СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРЕТНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ОСНОВАННЫЙ НА ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЗЕТА-ПОТЕНЦИАЛА
METHOD TO MANUFACTURE ELECTRET ITEMS BASED ON USING ZETA-POTENTIAL

Область применения
В настоящем изобретении предлагается новый способ заряжания полимерных электретных изделий. Способ включает использование жидкости на водной основе, имеющей проводимость и рН, которые являются функцией зета-потенциала изделия.
Уровень техники
Электретные изделия, то есть изделия, имеющие по меньшей мере квазиперманентный электрический заряд, известны как обладающие хорошими фильтрующими свойствами. Такие изделия используются во многих приложениях. В системах фильтрации воздуха они используются, как правило, в виде нетканых полотен из полимерных волокон. Примером такого материала является фильтр для печей производства 3М Company, предлагаемый под торговой маркой Filtrete™. Нетканые полимерные электретные фильтры используются также в устройствах индивидуальной защиты органов дыхания - смотри, например, патенты США 4,536,440 (автор Berg), 4,807,619 (Dyrud с соавторами), 5,307,796 (Kronzer с соавторами), 5,804,295 (Braun с соавторами) и 6,216,693 (Rekow с соавторами).
Электрический заряд повышает способность нетканого полотна захватывать частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в среде, проходящей через данное полотно. Нетканое полотно, как правило, содержит волокна, содержащие диэлектрические, то есть непроводящие полимеры. Для производства электретных изделий в течение многих лет было разработано множество способов.
Одни из первых способов производства электрически заряженных полимерных пленок описаны Р.W.Chudleigh в публикациях Mechanism of Charge Transfer to a Polymer Surface by a Conducting Liquid Contact, 21 APPL. PHYS. LETT., 547-48 (Dec.1, 1972) и Charging of Polymer Foils Using Liquid Contacts, Al J. APPL. PHYS., 4475-83 (October 1976). Способ по Chudleigh включает заряжание полифтороэтиленовой полимерной пленки путем приложения к ней электрического напряжения. Напряжение прикладывается через проводящую жидкость, находящуюся в контакте с поверхностью пленки.
Один из первых способов производства полимерного электрета в виде волокон описан в патенте США 4,215,682 (авторы Kubic и Davis). Согласно данному способу волокна на выходе из головки экструдера бомбардируются электрически заряженными частицами. Волокна создаются с помощью процесса «выдувания из расплава», в котором рядом с выходным отверстием экструдера дуется газ с большой скоростью, который увлекает за собой частицы экструдированного материала, и они, охлаждаясь, отвердевают в виде волокон. Бомбардируемые волокна, выдуваемые из расплава, в произвольном порядке накапливаются на приемном устройстве (коллекторе), в результате чего образуется волокнистое электретное полотно. В упомянутом патенте указывается, что фильтрующая способность такого полотна увеличивается в два раза или более, когда выдуваемые из расплава волокна заряжаются по сравнению с таким же полотном из незаряженных волокон.
Волокнистые электретные полотна производятся также способом коронного заряжания. Так, например, в патенте США 4,588,537 (Klaase с соавторами) описано волокнистое полотно, непрерывно подаваемое в устройство коронного разряда. В устройстве полотно располагается рядом с одной из основных поверхностей в сущности закрытой диэлектрической фольги. Коронный разряд вырабатывается с помощью источника высокого напряжения, подключенного к находящимся друг напротив друга тонким вольфрамовым проводам. Еще один способ сообщения электростатического заряда нетканому полотну описан в патенте США 4,592,815 (автор Nakao). В предлагаемом способе заряжания полотно приводится в плотный контакт с нулевым электродом с гладкой поверхностью.
Волокнистые электретные полотна могут также изготавливаться из полимерных пленок, как описано в патентах США Re. 30,782, Re. 31,285 и Re. 32,171 (автор van Turnhout). Полимерным пленкам сообщается электростатический заряд, после чего они подвергаются фибрилляции (разделению на волокна), которые впоследствии собираются, и из них изготавливается нетканый электретный фильтр.
Для придания волокнам электрического заряда используются также механические способы. Так, в патенте США 4,798,850 (автор Brown) описан фильтрующий материал, содержащий смесь двух различных спутанных между собой синтетических полимерных волокон, подвергнутый кардованию, в результате чего образуется начес, а затем прокалыванию иглами, в результате чего образуется материал типа войлока. Согласно материалам патента волокна должны быть перемешаны особо тщательно, благодаря чему в процессе кардования они становятся электрически заряженными. Процесс, описанный в данном патенте, обычно называется «трибозаряжанием».
Трибозаряжание может также происходить, когда по поверхности диэлектрической пленки проходят имеющие большую скорость незаряженные струи жидкости или газа. Как описано в патенте 5,280,406 (Coufal с соавторами), когда струи незаряженной жидкости или газа ударяются о поверхность диэлектрической пленки или газа, данная поверхность становится заряженной.
В более поздних технологиях для заряжания нетканого волокнистого полотна используется вода (смотри патент США 5,496,507 (Angadjivand с соавторами). Струя воды под давлением или поток водяных капелек, ударяясь о нетканое полотно, содержащее непроводящие микроволокна, придает полотну электрический заряд. Обработка полотна воздушным коронным разрядом перед такой операцией гидрозаряжания может еще более усиливать конечный заряд полотна. В результате усиливаются и фильтрующие свойства полотна. Прочие способы, основанные на использовании воды для производств электретных изделий, описаны также в патентах США 6,824,718 и 6,406,657 (Eitzman с соавторами), 6,783,574, 6,375,886 и 6,119,691 (Angadjivand с соавторами) и 6,743,464 (Insley с соавторами). Для производства волокнистых электретных изделий используются также полярные жидкости на неводной основе - см. патент США 6,454,986 (Eitzman с соавторами).
Введение в полотно добавок повышает его электретные свойства. Один из способов повышения устойчивости материала против масляно-туманных аэрозолей включает введение в полимер допускающих обработку плавлением фторохимических добавок, таких как фторохимический оксазолидинон, фторохимический пиперазин, или перфторированные алканы, в процессе формирования изделия из полимерных волокон - смотри, например, патенты США 5,025,052 и 5,099,026 (Crater с соавторами), 5,411,576 и 5,472,481 (Jones с соавторами). Фторохимические вещества допускают возможность их обработки плавлением, то есть они в сущности не претерпевают разрушения своей структуры в процессах плавления, используемых для формирования волокон электретного полотна - смотри, например, патент США 5,908,598 (Rousseau с соавторами). В дополнение к способу обработки плавлением фторированные электретные материалы изготавливаются также путем помещения полимерного изделия в атмосферу инертного газа, содержащую фтористые соединения, а затем сообщения ему электрического заряда, в результате чего изменяется химический состав поверхности полимерного изделия. Используемый электрический разряд может быть в форме плазмы, например представлять собой коронный разряд переменного тока. Процесс плазменного фторирования обеспечивает присутствие атомов фтора на поверхности полимерного изделия. Фторированные полимерные изделия могут быть заряжены с использованием, например способов гидрозяряжания, описанных выше. Процесс плазменного фторирования описан в ряде патентов США, например в патентах 6,397,458, 6,398,847, 6,409,806, 6,432,175, 6,562,112, 6,660,210 и 6,808,551 (Jones/Lyons с соавторами). Электретные изделия, характеризующиеся высокой степенью фторирования, описаны в патенте США 7.244.291 (Spartz с соавторами), а электретные изделия с низкой степенью фторирования, содержащие, кроме того, гетероатомы, описаны в патенте США 7.244.292 (Kirk с соавторами). Прочие патенты, в которых описаны способы фторирования, включают: патенты США 6,419,871, 6,238,466, 6,214,094, 6,213,122, 5,908,598, 4,557,945, 4,508,781 и 4,264,750; патентные публикации США 2003/0134515 А1 и 2002/0174869 А1; а также международную публикацию WO 01/07144.
Фильтрующие полотна производятся также без специального заряжания волокон или полотен после их изготовления (то есть без специальной их «электретизации» - смотри, например, патент США 5,780,153 (Chou с соавторами). Волокна для таких полотен изготавливаются из сополимера, содержащего: сополимер этилена, от 5% до 25% (по весу) (мет)акриловой кислоты, и возможно, хотя это менее предпочтительно, до 40% (по весу) алкил-мет(акрилата), алкильные группы которых имеют от 1 до 8 атомов углерода. От 5% до 70% кислотных групп нейтрализованы ионами металла, как правило цинка, лития или магния, или их сочетаниями. Сополимер имеет показатель плавления от 5 до 1000 г/10 минут. Остальную часть сополимера может представлять полиолефин, например полипропилен или полиэтилен. Волокна могут изготавливаться способом выдувания из расплава, после чего быстро охлаждаться в воде во избежание чрезмерного образования связей. Как описано в данном патенте, такие волокна характеризуются высокой степенью удержания статического заряда, имеющегося в них или специально сообщенного.
Прочие электретные материалы, содержащие добавки, описаны в патенте США 5,057,710 (автор Nishiura). Пропиленовые электретные материалы, описанные в данном патенте, содержат по меньшей мере один из следующих типов стабилизаторов: стерически затрудненные амины, азот-содержащие стерически затрудненные фенолы и металл-содержащие стерически затрудненные фенолы. В данном патенте указывается также, что электретный материал, содержащий такие добавки, может иметь высокую термическую устойчивость. Электретизация материала проводилась путем помещения листа нетканого полотна между игольным электродом и нулевым электродом. В патентах США 4,652,282 и 4,789,504 (Ohmori с соавторами) описан процесс включения соли металла и жирной кислоты в теплоизолирующий полимер, что поддерживает высокую эффективность пылеудаления таким материалом в течение длительного времени. В патенте Японии JP 60-947 (автор Kokoku) описаны электретные материалы, содержащие поли-4-метил-1-пентен и по меньшей мере одно соединение из следующих: (а) соединение, содержащее фенол-гидрокси-группу, (b) высшую алифатическую карбоксильную кислоту и ее металлические соли, (с) тиокарбоксилатное соединение, (d) соединение на основе фосфора и (е) соединение на основе эфира. По данным указанного патента такие электретные материалы характеризуются долговременной накапливающей способностью.
Прочие патентные публикации Японии, в которых описаны способы производства электретных изделий, включают 2002-115178, 2002-115177 А, 2003-013359, 2004-66026, 2004-66027 и 2004-195357.
Для краткого ознакомления с ионно-химическими процессами на границах раздела сред, а также способов переноса ионов с помощью поглощаемой воды, и их использования для производства электретных, рекомендуем обратиться к публикациям: McCarty and Whitesides, Electrostatic Charging Due to Separation of Ions at Interfaces: Contact Electrification of Ion Electrets, 47 ANGW. CHEM. INT. 2-22 (2008); McCarty et al., Ionic Electrets: Electrostatic Charging of Surfaces by Transferring Mobile Ions Upon Contact, 129 J. AM. CHEM.SOC. 4075-88 (2007), и Kudin et al., Why Are Water - Hydrophobic Intersurfaces Interfaces Charged?, J. AM. CHEM. SOC. (принята 17 сентября 2007 г.).
Определения
В контексте настоящего документа:
«на водной основе» по отношению к жидкости означает, что по меньшей мере 40% такой жидкости по объему составляет вода;
«содержит» (или «содержащий») имеет значение, стандартно применяемое в патентной терминологии, и является открытым термином, как правило синонимичным терминам «включает», «имеет» или «вмещает». Хотя термины «содержащий», «включающий», «имеющий» и «вмещающий» и их вариации являются широко используемыми открытыми терминами, в контексте настоящего изобретения наиболее подходящим термином с более узким значением по отношению к термину «содержащий» является «состоит в сущности из», который является полуоткрытым термином в том смысле, что он исключает только те объекты или элементы, которые могут оказать негативное воздействие на работу электретного изделия при выполнении функции, для которой оно предназначено;
«проводимость» означает способность вещества передавать электрический ток;
«электрический заряд» означает, что имеет место разделение зарядов;
«энтальпия» обозначает термодинамическую характеристику вещества, обозначаемую "Н" и рассчитываемую как Н=U+pV, где U - внутренняя энергия, р - давление, а V - объем; энтальпия Н представляет собой внутреннюю энергию системы плюс произведение давления и объема; ее изменение в системе равно количеству тепла, переданному системе при постоянном давлении;
dp
«энтальпия депротонирования» (ΔH) означает энтальпию, требующуюся для отрыва от молекулы одного протона;
«волокнистый» означает содержащий волокна и, возможно, прочие ингредиенты;
«волокнистое электретное полотно» означает полотно, содержащее волокна и способное нести квази-перманентный электрический заряд;
«жидкий» означает состояние материи между твердым и газообразным;
14
«непроводящий» означает имеющий объемное сопротивление 10 Ом·см или выше при комнатной температуре (22°С);
«нетканый» означает структуру или участок структуры, в которой ее составляющие (например, волокна), удерживаются друг с другом способами, иными чем в тканых полотнах;
1
2
1
2
«N-замещенный амино-ароматический» означает ароматическую группу, имеющую от одного до трех ароматических колец, например бензольное, нафталиновое или триазиновое, с по меньшей мере одним замещением аминогруппой типа -NRR, где группой R может быть водород, алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода, арил, имеющий от 1 до 5 колец, связанных простой или ароматической связью, гетероалкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода или замещенный алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода, и группой R может быть водород, алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода, арил, имеющий от 1 до 5 колец, связанных простой или ароматической связью, гетероалкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода или замещенный алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода;
«рН» означает меру кислотности или щелочности (основности) раствора при комнатной температуре (22°С) и нормальном атмосферном давлении (101 300 Па), по логарифмической шкале от 0 до 14, где 7 соответствует нейтральной среде, меньшие значения соответствуют кислой среде, причем чем меньше значение рН, тем выше кислотность, а большие значения, чем 7, соответствуют щелочной среде, и чем выше рН, тем выше щелочность; точно рН рассчитывает как отрицательный десятичный логарифм активности ионов водорода;
«полимер» означает органический материал, содержащий повторяющиеся и связанные между собой молекулярные единицы или группы, расположенные правильным или неправильным образом;
«полимерный» означает содержащий полимер и, возможно, прочие ингредиенты;
«материал, образующий полимерные волокна», означает состав, который содержит полимер, или который содержит мономер, из которого может быть изготовлен полимер, и, возможно, содержит прочие ингредиенты, и из которого могут быть сформированы твердые волокна;
«сродство к протону» (РА) означает взятое с противоположным знаком изменение энтальпии при присоединении к молекуле одного протона, выраженное в килокалориях на моль (ккал/моль);
«коэффициент качества» (QF) означает коэффициент, определяемый в соответствии с процедурой определения коэффициента качества, приведенной ниже;
«квази-перманентный» означает, что электрический заряд может оставаться на изделии при стандартных условиях (температура 22°С, атмосферное давление 101 300 Па, относительная влажность 50%), в течение периода времени, достаточного для проведения значимых измерений;
2
«вода» означает НО; и
«зета-потенциал» (ζ-потенциал) означает разность электрических потенциалов (известную также как электрокинетический потенциал) при нулевом значении электрического тока, вызванную течением жидаости под градиентом давления.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается новый способ изготовления электретного изделия. Способ содержит: (а) обеспечение полимерного изделия, подлежащего заряжанию; и (b) приведение полимерного изделия, подлежащего заряжанию, в контакт с жидкостью на водной основе, имеющей следующие значения рН и проводимости: (i) если изделие имеет зета-потенциал менее чем -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость имеет проводимость примерно от 5 до 9000 мкСм/см (микроСименс/см) и рН больше 7; и (ii) если изделие имеет зета-потенциал, больший чем -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость имеет проводимость примерно от 5 до 5500 мкСм/см (микроСименс/см) и рН 7 или менее. Изделие может быть подвергнуто активной сушке (под вакуумом или под воздействием тепла) или пассивной (ручная сушка) или их сочетанию.
dp
В настоящем изобретении предлагается новый способ изготовления электретных материалов, строгое следование которому позволяет получить улучшенные фильтрующие характеристики изготовленных из них электретных изделий. Изобретатели обнаружили, что улучшение фильтрующих характеристик, в частности, в виде увеличения стандартно определяемого коэффициента качества (QF), может быть достигнуто путем заряжения электретного изделия жидкостью на водной основе, имеющей рН и проводимость, которые являются функцией от зета-потенциала. Кроме того, изобретатели обнаружили, что сродство к протону (РА) и энтальпия депротонирования (ΔH) также играют определенную роль, если в полимерный материал, из которого изготовлено электретное изделие, введены добавки. Улучшенные фильтрующие характеристики дает то преимущество, что для достижения одной и той же степени фильтрации может быть использовано меньшее количество фильтрующего материала. Лучшие фильтрующие характеристики могут быть получены за счет более высокого уровня заряжяния материала или за счет более оптимального распределения заряда в полученном электретном изделии.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Аксонометрический вид спереди одноразовой респираторной маски 10, в которой может использоваться электретный фильтрующий элемент в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2. Сечение основы 12 маски, изображенной на фиг.1, на котором виден электретный фильтрующий слой 20.
Фиг.3. Аксонометрический вид спереди респираторной маски 24, имеющий фильтрующий картридж 28, который может включать электретный фильтрующий элемент в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4. Пример не волокнистого электретного изделия 40, которое может быть использовано в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5. Сечение устройства для изготовления нетканого полотна из микроволокон.
Фиг.6. Аксонометрический вид жидкоструйного аппарата, который может использоваться для изготовления электретных изделий в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
В нижеследующем описании наиболее предпочтительных воплощений изобретения для ясности используется определенная терминология, единая для настоящего описания. Однако не имелось в виду ограничить изобретение именно выбранной терминологией, и подразумевается, что каждый из использованных терминов включает все технически эквивалентные ему термины, и работающие аналогичным образом.
3
В соответствии с настоящим изобретением электретные изделия могут быть изготовлены путем сначала обеспечения полимерного изделия, подлежащего заряжанию; и затем приведения данного изделия в контакт с жидкостью на водной основе, имеющей значения рН и проводимости, зависящие от зета-потенциала изделия, подлежащего заряжанию. Если изделие имеет зета-потенциал, больший чем -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость должна иметь проводимость примерно от 5 до 5500 мкСм/см (микроСименс/см) и рН 7 или менее; и (ii) если изделие имеет зета-потенциал, меньший или равный -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость должна иметь проводимость примерно от 5 до 9000 мкСм/см (микроСименс/см) и рН больше 7. Если полимерное изделие содержит N-замещенную амино-ароматическую добавку, имеющую сродство к протону, большее чем примерно 230 ккал/моль и энтальпию депротонирования, большую чем примерно 335 ккал/моль, а также сродство к протону, меньшее чем примерно 230 ккал/моль, тогда жидкость на водной основе должна иметь рН 7 или менее и проводимость от 5 до 5500 мкСм/см. Если полимерное изделие содержит N-замещенную амино-ароматическую добавку, имеющую энтальпию депротонирования, меньшую чем примерно 335 ккал/моль, то жидкость на водной основе должна иметь рН больше 7 и проводимость от 5 до 9000 мкСм/см. Добиться требуемых значений рН и проводимости жидкости на водной основе, чтобы придать материалу требуемый заряд в соответствии с настоящим изобретением, можно за счет использования различных химических веществ, добавляемых в воду, взятых в различном количестве. Так, например, и рН, и проводимость раствора гидроксида натрия (NaOH) могут быть плавно изменены путем добавления больших количеств его в воду. При добавлении уксусной кислоты (СНСООН) в ее водный раствор рН раствора постепенно уменьшается, а его проводимость постепенно увеличивается. Проводимость жидкости на водной основе может изменяться при постоянном значении рН за счет добавления в раствор одного и того же количества гидроксида натрия (NaOH), которое обеспечивает нужное значение рН, и изменяя количество добавляемого хлорида натрия (NaCl), раствор которого имеет нейтральное значение рН, для получения требуемого значения проводимости раствора. При использовании непрерывного производственного процесса значения рН и проводимости могут постоянно измеряться в течение длительных периодов времени, особенно в начальной стадии использования новой партии жидкости.
Предлагаемый заявителями способ изготовления электретных изделий позволяет получить такие изделия, обладающие высокой эффективностью работы, особенно в приложениях, связанных с фильтрацией. Электретные изделия, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, могут иметь различные формы и конфигурации. Изделия могут быть сплошными, пористыми, волокнистыми и прочими.
Волокнистые изделия, которые могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением, могут быть изготовлены различными способами, включая процессы воздушной укладки, мокрой укладки, гидро-спутывания, процессы «спанбонд» и процессы выдувания из расплава, например, описанные в публикации Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. ENGN. CHEM. 1342-46, a также в отчете №4364 Научно-Исследовательской Лаборатории ВМС (Naval Research Laboratories) от 25 мая 1954 года «Manufacture of Super Fine Organic Fibers», Van A. Wente с соавторами. Волокнистые изделия могут быть изготовлены в форме полотна, с использованием различных сочетаний данных способов и различных сочетаний таких волокон. Микроволокна, особенно выдуваемые из расплава, особенно пригодны для использования в волокнистых полотнах, используемых в качестве фильтров. В контексте настоящего документа «микроволокно» означает волокно (волокна), имеющие эффективный диаметр примерно 25 мкм или менее. Эффективный диаметр микроволокна может быть рассчитан по формуле (12), приведенной в публикации Davies, CN., The Separation of Airborne Dust and Particles, INST. MECH. ENGN., LONDON PROC. IB (1952). Для приложений, связанных с фильтрацией, как правило, используются микроволокна, имеющие эффективный диаметр менее 20 мкм, и более предпочтительно - от примерно 1 мм до примерно 10 мкм. Могут быть также использованы волокна, изготовленные из фибриллированных пленок - смотри, например, патенты США RE30,782, RE32.171, 3,998,916 и 4,178,157 (автор Van Turnout). Нетканые полотна, изготовленные в соответствии со способом, предлагаемым в настоящем изобретении, могут иметь коэффициент качества, превышающий 1,0; 1,2; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,3; 2,4 и 3,4. Как правило, нетканое полотно, изготовленное в соответствии с настоящим изобретением, имеет коэффициент качества, на 15% больший, а в большинстве случаев - на 50% или даже более превышающий коэффициент качества такого же изделия, изготовленного не в соответствии с настоящим изобретением.
Для повышения воздушности полотна, то есть для снижения его плотности, микроволокна могут использоваться в сочетании со штапельными (основообразующими) волокнами. Уменьшение плотности полотна позволяет уменьшить падение давления воздуха при прохождении через него, то есть воздух легче будет проходить через фильтр. Низкое падение давления особенно целесообразно для устройств индивидуальной защиты, так как обеспечивается больший комфорт при использовании такого изделия. Чем ниже падение давления, тем меньше энергии затрачивается на всасывание воздуха через такой фильтр. Так, например, пользователю так называемой «отрицательной» респираторной маски, то есть маски, при которой всасывания воздуха через ее фильтр требует наличие разрежения в легких, потребуется затрачивать меньшие усилия на дыхание через такую маску. Низкое падение давления может быть также полезно для фильтровальных систем, работающих от нагнетательного вентилятора, так как снижаются энергозатраты на питание вентилятора или увеличивается, например, срок службы батареи в системах, работающих от батареи. Как правило, в нетканом волокнистом фильтре присутствует не более 90% (по весу) штапельных волокон, и наиболее часто - не более 70% по весу. Остальную часть материала обычно представляют микроволокна. Примеры полотен, содержащих штапельные волокна, описаны в патенте США 4,118,531 (автор Hauser).
Для различных целей в электретное полотно могут быть введены активные твердые частицы, например, в качестве сорбентов, катализаторов и для прочих целей. Так, например, в патенте США 5,696,199 (Senkus с соавторами) описаны различные типы активных частиц. Активные частицы, обладающие сорбирующими свойствами, такие как активированный уголь или глинозем, могут быть включены в полотно для удаления из него в процессе фильтрации органических паров. Активные твердые частицы могут присутствовать в полотне в количестве, составляющем до 95% его объема. Примеры нетканых полотен, содержащих твердые частицы, описаны в патентах США 3,971,373 (автор Braun), 4,100,324 (автор Anderson) и 4,429,001 (Kolpin с соавторами).
Полимеры, которые могут использоваться для производства электретных изделий, включают термопластические органические непроводящие полимеры. Такие полимеры, как правило, способны удерживать большое количество попавшего в их заряда и могут быть переработаны в волокна, например, с использованием процесса выдувания из расплава или процесса «спанбонд» и соответствующего оборудования. Термин «органический» означает, что скелет данного полимера содержит атомы углерода. Предпочтительные полимеры включают полиолефины, такие как полипропилен, поли-4-метил-1-петнен, смеси или сополимеры, включающие один или более из данных полимеров, и сочетания данных полимеров. Прочие полимеры могут включать полиэтилен, прочие полиолефины, перфторполимеры, поливинилхлориды, полистиролы, поликарбонаты, полиэтилен-терефталат, прочие полиэфиры, такие как полилактид и сочетания данных полимеров. Прочие непроводящие полимеры также могут быть использованы в качестве материала для формирования полимерных волокон или для производства электретных изделий.
Полимеры, используемые для производства электретных изделий в соответствии с настоящим изобретением, могут быть подвергнуты экструдированию или иным процессам, позволяющим получить многокомпонентные полимеры - смотри, например, патенты США 4,729,371 (авторы Krueger и Dyrud), 4,795,668 и 4,547,420 (авторы Krueger и Meyer). Различные полимерные компоненты могут быть расположены концентрично или продольно относительно оси волокна, в результате чего может быть, например, получено двухкомпонентное волокно. Волокна могут быть расположены так, что они будут образовывать «макроскопически гомогенное полотно», то есть полотно, изготовленное из волокон, каждое из которых в целом имеет один и тот же состав.
Волокна, изготовленные из полимерных материалов, могут также содержать прочие подходящие добавки. Возможные добавки включают термически устойчивые органические триазиновые соединения или олигомеры, содержащие по меньшей мере один атом азота в дополнение к атомам азота триазинового кольца - смотри патенты США 6,268,495, 5,976,208, 5,968,635, 5,919,847 и 5,908,598 (Rousseau с соавторами). Еще одной добавкой, известной как способствующей сообщению полотну большего электретного заряда при заряжании струями воды, является Chimassorb™ 944 LF (поли[[6-(1,1,3,3-тетраметилбутил)амино]-s-триазин-2,4-диил][[(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидил)имино]гексаметилен [(2,2,6,6-тетраметил-4-пиперидил)имино]]), производства Ciba Specialty Chemicals, Inc. Добавки могут быть N-замещенными амино-ароматическими соединениями, в частности три-амино замещенными соединениями, имеющими, например, формулы (1) или (2), приведенные ниже:
где Ar - трехвалентная ароматическая группа, замещенная от 0 до 3 атомами азота, n - целое число от 0 до 20, а каждая из групп R, независимо от других групп, может быть группой, содержащей менее чем примерно 20 атомово, отличных от атомов водорода и металлов. Каждая из групп R, независимо от других групп, может быть: водородом; галогеном, например фтором; гидроксилом; алкилом, содержащим до 20 атомов углерода, например метил, этил, пропил, бутил и прочие; галоген-замещенные алкилы, такие как трифторометил; алкокси-группой, содержащей от 1 до 20 атомов углерода, например метоксигруппой; эфиром, содержащим от 2 до 20 атомов углерода, таким как метоксикарбонил, замещенными аминами, содержащими от 2 до 20 атомов углерода, например метиламино-группой; и нитро-группой. Добавки, способствующие заряжанию и имеющие такие формулы, будут приведены ниже в разделе «Примеры». Дополнительные примеры усиливающих заряжание добавок приводятся в патентной заявке США 61/058,029 «Усиливающие заряжание добавки для электретных материалов», поданной в один день с настоящей заявкой, и в патентной заявке США 61/058,041 «Электретные полотна с усиливающими заряжание добавками». Как правило, добавки могут присутствовать в полимерном изделии в количестве примерно от 0,1% до 5% по весу, наиболее часто - от 0,25% до 2% по весу.
Прочие добавки включают световые стабилизаторы, первичные и вторичные антиоксиданты, инактиваторы металлов, стерически затрудненные амины и фенолы, металлические соли жирных кислот, триэфир-фосфиты, соли фосфорной кислоты, вторсодержащие соединения, меламины, а также добавки, упоминаемые в предварительной патентной заявке США 60/992745, патентной публикации США 2007/0180997 (Leir с соавторами), патенте США 5,057,710 (Nishiura с соавторами), публикациях Японии 2002212439 и 2005131485.
Волокна, содержащие добавки, могут быть быстро охлаждены после придания формы нагретой и расплавленной смеси полимера и добавки, после чего следуют этапы отжига и заряжания, и получается электретное изделие. Изготовление таким образом обеспечивает улучшенные фильтрующие характеристики электретного изделия - смотри патент США 6,068,799 (Rousseau с соавторами). Могут быть также изготовлены электретные изделия, имеющие низкий уровень извлекаемых углеводородов (<3,0 весовых %), что повышает их устойчивость нагрузкам - смотри патент США 6,776,951 (Rousseau с соавторами).
14
16
Полимерный материал, используемый для производства электретных изделий в соответствии с настоящим изобретением, может иметь объемное сопротивление 10 Ом·см или выше (при комнатной температуре). Объемное сопротивление может также составлять 10 Ом·см или более. Объемное сопротивление материала, образующего полимерные волокна, может быть измерено по стандартной процедуре ASTM D 257-93. Материал, используемый для производства полимерных волокон, например, выдуваемых из расплава, и электретного изделия из них, в сущности не должен содержать веществ, обладающих антистатическим действием, поскольку такие вещества могут усиливать электрическую проводимость материала или иным образом ухудшать способность электретного изделия принимать и удерживать электростатические заряды.
2
2
Электретные материалы, содержащие нетканые полимерные волокнистые полотна и используемые для изготовления фильтров респираторов, как правило, имеют удельный вес от примерно 2 до примерно 500 г/м, наиболее часто - от 20 до 150 г/м. Под удельным весом в данном случае подразумевается масса изделия, приходящаяся на единицу его площади. Толщина таких нетканых полимерных волокнистых полотен, как правило, составляет примерно от 0,25 мм до 20 мм, предпочтительно - примерно от 0,5 мм до 2 мм. В фильтрующих элементах, как правило, наиболее часто используется несколько слоев волокнистых электретных полотен. Густость волокнистого электретного полотна, как правило, составляет от 1% до 25%, наиболее часто - от 3% до 10%. Густость в данном случае является безразмерным параметром, отражающим содержание в изделии твердой фракции (в процентах от общей площади продольнго сечения). Изделие в соответствии с настоящим изобретением может характеризоваться в целом равномерным распределением заряда в заряженном нетканом волокнистом полотне, в сущности независимо от его удельного веса, толщины и твердости.
Электретные изделия в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться в качестве фильтров в фильтрующих масках, предназначенных для покрытия по меньшей мере носа и рта пользователя.
На фиг.1 представлен пример фильтрующей лицевой маски 10, которая может содержать электрически заряженное нетканое полотно, изготовленное в соответствии с настоящим изобретением. Имеющая в целом форму чаши основа 12 маски может иметь форму, приданную ей в результате формования и обеспечивающую прилегание к носу и рту пользователя. Основа 12 маски является пористой, так что через нее может проходить вдыхаемый воздух. В основе 12 маски находится электретная фильтрующая среда (как правило, расположенная по всей ей поверхности), удаляющая из вдыхаемого воздуха загрязняющие вещества. Для удобства основа маски может содержать носовой зажим 13, способствующий более плотной ее посадке на нос пользователя. Носовой зажим может иметь М-образную форму, как описано в промышленном образце США 412,573 и патенте США 5,558,089 (автор Castiglione). Для удержания основы 12 маски на лице пользователя может быть предусмотрена система 14 завязок или тесемок. Хотя на фиг.1 изображена крепежная система, включающая две тесемки, система 14 крепления может включать только одну тесемку 16, которая может иметь различные конфигурации - смотри, например, патент США 4,827,924 (Japuntich с соавторами, 5,237,986 (Seppalla с соавторами), 5,464,010 (автор Byram), 6,095,143 (Dyrud с соавторами) и 6,332,465 (Xue с соавторами). Для быстрого выведения из внутреннего пространства маски выдыхаемого воздуха на основу маски может быть установлен выдыхательный клапан - смотри, например, патенты США 5,325,892, 5,509,436, 6,843,248, 6,854,463, 7,117,868 и 7,311,104 (Japuntich с соавторами); RE37.974 (автор Bowers); и 7,013,895, 7,028,689, и 7,188,622 (Martin с соавторами).
На фиг.2 показано примерное сечение основы 12 маски. Основа 12 маски может включать множество слоев, обозначенных как поз.18, 20 и 22. Электретная фильтрующая среда может удерживаться другими слоями, такими как формообразующие слои, изготовленные из термоскрепленных волокон, например из двухкомпонентных волокон, имеющих наружный термопластический компонент, позволяющий волокнам скрепляться друг с другом в точках их пересечений. Слой 18 может быть внешним формообразующим слоем, слой 20 может быть фильтрующим слоем, а слой 22 может быть внутренним формообразующим слоем. Формообразующие слои 18 и 22 удерживают фильтрующий слой 20 и придают общую форму основе 12 маски. И хотя в настоящем описании используется термин «формообразующие слои», данные слои могут иметь и другие функции, о которые в случае внешнего слоя могут быть даже их основными функциями, такими как, например, защита фильтрующего слоя и предварительная фильтрация потока газа. И хотя в данном документе используется термин «слой», следует понимать, что один слой может на самом деле включать несколько под-слоев, собранных вместе для обеспечения требуемой толщины или плотности всего слоя. В некоторых воплощениях в конструкцию маски может быть включен только один формообразующий слой, как правило внутренний, но наиболее надежное и удобное придание маске формы осуществляется, когда по каждую сторону фильтрующего слоя имеется формообразующий слой, как показано на фиг.2. Формообразующие слои описаны в следующих патентах США: 4,536,440 (автор Berg), 4,807,619 (Dyrud с соавторами), 5,307,796 (Kronzer с соавторами), 5,374,458 (автор Burgio) и 4,850,347 (автор Skov). И хотя изображенная на фиг.1 и 2 основа маски имеет в целом круглую форму в виде чаши, она может иметь и прочие формы - смотри, например, патент США 4,883,547 (автор Japuntich). Основа маски может дополнительно содержать внешнее и/или внутреннее покровное полотно, обеспечивающее мягкий и удобный контакт с лицом пользователя и/или препятствующие выделению волокон из формообразующих и фильтрующего слоя основы маски - смотри патент США 6,041,782 (Angadjivand с соавторами). Респираторная маска может также иметь плоскую в сложенном виде основу (в противоположность формованной основе готовой формы) - смотри, например, патенты США 6,394,090 to (автор Chen) и 6,484,722 (Bostock с соавторами).
На фиг.3 показан еще один респиратор 24, в котором в качестве фильтра может использоваться электретное изделие в соответствии с настоящим изобретением. Респиратор 24 включает эластомерную основу 26 маски, к которой прикреплен фильтрующий картридж 28. Основа 26 маски, как правило, включает эластомерный лицевой элемент 30, удобно прилегающий к носу и рту пользователя. Фильтрующий картридж 28 может содержать электретную фильтрующую среду, изготовленную в соответствии с настоящим изобретением и предназначенную для захвата загрязняющих частиц и предотвращения вдыхания их пользователем. Фильтрующий элемент может включать полимерный электретный фильтр сам по себе или в сочетании с противогазовым фильтром, таким как патрон из активированного углерода. Для защиты внешней поверхности фильтрующего элемента на фильтрующем картридже может быть предусмотрена крышка или сетка 32. Примеры прочих фильтрующих картриджей, в которых может использоваться электретная фильтрующая среда в соответствии с настоящим изобретением, описаны в патентах США Re. 35,062 (Brostrom с соавторами) и 5,062,421 (авторы Burns и Reischel). Как показано в данных патентах, могут использоваться картриджи с несколькими фильтрами. Картриджи могут быть выполнены с возможностью их снятия и замены. Кроме того, фильтрующая среда в соответствии с настоящим изобретением может быть использована в фильтрующих картриджах респираторов для очистки воздуха с внешним питанием. Примеры таких респираторов приведены в патентах США 6,666,209 (Bennett с соавторами) и 6,575,165 (Cook с соавторами). Кроме того, фильтрующая среда в соответствии с настоящим изобретением может быть использована в фильтрующих картриджах для защитных колпаков - смотри публикацию США D480,476 (Martinson с соавторами) и патенты США 6,302,103, 6,371,116, 6,701,925 (автор Resnick).
На фиг.4 представлен аксонометрический вид масива 40 фильтрующей среды. Структура массива 40 может содержать многочисленные проточные каналы 42, имеющие входы 43 на первой стороне 44 массива 40 и выходы 46 на второй стороне 48 массива 40. Проточные каналы могут быть образованы гофрированным микроструктурным слоем 50 и закрывающим слоем 52. Гофрированный слой 50 может соединяться с закрывающим слоем 52 по одному или более гребней и по одной или более впадин. Путем наложения друг на друга многочисленных гофрированных и плоских закрывающих слоев может быть получена структура в виде множества каналов. Проточные каналы предпочтительно имеют большое значение отношения высоты к ширине, а сами слои предпочтительно являются электрически заряженными для обеспечения высокой эффективности улавливания загрязняющих веществ. Падение давления через массив 40 от первой стороны 44 ко второй стороне 48 пренебрежимо мало.
Таким образом, неволокнистые электретные изделия, используемые для целей фильтрации, могут быть изготовлены в виде профилированной пленки, имеющей микроструктурированную поверхность, образующую множество микроструктурных каналов. Примеры неволокнистых электретных изделий приведены в патенте США 6,752,889 (Insley с соавторами), 6,280,824 (Insley с соавторами), 4,016,375 (автор Van Turnout) и 2,204,705 (автор Rutherford).
Электретный заряд может быт придан полимерным изделиям с помощью различных применяемых сегодня (или которые будут разработаны в дальнейшем) устройств. Примеры устройств для гидрозаряжания описаны в патентах США 5,496,507, 6119,691, 6,375,886 и 6,783,574 (Angadjivand с соавторами), 6,406,657 (Eitzman с соавторами) и 6,743,464 (Insley с соавторами).
Изделие, подвергаемое заряжанию в соответствии с настоящим изобретением, приводится в контакт с жидкостью на водной основе, имеющей рН и проводимость, зависящие от зета-потенциала изделия. Зета-потенциал изделия может быть измерен в соответствии с процедурой измерения зета-потенциала, описанной ниже. Проводимость и рН жидкости могут быть измерены в соответствии с процедурой измерения проводимости и рН, также изложенной ниже.
2
2
[0067] Способы гидрозаряжания обеспечивают отложение на волокнах как положительных, так и отрицательных зарядов, так что положительные и отрицательные заряды оказываются равномерно распределенными в полотне. Такое произвольное распределение заряда дает, как правило, неполяризованное полотно. Поэтому нетканое волокнистое электретное полотно, полученное его заряжанием полярной жидкостью, может быть в сущности неполяризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости полотна. Волокна, заряженные таким образом, как правило, имеют распределение заряда, близкое к изображенному на фиг.5С патента США 6,119,691 (Angadjivand с соавторами). Если в дополнение к этому полотно подвергается также операции коронного заряжания, оно имеет распределение заряда, подобное изображенному на фиг.5В того же патента. Полотно, сформированное из волокон, подвергнутых только гидрозаряжанию, как правило, имеет неполяризованный связанный заряд по всему объему волокна. «В сущности неполяризованный связанный заряд» в данном случае относится к волокнистому электретному полотну, характеризующемуся величиной обнаружимого тока разряда, меньшей 1 мкСм/м по результатам анализа термостимулированного разрядного тока, где знаменателем является площадь поверхности электрода. Такая конфигурация разряда подтверждается анализом полотна на термостимулированный разрядный ток. Один из подходящих процессов гидрозаряжания включает использование струй воды или потока капелек воды, ударяющихся на изделие под давлением и в течение времени, достаточного для придания полотну электретного заряда, обеспечивающего улучшенные фильтрующие свойства, и последующую сушку изделия - смотри, например, патент США 5,496,507 (Angadjivand с соавторами). Оптимальное значение давления, необходимого дла придания изделию электретного заряда, обеспечивающего его улучшенные фильтрующие свойства, варьирует в зависимости от типа используемого распылителя, типа полимера, из которого формируется изделие, типа и концентрации вводимых в полимер добавок, а также толщины и плотности изделия. Подходящие значения давления находятся в диапазоне от примерно 10 до примерно 500 фунтов/дюйм (69-3450 кПа). Струи воды или поток водяных капелек могут быть получены с помощью любых подходящих распылительных устройств). Одним из примеров таких распылительных устройств является устройство для гидравлического спутывания волокон.
В сочетании с гидрозаряжанием, описанным выше, дополнительно может использоваться предварительное или последующее коронное заряжание - смотри патенты США RE 30,782; 31,285 и 32,171 (автор Turnhout), 4,375,718 и 5,401,446 (Wadsworth с соавторами), 4,588,537 (Klasse с соавторами) и 4,592,815 (автор Nakao). Электретные изделия, изготовленные в соответствии со способом, предлагаемым в настоящем изобретении, пригодны, например, для применения как электростатические элементы в электроакустичских устройствах, таких как микрофоны, телефоны и громкоговорители, фильтры для жидкостей, уловителей твердых частиц, например, в электростатических генераторах высокого напряжения, электростатических записывающих устройствах, респираторах (например, в качестве предварительных фильтров, в патронах и сменных картриджах), лицевых масках, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Нетканые полотна из микроволокон в соответствии с настоящим изобретением могут быть изготовлены с помощью устройства, изображенного на фиг.5. Такое устройство включает головку 60, имеющую экструзионную камеру 61, через которую подается расплавленный материал для формирования волокон. На выходе из головки соосно по отношению друг к другу могут быть расположены калиброванные шайбы 62, через которые выдавливается формирующий волокна материал. Через отверстия 63 в головке может подаваться газ с большой скоростью на выходе, как правило горячий воздух. За счет высокой скорости потока газа из экструдированного материала вытягиваются удлиненные тонкие волокна, которые на пути к коллектору 64 отвердевают, в результате чего образуется полотно 65.
Если в полотне используются штапельные волокна, они могут быть введены с помощью чесального барабана 66, расположенного над устройством, выдувающим микроволокна, как показано на фиг.5. Для этого полотно 67 из штапельных волокон, как правило несвязанных, например, изготовленных с помощью гарнета или машины RANDO-WEBBER, подается по столу 68, проходит под ведущим валиком 69, за которым передний конец полотна вступает в зацепление с чесальным барабаном 66. Чесальный барабан 66 вырывает волокна из переднего края полотна 67 и отделяет волокна друг от друга. Вырванные волокна подаются через наклонный канал 70, попадают в поток выдуваемых микроволокон и перемешиваются с ними. Если в полотно необходимо ввести твердые частицы, они могут быть введены с помощью загрузочного механизма, аналогичного каналу 70.
2
Гидрозаряжание может производиться путем приведения полотна в контакт с жидкостью на водной основе, обеспечивающей придание полотну электретного заряда, обеспечивающего повышенные фильтрующие характеристики. рН и проводимость жидкости на водной основе выбираются, исходя из зета-потенциала изделия. Контакт материала с жидкостью на водной основе может быть достигнут с помощью распыления, погружения, конденсации и прочих способов нанесения жидкости на водной основе на заряжаемое полимерное изделие. При использовании распылителя давление, необходимое для получения наилучших результатов, может варьировать в зависимости от типа используемого распылителя, типа полимера, из которого формируется изделие, толщины и плотности изделия, а также от того, применяется ли перед гидрозаряжанием предварительное коронное заряжание. Как правило, подходящим является давление в диапазоне от 10 до 500 фунтов/дюйм (69-3450 кПа). Если зета-потенциал изделия меньше -7,5 мВ, жидкость должна иметь проводимость примерно от 5 до 9000 мкСм/см. Если зета-потенциал изделия выше -7,5 мВ, жидкость должна иметь проводимость примерно от 5 до 5500 мкСм/см. Как правило, в обоих случаях проводимость должна составлять примерно от 7 до 3000 мкСм/см, и еще более типичным диапазоном является от примерно 10 мкСм/см до примерно 1000 мкСм/см. Чем меньше проводимость, тем больше будет диапазон ее колебаний, и тем труднее поддерживать ее на требуемом уровне, особенно при использовании непрерывного процесса. Так, например, если тебуется поддерживать значение проводимости 7 мкСм/см, ее колебания могут составлять ±4 мкСм/см. Колебания примерно в таких же пределах имеют место и при высоких ее значениях (например, >100 мкСм/см), но в процентном отношении колебания становятся меньше. Для приготовления жидкости предпочтительно использовать не водопроводную, а дистиллированную или деионизованную воду. Жидкостью на водной основе в контексте настоящего изобретения может быть вода, очищенная, например, способом перегонки, обратного осмоса или деионизации. Использование очищенной воды является предпочтительным, так как неочищенная вода может содержать органические и неорганические примеси, препятствующие эффективному заряжанию волокон. Вода имеет дипольный момент около 1,85 Дебай и диэлектрическую постоянную 78-80. Жидкость для электретизации полотна должна иметь дипольный момент по меньшей мере 0,5 Дебай. Жидкость на водной основе должна содержать по меньшей мере 40%, предпочтительно 60% и еще более предпочтительно - 80% воды по объему. Предпочтительно жидкость на водной основе должна содержать в сущности 100% воды по объему. Жидкость на водной основе для заряжания полотна может быть в сущности чистой водой, содержащей небольшое количество дополнительных ингредиентов. Проводимость - величина, обратная электрическому сопротивлению, может быть измерена с помощью прибора для измерения проводимости и выражается в мкСм/см.
Струи или поток капелек жидкости могут быть сформированы в сущности любыми подходящими способами. Для реализации способа в соответствии с настоящим изобретением в целом может быть использовано устройство для гидравлического спутывания волокон, хотя операция гидрозаряжания проводится при несколько меньшем давлении, чем гидроспутывание.
На фиг.6 показан пример подходящего устройства для распыления, в котором волокнистое полотно 65 перемещается по опорам 72 под струями 74 жидкости. Перемещение полотна может производиться с помощью устройства в виде ленты транспортера, предпочтительно пористой, например в виде металлической или тканой сетки. Струи 74 жидкости, вырабатываемые в головке 76 с форсунками, падают на полотно 65, ударяясь в него в точках 78'. Под пористой летной, на которой транспортируется полотно, может быть обеспечен вакуум, который будет способствовать прохождению жидкости на водной основе через полотно, снижая дальнейшие энергозатраты на его сушку.
Примеры прочих устройств для распыления, которые могут использоваться в соответствии с настоящим изобретением, включают аэрозольные распылители, в которых жидкость на водной основе, подаваемая через трубопровод для жидкости, и воздух под давлением, подаваемый через соответствующий трубопровод для воздуха, вместе подаются в форсунку, в результате чего образуется туман, распыляемый на заряжаемое изделие; а также распылители насосного типа, в которых поршень насоса продавливает подаваемую жидкость через форсунку, и она распыляется в виде тумана. Дополнительное описание такого способа приведения воды в контакт с заряжаемым полотном приводится в патенте США 6,119,691 (Angadjivand с соавторами). Заряжаемое изделие может быть приведено в контакт с жидкостью на водной основе и с помощью других устройств, включая устройства, описанные в патентах США 6,406,657 (Eitzman с соавторами), 6,375,886 (Angadjivand с соавторами), 6,454,986 (Eitzman с соавторами) и 6,824,718 to Eitzman с соавторами.
Примеры
Приводимые ниже примеры даны только в целях иллюстрации и ни в коей мере не предназначены для ограничения масштаба настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой. Все доли, проценты, отношения и прочее в примерах и остальной части настоящего описания даны по весу, если не оговорено иное. Растворители и прочие вещества приобретались в Sigma-Aldrich Chemical Company (Милуоки, штат Висконсин, США), если не указано иное.
Измерение проводимости
Проводимость жидкости, использованной в каждом из примеров или сравнительных примеров, измерялась при комнатной температуре с помощью прибора для измерения проводимости ORION 3-Star (Thermo Fisher Scientific, Inc., Вольтхэм, штат Массачусетс, США). Такие же результаты могут быть получены при использовании других приборов для измерения проводимости.
Измерение рН
2
рН жидкости, использованной в каждом из примеров или сравнительных примеров, измерялась при комнатной температуре с помощью рН-метра ORION 3-Star с автоматической компенсацией температуры и комбинированным триодным электродом рН/АТС (оба производства Thermo Fisher Scientific, Inc., Вольтхэм, штат Массачусетс, США). Такие же результаты могут быть получены при использовании других приборов для измерения рН. Как указывается в литературе (стандартный метод измерения рН воды с малой проводимостью ASTM D 5464-07; стандартный метод непрерывного измерения рН воды с малой проводимостью ASTM D 5128-90(2005) Standard Test Method for On-Line рН Measurement of Water of Low Conductivity; публикация "Back to Basics-Measuring рН in High Purity Water", W.F. Harfst, Ultrapure Water, Oct. 1994, p 75.) измерение рН очень чистой воды может быть затруднительным из-за ее низкой проводимости и, как следствие, слабого электрического сигнала, а также из-за подверженности ее загрязнениям со стороны окружающей среды, особенно в виде CO. Как указано в ASTM D 5464-07, особенно сложно измерение рН растворов с проводимостью ниже 2 мкСм/см. Непрерывное измерение рН растворов с низкой проводимостью (менее 100 мкСм/см) по рекомендациям ASTM D5128-90(2005) должно производиться непосредственно перед местом попадания воды на заряжаемое изделие для предотвращения попадания в нее загрязнений из окружающей среды. Для непрерывного процесса заряжания предпочтительно непрерывное измерение рН. В описанных ниже примерах измерения производились как можно быстрее после приготовления жидкости для гидрозаряжания, в целях минимизации описанных выше эффектов; при этом ввиду упомянутых выше трудностей, связанных с измерением рН растворов с малой проводимостью, результаты измерений рН заряжающих жидкостей с проводимостью 2 мкСм/см и менее рассматривались как чисто номинальные значения.
Определение сродства к протону
Использованные нами методы расчетной химии основаны на теории функционала плотности (DFT), (Kohn, W., 71 Rev. Mod. Phys., 1253 (1999)). Мы использовали набор формул Kohn-Sham (Kohn, W.; Sham, L. J., 140 Phys. Rev., Al 133 (1965)), заложенных в программу NWChem версии 5.0 (Bylaska, E. J. Et al., NWChem, A Computational Chemistry Package for Parallel Computers, Version 5.0 (2006), Pacific Northwest National Laboratory, Ричлэнд, штат Вашингтон, США). При расчетах использовался тот или иной функционал обменной корреляции и тот или иной одноэлектронный базисный набор (Hehre, W. J.; Radom, L.; Schleyer, P. v. R.; Pople, J. A. Ab Initio Molecular Orbital Theory, Wiley: New York (1986)). Далее в описании совокупность конкретных методов расчета указана через дробную черту (Foresman, J. В.; Frisch, JE. Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods 2nd Ed., (1996))). Так, например, B3LYP/MIDI! означает, что был использован функционал B3LYP обменной корреляции (Stephens, P. J.; Devlin, F. J.; Chabalowski, С.F.; Frisch, M. J., 98 J. Phys. Chem. 11623 (1994)) и одноэлектронный базисный набор MIDI! (Easton, R. E.; Giesen, D. J.; Welch, A.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. 93 Theor. Chem. Ace. 1432 (1996)). Требования к ресурсам, необходимым для проведения расчетов, в основном определяются размером используемого одноэлектронного базисного набора. Чем больше базисный набор, тем выше точность расчетов, однако требующиеся ресурсы и время могут делать его экономически невозможным. Одной из самых больших трудностей в расчетной химии является определение теоретического уровня, то есть функционала обменной корреляции и базисного набора, на котором может быть получен приемлемый результат при приемлемых затратах времени.
С помощью методов теории функционала плотности может быть рассчитан ряд свойств вещества. Нами были рассчитаны энергия электронов, геометрия молекул и моды колебаний. Молекулярная геометрия рассчитывалась путем определения координат атомов, при которых энергия электронов минимальна. Частоты колебаний рассчитывались путем нахождения сначала геометрии, обеспечивающей минимальную энергию, а затем определения вторых производных координат атомов. Расчеты частот колебаний важны для определения поправок на энергию колебаний и тепловую энергию в нейтральных положениях атомов. Расчеты геометрии и частот колебаний более трудоемки, чем энергетические расчеты. Поэтому для определения оптимальной геометрии молекул и частот колебаний мы использовали меньшие базисные наборы.
Сродство к протону PA (Gal, J. -F.; Maria, P. -С; Raczynska, E. D., 36 J. Mass Spectrom. 699 (2001)), также рассчитывалось с помощью теории функционала плотности. Сродство к протону РА является термодинамическим свойством газовой фазы вещества, определяемым как:
PA = Энтальпия, высвобождаемая при присоединении к молекуле одного протона.
Важно отметить, что РА равняется взятому с противоположным знаком изменению энтальпии процесса протонирования, поэтому чем больше значение РА, тем более экзотермическим является процесс.
Молекулы могут иметь более чем одно место (сайт) протонирования, поэтому анализировались все возможные сайты протонирования, и результатом считалась РА для самого основного сайта, где под самым основным сайтом понимается сайт с наибольшим значением РА.
Все расчеты выполнялись с помощью программы NWChem версия 5.0. РА рассчитывалась для Т=298.15 К по приведенной ниже схеме из семи этапов:
(1) Оптимизация геометрии нейтральной молекулы с помощью функционала B3LYP и базисного набора MIDI!.
T
ZPE
(2) Расчет частот гармонических колебаний при оптимизированной геометрии с помощью B3LYP/MIDI!. Полученные частоты используются в дальнейшем для расчета поправок на энергию колебаний и тепловую энергию в нейтральных положениях атомов. Данные поправки обозначаются как E и E соответственно.
elec
(3) Расчет энергии электронов с помощью функционала PW6B95 (Zhao, Y.; Truhlar, D., 109 J. Phys. Chem. A 5656 (2005)) и базисного набора 6-31+G(d,p) (Hehre, W. J.; Radom, L.; Schleyer, P. v. R.; Pople, J. A., Ab Initio Molecular Orbital Theory, Wiley: New York (1986)) при геометрии, оптимизированной на этапе (1). Данная энергия обозначается как E.
N
(4) Суммарная энергия E нейтральной молекулы равна:
N
elec
T
ZPE
E=E+E+E
elec
T
ZPE
P
(5) Расчет величин E, E и E для протонированной молекулы согласно этапам (1)-(4) и определение энергии E протонированной молекулы как:
P
elec
T
ZPE
E
E=+E+E
(6) Свободный протон не имеет энергии электронов и энергии в нейтральном положении, но он имеет тепловую энергию, равную (5/2)RT, где R - универсальная газовая постоянная, а Т - температура. Таким образом, энергия протона равна:
H+
E=(5/2)RT
3
2
3
3)n
2
Выбранные методы были проверены на наборе экспериментально определенных величин РА. Экспериментальные данные были взяты из интернет-пособия Национального Института Стандартов и Технологий (Гейтерсбург, штат Мерилэнд, США) (Lias, S.; Bartness, J. E., Gas Phase Ion Thermochemistry, NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69, Eds. P.J. Linstrom and W.G. Mallard, June 2005, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg MD, 20899 (http://webbook.nist.gov)), и они приведены в Таблице 1. Выбор производился, не исходя из точности измерения, а из соображений разнообразия химической структуры соединений. Во большинстве случаев ошибки экспериментальных данных превышают ошибки расчетных данных. Тем не менее, такие данные тоже были включены в Таблицу. В таблицу не включались данные для аналогичных структур с повторяющимися химическими группами. Так, например, данные для CHNH были включены в таблицу, но все эскпериментальные данные для СН(СНNH при n, больших или равном 1, не включались. Исключение аналогичных данных позволяет избежать многократного включения в модель неправильной оценки для какой-либо молекулы, поэтому такая валидация модели более объективна. Рассчитанные по системе PW6B95/6-31+G(d,p) значения РА приведены в Таблице 1 вместе со средней абсолютной ошибкой. Средняя абсолютная ошибка расчетных данных для РА составила 1,8 ккал/моль. Предполагается, что она может быть еще более снижена путем увеличения базисного набора и/или более точных расчетов геометрии.
Определение энтальпии депротонирования
dp
Энтальпию депротонирования ΔH, (Gal, J. -F.; Maria, P. -С; Raczynska, E. D.; 36 J. Mass Spectrom. 699 (2001) также рассчитывали с использованием теории функционала плотности. Энтальпия депротонирования - термодинамическое свойство газовой фазы вещества, определяемое как:
dp
ΔH = энтальпия, требующаяся для отрыва от молекулы одного протона.
dp
dp
В случае молекул с несколькими возможными сайтами протонирования рассматривались все такие сайты, и результатом считалась величина H для самого кислотного протона, где под самым кислотным протоном считается протон, имеющий самое низкое значение H.
dp
Все расчеты выполнялись с помощью программы NWChem версия 5.0. ΔH рассчитывалась для Т=298.15 К по приведенной ниже схеме:
N
1. Расчет E, как было описано выше.
elec
T
ZPE
D
2. Расчет величин E, E и E для депротонированной молекулы согласно этапам (1)-(4) раздела выше и определение энергии E депротонированной молекулы как:
D
elec
T
ZPE
E
E=+E+E
3. Свободный протон не имеет энергии электронов и энергии в нейтральном положении, но он имеет тепловую энергию, равную (5/2)RT, где R - универсальная газовая постоянная, а Т - температура. Таким образом, энергия протона равна:
H+
E=(5/2)RT
dp
D
N
H+
4. Расчет (смотри формулу (2) выше): ΔH=E-E-E
dp
Как и в случае РА, модель расчета ΔH проверялась на наборе экспериментальных данных Национального Института Стандартов и Технологий, и результаты сравнения приведены в Таблице 1 (экспериментальные и расчетные данные). Средняя абсолютная ошибка для рассчитанных значений составила 1,7 ккал/моль, что близко к средней ошибке расчетов РА.
Измерение зета-потенциала
Для измерения зета-потенциала в описанных ниже примерах использовали электрокинетический анализатор ЕКА производства Anton Paar GmbH, (Грац, Австрия). Ожидается, что сходные результаты могут быть получены и с использованием других приборов, при условии следования приведенному ниже протоколу. При протекании жидкости через капилляр пористую пробку, диафрагму или мембрану возникает разность электрических потенциалов при нулевом токе, вызванная током жидкости под градиентом давления. Соответственно возникает также разность давлений жидкости на противоположных концах капилляра, пористой пробки, диафрагмы или мембраны. Когда через пористый материал или пористую пробку продавливается раствор электролита, возникает так называемый мембранный потенциал, вызванный движением ионов в диффузном слое, который может быть измерен при помощи электрокинетического анализатора. Мембранный потенциал может быть использован для расчета зета-потенциала, как будет описано ниже. Общий обзор методов электрокинетических измерений приведен в техническом отчете IUPAC Measurement And Interpretation Of Electrokinetic Phenomena, Pure Appl. Chem., Vol.77, No.10, pp.1753-1805, 2005.
Прибор ЕКА включает собственно анализатор, цилиндрическую ячейку для образца диаметром 200 мм, обратимые электроды Ag/AgCl и систему управления данными. Анализатор включает насос, создающий давление, необходимое для прохождения раствора электролита, как правило, хлорида натрия, из резервуара через измерительную ячейку, содержащую образец фильтрующей среды, изготовленной в соответствии с настоящим изобретением. Снаружи ячейки расположены датчики для измерения температуры, падения давления, проводимости и рН. Через пористый материал прокачивается раствор электролита. По мере прохождения раствора электролита происходит перераспределение заряда. Возникающий мембранный потенциал и/или мембранный ток могут быть зафиксированы с помощью электродов, установленных по разные концы образца. По результатам измерения данных величин может быть рассчитан зета-потенциал образца по методу Fairbrother и Mastin (F. Fair-brother, H. Mastin, Studies in electro-endosmosis, 125 J. CHEM. SOC. 2319-30 (1924)), который учитывает проводимость электролита. Управление прибором ЕКА осуществлялось дистанционно. Данные собирались компьютером с установленной на нем программой сбора и обработки данных Visiolab Control And Evaluation Software (версия 1.0) (также производства Anton Paar GmbH). Программа Visiolab обеспечивала также сбор и анализ результатов измерения динамической вязкости и диэлектрической проницаемости с учетом поправок на температуру. Прибор ЕКА был подключен с блоку автоматического титрования, дистанционно управляемому компьютером. Для всех измерений использовалась деионизованная вода, приготавливаемая на месте системой очистки воды с четырьмя картриджами MILLI-Q PLUS, модель ZD4011584-4, производства Millipore Corporation (Биллерика, штат Массачусетс, США), с использованием картриджа Organex-Q, удаляющего органические загрязнители.
При проведении измерений следовали процедурам и инструкциям к прибору ЕКА и программному обеспечению VISIOLAB. А именно каждый из испытуемых образцов полотна складывался в 10 слоев и затем из него вырезался круглый диск диаметром 13/16 дюйма (20,6 мм), вес которого составлял примерно 0,2 г.Образцы брали пинцетом во избежание их загрязнения. Каждый из образцов помещали в измерительную ячейку прибора и устанавливали два параллельных электрода на расстоянии примерно 3 мм друг от друга, стараясь не пережать регулировочные винты, что обеспечивало объемную плотность образца, составлявшую примерно 20% плотности чистого полипропилена, что делает возможным использование метода анализа по Fairbrother и Mastin.
После этого измерительную ячейку подключали к прибору ЕКА, выполняя необходимые электрические и гидравлические подключения. В мерный стакан, используемый в качестве резервуара, наливали примерно 400±20 мл свежей деионизованной воды, которую в течение всего измерения нежно, но тщательно перемешивали палочкой. Во время погружения в стакан заборной трубки с зондом в сборе насос прибора переводили в режим «бай-пасс» (перекачки воды по обводному контуру) во избежание контакта воды с крышкой стакана. После заполнения водой насоса и соединительных трубок через измерительную ячейку прокачивали воду в переменных направлениях, чтобы удалить из системы воздух, который мог оставаться в измерительной ячейке. Так как возможности обеспечить инертную атмосферу для системы не было (например, продувки азотом), кроме того, что резервуар с раствором был закрыт крышкой, то время от времени возможно было попадание в систему углекислого газа. Поэтому удаление воздуха из свежепомещенного образца проводилось как можно быстрее, и измерение также начиналось как можно быстрее, во избежание возможного повышения проводимости раствора и уменьшения рН за счет попадания в него углекислого газа и его превращения в угольную кислоту.
В программу VISIOLAB вносились следующие параметры измерений:
Параметры образца:
Режим измерения: Автоматическое титрование
Метод измерения: Fairbrother-Mastin
Электролит: KCl (водный раствор)
Молекулярный вес: 18,02 г/моль
Начальная концентрация: 0,001 моль/л
Начальный объем: 400 мл
2
Вязкость: НО
2
Диэлектрическая постоянная: НО
Программа давления:
Максимальное давление: 500 миллибар
Время: 60 с
Измерять: напряжение
Число повторений: 2
Программа промывания:
Максимальное давление: 400 миллибар
Время промывания байпассных трубок: 10 с
Время промывания ячейки: 15 с
Число повторений: 1
Программа автоматического титрования:
Титрование: по проводимости
Насос и раствор: RTU1 левый (KCl (водный раствор), 1,0 моль/л
Шаг изменения проводимости: 50 мкСм/см
Начальный объем: 0,25 мл
Использовать пределы проводимости:
Минимальная проводимость: 1 мкСм/см
Максимальная проводимость: 3000 мкСм/см
Заложенная в программу процедура измерения включала автоматический цикл промывки для удаления воздуха из системы. Титрование для обеспечения требуемого уровня проводимости проводилось с помощью программы автоматического титрования и 1 моль/л раствора KCl. То есть рН во время измерения не регулировалось, но, как правило, во всех опытах в течение всего измерения оно находилось в пределах 4-6. Титрование проводилось пошаговым изменением проводимости на 50 мкСм/см при первом введении 1-молярного раствора KCl в количестве 0,25 мл.
Перед началом каждого измерения измерялась проводимость «начального» раствора в ячейке с целью убедиться, что она не превышала 10 мкСм/см, то есть что деионизованная вода действительно является чистой. Если проводимость оказывалась большей, чем 10 мкСм/см, измерение отбрасывалось. Как только были введены и проверены параметры системы, начинался опыт. Полная длительность опыта составляла, как правило, 6-7 часов.
После окончания каждого опыта измерительная ячейка многократно промывалась перед извлечением ее из прибора ЕКА деионизованной водой для удаления из нее остатков проводящего электролита, использованного для данного измерения, до тех пор, пока проводимость не падала ниже 20 мкСм/см. Из измерительной ячейки и циркуляционного контура сливали весь раствор для минимизации его переноса к следующему образцу. Вынимали измерительную ячейку, электроды и сам образец, стараясь не повредить электроды Ag/AgCl. И наконец, ячейку еще раз хорошо промывали деионизованной водой перед помещением в нее следующего образца.
Определение зета-потенциала. Система ЕКА рассчитывает зета-потенциал образца на основании прямого измерения мембранного потенциала и удельной электрической проводимости проходящего через него электролита по Fairbrother-Mastin:
где:
ζ[мВ] - зета-потенциал;
dU/dp[мВ/мбар] - угол наклона кривой зависимости мембраного потенциала от давления;
η[мПа·с] - вязкость электролита;
ε[А·с/(В·м)] - диэлектрическая постоянная электролита;
0
ε[А·с/(В·м)] - диэлектрическая проницаемость вакуума.
При обработке результатов измерений использовался такой подход, что знак зета-потенциала каждого из испытываемых образцов волокнистого полотна таков, как выдает прибор ЕКА. Во время типичного опыта по длительному наблюдению за проводимостью зета-потенциал сначала имеет тенденцию к росту или падению, после чего выходит на плато, когда проводимость раствора превысит уровень примерно 500 мкСм/см. Среднее значение зета-потенциала при выходе его на плато при проводимости в пределах от 1000 мкСм/см до 2000 мкСм/см и считалось результатом измерения зета-потенциала для каждого из испытуемых образцов. Для подтверждения точности полученных результатов процедура может быть повторена.
Измерение коэффициента качества (OF)
3
Образцы микроволокон, выдуваемых из расплава, испытывались на процент прохождения через них аэрозоли диоктилфталата (%Pen) и падение давления (ΔР), и исходя из данных величин, рассчитывался коэффициент качества (QF). Фильтрующие характеристики (%Pen и QF) нетканых полотен из микроволокон определялись с помощью атоматического прибора для испытаний фильтров AFT, модель 8127 (производства TSI, Inc. (Сент-Пол, штат Минесота)), с применением аэрозоли диоктилфталата в качестве модельного загрязнителя и дифференциального манометра MKS для измерения падения давления ΔР (в мм водного столба) через фильтр. Сопоставимые результаты измерений могут быть получены при использовании и других измерительных приборов при условии использования приводимого ниже протокола. Аэрозоль диоктилфталата представляет собой монодисперсную аэрозоль с диаметром частиц (средним по распределению массы) 0,3 мкм и их концентрацией в потоке 70-110 мг/м. Аэрозоль пропускали через образец фильтрующего материала с поддерживаемым постоянным расходом 42,5 л/мин (скорость у поверхности 6,9 см/с) при выключенном ионизаторе аэрозоли). Суммарное время проведения измерения составляло 23 секунды (из них время разгона 15 с, время измерения на образце 4 с и время очистки 4 с). Концентрация аэрозоли измерялась, исходя из рассеяния света в аэрозоли до фильтра и после фильтра с помощью калиброванных фотометров. Процент прохождения % Pen определялся как %Pen = 100 × (концентрация фильтра/концентрация после фильтра). Для каждого материала проводилось 6 независимых измерений в шести различных местах полотна из микроволокон, выдуваемых из расплава, и полученные результаты усредняли.
Исходя из значений %Pen и ΔР рассчитывали коэффициент качества QF по следующей формуле;
QF=-ln(%Pen/100)/ΔP
Чем выше значение QF, тем выше эффективность фильтрации, и соответственно чем меньше полученное значение QF, тем ниже эффективность фильтрации.
Приводимые ниже примеры даны только в целях иллюстрации и ни в коей мере не предназначены для ограничения масштаба настоящего изобретения, определяемого прилагаемой формулой. Все доли, проценты, отношения и прочее в примерах и остальной части настоящего описания даны по весу, если не оговорено иное. Растворители и прочие вещества приобретались в Sigma-Aldrich Chemical Company (Милуоки, штат Висконсин, США), если не указано иное.
Примеры синтезированных добавок
Пример 1: Синтез Заряжающей Добавки 3
Смесь 1-тетрадеканола (96,3 г, 449 ммоль), пиридина (40 мл) и дихлорметана (1 л) нагревали до температуры 30°С в атмосфере азота. Порциями через 20-минутные интервалы добавляли 4-нитробензоил-хлорид (100 г, 539 ммоль). Реакционную смесь нагревали с обратной перегонкой в течение 16 часов. Затем реакционная смесь дважды промывалась водой (2×500 мл). Органическую фазу концентрировали под пониженным давлением до получения желтой твердой массы. Добавляли 1000 мл гексана и смесь нагревали для обратной перегонки. Смесь охлаждали и загущали до получения желтой твердой массы, которую отфильтровывали. Желтую массу дважды рекристаллизовали из этанола, в результате чего было получено 77,0 г тетрадецил-4-нитробензоата в виде желтых кристаллов.
5
В условиях продувки азотом в смесь тетрадецил-4-нитробензоата (25 г, 69 ммоль) и этилацетата (250 мл) в сосуде Парра добавляли 2,5 г 10%-ной платины на углероде. Сосуд помещали в атмосферу водорода (3,3×10 Па) на 16 часов. В смесь добавляли дихлорметан и фильтровали ее через слой фильтрующей среды CELITE. Фильтрат загущали под разрежением до получения твердой коричневой массы. Твердую фракцию дважды рекристаллизовали из этанола, в результате чего было получено 15 г тетрадецил-4-аминобензоата в виде светло-коричневых игольчатых кристаллов.
Смесь 45,6 г тетрадецил-4-аминобензоата (137 ммоль) и 8,4 г цианур-хлорида (45,6 ммоль) в ксилоле (460 мл) нагревали в атмосфере азота с перегонкой в течение 24 часов. Реакционную смесь охлаждали до 90°С и промывали насыщенным водным раствором бикарбоната натрия (2×500 мл), а затем водой (3×500 мл). При охлаждении смеси в течение ночи в ней выпадал белый осадок. Белый осадок отделяли фильтрованием и промывали избытком ксилола. Твердую массу дважды рекристаллизовали из 750 мл смеси дихлорметана и метанола (34:66) и один раз из 300 мл ксилола, в результате чего было получено 27,6 г 2,4,6-трианилино(р-карбо-тетрадецил-окси)-1,3,5-триазина в виде твердого белого вещества.
66
102
6
6
Анализ состава: Расчетный для CHNO: % С, 73,70; % Н, 9,56; % N, 7,81. Измеренный: % С, 73,44; % Н, 9,37; % N, 7,62.
Пример 2: Синтез Заряжающей Добавки 4
Смесь 4-октадециланилина (50 г, 145 ммоль) и цианур-хлорида (8,9 г, 48 ммоль) в ксилоле (500 мл) нагревали в атмосфере азота в течение 24 часов с перегонкой. Реакционную смесь охлаждали до 90°С и промывали насыщенным водным раствором бикарбоната натрия (2×500 мл), а затем водой (2×500 мл). При охлаждении смеси в течение ночи в ней выпадал белый осадок. Белый осадок отделяли фильтрованием и промывали избытком ксилола. Твердую массу дважды рекристаллизовали из 500 мл смеси хлороформа и метанола (90:10) и один раз - из 500 мл ксилола, в результате чего было получено 45 г N,N',N''-трис(4-октадецилфенил)-1,3,5-триазин-2,4,6-триамина в виде твердого белого вещества.
75
126
6
Анализ состава: Расчетный для CHN: % С, 81,02; % Н, 11,42; % N, 7,56. Измеренный: % С, 81,05; % Н, 11,38; % N, 7,60.
Пример 3: Синтез Заряжающей Добавки 5
Смесь 389 г октадециламина (1,44 ммоль), 1,50 л ди(пропилен-гликоль)диметилового эфира, 134 г ацетата натрия (1,63 ммоль) и 88,4 г цианурин-гидрохлорида (0,479 ммоль) перемешивали 30 минут в атмосфере азота, а затем нагревали до 85°С в течение 2 часов. Реакционную смесь нагревали до 155°С, и при данной температуре добивались испарения уксусной кислоты из реакционной смеси. Реакционную смесь нагревали до 170°С в течение 16 часов. Когда смесь остывала до 80°С, в нее добавляли 1,6 л 2-пропанола. Осадок фильтровали при комнатной температуре и промывали избытком 2-пропанола. Затем его размешивали 2 часа в 2 л перегоняемой воды, фильтровали и промывали избытком воды. Полученный твердый осадок перемешивали в 2 л перегоняемого 2-пропанола, фильтровали и промывали избытком 2-пропанола, в результате чего было получено 377 г N,N',N''-триоктадецил-1,3,5-триазин-2,4,6-триамина в виде твердого вещества белого цвета.
Пример 4: Синтез Заряжающей Добавки 15
6,63 г хлороглюцинол-дегидрата (97%), 36,4 г 4-додециланилина (97%) и 0,13 г иода (99%) загружали в трехгорлую колбу объемом 250 мл с круглым дном, после чего добавляли 30 мл толуола. На колбу устанавливали уловитель Дина-Старка и холодильник и нагревали ее до 130°С в течение 12 часов, постоянно перемешивая. После остывания реакционной смеси примерно до 60°С (при данной температуре смесь имела консистенцию вязкой жидкости) ее медленно вливали в 200 мл этанола для образования осадка. В результате фильтрования получали осадок в виде твердых частиц розового цвета. После двойной рекристаллизации из этанола (150 мл в каждом случае) и сушке под вакуумом (27 мм ртутного столба) в течение ночи было получено 31,0 г (87,8%) продукта (Заряжающая Добавка 15) в виде порошка светло-розового цвета.
Анализ состава: Расчетный С, 84,15%; Н, 10,95%; N, 4,91%; Измеренный: С, 84,28%; Н, 10,86%, N, 4,85%).
Примеры 1-110 и сравнительные примеры C1-С60
Ниже описаны процедуры изготовления и исследования образцов электретного полотна для каждого из примеров и сравнительных примеров.
Подготовка образцов
Этап А. Изготовление полотна из микроволокон, выдуваемых из расплава
В каждом из примеров и сравнительных примеров изготавливали экструдированное нетканое полотно из микроволокон из одной из полимерных смол, других приведенных в таблице выше материалов, или из их сочетаний, и в некоторых примерах с использованием одной или нескольких заряжающих добавок, приведенных в той же таблице. Экструзию проводили, как описано в публикации Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUST. ENGN. CHEM., 1342-46 и отчете 111437 Научно-Исследовательской Лаборатории ВМС Report (Naval Research Laboratory) от 15 апреля 1954 г., с использованием одного из двух способов экструзии, подробно описанных ниже. В Таблице 3 приведены основные характеристики полученных полотен с указанием концентраций использованных в каждом из примеров и сравнительных примеров добавок.
3
Способ экструзии 1: С помощью экструдера, в котором поддерживалась температура примерно 240-330°С, и присоединенной к нему головки для выдувания волокон из расплава, в которой имелось 10 отверстий на см диаметром 0,38 мм каждое, формировалось полотно, имеющее удельный вес примерно 45-70 г/м, эффективный диаметр волокон примерно 6,5-15 мкм, густоту 4-10% и толщину примерно 0,6-2,5 мм. Заряжающие добавки добавлялись прямо в экструдер вместе со смолой, в виде твердого порошка или концентрата с их содержанием 20-35 весовых %.
2
Способ экструзии 2: Используя в сущности способ получения однокомпонентного однослойного полотна микроволокон, выдуваемых из расплава, и устройство для получения таких полотен, получали полотна с бимодальным распределением волокон по размеру и плотностью примерно 50-150 г/м, эффективным диаметром волокон примерно 12-16 мкм, густотой 5-8% и толщиной примерно 0,6-2,5 мм. Заряжающие добавки добавлялись прямо в экструдер вместе со смолой, в виде твердого порошка или концентрата с их содержанием 20-35 весовых %.
Этап В - Электретизация
Образцы каждого из полотен из микроволокон, выдуваемых из расплава, изготовленного на этапе А, как описано выше, заряжались одним из трех способов электретизации: гидрозаряжание, предварительное коронное заряжание и гидрозаряжания, или предварительное плазменное фторирование и гидрозаряжание. В Таблице 5 приводятся краткие сведения о параметрах способа электретизации, примененного к каждому из образцов.
1-й способ заряжания - гидрозаряжание
2
3
Подготовка жидкости для гидрозаряжания: На основе воды, очищенной с помощью процессов обратного осмоса и деионизации, были приготовлены растворы, перечисленные в Таблице 4, которые при соответствующих концентрациях, указанных для каждого примера в Таблице 5 (в частицах на миллион (РРМ) по весу), были использованы в качестве гидрозаряжающих жидкостей на водной основе. Ниже описана процедура приготовления трех растворов NaCO (50 РРМ, 100 РРМ и 1000 РРМ) в деионизованной воде. Остальные растворы готовились в соответствии с той же процедурой.
2
3
2
3
a) Раствор 1000 РРМ NaCO: Отмерив соответствующие количества веществ на аналитических весах, 3,6 г NaCO растворяли в 3596,4 г деионизованной воды, в результате чего получали 0,1 вес.% раствор (1000 РРМ).
2
3
2
3
b) Раствор 100 РРМ NaCO: Отмерив соответствующие количества веществ на аналитических весах, 360 г раствора 1000 РРМ NaCO растворяли в 3240 г деионизованной воды, в результате чего получали 0,01 вес.% раствор (100 РРМ).
2
3
2
3
c) Раствор 50 РРМ NaCO: Отмерив соответствующие количества веществ на аналитических весах, 1800 г раствора 100 РРМ NaCO растворяли в 1800 г деионизованной воды, в результате чего получали 0,005 вес.% раствор (50 РРМ).
Проводимость и рН гидрозаряжающих жидкостей, использованных в каждом из примеров и сравнительных примеров, измерялись, как было описано выше, и результаты измерений приведены в Таблице 5 ниже.
Гидрозаряжание
Полотна из микроволокон, выдуваемых из расплава, подвергались гидрозаряжанию в соответствии со способом, изложенным в патенте США 5,496,507 (Angadjivand с соавторами). Из сопла, подключенного к резервуару из нержавеющей стали, находящемуся под давлением на 655 кПа выше атмосферного, мелко распылялась гидрозаряжающая жидкость с расходом примерно 1,4 л/мин. Полотна, изготовленные на этапе А, подавались на пористой ленте транспортера через распыленную жидкость со скоростью примерно 10 см/с, в то время как вакуумом одновременно отсасывалась гидрозаряжающая жидкость с нижней стороны полотна. Каждое полотно пропускали через аппарат для гидрозаряжания дважды (по одному разу на каждой стороне), после чего полотно оставляли сушить на воздухе в течение ночи до полного высыхания перед испытанием их фильтрующих свойств.
2-й способ заряжания - предварительное коронное заряжяние и гидрозаряжание
Полотна из микроволокон, выдуваемых из расплава, изготовленные на этапе А, подвергались предварительному заряжанию в разряде постоянного тока. Предварительное коронное заряжание проводилось путем пропускания полотна по заземленной поверхности под источником коронного разряда в виде щетки при токе коронного разряда примерно 0,01 мА/см длины источника разряда со скоростью примерно 3 см/с. Источник коронного разряда находился примерно на 3,5 см выше заземленной поверхности, по которой подавалось полотно. Источник коронного разряда находился под постоянным положительным напряжением. После коронного заряжания полотно подвергалось гидрозаряжанию с использованием требуемой жидкости, как описано выше (1-й способ).
3-й способ заряжания - предварительное плазменное фторирование и гидрозаряжание
3
8
Полотна из микроволокон, выдуваемых из расплава, изготовленные на этапе А, подвергались предварительному плазменному фторированию, как описано в разделе «Способы изготовления полотен, фторирования и электретизации» патента США 7,244,292 (Kirk с соавторами) «Электретные изделия, содержащие гетероатомы и имеющие низкий коэффициент фторирования», с использованием газа фторопропана (CF) производства 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США). После плазменного фторирования полотно подвергалось гидрозаряжанию с использованием требуемой жидкости, как описано выше (1-й способ).
Зета-потенциал и коэффициент качества
С помощью описанного выше метода измеряли зета-потенциал образцов нетканых полотен из микроволокон, выдуваемых из расплава, изготовленных на этапе А. Определяли среднее значение измеренных зета-потенциалов при постепенном изменении проводимости от 1000 до 2000 мкСм/см, которое представлено в Таблице 5, а для некоторых материалов определялось среднее значение для серии опытов с несколькими образцами одного и того же материала.
Каждый из заряженных образцов, изготовленнных на этапе В, как описано выше, нарезался на два куска длиной 1 м. Один кусок, в исходном состоянии, использовался для измерения процента проницаемости аэрозоли диоктилфталата (%Pen) и падения давления, и на их основе рассчитывался коэффициент качества (QF), как описано выше в разделе «Методы измерений». Полученные результаты измерений проницаемости, падения давления и рассчитанные коэффициенты качества приведены в Таблице 5.
Примеры 1-60 и Сравнительные Примеры С1-С60
2
3
3
Сравнительные Примеры 1а, 1b, и Пример 1. Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-1), не содержащего заряжающих добавок. Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -9.3 мВ. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В Примере 1, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,6), коэффициент качества (0,33) был выше, чем в Сравнительном Примере 1а (0,27), где проводилось гидрозаряжание только деионизованной водой (рН 7,5), и выше, чем в Сравнительном Примере 1b (0,24), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4.2).
2
3
3
Сравнительные Примеры 2а, 2b и Пример 2: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-2). Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после коронного заряжания) полотна составил -10,8 мВ. В Примере 2, где проводилось гидрозаряжание с помощью 50 РРМ раствора NaCO (рН 10,6), коэффициент качества (1,04) был выше, чем в Сравнительном Примере 2а (0,78), где проводилось заряжание деионизованной водой (рН 8,1), и выше, чем в Сравнительном Примере 2b (0,65), где проводилось заряжание раствором 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4.3).
2
3
3
Сравнительный Пример 3а и Примеры 3а, 3b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-6), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 1. Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -10.2 мВ. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В Примере 3а, где проводилось заряжание просто водой (рН 7,5), коэффициент качества составил 1,02, и в Примере 3b, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,1), коэффициент качества составил 1,41, что выше, чем в Сравнительном Примере 3, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,4), в котором коэффициент качества составил 0,30.
2
3
3
Сравнительные Примеры 4а, 4b и Пример 4: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-6), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 1. Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после коронного заряжания) полотна составил -10.2 мВ. В примере 4, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4), коэффициент качества составил 1,59, что больше, чем в Сравнительном Примере 4а (1,24), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,1), и больше, чем в Сравнительном Примере 4b (0,47), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2).
2
3
3
Сравнительные Примеры 5а, 5b и Пример 5: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-6), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 1. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -10,2 мВ. В примере 5, где проводилось гидрозаряжание раствором, содержащим органический растворитель (10 вес.% раствора ацетона в деионизованной воде) 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,7) коэффициент качества составил 1,41, что больше, чем в Сравнительном Примере 5а (1,15), где проводилось 10 вес.% раствора ацетона в деионизованной воде (рН 9,7), и больше, чем в Сравнительном Примере 5b (0,20), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 5,0).
2
3
3
Сравнительные Примеры 6а, 6b и Пример 6: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-10), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 2. Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после коронного заряжания) полотна составил -10,7 мВ. В примере 6, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4), коэффициент качества составил 1,61, что больше чем в Сравнительном Примере 6а (1,28), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 6b (0,46), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2).
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Сравнительный Пример 7а, 7b и Примеры 7а, 7b, 7с. Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-10), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 2. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -10,9 мВ. В примере 7а, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,5 проводимость 139 мкСм/см) коэффициент качества составил 1,62, что больше, чем в Сравнительном Примере 7а (1,06), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,2). При постепенном добавлении небольших количеств нейтральной соли NaCl в основной раствор 50 РРМ NaCO, которым проводилось гидрозаряжание в Примере 7а, рН раствора только незначительно увеличивался, но его проводимость увеличивалась очень значительно. В Сравнительном Примере 7b (50 РРМ NaCO, 50 РРМ NaCl, рН 10,3, проводимость 230,4 мкСм/см) коэффициент качества составил 1,45; в Сравнительном Примере 7 с (50 РРМ NaCO, 500 РРМ NaCl, рН 10,3, проводимость 1150 мкСм/см) коэффициент качества составил 1,25; в Сравнительном Примере 7b (50 РРМ NaCO, 5000 РРМ NaCl, рН 10,3, проводимость 9340 мкСм/см) коэффициент качества составил 0,75, что меньше, чем в примере 7а.
2
3
3
Сравнительные Примеры 8а, 8b и Пример 8: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-14). Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после коронного заряжания) составил -8,8 мВ. В примере 8, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4), коэффициент качества составил 1,75, что больше, чем в Сравнительном Примере 8а (1,15), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 8b (0,70), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2).
2
3
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Сравнительные Примеры 9а, 9b, 9с и Примеры 9а, 9b, 9с: Полотно изготавливалось и выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-14), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 7. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -11,8 мВ. В примере 9а, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4, проводимость 136,4 мкСм/см), коэффициент качества составил 1,85, что больше, чем в Сравнительном Примере 9а (1,14), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 9с (0,48), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2). При постепенном добавлении нейтральной соли NaCl в основной раствор 50 РРМ NaCO, которым проводилось гидрозаряжание в Примере 9а, рН раствора только незначительно увеличивался, но его проводимость увеличивалась очень значительно, и при этом коэффициент качества уменьшался. Так, в Примере 9b (50 РРМ NaCO, 50 РРМ NaCl, pH 10,3, проводимость 230,4 мкСм/см) коэффициент качества составил 1,53, в Примере 9с (50 РРМ NaCO, 500 РРМ NaCl, pH 10,3, проводимость 1150 мкСм/см) коэффициент качества составил 1,33), и в Сравнительном Примере 9с (50 РРМ NaCO, 5000 РРМ NaCl, pH 10,3, проводимость 9340 мкСм/см коэффициент качества составил 0,90), то есть постепенно уменьшался по сравнению с Примером 9а.
2
3
3
Сравнительные Примеры 10а, 10b и Пример 10: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-16), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 8. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного таким образом полотна составил -10,4 мВ. В примере 10, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,5), коэффициент качества составил 1,46, что больше, чем в Сравнительном Примере 10а (1,08), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 7,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 10b (0,66), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,1).
2
3
3
Сравнительные Примеры 11а, 11b и Пример 11: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-16), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 8. Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после коронного заряжания) составил -9,6 мВ. В примере 11, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,5), коэффициент качества составил 2,05, что больше, чем в Сравнительном Примере 11а (1,63), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 8,1), и больше, чем в Сравнительном Примере 11b (1,72), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,3).
2
3
4
3
Сравнительные Примеры 12а, 12b и Примеры 12а, 12b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-17), не содержащего заряжающей добавки. Использовался 3-й способ гидрозаряжания (плазменное фторирование и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после плазменного фторирования) составил -24,1 мВ. В примере 12а, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,4), коэффициент качества составил 2,35, а в Примере 12b, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NHOH (pH 10.6), коэффициент качества составил 2,38, что больше, чем в Сравнительном Примере 12а (2,18), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 12b (0,66), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2).
3
2
3
Сравнительные Примеры 13а, 13b и Пример 13: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-19), содержащего 0,75% по весу заряжающей добавки 6. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил 3,8 мВ. В примере 13, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2), коэффициент качества составил 2,40, что больше, чем в Сравнительном Примере 13а (1,08), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 13b (1,21), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4).
3
Сравнительные Примеры 14а, 14b и Пример 14: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-18), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 6. Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после коронного заряжания) составил 0,5 мВ. В примере 14, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2), коэффициент качества составил 2,32, что больше, чем в Сравнительном Примере 14а (1,88), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 14b (1,68).
3
2
3
Сравнительные Примеры 15а, 15b и Пример 15: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-20), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 5. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -1,9 мВ. В примере 15, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,4), коэффициент качества составил 2,85, что больше, чем в Сравнительном Примере 15а (2,18), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,5), и больше, чем в Сравнительном Примере 15b (1,55), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,1).
3
2
3
Сравнительные Примеры 16а, 16b и Пример 16: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-21), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 5. Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна (после коронного заряжания) составил -3,3 мВ. В примере 16, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4.2), коэффициент качества составил 2,34, что больше, чем в Сравнительном Примере 16а (1,59), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 16b (1,43), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4).
3
2
3
Сравнительные Примеры 17а, 17b и Пример 17: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-31), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 5. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -6 мВ. В примере 17, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2), коэффициент качества составил 1,68, что больше, чем в Сравнительном Примере 17а (0,5), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 17b (0,35), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4).
3
2
3
Сравнительные Примеры 18а, 18b и Пример 18: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-35), содержащего 0,75% по весу заряжающей добавки 15. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -1,0 мВ. В примере 18, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2), коэффициент качества составил 2,64, что больше, чем в Сравнительном Примере 18а (2,22), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 17b (1,42), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4).
3
2
3
Сравнительные Примеры 19а, 19b и Пример 19: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-37), содержащего 0,75% по весу заряжающей добавки 5 и 0,2% по весу заряжающей добавки 10. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил 0,6 мВ. В примере 19, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2), коэффициент качества составил 3,04, что больше чем в Сравнительном Примере 19а (2,35), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 19b (0,99), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4).
3
2
3
Сравнительные Примеры 20а, 20b и Пример 20: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-47), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 5. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил 2,7 мВ. В примере 20, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,3), коэффициент качества составил 1,70, что больше, чем в Сравнительном Примере 20а (1,28), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,1), и больше, чем в Сравнительном Примере 20b (0,92), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,5).
2
3
3
Сравнительные Примеры 21а, 21b и Пример 21: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из поли(4-метил-1-пентен) (BMF-48) без заряжающей добавки. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -9,9 мВ. В примере 21, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10.8), коэффициент качества составил 1,72, что больше, чем в Сравнительном Примере 21а (0,41), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 5,9), и больше, чем в Сравнительном Примере 21b (0,52), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,3).
2
3
2
3
Сравнительный Пример 22 и Примеры 22а, 22b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из поли(4-метил-1-пентен) (BMF-48) без заряжающей добавки. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -9,9 мВ. В Примере 22а, где проводилось гидрозаряжание 10 РРМ раствором NaCO (рН 8.2), коэффициент качества составил 0,33, а в Примере 22b, где проводилось гидрозаряжание 100 РРМ раствором NaCO (рН 9,7), коэффициент качества составил 0,40, что больше, чем в Сравнительном Примере 22 (0,19), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,0).
2
3
3
Сравнительные Примеры 23а, 23b и Пример 23: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из поли(4-метил-1-пентен) (BMF-49), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 1. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -8,3 мВ. В примере 23, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10.8), коэффициент качества составил 1,39, что больше, чем в Сравнительном Примере 23а (0,41), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 5,9), и больше, чем в Сравнительном Примере 23b (0,33), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,6).
2
3
2
3
Сравнительный Пример 24 и Примеры 24а, 24b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из поли(4-метил-1-пентен) (BMF-49), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 1. Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -8,3 мВ. В Примере 24а, где проводилось гидрозаряжание 10 РРМ раствором NaCO (pH 8.2), коэффициент качества составил 0,72, а в Примере 24b, где проводилось гидрозаряжание 100 РРМ раствором NaCO (pH 9,7), коэффициент качества составил 0,91, что больше, чем в Сравнительном Примере 24 (0,54), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 6,0).
3
2
3
Сравнительный Пример 25 и Примеры 25а, 25b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из поли(4-метил-1-пентен) (BMF-50), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 5. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). Измеренный зета-потенциал изготовленного полотна составил -4,8 мВ. В примере 25а, где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 5,9), коэффициент качества составил 1,18, а в примере 25b, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,6), коэффициент качества составил 1,78, что больше, чем в Сравнительном Примере 25, где проводилось гидрозаряжание 100 РРМ раствором NaCO (pH 9,7).
2
3
2
3
2
3
Сравнительные Примеры 26а, 26b и Примеры 26а, 26b, 26с: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-3), не содержащего заряжающей добавки (в сущности эквивалентное полотну в Примере 1). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 26а, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором KCO (pH 7,7, проводимость 120 мкСм/см), коэффициент качества составил 0,73, что больше, чем в Сравнительном Примере 26а (0,45), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 6,5). При повышении количества KCO в гидрозаряжающем растворе - пример 26b (500 РРМ, pH 10, проводимость 1000 мкСм/см) коэффициент качества повышался до 0,78. С дальнейшим повышением количества KCO в гидрозаряжающем растворе - Пример 26с (5000 РРМ, pH 11, проводимость 5000 мкСм/см, коэффициент качества 0,68) и в Сравнительном Примере 26b (15000 РРМ, pH 11,8, проводимость 22000 мкСм/см, коэффициент качества 0,58) рН и проводимость раствора возрастали, но коэффициент качества падал по сравнению с Примером 26а.
2
3
4
4
3
3
2
Сравнительные Примеры 27а, 27b, 27с и Примеры 27а, 27b, 27с, 27d, 27e, 27f: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-3), не содержащего заряжающей добавки (в сущности эквивалентное полотну в Примере 1). Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). В примере 27а, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 7,7, проводимость 123,6 мкСм/см), коэффициент качества составил 1,51, что больше, чем в Сравнительном Примере 27а (0,84), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,8). Подобным образом, в Примере 27b (5 РРМ NHOH, рН 7,1, проводимость 24 мкСм/см, коэффициент качества 1,29), Примере 27 с (50 РРМ NHOH, рН 8,5, проводимость 64 мкСм/см, коэффициент качества 1,26), Примере 27d (50 РРМ NaHCO, рН 8,5, проводимость 56.7 мкСм/см, коэффициент качества 1,22), Примере 27e (50 РРМ CHCOONa, рН 7,1, проводимость 42 мкСм/см, коэффициент качества 1,09), Примере 27f (50 РРМ КОН, рН 8,3, проводимость 212 мкСм/см, коэффициент качества 1,34), коэффициенты качества были выше, чем в Сравнительном Примере 27а, и выше, чем в Сравнительном Примере 27b (15000 РРМ КОН, рН 13, проводимость 68000 мкСм/см, коэффициент качества 1,07) и в Сравнительном Примере 27 с (500 РРМ CuCl, рН 4,7, проводимость 721 мкСм/см, коэффициент качества 0,55).
Сравнительные Примеры 28а, 28b и Примеры 28а, 28b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-4), не содержащего заряжающей добавки (в сущности эквивалентное полотну в Примере 1). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 28а, где проводилось гидрозаряжание 10 РРМ раствором NaOH (рН 7,1, проводимость 23,3 мкСм/см), коэффициент качества составил 0,80, что больше, чем в Сравнительном Примере 28а (0,22), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,8). С ростом концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 28b (100 РРМ, рН 9, проводимость 325 мкСм/см) коэффициент качества возрастает до 1,01. При дальнейшем росте концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 28b (5000 РРМ, рН 13, проводимость 26000 мкСм/см, коэффициент качества 0,71), рН и проводимость раствора возрастают, но коэффициент качества уменьшается по сравнению с Примером 28а.
2
3
Сравнительные Примеры 29а, 29b и Примеры 29а, 29b, 29с: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-4), не содержащего заряжающей добавки (в сущности эквивалентное полотну в Примере 1). Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). В примере 29а, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором KCO (рН 7,7, проводимость 120 мкСм/см), коэффициент качества составил 1,46, что больше, чем в Сравнительном Примере 29а (0,97), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,5). Подобным образом, в Примере 29b (50 РРМ КОН, рН 8,3, проводимость 212 мкСм/см, коэффициент качества 1,19) и Примере 29с (50 РРМ NaOH, рН 8,5, проводимость 246 мкСм/см, коэффициент качества 1,32) коэффициент качества был выше, чем в Сравнительном Примере 29а и в Сравнительном Примере 29b (5000 РРМ NaOH, рН 12,8, проводимость 27 400 мкСм/см, коэффициент качества 1,12).
4
4
4
4
Сравнительные Примеры 30а, 30b, 30с, 30d, 30е: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-3), не содержащего заряжающей добавки (в сущности эквивалентное полотну в Примере 1). Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). В Сравнительном Примере 30а, где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,8), коэффициент качества составил 1,66, что выше, чем в Сравнительном Примере 30b (10 РРМ раствор NHCl, рН 6,8, проводимость 28,2 мкСм/см, коэффициент качества 1,61), в Сравнительном Примере 30 с (100 РРМ NHCl, рН 5.8, проводимость 273 мкСм/см, коэффициент качества 1.39), в Сравнительном Примере 30d (1000 РРМ раствор NHCl, рН 5,5, проводимость 2580 мкСм/см, коэффициент качества 1.28) и в Сравнительном Примере 30е (5000 РРМ раствор NHCl, рН 5,3, проводимость 11,800 мкСм/см, коэффициент качества 1,01).
2
3
Сравнительные Примеры 31а, 31b и Примеры 31а, 31b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-5), не содержащего заряжающей добавки (в сущности эквивалентное полотну в Примере 1). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В Примере 31а (для гидрозаряжания использовался раствор 10 РРМ додецилбензол-натрия сульфонат, рН 7,9) коэффициент качества составил 0,32, а в Примере 31b (для гидрозаряжания использовался раствор 10 РРМ додецилбензол-натрия сульфонат и 100 РРМ NaCO, рН 10,2) коэффициент качества составил 0,53, что выше, чем в Сравнительном Примере 31а (0.23), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,7) и в Сравнительном Примере 31b (10 РРМ додецилбензол-натрия сульфонат и 100 РРМ HCl, рН 2,6, коэффициент качества 0,16).
Сравнительные Примеры 32а, 32b и Примеры 32а, 32b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-7), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-1 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 3). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 32а, где проводилось гидрозаряжание 1 РРМ раствором NaOH (рН 9,6, проводимость 5,19 мкСм/см), коэффициент качества составил 1,19, что больше, чем в Сравнительном Примере 32а (0,93), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,3). С ростом концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 32b (10 РРМ, рН 10,8, проводимость 61,7 мкСм/см) коэффициент качества возрастает до 1,48. При дальнейшем росте концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 32b (5000 РРМ, рН 13, проводимость 26000 мкСм/см, коэффициент качества 0.88), рН и проводимость раствора возрастают, но коэффициент качества уменьшается по сравнению с Примером 32а.
Сравнительный Пример 33 и Примеры 33а, 33b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-8), содержащего 0,5 вес.% заряжающей добавки-1. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 33а, где проводилось гидрозаряжание 20 РРМ раствором NaOH (рН 11), коэффициент качества составил 1,40, что больше, чем в Сравнительном Примере 33 (1,05), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,5). Повторное гидрозаряжание полотна (BMF-8) раствором 20 РРМ NaOH (рН 11) - Пример 33b - ведет к дальнейшему увеличению коэффициента качества до 1,62.
4
4
4
4
4
Сравнительные Примеры 34а, 34b, 34с, 34d, 34e, 34f: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-7), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-1 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 3). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В Сравнительном Примере 34а, где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,8), коэффициент качества составил 1,32, что больше, чем в Сравнительном Примере 34b (1 РРМ NHCl, рН 6.8, проводимость 3,7 мкСм/см, коэффициент качества 1,30), в Сравнительном Примере 34с (10 РРМ NHCl, рН 6.8, проводимость 28,2 мкСм/см, коэффициент качества 1,25), в Сравнительном Примере 34d (100 РРМ NHCl, рН 5,8, проводимость 273 мкСм/см, коэффициент качества 1,12), в Сравнительном Примере 34e (1000 РРМ NHCl, рН 5,5, проводимость 2580 мкСм/см, коэффициент качества 0,85) и в Сравнительном Примере 34f (5000 PPM NHCl, pH 5,3, проводимость 11 800 мкСм/см, коэффициент качества 0,55).
Сравнительный Пример 35 и Примеры 35а, 35b, 35с: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-9), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-1 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 4). Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). В примере 35а, где проводилось гидрозаряжание 1 PPM раствором NaOH (pH 9,6, проводимость 5,19 мкСм/см), коэффициент качества составил 1,91, что больше, чем в Сравнительном Примере 35 (1,62), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 6,3). С ростом концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 35b (10 PPM, pH 10,8, проводимость 61,7 мкСм/см) - коэффициент качества составил 1,85. При дальнейшем росте концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 35с (1000 PPM, pH 12,4, проводимость 5,820 мкСм/см) коэффициент качества составил 1,62, то есть pH и проводимость раствора возрастают, но коэффициент качества падает по сравнению с Примером 35а.
Сравнительные Примеры 36а, 36b и Примеры 36а, 36b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-11), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-1 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 4). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 36а, где проводилось гидрозаряжание 1 PPM раствором NaOH (pH 9,6, проводимость 5,19 мкСм/см), коэффициент качества составил 1,10, что больше, чем в Сравнительном Примере 36а (0,77), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 6,3). С ростом концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 36b (10 PPM, pH 10,8, проводимость 61,7 мкСм/см) коэффициент качества возрастает до 1,38. При дальнейшем росте концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 36b (5000 PPM, pH 13, проводимость 26000 мкСм/см, коэффициент качества 0,85), pH и проводимость раствора возрастают, но коэффициент качества уменьшается по сравнению с Примером 36а.
Сравнительный Пример 37 и Примеры 37а, 37b, 37с: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-12), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-2 (аналогичное полотну в Примере 6). Использовался 2-й способ гидрозаряжания (предварительное коронное заряжание и гидрозаряжание). В примере 37а, где проводилось гидрозаряжание 1 PPM раствором NaOH (pH 9,6, проводимость 5,19 мкСм/см), коэффициент качества составил 1,96, что больше, чем в Сравнительном Примере 37 (1,52), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 6,3). С ростом концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 37b (10 РРМ, pH 10,8, проводимость 61,7 мкСм/см) коэффициент качества возрастает до 1,99. При дальнейшем росте концентрации NaOH в гидрозаряжающем растворе - Пример 37с (1000 РРМ, pH 12,4, проводимость 5820 мкСм/см, коэффициент качества 1.61), pH и проводимость раствора возрастают, но коэффициент качества уменьшается по сравнению с Примером 37а, тем не менее оставаясь выше, чем в Сравнительном Примере 37.
2
3
3
Сравнительные Примеры 38а, 38b и Пример 38: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-13), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 3. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 38, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,4), коэффициент качества составил 1,68, что больше, чем в Сравнительном Примере 38а (1,41), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 38b (0,58), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,2).
2
3
3
2
3
Сравнительные Примеры 39а, 39b и Пример 39: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-22), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-5 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 15). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 39, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,4), коэффициент качества составил 1,68, что больше, чем в Сравнительном Примере 38а (1,41), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 8,2) и больше, чем в Сравнительном Примере 38b (0,58), где проводилось гидрозаряжание раствором, содержащим органический растворитель (10 вес.% раствор этанола в деионизованной воде) и 50 РРМ СНСООН (pH 5,2), коэффициент качества составил 2,57, что выше, чем в Сравнительном Примере 39а (1,75), где проводилось гидрозаряжание 10 вес.% раствором этанола в деионизованной воде (pH 8,8), и выше, чем в Сравнительном Примере 39b (1,34), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,3).
Сравнительный Пример 40 и Примеры 40а, 40b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-23), содержащего 0,5 вес.% заряжающей добавки-5. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 40, где проводилось гидрозаряжание 20 РРМ раствором HCl (рН 3.4), коэффициент качества составил 2,23, что больше, чем в Сравнительном Примере 40 (1,85), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,7). Повторное гидрозаряжание полотна (BMF-23) тем же 20 РРМ раствором HCl (рН 3.4) - Пример 40b - ведет к дальнейшему увеличению коэффициента качества до 2,31.
3
3
Сравнительный Пример 41 и Примеры 41а, 41b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-24), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-5 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 15). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 41а, где проводилось гидрозаряжание 10 РРМ раствором СНСООН (рН 6, проводимость 21,6 мкСм/см), коэффициент качества составил 2,76, что больше, чем в Сравнительном Примере 41 (2,59), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,3). С ростом концентрации СНСООН в заряжающем растворе - Пример 41b (100 РРМ, рН 4, проводимость 70.6 мкСм/см) - коэффициент качества возрастает до 2,87.
2
2
Сравнительные Примеры 42а, 42b и Пример 42: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-25), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-5 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 15). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 42, где проводилось гидрозаряжание 100 РРМ раствором CuCl (рН 5,5, проводимость 146,5 мкСм/см), коэффициент качества составил 2,24, что больше, чем в Сравнительном Примере 42а (2,59), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 6,1). С ростом концентрации CuCl в заряжающем растворе - в Сравнительном Примере 42b (5000 РРМ, рН 4,5, проводимость 5980 мкСм/см) - коэффициент качества падает до 1,88.
3
3
3
3
3
2
3
Сравнительные Примеры 43а, 43b и Примеры 43а, 43b, 43с: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-246), содержащего 1 вес.% заряжающей добавки-5 (в сущности эквивалентное полотну в Примере 15). Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 43а, где проводилось гидрозаряжание 10 РРМ раствором СНСООН (рН 4,6, проводимость 45,3 мкСм/см), коэффициент качества составил 2,34, что больше, чем в Сравнительном Примере 43а (2,06), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,6). По мере добавления нейтрально соли NaCl в кислый гидрозаряжающий раствор 50 РРМ СНСООН, используемый в Примере 43а, рН раствора немного падал, но проводимость значительно возрастала, и коэффициенты качества падали по сравнению с Примером 43а, составив: 2,16 в Примере 43b (50 РРМ СНСООН, 50 РРМ NaCl, pH 4,4, проводимость 130,2 мкСм/см), 2,13 в Примере 43 с (50 РРМ СНСООН, 500 РРМ NaCl, pH 4,0, проводимость 280,6 мкСм/см) и 1,94 в Сравнительном Примере 43b (СНСООН NaCO, 5000 РРМ NaCl, pH 4,0, проводимость 9230 мкСм/см).
3
2
3
Сравнительные Примеры 44а, 44b и Пример 44: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-27), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 4. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 44, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,2), коэффициент качества составил 1,86, что больше, чем в Сравнительном Примере 44а (1,08), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 8,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 44b (0,85), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,4).
3
2
3
3
Сравнительные Примеры 45а, 45b и Примеры 45а, 45b, 45с: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-28), содержащего 0,1% по весу заряжающей добавки 9. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 45а, где проводилось гидрозаряжание 100 РРМ раствором СНСООН (pH 3,9), коэффициент качества составил 1,72, что больше, чем в Сравнительном Примере 45а (0,79), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 7,2) и больше, чем в Сравнительном Примере 45b (0,37), где проводилось гидрозаряжание 100 РРМ раствором NaCO (pH 10,7). При использовании полотна BMF-29, содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 9 - Пример 45b - заряжание тем же раствором 100 РРМ СНСООН (pH 3,9) повышало коэффициент качества до 2,76, а при использовании полотна BMF-30, содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 9 - Пример 45с - заряжание раствором 10 РРМ HCl (pH 4.2) также повышало коэффициент качества до 2,57 по сравнению с примером 45а.
3
2
3
Сравнительные Примеры 46а, 46b и Пример 46: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-32), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 11. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 46, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,1), коэффициент качества составил 1,83, что больше, чем в Сравнительном Примере 46а (0,26), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 7,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 46b (0,45), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,5).
3
2
3
Сравнительные Примеры 47а, 47b и Пример 47: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-33), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 12. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 47, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,1), коэффициент качества составил 1,40, что больше, чем в Сравнительном Примере 47а (0,24), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 47b (0,39), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,5).
3
2
3
Сравнительные Примеры 48а, 48b и Пример 48: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-34), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 13. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 48, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,1), коэффициент качества составил 1,68, что больше, чем в Сравнительном Примере 48а (0,62), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,2) и больше, чем в Сравнительном Примере 48b (0,65), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,5).
2
3
3
Сравнительные Примеры 49а, 49b и Пример 49: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-36), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 14. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 49, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,5), коэффициент качества составил 0,99, что больше, чем в Сравнительном Примере 49а (0,60), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,2), и больше, чем в Сравнительном Примере 49b (0,49), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,1).
2
3
3
Сравнительные Примеры 50а, 50b и Пример 50: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-38), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 1 и 0,4% по весу заряжающей добавки 7. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 50, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (рН 10,4), коэффициент качества составил 1,61, что больше, чем в Сравнительном Примере 50а (1,02), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,7), и больше, чем в Сравнительном Примере 50b (0,34), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (рН 4,2).
2
3
2
3
2
3
2
3
Сравнительные Примеры 51а, 51b и Примеры 51а, 51b: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-39), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 1 и 0,2% по весу заряжающей добавки 8. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 51а, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,4, проводимость 131,8), коэффициент качества составил 1,59, что больше, чем в Сравнительном Примере 51а (1,25), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 7,7). По мере добавления нейтрально соли NaCl в основной гидрозаряжающий раствор 50 РРМ NaCO, используемый в Примере 51а, pH раствора немного падала, но проводимость значительно возрастала, и коэффициенты качества падали по сравнению с Примером 51а, составив: 1,42 в Примере 51b (50 РРМ NaCO, 50 РРМ NaCl, pH 10,3, проводимость 230,4 мкСм/см) и 0,77 в Сравнительном Примере 51b (50 РРМ NaCO, 5000 РРМ NaCl, pH 10,3, проводимость 9340 мкСм/см) по сравнению с Примером 51а.
Сравнительные Примеры 52, 53, 54, 55, 56 и Примеры 52, 53, 54, 55, 56:
2
3
Полотна изготавливались из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-40, 41, 42, 43 и 44), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 1, но с различным эффективным диаметром волокон, удельным весом и распределением волокон по размеру (за счет использования 1-го и 2-го способов экструзии). Коэффициенты качества в примерах 52-56, где проводилось гидрозаряжание 100 РРМ раствором NaCO (pH 9,2) соответственно составили 1,77, 2,19, 1,77, 2,55 и 2,03, что больше, чем в соответствующих сравнительных примерах 52-56 (0,86, 0,91, 0,88, 1,17 и 0,81, где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 7,0).
3
2
3
Сравнительные Примеры 57а, 57b и Пример 57: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-45), содержащего 0,5% по весу заряжающей добавки 6 и 0,2% по весу заряжающей добавки 9. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 57, где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором СНСООН (pH 4,2), коэффициент качества составил 3,48, что больше, чем в Сравнительном Примере 57а (3,07), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (pH 7,7), и больше, чем в Сравнительном Примере 57b (1,68), где проводилось гидрозаряжание 50 РРМ раствором NaCO (pH 10,4).
3
Сравнительные Примеры 58 и Пример 58а: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полипропилена (BMF-46), содержащего 0,8% по весу заряжающей добавки 5, с помощью 2-го способа экструзии. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 58, где проводилось гидрозаряжание 10 РРМ раствором СНСООН (рН 5,4), коэффициент качества составил 3,50, что больше, чем в Сравнительном Примере 58 (2,58), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 8,8).
Сравнительные Примеры 59а, 59b и Пример 59: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из полилактида (BMF-51), содержащего 1% по весу заряжающей добавки 1. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 59, где проводилось гидрозаряжание 20 РРМ раствором NaOH (рН 11), коэффициент качества составил 1,42, что больше, чем в Сравнительном Примере 59а (1,10), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,7), и больше, чем в Сравнительном Примере 59b (0,48), где проводилось гидрозаряжание 20 РРМ HCl (рН 3,5).
Сравнительные Примеры 60а, 60b и Пример 60: Полотно изготавливалось из выдуваемых из расплава микроволокон из 95% полипропилена и 5% циклического олефинового сополимера (BMF-52), не содержащего заряжающих добавок. Использовался 1-й способ гидрозаряжания (только гидрозаряжание). В примере 60, где проводилось гидрозаряжание 20 РРМ раствором NaOH (рН 11), коэффициент качества составил 2,21, что больше, чем в Сравнительном Примере 60а (1,77), где проводилось гидрозаряжание деионизованной водой (рН 7,7) и больше, чем в Сравнительном Примере 60b (0,70), где проводилось гидрозаряжание 20 РРМ HCl (рН 3,5).
Примеры 61-66
р
p
3
2
3
2
2
3
2
2
2
3
р
3
3
p
С помощью методов расчетной химии, как будет описано ниже, были рассчитаны РА и ΔHdp для модельных химических систем, эквивалентных аминозамещенным ароматическим добавкам, описанным выше (ароматические добавки 1-6 и 15), в отношении электронной структуры заряжающего центра. Их структурные формулы приведены ниже. Алифатические хвосты были усечены для сокращения времени расчетов. Для подтверждения правомерности отсечения алифатического хвоста мы исследовали, насколько хвост влиял на электронную структуру заряжающего центра, где заряжающим центром является сайт протонирования/депротонирования. Степень влияния функциональной группы на электронную структуру ароматического центра может быть охарактеризована параметром σ по Hammett-Sigma (Dean, J. A., Physicochemical Relationships. Lange's Handbook of Chemistry, 15th Edition; McGraw-Hill: New York, 1999.). Значения σ для групп (обозначаемых R) СН, СНСН, CHCHCH и СНСНСНСН равны -0,17, -0,15, -0,15 и -0,16 соответственно. Сходство значений σ для данных групп указывает на то, что число повторяющихся метальных групп значительно не влияет на электронную структуру заряжающего центра. Примерами химически различающихся групп R являются -Н, -СН и СО-ОСН, и значения σ для этих групп равны 0,0, -0,17 и 0,39 соответственно (Dean, J. A., Physicochemical Relationships. Lange's Handbook of Chemistry, 15th Edition; McGraw-Hill: New York, 1999).
Сродство к протону: В таблице 6 представлены значения сродства к протону (РА) для модельных структур, эквивалентных использованным заряжающим добавкам, и в этой же таблице даны типичные коэффициенты качества полотен из микроволокон, выдуваемых из расплава, содержащих такие заряжающие добавки, и заряженных жидкостями, имевшими различные рН. Значения РА и ΔHdp были рассчитаны, как описано выше. Данные результаты показывают, что сродство РА молекулы хорошо коррелирует с заряжающими свойствами добавок, и при этом можно отметить два момента. Первое наблюдение состоит в том, что при значениях РА, больших, чем 230 ккал/моль, такая добавка усиливает фильтрующие свойства полотен, заряжаемых распыленным кислым раствором, а второе наблюдение состоит в том, что добавки, значение РА которых меньше, чем 230 ккал/моль, не улучшают фильтрующих свойств полотен, приводимых в контакт с распыленным кислым раствором.
Энтальпия депротонирования: В Таблице 6 приведены также данные о ΔHdp для всех модельных систем. Данные результаты показывают, что энтальпия депротонирования ΔHdp молекулы также хорошо коррелирует с заряжающими свойствами добавок, и также можно отметить два момента, подобно как и в отношении к сродству РА к протону. Первое наблюдение состоит в том, что при значениях ΔHdp, меньших чем примерно 335 ккал/моль, такая добавка усиливает фильтрующие свойства полотен, заряжаемых распыленным щелочным раствором, а второе наблюдение состоит в том, что добавки, значение ΔHdp которых больше, чем примерно 335 ккал/моль, не улучшают фильтрующих свойств полотен, приводимых в контакт с распыленным щелочным раствором. Отметим, что депротонирование является экзотермическим процессом, поэтому меньшие величины ΔHdp являются более предпочтительными.
Для расчетов параметров заряжающих добавок использовались следующие модели химической структуры.
Примеры 67-110
2
3
3
3
3
3
3
3
2
р
Кроме расчета свойств конкретных заряжающих добавок, указанных выше, были проведены расчеты свойств широкого типа добавок, чтобы оценить химический масштаб классов таких соединений. Для определения такого химического масштаба были исследованы два класса добавок, соответствующих формулам (1) и (2), приведенным выше. Формула (1) включает модельную структуру 2, в которой имеется ароматическое ядро и три связанные с ним группы (NH)-СН-СН, а формула (2) включает модельные структуры 3, 4, 5 и 6, в которых имеется ароматическое ядро, связанное в тремя пара-замещенными аминовыми производными. Ароматические ядра в данных структурах подбирали так, чтобы они имели разную ароматичность, a R-группы для формулы (2) подбирали по энергии связывания/высвобождения электрона. Ароматическими кольцами, в порядке возрастания ароматичности, были: триазин, пиримидин, пиридин и бензол (Shishkin, О. V.; Pichugin, К. Y.; Gorb, L.; Leszczynski, J. 616 J. Mol. Struc. 159 (2002)). R-группами, в порядке возрастания энергии связывания электрона, были (NH)-CH, -ОН, -O-СН, -СН, -Н, -F, -С(=O)- NH-СН, -С(=O)-O-СН, CF, and -NO. Энергии связывания электрона количественно характеризовалась параметром σ по Hammett-Sigma, (Dean, J. A., Physicochemical Relationships. Lange's Handbook of Chemistry, 15th Edition; McGraw-Hill: New York, 1999).
Значения PA и ΔHdp, рассчитанные для добавок, имеющих формулы (1) и (2), указанные выше, приведены в Таблице 7. На основе этих расчетов можно заключить, что все добавки, имеющие формулу (1) - Примеры 67-70, являются щелочными добавками, так как их значения РА значительно выше, чем 230 ккал/моль, а их значения ΔHdp значительно выше 335 ккал/моль, и можно ожидать, что такие добавки будут лучше заряжать волокно в кислом водном растворе (рН<7).
p
p
p
p
p
Целью примеров 71-106 было показать, как энергия связывания/освобождения электрона R-группы влияет на кислотность или основность заряжающих добавок. Когда группа R является принимающей электрон, т.е. σ<0,0, молекула становится более кислотной, а когда группа R является отдающей электрон, то есть σ>0.0, добавка становится более основной. Точное значение σ, при котором наступает переход типа добавки от кислотности к ее основности, зависит от ароматического ядра. Так, например, переход от кислотности к основности добавок с триазином наступает при σ≈0, а переход от кислотности к основности добавок с бензольным ядром наступает при σ≈0.32.
В настоящее изобретение могут быть внесены различные изменения без отхода от его идеи и масштаба. Поэтому настоящее изобретение не ограничено описанным выше воплощением, а ограничено лишь прилагаемой формулой изобретения.
Настоящее изобретение может быть реализовано в отсутствие любого элемента, не упомянутого явно в настоящем описании.
Все патенты и заявки, на которые приводятся ссылки в настоящем описании, включая ссылки на иные патенты и заявки, включая упомянутые в разделе «Уровень техники», цитируются целиком. В случае, если имеется расхождение или противоречие между содержанием настоящей заявки и содержанием цитируемого документа, приоритетным следует считать настоящий документ.