-
Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Mehrschichtfilter, der eine nicht abfallende bzw. sich nicht
verringernde Effizienz bzw. Leistung aufweist, wenn er einem öligen Nebelaerosol
ausgesetzt ist.
-
Hintergrund
-
Personen, die Luft ausgesetzt sind,
die toxische oder schädliche
Substanzen enthält,
tragen häufig
eine Atemschutz- bzw. Gasmaske, die die Nase und den Mund bedeckt,
um die Luft vor dem Inhalieren zu filtrieren. Die Ausführung von
Gasmasken ist durch das National Institute for Occupational Safety
and Health (NIOSH) geregelt. Das NIOSH setzt verschiedene Entfernungsleistungsanforderungen
für Gasmasken
fest, die verschiedenen Kontaminationen ausgesetzt wurden. Einem
Standard beispielsweise für
die Entfernungsleistung von öligem Nebel – unter
Verwendung von Tröpfchen
von Dioctylphthalat (DOP) – müssen Filtermittel
erfüllen,
die zur Verwendung in Umgebungen, in denen Öl vorhanden ist, bestimmt sind.
Da die Entfernungsleistung sich als Reaktion zur Belastung verändern kann, setzen
die Standardanforderungen eine minimale Entfernungsleistung für ein bestimmtes
Aussetzen gegenüber
einem Test-Aerosol fest. Obwohl einige Gasmaskenfiltermittel eine
sich nicht verringernde – oder
sogar sich steigernde – Leistung
bei fortdauerndem Aussetzen bereitstellen, nimmt die Entfernungsleistung
von Gasmaskenfiltemitteln typischerweise ab, wenn das Aussetzen
mit DOP erhöht
wird.
-
Mit Wirkung vom Juli 1995 führte das
NIOSH Standardanforderungen für
nicht mit Energie betriebene die Luft reinigende Feststoffteilchengasmasken ein.
Vgl. 42 C.F.R. Teil 84 (veröffentlicht
am 8. Juni 1995). Die Regelungen schließen mehrere verschiedene Klassifizierungen
ein, von denen eine allgemein als "P-Reihen" bezeichnet wird und auf Filter gerichtet
ist, die zur Entfernung von auf Öl
basierenden Flüssigteilchen
bestimmt ist. Für
eine P-Reihen-Beglaubigung
muss das Gasmaskenfiltermittel eine sich nicht verringernde Leistung
bei dem Endpunkt eines DOP-Entfernungsleistungstests aufweisen.
-
Außer der Entfernungsleistung
ist die Gasmaskenbequemlichkeit ein anderer Parameter, der für den Verwender
der Gasmaske wichtig ist. Ein Hinweis für die Gasmaskenbequemlichkeit
ist der Druckabfall über
dem Gasmaskenfiltermittel. Filter mit einem geringeren Druckabfall
stellen eine verbesserte Bequemlichkeit für die Verwender durch Ermöglichen einer
leichteren Atmung des Trägers
und einer leichteren Reinigung von warmer, Feuchtigkeit ausströmender Luft
aus einer Maske, die kein Ausströmungsventil
besitzt, bereit.
-
Obwohl der Druckabfall durch Umweltbedingungen
nicht wesentlich beeinflusst wird, werden jedoch Unterschiede in
der Bequemlichkeit zwischen Filtern, die große und kleine Druckabfälle aufweisen, unter
rauheren Umweltbedingungen, wie große Hitze und Feuchtigkeit,
stärker
deutlich. Unter diesen Bedingungen kann sich der empfundene Druckabfall – das bedeutet,
die empfundene Anstrengung durch die Gasmaske zu atmen – auf unangenehme
Grade erhöhen.
Empfundene Druckabfallerhöhungen
sind eine Funktion von Umweltbedingungen, da Verwender bei härteren Umweltbedingungen
typischerweise die zusätzliche
Anstrengung, die beim Atmen erforderlich ist, stärker spüren, als Verwender bei weniger harten
Umweltbedingungen. Die Erhöhung
des empfundenen Druckabfalls vermindert die Bequemlichkeit eines
Verwenders und kann zu einer verminderten Befolgung der Erfordernisse
bei der Gasmaskenverwendung, besonders bei härteren Umweltbedingungen, wobei
die Verwendung der Gasmaske für die
Gesundheit und Sicherheit eines Menschen sehr wichtig ist, führen.
-
Der Druckabfall kann auch ein wichtiger
Faktor für
Filtermittel sein, die in mit Energie betriebenen die Luft reinigenden
Gasmasken verwendet werden. Die mit Energie betriebene die Luft
reinigende Gasmaskenleistung wird durch eine Anzahl von Parametern,
einschließlich
der Luftströmung
und dem Druckabfall über
dem Filter während
des Wirkungsvorgangs, gemessen. Die Luftströmung und der Druckabfall stehen
in Beziehung, da für
ein gegebenes Gebläse
bzw. eine gegebene Energiequelle ein Filter mit einem geringeren
Druckabfall eine höhere
Luftströmung
liefern wird. Umgekehrt wird ein Filter mit einem höheren Druckabfall
bei der Verwendung des gleichen Gebläses bzw. der gleichen Energiequelle einen
schwächeren
Luftstrom liefern. Der Luftstrom und der Druckabfall sind wichtig,
da ein Gasmaskensystem, das einen Filter mit größerem Druckabfall hat, mehr
Energie benötigt,
um die gleiche Menge von gefilterter Luft zu liefern, als ein Gasmaskensystem,
das einen Filter mit kleinerem Druckabfall hat. Deshalb kann ein
höherer
Druckabfall reduzierte Betriebszeiten für Gasmaskensysteme mit einer
Energiequelle zur Folge haben, die feste Energiequellen, wie Batterien,
besitzen.
-
Der Druckabfall für eine gegebene Luftstromgeschwindigkeit über einem
Filter kann durch Erhöhen
der Offenheit oder Lockerheit des Filtermaterials herabgesetzt werden.
Ein Filter jedoch, in dem die Offenheit oder Lockerheit des Filtermaterials
erhöht
ist, weist typischerweise eine verminderte Leistung beim Entfernen
von Verunreinigungen auf, was noch ein weiterer Parameter ist, mit
dem die Leistung des Gasmaskensystems gemessen wird. Der Druckabfall
für eine
gegebene Luftstromrate kann bei einigen Verhältnissen auch ohne eine Verringerung
der Leistung bei der Entfernung von Verunreinigungen vermindert
werden. Das kann durch Erhöhen
der Größe oder
der Oberfläche
des Filters erreicht werden. Eine erhöhte Filtergröße schließt jedoch
typischerweise auch die Erhöhung
der Größe und/oder der
Masse des Systems ein, die die Mobilität des Verwenders in beengten
Bereichen potentiell begrenzen kann.
-
Versuche zum Erfüllen der Anforderungen für P-Reihen
beglaubigten Filtern haben sich typischerweise auf die Verwendung
von Filtermitteln gestützt,
die eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung aufweisen.
Einige Filter können
eine oder mehrere Schichten einschließen, die eine neutrale Entfernungsleistung
in Kombination mit einer oder mehreren Schichten aufweisen, die
eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung aufweisen, wobei Filter
bereitgestellt werden, die eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung
aufweisen. Die Schicht mit neutraler Entfernungsleistung kann als
ein Vorfilter verwendet werden, um das Zusammenbacken der Filterschichten)
zu verhüten,
die eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung bereitstellt
(bereitstellen) und sie wird typischerweise aufgrund ihres niederen
Druckabfalls ausgewählt.
Um einen niederen Druckabfall bereitzustellen, können die Vorfilterschichten
eine relativ große
Höhe benötigen, die
die Filterdicke wesentlich erhöhen
kann. Wie vorstehend erörtert,
kann eine erhöhte
Filterdicke die Größe des Filtersystems
erhöhen,
wobei die Mobilität
des Trägers
in beengten Bereichen potentiell begrenzt wird.
-
Was nötig ist, sind Filter zur Verwendung
in Gasmasken und anderen Gegenständen,
die den Anforderungen der NIOSH-P-Reihen für die Entfernungsleistung von öligem Nebel
entsprechen, wobei sie auch einen verminderten Druckabfall bereitstellen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung kann einen
für öligen Nebel
resistenten Filter bereitstellen, der eine sich nicht verringernde
Entfernungsleistung kombiniert mit einem vermindertem Druckabfall
aufweist. Der Filter kann eine verbesserte Bequemlichkeit für den Träger bieten,
wenn er in die Luft reinigenden Gasmasken ohne Energiequelle verwendet
wird.
-
Die erfindungsgemäßen Filter bieten diese Vorteile
durch die Bereitstellung eines neuen Elektretfilters, der eine fluiddurchlässige erste
Elektretfilterschicht umfasst, die eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung
nach Beendigung der DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung aufweist
und einen Großteil
eines von dem Filter gesammelten Test-Aerosols während der DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung entfernt.
Der Elektretfilter weist auch eine fluiddurchlässige zweite Elektretfilterschicht
auf, die nach Beendigung der DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung eine
sich verringernde Entfernungsleistung aufweist. Die zweite Elektretfilterschicht
weist weiter einen anfänglichen
Qualitätsfaktor
auf, der höher
ist als ein anfänglicher
Qualitätsfaktor
der ersten Elektretfilterschicht, wie unter Verwendung der DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung bestimmt. Die
zweite Elektretfilterschicht ist stromabwärts zu der ersten Schicht angeordnet,
wenn in Richtung des Fluidflusses geschaut wird. Sowohl die erste
als auch die zweite Filterschicht schließen Fasern ein, die Polymermaterialien
enthalten.
-
Die vorliegende Erfindung unterscheidet
sich von bekannten Filtern durch die Bereitstellung einer ersten
Schicht, die eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung hat
und befähigt
ist, einen Großteil des
Test-Aerosols zu entfernen, die stromaufwärts zu einer zweiten Schicht
angeordnet ist, die eine sich verringernde Entfernungsleistung und
einen anfänglichen
Qualitätsfaktor
hat, der größer als
der der ersten Schicht ist. Diese neue Kombination von Filterschichten
kann es ermöglichen,
dass der Filter als Ganzes nach Beendigung der DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung eine
sich nicht verringernde Entfernungsleistung aufweist. Diese Leistungseigenschaft
kann den Filter befähigen,
dem NIOSH-P-Reihen-Standard für
Flüssigkeitsteilchen
auf Basis von Öl
zu genügen.
Erfindungsgemäße Filter
können auch
geeignet sein, einen relativ geringen Druckabfall bereitzustellen.
Die Erfindung ist deshalb für
Gasmasken nützlich,
da sie eine sehr sichere Atmungsumgebung für den Verwender in einer Umgebung von öligem Nebel
bereitstellen kann, wobei zur gleichen Zeit eine gute Bequemlichkeit
für den
Träger durch
die Auswirkung eines geringen Druckabfalls bereitgestellt wird.
-
Verzeichnis der Ausdrücke
-
Unter Bezugnahme auf die Erfindung
werden die nachstehenden Ausdrücke,
wie nachstehend bezeichnet, definiert. Andere Ausdrücke können auch
unter Bezugnahme auf die Beschreibung, die Ansprüche und die Zeichnungen definiert
werden.
"Aerosol" bedeutet ein Gas,
das suspendierte Teilchen in fester oder flüssiger Form enthält;
"flächenbezogene
Masse" bedeutet
das Gewicht des Materials oder der Materialien in einer Schicht
pro Einheit des Flächeninhalts
der Hauptoberflächen
der Schicht;
"sich
verringernde Entfernungsleistung" bedeutet, dass
der Filter oder die Filterschicht eine sich verringernde Entfernungsleistung
aufweist, die durch eine positive Steigung in der DOP Prozent-Penetrationskurve
nach Beendigung der DOP-Penetrations/Belastungsprüfung gezeigt
ist, die in dem nachstehenden Abschnitt über die Prüfung beschrieben ist (wobei
die Beendigung bei einem gesamten Aussetzen von 200 ± 5 mg
DOP erfolgt);
"Leistung" bedeutet die Menge,
ausgedrückt
in Prozent eines Test-Aerosols, die durch einen Filter entfernt
wird, die bezogen auf die prozentuale Penetration bestimmt werden
kann, wobei
Leistung (%) = 100 – Penetration (%)
(zum
Beispiel, ein Filter, der eine Penetration von 5% aufweist, hat
entsprechend eine Leistung von 95%);
"elektrische Ladung" bedeutet, dass eine Ladungstrennung
vorliegt;
"Elektretfilter" oder "Elektretfilterschicht" bedeutet einen Filter
oder eine Filterschicht, die mindestens eine quasi-permanente elektrische
Ladung aufweist, wobei "quasi-permanent" bedeutet, dass die
elektrische Ladung in der Bahn unter atmosphärischen Standardbedingungen
(22°C, 101.300
Pascal Atmosphärendruck
und 50% Feuchtigkeit) für
einen Zeitraum vorliegt, der lang genug ist, um signifikant messbar zu
sein;
"erste
Schicht" bedeutet
die Schicht des Filters, die vor der zweiten Schicht durch einen
Luftstrom getroffen wird;
"fluiddurchlässig" bedeutet, dass der
Filter oder die Filterschicht das Hindurchgehen mindestens eines Teils
eines Fluids erlaubt;
"Schicht" bedeutet einen Teil
eines Filters, der zwei Hauptoberflächen und eine Dicke zwischen
den Hauptoberflächen
hat, wobei die Schicht sich auf eine unbegrenzte Entfernung entlang
den Hauptoberflächen
erstrecken oder definierte Grenzen haben kann;
"Großteil" bedeutet mehr als
50%;
"Schmelztemperatur" wird durch die Differentialrasterkalorimetrie
(DSC) bestimmt, die mit einer Erwärmungsrate von 10°C/min durchgeführt und
als das Peakmaximum definiert wird, das durch das Schmelzen bewirkt
wird, das in dem zweiten DSC-Erwärmungszyklus
beobachtet wird (d. h. der nach dem Erwärmen über die Schmelztemperatur,
Abkühlen
der Substanz zum Erstarren und Wiedererwärmen beobachtete Peak);
"sich nicht verringernde
Leistung" und "sich nicht verringernde
Entfernungsleistung" bedeutet,
dass der Filter oder die Filterschicht eine sich nicht verringernde
Entfernungsleistung aufweist, die durch eine nicht positive Steigung
der DOP-Prozent-Penetrationskurve nach Beendigung der DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung gezeigt
ist, die in dem nachstehenden Abschnitt über die Prüfung beschrieben ist (wobei
die Beendigung bei einem gesamten Aussetzen von 200 ± 5 mg
DOP erfolgt);
"bei öligem Nebel
die Leistung verbessernder Zusatz" bedeutet einen Zusatz, der bei der
Bereitstellung als Teil des Filters die Fähigkeit des Filters verbessert,
Teilchen von öligem
Nebel zu absorbieren;
"Polymer" bedeutet ein Makromolekül, das aus
Monomeren hergestellt ist, und schließt Homopolymere, Copolymere
und Polymermischungen ein;
"Polymermaterial" bedeutet Material,
das mindestens ein Polymer und möglicherweise
andere Bestandteile außer
einem Polymer einschließt;
"Druckabfall" bedeutet eine Verminderung
des statischen Drucks innerhalb eines Luftstroms zwischen den stromaufwärts und
stromabwärts
gelegenen Seiten eines Filters, durch die der Luftstrom hindurchgeht;
"Gasmaske" bedeutet ein System
oder ein Gerät,
das über
die Atemwege einer Person getragen wird, um zu verhindern, dass
Verunreinigungen in die Atemwege des Trägers eindringen und/oder andere
Personen oder Gegenstände
vor dem Aussetzen mit Krankheitskeimen oder anderen Verunreinigungen schützt, die
während
der Atmung von dem Träger ausgebracht
werden, einschließlich,
aber nicht eingeschränkt
auf filtrierende Gesichtsmasken; und
"zweite Schicht" bedeutet die Filterschicht, die durch den
Luftstrom nach dem Hindurchgehen durch die erste Schicht getroffen
wird.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
1 ist
eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Elektretfiltermittels 10.
-
2 ist
eine Vorderansicht einer filtrierenden Gesichtsmaske 40,
die ein erfindungsgemäßes Elektretfiltermittel
enthält.
-
3 ist
eine vergrößerte teilweise
Querschnittsansicht des Maskenkörpers 42 der
in 2 gezeigten Maske 40.
-
4 veranschaulicht
die DOP %-Penetration der Filterkonstruktion des Vergleichsbeispiels
A.
-
5 veranschaulicht
die DOP %-Penetration der Filterkonstruktion des Vergleichsbeispiels
B.
-
6 veranschaulicht
die DOP %-Penetration der Filterkonstruktion des Vergleichsbeispiels
C.
-
7 veranschaulicht
die DOP %-Penetration der Filterkonstruktion des Vergleichsbeispiels
D.
-
8 veranschaulicht
die DOP %-Penetration der Filterkonstruktion des Beispiels 1.
-
9 veranschaulicht
die DOP %-Penetration der Filterkonstruktion des Beispiels 2.
-
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung
-
Erfindungsgemäße Filter schließen mindestens
zwei fluiddurchlässige
Elektretfilterschichten ein, die kombiniert nach Beendigung einer
nachstehend beschriebenen DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung eine sich nicht verringernde
Entfernungsleistung bereitstellen. Die kombinierten Filter können eine
sich nicht verringernde Entfernungsleistung und einen relativ geringen
Druckabfall bereitstellen. Beim Kombinieren einer sich nicht verringernden
Entfernungsleistung für öligen Nebel
mit einem verminderten Druckabfall können die erfindungsgemäßen Filter eine
verbesserte Bequemlichkeit für
den Verwender bieten, wenn die Filter zum Beispiel in Gasmasken ohne
eine Energiequelle und anderen Geräten verwendet werden.
-
In der vorliegenden Erfindung verwendete Elektretfilterschichten
weisen eine quasi-permanente elektrische Ladung auf. Die Schichten
weisen vorzugsweise jeweils eine "ständige" elektrische Ladung auf,
das bedeutet, dass die elektrische Ladung in den Fasern und deshalb
in der faserigen Bahn oder dem Filter mindestens für eine üblicherweise
angenommene nützliche
Lebensdauer des Produkts vorliegt, in der das Elektretgewebe angewendet
wird. Die Eigenschaften der Zeitkonstante für den Zerfall der Ladung sind
vorzugsweise viel länger,
als der Zeitraum, über
den das Elektretfilter oder die Elektretfilterschicht verwendet
wird.
-
Obwohl in vielen Fällen die
erfindungsgemäßen Filter
aufgrund von Testverfahren gekennzeichnet werden, die auf den Standardanforderungen
der NIOSH-P-Reihen gestaltet sind, können Filter, die die in dieser
Beschreibung beschriebenen Maßstäben entsprechen,
auch bei dem Erfüllen
einer Reihe von anderen Standardanforderungen nützlich sein. Die erfindungsgemäßen Filter
können
zum Beispiel auch Prüfungen
und Standardanforderungen erfüllen,
die durch andere staatliche und/oder nicht staatliche Organisationen
sowohl in als auch außerhalb
der Vereinigten Staaten entwickelt wurden.
-
1 veranschaulicht
einen Querschnitt eines Filters 10, der eine erste Hauptoberfläche 12 auf einer
Seite und eine zweite Hauptoberfläche 14 auf der gegenüberliegenden
Seite hat. Der Filter 10 schließt eine erste Elektretfilterschicht 20 und
eine zweite Elektretfilterschicht 30 ein, wobei beide vorzugsweise über die
Hauptoberflächen
des Filters 10 aneinander angrenzen.
-
Obwohl jede Schicht in dem Filter 10 als
homogen dargestellt ist, können
die erste und die zweite Elektretfilterschicht 20, 30 so
oder anders gestaltet sein. Die Schichten können zum Beispiel zwei oder mehrere
Komponenten einschließen,
wie nachstehend beschrieben wird. Außerdem kann jede Schicht zwei
oder mehr Unterschichten einschließen, die kombiniert eine erste
Elektretfilterschicht 20 oder eine zweite Elektretfilterschicht 30 bereitstellen.
Ferner kann die Grenze zwischen der ersten Elektretfilterschicht 20 und
der zweiten Elektretfilterschicht 30 gut bestimmt sein,
zum Beispiel wenn die erste Elektretfilterschicht 20 und
die zweite Elektretfilterschicht 30 kombiniert werden,
nachdem jede unabhängig hergestellt
wurde. Alternativ kann die Grenze zwischen der ersten Elektretfilterschicht 20 und
der zweiten Elektretfilterschicht 30 weniger gut bestimmt sein,
zum Beispiel wenn eine der Schichten durch Ansammeln von schmelzgeblasenen
Fasern auf der anderen Schicht hergestellt wird.
-
Wie in Verbindung mit dem Filter 10 verwendet,
werden die Ausdrücke "erste" und "zweite" Schicht verwendet,
um die Reihenfolge der Schichten 20 und 30 in
der Richtung der Luftströmung
durch das Filter 20 zu bezeichnen. Die Leistung des Filters 20 als
Reaktion auf das Aussetzen mit öligem
Nebel wird, aufgrund der Reihenfolge, in der die erste Elektretfilterschicht 20 und
die zweite Elektretfilterschicht 30 sich dem Luftstrom
darbieten, verschieden sein. Die erste Elektretfilterschicht 20 muss
vor der zweiten Elektretfilterschicht 30 von dem Luftstrom
getroffen werden, um die gewünschte
Kombination von Entfernungsleistung und Druckabfall zu erhalten.
-
Die erste Elektretfilterschicht 20 und
die zweite Elektretfilterschicht 30 können aneinander befestigt sein,
um den Filter 10 nach jeder geeigneten Technik zu erzeugen.
Beispiele für
geeignete Befestigungstechniken schließen die mechanische Verwicklung,
Faser-auf-Faser-Schweißen
und die Klebbindung ein, sie sind aber nicht darauf beschränkt.
-
Obwohl es nicht gezeigt ist, kann
das Filter 10 ferner eine oder mehrere weitere Schichten
einschließen,
die sich auf einer Seite des Filters 10 angeordnet sind
und/oder zwischen der ersten Elektretfilterschicht 20 und
der zweiten Elektretfilterschicht 30 liegen. Beispiele
für einige
potentielle zusätzliche Schichten
schließen
Kohlenstoffgewebe, Baumwollstoffe usw. ein. In einer weiteren Variation
kann das Filter 10 eine erste Elektretfilterschicht 20 einschließen, die
durch Luft von der zweiten Elektretfilterschicht 30 beabstandet
ist. Ein Beispiel für
eine solche Konstruktion ist eine Patronenfilterzusammensetzung.
Wie vorstehend erörtert,
ist der wichtige Parameter, dass der Luftstrom, der filtriert werden
soll, durch die erste Elektretfilterschicht 20 hindurchgeht, bevor
er durch die zweite Elektretfilterschicht 30 hindurchgeht.
-
Sowohl die erste Elektretfilterschicht 20 als auch
die zweite Elektretfilterschicht 30 kann in Form von elektrostatisch
geladenen faserigen Polymerbahnen bereitgestellt werden. Da das
Filter 10 in einer Umgebung von öligem Nebel verwendet werden soll,
kann eine oder können
beide Schichten auch einem fluorchemischen, die Leistung verbessernden Zusatz
einschließen,
wobei Filterfähigkeit
von öligem Aerosol
verbessert wird.
-
Die erste Elektretfilterschicht 20 schließt Fasern
ein, die ein erstes Polymermaterial enthalten, und die zweite Elektretfilterschicht 30 schließt Fasern ein,
die ein zweites Polymermaterial enthalten. Die ersten und zweiten
Polymermaterialien können gleich
oder verschieden sein. Jedoch sind vorzugsweise die ersten und zweiten
Polymermaterialien mit den verwendeten Techniken kompatibel, um
die erste Elektretfilterschicht 20 und die zweite Elektretfilterschicht 30 zusammen
zu befestigen, um das Filtermittel 10 zu erzeugen. Ausführlichere
Erörterungen über geeignete
Polymere und Polymermaterialien, die für die ersten und zweiten Elektretfilterschichten 20, 30 verwendbar
sind, werden nachstehend bereitgestellt. Die erste Elektretfilterschicht 20 kann
auch einen ersten die Leistung verbessernden Zusatz enthalten und
die zweite Elektretfilterschicht 30 kann auch einen zweiten
die Leistung verbessernden Zusatz einschließen. Die ersten und zweiten
die Leistung verbessernden Zusätze
können
gleich oder verschieden sein.
-
Die in der ersten Elektretfilterschicht 20 und in
der zweiten Elektretfilterschicht 30 verwendeten Polymermaterialien
sind vorzugsweise im wesentlichen frei von Materialien, wie antistatischen
Mitteln, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen können oder auf andere Weise
die Fähigkeit
der Polymermaterialien beeinträchtigen,
eine elektrostatische Ladung aufzunehmen und zu halten. Außerdem werden
die erste Elektretfilterschicht 20 und die zweite Elektretfilterschicht 30 vorzugsweise
nicht unnötigen
oder potentiell nachteiligen Behandlungen unterworfen, die die Bestrahlung
mit Gammastrahlen, UV-Strahlung, Pyrolyse, Oxidation usw. einschließen können und
die die elektrische Leitfähigkeit
des Materials in der ersten Elektretfilterschicht 20 und
in der zweiten Elektretfilterschicht 30 erhöhen könnte. Demgemäß wird in
einer bevorzugten Ausführungsform
der Elektretfilter 10 ohne Bestrahlung mit Gammastrahlen oder
einer anderen ionisierenden Strahlung hergestellt und verwendet.
-
Die erste Elektretfilterschicht 20 und
die zweite Elektretfilterschicht 30 in den erfindungsgemäßen Filtern 10 können auf
verschiedene Weise gekennzeichnet werden. Der Hauptpunkt für die Leistung
des Filters 10 ist jedoch die relative Filterleistung der
Schichten. Die erste Elektretfilterschicht 20 schreibt
im allgemeinen die Form der Ladungskurve für das Filter 10 als
Ganzes vor und sie entfernt auch einen Großteil des Test-Aerosols, das
durch den Filter 10 aus dem Luftstrom gesammelt wird. Deshalb dominiert
vorzugsweise die sich nicht verringernde Entfernungsleistung der
ersten Elektretfilterschicht die Entfernungsleistungskurve für den Filter 10 als Ganzes.
-
Während
die erste Elektretfilterschicht 20 eine sich nicht verringernde
Entfernungsleistung aufweist, weist die zweite Elektretfilterschicht 30 eine sich
verringernde Entfernungsleistung auf, wenn sie gemäß der DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung geprüft wird.
Die sich verringernde Entfernungsleistung der zweiten Elektretfilterschicht 30 geht
gegen die gewünschte
sich nicht verringernde Entfernungsleistung des Filters 10 als
Ganzes.
-
Die zweite Elektretfilterschicht 30 weist
einen anfänglichen
Qualitätsfaktor
auf, der größer ist
als der anfängliche
Qualitätsfaktor
der ersten Elektretfilterschicht 20. Der Qualitätsfaktor
eines Filters oder einer Filterschicht ist ein Maß der Leistung
des Filters, basierend auf der Penetration und dem Druckabfall.
Der anfängliche
Qualitätsfaktor
(QF) eines Filters wird gemäß der nachstehenden
Gleichung berechnet: QF = (–ln (DOP % Penetration/100))/Druckabfallwobei
DOP % Penetration die anfängliche
Penetration ist, die durch die nachstehend beschriebene DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung bestimmt wird,
und der Druckabfall wird in mmH2O nach der nachstehend
beschriebenen Druckabfallprüfung
bestimmt. Im allgemeinen weist ein höherer anfänglicher Qualitätsfaktor
auf eine bessere anfängliche
Filterleistung, verglichen mit einem Filter, der einen niedrigeren
anfänglichen
Qualitätsfaktor
hat, hin.
-
Während
die erste Elektretfilterschicht 20 einen Großteil des
Test-Aerosols entfernt, das durch das Filter 10 gesammelt
wird, entfernt die zweite Elektretfilterschicht 30 mit
ihrem höheren
Qualitätsfaktor
vorzugsweise einen erheblichen Teil des Test-Aerosols, das durch
die erste Elektretfilterschicht 20 hindurchgeht, wobei
der Druckabfall über dem
Filter 10 als Ganzem nicht wesentlich vergrößert wird.
-
Die Synergie zwischen der ersten
Elektretfilterschicht 20 und der zweiten Elektretfilterschicht 30 wirkt
sich so aus, dass die gesamte Filterleistung (wie sie zum Beispiel
durch die NIOSH-P-Reihen
Belastungsprüfungen
bestimmt wird), verglichen mit der Leistung, die unter Verwendung
einer oder zwei der ersten Elektretfilterschichten 20 allein
oder einer oder zwei der zweiten Elektretfilterschichten 30 allein
erzielt werden konnte, verbessert wird. Außerdem ist auch die Reihenfolge
der Schichten wichtig, da eine Umkehrung der Reihenfolge der Schichten,
verglichen mit einem Filter, bei dem der Luftstrom auf die zweite
Elektretfilterschicht 30, nach der ersten Elektretfilterschicht 20 trifft,
eine sich verringernde Filterleistung zur Folge hat.
-
Außer der ersten und der zweiten
Elektretfilterschicht schließen
andere Elektretfiltermaterialien, die in Verbindung mit der Erfindung
geeignet sein können,
die in dem U.S. Patent Re. 30,782 und Re. 32,171 und dem U.S. Patent
4,798,850 beschriebenen
Bahnen ein, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Die faserigen Bahnen,
die in FILTRETE-Filtern verwendet werden, die von Minnesota Mining and
Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota verkauft werden, und
die in TECHNOSTAT-Filtern verwendeten Bahnen, die von All Felt,
Inc., Ingleside, Illinois verkauft werden, können zur Verwendung in der
vorliegenden Erfindung geeignet sein. Bei der Leistungsprüfung wurden
für diese
Bahnen Qualitätsfaktoren
von 3,7 beziehungsweise 3,5 gemessen. Die TECHNOSTAT-Filterschichten
schließen
einen grobgewebten Baumwollstoff ein.
-
Die erste Elektretfilterschicht 20 weist
zwei Eigenschaften auf (a) sie entfernt einen Großteil des Test-Aerosols
(DOP), das durch den Filter als Ganzem gesammelt wird; und (b) sie
zeigt eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung. Die zweite
Elektretfilterschicht 30 kann als eine Schicht gekennzeichnet
werden, die eine sich verringernde Entfernungsleistung aufweist
und einen anfänglichen
Qualitätsfaktor
hat, der größer als
der anfängliche
Qualitätsfaktor
der ersten Elektretfilterschicht 20 ist. Der anfängliche
Qualitätsfaktor
der zweiten Elektretfilterschicht 30 ist vorzugsweise mindestens
etwa 0,5 oder größer, stärker bevorzugt
mindestens etwa 0,6 oder größer, noch
stärker
bevorzugt etwa 0,8 oder größer, am
stärksten
bevorzugt etwa 1,0 oder größer (wobei
der anfängliche
Qualitätsfaktor
bezogen auf die Ergebnisse der DOP-Penetrations/Belastungsprüfung bestimmt
wird).
-
Außer den vorstehend beschriebenen
Parametern kann die erste Elektretfilterschicht 20 und
die zweite Elektretfilterschicht 30 in den erfindungsgemäßen Filtern 10 unter
Verwendung der relativen flächenbezogenen
Massen der beiden verschiedenen Schichten gekennzeichnet werden.
-
Diese Art des Kennzeichnens der erfindungsgemäßen Filter
kann besonders nützlich
sein, wenn die Filterschichten schmelzgeblasene faserige Polymerbahnen
sind. Die erste Elektretfilterschicht 20 in einem solchen
Filter 10 kann vorzugsweise eine flächenbezogene Masse haben, die
größer als
die flächenbezogene
Masse der zweiten Elektretfilterschicht 30 ist. Stärker bevorzugt
kann das Verhältnis der
flächenbezogenen
Masse der ersten Elektretfilterschicht 20 zu der flächenbezogenen
Masse der zweiten Elektretfilterschicht 30 etwa 1,25:1
oder größer sein,
stärker
bevorzugt kann das Verhältnis
etwa 1,5:1 oder größer sein.
-
Die ersten und die zweiten Filterschichten können schmelzgeblasene
Fasern enthalten. Schmelzgeblasene Fasern können nach der in Van A. Wente,
Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. ENGN. CHEM., 1342–46 (1956)
und im Report Nr. 4364 der Naval Research Laboratories, veröffentlicht
am 25. Mai 1954 unter dem Titel Manufacture of Super Fine Organic
Fibers von Van A. Wente et al. beschriebenen Technik hergestellt
werden. Andere Fasern, die geeignet sein können, schließen spinngebundene
Fasern ein. Die Fasern sind vorzugsweise Mikrofasern, die Fasern
mit einem effektiven Faserdurchmesser von etwa 30 μm oder kleiner
sind. Für
Filteranwendungen sind die Fasern vorzugsweise Mikrofasern, die
einen effektiven Faserdurchmesser von kleiner als 20 μm, stärker bevorzugt
von etwa 1 bis etwa 10 μm
haben, der gemäß der in
C.N. Davies, The Separation of Airborne Dust and Particles, Institution
of Mechanical Engineers, London, Proceedings 1B (1952), besonders
Gleichung Nr. 12, beschriebenen Methode berechnet wird. Die erste
Elektretfilterschicht und die zweite Elektretfilterschicht besitzen
vorzugsweise eine kombinierte flächenbezogene
Masse von etwa 30 bis 500, stärker
bevorzugt von etwa 50 bis 250 g/m2, am stärksten bevorzugt von
etwa 100 bis 200 g/m2. Filter, die zu leicht
oder zu dünn
sind, können
zu brüchig
sein oder eine ungenügende
Filterfähigkeit
besitzen. Für
viele Anwendungen ist die kombinierte Dicke der ersten Elektretfilterschicht
und der zweiten Elektretfilterschicht etwa 0,5 bis 15 mm dick und
allgemein etwa 1 bis 5 mm dick. Elektretfilter mit diesen flächenbezogenen
Massen und Dicken können,
zum Beispiel, besonders nützlich
in einer Gasmaske sein.
-
Was den Druckabfall betrifft, können die
erfindungsgemäßen Filter
vorzugsweise einen Druckabfall (gemessen gemäß dem Druckabfall-Test) von etwa
12 mm H2O oder geringer, stärker bevorzugt von
etwa 10 mm H2O oder geringer, am stärksten bevorzugt
von etwa 8 mm H2O oder geringer, aufweisen.
-
Wenn die erfindungsgemäßen Filter
in Gasmasken verwendet werden, können
sie zum Beispiel in Form von geformten oder umschlossenen Halbgesichtsmasken,
Filterelementen für
ersetzbare Patronen oder Kanistern oder Vorfiltern, besonders geformt
oder untergebracht, werden.
-
Ein Beispiel für eine Gasmaske in Form einer filtrierenden
Gesichtsmaske
40 ist in den
2 und
3 gezeigt. Der Maskenkörper
42 kann
eine gebogene Halbkugelform oder eine andere gewünschte Formen haben (vgl. z.
B. die U.S. Patente
5,307,796 und
4,827,924 ). In der Maske
40 ist
das Elektretfiltermittel
44 zwischen die Deckbahn
43 und
die innere geformte Schicht
45 eingelegt. Die geformte
Schicht
45 stellt die Struktur für den Maskenkörper
42 und
den Träger für das Filtermittel
44 bereit.
-
Die geformte Schicht
45 kann
auf jeder Seite des Filtermittels
44 angeordnet sein und
sie kann, zum Beispiel, aus einem Vliesstoff aus thermisch bindungsfähigen Fasern,
die zu einer schalenförmigen Struktur
geformt sind, hergestellt werden. Die geformte Schicht kann nach
bekannten Verfahren (vgl. zum Beispiel das U.S. Patent
5,307,796 ) geformt werden. Die geformte
Schicht oder Schichten sind typischerweise aus Zweikomponentenfasern
hergestellt, die einen Kern aus einem hochschmelzenden Material,
wie Polyethylenterephthalat, haben, der durch eine Hülle aus
niedriger schmelzendem Material umgeben ist, so dass beim Erwärmen in
einer Form die geformte Schicht der Form der Pressform entspricht
und diese Form behält,
wenn sie auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Wenn sie mit einer anderen
Schicht, wie der Filterschicht, zusammengepresst wird, kann das
tief schmelzende Hüllenmaterial
auch zum Verbinden der Schichten dienen.
-
Um die Maske
40 eng anliegend
an das Gesicht des Trägers
zu halten, kann der Maskenkörper
42 daran
befestigte Bänder
52,
Verbindungskordeln, einen Maskengurt usw. haben. Ein biegsames,
weiches Band
54 aus Metall, wie Aluminium, kann auf dem
Maskenkörper
42 bereitgestellt
werden, damit es so geformt werden kann, dass die Maske
40 in
einer gewünschten
Passform auf der Nase des Trägers gehalten
wird (vgl. z. B. das U.S. Patent
5,558,089 ). Erfindugsgemäße Gasmasken
können
auch weitere Schichten, Ventile (vgl. z. B. das U.S. Patent
5,509,436 ), geformte Gesichtsstücke usw.
einschließen.
Beispiele für
Gasmasken, die das erfindungsgemäße verbesserte
Filtermittel einschließen
können, schließen die
in den U.S. Patenten
4,536,440 ,
4,827,924 ,
5,325,892 ,
4,807,619 ,
4,886,058 und der U.S. Patentanmeldung
Serial Nr. 08/079,234 beschriebenen ein.
-
Die Konstruktion einiger bevorzugter
erster Elektretfilterschichten 20 und zweiter Elektretfilterschichten 30,
die in den erfindungsgemäßen Filtern 10 verwendet
werden, sind nachstehend getrennt ausführlicher beschrieben. Die bevorzugten
Elektretfilterschichten zeigen jedoch einige gemeinsame Eigenschaften.
-
Polymere, die zur Verwendung für die Herstellung
von Fasern geeignet sein können,
die für
diese Erfindung nützlich
sind, schließen
thermoplastische, organische, nicht leitfähige Polymere ein. Die Polymere
können
synthetisch hergestellte organische Makromoleküle sein, die im wesentlichen
aus wiederkehrenden, langkettigen, strukturellen Einheiten bestehen,
die aus einer großen
Anzahl von Monomeren hergestellt sind. Die verwendeten Polymere sollten
eine große
Menge von eingefangener Ladung behalten können und sollten zu Fasern,
z. B. durch einen Schmelzblasapparat oder ein Spinnbindeapparat,
verarbeitet werden können.
Der Ausdruck "organisch" bedeutet, dass das
Gerüst
des Polymers Kohlenstoffatome einschließt. Der Ausdruck "thermoplastisch" bezieht sich auf
ein Polymer oder ein Polymermaterial, das erweicht, wenn es Wärme ausgesetzt
wird. Der Ausdruck "nicht
leitfähig" bedeutet einen Volumenwiderstand
bei Raumtemperatur (22°C) von
mehr als etwa 10
14 Ω·cm, stärker bevorzugt von mehr als
etwa 10
16 Ω·cm. Die Polymere haben vorzugsweise
die Fähigkeit,
eine nicht-transitorische oder langlebige eingefangene Ladung zu
besitzen. Wie von Klaase et al. in dem U.S. Patent
4,588,537 beschrieben, können nützliche
Polymere Polypropylen, Poly(4-methyl-1-penten), lineares Polyethylen niederer
Dichte, Polystyrol, Polycarbonat, Polyester und Kombinationen dieser
Polymere einschließen. Die
Hauptkomponente jedes dieser Polymere ist vorzugsweise Polypropylen,
wegen des hohen Widerstands von Polypropylen, seiner Fähigkeit,
schmelzgeblasene Fasern zu bilden, die für die Luftfiltration nützliche
Durchmesser haben, und seiner zufriedenstellenden Ladungsstabilität, Hydrophobizität und Feuchtigkeitsbeständigkeit.
Andererseits ist Polypropylen typischerweise nicht oleophob. Die
Polymermaterialien können
etwa 90 bis 99,8 Gew.-% Polymer, alternativ etwa 95 bis 99,5 Gew.-%,
in einer weiteren Alternative etwa 98 bis 99 Gew.-% Polymer enthalten.
-
Die die Leistung verbessernden Zusätze sind
Zusätze,
die die Filterfähigkeit
von öligem
Aerosol durch einen Filter, gemessen durch die DOP-Penetrations-Belastungsprüfung, beschrieben
in dem Abschnitt Prüfungsverfahren,
erhöhen.
Besondere, die Leistung verbessernde Zusätze können die Zusätze einschließen, die
durch Jones et al. in dem U.S. Patent
5,472,481 und
durch Rousseau et al. in dem U.S. Patent
5,908,598 beschrieben sind. Die die Leistung
verbessernden Zusätze
können
fluorchemische Additive, wie Fluoroxazolidinone, wie die, die in dem
U.S.
-
Patent
5,025,052 von
Crater et al. beschrieben sind, fluorchemische Piperazine und Stearatester
von Perfluoralkoholen einschließen.
-
Im Hinblick auf ihre gezeigte Leistung
bei der Verbesserung der Filtereigenschaften von polymeren Elektretfiltern
ist der die Leistung verbessernde Zusatz vorzugsweise eine Fluorverbindung,
stärker
bevorzugt ein Fluoroxazolidinon. Die Fluorverbindung hat vorzugsweise
einen Schmelzpunkt über
dem Schmelzpunkt der Polymermaterialien und unter der Extrusionstemperatur,
bei der die Fasern, die die Polymermaterialien enthalten, hergestellt
werden. Für Verarbeitungsüberlegungen,
die die Verwendung von Polypropylen einschließen, haben die Fluorverbindungen
vorzugsweise einen Schmelzpunkt über etwa
160°C, stärker bevorzugt
einen Schmelzpunkt von etwa 160°C
bis 290°C.
Besonders bevorzugte Fluorverbindungen als Zusätze schließen die Zusätze A, B und C ein, die in
dem U.S. Patent
5,411,576 von
Jones et al. offenbart sind.
-
Die Polymere und die die Leistung
verbessernden Zusätze
in den Polymermaterialien können als
Feststoffe vor dem Schmelzen gemischt werden; aber die Komponenten
werden vorzugsweise getrennt geschmolzen und als Flüssigkeiten
zusammen gemischt. Alternativ können
die die Leistung verbessernden Zusätze und ein Teil des Polymers
als Feststoffe gemischt und geschmolzen werden, wobei eine an Zusatz
relativ reiche geschmolzene Mischung erzeugt wird, die anschließend mit
einem an Zusatz freien Polymer kombiniert wird, wobei die gewünschten
Verhältnisse
der beiden Komponenten in den Polymermaterialien erhalten werden.
-
Die geschmolzene Mischung kann dann
zu einer gewünschten
Form, wie eine Folie oder eine Faser, geformt werden. Typischerweise
wird die geschmolzene Mischung durch Extrudieren durch eine Pressform
geformt, aber bei anderen Methoden kann die Mischung durch andere
Verfahren, wie Strecken in einem elektrostatischen Feld (vgl. zum
Beispiel Y. Trouilhet, "New
Method of Manufacturing Nonwovens By Electrostatic Laying", in Index 81 Congress Papers,
Advances In Web Forming, European Disposables And Nonwovens Association,
Amsterdam, 5–7.
Mai 1981) geformt werden. Ein Beispiel für ein Extrusionsverfahren verwendet
2 Extruder, etwa 10 bis etwa 20 Gew.-% eines Zusatzes und etwa 80
bis etwa 90 Gew.-% Polymer werden in einem ersten Extruder gemischt.
Die geschmolzene Mischung mit einem relativ hohen Gehalt des Zusatzes
wird in einen zweiten Extruder mit geschmolzenem Polymer (das keinen
Zusatz enthält)
eingebracht, wobei eine Mischung geformt wird, die durch eine Pressformöffnung extrudiert
wird. Die geschmolzene Mischung mit hohem Gehalt eines Zusatzes
wird vorzugs weise mit dem Polymer ohne Zusatz unmittelbar vor dem Extrudieren
des geschmolzenen Materials durch eine Pressform kombiniert.
-
Dieses Zwei-Extruder-Verfahren kann
die Zeit vermindern, in der der die Leistung verbessernde Zusatz
hoher Temperatur ausgesetzt wird. Die Temperatur während der
Extrusion wird vorzugsweise geregelt, wobei eine gewünschte Rheologie
des Extrudats bereitgestellt und der thermische Abbau des die Leistung
verbessernden Zusatzes vermieden wird. Verschiedene Extruder benötigen typischerweise verschiedene
Temperaturprofile und es können
einige Versuche nötig
sein, um die Extrusionsbedingungen für ein besonderes System zu
optimieren. Für
die bevorzugten Polypropylen-/Fluorverbindungs-Mischungen wird die
Temperatur während
der Extrusion vorzugsweise unter etwa 290°C gehalten, wobei der thermische
Abbau der Fluorverbindung als die Leistung verbessernder Zusatz
vermindert wird. Wenn Extruder verwendet werden, sind es vorzugsweise
zum besseren Mischen Extruder des Doppelschneckentyps. Geeignete
Extruder können
zum Beispiel von Firmen wie Werner & Pfleiderer oder Berstorff erhalten
werden. Die geschmolzene Mischung wird vorzugsweise durch eine Pressform
extrudiert, und stärker
bevorzugt wird die Mischung durch eine Pressform unter Schmelzblasbedingungen
extrudiert.
-
Die in den bevorzugten ersten und
zweiten Elektretfilterschichten verwendeten polymeren Fasern können eine
Hülle-Kern-Struktur
haben, und in diesem Fall sollte die Hülle den die Leistung verbessernden
Zusatz, wie in den vorstehend erläuterten Mischungen beschrieben,
enthalten. Zusätze
können auch
auf die Bahn nach dem Formen, zum Beispiel unter Verwendung der
Oberflächenfluorierungstechnik,
die in der U.S. Patentanmeldung 09/109,497, eingereicht am 2. Juli
1998 von Jones et al., beschrieben ist, gebracht werden.
-
Die ersten und zweiten Elektretfilterschichten
in den erfindungsgemäßen Filtern
können
in Form einer Vielzahl von Elektretfasern vorliegen, die zu einer
selbsttragenden Elektretfilterschicht geformt werden. Alternativ
können
die Schichten die Form einer Bahn haben, die zumindest einige Elektretfasern kombiniert
mit einer tragenden Struktur enthält. Für viele Filteranwendungen liegt
die Elektretbahn in Form eines Vliesstoffs zufällig verwickelter Fasern als
selbsttragende Masse vor. Stoffe, die schmelzgeblasene Mikrofasern
enthalten, liegen typischerweise in dieser Form vor. Die Elektretfilterschichten
können mit
einem anderen nicht-Elektretmaterial
kombiniert werden. Zum Beispiel kann die tragende Struktur aus nicht-Elektretfasern oder
tragenden nicht-Elektret-Vliesstoffen bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfassen sowohl die erste als auch die zweite Schicht einen Vliesstoff
der elektrisch geladene, schmelzgeblasene Mikrofasern umfasst.
-
Die ersten und zweiten Schichten
können auch
Stapelfasern einschließen,
um einen erhabeneren, weniger dichten Stoff bereitzustellen. Methoden zum
Einbringen von Stapelfasern in einen Vliesstoff können, wie
in dem U.S. Patent
4,118,531 von
Hauser beschrieben, durchgeführt
werden. Wenn Stapelfasern verwendet werden, enthält der Stoff weniger als 90
Gew.-% Stapelfasern, stärker
bevorzugt weniger als 70 Gew.-%. Aus Gründen der Einfachheit und der
Optimierung der Leistung können
die Schichten in einigen Ausführungsformen
im Wesentlichen aus schmelzgeblasenen Fasern bestehen, die die Leistung
verbessernde Zusätze
enthalten können
oder nicht.
-
Die ersten oder zweiten Schichten
können auch
ein oder mehrere aktive Feststoffteilchenmaterialien, wie Sorbtionsmittelfeststoffteilchen,
zum Beispiel Aluminiumoxid und Aktivkohle, enthalten. Das U.S. Patent
5,696,199 von Senkus et
al. offenbart aktive Feststoffteilchen, die zur Verwendung in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung geeignet sein können. Die Feststoffteilchen
können
zu einer oder zu beiden Schichten oder zwischen die Schichten zugegeben
werden, um das Entfernen von gasförmigen Verunreinigungen aus
einem Luftstrom zu fördern, der
durch das Filter hindurch geht. Mit Feststoffteilchen beladene Bahnen
sind zum Beispiel in den U.S. Patenten
3,971,373 von Braun,
4,100,324 von Anderson und
4,429,001 von Kolpin et
al. beschrieben. Wenn Feststoffteilchenmaterial in eine oder in
beide Schichten eingebracht ist, enthält jede Schicht vorzugsweise
weniger als 80 Vol.-% Feststoffteilchenmaterial, stärker bevorzugt
weniger als 60 Vol.-%. In Ausführungsformen,
bei denen der Elektretfilter keine gasförmigen Verunreinigungen zu
entfernen braucht, braucht das Filter keine Sorbtionsmittelfeststoffteilchen
einzuschließen.
-
Erfindungsgemäße Elektretfilter können in zahlreichen
Filtrieranwendungen, einschließlich
Gasmasken, Haus- und industrielle Klimaanlagen, Öfen, Luftreinigern, Staubsaugern,
medizinischen und Luftleitungsfiltern, Luftreinigungssystemen in
Fahrzeugen und in elektronischen Ausrüstungen, wie Computern und
Diskettenlaufwerken, Verwendung finden.
-
Erste Elektretfilterschicht
-
Eine erste Elektretfilterschicht,
die zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Filter geeignet sein kann,
ist in der International Patent Publication WO 99/16532 unter dem
Titel Electret Articles And Filters With Oily Mist Resistance beschrieben. Die
in der Veröffentlichung
beschriebenen Filterbahnen weisen im allgemeinen eine oder mehrere
gewünschte
Eigenschaften auf, die die Fähigkeit
der Bahn erhöhen, ölige Nebel
aus einem Luftstrom zu entfernen. Eine dieser gewünschten
Eigenschaften ist die geringe Kristallinität der Polymerfasern in der Bahn,
die beim Kombinieren mit einem die Leistung verbessernden Zusatz
die Filterleistung der Bahn für öligen Nebel
erhöht.
-
Ein Verfahren zur Herstellung von
Polymerfasern mit geringer Kristallinität verwendet das Abschrecken,
um die Ordnung oder Kristallinität
des Polymermaterials, verglichen mit der Ordnung des Polymermaterials
ohne Abschrecken, zu vermindern. Der Schritt des Abschreckens erfolgt
gleichzeitig mit oder kurz nach dem Umwandeln eines geschmolzenen Materials
in eine gewünschte
Form. Gewöhnlich
wird das faserbildende Material durch Extrusion durch eine Pressformöffnung geformt
und es wird typischerweise durch Anwendung einer kühlenden
Flüssigkeit
auf das Extrudat, nachdem es aus der Öffnung ausgetreten ist, abgeschreckt.
-
Das Polymermaterial in den Fasern
der ersten Elektretfilterschicht enthält, wie vorstehend erörtert, vorzugsweise
einen die Leistung für
ein öliges Aerosol
verbessernden Zusatz. Die Polymermaterialien in der ersten Elektretfilterschicht
können
vorzugsweise etwa 0,2 bis 10 Gew.-% eines ersten die Leistung verbessernden
Zusatzes, stärker
bevorzugt etwa 0,2 bis 5,0 Gew.-%, am stärksten bevorzugt etwa 1,0 bis
2,0 Gew.-%, enthalten.
-
Wenn die erste Elektretfilterschicht
eine Bahn aus schmelzgeblasenen Polymerfasern ist, hat die erste
Elektretfilterschicht typischerweise eine gesamte flächenbezogene
Masse von etwa 20 bis etwa 300 g/m2, stärker bevorzugt
von etwa 30 bis etwa 150 g/m2. Wenn die
Bahn der ersten Elektretfilterschicht zu dicht ist, kann es schwierig
sein, sie zu laden; während
die Bahnen der ersten Elektretfilterschicht, die zu leicht oder
zu dünn
sind, brüchig
sein können oder
eine ungenügende
Filterfähigkeit
haben. Für viele
Anwendungen kann die erste Elektretfilterschicht etwa 0,3 bis etwa
10 mm dick sein und sie ist üblicherweise
etwa 0,5 bis 3 mm dick.
-
Im Allgemeinen wird das Schmelzblasen
des Polymermaterials zur Erzeugung von Fasern für die erste Elektretfilterschicht
unter Verwendung von üblichen
Verfahren durchgeführt,
mit der Modifizierung, dass das extrudierte Material vorzugsweise
abgeschreckt oder gekühlt
wird, wenn es aus der Pressform austritt, wobei die Kristallisation
des Polymers in den erhaltenen Fasern minimiert wird. Geeignete
Abschrecktechniken können
das Sprühen
mit Wasser, Sprühen
mit einer flüchtigen
Flüssigkeit
oder das Inkontaktbringen mit kalter Luft oder Tieftemperaturgasen,
wie Kohlendioxid oder Stickstoff, einschließen. Die kühlende Flüssigkeit (Flüssigkeit
oder Gas) wird typischerweise aus Düsen gesprüht, die innerhalb von etwa
5 cm von den Pressformöffnungen
angebracht sind. Bei Materialien, die durch eine Pressform extrudiert
werden, trifft die kühlende
Flüssigkeit
vorzugsweise auf das geschmolzene Extrudat vor der Ansammlung, stärker bevorzugt
sofort nach der Extrusion aus der Pressform. Zum Beispiel wird im
Falle der schmelzgeblasenen Fasern das geschmolzene Extrudat vorzugsweise
vor dem Sammeln in Form eines Vliesstoffs abgeschreckt. Die kühlende Flüssigkeit
ist vorzugsweise Wasser. Das Wasser kann Leitungswasser sein, aber
es ist vorzugsweise destilliertes oder entionisiertes Wasser.
-
Elektretfilter, die aus abgeschreckten
Polymermaterialien hergestellt sind, weisen eine unerwartet gute
Filtrationsleistung für ölig-flüssige Aerosole
auf, wenn sie anschließend
getempert und geladen werden. Der Abschreckungsschritt vermindert den
kristallinen Gehalt des Polymermaterials, verglichen mit nicht abgeschrecktem
Polymermaterial, das unter den gleichen Bedingungen extrudiert wurde. Das
abgeschreckte Polymermaterial besitzt vorzugsweise einen niedrigen
Grad an Kristallinität,
wie durch Röntgenbeugung
bestimmt wurde.
-
Nach dem Abschrecken werden die Fasern in
der ersten Elektretfilterschicht vorzugsweise gesammelt, wobei ein
Vliesstoff gebildet wird. Schmelzgeblasene Fasern können typischerweise
als ein Vliesstoff auf einer rotierenden Trommel oder einem laufenden
Förderband
gesammelt werden. Die Abschreckungs- und Sammelschritte werden vorzugsweise
so durchgeführt,
dass kein Überschuss
an Abschreckungsflüssigkeit
vorhanden ist (wenn es eine restliche Flüssigkeit gibt, ist es typischerweise
Wasser), die auf dem gesammelten Material bleibt. Ein Fluid, das
auf dem gesammelten Material bleibt, kann Probleme bei der Lagerung
verursachen und zusätzliches
Erwärmen
während
des Temperns notwendig machen, um die Abschreckungsflüssigkeit
zu entfernen. Auf diese Weise enthält das gesammelte Material
vorzugsweise weniger als 1 Gew.-% Abschreckungsflüssigkeit
und stärker
bevorzugt keine restliche Abschreckungsflüssigkeit. Der Sammler kann
einen Transportmechanismus für
die Bahn einschließen,
der die gesammelte Bahn zu einem Trocknungsmechanismus bewegt, wenn
die Fasern gesammelt werden. Bei einem bevorzugten Verfahren bewegt
sich der Sammler kontinuierlich um eine endlose Rolle, sodass die
Bahnen kontinuierlich hergestellt werden können. Der Sammler kann beispielsweise
die Form einer Trommel, eines Bandes oder eines Siebs haben. Im
wesentlichen wird jedes Gerät oder
jeder Arbeitsvorgang, der zum Sammeln der Fasern geeignet ist, zur
Verwendung in Ver bindung mit der vorliegenden Erfindung erwogen.
Ein Beispiel für einen
geeigneten Sammler, ist in der U.S. Patentanmeldung Serial Nr. 09/181,205
unter dem Titel Uniform Meltblown Fibrous Web And Method And Apparatus
For Manufacturing beschrieben.
-
Das abgeschreckte Polymermaterial
kann getempert werden, um seine elektrostatische Ladungsstabilität in Gegenwart
von öligen
Nebeln zu erhöhen.
Der die Leistung verbessernde Zusatz ist vorzugsweise eine Substanz,
die Oberflächen
niederer Energie hat, wie eine Fluorverbindung, und der Temperschritt
wird bei einer genügenden
Temperatur und in einer genügenden
Zeit durchgeführt,
um zu bewirken, dass der Zusatz zu den Schnittstellen (zum Beispiel
der Polymer-Luft-Schnittstelle
und der Grenze zwischen kristallinen und amorphen Phasen) des Polymermaterials
diffundiert. Im allgemeinen erlauben höhere Tempertemperaturen kürzere Temperzeiten. Um
gewünschte
Eigenschaften für
das Endprodukt zu erhalten, sollte das Tempern von Polymermaterialien,
die Polypropylen enthalten, bei etwa 100°C durchgeführt werden. Vorzugsweise wird
das Tempern eines Polypropylen enthaltenden Polymermaterials bei
etwa 130 bis 155°C
in etwa 2 bis 20 Minuten; stärker
bevorzugt bei etwa 140 bis 150°C
in etwa 2 bis 10 Minuten; am stärksten
bevorzugt bei etwa 150°C
in etwa 4 bis 5 Minuten durchgeführt.
Das Tempern wird vorzugsweise unter Bedingungen durchgeführt, die
die Struktur der Bahn nicht wesentlich verschlechtern. Für Polypropylenbahnen
können Tempertemperaturen
wesentlich über
etwa 155°C unerwünscht sein,
da die Bahnstruktur beschädigt werden
kann.
-
Das Polymermaterial der ersten Elektretfilterschicht
wird vorzugsweise nach dem Abschrecken und Tempern elektrostatisch
geladen. Beispiele für elektrostatische
Ladungsmethoden, die bei der Erfindung nützlich sind, können die
in den U.S. Patenten
5,401,446 von
Tsai et al.,
4,375,718 von
Wadsworth et al.,
4,588,537 von
Klaase et al. und
4,592,815 von Nakao
beschriebenen Methoden einschließen. Die Polymermaterialien
können
auch hydrogeladen sein – vgl.
das U.S. Patent
5,496,507 von
Angadjivand et al. Geschnittene Fasern können durch Reiben oder durch
Schütteln
mit verschiedenartigen Fasern reibungsgeladen werden – vgl. das
U.S. Patent
4,798,850 von
Brown et al. Das Ladungsverfahren schließt vorzugsweise das Unterwerfen
des Materials einer Koronaentladung oder einer Impulshochspannung
ein.
-
Für
die ersten Schichten in den erfindungsgemäßen Filtern verwendete Elektretfilterbahnen können durch
thermisch angeregte Entladestrom(TSDC)-Studien gekennzeichnet werden.
Geladene Gegenstände
können
direkt durch Legen einer Probe zwischen zwei Elektroden und Erwärmen der Probe
mit einer konstanten Rate geprüft
werden. Strom, der von der Probe entladen wird, wird durch ein Amperemeter
gemessen. Der von der Probe entladene Strom ist eine Funktion der
Polarisierbarkeit und dem Einfangen von Ladungen des geprüften Gegenstands.
-
Alternativ können geladene Gegenstände zuerst
in einem elektrischen Feld bei einer erhöhten Temperatur polarisiert
und dann schnell unter die Glasübergangstemperatur
(Tg) des Polymers abgekühlt
werden, während
das polarisierte Feld zum "Einfrieren" der induzierten
Polarisation gehalten wird. Die Probe wird dann bei einer konstanten
Rate erwärmt
und der erhaltene entladene Strom gemessen. Bei dem Polarisationsprozess
kann eine Dipolausrichtung, Ladungsneuverteilung oder eine Kombination
davon eintreten.
-
Während
der TSDC-Studien werden die in einem Elektret gespeicherten Ladungen
beweglich und sie werden entweder an den Elektroden neutralisiert
oder in der Probemasse durch Rekombination mit Ladungen mit entgegengesetzten
Vorzeichen neutralisiert. Das erzeugt einen äußeren Strom, der eine Anzahl
von Peaks zeigt, wenn er als Funktion der Temperatur aufgezeichnet
und auf einer graphischen Darstellung (als TSDC-Spektrum bezeichnet) dargestellt
wird. Die Form und die Lage dieser Peaks hängt von den Energieniveaus
beim Einfangen von Ladungen und der physikalischen Lage der Einfangstellen
ab.
-
Elektretladungen werden gewöhnlich in strukturellen
Anomalien, wie Unreinheiten, Mängeln der
monomeren Einheiten, Kettenunregelmäßigkeiten usw., gespeichert.
Die Breite eines TSDC-Peaks wird
durch die Verteilung von Ladungseinfangniveaus in den Elektreten
beeinflusst. Bei halbkristallinen Polymeren sammeln oder erschöpfen sich
Ladungen oft, wegen des Unterschieds in der Phasenleitfähigkeit
in der Nähe
der amorph-kristallin-Schnittstellen (Maxwell-Wagner-Effekt). Diese Einfangstellen
sind gewöhnlich
mit verschiedenen Einfangenergien verknüpft, wobei eine kontinuierliche
Verteilung von Aktivierungsenergien erwartet wird und erwartet wird,
dass die TSDC-Peaks sich überlappen
und zu einem breiten Peak verschmelzen.
-
Wie in WO 99/16532 erörtert, stehen
verschiedene Merkmale in dem TSDC-Spektrum mit der ausgezeichneten Ölnebelbelastungsleistung
in Beziehung. Die TSDC-Spektralmerkmale, die in Beziehung mit der
ausgezeichneten Filterleistung des Materials für die erste Elektretfilterschicht
stehen, schließen
die nachstehend erörterten
Merkmale ein.
-
In einer Ausführungsform wird ein Elektretfilter
oder eine Filterschicht hergestellt, die ein TSDC-Spektrum hat,
das einen Peak bei etwa 15°C
bis 30°C,
stärker
bevorzugt etwa 15°C
bis 25°C,
unter der Schmelztemperatur der Probe aufweist, wie durch das TSDC-Testverfahren
1 gemessen wurde. Wenn das Polymer in dem Polymermaterial der Probe
Polypropylen ist, weist das TSDC-Spektrum einen Peak bei etwa 130
bis etwa 140°C
auf.
-
Bei einer anderen Ausführungsform
wird ein Elektretfilter oder eine Filterschicht hergestellt, die
einen Peak in dem TSDC-Spektrum mit einer Breite bei halber Höhe von weniger
als etwa 30°C,
stärker
bevorzugt eine Breite bei halber Höhe von weniger als etwa 25°C, am stärksten bevorzugt
eine Breite bei halber Höhe
von weniger als etwa 20°C
hat, gemessen mit Hilfe des TSDC-Testverfahrens
2, aufweist. In Fällen,
wobei das Polymer in dem Polymermaterial der Probe Polypropylen
ist, hat der vorstehend beschriebene schmale Peak sein Maximum bei
etwa 138 bis 142°C.
-
Bei noch einer anderen Ausführungsform wird
ein Elektretfilter oder eine Filterschicht hergestellt, die eine
zunehmende Ladungsdichte über
1 bis 5 Minuten und/oder 5 bis 10 Minuten des Polarisierungszeitraums
aufweist, wie durch das TSDC-Testverfahren 3 gemessen wurde.
-
Zweite Elektretfilterschicht
-
Bevorzugte zweite Elektretfilterschichten
in den erfindungsgemäßen Filtern
können
elektrostatisch geladene, faserige Polymerbahnen aus Vliesstoff
einschließen,
die vorzugsweise einen zweiten die Leistung für öligen Nebel verbessernden Zusatz einschließen.
-
Das Laden der zweiten Elektretfilterschicht kann
vorzugsweise durch Hydroladen, wie zum Beispiel in dem U.S. Patent
Nr.
5,496,507 von Angadijivand
et al. erörtert,
durchgeführt
werden. Das Hydroladen wird durch Auftreffen von Wasserstrahlen oder
einem Strom von Wassertröpfchen
auf die Bahn bei einem genügenden
Druck, um die Bahn mit einer filterverbessernden Elektretladung
bereitzustellen, durchgeführt.
Der notwendige Druck zum Erzielen von optimalen Ergebnissen kann,
abhängig
von dem Typ des verwendeten Sprühgeräts, dem
Polymertyp aus dem die Bahn erzeugt ist, der Dicke und der Dichte
der Bahn und ob eine Vorbehandlung, wie eine Koronaladung, vor dem
Hydroladen durchgeführt
wurde, verschieden sein. Im allgemeinen sind Drücke im Bereich von etwa 69
bis 3450 kPa (10 bis 500 psi) geeignet. Vorzugsweise soll das zur
Bereitstellung der Wassertröpfchen
verwendete Wasser relativ sauber sein. Destilliertes oder entionisiertes Wasser
wird gegenüber
Leitungswasser bevorzugt. Die Wasserstrahlen oder Ströme von Wassertröpfchen können auf
jede geeignete Sprühweise
bereitgestellt werden. Die Geräte,
die für
das hydraulische Verwickeln von Fasern nützlich sind, sind im allgemeinen
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
nützlich,
obwohl der Arbeitsgang beim Hydroladen bei tieferen Drücken durchgeführt wird,
als bei Drücken,
die allgemein beim Verwickeln mit Wasser verwendet werden.
-
Alternativ kann die zweite Elektretfilterschicht
nach den in Verbindung mit der ersten Elektretfilterschicht erörterten
Methoden geladen werden.
-
Das in den Fasern der zweiten Elektretfilterschicht
enthaltende Polymermaterial schließt vorzugsweise einen die Leistung
für öliges Aerosol
verbessernden Zusatz, wie vorstehend beschrieben, ein. Das Polymermaterial
in der zweiten Elektretfilterschicht kann etwa 0,2 bis 10 Gew.-%
eines zweiten die Leistung verbessernden Zusatzes; alternativ etwa
0,5 bis 5,0 Gew.-%; und wiederum alternativ etwa 0,5 bis 1,5 Gew.-%,
enthalten.
-
Wenn die zweite Elektretfilterschicht
des Filtermittels eine Bahn ist, die schmelzgeblasene Fasern enthält, hat
die zweite Elektretfilterschicht typischerweise eine gesamte flächenbezogene
Masse von etwa 10 bis etwa 200 g/m2, stärker bevorzugt
von etwa 20 bis etwa 100 g/m2. Wenn die
Bahn der zweiten Elektretfilterschicht zu dicht ist, kann es schwierig sein
sie zu laden, während
Bahnen der zweiten Elektretfilterschicht, die zu leicht oder zu
dünn sind,
brüchig
sein können
oder eine ungenügende
Filterfähigkeit
haben. Für
viele Anwendungen kann die Bahn der zweiten Elektretfilterschicht
etwa 0,2 bis etwa 5 mm dick, und gewöhnlich etwa 0,5 bis etwa 2
mm dick sein.
-
Prüfungsverfahren
-
Die nachstehenden Prüfungsverfahren
wurden verwendet, um die beschriebenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Schichten
und Filtermittel zu bestimmen.
-
Bahnendicke/flächenbezogene
Masse
-
Die Bahnendicke wurde gemäß ASTM D 1777-64
unter Verwendung eines 230 g Gewichts auf einer Scheibe mit 10 cm
Durchmesser gemessen.
-
Die flächenbezogene Masse wurde aus
dem Gewicht einer Scheibe mit einem 5,25 in. (13,3 cm) Durchmesser
bestimmt.
-
Druckabfalltest
-
Der Druckabfall wurde gemäß ASTM F778 gemessen.
Die in Verbindung mit der Erfindung dargestellten Druckabfälle wurden
unter Verwendung einer Fließgeschwindigkeit
von 851 pro Minute durch ein kreisförmiges Filter gemessen, das
einen freien Durchmesser von 15,2 cm hatte. Die Stirnflächengeschwindigkeit
betrug 7,77 cm/Sekunde.
-
DOP-Penetations-/Belastungsprüfung
-
Die Dioctylphthalat-(DOP) Messungen
wurden durch Überwachen
der DOP %-Penetration eines geregelten DOP-Aerosols durch eine Probe,
als auch der DOP-Ladung in der Probe während des verlängerten
Aussetzens gegenüber
dem DOP-Test-Aerosol durchgeführt.
-
Die Messungen wurden unter Verwendung eines
Automated Filter Tester (AFT) Modell #8110 oder #8130 (erhältlich von
TSI Incorporated, St. Paul, Minnesota) durchgeführt, der für ein DOP-Aerosol geeignet
ist. Das DOP-Test-Aerosol, das durch die 8110- und 8130-AFT-Instrumente erzeugt
wurde, war monodispers mit einem Massenmitteldurchmesser von nominal
0,3 μm,
das eine Konzentration stromaufwärts
von etwa 100 mg/m3, gemessen durch ein gravimetrisches
Standardfilter, hatte. Die geprüften Proben
wurden alle mit einem Aerosol-Ionisierer,
der eingeschaltet war und mit einer Fließgeschwindigkeit durch die
Filterbahnprobe von 85 1 pro Minute (LPM) geprüft. Die Proben wurden zu Scheiben
geschnitten, die einen Durchmesser von 17,15 cm (6,75 inch) hatten.
Zwei Scheiben wurden direkt aufeinander geschichtet und die Scheiben
in einem Probenhalter so befestigt, dass ein Kreis mit einem 15,2
cm (6,0 inch) Durchmesser dem Aerosol ausgesetzt war. Die Stirnflächengeschwindigkeit
betrug während
der Prüfung 7,77
cm/s. Die Proben wurden vor dem Einsetzen in einen Probenhalter
gewogen. Die Prüfungen
wurden nach dem Aussetzen von 200 ± 5 mg DOP, basierend auf
den NIOSH Ausführungsbestimmungen,
als beendet angesehen, obwohl jede Prüfung fortgesetzt wurde, bis
ein Aussetzen von mindestens 600 mg DOP erreicht wurde.
-
Die DOP %-Penetration ist, wie folgt,
definiert: DOP % Penetration = 100 (DOP Konz.
stromabwärts/DOP
Konz. stromaufwärts)wobei
das Verhältnis
der Konzentrationen stromaufwärts
und stromabwärts
durch Lichtstreuung gemessen wurde. Die DOP %-Penetration wurde
automatisch durch die AFT-Ausrüstung
berechnet. Typischerweise wurde ein anfänglicher DOP %-Penetrationswert
aus der ersten aufgezeichneten % Penetration in der Prüfung erhalten,
wobei die anfängliche DOP-Penetration
innerhalb der ersten Minute des Prüfungsverfahrens und innerhalb
der ersten 10 mg von DOP-Test-Aerosol
erhalten wurde, das in die Filterprobe eingebracht wurde.
-
Die DOP-%-Penetration und die entsprechenden
Druckabfalldaten wurden einem angeschlossenen Computer übermittelt,
wo sie gespeichert wurden. Nach Beendigung der Prüfung wurden die
geladenen Proben in einigen Fällen
wieder gewogen, um die Menge des gesammelten DOP auf den faserigen
Bahnproben zu überprüfen. Das
diente als Gegenkontrolle für
das ausgesetzte DOP, extrapoliert aus der gemessenen DOP-Konzentration,
die auf der faserigen Bahn vorliegt, und der gemessenen Aerosolfließgeschwindigkeit
durch die Bahn.
-
Thermisch angeregter Entladestrom
(TSDC)
-
Die TSDC-Untersuchungen wurden unter Verwendung
eines Solomat TSC/RMA-Modells 91000 mit einer schwenkbaren Elektrode,
erhältlich von
TherMold Partners, L.P., Thermal Analysis Instruments of Starrford,
Connecticut, durchgeführt. Bahnenproben
wurden geschnitten und zwischen Elektroden in den Solomat TSC/RMA
gebracht. In dem Solomatgerät
ist angrenzend an die Probe, aber ohne sie zu berühren, ein
Thermometer angeordnet. Die Bahnenproben sollten optisch dicht sein;
das bedeutet, es sollten keine sichtbaren Löcher durch die Bahnenprobe vorhanden
sein. Die Proben sollten groß genug
sein, um die obere Kontaktelektrode ganz zu bedecken. Da die Elektrode
einen Durchmesser von etwa 7 mm hatte, wurden die Proben größer als
7 mm Durchmesser geschnitten. Um einen guten elektrischen Kontakt
zu den Elektroden zu sichern, wurden die Bahnenproben um einem Faktor von
etwa 10 in der Dicke zusammengepresst. Aus der Probekammer wurde
die Luft evakuiert und bei einem Druck von etwa 110.000 Pascal durch
Helium ersetzt. Zur Kühlung
wurde flüssiger
Stickstoff verwendet.
-
TSDC-Testverfahren 1
-
Der Entladestrom einer nicht polarisierten Probe
wurde, angefangen bei 25°C
und mit einer Erwärmungsrate
von 3°C/min
gemessen. Zwei Proben aus der gleichen Bahn wurden auf die gleiche
Weise geprüft,
außer
dass die Proben in entgegengesetzten Richtungen ausgerichtet wurden,
wenn sie zwischen die Elektroden gelegt wurden. Die Peakstellung(en) wurde(n)
für die
Probe gemessen, die ausgerichtet wurde, um einen positiven Entladestrom
bei einer Temperatur von etwa 110°C
zu erzeugen.
-
Die Schmelztemperatur der Probe wurde durch
die Differentialrasterkalorimetrie (DSC) bestimmt, die bei einer
Erwärmungsgeschwindigkeit von
10°C/min
durchgeführt
wurde, die als das Peakmaximum definiert ist, das durch Schmelzen
bewirkt wird, das in dem zweiten DSC-Erwärmungszyklus beobachtet
wird (das bedeutet, der Peak, der nach dem Erwärmen über die Schmelztemperatur,
Abkühlen
der Probe zum Erstarren und wiederholtem Erwärmen beobachtet wird).
-
TSDC-Testverfahren 2
-
Eine Probe wurde nach dem TSDC-Testverfahren
1 untersucht, um die richtige Orientierung der Probe zu bestimmen.
Die Probe wurde dann in dem Solomat-TSC in die Richtung orientiert,
die einen positiven Entladestrom bei dem Peak der tieferen Temperatur
des TSDC-Verfahrens 1 erzeugt.
-
Die Proben wurden dann durch 1, 5,
10 oder 15 Minuten langes Polarisieren bei 100°C in einem angewendeten elektrischen
Feld von 2,5 Kilovolt pro mm (kV/mm) in dem vorstehend beschriebenen
Gerät geprüft. Mit
dem eingeschalteten Feld wurde die Probe schnell auf –50°C gekühlt (mit
der maximalen Rate des Geräts).
Die Probe wurde 5 Minuten bei –50°C bei dem
abgeschalteten Feld gehalten, dann mit 3°C/min erwärmt, wobei der Entladestrom
gemessen wurde. Die Breite des Peaks bei halber Höhe jedes
Peaks wurde durch Zeichnen einer Grundli nie, bezogen auf die Kurvensteigung
von 0 bis etwa 30°C, und
Messen der Peakbreite bei halber Höhe berechnet.
-
TSDC-Testverfahren 3
-
Das Verfahren ist mit dem TSDC-Testverfahren
2 identisch, außer
dass die Ladungsdichte der Probe bei jeder Polarisierungszeit durch
Zeichnen einer Grundlinie zwischen den Minima auf jeder Seite eines
ausgewählten
Peaks berechnet wird. Wenn kein Minimum auf der Hochtemperaturseite
eines Peaks vorlag, wurde eine Grundlinie zwischen einem Minimum
auf der Niedertemperaturseite des Peaks und dem Punkt, bei dem die
Kurve den Nullstrom auf der Hochtemperaturseite des Peaks kreuzte
oder extra poliert wurde, diesen Punkt zu kreuzen. Die Ladungsdichte
wurde durch Integrieren der Fläche
unter dem Peak berechnet.
-
Beispiele
-
Die nachstehenden Vergleichsbeispiele
A–D werden
zur Unterstützung
der Erfindung bereitgestellt.
-
Vergleichsbeispiel A
-
Ein Filter wurde unter Verwendung
von zwei (2) Schichten eines Filtermaterials hergestellt, das nach
einem ähnlichen,
wie dem in Beispiel 7 von WO 99/16532 angeführten Verfahren, hergestellt
wurde. Der Unterschied zwischen den Herstellungsverfahren in diesem
Beispiel und in Beispiel 7 von WO 99/16532 bestand in dem Abschrecken
durch Wassersprühen.
Die Filterschichten für
dieses Beispiel wurden durch Wassersprühen mit einem Sprühstab, der
zehn Düsen
hatte (Air Atomizing Pressure Spray Set-ups # SU14 mit Fluid Cap
2850 und Air Cap 73320 von Spraying Systems Co., Wheaton, Illinois), abgeschreckt.
Der Sprühstab
wurde 17,8 cm über der
Mittellinie der Bahn und etwa 2,5 cm unter der Pressformspitze angeordnet.
Der Luftdruck wurde auf 140 kPa (20 psi) und der Wasserdruck auf
240 kPa (35 psi) festgelegt. Die Fließmesser wurden so angepasst,
dass jede Düse
einen flachen Fächer
von Wassertröpfchen
mit einer Geschwindigkeit von 80 ml Wasser pro Minute auf die geschmolzenen
Polymerströme,
die aus der Pressform ausfließen,
liefert.
-
Jede der beiden Schichten in dem
Filter hatte eine flächenbezogene
Masse von 100 g/m2 (eine gesamte flächenbezogene
Masse von 200 g/m2 für den Filter), einen Druckabfall
von etwa 5,5 mm H2O, eine Dicke von 1,5
mm und einen anfänglichen
Qualitätsfaktor
von 0,45. Der Filter wurde nach der vorstehend beschriebenen DOP-Penetrations-Belastungsprüfung geprüft und die
Ergebnisse sind in 4 graphisch
dargestellt. Der Filter wies sowohl eine sich nicht verringernde
Entfernungsleistung nach Beendigung der Prüfung (bei 200 ± 5 mg)
als auch bei minde stens 600 mg DOP auf. Diese Filterkonstruktion entsprach
den vorstehend beschriebenen NIOSH-P-Reihen Anforderungen.
-
Diese Filterkonstruktion wies einen
anfänglichen
Druckabfall, gemessen nach ASTM F778, von 10,9 mm H2O
auf.
-
Vergleichsbeispiel B
-
Ein Filter wurde unter Verwendung
von zwei (2) Schichten des Filtermaterials gemacht, die gemäß den für das Vergleichsbeispiel
A hergestellten Schichten mit den nachstehenden Ausnahmen hergestellt
wurden. Die Beschickungsgeschwindigkeit zu der Pressform wurde auf
45 kg pro Stunde unter Verwendung von Fina 3960 Polypropylenharz,
erhältlich
von Fina Oil and Chemical Company, eingestellt. Das Abschrecken
mit Wasser wurde nicht durchgeführt.
Die Bahn wurde, wie in dem U.S. Patent
5,496,507 beschrieben, durch Auftreffen
eines Stroms von Wassertröpfchen
auf die Bahn bei einem genügenden
Druck hydrogeladen, wobei die Bahn mit einer die Filtrierung vergrößernden
Elektretladung bereitgestellt wurde, und dann getrocknet.
-
Jede der zwei Schichten in dem Filter
hatte eine flächenbezogene
Masse von 33 g/m2 (mit einer gesamten flächenbezogenen
Masse des Filters von 66 g/m2), einen Druckabfall
von etwa 1,7 mm H2O, eine Dicke von 0,58
mm und einen anfänglichen Qualitätsfaktor
von 1,6. Der Filter wurde nach der vorstehend beschriebenen DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung geprüft und die
Ergebnisse sind in 5 graphisch
dargestellt. Der Filter wies eine sich verringernde Entfernungsleistung
sowohl nach Beendigung der Prüfung
(bei 200 ± 5
mg) als auch bis mindestens etwa 600 mg DOP auf. Deshalb entsprach diese
Filterkonstruktion nicht den vorstehend beschriebenen Anforderungen
der NIOSH-P-Reihen.
-
Diese Filterkonstruktion wies einen
anfänglichen
Druckabfall, gemessen nach ASTM F778, von 2,8 mm H2O
auf.
-
Vergleichsbeispiel C
-
Ein Filter wurde unter Verwendung
von zwei Schichten aus verschiedenen Filtermaterialien hergestellt.
Die erste Schicht des Filtermaterials hatte die gleiche Konstruktion
wie eine der vorstehend in Vergleichsbeispiel B beschriebenen Schichten.
Die zweite Schicht des Filtermaterials hatte die gleiche Konstruktion
wie eine der vorstehend in Vergleichsbeispiel A beschriebenen Schichten.
Der Filter wurde nach der vorstehend beschriebenen DOP-Penetrations- Belastungsprüfung geprüft und die
Prüfungsergebnisse
sind in 6 graphisch
dargestellt. Der Filter wies eine sich verringernde Entfernungsleistung sowohl
nach Beendigung der Prüfung
(bei 200 ± 5 mg)
als auch bis mindestens etwa 600 mg DOP auf. Deshalb entsprach diese
Filterkonstruktion nicht den vorstehend beschriebenen Anforderungen
der NIOSH-P-Reihen.
-
Diese Filterkonstruktion wies einen
anfänglichen
Druckabfall, gemessen nach ASTM F778, von 7,8 mm H2O
auf.
-
Vergleichsbeispiel D
-
Ein Filter wurde unter Verwendung
von zwei Schichten des vorstehend in Vergleichsbeispiel B beschriebenen
Filtermaterials hergestellt, außer
dass beide Schichten vor der Prüfung
15 Stunden in einen Ofen gelegt wurden, der bei einer Temperatur
von 95°C
gehalten wurde.
-
Jede der beiden Schichten in dem
Filter hatte eine flächenbezogene
Masse von 33 g/m2 (mit einer gesamten flächenbezogenen
Masse von 66 g/m2) und einen anfänglichen
Qualitätsfaktor
von 0,8. Der Filter wurde gemäß der vorstehend
beschriebenen DOP-Penetrations-/Belastungsprüfung geprüft und die Testergebnisse sind
in 7 graphisch dargestellt.
Der Filter wies eine sich verringernde Entfernungsleistung sowohl
nach Beendigung der Prüfung (bei
200 ± 5
mg) als auch bis mindestens etwa 600 mg DOP auf. Deshalb entsprach
diese Filterkonstruktion nicht den vorstehend beschriebenen Anforderungen
der NIOSH-P-Reihen.
-
Diese Filterkonstruktion wies einen
anfänglichen
Druckabfall, gemessen nach ASTM F778, von 3,5 mm H2O
auf.
-
Die nachstehenden nicht einschränkenden Beispiele
1 und 2 veranschaulichen einige Vorteile der vorliegenden Erfindung.
-
Beispiel 1
-
Ein Filter wurde unter Verwendung
von zwei Schichten mit verschiedenem Filtermaterial hergestellt.
Die erste Schicht des Filtermaterials hatte die gleiche Konstruktion
wie eine der Schichten, die vorstehend in Vergleichsbeispiel A (mit
einer flächenbezogenen
Masse von 100 g/m2) beschrieben ist. Die zweite
Filtermaterialschicht hatte die gleiche Konstruktion wie eine der
Schichten, die vorstehend in Vergleichsbeispiel B (mit einer flächenbezogenen Masse
von 33 g/m2) beschrieben ist. Der anfängliche Qualitätsfaktor
der ersten Schicht betrug 0,45 und der anfängliche Qualitätsfaktor
der zweiten Schicht betrug 1,6, er genügt deshalb der Anforderung,
dass der anfängliche
Qualitätsfaktor
der zweiten Schicht größer sein
soll, als der anfängliche
Qualitätsfaktor der
ersten Schicht.
-
Der Zweischichtfilter (mit einer
gesamten flächenbezogenen
Masse von 133 g/m2) wurde gemäß der vorstehend
beschriebenen DOP-Penetrations-Belastungsprüfung geprüft und die Prüfungsergebnisse
sind in 8 graphisch
dargestellt. Der Filter wies eine sich nicht verringernde Entfernungsleistung
sowohl nach Beendigung der Prüfung
(bei 200 ± 5
mg) als auch bis mindestens 600 mg DOP auf. Diese Filterkonstruktion
entsprach den vorstehend beschriebenen Anforderungen der NIOSH-P-Reihen.
-
Diese Filterkonstruktion wies einen
anfänglichen
Druckabfall, gemessen gemäß ASTM F778, von
7,4 mm H2O auf. Mit anderen Worten, der
Filter entsprach den Anforderungen der NIOSH-P-Reihen, wobei ein Druckabfall eintrat,
der etwa 3,5 mm H2O niedriger als der des
Filters des Vergleichsbeispiels A war.
-
Auch die Wichtigkeit der Anordnung
der Schichten in den erfindungsgemäßen Filtern ist veranschaulicht.
Bei der Umkehr der Anordnung der ersten und der zweiten Filterschicht,
die in diesem Beispiel verwendet wurden (wie in Vergleichsbeispiel
C beschrieben), wurde ein Filter erhalten, der, obwohl er einen
relativ niedrigen Druckabfall zeigte, den Anforderungen der NIOSH-P-Reihen
nicht entsprach. Mit der in diesem Beispiel dargestellten Anordnung der
beiden Schichten entsprach der Filter jedoch den Anforderungen der
NIOSH-P-Reihen, wobei ein relativ geringer Druckabfall erfolgte.
-
Beispiel 2
-
Ein Zweischichtfilter wurde unter
Verwendung einer ersten Schicht mit einem Filtermaterial hergestellt,
das die gleiche Konstruktion wie eine der vorstehend in dem Vergleichsbeispiel
A (mit einer flächenbezogenen
Masse von 100 g/m2) beschriebene Schicht
hatte. Die zweite Schicht in dem Filter hatte die gleiche Konstruktion
wie eine der vorstehend in Vergleichsbeispiel D (mit einer flächenbezogenen Masse
von 33 g/m2) beschriebene Schicht. Der anfängliche
Qualitätsfaktor
der ersten Schicht betrug 0,45 und der anfängliche Qualitätsfaktor
der zweiten Schicht betrug 0,8, demgemäß wurde der Anforderung genügt, dass
der anfängliche
Qualitätsfaktor
der zweiten Schicht größer sein
soll, als der anfängliche Qualitätsfaktor
der ersten Schicht.
-
Der Zweischichtfilter (mit der gesamten
flächenbezogenen
Masse von 133 g/m2) wurde gemäß der vorstehend
beschriebenen DOP-Penetrations-Belastungsprüfung geprüft und die Prüfungsergebnisse
sind in 9 graphisch
dargestellt. Der Filter wies sowohl nach Beendigung der Prüfung (bei 200 ± 5 mg)
als auch bis mindestens etwa 600 mg DOP eine sich nicht verringernde
Entfernungsleistung auf. Diese Filterkonstruktion entsprach den
vorstehend beschriebenen Anforderungen der NIOSH-P-Reihen.
-
Diese Filterkonstruktion wies einen
anfänglichen
Druckabfall, gemessen gemäß ASTM F778, von
6,9 mm H2O auf. Mit anderen Worten, der
Filter entsprach den Anforderungen der NIOSH-P-Reihen, wobei ein Druckabfall erhalten
wurde, der etwa 4 mm H2O geringer war als
z. B. der bei dem Filter des Vergleichsbeispiels A.
-
Die vorstehenden typischen Ausführungsformen
dienen zur Erläuterung
der Praxis der Erfindung. Die vorliegende Erfindung kann geeigneterweise
in Abwesenheit eines Elements oder Gegenstands, das in der Beschreibung
nicht besonders beschreiben ist, durchgeführt werden. Die vollständigen Offenbarungen
aller Patente, Patentanmeldungen und Veröffentlichungen sind in dieser
Beschreibung durch Bezugnahme so enthalten, als wenn sie einzeln
vollständig
eingeschlossen wären.
-
Verschiedene Modifizierungen und
Veränderungen
der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten ohne Abweichen von
dem Schutzbereich der Erfindung ersichtlich sein und es sollte verständlich sein,
dass die vorliegende Erfindung nicht unzulässig auf die veranschaulichten
Ausführungsformen
eingeschränkt
werden soll, die hier angegeben sind, sondern durch die in den Ansprüchen festgelegten
Einschränkungen
und die Äquivalente
zu diesen Einschränkungen
umfasst wird.