分层或混合式吸附剂床防护过滤装置的制造方法
【专利说明】
[0001] 关于联邦资助的研究或开发的声明
[0002] 本发明在美国陆军研究开发和工程指挥部（U. S. Army Research,Development and Engineering Command ,(RDECOM))授予的合同编号W911SR-09-C-0037下，由政府支持 而作出。美国政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
[0003] 本发明涉及用于除去呼吸空气中的污染物的滤料。
【背景技术】
[0004] 扩展表面积基材粒子，诸如活性炭、氧化铝、沸石等等，由于它们能够除去空气中 的大范围污染物而被广泛用于空气过滤。这些材料的高度多孔结构提供大表面积，从而非 常适于过滤目的。就活性炭而言，多孔性源于在制造的"活化"阶段期间受控的氧化作用。
[0005] 此类炭能够除去空气中的污染物一般涉及直接吸收，并且取决于气体分子和炭表 面之间的分子级相互作用。这种相互作用的程度可取决于以下因素，包括:炭的物理和化学 表面特性、气体化合物的分子形状和大小、待过滤气体流中气体化合物的浓度、炭床中的停 留时间、温度、压力、以及其他化学物质的存在。根据经验，就单一污染物而言，吸附程度主 要取决于沸点。一般来讲，沸点越高，炭除去化学物质的能力越大。
[0006] 因此，非浸渍的炭自身并不具有很大的除去空气中低沸点气体(包括反应性气体） 或蒸汽的能力。已设想出将化学物质掺入到炭中的处理方式以得到改善的污染物除去能 力。这些处理方式一般称为"浸渍"法，并且此类处理的结果为"浸渍"炭。
[0007] 美国军队化学和生物个人防护装置包括M40、M42、M50和M51化学-生物(CB)联合军 种通用面具（Joint Service General Purpose Mask(JSGPM))通常采用充装有浸渍炭的可 替换的滤毒罐/过滤器组件。要求该滤毒罐/过滤器组件针对抵抗各种气体而规定的最小时 间提供穿透防护，例如在针对在M50和战斗车辆M51JSGPM领域使用的M61可替换的滤毒罐/ 过滤器组件的军队征集部门（Department of the Army Solicitation)W911SR-ll-R_0002 所附的性能说明书PRF-EA-C-2251中所述。类似地，国家职业安全与卫生研究院(National Institute for Occupational Safety and Health(NIOSH))从化学、生物学、放射学、核能 (CBRN)机构为呼吸器和呼吸防护设定标准。操作型过滤器和逃生型过滤器的NIOSH CBRN标 准要求合格的装置能够除去生物微粒和其他微粒，以及被选中代表毒性化合物家族的10种 气体的列表。该10种NIOSH气体为二氧化硫(SO 2)、硫化氢(H2S)、甲醛(H2CO)、氨气(NH3)、氰 化氢(HCN)、氯化氢(ClCN或CK)、二氯化钴(COCl 2)、环己烧(C6Hi2)、二氧化氮(NO2)和磷化氢 (PH 3)。通常，符合美国军队或NIOSH标准的过滤器已经使用能够除去所有此类气体的炭进 行构造，或者使用总体除去所列出的所有类型化合物的炭层进行构造。通常，所列出的气体 中的一种气体驱动对粒子状吸附剂材料数量的需求的增长。在当前的炭技术的情况下，这 种气体通常是氨气或二氧化硫。
【发明内容】
[0008] 相对于提供防护来抵抗目标气体，高度期望改善当前军事和工业可替换的滤毒 罐/过滤器组件。尽管在许多情况下适用的标准是性能表准而非设计标准，但是期望使滤毒 罐/过滤器的总体积和深度减到最小。这样做有助于保持使用者的视野并限制滤毒罐/过滤 器组件的总重量以及在佩戴时施加在使用者颈部肌肉上的作用力。
[0009] 已经发现可通过用新型滤料组合替换当前全浸渍炭充装典型滤毒罐/过滤器组件 来获得有用的性能改善。因此，在一个方面，本发明提供过滤装置，该过滤装置包括：
[0010] a)炭流体不可透过的外壳，该外壳具有气体入口和气体出口；和
[0011] b)置于该外壳内的多个第一滤料粒子和多个第二滤料粒子，该第一滤料粒子包括 含有至少一种金属浸渍剂的扩展表面积基材，该第二滤料粒子包括扩展表面积氢氧化锆基 材和(氢)氧化锌；
[0012] 其中所述第一滤料粒子或所述第二滤料粒子还包含胺官能材料和银或银化合物。
[0013] 在此类装置的一个优选实施例中，第一滤料粒子和第二滤料粒子在不同的层内存 在，即，包括多个第一滤料粒子的第一层，该第一滤料粒子包括含有至少一种金属浸渍剂的 扩展表面积基材，和包括多个第二滤料粒子的第二层，该第二滤料粒子包括扩展表面积氢 氧化错基材和(氢)氧化锌。
[0014] 在另一个方面，本发明提供一种用于制备过滤装置的方法，该方法包括：
[0015] a)提供流体不可透过的外壳，所述外壳具有气体入口和气体出口；
[0016] b)将多个第一滤料粒子和多个第二滤料粒子置于所述外壳中，所述第一滤料粒子 包括含有至少一种金属浸渍剂的扩展表面区域基材，所述第二滤料粒子包括扩展表面区域 氢氧化锆基材和(氢)氧化锌；
[0017] 其中所述第一滤料粒子或所述第二滤料粒子还包含胺官能材料和银或银化合物。
[0018] 此类方法的优选实施例涉及将第一滤料粒子和第二滤料粒子置于外壳中不同的 层内，即，包括多个第一滤料粒子的第一层，该第一滤料粒子包括含有至少一种金属浸渍剂 的扩展表面积基材，和包括多个第二滤料粒子的第二层，该第二滤料粒子包括扩展表面积 氢氧化错基材和(氢)氧化锌。
[0019] 所公开的过滤装置和方法可用于个人防护或集体防护，以及军事和非军事应用。 例如，所公开的方法可用于制造个人呼吸防护装置(包括被动空气净化呼吸器或非动力呼 吸器，以及动力空气呼吸器），以及用于制造用于建筑物、坦克、帐篷、船只和其他人们居住、 工作或聚集的地方的集体防护装置(包括HVAC过滤器和车辆过滤器）。所公开的过滤装置和 方法针对二氧化氮、硫化氢、氨气和甲醛在穿透时间方面提供特别有用的改善。在优选的实 施例中，相比于针对具有相同内部体积但充装仅第一滤料粒子或充装仅第二滤料粒子的滤 毒罐/过滤器而观测到的突破时间，针对二氧化氮、硫化氢和甲醛的可替换的滤毒罐/过滤 器突破时间以协同方式改善。
[0020] 在以下【具体实施方式】中，将显而易见本发明的这些方面和其它方面。然而，在任何 情况下都不应将上述
【发明内容】
理解为是对要求防护的主题的限制，该主题仅由如在审查期 间可以进行修改的所附权利要求书限定。
【附图说明】
[0021] 图1是根据本公开的示例性过滤装置的示意性剖视图。
[0022] 图2是根据本公开的包括过滤装置的示例性个人呼吸器的透视图。
[0023] 图3是根据本公开的另一示例性过滤装置的示意性剖视图。
[0024] 图4是根据本公开的包括示例性过滤装置的另一示例性个人呼吸器的透视图。
[0025] 图5是根据本公开的示例性集体防护装置的示意图、局部剖视图。
[0026] 图6是比较用于抵抗若干目标气体的滤毒罐/过滤器外壳的性能的图表，该滤毒 罐/过滤器外壳仅充装有第一滤料粒子、仅充装有第二滤料粒子、或者仅充装有等深度层 (在压缩前)的第一滤料粒子和第二滤料粒子。
[0027] 在附图的各张图中，相似的参考标记指示类似的元件。图中的元件未必按比例绘 制。
【具体实施方式】
[0028] 术语"胺官能材料"意指包含具有孤对电子的至少一个氮原子的材料。更优选地， 术语"胺官能材料"意指包含键合到三个部分的氮的有机材料，其中该部分中的至少一个部 分不是氢。键合到氮的此类部分中的多于一个部分可以是环结构的共同成员。
[0029] 术语"碱"意指能够结合质子（即，氢离子）以形成新型化合物的任何材料。水溶性 碱在水性溶液中使pH大于7.0。
[0030] 当关于微粒材料使用时，术语"扩展表面积基材"意指这样的粒子:这些粒子的表 面，包括此表面中的任何孔，（优选地在微观水平)足够大、不规则、换句话讲成褶皱状，使得 该粒子能够用至少一种金属浸渍剂诸如元素金属或金属盐来浸渍。
[0031] 术语"滤料"意指能够用于除去流动的气体流中的一种或多种污染物的结构（例 如，包封的粒子床)或制品（例如，非织造纤维网）。
[0032] 当关于浸渍剂使用时，术语"过滤功效"意指相比如缺少该浸渍剂的相同介质，结 合了该浸渍剂的滤料具有用于除去流动的气体流的指定污染物的更大的能力。在优选的实 施例中，过滤功效意指根据期望的政府法规诸如美国或其他地方的可应用军事标准、或者 可应用非军事标准诸如美国NIOSH标准、欧洲CEN标准或其他地方类似标准，浸渍剂能够提 供针对指定的污染物的过滤防护。浸渍剂可依靠自身或当与一种或多种其他浸渍剂组合使 用时具有此类过滤功效。
[0033] 当关于滤料的外壳使用时，术语"流体不可透过的"意指液体和气体完全不可透过 以在使用之前实现此类滤料的令人满意的储存而没有污染的结构或材料(除了此类外壳的 气体入口或出口）。
[0034] 当关于金属化合物使用时，术语"(氢)氧化物"总体指此类金属的氧化物、氢氧化 物和氧氢氧化合物。例如，术语(氢)氧化锌是指氧化锌、氢氧化锌和羟基氧化锌。
[0035] 术语"浸渍剂"意指用于浸渍滤料基材的材料。