防毒面具

背景

防毒面具是一种旨在保护佩戴者免受有毒蒸汽、灰尘和其他污染物侵害的装置。口罩可能被设计为携带自身内部供应的新鲜空气，或者可能配备过滤器以过滤有害污染物。后一种类型称为空气净化呼吸器 (APR)，由一个紧贴的面罩组成，该面罩包含一个或多个滤筒、一个呼气阀和透明目镜。第一个 APR 于 1914 年由俄亥俄州克利夫兰的 Garret Morgan 获得专利，一位非裔美国发明家也因交通信号的重大改进而受到赞誉。 1916 年克利夫兰自来水厂发生爆炸时，摩根通过进入伊利湖下的充气隧道救援工人，展示了他发明的价值。摩根的装置后来演变成防毒面具，在第一次世界大战中用于保护士兵免受战争中使用的化学物质的伤害。

从那时起，防毒面具技术取得了重大进展，特别是在新型过滤助剂领域。此外，使用现代塑料和硅橡胶化合物使面罩更加舒适和贴合。今天，APR 被用来过滤许多有害的空气传播物质，包括有毒的工业烟雾、蒸发的油漆、微粒污染和一些用于化学战的气体。这些口罩有多种款式，有些只覆盖嘴巴和鼻子，有些覆盖整个面部，包括眼睛。它们可能设计用于军事和工业用途，但是，尽管这两种类型的设计相似，但军用口罩必须符合与工业使用的标准不同的标准。本文将重点介绍用于工业应用的全脸型面罩的制造。

原材料

全面罩防毒面具由滤筒、柔性面罩片、透明镜片和一系列用于将设备紧贴固定到位的带子和带子组成。滤筒是一个 3-4 英寸（8-10 厘米）宽、1 英寸（2.5 厘米）深的塑料罐，里面装有助滤剂。碳基过滤剂是常用的，因为它们可以吸附大量有机气体，尤其是化学战中使用的那些高分子量蒸汽。然而，无机蒸气通常不会强烈吸附在碳上。碳的吸附性能可以通过用特定的反应物或分解催化剂浸渍颗粒来增强。这种经过化学处理的碳被称为“活性炭”。给定滤芯中使用的活性炭类型取决于要筛选的工业污染物的特定类型。例如，用铬和铜组合处理的碳，称为“惠特莱特碳”，自 1940 年代以来一直用于筛选氰化氢、氯化氰和甲醛。今天，由于担心铬的毒性，使用钼和三亚乙基二胺的组合来代替。其他类型的活性炭使用银或铁和锌的氧化物来捕获污染物。钠、钾和碱处理过的碳用于吸收污水蒸气（硫化氢）、氯和其他有害气体。

面罩的“裙子”或面罩片用于将其他组件固定到位，并在面部区域周围提供安全密封。根据面罩设计，可以在面罩中插入呼气阀。这种单向阀允许排出废气而不会让外部空气进入面罩。

防毒面具中使用的目镜是耐化学腐蚀的透明塑料镜片。它们的主要功能是确保佩戴者的视力不会受到损害。根据使用面罩的工业环境，目镜可能必须经过特殊处理，才能防碎、防雾或屏蔽某些类型的光线。大多数防毒面具制造商不制造自己的目镜；相反，它们由外部供应商用聚碳酸酯塑料模制而成，然后运往制造商进行组装。

将面罩固定在脸上的弹性带通常由硅橡胶制成。可以添加辅助带，以便在工作休息时将面罩舒适地挂在脖子上。

设计

口罩本身的设计因工业应用而异。一些面罩设计有语音隔膜，一些面罩可以接受额外的过滤器，而另一些面罩则连接到外部空气供应。虽然基本设计不会因特定类型的面罩而异，但所使用的过滤剂种类会因产品的预期用途而异。制造商备有各种面罩样式和滤芯过滤器。当他们收到特定类型口罩的订单时，他们可以定制设计具有适当功能的口罩。

制造
过程

1. 罐由苯乙烯塑料制成，可防水和其他 化学品，具有良好的尺寸稳定性，专为注塑成型而设计。注塑成型是将熔融塑料在高压下注入模具的过程。用于防毒面具罐的模具由两块夹紧在一起的盘状金属片组成。塑料树脂通过加热液化，然后通过注射柱塞注射到模具中。然后模具受到高压。大多数注塑机以 50-2,500 吨（51-2,540 公吨）的压力压缩模具。熔融塑料被压缩后，冷却水被迫通过模具中的通道来冷却和硬化塑料。释放压力，模具的两半分开，完成的罐被顶出。

   苯乙烯是一种热塑性树脂，这意味着它可以反复重熔，因此可以重新加工废料以制造额外的罐。因此，在此过程中浪费的塑料非常少。进行类似的成型过程以创建适合罐内的小型圆形屏幕。筛网旨在将活性炭固定在滤芯内。当滤罐沿着装配线移动时，插入一个筛网，滤罐中填充适当的过滤剂，然后第二个筛网就位。

2. 面罩由硅橡胶注塑成型。硅橡胶具有出色的稳定性，耐高温，能够贴合面部和头部的曲线。它也是热塑性的，可以根据需要重新成型。成型过程与上述过程非常相似。成型后，必须将裙边从模具中取出，在安装其他组件之前，必须用手清除任何粗糙的边缘。
3. 零件在半自动化的装配线上组装，由两到四名生产线工人监督整个过程。完成的滤筒连接到面罩上，目镜插入并用粘合剂固定到位。最后，带子和带子用金属铆钉固定在面罩上。组装完成后，将对面罩进行最终质量检查。当口罩通过检查时，根据美国空气净化呼吸器滤芯和滤毒罐的识别国家标准，用适当的标记进行识别。完成的口罩被包装运输。用于包装口罩的容器还必须标明口罩的身份。此外，如果在紧急情况下可能使用面罩，它们必须设计为易于取用。

副产品/废物

根据活性炭所接触的化学处理类型，它可能被归类为化学废物。一些过滤器就是这种情况，例如铬处理过的碳。用于罐和面罩的注塑工艺几乎不会产生浪费，因为任何损失的树脂都可以重新熔化并再次使用。镜片由外部供应商制造，因此防毒面具制造商不必解决废弃聚碳酸酯的问题。

质量控制

防毒面具和一般的空气净化呼吸器受联邦法规 (CFR) 监管。这些法规规定了用于特定应用的口罩类型。 CFR 认可的不同口罩类型的示例包括自给式呼吸器、无动力空气净化微粒呼吸器、化学药筒式呼吸器和防尘口罩。法规规定了必须进行的确切测试类型，以确保成品的质量。测试的类型取决于口罩的最终应用，即预期过滤的污染物类型。 CFR 规定了必须测试气体的污染物类型，还规定了必须进行测试的条件。例如，某些口罩必须长时间暴露在污染物中。其他的必须在特定的温度和湿度条件下进行测试。这是通过通过面罩吸入被已知数量毒物污染的空气流来完成的。然后测量污染物浸透过滤器并开始通过所需的时间。

测试在制造过程中的几个点进行。对进货进行初步检查，以确保它们符合最低质量规格。这包括过滤剂、用于模塑的树脂以及收到的成品目镜。组装后必须对碳罐进行测试，以确保其密封良好且碳过滤器正常工作。在组装完所有组件后，再次测试面罩。最终面罩可放置在人体模型头部以确保密封紧密且面罩在运动中保持其密封。

未来

80年来，防毒面具的基础技术经过反复测试，未来不太可能改变。 APR 行业面临的挑战将是开发用于特殊用途的产品，例如婴儿呼吸器或用于头部受伤和其他致残人员的口罩。这些产品的未来还依赖于材料科学的进步，这使得生产更小、更轻的产品成为可能。事实上，目前在碳化学方面的研究工作预计将导致开发出只有当前标准尺寸的一半且更有效的过滤罐。材料的这些和其他改进将产生用于工业用途以及医疗和军事应用的新一代呼吸器设备。