Электретные полотна с добавками, способствующими накоплению заряда
ELECTRETE WEBS WITH ADDITIVES, PROMOTING CHARGE ACCUMULATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к электретным полотнам, включающим нетканые волокнистые полотна, такие как нетканые полотна из термопластичных микроволокон, содержащие добавки, способствующие накоплению заряда, а также к способам их применения.
Уровень техники
Электрет - диэлектрический материал, характеризующийся квазистационарным электрическим зарядом. Электреты применяются в множестве устройств, включающих, например, липкие пленки, воздушные фильтры, фильтрующие лицевые маски и респираторы, при этом они также применяются в качестве электростатических элементов в электроакустических устройствах, таких как микрофоны, наушники и электростатические записывающие устройства.
Показатели микроволокнистых полотен, используемых для фильтрования аэрозолей, могут быть улучшены посредством придания электрического заряда волокнам, таким образом формируя электретный материал. В частности, электреты являются эффективными в плане улучшения захвата частиц в аэрозольных фильтрах. Известно множество способов формирования электретных материалов в микроволокнистых полотнах. Такие способы включают, например, бомбардирование волокон, получаемых по технологии мелтблаун, во время их выхождения из выходной части оформляющего канала мундштука экструдера по мере формирования волокон, электрически заряженными частицами, например электронами или ионами. Другие способы включают, например, заряжание волокон после формирования полотна посредством коронного разряда или придания заряда волокнам посредством кардочесания и/или прокалывания иглами (трибозарядка). Кроме того, также был описан способ, при котором струи воды или поток водяных капель врезаются в нетканое полотно с оказанием давления, достаточного для обеспечения электретного заряда, способствующего фильтрации (гидрозарядка).
Для изменения свойств полимерных композиций в полимерные композиции добавляли множество материалов. Например, в патенте США №5,914,186 (Yau et al.) описаны термостойкие антистатические чувствительные к давлению адгезивные пленки, содержащие основу, покрытую адгезивом, содержащим микрочастицы диаметром по меньшей мере 1 микрометр. Микрочастицы имеют проводящее покрытие, выполненное из базового полимера полимерного электролита, по меньшей мере одной ионной соли щелочного или щелочноземельного металла и по меньшей мере одного термостабилизатора, выбранного из группы, состоящей из затрудненных аминов, солей замещенных толуимидазолов и их смесей.
Примеры электретов с добавленными добавками включают электреты с антибактериальными добавками, как описано в японской патентной публикации JP 08284063, в которой описан N-n-бутилкарбаминовая кислота 3-9 иодо-2-пропинилэфир, содержащий или амидиновую, или гуанидиновую группу и 2-(4-тиазолил) бензимидазол, а также в РСТ публикации WO 93/14510, в которой описаны соединения с затрудненными аминами, азотсодержащие соединения с затрудненными фенолами, соединения солей металлов и затрудненных фенолов, фенольные соединения, соединения серы и фосфорные соединения. В японской патентной публикации JP 06254319 описано применение солей металлов длинноцепочечных органических кислот в полиолефиновых электретах для уменьшения ослабления степени электрификации. В европейской патентной публикации № ЕР 623,941 описано применение агентов для управления зарядом из различных химических классов в полимерных электретах.
Также были описаны способы изготовления высокостабильных электретов, например, в европейской патентной заявке № ЕР 447,166, в которой описан способ изготовления электретов, содержащий чередование по меньшей мере двух циклов - прикладывания электрического заряда и последующего нагрева, а также описаны электреты, содержащие полярные высокомолекулярные соединения, и патенте США №4,874,659 (Ando et al.), в котором описан способ, содержащий размещение волокнистого листа между бесконтактным электродом с подведенным напряжением и электродом-заземлителем, и поддержание электризации между данными электродами.
Сущность изобретения
В настоящем описании описаны электретные полотна и электретный фильтрующий материал. Электретные полотна могут представлять собой нетканое волокнистое полотно или пленку. Электретные полотна содержат термопластичную смолу и добавку, способствующую накоплению заряда, содержащую ариламино- замещенную бензойную кислоту или соль ариламино-замещенной бензойной кислоты. Электретные полотна подходят для применения в качестве фильтрующего материала.
Подробное описание
Существует потребность в электретных полотнах с улучшенными свойствами. В настоящем изобретении представлены электретные полотна, содержащие добавки, способствующая накоплению заряда. Такие добавки, способствующие накоплению заряда, позволяют получить электретные полотна, которые могут быть легко заряжены с помощью множества различных механизмов заряжания, таких как трибозарядка, коронный разряд, гидрозарядка или их комбинации. В некоторых воплощениях электретные полотна согласно настоящему изобретению могут быть заряжены с помощью лишь коронного разряда, в частности, коронного разряда постоянного тока, без необходимости использования дополнительных механизмов заряжания.
Электретные полотна, применимые в настоящем изобретении, включают смесь термопластичной смолы и добавки, способствующей накоплению заряда. Полотна, изготовленные из таких смесей, могут характеризоваться улучшенными свойствами по сравнению с полотнами, изготовленные только из термопластичных смол. Применимые добавки, способствующие накоплению заряда, включают ариламино-замещенные бензойные кислоты или ариламино-замещенные соли бензойных кислот.
Электретные полотна могут быть представлены в различных формах. Например, полотно может представлять собой сплошную или несплошную пленку или волокнистое полотно. Волокнистые полотна особенно применимы для формирования фильтрующего материала. В некоторых воплощениях полотно представляет собой нетканое микроволокнистое полотно. Обычно эффективный диаметр микроволокон составляет 1-100 микрометров, как правило, 2-30 микрометров (или средний диаметр, если измерение проводится с использованием способа измерения, такого, как сканирующая электронная микроскопия), при этом поперечное сечение микроволокон не обязательно должно быть круглым.
Термины в единственном числе используются взаимозаменяемо с "по меньшей мере один" для обозначения одного или более описываемых элементов.
Термин "электрет" означает материал, характеризующийся квазистационарным электрическим зарядом. Электрический заряд может быть охарактеризован при испытании на разряд с помощью рентгеновского излучения, как описано в разделе примеров.
Термин "алкил" относится к одновалентной группе, являющейся радикалом алкана, представляющего собой насыщенный углеводород. Алкил может быть линейным, разветвленным, циклическим, или их комбинациями, и обычно содержит от 1 до 20 атомов углерода. В некоторых воплощениях алкильная группа содержит от 1 до 18, от 1 до 12, от 1 до 10, от 1 до 8, от 1 до 6 или от 1 до 4 атомов углерода. Примеры алкильных групп включают кроме прочего метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил, трет-бутил (т-бутил), н-пентил, н-гексил, циклогексил, н-гептил, н-октил и этилгексил.
2
2
2
2
n
2
3
Термин "гетероалкил" относится к алкильной группе, содержащей гетероатомы. Такие гетероатомы могут быть боковыми атомами, например галогенами, такими как фтор, хлор, бром или йод, или атомами цепи, такими как азот, кислород или сера. Примером гетероалкильной группы является полиоксиалкильная группа, такая как -СНСН(ОСНСН)OCHCH.
Термин "алкокси" относится к группе типа -OR, где R - это алкил, замещенный алкил, арил или аралкильная группа.
Термин "замещенный алкил" относится к алкильной группе, содержащей заместители вдоль углеводородного остова. Такие заместители могут представлять собой алкильные группы, гетероалкильные группы или арильные группы. Примером замещенной алкильной группы является бензильная группа.
Термин "арил" относится к ароматической карбоциклической группе, представляющей собой радикал, содержащий от 1 до 5 колец, которые могут быть соединены или сконденсированы. Арильная группа может быть замещена алкильными или гетероалкильными группами. Примеры арильных групп включают фенильные группы, нафталиновые группы и антраценовые группы.
Термины "полимер" и "полимерный материал" относятся как к материалам, изготовленным из одного мономера, таким как гомополимер, так и к материалам, изготовленным из двух или более мономеров, таким как сополимер, терполимер и т.п. Аналогично, термин "полимеризовать" относится к способу изготовления полимерного материала, который может быть гомополимером, сополимером, терполимером и т.п. Термины "сополимер" и "сополимерный материал" относятся к полимерному материалу, изготовленному по меньшей мере из двух мономеров.
Термины "комнатная температура" и "температура окружающей среды" используются взаимозаменяемо для обозначения температур в диапазоне от 20°C до 25°C.
Термин "пригодный для переработки в расплавленном состоянии", используемый в настоящем описании, относится к композиции, которая может превращаться, например, под действием тепла и давления из твердого вещества в вязкое текучее вещество. Композиция должна быть пригодной для переработки в расплавленном состоянии без существенных химических превращений, деградации или потери пригодности для предполагаемой области применения.
Если не указано иное, все числа, обозначающие характерные размеры, количества и физические свойства, используемые в описании и формуле изобретения, должны рассматриваться как дополненные во всех случаях термином "приблизительно". Соответственно, если не будет указано обратное, указываемые величины являются приближенными значениями, которые могут изменяться в зависимости от требуемых свойств, в соответствии с условиями, раскрытыми в настоящем описании.
14
Термопластичные смолы, применимые в настоящем изобретении, включают любой термопластичный непроводящий полимер, способный сохранять высокую величину захваченного электростатического заряда при формовании в виде полотна и заряжании. Обычно такие смолы имеют удельное сопротивление по постоянному току (DC) более 10 Ом-см при температуре предполагаемого использования. Полимеры, способные приобретать захваченный заряд, включают полиолефины, такие как полипропилен, полиэтилен и поли-4-метил-1-пентен; поливинилхлорид; полистирол; поликарбонаты; полиэфиры, включая полилактиды; и перфторированные полимеры и сополимеры. Особенно пригодные материалы включают полипропилен, поли-4-метил-1-пентен, их смеси или сополимеры, полученные на основе по меньшей мере одного из пропилена и 4-метил-1-пентена.
Примеры пригодных термопластичных смол включают, например, полипропиленовые смолы: ESCORENE РР 3746G, коммерчески поставляемый фирмой Exxon-Mobil Corporation, Irving, ТХ; TOTAL РР3960, TOTAL PP3860 и TOTAL PP3868, коммерчески поставляемые фирмой Total Petrochemicals USA Inc., Houston, ТХ; и METOCENE MF 650W, коммерчески поставляемый фирмой LyondellBasell Industries, Inc., Rotterdam, Netherlands; и поли-4-метил-1-пентеновую смолу TPX-MX002, коммерчески поставляемую фирмой Mitsui Chemicals, Inc., Tokyo, Japan.
Добавки, способствующие накоплению заряда, представляют собой ариламино-замещенные бензойные кислоты или ариламино-замещенные соли бензойных кислот. Эти соли могут представлять собой металлсодержащие соли и при этом они могут быть солями одновалентных, двухвалентных или трехвалентных металлов.
Ариламино-замещенная бензойная кислота может быть описана общей структурой формулы 1, показанной ниже:
2
6
4
6
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
где группа НОС- представляет собой группу карбоновой кислоты; -(СН)-представляет собой двузамещенное фенильное кольцо; группа -(CRRRRR) представляет собой арильное кольцо; R содержит атом водорода или алкильную группу; группы R, R, R, R и R независимо содержат атом водорода, алкильную группу, арильную группу, гетероалкильную группу, замещенную алкильную группу, замещенную арильную группу или алкоксигруппу. Ариламиногруппа может быть расположена во втором положении кольца бензойной кислоты (ортоариламинобензойная кислота), в третьем положении кольца бензойной кислоты (метаариламинобензойная кислота) или в четвертом положении кольца бензойной кислоты (параариламинобензойная кислота). Подобным образом в солях бензойной кислоты ариламиногруппа может быть расположена во втором положении кольца бензойной кислоты (ортоариламинобензоат), в третьем положении кольца бензойной кислоты (метаариламинобензоат) или в четвертом положении кольца бензойной кислоты (параариламинобензоат).
2
6
1
6
1
4
5
6
2
3
2
6
4
6
В некоторых воплощениях добавка, способствующая накоплению заряда, содержит ариламино-замещенную бензойную кислоту, которая представляет собой замещенную или незамещенную 2-фениламинобензойную кислоту, 3-фениламинобензойную кислоту, 4-фениламинобензойную кислоту или их комбинацию. Под замещенной 2-фениламинобензойной кислотой следует понимать, что по меньшей мере одна из групп R-R представляет собой группу, отличающуюся от атома водорода. Примеры подходящих ариламино-замещенных бензойных кислот представляют собой замещенные и незамещенные фенамовую кислоту и мефенамовую кислоту. Фенамовая кислота представляет собой 2-(фениламино)бензойную кислоту (базируясь на формуле 1, приведенной выше, каждая из групп R-R представляет собой атом водорода), при этом мефенамовая кислота представляет собой 2-(2,3-диметилфенил)аминобензойную кислоту (базируясь на формуле 1, приведенной выше, каждая из групп R, R, R и R представляет собой атом водорода, а каждая из групп R и R представляет собой метильную группу). Также подходящими являются замещенные фенамовые кислоты (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода) или замещенные мефенамовые кислоты (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода).
В некоторых воплощениях добавка, способствующая накоплению заряда, содержит соль ариламино-замещенной бензойной кислоты. Эти соли, как правило, представляют собой металлсодержащие соли и при этом они могут быть солями одновалентных металлов, двухвалентных металлов или трехвалентных металлов. Эти металлсодержащие соли могут быть описаны в сущности формулой 2, приведенной ниже.
2
6
4
6
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
где М представляет собой ион n-валентного металла, где n = 1, 2 или 3; группа ОС- представляет собой карбоксилатную группу; -(СН)- представляет собой двузамещенное фенильное кольцо; группа -(CRRRRR) представляет собой арильное кольцо; R содержит атом водорода или алкильную группу; группы R, R, R, R и R независимо содержат атом водорода, алкильную группу, арильную группу, гетероалкильную группу, замещенную алкильную группу, замещенную арильную группу или алкоксигруппу. Ариламиногруппа может быть расположена во втором положении кольца бензойной кислоты (ортоариламинобензоат), в третьем положении кольца бензойной кислоты (метаариламинобензоат) или в четвертом положении кольца бензойной кислоты (параариламинобензоат).
1
6
1
4
5
6
2
3
2
6
4
6
В некоторых воплощениях добавка, способствующая накоплению заряда, представляет собой содержащую одновалентный металл соль ариламино-замещенной бензойной кислоты, которая представляет собой соль формулы 2, где n=1. Примерами ионов одновалентных металлов являются ионы натрия и ионы лития. Примеры подходящих солей включают замещенные или незамещенные фенаматные или мефенаматные соли натрия или лития. Фенамат представляет собой 2-(фениламино)бензоат (базируясь на формуле 2, приведенной выше, каждая из групп R-R представляет собой атом водорода), при этом мефенамат представляет собой 2-(2,3-диметилфенил)аминобензоат (базируясь на формуле 2, приведенной выше, каждая из групп R, R, R и R представляет собой атом водорода, а каждая из групп R и R представляет собой метильную группу). Также подходящими являются замещенные фенаматы (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода) или замещенные мефенаматы (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода).
1
6
1
4
5
6
2
3
2
6
4
6
В некоторых воплощениях добавка, способствующая накоплению заряда, представляет собой содержащую двухвалентный металл соль ариламино-замещенной бензойной кислоты, которая представляет собой соль формулы 2, где n=2. Примеры ионов двухвалентных металлов включают ионы магния, ионы кальция и ионы цинка. Примеры подходящих солей включают замещенные или незамещенные фенаматные или мефенаматные соли магния, кальция или цинка. Фенамат представляет собой 2-(фениламино)бензоат (базируясь на формуле 2, приведенной выше, каждая из групп R-R представляет собой атом водорода), при этом мефенамат представляет собой 2-(2,3-диметилфенил)аминобензоат (базируясь на формуле 2, приведенной выше, каждая из групп R, R, R и R представляет собой атом водорода, а каждая из групп R и R представляет собой метильную группу). Также подходящими являются замещенные фенаматы (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода) или замещенные мефенаматы (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода). Замещенные или незамещенные мефенаматные соли ионов двухвалентных металлов являются особенно подходящими добавками, способствующими накоплению заряда.
Одной особенно подходящей добавкой, способствующей накоплению заряда является мефенамат магния, или 2-(2,3-диметилфенил)аминобензоатная соль магния. Эта соль описана формулой 3, приведенной ниже, при этом приготовление этой соли описано в разделе примеров, приведенном ниже.
2+
2
6
4
6
2
3
где Mg представляет собой ион двухвалентного магния; группа ОС- представляет собой карбоксилатную группу; -(CH)- представляет собой 1,2-двузамещенное фенильное кольцо; и группа -(С(Ме)Н) представляет собой 2,3-диметил замещенное арильное кольцо. Хотя многие другие добавки, способствующие накоплению заряда, описанные в настоящем документе, являются известными соединениями, и многие из них являются коммерчески доступными, эта соль была синтезирована и предполагается, что она представляет собой ранее неизвестную соль.
1
6
1
4
5
6
В некоторых воплощениях добавка, способствующая накоплению заряда, представляет собой содержащую трехвалентный металл соль ариламино-замещенной бензойной кислоты, которая представляет собой соль формулы 2, где n=3. Одним из примеров иона трехвалентного металла является ион алюминия. Примеры подходящих солей включают замещенные или незамещенные фенаматные или мефенаматные соли алюминия. Фенамат представляет собой 2-(фениламино)бензоат (базируясь на формуле 2, приведенной выше, каждая из групп R-R представляет собой атом водорода), при этом мефенамат представляет собой 2-(2,3-диметилфенил)аминобензоат (базируясь на формуле 2, приведенной выше, каждая из групп R, R, R и R представляет собой атом
2
3
2
6
4
6
водорода, а каждая из групп R и R представляет собой метильную группу). Также подходящими являются замещенные фенаматы (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода) или замещенные мефенаматы (в которых одна или более из групп R-R не являются атомами водорода).
3
2
3
2
2
3
В некоторых воплощениях ариламино-замещенная бензойная кислота или соль может содержать алкокси-заместители в ариламинном кольце. Примеры алкокси-заместителей включают, например, метокси (-ОСН), этокси (-ОСНСН), n-пропокси (-ОСНСНСН) и подобные. Алкокси-заместители могут быть расположены в множестве положений в ариламинном кольце. Одна особенно подходящая соль представляет собой магниевую соль 2-[(2-этоксифенил)амино]-бензоата.
Добавка, способствующая накоплению заряда, может быть добавлена в любом подходящем количестве. Было обнаружено, что добавки, способствующие накоплению заряда, согласно настоящему изобретению, являются эффективными даже в относительно небольших количествах. Обычно добавка, способствующая накоплению заряда, присутствует в смеси термопластичной смолы и добавки, способствующей накоплению заряда, в количествах до приблизительно 10% по весу, более типично, в диапазоне от 0,02 до 5% по весу на основании общего веса смеси. В некоторых воплощениях добавка, способствующая накоплению заряда, присутствует в количестве в диапазоне от 0,1 до 3% по весу, от 0,1 до 2% по весу, от 0,2 до 1,0% по весу или от 0,25 до 0,5% по весу.
Смесь термопластичной смолы и добавки, способствующей накоплению заряда, может быть приготовлена с помощью широко известных способов. Обычно смесь обрабатывают с использованием методов экструзии из расплава, так что смесь может быть предварительно смешана с образованием гранул при периодическом процессе, илитермопластичная смола и добавка, способствующая накоплению заряда, могут быть смешаны в экструдере при непрерывном процессе. В тех случаях, когда используется непрерывный процесс, термопластичная смола и добавка, способствующая накоплению заряда, могут быть предварительно смешаны в виде твердых веществ или по отдельности добавлены в экструдер для перемешивания в расплавленном состоянии.
Примеры смесителей для расплавов, которые могут быть использованы для формования предварительно смешанных гранул, включают устройства, обеспечивающие дисперсионное смешивание, дистрибутивное смешивание или комбинацию дисперсионного и дистрибутивного смешивания. Примеры периодических способов включают способы с использованием оборудования BRABENDER (например, BRABENDER PREP CENTER, коммерчески поставляемый фирмой CW. Brabender Instruments, Inc.; South Hackensack, NJ) или оборудование BANBURY для внутреннего смешивания и вальцевания (например, оборудование, поставляемое фирмой Farrel Co.; Ansonia, СТ). После периодического смешивания полученная смесь может быть немедленно охлаждена и храниться при температуре ниже температуры плавления смеси для последующей переработки.
Примеры непрерывных способов включают одношнековое экструдирование, двухшнековое экструдирование, дисковое экструдирование, возвратно-поступательное одношнековое экструдирование и штифтовое одношнековое экструдирование. Непрерывные способы могут включать использование как дистрибутивных элементов, таких как кавитационные червячные смесители (например, СТМ, коммерчески поставляемый фирмой RAPRA Technology, Ltd.; Shrewsbury, England), так и штифтовых смесительных элементов, статических смесительных элементов или дисперсионных смесительных элементов (коммерчески поставляемых, например, как смесительные элементы MADDOCK или смесительные элементы SAXTON).
Примеры экструдеров, которые могут быть использованы для экструзии предварительно смешанных гранул, приготовленных периодическим способом, включают такие же типы оборудования, как описанные выше для непрерывной переработки. Пригодными условиями экструзии в сущности являются такие, которые пригодны для экструдирования смолы без добавки.
Экструдированная смесь термопластичной смолы и добавки, способствующей накоплению заряда, может быть отлита или нанесена как покрытие для получения пленок или листов, или может быть сформирована в виде волокнистого полотна с использованием любых подходящих методик. Пленки могут быть использованы при изготовлении множества изделий, включая фильтрующие материалы, с применением способов, описанных, например, в патенте США №.6,524,488 (Insley et al.). Волокнистые полотна могут быть изготовлены из различных типов волокон, включая, например, микроволокна, полученные по технологии мелтблаун, штапельные волокна, фибриллированные пленки и их комбинации. Технологии изготовления волокнистых полотен включают, например, процессы воздушной выкладки, процессы мокрой выкладки, гидроспутывание, технологии спанбонд, технологии мелтблаун и их комбинации. Для использования в качестве фильтрующего материала особенно подходящими являются нетканые микроволокнистые полотна, полученные по технологии мелтблаун и спанбонд.
Микроволокнистые электретные фильтры, полученные по технологии мелтблаун и спанбонд являются особенно пригодными для использования в качестве элемента воздушного фильтра респиратора, такого как фильтрующая лицевая маска, или для таких целей, как бытовые и промышленные кондиционеры воздуха, воздухоочистители, пылесосы, медицинские фильтры воздушных линий и системы кондиционирования воздуха для автомобилей и обычного оборудования, такого как компьютеры, компьютерные дисководы и электронное оборудование. В некоторых воплощениях электретные фильтры объединены с респираторным блоком для получения респираторного устройства, предназначенного для использования человеком. Применительно к респираторам электретные фильтры могут иметь вид формованных, гофрированных или складных респираторов-полумасок, сменных картриджей или респираторных коробок, или предварительных фильтров.
Микроволокна, полученные по технологии мелтблаун, применимые в настоящем изобретении, могут быть изготовлены, как описано в Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers", Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346, и в Van A. Wente et al., Report No. 4364 "Manufacture of Super Fine Organic Fibers" Naval Research Laboratories, May 25, 1954.
Микроволокна, полученные по технологии спанбонд, могут быть сформированы при использовании технологии спанбонд, при которой одно или более сплошных полимерных свободных волокон экструдируют на коллектор, как описано, например, в патентах США №№4,340,563 и 8,162,153, а также патентной публикации США №2008/0038976.
Пригодные микроволокна, полученные по технологии мелтблаун и спанбонд, для волокнистых электретных фильтров обычно имеют эффективный диаметр волокна приблизительно 1-100 микрометров, более типично от 2 до 30 микрометров, в некоторых воплощениях от приблизительно 7 до 15 микрометров, при расчете в соответствии со способом, описанным в Davies, C.N., "The Separation of Airborne Dust and Particles", Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B, 1952.
В полотне могут также присутствовать штапельные волокна. Присутствие штапельных волокон в сущности обеспечивает более рыхлое, менее плотное полотно, чем полотно, состоящее только из микроволокон, полученных по технологии мелтблаун. Обычно используется не более приблизительно 90 весовых процентов штапельных волокон, более типично не более приблизительно 70 весовых процентов. Примеры полотен, содержащих штапельное волокно, раскрыты в патенте США №4,118,531 (Hauser).
Сорбирующий зернистый материал, такой как активированный уголь или оксид алюминия, также может входить в состав полотна. Такие частицы могут присутствовать в количестве до приблизительно 80 объемных процентов от общего количества компонентов полотна. Примеры полотен, содержащих частицы, описаны, например, в патентах США №3,971,373 (Braun), №4,100,324 (Anderson) и №4,429,001 (Kolpin et al.).
Различные опциональные добавки могут быть смешаны с термопластичной композицией, включая, например, пигменты, светостабилизаторы, первичные и вторичные антиоксиданты, дезактиваторы металлов, затрудненные амины, затрудненные фенолы, металлические соли жирных кислот, триэфирфосфиты, соли фосфорной кислоты, фторсодержащие соединения и их комбинации. Особо пригодные добавки включают HALS (светостабилизаторы на основе затрудненных аминов) и антиоксиданты, поскольку они могут выполнять функцию добавок, способствующих накоплению заряда. Кроме того, другие добавки, способствующие накоплению заряда, могут быть скомбинированы с термопластичной композицией. Возможные добавки, способствующие накоплению заряда, включают термически стабильные органические триазиновые соединения или олигомеры, при этом указанные соединения или олигомеры содержат по меньшей мере один атом азота в дополнение к входящим в триазиновое кольцо, см., например, патенты США 6,268,495, 5,976,208, 5,968,635, 5,919,847 и 5,908,598 (Rousseau et al.). Другой известной усиливающей электретные свойства добавкой является "CHIMASSORB 944: (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]]), поставляемый фирмой BASF, Ludwigshafen, Germany. Добавки, способствующие накоплению заряда, могут представлять собой N-замещенные аминоароматические соединения, в частности, триаминозамещенные соединения, такие как 2,4,6-трианилино-р-(карбо-2'-этилгексил-1'-окси)-1,3,5-триазин, коммерчески доступные, как "UVINUL Т-150" от фирмы BASF, Ludwigshafen, Germany. Другой добавкой, способствующей накоплению заряда, является 2,4,6-трис-(октадециламино)-триазин, также известный как тристеарилмеламин ("TSM"). Дополнительные примеры добавок, способствующих накоплению заряда, приведены в патентной заявке США №61/058,029, патентной заявке США №61/058,041, патентах США №№7,390,351 (Leir et al.), 5,057,710 (Nishiura et al.) и 4,652,282, 4,789,504 (Ohmori et al.).
Кроме того, полотно может быть обработано для химической модификации его поверхности. Поверхностное фторирование может быть достигнуто путем помещения полимерного изделия в атмосферу, содержащую фторсодержащие частицы и инертный газ, и затем создания электрического разряда для модификации химии поверхности полимерного изделия. Электрический разряд может иметь форму плазмы, такой как коронный разряд переменного тока. Такой плазменный процесс фторирования обеспечивает присутствие атомов фтора на поверхности полимерного изделия. Плазменный процесс фторирования описан в ряде патентов США: 6,397,458; 6,398,847; 6,409,806; 6,432,175; 6,562,112; 6,660,210 и 6,808,551 (Jones/Lyons et al.). Электретные изделия, имеющие высокий коэффициент насыщения фтором, описаны в патенте США 7,244,291 (Spartz et al.), и электретные изделия, имеющие низкий коэффициент насыщения фтором, в сочетании с гетероатомами, описаны в патенте США 7,244,292 (Kirk et al.). Другие публикации, раскрывающие 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; публикации США US 2003/0134515 A1 и US 2002/0174869 A1; и международную публикацию WO 01/07144.
2
2
Электретный фильтрующий материал, изготовленный в соответствии с настоящим изобретением, обычно имеет базовый вес (массу на единицу площади) в диапазоне от приблизительно 10 до 500 г/м, и в некоторых воплощениях, от приблизительно 10 до 100 г/м. При изготовлении микроволокнистых полотен с помощью технологии мелтблаун базовый вес может контролироваться, например, путем изменения скорости сборного устройства или производительности фильеры. Толщина фильтрующего материала обычно составляет от приблизительно 0,25 до 20 миллиметров, и в некоторых воплощениях - от приблизительно 0,5 до 2 миллиметров. В фильтрующих элементах обычно используется множество слоев волокнистых электретных полотен. Коэффициент заполнения волокнистого электретного полотна типично составляет приблизительно от 1% до 25%, более типично от приблизительно 3% до 10%. Коэффициент заполнения представляет собой безразмерный параметр, определяющий долю твердых веществ в полотне. В сущности, способы согласно настоящему изобретению обеспечивают электретные полотна в сущности с равномерным распределением заряда в полотне безотносительно к базовому весу, толщине или коэффициенту заполнения материала. Электретный фильтрующий материал и смола, из которой его изготавливают, не должны подвергаться какой-либо ненужной обработке, которая могла бы увеличить его электрическую проводимость, например, воздействию ионизирующего излучения, гамма-лучей, ультрафиолетового излучения, пиролиза, окисления и т.д.
Электретное полотно может быть заряжено при его формовании или полотно может быть заряжено после его формования. В случае электретных фильтрующих материалов материал обычно заряжают после формования полотна. В сущности, может быть использован любой стандартный способ заряжания, известный в данной области. Например, заряжание может быть осуществлено различными способами, включая трибозарядку, коронный разряд и гидрозарядку. Также может быть использована комбинация способов. Как упоминалось выше, в некоторых воплощениях электретные полотна согласно настоящему изобретению характеризуются полезным свойством, которое заключается в том, что они могут быть заряжены с помощью лишь коронного разряда, в частности коронного разряда постоянного тока, без необходимости использования дополнительных способов заряжания.
Примеры пригодных способов с использованием коронного разряда описаны в патентах США №№ RE 30,782 (van Turnhout), RE 31,285 (van Turnhout), RE 32,171 (van Turnhout), 4,215,682 (Davis et al.), 4,375,718 (Wadsworth et al.),,401,446 (Wadsworth et al.), 4,588,537 (Klaase et al.), 4,592,815 (Nakao) и 6,365,088 (Knight et al.).
Других способом, который может быть использован для заряжания электретного полотна, является гидрозарядка. Гидрозарядка полотна осуществляется путем контактирования волокон с водой таким образом, который обеспечит придание заряда волокнам, после чего полотно высушивают. Один пример гидрозарядки заключается в том, что струи воды или поток водяных капель врезаются в нетканое полотно с оказанием давления, достаточного для обеспечения электретного заряда, способствующего фильтрации, после чего полотно высушивают. Давление, необходимое для достижения оптимальных результатов, варьируется в зависимости от типа используемого разбрызгивателя, типа полимера, из которого сформовано полотно, типа и концентрации добавок к полимеру, толщины и плотности полотна, и от того, проводилась ли предварительная обработка, такая как обработка поверхности коронным разрядом, перед проведением гидрозарядки. В сущности, пригодным является давление воды в диапазоне от приблизительно 10 до 500 фунт./кв. дюйм (69-3450 кПа). Струи воды или поток водяных капель могут быть обеспечены с помощью любого пригодного разбрызгивающего устройства. Один пример подходящего разбрызгивающего устройства представляет собой устройство, используемое для гидравлического спутывания волокон. Один пример подходящего способа гидрозарядки описан в патенте США №5,496,507 (Angadjivand et al.). Другие способы описаны в патентах США №№6,824,718 (Eitzman et al.), 6,743,464 (Insley et al.), 6,454,986 (Eitzman et al.), 6,406,657 (Eitzman et al.) и 6,375,886 (Angadjivand et al.). Гидрозарядка полотна также может осуществляться с использованием способа, раскрытого в патенте США №7,765,698 (Sebastian et al.).
Для оценки фильтрующей способности были разработаны различные протоколы испытаний фильтрации. Такие испытания включают измерение проникания аэрозоля через фильтрующее полотно с использованием стандартного аэрозоля для проведения испытаний, такого как диоктилфталат (DOP), которое обычно выражают как процент проникания аэрозоля через фильтрующее полотно (% Pen), и измерение перепада давления на фильтрующем полотне (ΔР). По результатам этих двух измерений может быть рассчитана величина, известная как фактор качества (QF), по следующему уравнению:
QF=-ln(% Pen/100)/ΔР,
2
-1
где ln означает натуральный логарифм. Более высокое значение QF указывает на лучшую фильтрующую способность, а пониженные значения QF эффективно коррелируют с пониженной фильтрующей способностью. Более подробное описание измерения этих величин приведено в разделе примеров. Типично, фильтрующие материалы согласно настоящему изобретению имеют измеренные значения QF, равные 0,3 (мм НО) или больше, при скорости набегающего потока 6,9 сантиметров в секунду.
Для подтверждения того, что конкретный фильтрующий материал является электростатически заряженным по своей природе, можно проанализировать его фильтрующую способность до и после воздействия ионизирующего рентгеновского излучения. Как описано в литературе, например, в Air Filtration, R.C. Brown (Pergamon Press, 1993) и "Application of Cavity Theory to the Discharge of Electrostatic Dust Filters by X-Rays", A.J. Wajker and R.C. Brown, Applied Radiation and Isotopes, Vol. 39, No. 7, pp. 677-684, 1988, если электростатически заряженный фильтр облучить рентгеновскими лучами, то проникание аэрозоля через фильтр после облучения будет больше, чем до облучения, потому что ионы, создаваемые рентгеновскими лучами в газовых промежутках между волокнами, нейтрализуют некоторую часть электрического заряда. Таким образом может быть получен график зависимости проникания от кумулятивного рентгеновского облучения, который демонстрирует стабильное возрастание до постоянного уровня, после чего дальнейшее облучение не вызывает изменений. Эта точка соответствует полному удалению заряда с фильтра.
Эти наблюдения привели к принятию другого протокола испытаний для определения фильтрующей способности - испытаний на разряжение под действием рентгеновского излучения. В этом протоколе испытаний выбранные для испытаний куски фильтрующего материала подвергают воздействию рентгеновского излучения для разряжения электретного полотна. Одной из особенностей этих испытаний является то, что они подтверждают, что полотно является электретом. Поскольку известно, что рентгеновские лучи гасят электретный заряд, облучение фильтрующего материала рентгеновскими лучами и измерение фильтрующей способности до и после такого облучения и сравнение фильтрующей способности показывает, является ли фильтрующий материал электретом. Если фильтрующая способность остается неизменной после облучения рентгеновским излучением, то это указывает на то, что заряд не гасится и материал не является электретом. Однако, если фильтрующая способность снижается после облучения рентгеновским излучением, то это указывает, что фильтрующий материал является электретом.
Обычно, при проведении испытаний фильтрующую способность измеряют до и после облучения фильтрующего материала рентгеновским излучением. Коэффициент проникания (%) может быть рассчитан по следующему уравнению: коэффициент проникания (%)=(ln(исходный % проникания DOP/100)/(ln(% проникания DOP после 60 мин рентгеновского облучения)))×100, при проведении испытаний в соответствии с методом испытаний фильтрующей способности, как описано в разделе примеров ниже. Чтобы полотно имело достаточный заряд для использования в качестве фильтра, коэффициент проникания (%) типично составляет по меньшей мере 300%. С увеличением коэффициента проникания (%) фильтрующая способность полотна также возрастает. В некоторых воплощениях коэффициент проникания (%) составляет по меньшей мере 400%, 500% или 600%. В особенно подходящих воплощениях коэффициент проникания (%) составляет по меньшей мере 750% или 800%. В некоторых воплощениях полотно обладает коэффициентом проникания (%), равным по меньшей мере 1000% или по меньшей мере 1250%.
2
2
2
2
2
2
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Исходный фактор качества (до облучения рентгеновскими лучами) типично составляет по меньшей мере 0,3 (мм НО), более типично по меньшей мере 0,4 или даже 0,5 (мм НО) для скорости набегающего потока 6,9 см/с при проведении испытаний в соответствии с методом испытаний на фильтрующую способность, описанным в разделе примеров ниже. В некоторых воплощениях исходный фактор качества составляет по меньшей мере 0,6 или 0,7 (мм НО). В других воплощениях исходный фактор качества составляет по меньшей мере 0,8, по меньшей мере 0,90, по меньшей мере 1,0 или даже более 1,0 (мм НО). Фактор качества после 60 минут облучения рентгеновскими лучами типично составляет менее 50% от величины исходного фактора качества. В некоторых воплощениях исходный фактор качества составляет по меньшей мере 0,5 (мм HO) или больше, и фактор качества после 60 минут облучения рентгеновскими лучами составляет менее 0,15 (мм НО).
Настоящее изобретение включает следующие воплощения:
В настоящее изобретение включены воплощения электретных полотен. Первое воплощение включает электретное полотно, содержащее: термопластичную смолу и добавку, способствующую накоплению заряда, содержащую ариламино-замещенную бензойную кислоту или соль ариламино-замещенной бензойной кислоты.
Воплощение 2 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 1, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную 2-фениламинобензойную кислоту, 3-фениламинобензойную кислоту, 4-фениламинобензойную кислоту или их комбинацию.
Воплощение 3 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 1 или 2, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит диметил-замещенную 2-фениламинобензойную кислоту, диметил-замещенную 3-фениламинобензойную кислоту, диметил-замещенную 4-фениламинобензойную кислоту или их комбинацию.
Воплощение 4 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-3, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит 2-(2,3-диметилфенил)аминобензойную кислоту.
Воплощение 5 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 1, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную металлсодержащую соль 2-фениламинобензойной кислоты, металлсодержащую соль 3-фениламинобензойной кислоты, металлсодержащую соль 4-фениламинобензойной кислоты или их комбинацию.
Воплощение 6 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 5, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную фенаматную соль двухвалентного кальция, двухвалентного магния или двухвалентного цинка.
Воплощение 7 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 5, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит соль диметил-замещенной 2-фениламинобензойной кислоты, содержащую двухвалентный металл, соль диметил-замещенной 3-фениламинобензойной кислоты, содержащую двухвалентный металл, соль диметил-замещенной 4-фениламинобензойной кислоты, содержащую двухвалентный металл, или их комбинацию.
Воплощение 8 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 5 или 7, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит соль двухвалентного металла 2-(2,3-диметилфенил)аминобензойной кислоты.
Воплощение 9 представляет собой электретное полотно согласно воплощениям 5, 7 или 8, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную мефенаматную соль двухвалентного кальция, двухвалентного магния или двухвалентного цинка.
Воплощение 10 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 5, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную содержащую одновалентный металл соль 2-фениламинобензойной кислоты, содержащую одновалентный металл соль 3-фениламинобензойной кислоты, содержащую одновалентный металл соль 4-фениламинобензойной кислоты или их комбинацию.
Воплощение 11 представляет собой электретное полотно согласно воплощениям 5 или 10, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную фенаматную соль одновалентного натрия или одновалентного лития.
Воплощение 12 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 5 или 10, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит соль диметил-замещенной 2-фениламинобензойной кислоты, содержащую одновалентный металл, соль диметил-замещенной 3-фениламинобензойной кислоты, содержащую одновалентный металл, соль диметил-замещенной 4-фениламинобензойной кислоты, содержащую одновалентный металл, или их комбинацию.
Воплощение 13 представляет собой электретное полотно согласно воплощениям 5, 10 или 12, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную мефенаматную соль одновалентного натрия или одновалентного лития.
Воплощение 14 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 5, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную содержащую трехвалентный металл соль 2-фениламинобензойной кислоты, содержащую трехвалентный металл соль 3-фениламинобензойной кислоты, содержащую трехвалентный металл соль 4-фениламинобензойной кислоты или их комбинацию.
Воплощение 15 представляет собой электретное полотно согласно воплощениям 5 или 14, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную фенаматную соль трехвалентного алюминия.
Воплощение 16 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 5 или 14, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит соль диметил-замещенной 2-фениламинобензойной кислоты, содержащую трехвалентный металл, соль диметил-замещенной 3-фениламинобензойной кислоты, содержащую трехвалентный металл, соль диметил-замещенной 4-фениламинобензойной кислоты, содержащую трехвалентный металл, или их комбинацию.
Воплощение 17 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 5, 14 или 16, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит соль трехвалентного металла 2-(2,3-диметилфенил)аминобензойной кислоты.
Воплощение 18 представляет собой электретное полотно согласно воплощениям 5, 14, 16 или 17, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит замещенную или незамещенную мефенаматную соль трехвалентного алюминия.
Воплощение 18 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 5, в котором добавка, способствующая накоплению заряда, содержит мефенаматную соль магния.
Воплощение 20 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-19, причем полотно содержит нетканое волокнистое полотно.
Воплощение 21 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-19, причем полотно содержит пленку.
Воплощение 22 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-21, в котором термопластичная смола содержит: полиолефин; поливинилхлорид; полистирол; поликарбонат или полиэфир.
Воплощение 23 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-22, в котором добавка, способствующая накоплению заряда составляет 0,02-5,0% по весу полотна.
Воплощение 24 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-23, причем полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд придают посредством обработки коронным разрядом, гидрозарядки, а также комбинации этих способов.
Воплощение 25 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-23, причем полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд придают посредством обработки коронным разрядом.
Воплощение 26 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-25, причем полотно дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную добавку, выбранную из пигментов, светостабилизаторов, первичных и вторичных антиоксидантов, дезактиваторов металлов, затрудненных аминов, затрудненных фенолов, металлических солей жирных кислот, триэфирфосфитов, солей фосфорной кислоты, фторсодержащих соединений и их комбинаций.
Также раскрыты воплощения электретного фильтрующего материала.
Воплощение 27 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 1.
Воплощение 28 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 2.
Воплощение 29 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 3.
Воплощение 30 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 4.
Воплощение 31 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 5.
Воплощение 32 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 6.
Воплощение 33 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 7.
Воплощение 34 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 8.
Воплощение 35 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 9.
Воплощение 36 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 10.
Воплощение 37 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 11.
Воплощение 38 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 12.
Воплощение 39 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 13.
Воплощение 40 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 14.
Воплощение 41 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 15.
Воплощение 42 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 16.
Воплощение 43 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 17.
Воплощение 44 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 18.
Воплощение 45 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 19.
Воплощение 46 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 20.
Воплощение 47 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 22.
Воплощение 48 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 23.
Воплощение 49 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 24.
Воплощение 50 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 25.
Воплощение 51 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий электретное полотно согласно воплощению 26.
Воплощение 52 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 27-51, причем фильтрующий материал характеризуется коэффициентом проникания (%) по меньшей мере 300% при скорости набегающего потока 6,9 сантиметров в секунду при испытании в соответствии с методом испытания на разряд с помощью рентгеновского излучения.
2
-1
Воплощение 53 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 27-52, при этом фильтрующий материал характеризуется исходным фактором качества по меньшей мере 0,3 (мм HO) при скорости набегающего потока 6,9 сантиметра в секунду, а после облучения рентгеновскими лучами на протяжении 60 минут фактор качества составляет менее 50% исходного фактора качества при испытании в соответствии с методом испытания на разряд с помощью рентгеновского излучения.
Воплощение 54 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 27-53, при этом фильтрующий материал сохраняет по меньшей мере 85% фильтрующей способности при измерении на основании фактора качества после старения на протяжении 72 часов при температуре 71°C.
Также раскрыты воплощения композиций. Воплощение 54 представляет собой композицию, содержащую мефенаматную соль двухвалентного магния или 2-(2,3-диметилфенил)аминобензоатную соль двухвалентного магния.
Примеры
Данные примеры являются исключительно иллюстративными и не должны ограничивать объем приложенной формулы изобретения. Все части, проценты, соотношения и т.д. в примерах и остальной части описания приводятся по весу, если не указано иное. Растворители и другие используемые реагенты были получены от фирмы Sigma-Aldrich Chemical Company; Milwaukee, Wisconsin, если не указано иное. Были использованы следующие сокращения: мл = миллилитры; М = молярная концентрация; RBF = сосуд с круглым дном; см = сантиметры; мм = миллиметры; мин = минуты.
Примеры синтезов
Пример синтеза SE-1: Приготовление мефенаматной соли магния
2
Образец мефенамовой кислоты (98% чистоты, приобретенной у компании TCI, и используемой без дополнительной очистки) массой 5,05 грамма (0,021 моль) добавляли в сосуд с круглым дном и растворяли в стехиометрическом количестве 1 М гидроксида натрия (21 мл). Раствор нагревали до температуры 80°C и перемешивали в течение 1 часа. По истечении 1 часа дополнительно 1 М раствора гидроксида натрия добавляли каплями до момента полного растворения мефенамовой кислоты. Раствор перемещали в сосуд объемом 500 мл и оставляли охлаждаться до комнатной температуры. 21 мл 1 М раствора MgCl выливали в сосуд. По истечении одного часа осадок отфильтровывали с помощью вакуума и несколько раз смывали с помощью воды. Фильтрат высушивали в вакуумной печи.
Пример синтеза SE-2: Приготовление мефенаматной соли алюминия
Базовый раствор хлорида алюминия приготовляли посредством растворения 99,9 грамма трихлорида гексагидрата алюминия в 400 мл деионизированной воды в мерной колбе объемом 500 мл. Полученный раствор разбавляли деионизированной водой до конечного объема 500 мл для обеспечения конечной молярной концентрации 0,82 М.
60,00 граммов мефенамовой кислоты добавляли в RBF объемом 500 мл и смешивали с 242 мл гидроксида натрия с молярной концентрацией 1 М. Раствор нагревали до температуры 80°C и перемешивали в течение 1 часа. По истечении 1 часа дополнительно 1 М раствора гидроксида натрия добавляли каплями до момента полного растворения мефенамовой кислоты. Раствор мефенамовой кислоты перемещали в сосуд объемом 500 мл и оставляли охлаждаться до комнатной температуры. 100 мл базового раствора хлорида алюминия добавляли в сосуд и оставляли на время более одного часа. Осадок фильтровали с помощью вакуума и несколько раз смывали с помощью воды. Фильтрат высушивали в вакуумной печи.
Пример синтеза SE-3: 2-[(2-этоксифенил)амино]-бензоат магния
Три сужающихся RBF соединяли с конденсационной колонкой с обратным холодильником и через систему пропускали азот.0,9896 грамма медного порошка и 0,4398 грамма порошка закиси меди помещали в три сужающихся RBF, после чего добавляли 25,01 грамма ортофенетидина и 20 граммов этоксиэтанола. Указанные материалы перемешивали и в RBF добавляли 27,10 грамма ортохлорбензойной кислоты, после чего добавляли 24,0 грамма карбоната калия. Дополнительно в RBF добавляли 20 граммов этоксиэтанола. Реакцию проводили при нагреве с обратным холодильником при 13°C в течение 24 часов в присутствии азота. Реакционную смесь выливали в 400 мл деионизированной воды и перемешивали с небольшим количеством древесного угля и фильтровали через целит. Осаждение в растворе стимулировали с помощью 500 мл 1 М HCl и фильтровали с помощью вакуума. Фильтрат повторно растворяли в 400 мл воды с 50 граммами карбоната натрия и повторно фильтровали через целит. Осаждение в растворе стимулировали с помощью HCl до прекращения выделения пузырьков. Осадок фильтровали с помощью вакуума и высушивали в вакуумной печи.
Соль приготовляли с помощью следующей процедуры, подобной примеру синтеза SE-1.
Примеры Е1-Е22 и сравнительные примеры C1-С8
Для каждого из примеров и сравнительных примеров следовали процедурам, описанным ниже. Данные для этих примеров представлены в таблицах 1-4.
Приготовление образца пленки
Этап А - приготовление плоских пленок:
Для примеров пленки выбирали 0,2 грамма одной из добавок, способствующих накоплению заряда, описанных выше, и компаундировали в течение 1 минуты со 130 граммами полипропилена в зоне 5 двухшнекового экструдера диаметром 30 мм. После компаундирования материал извлекали из 4 дюймового (10,2 см) штампа и покрывали с двух сторон двумя кремниевыми облицовками. Номинальная масса покровного слоя составляла 1 мил (25,4 микрометра). Температура экструдирования находилась в диапазоне 185°C-250°C. Затем пленки (примеры 20-22 и сравнительный пример С8) заряжали с применением способа заряжания 1 (см. ниже) и испытывали с использованием измерения термически стимулированного тока разряда (TSDC) (см. ниже). Данные для образцов пленки подытожены в таблицах 4 и 5.
Приготовление образца нетканого материала
Этап А - приготовление микроволокнистых нетканых полотен, полученных по технологии мелтблаун:
2
Для каждого примера выбирали одну из описанных выше добавок, способствующих накоплению заряда (при этом в некоторых примерах дополнительно использовали РМР) и смешивали на сухую с одним из 2 сортов полипропилена при концентрации, показанной в таблице 1, и смесь экструдировали, как описано в источнике Van A. Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, vol. 48, pp. 1342-1346. Температура экструдирования находилась в диапазоне от приблизительно 250°C-300°C, а экструдер представлял собой конический двухшнековый экструдер BRABENDER (коммерчески доступный от компании Brabender Instruments, Inc.), работающий с производительностью от приблизительно 2,5 до 3 кг/ч (5-7 фунт/ч). Штамп представлял собой штамп шириной 25,4 см (10 дюймов) с 10 отверстиями на сантиметр (25 отверстий на дюйм). Были сформованы полотна, полученные по технологии мелтблаун, имеющие базовый вес приблизительно 50-60 г/м, эффективные диаметры волокон приблизительно 6,5-9,5 микрометра и значения толщины приблизительно 0,75-2 миллиметра.
Этап В - приготовление электрета
Каждое из полотен, полученных по технологии мелтблаун на этапе А (примеры 1-19 и сравнительные примеры С1-С7), заряжали с помощью одного из трех способов зарядки электрета: гидрозарядка, зарядка коронным разрядом, или предварительная обработка коронным разрядом и гидрозарядка. Данные для образцов полотен, полученных по технологии мелтблаун, подытожены в таблицах 1, 2 и 3, приведенных ниже.
Способы заряжания
Способ заряжания 1 - заряжание коронным разрядом:
Выбранные полотна или пленки, приготовленные по технологии мелтблаун выше, заряжали с помощью коронного разряда постоянного тока. Заряжание коронным разрядом осуществляли путем протягивания полотна по заземленной поверхности под щеточным источником коронного разряда с током коронного разряда приблизительно 0,01 миллиампер на сантиметр длины источника разряда со скоростью приблизительно 3 сантиметра в секунду. Источник коронного разряда был расположен на высоте приблизительно 3,5 сантиметра над заземленной поверхностью, по которой протягивали полотно. Источник коронного разряда был подключен к источнику положительного напряжения постоянного тока.
Способ заряжания 2 - гидрозарядка:
Высокодисперсный аэрозоль высокочистой воды, имеющей проводимость менее 5 мкСм/см, непрерывно генерировался соплом, работающим под давлением 896 килопаскалей (130 фунт./ кв. дюйм), при объемном расходе потока приблизительно 1,4 литра/минуту. Выбранные полотна, приготовленные по технологии мелтблаун на этапе А, перемещали на пористом ремне через водяной аэрозоль со скоростью приблизительно 10 сантиметров/секунду при одновременном отсасывании воды вакуумом через полотно снизу. Каждое полотно, полученное по технологии мелтблаун, пропускали через устройство гидрозарядки дважды (поочередно с разных сторон) и затем оставляли сушиться до полного высыхания в течение ночи перед испытанием на фильтрацию.
Способ заряжания 3 - предварительная обработка коронным разрядом и гидрозарядка:
Выбранные полотна, полученные по технологии мелтблаун на этапе А выше, предварительно обрабатывали коронным разрядом постоянного тока, как описано в способе заряжания 2, и затем заряжали методом гидрозарядки, как описано в способе заряжания 1. Подобным образом, в случае каждого сравнительного примера полученное по технологии мелтблаун полотно было приготовлено из такого же сорта полипропилена, что и соответствующий пример полотна, однако при этом не добавляли никаких добавок, способствующих накоплению заряда. В таблице 1 подытожены специфические характеристики полотна для каждого из примеров.
Методы испытаний
Испытание на фильтрацию (нетканые микроволокнистые полотна, полученные по технологии мелтблаун)
2
3
3
3
Образцы испытывали на % проникания аэрозоля - %DOP и/или %NaCl (% Pen), и перепад давления (ΔР), при этом рассчитывали фактор качества (QF). Характеристики фильтрующей способности (% Pen и QF) нетканых микроволокнистых полотен оценивали с помощью автоматического прибора для испытаний фильтров Automated Filter Tester (AFT) Model 8130 (доступен от TSI, Inc., St. Paul, MN) с использованием диоктилфталата (DOP) или хлорида натрия (NaCl) в качестве аэрозоля для проведения испытаний, а также датчика давления MKS, измеряющего перепад давления (ΔР (мм HO)) в фильтре. Аэрозоль DOP номинально являлся монодисперсным с медианным диаметром (MMD) по массе 0,33 микрометра и имел начальную концентрацию 50-200 мг/м и конечную концентрацию 100 мг/м3. MMD NaCl-аэрозоля составлял 0,26 при начальной концентрации 12-20 мг/м и конечной концентрации 15 мг/м. Аэрозоль принудительно пропускали через образец фильтрующего материала при калиброванном объемном расходе 42,5 литров/минуту (скорость набегающего потока 6,9 см/с), при этом нейтрализатор аэрозоля был выключен для DOP-аэрозолей и включен для NaCl-аэрозолей. Общее время испытаний составляло 23 секунды (время установления режима 15 секунд, время замера 4 секунды и время продувки 4 секунды). Концентрацию DOP и NaCl аэрозолей измеряли светорассеянием как перед, так и после фильтрующего материала, с использованием калиброванных фотометров. % Pen для DOP определяли следующим образом: % Pen=100×(концентрация DOP после фильтра/концентрация DOP перед фильтром), и аналогично для NaCl. Для каждого материала выполняли 5 отдельных измерений в разных положениях на полотне, полученном по технологии мелтблаун, и результаты усредняли.
Величины % Pen и ΔР использовали для расчета QF по следующей формуле:
QF=-ln(% Pen/100)/ΔР,
0
где ln означает натуральный логарифм. Более высокое значение QF указывает на лучшую фильтрующую способность, а пониженные значения QF эффективно коррелируют с пониженной фильтрующей способностью. Фактор качества генерируемых полотен без их подвергания воздействию других окружающих условий как правило обозначают "Q" - исходный фактор качества.
Измерение термически стимулированного тока разряда (плоские пленки)
2
Эффективную плотность заряда плоских пленок определяли посредством интегрирования абсолютного тока разряда, измеренного с использованием спектрометра TSDC/RMA Model 91000 с поворотным электродом, доступного от компании TherMold Partners, L.P., Stamford, СТ. Образцы разрезали и закрепляли между нижним зафиксированным электродом и верхним подпружиненным электродом в устройстве Solomat TSDC/RMA. Площадь верхнего электрода составляет 0,38 см (приблизительно 7 мм в диаметре). В устройстве TSDC/RMA термометр расположен вблизи, но не касается образца. Образцы были оптически плотными, то есть не наблюдалось видимых отверстий через образец. Поскольку электрод приблизительно 7 мм в диаметре, образцы нарезали диаметром, большим 7 мм. Для обеспечения хорошего электрического контакта с электродами, образцы сжимали между электродами. Воздух и и влагу удаляли из ячейки с образцом посредством множества стадий прокачки и ячейку заполняли гелием до давления приблизительно 1100 мбар. Образец охлаждали жидким азотом, как требовалось согласно особому протоколу испытания.
2
Измерения тока проводили при нагреве образца с контролируемой скоростью роста температуры с шагом 5°C/мин до 175°C. При таком термически стимулируемом разряде заряды, хранимые в электрете, становятся подвижными и нейтрализуются или на электродах или в объеме образца путем рекомбинации с зарядами противоположного знака. Это генерирует внешний ток, который демонстрирует некоторое количество пиков при регистрации в зависимости от температуры. Форма и положение этих пиков зависит от уровней энергии захвата зарядов и физического расположения мест захвата. Посредством интегрирования графика зависимости тока от температуры можно рассчитать эффективную плотность заряда (пКл/мм).
Пленки интегрировали согласно правилу трапеций, при этом кривую делили на множество трапеций с площадью, равной средней высоте, умноженной на ширину. Площади суммировали и делили на скорость нагрева для получения количества заряда в кулонах.
Рабочие характеристики при ускоренном старении
С целью определения стабильности показателей фильтрации проводились испытания при ускоренном старении путем сравнения исходного фактора качества заряженных полотен, полученных по технологии мелтблаун, с их фактором качества после выдерживания при разных температурах в течение разных периодов времени.
3
В одном испытании полотна выдерживают в течение 72 часов при 71°C на воздухе. Такой фактор качества после старения при таких условиях, как правило обозначают "Q". Степень сохранения рабочих характеристик рассчитывают по следующему уравнению:
Испытание на разряд с помощью рентгеновского излучения
0
Перед облучением рентгеновским излучением определяют фактор качества и % проникания для исследуемого образца полотна с использованием метода испытания, описанного выше. Исходный фактор качества обозначают "QF". Образец полотна облучают с каждого бока рентгеновскими лучами с использованием описанной ниже системы, обеспечивая то, чтобы весь образец равномерно подвергался воздействию рентгеновского излучения. После рентгеновского облучения образец фильтрующего материала снова подвергают испытаниям для измерения его характеристик фильтрующей способности (QF и % Pen). Процедуру повторяют до тех пор, пока характеристики фильтрующей способности не выйдут на плато, что указывает на полную нейтрализацию электростатического заряда образца. Также определяют коэффициент проникания (%) (% Pen Ratio). Величину % Pen Ratio рассчитывают по значениям % Pen в моменты времени 0 минут и 60 минут с использованием уравнения, в котором ln означает натуральный логарифм:
Рентгеновское облучение проводят с использованием системы рентгеновского облучения Baltograph 100/15 CP (Balteau Electric Corp., Stamford, CT), состоящей из генератора постоянного потенциала с концевым заземлением и номинальным напряжением 100 кВ при 10 мА с бериллиевым окном (0,75 мм собственная фильтрация) с выходом до 960 рентген/мин, на расстоянии 50 см от фокусного пятна 1,5 мм×1,5 мм. Устанавливают напряжение 80 кВ при соответствующем значении тока 8 мА. Держатель образца устанавливают на расстоянии приблизительно 57,2 сантиметра (22,5 дюйма) от фокусного пятна для обеспечения излучения примерно 580 рентген/мин.