ЭЛЕКТРЕТНЫЕ ПОЛОТНА С УСИЛИВАЮЩИМИ ЗАРЯД ДОБАВКАМИ
ELECTRETIC FABRICS WITH ADDITIVES TO REINFORCE CHARGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к электретным полотнам, включая нетканые волоконные полотна, например, нетканым термопластичным микроволоконным полотнам, содержащим усиливающие заряд добавки, и к их применениям.
Уровень техники
Электрет является диэлектрическим материалом, проявляющим квазипостоянный электрический заряд. Электреты являются полезными во множестве устройств, включая, например, пленки для пищевых продуктов, воздушные фильтры, фильтрующие маски для лица, и респираторы, и в качестве электростатических элементов в электроакустических устройствах, например микрофонах, наушниках и электростатических записывающих устройствах.
Эксплуатационные качества микроволоконных полотен, которые применяют для аэрозольной фильтрации, могут быть улучшены путем придания электрического заряда волокнам, формируя электретный материал. В частности, электреты являются эффективными при повышении захватывания частиц аэрозольными фильтрами. Известен ряд способов для формирования электретных материалов в микроволоконных полотнах. Такие способы включают, например, бомбардирование волокон, полученных аэродинамическим способом из расплава, поскольку они выходят из каналов волоки, при формировании волокон, с электрически заряженными частицами, такими как электроны или ионы. Другие способы включают, например, зарядку волокон после формирования полотна, при помощи коронного разряда постоянного тока или придания заряда фибролиту при помощи кардования и/или закрепления иглой (трибозаряд). Недавно был описан способ, в котором струи воды или поток капель воды падает на нетканое полотно при давлении, достаточном для обеспечения фильтрования, повышающего электретный заряд (гидрозарядка).
Сущность изобретения
В данном описании представлены электретные полотна, содержащие усиливающие заряд добавки. Такие усиливающие заряд добавки обеспечивают электретные полотна, которые легко заряжать при помощи множества разнообразных заряжающих механизмов, например, гидрозарядки или комбинации коронного разряда постоянного тока и гидрозарядки.
В некоторых осуществлениях, описанных в данной заявке, электретное полотно содержит термопластичную смолу и усиливающую заряд добавку, содержащую N-замещенный аминокарбоциклический ароматический материал. Электретное полотно может быть в форме нетканого волоконного полотна или даже нетканого микроволоконного полотна.
В других осуществлениях, описанных в данной заявке, электретная фильтровальная среда содержит нетканое микроволоконное полотно, содержащее смесь термопластичной смолы и усиливающую заряд добавку, содержащую N-замещенный аминокарбоциклический ароматический материал. Электретные фильтровальные среды могут содержать респираторный фильтр, фильтр системы вентиляции помещения, фильтр системы вентиляции транспортного средства, фильтр воздушного кондиционера, печной фильтр, фильтр очистителя воздуха помещения, фильтр пылесоса или фильтр дисковода компьютера.
Также описаны способы получения электретного полотна, включающие обеспечение термопластичного материала; обеспечение усиливающей заряд добавки, содержащей N-замещенный аминокарбоциклический ароматический материал; смешивание в расплаве термопластичного материала и усиливающей заряд добавки с образованием термопластичной смеси; и продувку расплава термопластичной смеси с формированием микроволоконного полотна, и зарядку полотна.
Подробное описание изобретения
Электретные полотна, полезные в данном описании, содержат смесь термопластичной смолы и усиливающей заряд добавки. Полотна, полученные из таких смесей, могут проявлять свойства, улучшенные по сравнению со свойствами полотен, полученных только из термопластичных смол. Полезные усиливающие заряд добавки содержат N-замещенные аминокарбоциклические ароматические материалы.
Электретные полотна могут иметь множество форм. Например, полотно может быть непрерывной или прерывистой пленкой, или волоконным полотном. Волоконные полотна являются особенно полезными для образования фильтровальной среды. В некоторых осуществлениях полотно является нетканым микроволоконным полотном. Типичные микроволокна имеют 1-100 микрометров в среднем диаметре и микроволокна необязательно имеют круговое поперечное сечение.
Термин ″алкил″ относится к моновалентной группе, которая представляет собой радикал алкана, который является насыщенным углеводородом. Алкил может быть линейным, разветвленным, циклическим или их комбинациями и типично содержит от 1 до 20 атомов углерода. В некоторых осуществлениях, 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, но не ограничиваясь приведенным, метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил, трет-бутил (t-бутил), н-пентил, н-гексил, циклогексил, н-гептил, н-октил и этилгексил.
Термин ″алкенил″ относится к моновалентной группе, которая представляет собой радикал алкена, который является углеводородом с, по меньшей мере, одной углерод-углеродной двойной связью. Алкенил может быть линейным, разветвленным, циклическим, или их комбинациями и типично содержит от 2 до 20 атомов углерода. В некоторых осуществлениях, алкенил содержит от 2 до 18, от 2 до 12, от 2 до 10, от 4 до 10, от 4 до 8, от 2 до 8, от 2 до 6 или от 2 до 4 атомов углерода. Иллюстративные алкенильные группы включают этенил, н-пропенил и н-бутенил.
Термин ″алкинил″ относится к моновалентной группе, которая представляет собой радикал алкина, который является углеводородом с, по меньшей мере, одной углерод-углеродной тройной связью. Алкинил может быть линейным, разветвленным, циклическим или их комбинациями и типично содержит от 2 до 20 атомов углерода. В некоторых осуществлениях, алкинил содержит от 2 до 18, от 2 до 12, от 2 до 10, от 4 до 10, от 4 до 8, от 2 до 8, от 2 до 6 или от 2 до 4 атомов углерода. Иллюстративные алкинильные группы включают этинил, н-пропинил и н-бутинил.
2
2
2
2
n
2
3
Термин ″гетероалкил″ относится к алкильной группе, которая содержит гетероатомы. Такие гетероатомы могут быть атомами боковой цепи, например галогенами, такими как фтор, хлор, бром или йод, или цепными атомами, такими как азот, кислород или сера. Примером гетероалкильной группы является полиоксиалкильная группа, такая как -СНСН(ОСНСН)OCHCH.
Термин ″замещенный алкил″ относится к алкильной группе, которая содержит заместители наряду с углеводородным каркасом. Такие заместители могут быть алкильными группами, гетероалкильными группами или арильными группами. Примером замещенной алкильной группы является бензильная группа.
Термин ″арил″ относится к ароматической карбоциклической группе, которая представляет собой радикал, содержащий от 1 до 5 циклов, которые могут быть связаны или конденсированы. Арильная группа может быть замещена алкильными или гетероалкильными группами. Примеры арильных групп включают фенильные группы, нафталиновые группы и антраценовые группы.
1
2
1
2
Термин ″N-замещенное аминокарбоциклическое ароматическое соединение″ относится к карбоциклической группе, т.е. циклической группе, в которой циклическая структура содержит только атомы углерода и водорода, которые представляют собой радикал, содержащий от 1 до 5 циклов, которые могут быть связаны или конденсированы, и замещена, по меньшей мере, одной замещенной аминогруппой. Замещенная аминогруппа является группой типа -NRR, где группа R представляет собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил, а группа R представляет собой алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил.
Термины ″полимер″ и ″полимерный материал″ относятся как к материалам, полученным из одного мономера, например гомополимеру, или к материалам, полученным из двух или более мономеров, например сополимеру, терполимеру и т.п. Аналогично, термин ″полимеризовать″ относится к способу получения полимерного материала, который может быть гомополимером, сополимером, терполимером и т.п. Термины ″сополимер″ и ″сополимерный материал″ относятся к полимерному материалу, полученному из, по меньшей мере, двух мономеров.
Термины ″комнатная температура″ и ″температура окружающей среды″ используют как взаимозаменяемые для обозначения температур в диапазоне от 20°С до 25°С.
Термин ″с возможностью обработки в расплавленном состоянии″, как используют в данной заявке, относится к композиции, которая может быть преобразована, например, путем нагревания или применения давления из твердого вещества в вязкую жидкость. Композиция должна быть способна к обработке в расплавленном состоянии без существенных химических изменений, распада или приведения в состояние непригодности для используемого назначения, если не указано иное, все числа, выражающие размеры, количества и физические свойства элементов, которые применяли в описании и формуле настоящего изобретения, должны быть истолкованы как модифицированные во всех случаях путем применения термина ″приблизительно″. Соответственно, если не указано иное, то указанные количества представляют собой приближения, которые могут варьироваться в зависимости от желаемых свойств, используя доктрины, описанные в данной заявке.
14
Термопластичные смолы, полезные в данном описании, включают любой термопластичный непроводящий полимер, способный к удержанию большого количества захваченного электростатического заряда при формировании в полотно и заряде. Типично, такие смолы имеют сопротивление постоянного тока, более чем 10Ом·см при температуре целевого назначения. Полимеры, способные к приобретению захваченного заряда, включают полиолефины, такие как полипропилен, полиэтилен и поли-4-метил-1-пентен; поливинилхлорид; полистирол; поликарбонаты; полиэфиры, включая полилактиды; и перфторированные полимеры и сополимеры. Особо полезные материалы включают полипропилен, поли-4-метил-1-пентен, их смеси или сополимеры, образованные из, по меньшей мере, одного из пропилена и 4-метил-1-пентена.
Усиливающие заряд добавки представляют собой N-замещенные аминокарбоциклические ароматические материалы. Типично, усиливающие заряд добавки являются термостойкими, что делает их приемлемыми для применения в композициях, которые могут быть обработаны в расплавленном состоянии. N-замещенные аминокарбоциклические ароматические материалы могут быть в общем описаны при помощи Формулы I:
,
1
2
3
4
3
4
где Ar представляет собой арильную группу, группа R представляет собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил, а группа R представляет собой алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил, n представляет собой целое число, представляющее собой количество положений заместителей в N-замещенной аминоарильной группе, и G представляет собой заместители в N-замещенной аминоарильной группе, каждый из G может независимо представлять собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, или -NRR, где R представляет собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил, а группа R представляет собой алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил. В некоторых осуществлениях, Ar Формулы I является фенильной группой, а n представляет собой 5. В других осуществлениях, Ar Формулы I представляет собой нафталиновую группу, а n представляет собой 7. В других осуществлениях, Ar Формулы I представляет собой антраценовую группу, а n представляет собой 9.
1
2
3
4
3
4
1
2
1
2
Одним полезным классом N-замещенных аминокарбоциклических ароматических материалов являются материалы, описанные при помощи Формулы II, где Z и Z независимо представляют собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или -NRR, где R представляет собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил, а группа R представляет собой алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил. Группа R представляет собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил, а группа R представляет собой алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил. Группы Z и Z могут быть расположены в любом месте карбоциклического ароматического цикла, но типично расположены в 3,5 положениях относительно замещенной аминогруппы.
1
2
3
4
3
4
1
2
1
2
1
2
2
2
2
1
2
3
4
3
1
4
2
Один класс приемлемой усиливающей заряд добавки включен в материалы, описанные при помощи Формулы II, и включает, например, материалы, в которых группы Z и Z представляют собой -NRR группы, расположенные в положениях 3 и 5 ароматического цикла, где R представляет собой водород, алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил, а группа R представляет собой алкил, алкенил, алкинил, арил, гетероалкил или замещенный алкил. В некоторых случаях, замещение ароматического цикла является симметричным, что означает, что каждая из групп -NRR и Z и Z (при наличии) являются идентичными. В некоторых осуществлениях, R представляет собой водород, а R представляет собой арильную группу. Типично R представляет собой замещенную арильную группу, где заместитель представляет собой алкильную группу с 1-25 атомами углерода. В некоторых осуществлениях, R представляет собой фенильную группу, замещенную алкильной группой с 1-4 атомами углерода. В других осуществлениях, R представляет собой фенильную группу, замещенную алкильной группой с 5-25 атомами углерода, или 10-25 атомами углерода или даже 12-25 атомами углерода. В некоторых из таких осуществлений, Z и Z представляют собой -NRR группы, где R является таким же, как R, а R является таким же, как R. Примеры двух таких усиливающих заряд добавок показаны в виде Формулы III и Формулы IV ниже:
1
2
3
4
1
3
2
4
2
4
2
4
2
4
Другой приемлемый класс усиливающей заряд добавки включен в материалы, описанные при помощи Формулы II, включает, например, добавки, в которых группа Z представляет собой водород, а группа Z представляет собой -NRR, где R и Rпредставляют собой водороды, а R и R представляют собой арильные группы. Типично R и R представляют собой замещенные арильные группы, где заместители представляют собой алкильные группы с 1-25 атомами углерода. В некоторых осуществлениях, R и R представляют собой фенильные группы, замещенные алкильными группами с 1-4 атомами углерода. В других осуществлениях, R и Rпредставляют собой фенильные группы, замещенные алкильными группами с 5-25 атомами углерода, или 10-25 атомами углерода, или даже 12-25 атомами углерода. Пример такой усиливающей заряд добавки показан в виде Формулы V ниже:
1
2
2
2
Другим полезным классом N-замещенных аминокарбоциклических ароматических материалов, описанных при помощи Формулы I, являются материалы, в которых Ar представляет собой нафталиновый цикл, n представляет собой 7, каждый G представляет собой водород, R представляет собой водород, a R представляет собой арильную группу. Типично R представляет собой замещенную арильную группу, где заместитель представляет собой алкильную группу с 1-25 атомами углерода. В некоторых осуществлениях, R представляет собой фенильную группу, замещенную алкильной группой с 5-25 атомами углерода, или 10-25 атомами углерода, или даже 12-25 атомами углерода. Пример такой усиливающей заряд добавки показан в виде Формулы VI ниже:
Типично, усиливающая заряд добавка присутствует в смеси термопластичной смолы и усиливающей заряд добавки в количествах в диапазоне от 0,1 до 5% по массе, исходя из общей массы смеси. В некоторых осуществлениях, усиливающая заряд добавка присутствует в количестве в диапазоне от 0,1 до 3% по массе или от 0,25 до 2% по массе.
Смесь термопластичной смолы и усиливающей заряд добавки может быть получена хорошо известными способами. Типично, смесь обрабатывают при помощи методов литьевой экструзии таким образом, что смесь может быть предварительно смешана с формированием гранул в периодическом процессе, или термопластичная смола и усиливающая заряд добавка могут быть смешаны в экструдере в непрерывном процессе. При применении непрерывного процесса термопластичная смола и усиливающая заряд добавка могут быть предварительно смешаны в виде твердых веществ или добавлены по отдельности в экструдер и им позволяют смешиваться в расплавленном состоянии.
Примеры смесителей расплавов, которые могут быть применены с формированием предварительно смешанных гранул, включают смесители, которые обеспечивают дисперсионное смешивание, распределительное смешивание или комбинацию дисперсионного и распределительного смешивания. Примеры периодических способов включают способы, использующие BRABENDER (например, BRABENDER PREP CENTER, коммерчески доступный от C.W.Brabender Instruments, Inc.; South Hackensack, NJ) или внутреннее смешивание BANBURY и оборудование для вальцевания (например, оборудование, доступное от Farrel Co.; Ansonia, CT). После периодического смешивания созданная смесь может быть немедленно охлаждена и ее хранят при температуре ниже температуры плавления смеси для последующей обработки.
Примеры непрерывных способов включают одношнековую экструзию, двушнековую экструзию, дисковую экструзию, возвратно-поступательную одношнековую экструзию и штекерную стволовую одношнековую экструзию. Непрерывные способы могут включать использование обоих распределительных элементов, таких как кавитационные червячные смесители (например, СТМ, коммерчески доступный от RAPRA Technology, Ltd.; Shrewsbury, England) и штекерные смесительные элементы, элементы статического смешивания или дисперсионные смесительные элементы (коммерчески доступные от например, смесительных элементов MADDOCK или смесительных элементов SAXTON).
Примеры экструдеров, которые могут быть применены для гранул, предварительно смешанных в экструдере, полученных при помощи периодического процесса, включают аналогичные типы оборудования, описанные выше, для непрерывной обработки. Полезными условиями экструзии являются, в общем, условия, подходящие для экструзии смолы без добавки.
Экструдированная смесь термопластичной смолы и усиливающей заряд добавки может быть отлита или покрыта в пленки или листы или может быть получена аэродинамическим способом из расплава в нетканые волоконные полотна при помощи известных методов. Полученные аэродинамическим способом из расплава нетканые микроволоконные полотна являются особенно полезными в качестве фильтровальных сред.
Полученные аэродинамическим способом из расплава нетканые микроволоконные электретные фильтры являются особенно полезными в качестве элементов воздушных фильтров респиратора, такого как фильтрующая маска для лица, или для таких применений, как домашние и промышленные воздушные кондиционеры, очистители воздуха, пылесосы, медицинские фильтры сжатого воздуха, и системы кондиционирования воздуха для транспортных средств и бытового оборудования, такого как компьютеры, компьютерные дисководы и электронное оборудование. При применении в респираторах электретные фильтры могут быть в виде формованных или складных респираторов на половину лица, сменных картриджей или коробок, или предварительных фильтров.
Полученные аэродинамическим способом из расплава микроволокна, полезные в настоящем изобретении, могут быть получены, как описано в Van A. Wente, ″Superfine Thermoplastic Fibers,″ Industrial Engineering Chemistry, vol.48, pp.1342-1346 и в Report No. 4364 Naval Research Laboratories, опубликованном 25 мая 1954 г., под названием ″Manufacture of Super Fine Organic Fibers″ Van A. Wente et al.
Полезные полученные аэродинамическим способом из расплава микроволокна для волоконных электретных фильтров типично имеют эффективный диаметр волокон, составляющий от приблизительно 3 до 30 микрометров, в некоторых осуществлениях от приблизительно 7 до 15 микрометров, как рассчитано в соответствии со способом, описанным в Davies, С.N., ″The Separation of Airborne Dust and Particles,″ Institution of Mechanical Engineers, London, Proceedings IB, 1952.
Штапельные волокна могут также присутствовать в полотне. Наличие штапельных волокон, в общем, обеспечивает более длинномерное, менее плотное полотно, чем полотно из только аэродинамических микроволокон. Предпочтительно, присутствует не более чем приблизительно 90 массовых процентов штапельных волокон, более предпочтительно не более чем приблизительно 70 массовых процентов. Примеры полотен, содержащих штапельное волокно, описаны в патенте США №4118531 (Hauser).
Поглощающие частичные материалы, такие как активированный уголь или глинозем, могут быть также включены в полотно. Такие частицы могут присутствовать в количествах до приблизительно 80 объемных процентов содержимого полотна. Примеры полотен, содержащих частицы, описаны, например, в патенте США №3971373 (Braun), в патенте США №4100324 (Anderson) и в патенте США №4429001 (Kolpin et al.).
Различные необязательные добавки могут быть смешаны с термопластичной композицией, включая, например, пигменты, УФ-стабилизаторы, антиоксиданты и их комбинации. Дополнительно, другие типы усиливающих заряд добавок могут быть добавлены при желании, пока они не препятствуют функции N-замещенного аминокарбоциклического ароматического материала.
2
2
Электретные фильтровальные среды, полученные в соответствии с настоящим изобретением, в общем имеют основной вес в диапазоне от приблизительно 10 до 500 г/м и в некоторых осуществлениях от приблизительно 10 до 100 г/м. При получении аэродинамическим способом из расплава микроволоконных полотен основной вес можно контролировать, например, путем изменения или скорости коллектора, или коэффициента использования красителя. Толщина фильтровальной среды типично составляет от приблизительно 0,25 до 20 миллиметров и в некоторых осуществлениях от приблизительно 0,5 до 2 миллиметров. Множественные слои волоконных электретных полотен традиционно используют в фильтровальных элементах. Твердость волоконного электретного полотна типично составляет от приблизительно 1% до 25%, более типично от приблизительно 3% до 10%. Твердость является безразмерным параметром, определяющим фракцию твердых веществ полотна. В общем способы настоящего изобретения обеспечивают электретные полотна с в общем однородным распределением заряда по всему полотну, не принимая во внимание основной вес, толщину или твердость среды. Электретная фильтровальная среда и смола, из которой ее получают, не должны быть подвергнуты какой-либо необязательной обработке, которая может повысить ее электропроводность, например воздействию ионизирующего излучения, гамма-излучения, ультрафиолетового излучения, пиролизу, окислению и т.д.
Электретное полотно может быть заряжено при формировании, или полотно может быть заряжено после формирования полотна. В электретных фильтровальных средах, среду в общем заряжают после формирования полотна. В общем, может быть использован любой стандартный способ зарядки, известный из уровня техники. Например, зарядка может быть проведена при помощи множества способов, включая гидрозарядку. Также может быть применена комбинация коронного разряда постоянного тока и гидрозарядки.
Примеры приемлемых процессов коронного разряда постоянного тока описаны в патенте США Re. №30782 (van Turnhout), патенте США Re. №31285 (van Turnhout), патенте США Re. №32171 (van Turnhout), патенте США №4215682 (Davis et al.), патенте США №4375718 (Wadsworth et al.), патенте США №5401446 (Wadsworth et al.), патенте США №4588537 (Klaase et al.) и патенте США №4592815 (Nakao).
Гидрозарядку полотна проводят путем направления струй воды или потока капель воды на полотно при давлении, достаточном для обеспечения полотна с фильтрованием, повышающем электретный заряд. Давление, необходимое для достижения оптимальных результатов, различается в зависимости от типа используемого распылителя, типа полимера, из которого формируют полотно, типа и концентрации добавок к полимеру, толщины и плотности полотна и того, была ли проведена предварительная обработка, например обработка поверхности коронным разрядом постоянного тока перед гидрозарядкой. В общем, приемлемыми являются давления в диапазоне от приблизительно 10 до 500 psi (от 69 до 3450 кПа).
Струи воды или поток капель воды могут быть обеспечены при помощи любых приемлемых средств распыления. Устройство, полезное для гидравлического пневмосоединения волокон, в общем, является полезным в способе в соответствии с настоящим изобретением, хотя операцию проводят при более низких давлениях при гидрозарядке, чем обычно применяют при гидропневмосоединении. Гидрозарядка, как подразумевают, включает способ, описанный в патенте США №5496507 (Angadjivand) и другие различные производные способы придания электретного заряда при помощи процесса смачивания жидкостью и устранения способности смачиваться, как описано в, например, японской патентной заявке номер JP 2002161467 (Horiguchi), японской патентной заявке номер JP 2002173866 (Takeda), японской патентной заявке номер JP 2002115177 (Takeda), японской патентной заявке номер JP 2002339232 (Takeda), японской патентной заявке номер JP 2002161471 (Takeda), японской патентной заявке №3780916 (Takeda), японской патентной заявке номер JP 2002115178 (Takeda), японской патентной заявке номер JP 2003013359 (Horiguchi), патенте США №6969484 (Horiguchi), патенте США №6454986 (Eitzman), японской патентной заявке номер JP 2004060110 (Masumori), японской патентной заявке номер JP 2005131485 (Kodama) и японской патентной заявке номер JP 2005131484 (Kodama).
Для моделирования фильтровальных эксплуатационных характеристик, было разработано множество протоколов анализа фильтрования. Данные анализы включают измерение проникновения аэрозолей фильтровального полотна при помощи стандартного введения аэрозоля, такого как диоктилфталат (DOP), который обычно присутствует, как процент проникновения аэрозоля через фильтровальное полотно (% Pen) и измерение перепада давления по всему фильтровальному полотну (ΔР). Из этих двух измерений может быть рассчитано количество, известное как фактор качества (QF), при помощи следующего уравнения:
QF=-ln(%Pen/100)/ΔP,
где ln представляет собой натуральный логарифм. Более высокое значение QF указывает на лучшие фильтровальные эксплуатационные характеристики, а пониженные значения QF эффективно коррелируют с ухудшенными фильтровальными эксплуатационными характеристиками. Подробное описание измерения таких значений представлено в разделе Примеры. Типично, фильтровальные среды настоящего изобретения имеют измеренные значения QF, составляющие 0,3 или выше при фасадной скорости 6,9 сантиметров в секунду.
Примеры
Данные примеры приведены только с целью иллюстрации и не предназначены для ограничения объема формулы настоящего изобретения, которая прилагается. Все части, процентные содержания, соотношения и т.д., приведенные в примерах и остальной части описания настоящего изобретения, приведены по массе, если не указано иное. Растворители и другие реактивы, которые применяли, получали от Sigma-Aldrich Chemical Company; Milwaukee, Wisconsin, если не указано иное.
Таблица сокращений
Сокращение или торговое обозначение
Описание
Усиливающая заряд добавка-1
1,3,5-трис(4-н-додециланилино)бензол, синтез показан в разделе Примеры синтеза как SE-1
Усиливающая заряд добавка-2
1,3,5-трис(4-н-бутиланилино)бензол, синтез показан в разделе Примеры синтеза как SE-2
Усиливающая заряд добавка-3
1,3-бис(4-н-додециланилино)бензол, синтез показан в разделе Примеры синтеза как SE-3
Усиливающая заряд добавка-4
β-(4-н-додециланилино)нафталин, синтез показан в разделе Примеры синтеза как SE-4
РР-1
Полипропиленовая смола сорт 1, ESCORENE РР 3746G, коммерчески доступна от Exxon-Mobil Corporation, Irving, TX.
РР-2
Полипропиленовая смола сорт 2, TOTAL РР3960, коммерчески доступна от Total Petrochemicals USA, Inc., Houston, TX.
Способы анализа
Анализ фильтрования
2
3
Пробы анализировали на предмет % DOP проникновения аэрозоля (% Pen) и перепада давления (ΔР), и рассчитывали фактор качества (QF). Фильтровальные эксплуатационные характеристики (% Pen и QF) нетканых микроволоконных полотен оценивали при помощи Automated Filter Tester AFT Model 8127 (доступный от TSI, Inc., St. Paul, MN) с использованием диоктилфталата (DOP) в качестве аэрозоля проникновения и датчика давления MKS, измеряющего перепад давления ДР (мм НО)) по всему фильтру. Аэрозоль DOP является номинально монодисперсным с масс-медианным диаметром 0,3 микрометра и концентрацией направленного вверх потока 100 мг/м. Аэрозоль нагнетали сквозь пробу фильтровальной среды при откалиброванной скорости потока 42,5 литра/минуту (фасадная скорость 6,9 см/с) при выключенном аэрозольном ионизаторе. Общее время анализа составляло 23 секунды (время нарастания сигнала 15 секунд, время пробы 4 секунды и время продувки 4 секунды). Концентрацию аэрозоля DOP измеряли при помощи рассеяния света, как вверх, так и вниз потока, фильтровальной среды, с использованием откалиброванных фотометров. DOP % Pen определяли как: % Pen=100×(DOP концентрация вниз потока/DOP концентрация вверх потока). Для каждого материала, производили 6 отдельных измерений в различных расположениях на полотне BMF, и результаты усредняли.
% Pen и ΔР использовали для расчета QF по следующей формуле:
QF=-ln(% Реn/100)/ΔР,
где ln представляет собой натуральный логарифм. Более высокое значение QF указывает на лучшие фильтровальные эксплуатационные характеристики, а пониженные значения QF эффективно коррелируют с фильтровальными эксплуатационными характеристиками.
Элементный анализ:
Элементный анализ проб проводили на предмет массового содержания углерода, водорода и азота путем сжигания с использованием элементного анализатора LECO 932 CHNS (LECO Corp, St. Joseph, MI). Пробы измеряли трижды. Также для проверки калибровки измеряли сульфаметазиновый стандарт. Результаты каждого индивидуального измерения показаны вместе с рассчитанными средними значениями и стандартными отклонениями.
Анализ термостойкости:
Термостойкость проб усиливающих заряд добавок измеряли при помощи термогравиметрического анализатора (ТГА) модель 2950, доступного от ТА Instruments, New Castle, Delaware. Приблизительно 5-10 миллиграмм материала помещали в ТГА и нагревали от комнатной температуры до 500°С при скорости 10°С/мин в воздушной среде при измерении потери массы. Результаты представлены как температура, при которой происходит 2% потеря массы.
Примеры синтезов
Пример синтеза SE-1: Получение усиливающей заряд добавки-1
1
1
3
В трехгорлую круглодонную колбу, оснащенную магнитной мешалкой, помещали флороглюкинол дигидрат (6,63 г, 97%), 4-додециланилин (36,40 г, 97%) и йод (0,13 г, 99%) и толуол (30 миллилитров). После того, как колбу оснастили ловушкой Дина-Старка и конденсатором, ее затем нагревали при 130°С в течение 12 часов при постоянном перемешивании. После того, как температуре реакционной смеси позволили охладиться до приблизительно 60°С (смесь представляла собой вязкую жидкость), ее медленно погружали в 200 миллилитров этанола, что приводило к осаждению. Осадок получали в виде розового твердого вещества посредством фильтрования. Повторная кристаллизация дважды из этанола (150 миллилитров для каждого) приводила к получению усиливающей заряд добавки-1 (31,0 г, выход 87,8%) в виде светло-розового порошка после высушивания при 50°С в вакууме (27 мм Hg) всю ночь. Элементный анализ и Н ЯМР спектр получали со следующим результатами: Элементный анализ: (Рассчитано: С, 84,15; Н, 10,95; N, 4,91; Найдено: С, 84,28; Н, 10,86, N, 4,85); Н ЯМР (400 МГц, CDCl) δ 7,07 (d, J=8,32 Гц, 6Н), 7,02 (d, J=8,32 Гц, 6H), 6,21 (s, 3H), 5,51 (s, 3H), 2,53 (t, J=7,6 Гц, 6Н), 1,65-1,50 (m, 6Н), 1,28-1,15 (m, 54H), 0,88 (t, J=7,6 Гц, 9Н). Термостойкость измеряли при помощи способа анализа термостойкости, описанного выше. Результаты приведены в Таблице 1 ниже.
Пример синтеза SE-2: Получение усиливающей заряд добавки-2
1
1
3
В трехгорлую круглодонную колбу, оснащенную магнитной мешалкой, помещали флороглюкинол дигидрат (20,00 г, 97%), 4-бутиланилин (73,63 г, 97%) и йод (0,40 г, 99%). После того, как колбу оснастили ловушкой Дина-Старка и конденсатором, ее затем нагревали при 150°С в течение 20 часов при постоянном перемешивании. После того, как температуре реакционной смеси позволили охладиться до приблизительно 60°С (смесь представляла собой вязкую жидкость), ее медленно погружали в 200 миллилитров этанола, что приводило к осаждению. Осадок получали в виде розового твердого вещества посредством фильтрования. Повторная кристаллизация из этанола приводила к получению усиливающей заряд добавки-2 (42,0 г, выход 67,5%) в виде светло-розового порошка после высушивания при 50°С в вакууме (27 мм Hg) всю ночь. Элементный анализ и H ЯМР спектр получали со следующим результатами: Элементный анализ: (Рассчитано: С, 83,19; Н, 8,73; N, 8,08; Найдено: С, 83,08; Н, 8,79, N, 8,00); H ЯМР (400 МГц, CDCl) δ 7,08 (d, J=8,24 Гц, 6Н), 7,02 (d, J=8,24 Гц, 6Н), 6,21 (s, 3H), 5,51 (s, 3H), 2,55 (t, J=7,6 Гц, 6Н), 1,65-1,53 (m, 6Н), 1,40-1,30 (m, 6Н), 0,93 (t, J=7,60 Гц, 9Н). Термостойкость измеряли при помощи способа анализа термостойкости, описанного выше. Результаты приведены в Таблице 1 ниже.
Пример синтеза SE-3: Получение усиливающей заряд добавки-3
2
3
1
1
В трехгорлую круглодонную колбу, оснащенную магнитной мешалкой, помещали резорцинол (5,83 г, 98%), 4-додециланилин (30,00 г, 97%) и йод (0,15 г, 99%). После того, как колбу оснастили холодильником, и воздух удалили продуванием N, колбу помещали на масляную баню. Масло нагревали, а магнитную мешалку включали, когда смесь становилась жидкой. Смесь нагревали при 190°С в течение 24 часов при постоянном перемешивании. Реакционная смесь затвердевала во время охлаждения до комнатной температуры, и в колбу добавляли этанол (60 миллилитров). Колбу повторно нагревали для кипения смеси в течение 5 минут. Полученный в результате раствор помещали в холодильник на всю ночь с получением темно-красного твердого вещества, которое собирали путем фильтрования. Удаление обесцвечивания проводили путем растворения в ацетоне (100 мл) и добавления активированного угля (2,0 г). Таким образом, обработанное твердое вещество дополнительно очищали при помощи хроматографии путем пропускания его через силикагель (70-150 меш, коммерчески доступный от Alfa Aesar) с использованием метиленхлорида в качестве элюирующего растворителя. Чистый продукт получали в виде светлого бледного порошка (6,50 г, выход 20,6%) после удаления растворителя с использованием роторного испарителя и высушивания твердого вещества при 50°С в вакууме (27 мм Hg) всю ночь. Элементный анализ и Н ЯМР спектр получали со следующим результатами: Элементный анализ: (Рассчитано: С, 84,50; Н, 10,81; N, 4,69; Найдено: С, 84,64; Н, 10,52, N, 4,69); Н ЯМР (400 МГц, CDCl) δ 7,10-7,05 (m, 5H), 7,02 (d, J=8,36 Гц, 4Н), 6,67 (s, 1H), 6,55 (d, J=8,0 Гц, 2H), 5,58 (bs, 2H), 2,54 (t, J=7,84 Гц, 4Н), 1,65-1,50 (m, 4Н), 1,40-1,20 (m, 36Н), 0,93 (t, J=7,84 Гц, 6Н). Термостойкость измеряли при помощи способа анализа термостойкости, описанного выше. Результаты приведены в Таблице 1 ниже.
Пример синтеза SE-4: Получение усиливающей заряд добавки-4
2
3
1
1
В трехгорлую круглодонную колбу, оснащенную магнитной мешалкой, помещали β-нафтол (20,60 г), 4-додециланилин (35,00 г, 97%) и йод (0,50 г, 99%). После того, как колбу оснастили конденсатором и воздух удалили продуванием N, колбу помещали на масляную баню. Масло нагревали, а магнитную мешалку включали, когда смесь становилась жидкой. Смесь нагревали при 190°С в течение 48 часов при постоянном перемешивании. Реакционная смесь затвердевала во время охлаждения до комнатной температуры, и в колбу добавляли этанол (100 мл). Колбу нагревали для кипения смеси в течение 5 минут. Полученный в результате раствор помещали в холодильник на всю ночь с получением темно-серого твердого вещества, которое собирали путем фильтрования. Повторная кристаллизация из этанола (80 мл) приводила к получению усиливающей заряд добавки-4 в виде серо-зеленоватого порошка (19,6 г, выход 39%) после высушивания при 50°С в вакууме (27 мм Hg) всю ночь. Элементный анализ и H ЯМР спектр получали со следующим результатами: Элементный анализ: (Рассчитано: С, 86,76; Н, 9,62; N, 3,61; Найдено: С, 86,32; Н, 9,45, N, 3,59); H ЯМР (400 МГц, CDCl) δ 7,72 (d, J=8,88 Гц, 2H), 7,62 (d, J=8,24 Гц, 1Н), 7,40-7,35 (m, 2H), 7,30-7,24 (m, 1Н), 7,20-7,08 (m, 5H), 5,77 (s, 1Н), 2,58 (t, J=7,04 Гц, 2H), 1,70-1,50 (m, 2H), 1,35-1,20 (m, 18H), 0,93 (t, J=7,04 Гц, 3Н). Термостойкость измеряли при помощи способа анализа термостойкости, описанного выше. Результаты приведены в Таблице 1 ниже.
Таблица 1
Усиливающая заряд добавка
Температура при 2% потере массы (°С)
1
371
2
324
3
222
4
268
Примеры 1-11 и Сравнительные примеры С1-С6
Для каждого из Примеров и Сравнительных примеров, выполняли процедуры, описанные ниже. Данные для данных Примеров представлены в Таблице 2 и Таблице 3.
Стадия А - Получение микроволоконных полотен:
2
Для каждого из Примеров, одна из усиливающих заряд добавок описана выше (или усиливающая заряд добавка 1, 2, 3 или 4), была выбрана и перемешана в сухом состоянии с одним из двух сортов полипропилена при концентрации, показанной в Таблице 2, и смесь экструдировали, как описано в Van A. Wente, ″Superfine Thermoplastic Fibers,″ Industrial Engineering Chemistry, vol.48, pp.1342-1346 и Naval Research Laboratory Report 111437 (Apr. 15, 1954). Температура экструзии находилась в диапазоне приблизительно 250-300°С, а экструдером был конический двушнековый экструдер BRABENDER (коммерчески доступный от Brabender Instruments, Inc.), функционирующий при скорости приблизительно от 2,5 до 3 кг/ч (5-7 фунтов/ч). Матрица имела ширину 25,4 см (10 дюймов) с 10 отверстиями на сантиметр (25 отверстий на дюйм). Полученные аэродинамическим способом из расплава микроволоконные (BMF) полотна формировали с основным весом 49-97 г/м, эффективными диаметрами волокон 7,3-14,1 микрометров и толщиной приблизительно 0,71-1,55 миллиметров.
Аналогично, для каждого Сравнительного примера, полотно BMF получали из полипропилена такого же сорта, что и в соответствующем полотне Примера, но не добавляли усиливающую заряд добавку. В Таблице 2 подытожены конкретные характеристики полотна для каждого из примеров.
Стадия В - Получение электрета:
Каждое из полотен BMF, полученных на Стадии А выше, заряжали одним из двух способов электретной зарядки: гидрозарядкой, или комбинацией предварительной обработки коронным разрядом и гидрозарядки. В Таблице 2 подытожен конкретный способ зарядки, который использовали для каждой пробы.
Способ зарядки 1 - Гидрозарядка:
Тонкодисперсную струю высокочистой воды, имеющей проводимость менее, чем 5 мкСм/см непрерывно генерировали из сопла, действующего при давлении, составляющем приблизительно 896 килопаскаль (130 psig), и скорости потока, составляющей приблизительно 1,4 литров/минуту. Выбранные BMF полотна, полученные на Стадии А, перемещали при помощи пористой ленты через водную струю при скорости приблизительно 10 сантиметров/секунду, пока вакуум одновременно извлекал воду по всему полотну ниже. Каждое BMF полотно дважды пропускали через гидрозарядное устройство (последовательно один раз с каждой стороны), а затем позволяли высохнуть полностью всю ночь до анализа фильтрования.
Способ зарядки 2 - Предварительная обработка коронным разрядом и гидрозарядка:
Выбранные BMF полотна, полученные на Стадии А выше, предварительно обрабатывали при помощи коронного разряда постоянного тока. Предварительную обработку коронным разрядом проводили путем пропускания полотна на измельченной поверхности под источником коронного разряда скользящего контакта с током коронного разряда, составляющим приблизительно 0,01 миллиампер на сантиметр длины источника разряда при скорости приблизительно 3 сантиметра в секунду. Источник коронного разряда находился приблизительно на 3,5 сантиметра над измельченной поверхностью, на которой получали полотно. Источник коронного разряда запускали при помощи напряжения коронного разряда постоянного тока. Полотно BMF затем заряжали гидрозарядкой, как описано в способе зарядки 1.
Фильтровальные эксплуатационные характеристики:
Каждую из заряженных проб, полученных на Стадии В выше, разрезали на секции по 1 метру. Каждую секцию анализировали на ее % DOP проникновение аэрозолей (% Pen) и перепад давления (ΔР), а фактор качества (QF) был рассчитан, как описано в представленных выше способах анализа. Такие результаты представлены в Таблице 3 ниже как % Pen, ΔР и QF.
Таблица 2
Пример
Пример усиливающей заряд добавки
Способ зарядки
Сорт смолы
Конц. добавки (масс.%)
Эфф. диаметр волокна (мкм)
Твердость (%)
Основной вес (г/м<sup>2</sup>)
Толщина (мм)
1
2
1
РР1
1
14,1
6,9
97
1,55
2
2
1
PP1
1
13,9
7,7
50
0,71
3
1
1
РР1
1
12,0
7,4
49
0,74
4
1
1
PP1
1
10,3
6,0
52
0,97
C1
Отсутствует
1
РР1
0
7,6
5,3
55
1,16
5
1
1
PP2
0,75
7,4
5,0
59
1,30
C2
Отсутствует
1
PP2
0
7,6
5,7
59
1,13
6
1
2
PP2
0,75
7,4
5,0
59
1,30
C3
Отсутствует
2
PP2
0
7,6
5,3
59
1,30
7
1
1
РР1
0,75
9,4
5,7
56
1,08
С4
Отсутствует
1
РР1
0
7,8
5,9
53
0,99
8
1
1
РР2
0,75
10,2
6,9
60
0,97
C5
Отсутствует
1
РР2
0
7,7
6,0
60
1,11
9
4
1
РР1
1
8,9
6,0
52
0,97
10
4
1
РР1
0,5
7,7
6,0
52
0,97
11
3
1
РР1
0,5
7,5
6,2
50
0,89
C6
Отсутствует
1
РР1
0
7,3
5,9
57
1,08
Таблица 3
Пример
Способ зарядки
% Pen
ΔР (мм H<sub>2</sub>O)
QF
1
1
9,39
1,2
1,99
2
1
31,68
0,56
2,07
3
1
13,10
0,78
2,61
4
1
6,17
1,06
2,64
С1
1
36,90
2,2
0,45
5
1
0,75
2,33
2,12
С2
1
52,82
2,07
0,31
6
2
1,52
2,32
1,83
С3
2
21,05
2,37
0,67
7
1
8,94
1,25
1,94
С4
1
21,85
1,83
0,83
8
1
3,67
1,50
2,22
C5
1
17,10
1,88
0,94
9
1
36,23
1,33
0,76
10
1
33,88
1,65
0,66
11
1
11,14
2,03
1,08
C6
1
43,48
1,82
0,46