PL202748B1 - Sposób wytwarzania włókninowej wstęgi elektretowej i urządzenie do nadawania ładunku elektrycznego swobodnym włóknom - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania włókninowej wstęgi elektretowej i urządzenia do nadawania ładunku elektrycznego swobodnym włóknom.

Wynalazek zgodnie ze sposobem wykorzystuje ciecz polarną do ładowania nieprzewodzących swobodnych włókien, by utworzyć elektrycznie naładowaną włókninową wstęgę.

Elektrycznie naładowane wstęgi włókninowe są pospolicie wykorzystywane jako filtry w respiratorach, by chronić użytkownika przed wdychaniem zanieczyszczeń zawartych w powietrzu. Patenty US 4.536.440, US 4.807.619, US 5.307.796 i US 5.804.295 opisują przykłady respiratorów z takimi filtrami. Ładunek elektryczny zwiększa zdolność wstęgi włókninowej do zatrzymywania cząstek zawieszonych w płynie. Cząstki te są zatrzymywane, gdy płyn przechodzi przez włókninową wstęgę. Wstęga włókninowa zwykle zawiera włókna zawierające polimery dielektryczne, to znaczy nieprzewodzące. Naładowane elektrycznie wyroby dielektryczne są często nazywane elektretami i przez lata opracowano wiele różnych sposobów wytwarzania takich wyrobów.

Wczesne prace dotyczące elektrycznego ładowania folii polimerowych opisano w publikacji P.W. Chudleigh, Mechanism of Charge Transfer to a Polymer Surface by a Conducting Liquid Contact, 21 APPL. PHYS. LETT., 547-48 (1 grudnia 1972) oraz w publikacji Charging of Polymer Foils Using Liquid Contacts, 47 J. APPL. PHYS., 4475-83 (październik 1976). Sposób Chudleigh'a obejmuje ładowanie folii z polimeru polifluoroetylenowego przez przyłożenie napięcia do tej folii. Napięcie to jest przykładane poprzez przewodzącą ciecz, która styka się z powierzchnią folii.

Wcześniej znany sposób wytwarzania polimerowego elektretu w postaci włóknistej opisany jest w patencie US 4.215.682 (Kubie i Davis). Według tego sposobu włókna bombarduje się elektrycznie naładowanymi cząstkami, gdy przechodzą one przez otwór dyszy. Włókna są wytwarzane w procesie rozdmuchiwania w stanie roztopionym, gdzie strumień gazu przepływający z dużą prędkością obok otworu dyszy wyciąga wytłaczany materiał polimerowy i chłodzi go, nadając mu po zakrzepnięciu postać włókna. Bombardowane włókna rozdmuchiwane w stanie roztopionym zbierają się w sposób przypadkowy na kolektorze, by wytworzyć włóknistą wstęgę elektretową. Patent ten wspomina, że skuteczność filtrowania może być polepszona dwukrotnie lub nawet więcej, kiedy włókna rozdmuchiwane w stanie roztopionym są elektrycznie ładowane w ten sposób.

Włókniste wstęgi elektretowe były również wytwarzane przez ładowanie ich za pomocą wyładowania koronowego. Przykładowo patent US 4.588.537 (Klaase i inni) przedstawia włóknistą wstęgę, która jest w sposób ciągły doprowadzana do urządzenia z wyładowaniem koronowym usytuowanego przy jednej głównej powierzchni folii dielektrycznej o obiegu zamkniętym. Wyładowanie koronowe jest wytwarzane przez źródło wysokiego napięcia, które jest dołączone do przeciwnie naładowanych cienkich drutów wolframowych. Inna wysokonapięciowa technika wprowadzania ładunku elektrostatycznego do wstęgi włókninowej opisana jest w patencie US 4.592.815 (Nakao). W tym procesie ładowania wstęgę doprowadza się do ścisłego kontaktu z uziemioną elektrodą o gładkiej powierzchni.

Włókniste wstęgi elektretowe mogą być również wytwarzane z polimerowych folii, jak opisano w patentach US Re 30.782, US Re 31.285 i US Re 32.171 (van Turnhout). Folie polimerowe są ł adowane elektrostatycznie przed fibrylowaniem we włókna, które są następnie zbierane i przetwarzane we włókninowy filtr.

Stosowano również rozwiązania mechaniczne, by nadawać włóknom ładunek elektryczny. Patent US 4.798.850 (Brown) opisuje materiał filtracyjny, który zawiera mieszaninę złożoną z dwóch różnie karbikowanych włókien z syntetycznego polimeru, które zostały zgręplowane w runo, a następnie przeigłowane w celu utworzenia filcu. Patent ten opisuje mieszanie włókien, tak że zostają one naładowane elektrycznie podczas zgręplowanie. Proces opisany w tym patencie nazywany jest zwykle ładowaniem ciernym.

Ładowanie cierne może również występować wtedy, gdy mające dużą prędkość nienaładowane strumienie gazów lub cieczy są przepuszczane nad powierzchnią folii dielektrycznej. W patencie US 5.280.406 (Coufal i inni) ujawniono, że kiedy strumienie nienaładowanego płynu uderzają w powierzchnię folii dielektrycznej, powierzchnia ta zostaje naładowana.

Niedawne opracowanie wykorzystuje wodę do nadawania wstędze włókninowej ładunku elektrycznego (patrz patent US 5.496.507 (Angadjivand i inni)). Ładunek elektryczny jest wytwarzany przez strumienie wody pod ciśnieniem lub strumień kropelek wody uderzający we włókninową wstęgę, która zawiera nieprzewodzące mikrowłókna. Uzyskany ładunek zapewnia właściwości polepszające

PL 202 748 B1 filtrowanie. Poddanie wstęgi obróbce za pomocą wyładowania koronowego w powietrzu przed operacją hydroładowania może dodatkowo zwiększyć ładunek.

Wprowadzenie pewnych dodatków wstęgi polepszyło właściwości filtracyjne elektretów. Elektretowe media filtracyjne odporne na mgłę olejową przykładowo zostały utworzone przez wprowadzenie fluorochemicznego dodatku do dmuchanych w stanie roztopionym mikrowłókien polipropylenowych (patrz patenty US 5.411.576 i US 5.472.481 (Jones i inni)). Dodatek fluorochemiczny ma temperaturę topnienia, co najmniej 25°C i masę cząsteczkową 500-2500.

Patent US 5.908.598 (Rousseau i inni) opisuje sposób, według którego dodatek miesza się z ż ywicą termoplastyczną w celu utworzenia wstęgi włóknistej. Strumienie wody lub kropelek wody uderzają we wstęgę pod ciśnieniem wystarczającym do nadania wstędze ładunku polepszającego filtrowanie. Następnie wstęgę suszy się. Dodatki mogą być (i) stabilnym cieplnie związkiem organicznym lub oligomerem, który zawiera co najmniej jedną cząstkę perfluorowaną, (ii) stabilnym cieplnie organicznym związkiem lub oligomerem triazynowym, który zawiera co najmniej jeden atom azotu oprócz atomów azotu w grupie triazynowej lub (iii) kombinacją (i) i (ii).

Inne elektrety, które zawierają dodatki, są opisane w patencie US 5.057.710 (Nishiura). Elektrety polipropylenowe opisane w tym patencie zawierają, co najmniej jeden stabilizator wybrany spośród zahamowanych amin, zahamowanych fenoli zawierających azot i zahamowanych fenoli zawierających metal. Patent ten podaje, że elektret zawierający te dodatki może oferować wysoką stabilność cieplną. Elektret ten obrabiano przez umieszczenie arkusza włókniny pomiędzy elektrodą igłową a elektrodą poziomową. Patenty US 4.652.282 i US 4.789.504 (Ohmori i inni) opisują wprowadzenie soli pochodzącej ze związku kwasu tłuszczowego z metalem do izolującego polimeru, aby utrzymać wydajne zatrzymywanie pyłu przez długi czas. Japoński patent Kokoku JP60-947 opisuje elektrety, które zawierają poli-4-metylo-1-penten i co najmniej jeden związek wybrany spośród (a) związku zawierającego grupę fenolohydroksy, (b) wyższego alifatycznego kwasu karboksylowego i jego soli z metalem, (c) związku tiokarboksylanowego, (d) związku fosforu i (e) związku estrowego. Patent ten podaje, że elektrety takie zachowują stabilność przy długotrwałym składowaniu.

Patent US 5.780.153 (Chou i inni) podaje, że wstęgi filtrujące można wytwarzać bez umyślnego późniejszego ładowania lub elektryzacji włókien lub wstęg włóknistych. Włókna są wytworzone z kopolimeru, który zawiera: kopolimer etylenu, 5-25% wag. kwasu (met)akrylowego i ewentualnie, chociaż mniej korzystnie, do 40% wag. (met)akrylanu alkilowego, którego grupy alkilowe mają 1-8 atomów węgla. 5-70% grup kwasowych jest neutralizowane jonem metalu, zwłaszcza jonem cynku, sodu, litu lub magnezu, albo mieszaniną takich jonów. Kopolimer taki ma liczbę stopową 5-1000 g/10 min. Resztę może stanowić poliolefina, taka jak polipropylen lub polietylen. Włókna mogą być wytwarzane przez proces dmuchania w stanie roztopionym i mogą być szybko chłodzone wodą, aby uniknąć nadmiernego spojenia. Patent ten podaje, że włókna mają wysoki stopień statycznego utrzymywania istniejącego lub umyślnie indukowanego ładunku elektrostatycznego.

EP-A-0 845 554 opisuje sposób ładowania włókninowej wstęgi z termoplastycznych mikrowłókien, by uzyskać elektretowy materiał filtrujący. Sposób ten obejmuje uderzanie we włókninową wstęgę z termoplastycznych mikrowłókien nieprzewodzących, zdolną do posiadania dużej ilości uwięzionego ładunku, strumieniami wody lub strumieniami kropelek wody pod ciśnieniem wystarczającym do uzyskania wstęgi z ładunkiem elektrycznym polepszającym filtrację oraz suszenie tej wstęgi.

Istota wynalazku polega na tym, że z nieprzewodzącego materiału polimerowego tworzącego włókna formuje się jedno lub wiele swobodnych włókien, następnie natryskuje się skuteczną ilość cieczy polarnej na swobodne włókna, po czym układa się włókninową wstęgę poprzez zebranie natryskanych swobodnych włókien oraz suszy się swobodne włókna i/lub włókniny po natryskiwaniu i tworzy się włókninową wstęgę elektretową.

Korzystnie, we włókninowej wstędze przed wysuszeniem umieszcza się, co najmniej część cieczy polarnej. Włókninową wstęgę przed suszeniem nasyca się cieczą polarną. W korzystnym przypadku, stosuje się ciecz polarną zawierającą wodę.

Ponadto, w sposobie według wynalazku, korzystnie stosuje się etap ładowania koronowego włókninowej wstęgi elektretowej. Tworzy się włókninową wstęgę elektretową z umieszczonym w niej trwałym ładunkiem elektretowym. Korzystnie, tworzy się włókninową wstęgę elektretową z współczynnikiem początkowej jakości, co najmniej 0,9 (mm H2O)^-1.

W korzystnym wariancie, tworzy się włókninową wstęgę elektretową z współczynnikiem początkowej jakości co najmniej 1,0 (mm H2O)^-1.

PL 202 748 B1

Nieprzewodzący materiał polimerowy tworzący włókna jest pozbawiany neutralizowanych jonów metalu kopolimerów etylenu z kwasem akrylowym i/lub metakrylowym.

Korzystnie, we włókninowej wstędze umieszcza się mikrowłókna.

Korzystnie, swobodne włókna wytwarza się przez wytłaczanie materiału tworzącego włókna w strumień gazowy o dużej prędkości. Swobodne włókna podczas natryskiwania cieczy polarnej znajdują się w stanie roztopionym lub pół-roztopionym. Ponadto, swobodne włókna natryskuje się rozpyloną cieczą polarną i/lub ciągłym strumieniem cieczy polarnej. We swobodnych włóknach umieszcza się dodatek polepszający działanie wobec mgły olejowej.

W sposobie, według wynalazku, w łókna we włókninowej wstędze elektretowej poddaje się działaniu związkiem fluorochemicznym.

Ponadto, ciecz polarną natryskuje się pod ciśnieniem 30 kPa lub większym.

Korzystnie, włókninową wstęgę suszy się biernie powietrzem.

Korzystnie, na etapie suszenia, suszy się włókninową wstęgę przez wystawienie jej na działanie ciepła i/lub suszy się włókninową wstęgę przez wystawienie jej na działanie statycznego podciśnienia i/lub suszy się włókninową wstęgę przez wystawienie jej na działanie strumienia ogrzanego gazu suszącego i/lub suszy się przez mechaniczne usuwanie cieczy polarnej, po czym następnie wystawia się na działanie ciepła i/lub suszy się wstęgę przez wystawienie jej na działanie statycznego podciśnienia, po czym wstęgę wystawia się na działanie strumienia ogrzanego gazu.

We włóknach polimerowych jest stosowany polipropylen i/lub poli-4-metylo-1-penten.

W sposobie wedł ug wynalazku, korzystnie, stosuje się ciecz polarną w postaci cieczy wodnej.

Urządzenie do nadawania ładunku elektrycznego swobodnym włóknom, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że obejmuje urządzenie tworzące włókna, mechanizm natryskowy, kolektor zbierający swobodne włókna po natryskaniu oraz mechanizm suszący.

Korzystnie, urządzeniem tworzącym włókna jest wytłaczarka.

Urządzenie według wynalazku w korzystnym wariancie, obejmuje mechanizm do wytwarzania gazowego strumienia o dużej gęstości do kierowania strumienia swobodnych włókien do kolektora.

Korzystnie, mechanizm natryskowy służy do rozpylania pod ciśnieniem 500-800 kPa, a mechanizm suszący obejmuje źródło podciśnienia.

Urządzenie według wynalazku zawiera urządzenie wytwarzające włókna, które nadaje się do tworzenia jednego lub większej liczby swobodnych włókien. System natryskowy jest umieszczony tak, aby umożliwić rozpylanie cieczy polarnej na swobodne włókna. Kolektor jest umieszczony tak, aby zbierać swobodne włókna w postaci włókninowej wstęgi, natomiast mechanizm suszący jest umieszczony tak, aby aktywnie suszyć uzyskiwane włókna lub włókninową wstęgę.

Sposób zgodny z wynalazkiem różni się od znanych sposobów tym, że wymagane jest natryskiwanie skutecznej ilości cieczy polarnej na nieprzewodzące swobodne włókna. Po wysuszeniu włókninowej wstęgi ładunek elektretowy zostaje nadany włóknom, by utworzyć włókninowy elektret. Istnieje wiele patentów, które opisują kontaktowanie swobodnego włókna z cieczą. Według znanych sposobów swobodne włókna wystawia się na działanie cieczy w celu schłodzenia tych włókien. Etap schłodzenia jest stosowany z wielu różnych powodów, obejmujących dostarczanie niekrystalicznego mezomorficznego polimeru w celu zapewnienia większych przepustowości, by chłodzić włókna w celu uniknięcia nadmiernego spojenia i by zwiększać jednorodność przę dzy (patrz patenty US 3.366.721, US 3.959.421, US 4.277.430, US 4.931.230, US 4.950.549, US 5.078.925, US 5.254.378 oraz US 5.780.153). Chociaż patenty te zasadniczo opisują schładzanie włókna cieczą wkrótce po utworzeniu włókna, nie podają one, że elektret może być wytwarzany przez natryskiwanie cieczy polarnej na nieprzewodzące swobodne włókno. Zgłaszający ujawnili, że potrzebna jest (i) ciecz polarna, (ii) nieprzewodzący polimerowy materiał tworzący włókna, (iii) skuteczna ilość cieczy polarnej oraz (iv) etap suszenia, by wytworzyć włókninowy wyrób elektretowy.

Sposób według wynalazku jest korzystny, ponieważ etapy wytwarzania elektretu są zasadniczo integralne z procesem tworzenia włókna i przez to mogą potencjalnie zmniejszyć liczbę etapów wytwarzania włókninowej wstęgi elektretowej. Chociaż mogą być stosowane dalsze sposoby ładowania, elektret może być wytwarzany bez konieczności lub wymagania operacji ładowania, która przebiega zasadniczo poza procesem wytwarzania wstęgi.

Urządzenie według wynalazku różni się od znanych urządzeń wytwarzających włókna tym, że zawiera mechanizm suszący umieszczony tak, aby skutecznie suszyć włókna lub uzyskiwaną włókninową wstęgę. Znane urządzenia nie wykorzystywały suszarki, ponieważ ciecz chłodząca wyraźnie

PL 202 748 B1 była stosowana tylko w ilościach wystarczających do chłodzenia włókien i była biernie usuwana przez odparowanie.

Gotowe wyroby wytworzone sposobem i za pomocą urządzenia według przedmiotowego wynalazku mogą zawierać trwały ładunek elektryczny po wysuszeniu, na przykład na kolektorze. Nie muszą być koniecznie poddawane później działaniu wyładowania koronowego lub innej operacji ładowania, by wytworzyć elektret. Wynikowe elektrycznie naładowane wstęgi włókninowe mogą być użyteczne jako filtry i mogą utrzymywać zasadniczo równomierny rozkład ładunku przez cały czas eksploatacji wstęgi. Filtry mogą być szczególnie odpowiednie do stosowania w respiratorach.

Jak użyto w tym dokumencie:

„swobodne włókno” oznacza włókno lub polimerowy materiał tworzący włókno w przejściu pomiędzy urządzeniem wytwarzającym włókna a kolektorem, „skuteczna ilość” oznacza stosowanie cieczy polarnej w ilościach wystarczających do umożliwienia wytwarzania elektretu przez napylanie swobodnych włókien cieczą polarną, a następnie suszenie, „elektret” oznacza wyrób, który ma co najmniej pozornie-trwały ładunek elektryczny, „ładunek elektryczny” oznacza, że istnieje rozdział ładunków, „włóknista” oznacza posiadanie włókien i ewentualnie innych składników, „włókninowa wstęga elektretową” oznacza włókninową wstęgę, która zawiera włókna i ma pozornie-trwały ładunek elektryczny, „pozornie-trwały” oznacza, że ładunek elektryczny istnieje we wstędze w normalnych warunkach atmosferycznych (22°C, 101300 Pa ciśnienia atmosferycznego i 50% wilgotności) przez czas wystarczająco długi, by był zasadniczo mierzalny, „ciecz” oznacza stan materii pomiędzy ciałem stałym a gazem i obejmuje ciecz w postaci ciągłej masy, takiej jak strumień, albo w postaci pary lub kropelek, takich jak mgła, „mikrowłókno” oznacza włókna, które mają skuteczną średnicę około 25 μm lub mniej, „nieprzewodzący” oznacza posiadanie rezystywności objętościowej większej niż około 10¹⁴ ohm-cm w temperaturze pokojowej (22°C), „włóknina” oznacza strukturę lub część struktury, w której włókna są trzymane razem przez środki inne niż splot, „ciecz polarna” oznacza ciecz, która ma moment dipolowy co najmniej o koło 1,66782-10^-30 cm (0,5 Debye) i która ma stałą dielektryczną co najmniej około 10, ' „polimer” oznacza materiał organiczny, który zawiera powtarzające się złączone zespoły cząsteczek lub grupy rozmieszczone regularnie lub nieregularnie i obejmuje homopolimery, kopolimery i mieszanki polimerów, „polimerowy materiał tworzący włókna” oznacza kompozycję, która zawiera polimer, albo która zawiera monomery zdolne do wytworzenia polimeru i ewentualnie zawiera inne składniki oraz jest zdolna do utworzenia z niej stałych włókien, „natryskiwanie” oznacza umożliwienie, by ciecz polarna weszła w kontakt ze swobodnym włóknem poprzez dowolny odpowiedni sposób lub mechanizm, „wstęga” oznacza strukturę, która jest znacznie większe w dwóch wymiarach niż w trzecim wymiarze i jest przepuszczalna dla powietrza.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 jest widokiem z boku z częściowym wyrwaniem urządzenia do ładowania swobodnego włókna 24, fig. 2 jest powiększonym widokiem z boku z częściowym wyrwaniem dyszy 20 z fig. 1, fig. 3 jest przykładem filtrującej maski twarzowej 50, która może wykorzystywać elektretowe medium filtrujące.

Przy stosowaniu sposobu i urządzenia według wynalazku ładunek elektrostatyczny może być nadawany jednemu lub wielu włóknom we włókninowej wstędze. Polarną ciecz natryskuje się przy tym na swobodne włókna, gdy wychodzą one z urządzenia wytwarzającego włókna, takiego jak dysza wytłaczarki. Włókna te zawierają nieprzewodzący materiał polimerowy, a skuteczna ilość cieczy polarnej jest natryskiwana na włókna, korzystnie gdy nie są one zasadniczo splątane lub złączone we wstęgę.

Zwilżone włókna są zbierane i suszone przed zebraniem ich lub po zebraniu, ale korzystnie są zbierane w postaci mokrej, po czym następuje suszenie. Wynikowa wstęga włókninowa korzystnie ma dużą ilość pozornie-trwałego, uchwyconego ładunku niespolaryzowanego.

W korzystnym przykładzie wykonania przedmiotowy wynalazek złożony jest zasadniczo z: (a) tworzenia jednego lub wielu swobodnych włókien z nieprzewodzącego materiału polimerowego tworzącego włókna, (b) natryskiwania skutecznej ilości cieczy polarnej na te swobodne włókna, (c) zbierania swobodnych włókien po natryskiwaniu, by wytworzyć włókninową wstęgę, oraz (d) suszenia

PL 202 748 B1 włókien i/lub włókninowej wstęgi, aby utworzyć włókninową wstęgę elektretową. Określenie „złożony zasadniczo z” użyte jest w niniejszej publikacji jako określenie otwarte, które wyklucza tylko te etapy, które miałyby szkodliwy wpływ na ładunek elektryczny istniejący na elektretowej wstędze. Przykładowo, jeżeli elektretową wstęga jest później obrabiana tak, że dodatkowy etap obróbki powoduje zasadniczo rozproszenie ładunku elektrycznego z włókninowej wstęgi, wówczas ten dodatkowy etap nie należy do sposobu złożonego zasadniczo z etapów (a)-(d), wymienionych powyżej.

Włókninowe wstęgi elektretowe, wytworzone według przedmiotowego wynalazku, wykazują pozornie-trwały ładunek elektryczny. Korzystnie włókninowe wstęgi elektretowe wykazują trwały ładunek elektryczny, co oznacza, że ładunek elektryczny jest usytuowany we włóknach, a zatem we włókninowej wstędze, przynajmniej przez ogólnie akceptowaną użyteczną żywotność wyrobu, w którym stosowany jej elektret. Skuteczność filtracji elektretu można zasadniczo ocenić na podstawie początkowego współczynnika jakości QFi. Początkowy współczynnik jakości QFi jest to współczynnik jakości zmierzony przed naładowaniem włókninowej wstęgi elektretowej, to znaczy zanim wstęga ta została wystawiona na działanie aerozolu, który ma być filtrowany. Współczynnik jakości można określić, jak opisano poniżej przy badaniu penetracji i spadku ciśnienia DOP. Współczynnik jakości wynikowej włókninowej wstęgi elektretowej korzystnie zwiększa się dwukrotnie w stosunku do nieobrobionej wstęgi o zasadniczo takiej samej konstrukcji, a korzystniej, co najmniej dziesięciokrotnie. Korzystne włókninowe wstęgi elektretowe wytworzone według wynalazku mogą mieć wystarczający ładunek elektryczny, by umożliwić posiadanie przez wyrób QFi o wartości większej niż 0,4 (mm H2O)^-1, korzystniej większej niż 0,9 (mm H2O)^-1, jeszcze korzystniej większej niż 1,3 (mm H2O)^-1, a najkorzystniej większej niż 1,7 albo 2,0 (mm H2O)^-1.

W jednym przykładzie realizacji sposobu wytwarzania wyrobu elektretowego tworzy się strumień swobodnych włókien przez wytłaczanie materiału tworzącego włókna w strumień gazu o dużej prędkości. Operacja taka nazywana jest zwykle dmuchaniem w stanie roztopionym. Przez wiele lat włókninowe wstęgi filtrujące wytwarzano za pomocą urządzenia do dmuchania w stanie roztopionym, opisanego w Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. ENGN. CHEM. 1342-46 oraz w raporcie nr 4364 Naval Research Laboratories, opublikowanym 25 maja 1954, pod tytułem Manufacture of Super Fine Organie Fibers, Van A. Wente i inni. Gazowy strumień zwykle odrywa koniec swobodnego włókna. Długość włókna zwykle nie jest jednak określona. Swobodne włókna splątują się przypadkowo tuż przed lub na kolektorze. Włókna te zwykle są tak splątane, że wstęgą można obchodzić się tak, jak gdyby była matą. Czasami trudno jest stwierdzić, gdzie włókno zaczyna się lub kończy, a zatem włókna wyglądają jak usytuowane zasadniczo bez przerw we włókninowej wstędze, chociaż mogą być one oderwane w procesie dmuchania.

Alternatywnie swobodne włókna można wytwarzać stosując proces spajania przy przędzeniu, w którym jedno lub więcej ciąg łych swobodnych włókien polimerowych jest wytłaczane na kolektor, patrz np. patent US 4.340.563. Swobodne włókna mogą być również wytwarzane przy zastosowaniu procesu przędzenia elektrostatycznego, jak opisano np. w patentach US 4.043.331, US 4.069.026 oraz US 4.143.196, albo przez wystawianie roztopionego materiału polimerowego na działanie pola elektrostatycznego - patent US 4.230.650. W trakcie natryskiwania cieczą polarną swobodne włókna mogą być w stanie ciekłym lub roztopionym, mogą być mieszaniną stanu ciekłego i stanu stałego (półroztopione), albo mogą być w stanie stałym.

Fig. 1 i 2 przedstawiają jeden przykład wytwarzania wstęgi elektretowej, zawierającej włókna dmuchane w stanie roztopionym. Dysza 20 ma wytłoczeniową komorę 21, poprzez którą ciekły materiał tworzący włókna jest przemieszczany, aż wyjdzie z dyszy poprzez otwór 22. Współpracujące gazowe dysze 23, poprzez które strumień gazu, zwykle ogrzanego powietrza, jest wytłaczany z dużą prędkością, są umieszczone w pobliżu otworu 22, aby wspomagać wyciąganie materiału tworzącego włókna poprzez ten otwór 22. W zastosowaniach najbardziej przemysłowych wiele otworów 22 umieszczone jest wzdłuż jednej linii w poprzek przedniego końca dyszy 20. Gdy materiał tworzący włókna jest przemieszczany, z powierzchni dyszy wychodzi wiele włókien, które są zbierane w postaci wstęgi 25 na kolektorze 26. Otwór 22 jest umieszczony tak, by kierować swobodne włókna 24 do kolektora 26. Materiał tworzący włókna krzepnie pomiędzy dyszą 20 a kolektorem 26. Patent US 4.118.531 (Hauser) i US 4.215.682 (Kubik i Davis) opisują urządzenie do dmuchania w stanie roztopionym, które wykorzystuje technologię tego rodzaju.

Gdy materiał tworzący włókna jest wytłaczany z dyszy 20, strumień gazowy wyciąga jedno lub więcej ciągłych swobodnych włókien 24. Gdy długość swobodnego włókna 24 rośnie, gazowy strumień może oderwać koniec swobodnego włókna 24. Oderwany kawałek swobodnego włókna jest

PL 202 748 B1 niesiony w strumieniu gazowym do kolektora 26. Parametry procesu wytwarzania swobodnego włókna 24 mogą być zmieniane, by zmieniać miejsce odrywania włókna. Przykładowo zmniejszenie średnicy przekroju poprzecznego włókna lub zwiększenie prędkości strumienia gazu zwykle powoduje, że włókno odrywa się bliżej dyszy 20.

Aby zwiększyć do maksimum ładunek elektryczny we włókninowej wstędze, włókna korzystnie nie są zasadniczo splątane podczas natryskiwania. Natryskiwanie jest najskuteczniejsze wtedy, gdy przeprowadza się je przed splątaniem swobodnych włókien 24. Splątane włókna zachodzą na siebie, na skutek, czego niektóre włókna mogą nie być wystawione na działanie natrysku cieczy polarnej, a przez to może zmniejszyć się wynikowy ładunek elektryczny. W tych zastosowaniach, gdzie wiele włókien 24 tworzone jest równocześnie, natrysk cieczą polarną mógłby spowodować splątanie włókien i przez to uniemożliwić natryskiwanie niektórych włókien cieczą polarną. Dodatkowo włókna 24 byłyby prawdopodobnie spychane ze swej drogi przez siłę natrysku cieczą polarną, co utrudniałoby zbieranie włókien.

Gazowy strumień steruje ruchem włókien na ich drodze do kolektora 26. Gdy włókno 24 wychodzi z otworu 22, oddalony koniec włókna 24 ma swobodę ruchu i zostaje splątany z sąsiednimi włóknami. Bliski koniec włókna 24 jest jednak ciągle sprzężony z otworem 22, co minimalizuje splątanie tuż przed dyszą 20. W konsekwencji natryskiwanie korzystnie przeprowadza się blisko otworu 22 dyszy.

Kiedy nie stosuje się strumienia gazowego o dużej prędkości, takiego jak w procesie spajania przy przędzeniu, ciągłe włókno swobodne jest zwykle osadzane na kolektorze. Po zebraniu ciągłe włókno swobodne zostaje splątane, by utworzyć wstęgę przez wiele różnych znanych procesów, obejmujących wtłaczanie i splątywanie hydrauliczne. Natryskiwanie ciągłego strumienia włókien spajanych przy przędzeniu w pobliżu kolektora sprzyja splątywaniu, ponieważ oddalony koniec włókna daje się łatwiej przemieszczać sile natrysku cieczą polarną.

Na fig. 2 pokazano górny natryskowy mechanizm 28 usytuowany powyżej linii środkowej c otworu 22 w odległości e. Mechanizm natryskowy 28 jest również usytuowany za końcówką otworu 22 dyszy w odległości d. Dolny mechanizm natryskowy 30 jest usytuowany poniżej linii środkowej c otworu 22 w odległości f i za końcówką otworu 22 w odległości g. Górny i dolny mechanizm natryskowy 28, 30 są usytuowane tak, by wyrzucać natrysk 32, 34 cieczy polarnej na strumień swobodnych włókien 24.

Mechanizmy natryskowe 28, 30 mogą być używane oddzielnie lub równocześnie z wielu stron. Mechanizmy natryskowe 28, 30 mogą służyć do rozpylania pary cieczy polarnej, takiej jak para wodna, rozpylonego natrysku lub mgły złożonej z drobnych kropelek cieczy polarnej, albo przerywanego lub ciągłego stałego strumienia cieczy polarnej. Zwykle etap rozpylania obejmuje kontaktowanie swobodnego włókna z cieczą polarną, przy czym ciecz polarna jest wspierana lub kierowana przez fazę gazową w każdej z właśnie opisanych postaci. Mechanizmy natryskowe 23, 30 mogą być usytuowane zasadniczo w dowolnym miejscu pomiędzy dyszą 20 a kolektorem 26. Przykładowo, w alternatywnym przykładzie pokazanym na fig. 1 mechanizmy natryskowe 28', 30' są usytuowane bliżej kolektora, a nawet za źródłem 36, które dostarcza cięte włókna 37 do wstęgi 25.

Natryskiwanie swobodnych włókien, kiedy są one w stanie roztopionym lub w stanie półroztopionym, zwiększa do maksimum, jak się okazało, wprowadzany ładunek. Mechanizmy natryskowe 28, 30 są korzystnie usytuowane możliwie blisko strumienia swobodnych włókien 24 (odległości e i f są zmniejszone do minimum) bez zakłócania przepływu swobodnych włókien 24 do kolektora 26. Odległości e i f wynoszą korzystnie 30,5 cm (jedna stopa) lub mniej, korzystniej mniej niż 15 cm (6 cali) w bok od swobodnego włókna. Ciecz polarna może być rozpylana prostopadle do strumienia swobodnych włókien lub pod kątem ostrym, np. pod kątem ostrym w ogólnym kierunku ruchu swobodnych włókien.

Jak pokazano, mechanizmy natryskowe 28, 30 są korzystnie usytuowane możliwie blisko końcówki dyszy 20 (odległości d i g są zmniejszane do minimum). Fizyczne ograniczenia zwykle uniemożliwiają usytuowanie mechanizmów natryskowych 28, 30 bliżej niż 2,5 cm (1,0 cal) od końcówki dyszy 20, chociaż możliwe jest umieszczenie mechanizmów natryskowych 28, 30 bliżej dyszy 20, jeśli jest to pożądane, przykładowo dzięki zastosowaniu specjalnego sprzętu. Maksymalna odległość mechanizmów natryskowych 28, 30 od końcówki dyszy 20 (odległości d i g) jest zależna od parametrów procesu, ponieważ rozpylanie powinno nastąpić zanim włókna zostaną splątane. Zwykle odległości d i g są mniejsze niż 20 cm (6 cali).

Ciecz polarna jest natryskiwana na włókna w ilościach wystarczających do utworzenia „skutecznej ilości”. Oznacza to, że ciecz polarna jest kontaktowana ze swobodnymi włóknami w ilości wystarczającej, by umożliwić wytwarzanie elektretu za pomocą procesu według wynalazku. Zwykle ilość użytej cieczy polarnej jest tak duża, że wstęga jest zwilżona na początku jej tworzenia się na kolektorze. Może być jednak możliwy brak wody na kolektorze, jeżeli przykładowo odległość pomiędzy początkiem swobodnego włókna

PL 202 748 B1 a kolektorem jest tak duża, ż e ciecz polarna wysycha raczej na swobodnym włóknie, a nie na zebranej wstędze. W korzystnym przykładzie realizacji wynalazku odległość między początkiem a kolektorem nie jest jednak tak duża, a ciecz polarna jest wykorzystywana w takich ilościach, że zebrana wstęga jest zwilżona cieczą polarną. Korzystniej wstęga jest tak zwilżana, że kapie z niej przy przyłożeniu niewielkiego ciśnienia. Jeszcze korzystniej wstęga jest zasadniczo lub całkowicie nasycona cieczą polarną w miejscu, gdzie wstęga jest tworzona na kolektorze. Wstęga może być tak nasycona, że ciecz polarna regularnie skapuje ze wstęgi bez przykładania żadnego ciśnienia.

Ilość cieczy polarnej, którą natryskuje się na wstęgę, może być różna w zależności od prędkości wytwarzania włókien. Jeżeli włókna są wytwarzane ze stosunkowo małą prędkością, wówczas można stosować mniejsze ciśnienia, ponieważ jest więcej czasu, by włókno odpowiednio zetknęło się z cieczą polarną. Ciecz polarna może być natryskiwana pod ciśnieniem 30 kPa lub większym. Przy większych prędkościach wytwarzania włókien ciecz polarna musi być zwykle natryskiwana z większą przepustowością. Przykładowo, w procesie dmuchania w stanie roztopionym ciecz polarna korzystnie jest stosowana pod ciśnieniem 400 kPa lub większym, korzystniej 500-800 kPa lub większym. Większe ciśnienia mogą zasadniczo powodować wprowadzenie większego ładunku we wstęgę, ale zbyt wysokie ciśnienie może zakłócać wytwarzanie włókna. Ciśnienie utrzymuje się zatem zwykle poniżej 3500 kPa, korzystniej poniżej 1000 kPa.

Korzystnie cieczą polarną jest woda, ponieważ jest tania. Ponadto przy kontakcie wody z roztopionym lub półroztopionym materiałem tworzącym włókna nie powstają niebezpieczne lub szkodliwe opary. Według wynalazku zamiast zwykłej wody z kranu stosuje się raczej korzystnie oczyszczoną wodę, otrzymaną przykładowo przez destylację, odwrotną osmozę lub dejonizację. Oczyszczona woda jest korzystna, ponieważ nieoczyszczona woda może hamować skuteczne ładowanie włókien. Woda ma moment dipolowy 6,004152-10^-30 C-m (1,85 D) i stałą dielektryczną 78-80.

Zamiast lub w połączeniu z wodą można stosować wodne lub niewodne ciecze polarne. Cieczą wodną jest ciecz, która zawiera co najmniej 50% obj. wody. Niewodną cieczą jest ciecz, która zawiera mniej niż 50% obj. wody. Przykłady niewodnych cieczy polarnych nadających się do stosowania przy ładowaniu włókien obejmują metanol, glikol etylenowy, sulfotlenek dimetylowy, dimetyloformamid, acetonitryl i aceton oraz kombinacje tych cieczy. Wodne lub niewodne ciecze polarne muszą mieć moment dipolowy, co najmniej 0,5 D, korzystniej co najmniej 0,75 D, a najkorzystniej co najmniej 1,0 D. Stała dielektryczna wynosi co najmniej 10, korzystniej co najmniej 20, a jeszcze korzystniej co najmniej 50. Ciecz polarna korzystnie nie pozostawia przewodzących, nielotnych resztek, które by maskowały lub rozpraszały ładunek na wstędze. Zwykle istnieje tendencja do występowania korelacji pomiędzy stałą dielektryczną cieczy a zdolnością filtracji wstęgi elektretowej. Ciecze polarne, które mają większą stałą dielektryczną, mają tendencję do większego polepszania zdolności filtracji.

Do zastosowań filtracyjnych wstęga włókninowa korzystnie ma gramaturę mniejszą niż 500 g/m², korzystniej 5-400 g/m², a jeszcze korzystniej 20-100 g/m². Przy wytwarzaniu wstęg z włókien dmuchanych w stanie roztopionym gramaturę można kontrolować przykładowo przez zmienianie albo przepustowości dyszy, albo prędkości kolektora. Grubość włókninowej wstęgi do wielu zastosowań filtracyjnych wynosi 0,25-20 mm, bardziej typowo 0,5-4 mm. Włókninowa wstęga korzystnie ma zawartość ciał stałych we wstędze, co najmniej 3%, korzystniej 4-15%, a jeszcze korzystniej 5-10%. Sposób według wynalazku może powodować zasadniczo równomierny rozkład ładunku w całej uzyskiwanej wstędze włókninowej w odniesieniu do gramatury, grubości lub zawartości ciał stałych w uzyskanym materiale.

Kolektor 26 jest usytuowany naprzeciw dyszy 20 i zwykle zbiera wilgotne włókna 24. Włókna 24 zostają splątane albo na kolektorze 26, albo tuż przed uderzeniem w kolektor. Jak wskazano powyżej, włókna przy zbieraniu są korzystnie wilgotne, a korzystniej są zasadniczo zmoczone, jeszcze korzystniej są wypełnione zasadniczo w całej pojemności lub są zasadniczo nasycone cieczą polarną. Kolektor 26 korzystnie zawiera mechanizm transportu wstęgi, który przemieszcza zebraną wstęgę w kierunku do mechanizmu suszącego 38, gdy włókna 24 są zebrane. W korzystnym procesie kolektor porusza się nieprzerwanie wokół drogi o obiegu zamkniętym, tak że wstęgi elektretowe mogą być wytwarzane w sposób ciągły. Kolektor może mieć przykładowo postać bębna, taśmy lub siatki. Zasadniczo w związku z przedmiotowym wynalazkiem rozważane jest każde urządzenie lub operacja nadająca się do zbierania włókien. Przykład kolektora, który może się nadawać, opisany jest w zgłoszeniu patentowym US 0 9/181.205, opis patentowy US 613.9308, zatytułowanym Uniform Meltblown Fibrous Web And Method And Apparatus For Manufacturing.

Mechanizm suszący 38 pokazano usytuowany za miejscem zbierania włókien 24, chociaż możliwe jest suszenie włókien przed ich zebraniem (lub zarówno przed jak i po zebraniu), aby wytworzyć

PL 202 748 B1 wstęgę elektretową według przedmiotowego wynalazku. Mechanizm suszący może być aktywnym mechanizmem suszącym, takim jak źródło ciepła, piec przepływowy, źródło podciśnienia, źródło powietrzą, takie jak konwekcyjne źródło powietrza, walec do wyciskania cieczy polarnej ze wstęgi 25 lub połączenie takich urządzeń. Alternatywnie do suszenia wstęgi 25 można zastosować bierny mechanizm suszący z suszeniem powietrzem przy temperaturze otoczenia. Suszenie powietrzem otoczenia może jednak nie być praktyczne przy wytwarzaniu z dużymi prędkościami. Do stosowania według wynalazku rozważa się zasadniczo każde urządzenie lub operację nadającą się do suszenia włókien i/lub wstęgi, chyba że urządzenia takie lub operacje w pewnym stopniu szkodliwie wpływają na wytwarzanie elektretu. Po suszeniu uzyskaną naładowaną wstęgę elektretową 39 można ciąć na arkusze, zwijać do magazynowania lub wytwarzać z niej różne wyroby, takie jak filtry do respiratorów.

Uzyskaną naładowaną wstęgę elektretową 39 można również poddawać dalszemu ładowaniu sposobami, które mogłyby dodatkowo zwiększyć ładunek elektretowy na wstędze lub mogłyby przeprowadzić jakąś inną zmianę ładunku elektretowego, która mogłaby ewentualnie polepszyć zdolność filtracji. Przykładowo włókninowa wstęga elektretową może być ładowana koronowo po wytworzeniu produktu elektretowego w procesie opisanym powyżej. Wstęga może być ładowana np. jak opisano w patencie US 4.588.537 (Klaase i in.) lub jak opisano w patencie US 4.592.815 (Nakao). Alternatywnie lub w połączeniu z wymienionymi sposobami ładowania wstęgę można również dodatkowo hydroładować, jak opisano w patencie US 5.496.507 (Angadjivand i in.).

Ładunek włóknistej wstęgi elektretowej można również zwiększyć stosując techniki ładowania, takie jak opisano w zgłoszeniach patentowych US 09/415.291 (opis patentowy US 6406657) i US 09/416.216 (opis patentowy US 6454986 zatytułowanych Method and Apparatus for Making a Fibrous Electret Web Using a Wetting Liquid and an Aqueous Polar Liquid, oraz Method of Making a Fibrous Electret Web Using a Nonaqueous Polar Liquid, oba z taką samą datą zgłoszenia jak przedmiotowy wynalazek.

Jak pokazano na fig. 1, włókna cięte 37 mogą być łączone ze swobodnymi włóknami 24, by uzyskać bardziej puszystą wstęgę o mniejszej gęstości. Włóknami ciętymi są włókna, które zostały pocięte lub w inny sposób nadano im określoną długość, zwykle 2,54 cm (1 cal) do około 12,7 cm (5 cal). Włókna cięte zwykle mają grubość 1-100 den. Zmniejszenie gęstości wstęgi 25 może być korzystne dla zmniejszenia spadku ciśnienia na wstędze 25, co może być pożądane w niektórych zastosowaniach filtracyjnych, takich jak respiratory osobiste. Po wprowadzeniu w strumień swobodnych włókien 24 włókna cięte 37 są wystarczająco wspierane we wstędze i mogą być również ładowane przez natryskiwanie cieczą polarną, np. przez mechanizmy natryskowe 28', 30', wraz ze swobodnymi włóknami 24.

Włókna cięte 37 mogą być wprowadzane we wstęgę 25 przez zastosowanie zgrzeblącego bębna 40 usytuowanego powyżej urządzenia wydmuchiwania włókien, jak pokazano na fig. 1 (patent US 4.118.531 (Hauser)). Wstęga 41 z włókien, zwykle luźna wstęga włókninowa, wytworzona przykładowo za pomocą rozwłókniacza lub urządzenia RANDO-WEBBER (z firmy Rando Machine Corp. z Rochester, Nowy Jork), jest transportowana wzdłuż stołu 42 pod napędowy walec 43, gdzie przednia krawędź sprzęga się ze zgrzeblącym bębnem 40. Ten zgrzeblący bęben 40 zabiera włókna z przedniej krawędzi wstęgi 41, by utworzyć cięte włókna 37. Te cięte włókna 37 są transportowane w strumieniu powietrza przez pochyły kanał 46 do strumienia dmuchanych włókien 24, gdzie włókna cięte i włókna dmuchane są ze sobą mieszane. Za pomocą mechanizmu podobnego do kanału 46 we wstęgę 25 mogą być wprowadzane inne materiały cząstkowe. Zwykle stosuje się nie więcej niż około 90% wag. włókien ciętych 37, korzystniej nie więcej niż około 70% wag.

W elektretowych wstęgach przeznaczonych do różnych celów, obejmujących sorpcję, katalizę i inne zadania, mogą być również zawarte aktywne materiały cząstkowe. Patent US 5.696.199 (Senkus i inni) przykładowo opisuje różne aktywne materiały cząstkowe, które mogą być odpowiednie. Aktywne materiały cząstkowe, które mają właściwości sorpcyjne, takie jak węgiel aktywowany lub tlenek glinu, mogą być zawarte we wstędze, by usuwać opary organiczne podczas operacji filtrowania. Materiał cząstkowy może być obecny zwykle w ilościach do około 80% obj. zawartości wstęgi. Włókninowe wstęgi obciążone cząstkami opisane są przykładowo w patentach US 4.971.373 (Braun), US 4.100.324 (Anderson) i US 4.429.001 (Kolpin i inni).

Polimery, które mogą być odpowiednie do stosowania przy wytwarzaniu włókien użytecznych według wynalazku, obejmują termoplastyczne nieprzewodzące polimery organiczne. Takie polimery mogą być syntetycznie wytworzonymi organicznymi makrocząsteczkami, które zawierają zasadniczo powtarzające się długołańcuchowe zespoły strukturalne złożone z dużej liczby monomerów. Zastosowane polimery powinny być zdolne do zatrzymywania dużej ilości uwięzionego ładunku i powinny

PL 202 748 B1 nadawać się do przetwarzania we włókna, np. za pomocą urządzenia do rozdmuchiwania w stanie roztopionym lub urządzenia do spajania przy przędzeniu. Określenie „organiczny” oznacza, że szkielet polimeru zawiera atomy węgla. Określenie „termoplastyczne” odnosi się do materiału polimerowego, który mięknie pod działaniem ciepła. Korzystne polimery obejmują poliolefiny, takie jak polipropylen, poli-4-metylo-1-penten, mieszanki lub kopolimery zawierające jeden lub więcej z tych polimerów oraz kombinacje takich polimerów.

Inne polimery mogą obejmować polietylen, inne poliolefiny, polichlorki winylu, polistyreny, poliwęglany, politereftalan etylenu, inne poliestry oraz kombinacje takich polimerów i innych nieprzewodzących polimerów. Swobodne włókna mogą być wytwarzane z tych polimerów w połączeniu z innymi odpowiednimi dodatkami. Swobodne włókna mogą być również wytłaczane lub inaczej formowane, by miały wiele składników polimerowych. Patrz patent US 4.729.371 (Krueger i Dyrud) oraz patenty US 4.795.668 i US 4.547.420 (Krueger i Meyer). Różne składniki polimerowe mogą być rozmieszczone koncentrycznie lub wzdłużnie na długości włókna, by tworzyć przykładowo włókna dwuskładnikowe. Włókna mogą być przeznaczone do tworzenia wstęgi makroskopowo jednorodnej, która jest wytworzona z włókien, z których każde ma taki sam ogólny skład.

Włókna stosowane według wynalazku nie muszą zawierać jonomerów, zwłaszcza neutralizowanych jonami metalu kopolimerów etylenu i kwasu akrylowego i/lub metakrylowego, by wytworzyć włóknisty wyrób nadający się do filtrowania. Włókninowe wstęgi elektretowe mogą być odpowiednio wytwarzane z polimerów opisanych powyżej bez zawartości 5-25% wag. kwasu (met)akrylowego z grupami kwasowymi częściowo neutralizowanymi jonami metalu.

Do zastosowań związanych z filtrowaniem włókna korzystnie są mikrowłóknami, które mają skuteczną średnicę mniejszą niż 20 μm, a korzystniej 1-10 μm, obliczoną według publikacji Davies, C.N., The Separation of Airborne Dust and Particles, INST. MECH. ENGN., LONDON PROC. IB (1952), zwłaszcza za pomocą równania nr 12.

Działanie wstęgi elektretowej można wzmocnić przez zawartość dodatków w materiale tworzącym włókna przed zetknięciem tego materiału z cieczą polarną. Korzystnie określenie „dodatek w postaci mgły olejowej polepszający działanie, użyto tu w połączeniu z włóknami lub materiałami tworzącymi włókna. Dodatkiem w postaci mgły olejowej polepszającym działanie jest składnik, który dodany do materiału tworzącego włókno lub przykładowo umieszczony na uzyskanym włóknie jest zdolny zwiększyć skuteczność filtrowania oleistego aerozolu przez włókninową wstęgę elektretową.

Do materiału polimerowego w celu polepszenia działania elektretu można dodać związków fluoru. Patenty US 5.411.576 i US 5.472.481 (Jones i inni) opisują zastosowanie nadającego się do przetwarzania w stanie roztopionym dodatku fluorochemicznego, który ma temperaturę topnienia co najmniej 25°C i masę cząsteczkową 500-2500. Taki dodatek fluorochemiczny można stosować w celu polepszenia odporności na mgłę olejową. Jedną klasą dodatków, o których wiadomo, że polepszają działanie elektretów naładowanych za pomocą strumieni wody, są związki posiadające cząstkę perfluorowaną i zawartość fluoru, co najmniej 18% wag. tego dodatku (patrz patent US 5.908.598 (Rousseau i inni)). Dodatkiem tego typu jest fluorochemiczny oksazolidynon opisany w patencie US 5.411.576 jako dodatek A, stanowiący co najmniej 0,1% wag. materiału termoplastycznego.

Innymi możliwymi dodatkami są stabilne cieplnie organiczne związki triazynowe lub oligomery, które to związki lub oligomery zawierają, co najmniej jeden atom azotu oprócz atomów azotu w pierścieniu triazynowym. Innym dodatkiem, o którym wiadomo, że polepsza działanie elektretów naładowanych strumieniami wody, jest Chimassorb™ 944 LF (poli[(6-(1,1,3,3,-tetrametylobutylo)amino]-s--triazino-2,4-diil][[2,2,6,6-tetrametylo-4-piperidylo)imino]heksametylen[(2,2,6,6-tetra-metylo-4-piperidylo)imino]]), dostępny z CibaGeigy Corp. Chimassorb™ 944 i dodatek A można łączyć ze sobą. Korzystnie dodatek Chimassorb™ i/lub powyższe dodatki stanowią 0,1-5% wag. polimeru, korzystniej, 0,2-2% wag. polimeru, a jeszcze korzystniej 0,2-1% wag. polimeru. Znane są również pewne inne związane aminy, które zwiększają polepszający filtrację ładunek wprowadzany do wstęgi. Jeżeli dodatek jest wrażliwy na ciepło, może być wprowadzany w dyszę 20 z mniejszej bocznej wytłaczarki tuż przed otworem 22, aby zmniejszyć do minimum czas wystawienia na działanie podwyższonych temperatur.

Włókna zawierające dodatki można hartować po kształtowaniu ogrzanej roztopionej mieszanki polimeru i dodatku, po czym następuje etap odprężania i ładowania, by wytworzyć wyrób elektretowy. Polepszoną zdolność filtracyjną można nadać wyrobowi przez wykonanie elektretu w taki sposób - patrz zgłoszenie patentowe WO 99/16533. Dodatki mogą być również umieszczane na wstędze po jej utworzeniu, np. przez zastosowanie techniki fluorowania powierzchni, opisanej w zgłoszeniu patentowym US 09/109497 z 2.07.1998 nr publikacji WO/2000/001737 (Jones i inni).

PL 202 748 B1

Polimerowy materiał tworzący włókna ma objętościową rezystywność 10¹⁴ om-cm lub więcej w temperaturze pokojowej. Korzystnie rezystywność objętościowa wynosi około 10¹⁶ om-cm lub jest większa. Rezystywność polimerowego materiału tworzącego włókna można zmierzyć według znormalizowanego testu ASTM D 257-93. Materiał tworzący włókna użyty do wytworzenia włókien dmuchanych w stanie roztopionym powinien być również zasadniczo pozbawiony składników takich jak czynniki antystatyczne, które mogłyby zwiększyć przewodność elektryczną lub inaczej zakłócać zdolność włókien do przyjmowania i utrzymywania ładunków elektrostatycznych.

Włókninowe wstęgi według wynalazku mogą być stosowane w maskach filtrujących, które są przeznaczone do zakrywania, co najmniej nosa i ust użytkownika.

Fig. 3 przedstawia filtrującą maskę twarzową 50, która może być skonstruowana tak, by zawierała elektrycznie naładowaną włókninową wstęgę wytworzoną według przedmiotowego wynalazku. Zasadniczo miskowo ukształtowana część korpusu 52 jest dopasowana do ust i nosa użytkownika. Pasek lub uprząż można zastosować do wspierania maski na twarzy użytkownika. Chociaż na fig. 3 przedstawiono pojedynczy pasek 54, uprząż może mieć wiele różnych konfiguracji - patrz np. patent US 4.827.924 (Japuntich i inni), US 5.237.986 (Seppalla i inni) oraz US 5.464.010 (Byram). Przykłady innych filtrujących masek twarzowych, gdzie mogą być zastosowane włókninowe wstęgi elektretowe, obejmują patent US 4.536.440 (Berg), US 4.807.619 (Dyrud i inni), US 4.883.547 (Japuntich), US 5.307.796 (Kronzer i inni) oraz US 5.374.458 (Burgio). Elektretowe media filtracyjne można również stosować przykładowo we wkładzie filtracyjnym w respiratorze, np. we wkładzie filtracyjnym opisanym w patencie US Re 35.062 (Brostrom i inni) lub w patencie US 5.062.421 (Burns i Reischel). Maska 50 jest zatem przedstawiona tylko dla celów ilustracyjnych, a stosowanie przedmiotowych elektretowych mediów filtracyjnych nie jest ograniczone do przedstawionego przykładu realizacji.

Zgłaszający uważa, że obecny sposób ładowania osadza zarówno dodatni jak i ujemny ładunek na włóknach, tak że ładunek dodatni i ujemny jest przypadkowo rozproszony w całej wstędze. Przypadkowe rozproszenie ładunku daje niespolaryzowaną wstęgę. Włókninowa wstęga elektretową wytworzona według przedmiotowego wynalazku może być, zatem zasadniczo niespolaryzowaną w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny wstęgi. Włókna, które zostały naładowane w ten sposób, w idealnym przypadku mają konfigurację ładunku pokazaną na fig. 5C zgłoszenia patentowego US 08/865.362 (opis patentowy US 6119691). Jeżeli włóknista wstęga jest również poddawana działaniu wyładowania koronowego, wówczas będzie miała konfigurację ładunku podobną do konfiguracji pokazanej na fig. 5B tego zgłoszenia patentowego. Wstęga wykonana z włókien ładowanych jedynie przy użyciu przedmiotowego sposobu, zwykle ma niespolaryzowany uwięziony ładunek w całej objętości wstęgi. Określenie „niespolaryzowany uwięziony ładunek” odnosi się do włóknistej wstęgi elektretowej, która ma mniej niż 1 μC/m² wykrywalnego prądu rozładowania przy stosowaniu analizy TSDC, gdzie w mianowniku jest pole powierzchni elektrody. Taką konfigurację ładunku można wykazać przez poddanie wstęgi cieplnie stymulowanemu prądowi rozładowania (TSDC).

Analiza cieplnie stymulowanego rozładowania obejmuje nagrzanie wstęgi elektretowej tak, że zamrożony lub uwięziony ładunek odzyskuje mobilność i przechodzi do pewnej konfiguracji z niższą energią, by wytworzyć wykrywalny prąd rozładowania zewnętrznego. Omówienie prądu cieplnie stymulowane of Thermo-Stimulated Current, IEEE ELECTRICAL INSULATION MAGAZINE, wol. 9. nr 2, 5-21, 1993 oraz Chen i inni, Analysis of Thermally Stimulated Process, Pergamon Press, 1981.

Polaryzację ładunku elektrycznego można spowodować we wstędze naładowanej według przedmiotowego wynalazku przez podwyższenie temperatury do pewnego poziomu powyżej temperatury (Tg) przejścia polimeru w stan szklisty, która jest temperaturą, przy której polimer przechodzi ze stanu twardego i stosunkowo kruchego w stan lepki lub podobny do gumy. Temperatura Tg przejścia w stan szklisty jest mniejsza od temperatury Tm topnienia polimeru. Po nagrzaniu polimeru powyżej jego temperatury Tg próbkę chłodzi się w obecności stałego pola elektrycznego, by zamrozić polaryzację uwięzionego ładunku. Prądy stymulowanego cieplnie rozładowania można wtedy mierzyć przez podgrzewanie materiału elektretowego z powrotem ze stałą prędkością grzania i zmierzenie natężenia prądu wytworzonego w obwodzie zewnętrznym. Przyrządem użytecznym do przeprowadzania polaryzacji i później stymulowanego cieplnie rozładowania jest Solomat TSC/RMA model 91000 z przechylną elektrodą z firmy TherMold Partners, L.P., Thermal Analysis Instruments of Stamford, Connecticut.

Natężenie prądu rozładowania wykreślono na osi y (rzędnych) w funkcji temperatury na osi x (odciętych). Położenie wierzchołka (maksimum natężenia prądu) i kształt krzywej prądu rozładowania są parametrami charakterystycznymi mechanizmu, za pomocą, którego ładunki zostały zmagazynowane

PL 202 748 B1 we wstędze elektretowej. Dla wstęg elektretowych, które zawierają ładunek, maksimum i kształt krzywej są związane z konfiguracją ładunku uwięzionego w materiale elektretowym.

Ilość ładunku wytwarzanego w obwodzie zewnętrznym na skutek przejścia ładunku wewnątrz wstęgi elektretowej do stanu mniejszej energii po ogrzaniu można określić przez scałkowanie wierzchołków krzywej rozładowania.

Włókniste wstęgi elektretowe według wynalazku wykazują zmierzoną gęstość ładunku, która jest miarą względnej ilości niespolaryzowanego ładunku uwięzionego. Należy jednak rozumieć, że chociaż przykłady służą temu celowi, poszczególne składniki i użyte ilości oraz inne warunki nie muszą być dobrane w sposób, który by niepotrzebnie ograniczał zakres wynalazku. Wybrane przykłady przedstawiają jedynie, jak zrealizować korzystny przykład wykonania wynalazku i jak wyroby mogą ogólnie działać.

P r z y k ł a d y

Przygotowanie próbki

Włókna wytworzono zasadniczo jak opisano w publikacji Van A. Wentę, 48 INDUS. & ENGN. CHEM. 1342-46 (1956) z tą zmianą, by stosować jeden lub dwa elementy natryskowe, zamontowane za końcówką dyszową służącą do rozpylania polarnej cieczy na włókna po wytłoczeniu, a przed zebraniem. Żywicą był termoplastyczny polipropylen FINA 3860X (dostępny z firmy Fina Oil and Chemical Co.), chyba że podano inaczej. Zastosowano wytłaczarkę Berstorff 60 mm z dwoma równocześnie obracającymi się ślimakami, 44-1, obszar ośmiotulejowy z firmy Berstorff Corp. Z Charlotte, Północna Karolina. Po wprowadzeniu dodatku do żywicy przygotowano ją jako koncentrat 10-15% wag. w wytłaczarce Werner Pfeiderer 30 mm z dwoma równocześnie obracającymi się ślimakami 36-1 z firmy Werner and Pfeiderer Corp. z Ramsey, New Jersey. Cieczą polarną była woda oczyszczona przez odwrotną osmozę i dejonizację. Gramatura wstęgi wynosiła około 54-60 g/m², chyba że podano inaczej.

Badanie penetracji DOP i spadku ciśnienia

Następujące sumaryczne badanie penetracji DOP i spadku ciśnienia odnosi się do przykładów 1-30 i do współczynnika początkowej jakości według podanych powyżej definicji i według zastrzeżeń patentowych. Badanie przeprowadzono przez przetłaczanie cząstek o masowo średniej średnicy 0,3 μτη z ftalanu dioktylowego (DOP) poprzez próbkę wstęgi włókninowej o średnicy 11,45 cm (4,5 cal) z prędkością 32 l/min. Prędkość dopływu do próbki wynosiła 5,2 cm/s. Cząstki DOP miały stężenie 70-110 mg/m³. Próbki wystawiono na działanie aerozolu z cząstkami DOP na 30 s. Penetrację cząstek DOP poprzez próbki mierzono za pomocą automatycznego próbnika filtrów TSI 8110 z firmy TSI z St. Paul, Minnesota. Spadek ciśnienia (AP) na próbce mierzono za pomocą manometru elektronicznego i zapisywano w mm słupa wody.

Wartości penetracji DOP i spadku ciśnienia wykorzystano do obliczenia współczynnika jakości QF z logarytmu naturalnego (ln) penetracji (Pen)DOP według następującego równania:

QF[1/mmH₂O]= -(ln((DOP Pen%)/100))^P[mmH₂O]

Im większa jest wartość QF, tym lepsze jest działanie filtracyjne.

Dla wszystkich próbek badanych poniżej określono początkowy współczynnik jakości QFi.

Alternatywne badanie penetracji i spadku ciśnienia DOP

Alternatywne badanie penetracji i spadku ciśnienia DOP stosowano tylko w przykładzie 31. Badanie to dotyczy tylko tego przykładu. Tę alternatywną procedurę przeprowadzono zasadniczo według procedury podanej powyżej z tym wyjątkiem, że cząstki ftalanu dioktylowego (DOP) o masowo średniej średnicy 0,3 μτη przy stężeniu 70-110 mg/m³ wytwarzano za pomocą rozpylacza TSI nr 212 (z firmy TSI z St. Paul, Minnesota) z czterema dyszami i przy ciśnieniu czystego powietrza 207 kPa (30 psi). Cząstki DOP przetłaczano poprzez próbkę wstęgi włókninowej z prędkością 42,5 l/min z wynikową prędkością dopływu do próbki wynosiła 6,9 cm/s. Penetrację mierzono za pomocą optycznej komory rozpraszania Percent Penetration Meter Model TPA-8F z firmy Air Techniques Inc. z Baltimore, Maryland. Współczynnik jakości obliczono, jak opisano powyżej. Przy takiej większej prędkości dopływu wartości współczynnika jakości będą nieco niższe niż przy mniejszej prędkości dopływu.

P r z y k ł a d y 1-2 i przykład porównawczy C1

Następujące przykłady wykazują korzystny wpływ natryskiwania wodą swobodnych włókien w celu zwiększenia współczynnika jakości. Próbki z przykładów 1-2 i z przykładu porównawczego C1 wszystkie zawierały Chimassorb™944 w stężeniu 0,5% wag., aby polepszyć ładowanie. Próbka z przykładu 1 była wykonana za pomocą pojedynczego elementu natryskowego, który miał 6 oddzielnych dysz natryskowych, zamontowanych około 17,8 cm (7) poniżej linii środkowej i około 5,08 cm

PL 202 748 B1 (2) za końcówką dyszy. Element natryskowy był modelem 1/4 J z firmy Spraying Systems z Wheaton, Illinois. Każda dysza natryskowa miała kołpak płynowy (model nr 2850) i kołpak powietrzny (model nr 73320) do natryskiwania wody, oba z firmy Spraying Systems. Ciśnienie wody w rozpylaczu wynosiło 344,7 kPa (50 psi), a ciśnienie powietrza w rozpylaczu wynosiło około 344,7 kPa (50 psi). Wodę rozpylano na włókna w ilości wystarczającej do zwilżenia zasadniczo zebranej wstęgi. Kolektor był umieszczony około 35.6 cm (14) za końcem dyszy. Wodę usuwano z zebranej wstęgi przez suszenie w piecu wsadowym przy 54,5°C (130°F).

Próbkę z przykładu 2 natryskiwano za pomocą dwóch powietrznych elementów natryskowych. Element natryskowy z przykładu 1 użyto jako górny element natryskowy. Ten górny element natryskowy był zamontowany około 17,8 cm (7) nad linią środkową dyszy, a dolny element natryskowy był zamontowany 17,8 cm (7) poniżej linii środkowej dyszy. Dolny element natryskowy był ultradźwiękowym systemem natryskowym z 15 dyszami natryskowymi model nr SDC 035H z firmy Sonic Environmental Corp., Pennsauken, NJ. Oba elementy natryskowe były usytuowane 5,08 cm (2) za końcówką dyszy. Ciśnienie wody i powietrza na każdym pręcie wynosiło 344,7 kPa (50 psi). Wstęgę zwilżano zasadniczo bardziej niż wstęgę z przykładu 1. Wodę usuwano przez suszenie zebranej wstęgi w piecu wsadowym przy 54,5°C (130°F). Porównawczy przykład C1 jest taki sam jak przykład 1 lub 2, ale bez rozpylania wody. Wyniki przedstawiono w tablicy 1.

T a b l i c a 1

Wpływ rozpylania wody na swobodne włókna

Przykład	Elementy natryskowe	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	QFi (mm H2O)-1
1	Jeden	1,2	15,64	1,55
2	Dwa	1,56	5,86	1,82
C1	Brak	1,76	76,1	0,16

Dane z tablicy 1 wykazują, że natryskiwanie swobodnych włókien skuteczną ilością wody po wytłoczeniu, a przed zebraniem zwiększa znacznie QFi, co oznacza lepszą zdolność zebranej wstęgi do filtrowania cząstek ze strumienia powietrza. Wyniki te wykazują również, że dwa elementy natryskowe mogą być skuteczniejsze niż jeden.

P r z y k ł a d y 3-4

Następujące przykłady przedstawiają korzystny wpływ na QFi stosowania Chimassorb™944 jako dodatku do polimeru. Stężenie Chimassorb™944 podano w tablicy 2 jako procent wagowy polimeru. Natryskiwanie wodą przeprowadzano jak opisano w przykładzie 1 z tym wyjątkiem, że ciśnienie wody na kołpaku płynowym wynosiło 138 kPa (20 psi), a ciśnienie powietrza na kołpaku powietrznym wynosiło 414 kPa (60 psi). Zmniejszenie ciśnienia wody zmniejszało całkowitą objętość wody na wstędze do wartości mniejszej niż w przykładzie 1. Ciepło z włókien powodowało odparowanie części wody przed zebraniem, tak że zebrana włókninowa wstęga była tylko wilgotna.

Wodę usuwano z próbek z przykładów 3-4 przez suszenie w piecu. Piec ten zawierał dwa perforowane bębny. Ogrzane powietrze jest przeciągane przez wstęgę. Czas przebywania wstęgi w piecu wynosił 1,2 min przy temperaturze powietrza około 71,1°C (160°F). Piece tego rodzaju są dostępne z firmy Actec Mechninery Co., Ivyland, Pensylwania. Wyniki przedstawiono w tablicy 2.

T a b l i c a 2

Wpływ dodatku Chimassorb™944

Przykład	Stężenie Chimassorb™944	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	QFi (mm H2O)-1
3	0,0	1,5	66,1	0,28
4	0,5	1,8	47,0	0,42

Dane z tablicy 2 demonstrują polepszenie QFi osiągnięte przez dodanie Chimassorb™944 do materiału termoplastycznego. Stosowanie mniejszego ciśnienia wody powoduje osadzenie mniejszej ilości wody na włóknach i może zmniejszyć wydajność wyrobu mierzoną przez QFi, omówioną dalej w przykł adach 5-9 poniż ej.

PL 202 748 B1

P r z y k ł a d y 5-9

Następujące przykłady pokazują wpływ ciśnienia wody na współczynnik jakości. Natryskiwanie przeprowadzano jak opisano w przykładzie 1 za pomocą elementu natryskowego z kołpakiem płynowym i kołpakiem powietrznym, by rozpylać ciecz polarną. Ciśnienie powietrza na kołpaku powietrznym wynosiło 414 kPa (60 psi). Ciśnienie płynu na kołpaku płynowym podano w tablicy 3.

Dodatek Chimassorb™944 występował w ilości 0,5% wag. w stosunku do ciężaru polimeru. Wodę usuwano przez suszenie w piecu, jak omówiono w przykładach 3-4. Nadmiar wody usuwano ze wstęgi z przykładów 8-9 przez odsysanie wody przed suszeniem w piecu. Odsysanie wody przeprowadzano przez przepuszczanie wstęgi nad elementem podciśnieniowym, posiadającym szczelinę ssącą w połączeniu płynowym z komorą podciśnieniową. Szczeliny ssące miały szerokość około 6,35 mm (0,25) i długość 114,3 cm (45). W przykładzie 8 zastosowano pojedynczą szczelinę ssącą. W przykładzie 9 zastosowano dwie szczeliny ssące. Spadek ciśnienia na szczelinie przy przechodzeniu wstęgi wynosił 7,5 kPa (30 H2O). Wyniki przedstawiono w tablicy 3.

T a b l i c a 3 Wpływ ciśnienia wody

Przykład	Ciśnienie wody kPa (psi)	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	QFi (mm H2O)'1
5	138 (20)	1,8	47,0	0,42
6	414 (60)	2,2	27,5	0,59
7	552 (80)	1,7	19,6	0,96
8*	552 (80)	2,1	9,4	1,12
9*	552 (80)	2,0	9,8	1,19

* odsysanie próbek przed suszeniem w piecu

Dane w tablicy 3 pokazują, że zwiększenie ciśnienia powietrza powoduje zwiększenie współczynnika QFi. Przykłady 8 i 9 pokazują, że usuwanie nadmiaru wody przed suszeniem wstęgi może zwiększyć QFi.

P r z y k ł a d 10-17

Kolejne przykłady przedstawiają polepszenie współczynnika jakości wobec przykładów z tablicy 3 przez usunięcie kołpaków powietrznych z dysz natryskowych. Kołpaki powietrzne natryskową wodę. Usunięcie tych kołpaków powietrznych pozwala, by duże krople wody padały bezpośrednio na roztopiony polimer lub włókna, gdy wychodzą one z dyszy. Element natryskowy jest usytuowany w odległości 2,54 cm (1) za dyszą. Dodatek Chimassorb™944 był zawarty w ilości 0,5% wag. w stosunku do ciężaru polimeru. Stosowanie źródła podciśnienia z przykładu 8 zaznaczono w tablicy 4. Woda była usuwana przez suszenie w piecu, jak omówiono w przykładach 3-4.

T a b l i c a 4

Kołpaki rezonansowe usunięte

Przykład	Ciśnienie wody kPa (psi)	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	QFi (mm H2O) -1	Podciśnienie
10	276 (40)	1,8	21,7	0,85	Tak
11	276 (40)	1,9	17,9	0,91	Nie
12	414 (60)	2,0	20,1	0,80	Nie
13	414 (60)	1,9	18,4	0,89	Tak
14	552 (80)	1,8	13,6	1,11	Nie
15	552 (80)	1,9	12,8	1,08	Tak
16	689,4 (100)	1,8	11,0	1,23	Nie
17	689,4 (100)	2,0	9,5	1,18	Tak

Dane w tablicy 4 pokazują zwiększenie QFi, kiedy większe krople wody mogą padać na włókna, w porównaniu z wynikami w tablicy 3, kiedy kołpaki powietrzne są stosowane. Kiedy kołpaki powietrzPL 202 748 B1 ne są usunięte, wszelkie polepszenie QFi związane z odsysaniem było zmniejszone dla wszystkich próbek poza próbkami z przykładów 12 i 13.

P r z y k ł a d y 18-22

Następujące przykłady wykazują wpływ gramatury wstęgi na QFi. Próbki natryskiwano za pomocą elementu natryskowego z przykładu 1. Ciśnienie wody na kołpaku płynowym wynosiło 414 kPa (60 psi), a ciśnienie powietrza na kołpaku powietrznym wynosiło 276 kPa (40 psi). Wodę usuwano przez suszenie w piecu, jak opisano w przykładach 3-4. Dodatek Chimassorb™944 był stosowany w ilości 0,5% wag. w stosunku do ciężaru polimeru. Gramaturę podano w gramach na metr kwadratowy. Wyniki podano w tablicy 5.

T a b l i c a 5 Wpływ gramatury

Przykład	Dodana woda (%)	Gramatura (g/m2)	Grubość (mm)	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	QFi (mm H2O)1
18	59	25	0,51	0,69	21,4	2,24
19	130	50	0,94	1,81	4,5	1,71
20	134	100	1,7	2,82	0,8	1,71
21	131	150	2,6	3,79	0,1	1,85
22	143	200	3,3	5,21	0,025	1,59

Dane w tablicy 5 pokazują, że QFi przy gramaturach w zakresie 50-150 g/m² wydają się podobne. QFi wydaje się maleć przy gramaturze około 200 g/m2, a rośnie przy gramaturze 25 g/m². Taki widoczny wynik może być spowodowany przez spadek ciśnienia przy dużej i małej gramaturze.

P r z y k ł a d y 23-25

Następujące przykłady pokazują wpływ skutecznej średnicy włókna (EFD) na QFi. Element natryskowy miał konstrukcję opisaną w przykładach 18-22. Ciśnienie wody wynosiło około 414 kPa (60 psi), a ciśnienie powietrza około 276 kPa (40 psi). Wodę usuwaną przez suszenie w piecu, jak opisano w przykładach 3-4. Dodatek Chimassorb™944 był stosowany w ilości 0,5% wag. EFD podano w mikrometrach. Wyniki przedstawiono w tablicy 6.

T a b l i c a 6

Wpływ skutecznej średnicy włókien (EFD)

Przykład	EFD (μιΥ	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	QFi (mm H2O)1
23	8	1,81	17	1,71
24	10	1,51	4,4	2,07
25	12	1,25	7,3	2,10

Dane z tablicy 6 pokazują, że QFi rośnie wraz ze wzrostem skutecznej średnicy włókien.

P r z y k ł a d y 26-27

Następujące przykłady pokazują wpływ usytuowania elementu natryskowego na współczynnik jakości. Próbki w tych przykładach miały gramaturę 57 g/m². Próbki były natryskiwane za pomocą elementu natryskowego o konstrukcji z przykładu 1. Ciśnienie wody na kołpaku płynowym wynosiło 414 kPa (60 psi), a ciśnienie powietrza na kołpaku powietrznym wynosiło 276 kPa (40 psi). Wodę usuwano przez suszenie w piecu, jak podano w przykładach 3-4. Wyniki przedstawiono w tablicy 7. Usytuowanie odnosi się do wymiarów d i g z fig. 2.

PL 202 748 B1

T a b l i c a 7

Wpływ usytuowania elementu natryskowego

Przykład	Usytuowanie (cm)	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	QFi (mm H2O)1
26	15,24	1,54	11,2	1,42
27	5,08	1,59	8,5	1,55

Dane w tablicy 7 pokazują zwiększenie zdolności filtracyjnej, kiedy elementy natryskowe są usytuowane bliżej dyszy. Woda na zebranej wstędze z przykładu 26 stanowiła 59% wag. ciężaru wstęgi. Woda na zebranej wstędze w przykładzie 27 stanowiła 28% wag. ciężaru wstęgi. Ilość wody na wstędze w przykładzie 26 była większa niż ilość wody na wstędze w przykładzie 27 dzięki usytuowaniu elementów natryskowych.

P r z y k ł a d y 28-29

Następujące przykłady pokazują wpływ stosowania różnych żywic na współczynnik jakości. Oba przykłady wykorzystywały element natryskowy stosowany w przykładach 18-22, usytuowany w przybliżeniu 7,62 cm (3) za końcówką dyszy. W przykładzie 28 żywicą był poli-4-metylo-1-penten, dostępny z firmy Mitsui Petrochemical Industries, Tokio, Japonia jako TPX-MX002. Ciśnienie wody wynosiło 241,3 kPa (35 psi), a ciśnienie powietrza 276 kPa (40 psi). Dodatek Chimassorb™944 był dodawany przez pomocniczą wytłaczarkę do szóstej strefy głównej wytłaczarki, aby stanowił 0,5% wag. wytłaczanych włókien. W przykładzie 29 żywicą był termoplastyczny poliester z firmy Hoechst Celanese jako produkt nr 2002 (nr partii LJ30820501). Ciśnienie wody wynosiło 414,8 kPa (60 psi), a ciśnienie powietrza 206,8 kPa (30 psi). Dodatek Chimassorb™944 dodawano do głównej wytłaczarki w ilości 0,5% wag. wytłaczanych włókien. Wodę usuwano przez suszenie w piecu, jak opisano w przykładach 3-4. Wyniki przedstawiono w tablicy 8.

T a b l i c a 8 Wypływ żywicy

Przykład	Żywica	Przewodność żywicy	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	Gramatura (g/m2)	QFi (1TIIT1H2O)'1
28	Poli-4-metylo- -1-penten	<10'16	1,60	10	173	1,44
29	Poliester	10'14*	1,64	48,9	107	0,44

* szacunkowo

Dane z tablicy 8 pokazują, że według przedmiotowego wynalazku można stosować włókna z różnych nieprzewodzących żywic.

P r z y k ł a d 30

Przykład ten pokazuje, że według wynalazku można stosować dodatki polepszające ładowanie. Dodatek zastosowany w tym przykładzie w celu polepszenia ładowania jest opisany w przykładzie 22 patentu US 5.908.598. W szczególności N,N'-di(cykloheksylo)-heksametylenodiaminę przygotowano, jak opisano w patencie US 3.519.603.Następnie 2-(tert.-oktyloamino)4,6-dichloro-1,3,5-triazynę przygotowano, jak opisano w patencie US 4.297.492. Wreszcie przeprowadzono reakcję diaminy z dichlorotriazynową, opisaną w patencie US 4.492.791 (dalej związek triazynowy). Dodatek ten dodano w ilości 0,5% wag. materiału termoplastycznego. Inne warunki były zasadniczo takiej, jak opisano w przykładzie 1. Wodę usuwano przez suszenie w piecu, jak opisano w przykładach 3-4. Wyniki przedstawiono w tablicy 9.

T a b l i c a 9 Dodatek

Przykład	Dodatek	Spadek ciśnienia (mm H2O)	Penetracja (%)	Gramatura (g/m2)	QFi (1TIIT1H2O)'1
30	Związek triazynowy	1,65	37,1	62	0,60

Dane z tablicy 9 wykazują, że przy wytwarzaniu materiału elektretowego według wynalazku można stosować inne dodatki.

PL 202 748 B1

P r z y k ł a d 31

Polaryzację ładunku elektrycznego powodowano we wstęgach z przykładów 3 i 30 przez zwiększenie temperatury do 100°C, nadanie próbce biegunowości w obecności stałego pola elektrycznego Emaks=2,5 kV/mm przy 100°C przez czasy polaryzacji 10, 15 i 20 min oraz chłodzenie próbki do -50°C w obecności stałego pola elektrycznego. Polaryzacja ładunku uwięzionego została zamrożona we wstędze. Analiza cieplnie stymulowanego prądu rozładowania (TSDC) polega na podgrzaniu wstęgi elektretowej z powrotem tak, że zamrożony ładunek odzyskuje swą ruchliwość i przechodzi do stanu o niższej energii, wytwarzając przy tym wykrywalny zewnętrzny prąd rozładowania. Polaryzacja i późniejsze stymulowane cieplnie rozładowanie były przeprowadzane za pomocą urządzenia Solomat TSC/RMA model 91000 z przechylną elektrodą z firmy TherMold Partners, L.P., Thermal Analysis Instruments, Stamford, Connecticut. Po ochłodzeniu wstęgi z powrotem ogrzewano od około -50°C do 160°C z prędkością 3°C/min. Zewnętrzny prąd wytworzony mierzono w funkcji temperatury. Ilość uwolnionego ładunku otrzymano przez obliczenie powierzchni pod wierzchołkami rozładowania.

T a b l i c a 10

Zmierzona gęstość ładunku po spolaryzowaniu

Przykład	Wartość QFi (mm H2O)'1	Gęstość ładunku (μθ/m2)	Czas polaryzacji do maksymalnej gęstości ładunku (min)
3	0,28	1,87	ca. 13,5 min
30	0,60	3,50	ca. 15 min

Dane z tablicy 10 pokazują, że wstęgi naładowane według przedmiotowego wynalazku mają przypadkowo osadzony ładunek, kiedy wywoływana jest polaryzacja ładunku elektrycznego. Próbki były poprzednio badane bez poddawania ich polaryzacji w podwyższonej temperaturze. Przy przeprowadzaniu badania TSDC na tych próbkach nie wykryto żadnego znacznego sygnału. Ponieważ badanie TSDC było zauważalne tylko po wywołaniu polaryzacji ładunku elektrycznego, uważano, że próbki posiadają niespolaryzowany ładunek uwięziony.

Niniejszy opis powołuje się w całości na wszystkie patenty i zgłoszenia patentowe wymienione powyżej, łącznie z omówionymi w stanie techniki.

Przedmiotowy wynalazek można odpowiednio praktycznie realizować przy braku dowolnego elementu nieprzytoczonego dokładnie powyżej.

W opisanych powyżej przykładach realizacji można wprowadzać zmiany bez odchodzenia od zakresu wynalazku. Przedmiotowy wynalazek nie jest, zatem ograniczony do sposobów i konstrukcji opisanych powyżej, a tylko do elementów i etapów wymienionych w zastrzeżeniach patentowych oraz do równoważników takich elementów i etapów.

Claims (25)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania włókninowej wstęgi elektretowej, znamienny tym, że z nieprzewodzącego materiału polimerowego tworzącego włókna formuje się jedno lub wiele swobodnych włókien (24), następnie natryskuje się skuteczną ilość cieczy polarnej (32, 34) na swobodne włókna (24), po czym układa się włókninową wstęgę (25) poprzez zebranie natryskanych swobodnych włókien oraz suszy się swobodne włókna i/lub włókniny po natryskiwaniu i tworzy się włókninową wstęgę elektretową (39).
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że we włókninowej wstędze (25) przed wysuszeniem umieszcza się co najmniej część cieczy polarnej (32, 34).
3. 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że włókninową wstęgę (25) przed suszeniem nasyca się cieczą polarną (32, 34).
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się ciecz polarną zawierającą wodę.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się etap ładowania koronowego włókninowej wstęgi elektretowej (39).
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzy się włókninową wstęgę elektretową (39) z umieszczonym w niej trwałym ładunkiem elektretowym.

   PL 202 748 B1
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ż e tworzy się włókninową wstęgę elektretową (39) z umieszczonym w niej współczynnikiem początkowej jakości co najmniej 0,9 (mm H₂O)^-1.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że tworzy się włókninową wstęgę elektretową (39) z umieszczonym w niej współczynnikiem początkowej jakości co najmniej 1,0 (mm H₂O)^-1.
9. 9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nieprzewodzący materiał polimerowy tworzący włókna jest pozbawiany neutralizowanych jonów metalu kopolimerów etylenu z kwasem akrylowym i/lub metakrylowym.
10. 10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że we włókninowej wstędze (25) umieszcza się mikrowłókna.
11. 11. Sposób według zastrz. 1 albo 11, znamienny tym, że swobodne włókna (24) wytwarza się przez wytłaczanie materiału tworzącego włókna w strumień gazowy o dużej prędkości.
12. 12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że swobodne włókna (24) podczas natryskiwania cieczy polarnej znajdują się w stanie roztopionym lub pół-roztopionym.
13. 13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że swobodne włókna (24) natryskuje się rozpyloną cieczą polarną i/lub ciągłym strumieniem cieczy polarnej.
14. 14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w swobodnych włóknach (24) umieszcza się dodatek polepszający działanie wobec mgły olejowej.
15. 15. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że włókna we włókninowej wstędze elektretowej (39) poddaje się działaniu związkiem fluorochemicznym.
16. 16. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ciecz polarną (32, 34) natryskuje się pod ciśnieniem 30 kPa lub większym.
17. 17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że włókninową wstęgę (25) suszy się biernie powietrzem.
18. 18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że na etapie suszenia, suszy się włókninową wstęgę przez wystawienie jej na działanie ciepła i/lub suszy się włókninową wstęgę przez wystawienie jej na działanie statycznego podciśnienia i/lub suszy się włókninową wstęgę przez wystawienie jej na działanie strumienia ogrzanego gazu suszącego i/lub suszy się przez mechaniczne usuwanie cieczy polarnej, po czym następnie wystawia się na działanie ciepła i/lub suszy się wstęgę przez wystawienie jej na działanie statycznego podciśnienia, po czym wstęgę wystawia się na działanie strumienia ogrzanego gazu.
19. 19. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że we włóknach polimerowych jest stosowany polipropylen i/lub poli-4-metylo-1-penten.
20. 20. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się ciecz polarną (32, 34) w postaci cieczy wodnej.
21. 21. Urządzenie do nadawania ładunku elektrycznego swobodnym włóknom, znamienne tym, że obejmuje urządzenie tworzące włókna, mechanizm natryskowy (28), kolektor (26) zbierający swobodne włókna po natryskaniu oraz mechanizm suszący (38).
22. 22. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że urządzeniem tworzącym włókna jest wytłaczarka.
23. 23. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że obejmuje mechanizm do wytwarzania gazowego strumienia o dużej gęstości do kierowania strumienia swobodnych włókien do kolektora (26).
24. 24. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że mechanizm natryskowy (28) rozpyla pod ciśnieniem 500-800 kPa.
25. 25. Urządzenie według zastrz. 21, znamienne tym, że mechanizm suszący (38) obejmuje źródło podciśnienia.