Электретные полотна с добавками, способствующими накоплению заряда Российский патент 2017 года по МПК B01D39/16 B01D39/08 

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 - это диэлектрический материал, характеризующийся квазистационарным электрическим зарядом. Электреты применяются во 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 и формирования, таким образом, электретного материала. В частности, электреты эффективны в плане улучшения захвата частиц в аэрозольных фильтрах. Известен ряд 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 ряд 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 соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащую двухвалентный металл. Электретные полотна подходят для применения в качестве фильтрующего материала.

Подробное описание изобретения

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, изготовленными только из термопластичных смол. Применимые добавки, способствующие накоплению заряда, включают соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащую двухвалентный металл.

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 необязательно 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.

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 СН₂СН₂(ОСН₂СН₂)_nOCH₂CH₃.

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°С 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.

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 10¹⁴ 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 соли замещенного меркаптобензимидазола, содержащие двухвалентный металл. Эти соли могут быть описаны общей структурой формулы 1, показанной ниже:

где М содержит двухвалентный металл; группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу; группы R2, R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

Обычно М содержит Zn, Ni или Fe, а группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу с 1-3 атомами углерода. Обычно по меньшей мере один из R2, R3, R4 и R5 не является атомом водорода. В некоторых воплощениях группа R2 содержит алкильную группу с 1-3 атомами углерода, а группы R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

В некоторых особо подходящих воплощениях М содержит Zn, при этом каждая из групп R1, R3, R4 и R5 содержит атом водорода, а группа R2 содержит метальную группу.

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, или термопластичная 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 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, гидросцепление, 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 отчете Report No. 4364, Naval Research Laboratories, опубликованном 25 мая 1954 г., озаглавленном "Manufacture of Super Fine Organic Fibers", Van A. Wente et al.

Микроволокна, полученные по технологии спанбонд, могут быть сформированы при использовании технологии спанбонд, согласно 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 патенте США №3,971,373 (Braun), патенте США №4,100,324 (Anderson) и патенте США №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, патенте США №7,390,351 (Leir et al), патенте США №5,057,710 (Nishiura et al.) и патентах США №4,652,282 и 4,789,504 (Ohmori et al.).

Кроме того, полотно может быть обработано с целью 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.

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/м², и в некоторых воплощениях, от приблизительно 10 до 100 г/м². 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, заключающимся 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 патенте США №RE 30,782 (van Turnhout), патенте США №RE 31,285 (van Turnhout), патенте США №RE 32,171 (van Turnhout), патенте США №4,215,682 (Davis et al.), патенте США №4,375,718 (Wadsworth et al.), патенте США №5,401,446 (Wadsworth et al.), патенте США №4,588,537 (Klaase et al.), патенте США №4,592,815 (Nakao) и патенте США №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 патенте США №6,824,718 (Eitzman et al.), патенте США №6,743,464 (Insley et al.), патенте США №6,454,986 (Eitzman et al.), патенте США №6,406,657 (Eitzman et al.), и патенте США №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), обычно выраженное 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,

где ln обозначает 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 Н₂О)^-1 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 фильрующую 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, демонстрирующий 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 характеристик 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.

Типично, 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)/(In(% проникания DOP после 60 мин рентгеновского облучения)))×100, при проведении испытаний в соответствии с методом испытания 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 предпочтительных 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%.

Исходный фактор качества (до облучения рентгеновскими лучами) типично составляет по меньшей мере 0,3 (мм Н₂О)^-1, более типично по меньшей мере 0,4 или даже 0,5 (мм Н₂О)^-1 для скорости набегающего потока 6,9 см/с при проведении испытаний в соответствии с методом испытания фильтрующей способности, описанным в разделе примеров ниже. В некоторых воплощениях исходный фактор качества составляет по меньшей мере 0,6 или 0,7 (мм Н₂О)^-1. 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 H₂O)^-1. 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 Н₂О)^-1 или больше, и фактор качества после 60 минут облучения рентгеновскими лучами составляет менее 0,15 (мм Н₂О)^-1.

Настоящее изобретение включает следующие воплощения

В настоящее изобретение включены воплощения электретных полотен. Первое воплощение представляет собой электретное полотно, содержащее: термопластичную смолу; и добавку, способствующую накоплению заряда, содержащую соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащую двухвалентный металл.

Воплощение 2 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 1, причем полотно содержит нетканое волокнистое полотно.

Воплощение 3 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 2, причем полотно содержит нетканое микроволокнистое полотно.

Воплощение 4 представляет собой электретное полотно согласно воплощению 1, причем полотно содержит пленку.

Воплощение 5 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-4, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

(а)

где М содержит двухвалентный металл; группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу; группы R2, R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

Воплощение 6 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-5, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит Zn, Ni или Fe; группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу с 1-3 атомами углерода; группа R2 содержит алкильную группу с 1-3 атомами углерода; а группы R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

Воплощение 7 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-6, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит Zn; каждая из групп R1, R3, R4 и R5 содержит атом водорода; а группа R2 содержит метальную группу.

Воплощение 8 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-7, где термопластичная смола содержит: полиолефин; поливинилхлорид; полистирол; поликарбонат или полиэфир.

Воплощение 9 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-8, где термопластичная смола содержит: полипропилен; поли(4-метил-1-пентен); сополимеры пропилена и 4-метил-1-пентена; или их смеси.

Воплощение 10 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-9, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,02-5,0% по весу полотна.

Воплощение 11 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-9, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,1-3,0% по весу полотна.

Воплощение 12 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-9, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,1-2% по весу полотна.

Воплощение 13 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-9, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,2-1,0% по весу полотна.

Воплощение 14 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-9, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,25-0,50% по весу полотна.

Воплощение 15 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-14, причем полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд придают посредством обработки коронным разрядом, гидрозарядки, а также комбинации этих способов.

Воплощение 16 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-14, причем полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд придают посредством обработки коронным разрядом.

Воплощение 17 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-16, 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.

Воплощение 18 представляет собой электретное полотно согласно любому из воплощений 1-17, причем полотно дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную добавку, выбранную из затрудненных аминов, антиоксидантов и их комбинаций.

Также в настоящее изобретение включены воплощения электретного фильтрующего материала. Воплощение 19 представляет собой электретный фильтрующий материал, содержащий: полотно, содержащее: термопластичную смолу; и добавку, способствующую накоплению заряда, содержащую соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащую двухвалентный металл.

Воплощение 20 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно воплощению 19, причем полотно содержит нетканое волокнистое полотно.

Воплощение 21 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно воплощению 20, причем полотно содержит нетканое микроволокнистое полотно.

Воплощение 22 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно воплощению 19, причем полотно содержит пленку.

Воплощение 23 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-22, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

(а)

где М содержит двухвалентный металл; группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу; группы R2, R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

Воплощение 24 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-23, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит Zn, Ni или Fe; группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу с 1-3 атомами углерода; группа R2 содержит алкильную группу с 1-3 атомами углерода; а группы R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

Воплощение 25 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-24, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а): где М содержит Zn; каждая из групп R1, R3, R4 и R5 содержит атом водорода; а группа R2 содержит метальную группу.

Воплощение 26 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-25, причем полотно содержит нетканое микроволокнистое полотно, содержащее полиолефин; поливинилхлорид; полистирол; поликарбонат или полиэфир.

Воплощение 27 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-26, причем нетканое микроволокнистое полотно содержит: полипропилен; поли(4-метил-1-пентен); сополимеры пропилена и 4-метил-1-пентена; или их смеси.

Воплощение 28 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-27, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,02-5,0% по весу полотна.

Воплощение 29 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-27, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,1-3,0% по весу полотна.

Воплощение 30 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-27, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,1-2% по весу полотна.

Воплощение 31 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-27, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,2-1,0% по весу полотна.

Воплощение 32 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-27, причем соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,25-0,50% по весу полотна.

Воплощение 33 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-32, причем полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд придают посредством обработки коронным разрядом, гидрозарядки, а также комбинации этих способов.

Воплощение 34 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-32, причем полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд придают посредством обработки коронным разрядом.

Воплощение 35 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-34, 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.

Воплощение 36 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-35, причем полотно дополнительно содержит по меньшей мере одну дополнительную добавку, выбранную из затрудненных аминов, антиоксидантов и их комбинаций.

Воплощение 37 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-36, причем фильтрующий материал содержит: фильтр респиратора, фильтр вентиляционной системы помещения, фильтр вентиляционной системы транспортного средства, фильтр кондиционера, фильтр печи, фильтр очистителя для воздуха в помещении, фильтр пылесоса или фильтр дискового запоминающего устройства для компьютера.

Воплощение 38 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-37, причем фильтрующий материал в сочетании с респираторным блоком представляет собой компонент респираторного устройства, предназначенного для использования человеком.

Воплощение 39 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-38, 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.

Воплощение 40 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-39, при этом фильтрующий материал характеризуется исходным фактором качества по меньшей мере 0,3 (мм H₂O)^-1 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 41 представляет собой электретный фильтрующий материал согласно любому из воплощений 19-40, 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°С.

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.

Методы испытаний

Испытание на фильтрацию (нетканые материалы)

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 (АР (мм Н₂О)) в фильтре. Аэрозоль DOP номинально являлся монодисперсным с медианным диаметром (MMD) по массе 0,33 микрометра и имел начальную концентрацию 50-200 мг/м³ и конечную концентрацию 100 мг/м³. MMD NaCl-аэрозоля составлял 0,26 при начальной концентрации 12-20 мг/м³ и конечной концентрации 15 мг/м³. 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 6 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,

где ln обозначает натуральный логарифм. Более высокое значение QF указывает на лучшую фильтрующую способность, а пониженные значения QF эффективно коррелируют с пониженной фильтрующую способность. Фактор качества генерируемых полотен без их подвергания воздействию других окружающих условий, как правило, обозначают "Q₀" - исходный фактор качества.

Испытание на фильтрацию (нетканые полотна, полученные по технологиям мелтблаун и спанбонд)

Образцы испытывали на % проникания аэрозоля - % NaCl (% Pen), и перепад давления (АР), при этом рассчитывали фактор качества (QF). Данный метод испытания подобен методу, описанному выше, за исключением единственного отличия в объемном расходе. Объемный расход для данных испытаний составлял 85,0 литров в минуту (скорость набегающего потока 8,28 м/мин). Для каждого материала выполняли 6 отдельных измерений в разных положениях на полотне, полученном по технологии мелтблаун, и результаты усредняли.

Испытание на фильтрацию (массив фильтрующего материала со структурированной поверхностью)

Фильтрующий материал в данном примере испытывали применительно к аэрозолю хлорида натрия методом, подобным вышеприведенному. Скорость набегающего потока составляла 5,3 см/с. Измеряли эффективность фильтрации, а не падение давления, и полученный результат выражали, как -ln(% Pen/100).

Измерение термически стимулированного тока разряда (плоские пленки)

Эффективную плотность заряда плоских пленок определяли посредством интегрирования абсолютного тока разряда, измеренного с использованием спектрометра TSDC/PvMA 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 см² (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 по толщине приблизительно в 10 раз. Воздух 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.

Измерения тока проводили при нагреве образца с контролируемой скоростью роста температуры с шагом 5°С/мин до 175°С. 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/мм²).

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.

В одних испытаниях полотна выдерживают в течение 72 часов при 71°С на воздухе. Такой фактор качества после старения при таких условиях, как правило, обозначают "Q₃". Степень сохранения рабочих характеристик рассчитывают по следующему уравнению:

Подобным образом эффективность фильтрации структурированных пленок измеряли до и после старения:

Испытание на разряд с помощью рентгеновского излучения

Перед облучением рентгеновским излучением определяют фактор качества и % проникания для исследуемого образца полотна с использованием метода испытания, описанного выше. Исходный фактор качества обозначают "QF₀". 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 обозначает 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.

Примеры синтезов

Пример синтеза 1: Приготовление добавки, способствующей накоплению заряда 2

СА-2 приготавливали путем растворения 10 граммов 5-этокси-2-бензимидазолэтинола в 150 граммах этанола при 70°С в сосуде. В данный раствор добавляли 52 мл 1 М KOH, после чего раствор становился желтым. Во второй сосуд добавляли 5,6 грамма цинк ацетат дигидрата и растворяли в деионизированной воде (приблизительно 100 мл). Полученный раствор выливали в желтый раствор и выдерживали в течение ночи. Получившийся осадок фильтровали с помощью вакуума и высушивали в вакуумной печи при температуре 110°С.

Примеры 1-29 и сравнительные примеры С1-С12

Для каждого из примеров и сравнительных примеров следовали процедурам, описанным ниже. Данные для этих примеров представлены в таблицах 1-4.

Приготовление образца пленки

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°С-250°С. Затем пленки заряжали с применением способа заряжания 1 (см. ниже) и испытывали с использованием термически стимулированного тока (TSDC) (см. ниже).

Приготовление структурированных пленок

Электростатически заряженный фильтрующий материал, подобный описанному в патенте США №6,589,317, был составлен из структурированных полипропиленовых пленок. Добавку, способствующую накоплению заряда, добавляли к полипропилену в форме предварительно компаундированных суперконцентрированных гранул, которые соэкструдировали с полипропиленовой смолой.

Приготовление образца нетканого материала

Этап А - приготовление нетканых полотен:

1. Микроволокнистые полотна, полученные по технологии мелтблаун

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 3 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°С-300°С, 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/м², эффективные диаметры волокон приблизительно 6,5-9,5 микрометра и значения толщины приблизительно 0,75-2 миллиметра.

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.

2. Микроволокнистые полотна, полученные по технологии мелтблаун и спанбонд

Для примера 27 выбирали одну из описанных выше добавок, способствующих накоплению заряда (при этом в некоторых примерах дополнительно использовали РМР), и смешивали на сухую с одним из 4 сортов полипропилена при концентрации, показанной в таблице 1. Полотно экструдировали и скрепляли с помощью способа, подобного описанному в патенте США №7,947,142 (Fox et al.).

Экструзионная головка имела 18 рядов с 36 отверстиями в каждом, разделенные на два блока по 9 рядов, отделенные друг от друга промежутком 0,063 дюйма (0,16 см) в средней части штампа, при этом присутствовало всего 648 отверстий. Температура экструзии составляла номинально 250°С. Полотна укладывали на собирающий ремень. Массу волокон затем пропускали под спаивающим устройством с контролируемым нагревом для самопроизвольного спаивания по меньшей мере некоторых волокон. Полотно имело достаточную прочность для того, чтобы быть самонесущим и обеспечивать возможность работы с ним после завершения процесса спаивания.

Также аналогичным способом приготавливали сравнительный пример С10, однако при этом не добавляли никаких добавок, способствующих накоплению заряда. В таблице 1 подытожены специфические характеристики полотна.

Этап В - приготовление электрета

Каждое из полотен, полученных по технологии мелтблаун на этапе А (примеры 1-26 и сравнительные примеры С1-С10), или пленок (примеры 27-29 и сравнительные примеры С11-С12), заряжали с помощью одного из трех способов зарядки электрета: гидрозарядка, зарядка коронным разрядом, или предварительная обработка коронным разрядом и гидрозарядка. В таблицах 1 и 3 подытожены специфические способы зарядки, применимые к каждому из образцов.

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.

Процедуры испытаний на фильтрацию и электретные свойства

Полотна, полученные по технологии мелтблаун

Исходные характеристики фильтрации

Каждый из заряженных образцов, приготовленных на этапе В, разрезали на части по 1 метру. Одну часть испытывали в ее исходном состоянии на % пропускания аэрозоля - % DOP и % NaCl (% Pen) и перепад давления (ΔР), и фактор качества (QF₀) рассчитывали, как описано в методах испытаний, описанных выше. Другую часть состаривали в течение 72 часов при температуре 71°С и испытывали в ее состаренном состоянии на пропускание аэрозоля - % DOP и % NaCl (% Pen) и перепад давления (ΔР). Эти значения использовали для вычисления QF₃. Данные итоговые значения регистрировали в таблице 2, приведенной ниже, как исходный % Pen и % Pen для состаренного состояния, исходное ΔР и ΔР для состаренного состояния, QF₀ и QF₃. Также было зарегистрировано соотношение QF₃ к QF₀.

Разряжение электретного фильтрующего материала по действием рентгеновского облучения

Используя процедуру, описанную в методах испытаний выше, выбранные образцы фильтрующего материала подвергали воздействию ионизирующих рентгеновских лучей. В таблице 5 приведены характеристики фильтрующей способности каждого образца до облучения рентгеновскими лучами (время = 0 минут), и после 60 минут общего рентгеновского облучения.

Изобретение относится к электретным полотнам. Электретные полотна включают термопластичную смолу и добавку, способствующую накоплению заряда. Добавка, способствующая накоплению заряда, представляет собой соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащую двухвалентный металл. Электретные полотна могут представлять собой нетканое волокнистое полотно или пленку. Электретные полотна подходят для применения в качестве фильтрующего материала. Технический результат: создание легко заряжаемого и эффективного электретного полотна. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Электретное полотно, содержащее:

термопластичную смолу и

добавку, способствующую накоплению заряда, содержащую соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащую двухвалентный металл.

2. Электретное полотно по п. 1, в котором полотно содержит нетканое волокнистое полотно.

3. Электретное полотно по п. 1, в котором полотно содержит пленку.

4. Электретное полотно по п. 1, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит двухвалентный металл;

группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу;

группы R2, R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

5. Электретное полотно по п. 1, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит Zn, Ni или Fe;

группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу с 1-3 атомами углерода;

группа R2 содержит алкильную группу с 1-3 атомами углерода; и

группы R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

6. Электретное полотно по п. 1, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит Zn;

каждая из групп R1, R3, R4 и R5 содержит атом водорода; и

группа R2 содержит метильную группу.

7. Электретное полотно по п. 1, в котором термопластичная смола содержит:

полиолефин; поливинилхлорид; полистирол; поликарбонат или полиэфир.

8. Электретное полотно по п. 1, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,02-5,0% по весу полотна.

9. Электретное полотно по п. 1, в котором полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд обеспечен обработкой коронным разрядом, гидрозарядкой или их комбинацией.

10. Электретное полотно по п. 1, в котором полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд обеспечен обработкой коронным разрядом.

11. Электретное полотно по п. 1, в котором 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.

12. Электретный фильтрующий материал, содержащий:

полотно, содержащее:

термопластичную смолу и

добавку, способствующую накоплению заряда, содержащую соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащую двухвалентный металл.

13. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит двухвалентный металл;

группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу;

группы R2, R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

14. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит Zn, Ni или Fe;

группа R1 содержит атом водорода или алкильную группу с 1-3 атомами углерода;

группа R2 содержит алкильную группу с 1-3 атомами углерода; и

группы R3, R4 и R5 независимо содержат атом водорода, алкил, арил, гетероалкил, замещенный алкил, замещенный арил или алкокси.

15. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, содержит соль со структурой (а):

где М содержит Zn;

каждая из групп R1, R3, R4 и R5 содержит атом водорода; и

группа R2 содержит метильную группу.

16. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором термопластичная смола содержит: полиолефин; поливинилхлорид; полистирол; поликарбонат или полиэфир.

17. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором соль замещенного меркаптобензимидазола, содержащая двухвалентный металл, составляет 0,02-5,0% по весу полотна.

18. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд обеспечен обработкой коронным разрядом, гидрозарядкой или их комбинацией.

19. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором полотно содержит электростатический заряд, при этом заряд обеспечен обработкой коронным разрядом.

20. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором 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.

21. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором фильтрующий материал характеризуется коэффициентом проникания (%) по меньшей мере 300% при скорости набегающего потока 6,9 сантиметров в секунду при испытании на разряд с помощью рентгеновского излучения.

22. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором фильтрующий материал характеризуется исходным фактором качества по меньшей мере 0,3 (мм H₂O)^-1 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 на разряд с помощью рентгеновского излучения.

23. Электретный фильтрующий материал по п. 12, в котором фильтрующий материал сохраняет по меньшей мере 85% фильтрующей способности при измерении на основании фактора качества после старения на протяжении 72 часов при температуре 71°С.