CZ20001133A3 - Elektretová vlákna a filtrační rouna, která mají koncetraci extrahovatelných uhlovodíků - Google Patents

Abstract

Elektretová vlákna, která obsahují polymemí materiál a fluorochemická aditiva a mají nízkou koncentraci extrahovatelného uhlovodíkového materiálu, vykazují zlepšený filtrační výkon.

Description

ΐΟΤ—θ-βΒΈ^υΘ—Gej

Elektretová vlákna a filtrační rouna, která mají nízkou koncentraci extrahovatelných uhlovodíků

Oblast techniky extrahovatelného extrahovatelného

Vynález se týká elektretových vláken a elektretových filtračních médií vyrobených z vláken, jakými jsou například polymerní mikrovlákna vyfukovaná z taveniny, a způsobů výroby elektretových vláken a filtrů. Vynález se konkrétněji týká elektretových vláken s nízkou koncentrací uhlovodíkového materiálu. Koncentrace uhlovodíkového materiálu je funkcí zvoleného polymeru a provozních podmínek, použitých při výrobě vláken a filtrů.

Dosavadní stav techniky

Elektretové výrobky obsahují dielektrický materiál, který vykazuje trvalý nebo kvazipermanentní elektrický náboj (viz. G.M. Sessler, Electrets, Springer Verlag, New York (1987) . Tyto výrobky se běžně používají ve formě vláknitých filtračních roun, přičemž způsoby výroby elektretových netkaných vláknitých filtračních roun jsou dobře známé. Netkaná rouna lze například vyrobit z polymerů pomocí technik vyfukování z taveniny, které popisuje například Van Wente, „Superfine Thermoplastic Fibres, Ind. Eng. Chem., sv. 48, str. 1342-46, (1956), a elektrický náboj lze tomuto rounu udělit pomocí různých technik. (Viz patenty US 4,215,682; 4,588,537; 5,411,576 a 5,472,481; 5,645,627; 5,496,507; a WO 97/07272).

01-0638-00-Če

Vzhledem k důležitosti filtrace vzduchu a požadovaným vlastnostem, které mají elektretová filtrační rouna vykazovat, pokud se použijí pro filtrační účely, byly vyvinuty velké snahy zlepšit výkon vláknitých elektretových filtrů. Výše citované patenty odráží část prací, které byly publikovány a které se snaží zlepšit výkon elektretových filtrů. Nyní následuje stručné shrnutí prací, které přispěly ke zlepšení tohoto výkonu.

Kubik a Davis v patentu US 4,215,682 udílejí vláknům vyfukovaným z taveniny elektrický náboj bombardováním vláken, která opouští otvor vytlačovací hlavy, elektricky nabitými částicemi.

Klaase a kol. v patentu US 4,588,537 injektují náboj do elektretového filtru za použití koronového ošetření.

Jones a kol. v patentech US 5, 411,576 a 5, 472,481 popisují elektretové filtry, které jsou vyrobeny extrudací směsi polymeru a fluorochemikálie zpracovatelné v tavenině ve formě mikrovláknitého rouna. Výsledné rouno se žíhá a zpracuje pomocí korony.

Lifshutz a kol. v patentu US 5,645,627 (WO 96/26783) vyrábí elektretové filtry extrudací směsi polymeru a amidu mastné kyseliny nebo fluorochemikálie oxazolidinu nebo jejich směsí ve formě mikrovláknitého rouna a následným žíháním a zpracováním výsledného rouna pomocí korony.

Angadjivand a kol. v patentu US 5,496,507 naznačuje, že bombardování netkaného mikrovláknitého rouna vodními kapkami udílí tomuto rounu náboj.

Rousseau a kol. popisuje v patentovém dokumentu WO 97/07272 elektretové filtry, které jsou vyrobeny

01-0638-00-Če extrudací směsí polymeru a fluorochemikálie nebo organické triazinové sloučeniny ve formě mikrovláknitého rouna a následným bombardováním tohoto rouna vodními kapičkami. Tato publikace naznačuje, že použití těchto aditiv vede v případě, že je rouno bombardováno vodními kapičkami, ke zkvalitnění náboje.

Výše uvedené dokumenty sice popisují celou řadu metod zlepšujících výkon elektretových filtrů, nicméně stále ještě ponechávají velký prostor pro další zlepšení, přičemž nížepopsaný vynález přináší další nová zjištění vedoucí k získání lepších elektretových vláken a filtrů.

Podstata vynálezu

Vynález poskytuje elektretová vlákna a filtry tvořené polymerním materiálem a fluorochemickým aditivem. Tato vlákna obsahují méně než přibližně 3 % hmotn. extrahovatelného uhlovodíkového materiálu, vztaženo ke hmotnosti vláken. Koncentrace extrahovatelného uhlovodíkového materiálu se stanoví desetiminutovou extrakcí vláken v trichloromethanu prováděnou při pokojové teplotě a určením množství materiálu, který se rozpustil v trichloromethanu.

Vlákna podle vynálezu obsahující méně než přibližně 3 % hmotn. extrahovatelného uhlovodíkového materiálu lze vyrobit způsobem, který zahrnuje smísení polymeru s fluorochemickou aditivní sloučeninou, extrudací získané směsi při teplotě udržované pod 290 °C ve formě vláken a závěrečné žíhání a nabití extrudovaných vláken.

01-0638-00-Če

Autoři vynálezu zjistili určitou korelaci mezi koncentrací extrahovatelného uhlovodíkového materiálu v elektretovém filtru a zátěžovým výkonem filtru. Překvapivě bylo zjištěno, že čím nižší je koncentrace extrahovatelných uhlovodíků v extrudovaném rounu, tím lepší je zátěžový výkon rouna (zátěžový výkon zahrnuje schopnost filtru odstraňovat olejový aerosol z proudu plynu a podrobně je popsán v příkladové části). Výkon elektretového filtračního rouna lze tedy předpovědět na základě měření koncentrace extrahovatelných uhlovodíků. Koncentrace extrahovatelných uhlovodíků v extrudovaném rounu je funkcí typu polymeru a provozních podmínek použitých při výrobě rouna. Volba správného typu polymeru může být pro dosažení nízké koncentrace extrahovatelného uhlovodíkového materiálu u vláken filtračního rouna důležitá. Drsné provozní podmínky, například použití peroxidu a vysoké extrudační teploty, by měly být vyloučeny, protože mohou zvyšovat koncentraci extrahovatelných uhlovodíků a způsobovat odpovídající snížení zátěžového výkonu. Řízení těchto parametrů může tedy vést k získání filtračního rouna, které bude vykazovat zlepšený zátěžový výkon.

Elektretová vlákna a filtry podle vynálezu nacházejí mnoho uplatnění, například v respirátorech, jakými jsou obličejové masky, v domácích a průmyslových klimatizacích, v čističkách vzduchu, ve vysavačích, v lékařských a dalších vzduchových filtračních linkách a v klimatizacích ve vozidlech a elektronických přístrojích, jakými jsou počítače a pohony disků.

01-0638-00-Če

Stručný popis obrázků

Obr. 1 znázorňuje graf aerosolového zátěžového výkonu vyjádřeného jako hmota dioktylftalátu (DOP) dopadající na filtrační místo v bodě, kde dosahuje DOP % penetrace minimální hodnoty, dále jen „Min@Chl - tří vzorků filtračního rouna obsahujících různé hmotnostní procento extrahovatelného uhlovodíkového materiálu. Jak je vysvětleno podrobně v příkladové části, tento údaj se získá vystavením filtračních roun působení DOP kapalného aerosolu v přístroji, který měří koncentraci DOP kapalinového aerosolu před filtrem a za filtrem. Procentická penetrace se vypočte vydělením koncentrace aerosolu za filtrem koncentrací aerosolu před filtrem a vynásobením stem.

Obr. 2 znázorňuje graf závislosti aerosolového zátěžového výkonu na Min@Chl sedmnácti vzorků obsahujících různá hmotnostní procenta extrahovatelného uhlovodíkového materiálu.

Polymerní materiál použitý v rámci vynálezu se zvolí tak, že po tom, co je extrudován a konvertován na elektretová vlákna za zvolených podmínek, mají elektretová vlákna nízkou koncentraci extrahovatelného uhlovodíku. Polymerním materiálem může být nevodivá termoplastická pryskyřice, tj. pryskyřice, která má měrný odpor větší než 10¹⁴ ohm.cm. Výhodné polymerní materiály mají měrný odpor větší než 10¹⁶ ohm.cm. Polymerní materiály by měly mít schopnost vykazovat trvalý nebo dlouhodobě zachycený náboj. Dá se předpokládat, že polymery se zvolí, jak bude popsáno níže, rutinními experimenty, které určí ty polymery, které budou vykazovat nízké koncentrace extrahovatelných • ·· · ·· ·· ·· ··· « «·· · · ·· ·

01-0638-00-Če uhlovodíků. Polymerní materiál může zahrnovat neomezujícím způsobem polyolefiny, jako například polyethylen a polypropylen, poly-4-methyl-l-penten, polyvinylchlorid, polystyren, polykarbonát a polyester; a kombinace těchto polymerů.

Výhodným polymerem je polypropylen, vzhledem ke své vysoké hodnotě měrného odporu, schopnosti tvořit vyfukováním z taveniny vlákna a dostatečné stabilitě náboje, hydrofobicitě a rezistenci vůči vlhkosti. Příklady vhodných polypropylenů zahrnují Escorene PP-3505G (100% isotaktický polypropylen, hustota 0,91 g/cm³, tavný index 400 g/10 min, teplota tání 160 °C), dostupný od společnosti Exxon Corporation; a Fina 3860 (hustota 0,905 g/cm³, tavný index 100 g/10 min, teplota tání 165 °C), dostupný od společnosti Fina Oil and Chemical Company.

Fluorochemická aditiva použitelná v rámci vynálezu mohou vláknům dodávat schopnost odpuzovat vodu. Fluorochemická aditiva jsou dobře zpracovatelná v tavenině, což znamená, že za provozních podmínek tavení, které se používají k výrobě vláken, v podstatě nedegradují. Fluorochemické aditivum by mělo být při teplotě 25 °C pevnou látkou a jeho tavná teplota by měla být minimálně přibližně 70 °C a výhodněji minimálně přibližně 100 °C. Fluorochemické aditivum výhodně nevykazuje v rozsahu běžně dosažitelných teplot, tj. přibližně 0 °C až 80 °C, žádné fázové přechody, tj. změny v molekulově volné struktuře, které by mohly nežádoucím způsobem ovlivnit stabilitu náboje. Fluorochemické aditivum má výhodně molekulovou hmotnost přibližně 500 až 2500, výhodněji přibližně 800 až 1500. Fluorochemické aditivum je výhodně v podstatě prosté mobilních polárních a/nebo iontových druhů, kontaminujících látek a příměsí, které by mohly zvýšit elektrickou vodivost

01-0638-00-Če nebo jinak ovlivnit schopnost vláken přijmout a udržet si elektrostatický náboj.

Výhodná fluorochemická aditiva zahrnují například fluorochemické oxazolidinony, které popisuje v patentu US 5,025,052' Carter a kol., fluorochemické piperaziny, které popisuje Katritzky, Alan R a kol. v „Design and Synthesis of Novel Fluorinated Surfactants for Hydrocarbon Subphases, Langmuir, sv. 4, str. 732-735, (1988), a perfluorované alkany, které mají výhodně přibližně 10 až 50 atomů uhlíku, výhodněji přibližně 15 až 30 atomů uhlíku. Fluorochemické aditivum je výhodně přítomno v množství až 10 % hmotn., výhodněji v množství přibližně 0,4 % hmotn. až 5 % hmotn. a nejvýhodněji v množství přibližně 0,5 % hmotn. až 2 % hmotn. Zvláště výhodné fluorochemické deriváty popisuje Jones a kol. v patentu US 5,411,576.

Při provádění způsobu výroby vláken podle vynálezu se polymer a fluorochemické aditivum smísí před extrudací. Směšování lze realizovat smísením pevných látek před jejich přidáním do extrudéru, ale výhodně se odděleně roztaví a vzájemně smísí ve formě tekutin. Ještě výhodněji se fluorochemické aditivum v prvním extrudéru smísí v určitém množství, v případě propylenu v množství 10 % hmotn. až 20 % hmotn., s polymerem a extruduje ve formě vláken. Tato roztavená směs s relativně vysokým obsahem fluorochemického aditiva se zavede do druhého extrudéru, který obsahuje roztavený polypropylen bez fluorochemikálie. Výsledná směs se potom extruduje ve formě vláken.

Jako extrudéry se výhodně použijí dvoušnekové extrudéry. Teplota během extrudace by měla být řízena tak, aby se dosáhlo požadované reologie taveniny a aby se zabránilo tepelné degradaci fluorochemikálie. Výhodně se

01-0638-00-Če

teplota v průběhu extrudace udržuje pod 290 °C. Extrudační teploty vyšší než 290 °C mohou vést k tomu, že koncentrace extrahovatelného uhlovodíkového materiálu vzroste nad 3 procenta a odpovídajícím způsobem se sníží zátěžový výkon. Ještě výhodněji se čas, po který je fluorochemikálie vystavena vysokým teplotám, minimalizuje tím, že se směs polymerní taveniny s 10 % hmotn. až 20 % hmotn. fluorochemikálie zavede do druhého extrudéru přibližně při 210 °C v místě, které se nachází v blízkosti konce druhého extrudéru.

Extrudát lze konvertovat na vlákna pomocí známých, nebo případně v budoucnosti nově vyvinutých metod, tváření vláken včetně odstřeďování nebo vyfukování z taveniny. Techniku vyfukování z taveniny původně popsal Van Wente, „Superfine Thermoplastic Fibers Ind. Eng. Chem., sv. 48, str. 1342-46 (1956), a k odtahování vláken z výpustních otvorů extrudéru použil proudy plynů. Způsob vyfukování z taveniny je žádaný zejména pro svou schopnost účinně produkovat jemná vlákna, která lze snadno odebírat ve formě netkaného rouna, s nímž se snadno manipuluje. Vlákna získaná vyfukováním z taveniny jsou známá jako vyfukovaná mikrovlákna neboli BMF. Extrudovaná vlákna lze odebírat ve formě netkaného rouna pomocí známých metod, které neomezujícím způsobem zahrnují odběr BMF, který popsal Van Wente v publikaci „Superfine Thermoplastic Fibres.

Vlákna nebo netkané rouno lze žíhat a tím zvýšit stabilitu elektrostatického náboje finálního produktu, a to zejména stabilitu vůči kapalným aerosolům. Fluorochemikálie je výhodně látkou s nízkou povrchovou energií a žíhání prováděné po dostatečně dlouhou dobu a při dostatečně vysoké teplotě způsobí, že fluorochemikálie „vykvete na rozhraních (tj. povrch vláken nebo rozhraní mezi

01-0638-00-Če • 4 · · ··· · · ·· · • · · · · ···« • · ··· ···· ··· «··· ··· ·· ·· ·· krystalickou a amorfní fází uvnitř vlákna) vláken. Zpravidla platí, že čím vyšší žíhací teploty se použijí, tím kratší mohou být žíhací časy. Výhodně se žíhání provádí přibližně při 130 °C až 155 °C po dobu přibližně 2 minuty až 20 minuty výhodněji při 140 °C až 150 °C po dobu přibližně 2 minuty až 10 minut a nejvýhodněji přibližně při 150 °C po dobu přibližně 4,5 minuty. Žíhací teploty vyšší než přibližně 155 °C nejsou zpravidla žádoucí, protože mohou vlákna nebo rouno poškodit.

---Vlákna se následně elektrostaticky nabijí. Příklady způsobů nabíjení elektrostatickým nábojem použitelné v rámci vynálezu popisuje v patentech US Re. 30,782 van Turnhout, Re. 31,285 van Turnhout, 4,275,718 Wadsworth a kol., 4,588,537 Klaase a kol. a 4,592,815 Nakao. Vlákna lze nabít hydrostaticky a nasekaná vlákna lze nabít třením nebo protřepáváním s odlišnými vlákny. Viz například patent US 4,798,850. Výhodně se rouno vystaví koronovému výboji nebo pulzujícímu vysokému napětí, jak popisují patenty uvedené v části přihlášky označené jako „Dosavadní stav techniky”.

Elektretová vlákna a filtry podle vynálezu vykazují nízké koncentrace extrahovatelných uhlovodíků. Rouno výhodně obsahuje přibližně 1,0 % hmotn. až 3,0 % hmotn. extrahovatelného uhlovodíkového materiálu, výhodněji přibližně 1,0 % hmotn. až 2,5 % hmotn., a nejvýhodněji přibližně 1,0 % hmotn. až 1,5 % hmotn. Uhlovodíky jsou sloučeniny tvořené pouze uhlíkem a vodíkem a pro účely vynálezu mohou zahrnovat malá množství kyslíku, který by do nich mohl zavést například peroxid. Obsah extrahovatelného uhlovodíkového materiálu lze vypočíst následujícím způsobem.

01-0638-00-Če

Vzorek odebraných vláken, například ve formě netkaného rouna, se připraví pro analýzu extrahovatelného uhlovodíkového materiálu odvážením 50 mg rouna do 16ml lahvičky, přidáním 10 ml chloroformu a desetiminutovým protřepáváním uzavřené lahvičky na automatické protřepávačce (například typu „wrist action shaker) při pokojové teplotě. Množství extrahovaného uhlovodíku se potom kvantifikuje za použití vhodné techniky, jakou je například vysokovýkonná kapalinová chromatografie (HPLC). Extrahované fluorochemikálie se eluují v jiných časech než extrahované uhlovodíky a lze je tedy kvantifikovat odděleně. Hmotnostní procento extrahovatelného uhlovodíkového materiálu nezahrnuje hmotnostní procento extrahovatelných fluorochemikálií. Pro získání extrahovatelného uhlovodíkového extrahovaného uhlovodíkového materiálu vydělí hmotností vláken (50 mg) a vynásobí stem.

hmotnostního materiálu se procenta hmotnost

Vlákna určená pro vláknité elektretová filtry podle vynálezu mají zpravidla účinný průměr vlákna přibližně 5 pm až 30 pm a výhodně přibližně 6 pm až 10 pm, vypočteno pomocí metody, kterou popsal Davies, „The Separation of Airbone Dust and Particulates, Institution of Mechanical Engineers, Proceedings 1B, (1952).

Elektretová vlákna získaná výše popsanými způsoby lze použít pro výrobu elektretového filtru. Elektretový filtr může mít formu netkaného rouna obsahujícího alespoň částečně elektretová vlákna nebo elektretová vlákna kombinovaná s nosnou strukturou. V obou případech může být elektretový výrobek kombinován s některým neelektretovým materiálem. Nosnou strukturou mohou být například neelektretová vlákna nebo nosná neelektretová netkaná rouna. Elektretový filtr má výhodně formu netkaného

01-0638-00-Če • · * * ·« * · » fet · « · ····*» fe fefe · · fefefe ·· · • · « * t · * · * • fefe ···· fefefe * t fefe ř· elektretového rouna obsahujícího elektricky nabitá mikrovlákna vyfukovaná z taveniny.

Elektretová filtrační rouna mohou rovněž obsahovat staplová vlákna, která zpravidla poskytují nadýchanější, řidší rouno^ Způsoby zabudování staplových vláken do netkaného rouna například popsal Hauser v patentu US 4,118,531. Pokud se použijí staplová vlákna, potom rouno výhodně obsahuje méně než 90 % hmotn. staplových vláken, výhodněji méně než 70 % hmotn. Pro zjednodušení a z důvodu optimalizace výkonu může být rouno v některých případech tvořeno v podstatě pouze vlákny vyfukovanými z taveniny, což znamená, že může být prosté staplových vláken.

Elektretový filtr může dále obsahovat sorpční částice, například aluminu nebo aktivní uhlí. Tyto sorpční částice přidané do filtru napomáhají při odstraňování plynných kontaminujících látek z proudu vzduchu, který prochází filtrem. Takový rouna obsahující sorpční částice popisuje například v patentech US 3,971,373 Braun, US 4,100,324 Anderson a US 4,429,001 Kolpin a kol. Pokud se přidá částicový materiál, potom rouno výhodně obsahuje méně než 80 % obj. částicového materiálu, výhodněji méně než 60 % obj. U provedení, u kterých elektretový filtr nemusí odstraňovat plynové kontaminační látky může filtr obsahovat pouze vlákna vyfukovaná z taveniny.

Elektretový filtr by měl být v podstatě prostý složek, jakými jsou například antistatická činidla, která by mohla zvyšovat elektrickou vodivost nebo jinak interferovat se schopností vláken přijímat a udržet si elektrostatický náboj. Elektretový filtr by dále neměl být podroben zpracováním, při kterých by byl vystaven gama paprskům, UV záření, pyrolýze, oxidaci, atd., která by mohla zvyšovat

01-0638-00-Če • to ··· ···· •toto toto·· ··» ·· ·· ·· elektrickou vodivost. U výhodného provedení není tedy elektretový filtr vystaven gama záření ani jinému ionizujícímu záření.

Elektretové filtry mají zpravidla plošnou hmotnost přibližně 10'g/m² až 500 g/m², výhodněji přibližně 10 g/m² až 100 g/m². Filtry, které jsou příliš husté, mohou způsobovat problémy při nabíjení, zatímco filtry, které jsou příliš řídké nebo příliš tenké, mohou být křehké nebo nemají dostatečnou filtrační schopnost. Pro mnoho aplikací jsou vhodné elektretové filtry, které mají tloušťku přibližně 0,25 mm až 20 mm a běžně přibližně tloušťku 0,5 mm až 2 mm. Elektretové filtry těchto rozměrů mohou být vhodné zejména pro respirátory.

V respirátorech mohou mít vláknitá elektretová rouna specifický tvar nebo mohou být zapouzdřena, například ve formě tvářených nebo ohýbaných půl-obličejových masek, nahraditelných náplní nebo zásobníků, nebo předfiltrů. Respirátory mohou mít rovněž další znaky, například další vrstvy, ventily, tvářené obličejové díly, atd. Příklady respirátorů, do kterých lze zabudovat zlepšené elektretové filtry podle vynálezu zahrnují respirátory, které popisují patenty US 4,536,440, 4,827,924, 5,325,892, 4,807,619, 4,886,058 a patentová přihláška US 08/079,234.

Následující příklady ukazují, že rouna mající relativně nízkou koncentraci extrahovatelného uhlovodíkového materiálu vykazují vyšší zátěžový výkon než rouna, která mají relativně vysokou koncentraci extrahovatelného uhlovodíkového materiálu. Zjištěná koncentrace extrahovatelného uhlovodíkového materiálu v rounu je funkcí polymeru a provozních podmínek použitých při výrobě rouna. Vzhledem k tomu, že z koncentrace extrahovatelného uhlovodíku v

01-0638-00-Če • · · · · · • · · · · · • · · · · · ·

-·· ···· ··· ···· ··· ·· ·· ·· rounu vyplývá zátěžový výkon rouna, lze tento parametr řídit volbou polymeru a provozními podmínkami použitými při výrobě rouna.

Následující příklady mají pouze ilustrativní charakter a nikterak neomezují rozsah vynálezu, který je jednoznačně vymezen přiloženými patentovými nároky.

Příklady provedení vynálezu

Obecná příprava vzorků

Extrudace rouna

Rouna vyrobená z polypropylenových vláken vyfukovaných z taveniny (BMF) , která obsahují fluorochemické roztavené aditivum, se extrudovala pomocí dvou extrudačních procesů. Fluorochemické roztavené aditivum se společně s polypropylenovou pryskyřicí zavedlo do ústí dvoušnekového extrudéru za účelem vytvoření proudu taveniny, který obsahoval přibližně 11 % hmotn. fluorochemikálie. Do ústí druhého dvoušnekového extrudéru se zavedl určitý objem polypropylenové pryskyřice. V některých případech se do extrudéru rovněž odměřil peroxid, jehož úkolem bylo snížit viskozitu taveniny. Produkt z extrudéru obsahujícího fluorochemikálii se přečerpal do extrudéru obsahujícího polypropylen rychlostí, která poskytla proud taveniny obsahující přibližně 1,1 % hmotn. fluorochemického roztaveného aditiva.

Z důvodu jednotnosti a kontroly proměnných se v každém vzorku jako aditivum použilo aditivum A z patentu US 5,411,576 obecného vzorce

01-0638-00-Če • · • · ·

O O

Λ 1 θ y-ÍCHjíí-N^O

C₈Fi₇SO₂N(C«3)CH₂CH-CH₂ CH₂-CH-CH₂N(CH3)SO₂C_aF₁₇

Teplota proudu taveniny obsahující fluorochemické roztavené aditivum se ve všech místech udržovala pod 290 °C. Teplota finální taveniny byla 288 °C. Extrudační podmínky pro hlavní proud polymerní taveniny před místem, ve .kterém se zaváděla fluorochemikálie, se nastavily tak, aby poskytovaly extrudovaná rouna s požadovanými vlastnostmi. Pokud se použily pryskyřice s nízkým tavným indexem nebo se rychlost extrudace zvýšila na více než 22,65 kg/h, potom se do extrudéru současně zaváděl (2, 5-dimethyl-2,5-diterc.-butylperoxy) hexan, který řídil reologii polymerní taveniny a fyzikální parametry rouna vyfukovaného z této taveniny. Rouno samotné se vyrábělo běžným způsobem, který byl podobný způsobu, jenž popsal Van Wente a kol., a který se lišil pouze tím, že se použila extrudační hlava s vyvrtanými otvory. Vyrobená rouna mají, není-li uvedeno jinak, jedny z vlastností specifikované níže.

Vlastnosti rouna	Plošná hmotnost (g/m2)	Tlakový spád (mmH20)	Tloušťka (mm)
1	60,7	4,4	1,27
2	71,4	7,0	1,35
3	58,2	4,1	1,32
4	59,0	5,8	1,21
5	70,9	4,1	1,38
6	85,5	7,9	1,59

01-0638-00-Če

Žíhání

Extrudovaná rouna se dále zpracovala protažením pecí při průměrné teplotě přibližně 150 °C a rychlosti, při které rouna, stráví v peci přibližně 4,5 minuty. Tento žíhací proces vyvolal další krystalizací polymeru a způsobil „vykvétání fluorochemického roztaveného aditiva na povrchu vláken.

Nabití

Rouna se koronově nabila za použití vysokonapěťového elektrického pole vytvořeného mezi třiceti lineárními koronovými povrchy a zemnící elektrodou mající koronový proud 2,6 x 10^-3 mA/cm délky koronového zdroje a dobu zdržení přibližně 15 sekund.

Zátěžový test DOP

Měření dioktylftalátového (DOP) zatížení se provádělo monitorováním průniku DOP aerosolu vzorkem v průběhu dlouhodobé expozice řízeným DOP aerosolem. Měření se prováděla v testovacím přístroji TSI Incorporated Automated Filter tester (AFT), model #8110 nebo #8130, přizpůsobeném pro DOP aerosol.

DOP % Penetrace je definována následujícím způsobem:

DOP % penetrace = 100 (DOP koncentrace za filtrem/DOP koncentrace před filtrem) , kde se koncentrace před a za filtrem měří pomocí komor rozptylujících světlo. Koncentrace se měří a DOP % penetrace se vypočte

01-0638-00-Če » · · <

► · · ‘ průtoku vzorkem testované vzorky automaticky, pomocí AFT. DOP Aerosolem generovaným pomocí přístrojů AFT 8110 a 8130 je zpravidla monodisperze se středním průměrem částic 0,3 pm, který má v místě dopadu (před filtrem) koncentraci 100 mg/cm³, měřeno standardním filtrem. Všechny testované vzorky byly testovány při filtračního rouna 85 1/min. Všechny byly testovány za použití vypnutého aerosolového ionizéru. Testované vzorky měly tvar kotoučů o průměru 13,34 cm a ploše exponovaného povrchu 11,43 cm. Rychlost dopadu byla 13,8 cm/s.

Testované kotouče se zvážily a následně se dva kotouče položily na sebe a umístily do AFT zařízení. Každý test se prováděl až do okamžiku, kdy byla zřejmá tendence zvýšení DOP % penetrace při pokračující aerosolové DOP expozici nebo alespoň do okamžiku, kdy byly testované vzorky vystaveny 200 mg DOP. Data, týkající se DOP % penetrace a odpovídajícího tlakového spádu, se převedla do připojeného počítače, kde se uložila. Po ukončení DOP zátěžového testu se zatížené vzorky opět zvážily s cílem zjistit množství DOP zachyceného na vzorcích vláknitého rouna. Z naměřené koncentrace DOP dopadajícího na vláknité rouno a naměřeného průtoku aerosolu rounem se extrapolovalo množství zachycené na filtru, které se použilo jako křížová kontrola.

Výsledná hodnota zatížení se importovala do výpočetní tabulky pro výpočet Min@Chl. MinSChl Je definováno jako celkové množství DOP, které dopadá na filtrační rouno v místě, kde DOP % penetrace dosahuje svého penetračního minima. Hodnota MinSChl se použije k charakterizaci zátěžového výkonu rouna v případě DOP, takže platí, že čím vyšší je hodnota MinSChl, tím lepší je zátěžový výkon.

01-0638-00-Če

Stanovení extrahovatelných uhlovodíků

Vzorky rouna se připravily pro analýzu odvážením 50 mg rouna do 16ml lahvičky, přidáním 10 ml chloroformu a následným uzavřením lahvičky pomocí uzávěru s teflonovou vložkou. Lahvička se 10 minut protřepávala na protřepávačce typu „wrist action shaker a extrakt se analyzoval pomocí HPLC za následujících chromatografických podmínek:

kolona:

rozpouštědlo A rozpouštědlo B gradient: průtok: injektor: detektor:

Alltech CN 5 mm, x 150 mm Hexan

5% methanol v methylenchloridu 10% B až 100% B ve 20 minutách 0,25 ml/min ml

Evaporative Light Scattering Detector, zesílení =8.

Pro přípravu řady polypropylenových standardních roztoků v chloroformu ležících v koncentračních rozmezích 1000 až 60 mikrogramů na mililitr (mg/ml) se použil polypropylenový standard (hmotnostní průměrná molekulová hmotnost 830, číselná průměrná molekulová hmotnost 740) od společnosti American Polymer Standard Corp. Tyto standardní roztoky se analyzovaly a z lineární regresní analýzy log koncentrace vs. log chromatografická plocha se vypočetla kalibrační křivka. Tato kalibrační křivka se následně použila ke stanovení koncentrace uhlovodíkového materiálu (v tomto případě polypropylenu) extrahovaného ze vzorku rouna.

01-0638-00-Če » · · · · · • · · · · · • · » · · · ·

Příklady 1 až 3: obr. 1

BMF Rouno se připravilo z různých polypropylenových pryskyřic a fluorochemického tavného aditiva, kterým bylo aditivum A z ..patentu US 5,411,576, při rychlosti 22,65 kg/h a extrudační teplotě 288 °C. Rouna se připravila tak, že měla parametry uvedené v předcházející tabulce jako vlastnosti rouna 1. Do pryskyřice Fina 3860 se přidal peroxid, který řídil reologii taveniny. Po vyžíhání a nabití rouna výše popsaným způsobem se na alespoň šesti vzorcích o rozměrech 13,33 cm, odebraných v příčném a v podélném směru rouna pro každý z příkladů 1 až 3, provedl test DOP zatížení. Hmotnostní procento extrahovatelného uhlovodíkového materiálu se určilo na vzorcích ze stejných roun pomocí výše popsané HPLC metody. Měření % hmotn extrahovatelného uhlovodíkového materiálu byla přesnější (s přesností 5 %) než měření MinSChl. Pro každý vzorek se tedy prováděla přibližně pouze dvě extrakční měření, zatímco pro stanovení Min@Chl hodnoty pro každý z příkladů 1 až 3 se použilo alespoň 16 vzorků. Zátěžový výkon a extrakční hodnoty jsou uvedeny v tabulce 1 a vyneseny do grafu na obr. 1.

Tabulka 1

Příklad č.	Typ pryskyřice	% Hmotn. extrahovatelného uhlovodíkového materiálu	MLn@Chl
1	Exxon Escorene 3505G 400 tavný index	1,0	270
2	Fina 3860 100 tavný index	2,4	163
3	Fina HMF 3860 (EOD 94-18) 400 tavný index	4,2	34

01-0638-00-Če

Jak ukazují údaje uvedené v tabulce 1 a na obr. 1, zátěžový výkon pro kapalný aerosol, měřený jako Min@Chl, nepřímo koreluje s rostoucím hmotnostním procentem extrahovatelného uhlovodíkového materiálu v rounech. Čím nižší je koncentrace extrahovatelného uhlovodíku, tím vyšší je hodnota Min@Chl.

Příklady 4 až 17

Výše popsaným způsobem se připravila další rouna, jejichž seznam je uveden v tabulce 2, ve které číselné hodnoty vlastností rouna odpovídají hodnotám ve dříve uvedené tabulce.

Tabulka 2

Příklad číslo	Polymerační materiál	Extrudační dávka, kg/h	Vlastnosti rouna	Peroxid
4	Exxon 3505G	22,65	1	Ne
5	Fina 3860	22,65	1	Ano
6	Fina HMF 3860	22,65	1	Ne
7	Exxon 3505G	22,65	2	Ne
8	Fina HMF 3860	22,65	2	Ne
9	Exxon 3505G	33, 97	2	Ano
10	Fina 3860	33, 97	2	Ano
11	Exxon 3505G	45,30	2	Ano
12	Fina HMF 3860	45, 30	2	Ano
13	Exxon 3505G	22,65	2	Ne
14	Exxon 3505G	22, 65	3	Ne
15	Exxon 3505G	22, 65	4	Ne
16	Exxon 3505G	22,65	5	Ne
17	Exxon 3505G	22,65	6	Ne

01-0638-00-Če

Vzorky z příkladů 4 až 17 se žíhaly, koronově nabíjely a následně testovaly způsobem popsaným pro příklady 1 až 3 s tou výjimkou, že se pro určení hodnoty Min@Chl použily pouze tři vzorky z každého rouna a získané hodnoty se zprůměrovaly? Hmotnostní procento extrahova-telného uhlovodíku se pro každý vzorek stanovilo rovněž výše popsanou metodou a touto metodou se přeměřila i rouna z příkladů 1 až 3 za účelem získání přesných extrakčních hodnot vzorků z příkladů 1 až 17 a kompenzace veškerých změn-podmínek v koloně, ke kterým by mohlo mezi počátečním testováním příkladů 1 až 3 a testováním příkladů 1 až 17 dojít. Hmotnostní procenta extrahovatelného uhlovodíkového materiálu a Min@Chl pro příklady 1 až 17 jsou shrnuty v tabulce 3 a vyneseny do grafu na obr. 2.

Tabulka 3

Přiklad č.	% Hmotn. extrahovatelného uhlovodíku	MingChl
1	1,1	270
2	2,1	163
3	3,4	34
4	1,1	250
5	2,3	124
6	3, 5	57
7	1,1	220
8	2,5	87
9	1,5	78
10	2,4	62
11	1,3	83
12	4,0	23
13	1,1	71

01-0638-00-Če

• · · · • · fefe

Tabulka 3 (pokračování)

Příklad č.	% Hmotn. extrahovatelného uhlovodíku	Min@Chl
14	1/4	260
15	1/2	112
16	1,1	188
17	1,2	183

Údaje uvedené v tabulce 3 a na obr. 2 ukazují obecný trend, podle kterého rostoucí koncentrace extrahovatelných uhlovodíků obecně korelují s klesajícím zátěžovým výkonem (tj. klesajícím Min@Chl). Z obr. 1 je patrné, že hodnoty několika vzorků se poněkud odchylují od lineární závislosti. Dá se předpokládat, že tato odchylka je alespoň částečně způsobena větší experimentální chybou měření Min@Chl, která byla důsledkem použití méně vzorků pro měření hodnoty Min@Chl v příkladech 4 až 17 než v příkladech 1 až 3, kde výsledek představuje průměr měření šestnácti vzorků, zatímco v případě příkladů 4 až 17 představuje pouze průměr měření tří vzorků.

Jak ukazuje tabulka 3 a obr. 2, filtrační rouna s nejvyšším hmotnostním procentem extrahovatelných uhlovodíků, příklady 3, 6 a 12, které mají 3,4 % hmotn., 3,5 % hmotn. resp. 4,0 % hmotn. extrahovatelných uhlovodíků, vykazovala nej slabší zátěžový výkon, tj. měla hodnoty Min@Chl 34, 57 resp. 23. Tyto údaje tedy ukazují, že filtrační rouna s více než přibližně 3,0 % hmotn. extrahovatelného uhlovodíkového materiálu mají nežádoucí zátěžový výkon.

01-0638-00-Če • · · · · · · · · ·«· ···· ··· ·· ·· ··

Rouna z příkladů 1, 4, 7, 14, 16 a 17, která obsahují 1,1 % hmotn., 1,1 % hmotn., 1,1 % hmotn., 1,4 % hmotn., 1,1 % hmotn. resp. 1,2 % hmotn. extrahovatelného uhlovodíkového materiálu, vykazují nejlepší výkon, jak ukazují jejich příslušné hodnoty Min@Chl 270, 250, 220, 260, 188 a 183. Údaje uvedené v tabulce 3 a na obr. 2 ukazují, že nej lepší zátěžový výkon vykazují rouna, která obsahují přibližně 1,0 % hmotn. až 1,5 % hmotn. extrahovatelných uhlovodíků.

Získaná data rovněž ukazují na důležitost volby správného polymeru pro přípravu elektretových vláken a netkaných roun. Všechny příklady, ve kterých se použil polypropylen Fina HMF 3860, příklady 3, 6 a 12, měly nejvyšší koncentrace extrahovatelného uhlovodíkového materiálu a vykazovaly nejslabší zátěžový výkon, jak dokazují jejich hodnoty Min@Chl.

Claims (16)

1. PATENTOVÉ

   NÁROKY

   1. Elektretová vlákna obsahující polymerní materiál a fluorochemické aditivum, vyznačená tím, že mají koncentraci extrahovatelného uhlovodíkového materiálu menší než přibližně 3 % hmotn., vztaženo ke hmotnosti vláken.
2. 2. Elektretová vlákna podle nároku 1, vyznačená tím, že polymerním materiálem je nevodivá termoplastická pryskyřice, která má měrný odpor 10¹⁴ ohm.cm.
3. 3. Elektretová vlákna podle nároku 2, vyznačená tím, že se polymerní materiál zvolí ze skupiny sestávající z polyolefinů, poly-4-methyl-l-pentenu, polyvinylchloridu, polystyrenu, polykarbonátu a polyesteru a jejich kombinací.
4. 4. Elektretová vlákna podle nároku 2, vyznačená tím, že polymerní materiál v podstatě sestává z polypropylenu a fluorochemickým aditivem je fluorochemický oxazolidinon, fluorochemický piperazin nebo perfluorovaný alkan.

   01-0638-00-Če • · · · · · ·
5. 5. Elektretová vlákna podle nároků 1 až 4, vyznačená tím, že vlákny jsou vlákna vyfukovaná z taveniny.
6. 6. Elektretová vlákna podle nároků 1 až 5, vyznačená tím, že obsahují přibližně 1,0 % hmotn. až 1,5 % hmotn. extrahovatelného uhlovodíkového materiálu.
7. 7. Elektretová vlákna značená tím, že podle nároků 1 až 6, v y fluorochemickým aditivem je “O o o

   Λ A

   ------ aa₂-CH-CH₂N(CH₃)SO₂C_sF₁₇

   C8F₁₇SO₂N(CH₃)C)%CH~CH2
8. 8. Netkané rouno, vyznačené tím, že obsahuje elektretová vlákna podle nároků 1 až 7.
9. 9. Respirátor, vyznačený tím, že obsahuje netkané rouno podle nároku 8.
10. 10. Způsob filtrace částicového materiálu z plynu obsahujícího aerosolové částice, vyznačený tím, že se plyn vede skrze netkané rouno podle nároku 8.

    01-0638-00-Če • fe ·· ·· • · · · · · fefe · · · · • · fefefe ···· ··· fefefefe fefefe fefe ·· ··
11. 11. Způsob výroby elektretových vláken, který zahrnuje smísení polymerního materiálu s fluorochemickou aditivní sloučeninou; extrudaci směsi při teplotě udržované pod 290 °C za vzniku extrudovaných vláken; a žíhání a nabití extrudovaných vláken, vyznačený tím, že se polymerní materiál a provozní podmínky zvolí tak, že výsledná vlákna mají koncentraci extrahovatelného uhlovodíkového materiálu menší než přibližně 3,0 % hmotn., vztaženo ke hmotnosti vláken.
12. 12. Způsob podle nároku 11, vyznačený tím, že polymerní materiál sestává v podstatě z polypropylenu, extrudovaná vlákna se odebírají ve formě netkaného rouna a fluorochemickým aditivem je fluorochemický oxazolidinon, fluorochemický piperazin nebo perfluorovaný alkan.
13. 13. Způsob podle nároků 11 až 12, vyznačený tím, že se rouno žíhá přibližně 4 minuty až 10 minut při teplotě přibližně 140 °C až 150 °C.
14. 14. Způsob podle nároků 11 až 13, vyznačený tím, že se vlákna vyrobí ze směsi přibližně 0,5 % hmotn. až 5 % hmotn. fluorochemického aditiva a přibližně 95 % hmotn. až 99,5 % hmotn. polypropylenu.

    01-0638-00-Če
15. 15. Způsob předpovídání výkonu elektretového filtračního rouna, vyznačený tím, že zahrnuje měření koncentrace extrahovatelného uhlovodíkového materiálu v rounu.
16. 16. Způsob podle nároku 15, vyznačený tím, že se koncentrace extrahovatelných uhlovodíků měří extrakcí uhlovodíkového materiálu v chloroformu při pokojové teplotě.