BRPI0612348A2

BRPI0612348A2 - artigo de eletreto, máscara facial filtrante e elemento filtrante

Info

Publication number: BRPI0612348A2
Application number: BRPI0612348-1A
Authority: BR
Inventors: Gerald R Spartz; Seth M Kirk; Marvin E Jones; Hyacinth L Cabibil; Alan D Rousseau; Steven J Pachuta
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2006-04-27
Publication date: 2010-11-03
Also published as: RU2362626C1; EP1877476B1; AU2006242504A1; WO2006119004A2; KR20080012863A; ATE521661T1; JP4944100B2; US7244291B2; PL1877476T3; CN101443396A; CN101443396B; AU2006242504B2; EP1877476A2; WO2006119004A3; KR101385806B1; US20060243138A1; JP2008540856A; WO2006119004A8

Abstract

ARTIGO DE ELETRETO, MáSCARA FACIAL FILTRANTE E ELEMENTO FILTRANTE. Um artigo de eletreto que inclui um material polimérico ao qual é conferida uma carga elétrica, o qual tem uma razão CF~3~:CF~2~ de ao menos 0,15, e uma razão de saturação de flúor maior que cerca de 200. O artigo de eletreto pode estar sob a forma de uma manta porosa de fibras poliméricas adequada ao uso como filtro. O artigo de eletreto da presente invenção é resistente à degradação de carga por exposição a altas temperaturas durante periodos de tempo prolongados.

Description

"ARTIGO DE ELETRETO, MÁSCARA FACIAL FILTRANTE E ELEMENTO FILTRANTE"

A presente invenção refere-se a um artigo de eletreto poliméricoque tem uma razão CF3:CF2 de ao menos 0,15 e uma razão de saturação deflúor maior que cerca de 200. O artigo de eletreto da presente invenção éresistente à degradação de carga por exposição a altas temperaturas duranteperíodos de tempo prolongados.

Antecedentes da Invenção

Sabe-se que os artigos de eletreto, ou seja, os artigos dielétricos queexibem uma carga elétrica ao menos semipermanente, apresentam boaspropriedades de filtração. Os artigos foram produzidos com diversas construçõesmas, para os propósitos de filtração de ar, os artigos comumente assumem a formade uma manta fibrosa polimérica em não-tecido. Um exemplo desse tipo de produtoé o filtro para fornalha da marca Filtrete ™, disponível comercialmente junto à 3MCompany. Os filtros de eletreto polimérico em não-tecido também são usados emdispositivos de proteção respiratória de uso pessoal. Vide, por exemplo, as patentesU.S. n° 5.307.796 de Kronzer et al., a U.S. n° 5.804.295 de Braun et al., e U.S. n°6.216.693 de Rekow et al.

Diversos métodos têm sido usados para a fabricação de eletretos,inclusive bombardeamento de fibras/partículas elétricas (patente U.S. n°4.215.682 de Kubik et al.), carga por efeito corona de corrente contínua, ou "CC"(vide as patentes U.S. n° Re. 30.782 e 32.171 de van Turnhout, e a patente U.S.n° 4.592.815 de Nakao), hidrocarga (vide patentes U.S. n° 5.496.507, 6.119.691,6.375.886 e 6.783.574 de Angadjivand et al., patente U.S. n° 6.406.657 deEitzman et al., e patente U.S. n° 6.743.464 de Insley et al.), e exposição alíquidos polares (patente U.S. n° 6.454.986 de Eitzman et al.). A carga elétricaque é conferida ao artigo dielétrico é eficaz para aumentar a captura departículas.Em adição às estruturas fibrosas, meios filtrantes dotados demicroestruturas ou microcanais foram eletricamente carregados para otimizar odesempenho de filtração (vide, por exemplo, a patente U.S. n° 6.524.488, deInsley et al.).

Durante o uso, os filtros à base de eletreto freqüentemente ficamcarregados de partículas e contaminantes que interferem com sua capacidadede filtração. Os aerossóis líquidos, por exemplo, particularmente os aerossóisoleosos, podem fazer com que os filtros à base de eletreto percam suaeficiência de filtração otimizada por eletreto (vide a patente U.S. n° 6.627.563,de Huberty).

Vários métodos foram desenvolvidos para compensar essa perdade eficiência na filtração. Um método inclui a inclusão, ao filtro, de camadasadicionais de manta polimérica em não-tecido. Essa abordagem, no entanto,pode aumentar a queda de pressão através do filtro à base de eletreto, e podeaumentar seu peso e volume. Quando o filtro à base de eletreto é usado em umdispositivo de proteção respiratória de uso pessoal, essas desvantagenspodem ser particularmente problemáticas. O aumento na queda de pressão,por exemplo, resulta em maior resistência à respiração, tornando maisdesconfortável o uso do respirador. Um outro método para otimização daresistência a aerossóis de névoa oleosa é a inclusão de um aditivofluoroquímico processável por meio de fusão, como uma oxazolidinonafluoroquímica, uma piperazina fluoroquímica ou um alcano perfluorado aopolímero, durante a criação do artigo fibroso polimérico. Vide, por exemplo, aspatentes U.S. n° 5.025.052 e 5.099.026 de Crater et al., e as patentes U.S. n°5.411.576 e 5.472.481 de Jones et al. Os fluoroquímicos são processáveis pormeio de fusão, ou seja, não sofrem substancialmente nenhuma degradaçãosob as condições de processamento por fusão que são usadas para formar asfibras na manta de eletreto. Vide, também, a patente U.S. n° 5.908.598 deRousseau et al. Em adição a um método de processamento por fusão,eletretos fluorados também têm sido fabricados colocando-se um artigopolimérico em uma atmosfera que inclui uma espécie contendo flúor e um gásinerte e, então, aplicando-se uma descarga elétrica para modificar a químicade superfície do artigo polimérico. A descarga elétrica pode estar sob a formade um plasma, como uma descarga corona em CA. O processo de fluoraçãopor plasma faz com que átomos de flúor estejam presentes sobre a superfíciedo artigo polimérico. O artigo de material polimérico fluorado pode sereletricamente carregado com o uso, por exemplo, das técnicas de hidrocargaacima mencionadas. O processo de fluoração por plasma é descrito naspatentes U.S. n° 6.397.458, 6.398.847, 6.409.806, 6.432.175, 6.562.112,6.660.210 e 6.808.551, de Jones/Lyons et al. Outras publicações queapresentam técnicas de fluoração incluem: patentes U.S. n° 6.419.871,6.238.466, 6.214.094, 6.213.122, 5.908.598, 4.557.945, 4.508.781 e4.264.750, publicações US 2003/0134515 A1 e US 2002/0174869 A1, epublicação internacional WO 01/07144.

Embora os eletretos fluorados sejam adequados a diversasaplicações referentes a filtração, alguns filtros necessitam de estabilidadetérmica otimizada para atender a especificações de produto, por exemploespecificações militares e requisitos NIOSH. Vide os documentos "Statement ofStandard for Chemical, Biological, Radiological, and Nuclear (CBRN)Air-Purifying Escape Respirator", Anexo A, de 30 de setembro de 2003, e"Statement of Standard for Chemical, Biological, Radiological, and Nuclear(CBRN) Full Facepiece Air Purifying Respirator (APR)", Apêndice A, de 4 de abrilde 2003, ambos emitidos pelo NIOSH (National Institute for Occupational Safetyand Health, ou Instituto Nacional para Saúde e Segurança Ocupacional dosEUA). Existem aplicações para as quais o meio filtrante de eletreto precisa serresistente a degradações de carga por altas temperaturas durante períodosprolongados. A presente invenção, descrita a seguir, atende a essasnecessidades e, conseqüentemente, apresenta um artigo de eletreto que temboas propriedades de filtração de névoa oleosa, ainda que exposto a altastemperaturas durante longos períodos de tempo.

Sumário da Invenção

A presente invenção apresenta um artigo de material poliméricofluorado, o qual compreende um material polimérico ao qual é conferida umacarga de eletreto, que tem uma razão entre CF3 e CF2 de ao menos cerca de0,15, e uma razão de saturação de flúor maior que cerca de 200. A presenteinvenção difere dos artigos de eletreto fluorado conhecidos pelo fato de ter umacombinação da razão entre CF3 e CF2 com a razão de saturação de flúor que,até o momento, não foi descrita ou reconhecida na técnica de artigos de eletretopolimérico. Os inventores descobriram que um artigo de eletreto poliméricotendo essas razões pode exibir desempenho de filtração otimizado sobcondições de estresse térmico. Nos artigos de eletreto descritos nas patentes deJones/Lyons et al., acima mencionadas, a razão CF3:CF2 é descrita como sendode ao menos cerca de 0,25, de preferência ao menos cerca de 0,45 e, com maispreferência, maior que 0,9. As patentes de Jones/Lyons et al., no entanto, nãomencionam uma razão de saturação de flúor e quaisquer benefícios que amesma possa ter em relação à estabilidade de carga. Um copolímero detetrafluoroetileno/hexafluoropropileno (também conhecido comoetileno-propileno fluorado, ou "FEP") e politetrafluoroetileno ("PTFE") têm sidousados como artigos de eletreto, por exemplo em transdutores. Vide G.M.Sessler, Electrets, Volume 1, páginas 374-381 (1998). Embora o FEP tenhaalgum componente de CF3, medido na faixa de aproximadamente 0,11 para aquantidade de CF2, o PTFE tem uma quantidade desprezível de CF3. Portanto,não se sabe de nenhum produto fabricado até o momento que apresente a razãoCF3:CF2 e as razões de saturação de flúor desta invenção, nem há qualquerproduto de eletreto conhecido que apresente essas razões e exiba aestabilidade térmica da presente invenção.

O desempenho de filtração de um artigo de eletreto é comumentecaracterizado por um parâmetro que é chamado, na técnica, de "fator dequalidade" ou "valor Q". O valor Q caracteriza o desempenho de filtração comouma mistura dos parâmetros de penetração de partículas e de queda depressão. Conforme indicado acima, alguns filtros precisam de estabilidadetérmica otimizada para atender a especificações de produto quanto a filtração.

Existem aplicações para as quais o meio filtrante de eletreto precisa serresistente à degradação de carga em altas temperaturas. Os Requerentesdemonstram que dados extraordinários quanto ao fator de qualidade podem sermantidos, quando os artigos de eletreto da presente invenção são testados apósuma exposição a envelhecimento acelerado por alta temperatura.

Especificamente, os Requerentes mostraram que podem ser obtidos dados defator de qualidade extraordinários após 9 horas de envelhecimento a 100 °C. Ovalor Q que resulta desse teste é chamado de "Q9". Os inventores descobriramque, mediante a obtenção de um artigo de eletreto que tenha uma razão entreCF3 e CF2 de ao menos 0,15 e uma razão de saturação de flúor maior que cercade 200, é possível obter maior estabilidade térmica, conforme medido pelo valorde Q9. Os artigos de eletreto da presente invenção podem, portanto, manteruma boa eficiência de filtração apesar de serem "envelhecidos" sob altastemperaturas durante um longo período de tempo.

Essas e outras características ou vantagens da invenção sãomostradas e descritas com mais detalhes nos desenhos e na descrição detalhadadesta invenção, em que números de referência similares são usados pararepresentar partes similares. Deve-se compreender, no entanto, que os desenhose a descrição têm propósitos de meramente ilustrativos, e não devem serinterpretados de um modo que limite indevidamente o escopo desta invenção.Glossário

Os termos demonstrados abaixo terão os significados conformedefinido a seguir:

"aerossol" significa um gás que contém partículas em suspensão sob formasólida ou líquida;

"porcentagem atômica de flúor" significa a quantidade de flúor determinada deacordo com o método para avaliação de concentração superficial de flúorusando espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS);

"contaminantes" significa partículas e/ou outras substâncias que geralmentepodem não ser consideradas como partículas, mas que podem ser nocivas casosejam inaladas (por exemplo, vapores orgânicos);

"dielétrico" significa não-condutor para corrente contínua;"eletreto" significa um artigo dielétrico que exibe uma carga elétrica ao menossemipermanente;

"carga elétrica" significa que há separação de cargas;

"fibroso" significa dotado de fibras e, possivelmente, outros ingredientes;

"manta de eletreto fibrosa" refere-se a uma manta de tecido ou de não-tecidoque contém fibras, e que tem uma carga elétrica ao menos semipermanente;

"fluorar" significa colocar átomos de flúor na superfície de um artigo;

"espécie contendo flúor" significa moléculas e porções contendo átomos deflúor inclusive, por exemplo, átomos de flúor, flúor elementar e radicaiscontendo flúor;

"não-condutor" significa tendo uma resistividade volumétrica maior que cerca de1014 ohm cm à temperatura ambiente (22 °C);

"não-tecido" significa uma estrutura ou porção de estrutura em que fibras ououtros componentes estruturais são mantidos juntos por um meio diferente datecelagem;

"carga elétrica persistente" significa que a carga elétrica reside no artigo deeletreto durante ao menos a vida útil comumente aceita do produto no qual o ditoartigo de eletreto é usado;

"polímero" significa um material orgânico que contém unidades ou gruposmoleculares ligados e repetidos, que estão dispostos de forma regular ouirregular;

"polimérico" significa contendo um polímero e, possivelmente, outrosingredientes;

"material formador de fibra polimérica" significa uma composição que contémum polímero, ou que contém monômeros capazes de produzir um polímero,

além de possivelmente conter outros ingredientes, e que é capaz de ser formadaem fibras sólidas;

"semipermanente" significa que a carga elétrica reside no artigo sob condiçõesatmosféricas ambientes (22 °C, pressão atmosférica de 101.300 Pascais (Pa),e 50% de umidade) durante um período de tempo longo o suficiente para sersignificativamente mensurável;

"fibra têxtil" refere-se a fibras que são cortadas a um comprimentogenericamente definido, tipicamente de cerca de 2 centímetros a cerca de 25centímetros e, tipicamente, apresentam um diâmetro da fibra de ao menos 15micrômetros;

"fluoração de superfície" significa a presença de átomos de flúor sobre umasuperfície (por exemplo, a superfície de um artigo polimérico);

"com superfície modificada" significa que a estrutura química na superfície foialterada em relação a seu estado original;

"termoplástico" significa um material polimérico que amolece quando exposto aocalor e que endurece novamente quando resfriado, sem sofrer uma alteraçãoquímica apreciável; e

"manta" significa uma estrutura que é significativamente maior em duasdimensões que em uma terceira dimensão, e que é permeável a ar.Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma máscara respiratóriadescartável 10 que pode usar o meio filtrante de eletreto da presente invenção;

A Figura 2 é uma vista em seção transversal do corpo 12 damáscara respiratória 10 mostrado na Figura 1;

A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma máscara respiratória24 que tem um cartucho de filtro 28, o qual pode incluir o meio filtrante deeletreto da presente invenção;

A Figura 4 é uma vista em perspectiva de uma matriz de meiosfiltrantes 40 da presente invenção;

A Figura 5 é uma ilustração de espectro ToF-SIMS para umamanta em BMF fluorada, que realça uma espécie C4F9-; e

A Figura 6 é um gráfico que mostra valores de Q9 plotados contrarazões de saturação de flúor para os exemplos de 1 a 8.

Descrição detalhada das modalidades preferenciais

Na descrição de modalidades preferenciais da invenção, é usadauma terminologia específica por questão de clareza. A invenção, no entanto, nãotem a intenção de limitar-se aos termos específicos selecionados, e deve-secompreender que cada termo selecionado inclui todos os equivalentes técnicosque operam de forma similar.

As mantas adequadas ao uso na presente invenção podem serfeitas a partir de uma variedade de técnicas, inclusive processos de produçãopor deposição a ar (airlaid), processos de produção por deposição a úmido(wetlaid), hidroentrelaçamento, processos de fiação contínua e processos deprodução por extrusão em blocos com passagem de ar quente em altavelocidade (meltblown). Vide Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48Indus. Engn. Chem. 1342-46, e no Relatório n° 4364 de Naval ResearchLaboratories, publicado em 25 de maio de 1954 e intitulado Manufacture ofSuper Fine Organic Fibers, de Van A. Wente et al. As mantas fabricadas porcombinações dessas técnicas e a partir de combinações dessas fibras tambémpodem ser usadas. As microfibras, particularmente aquelas do tipo meltblown,são particularmente adequadas ao uso em mantas fibrosas destinadas ao usocomo filtros. Para uso neste documento, "microfibra" significa fibras que têm umdiâmetro efetivo de cerca de 25 micrômetros ou menos. O diâmetro efetivo dafibra pode ser calculado utilizando-se a equação número 12 em Davies, C.N.,The Separation of Airborne DustandParticles, Inst. Mech. Engn., London Proc.1B (1952). Para aplicações de filtração, as microfibras tipicamente têm umdiâmetro efetivo menor que 20 micrômetros, mais tipicamente de cerca de 1 acerca de 10 micrômetros. Também podem ser usadas as fibras feitas a partir depelículas fibriladas. Vide, por exemplo, as patentes U.S. n° RE30.782,RE32.171, 3.998.916 e 4.178.157 de Van Turnout.

As fibras têxteis podem, também, ser combinadas às microfibras,para otimizar a aeração da manta, ou seja, para reduzir sua densidade. Aredução da densidade da manta pode diminuir a queda de pressão através damesma, facilitando a passagem de ar através do filtro. As quedas de pressãomenores são particularmente desejáveis em dispositivos de proteçãorespiratória de uso pessoal, pois tornam mais confortável o uso do respirador.

Quando a queda de pressão é menor, menos energia é necessária para puxaro ar através do filtro. Desse modo, um usuário de respirador que coloque umamáscara de pressão negativa, ou seja, um respirador que exige pressãonegativa a partir dos pulmões do usuário para puxar o ar através do filtro, nãoprecisa esforçar-se tanto para respirar o ar filtrado. As exigências energéticasmais baixas também podem ser benéficas em sistemas de filtração equipadoscom motor, para reduzir custos associados à alimentação do ventilador e paraprolongar a vida útil de uma bateria, no caso de sistemas alimentados porbateria. Em um filtro fibroso de não-tecido típico, estão presentes não mais quecerca de 90%, em peso, de fibras têxteis, mais tipicamente não mais que cercade 70%, em peso. Tipicamente, o restante das fibras consiste em microfibras.

Os exemplos de mantas que contêm fibras têxteis são apresentados napatente U.S. n° 4.118.531 de Hauser.

Um particulado ativo pode, também, ser incluído nas mantas deeletreto, para diversos propósitos, inclusive aqueles relacionados a sorção,catalisação e outros. A patente U.S. n° 5.696.199 de Senkus et al., porexemplo, descreve diversos tipos de particulado ativo que podem seradequados. O particulado ativo que tem propriedades de sorção, como carvãoativado ou alumina, pode ser incluído na manta para remover vaporesorgânicos durante operações de filtração. O particulado ativo pode estarpresente na manta em quantidades de até cerca de 95 volumes por cento.Exemplos de mantas de não-tecido carregadas de partículas são descritos, porexemplo, nas patentes U.S. n° 3.971.373 de Braun, 4.100.324 de Anderson, e15 4.429.001 de Kolpin et al.

Os polímeros que podem ser adequados ao uso na produção deartigos de eletreto incluem polímeros não-condutores orgânicos termoplásticos.

Esses polímeros são geralmente capazes de reter uma grande quantidade decarga aprisionada, e podem ser processados em fibras, como através de umaparelho para fiação via sopro ou para fiação contínua. O termo "orgânico"significa que a cadeia principal do polímero inclui átomos de carbono. Ospolímeros preferenciais incluem poliolefinas, como polipropileno,poli-4-metil-1-penteno, blendas ou copolímeros contendo um ou mais dessespolímeros, e combinações dos mesmos. Outros polímeros podem incluirpolietileno, outras poliolefinas, cloretos de polivinila, poliestirenos,policarbonatos, tereftalato de polietileno, outros poliésteres e combinaçõesdesses polímeros sendo que, opcionalmente, outros polímeros não-condutorespodem ser usados como material formador de fibra polimérica, ou para aprodução de outros artigos de eletreto.

Os artigos de eletreto polimérico, particularmente as fibras,também podem ser extrudados ou, de outro modo, formados de modo a termúltiplos componentes poliméricos. Vide a patente U.S. n° 4.729.371 deKrueger e Dyrud, e as patentes U.S. n° 4.795.668 e 4.547.420 de Krueger eMeyer. Os diferentes componentes poliméricos podem estar dispostosconcentricamente ou longitudinalmente ao longo do comprimento da fibra, demodo a criar, por exemplo, uma fibra bicomponente. As fibras podem estardispostas para formar uma manta "macroscopicamente homogênea",especificamente uma manta que é feita a partir de fibras que têm, cada uma, amesma composição geral.

As fibras podem ser feitas desses polímeros em conjunto comoutros aditivos adequados. Os possíveis aditivos são compostos ou oligômerosde triazina orgânicos e termicamente estáveis, os quais contêm ao menos umátomo de nitrogênio em adição àqueles no anel de triazina. Vide as patentesU.S. n° 6.268.495, 5.976.208, 5.968.635, 5.919.847 e 5.908.598 de Rousseauet al. Um outro aditivo conhecido por otimizar eletretos carregados por jatos deágua é o Chimassorb™ 944 LF (poli[[6-(1.1.3,3,-tetrametilbutil)amino]-s-triazina-2,4-diila][[(2,2,6,6-tetrametil-4-piperidil)imino] hexametileno[(2,2,6,6-tetrametil-4-piperidil)imino]]), disponível junto à Ciba-Geigy Corp.

As fibras usadas na invenção não precisam conter ionômeros,particularmente copolímeros de etileno e ácido acrílico ou metacrílico ou ambos,neutralizados com íon metálico, para produzir um produto fibroso adequado aaplicações de filtração. As mantas de eletreto fibroso não-tecido podem seradequadamente produzidas a partir dos polímeros acima descritos, sem conterde 5 a 25%, em peso, de ácido (met)acrílico, com grupos ácidos parcialmenteneutralizados com íons metálicos.

As fibras que contêm aditivos podem ser arrefecidas após aconformação de uma blenda fundida a quente do polímero e do aditivo, sendoesse procedimento seguido pelas etapas de recozimento e carga, para criar umartigo de eletreto. O desempenho de filtração otimizado pode ser conferido aoartigo ao produzir-se o eletreto dessa maneira. Vide a patente U.S. n° 6.068.799de Rousseau et al. Os artigos de eletreto podem, também, ser feitos de modo aterem um baixo teor de hidrocarboneto extraível (<3,0%, em peso), para otimizaro desempenho de carregamento. Vide a patente U.S. n° 6.776.951 de Rousseau et al.

0 material polimérico que é usado para produzir um artigo deeletreto de acordo com a presente invenção tem, de preferência, umaresistividade volumétrica de 1014 ohmcm ou maior, à temperatura ambiente.

Com mais preferência, a resistividade volumétrica é de cerca de 1016 ohm cm,ou maior. A resistividade do material formador de fibra polimérica pode sermedida de acordo com o teste padronizado ASTM D 257-93. O materialformador de fibra polimérica usado para a fabricação de artigos de eletreto,como as fibras meltblown, também precisa ser substancialmente isento decomponentes como agentes anti-estática, os quais poderiam aumentar acondutividade elétrica ou, de outro modo, interferir com a capacidade do artigode eletreto para aceitar e manter cargas eletrostáticas.

Os eletretos que compreendem mantas fibrosas poliméricas emnão-tecido para filtros respiratórios tipicamente têm um "peso base" na faixa decerca de 2 a 500 gramas por metro quadrado (g/m2), mais tipicamente cerca de20 a 150 g/m2. O peso base é a massa por unidade de área da manta de filtro.

A espessura desse tipo de manta fibrosa polimérica em não-tecido situa-se,tipicamente, na faixa de cerca de 0,25 a 20 milímetros (mm), com maispreferência de cerca de 0,5 a 2 mm. Múltiplas camadas de mantas de eletretofibroso são comumente usadas em elementos filtrantes. A solidez da manta deeletreto fibroso é, tipicamente, de cerca de 1 a 25, mais tipicamente de cercade 3 a 10.

Os artigos de eletreto da presente invenção podem ser usadoscomo filtros em máscaras de filtração que são adaptadas para cobrir ao menos onariz e a boca de um usuário.

A Figura 1 ilustra um exemplo de uma máscara facial filtrante 10 quepode ser construída para conter uma manta de não-tecido eletricamentecarregada, que é produzida de acordo com a presente invenção. A porção decorpo 12, com formato genérico de bojo, é adaptada para ajustar-se sobre o narize a boca do usuário. A porção de corpo 12 é porosa, permitindo a passagem do arinalado. O meio filtrante de eletreto está disposto no corpo da máscara 12(tipicamente sobre substancialmente toda a área superficial) para removercontaminantes do ar inalado. Um grampo nasal moldável 13 pode ser colocado nocorpo da máscara, para ajudar a mantê-la bem ajustada ao nariz do usuário. Ogrampo nasal pode ser um grampo em formato de "M", conforme descrito naspatentes U.S. Des. 412.573 e 5.558.089 de Castiglione. Um sistema de correiasou suportes 14 pode ser usado para apoiar o corpo da máscara 12 sobre a face dousuário. Embora um sistema com correia dupla esteja ilustrado na Figura 1, osuporte 14 pode usar apenas uma correia 16, e pode ter várias outrasconfigurações. Vide, por exemplo, as patentes U.S. n° 4.827.924 de Japuntich etal., 5.237.986 de Seppalla et al., e 5.464.010 de Byram. Uma válvula de exalaçãopode ser montada no corpo da máscara, para purgar rapidamente o ar exalado dointerior da máscara. Vide as patentes U.S. n° 5.325.892, 5.509.436, 6.843.248, e6.854.463 de Japuntich et al., e também a patente U.S. n° RE37. 974 de Bowers.

A Figura 2 ilustra um exemplo de uma seção transversal de umcorpo da máscara 12. O corpo da máscara 12 pode ter uma pluralidade decamadas, conforme indicado pelos números 18, 20 e 22. O meio filtrante deeletreto pode ser apoiado por outras camadas, como camadas de modelagemque são feitas a partir de fibras termicamente unidas, como fibrasbicomponentes que têm um componente externo termoplástico que permiteque as mesmas se liguem umas às outras em pontos de intersecção. Acamada 18 pode ser uma camada de modelagem externa, a camada 20 podeser uma camada de filtração e a camada 22 pode ser uma camada demodelagem interna. As camadas de modelagem 18 e 22 apoiam a camada defiltração 20 e dão formato ao corpo da máscara 12. Embora o termo "camadasde modelagem" seja usado nesta descrição, camadas de modelagem tambémapresentam outras funções, que no caso de uma camada mais externa podemconsistir em uma função primária, como proteção da camada de filtração epré-filtração de um fluxo gasoso. Além disso, embora o termo "camada" sejausado, uma camada pode, de fato, compreender diversas subcamadas,montadas de modo a se obter a espessura ou o peso desejados. Em algumasmodalidades, somente uma camada de modelagem, geralmente interna, estáincluída em uma máscara facial, porém a modelagem pode ser obtida de formamais durável e conveniente se forem usadas duas camadas de modelagem,por exemplo uma em cada lado da camada de filtração, conforme mostrado naFigura 2. Os exemplos de camada de modelagem são descritos nas seguintespatentes: patentes U.S. n° 4.536.440 de Berg, 4.807.619 de Dyrud et al.,5.307.796 de Kronzer et al., 5.374.458 de Burgio, e 4.850.347 de Skov.

Embora o corpo da máscara ilustrado, mostrado nas Figuras 1 e 2, apresenteuma configuração genericamente redonda, em formato de bojo, o corpo damáscara pode ter outros formatos. Vide, por exemplo, a patente U.S. n°4.883.547 de Japuntich.

A Figura 3 ilustra um outro respirador 24 que pode usar os artigos deeletreto da presente invenção como filtro. O respirador 24 inclui um corpo demáscara elastomérico 26, ao qual está preso um cartucho de filtro 28. O corpo damáscara 26 inclui, tipicamente, uma peça facial elastomérica 30 que se ajusta deforma conformável sobre o nariz e a boca de uma pessoa. O cartucho de filtro 28pode conter o meio filtrante de eletreto da presente invenção, para capturarcontaminantes antes que os mesmos sejam inalados pelo usuário. O elementofiltrante pode incluir o artigo de filtro de eletreto polimérico da invenção, seja por sisó, seja em conjunto com um filtro gasoso, como um leito de carvão ativado. Umatampa porosa ou tela 32 pode ser colocada sobre o cartucho de filtro para protegera superfície externa do elemento filtrante. Exemplos de outros cartuchos de filtronos quais pode ser usado o meio filtrante de eletreto da presente invenção sãoapresentados, por exemplo, em um cartucho de filtro para um respirador, como ocartucho de filtro apresentado na patente U.S. n° Re. 35.062 de Brostrom et al., ouna patente U.S. n° 5.062.421 de Burns e Reischel. Conforme mostrado nessaspatentes, podem ser usados múltiplos cartuchos de filtro. Os cartuchos podem,também, ser removíveis e substituíveis. Além do mais, o meio filtrante da invençãopode ser usado nos cartuchos de filtro de respiradores purificadores de arequipados com motor (PAPRs, ou powered air purifying respirators). Exemplos dePAPRs são mostrados nas patentes U.S. n° 6.666.209 de Bennett et al. e6.575.165 de Cook et al. Além disso, os meios filtrantes da invenção podem serusados em cartuchos de filtro para capuzes de fuga. Vide a patente U.S. n° D480.476 de Martinson et al., e as patentes U.S. n° 6.302.103,6.371.116 e 6.701.925 deResnick.

A Figura 4 mostra uma vista em perspectiva de uma matriz demeios filtrantes 40. A estrutura da matriz 40 pode compreender múltiplos canaisde fluxo 42, os quais têm entradas 43 em um primeiro lado 44 da matriz 40 esaídas 46 em um segundo lado da matriz 48. Os canais de fluxo podem serdefinidos por uma camada corrugada ou microestruturada 50, e uma camada decobertura 52. A camada de contorno 50 pode estar unida à camada de cobertura52 em um ou mais picos ou sulcos. Com o empilhamento de múltiplas camadasde elementos estruturados e planares, pode-se obter uma disposição emmicrocanais. Os canais de fluxo tendem a apresentar uma alta razão de aspecto,e as camadas de película são, de preferência, eletricamente carregadas paraproporcionar ao artigo 40 uma boa eficiência de captura. A queda de pressãoatravés da matriz 40, do primeiro lado 44 para o segundo lado 48, é desprezível.

Portanto, os artigos de eletreto não-fibroso que são usados parapropósitos de filtração podem assumir a forma de uma película conformada,uma superfície microestruturada, ou uma multiplicidade de canaismicroestruturados. Exemplos de artigos de eletreto não-fibroso sãoapresentados nas patentes U.S. n° 6.752.889 de Insley et al., 6.280.824 deInsley et al., 4.016.375 de Van Turnout e 2.204.705 de Rutherford.

Fluoração

Os eletretos fluorados da presente invenção podem serpreparados pela transferência da espécie contendo flúor de uma fase gasosapara o artigo, por reação química, sorção, condensação ou outros meiosadequados. Ò artigo polimérico pode ser fluorado, opcionalmente na presençade uma descarga elétrica modificadora de superfície, sendo esse procedimentoseguido de carregamento do artigo para produzir o eletreto fluorado.

Alternativamente, os artigos da presente invenção podem ser carregadosprimeiro e, então, fluorados.

A superfície do artigo polimérico pode ser modificada para conterátomos de flúor, mediante a exposição do artigo polimérico a uma atmosfera queinclui a espécie contendo flúor. O processo de fluoração pode ser realizado sobpressão atmosférica, pressão menor que a atmosférica, ou "pressão reduzida". Oprocesso de fluoração é, de preferência, realizado em uma atmosfera controlada,para evitar que contaminantes interfiram com a adição de átomos de flúor àsuperfície do artigo. O termo "controlada" significa que o aparelho tem acapacidade de controlar a composição da atmosfera no interior da câmara ondeocorre a fluoração. A atmosfera é, de preferência, substancialmente isenta deoxigênio e outros componentes indesejados. A atmosfera tipicamente contémmenos que 1 %, de preferência menos que 0,1%, por volume, de oxigênio ououtros componentes indesejados.

A espécie contendo flúor presente na atmosfera pode ser derivadade compostos fluorados que são gases à temperatura ambiente, que se tornamgases quando aquecidos, ou que são capazes de se vaporizados. Exemplos defontes úteis de espécie contendo flúor incluem átomos de flúor, flúor elementar,fluoretos inorgânicos como enxofre fluorado (por exemplo SFe), nitrogêniofluorado (por exemplo NF3), e PF3, BF3, SiF4, bem como combinações dosmesmos. A atmosfera de espécie contendo flúor pode, também, incluir gasesdiluentes inertes, como os gases nobres hélio e argônio, entre outros, bem comocombinações dos mesmos. O nitrogênio também pode ser usado como diluente.

A descarga elétrica que é aplicada durante o processo de fluoraçãoé capaz de modificar a química de superfície do artigo polimérico, quandoaplicada na presença de uma fonte de espécie contendo flúor. A descargaelétrica pode estar sob a forma de plasma, por exemplo plasma de descargaluminescente, plasma de corona, plasma de descarga silenciosa (tambémchamado plasma de descarga de barreira dielétrica e descarga corona decorrente alternada ("CA")), e plasma híbrido, por exemplo plasma de descargaluminescente sob pressão atmosférica, e descarga pseudo-luminescente. Videas patentes U.S. n° 6.808.551, 6.660.210, 6.562.112, 6.432.175, 6.409.806,6.398.847 e 6.397.458 de Jones/Lyons et al. De preferência, é usado um plasmaalimentado por CA sob pressão reduzida. O termo "pressão reduzida" significapressão menor que 700 Pa, de preferência menor que 140 Pa. Exemplos deprocessos úteis de descarga elétrica modificadora de superfície são descritosnas patentes U.S. n° 5.244.780, 4.828.871 e 4.844.979 de Strobel et al.

Um outro processo de fluoração pode incluir a imersão de umartigo polimérico em um líquido que seja inerte em relação a flúor elementar,seguida do borbulhamento de gás de flúor elementar através do dito líquido,para produzir um artigo com superfície fluorada. Os exemplos de líquidos úteisque são inertes em relação ao flúor incluem líquidos peralogenados, porexemplo líquidos perfluorados como Performance Fluid PF 5052 (disponívelcomercialmente junto à 3M Company). O gás contendo flúor elementar que éborbulhado através do líquido pode incluir um gás inerte, por exemplo nitrogênio,argônio, hélio e combinações dos mesmos.

Quanto mais alto o valor de Q9, a uma determinada taxa de fluxo,melhor o desempenho de filtração do eletreto após o armazenamento em altatemperatura. Os eletretos preferenciais têm um valor de Q9 de ao menos cercade 1,4/9,8 Pa (mmH20), de preferência ao menos cerca de 1,5/9,8 Pa(mmH20) e, com mais preferência, ao menos cerca de 2,0/9,8 Pa (mmH20). Osvalores Q9 podem ser determinados de acordo com o teste demonstradoabaixo. Valores mais altos de corrente de descarga termicamente estimulada(), que também correspondem a maior estabilidade térmica, podem ser obtidospela presente invenção. Os eletretos preferenciais que contêm polipropilenotêm um valor de pico de TSDC maior que 130°C, com mais preferência maiorque 140°C.

A concentração superficial de flúor pode ser determinada medianteo uso de espectroscopia eletrônica para análise química (ESCA), tambémconhecida como espectroscopia fotoeletrônica de raios X ou XPS. A superfíciedos artigos de eletreto da presente invenção exibe cerca de 45 a 60% de flúor,em porcentagem atômica, quando analisada por XPS. A XPS analisa acomposição elementar da superfície mais externa (isto é, aproximadamente 30 a100 A) de uma amostra. A razão entre CF3 e CF2 nos artigos da presenteinvenção é de ao menos cerca de 0,15, de preferência ao menos cerca de 0,2 e,com mais preferência, de ao menos cerca de 0,3. Em seu limite superior, a razãoCF3:CF2 é tipicamente menor que cerca de 0,7 ou 0,6. A razão entre CF3 e CF2pode ser determinada pelo método de espectroscopia fotoeletrônica de raios X(XPS) descrito a seguir.

O eletreto também tem, em sua superfície, uma razão de saturaçãode flúor (FSR) que é maior que cerca de 200, de preferência maior que cerca de250, e que pode ser maior que cerca de 300. A razão de saturação de flúor, FSR,pode ser determinada pela divisão da porcentagem atômica de flúor de umaamostra por sua razão saturado/insaturado. A porcentagem atômica de flúor e arazão saturado/insaturado podem ser determinadas mediante o uso deprocedimentos de XPS e ToF-SIMS, descritos a seguir. Melhores valores de Q9são geralmente obtidos sob razões de saturação de flúor mais altas (vide Figura 6)e, portanto, quanto mais alta a FSR, melhor o desempenho para névoa oleosa sobtemperaturas mais altas. Podem ser obtidos valores de FSR de 350, ou mesmotão altos quanto 500.

Para obter a razão de saturação de flúor da presente invenção, osartigos de eletreto são, de preferência, preparados (fluorados) em um sistemaque é evacuado até uma pressão abaixo de cerca de 4 Pascais e reabastecidocom uma alimentação contínua da atmosfera fluorante pretendida, ao mesmotempo em que se controla a taxa de bombeamento para obter uma pressão detrabalho desejada. Os inventores descobriram que é conveniente efetuar aetapa de fluoração sob uma pressão reduzida mediante o uso de uma descargaalimentada por corrente alternada (CA).

Conferir Carga Elétrica

A carga de eletreto pode ser conferida aos artigos poliméricos porvários métodos. Os materiais poliméricos podem ser bombardeados compartículas elétricas quando são extrudados a partir de um orifício da matriz,conforme ensinado na patente U.S. n° 4.215.682 de Kubik et al. Alternativamente,o carregamento por meio de corona CC tem sido usado conforme descrito naspatentes U.S. n0 RE 30.782, 31.285 e 32.171 de van Turnhout, nas patentes U.S.n° 4.375.718 e 5.401.446 de Wadsworth et al., na patente U.S. n° 4.588.537 deKlasse et al., e na patente U.S. n° 4.592.815 de Nakao. Os artigos poliméricostambém podem ser carregados colocando-se os mesmos em contato com águaou um líquido polar. Os documentos que descrevem o carregamento pelo uso deágua, ou seja, hidrocarga, incluem as patentes U.S. n° 5.496.507, 6119.691,6.375.886 e 6.783.574 de Angadjivand et al., a patente U.S. n° 6.406.657 deEitzman et al. e a patente U.S. n° 6.743.464 de Insley et al. Os artigos de eletretopodem, também, ser carregados mediante a exposição dos mesmos a líquidospolares diferentes de água, conforme ensinado na patente U.S. n° 6.454.986 deEitzman et al. A hidrocarga é um método preferencial para conferir carga às fibras,pois usa um material prontamente disponível fácil de manusear e ambientalmenteamigável. A hidrocarga proporciona, também, valores de Q9 mais altos quandousada em conjunto com a presente invenção. O processo de carregamento podeser aplicado a uma ou mais superfícies do artigo.

Os métodos de hidrocarga depositam sobre as fibras cargas tantopositivas como negativas, de modo que estas sejam dispersas de modoaleatório por toda a manta. A dispersão aleatória de cargas tende a produzir umamanta não-polarizada. Portanto, uma manta de eletreto fibroso não-tecidoproduzida mediante o carregamento com um líquido polar, como água, pode sersubstancialmente não-polarizada em um plano normal àquele da dita manta. Asfibras que foram carregadas dessa maneira idealmente exibem a configuraçãode carga mostrada na Figura 5C da patente U.S. n° 6.119.691, de Angadjivandet al. Se a manta fibrosa for também submetida a uma operação de carga porcorona, a mesma exibiria uma configuração de carga similar àquela mostrada naFigura 5B da dita patente. Uma manta, formada a partir de fibras carregadassomente pelo uso de hidrocarga, tipicamente tem uma carga aprisionadanão-polarizada por todo o volume da dita manta. O termo "carga aprisionadasubstancialmente não-polarizada" refere-se a uma manta de eletreto fibroso queexibe menos que 1 pC/m2 de corrente de descarga detectável com o uso deanálise da corrente de descarga termicamente estimulada (TSDC), em que odenominador é a área superficial do eletrodo. Essa configuração de carga podeser mostrada submetendo-se a manta a TSDC. Um exemplo de um processo dehidrocarga útil inclui forçar o impacto de jatos de água ou de um fluxo degotículas de água sobre o artigo, sob uma pressão e durante um períodosuficientes para conferir à manta uma carga de eletreto otimizadora da filtraçãoe, então, secar o artigo. Vide patente U.S. n° 5.496.507 de Angadjivand et al. Apressão necessária para otimizar a carga de eletreto otimizadora da filtraçãoconferida ao artigo irá variar conforme o tipo de aspersor usado, o tipo depolímero a partir do qual é formado o artigo, o tipo e a concentração de aditivosao polímero, bem como a espessura e a densidade do artigo. São adequadas aspressões na faixa de cerca de 69 kPa (10 psi) a cerca de 3.450 kPa (500 psi). Osjatos de água ou o fluxo de gotículas de água podem ser fornecidos por meio dequalquer dispositivo de aspersão adequado. Um exemplo de um dispositivo deaspersão útil é o aparelho usado para entrelaçamento hidráulico de fibras.

Os eletretos fluorados formados por meio dos métodos descritosneste documento são adequados ao uso, por exemplo, como elementoseletrostáticos em dispositivos eletroacústicos como microfones, fones de ouvidoe alto-falantes, filtros para fluidos, dispositivos para controle de partículas depoeira para uso, por exemplo, em geradores eletrostáticos de alta tensão,gravadores eletrostáticos, respiradores (por exemplo, pré-filtros, tubos ecartuchos substituíveis), aquecimento, ventilação, condicionamento de ar emáscaras faciais.

Método para determinação da concentração superficial de flúor εCF3:CF2 mediante o uso de espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS)

A espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS) é uma técnica deanálise de superfície que usa um feixe de raios X moles (Al Κα, 1.486,6 eV) comoponta de prova. Os raios X irradiam o material para gerar fotoelitrons que εγοcaracterizados por sua energia cinitica e intensidade. As energias ciniticas dosfotoelitrons podem proporcionar informariues quantitativas sobre os elementos eseus estados químicos. A XPS examina os - 30 a 100 A mais externos de umasuperfície de amostra. A mesma é sensível a essencialmente todos os elementos,exceto hidrogênio e hélio, com limites de detecção tão baixos quantoaproximadamente 0,1% em porcentagem atômica.

As medições XPS nos materiais de amostra foram feitas com umespectrômetro Kratos Axis Ultra (Kratos Analytical, Manchester1 Inglaterra),equipado com uma fonte de excitação de raios X Al Ka monocromática e umanalisador de espelho esfirico. O espectrômetro tinha uma energia de raios X igual aou próxima de 168 Watts (W) (14 kV, 12 mA). O ângulo entre a amostra e o coletor(take-off angle) do fotoelitron foi, para todos os espectros registrados, de 90 grausmedidos em relação a superfície da amostra. O sistema Kratos tem uma área deamostragem de aproximadamente 800 micrômetros (pm) χ 600 pm. A pressão nosistema de vácuo durante a análise era igual ou menor que 7,0 χΙΟ"6 Pascal (Pa).

Mediante o uso do método XPS, foram obtidos levantamentos devarredura ampla a partir dos materiais de amostra. Um espectro delevantamento de varredura ampla contém picos de fotoelétron que sãocaracterísticos dos elementos presentes sobre a superfície do material. Acomposição da superfície (em porcentagem atômica) é derivada das áreasrelativas dos picos de fotoelétron no nível do núcleo, com subtrações de fundolinear, e correções para levar em conta os fatores de sensibilidade atômica doinstrumento. O desempenho do espectrômetro Kratos foi verificado por meio deanálise de uma amostra de poli(tetrafluoroetileno) (PTFE)1 a qual mostrouvalores experimentais de porcentagem atômica de flúor (APF) = 67 eporcentagem atômica de carbono = 33. Esses valores estão em excelenteconcordância com a estequiometria teórica do PTFE.

Também foi obtida uma varredura estreita do espectro de carbono 1s(C 1s). O espectro C 1s fornece informações químicas referentes ao tipo específicode funcionalidade de ligação de carbono que está presente. O envelope de carbono1s consiste em diversos componentes de pico, que incluem picos de um carbononão-funcionalizado, bem como carbonos ligados a átomos de flúor. O carregamentodas amostras isolantes foi corrigido mediante o uso de uma regra comum, queconsiste em colocar o componente de carbono não-funcionalizado a 285,0 eV. Apósa correção de carga, o pico próximo a 294 eV foi atribuído ao pico de -CF3, enquantoo pico com centro próximo a 292 eV foi atribuído à funcionalidade -CF2-. Essasatribuições de pico estão bem documentadas na literatura.

A análise dos espectros de carbono 1s exigiu que cadaespectro fosse processado mediante o uso de um procedimento de ajustede curva. Neste documento, o procedimento de ajuste de curva foi realizadomediante o uso do Vision Data Software Package, disponível junto à KratosAnalytical. O formato do pico, usado para todos os ajustes de curva, é ummodelo Gaussiano(70%)-Lorentziano(30%) de formato de pico, GL(30). Oenvelope de carbono 1s foi resolvido em 6 componentes. Os valores deCF3/CF2 aqui registrados são razões de áreas calculadas dos picos -CF3 e-CF2- ajustados com curvas GL(30).

Os ajustes instrumentais típicos para levantamento e carbono 1sque foram usados para a obtenção de espectros de levantamento e de carbono1s são fornecidos na Tabela 1, abaixo:

Tabela 1

<table>table see original document page 24</column></row><table>Método para determinação da razão saturapo/insaturado com o uso deToF-SIMS:

Espectrometria de massa de tempo de vôo do íon secundário(ToF-SIMS) é uma técnica de análise superficial em que um feixe pulsado de íonscom energia da ordem de quilovolts (íons primários) é usado para bombardear umaamostra, resultando no bombardeamento tônico de sua superfície. Durante obombardeamento iônico, espécies atômicas e moleculares neutras e ionizadas sãoemitidas a partir da superfície. As espécies ionizadas são chamadas de "íonssecundários", para distinção dos íons primários usados no bombardeamento. Osíons secundários de uma polaridade são acelerados em um campo elétrico para umespectrômetro de massa, em que passam por um tubo de vôo e chegam ao sistemade detecção e contagem. Os fragmentos partem da superfície da amostra aomesmo tempo e são submetidos à mesma tensão de aceleração e, como resultado,os fragmentos mais leves chegam ao sistema de detecção antes dos mais pesados.

O "tempo de vôo" de um fragmento é proporcional à raiz quadrada de sua massa,de modo que diferentes massas são separadas durante o vôo, e podem serdetectadas individualmente. A quantidade medida na análise é a massa dofragmento dividida pela quantidade de carga no mesmo (m/z).

A análise ToF-SIMS foi feita nas amostras usando-se uminstrumento Physical Electronics Trift I (Eden Prairie, Minnesota, EUA), comum feixe de íons primários de Ga+ com 15 quilovolts (keV) rasterizado sobreuma área-alvo da amostra de 400 pm χ 400 pm. A análise ToF-SIMS forneceinformações químicas sobre os 10 ou 20 A mais externos de um material, eproduz espectros de íons de fluorocarboneto nos modos tanto de íon positivocomo de íon negativo, estendendo-se para fora até uma massa de 1,000unidades de massa atômica (u) e além. A análise dos espectros de íonnegativo de mantas fluoradas com C3F8- mostrou que os íons defluorocarboneto poderiam ser separados em séries oligoméricas distintas, quevão de completamente saturado a altamente insaturado. As séries maisproeminentes são conforme exposto a seguir:

CnF2n+r, em que η = 1, 2, ...série completamente saturada(exemplos: C4F9", CeF17")

CnF2n-I-, em que η = 3,4,.. .série insaturada (exemplos: C4F7", C8F15")

CnF2iv3", em que η = 6,7, ...série insaturada (exemplos: C7F11", CaF13")

CnF2n-S*, em que η = 8, 9, ...série altamente insaturada (exemplos:

CeF11, C1OF1S")

Geralmente, cada uma dessas séries de íons exibe umadistribuição de intensidade que tende a diminuir em massas maiores. As sériesde íon insaturado são amplamente indicativas de fluoração direta da amostra,enquanto as séries de íon insaturado acima de η = 3 são indicativas dadeposição de um revestimento de fluoropolímero altamente ramificado sobre aamostra.

A razão saturado/insaturado (RSU) é calculada usando-se aseguinte equação:

<formula>formula see original document page 26</formula>

Os valores de "CxFy" são contagens de íons para uma dadaestrutura nos pontos do espectro especificados na Tabela 2, abaixo:

Tabela 2

<table>table see original document page 26</column></row><table><table>table see original document page 27</column></row><table>

Como ilustração dos tipos de espectro, a Figura 5 mostra umespectro ToF-SIMS para uma microfibra soprada (BMF) à base de polipropilenofluorado e, mais especificamente, o registro do espectro para uma espécieiônica C4F9". Os gráficos mostram progressivamente uma ampliaçãocentralizada em torno do íon C4F9" a uma m/z de 219. Conforme indicado nográfico inferior, a contagem de íons para a espécie C4F9" na faixa definida entrem/z 218,329 e m/z 219,953 foi de 1.520. Este seria o valor de contagem usadono cálculo da razão saturado/insaturado (SUR). Desse modo, as contagens paraespécies saturadas e insaturadas foram feitas para entrada no cálculo de SURpara um dado Exemplo.

Razão de saturação de flúorA razão de saturação de flúor (FSR) é um valor calculado,determinado pela divisão da porcentagem atômica de flúor (APF) de umaamostra por sua razão saturado/insaturado (SUR), sendo dada como:

<formula>formula see original document page 27</formula>Corrente de descarga termicamente estimulada (TSDC)

Os estudos de corrente de descarga termicamente estimulada(TSDC) foram conduzidos usando-se um Solomat TSC/RMA modelo 91000com um eletrodo pivotante, disponível junto à TherMoId Partners1 L.P.,Thermal Analysis Instruments, de Stamford, Connecticut, EUA. As amostras deteste foram preparadas mediante sua exposição, primeiro, a uma carga coronaCC para polarizar a carga aprisionada, que antes estava substancialmentenão-polarizada. O carregamento por corona CC corona foi realizado sobcondições ambientes, usando-se uma série de quatro barras de cargadispostas horizontalmente (obtidas sob a designação comercial"CHARGEMASTER PINNER ARC RESISTANT CHARGING BAR", junto àSimco Company, Hatfield, Pensilvania, EUA). As barras de carga estavamespaçadas com uma distância de centro a centro entre as barras 1 e 2, 2 e 3, e3 e 4 de 7,6 cm, 8,3 cm e 9,5 cm, respectivamente. Cada barra de carga estavasituada 3,5 cm acima de uma placa de metal aterrada correspondente. Umatensão de + 29 quilovolts (em relação às placas de metal aterradas) foiaplicada a cada barra de carga. As amostras foram carregadas mediante acolocação das mesmas em uma esteira contínua (número de peça 8882802A,obtida junto à Light Weight Belting Corporation, Minneapolis, Minnesota, EUA)em movimento (2,54 cm/s), a qual passava entre as barras de carga e asplacas de metal, de modo que a esteira mantinha contato com as placas demetal.

Para a determinação da TSDC, as amostras de manta tratadas porcorona foram colocadas entre eletrodos no instrumento de teste SolomatTSC/RMA. No instrumento Solomat, um termômetro foi disposto de modoadjacente à amostra, porém sem tocá-la, para registrar a temperatura durante adescarga. As amostras de manta eram opticamente densas, ou seja, não haviaorifícios visíveis através da manta de amostra. As amostras eram, também,grandes o bastante para cobrir completamente o eletrodo de contato superior doinstrumento Solomat. Para assegurar um bom contato elétrico com os eletrodos,as amostras de manta foram comprimidas em sua espessura a um fator de cercade 10. Com a amostra fixada ao instrumento, o ar da câmara de amostra foipurgado mediante o uso de hélio a uma pressão de cerca de 110 kPa.Resfriamento à base de nitrogênio líquido foi usado para resfriar a câmara atéuma temperatura de cerca de 5 °C.

Durante o procedimento de teste, uma amostra foi mantida a 5 0Cdurante 5 minutos com o campo desligado e, então, aquecida a 5 °C/min enquantoera medida a corrente de descarga. As densidades de carga podem ser calculadasa partir de cada pico de espectro de TSDC, traçando-se uma linha de base entre asmínimas em cada lado de um pico selecionado, e integrando-se a área sob o ditopico. A máxima do pico é definida como a temperatura à qual a corrente dedescarga obtém seu valor máximo.

Fator de qualidade ÍQ9) para estabilidade térmica

O fator de qualidade (Q9) para estabilidade térmica de uma amostrade teste foi determinado condicionando-se, primeiro, a mesma em um fomo durantenove horas, a 100°C. A amostra condicionada foi deixada resfriar e foi testadaquanto à penetração de partículas. O Q9 é um valor calculado que tem por base amedida da penetração de partículas pequenas de ftalato de dioctila (DOP), àmedida que estas são filtradas através da amostra de teste. A penetração departículas foi determinada mediante o uso de um equipamento para teste de filtrosautomatizado CertiTest, disponível junto à TSI, Inc., St. Paul, MN, EUA. A taxa defluxo do instrumento foi ajustada para 42,5 litros/minuto (L/min), o que correspondiaa uma velocidade de face de 6,9 centímetros por segundo (cm/s). O neutralizadorde partículas do sistema foi desligado. A queda de pressão por toda a amostra foimedida na velocidade de face de provocação de 6,9 cm/s, usando-se ummanômetro eletrônico. A queda de pressão foi registrada em milímetros de água(9,8 Pa (mmhfeO)). A penetração de DOP e queda de pressão são usados paracalcular o Q9 a partir do Iog natural (In) da penetração de DOP sob a seguintefórmula:

<formula>formula see original document page 30</formula>

Um valor de Q9 mais alto indica maior desempenho de filtração apóso condicionamento por calor. Um valor mais baixo de Q9 correlaciona-sediretamente com um menor desempenho de filtração após exposição ao calor.

Diâmetro efetivo da fibra

O diâmetro efetivo médio da fibra (EFD) de uma amostra de manta,medido em micrômetros, foi calculado usando-se a equação número 12 e umataxa de fluxo de ar de 32 L/min, de acordo com o método descrito em Davies, C.N., The Separation of Airborne Dust and Particles, Institution of MechanicalEngineers, London1 Proceedings 1B, 1952.

Solidez da manta

A solidez da manta foi determinada pela divisão da densidadeaparente da manta pela densidade dos materiais que a formam. A densidadeaparente é o peso base de uma manta (razão entre o peso da manta e sua áreasuperficial) dividido por sua espessura. A densidade aparente de uma mantafoi determinada medindo-se o peso e a espessura de uma área conhecida damesma. A espessura da manta foi determinada colocando-se uma amostradesta manta sobre um suporte plano e, então, baixando-se uma placa (9,81 cmde diâmetro, 230 g) sobre a dita amostra, a uma pressão de carga de 298Pascal. Com a amostra carregada, foi medida a distância entre a placa e osuporte plano. A divisão do peso da amostra de manta pela área da ditaamostra resultou no peso base (PB) da mesma, o qual é registrado em gramaspor centímetro quadrado (g/cm2). A densidade aparente foi determinada peladivisão do peso base da manta por sua espessura, e foi registrada em gramaspor centímetro cúbico (g/cm3). A solidez da manta (S) foi determinada peladivisão da densidade aparente da manta pela densidade dos materiais com osquais ela foi produzida. A densidade do polímero ou dos componentespoliméricos pode ser medida por métodos convencionais, caso o fornecedornão especifique a densidade do material. A solidez (S) é uma fraçãoadimensional do conteúdo percentual de sólidos de uma determinada espécie,e é calculada da seguinte forma:

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Exemplos

Os Exemplos a seguir foram selecionados meramente para melhorilustrar as características, as vantagens e outros detalhes da invenção. Deve-secompreender expressamente, no entanto, que embora os Exemplos sirvam a essepropósito, os ingredientes e quantidades específicos usados, bem como outrascondições e detalhes, não devem ser interpretados de maneira que limitariaindevidamente o escopo desta invenção.

Procedimentos gerais para fabricação de mantas, tratamento por plasma εcarregamento de eletretos

As mantas de microfibra soprada (BMF) usadas nos exemplos forampreparadas a partir de polipropileno (resina de polipropileno Fina EOD 97-13,disponível junto à Total Petrochemicals USA, Inc., Houston, Texas, EUA) e tinhamdiâmetros efetivos de fibras de aproximadamente 7,5 pm, um peso base de 62 g/m2,e uma solidez de 6%. As mantas foram preparadas conforme descrito de maneirageral em Wente, Van A., Superfine Thermoplastic Fibers, Industrial Eng.Chemistry, volume 48, páginas 1342 a 1346.

As mantas de BMF foram tratadas com plasma mediante o uso deum dentre dois métodos, denominados Método de tratamento por plasma A ouB. Esses métodos são descritos conforme exposto a seguir:Método de tratamento por plasma A

As mantas tratadas pelo método de tratamento por plasma "A"foram colocadas em uma câmara entre duas placas de eletrodo com 1,3 cm deespaçamento entre uma e outra. As placas tinham uma área superficial deeletrodo ativo de aproximadamente 900 cm2. Com a amostra em posição, acâmara foi lacrada e evacuada até uma pressão não maior queaproximadamente 3 Pascais (Pa). Após a evacuação, uma mistura gasosa foiintroduzida, a uma taxa de fluxo específica, na lacuna entre os eletrodos deplasma. Foi mantida uma pressão de câmara de 67 Pa. Os eletrodos no interiorda câmara foram, então, energizados mediante o uso de um gerador de RF(13,56 MHz) conectado através de uma rede de acoplamento automático (RF-50 e AMN-20-K, RF Plasma Products, Inc., Voorhees, NJ, EUA), para manter oplasma. A manta foi exposta ao plasma durante um tempo específico, de modo ase obter uma energia de exposição a plasma desejada. O tempo depermanência das moléculas de gás na câmara de tratamento foi estimado comoestando em torno de 50 a 60 milissegundos para uma pressão de 67 Pa e umfluxo de 0,024 centímetros cúbicos padrão por minuto, por centímetro quadradode amostra. Ambos os lados da manta foram tratados dessa maneira.

Método de tratamento por plasma B

As mantas submetidas ao método de tratamento por plasma "B"foram tratadas por plasma em um processo de transporte da manta durante umtempo específico, usando-se um plasma CA em uma câmara de vácuo que foipreenchida com 24,7 Pa de gás de espécie contendo flúor, a uma energia totalde plasma especificada. O tempo de permanência da molécula na câmara detratamento foi estimado como estando em cerca de 120 segundos para umapressão de 67 Pa e um fluxo de 0,024 centímetros cúbicos padrão por minuto,por centímetro quadrado da área da amostra. A taxa de bombeamento foiajustada para controlar a pressão de trabalho desejada. Um sistema detransporte da manta moveu a amostra através da lacuna, entre um conjunto deeletrodos de tambor com uma configuração tal que ambos os lados do substratoforam submetidos ao plasma. O tratamento de cada lado teve duração igual. Oseletrodos de tambor consistiam em um tambor de alumínio 6061 circundado poruma placa de alumínio 6061 concêntrica, que formava uma lacuna através daqual foi passado o substrato. A energia foi aplicada por um gerador de RF (13,56MHz) conectado através de uma rede de acoplamento automático (RF- 50 eAMN-20-K, RF Plasma Products, Inc., Voorhees, NJ1 EUA) para manter oplasma. Ambos os conjuntos de eletrodos foram resfriados até 23 0C por águarecirculada.

Após o tratamento, as mantas foram carregadas com eletreto deum modo genericamente descrito na patente U.S. n° 5.496.507, de Angadjivand,et al. As mantas foram carregadas mediante o uso de um dentre dois métodos,denominados Método de hidrocarga A ou B, abaixo.

Método de hidrocarga A

As mantas tratadas pelo método de hidrocarga "A" foram passadassob bocais de aspersão que aplicava água desionizada, com uma resistividadede cerca de 6x106 ohm.cm, a uma face da dita manta, enquanto um vácuo eraaplicado à face oposta da mesma. A água foi aplicada às mantas mediante o usode bocais de aspersão Teejet modelo 95015, disponíveis junto à SprayingSystems, Wheaton, IL, EUA. Os bocais de aspersão foram colocados com umespaçamento 10 cm entre si, e a 10,5 cm de distância das mantas, sendooperados a uma pressão de 689 kPa. A água foi aspergida a uma taxa de cercade 0,87 litros de água por metro quadrado de manta. As mantas passaram pelosbocais de aspersão a uma velocidade de 15 cm/s, enquanto um vácuo de 8,7kPa abaixo da pressão atmosférica era aplicado a uma fenda com cerca de 0,6cm de largura, que estava posicionada em oposição aos ditos bocais deaspersão sob a esteira transportadora de malha aberta. Ambos os lados damanta foram tratados dessa maneira. A manta foi seca em um forno a 710Cdurante cerca de 38 segundos.

METODO DE HIROCARGA B

As mantas tratadas pelo método de hidrocarga "B" foramcarregadas mediante o uso de água destilada com uma resistividade de cerca de2x106 ohm.cm. A água foi aspergida sobre a manta enquanto esta eratransportada a uma velocidade de 5,1 cm/s sobre uma esteira porosa, passandopor dois bocais de aspersão (tipo Teejet 9501, Spraying Systems, Wheaton, IL,EUA). Os bocais de aspersão operavam a uma pressão de 758 kPa e estavamorientados de modo que seu padrão de aspersão fosse perpendicular à direçãoda trajetória da manta. Os bocais de aspersão foram posicionados com 10 cm deseparação entre si, e a 10 cm de distância da esteira. Situada sob a esteiratransportadora, em oposição aos bocais de aspersão, estava uma fenda paravácuo com 25 cm de comprimento e 0,5 cm de largura, a qual estava conectadaa um aspirador para materiais secos ou molhados Dayton Electric modelo2Z974B (Dayton Electric, Chicago, IL, EUA). Ambos os lados da manta foramtratados da maneira descrita. Em seguida ao tratamento com água, as mantasforam secas sob condições ambientes durante aproximadamente dezesseishoras.

exemplos 1.2.3 e 4

As mantas de BMF conforme descritas na seção sobreprocedimentos gerais para fabricação e tratamento de mantas, forampreparadas mediante o uso do Método de tratamento por plasma B,empregando plasmas de diversas composições. As mantas tratadas complasma foram carregadas com eletreto mediante o uso do Método de hidrocargaA. As condições para preparação de amostras, inclusive o gás de espéciecontendo flúor, a razão de blenda da dita espécie, o tempo de exposição, aenergia de plasma total e a taxa de fluxo de gás, são fornecidas na Tabela 4,com valores correspondentes para a porcentagem atômica de flúor (APF)1 arazão saturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR) e o fatorde qualidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, fornecidos na Tabela 5.

Exemplos 5.6.7 ε 8

As mantas de BMF1 conforme descritas na, foram preparadasmediante o uso do Método de tratamento por plasma A e do Método dehidrocarga B, empregando plasmas cujas composições consistem em umablenda de gases de 5% de F2 e 95% de He, em porcentagem volumétrica. Apósum período especificado, a câmara foi desenergizada e purgada, e a amostra foiremovida. A amostra foi, então, colocada de volta na câmara, com o lado tratadono primeiro estágio voltado para baixo na placa energizada. O processo foirepetido.

As condições para preparação de amostras, inclusive o gás deespécie contendo flúor, a razão de blenda da dita espécie, o tempo total deexposição e a energia de plasma total, são fornecidas na Tabela 4, com valorescorrespondentes para a porcentagem atômica de flúor (APF), a razãosaturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR) e o fator dequalidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, fornecidos na Tabela 5.

Exemplos comparativos 1c. 2c. 3c. 4c. 5c. 6c. 7c. 8c ε 9c

As mantas de BMF, conforme descritas na seção sobreprocedimentos gerais para fabricação e tratamento de mantas, forampreparadas mediante o uso de diversas espécies gasosas contendo flúor, deacordo com o Método de tratamento por plasma Beo Método de hidrocarga A.

As condições para preparação de amostras, inclusive o gás de espécie contendoflúor, o tempo de exposição e a energia de plasma total, são fornecidas naTabela 4, com valores correspondentes para a porcentagem atômica de flúor(APF), a razão saturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR) eo fator de qualidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, fornecidos naTabela 5.

Exemplos comparativos 10c. 11c. 12c ε 13c

Os Exemplos Comparativos de 10c a 13c foram extraídosdiretamente da patente U.S. n° 6.397.548 (Jones et al), estando os exemplos dapatente correlacionados aos Exemplos Comparativos apresentados na Tabela3. Todas as mantas foram fluoradas sob pressão atmosférica com aconcentração mencionada de gás contendo flúor, diluído em hélio puro. Ascondições para preparação de amostras, inclusive gás de espécie contendoflúor, tempo de exposição e energia de plasma total, são fornecidas na Tabela 4.

Os valores para a porcentagem atômica de flúor (APF), a razãosaturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR), o fator dequalidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, onde aplicável, sãomostrados na Tabela 5.

Tabela 3

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Tabela 4

<table>table see original document page 36</column></row><table><table>table see original document page 37</column></row><table>

ND = Não disponível

Tabela 5

<table>table see original document page 37</column></row><table><table>table see original document page 38</column></row><table>

ND = Não disponível

* Sinal não detectável

Como é evidente a partir dos resultados da filtração Q9apresentados na Tabela 5, as mantas de filtro fluoradas da invenção queapresentam valores mais altos de FSR obtêm uma otimização significativaquanto à filtração termicamente estável. As mantas com uma razão desaturação de flúor (FSR) de 200 ou mais obtêm níveis otimizados de fator dequalidade Q9 para estabilidade térmica, em relação a mantas com valores deFSR menores que 200.

A Figura 6 é um gráfico dos dados de FSR para os Exemplos de 1a 8, e mostra uma tendência geral de aumento nos valores de Q9 com valores deFSR mais altos.

Adicionalmente, as mantas de filtro fluoradas da invenção que têmmaiores valores de pico de TSDC demonstram maior estabilidade térmica que asmantas com valores de TSDC mais baixos. Conforme mostrado na Tabela 5, asmantas com um valor máximo de TSDC de 130 0C ou mais exibem níveisotimizados de fator de qualidade Q9 para estabilidade térmica, em relação amantas com valor máximo de TSDC menores que 130 °C.

Um pedido que também descreve um método para a obtenção deum artigo de eletreto termicamente estável é intitulado "Electret Article HavingHeteroatoms and Low Fluorosaturation Ratio", depositado no mesmo dia queeste pedido (Caso do Advogado Número 59338US002).

Esta invenção pode sofrer diversas modificações e alteraçõessem afastar-se de seu espírito e escopo. Conseqüentemente, esta invençãonão está limitada ao acima descrito, porém será controlada pelas limitaçõesapresentadas nas reivindicações a seguir, e em quaisquer equivalentes dasmesmas.

Esta invenção pode, também, ser adequadamente praticada naausência de qualquer elemento não especificamente apresentado nestedocumento.

Todas as patentes e todos os pedidos de patente acima citados,inclusive aqueles na seção de Fundamentos da Invenção, estão aquiincorporados a título de referência, em sua totalidade.

Claims

1. ARTIGO DE ELETRETO, caracterizado pelo fato decompreender:um material polimérico ao qual é conferida uma carga elétrica, oqual tem uma razão entre CF3 e CF2 de ao menos cerca de 0,15, e uma razão desaturação de flúor maior que cerca de 200.

2. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o material polimérico é não-condutor, sendo queo dito artigo de eletreto exibe uma carga elétrica persistente.

3. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que o material polimérico está sob a forma de umamanta de não-tecido composta por microfibras produzidas por extrusão em blocoscom passagem de ar quente em alta velocidade (meltblown) que têm um diâmetroefetivo de cerca de 1 a 20 micrômetros.

4. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que a razão CF3:CF2 é de ao menos cerca de 0,2 emenor que cerca de 0,7, e em que a resistividade volumétrica é de cerca de 1016ohmcm, ou maior.

5. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato de ter um peso base de cerca de 20 a 150 g/m2, umaespessura de cerca de 0,25 a 20 mm, e uma solidez de cerca de 3 a 10.

6. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que a superfície do material polimérico tem cerca de 45 a 60% de flúor, em porcentagem atômica.

7. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de ter uma razão de saturação de flúor maior que cercade 250, e ter um valor de Q9 de ao menos cerca de 1,40 ou maior, por 9,8 Pa(ITimH2O).

8. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o material polimérico é não-condutor, sendo queo eletreto exibe carga elétrica persistente, e sendo que as fibras são de fiaçãocontínua.

9. MÁSCARA FACIAL FILTRANTE, caracterizada pelo fato decompreender um elemento filtrante que inclui o artigo de eletreto de acordo coma reivindicação 3.

10. ELEMENTO FILTRANTE, caracterizado pelo fato decompreender o artigo de eletreto de acordo com a reivindicação 1, estando sob aforma de uma matriz de múltiplos canais de fluxo.