CN116348190A - 具有羧酸或羧酸盐电荷增强添加剂的驻极体料片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了包含热塑性树脂和电荷增强添加剂的驻极体料片。该电荷增强添加剂是取代的苯甲酸或取代的苯甲酸盐。该苯甲酸和苯甲酸盐在苯环的邻位或1位处被羟基或氨基基团取代。苯环可以含有另外的取代基。取代的苯甲酸盐可具有一价、二价或三价金属抗衡阳离子。

Description

具有羧酸或羧酸盐电荷增强添加剂的驻极体料片

技术领域

本公开涉及含有电荷增强添加剂的驻极体料片及其用途，所述驻极体料片包括非织造纤维料片，诸如非织造热塑性微纤维料片。

背景技术

驻极体是显示具有准永久性电荷的电介质材料。驻极体可用于多种装置，包括例如粘性膜、空气过滤器、过滤面罩和呼吸器，并且可用作诸如麦克风、耳机和静电录音机的电声装置中的静电元件。

可以通过将电荷赋予纤维以形成驻极体材料来改善用于气溶胶过滤的微纤维料片的性能。具体地讲，驻极体在提高气溶胶过滤器的颗粒捕集能力方面是有效的。已知多种方法可在微纤维料片中形成驻极体材料。此类方法包括例如当熔喷纤维从模孔流出并形成纤维时用带电荷粒子诸如电子或离子对其进行轰击。其它方法包括例如在料片形成后使用直流电晕放电使纤维带电，或者使用梳理法和/或行针法(摩擦起电法)使纤维垫带电。另外，描述了一种水射流或水滴流以足以提供过滤性增强的驻极体电荷的压力冲击非织造料片的方法(水充电法)。

发明内容

本公开涉及驻极体料片及其用途，诸如电过滤介质，所述驻极体料片是包含电荷增强添加剂的非织造纤维料片。

在一些实施方案中，驻极体料片包含热塑性树脂和电荷增强添加剂，所述电荷增强添加剂包括取代的芳族羧酸或取代的芳族羧酸盐。取代的芳族羧酸具有如下所示的式1：

WO 2022/034437A1

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键，并且X包括-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基。取代的芳族羧酸盐具有式2：

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或者R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键，X包括-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基，n是1、2或3的整数，并且M是化合价为n的金属离子。

具体实施方式

仍需要具有改善特性的驻极体料片。本公开提出了含有电荷增强添加剂的驻极体料片。这些电荷增强添加剂使驻极体料片可通过多种不同的充电机制(例如摩擦起电、电晕放电、水充电或它们的组合)容易地带上电荷。在一些实施方案中，本公开的驻极体料片能够单独通过电晕放电特别是直流电晕放电进行充电，无需另外的充电机制。

可用于本公开的驻极体料片包括热塑性树脂和电荷增强添加剂的共混物。由此类共混物制备的料片可表现出强于由热塑性树脂单独制备的料片的性能。可用的电荷增强添加剂包括取代的芳族羧酸和取代的芳族羧酸盐。

驻极体料片可为多种形式。例如，料片可为连续或不连续的膜或者纤维料片。纤维料片尤其可用于形成过滤介质。在一些实施方案中，料片为非织造微纤维料片。微纤维的有效直径(或如果通过例如扫描电镜的方法测定，则为平均直径)通常为1微米至100微米，或者更通常为2微米至30微米，并且该微纤维无需具有圆截面。

术语“一个”、“一种”和“该”、“所述”可互换使用，其中“至少一个(种)”意指一个(种)或多个(种)所述要素。

术语“驻极体”是指显示具有准永久性电荷的材料。电荷可以通过X射线放电测试(如实例部分中所述)进行表征；

术语“烷基”是指为烷烃基的一价基团，该烷烃为饱和烃。烷基可为直链的、支链的、环状的或它们的组合，并且通常具有1至20个碳原子。在一些实施方案中，烷基基团含有1至18个、1至12个、1至10个、1至8个、1至6个或1至4个碳原子。烷基的例子包括(但不限于)甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、正已基、环己基、正庚基、正辛基和乙基己基。

术语“杂烷基”是指含有杂原子的烷基。这些杂原子可为侧基原子，例如卤素(诸如氟、氯、溴或碘)或诸如氮、氧或硫的链原子。杂烷基基团的示例是诸如–CH₂CH₂(OCH₂CH₂)_nOCH₂CH₃的聚氧烷基。

术语“烷氧基”是指类型-OR的基团，其中R为烷基、取代的烷基、芳基或芳烷基基团。

术语“取代的烷基”是指在烃主链上含有取代基的烷基基团。这些取代基可以为烷基基团、杂烷基基团或芳基基团。取代的烷基的示例为苄基。

术语“芳基”是指芳族碳环基团，该基团含有1至5个可连接或稠合的环。芳基可以被烷基或杂烷基取代。芳基的示例包括苯基、萘基和蒽基。

术语“聚合物”和“聚合物材料”是指由一种单体诸如均聚物制得的材料，或是指由两种或更多种单体诸如共聚物、三元共聚物等制得的材料，或该两者。同样，术语“聚合”是指制造聚合物材料的方法，聚合物材料可为均聚物、共聚物、三元共聚物等。术语“共聚物”和“共聚材料”是指由至少两种单体制得的聚合物材料。

术语“室温”和“环境温度”可互用，意指20℃至25℃范围内的温度。

如本文所用，术语“可热熔加工”是指组合物可通过例如加热和加压从固体转化为粘稠流体。该组合物应能够进行热熔融处理，同时不会发生显著的化学转化、降解或变得无法用于预期应用。

除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所使用的表达特征尺寸、量和物理特性的所有数在所有情况下均应理解成由术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，所给出的数字都是近似值，可以取决于期望的性质利用本文所公开的教导内容而变化。

可用于本公开的热塑性树脂包括在成形为料片并充电时能够保持大量捕获的静电电荷的任何热塑性绝缘聚合物。通常，此类树脂在预期用途温度下的DC(直流电)电阻率大于10¹⁴Ω-cm。能够获得捕获电荷的聚合物包括聚烯烃，例如聚丙烯、聚乙烯和聚(4-甲基-1-戊烯)；聚氯乙烯；聚苯乙烯；聚碳酸酯；聚酯，包括聚交酯；以及全氟聚合物和共聚物。特别可用的材料包括聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、它们的共混物或由丙烯和4-甲基-1-戊烯中的至少一者形成的共聚物。

合适的热塑性树脂的示例包括例如聚丙烯树脂：ESCORENE PP3746G，可从美国德克萨斯州欧文市的埃克森美孚公司(Exxon-Mobil Corporation,Irving,TX)商购获得；TOTAL PP3960、TOTAL PP3860和TOTAL PP3868，可从美国德克萨斯州休斯敦的美国道达尔石化公司(Total Petrochemicals USA Inc.,Houston,TX)商购获得；以及METOCENEMF650W，可从荷兰鹿特丹的利安德巴塞尔工业公司(LyondellBasell Industries,Inc.,Rotterdam,Netherlands)商购获得；以及聚-4-甲基-1-戊烯树脂TPX-MX002，可从日本东京的三井化学株式会社(Mitsui Chemicals,Inc.,Tokyo,Japan)商购获得。

电荷增强添加剂是取代的芳族羧酸或取代的芳族羧酸盐。通常，电荷增强添加剂是取代的苯甲酸或取代的苯甲酸盐。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂是取代的芳族羧酸，通常为取代的苯甲酸。这些化合物可由如下所示的式1的通式结构表示：

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键；并且X包括羟基(-OH)或氨基(-NR⁵R⁶)基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有通式1的结构，其中X包括羟基基团。在这些实施方案中的一些中，每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子。在其它实施方案中，R¹和R⁴包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合芳环，通常为稠合苯环的键。

在其它实施方案中，电荷增强添加剂具有通式1的结构，其中X包括氨基(-NR⁵R⁶)基团。通常，R⁵和R⁶各自包括氢原子。在这些实施方案中的一些中，每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子。在其它实施方案中，R¹和R⁴包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合芳环，通常为稠合苯环的键。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式1A的结构。该结构具有通式1，其中X基团包括羟基基团，并且每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式1B的结构。该结构具有通式1，其中X基团包括羟基基团，R¹和R⁴包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合芳环，即稠合苯环的键。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式1C的结构。该结构具有通式1，其中X基团包括氨基基团(-NR⁵R⁶)，其中R⁵和R⁶各自包括氢原子，并且每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式1D的结构。该结构具有通式1，其中X基团包括氨基基团(-NR⁵R⁶)，其中R⁵和R⁶各自包括氢原子，R¹和R⁴包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合芳环，即稠合苯环的键。

上文已经描述的式1化合物的一些特别合适的示例在下文示出为如下式1A、1B、1C和1D：

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也可以使用通式1的充电添加剂的组合。

本文还公开了电荷增强添加剂，其为取代的芳族羧酸盐，通常为取代的苯甲酸盐。这些盐可由如下所示的式2的通式结构描述：

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键；并且X包括羟基(-OH)或氨基(-NR⁵R⁶)基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基；n是1、2或3的整数；M是化合价为n的金属离子。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有通式1的结构，其中X包括羟基基团。在这些实施方案中的一些中，每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子。在其它实施方案中，R¹和R⁴包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合芳环，通常为稠合苯环的键。

在其它实施方案中，电荷增强添加剂具有通式1的结构，其中X包括氨基(-NR⁵R⁶)基团。通常，R⁵和R⁶各自包括氢原子。在这些实施方案中的一些中，每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子。在其它实施方案中，R¹和R⁴包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合芳环，通常为稠合苯环的键。

在一些实施方案中，M是一价金属离子，即n＝1。合适的一价金属离子的示例包括锂(Li⁺)、钠(Na⁺)和钾(K⁺)。在其它实施方案中，M是二价金属离子，即n＝2。合适的二价金属离子的示例包括镁(Mg²⁺)和锌(Zn²⁺)。在其它实施方案中，M是三价金属离子，即n＝3。三价金属离子的示例是铝(Al³⁺)。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式2A的结构。该结构具有通式2，其中X基团包括羟基基团，每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子，n是1，并且M是钠(Na)。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式2B的结构。该结构具有通式2，其中X基团包括羟基基团，每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子，n为1，并且M为锂(Li)。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式2C的结构。该结构具有通式2，其中X基团包括羟基基团，每个R¹、R²、R³和R⁴包括氢原子，n是2，并且M是镁(Mg)。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式2D的结构。该结构具有通式2，其中X基团包括羟基基团，R¹和R⁴包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合芳环，即稠合苯环的键，n是1，并且M是钠(Na)。

在一些实施方案中，电荷增强添加剂具有下式2E的结构。该结构具有通式2，其中X基团包括氨基基团(-NR⁵R⁶)，其中R⁵和R⁶各自包括氢原子，并且每个R¹、R³和R⁴包括氢原子，R²是硝基基团(-NO₂)，n是1，并且M是钾(K)。

上文已经描述的式2的化合物的一些特别合适的示例在下文示出为如下式2A、2B、2C、2D和2E：

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也可以使用通式2的充电添加剂的组合。

可添加任何合适量的电荷增强添加剂。本公开的电荷增强添加剂已经被证明即使加入相对少的量也有效。通常，基于热塑性树脂和电荷增强添加剂的共混物的总重量，电荷增强添加剂以至多约10重量％、更典型地在0.02重量％至5重量％的范围内的量存在于该共混物中。在一些实施方案中，电荷增强添加剂以0.1重量％至3重量％、0.1重量％至2重量％、0.2重量％至1.0重量％或0.25重量％至0.5重量％范围内的量存在。

热塑性树脂和电荷增强添加剂的共混物可通过熟知的方法制备。通常，使用熔融挤出技术对共混物进行加工，因此可应用间歇工艺将该共混物预混成粒料，或者可应用连续工艺在挤出机中混合热塑性树脂和电荷增强添加剂。在采用连续工艺时，热塑性树脂和电荷增强添加剂可以固体的形式进行预混合，或分别添加至挤出机并让它们在熔化的状态混合。

可用于形成预共混粒料的熔融混合器的示例包括提供分散混合功能、分布混合功能或分散混合与分布混合组合功能的熔融混合器。间歇式方法的示例包括使用BRABENDER(例如可从新泽西州南哈肯萨克C.W.布拉本德仪器公司(C.W.Brabender Instruments,Inc.；South Hackensack,NJ)商购获得的BRABENDER PREP CENTER)或班伯里(BANBURY)内混式与辊轧式设备(例如可得自美国康涅狄格州安索尼亚法雷尔公司(Farrel Co.,Ansonia,CT)的设备)的方法。间歇式混合后，可立即将所生成的混合物骤冷并将其保存于混合物熔融温度以下的温度以备后续加工。

连续方法的示例包括单螺杆挤出、双螺杆挤出、圆盘挤出、往复式单螺杆挤出和销钉机筒单螺杆挤出。连续方法可包括使用分配元件如腔体转移混合器(例如，CTM，可从英国什鲁斯伯里的RAPRA科技有限公司(RAPRA Technology,Ltd.；Shrewsbury,England)商购获得)。以及销钉混合元件、静态混合元件或分散混合元件(可商购获得的例如MADDOCK混合元件或SAXTON混合元件)。

可用于挤压通过间歇工艺制备的预共混粒料的挤出机的示例包括与上述连续工艺中所描述的设备类型相同的设备。可用的挤出条件通常是适于挤出不含添加剂的树脂的那些条件。

可使用任何合适的技术，将热塑性树脂与电荷增强添加剂的挤出共混物浇注或涂覆成膜或薄片或者可形成纤维料片。通过例如美国专利号6,524,488(Insley等人)所述的方法，膜可制成多种制品，包括过滤介质。纤维料片可由多种纤维类型制成，包括例如熔喷微纤维、短纤维、原纤化膜以及它们的组合。制备纤维料片的技术包括例如气纺法、湿法成网法、水缠结法、纺粘法、熔喷法以及它们的组合。熔喷和纺粘的非织造微纤维料片尤其可用作过滤介质。

熔喷和纺粘的非织造微纤维驻极体过滤器尤其可用作呼吸器的空气过滤器元件(例如过滤面罩)，或可用于诸如以下用途：家用和工业空调、空气净化器、真空吸尘器、医用空气管路过滤器以及车辆与普通设备(例如计算机、计算机磁盘驱动器和电子设备)用空气调节系统。在一些实施方案中，驻极体过滤器与呼吸器组件组合，形成专门供个人使用的呼吸装置。应用于呼吸器时，驻极体过滤器可以为模制、打褶或折叠的半面罩呼吸器、可替换滤芯或滤罐、或预过滤器的形式。

可用于本公开中的熔喷微纤维可如Van A.Wente，“超细热塑性纤维(SuperfineThermoplastic Fibers)”，工业工程化学(Industrial Engineering Chemistry)，第48卷，第1342-1346页和Van A.Wente等人所著的出版于1954年5月25日的名称为“超细有机纤维的制造(Manufacture of Super Fine Organic Fibers)”的海军研究实验室第4364号报告(Report No.4364of the Naval Research Laboratories)中所述制备。

纺粘微纤维可通过纺粘工艺形成，其中一种或多种连续无聚合物纤维挤出到收集器中，例如，如美国专利号4,340,563和8,162,153以及美国专利公开号2008/0038976所述。

可用于纤维驻极体过滤器的熔喷和纺粘微纤维的有效纤维直径通常为约1微米至100微米，更通常为2微米至30微米，在一些实施方案中为约7微米至15微米，这些有效纤维直径是根据Davies,C.N.，“气载尘埃和粒子的分离(The Separation of Airborne Dustand Particles)”，伦敦机械工程研究所(Institution of Mechanical Engineers，London)，会刊1B(Proceedings 1B)，1952年中所提出的方法计算。

短纤维也可存在于料片中。与仅由吹塑微纤维形成的料片相比，短纤维的存在提供了通常更为膨松有弹性且密度更小的料片。一般来讲，存在的短纤维不超过约90重量％，更通常不超过约70重量％。含有短纤维的织物的示例在美国专利4,118,531(Hauser)中公开。

料片也可包含吸附剂颗粒物质，例如活性炭或氧化铝。此类颗粒存在的量可以最多为料片内容物体积的约80％。颗粒填充料片的示例在例如美国专利3,971,373(Braun)、美国专利4,100,324(Anderson)和美国专利4,429,001(Kolpin等人)中有所描述。

各种可选的添加剂可与热塑性组合物共混，该添加剂包括例如颜料、光稳定剂、主要和次要抗氧化剂、金属减活化剂、受阻胺、受阻酚、脂肪酸金属盐、亚磷酸三酯、磷酸盐、成核剂、含氟化合物以及它们的组合。特别合适的添加剂包括HALS(受阻胺光稳定剂)和抗氧化剂，因为这些添加剂也可以充当电荷增强添加剂。此外，其它电荷增强添加剂也可与热塑性组合物混合。可行的电荷添加剂包括热稳定有机三嗪化合物或低聚物，除了位于三嗪环上的那些氮原子，该化合物或低聚物包含至少一个氮原子，参见例如授予Rousseau等人的美国专利6,268,495、5,976,208、5,968,635、5,919,847和5,908,598。已知用于增强驻极体的另一种添加剂是“CHIMASSORB 944”：(聚[[6-(1,1,3,3,-四甲基丁基)氨基]-s-三嗪-2,4-二基][[(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]环己烷[(2,2,6,6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]])，可购自德国路德维希港巴斯夫公司(BASF,Ludwigshafen,Germany)。电荷增强添加剂可为N-取代的氨基芳香化合物，特别是三氨基取代的化合物，例如2,4,6-三苯胺基-对-(碳-2’-乙基己基-1’-氧)-1,3,5-三嗪，可以商品名“UVINUL T-150”购自德国路德维希港巴斯夫公司。另一电荷添加剂为2,4,6-三-(十八烷基氨基)-三嗪，其也被称为三硬酯基三聚氰胺(“TSM”)。美国专利申请号61/058,029、美国专利申请号61/058,041、美国专利号7,390,351(Leir等人)、美国专利号5,057,710(Nishiura等人)和美国专利号4,652,282和4,789,504(Ohmori等人)中提供了电荷增强添加剂的其它示例。

另外，可对料片表面进行化学改性处理。可通过如下步骤实现表面氟化：将聚合物制品置于含有含氟物质和惰性气体的大气环境中，然后进行放电以对聚合物制品的表面化学进行改性。放电可具有等离子体形式，例如AC电晕放电。该等离子体氟化法使氟原子存在于聚合物制品的表面上。等离子体氟化过程在授予Jones/Lyons等人的美国专利6,397,458、6,398,847、6,409,806、6,432,175、6,562,112、6,660,210和6,808,551中有所描述。具有高氟饱和系数的驻极体制品在授予Spartz等人的美国专利7,244,291中有所描述，具有低氟饱和系数并结合杂原子的驻极体制品在授予Kirk等人的美国专利7,244,292中有所描述。其他公开氟化技术的专利公开包括：美国专利号6,419,871、6,238,466、6,214,094、6,213,122、5,908,598、4,557,945、4,508,781和4,264,750；美国专利公开US 2003/0134515A1和US 2002/0174869A1；和国际专利公开WO 01/07144。

根据本公开制备的驻极体过滤介质通常具有在约10g/m²至500g/m²范围内的基重(单位面积质量)，并且在一些实施方案中为约10g/m²至100g/m²。在制备熔喷微纤维料片的过程中，可通过例如改变收集器速度或模具吞吐量来控制基重。过滤介质的厚度通常为约0.25毫米至20毫米，并且在一些实施方案中为约0.5毫米至2毫米。过滤元件中通常使用多层驻极体料片。纤维驻极体料片的密实度通常为约1％至25％，更通常地为约3％至10％。密实度是限定料片固体比率的无单位参数。总体而言，本公开的方法可提供这样的驻极体料片，其在整个料片内具有大致均匀的电荷分布，而与基重、厚度或介质密实度无关。驻极体过滤介质和生产该介质的树脂不应进行任何可能增加其电导率的不必要处理，例如将其暴露于电离辐射、γ射线、紫外线照射、高温分解、氧化等。

驻极体料片可在其形成时带上电荷，或者料片可在其形成后带上电荷。在驻极体过滤介质中，该介质通常在形成料片后带上电荷。通常可以使用本领域已知的任何标准充电方法。例如，可通过多种方法进行充电，包括摩擦起电、电晕放电和水充电。还可以使用这些方法的组合。如上所述，在一些实施方案中，本公开的驻极体料片需要具有这样的特点，即能够单独通过电晕放电进行充电，特别是直流电晕放电，无需另外的充电方法。

合适的电晕放电工艺的示例在美国专利Re.30,782(van Turnhout)、美国专利Re.31,285(van Turnhout)、美国专利Re.32,171(van Turnhout)、美国专利4,215,682(Davis等人)、美国专利4,375,718(Wadsworth等人)、美国专利5,401,446(Wadsworth等人)、美国专利4,588,537(Klaase等人)、美国专利4,592,815(Nakao)和美国专利6,365,088(Knight等人)中有所描述。

可用于对驻极体料片充电的另一种技术是水充电。料片的水充电通过使纤维与水以足以赋予纤维电荷的方式接触，随后干燥料片来进行。水充电的一个示例涉及用水射流或水滴流，以足以为料片提供提高过滤性的驻极体电荷的压力冲击料片，并且然后干燥料片。达到最佳结果的必需压力根据以下因素而变化：使用的喷雾器的类型、形成织物的聚合物类型、加入到聚合物的添加剂的类型和浓度、料片的厚度和密度以及是否在水充电之前进行预处理，例如电晕表面处理。一般来讲，水压力在约10psi至500psi(69kPa至3450kPa)范围内为合适的。水射流或水滴流可以由任何合适的喷雾装置提供。可用的喷雾装置的一个示例是用于水力缠结纤维的设备。水充电的合适方法的示例在美国专利5,496,507(Angadjivand等人)中有所描述。其它方法在美国专利6,824,718(Eitzman等人)、美国专利6,743,464(Insley等人)、美国专利6,454,986(Eitzman等人)、美国专利6,406,657(Eitzman等人)以及美国专利6,375,886(Angadjivand等人)中有所描述。料片的水充电也可以使用美国专利7,765,698(Sebastian等人)中公开的方法进行。

为评估过滤性能，已经开发出多种过滤测试方案。这些测试包括使用标准测试用气溶胶(诸如邻苯二酸二辛酯(DOP))测量过滤器料片的气溶胶渗透率，通常以气溶胶渗透穿过过滤器料片的百分比(％Pen)表示；并且这些测试包括测量整个过滤器料片的压降(ΔP)。根据这两个测试，通过下列公式可以计算称为品质因数(QF)的数值：

QF＝-ln(％Pen/100)/ΔP，

其中ln代表自然对数。较高的QF值表明过滤性能较好，QF值下降则表明过滤性能降低。测量这些值的详细方法在实施例部分展示。通常，本公开的过滤介质在6.9厘米/秒的面速度下测得QF值为0.3(mm H₂O)^-1或更大。

为了验证特定的过滤介质是带静电荷性质的，可以检查其在暴露于离子化X射线辐射前后的性能。如文献中所述，例如，由R.C.Brown于1993年在佩加蒙出版社(PergamonPress)上发表的Air Filtration(空气过滤)和“Application of Cavity Theory to theDischarge of Electrostatic Dust Filters by X-Rays(将空穴理论应用于经由X射线产生的静电粉尘过滤器放电)”,A.J.WAKER和R.C.Brown,Applied Radiation and Isotopes(应用辐射和同位素)，第39卷，第7号，第677-684页，1988，如果带静电荷的过滤器暴露于X射线，则气溶胶穿过过滤器的渗透率在暴露之后将大于暴露之前的，原因在于由过滤器之间的气穴中的X射线所产生的离子会中和一些电荷。因而，可以获得渗透率对累积的X射线暴露的图，该图显示稳定增加到进一步辐射不再引起变化的恒定水平。在该点处，所有的电荷均被从过滤器除去。

这些观察结果促使研究人员采用另一种测试方案来表征过滤性能，也就是X射线放电测试。在此测试方案中，选择数片要测试的过滤介质，使其经受X射线辐射以对驻极体料片放电。此测试的一个属性为它确认该料片为驻极体。由于已知X射线会除去驻极体电荷，因此将过滤介质暴露于X射线并在该暴露前后测定过滤器的性能，通过比较暴露前后的过滤器性能可以确定过滤介质是否为驻极体。如果在暴露于X射线辐射之后，过滤器性能未发生改变，则表明没有任何电荷被除去，该材料不是驻极体。然而，如果暴露于X射线辐射之后，过滤器性能发生下降，则表明该过滤介质为驻极体。

当执行此项测试时，通常在过滤介质暴露于X射线辐射前后对过滤性能进行测量。当如以下实施例部分所述，按照“过滤性能测试方法”进行测试时，渗透率百分比可以根据以下公式进行计算：渗透率百分比＝(ln(初始DOP渗透百分比/100)/(ln(60分钟的X射线辐射之后的DOP渗透百分比/100)))x100。为了使料片具有充足的电荷以用作过滤器，渗透率％通常为至少300％。随着渗透率％增大，料片过滤性能也增加。在一些实施方案中，渗透率％为至少400％、500％或600％。在优选的实施方案中，渗透率百分比为至少750％或800％。在一些实施方案中，料片具有至少1000％或至少1250％的渗透率％。

当如以下实施例部分所述，当根据“过滤性能测试方法”进行测试时，在6.9厘米/秒的面速度下，初始品质因数(暴露于X射线之前)通常为至少0.3(mm H₂O)^-1，更典型地为至少0.4或甚至0.5(mm H₂O)^-1。在一些实施方案中，初始品质因数为至少0.6或0.7(mm H₂O)^-1。在其它实施方案中，初始品质因数为至少0.8、至少0.90、至少1.0、或甚至大于1.0(mm H₂O)^-1。暴露于X射线60分钟之后，品质因数通常低于初始品质因数的50％。在一些实施方案中，初始品质因数为至少0.5(mm H₂O)^-1或更大，暴露于X射线60分钟之后，品质因数低于0.15(mmH₂O)^-1。

实施例

本发明公开了包含纤维料片的驻极体过滤介质。驻极体料片包含热塑性树脂，诸如聚丙烯(PP)和可熔融加工的电荷增强添加剂组合物。熔融添加剂组合物包含表-1中的添加剂的至少一种组分或混合物。

电荷添加剂和聚丙烯(PP)树脂

本发明中使用的添加剂是可商购获得的。关于每种添加剂的详细信息列于表-1中。用于制备料片的本发明中使用的PP树脂是可商购获得的并且主要以从供应商接收的形式使用。

表-1：聚丙烯树脂和充电添加剂信息

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步骤-A：熔喷微纤维(BMF)料片的制备：

通常如Van A.Wente，超细热塑性纤维(Superfine Thermoplastic Fibers)，48，工业工程化学(INDUST.ENGN.CHEM.)，1342-46和海军研究实验室报告(Naval ResearchLaboratory Report)111437(4月15日，1954)中所述经由挤出方法使用挤出机进行挤出，该挤出机连接到每厘米具有10个孔(每英寸具有25个孔)并且孔直径为0.38mm(0.015英寸)的熔喷模具，在约220℃至330℃的温度下操作形成基重为约45g/m²至70g/m²、有效纤维直径为约6.5微米至10微米、密实度为约4％至10％且厚度为约0.6毫米至2.5毫米的BMF料片。将充电添加剂与树脂以干粉或含有10重量％至30重量％添加剂浓缩物的复合物形式直接送入挤出机。表-2汇总了每个实施例和比较例的具体料片特性和充电添加剂浓度。

表-2：BMF料片样品的组成和具体特性

步骤B–制备驻极体：

通过以下两种充电方法和程序对上述步骤A中制备的每个BMF料片的样品进行充电。应用于每个比较例和实施例的指定充电方法列于表-3中。

充电方法1–电晕充电：

通过直流电晕放电对如上所制备的选定熔喷料片进行充电。通过在接地表面上以约3厘米/秒的速率将料片传送通过电晕线源下方而完成电晕充电，其中电晕线源在每厘米的放电源长度上具有约0.01毫安的电晕电流。该电晕源在运载料片的接地表面上方约3.5厘米。该电晕源由正直流电压驱动。

同样，对于每个比较例，熔喷料片由与对应实施例料片的聚丙烯等级相同的聚丙烯制备，但是未添加电荷添加剂。

充电方法2–电晕预处理和水充电：

通过在充电方法1中描述的直流电晕放电对在上述步骤A中制备的选定熔喷料片进行预处理，并且然后通过在以下程序中描述的水充电使料片带电：

从喷嘴不断产生电导率小于5μS/cm的高纯水的细小喷雾，工作压力为896千帕(130psig)，流速为约1.4升/分钟。多孔传送带以约10厘米/秒的速度将步骤A中制备的选定熔喷料片传送穿过水喷雾，与此同时真空驱使水从下方穿过料片。将每个熔喷料片两次运送穿过水充电器(依次地每侧穿过一次)，然后使其彻底干燥过夜后再进行过滤器测试。

实施例E1-E26和比较例C1-C3的过滤结果

对于每个比较例，使用表-1中列出的聚合物树脂挤出吹塑微纤维(BMF)非织造料片。

对于每个实施例，挤出的吹塑微纤维(BMF)非织造料片包含表-1中列出的聚丙烯树脂和表-1中列出的充电添加剂中的一种或它们的组合。

比较例和实施例通过充电方法-1或充电方法-2或充电方法-3带电。品质因子(QF)和电荷保持列于表-3中。表-3：驻极体介质实施例和比较例

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Claims (16)

1.一种驻极体料片，包含：

热塑性树脂；和

电荷增强添加剂，所述电荷增强添加剂包括取代的芳族羧酸，或取代的芳族羧酸盐，其中所述取代的芳族羧酸具有式1：

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键；并且X包括-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基；并且

其中所述取代的芳族羧酸盐具有式2：

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键；

X包括-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基；

n是整数1、2或3；并且

M是化合价为n的金属离子。

2.根据权利要求1所述的驻极体料片，其中所述料片包括非织造纤维料片。

3.根据权利要求1所述的驻极体料片，其中所述料片包括膜。

4.根据权利要求1所述的驻极体料片，其中所述电荷增强添加剂包括至少一种式1的取代的芳族羧酸：

其中所述基团R¹、R²、R³和R⁴各自包括氢原子；或R¹和R⁴各自包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合苯环的键；并且

X是-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶各自包括氢原子。

5.根据权利要求1所述的驻极体料片，其中所述电荷增强添加剂包括至少一种式2的取代的芳族羧酸盐：

其中所述基团R¹、R²、R³和R⁴各自包括氢原子；或R¹和R⁴各自包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合苯环的键；并且

X是-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶各自包括氢原子；

n是整数1、2或3；并且

M是化合价为n的金属离子。

6.根据权利要求1所述的驻极体料片，其中所述电荷增强添加剂具有式1，并且其中所述电荷增强添加剂包括式1A、1B、1C和1D中的至少一种化合物：

7.根据权利要求1所述的驻极体料片，其中所述电荷增强添加剂具有式2，并且其中所述电荷增强添加剂包括式2A、2B、2C、2D和2E中的至少一种化合物：

8.一种驻极体过滤介质，包括：

料片，所述料片包含：

热塑性树脂；和

电荷增强添加剂，所述电荷增强添加剂包括取代的芳族羧酸

或取代的芳族羧酸盐，其中所述取代的芳族羧酸具有式1：

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键；并且X包括-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基；并且

其中所述取代的芳族羧酸盐具有式2：

其中基团R¹、R²、R³和R⁴独立地包括氢原子、烷基、芳基、取代的烷基，或R²和R³一起构成连接至稠合芳环的键；

X包括-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶独立地包括氢原子、烷基、芳基或取代的烷基；

n是整数1、2或3；并且

M是化合价为n的金属离子。

9.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述电荷增强添加剂包括至少一种式1的取代的芳族羧酸：

其中所述基团R¹、R²、R³和R⁴各自包括氢原子；或R¹和R⁴各自包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合苯环的键；并且

X是-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶各自包括氢原子。

10.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述电荷增强添加剂包括至少一种式2的取代的芳族羧酸盐：

其中所述基团R¹、R²、R³和R⁴各自包括氢原子；或R¹和R⁴各自包括氢原子，并且R²和R³一起构成连接至稠合苯环的键；并且

X是-OH或-NR⁵R⁶基团，其中R⁵和R⁶各自包括氢原子；

n是整数1、2或3；并且

M是化合价为n的金属离子。

11.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述电荷增强添加剂具有式1，并且其中所述电荷增强添加剂包括式1A、1B、1C和1D中的至少一种化合物：

12.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述电荷增强添加剂具有式2，并且其中所述电荷增强添加剂包括式2A、2B、2C、2D和2E中的至少一种化合物：

13.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述热塑性树脂包括：

聚烯烃；聚氯乙烯；聚苯乙烯；聚碳酸酯；或聚酯。

14.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述电荷增强添加剂占所述料片的0.02重量％至5.0重量％。

15.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述料片含有静电电荷，其中通过电晕处理、水充电或它们的组合赋予所述电荷。

16.根据权利要求8所述的驻极体过滤介质，其中所述料片还包含至少一种附加的添加剂，所述至少一种附加的添加剂选自颜料、光稳定剂、主要抗氧化剂和次要抗氧化剂、金属减活化剂、受阻胺、受阻酚、脂肪酸金属盐、亚磷酸三酯、磷酸盐、成核剂、含氟化合物以及它们的组合。