PL198520B1 - Odporny na mgłę olejową filtr o niemalejącej skuteczności oraz zastosowanie filtra - Google Patents

Abstract

1. Odporny na mgle olejow a filtr o niemalej acej sku- teczno sci, zawieraj acy przepuszczaln a dla p lynu pierwsz a elektretow a warstw e filtruj ac a, zawieraj ac a w lókna pierw- szego materia lu polimerowego oraz przepuszczaln a dla plynu drug a elektretow a warstw e filtruj ac a, zawieraj ac a w lókna drugiego materia lu polimerowego, znamienny tym, ze pierwsza elektretow a warstwa filtruj aca jest warstw a o niemalej acej sprawno sci usuwania przy zako nczeniu badania penetracji/obci azania DOP, usuwaj ac a wi ekszosc szkodliwego aerozolu zebranego przez filtr podczas bada- nia penetracji/obci azania DOP, za s druga elektretow a warstwa filtruj aca jest warstw a o malej acej sprawno sci usuwania przy zako nczeniu badania penetracji/obci azania DOP, oraz ze pocz atkowy wspó lczynnik jako sci drugiej elektretowej warstwy filtruj acej jest wi ekszy od pocz atko- wego wspó lczynnika jako sci pierwszej elektretowej warstwy filtruj acej, okre slonych przy zastosowaniu badania penetra- cji/obciazania DOP, przy czym warstwy elektretowe pierw- sza i druga zawieraj a w lókna co najmniej jednego z polime- rów wybranych z grupy obejmuj acej polipropylen, poli(4- -metylo-penten), prosto la ncuchowy polietylen o ma lej g esto- sci, polistyren, poliw eglan i poliester. 14. Zastosowanie filtra okre slonego w zastrz. 1, w re- spiratorach. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest odporny na mgłę olejową filtr o niemalejącej skuteczności oraz zastosowanie filtra.

Wynalazek dotyczy wielowarstwowego filtra narażonego na działanie aerozolu w postaci mgły olejowej.

Osoby narażone na powietrze zawierające substancje toksyczne lub szkodliwe często zakładają respirator przykrywający nos i usta w celu przefiltrowania powietrza przed wdychaniem. Konstrukcja respiratora jest regulowana przez National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH). NIOSH ustanawia różne normy skuteczności zatrzymywania dla respiratorów, które były narażone na różne zanieczyszczenia. Przykładowo, norma skuteczności zatrzymywania mgły olejowej (przy badaniu z zastosowaniem kropelek dioktyloftalanu (DOP)) musi być spełniana przez materiały filtracyjne przeznaczone do stosowania w środowiskach, gdzie występuje olej. Ponieważ sprawność zatrzymywania może się zmieniać w zależności od obciążenia, normy określają minimalną sprawność zatrzymywania przy stałym narażeniu na aerozol. Chociaż niektóre materiały filtracyjne respiratorów zapewniają niemalejącą, a nawet rosnącą sprawność przy ciągłym narażeniu, zwykle jednak sprawność zatrzymywania materiałów filtracyjnych respiratorów maleje przy rosnącym narażeniu na ftalan dioktylowy.

Od 1995 roku NIOSH wprowadził normy dotyczące biernych respiratorów cząstkowych do oczyszczania powietrza. Przepisy te obejmują kilka różnych klasyfikacji, z których jedna nazywana jest ogólnie jako „szereg P” i dotyczy filtrów przeznaczonych do zatrzymywania cząstek cieczy na bazie oleju. Aby uzyskać świadectwo dla szeregu P, materiały filtracyjne respiratora muszą mieć niemalejącą sprawność zatrzymywania, oznaczaną przy końcu wykonywania próby sprawności z zastosowaniem dioktyloftalanu.

Oprócz sprawności zatrzymywania, innym czynnikiem ważnym dla użytkownika jest wygoda przy korzystaniu z respiratora. Jednym ze wskaźników wygody korzystania z respiratora jest spadek ciśnienia na materiałach filtracyjnych respiratora. Filtry o mniejszym spadku ciśnienia zapewniają większą wygodę użytkownikom, ułatwiając im oddychanie i pozwalając, by wydychane ciepłe i wilgotne powietrze łatwiej uchodziło z maski nie posiadającej zaworu wydechowego.

Chociaż na spadek ciśnienia nie mają zasadniczo wpływu warunki otoczenia, to jednak różnice wygody korzystania z filtrów o dużych i małych spadkach ciśnienia stają się wyraźniejsze w trudniejszych warunkach środowiskowych, np. przy dużej temperaturze i wilgotności. W takich warunkach odczuwany spadek ciśnienia, to znaczy odczuwany wysiłek oddychania poprzez respirator, może zwiększyć się do poziomów oznaczających dyskomfort. Odczuwane wzrosty spadku ciśnienia są funkcją warunków środowiskowych, ponieważ użytkownicy w trudniejszych warunkach środowiskowych zwykle bardziej obawiają się dodatkowego wysiłku potrzebnego do oddychania niż użytkownicy w łatwiejszych warunkach środowiskowych. Zwiększenie odczuwanego spadku ciśnienia pogarsza wygodę użytkownika i może doprowadzić do gorszego spełniania wymagań korzystania z respiratora, zwłaszcza w trudniejszych warunkach środowiskowych, gdzie korzystanie z respiratora jest bardzo ważne dla zdrowia i bezpieczeństwa człowieka.

Spadek ciśnienia może również być ważnym czynnikiem dla materiałów filtracyjnych używanych w czynnych respiratorach oczyszczających powietrze. Wydajność czynnego respiratora oczyszczającego powietrze mierzona jest pewną liczbą parametrów obejmujących przepływ powietrza i spadek ciśnienia na filtrze podczas działania. Przepływ powietrza i spadek ciśnienia są ze sobą związane, ponieważ przy określonej dmuchawie i źródle energii filtr, który ma mniejszy spadek ciśnienia, będzie dawać większy przepływ powietrza. Odwrotnie, filtr o większym spadku ciśnienia będzie dawać mniejszy przepływ powietrza przy stosowaniu tej samej dmuchawy i źródła energii. Przepływ powietrza i spadek ciśnienia są ważne, ponieważ system respiratora, który ma filtr o większym spadku ciśnienia, wymaga większej energii na dostarczenie takiej samej ilości przefiltrowanego powietrza niż system respiratora z filtrem o mniejszym spadku ciśnienia. W rezultacie większy spadek ciśnienia może powodować skrócenie czasu eksploatacji czynnych systemów respiratora, które mają stałe źródło energii, takie jak baterie.

Spadek ciśnienia przy określonym natężeniu przepływu powietrza poprzez filtr można zmniejszyć przez zwiększenie przepustowości lub rozluźnienie materiału filtracyjnego. Filtr, w którym przepustowość lub rozluźnienie materiału filtracyjnego jest zwiększone, zwykle wykazuje jednak zmniejszoną skuteczność zatrzymywania zanieczyszczeń, która jest innym parametrem, według którego mierzy się sprawność systemu respiratora. Spadek ciśnienia przy określonym natężeniu przepływu

PL 198 520 B1 powietrza w pewnych okolicznościach można również zmniejszyć bez zmniejszania skuteczności zatrzymywania zanieczyszczeń. Można to uzyskać zwiększając pole powierzchni filtru. Jednakże, zwiększenie wielkości filtru zwykle związane jest również ze zwiększeniem wymiarów i/lub masy systemu, co może potencjalnie ograniczać mobilność użytkownika w zamkniętych pomieszczeniach.

Próby spełnienia wymagań dla filtrów szeregu P zwykle polegały na stosowaniu materiałów filtracyjnych wykazujących niemalejącą sprawność zatrzymywania. Niektóre filtry mogą zawierać jedną lub więcej warstw, które wykazują neutralną sprawność zatrzymywania w połączeniu z jedną lub wieloma warstwami o niemalejącej sprawności zatrzymywania, by otrzymać filtry wykazujące niemalejącą sprawność zatrzymywania. Warstwa o neutralnej sprawności zatrzymywania może być stosowana jako filtr wstępny, by zapobiegać zbrylaniu się warstw filtru, które zapewniają niemalejącą sprawność zatrzymywania, i są zwykle wybierane ze względu na swój mały spadek ciśnienia. Aby zapewnić mały spadek ciśnienia, warstwy filtrowania wstępnego mogą wymagać stosunkowo miękkiego podłoża, które może znacznie zwiększyć grubość filtru. Z powyższej analizy wynika, że zwiększona grubość filtru może zwiększyć wymiary systemu filtracyjnego, co w konsekwencji może ograniczyć mobilność użytkownika w pomieszczeniach zamkniętych. Potrzebne są zatem filtry do stosowania w respiratorach i innych wyrobach zdolnych do spełnienia wymagań NIOSH dotyczących sprawności zatrzymywania mgły olejowej w szeregu P, przy równoczesnym zapewnianiu zmniejszonego spadku ciśnienia.

Osiągnięcie wyżej wymienionych celów zapewnia filtr według wynalazku.

Filtr według wynalazku, będący odpornym na mgłę olejową filtrem o niemalejącej skuteczności, zawierający przepuszczalną dla płynu pierwszą elektretową warstwę filtrującą, która zawiera włókna pierwszego materiału polimerowego oraz przepuszczalną dla płynu drugą elektretową warstwę filtrującą, która zawiera włókna drugiego materiału polimerowego, charakteryzuje się tym, że pierwsza elektretowa warstwa filtrująca jest warstwą o niemalejącej sprawności usuwania przy zakończeniu badania penetracji/obciążania DOP, usuwającą większość szkodliwego aerozolu zebranego przez filtr podczas badania penetracji/obciążania DOP, zaś druga elektretowa warstwa filtrująca jest warstwą o malejącej sprawności usuwania przy zakończeniu badania penetracji/obciążania DOP, oraz że początkowy współczynnik jakości drugiej elektretowej warstwy filtrującej jest większy od początkowego współczynnika jakości pierwszej elektretowej warstwy filtrującej, określonych przy zastosowaniu badania penetracji/obciążania DOP, przy czym warstwy elektretowe pierwsza i druga zawierają włókna co najmniej jednego z polimerów wybranych z grupy obejmującej polipropylen, poli(4-metylo-penten), prostołańcuchowy polietylen o małej gęstości, polistyren, poliwęglan i poliester.

Dla filtra według wynalazku korzystne jest, gdy włókna w pierwszej i w drugiej elektretowej warstwie filtrującej są mikrowłóknami które wytwarzane są według technologii wydmuchiwania ze stanu roztopionego. Równie korzystne jest, gdy pierwsza elektretowa warstwa filtrująca ma widmo termicznie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC) z pikiem o szerokości mniejszej niż około 30°C w połowie jego wysokości, gdy pomiar przeprowadza się według procedury 2 badania TSDC, a także gdy pierwsza elektretowa warstwa filtrująca ma widmo termicznie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC) z pikiem o szerokości mniejszej niż około 15-25°C poniżej temperatury topnienia pierwszego materiału polimerowego, w pomiarze przeprowadzonym według procedury 1 badania TSDC.

Filtr według wynalazku ponadto charakteryzuje się tym, że pierwszy materiał polimerowy obejmuje polipropylen, a widmo termicznie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC) pierwszej elektretowej warstwy filtrującej wykazuje pik przy 130-140°C, zaś pierwsza elektretowa warstwa filtrująca wykazuje rosnącą gęstość ładunku przez 1-5 min czasu regulacji biegunowości w pomiarze według procedury 3 badania TSDC. Korzystne jest, gdy pierwsza elektretowa warstwa filtrująca zatrzymuje co najmniej 70% szkodliwego aerozolu zbieranego przez filtr w próbie penetracji/obciążania DOP, zaś początkowy współczynnik jakości drugiej elektretowej warstwy filtrującej wynosi co najmniej 0,5 lub więcej, gdy jest on określany przy zastosowaniu badania penetracji/obciążania DOP. Równie korzystne jest, gdy pierwsza elektretowa warstwa filtrująca jest po procesie schładzania i odprężania, zaś druga elektretowa warstwa filtrująca jest hydronaładowana. Gramatura pierwszej elektretowej warstwy filtrującej powinna być większa niż gramatura drugiej elektretowej warstwy filtrującej.

W filtrze według wynalazku pierwsza i/lub druga elektretowa warstwa filtrująca może zawierać dodatek polepszający działanie filtra w przypadku pracy w warunkach mgły olejowej, przy czym korzystnie jest, gdy dodatek ten zawiera fluor.

Dla filtru według wynalazku korzystne jest także, gdy wykazuje on spadek ciśnienia o około 1,18 hPa (12 mm H2O) lub mniejszy w pomiarze według próby spadku ciśnienia, oraz gdy wykazuje on maksymalną penetrację DOP wynoszącą około 5% lub mniej po całkowitym wystawieniu na działanie

PL 198 520 B1 około 200 mg szkodliwego aerozolu podczas badania penetracji/obciążenia DOP. Przy zakończeniu badania penetracji/obciążenia DOP, filtr powinien wykazywać niemalejącą sprawność usuwania. Pierwszy i drugi materiał polimerowy w filtrze może zawierać polimer, który ma objętościową rezystywność większą niż 10 om-cm.

Odporny na mgłę olejową filtr według wynalazku jest przeznaczony do stosowania w respiratorach.

Filtr według wynalazku zapewnia użytkownikowi większy komfort przy stosowaniu w biernych respiratorach oczyszczających powietrze.

Przedmiotowy wynalazek różni się od znanych filtrów przez zastosowanie pierwszej warstwy, która ma niemalejącą sprawność zatrzymywania i zdolność usuwania większości aerozolu, przed drugą warstwą, która ma malejącą sprawność zatrzymywania i początkowy współczynnik jakości większy niż pierwsza warstwa. Ta nowa kombinacja warstw filtrujących sprawia, że filtr jako całość ma niemalejącą sprawność zatrzymywania przy przeprowadzaniu próby penetracji/obciążania DOP. W efekcie właściwość ta pozwalana na spełnienie przez filtr normy NIOSH szeregu P dla cząstek cieczy na bazie oleju.

Filtry według wynalazku mogą również być zdolne do zapewniania stosunkowo małego spadku ciśnienia. Wynalazek jest zatem korzystny dla stosowania w respiratorach, ponieważ może zapewnić użytkownikowi bardzo bezpieczne środowisko oddychania w środowisku zawierającym mgłę olejową, a równocześnie zapewnia użytkownikowi wygodę dzięki małemu spadkowi ciśnienia.

W odniesieniu do wynalazku poniżej zdefiniowano stosowane w opisie określenia. Inne określenia mogą być również zdefiniowane w odniesieniu do opisu, zastrzeżeń i rysunków.

„aerozol” oznacza gaz zawierający zawieszone cząstki w postaci stałej lub ciekłej;

„gramatura” oznacza ciężar materiału lub materiałów w warstwie na jednostkę pola głównych powierzchni warstwy;

„malejąca sprawność zatrzymywania” oznacza, że filtr lub warstwa filtrująca ma malejącą sprawność zatrzymywania, sygnalizowaną przez dodatnie pochylenie krzywej procentu penetracji DOP po zakończeniu próby penetracji/obciążania DOP, opisanej poniżej (gdzie zakończenie następuje przy całkowitym obciążeniu wynoszącym 200 ± 5 mg DOP);

„sprawność” oznacza ilość, wyrażoną w procentach, aerozolu usuwanego przez filtr, którą można określić w oparciu o procent penetracji i która jest definiowana wzorem:

sprawność (%) = 100 - penetracja (%) (np. filtr wykazujący penetrację 5% miałby sprawność 95%);

„ładunek elektryczny” oznacza, że występuje oddzielanie ładunku;

„filtr elektretowy” lub „elektretowa warstwa filtrująca” oznacza filtr lub warstwę filtrującą, która ma przynajmniej quasi-stały ładunek elektryczny, gdzie „quasi-stały” oznacza, że ładunek elektryczny istnieje w materiale w normalnych warunkach atmosferycznych (22°C, 101300 Pa ciśnienia atmosferycznego i 50% wilgotności względnej) przez czas wystarczająco długi, by zmierzyć ten ładunek;

„pierwsza warstwa” oznacza warstwę filtru, którą strumień powietrza napotyka przed drugą warstwą;

„przepuszczalność płynu” oznacza, że filtr lub warstwa filtrująca umożliwiają przechodzenie przynajmniej części płynu;

„warstwa” oznacza część filtru, która ma dwie główne powierzchnie i pewną grubość pomiędzy tymi głównymi powierzchniami, przy czym warstwa ta może rozciągać się na nieskończony wymiar wzdłuż głównych powierzchni, albo też może mieć określone granice;

„większość” oznacza więcej niż 50%;

„temperatura topnienia” jest określana przez różnicową kalorymetrię skaningową (DSC) przeprowadzaną przy prędkości grzania 10°C/min i jest definiowana jako maksymalny pik powodowany przez roztapianie, który jest obserwowany w drugim cyklu ogrzewania DSC (to znaczy pik obserwowany po ogrzaniu powyżej temperatury topnienia, ochłodzeniu w celu zamrożenia wyrobu i ponownym ogrzaniu);

„niemalejąca sprawność” i „niemalejąca sprawność zatrzymywania” oznacza, że filtr lub warstwa filtrująca ma niemalejącą sprawność zatrzymywania sygnalizowaną przez niedodatnie pochylenie krzywej procentu penetracji DOP po zakończeniu próby penetracji/obciążania DOP, opisanej poniżej (gdzie zakończenie następuje przy całkowitym obciążeniu wynoszącym 200 ± 5 mg DOP);

„dodatek zwiększający skuteczność wobec mgły olejowej” oznacza dodatek, który, zastosowany jako część filtru, polepsza zdolność filtru do przechwytywania cząstek mgły olejowej;

„polimer” oznacza makrocząsteczkę złożoną z monomerów i obejmuje homopolimery, kopolimery i mieszaniny polimerowe;

PL 198 520 B1 „materiał polimerowy” oznacza materiał, który zawiera co najmniej jeden polimer i ewentualnie inne składniki oprócz tego polimeru;

„spadek ciśnienia” oznacza zmniejszenie ciśnienia statycznego w strumieniu powietrza pomiędzy wlotową a wylotową stroną filtru, poprzez który ten strumień powietrza przechodzi;

„respirator” oznacza system lub urządzenie noszone na drogach oddechowych człowieka, by uniemożliwić dostawanie się zanieczyszczeń do dróg oddechowych człowieka i/lub chronić ludzi lub przedmioty przed działaniem patogenów lub innych zanieczyszczeń wydzielanych przez użytkownika podczas oddychania, obejmujące, ale bez ograniczenia, twarzowe maski filtrujące;

„druga warstwa” oznacza warstwę filtrującą, którą strumień powietrza napotyka po przejściu przez pierwszą warstwę.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 jest przekrojem jednego elektretowego medium filtracyjnego 10 według przedmiotowego wynalazku, fig. 2 jest widokiem z przodu filtrującej maski twarzowej 40, która zawiera elektretowe materiały filtrujące według przedmiotowego wynalazku, fig. 3 jest powiększonym częściowym przekrojem korpusu 42 maski 40 z fig. 2, fig. 4 przedstawia procent penetracji DOP konstrukcji filtru z porównawczego przykładu A, fig. 5 przedstawia procent penetracji DOP konstrukcji filtru z porównawczego przykładu B, fig. 6 przedstawia procent penetracji DOP konstrukcji filtru z porównawczego przykładu C, fig. 7 przedstawia procent penetracji DOP konstrukcji filtru z porównawczego przykładu D, fig. 8 przedstawia procent penetracji DOP konstrukcji filtru z przykładu 1, a fig. 9 przedstawia procent penetracji DOP konstrukcji filtru z przykładu 2.

Filtry według wynalazku zawierają co najmniej dwie przepuszczające płyn, elektretowe warstwy filtrujące, które po połączeniu zapewniają niemalejącą sprawność zatrzymywania przy końcu próby penetracji/obciążania DOP, opisanej poniżej. Te połączone filtry mogą zapewniać niemalejącą sprawność zatrzymywania i stosunkowo mały spadek ciśnienia. Przez połączenie niemalejącej sprawności zatrzymywania mgły olejowej ze zmniejszonym spadkiem ciśnienia filtry według wynalazku mogą oferować użytkownikowi większy komfort przy korzystaniu z tych filtrów, np. w biernych respiratorach i innych urządzeniach.

Elektretowe warstwy filtrujące używane według przedmiotowego wynalazku mają quasi-stały ładunek elektryczny. Korzystnie każda warstwa ma „trwały” ładunek elektryczny, co oznacza, że ładunek elektryczny istnieje we włóknach, a zatem we włóknistym materiale lub filtrze, przynajmniej przez ogólnie akceptowany czas eksploatacji wyrobu, w którym ten materiał elektretowy jest stosowany. Stała czasu zaniku ładunku korzystnie jest znacznie większa niż czas eksploatowania filtru elektretowego lub elektretowej warstwy filtrującej.

Chociaż w wielu przypadkach filtry według przedmiotowego wynalazku charakteryzowane są w oparciu o procedury badań wzorowane na normach NIOSH szereg P, filtry które spełniają warunki opisane w niniejszej publikacji, mogą również być użyteczne przy spełnianiu wymagań różnych innych norm. Przykładowo filtry według przedmiotowego wynalazku mogą również spełniać badania i normy opracowane przez inne organizacje rządowe i/lub pozarządowe w USA, jak również w innych krajach.

Figura 1 przedstawia przekrój filtru 10, który ma pierwszą główną powierzchnię 12 po jednej stronie i drugą główną powierzchnię 14 po przeciwległej stronie. Ten filtr 10 zawiera pierwszą elektretową filtrującą warstwę 20 i drugą elektretową filtrującą warstwę 30, obie korzystnie wzajemnie ciągłe na głównych powierzchniach filtru 10.

Chociaż każda warstwa w filtrze 10 jest przedstawiona jako jednorodna, to jednak pierwsza i druga elektretowa filtrująca warstwa 20, 30 mogą być tak skonfigurowane, ale nie muszą. Warstwy te mogą przykładowo zawierać dwa lub więcej składników, jak omówiono poniżej. Ponadto każda z tych warstw może zawierać dwie lub więcej podwarstwy, które łączą się ze sobą, by utworzyć pierwszą elektretową warstwę filtrującą 20 lub drugą elektretową warstwę filtrującą 30. Ponadto granica pomiędzy pierwszą elektretową warstwą filtrującą 20 a drugą elektretową warstwą filtrującą 30 może być dobrze zdefiniowana tam, gdzie przykładowo pierwsza elektretowa warstwa filtrująca 20 i druga elektretowa filtrująca warstwa 30 są połączone jedna za drugą, a każda z nich jest wytworzona niezależnie od drugiej. Alternatywnie granica pomiędzy pierwszą elektretową filtrującą warstwą 20 a drugą elektretową filtrującą warstwą 30 może być mniej dokładnie zdefiniowana tam, gdzie przykładowo jedna z tych warstw jest wytworzona przez zbieranie włókien wydmuchiwanych w stanie roztopionym na drugiej warstwie.

Użyte w nawiązaniu do filtru 10 określenia „pierwsza” i „druga” warstwa służą do zaznaczenia kolejności warstw 20 i 30 w kierunku przepływu powietrza przez filtr 10. Skuteczność filtru 10 przy

PL 198 520 B1 narażeniu na mgłę olejową będzie się zmieniać w zależności od kolejności, w której przepływ powietrza napotyka pierwszą elektretową filtrującą warstwę 20 i drugą elektretową filtrującą warstwę 30. Pierwszą elektretową filtrującą warstwę 20 strumień powietrza musi napotykać przed drugą elektretową filtrującą warstwą 30, by uzyskać żądane połączenie sprawności zatrzymywania i spadku ciśnienia.

Pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 i druga elektretowa filtrująca warstwa 30 mogą być przymocowane do siebie, by utworzyć filtr 10, dowolnym sposobem. Przykłady odpowiednich sposobów mocowania obejmują, ale bez ograniczenia, mechaniczne splątanie, zgrzewanie poszczególnych włókien i spajanie klejem.

Ponadto, chociaż nie pokazano tego, filtr 10 może zawierać jedną lub więcej dodatkowych warstw usytuowanych po każdej stronie filtru 10 i/lub umieszczonych pomiędzy pierwszą elektretową filtrującą warstwą 20 a drugą elektretową filtrującą warstwą 30. Przykłady niektórych możliwych dodatkowych warstw obejmują materiały węglowe, płótna tapicerskie itd. W innej odmianie filtr 10 może zawierać pierwszą elektretową filtrującą warstwę 20 usytuowaną w wypełnionym powietrzem odstępie od drugiej elektretowej filtrującej warstwy 30. Przykładem takiej konstrukcji jest wkład filtrujący. Jak opisano powyżej, ważnym parametrem jest, by filtrowany strumień powietrza przechodził przez pierwszą elektretową filtrującą warstwę 20, zanim przejdzie przez drugą elektretową filtrującą warstwę 30.

Zarówno pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 jak i druga elektretowa filtrująca warstwa 30 mogą być wykonane w postaci naładowanych elektrostatycznie włóknistych wstęg polimerowych. Ponieważ filtr 10 ma być używany w środowisku zawierającym mgłę olejową, jedna lub obie warstwy mogą również zawierać fluorochemiczny dodatek polepszający działanie, by zwiększyć zdolność filtrowania oleistego aerozolu.

Pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 zawiera włókna, które zawierają pierwszy materiał polimerowy, a druga elektretowa filtrująca warstwa 30 zawiera włókna, które zawierają drugi materiał polimerowy. Pierwszy i drugi materiał polimerowy mogą być takie same lub różne. Korzystnie jednak pierwszy i drugi materiał polimerowy są kompatybilne ze sposobami użytymi do mocowania do siebie pierwszej elektretowej filtrującej warstwy 20 i drugiej elektretowej filtrującej warstwy 30 w celu utworzenia filtrującego medium 10. Bardziej szczegółowe omówienie odpowiednich polimerów i materiałów polimerowych nadających się do zastosowania w pierwszej i drugiej elektretowej filtrującej warstwie 20, 30 przedstawiono poniżej. Pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 może również zawierać pierwszy dodatek polepszający działanie, a druga elektretowa filtrująca warstwa 30 może również zawierać drugi dodatek polepszający działanie. Oba te dodatki mogą być takie same lub różne.

Polimerowe materiały użyte w pierwszej elektretowej filtrującej warstwie 20 i drugiej elektretowej filtrującej warstwie 30 są korzystnie zasadniczo pozbawione materiałów takich, jak środki antystatyczne, które mogłyby zwiększyć przewodność elektryczną lub inaczej zakłócać zdolność materiałów polimerowych do przyjmowania i przytrzymywania ładunków elektrostatycznych. Dodatkowo pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 i druga elektretowa filtrująca warstwa 30 korzystnie nie są poddawane zbędnym lub ewentualnie szkodliwym obróbkom, które mogą obejmować wystawienie na działanie promieniowania gamma, promieniowania ultrafioletowego, pirolizy, utleniania itd., a które mogłyby zwiększyć przewodność elektryczną materiału w pierwszej elektretowej filtrującej warstwie 20 i drugiej elektretowej filtrującej warstwie 30. Zatem w korzystnym przykładzie realizacji elektretowy filtr 10 jest wykonany i używany bez wystawienia go na działanie promieniowania gamma lub innego promieniowania jonizującego.

Pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 i druga elektretowa filtrująca warstwa 30 w filtrach 10 według przedmiotowego wynalazku mogą być scharakteryzowane na różne sposoby. Dla działania filtru 10 podstawową rzeczą jest jednak względna zdolność filtrowania warstw. Pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 zasadniczo wyznacza kształt krzywej obciążania filtru 10 jako całości i będzie również usuwać większość aerozolu zebranego przez filtr 10 ze strumienia powietrza. W rezultacie krzywa niemalejącej sprawności zatrzymywania pierwszej elektretowej warstwy filtrującej korzystnie dominuje nad krzywą sprawności zatrzymywania filtru 10 jako całości.

Podczas gdy pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 ma niemalejącą krzywą sprawności zatrzymywania, druga elektretowa filtrująca warstwa 30 wykazuje malejącą sprawność zatrzymywania przy przeprowadzaniu badania penetracji/obciążania DOP. Malejąca sprawność zatrzymywania drugiej elektretowej filtrującej warstwy 30 wychodzi naprzeciw żądanej niemalejącej sprawności zatrzymywania filtru 10 jako całości.

Druga elektretowa filtrująca warstwa 30 wykazuje początkowy współczynnik jakości, który jest większy niż początkowy współczynnik jakości pierwszej elektretowej filtrującej warstwy 20. Współczynnik

PL 198 520 B1 jakości filtru lub warstwy filtrującej jest to miara działania filtru oparta na penetracji i spadku ciśnienia. Początkowy współczynnik jakości (QF) filtru obliczany jest według następującego równania:

QF = (-Ln(% penetracji DOP/100))/spadek ciśnienia gdzie % penetracji DOP oznacza początkową penetrację określoną w próbie obciążania/penetracji DOP, opisanej poniżej, a spadek ciśnienia jest mierzony w mm H₂O według opisanej poniżej próby spadku ciśnienia. Ogólnie większy początkowy współczynnik jakości oznacza lepszą początkową filtrację w porównaniu z filtrem, który ma mniejszy początkowy współczynnik jakości.

Podczas gdy pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 usuwa większość zagrażającego aerozolu zebranego przez filtr 10, druga elektretowa filtrująca warstwa 30, która ma większy współczynnik jakości, korzystnie usuwa znaczną część zagrażającego aerozolu, która przechodzi przez pierwszą elektretową filtrującą warstwę 20 bez znacznego zwiększania spadku ciśnienia na filtrze 10 jako całości.

Synergizm pomiędzy pierwszą elektretową filtrującą warstwą 20 a drugą elektretową filtrującą warstwą 30 jest taki, że całkowite działanie filtru (określone przykładowo przez testy obciążania NIOSH szereg P) jest lepszy w porównaniu z działaniem, jakie można byłoby uzyskać stosując jedną lub dwie pierwsze elektretowe filtrujące warstwy 20, albo jedną lub dwie drugie elektretowe filtrujące warstwy 30. Ponadto ważna jest również kolejność tych warstw, ponieważ odwrócenie kolejności warstw spowoduje zmniejszenie działania filtrującego w porównaniu z filtrem, w którym strumień powietrza napotyka drugą elektretową filtrującą warstwę 30 po pierwszej elektretowej filtrującej warstwie 20.

Oprócz pierwszej i drugiej elektretowej warstwy filtrującej inne elektretowe materiały filtracyjne, które mogą nadawać się do stosowania w związku z wynalazkiem, obejmują, ale bez ograniczenia, materiały opisane w patencie USA Re. 30.782 oraz Re. 32.171 i w patencie USA nr 4.798.850. Włókniste wstęgi użyte w filtrach FILTRETE sprzedawanych przez firmę Minnesota Mining and Manufacturing Company, St. Paul, Minnesota oraz wstęgi używane w filtrach TECHNOSTAT, sprzedawanych przez firmę All Felt, Inc., Ingleside, Illinois mogą nadawać się do stosowania w przedmiotowym wynalazku. Przy badaniu działania współczynniki jakości tych wstęg zmierzono odpowiednio jako 3,7 i 3,5. Warstwy filtracyjne TECHNOSTAT zawierają płótno tapicerskie.

Pierwsza elektretowa warstwa filtracyjna 20 ma dwie właściwości (a) usuwanie większości grożącego aerozolu (DOP) zebranego przez filtr jako całość ze strumienia powietrza; oraz (b) niemalejącą sprawność usuwania. Drugą elektretową filtrującą warstwę 30 można scharakteryzować jako wykazującą malejącą sprawność usuwania i posiadającą początkowy współczynnik jakości większy niż początkowy współczynnik jakości pierwszej elektretowej filtrującej warstwy 20. Początkowy współczynniki jakości drugiej elektretowej filtrującej warstwy 30 korzystnie wynosi co najmniej około 0,5 lub więcej, korzystniej co najmniej około 0,6 lub więcej, jeszcze korzystniej około 0,8 lub więcej, a nawet jeszcze korzystniej około 1,0 lub więcej (gdzie początkowy współczynnik jakości jest określony w oparciu o wyniki badania penetracji/obciążania DOP).

Oprócz opisanych powyżej parametrów pierwszą elektretową filtrującą warstwę 20 i drugą elektretową filtrującą warstwę 30 w filtrach 10 według przedmiotowego wynalazku można scharakteryzować wykorzystując względne gramatury tych dwóch różnych warstw. Taki sposób charakteryzowania filtrów według wynalazku może być szczególnie użyteczny tam, gdzie warstwy filtrujące są polimerowymi wstęgami z włókien wydmuchiwanych w stanie roztopionym. Pierwsza elektretowa filtrująca warstwa 20 jest taka, że filtr 10 może korzystnie mieć gramaturę większą niż gramatura drugiej elektretowej filtrującej warstwy 30. Korzystniej stosunek gramatury pierwszej elektretowej filtrującej warstwy 20 do gramatury drugiej elektretowej filtrującej warstwy 30 może wynosić 1,25:1 lub więcej, a jeszcze korzystniej 1,5:1 lub więcej.

Pierwsza i druga warstwa filtrująca mogą zawierać włókna dmuchane w stanie roztopionym. Włókna dmuchane w stanie roztopionym mogą być wytwarzane sposobem opisanym w publikacji Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. ENGN. CHEM., 1342-46 (1956) oraz w raporcie nr 4364 Naval Research Laboratories opublikowanym 25 maja 1954, pod tytułem Manufacture of Super Fine Organic Fibers, Van A. Wente i in. Inne włókna, które mogą być odpowiednie, obejmują włókna spajane przez przędzenie. Korzystnie włókna te są mikrowłóknami, które są włóknami posiadającymi skuteczną średnicę około 30 pm lub mniej. Do zastosowań filtracyjnych włókna korzystnie są mikrowłóknami, które mają skuteczną średnicę mniejszą niż 20 pm, jeszcze korzystniej 1-10 pm, licząc sposobem przedstawionym w publikacji Davies, C.N., The Separation of Airborne Dust and Particles, Institution of Mechanical Engineers, Londyn, Proceedings 1B (1952), zwłaszcza równanie nr 12. Pierwsza elektretowa warstwa filtrująca i druga elektretowa warstwa filtrująca korzystnie mają łączną

PL 198 520 B1 całkowitą gramaturę 30-500 g/m², korzystniej 50-250 g/m², a jeszcze korzystniej 100-200 g/m². Filtry, które są zbyt lekkie lub zbyt cienkie, mogą być zbyt kruche, albo mają niewystarczającą zdolność filtrowania. Do wielu zastosowań łączne grubości pierwszej elektretowej warstwy filtrującej i drugiej elektretowej warstwy filtrującej wynoszą 0,5-15 mm, a często 1-5 mm. Filtry elektretowe o takich gramaturach i grubościach mogą być szczególnie użyteczne np. w respiratorze.

Jeśli chodzi o spadek ciśnienia, może być korzystne, by filtry według wynalazku miały spadek ciśnienia (mierzony według próby spadku ciśnienia) około 1,8 hPa (12 mm H₂O) lub mniej, korzystniej około 0,98 hPa (10 mm H₂O) lub mniej, a jeszcze korzystniej około 0,78 hPa (8 mm H₂O) lub mniej.

Kiedy filtry według wynalazku są stosowane w respiratorach, mogą być one specjalnie ukształtowane lub umieszczone np. w postaci uformowanych lub złożonych półmasek, elementów filtrujących do wymiennych wkładów lub pojemników albo filtrów wstępnych.

Przykład jednego respiratora w postaci filtrującej maski twarzowej 40 przedstawiono na fig. 2 i 3. Korpus 42 maski może mieć krzywoliniowy kształt półkulisty lub może mieć inne kształty, jeśli trzeba (patrz np. patenty USA nr 5.307.796 i 4.827.924). W masce 40 elektretowe medium filtrujące 44 jest umieszczone warstwowo pomiędzy przykrywającą wstęgą 43 a wewnętrzną kształtującą warstwą 45. Kształtująca warstwa 45 zapewnia strukturę korpusu 42 maski i podparcie medium filtracyjnego 44.

Kształtująca warstwa 45 może być usytuowana po dowolnej stronie filtrującego medium 44 i może być wykonana np. z włókniny ze spajanych cieplnie włókien, której nadano kształt miski. Warstwa kształtująca może być uformowana według znanych procedur (patrz np. patent USA nr 5.307.796). Warstwa lub warstwy kształtujące zwykle są wykonane z włókien dwuskładnikowych, które mają rdzeń z materiału o wysokiej temperaturze topnienia, takiego jak politereftalan etylenu, otoczony płaszczem z materiału o niższej temperaturze topnienia, tak że po ogrzaniu w formie warstwa kształtująca dopasowuje się do kształtu formy i utrzymuje ten kształt po ochłodzeniu do temperatury pokojowej. Przy sprasowaniu z inną warstwą, taką jak warstwa filtrująca, materiał płaszcza o niskiej temperaturze topnienia może również służyć do spajania warstw ze sobą.

Aby maska 40 była utrzymywana szczelnie na twarzy użytkownika, korpus 42 maski może mieć taśmy 52, paski do wiązania, uprząż maski itd., przymocowane do niej. Na korpusie 42 maski może być przewidziana miękka składana taśma 54 z metalu, np. z aluminium, aby mogła być ukształtowana tak, by przytrzymywać maskę 40 w żądanym dopasowaniu do nosa użytkownika (patrz np. patent USA nr 5.558.089). Respiratory według przedmiotowego wynalazku mogą również zawierać dodatkowe warstwy, zawory (patrz np. patent USA nr 5.509.436), formowane elementy twarzowe itd. Przykłady respiratorów, które mogą zawierać ulepszone elektretowe media filtracyjne według przedmiotowego wynalazku, obejmują respiratory opisane w patentach USA nr 4.536.440, 4.827.924, 5.325.892, 4.807.619, 4.886.058 oraz w zgłoszeniu patentowym USA nr 08/079.234.

Konstrukcja niektórych korzystnych pierwszych elektretowych warstw filtracyjnych 20 i drugich elektretowych warstw filtracyjnych 30 stosowanych w filtrach 10 według przedmiotowego wynalazku opisana jest oddzielnie bardziej szczegółowo poniżej. Korzystne elektretowe warstwy filtracyjne mają jednak pewne wspólne właściwości.

Polimery, które mogą być odpowiednie do stosowania przy wytwarzaniu włókien używanych według wynalazku, obejmują termoplastyczne organiczne polimery nieprzewodzące. Polimery te mogą być syntetycznie wytwarzanymi organicznymi makrocząsteczkami, które złożone są zasadniczo z okresowo powtarzających się długołańcuchowych jednostek strukturalnych złożonych z dużej liczby monomerów. Użyte polimery powinny nadawać się do utrzymywania dużej ilości przechwyconego ładunku i powinny być zdolne do przetwarzania we włókna, np. za pomocą urządzenia do wydmuchiwania w stanie roztopionym lub urządzenia do spajania przy przędzeniu. Określenie „organiczny” oznacza, że szkielet polimeru zawiera atomy węgla. Określenie „termoplastyczny” odnosi się do polimeru lub materiału polimerowego, który mięknie pod wpływem ciepła. Określenie „nieprzewodzący” oznacza posiadanie rezystywności objętościowej większej niż około 10¹⁴ om-cm, korzystniej większej niż 10¹⁶ om-cm przy temperaturze pokojowej (22°c). Polimery korzystnie mają zdolność posiadania nieprzejściowego lub długotrwale przechwyconego ładunku. Jak podano w patencie USA nr 4.588.537 (Klaase i in.), użyteczne polimery mogą obejmować polipropylen, poli(4-metylo-1-penten), liniowy polietylen o małej gęstości, polistyren, poliwęglan, poliester oraz połączenia tych polimerów. Głównym składnikiem każdego z tych polimerów jest korzystnie polipropylen ze względu na dużą rezystywność polipropylenu, jego zdolność do tworzenia włókien przez wydmuchiwanie w stanie roztopionym, które mają średnice nadające się do filtrowania powietrza oraz ze względu na ich zadowalającą stabilność ładunku, hydrofobowość i odporność na wilgoć. Z drugiej strony polipropylen zwykle nie jest oleofobowy.

PL 198 520 B1

Materiały polimerowe mogą zawierać 90-99,8% wag. polimeru. Alternatywnie mogą zawierać 95-99,5% wag., a według innej alternatywy 98-99% wag. polimeru.

Polepszającymi działanie dodatkami są takie dodatki, które polepszają zdolność filtrowania oleistego aerozolu przez filtr, mierzoną w próbie penetracji/obciążania DOP, opisanej w dziale dotyczącym sposobów badania. Poszczególne dodatki polepszające działanie mogą obejmować dodatki opisane w patencie USA nr 5.472.481 (Jones i in.) oraz w patencie USA nr 5.908.598 (Rousseau i in.). Dodatki polepszające działanie mogą obejmować dodatki fluorochemiczne, takie jak fluorochemiczne oksazolidynony opisane w patencie USA nr 5.025.052 (Crater i in.), fluorochemiczne piperazyny oraz stearynianowe estry perfluoroalkoholi.

Ze względu na swą przedstawioną zdolność do polepszania właściwości filtrujących polimerowych filtrów elektretowych dodatkiem polepszającym działanie jest korzystnie substancja fluorochemiczna, korzystniej fluorochemiczny oksazolidynon. Korzystnie substancja fluorochemiczna ma temperaturę topnienia powyżej temperatury topnienia materiałów polimerowych, a poniżej temperatury wytłaczania, przy której wytwarzane są włókna zawierające materiały polimerowe. Dla rozważań technologicznych, które obejmują wykorzystywanie polipropylenu, materiały fluorochemiczne korzystnie mają temperaturę topnienia powyżej około 160°C, korzystniej 160-290°C. Szczególnie korzystnymi dodatkami fluorochemicznymi są dodatki A, B i C przedstawione w patencie USA nr 5.411.576 (Jones i in.).

Polimery i dodatki polepszające działanie w materiałach polimerowych mogą być mieszane jako ciała stałe przed ich roztopieniem, ale składniki są korzystnie roztapiane oddzielnie i mieszane ze sobą jako ciecze. Alternatywnie dodatek polepszający działanie i część polimeru można zmieszać w postaci ciał stałych i roztopić, by wytworzyć stosunkowo bogatą w dodatek mieszankę roztopioną, która jest następnie łączona z pozbawionym dodatku polimerem, by osiągnąć żądane proporcje dwóch składników w materiałach polimerowych.

Roztopionej mieszance można następnie nadawać żądany kształt, np. można tworzyć z niej folię lub włókna. Zwykle roztopioną mieszankę kształtuje się przez wytłaczanie jej przez dyszę, ale według innych sposobów mieszankę można kształtować w alternatywnych procesach, takich jak ciągnienie w polu elektrostatycznym (patrz np. publikacja Y. Trouilhet, „New Method of Manufacturing Nonwovens By Electrostatic Laying”, dokumentacja Indeks 81 Kongresu Advances In Wb Forming, European Disposables And Nonwovens Association, Amsterdam, 5-7 maja, 1981). Jeden przedstawiony proces wytłaczania wykorzystuje dwie wytłaczarki. 10-20% wag. dodatku i 80-90% wag. polimeru miesza się w pierwszej wytłaczarce. Ta roztopiona mieszanka o stosunkowo dużej zawartości dodatku jest podawana do drugiej wytłaczarki z roztopionym polimerem (nie zawierającym dodatku), aby utworzyć mieszankę, która jest wytłaczana poprzez dyszę. Roztopioną mieszankę o dużej zawartości dodatku korzystnie łączy się z pozbawionym dodatku polimerem tuż przed wytłoczeniem roztopionego materiału przez dyszę.

Ten proces z zastosowaniem dwóch wytłaczarek może skracać czas wystawienia dodatku polepszającego działanie na wysoką temperaturę. Temperatura podczas wytłaczania korzystnie jest sterowana, aby zapewnić żądaną reologię wytłaczanego materiału i uniknąć rozkładu cieplnego dodatku polepszającego działanie. Różne wytłaczarki zwykle wymagają różnych profili temperaturowych i mogą być potrzebne pewne eksperymenty, by zoptymalizować warunki wytłaczania w określonym systemie. W przypadku korzystnych mieszanek polipropylenu z dodatkiem fluorochemicznym temperaturę podczas wytłaczania korzystnie utrzymuje się poniżej około 290°C, aby zmniejszyć rozkład cieplny fluorochemicznego dodatku polepszającego działanie. Jeżeli stosuje się wytłaczarki, są to dla lepszego mieszania korzystnie wytłaczarki dwuślimakowe. Odpowiednie wytłaczarki można otrzymać np. z takich przedsiębiorstw, jak firma Werner & Pfeiderer lub Berstorff. Roztopioną mieszankę korzystnie wytłacza się przez dyszę, a korzystniej wytłacza się przez dyszę w warunkach wydmuchiwania w stanie roztopionym.

Włókna polimerowe zastosowane w korzystnej pierwszej i drugiej elektretowej warstwie filtrującej mogą być złożone z rdzenia i płaszcza, a w takim przypadku płaszcz powinien zawierać dodatek polepszający działanie, jak opisano w omówionych powyżej mieszankach. Dodatki takie można również umieścić na wstędze po jej utworzeniu np. przez zastosowanie techniki fluorowania powierzchniowego opisanej w zgłoszeniu patentowym USA 09/109.497 z 2 lipca 1998 (Jones i in.).

Pierwsza i druga elektretowa warstwa filtrująca w filtrach według przedmiotowego wynalazku mogą być każda w postaci wielu elektretowych włókien, które tworzą samonośną warstwę filtru elektretowego. Alternatywnie warstwy takie mogą mieć postać wstęgi, która zawiera przynajmniej niektóre włókna elektretowe połączone z konstrukcją wsporczą. Dla wielu zastosowań filtracyjnych wstęga

PL 198 520 B1 elektretowa ma postać włókninowej wstęgi, która ma włókna przypadkowo splątane, tworzące samonośną masę. Wstęgi, które zawierają mikrowłókna dmuchane w stanie roztopionym, mają zwykle taką postać. Elektretowe warstwy filtrujące mogą być połączone z pewnym materiałem nieelektretowym. Przykładowo konstrukcja wsporcza może stanowić włókna nieelektretowe lub wspierające nieelektretowe wstęgi z włókniny. W korzystnym przykładzie wykonania pierwsza i druga warstwa, obie zawierają włókninową wstęgę, która zawiera naładowane elektrycznie mikrowłókna dmuchane w stanie roztopionym.

Pierwsza i druga warstwa mogą również zawierać włókna cięte, by utworzyć bardziej puszystą, mniej gęstą wstęgę. Mogą być stosowane opisane w patencie USA nr 4.118.531 (Hauser) sposoby wprowadzania włókien ciętych we włókninową wstęgę. Jeżeli stosuje się włókna cięte, wstęga korzystnie zawiera mniej niż 90% wag. włókien ciętych, korzystniej mniej niż 70% wag. Dla uproszczenia i optymalizacji działania warstwy takie mogą w pewnych przykładach wykonania być złożone zasadniczo z włókien dmuchanych w stanie roztopionym, które mogą zawierać lub nie dodatki polepszające działanie.

Pierwsza i druga warstwa mogą również zawierać jeden lub więcej aktywnych materiałów w postaci cząstek stałych, takich jak cząstki pochłaniające. np. tlenek glinowy i węgiel aktywowany. Patent USA nr 5.696.199 (Senkus i in.) opisuje aktywny materiał w postaci cząstek, który może nadawać się do stosowania w połączeniu z przedmiotowym wynalazkiem. Materiał ten można dodawać do jednej lub do obu warstw, albo pomiędzy tymi warstwami, by wspomagać usuwanie zanieczyszczeń gazowych ze strumienia powietrza przechodzącego przez filtr. Wstęgi z cząstkami materiału stałego opisano przykładowo w patentach USA nr 3.971.373 (Braun), 4.100.324 (Anderson) oraz 4.429.001 (Kolpin i in.). Jeżeli materiał w postaci cząstek jest wprowadzony do jednej lub do obu warstw, materiał taki korzystnie zawiera mniej niż 80% obj. tego materiału w postaci cząstek, korzystniej mniej niż 60% obj. W przykładach wykonania, gdzie filtr elektretowy nie musi usuwać zanieczyszczeń gazowych, filtr taki może nie zawierać żadnych cząstek pochłaniających.

Filtry elektretowe według przedmiotowego wynalazku mogą znaleźć zastosowanie w licznych przypadkach filtrowania, łącznie z respiratorami, domowymi przemysłowymi urządzeniami klimatyzacyjnymi, piecami, urządzeniami do oczyszczania powietrza, odkurzaczami, filtrami medycznymi i filtrami stosowanymi w przewodach powietrznych oraz systemami oczyszczania powietrza w pojazdach i w sprzęcie elektronicznym, takim jak komputery i napędy dysków.

Pierwsza elektretowa warstwa filtrująca

Pierwsza elektretowa warstwa filtrująca, która może nadawać się do stosowania w filtrze według wynalazku, opisana jest w międzynarodowej publikacji patentowej WO 99/16532 zatytułowanej Electret Articles And Filters With Oily Mist Resistance. Wstęgi filtru opisane w tej publikacji mają zasadniczo jedną lub więcej pożądanych właściwości, które polepszają zdolność wstęg do usuwania mgły olejowej ze strumienia powietrza. Jedną z tych pożądanych właściwości jest niewielka krystaliczność włókien polimerowych w takiej wstędze, która w połączeniu z dodatkiem polepszającym działanie zwiększa skuteczność filtrowania mgły olejowej przez wstęgi.

Jeden sposób wytwarzania włókien polimerowych o małej krystaliczności wykorzystuje schładzanie w celu zmniejszenia stopnia krystaliczności materiału polimerowego w porównaniu z materiałem polimerowym bez procesu schładzania. Etap schładzania przeprowadza się równocześnie lub wkrótce po nadaniu roztopionemu materiałowi żądanego kształtu. Zwykle materiał tworzący włókna jest kształtowany przez wytłoczenie poprzez dyszę i jest schładzany, zwykle przez doprowadzenie płynu chłodzącego do wytłoczonego materiału po jego wyjściu z dyszy.

Materiał polimerowy we włóknach pierwszej elektretowej warstwy filtrującej korzystnie zawiera, jak omówiono powyżej, dodatek polepszający działanie wobec oleistego aerozolu. Materiały polimerowe w pierwszej elektretowej warstwie filtrującej mogą korzystnie zawierać 0,2-10% wag. pierwszego dodatku polepszającego działanie, korzystniej 0,2-5,0% wag., a najkorzystniej 1,0-2,0% wag.

Tam, gdzie pierwszą elektretową warstwą filtrującą jest wstęga z włókien polimerowych dmuchanych w stanie roztopionym, ta pierwsza elektretowa warstwa filtrująca zwykle ma całkowitą gramaturę 20-300 g/m², korzystniej 30-150 g/m². Jeżeli wstęga pierwszej elektretowej warstwy filtrującej ma zbyt dużą gęstość, może być trudna do ładowania, natomiast wstęgi pierwszej elektretowej warstwy filtrującej, które są zbyt lekkie lub zbyt cienkie, mogą być kruche, albo mają niewystarczającą zdolność filtrowania. Do wielu zastosowań pierwsza elektretowa warstwa filtrująca może mieć grubość 0,3-10 mm, a zwykle grubość ta wynosi 0,5-3 mm.

Na ogół dmuchanie w stanie roztopionym materiału polimerowego w celu utworzenia włókien na pierwszą elektretową warstwę filtrującą według przedmiotowego wynalazku przeprowadzane jest przy

PL 198 520 B1 użyciu konwencjonalnych procedur z tą modyfikacją, że wytłoczony materiał jest korzystnie schładzany, gdy wychodzi z dyszy, by zmniejszyć do minimum krystalizację polimeru w uzyskiwanych włóknach. Odpowiednie techniki schładzania mogą obejmować natryskiwanie wodą, natryskiwanie cieczą lotną lub kontaktowanie z ochłodzonym powietrzem albo gazami kriogenicznymi, takimi jak dwutlenek węgla lub azot. Zwykle płyn chłodzący (ciecz lub gaz) jest rozpylany z dysz usytuowanych w odległości około 5 cm od otworów wytłaczania. W przypadku materiałów wytłaczanych przez dyszę płyn chłodzący korzystnie uderza w roztopiony materiał wytłaczany przed zebraniem, korzystniej natychmiast po wytłoczeniu z dyszy. Przykładowo w przypadku włókien dmuchanych w stanie roztopionym roztopiony materiał wytłaczany jest korzystnie schładzany przed zebraniem w postaci wstęgi włókninowej. Płynem chłodzącym jest korzystnie woda. Może to być woda z wodociągu, ale korzystnie jest to woda destylowana lub zdejonizowana.

Filtry elektretowe wykonane ze schłodzonych materiałów polimerowych mają nieoczekiwanie dobre działanie, jeśli chodzi o filtrowanie aerozolu z ciekłym olejem, gdy są później odprężane i ładowane. Etap schładzania zmniejsza stopień krystaliczności materiału polimerowego w porównaniu z nie schłodzonym materiałem polimerowym wytłaczanym w takich samych warunkach. Schłodzony materiał polimerowy korzystnie ma niski stopień krystaliczności określany przez dyfrakcję promieni rentgenowskich.

Po schłodzeniu włókna w pierwszej elektretowej warstwie filtrującej są korzystnie zbierane w celu utworzenia wstęgi włókninowej. Włókna dmuchane w stanie roztopionym zwykle mogą być zbierane jako wstęga włókninowa na obrotowym bębnie lub ruchomej taśmie. Korzystnie etapy schładzania i zbierania przeprowadza się tak, że nie ma nadmiaru płynu chłodzącego (jeżeli jest płyn resztkowy, jest to zwykle woda), pozostającego na zebranym materiale. Płyn pozostający na zebranym materiale może powodować problemy ze składowaniem i może wymagać dodatkowego ogrzewania podczas odprężania, aby usunąć płyn schładzający. Zebrany materiał zawiera zatem korzystnie mniej niż 1% wag. płynu chłodzącego, a korzystniej nie zawiera w ogóle resztek płynu chłodzącego. Kolektor może zawierać mechanizm transportu wstęgi, który przemieszcza zebraną wstęgę w kierunku do mechanizmu suszącego w miarę zbierania włókien. W korzystnym procesie kolektor porusza się ciągle wokół drogi o obiegu zamkniętym tak, że wstęgi mogą być wytwarzane w sposób ciągły. Kolektor może mieć przykładowo postać bębna, pasa lub siatki. Zasadniczo do stosowania w związku z przedmiotowym wynalazkiem rozważane jest każde urządzenie lub działanie nadające się do zbierania włókien. Przykład kolektora, który może się tu nadawać, opisano w zgłoszeniu patentowym USA nr seryjny 09/181.205 pod tytułem Uniform Meltblown Fibrous Web And Method And Apparatus For Manufacturing.

Schłodzony materiał polimerowy można odprężać w celu zwiększenia stabilności jego ładunku elektrostatycznego w obecności mgły olejowej. Korzystnie dodatkiem polepszającym działanie jest substancja, która prezentuje powierzchnie o małej energii, taka jak dodatek fluorochemiczny, a etap odprężania jest przeprowadzany w wystarczającej temperaturze i przez czas wystarczający, by spowodować dyfundowanie tego dodatku do powierzchni międzyfazowych (np. do powierzchni międzyfazowej polimer-powietrze i do granicy pomiędzy fazą krystaliczną a fazą bezpostaciową) materiału polimerowego. Zwykle wyższe temperatury odprężania umożliwiają krótsze czasy odprężania. Aby otrzymać żądane właściwości końcowego wyrobu, odprężanie materiałów polimerowych, które zawierają polipropylen, powinno być przeprowadzane powyżej temperatury około 100°C. Korzystnie odprężanie materiału polimerowego zawierającego polipropylen przeprowadza się w temperaturze 130-155°C przez 2-20 minut, korzystniej przy temperaturze 140-150°C przez 2-10 minut, a jeszcze korzystniej przy temperaturze 150°C przez 4-5 minut. Odprężanie korzystnie przeprowadza się w warunkach, które zasadniczo nie psują struktury wstęgi. W przypadku wstęg polipropylenowych temperatury odprężania znacznie powyżej 155°C mogą być niepożądane, ponieważ mogą powodować uszkodzenie struktury wstęgi.

Materiał polimerowy pierwszej elektretowej warstwy filtrującej jest korzystnie ładowany elektrostatycznie po schłodzeniu i odprężeniu. Przykłady sposobów ładowania elektrostatycznego użytecznych według wynalazku mogą obejmować przykłady opisane w patentach USA 5.401.446 (Tsai i in.), 4.375.718 (Wadsworth i in.), 4.588.537 (Klaase i in.) oraz 4.592.815 (Nakao). Materiały polimerowe mogą być również hydroładowane - patrz patent USA nr 5.496.507 (Angadjivand i in.). Włókna cięte mogą być ładowane przez tarcie przy pocieraniu lub wstrząsaniu z odmiennymi włóknami - patrz patent USA nr 4.798.850 (Brown i in.). Korzystnie proces ładowania obejmuje poddawanie materiału działaniu wyładowania koronowego lub działaniu impulsów wysokiego napięcia.

PL 198 520 B1

Elektretowe wstęgi filtracyjne stosowane na pierwsze warstwy w filtrach według wynalazku mogą być scharakteryzowane przez badania cieplnie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC). Naładowane wyroby można badać bezpośrednio przez umieszczenie próbki pomiędzy dwiema elektrodami i nagrzewanie próbki ze stałą prędkością. Prąd rozładowania takiej próbki mierzony jest za pomocą amperomierza. Natężenie prądu rozładowania próbki jest funkcją polaryzowalności i uwięzienia ładunku przez badany wyrób.

Alternatywnie naładowane wyroby można najpierw polaryzować w polu elektrycznym przy podwyższonej temperaturze, a następnie szybko chłodzić poniżej temperatury przejścia w stan szklisty (Tg) polimeru utrzymując przy tym pole polaryzujące, by zamrozić wywołaną polaryzację. Próbkę ogrzewa się następnie ze stałą prędkością i mierzy się natężenie wynikowego prądu rozładowania. W procesie polaryzacji może wystąpić zgodne ustawienie dipoli, redystrybucja ładunku, albo pewne połączenie tych zjawisk.

Podczas badań TSDC ładunki zmagazynowane w materiale elektretowym stają się ruchome i są neutralizowane albo na elektrodach, albo w masie próbki przez rekombinację z ładunkami przeciwnego znaku. Powoduje to wytworzenie zewnętrznego prądu elektrycznego, który ma wiele pików przy zapisaniu w funkcji temperatury i przedstawieniu na wykresie (nazywanym widmem TSDC). Kształt i usytuowanie tych pików są zależne od poziomów energii wiązania ładunków i od fizycznego usytuowania miejsc wiązania.

Ładunki elektretowe są zwykle magazynowane w strukturalnych anomaliach, takich jak nieczystości, wady jednostek monomerowych, nieregularności łańcucha itd. Na szerokość piku TSDC ma wpływ rozkład poziomów pułapkowania ładunków w materiałach elektretowych. W polimerach półkrystalicznych ładunki często gromadzą się w pobliżu powierzchni pomiędzy fazą bezpostaciową a fazą krystaliczną ze względu na różnicę przewodności faz (zjawisko Maxwella-Wagnera), albo też unikają takich miejsc. Takie miejsca pułapkowania są zwykle związane z różnymi energiami pułapkowania, gdzie oczekiwany będzie ciągły rozkład energii aktywacji i oczekiwane będzie, że piki TSDC będą zachodzić na siebie i łączyć się w jeden szeroki pik.

Jak omówiono w publikacji WO 99/16532, różne właściwości widma TSDC są skorelowane z lepszym przebiegiem obciążania mgłą olejową. Właściwości widmowe TSDC skorelowane z lepszym przebiegiem filtracji materiału pierwszej elektretowej warstwy filtrującej obejmują cechy omówione poni ż ej.

W jednym przykładzie wykonania wytwarzany jest elektretowy filtr lub warstwa filtrująca, która ma widmo TSDC z pikiem przy około 15-30°C, korzystniej 15-25°C, poniżej temperatury topnienia próbki przy pomiarze według procedury badań 1 TSDC. Kiedy polimerem w materiale polimerowym próbki jest polipropylen, widmo TSDC ma pik przy 130-140°C.

W innym przykładzie wykonania elektretowy filtr lub warstwa filtrująca ma pik w widmie TSDC o szerokości na połowie wysokości mniejszej niż około 30°C, korzystniej mniejszej niż około 25°C, a jeszcze korzystniej mniejszej niż 20°C przy pomiarze według procedury badań 2 TSDC. Tam, gdzie polimerem w materiale polimerowym próbki jest polipropylen, wąski pik opisany powyżej ma swe maksimum przy około 138-142°C.

W jeszcze innym przykładzie wykonania elektretowy filtr lub warstwa filtrująca ma wzrastającą gęstość ładunku przez 1-5 minut i/lub czas polaryzacji 5-10 minut przy pomiarze według procedury badań 3 TSDC.

Druga elektretowa warstwa filtrująca

Korzystna druga elektretowa warstwa filtrująca w filtrze według wynalazku może zawierać włókninową elektrostatycznie naładowaną wstęgę z włókien polimerowych, która korzystnie zawiera drugi dodatek polepszający działanie wobec mgły olejowej.

Ładowanie elektrostatyczne drugiej elektretowej warstwy filtrującej można korzystnie przeprowadzać przez hydroładowanie, jak opisano przykładowo w patencie USA nr 5.496.507 (Angadjivand i in.). Hydroładowanie przeprowadza się uderzając strumieniami wody lub strumieniem kropelek wody we wstęgę przy ciśnieniu wystarczającym, by we wstędze powstał zwiększający filtrację ładunek elektretowy. Ciśnienie potrzebne do osiągnięcia optymalnych wyników może zmieniać się w zależności od rodzaju zastosowanego urządzenia rozpylającego, od rodzaju polimeru, z którego wstęga jest utworzona, od grubości i gęstości wstęgi i od tego, czy przed hydroładowaniem przeprowadzona została obróbka wstępna, taka jak ładowanie koronowe. Zasadniczo odpowiednie są ciśnienia w zakresie 69-3450 kPa (10-500 psi). Korzystnie woda użyta do wytworzenia kropelek wody jest stosunkowo czysta. Od wody z wodociągu lepsza jest woda destylowana lub zdejonizowana. Strumienie wody lub strumień kropelek

PL 198 520 B1 wody mogą być wytwarzane za pomocą dowolnych odpowiednich urządzeń rozpylających. Urządzenia nadające się do hydraulicznego plątania włókien zasadniczo nadają się do stosowania przy przeprowadzaniu sposobu według przedmiotowego wynalazku, chociaż operacja hydroładowania jest przeprowadzana przy niższym ciśnieniu niż stosowane zwykle przy plątaniu hydraulicznym.

Alternatywnie druga elektretowa warstwa filtrująca może być ładowana zgodnie ze sposobami omówionymi w związku z pierwszą elektretową warstwą filtrującą.

Materiał polimerowy zawarty we włóknach drugiej elektretowej warstwy filtrującej korzystnie zawiera dodatek polepszający działanie wobec oleistego aerozolu, jak omówiono powyżej. Materiał polimerowy w drugiej elektretowej warstwie filtrującej może zawierać 0,2-10% wag. drugiego dodatku polepszającego działanie; alternatywnie 0,5-5,0% wag.; a według innej alternatywy 0,5-1,5% wag.

Jeżeli druga elektretowa warstwa filtrująca medium filtrującego jest wstęgą, która zawiera włókna dmuchane w stanie roztopionym, wówczas druga elektretowa warstwa filtrująca zwykle ma całkowitą gramaturę 10-200 g/m², korzystniej 20-100 g/m². Jeżeli wstęga drugiej elektretowej warstwy filtrującej jest zbyt gęsta, może być trudno ładować ją elektrostatycznie, natomiast wstęgi drugiej elektretowej warstwy filtrującej, które są zbyt lekkie lub zbyt cienkie, mogą być kruche lub mają niewystarczającą zdolność filtrowania. W wielu zastosowaniach wstęga drugiej elektretowej warstwy filtrującej może mieć grubość 0,2-5 mm, zwykle 0,5-2 mm.

Do określenia opisanych właściwości warstw i mediów filtracyjnych według wynalazku użyto następujących metod badania.

Grubość wstęgi mierzono według ASTM D1777-64 stosując ciężar 230 g na tarczy o średnicy 10 cm.

Gramaturę obliczano na podstawie ciężaru tarczy o średnicy 13,3 cm (5,25).

Badanie spadku ciśnienia wykonywano według metody badania ASTM F778. Spadki ciśnienia podawane w niniejszym wynalazku mierzono stosując natężenie przepływu 85 l/min poprzez kołowy filtr, który miał skuteczną średnicę działania 15,2 cm. Prędkość powietrza wynosiła 7,77 cm/s.

Badanie penetracja/obciążenie z zastosowaniem dioktyloftalanu (DOP) przeprowadzano monitorując procent penetracji kontrolowanego aerozolu DOP poprzez próbkę, jak również obciążenie próbki przez DOP podczas długotrwałego wystawienia na działanie aerozolu DOP.

Pomiary przeprowadzano za pomocą automatycznego próbnika filtrów (Automated Filter Tester - AFT) model nr 8110 lub nr 8130 (z firmy TSI Incorporated, St. Paul, Minnesota) dostosowanego do aerozolu DOP. Aerozol DOP wytwarzany przez urządzenia 8110 i 8130 AFT był nominalnie monodyspersją o masowo średniej średnicy 0,3 pm, która miała wlotowe stężenie 1000 mg/m³ przy mierzeniu za pomocą znormalizowanego filtru grawimetrycznego. Wszystkie próbki były badane z włączonym jonizatorem aerozolu i z natężeniem przepływu poprzez próbkę wstęgi filtrującej 85 dm³/min. Próbki cięto na krążki o średnicy 17,15 cm (6,75 cala). Dwa takie krążki układano w stos bezpośrednio jeden na drugim i krążki takie montowano w uchwycie tak, że na działanie aerozolu narażone było koło o średnicy 15,2 cm (6,0 cala). Prędkość powietrza podczas badania wynosiła 7,77 cm/s. Próbki ważono przed wprowadzeniem w uchwyt próbek. Badania uważano za zakończone po wystawieniu na działanie obciążenia 200 ± 5 mg DOP zgodnie z przepisami NIOSH, chociaż każdą próbę kontynuowano, aż osiągnięto wystawienie na działanie obciążenia co najmniej 600 mg DOP.

Procent penetracji DOP określono jako:

% penetracji DOP = 100(stężenie wyjściowe DOP/stężenie wejściowe DOP) gdzie stosunek stężenia wyjściowego i wejściowego mierzono na podstawie rozpraszania światła. Procent penetracji DOP był obliczany automatycznie przez urządzenie AFT. Zwykle początkowa wartość procentu penetracji DOP otrzymywana była na podstawie pierwszego zapisanego procentu penetracji w trakcie badania, przy czym taka początkowa penetracja DOP jest otrzymywana w ciągu pierwszej minuty procedury badania i przy działaniu pierwszych 10 mg aerozolu DOP wprowadzonego w próbkę filtru.

Procent penetracji DOP i odpowiednie dane dotyczące spadku ciśnienia przekazano do dołączonego komputera, gdzie zostały wprowadzone do pamięci. Po zakończeniu badań obciążone próbki zostały w niektórych przypadkach ponownie zważone, by skontrolować ilość DOP zgromadzonego na próbkach włóknistej wstęgi. Chodziło o skontrolowanie narażenia na DOP ekstrapolowanego ze zmierzonego stężenia DOP na włóknistej wstędze i ze zmierzonego natężenia przepływu aerozolu poprzez wstęgę.

Badania stymulowanego cieplnie prądu rozładowania (TSDC) przeprowadzono stosując urządzenie Solomat TSC/RMA model 91000 z przechylną elektrodą z firmy TherMold Partners, L.P., Thermal Analysis Instruments of Stamford, Connecticut. Próbki wstęgi pocięto i umieszczono pomiędzy

PL 198 520 B1 elektrodami w urządzeniu Solomat TSC/RMA. W urządzeniu Solomat termometr jest umieszczony w sąsiedztwie próbki, ale nie dotyka jej. Próbki wstęgi powinny być optycznie gęste, to znaczy nie powinno być widocznych otworów przechodzących przez próbkę wstęgi. Próbki powinny być wystarczająco duże, by całkowicie przykrywały górną elektrodę stykową. Ponieważ elektroda ma średnicę około 7 mm, próbki cięto na średnicę większą niż 7 mm. Aby zapewnić dobry styk elektryczny z elektrodami, próbki wstęgi sprasowano ze współczynnikiem grubości około 10. Powietrze odpompowano z komory próbek i zastąpiono helem pod ciśnieniem około 110 kPa. Zastosowano chłodzenie ciekłym azotem.

Procedura 1 badań TSDC: Prąd rozładowania niespolaryzowanej próbki mierzono zaczynając od 25°C przy prędkości grzania 3°C/min. Dwie próbki z tej samej wstęgi badano identycznie, z tym że próbki te były zorientowane w przeciwnych kierunkach przy umieszczeniu ich pomiędzy elektrodami. Zmierzono położenia pików dla próbki, która była zorientowana tak, by wytwarzany był dodatni prąd rozładowania przy temperaturze powyżej około 110°C.

Temperaturę topnienia próbki określono metodą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) przeprowadzanej z prędkością grzania 10°C/min, przy czym temperatura ta była zdefiniowana jako maksimum piku powodowanego przez roztopienie i obserwowanego w drugim cyklu grzania DSC (to znaczy pik obserwowany po grzaniu do temperatury powyżej temperatury topnienia, chłodzeniu w celu zamrożenia próbki i ponownym grzaniu).

Procedura 2 badania TSDC: Próbkę przebadano w procedurze 1 badania TSDC, by określić prawidłową orientację próbki. Następnie próbkę zorientowano w urządzeniu Solomat TSC w kierunku, przy którym wytwarzany jest dodatni prąd rozładowania w niskotemperaturowym piku procedury 1 badania TSDC.

Próbki badano następnie przez polaryzację przy temperaturze 100°C przez 1, 5, 10 lub 15 minut w przyłożonym polu elektrycznym 2,5 kV/mm w urządzeniu opisanym powyżej. Przy włączonym polu próbkę szybko ochładzano (przy maksymalnej prędkości instrumentu) do -50°C. Próbkę przetrzymywano w temperaturze -50°C przez 5 minut z wyłączonym polem, a następnie ogrzewano z prędkością 3°C na minutę równocześnie mierząc prąd rozładowania. Szerokość piku na połowie wysokości każdego piku obliczano rysując linię podstawową na podstawie pochylenia krzywej od 0 do około 30°C i mierząc szerokość piku na połowie wysokości.

Procedura 3 badania TSDC: Procedura ta jest taka sama jak procedura 2 badania TSDC z tym, że gęstość ładunku próbki przy każdym czasie polaryzowania oblicza się rysując linię podstawy pomiędzy minimami po każdej stronie wybranego piku. Jeżeli minimum nie istnieje po wysokotemperaturowej stronie piku, linię podstawy wykreśla się pomiędzy minimum po niskotemperaturowej stronie piku a punktem, w którym krzywa przecina lub jest ekstrapolowana do przecięcia linii zerowej natężenia prądu po wysokotemperaturowej stronie piku. Gęstość ładunku obliczano przez całkowanie pola powierzchni pod pikiem.

Następujące przykłady A-D mają pomóc w zrozumieniu wynalazku.

P o r ó w n a w c z y p r z y k ł a d A

Filtr wykonano stosując dwie warstwy materiału filtrującego wytworzonego sposobem podobnym do przedstawionego w przykładzie 7 w publikacji WO 99/16532. Różnica pomiędzy sposobami wytwarzania w tym przykładzie i w przykładzie 7 z publikacji WO 99/16532 polegała na schładzaniu natryskiem wodnym. Warstwy filtrujące w tym przykładzie były schładzane natryskiem wodnym przy użyciu drążka natryskowego, który zawierał 10 dysz (zestawy rozpylania sprężonym powietrzem nr SU14 z pokrywą płynową 2850 i pokrywą powietrzną 7332 z firmy Spraying Systems Co., Wheaton, Illinois). Drążek natryskowy zamontowany był 17,8 cm powyżej linii środkowej wstęgi i około 2,5 cm za końcówką dyszową. Ciśnienie powietrza ustawione było na 140 kPa (20 psi), a ciśnienie wody było ustawione na 240 kPa (35 psi). Przepływomierze ustawione były tak, że każda dysza wytwarzała płaski wachlarz kropelek wody z prędkością 800 mm wody na minutę w kierunku do strumieni roztopionego polimeru wychodzących z dyszy.

Każda z tych dwóch warstw w filtrze miała gramaturę 100 g/m² (przy całkowitej gramaturze filtru 200 g/m², spadek ciśnienia około 0,54 hPa (5,5 mm H2O), grubość 1,5 mm i początkowy współczynnik jakości 0,45. Filtr badano według opisanego powyżej badania penetracji/obciążania DOP, a wyniki przedstawiono graficznie na fig. 4. Filtr ten wykazywał niemalejącą sprawność usuwania przy zakończeniu badań (przy 200 ± 5 mg), a ponadto zatrzymywał co najmniej około 600 mg DOP. Konstrukcja tego filtru spełniała wymagania szeregu P NIOSH opisane powyżej.

Taka konstrukcja filtru wykazywała początkowy spadek ciśnienia przy mierzeniu według ASTM F778, wynoszący 1,07 hPa (10, 9 mm H₂O).

PL 198 520 B1

P o r ó w n a w c z y p r z y k ł a d B

Filtr był wykonany z dwóch warstw materiału filtrującego wytworzonych jak warstwy z przykładu porównawczego A z następującymi wyjątkami. Prędkość doprowadzania do dyszy ustawiona była na 45 kg/h ze stosowaniem żywicy polipropylenowej Fina 3960 z firmy Fina Oil and Chemical Company. Nie przeprowadzono schładzania wodą. Wstęga była hydroładowana, jak opisano w patencie USA nr 5.496.507, przez uderzanie strumieniem kropelek wody we wstęgę pod ciśnieniem wystarczającym do utworzenia we wstędze polepszającego filtrację ładunku elektretowego, po czym przeprowadzono suszenie.

Każda z dwóch warstw w filtrze miała gramaturę 33 g/m² (przy całkowitej gramaturze filtru 66 g/m²), spadek ciśnienia około 0,17 hPa (1,7 mm H₂O), grubość 0,58 mm i początkowy współczynnik jakości 1,6. Filtr badano zgodnie z badaniem penetracji/obciążania DOP opisanym powyżej, a wyniki przedstawiono graficznie na fig. 5. Filtr wykazywał malejącą sprawność usuwania przy zakończeniu badania (przy 200 ± 5 mg), jak również zatrzymywanie do co najmniej około 600 mg DOP. W rezultacie taka konstrukcja filtru nie spełniła opisanych powyżej wymagań szeregu P NIOSH.

Ta konstrukcja filtru miała początkowy spadek ciśnienia mierzony według ASTM F778, wynoszący 0,27 hPa (2,8 mm H2O).

P o r ó w n a w c z y p r z y k ł a d C

Filtr wykonano z dwóch warstw różnych materiałów filtracyjnych. Pierwsza warstwa materiału filtracyjnego miała taką samą konstrukcję jak jedna z warstw opisanych powyżej w przykładzie porównawczym B. Druga warstwa materiału filtracyjnego miała taką samą konstrukcję jak jedna z warstw opisanych powyżej w przykładzie porównawczym A. Filtr badano zgodnie z badaniem penetracji/obciążania DOP, opisanym powyżej, a wyniki badania przedstawiono graficznie na fig. 6. Filtr wykazywał malejącą sprawność usuwania przy zakończeniu badania (przy 200 ± 5 mg), jak również zatrzymywanie do co najmniej około 600 mg DOP. W rezultacie taka konstrukcja filtru nie spełniła opisanych powyżej wymagań szeregu P NIOSH.

Taka konstrukcja filtru wykazywała początkowy spadek ciśnienia 0,76 hPa (7,8 mm H2O) mierzony według ASTM F778.

P o r ó w n a w c z y p r z y k ł a d D

Filtr wykonano z dwóch warstw materiału filtracyjnego opisanych powyżej w przykładzie porównawczym B z tym, że obie te warstwy umieszczono w piecu o utrzymywanej temperaturze 95°C na 15 h przed badaniem.

Każda z tych dwóch warstw w filtrze miała gramaturę 33 g/m² (przy całkowitej gramaturze 66 g/m²) i początkowy współczynnik jakości 0,8. Filtr badano według badania penetracji/obciążania DOP, opisanego powyżej, a wyniki badano przedstawiono graficznie na fig. 7. Filtr wykazywał malejącą sprawność usuwania przy zakończeniu badań (przy 200 ± 5 mg), jak również zatrzymywanie do co najmniej około 600 mg DOP. W rezultacie taka konstrukcja filtru nie spełniła opisanych powyżej wymagań szeregu P NIOSH.

Taka konstrukcja filtru wykazywała początkowy spadek ciśnienia 0,34 hPa (3,5 mm H2O) mierzony według ASTM F778.

Przedstawione poniżej nie ograniczające przykłady 1 i 2 ilustrują niektóre zalety przedmiotowego wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Filtr wykonano z dwóch różnych warstw materiału filtrującego. Pierwsza warstwa materiału filtrującego miała taką samą konstrukcję jak jedna z warstw opisanych powyżej w przykładzie porównawczym A (o gramaturze 100 g/m²). Druga warstwa materiału filtrującego miała taką samą konstrukcję jak jedna z warstw opisanych powyżej w przykładzie porównawczym B (o gramaturze 33 g/m²). Początkowy współczynnik jakości pierwszej warstwy wynosił 0,45, a początkowy współczynnik jakości drugiej warstwy wynosił 1,6, a więc spełnione było wymaganie, że początkowy współczynnik jakości drugiej warstwy powinien być większy niż początkowy współczynnik jakości pierwszej warstwy.

Taki dwuwarstwowy filtr (całkowita gramatura 133 g/m²) badano zgodnie z badaniem penetracji/obciążania DOP, opisanym powyżej, a wyniki badania przedstawiono graficznie na fig. 8. Filtr ten wykazywał niemalejącą sprawność usuwania przy zakończeniu badania (przy 200 ± 5 mg), jak również zatrzymywanie do co najmniej około 600 mg DOP. Taka konstrukcja filtru spełniała opisane powyżej wymagania szeregu P NIOSH.

Taka konstrukcja filtru wykazywała początkowy spadek ciśnienia, mierzony według ASTM F778, 0,73 hPa (7,4 mm H2O). Inaczej mówiąc, filtr ten spełniał wymagania szeregu P NIOSH, wykazując

PL 198 520 B1 równocześnie spadek ciśnienia około 0,34 hPa (3,5 mm H2O) mniejszy niż filtr z porównawczego przykładu A.

Przedstawiono również krystaliczność w uszeregowaniu warstw w filtrach według wynalazku. Odwracając kolejność pierwszej i drugiej warstwy filtrującej, stosowanych w tym przykładzie (jak opisano w przykładzie porównawczym C) otrzymano filtr, który nie spełnia wymagań szeregu P NIOSH, chociaż ma stosunkowo mały spadek ciśnienia. Przy uporządkowaniu dwóch warstw w kolejności podanej w niniejszym przykładzie filtr spełniał jednak wymagania szeregu P NIOSH, wykazując przy tym stosunkowo mały spadek ciśnienia.

P r z y k ł a d 2

Dwie warstwy filtru wykonano stosując pierwszą warstwę z materiału filtrującego, który miał taką samą konstrukcję jak jedna z warstw opisanych powyżej w porównawczym przykładzie A (o gramaturze 100 g/m²). Druga warstwa w filtrze miała taką samą konstrukcję jak jedna z warstw opisanych powyżej w przykładzie porównawczym D (o gramaturze 33 g/m²). Początkowy współczynnik jakości pierwszej warstwy wynosił 0,45, a początkowy współczynnik jakości drugiej warstwy wynosił 0,8, przez co spełnione było wymaganie, że początkowy współczynnik jakości drugiej warstwy powinien być większy niż początkowy współczynnik jakości pierwszej warstwy.

Ten dwuwarstwowy filtr (całkowita gramatura 133 g/m²) badano zgodnie z badaniem penetracji/obciążania DOP, opisanym powyżej, a wyniki badania przedstawiono graficznie na fig. 9. Filtr ten wykazywał niemalejącą sprawność usuwania przy zakończeniu badania (przy 200 ± 5 mg), jak również zatrzymywanie do co najmniej około 600 mg DOP. Taka konstrukcja filtru spełniała opisane powyżej wymagania szeregu P NIOSH.

Konstrukcja filtru wykazywała początkowy spadek ciśnienia, mierzony według ASTM F778, 0,68 hPa (6,9 mm H₂O). Inaczej mówiąc, filtr spełniał wymagania szeregu P NIOSH, wykazując równocześnie spadek ciśnienia, który był około 0,39 hPa (4 mm H₂O) mniejszy niż np. dla filtru z porównawczego przykładu A.

Powyższe specyficzne przykłady ilustrują praktyczną realizację wynalazku. Wynalazek ten można odpowiednio praktycznie realizować przy braku któregokolwiek elementu lub pozycji nie opisanej specyficznie w niniejszym dokumencie. Dokument ten powołuje się w całości na pełne opisy wszystkich patentów, zgłoszeń patentowych i publikacje przywołane w tym dokumencie.

Dla fachowców bez odchodzenia od zakresu wynalazku oczywiste będą różne modyfikacje i zmiany, przy czym należy rozumieć, że wynalazek ten nie powinien być niepotrzebnie ograniczony do ilustracyjnych przykładów realizacji przytoczonych powyżej, ale jest ograniczony tylko przez zastrzeżenia patentowe i ich równoważniki.

Claims (14)

1. Odporny na mgłę olejową filtr o niemalejącej skuteczności, zawierający przepuszczalną dla płynu pierwszą elektretową warstwę filtrującą, zawierającą włókna pierwszego materiału polimerowego oraz przepuszczalną dla płynu drugą elektretową warstwę filtrującą, zawierającą włókna drugiego materiału polimerowego, znamienny tym, że pierwsza elektretową warstwa filtrująca jest warstwą o niemalejącej sprawności usuwania przy zakończeniu badania penetracji/obciążania DOP, usuwającą większość szkodliwego aerozolu zebranego przez filtr podczas badania penetracji/obciążania DOP, zaś druga elektretowa warstwa filtrująca jest warstwą o malejącej sprawności usuwania przy zakończeniu badania penetracji/obciążania DOP, oraz że początkowy współczynnik jakości drugiej elektretowej warstwy filtrującej jest większy od początkowego współczynnika jakości pierwszej elektretowej warstwy filtrującej, określonych przy zastosowaniu badania penetracji/obciążania DOP, przy czym warstwy elektretowe pierwsza i druga zawierają włókna co najmniej jednego z polimerów wybranych z grupy obejmującej polipropylen, poli(4-metylo-penten), prostołańcuchowy polietylen o małej gęstości, polistyren, poliwęglan i poliester.

2. Filtr według zastrz. 1, znamienny tym, że włókna w pierwszej i drugiej elektretowej warstwie filtrującej są mikrowłóknami otrzymywanymi według technologii wydmuchiwania ze stanu roztopionego.

3. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsza elektretowa warstwa filtrująca ma widmo termicznie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC) z pikiem o szerokości mniejszej niż około 30°C w połowie jego wysokości w pomiarze przeprowadzonym według procedury 2 badania TSDC.

PL 198 520 B1

4. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsza elektretowa warstwa filtrująca ma widmo termicznie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC) z pikiem o szerokości mniejszej niż około 15-25°C poniżej temperatury topnienia pierwszego materiału polimerowego w pomiarze przeprowadzonym według procedury 1 badania TSDC.

5. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwszy materiał polimerowy obejmuje polipropylen, zaś widmo termicznie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC) pierwszej elektretowej warstwy filtrującej wykazuje pik przy 130-140°C.

6. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsza elektretowa warstwa filtrująca wykazuje rosnącą gęstość ładunku przez 1-5 min czasu regulacji biegunowości w pomiarze według procedury 3 badania TSDC.

7. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsza elektretowa warstwa filtrująca zatrzymuje co najmniej 70% szkodliwego aerozolu zbieranego przez filtr w próbie penetracji/obciążania DOP, zaś początkowy współczynnik jakości drugiej elektretowej warstwy filtrującej wynosi co najmniej 0,5 lub więcej, gdy jest on określany przy zastosowaniu badania penetracji/obciążania DOP.

8. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsza elektretowa warstwa filtrująca jest po procesie schładzania i odprężania, zaś druga elektretowa warstwa filtrująca jest hydronaładowana.

9. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że gramatura pierwszej elektretowej warstwy filtrującej jest większa niż gramatura drugiej elektretowej warstwy filtrującej.

10. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsza i/lub druga elektretowa warstwa filtrująca zawiera dodatek polepszający jej działanie w przypadku mgły olejowej, który korzystnie zawiera fluor.

11. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wykazuje spadek ciśnienia o około 1,18 hPa lub mniejszy, w pomiarze według próby spadku ciśnienia oraz wykazuje maksymalną penetrację DOP wynoszącą około 5% lub mniej po całkowitym wystawieniu na działanie około 200 mg szkodliwego aerozolu podczas badania penetracji/obciążenia DOP.

12. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwszy i drugi materiał polimerowy zawierają polimer, który ma objętościową rezystywność większą niż 10¹⁴ om-cm.

13. Filtr według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że wykazuje niemalejącą sprawność usuwania przy zakończeniu badania penetracji/obciążenia DOP.

14. Zastosowanie filtra określonego w zastrz. 1, w respiratorach.