DE69830505T2

DE69830505T2 - Methode zur herstellung von elektretartikelen und filter mit erhöhter ölnebelresistenz

Info

Publication number: DE69830505T2
Application number: DE69830505T
Authority: DE
Inventors: D. Alan ROUSSEAU; E. Marvin JONES; Z. Betty MEI
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2018-02-03
Also published as: CA2304284A1; EP1019174B1; AU6134898A; EP1019174A1; BR9812593A; WO1999016533A1; US6068799A; RU2246979C2; JP2003522300A; CN1154530C; KR100519882B1; KR20010024376A; CN1272803A; ES2242272T3; CZ20001180A3; CZ295232B6; AU739986B2; PL339655A1; DE69830505D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Elektretartikeln, Elektretfiltern, Atemgeräten, die Elektretfilter verwenden, und die Verwendung von Elektretfiltern zur Entfernung von Teilchen aus einem Gas, insbesondere zur Entfernung von Aerosolen aus Luft. Diese Erfindung betrifft speziell Verfahren zur Herstellung von Elektretfiltern mit verbesserten Eigenschaften, wie der Elektretstabilität in Gegenwart von Ölnebeln (d.h. flüssigen Aerosolen).
Wissenschaftler und Ingenieure versuchen schon seit langem, die Filterleistung von Luftfiltern zu verbessern. Einige der wirksamsten Luftfilter verwenden Elektretartikel. Elektretartikel weisen eine dauernde oder quasi-permanente elektrische Ladung auf. Siehe G.M. Sessler, Electrets, Springer Verlag, New York, 1987. Wissenschaftler haben beträchtliche Anstrengungen unternommen, um die Eigenschaften von Elektretartikeln zur Verwendung in Filtern zu verbessern. Trotz ausgiebiger Forschung, um verbesserte Elektretartikel herzustellen, sind die Auswirkungen der Verarbeitungsparameter nicht gut bekannt, und im Allgemeinen sind die Auswirkungen von Veränderungen bei den Verarbeitungsbedingungen schwierig, wenn nicht unmöglich vorherzusagen.
Elektretartikel haben spezielle Anforderungen an ihre Eigenschaften, wie Ladungsstabilität, Beladbarkeit, Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Öl etc., die durch Bearbeitungsschritte, die im Allgemeinen unschädlich oder günstig für nichtgewebte Vliese oder gewebeartige Materialien sein würden, signifikant beeinträchtigt werden können. So ist es ohne ausgiebige empirische Daten oft sehr schwierig, die Auswirkungen zu verstehen, den ein gegebener Verarbeitungsschritt (z.B. Abschrecken) auf die Elektreteigenschaften des hergestellten Produktes haben kann oder auch nicht.
Ein Verfahren, von dem berichtet wird, dass es die Leistungsfähigkeit von Elektretfiltern verbessert, ist das Zumischen eines leistungsverbessernden Additivs zu dem Polymer, der verwendet wird, um die Elektretfasern zu bilden. Zum Beispiel offenbaren Jones et al. in den US-Patentschriften 5,411,576 und 5,472,481 Elektretfilter, die durch das Extrudieren einer Mischung eines Polymers und einer in der Schmelze verarbeitbaren Fluorchemikalie hergestellt werden, so dass ein Mikrofasergewebe entsteht, das anschließend geglüht und koronabehandelt wird. Lifshutz et al. berichten in WO 96/26783 (entsprechend US-Patentschrift 5,645,627) von Elektretfiltern, die durch das Extrudieren einer Mischung eines Polymers und eines Fettsäureamides oder einem fluorierten Oxazolidinon hergestellt werden, so dass ein Mikrofasergewebe entsteht, das anschließend geglüht und koronabehandelt wird.
Es wurde von anderen Techniken berichtet, die die Ladungseigenschaften eines Elektretartikels verbessern. Zum Beispiel berichten Klaase et al in der US-Patentschrift 4,588,537, von der Verwendung von Koronabehandlung, um dem Elektretfilter eine Ladung einzuprägen. Angadjivand et al. fanden heraus (US-Patentschrift 5,496,507), dass das Aufprallen von Wassertropfen auf ein ungewobenes Mikrofaservlies dem Vlies eine Ladung aufprägte, und Rousseau et al offenbaren in WO 97/07272 Elektretfilter, die durch das Extrudieren einer Mischung eines Polymers und einer Fluorchemikalie oder einer organischen Triazidverbindung hergestellt werden, und ein Mikrofasergewebe bilden, auf das man anschließend Wassertropfen aufprallen lässt, um eine Ladung aufzuprägen, und so die Filterleistung des mit Wasser aufgeladenen Gewebes zu verbessern.
Matsuura et al. offenbaren in der US-Patentschrift 5,256,176 ein Verfahren zur Herstellung stabiler Elektrete, indem Elektrete in abwechselnden Zyklen elektrisch aufgeladen werden und anschließend der Artikel erhitzt wird. Matsuura et al. offenbaren keine Elektrete, die Additive zur Verbesserung der Beladbarkeit mit Ölnebeln aufweisen.
Des weiteren werden Elektretartikel und Verfahren zu ihrer Herstellung in DE-A-2035383 beschrieben.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren, wie in Anspruch 1 definiert bereit, um Elektretartikel in Form eines Filters herzustellen, bei dem eine geschmolzene Mischung eines Polymers und eines leistungsverbessernden Additivs gebildet wird (andere Zutaten können auch wie unten beschrieben hinzugefügt werden). Die geschmolzene Mischung kann in die gewünschte Form, wie ein Film oder eine Faser gebracht und abgeschreckt werden. Das abgeschreckte Material wird dann geglüht und geladen, um einen Elektretartikel herzustellen. Der Elektretartikel ist in der Form eines Filters.
Das Abschrecken verringert die Ordnung (d.h. die Kristallinität) des Materials im Vergleich zu der Ordnung des Materials ohne das Abschreckverfahren. Der Abschreckschritt erfolgt sofort nachdem das geschmolzene Material in die gewünschte Form gebracht wurde. Üblicherweise wird das Material durch Extrusion durch die Öffnung eines Formwerkzeugs geformt und unmittelbar nach dem Verlassen der Öffnung abgeschreckt (meist durch Aufbringen einer Kühlflüssigkeit auf das Extrudat).
Die Erfinder haben entdeckt, dass das Abschrecken Elektretmaterial verbesserte Filtrationsleistung verleihen kann, wenn das Material eine geschmolzene Mischung eines Polymers und eines leistungsverbessernden Additivs umfasst. Der Abschreckschritt tendiert dazu, den Polymer in amorphem Zustand "einzufrieren" und reduziert so das Ausmaß der Kristallisation im Vergleich zu der Kristallisation des Polymers ohne Abschrecken. Das Material mit reduzierter Kristallinität ist ein wertvolles Zwischenerzeugnis, dass durch bekannte Verfahren in einen Elektretartikel umgewandelt werden kann.
Die Erfindung stellt auch einen einzigartigen Elektretartikel in Form eines Filters bereit, der mit dem Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt werden kann und durch bestimmte Eigenschaften in einem Spektrum des thermisch stimulierten Entladestroms (TSDC, thermically stimulated discharge current) gekennzeichnet werden kann. Elektretfilter, die Elektretartikel umfassen, die diese einzigartigen Eigenschaften des TSDC-Spektrums aufweisen, können eine überraschend herausragende Filterleistung aufweisen.
Die Elektretfilter weisen überragende Eigenschaften auf, die mit ähnlich gebauten Filtern, die nicht die erfindungsgemäßen Elektretartikel verwenden, nicht erreicht werden. Die Filter enthalten Fasern, die aus einer Mischung von Polymer und leistungsverbesserndem Additiv hergestellt werden, und weisen überragende Beladbarkeit mit Dioctylphtalat (DOP)-Flüssigaerosol auf. Die Beladbarkeit mit DOP-Flüssigaerosol wird in Bezug auf bestimmte Tests im Abschnitt Beispiele definiert. Die bevorzugten Filter weisen verbesserte Beladbarkeit mit Ölnebel und verringertes Durchdringen von Aerosolen oder Partikeln bei gleichzeitigem niedrigem Druckverlust über den Filter auf.
Die vorliegende Erfindung kann zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Elektretfiltern schaffen, einschließlich verbesserter Beladbarkeit für Ölnebel-Aerosole, Ladungsstabilität in Gegenwart flüssiger Aerosole, und verringertem Durchdringen von Aerosolen und Partikeln bei niedrigem Druckverlust über den Filter.
Die Elektretartikel der vorliegenden Erfindung können in zahlreichen Filtrationsanwendungen verwendet werden, einschließlich Atemgeräten wie Gesichtsmasken, privaten und industriellen Klimaanlagen, Feuerungen, Luftreinigern, Staubsaugern, Medizinischen und Druckluftfiltern und Luftreinigungssystemen in Fahrzeugen und in elektronischen Geräten wie Computern und Laufwerken.
1 ist ein Fließbild, das ein Verfahren für die Herstellung von erfindungsgemäßem Elektret-Filtermaterial darstellt.
2 zeigt eine Graphik des "Minimum at Challenge" (Minimum bei der Prüfung) (d.h. die Masse, in Milligramm (mg) Dioctylphthalat (DOP), die auf dem Filtergewebe aufgetroffen ist am Punkt, bei dem der prozentuale DOP-Durchlassgrad einen Minimalwert erreicht, im Folgenden Min@Chl genannt) von Proben, die aus einem nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfilter herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen. Wie ausführlich im Abschnitt Beispiele erklärt, wurden diese Daten erhalten, indem die Filtergewebe in einem Instrument, das die Konzentration des DOP-Flüssigaerosols vor und nach dem Filter misst, einem DOP-Flüssigaerosol ausgesetzt. Der prozentuale Durchlassgrad wird berechnet, indem die Aerosolkonzentration nach dem Filter durch die Konzentration vor dem Filter geteilt wird, und mit 100 multipliziert wird.
3 zeigt eine Graphik des Min@Chl von Proben, die aus einem nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfilter herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen.
4 zeigt eine Graphik des Min@Chl von Proben, die aus einem nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfilter herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen.
5 zeigt eine Graphik des Min@Chl von Proben, die aus abgeschreckten und nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfiltern herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen.
6 zeigt eine Graphik des Min@Chl von Proben, die aus abgeschreckten und nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfiltern herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen.
7 zeigt eine Graphik des Min@Chl von Proben, die aus abgeschreckten und nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfiltern herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen.
8 zeigt eine Graphik des Min@Chl von Proben, die aus abgeschreckten und nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfiltern herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen.
9 zeigt eine Graphik des Min@Chl von Proben, die aus abgeschreckten und nicht abgeschreckten, geglühten Elektretfiltern herausgeschnitten wurden, aufgetragen gegen den Kristallinitätsindex der Proben vor dem Glühen.
10 zeigt ein Atemgerät oder eine filternde Gesichtsmaske 10, die einen erfindungsgemäßen Elektretfilter umfasst.
11 zeigt eine Querschnittszeichnung des Atemgeräts. 12 zeigt ein Spektrum des thermisch stimulierten Entladestroms (TSDC, Thermically Stimulated Discharge Current) von Geweben, die ungeladenen Polymer und leistungsverbessernde Additive enthalten und in einem elektrischen Feld von 2,5 Kilovolt/mm (kV/mm) bei 100°C eine Minute lang polarisiert wurden. Die Gewebe wurden unter Verwendung der folgenden Verarbeitungsbedingungen hergestellt: a) abgeschreckt, nicht geglüht, b) nicht abgeschreckt, nicht geglüht, c) abgeschreckt, geglüht, und d) nicht abgeschreckt, geglüht.
13a zeigt eine Grafik des Kristallinitätsindexes von 6 Gewebeproben, die ungeladenen Polymer und leistungsverbessernde Additive enthalten und in einem elektrischen Feld von 2,5 Kilovolt/mm (kV/mm) bei 100°C eine Minute lang polarisiert wurden, aufgetragen gegen die Ladungsdichte der Proben nach dem Glühen (ohne Laden).
13b zeigt eine Grafik der Beladbarkeit mit DOP (in Min@Chl) von 6 Gewebeproben, die ungeladenen Polymer und leistungsverbessernde Additive enthalten und in einem elektrischen Feld von 2,5 Kilovolt/mm (kV/mm) bei 100°C eine Minute lang polarisiert wurden, aufgetragen gegen die Ladungsdichte der Proben nach dem Glühen (ohne Laden).
14 zeigt TSDC-Spektren von geglühten und koronageladenen, nicht polarisierten Geweben, die Polymer ohne leistungsverbessernde Additive enthalten. Die Proben a und b wurden während der Verarbeitung abgeschreckt, während a' und b' nicht abgeschreckt wurden. Seite A bezieht sich auf die Seite des Gewebes, die die obere Elektrode berührt, wenn ein positiver Strom entladen wird, während Seite B sich auf die andere Seite eines Gewebes bezieht, das, wenn es die obere Elektrode berührt, einen negativen Strom entlädt.
15 zeigt TSDC-Spektren von geglühten und koronageladenen, nicht polarisierten Geweben, die Polymer und leistungsverbessernde Additive enthalten. Die Proben a und b wurden während der Verarbeitung abgeschreckt, während a' und b' nicht abgeschreckt wurden. Seite A bezieht sich auf die gleiche Gewebeseite wie Seite A in 14 bezüglich der Berührung der oberen Elektrode, und Seite B bezieht sich auf die entgegengesetzte Seite des Gewebes.
16a zeigt TSDC-Spektren von geglühten und koronageladenen, abgeschreckten Geweben, die Polymer und leistungsverbessernde Additive enthalten und in einem elektrischen Feld von 2,5 Kilovolt/mm (kV/mm) bei 100°C a) eine Minute lang, b) 5 Minuten lang, c) 10 Minuten lang und d) 15 Minuten lang geladen wurden.
16b zeigt TSDC-Spektren von geglühten und koronageladenen, nicht abgeschreckten Geweben, die Polymer und leistungsverbessernde Additive enthalten und in einem elektrischen Feld von 2,5 Kilovolt/mm (kV/mm) bei 100°C a') eine Minute lang, b') 5 Minuten lang, c') 10 Minuten lang und d') 15 Minuten lang geladen wurden.
17 zeigt eine Grafik der Ladungsdichte aufgetragen gegen die Polyrisierungszeit für nicht abgeschreckte (durchgezogene Linie) und abgeschreckte (gepunktete Linie), geglühte und koronageladene Gewebe, die Polymer und leistungsverbessernde Additive enthalten.
Erfindungsgemäße Elektretartikel enthalten ein Polymer und ein leistungsverbesserndes Additiv. Das Polymer kann ein nichtleitendes thermoplastisches Harz sein, das heißt, ein Harz, das einen spezifischen Widerstand von mehr als 10¹⁴ ohm·cm, insbesondere mehr als 10¹⁶ohm·cm hat. Das Polymer sollte die Fähigkeit haben, eine nicht vorrübergehende oder langlebige angelagerte Ladung zu besitzen. Das Polymer kann ein Homopolymer, Copolymer oder eine Polymermischung sein. Wie von Klaase et al. in der US-Patentschrift 4,588,537 berichtet, umfassen die bevorzugten Polymere Polypropylen, Poly(4-methyl-1-penten), lineares Polyethylen niedriger Dichte, Polystyren, Polykarbonat und Polyester. Die Hauptkomponente des Polymers ist vorzugsweise Polypro pylen, wegen seines hohen spezifischen Widerstands, seiner Fähigkeit, Schmelzblasfasern zu bilden, die für die Luftfiltration nützliche Durchmesser haben, seiner zufriedenstellenden Ladungsstabilität, seiner hydrophoben Eigenschaften und seiner Feuchtigkeitsbeständigkeit. Andererseits ist Polypropylen nicht typisch oleophob. Die erfindungsgemäßen Elektretartikel enthalten vorzugsweise etwa 90 bis 99,8 Gewichtsprozent Polymer, noch mehr bevorzugt etwa 95 bis 99,5 Gewichtsprozent und insbesondere etwa 98 bis 99 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Artikels.
Leistungsverbessernde Additive, wie in der vorliegenden Erfindung definiert, sind solche Additive, die die Fähigkeit des Elektretartikels verbessern, ölige Aerosole zu filtern, nachdem er zu einem Elektretfilter geformt worden ist. Die Fähigkeit zum Filtern von Aerosolen wird mit den im Abschnitt Beispiele beschriebenen DOP-Beladungstests gemessen. Besondere leistungsverbessernde Additive umfassen die von Jones et al. in der US-Patentschrift 5,472,481 und von Rousseau et al. in WO 97/07272 beschriebenen Additive. Die leistungsverbessernden Additive umfassen fluorierte Additive wie fluorierte Oxazolidinone wie in der US-Patentschrift 5,025,052 (Crater et al.) beschrieben, fluorierte Piperazine und Stearatester von Perfluoroalkoholen. Mit Blick auf ihre nachgewiesene Wirksamkeit bei der Verbesserung der Elektreteigenschaften ist das leistungsverbessernde Additiv vorzugsweise eine Fluorchemikalie, insbesondere ein fluoriertes Oxazolidinon. Vorzugsweise hat die Fluorchemikalie einen Schmelzpunkt oberhalb des Schmelzpunktes des Polymers und unterhalb der Extrusionstemperatur. Aus Verarbeitungserwägungen bei der Verwendung von Polypropylen haben Fluorchemikalien vorzugsweise einen Schmelzpunkt oberhalb von 160°C, und insbesondere einen Schmelzpunkt von 160°C bis 290°C. Besonders bevorzugte fluorierte Additive umfassen die Additive A, B und C der US-Patentschrift 5,411,576 mit den jeweiligen Strukturen.
Die erfindungsgemäßen Elektretartikel enthalten vorzugsweise etwa 0,2 bis 10 Gewichtsprozent leistungsverbesserndes Additiv, noch mehr bevorzugt etwa 0,5 bis 5,0 Gewichtsprozent und insbesondere etwa 1,0 bis 2,0 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Artikels.
Das Polymer und das leistungsverbessernde Additiv können als Feststoffe vor dem Schmelzen gemischt werden, aber die Komponenten werden vorzugsweise getrennt geschmolzen und als Flüssigkeiten gemischt. Alternativ dazu kann das fluorierte Additiv und ein Teil des Polymers als Feststoff gemischt und geschmolzen werden, um eine Schmelze zu bilden, die relativ reich an Fluorchemikalie ist, und die anschließend mit dem Polymer ohne Fluorchemikalie kombiniert wird.
Die geschmolzene Mischung wird dann in die gewünschte Form, wie ein Film oder eine Faser gebracht. Üblicherweise wird die geschmolzene Mischung durch Extrudieren durch eine Formwerkzeugöffnung geformt, aber in weniger bevorzugten Ausführungsformen kann die Mischung auch durch andere Verfahren wie Ziehen in einem elektrostatischen Feld geformt werden (siehe 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, May 5–7, 1981). Ein bevorzugtes Extrusionsverfahren verwendet zwei Extruder, in diesem Verfahren werden etwa 10 bis etwa 20 Gewichtsprozent fluoriertes Additiv und etwa 80 bis etwa 90 Gewichtsprozent Polymer in einem ersten Extruder gemischt, und diese geschmolzene Mischung mit relativ hohem Gehalt an Fluorchemikalie wird in einen zweiten Extruder eingespeist, der geschmolzenes Polymer (ohne Fluorchemikalie) enthält, um eine Mischung zu bilden, die durch die Öffnung eines Formwerkzeugs extrudiert wird. Die geschmolzene Mischung mit hohem Fluorchemikaliengehalt wird vorzugsweise mit dem nicht fluorchemikalienhaltigen Polymer kombiniert, gerade bevor das geschmolzene Material durch ein Formwerkzeug extrudiert wird. Dies minimiert die Zeit, währen der die Fluorchemikalie hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Die Temperatur während dem Extrudieren sollte so gesteuert werden, dass die gewünschte Extrudat-Rheologie erhalten wird und die thermische Zersetzung der Fluorchemikalie vermieden wird. Verschiedene Extruder erfordern üblicherweise verschieden Temperaturprofile, und es kann einiges Experimentieren nötig sein, um die Extrusionsbedingungen für ein spezielles System zu optimieren. Für die Polypropylen/Fluorchemikalienmischung wird die Temperatur während dem Extrudieren vorzugsweise unterhalb von etwa 290°C gehalten, um die thermische Zersetzung der Fluorchemikalie zu reduzieren. Wenn Extruder verwendet werden, sollten sie wegen besserer Durchmischung vorzugsweise vom Doppelschraubentyp sein, und es können handelsübliche Extruder sein wie die von Werner & Pfleiderer oder Berstorff.
Die geschmolzene Mischung wird vorzugsweise durch ein Formwerkzeug extrudiert, insbesondere wird die Mischung unter Schmelzblasbedingungen durch ein Formwerkzeug extrudiert. Schmelzblasen hat bekanntermaßen zahlreiche Vorteile, insbesondere die Herstellung von nichtgewebten Vliesen, und die Artikel der Erfindung können hergestellt werden unter Verwendung von in Fachkreisen gut bekannten Schmelzblasverfahren und Vorrichtungen. Das Schmelzblasen von Fasern wurde anfänglich in Van Wente, "Superfine Thermoplastic Fibers", Ind. Eng. Chem., vol 48, Seiten 1342–46, (1956) beschrieben. Im Allgemeinen wird das Schmelzblasen in der vorliegenden Erfindung mit konventionellen Verfahren durchgeführt, mit der Abänderung, dass das Material beim Verlassen der Form abgeschreckt (gekühlt) wird.
Geeignete Abschrecktechniken umfassen Besprühen mit Wasser, Besprühen mit einer flüchtigen Flüssigkeit, oder in Kontakt bringen mit gekühlter Luft oder Kühlgasen wie Kohlendioxyd oder Stickstoff. Üblicherweise wird das Kühlfluid (Flüssigkeit oder Gas) von Düsen gespritzt, die im Umkreis von etwa 5 Zentimetern (cm) von den Öffnungen des Formwerkzeugs liegen. Im Fall von durch ein Formwerkzeug extrudierten Materialien trifft das Kühlfluid auf das geschmolzene Extrudat auf, unmittelbar nachdem es aus dem Formwerkzeug austritt (und lange bevor das Material aufgenommen wird). Zum Beispiel muss im Fall von schmelzgeblasenen Fasern das geschmolzene Extrudat abgeschreckt werden, bevor es in Form eines nichtgewebten Vlieses aufgenommen wird. Das Kühlfluid ist vorzugsweise Wasser. Das Wasser kann Leitungswasser sein, aber ist vorzugsweise destilliertes oder entsalztes Wasser.
Das Ziel des Abschreckschrittes ist es, die Kristallisation des Polymers in dem resultierenden Artikel zu minimieren. Die Erfinder haben herausgefunden, dass Elektretfilter, die aus abgeschreckten Materialien hergestellt werden, unerwartet gute Filtrationseigenschaften für Flüssigaerosole aufweisen, wenn sie anschließend geglüht und geladen werden. Der Abschreckschritt reduziert den Kristallgehalt des Polymers im Vergleich zu nicht abgeschrecktem Polymer, der unter den gleichen Bedingungen extrudiert wurde. Das abgeschreckte Material hat vorzugsweise einen niedrigen Kristallinitätsgrad, wie er mit Röntgenbeugungsanalyse bestimmt werden kann. Vorzugsweise hat das Polymer in dem abgeschreckten Material einen Kristallinitätsindex von 0,3, noch mehr bevorzugt von weniger als 0,25, noch mehr bevorzugt von weniger als 0,2, und insbesondere von weniger als 0,1, gemessen als Verhältnis der Intensität des Kristallpeaks zur gesamten gestreuten Intensität im Bereich eines Streuwinkels von 6 bis 36 Grad. Demgemäss wird ein bevorzugtes Zwischenerzeugnis für die Herstellung eines Elektretfilters hergestellt durch Mischen und Extrudieren einer Mischung von 90 bis 99,8% eines organischen Polymers und 0,2 bis 10 Prozent eines leistungsverbessernden Additivs, wobei das Material unter Schmelzblasbedingungen durch ein Formwerkzeug extrudiert wird, um Fasern zu formen, die als nichtgewebtes Vlies aufgenommen werden. Die Fasern werden vor dem Aufnehmen abgeschreckt mittels eines Kühlverfahrens wie Besprühen mit Wasser, Besprühen mit einer flüchtigen Flüssigkeit, oder in Kontakt bringen mit gekühlter Luft oder Kühlgasen wie Kohlendioxyd oder Stickstoff.
Nach dem Abschrecken wird das Material aufgenommen. Wenn das Material in Form von Fasern ist, kann es aufgenommen, geschnitten und zu einem nichtgewebten Vlies kardiert werden. Schmelzgeblasene Fasern können üblicherweise auf einer rotierenden Trommel oder einem bewegten Band als nichtgewebtes Vlies aufgenommen werden. Vorzugsweise werden die Abschreck- und Aufnehmschritte so durchgeführt, dass keine überschüssige Abschreckflüssigkeit auf dem aufgenommenen Material zurückbleibt (wenn Restflüssigkeit bleibt, ist es üblicherweise Wasser). Auf dem aufgenommenen Material zurückbleibendes Fluid kann bei der Lagerung Probleme bereiten und erfordert zusätzliches Heizen beim Glühen, um die Abschreckflüssigkeit zu verdampfen. Dementsprechend enthält das aufgenommene Material vorzugsweise weniger als 1 Gewichtsprozent Abschreckflüssigkeit, insbesondere keine Abschreckflüssigkeit.
Das abgeschreckte Material wird geglüht, um die elektrostatische Ladungsstabilität in Gegenwart von Ölnebeln zu erhöhen. Vorzugsweise ist das leistungsverbessernde Additiv eine Substanz, die niedrigenergetische Oberflächen aufweist, wie eine Fluorchemikalie, und der Glühschritt wird bei genügender Temperatur und während genügender Zeit durchgeführt, um eine Diffusion des Additivs an die Phasengrenzen des Materials zu verursachen (z.B. die Phasengrenze Polymer-Luft und die Grenze zwischen kristallinen und amorphen Phasen). Im Allgemeinen erlauben höhere Glühtemperaturen kürzere Zeiten. Um wünschenswerte Eigenschaften für das Endprodukt zu erreichen, sollte das Glühen von Polypropylenmaterialien über etwa 100°C erfolgen. Vorzugsweise wird das Glühen von etwa 130°C bis 155°C während 2 bis 20 Minuten durchgeführt, insbesondere von etwa 140 bis 150°C während 2 bis 10 Minuten und insbesondere etwa 150°C während etwa 4,5 Minuten. Das Glühen sollte unter Bedingungen durchgeführt werden, die die Struktur des Gewebes nicht substantiell beeinträchtigen. Für Polypropylengewebe können Glühtemperaturen wesentlich über 155°C unerwünscht sein, weil das Material beschädigt werden kann.
Gewebe, die nicht geglüht wurden weisen im Allgemeinen keine akzeptable Beladbarkeit mit Ölnebeln auf. Nicht geglühte Gewebe weisen üblicherweise ein Min@Chl von Null auf. Die Erfinder stellen die Hypothese auf, dass die verbesserte Leistung der geglühten Gewebe auf eine Zunahme der Phasengrenzflächen und/oder eine Zunahme in der Anzahl der stabilen ladungsanlagernden Zentren zurückzuführen ist.
Das Glühen erhöht die Kristallinität des Polymers in dem Material. Es ist auch bekannt, dass das Glühen die Steifigkeit und Sprödigkeit des Materials erhöht, und die Dehnung, Weichheit und Zugbeständigkeit herabsetzt. Trotzdem ist die Abnahme der Weichheit und Zugbestän digkeit irrelevant, da das Ziel der Erfindung ist, die Elektretfilterleistung zu erhöhen.
Mit oder ohne Abschrecken ist der Glühschritt üblicherweise der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt beim Herstellen von Aerosolresistenten Elektretfiltergeweben. In einer Ausführungsform wird das Gewebe in einem Schmelzblasverfahren mit einer Geschwindigkeit von etwa 2,48 bis 6,94 g/s·m (0,5 bis 1,4 lbs/hr/inch) des Formwerkzeugs gebildet.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst des weiteren den Schritt des elektrostatischen Aufladens des Materials, nachdem es abgeschreckt wurde. Beispiele von Verfahren zur elektrostatischen Aufladung, die für die Erfindung nützlich sind, umfassen jene, die in den US-Patentschriften 30,782 (van Turnhout), 31,285 (van Turnhout), 5,401,446 (Tsai, et al.), 4,375,718 (Wadsworth et al), 4,588,537 (Klaase et al.), und 4,592,815 (Nakao) beschrieben sind. Die Elektretmaterialien können auch mit Wasser geladen werden (siehe US-Patentschrift 5,496,507 an Angadjivand et al.). Geschnittene Fasern können durch Reiben oder Schütteln mit anderen Fasern durch Reibung geladen werden (Siehe US-Patentschrift 4,798,850 an Brown et al.). Vorzugsweise wird bei dem Aufladeprozess das Material einer Koronaentladung oder einer gepulsten Hochspannung ausgesetzt, wie in einigen der oben erwähnten Patente offenbart.
Die Fasern können in einer Kern-Mantel-Konfiguration vorliegen und, wenn dies der Fall ist, muss der Mantel die leistungsverbessernden Additive enthalten, wie für die oben erörterten Mischungen beschrieben. Vorzugsweise liegt das Extrudat in Form von Mikrofasern vor, die einen wirksamen Durchmesser von etwa 5 bis 30 Mikrometer (μm) haben, insbesondere etwa 6 bis 10 μm, wie nach dem Verfahren berechnet, das in Davies, C.N. "The Separation of Airborne Dust and Particulates", Inst. of Mech. Eng., London, Proceedings IB, 1952 vorgestellt wird.
Erfindungsgemäße Elektretartikel können durch die Untersuchung des TSDC (thermisch stimuliertem Entladestrom) gekennzeichnet werden. Beim TSDC wird eine Probe zwischen zwei Elektroden gelegt, mit konstanter Geschwindigkeit aufgeheizt, und von der Probe abgegebener Strom wird mit einem Amperemeter gemessen. TSDC ist eine wohl bekannte Technik. Siehe zum Beispiel die US-Patentschrift 5,256,176, Lavergne et al. "A Review of Thermo-Stimulated Current," IEEE Electrical Insulation Magazine, vol. 9, no. 2, 5–21, 1993, und Chen et al. "Analysis of Thermally Stimulated Processes," Pergamon Press, 1981. Der von der Probe abgegebene Strom ist eine Funktion der Polarisierbarkeit und der Ladungsanlagerung des getesteten Artikels. Geladene Artikel können direkt getestet werden. Alternativ dazu können geladene und ungeladene Artikel erst in einem elektrischen Feld bei hoher Temperatur polarisiert werden und dann schnell unter die Glastemperatur (Tg) des Polymers abgekühlt werden, während das polarisierende Feld eingeschaltet ist, um die induzierte Polarisierung "einzufrieren". Die Probe wird dann mit einer konstanten Geschwindigkeit erhitzt, und der resultierende Entladestrom gemessen. Bei dem Polarisierungsverfahren können Ladungszufuhr, Dipolausrichtung, Ladungsneuverteilung oder eine Kombination davon auftreten.
Während der thermisch stimulierten Entladung werden die in einem Elektret gespeicherten Ladungen mobil und werden entweder an den Elektroden oder in der Masse der Probe durch Kombination mit Ladungen des entgegengesetzten Vorzeichens neutralisiert. Das erzeugt einen externen Strom, der eine Anzahl von Peaks aufweist, wenn er als Funktion der Temperatur aufgezeichnet und als Graphik (TSDC-Spektrum genannt) ausgedruckt wird. Die Form und Anordnung dieser Peaks hängt von den ladungsanlagernden Energieniveaus und der physischen Anordnung der anlagernden Zentren ab.
Wie von vielen Forschern angegeben (siehe z.B. Sessler, ed., "Electrets," Springer-Verlag, 1987 und Van Turnhout, "Thermally Stimulated Discharge of Polymer Electrets," Elsevier Scientific Publishing Co., 1975), werden Elektretladungen üblicherweise in Strukturanomalien wie Verunreinigungen, Defekten der Monomereinheiten, Kettenunregelmäßigkeiten etc. gespeichert. Die Breite der TSDC-Peaks wird durch die Verteilung der ladungsanlagernden Niveaus in den Elektreten beeinflusst. In halbkristallinen Polymeren sind die Ladungen wegen der unterschiedlichen Leitfähigkeit der Phasen in der Nähe der Phasengrenzen zwischen amorpher und kristalliner Phase oft entweder angereichert oder verarmt (Maxwell-Wagner-Effekt). Diese anlagernden Zentren sind üblicherweise mit Anlagerungsenergien assoziiert, wo eine kontinuierliche Verteilung der Aktivierungsenergien zu erwarten ist, so dass ein Überlappen der TSDC-Peaks zu einem breiten Peak zu erwarten ist.
In einer Serie von TSDC-Messungen, die im Abschnitt Beispiele beschrieben ist, wurde überraschenderweise entdeckt, dass verschiedene Eigenschaften in dem TSDC-Spektrum mit überragender Beladbarkeit mit Ölnebeln korreliert sind. Die Eigenschaften des TSDC-Spektrums, die mit überragender Leistung korreliert sind, umfassen die Eigenschaften, die unten als bevorzugte Ausführungsformen erörtert sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform, einem Zwischenerzeugnis zur Herstellung eines Elektretfilters umfasst das Zwischenerzeugnis ein ungewebtes Vlies von Fasern, das eine Ladungsdichte von mindestens 10 Mikrocolomb pro Quadratmeter (μC/m²) aufweist, wenn es mit dem TSDC-Testverfahren 1 (wie im Abschnitt Beispiele beschrieben) getestet wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat ein Elektretartikel ein TSDC-Spektrum, das einen Peak bei etwa 15°C bis 30 °C, insbesondere etwa 15°C bis 25°C unterhalb der Schmelztemperatur des Artikels aufweist, gemessen mit TSDC-Testverfahren 2. Wenn das Polymer Polypropylen ist, weist das TSDC einen Peak bei etwa 130 bis 140 °C auf.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat ein Elektretartikel ein TSDC-Spektrum, das einen Peak mit einer Halbwertsbreite von weniger als etwa 30°C, vorzugsweise einer Halbwertsbreite von weniger als etwa 25°C, und insbesondere einer Halbwertsbreite von weniger als etwa 20°C aufweist, gemessen mit TSDC Testverfahren 3. In Fällen, bei denen das Polymer Polypropylen ist, hat der oben beschriebene schmale Peak sein Maximum bei etwa 138 bis 142°C.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist ein Artikel eine zunehmende Ladungsdichte über 1–5 Minuten und/oder 5 bis 10 Minuten Polarisierungszeit auf, gemessen mit TSDC-Testverfahren 4.
Der Elektretartikel kann in Form einer Faser vorliegen, und eine Vielzahl dieser Fasern kann zu einem Elektretfilter geformt werden. Ein Elektretfilter kann die Form eines nichtgewebten Vlieses annehmen, das mindestens einige Elektretfasern in Kombination mit einer stützenden Struktur enthält. In jedem Fall kann der Elektretartikel mit Material kombiniert werden, das nicht Elektretmaterial ist. Zum Beispiel kann die stützende Struktur aus Fasern sein, die nicht Elektretfasern sind, oder stützende ungewebte Vliese, die keine Elektrete sind. Der Elektretfilter ist vorzugsweise ein ungewebtes Elektretvlies, das elektrisch geladene, schmelzgeblasene Mikrofasern enthält.
Der Elektretfilter kann auch Stapelfasern umfassen, die ein luftigeres, weniger dichtes Vlies schaffen. Verfah ren zum Einarbeiten von Stapelfasern in das ungewebte Vlies können durchgeführt werden wie in der US-Patentschrift 4,118,531 an Hauser beschrieben. Wenn Stapelfasern verwendet werden, umfasst das Vlies vorzugsweise weniger als 90 Gewichtsprozent Stapelfasern, insbesondere weniger als 70 Gewichtsprozent. Aus Gründen der Vereinfachung und Leistungsoptimierung kann das Elektretgewebe in manchen Fällen im wesentlichen aus schmelzgeblasenen Fasern bestehen und keine Stapelfasern enthalten.
Der Elektretfilter kann des Weiteren adsorbierende Teilchen wie Aluminiumoxyd oder Aktivkohle enthalten. Die Partikel können dem Filter zugefügt werden, um bei der Entfernung von gasförmigen Verunreinigungen aus dem Luftstrom zu helfen, der durch den Filter geht. Solche partikelbeladenen Gewebe werden zum Beispiel in den US-Patentschriften 3,971,373 an Braun, 4,100,324 an Anderson und 4,429,001 an Kolpin et al. beschrieben. Wenn partikelförmiges Material zugegeben wird, enthält das Vlies vorzugsweise weniger als 80 Volumenprozent partikelförmiges Material, insbesondere weniger als 60 Volumenprozent. In Ausführungsformen, bei denen der Elektretfilter keine gasförmigen Verunreinigungen entfernen muss, kann der Filter auch nur schmelzgeblasene Fasern enthalten.
Es ist wünschenswert, dass das zum Formen von Elektretfiltern verwendete Material im Wesentlichen frei ist von Materialien wie antistatischen Mitteln, die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen könnten oder in anderer Weise die Fähigkeit des Artikels, elektrostatische Ladungen aufzunehmen und zu halten beeinträchtigen könnten. Zusätzlich sollte der Elektretartikel nicht unnötigen Behandlungen unterworfen werden, wie Behandlung mit Gammastrahlen, UV-Strahlen, Pyrolyse, Oxidation etc., die die elektrische Leitfähigkeit erhöhen könnten. Dementsprechend wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Elektretartikel hergestellt und verwendet, ohne Gammastrahlung oder anderer ionisierender Strahlung ausgesetzt zu werden.
Die aus schmelzgeblasenen Fasern hergestellten Elektretfilter haben üblicherweise ein Grundgewicht von etwa 10 bis 500 Gramm pro Quadratmeter (g/m²), insbesondere etwa 10 bis 100 g/m². Filter, die zu dicht sind, können schwierig zu laden sein, während solche, die zu leicht oder zu dünn sind, fragil sein können oder unzureichende Filterfähigkeit aufweisen können. Für viele Anwendungen sind die Elektretfilter etwa 0,25 bis 20 Millimeter (mm) dick, und häufig etwa 0,5 bis 2 mm dick; Elektretfilter mit diesen Grundgewichten und Dicken können in Atemgeräten besonders nützlich sein.
Erfindungsgemäße Filter weisen vorzugsweise einen anfänglichen DOP-Durchlassgrad von weniger als 5% auf, und ein durchschnittliches Min@Chl von mehr als 200 mg DOP, insbesondere mehr als 400 mg DOP, gemessen mit dem DOP-Beladungstest-Verfahren 1 für Filtergewebe, wie im Abschnitt Beispiele beschrieben. "Durchschnittlich" wie in den Tabellen und Beispielen verwendet ist der Mittelwert von 4 bis 6 Proben, die aus gleichmäßig über die ganze Breite des Filtergewebes verteilten Teilen ausgeschnitten wurden. In einer anderen Serie von Proben wird "durchschnittlich" definiert als der mittlere Min@Chl-Wert einer angemessenen Anzahl von Proben, die unter Verwendung des "T-Tests" wie in Devore, "Probability and Statistics for Engineering and the Sciences", Brooks/Cole Publishing Co, (1987) beschrieben ausgewählt und auf Beladbarkeit getestet wurden, um einen statistisch signifikanten Durchschnittswert im Rahmen einer Standardabweichung zu erhalten.
Überragende Filtrationsleistung wird von bevorzugten erfindungsgemäßen Filtern erreicht, bei denen jeder Filter für sich ohne Durchschnittsbildung (hiernach einfach "jeder Filter" genannt) ein Min@Chl von mehr als 500 mg DOP, insbesondere mehr als etwa 600 mg DOP, und insbesondere etwa 800 bis 1000 mg DOP aufweist. Diese Filter weisen vorzugsweise einen Druckverlust von weniger als 127 Pa (13 mm H₂O), insbesondere weniger als 98 Pa (10 mm H₂O) und insbesondere weniger als 78 Pa (8 mm H₂O) auf, gemessen mit dem Beladungstestverfahren wie im Abschnitt Beispiele beschrieben.
Der DOP-Durchlassgrad wird üblicherweise mit einem als automatischem Filtertester (AFT) bekannten Gerät gemessen. Eine Anfahrzeit ist nötig, bis das DOP-Aerosol den Filter erreicht, und die Elektronik im AFT zur Ruhe gekommen ist. Der anfängliche DOP-Durchlassgrad bezieht sich auf den prozentualen Anteil DOP, der während der anfänglichen Aussetzung, üblicherweise 6 bis 40 Sekunden, durch das Gewebe durchdringt, während sich das Gleichgewicht der Testvorrichtung einstellt. Der anfängliche DOP-Durchlassgrad ist der erste vom AFT ausgegebene Messwert unter Verwendung des eingebauten Programms. Die Filter der vorliegenden Erfindung haben mindestens einen nachweisbaren Durchlassgrad (d.h. einen Durchlassgrad von mehr als etwa 0,001% für die im Abschnitt Beispiele beschriebenen AFT-Geräte).
In Atemgeräten können die faserigen Elektretgewebe speziell geformt oder eingeschlossen sein, zum Beispiel in Form von geformten oder gefalteten Halbgesichtsmasken, Filterelementen für auswechselbare Patronen oder Kanister, oder Vorfilter.
Ein Beispiel eines Atemgeräts 10 der vorliegenden Erfindung ist in 10 und 11 gezeigt. Der Maskenkörper 17 des Atemgeräts kann eine gebogene, halbkugelförmige Form haben oder andere Formen annehmen, wie gewünscht (siehe z.B. US-Patentschriften 5,307,796 und 4,827,924). Im Atemgerät 10 ist der Elektretfilter 15 beidseitig eingeschlossen zwischen dem Deckgewebe 11 und der innenliegenden formgebenden Schicht 16. Die formgebende Schicht gibt der Maske 10 Struktur und Halt für die filtrierende Schicht 18. Die formgebende Schicht 16 kann auf der Innen- und/oder Außenseite der filtrierenden Schicht liegen, und kann, zum Beispiel, aus einem ungewebten Vlies aus thermisch verbindbaren Fasern hergestellt sein, die zu einer tassenförmigen Konfiguration geformt wurden. Die formgebende Schicht kann gemäss bekannten Verfahren geformt werden (siehe z.B. US-Patentschrift 5,307,796). Die formgebende Schicht oder Schichten sind typischerweise aus Zweikomponentenfasern hergestellt, die einen Kern aus hochschmelzendem Material wie Polyethylenterephtalat haben, der von einem Mantel aus niedrigerschmelzendem Material umgeben ist, so dass, wenn die formgebende Schicht in einer Form erhitzt wird, sie sich der Form anpasst, und diese Form beibehält, wenn sie auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das niedrigschmelzende Mantelmaterial kann auch dazu dienen, die Schichten zu verbinden, wenn es zusammen mit einer anderen Schicht, wie der Filterschicht gepresst wird. Um die Gesichtsmaske stramm auf dem Gesicht der sie tragenden Person zu halten, kann der Maskenkörper an ihm befestigte Bänder, Bändel, Maskenhalter etc. aufweisen. Ein biegsames weiches Aluminiumband 13 kann am Maskenkörper 17 bereitgestellt sein, damit dieser geformt werden kann, so dass die Gesichtsmaske wie gewünscht passend auf der Nase des Trägers gehalten wird (siehe z.B. US- Patentschrift 5,558,089). Atemgeräte können auch zusätzliche Merkmale wie zusätzliche Schichten, Ventile (siehe z.B. US-Patentschrift 5,509,436), geformte Gesichtsstücke etc. aufweisen. Beispiele von Atemgeräten, die die verbesserten Elektretfilter der vorliegenden Erfindung einschließen können umfassen jene, die in den US-Patentschriften 4,536,440, 4,827,924, 5,325,892, 4,807,619 4,886,058 und der US-Patentanmeldung 08/079,234 beschrieben sind.
Erfindungsgemäße Atemgeräte mit einer Oberfläche von etwa 180 Quadratzentimetern (cm²) weisen vorzugsweise ein Min@Chl von mehr als 400 Milligramm (mg) DOP, insbesondere von mehr als 600 mg DOP auf, wenn sie mit dem Testverfahren zur Bestimmung des Durchlassgrades von Partikelfiltern zum Testen von Negativdruck-Atemgeräten gegen Flüssigkeitspartikel des National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) getestet werden (Procedure APRS-STP-0051-00, Morgantown WV, NIOSH Division of Safety Research, May 31, 1995). Die Atemgeräte weisen vorzugsweise einen anfänglichen DOP-Durchlassgrad von weniger als 5% auf. Die mit diesem Verfahren getesteten Atemgeräte weisen vorzugsweise einen Druckverlust von weniger als 127 Pa (13 mm H₂O), insbesondere weniger als 98 Pa (10 mm H₂O) und insbesondere weniger als 78 Pa (8 mm H₂O) auf. Atemgeräte mit größerer Oberfläche werden nach diesem Standard getestet, indem die ausgesetzte Oberfläche auf 180 cm² reduziert wird. Kleinere Atemgeräte werden nach diesem Standard getestet, indem ein Halter für mehrere Atemgeräte angepasst wird, der eine gesamte ausgesetzte Oberfläche von etwa 180 cm² hat.
Erfindungsgemäße Filterelemente mit einer Oberfläche von etwa 150 cm² weisen ein Min@Chl von mehr als 300 mg DOP, insbesondere mehr als 450 mg DOP auf, wenn sie mit dem NIOSH – Testverfahren APRS-STP-0051-00 getestet werden. Filter, die im Atemgerät paarweise verwendet werden, werden unter Verwendung eines einzelnen Filters des Paars getestet. Die mit diesem Verfahren getesteten Filter weisen vorzugsweise einen anfänglichen DOP-Durchlassgrad von weniger als 5% auf. Die Filter weisen vorzugsweise einen Druckverlust von weniger als 127 Pa (13 mm H₂O) , insbesondere weniger als 98 Pa (10 mm H₂O) und insbesondere weniger als 78 Pa (8 mm H₂O) auf.
Erfindungsgemäße Vorfilter mit einer Oberfläche von 65 cm² weisen vorzugsweise ein Min@Chl von mehr als 170 mg DOP, insbesondere mehr als 255 mg DOP auf, wenn sie mit dem NIOSH – Testverfahren APRS-STP-0051-00 getestet werden. Vorfilter, die im Atemgerät paarweise verwendet werden, werden unter Verwendung eines einzelnen Filters des Paars getestet. Die Vorfilter weisen vorzugsweise einen anfänglichen DOP-Durchlassgrad von weniger als 5% auf. Die mit diesem Verfahren getesteten Vorfilter weisen vorzugsweise einen Druckverlust von weniger als 167 Pa (17 mm H₂O), insbesondere weniger als 137 Pa (14 mm H₂O) und insbesondere weniger als 118 Pa (12 mm H₂O) auf.
Beispiele
Allgemeine Probenvorbereitung und Testen
Extrudieren der Vliese
Die folgenden Beschreibungen stellen beispielhaft bestimmte bevorzugte Ausführungsformen von Verfahren zur Herstellung von Elektretartikeln dar, die ein Polymer und ein leistungsverbesserndes Additiv enthalten. Die Artikel in diesen Beispielen sind ungewebte Filtervliese, und aus einer Mischung von Polypropylen und einer Fluorchemikalie hergestellt, die unter Schmelzblasbedingungen extrudiert und aufgenommen wird, so dass ein geblasenes Mikrofaservlies (blown microfiber web, BMF) entsteht. Der fluorierte Schmelzzusatz wurde gemeinsam mit Polypropylen in die Einfüllöffnung eines Doppelschneckenextruders eingespeist, um einen Schmelzstrom zu produzieren, der etwa 11 Gewichtsprozent Fluorchemikalie enthält. Der Hauptteil des Polypropylens wurde in die Einfüllöffnung eines zweiten Doppelschneckenextruders gegeben. In einigen Fällen wurde auch ein Peroxyd dosiert, um die Viskosität zu reduzieren. Der Ausstoß des die Fluorchemikalie enthaltenden Extruders wurde in den Polypropylen enthaltenden Extruder gepumpt, mit einem Durchsatz, so dass der Gesamtausstoß etwa 1,1 Gewichtsprozent fluoriertes Schmelzadditiv enthielt.
Die Temperatur des Schmelzenstroms, der das fluorierte Schmelzadditiv enthielt wurde an allen Punkten unter 290°C gehalten. Das Vlies selbst wurde in herkömmlicher Weise hergestellt, ähnlich der in Van Wente et al beschriebenen, außer dass ein Formwerkzeug mit gebohrten Öffnungen verwendet wurde.
Abschrecken
Zwei Abschreckverfahren wurden verwendet und sind unten beschrieben.
Verfahren A
Ein Spritzbalken, der dreizehn einzelne Flachstrahldüsen mit vier Inch (10,16 mm) voneinander entfernten Unijet Spritzdüsenspitzen Nr. 9501 aufweist, wurde 19,05 mm (0,75 Inch) von der Austrittsfläche und 63,5 mm (2,5 Inch) unterhalb der aus dem Formwerkzeug austretenden geschmolzenen Polymerströme angebracht. Jede Spritzdüse war 10° aus der Vliesrichtung gedreht, so dass die Fächer von Wassertropfen sich nicht gegenseitig beeinflussten, und der Wasserdruck wurde auf den Minimalwert eingestellt, bei dem ein gleichmäßiger Sprühnebel aufrechterhalten werden konnte.
Verfahren B
Ein Spritzbalken der Marke Sonic Spray System mit 15 zerstäubenden Spritzdüsen Modell Nr. SDC 035, der von Sonic Environmental Corp. in Pennsauken, NJ, erhältlich ist, wurde ungefähr 178 mm (7 Inch) unter der Mittellinie und etwa 25,4 mm (ein Inch) nach der Spitze des Formwerkzeugs angeordnet. Der Luftdruck wurde auf 345 kPa (50 Pounds per Square Inch (psi)) eingestellt, und der Wasserdruck wurde auf 207 kPa (30 Psi) eingestellt. Die Wasserdurchflussmesser wurden, wenn nicht anders angegeben, so eingestellt, dass jede Düse 30 ml/min Wasser abgab. Jede Düse gab einen Kegel von Wassertropfen an die aus dem Formwerkzeug austretenden geschmolzenen Polymerströme ab.
Glühen
Die extrudieren Vliese wurden weiter behandelt, indem sie mit einer Geschwindigkeit, die zu einer Aufenthaltsdauer von 4,5 Minuten führte durch einen Ofen geführt wurden, der auf eine Durchschnittstemperatur von etwa 150°C geheizt war. Dieses Glühverfahren verursacht zusätzliche Kristallisierung des Polymers und verursacht ein Diffundieren des fluorierten Schmelzadditivs an die Grenzflächen der Fasern.
Laden
Nach dem Glühen wurden die Vliese weiter behandelt, indem sie in einem elektrischen Hochspannungsfeld, das zwischen 30 linearen, quer zum Vlies angeordneten Koronaquellen und einer Erdelektrode angelegt wurde, mit einem Koronastrom von 2,6–10^–3 milliamps/cm der Koronaquellenlänge und einer Aufenthaltsdauer von 15 Sekunden koronageladen wurden.
Vliesspezifikationen
Die Vliesdicke wurde nach ASTM D1777-64 unter Verwendung eines Gewichts von 230 g auf einer Scheibe von 10 cm Durchmesser gemessen. Der Druckverlust kann nach ASTM F778 gemessen werden. Das Grundgewicht wurde aus dem Gewicht einer Scheibe von 5,25 Inch (13,3 cm) Durchmesser berechnet.
DOP Beladungstest
Die Dioctylphthalat (DOP) Beladungsmessungen wurden durchgeführt, indem der Durchlassgrad von DOP-Aerosol durch eine Probe verfolgt wurde, die längere Zeit einem gesteuerten DOP-Aerosol ausgesetzt wurde. Die Messungen wurden unter Verwendung eines automatischen Filter testers (AFT) Modell #8110 oder #8130 (erhältlich von TSI Incorporated, St. Paul, Minnesota) durchgeführt, der für DOP Aerosol ausgerüstet war. Die der prozentuale DOP-Durchlassgrad wird definiert als:
% DOP-Durchlassgrad = 100·(DOP-Konzentration nachher/DOP-Konzentration vorher), wobei die Konzentrationen vorher und nachher mittels Lichtstreuung gemessen werden und der prozentuale DOP-Durchlassgrad automatisch durch den AFT berechnet wird. Das von den AFT-Geräten 8110 und 8130 erzeugte DOP-Aerosol war nominal ein monodisperses Aerosol mit einem Massenmediandurchmesser von 0,3 Mikrometer und einer Konzentration vor dem Filter von 100 Milligramm pro Kubikmeter, gemessen mit einem Standardfilter. Alle Proben wurden mit abgeschaltetem Aerosol-Ionisierer getestet, und bei einem Durchfluss durch die Filtervliesprobe von 85 Litern pro Minute (lpm).
DOP-Beladungstestverfahren 1 für Filtervliese
Die Messungen wurden mit einem AFT Modell #8110 gemacht, das für DOP-Aerosol ausgerüstet war. Das extrudierte Vlies wurde in Scheiben von 6,75 Inch (17,15 cm) Durchmesser geschnitten. Zwei dieser Scheiben wurden direkt aufeinander gestapelt, und die Scheiben wurden in einen Probenhalter eingesetzt, so dass ein Kreis von 6,0 Inch (15,2 cm) Durchmesser dem Aerosol ausgesetzt war. Die Anströmgeschwindigkeit war 7,77 Zentimeter pro Sekunde (cm/sec)
Die Proben wurden vor dem Einsetzen in den Probenhalter gewogen. Jeder Test wurde durchgeführt, bis ein klarer Trend zu zunehmendem prozentualem DOP-Durchlassgrad mit fortdauernder DOP-Aerosolaussetzung erkennbar war, oder mindestens bis zu einer DOP-Aussetzung von 200 Milligramm DOP. Die Daten von prozentualem DOP-Durchlassgrad und entsprechendem Druckverlust wurden an einen angeschlossenen Computer übermittelt, wo sie gespeichert wurden. Nach Abschluss des DOP-Beladungstests wurden die beladenen Proben wieder gewogen, um die Menge an DOP zu verfolgen, die auf den Faservlies-Proben aufgenommen wurde. Das diente zur Überprüfung der aus der gemessenen, auf dem Faservlies auftreffenden DOP-Konzentration und dem gemessenen Aerosoldurchfluss durch das Vlies extrapolierten DOP-Aussetzung.
Die erhaltenen Beladungsdaten wurden in eine Tabellenkalkulation importiert, um das Minimum bei der Prüfung (Min@Chl) zu berechnen. Das Min@Chl ist definiert als die Gesamtmenge an DOP-Beaufschlagung oder der Masse an DOP, die auf dem Filtervlies aufgetroffen ist (d.h. die auf der Probe verbliebene und die hindurchgegangene Masse an DOP) am Punkt, wo der prozentuale DOP-Durchlassgrad seinen Minimalwert erreicht. Dieses Min@Chl wird verwendet, um die Leistungsfähigkeit des Vlieses gegen DOP-Beladung zu kennzeichnen, je höher das Min@Chl, desto besser die Beladbarkeitmit DOP.
DOP-Beladungstestverfahren 2 für Filtervliese
Verfahren 2 war gleich wie Verfahren 1, außer dass die Proben mit 5,25 Inch (13,34 cm) Durchmesser zugeschnitten wurden und in den Probenhalter eingesetzt wurden, so dass ein Kreis von 4,5 Inch (11,4 cm) ausgesetzt blieb, und die Anströmgeschwindigkeit 13,8 cm/sec. war.
Mit beiden Verfahren können die Tests unter Verwendung äquivalenter Filtertester durchgeführt werden. Man könnte auch einzelne Lagen statt doppelte Lagen Filtervlies testen, wenn die augenblickliche Filterleistung der Einzellage so ist, dass sie einen Druckverlust von 8 bis 20 mm H₂O und einen nachweisbaren Durchlassgrad von weniger als 36% DOP-Durchlassgrad aufweist, gemessen mit einer ausgesetzten Fläche von 102,6 cm² bei einem Durchfluss von 85 lpm unter Verwendung eines AFT Modell NR. TSI 8110 mit eingeschaltetem Ionisierer. Beide Verfahren schließen das Testen von Filtern mit kleinerer Oberfläche unter Verwendung eines Probenhalters, der Filtermedium mit äquivalenter ausgesetzter Oberfläche (d.h. 102,6 cm² für Verfahren 2) zusammenfasst, ein.
Bestimmung des Kristallinitätsgrades des Polymers Kristallinitätsdaten wurden erfasst unter Verwendung eines vertikalen Röntgen-Diffraktometers von Philips, Kupfer-Kα-Strahlung und Aufzeichnung der Streustrahlung mit einem proportionalen Detektor. Das Diffraktometer war mit variablen Eingangsblenden, festen Ausgangsblenden und einem Monochromator für den Streustrahl ausgerüstet. Die Röntgenquelle wurde mit den Einstellungen 45 kV und 35 mA betrieben. Es wurden schrittweise Abtastdurchläufe von 5 bis 40 grad (2B) durchgeführt, mit einer Schrittgröße von 0,05° und einer Zählzeit von 5 Sekunden. Die Proben wurden mittels doppelseitigem Klebeband ohne Verwendung einer Stützplatte oder eines Trägers unter dem Vlies in Aluminiumhalter eingesetzt.
Die beobachteten Streudaten wurden auf x-y-Paare von Streuwinkel und Intensitätswerten reduziert und einer Profilanpassung mit der Datenanalysesoftware Origin^TM (erhältlich von Microcal Software Inc., Northampton MA) unterzogen. Es wurde eine Gaußkurve als Peakformmodell verwendet, um die sechs Peaks des Polypropylens in Alpha-Form und die amorphen Peakbeiträge zu beschreiben. Für einige Datenreihen berücksichtigte ein einziger amorpher Peak die Streuintensität der Nicht-Alpha-Form nicht angemessen. In diesen Fällen wurden zusätzliche breite Maxima verwendet, um die beobachtete Intensität vollständig zu berücksichtigen. Diese breiten Biegungen wurden hauptsächlich von der mesomorphen Form des Polypropylens verursacht (für eine Erörterung von mesomorphem Polypropylen siehe Krueger et al. US-Patentschrift 4,931,230 und die darin zitierten Referenzen). Der Streubeitrag, der auf die mesomorphe Form des Polypropylens zurückzuführen war, wurde mit der amorphen Streuung kombiniert. Kristallinitätsindizes wurden berechnet als Verhältnis der Kristallpeakfläche zur gesamten Streuintensität (Kristallin und amorph) innerhalb des Streuwinkelbereichs von 6 bis 36 Grad (2θ). Ein Wert von 1 bedeutet 100% Kristallinität und Null bedeutet keine Kristallinität.
Thermisch stimulierter Entladestrom (TSDC, Thermally Stimulated Discharge Current)
Die TSDC-Untersuchungen wurden durchgeführt unter Verwendung eines Solomat TSC/RMA, Modell 91000 mit einer Schwenkelektrode, erhältlich von TherMold Partners, L.P., Thermal Analysis Instruments of Stanford, CT. Vliesproben wurden zugeschnitten und zwischen die Elektroden im Solomat TSC/RMA gelegt. In dem Solomatgerät ist ein Thermometer direkt neben der Probe angeordnet, aber ohne sie zu berühren. Die Vliesproben sollten optisch dicht sein, es sollten keine sichtbaren Löcher durch das Probevlies vorhanden sein. Die Proben sollten groß genug sein, dass die obere Kontaktelektrode völlig abgedeckt wird. Da diese Elektrode etwa 7 mm Durchmesser hat, wurden die Proben auf mehr als 7 mm Durchmesser zugeschnitten. Um einen guten elektrischen Kontakt mit den Elektroden sicherzustellen, werden die Vliesproben um einen Faktor von ungefähr 10 in der Dicke zusammengedrückt. Luft wird aus der Probenkammer abgepumpt und durch Helium bei einem Druck von etwa 1100 ersetzt. Es wird eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff verwendet.
TSDC Testverfahren 1
Ein Artikel wird bei 100 °C während 1 Minute in einem angelegten elektrischen Feld von 2,5 Kilovolt pro Millimeter (kV/mm) im oben beschriebenen Apparat polarisiert. Die Probe wird mit eingeschaltetem Feld schnell (mit der maximalen Geschwindigkeit des Instruments) auf –50°C abgekühlt. Die Probe wird während 5 Minuten bei ausgeschaltetem Feld auf –50°C gehalten, und dann mit 3°C/min erhitzt, während der Entladestrom gemessen wird. Ladungsdichten können von jedem Peak der TSDC-Spektren errechnet werden, indem zwischen den Minima auf jeder Seite eines ausgewählten Peaks eine Grundlinie gezogen wird, und die Fläche unter dem Peak integriert wird.
TSDC Testverfahren 2
Der Entladestrom eines unpolarisierten Artikels wird bei 25°C anfangend und unter Erhitzen mit einer Geschwindigkeit von 3°C/min. gemessen. Zwei Proben des Artikels werden auf identische Weise getestet, außer, dass die Proben in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden, wenn sie zwischen die Elektroden gelegt werden. Die Peakposition(en) wird/werden für den Artikel gemessen, der so herum gedreht war, dass bei Temperaturen oberhalb von etwa 110°C ein positiver Entladestrom erzeugt wurde (d.h. Seite B in 15).
Die Schmelztemperatur des Artikels wird durch differentiell abtastende Kalorimetrie (Differential Scanning Calorimetry, DSC) bestimmt, die bei einer Heizgeschwindigkeit von 10°C/min durchgeführt wird, und wird definiert als das durch das Schmelzen verursachte Peakmaximum, das im zweiten DSC-Heizzyklus beobachtet wird, (d.h. der Peak, der nach dem Heizen auf oberhalb der Schmelztemperatur, Kühlen zum Einfrieren des Artikels und Wiedererhitzen beobachtet wird).
TSDC Testverfahren 3
Eine Probe wird mit dem TSDC-Testverfahren 2 untersucht, um die richtige Ausrichtung der Probe zu ermitteln. Die Artikel werden dann in dem Solomat TSC in der Richtung ausgerichtet, die einen positiven Entladestrom im niedrigeren Temperaturpeak in Verfahren 2 erzeugt. Die Artikel werden dann nach Verfahren 1 getestet, außer dass jede Probe bei 100°C für entweder 1, 5, 10 oder 15 Minuten polarisiert wird. Der Wert der Peak-Halbwertsbreite jedes Peaks wird berechnet, indem die Grundlinie des Peaks gezogen wird, basierend auf einer Kurvenneigung von 0 bis etwa 30°C, und die Peakbreite auf Halber Höhe gemessen wird.
TSDC Testverfahren 4
Dieses Verfahren ist mit Verfahren 3 identisch, außer dass die Ladungsdichte des Artikels bei jeder Polarisierungszeit berechnet wird, indem eine Grundlinie zwischen den Minima auf jeder Seite des ausgewählten Peaks gezogen wird, oder wenn es kein Minimum auf der Hochtemperaturseite eines Peaks gibt, dem Punkt wo die Kurve oder ihre Extrapolation die Strom-Nulllinie schneidet, und die Fläche unter dem Peak integriert wird.
Vergleichsbeispiele 1–3
Beispiele 1–3 demonstrieren, dass verbesserte Beladbarkeit erreicht werden kann, indem Zusammensetzungen, die Polymer und leistungsverbesserndem Additiv enthalten und einen relativ niedrigem Kristallinitätsindex aufweisen geglüht werden.
BEISPIEL 1
Es wurde ein nichtgewebtes Filtervlies hergestellt aus Exxon Escorene 3505G, erhältlich von Exxon Chemical Company, und der Fluorchemikalie
mit einer Geschwindigkeit von 50 Pounds pro Stunde (lbs/hr, 23 Kilogramm pro Stunde (kg/hr)) und einer Schmelztemperatur von 288°C unter Verwendung eines 48 Inch (121,9 cm) langen Formwerkzeugs mit gebohrten Blenden. Das Vlies hatte ein Grundgewicht von 71 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,3 Millimetern (mm) und einen Druckverlust von 65 Pa (6, 6 mm H₂O), gemessen bei einer Anströmgeschwindigkeit von 13,8 cm/s. Nach dem Glühen und Laden des Vlieses wie oben beschrieben wurden DOP-Beladungstests durchgeführt mit doppellagigen Proben von 5,25 Inch (13,34 cm) Durchmesser, die von sechs über die Breite des Vlieses verteilten Positionen genommen wurden. Der Kristallinitätsindex des Polypropylens wurde bestimmt für Proben, die von den gleichen sechs Stellen des Vlieses vor (Positionen 1,4 und 6) und nach dem Glühen (Positionen 1–6) ausgeschnitten wurden. Die Beladungsdaten als Min@Chl und Kristallinitätsindizes für die sechs Positionen sind in Tabelle 1 aufgeführt, und der ungeglühte Kristallinitätsindex für die Positionen 1, 4 und 6 ist in 2 gegen die Min@Chl-Werte aufgetragen.
Tabelle 1
Wie in den Werten in Tabelle 1 für die Positionen 1, 4 und 6, und in der Graphik in 2 gezeigt, gibt es eine Korrelation zwischen der DOP-Beladbarkeit (als Min@Chl) und dem Kristallinitätsindex des Vlieses vor dem Glühen. Je niedriger die Kristallinität vor dem Glühen, desto größer der Wert von Min@Chl. Auf der anderen Seite gibt es, wie in Tabelle 1 gezeigt, keine Korrelation zwischen dem Kristallinitätsindex des Vlieses nach dem Glühen und der DOP-Beladbarkeit (in Min@Chl).
BEISPIEL 2
Geblasenes Mikrofaservlies wurde hergestellt und getestet wie in Beispiel 1 beschrieben. Das Vlies hatte ein Grundgewicht von 74 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,4 mm, und einen Druckverlust von 69 Pa (7,0 mm H₂O), gemessen bei einer Anströmgeschwindigkeit von 13,8 cm/s. Das Vlies wurde DOP-beladungsgetestet und auf den Kristallinitätsindex analysiert wie in Beispiel 1 beschrieben, und die erhaltenen Daten sind in Tabelle 2 und 3 dargestellt.
Tabelle 2
Wiederum zeigen die Werte in Tabelle 2 und 3 den generellen Trend, dass niedrigere Kristallinitätsindizes der ungeglühten Zusammensetzung mit besserer Beladbarkeit korrelieren, während für die geglühten Filter keine Korrelation beobachtet wird.
BEISPIEL 3
Geblasenes Mikrofaservlies wurde hergestellt und behandelt wie in Beispiel 1 Beschrieben, außer dass Fina 3860 Polypropylenharz, erhältlich von Fina Oil and Chemical Company verwendet wurde, und ein Peroxydkon zentrat, das 2,5-Dimethyl-2,5 di (tert-Butylperoxy)hexan enthielt, zusätzlich in den Extruder eingespeist wurde, um die Rheologie der Polypropylenschmelze und die physikalischen Eigenschaften des schmelzgeblasenen Vlieses zu steuern. Das Vlies hatte ein Grundgewicht von 73 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,4 mm, und einen Druckverlust von 69 Pa (7,0 mm H₂O), gemessen bei 85 Litern pro Minute. Das Vlies wurde Beladungsgetestet und auf den Kristallinitätsindex analysiert wie in Beispiel 1 beschrieben, und die erhaltenen Daten sind in Tabelle 3 und 4 dargestellt.
Tabelle 3
Wiederum zeigen die Werte in Tabelle 3 und 4 den generellen Trend, dass niedrigere Kristallinitätsindizes der ungeglühten Zusammensetzung mit besserer Beladbarkeit korrelieren, während für die geglühten Filter keine Korrelation beobachtet wird.
Beispiele 4–8
Beispiele 4–8 zeigen, dass Abschrecken oder niedrige Kristallinität der ungeglühten Fasern (d.h. des Zwischenerzeugnisses) mit überragenden Ölnebel-Beladungseigenschaften der geglühten Elektretfiltervliese korrelieren.
BEISPIEL 4
Geblasenes Mikrofaservlies wurde hergestellt und getestet wie in Beispiel 1 beschrieben. Das Vlies hatte ein Grundgewicht von 69 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,3 mm, und einen Druckverlust von 61 Pa (6,2 mm H₂O), gemessen bei einer Anströmgeschwindigkeit von 13,8 cm/s. Nachdem genügend Vlies für weitere Verarbeitung und Testen aufgenommen war, wurde das Extrudat mit Wasser besprüht unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens A. Es wurde mit Umkehrosmose und Ionenaustausch aufbereitetes Wasser verwendet. In diesem Experiment deckte der Sprühbalken nur etwa 2/3 der Breite des Formwerkzeugs ab. Der Kollektor wurde von etwa 30 auf etwa 20 cm (12 bis etwa 8 Inch) heranbewegt, um die gewünschten Vliesparameter beizubehalten. Die Vliese wurden DOP-beladungsgetestet und auf den Kristallinitätsindex analysiert wie in Beispiel 1 beschrieben, und die erhaltenen Daten sind in den Tabellen 4A und 4B und 5 dargestellt.
Tabelle 4A ohne Abschrecken, Vergleichsbeispiele
Tabelle 4B mit Abschrecken
Die Daten in den Tabellen 4A und 4B zeigen, dass Abschrecken den Kristallinitätsindex der extrudierten Fasern reduziert. Glühen der Erzeugnisse mit niedrigem Kristallinitätsindex verbessert die Beladbarkeit des geglühten und geladenen Filtervlieses. Die Daten zeigen des weiteren, dass Glühen von Erzeugnissen, die einen Kristallinitätsindex unter etwa 0,3 haben, zu Elektretfiltern mit überragender Beladbarkeit führt. Insbesondere führt das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex unter etwa 0,3 zu Filtern, die ein durchschnittliches Min@Chl von mehr als 200 mg aufweisen, während das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex von mehr als etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein mittleres Min@Chl von weniger als 200 mg aufweisen.
BEISPIEL 5
Geblasenes Mikrofaservlies wurde hergestellt und behandelt wie in Beispiel 1, außer dass die Extrusionsgeschwindigkeit 45 kg/h (100 pounds per hour) betrug und Peroxyd zugefügt wurde, wie in Beispiel 3, um die Schmelz-Rheologie des Polypropylens und die physikalischen Parameter des geblasenen Vlieses zu steuern. Das Vlies hatte ein Grundgewicht von 73 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,3 mm, und einen Druckverlust von 65 Pa (6,6 mm H₂O), gemessen bei einer Anströmgeschwindigkeit von 13,8 cm/s. Nachdem genügend Vlies für weitere Verarbeitung und Testen (siehe Beispiele in Tabelle 5 A) aufgenommen war, wurde das Extrudat mit Wasser besprüht unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens B. Der Spritzbalken deckte die ganze Vliesbreite ab wobei das Vlies ein Grundgewicht von 74 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,3 mm, und einen Druckverlust von 61 Pa (6,2 mm H₂O), gemessen bei 85 Litern pro Minute hatte. Der Kollektor wurde von etwa 30 auf etwa 28 cm (12 bis etwa 11 Inch) heranbewegt, um die gewünschten Vliesparameter beizubehalten. Es wurde nicht aufbereitetes Leitungswasser verwendet. Die Vliese wurden DOP-beladungsgetestet und auf den Kristallinitätsindex analysiert wie in Beispiel 1 beschrieben, außer dass Kreise von 6,75 Inch (17,15 cm) für die Beladungstest verwendet wurden, und die erhaltenen Daten sind in den Tabellen 5A und 5B und 6 dargestellt.
Tabelle 5A ohne Abschrecken, Vergleichsbeispiele
Tabelle 5B mit Abschrecken
Wie in Beispiel 4 zeigen die Daten in Tabelle 5A und 5B, dass Abschrecken den Kristallinitätsindex des ungeglühten Vlieses reduziert, und die Beladbarkeit des geglühten und geladenen Vlieses verbessert. Die Daten zeigen des weiteren, dass das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex unter etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein durchschnittliches Min@Chl von mehr als 200 mg aufweisen, während das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex von mehr als etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein mittleres Min@Chl von weniger als 200 mg aufweisen. Die Daten zeigen auch, dass Erzeugnisse mit einem niedrigeren Kristallinitätsindex, wie einem Kristallinitätsindex von etwa 0,1 zu weiter verbesserter Beladbarkeit führen können. Zum Beispiel können manche Elektretfilter ein Min@Chl von mehr als 500 mg haben.
BEISPIELE 6
Geblasenes Mikrofaservlies wurde hergestellt und getestet wie in Beispiel 1 beschrieben. Das Vlies hatte ein Grundgewicht von 73 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,3 mm, und einen Druckverlust von 69 Pa (7,0 mm H₂O), gemessen bei einer Anströmgeschwindigkeit von 13,8 cm/s. Nachdem genügend Vlies für weitere Verarbeitung und Testen aufgenommen war, wurde das Extrudat wie in Beispiel 5 mit Wasser besprüht unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens B. Der Kollektor wurde von etwa 25 auf etwa 21.6 cm (10 bis etwa 8,5 Inch) heranbewegt, um die gewünschten Vliesparameter beizubehalten. Das mit Wasser besprühte Vlies hatte ein Grundgewicht von 71 Gramm pro Quadratmeter, eine Dicke von 1,4 mm, und einen Druckverlust von 65 Pa (6,6 mm H₂O), gemessen bei 85 Litern pro Minute. Die Vliese wurden DOP-beladungsgetestet und auf den Kristallinitätsindex analysiert wie in Beispiel 5, und die erhaltenen Daten sind in den Tabellen 6A und 6B und 7 dargestellt.
Tabelle 6A ohne Abschrecken, Vergleichsbeispiele
Tabelle 6B Mit Abschrecken
Wie in den Beispielen 4–7 zeigen die Daten in den Tabellen 6A und 6B, dass Abschrecken den Kristallinitätsindex des ungeglühten Vlieses reduziert und die Beladbarkeit des geglühten und geladenen Vlieses verbessert. Die Daten zeigen des weiteren, dass das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex unter etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein durchschnittliches Min@Chl von mehr als 200 mg aufweisen, während das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex von mehr als etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein mittleres Min@Chl von weniger als 200 mg aufweisen. Die Daten zeigen auch, dass manche Elektretfilter, die aus den abgeschreckten Materialien hergestellt wurden, ein Min@Chl von mehr als 500 mg haben können und manche mit einem Min@Chl von mehr als 800 mg.
BEISPIEL 7
Geblasenes Mikrofaservlies wurde hergestellt und getestet wie in Beispiel 6 mit und ohne Besprühen mit Wasser nach Verfahren B. Für dieses Beispiel wurde das Wasser mit Umkehrosmose und Ionenaustausch aufbereitet. Die Spezifikationen der Vliese waren ähnlich wie die in Beispiel 6. Die Vliese wurden DOP-beladungsgetestet und auf den Kristallinitätsindex analysiert wie in Beispiel 6 beschrieben, und die erhaltenen Daten sind in den Tabellen 7A und 7B und 8 dargestellt.
Tabelle 7A ohne Besprühen mit Wasser
Tabelle 7B mit Besprühen mit Wasser
Wie in den Beispielen 4–6 zeigen die Daten in den Tabellen 7A und 7B, dass Abschrecken den Kristallinitätsindex des ungeglühten Vlieses reduziert und die Beladbarkeit des geglühten und geladenen Vlieses verbessert. Die Daten zeigen des weiteren, dass das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex unter etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein durchschnittliches Min@Chl von mehr als 200 mg aufweisen, während das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex von mehr als etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein mittleres Min@Chl von weniger als 200 mg aufweisen. Die Daten zeigen auch, dass manche Elektretfilter die aus den abgeschreckten Materialien hergestellt wurden ein Min@Chl von mehr als 500 mg haben können und manche mit einem Min@Chl von mehr als 800 mg.
BEISPIEL 8
Geblasenes Mikrofaservlies wurde hergestellt und getestet wie in Beispiel 7 mit und ohne Besprühen mit Wasser nach Verfahren B. Die Spezifikationen der Vliese waren ähnlich wie die in Beispiel 7. Die Vliese wurden DOP-beladungsgetestet und auf den Kristallinitätsindex analysiert wie in den vorhergehenden Beispielen, und die erhaltenen Daten sind in den Tabellen 8A und 8B und 9 dargestellt.
Tabelle 8A ohne Abschrecken, Vergleichsbeispiele
Tabelle 8B mit Abschrecken
Wie in den Beispielen 4–7 zeigen die Daten in den Tabellen 8A und 8B, dass Abschrecken den Kristallinitätsindex des ungeglühten Vlieses reduziert und die Beladbarkeit des geglühten und geladenen Vlieses verbessert. Die Daten zeigen des weiteren, dass das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex unter etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein durchschnittliches Min@Chl von mehr als 200 mg aufweisen, während das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex von mehr als etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein mittleres Min@Chl von weniger als 200 mg aufweisen. Die Daten zeigen auch, dass manche Elektretfilter, die aus den Abgeschreckten Materialien hergestellt wurden, ein Min@Chl von mehr als 500 mg haben können.
Die Tabellen 9A und 9B zeigen durchschnittliche Min@Chl-Daten für Beispiele 4–8 für nicht abgeschreckte und abgeschreckte Proben.
Tabelle 9A Durchschnittliche Min@Chl-Daten (mg) – Nicht abgeschreckt, Vergleichsdaten
Tabelle 9B Durchschnittliche Min@Chl-Daten (mg) – abgeschreckt
Die durchschnittlichen Daten in Tabellen 9A und 9B, kombiniert mit den Kristallinitätswerten, die in den vorhergehenden Tabellen gezeigt wurden, demonstrieren, dass Abschrecken den Kristallinitätsindex des ungeglühten Vlieses unter etwa 0,3 reduzieren kann, und weiter, dass das Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex unter etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein durchschnittliches Min@Chl von mehr als 200 mg haben, wogegen Glühen von Vliesen mit einem Kristallinitätsindex von über etwa 0,3 zu Filtern führt, die ein durchschnittliches Min@Chl von weniger als 200 mg haben.
Beispiele 9 und 10
Beispiele 9 und 10 zeigen, dass die Zugabe eines leistungsverbessernden Additivs ein starkes Signal im TSDC-Spektrum verursacht. Ein Vlies wurde hergestellt und getestet wie in Beispiel 4 beschrieben (inklusive Abschrecken). Eine zweite Probe wurde genauso hergestellt, jedoch ohne ein leistungsverbesserndes Additiv. Beide Vliesproben wurden mit dem TSDC-Testverfahren 1 untersucht. Die Probe, die das leistungsverbessernde Additiv enthielt, zeigte einen signifikanten Entladepeak bei etwa 110°C. Im Vergleich zeigte das Vlies ohne leistungsverbesserndes Additiv keinen signifikanten Peak. Diese Beobachtung suggeriert, dass der von der Probe mit leistungsverbesserndem Additiv erzeugte Entladestrom auf die Entpolarisierung des leistungsverbessernden Additivs beim Erhitzen zurückzuführen ist. Es wird angenommen, dass das leistungsverbessernde Additiv im Polarisierungsschritt polarisiert wird.
Beispiele 11–15
Beispiele 11–15 zeigen, dass abgeschreckte Vliese nach dem Polarisieren eine höhere Ladungsdichte haben als nicht abgeschreckte Vliese. Die Probenvliese a (abgeschreckt, ungeglüht) und c (abgeschreckt, geglüht) waren die gleichen wie in Beispiel 4, Position 4 (jedoch ohne Koronaladen). Probe b (nicht abgeschreckt, geglüht) war gleich wie in Beispiel 2, Position 4 (jedoch ohne Koronaladen) und Probe d (nicht abgeschreckt, geglüht) war gleich wie in Beispiel 2, Position 6 (jedoch ohne Koronaladen). Alle Vliesproben wurden mit dem TSDC-Testverfahren 1 untersucht.
Die resultierenden TSDC-Spektren sind in 12 gezeigt. Ladungsdichten können von jedem Peak der TSDC-Spektren errechnet werden, indem zwischen den Minima auf jeder Seite eines ausgewählten Peaks eine Grundlinie gezogen wird, und die Fläche unter dem Peak integ riert wird. Wie in 12 illustriert, zeigen TSDC-Spektren üblicherweise einen steil ansteigenden Entladestrom, wenn die Temperatur sich dem Schmelzpunkt des Artikels annähert. Mehrere Proben von ungeladenen und geglühten Vliesen wie in Beispiel 7 beschrieben wurden getestet wie für Beispiel 11–15 beschrieben, sowohl für nicht abgeschreckte (Positionen 2 und 6) wie für abgeschreckte (Positionen 3,4,5 und 6) Vliese. Keins der nicht abgeschreckten Vliese hatte eine Ladungsdichte von mehr als 10 Mikrocolomb pro Quadratmeter (μC/m²). Die Kristallinitätsindizes der ungeglühten Vliese sind in 13a gegen die Ladungsdichten der geglühten, ungeladenen Vliese aufgetragen. 13a zeigt, dass nicht geglühte Vliese mit einem relativ niedrigen Kristallinitätsindex im Allgemeinen eine höhere Ladungsdichte haben, bestimmt mit dem TSDC-Testverfahren 1.
Die DOP-Beladbarkeit (als Min@Chl) der geglühten und geladenen Vliese ist in 13b gegen die Ladungsdichte der geglühten, ungeladenen Vliese aufgetragen. 13b zeigt das ziemlich überraschende Ergebnis, das die geglühten, ungeladenen Vliese, die einen Ladungsdichtenwert oberhalb von etwa 10 μC/m², gemessen mit TSDC-Testverfahren 1 aufweisen, auch überragende DOP-Beladbarkeit nach dem Laden aufweisen.
Beispiele 17 und 18
Beispiele 17 und 18 zeigen die TSDC-Spektren von geglühten und nicht geglühten, koronageladenen Vliesen, die ohne leistungsverbessernde Additive hergestellt wurden. Abgeschreckte (a, b) und nicht abgeschreckte (a', b') Vliese wurden wie in Beispiel 4 beschrieben hergestellt, außer dass kein fluoriertes Additiv in den Vliesen vorhanden war. Die TSDC-Spektren der nicht polarisierten Vliese wurden unter Verwendung des Testverfahrens 2 erhalten und sind in 14 gezeigt. Das Vorzeichen des Entladestroms (entweder positiv oder negativ) ist eine Funktion der Ausrichtung des Vliese in dem TSC-Gerät in Bezug auf die Ausrichtung beim Koronaladen.
Beispiele 19 und 20
Beispiele 19 und 20 zeigen die TSDC-Spektren von geglühten und nicht geglühten, koronageladenen Vliesen, die aus einem Polymer und leistungsverbesserndem Additiv hergestellt wurden. Abgeschreckte (a, b) und nicht abgeschreckte (a', b') Vliese wurden wie in Beispiel 8, Position 1 beschrieben hergestellt. Die Vliese wurden mit TSDC untersucht wie in TSDC-Testverfahren 2 beschrieben. Die Ergebnisse der TSDC-Untersuchung sind in 15 gezeigt. Als Teil des Testverfahrens wird der Schmelzpunkt des getesteten Materials mit DSC bestimmt, und war in diesem Fall 159°C.
Wie in 15 gezeigt, wies das Spektrum eines abgeschreckten Vlieses, a, einen relativ schmalen Peak mit Zentrum bei 137°C auf, wenn das Vlies so ausgerichtet war, dass das Spektrum einen positiven Entladestrom oberhalb von etwa 110°C aufwies. Dieses Spektrum zeigt, dass das Abschrecken eine Verschmälerung der Energieverteilung der ladungsanlagernden Zentren in dem geglühten und geladenen Vlies verursacht. Im Vergleich zeigt das Spektrum des nicht abgeschreckten Vlieses, a', nur einen sehr breiten Peak mit Zentrum bei wesentlich niedrigeren Temperaturen (etwa 120 °C), was eine relativ breite Verteilung der ladungsanlagernden Energieniveaus anzeigt. Dementsprechend können erfindungsgemäße Artikel das unterscheidende Kennzeichen eines Strompeaks mit Zentrum bei etwa 15 bis 30°C unterhalb des Schmelzpunktes des Artikels aufweisen, gemessen mit TSDC-Testverfahren 2.
Wie durch die schon erörterten Ergebnisse der DOP-Beladungstests gezeigt, haben Vliese, die aus abgeschreckten Zwischenerzeugnissen (oder solchen mit relativ niedriger Kristallinität) hergestellt wurden, stark verbesserte DOP-Beladbarkeit im Vergleich zu Vliesen, die aus nicht abgeschreckten Zwischenerzeugnissen (oder solchen mit relativ hoher Kristallinität) hergestellt wurden. Dementsprechend haben die Erfinder überraschenderweise ein kennzeichnendes Merkmal des Spektrums entdeckt (d.h. den oben beschriebenen Strompeak), der mit verbesserter DOP-Beladbarkeit korreliert ist.
Beispiele 20 und 21
Beispiele 20 und 21 zeigen TSDC-Spektren von abgeschreckten (16a) und nicht abgeschreckten ( 16b) Artikeln und illustrieren Spektrumsmerkmale, die bestimmte erfindungsgemäße Artikel kennzeichnen können. Diese Beispiele waren die in Beispiel 8, Position 3 beschriebenen Vliese (abgeschreckt und nicht abgeschreckt). Die TSDC-Untersuchungen wurden durchgeführt wie in TSDC-Testverfahren 3 beschrieben. Die Artikel in 16a unterscheiden sich nur durch ihre Polarisierungszeiten: a – 1 Minute, b – 5 Minuten, c – 10 Minuten und d – 15 Minuten. Desgleichen unterscheiden sich die Artikel in 16b nur durch ihre Polarisierungszeiten: a' – 1 Minute, b' – 5 Minuten, c' – 10 Minuten und d' – 15 Minuten.
Die TSDC-Spektren in 16a zeigen Peakhalbwertsbreiten von 18 (b), 14 (c) und 19 (d) für Polarisierungszeiten von jeweils 5, 10 und 15 Minuten. Diese drei Peaks haben Maxima bei 140 oder 141 °C. Im Vergleich zeigen die nicht abgeschreckten Vergleichsbeispiele in 16b Peakhalbwertsbreiten von 40 (b'), 32 (c') und 34 (d') für Polarisierungszeiten von jeweils 5, 10 und 15 Minuten, und Peakmaxima bei jeweils 121,132 und 136 °C. Die überragende Beladbarkeit der abgeschreckten Artikel ist oben in Bezug auf DOP-Beladungstests erörtert.
Demgemäss zeigen die 16a und 16b und die DOP Beladungstests die überraschende Entdeckung, dass Artikel, die durch TSDC-Peakbreiten von weniger als 30°C gekennzeichnet werden (gemessen mit Testverfahren 3) mit überragender Ölnebel-Beladbarkeit korrelieren. Diese Ergebnisse suggerieren, dass Artikel mit einer engeren Verteilung der ladungsanlagernden Energieniveaus im polarisierten Zustand mit verbesserter Beladbarkeit korreliert sind. Dementsprechend haben bevorzugte Artikel Peakbreiten von weniger als 25°C, und insbesondere weniger als 20°C.
Die Daten zeigen auch, dass es zumindest für polypropylenhaltige Artikel eine Korrelation gibt zwischen der Peakposition und der Beladbarkeit, wobei die bevorzugten Artikel Peakpositionen zwischen etwa 138 bis 142 °C haben.
Beispiele 22 und 23
Ein weiterer Satz TSDC-Daten wurde aufgenommen von Proben, die genauso wie in den Beispielen 20 und 21 hergestellt und getestet wurden. Ladungsdichten wurden für jede Testbedingung wie in TSDC Testverfahren 4 beschrieben berechnet, und sind in Tabelle 10 aufgeführt und in 17 aufgetragen.
Tabelle 10 Ladungsdichte (μC/m²) gegen Polarisierungszeit
Ein Vergleich der Ladungsdichten der abgeschreckten und nicht abgeschreckten Artikel, gemessen mit Testverfahren 4, mit den entsprechenden DOP-Beladungstests zeigt überraschenderweise eine Korrelation zwischen der Änderung in der Ladungsdichte während dem Polarisieren und der Beladbarkeit. Wie in 17 zu sehen ist, zeigen die abgeschreckten Artikel (mit überragender Beladbarkeit) zunehmende Ladungsdichten, wenn der Artikel während 1 bis 10 Minuten polarisiert wird (gepunktete Linie). Im Gegensatz dazu zeigen die nicht abgeschreckten Artikel (mit schlechterer Beladbarkeit) eine abnehmende Ladungsdichte über den gleichen Polarisierungszeitraum (durchgezogene Linien). Dementsprechend ist ein Kennzeichen eines bevorzugten erfindungsgemäßen Artikels eine zunehmende Ladungsdichte über 1–5 Minuten und/oder 5 bis 10 Minuten Polarisierungszeit, gemessen mit TSDC-Testverfahren 4.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen eines erhitzten, geschmolzenen Materials, das ein Gemisch eines Polymers und eines Additivs umfasst, wobei das Polymer ein nichtleitendes thermoplastisches Harz ist, das einen spezifischen Widerstand von mehr als 10¹⁴ Ohm·cm hat, und wobei das Additiv die Fähigkeit des Elektretfilters zum Filtern von öligen Aerosolen verbessert; Formen des erhitzten, geschmolzenen Materials, um ein geformtes, erhitztes Material herzustellen; Abschrecken des geformten, erhitzten Materials unmittelbar nach dem Formen, um ein abgeschrecktes Material mit einem Kristallinitätsindex von weniger als 0,3 herzustellen; und Tempern, das die Kristallinität des Polymers erhöht, und Laden des abgeschreckten Materials, um einen Elektretfilter herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Formens des geschmolzenen Materials das Extrudieren des geschmolzenen Materials durch eine Düsenöffnung umfasst, um ein Extrudat zu bilden, und wobei der Schritt des Abschreckens das Abschrecken des geschmolzenen Materials beim Austritt aus der Düsenöffnung umfasst; und wobei das Additiv eine Fluorchemikalie umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–2, wobei der Elektretfilter Elektretfasern umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 2–3, wobei der Extrudierschritt das Extrudieren der Mischung unter Schmelzblas-Bedingungen umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–4, wobei der Abschreckschritt zu abgeschreckten Fasern führt und wobei des Weiteren die abgeschreckten Fasern als ein Vliesstoff aufgenommen werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–5, wobei das Polymer Polypropylen ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–6, wobei das Additiv gewählt wird aus
Verfahren nach den Ansprüchen 1–7, wobei die Mischung 95 bis 99,5 Gew.-% Polypropylen und 0,5 bis 5 Gew.-% Fluorchemikalie umfasst.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–8, wobei der Elektretfilter ein Vliesstoff ist, das schmelzgeblasene Fasern enthält.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–9, wobei der Abschreckschritt das Bespritzen mit Wasser umfasst. 11. Verfahren nach den Ansprüchen 1–9, wobei der Temperschritt bei etwa 130 bis 150 °C durchgeführt wird und die Mischung mit einer Düsengeschwindigkeit von 2,48 bis 6,94 g/s·m (0,5 bis 1,4 lb./hr/inch) extrudiert wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 5–11, wobei der Ladeschritt des Stoffs Koronabehandlung umfasst und wobei der Temperschritt anschließend an den Ladeschritt durchgeführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6–8, wobei die Fluorchemikalie einen Schmelzpunkt oberhalb dem Schmelzpunkt von Polypropylen und unter der Extrusionstemperatur hat.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–13, wobei das Polymer ausgewählt wird aus Polypropylen, Poly(4-methyl-1-penten), linearem Polyethylen niedriger Dichte, Polystyrol, Polycarbonat, Polyester, und Kombinationen davon.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–14, wobei der Elektretfilter ein Spektrum des thermisch stimulierten Entladestroms (TSDC, thermally stimulated discharge current) hat, das einen Peak aufweist, der bei Messung mit dem TSDC-Testverfahren 3 eine Halbwertsbreite von weniger als 25°C hat.
Elektretfilter, der mit dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 15 hergestellt ist.
Elektretfilter nach Anspruch 16, wobei der Filter in Form von Fasern oder eines Vliesstoffes vorliegt.
Elektretfilter nach Anspruch 16, der eine Mehrzahl von Fasern umfasst, die nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 15 hergestellt sind.