架构造，所述骨架构造包括具有2至12平方毫米的横截面积的构件。
7.根据权利要求2所述的过滤式面具呼吸器，其中所述机械互相贯穿的深度为至少部分地贯穿所述过滤结构的厚度的一部分。
8.根据权利要求2所述的过滤式面具呼吸器，其中所述过滤结构包括第一和第二覆盖层、以及置于所述第一和第二覆盖层之间的至少一个过滤层，其中所述至少一个过滤层已被所述注射成型的支承框架结构机械互相贯穿。
9.根据权利要求8所述的过滤式面具呼吸器，其中所述第一和第二覆盖层中的至少一者已与所述注射成型的支承框架结构的对应部分化学粘合。
10.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述支承框架结构包括周边部分以及一个或多个大体横向延伸的构件，所述一个或多个大体横向延伸的构件限定所述支承框架结构的支承部分。
11.根据权利要求1所述的过滤式面具呼吸器，其中所述过滤结构包括一个或多个覆盖纤维网和一个或多个过滤层，其中至少一个覆盖纤维网为外覆盖纤维网，并且其中所述面罩主体包括至少一个横向延伸的构件，所述至少一个横向延伸的构件结合于所述外覆盖纤维网并且结合于所述过滤层中的至少一个过滤层。
12.一种用于制备过滤式面具呼吸器的方法，所述方法包括：
（a）提供过滤结构；以及
（b）将支承框架结构注射成型于所述过滤结构上，使得所述支承框架结构成为与所述过滤结构结合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述将支承框架结构注射成型于所述过滤结构上的步骤在所述支承框架结构和所述过滤结构之间的界面处形成连续粘合式连接。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述将支承框架结构注射成型于所述过滤结构上的步骤包括通过机械互相贯穿和化学粘合中的至少一者而结合。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述过滤结构包括含有多个层的过滤介质，并且其中所述支承框架结构被结合于所述层中的至少一个层上。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述将支承框架结构注射成型于所述过滤结构上的步骤被执行成大体上不贯穿所述过滤介质的所有层。
17.一种用于制备过滤式面具呼吸器的方法，所述方法包括：
将支承框架结构注射成型在过滤结构上，所述支承框架结构包括至少部分地延伸横跨所述面罩主体的至少一个构件，所述过滤结构包括外覆盖纤维网和过滤层，其中所述将支承框架结构注射成型在过滤结构上的步骤导致所述构件结合于所述外覆盖纤维网上并且结合于所述过滤层的至少一部分上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述构件为连续地结合于所述过滤结构上的横向延伸的构件。
19.根据权利要求17所述的方法，其中在至少50吨的压力下施加合模力。
20.一种过滤式面具呼吸器，包括：
a）带具，所述带具包括一个或多个扎带；以及
b）面罩主体，所述面罩主体与所述带具连接并且包括：
（i）过滤结构，所述过滤结构包括一层或多层带电荷的无纺布纤维材料、以及一个或多个各自含有聚合物纤维的覆盖纤维网；以及
（ii）塑料的支承框架结构，所述支承框架结构包括至少一个构件，所述至少一个构件延伸横跨所述面罩主体并且已被注射成型于所述过滤结构上，从而通过使所述支承框架结构的所述至少一个构件的塑料进入到至少所述覆盖纤维网和至少一个所述层内来使所述至少一个构件成为结合于所述过滤结构。
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