TWI629386B - 使用含策略成形纖維及/或電荷控制劑的纖維共混物的過濾材料 - Google Patents

使用含策略成形纖維及/或電荷控制劑的纖維共混物的過濾材料 Download PDF

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Abstract

一種過濾材料，包括至少四種特徵的纖維的共混物，所述纖維由圓形、扁平形、狗骨形、橢圓形或菜豆形在0.08至3.3 Dtex範圍內的任何尺寸的聚丙烯纖維及丙烯腈纖維(acrylic fibers)組成。在一個優選實施方案中，共混物含有約50重量%聚丙烯纖維及約50重量%丙烯腈纖維。可在聚丙烯與丙烯腈纖維之比在90:10至10:90範圍內共混纖維。該形狀包含25重量%至少一種選自以下的形狀：圓形、扁平形、橢圓形、狗骨形及菜豆形中的一種或多種。纖維尺寸包含25重量%的至少一種介於0.08至3.3 Detx之間的尺寸。摻入到該等特殊共混物中的駐極體纖維將具有0.02至33重量%的電荷控制劑。在一個優選實施方案中，選擇的電荷控制劑為0.02至50重量%。該等纖維可用於透過電暈充電或摩擦帶電方法製備駐極體材料。

Description

使用含策略成形纖維及/或電荷控制劑的纖維共混物的過濾材料 相關申請案的引用
本申請案要求於2010年10月25日提交的美國臨時申請案第61/406,301號的權益。該在先申請案特此透過引用結合于本文中。
關於聯邦政府資助的研究及開發的聲明
(不適用)
附錄引用
(不適用)
本發明係關於用於氣體過濾的靜電過濾介質，更具體而言，涉及含有及不含有電荷控制劑的不同截面形狀的合成纖維介質的不同組合，以及涉及製備纖維的方法。
過濾行業中已知多種纖維可形成在纖維之間具有彎曲通道的網或其它無紡結構，使氣體(例如空氣)穿過該彎曲通道從氣流中除去顆粒物質。由於顆粒相對於通道直徑的尺寸，在流過網中通道的氣體中的顆粒物質被截畱在網的上遊一側或網的彎曲通道中。
合成纖維以多種截面形狀存在，包括但不限於圓形、扁平形、三葉形、菜豆形、狗骨形、蝶形、帶形、4DG(沿纖維長度的複數個溝槽)、中空形、鞘芯形、並排形、餡餅楔形、偏心鞘芯形、島形及三島形(three island)。已知使各種纖維共混物帶靜電，以進一步透過纖維及顆粒之間的靜電吸引來截畱顆粒物質。該等共混物及其它過濾改進示於Auger的美國專利第6,328,788號、Brown的美國專利第4,798,850號、Morweiser等的美國專利第5,470,485號及Haskett的美國專利第5,792,242號，它們全部透過引用結合到本文中。
靜電(“駐極體”)過濾介質具有增加的效率，而不需要增加其推動空氣透過過濾介質所用的力的量。介質的“壓降”是壓力從介質的上遊一側到下遊一側的減少。越難迫使空氣透過介質，壓降就越大，用以迫使空氣透過介質的能量就越大。因此，減少壓降通常是有利的。
帶靜電介質用於許多不同應用及許多不同過濾器中。施加靜電荷是透過氧化處理纖維，例如藉由使纖維穿過電暈，或者藉由摩擦帶電，這是一種接觸起電類型，其中特定的材料在其與不同材料接觸(例如藉由摩擦)且接著分開後變得帶電。所產生電荷的極性及強度取決於材料、表面粗糙度、溫度、應變及其他性質而不同。該等靜電荷趨於隨時間消散，且這導致從空氣流中除去顆粒的效率降低。特別地，除去小顆粒(小於10微米)的效率隨電荷消散而降低。
目前，被動式靜電過濾器介質工作主要基於的原理是來自經過纖維的空氣的摩擦及聚合物自身的固有靜電性。靜電起電並非僅因撞擊固體表面的氣流引起。在許多情況下，通常具有直徑約0.01英吋的織造單絲的聚丙烯蜂窩狀網用於不同層，或者與亦具有固有靜電荷的聚氨酯泡沫或高膨松性聚酯(loft polyester)聯合使用。在更有效帶靜電荷的纖維過濾器中，各纖維具有正電荷及負電荷二者。該等纖維尺寸為1至30旦，或者直徑為約0.00049至0.00268英吋。通常該等類型的纖維比一次性類型的更昂貴，在居住用供暖、通風及空調(HVAC)單元中持續約三個月。已知該等駐極體過濾器的效率極好，具有約34%至40%比色法(dust spot)效率。
電荷控制劑已用於控制成像應用例如靜電複印及靜電印刷(Xerographic)(電子照相)製程中的靜電荷。正電荷控制劑及負電荷控制劑、電荷引導劑、電荷添加劑、電荷佐劑、兩性離子材料、極性添加劑、介電物質及導電性供給劑(ECPA)，全部稱為電荷控制劑(CCA)，並已知以在某些材料上的某些CCA的方式用於以下應用：粉末調色劑、粉末涂料或粉末電子照相調色劑、液體調色劑、液體顯像劑、可帶電調色劑、電子照相記錄(electrophotographic recording)、粉末塗料(powder paint)、顯像調色劑、靜電複印、駐極體纖維材料、電泳圖像顯示、脈衝式噴墨印刷、可噴塗的粉末涂料及靜電影像顯像劑。
先前技術的過濾材料為多種環境提供充分的過濾。然而，在必須長期保留靜電荷的情況下，或者在滲透透過過濾材料必須低於特定百分比的情況下，現有技術並不滿足，或者昂貴得阻礙生產。因此，存在以可行的生產成本提供所需性能的過濾材料的需要。
氣體過濾介質效率的改進藉由形成獨特且有利的截面形狀的過濾介質纖維而實現。此外，公開了具有特定截面形狀及電荷控制劑的纖維的獨特且有利的組合。此外，本文公開了製備纖維的新方法及具有電荷控制劑的纖維。更進一步地，公開了先前未知的用於過濾介質的電荷控制劑。
本發明藉由增強的帶電修飾及藉由組合不同尺寸及形狀的纖維來提高過濾介質的總體效率。本發明一部分在於優化纖維的尺寸及形狀，以優化藉由效率測量的性能。本發明提供介質生產及該等介質的荷電率的若干不同進步、基於靜電技術的效率的提高以及增強介質電荷及效率的若干不同方法。藉由摻雜聚合物並將該等聚合物引入靜電場中所產生的新的改性材料得到提高的空氣過濾效率。
本申請人透過引用將以下美國專利結合到本文中：5,563,016、5,069,994、5,021,473、5,147,748、5,502,118、5,501,934、5,693,445、5,783,346、5,482,741、5,518,852、5,800,602、5,585,216、4,404,270、4,206,064、5,318,883、5,612,161、5,681,680、5,061,585、4,840,864、5,192,637、4,833,060、4,394,430、5,935,754、5,952,145、5,750,306、5,714,296、5,525,450、5,525,448、4,707,429、5,045,425、5,069,995、4,760,009、5,034,299、5,028,508、5,573,882、5,030,535、5,026,621、5,364,729、5,407,775、5,549,007、5,484,679、5,409,796、5,411,834、5,308,731、5,476,743、5,445,911、5,035,972、5,306,591、5,407,774、5,346,796、5,393,635、4,496,643、4,977,056、5,051,330、5,266,435、5,411,576、5,645,627、5,558,809、5,935,303、6,102,457、6,162,535、6,444,312、6,780,226、6,802,315、6,808,551、6,858,551、6,893,990、6,926,961、7,498,699、7,666,931，且本申請人還透過引用將歐洲申請案公開號EP-A-0 347 695結合到本文中。
在描述附圖中所示本發明的優選實施方案時，為清楚之目的而使用特定術語。然而，本發明並非旨在受如此選擇的特定術語的限制，而應當理解為各特定術語包括以類似方式起作用實現類似目的的所有技術等價物。例如，經常使用單詞連接及其類似術語。它們不限於直接連接，而且包括藉由其他元件的連接，其中這樣的連接被本領域技術人員認為是等價的。
透過引用將美國臨時專利申請序列號61/406,301結合到本文中。
藉由混合或摻雜電荷控制劑(CCA)到纖維中或者用CCA塗布介質中所用纖維或材料的表面，在空氣過濾器介質中提供纖維上的永久電荷。除了下文另外描述的之外，依據本發明以常規方式將CCA添加到纖維中。例如，將CCA添加到聚丙烯纖維中是藉由將粒子形式(粉末及/或顆粒)的CCA在即將押出熔體前加入到熔體中並充分混合來完成。因此，在押出後的纖維表面上，某種程度地存在懸浮及適當分佈在熔體中的CCA粒子。
本發明提供一種新的增強纖維荷電率的方法。本發明之目的在於不僅在纖維表面上誘導電荷場，而且在纖維表面之下提供靜電荷。本發明在一個實施方案中藉由將約0.1至50%(以材料重量計)CCA加入到聚合物纖維中來實現該目。例如，當熔化熔點高於聚合物熔點的CCA時，引入微米尺寸的粉末，在大多數情況下，10至20%的粉末到達表面，畱下80至90%的粉末在表面之下。該增強電荷的方法可用於大多數當今所用的過濾介質中。
CCA透過粒子的摩擦起電或電暈起電起作用，且當CCA在纖維外側時，CCA的作用較為優良。作為完成纖維的重量百分數，CCA粒子的優選濃度為約0.02%至約50%，更優選的濃度為約0.1%至約40%，最優選的濃度為約0.3%至約10%。
適合用於帶電的用於過濾介質的一些聚合物纖維包括聚丙烯、聚酯類、聚乙烯及交聯聚乙烯、聚碳酸酯類、聚丙烯酸酯類、聚丙烯腈類、聚反丁烯二腈(polyfumaronitrile)、聚苯乙烯類、苯乙烯順丁烯二酸酐(styrene maleic anhydride)、聚甲基戊烯、環烯屬共聚物(cyclo-olefinic copolymer)或氟化聚合物、聚四氟乙烯、全氟乙烯及六氟丙烯，或者如P(VDF-TrFE)的含PVDF的共聚物或如P(VDF-TrFE-CFE)的三元共聚物。丙烯、聚酰亞胺類、聚醚酮類、纖維素酯、尼龍及聚酰胺類。聚甲基丙烯酸類(Polymethacrylic)、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲醛(polyoxymethylene)、聚磺酸鹽類(聚碸類,polysulfonates)、丙烯酸類、苯乙烯化丙烯酸類(styrenated acrylics)、預氧化丙烯酸類(pre-oxidized acrylic)、氟化丙烯酸類(fluorinated acrylic)、醋酸乙烯酯、丙烯酸乙烯酯、乙烯醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate)、苯乙烯-丁二烯、乙烯/氯乙烯、醋酸乙烯酯共聚物、膠乳、聚酯共聚物、羧化苯乙烯丙烯酸類(carboxylated styrene acrylic)或醋酸乙烯酯、環氧樹脂(epoxy)、丙烯酸共聚物(acrylic multipolymer)、酚(醛)類樹脂(phenolic)、聚氨酯。
混合到過濾介質中的一種或多種不同纖維可含有電荷控制劑。這可以是介質中的不同組成的一種纖維、兩種纖維、三種纖維、四種纖維、五種纖維或六種纖維，其部分或全部含有CCA。該等CCA包括但不限於鋁或鎂的金屬鹽、鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate)、鈮酸鉀、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鎢酸鈉、不飽和羧酸或其衍生物、不飽和環氧單體或矽烷單體、順丁烯二酸酐(馬來酐,maleic anhydride)、單偶氮金屬化合物、丙烯酸烷基酯單體、甲基丙烯酸烷基酯單體、聚四氟乙烯、亞烷基(烯基，alkylene)、亞芳基、亞芳基二亞烷基(arylenedialkylene)、亞烷基二亞芳基(alkylenediarylene)、氧二亞烷基(oxydialkylene)或氧二亞芳基(oxydiarylene)、聚丙烯酸及聚甲基丙烯酸化合物、有機鈦酸鹽、季鏻三鹵鋅酸鹽類(quaternary phosphonium trihalozincate salts)、有機矽酮絡合物、二羧酸化合物、環化聚醚或非環化聚醚及環糊精、胺衍生物的絡鹽化合物(complex salt compound)、二特丁基水楊酸(ditertbutylsalicylic acid)、四苯基硼酸鉀、二硼酸鉀、磺胺類及金屬鹽類、環烷基、用選自由二甲基矽油化合物組成的群組中的矽烷偶聯劑處理的氧化鋁粒子、偶氮染料、鄰苯二甲酸酯、季銨鹽、咔唑、二銨及三銨、疏水性二氧化矽及氧化鐵，苯基、取代的苯基、萘基、取代的萘基、噻吩基、烯基及烷基銨絡鹽化合物，磺基琥珀酸二辛酯鈉及苯甲酸鈉，鋅絡合物，雲母，單烷基及二烷基氧化錫及氨基甲酸乙酯(urethane)化合物，水楊酸化合物(salicylic acid compound)的金屬絡合物，噁唑烷酮類(oxazolidinones)、派嗪類或全氟化烷烴，lecigran MT，尼格羅黑(苯胺黑，nigrosine,)，氣相二氧化矽，碳黑，對三氟甲基苯甲酸及鄰氟苯甲酸，聚(苯乙烯共甲苯磺酸乙烯基吡啶鎓)(poly(styrene-co-vinylpyridinium toluene sulfonate))，甲基或丁基三苯基絡合芳香胺類，三苯基胺染料及吖嗪染料(azine dyes)，烷基二甲基苄基銨鹽類。
電荷引導劑(charge director)選自由以下組成的群組中：卵磷脂、鹼性石油磺酸鋇(barium petronate)及石油磺酸鈣(calcium petronate)、磺酸鹽化合物、十二烷基苯磺酸的異丙胺鹽或二乙基氯化銨及十二烷基苯磺酸異丙醇胺鹽、季銨化的AB二嵌段共聚物(quaternized ammonium AB diblock copolymer,polyacrylic acid)、聚丙烯酸、碳化矽、PTFE粒子、氧化鋁、交聯聚甲基丙烯酸酯樹脂(cross linked polymethacrylate resin)、二氧化矽丙烯酸酯絡合物(silica acrylate complex)、聚丙烯酸及無定形二氧化矽。2-乙基己酸釔(III)(Yttrium(III) 2-ethylhexanoate)、乙酰丙酮酸釔(III)水合物(Yttrium(III) acetylacetonate hydrate)、三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)釔(III)(Yttrium(III) tris(2,2,6,6-tetramethy-3,5-heptanedionate))或三(2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酸)鈧(III)水合物(Scandium(III) tris(2,2,6,6-tetramethy-3,5-heptanedionate) hydrate)，芳香羧酸諸如水楊酸、烷基水楊酸、二烷基水楊酸、萘甲酸及二羧酸的鈧、釔、鑥(Lutetium)及鐒(Lawrencium)金屬化合物，偶氮染料及偶氮顏料的金屬鹽及金屬絡合物，在側鏈位置上具有磺酸基或羧酸基的高分子化合物，硼化合物，脲化合物，矽化合物及杯芳烴(calixarene)。
正型電荷控制劑可透過以下物質例示：季銨鹽，在側鏈位置上具有季銨鹽的高分子化合物，胍化合物，苯胺黑化合物(nigrosin compounds)及咪唑化合物，具有羧基或含氮基團的有機化合物的金屬絡合物，金屬化染料，苯胺黑(nigrosin)及電荷控制樹脂，醌化合物(例如對苯醌、氯醌(chloranil)、溴醌(bromanil)及蒽醌(anthraquinone))，四氰基醌二甲烷化合物(tetracyanoquinodimethane compounds)，芴酮化合物(fluorenone compounds)(例如2,4,7-三硝基芴酮(2,4,7-trinitroflurenone))，呫噸酮(夾氧雜蒽酮，xanthone)化合物，二苯酮化合物，氰基乙烯基化合物(cyanovinyl compounds)及烯屬化合物(ethylenic compounds)，電子空穴傳輸化合物例如三芳基胺化合物(triarylamine compounds)，聯苯胺化合物(benzidine compounds)，芳基烷烴化合物，芳基取代乙烯化合物，均二苯乙烯化合物(stilbene compounds)，蒽化合物及腙化合物，羧基或其鹽、苯基或其鹽、苯硫基或其鹽以及磺基或其鹽，無機粒子包括二氧化矽(矽石)、鋁氧化物(氧化鋁)、氧化鈦、氧化鋅、氧化錫、鈦酸鋇及鈦酸鍶釔(strontium titanate yttrium)及硬脂酸、硬脂酸及鋁、聚(N-乙烯基咔唑)及聚矽烷、芳香羥基羧酸及鈣化合物、鋁或鎂的脂肪酸金屬鹽、芴酮化合物、醌化合物、烷基水楊酸衍生物、為具有羧基的烷基酚衍生物的鋅化(zincify)烷基水楊酸衍生物的化合物。
蠟的實例包括但不限於本文所列的那些，且包括聚烯烴類，例如聚乙烯類等，例如Allied Chemical an d Baker Petrolite Corporation及Daniels Products Company市售的那些、Eastman Chemical Products、Inc.市售的Epolene N-15.TM。
功能化蠟的實例包括：胺類、酰胺類，例如Micro Powder Inc.市售的Aqua Superslip 6550、Superslip 6530；氟化蠟類例如Micro Powder Inc.市售的Polyfluo 190、Polyfluo 200、Polyfluo 523XF、Aqua Polyfluo 411、Aqua Polysilk 19、Polysilk 14；混合氟化酰胺蠟類，例如同樣由Micro Powder Inc.市售的Microspersion 19；酰亞胺類、酯類、季胺類、羧酸類或丙烯酸聚合物乳液，例如全部由SC Johnson Wax市售的Joncryl 74、89、130、537及538；Allied Chemical、Petrolite Corporation及SC Johnson Wax市售的氯化聚乙烯類。可任選分餾或蒸餾這樣的蠟，以提供符合粘度及/或溫度標準的特定餾成(或切分，cuts)，其中粘度上限為10,000 cps，溫度上限為100℃。
天然酯蠟由以下例示：小燭樹蠟(candelilla wax)，如地蠟(ozokerite,)、純地蠟(ceresin)、米蠟(rice wax)、日本蠟(Japanese wax)、霍霍巴油(或希蒙得木油，jojoba oil)、蜂蠟、羊毛脂、蓖麻蠟(castor wax)、褐煤蠟(或蒙旦蠟，montan wax)及前述的衍生物。除了前述之外，改性蠟由以下例示：聚鏈烷酸酰胺類(乙二胺二山崳基酰胺，ethylenediamine dibehenylamide)、聚烷基酰胺類(三-苯六甲酸的三硬脂酰胺，tristearylamide of tri-mellitic acid)，及二烷基酮類、二硬脂基酮類，脂肪烴蠟例如低分子量聚乙烯類、低分子量聚丙烯類、低分子量烯烴共聚物類，微晶蠟類、石蠟類及費托蠟(Fischer-Tropsch蠟)類，脂肪烴蠟的氧化物類，例如氧化聚乙烯蠟，具有脂肪酸酯作為主要組分的蠟，例如脂肪烴型酯蠟，藉由脂肪酸酯部分或完全去酸化(deacidification)得到的蠟，例如去酸化(deacidified)巴西棕櫚蠟(或加拿巴蠟，carnauba wax),脂肪酸及多元醇的部分酯，例如山崳酸單甘油酯(monoglyceryl behenate)，及由植物油及脂的氫化得到的羥基官能甲基酯化合物。
合成酯蠟由從長直鏈飽和脂肪酸及長直鏈飽和醇合成的單酯蠟例示。所用長直鏈飽和脂肪酸優選表示為通式CnH2n+1COOH，其中n為約5至28。所用長直鏈飽和醇優選表示為通式CnH2n+1OH，其中n為約5至28。長直鏈飽和脂肪酸特別例示為辛酸、十一烷酸、月桂酸(或十二烷酸)、十三碳酸、肉豆蔻酸(或十四酸)、棕櫚酸(或十六烷酸)、十五烷酸、十七烷酸、十四烷酸、硬脂酸(或十八烷酸)、十九烷酸、花生酸(或二十烷酸)、山崳酸(或二十二烷酸，behenic acid)、木蠟酸(或二十四烷酸，lignoceric acid)、蠟酸(或二十四烷酸，lignoceric acid)、二十七烷酸、褐煤酸(montanic acid)及蜂花酸(或三十烷酸，melissic acid)。在每個分子中有兩個以上酯鍵的酯蠟例示為三羥甲基丙烷三山崳酸酯(trimethylolpropane tribehenate)、季戊四醇四山崳酸酯(pentaerythritol tetrabehenate)、季戊四醇二乙酸二山崳酸酯(pentaerythritol diacetate dibehenate)、甘油三山崳酸酯(glycerol tribehenate)、1,18-十八烷二醇二硬脂酸酯及多元烷醇酯類(三苯六甲酸三硬脂醇酯、馬來酸二硬脂醇酯(或順丁烯二酸二硬脂醇酯，distearyl maleate))。除了前述之外，改性蠟例示為多元烷酸酰胺類(乙二胺二山崳基酰胺(ethylenediamine dibehentlamide))、多烷基酰胺類(三苯六甲酸的三硬脂基酰胺(tristearylamide of tri-mellitic acid))及二烷基酮類、二硬脂基酮類、單偶氮染料的金屬絡鹽、硝基腐殖酸(nitrohumic)的金屬化合物及其鹽類、水楊酸、烷基水楊酸類、二烷基水楊酸類、萘甲酸、二羧酸類等，硼化合物、脲化合物、矽化合物、杯芳烴(calixarene)、磺化銅酞菁顏料、氯化石蠟、低分子量及高分子量氟化蠟類。
對於乾紡及濕紡丙烯腈纖維的特定捲曲及捲曲製程，還存在優點。在標準濕紡及乾紡丙烯腈纖維的製造過程中，利用所謂的“舌捲曲器(tongue crimper)”捲曲纖維(永久彎曲)。捲曲在纖維中形成彎曲，這使得纖維能夠基本上位於一個平面內。本文稱之為“二維”捲曲，因為，若放置在x-y-z軸上，這樣捲曲的纖維將基本上在x及y方向上延伸，而基本上不在z方向上延伸。例如，二維捲曲的濕紡丙烯腈纖維在x方向上延伸許多毫米及在y方向上延伸許多毫米。然而，二維捲曲的纖維在z方向上將僅延伸約一毫米以下。
在本發明的獨特捲曲方法中，發生新型的捲曲，其對過濾性能有顯著提高。具有蒸汽及高負壓的注射管以高速拉伸纖維材料。在該注射管的末端，材料由於沖擊力及負壓而有機會突然鬆馳。這具有的作用是，材料壓縮其自身並形成三維捲曲的纖維。三維捲曲纖維是在放置於x-y-z軸上時在所有三個方向上延伸相似數量級的纖維。因此，該等纖維可在x方向延伸8毫米、在y方向延伸15毫米及在z方向上延伸4毫米。當前製造具有三維捲曲的這樣的乾紡丙烯腈纖維產品，並以產品名DRALON X101出售。然而，就本申請人的知識而言，該等纖維常規不用於過濾應用，而僅用於地毯及織物應用。
本文用於過濾介質的三維捲曲纖維不僅需要較少的針刺以形成介質，而且有利地形成“開放”介質，藉此使更多空氣以較少阻力流動透過介質，從而以對氣流的較小阻力提供高效率過濾。總之，用這樣的纖維製造的過濾介質以低壓降實現高效率。
另一種涉及二維捲曲濕紡丙烯腈纖維的方法包括常規濕紡丙烯腈纖維製程的相同舌捲曲(tongue-crimping)過程，但具有不同。代替將常規表面活性劑及/或潤滑劑加入濕紡裝置的水中，該方法包括將特定有機蠟以約0.5%至約5.0%的所需百分比加入水中，以允許捲曲作用但不足以使纖維由於對纖維過多整理而起電進而不可用。纖維表面上有機蠟的百分比為約0.5%至約2%的成品纖維重量。畱在纖維上的有機蠟作為CCA起作用並提供優良的電荷穩定性。
下文測試比較各種纖維共混物及其性能差異。所有的測試在以下參數下進行(除1號測試之外)：
●測試的所有材料生產為70 g/平方米
●用以下粒徑進行分級效率(fractional efficiency)(測試)：0.3、0.5、5及10微米。
●測試粘度60 FPM
●用Chapman Corporation Voltmeter進行電壓測量
測試1是含有及不含CCA的聚丙烯及變性聚丙烯腈纖維(modacrylic fibers)的共混物的比較，以確定CCA對效率的影響。
配方A是聚丙烯及變性聚丙烯腈(modacrylic)的標準50/50混合物，具有作為CCA押出到聚丙烯纖維中的5%氣相二氧化矽。將3及2.5旦的纖維梳理在一起生產300克/平方米樣品。使材料摩擦帶電，在樣品卡上產生約1,100伏，並在30天後測量900伏的電荷狀態。維持正及負電荷兩種。
配方B由與配方A的介質相同的纖維組成，除了配方B中不摻有聚丙烯纖維。藉由TSI 8130於95 LPM進行測試。
0.1微米的帶電摻雜介質及帶電未摻雜介質的效率百分比
測試1顯示使用電荷控制劑可藉由提高滲透性而有助於靜電過濾器性能。
以下的測試2至7使用相同配方A介質，其使得能夠將該介質與許多其他介質比較並使其他介質能夠相互比較。
測試2是含有聚丙烯及聚丙烯腈纖維的纖維共混物的比較，其中配方A的纖維不含CCA，而配方B的纖維含有CCA。
配方A包括25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
配方AB包括25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%含有在捲曲纖維時施用的2%有機蠟的濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
使材料摩擦帶電至約1,400伏。在120天之後，測量電荷為正1,245至負-1,120伏。負及正電荷均遍及材料。藉由選擇電荷控制劑，實現積極效率，證明藉由使纖維帶電提高的效果。在0.3微米至10微米之間可見對於效率相當大的提高。測試2顯示含2%有機蠟的濕紡菜豆形纖維優於不含CCA的濕紡菜豆形纖維。
測試3與測試2類似，但是其中CCA在聚丙烯纖維上，而非聚丙烯腈纖維上。
配方A包括25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
配方AC包括25%含有2%非有機蠟的PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
使材料摩擦帶電至約1,500伏。在120天之後，測量電荷為正1,080至負-1,385伏。負及正電荷均遍及材料。藉由選擇電荷控制劑，實現積極效率，證明藉由使纖維帶電提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。測試3顯示將CCA加入圓形PP纖維介質中相比將CCA施用於聚丙烯腈纖維時產生更好的性能。
測試4類似於測試2，但是其中將CCA施用於狗骨形纖維而非測試2中的菜豆形纖維。
配方A包括25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
配方AD包括25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%含2%在捲曲纖維時施用的有機蠟的濕紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
形成纖維，其中在捲曲過程期間將蠟加到纖維的外部。使材料摩擦帶電至約1,700伏。在30天後，測量電荷為正1,200至負-1,645伏。負及正電荷均遍及材料。藉由選擇電荷控制劑加纖維形狀，實現積極效率，證明藉由使纖維帶電及纖維形狀提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。測試4顯示濕紡狗骨形纖維介質表現優於在兩種纖維外部具有有機蠟的濕紡菜豆形纖維介質。該測試還顯示，當加入CCA並仔細選擇纖維形狀時，影響性能多於當僅選擇纖維形狀時。
測試5比較當兩者均與成形聚丙烯腈纖維共混時使用成形聚丙烯纖維與使用圓形聚丙烯纖維的效果。
配方A包括25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
配方AE包括25%含有2%非有機蠟的PP狗骨形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
押出含加入的2%PVDF的標準PP纖維。使材料摩擦帶電至約1,800伏。在30天之後，測量電荷為正1,400至負-1,700伏。負及正電荷均遍及材料。
藉由2%電荷控制劑加選擇的纖維截面形狀，實現積極效率，由此證明藉由使纖維帶電及選擇纖維形狀提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。
藉由電荷控制劑加策略選擇的纖維形狀，實現積極效率，藉此證明藉由使纖維帶電及纖維形狀提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。測試5顯示，當兩者均將非有機蠟加入纖維中時，2.8 Dtex PP狗骨纖維介質表現優於2.8 Dtex圓形纖維。
測試6比較當成形聚丙烯腈纖維與圓形PP纖維混合並將CCA施用於PP纖維時CCA對於共混物的作用。
配方A為25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
配方AF為25%含2% PVDF的PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
使材料摩擦帶電至約1,800伏。在30天之後，測量電荷為正1,300至負-1,680伏。負及正電荷均遍及材料。
藉由選擇電荷控制劑，實現積極效率，藉此證明使纖維帶電提高的效果。在0.3至10微米之間可見效率相當大的提高。測試6顯示，含有2% PVDF的2.8 Dtex PP圓形纖維表現優於不含PVDF的2.8 Dtex圓形纖維。該測試還顯示，當將測試6結果與測試2、3、4及5比較時，PVDF表現優於蠟型CCA。
測試7測量相比於圓形PP纖維與成形聚丙烯腈纖維且不含CCA時，在圓形及成形PP纖維與成形聚丙烯腈纖維的共混物中加入CCA的效果。
配方A包括25% PP圓形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯脂纖維3.3 Dtex。
配方AG包括25%含2% PVDF的PP狗骨形纖維2.8 Dtex、25% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
以在捲曲製程期間將蠟加到纖維外部的方式紡纖維。使材料摩擦帶電至約1,900伏。在30天之後，測量電荷為正1,365至負-1,720伏，其中負及正電荷均遍及材料。
藉由選擇電荷控制劑及纖維形狀，實現積極效率，藉此證明藉由使纖維帶電及纖維形狀提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。
測試7顯示，含有2% PVDF的2.8 PP狗骨形纖維介質表現優於不含PVDF的2.8 PP圓形纖維，並優於其中僅使用含PVDF的圓形PP纖維的測試6。該測試還顯示，含有CCA PVDF的狗骨形纖維介質表現優於含或不含PVDF的標準圓形纖維。
測試8比較含有加入CCA的少量圓形PP纖維與較大量的成形PP纖維及成形聚丙烯腈纖維混合的共混物，以及不含CCA的相同共混物。
配方B包括10% PP圓形纖維1.4-1.7 Dtex、40% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
配方BA包括10%含2% PVDF的PP圓形纖維1.4-1.7 Dtex、40% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
使材料摩擦帶電至約2,000伏。在30天之後，測量電荷為正1,395至負-1,770伏，其中負及正電荷均遍及材料。
藉由選擇電荷控制劑加上纖維形狀及尺寸，實現積極效率，藉此證明藉由使纖維帶電、纖維形狀及尺寸提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。
測試8顯示，含PVDF的圓形微旦(micro denier)纖維表現優於不含PVDF的小纖維。少量的微纖維有助於性能。該測試顯示，微纖維有助於不含CCA的性能，而含PVDF的微纖維表現甚至更好。
測試9比較將CCA加入至主要為圓形PP纖維及成形聚丙烯腈纖維的共混物中的小部分成形PP纖維相比不含CCA而僅含PP纖維及成形聚丙烯腈纖維的相同共混物的作用。
配方B包括10% PP圓形纖維1.4-1.7 Dtex、40% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
配方BB包括10%含2% PVDF的PP狗骨形纖維1.4-1.7 Dtex、40% PP圓形纖維2.5 Dtex、25%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及25%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
使材料摩擦帶電至約2,400伏。在30天之後，測量電荷為正1,475至負-1,811伏，其中負及正電荷均遍及材料。
藉由選擇電荷控制劑加纖維形狀及尺寸，實現積極效率，證明藉由使纖維帶電、纖維的形狀及大小提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。
測試9顯示，將含PVDF的PP狗骨形小旦(small denier)纖維加入介質中使得介質表現優於不含PVDF的微纖維。另外，小量的狗骨形微纖維比圓形微纖維更有助於性能。
測試10測試與圓形PP纖維及成形聚丙烯腈纖維共混的少量成形PP纖維上的CCA是否相對於不含CCA而僅含圓形PP纖維的類似共混物提高性能。
配方C包括5% PP圓形纖維1.4-1.7 Dtex、45% PP圓形纖維2.5 Dtex、45%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及5%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維1.4-1.7 Dtex。
配方CA包括5%含2% PVDF的PP狗骨形纖維1.4至1.7 Dtex、45% PP圓形纖維2.5 Dtex、45%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及5%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維1.4-1.7 Dtex。
使材料摩擦帶電至約2,800伏。在30天之後，測量電荷為正1,695至負-2,160伏，其中負及正電荷均遍及材料。
藉由選擇電荷控制劑加纖維形狀及尺寸，實現積極效率，藉此證明藉由使纖維帶電、纖維形狀及尺寸提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。
測試10顯示，使用乾紡狗骨形纖維及PP狗骨形微纖維兩者顯示過濾器性能，而當將PVDF加入狗骨形PP纖維中時，顯示另外的顯著的性能提高。
測試11比較當成形及圓形PP纖維以及成形聚丙烯腈纖維的共混物將CCA加入到成形PP纖維及成形聚丙烯腈纖維中相比於二者均不加入CCA的圓形PP纖維及成形聚丙烯腈纖維的共混物的效果。
配方D包括5% PP圓形纖維1.4-1.7 Dtex、45% PP圓形纖維2.5 Dtex、45%濕紡菜豆形聚丙烯腈纖維2.2 Dtex及5%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維1.4-1.7 Dtex。
配方DA(優選共混物之一)包括22.5%含2% PVDF的PP狗骨形纖維2.8 Dtex、22.5%含2%非有機蠟的PP圓形纖維2.8 Dtex、5% PP狗骨形纖維1.4-1.7 Dtex、5%乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維1.4-1.7 Dtex、22.5%含2%有機蠟的濕紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex及22.5%含3維捲曲纖維的乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維3.3 Dtex。
使材料摩擦帶電至約2,600伏。在30天之後，測量電荷為正1,575至負-1,825伏，其中負及正電荷均遍及材料。
藉由選擇電荷控制劑加纖維形狀及尺寸，實現積極效率，藉此證明藉由使纖維帶電、纖維的形狀及大小提高的效果。在0.3至10微米之間可見對於效率相當大的提高。
測試11包括優選的共混物，並顯示組合先前10個測試中最好的，具有含CCA的PP狗骨形纖維、以及一些PP 2.5標準圓形纖維加乾紡狗骨形聚丙烯腈纖維以及在纖維外部具有CCA的濕紡狗骨形纖維加各5%的狗骨形PP纖維及PP上含有加入的CCA的聚丙烯腈微纖維，產生本發明預期的最佳性能的過濾介質。
從上文提供的測試，清楚的是，形狀及使用電荷控制劑的組合產生優良靜電性能的過濾介質，並證明本發明是新穎的。
與附圖結合的該詳細描述原則上旨在作為本發明當前優選實施方案的描述，且不旨在表示可構建或使用本發明的僅有形式。該描述結合闡述的實施方案示出實施本發明的設計、功能、裝置及方法。然而，應當理解，相同或等價的功能及特徵可透過以下不同實施方案来完成：其也旨在涵蓋在本發明的精神及範圍內，且可採用各種改變而不偏離下列權利要求的發明或範圍。
圖1是具有狗骨形截面的乾紡無鹵素聚丙烯腈纖維一端的放大照片。“狗骨”截面在本文中定義為具有相反兩端的狹長形狀，該相反兩端比在該兩端之間的中間區域寬，且該中間區域具有兩側均向內彎曲的頸縮形狀。
圖2是具有菜豆形截面的複數個纖維的放大照片。“菜豆”截面在本文中定義為具有相反兩端的狹長形狀，該相反兩端比該兩端之間的中間區域寬或大致同寬，且該中間區域具有僅一側實質上向內彎曲的頸縮形狀。
圖3是複數個具有狗骨形狀截面的濕紡聚丙烯腈纖維端部的放大照片。
圖4是顯示具有三維捲曲的複數簇纖維的照片。
圖5是顯示具有二維捲曲的複數簇纖維的照片。
圖6是是闡示比率的圖，在所述比率下，對透過兩種過濾介質的氣體流的抗性隨氣體在介質表面的速率增加而變化。

Claims (15)

  1. 一種無紡駐極體氣體過濾器介質，包括具有圓形截面的複數聚丙烯纖維、具有狗骨形截面的複數聚丙烯纖維且在至少一些具有狗骨形截面的聚丙烯纖維之外表面上係具有按該纖維重量計2%的PVDF、透過濕紡製程形成之具有非圓形截面的複數聚丙烯腈纖維、以及透過乾紡製程形成之具有狗骨形截面的複數聚丙烯腈纖維。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的過濾器介質，其中至少一些透過乾紡製程形成之聚丙烯腈纖維為3維捲曲的。
  3. 根據申請專利範圍第2項所述的過濾器介質，其中所述具有圓形截面的聚丙烯纖維在至少一些纖維之外表面上係具有按該纖維重量計0.5%至2%的蠟。
  4. 根據申請專利範圍第3項所述的過濾器介質，其中所述透過濕紡製程形成之聚丙烯腈纖維在至少一些纖維之外表面上係具有按該纖維重量計0.5%至2%的蠟。
  5. 根據申請專利範圍第2項所述的過濾器介質，其中聚丙烯纖維與丙烯腈纖維的比率範圍為90：10至10：90。
  6. 一種無紡駐極體氣體過濾器介質，包括22.5%之具有狗骨形截面的乾紡聚丙烯腈纖維，且所述纖維為3維捲曲的。
  7. 根據申請專利範圍第6項所述的過濾器介質，其中所述纖維更包括22.5%之具有狗骨形截面且在至少一些纖維外表面上具有按該纖維重量計2%的PVDF之聚丙烯纖維，以及22.5%之在至少一些纖維外表面上具有按該纖維重量計2%的蠟之圓形聚丙烯纖維。
  8. 一種製備用於無紡駐極體氣體過濾器介質的纖維的方法，所述方法包括：(a)濕紡複數聚丙烯腈纖維；(b)乾紡或濕紡複數聚丙烯纖維；(c)在步驟(b)期間，於壓出聚丙烯纖維之前以0.1%至50%重量的範圍添加PVDF，其中0.3%至10%重量的PVDF係留在至少一些聚丙烯纖維的外表面上；(d)使所述聚丙烯纖維帶電以形成帶電的聚丙烯纖維；以及(e)將濕紡的聚丙烯腈纖維與帶電的聚丙烯纖維共混，以形成該無紡駐極體氣體過濾器介質。
  9. 根據申請專利範圍第8項所述的方法，還包括在濕紡步驟期間添加蠟，其中0.5%至2%重量的蠟係留在至少一些聚丙烯腈纖維的外表面上。
  10. 根據申請專利範圍第8項所述的方法，其中至少一些的帶電聚丙烯纖維係具有狗骨形截面。
  11. 根據申請專利範圍第8項所述的方法，其中至少一些的聚丙烯腈纖維係具有狗骨形截面。
  12. 一種製備無紡駐極體氣體過濾器介質的方法，所述方法包括：(a)乾紡複數聚丙烯腈纖維；(b)三維捲曲所述纖維；及(c)由所述纖維形成無紡駐極體氣體過濾器介質；其中所述方法還包括將至少一些具有狗骨形截面的聚丙烯纖維與所述丙烯腈纖維共混的步驟。
  13. 一種製備無紡駐極體氣體過濾器介質的方法，所述方法包括：(a)乾紡複數聚丙烯腈纖維；(b)三維捲曲所述乾紡的聚丙烯腈纖維；(c)濕紡複數聚丙烯腈纖維；(d)將至少一些聚丙烯纖維與所述丙烯腈纖維共混；以及(e)組合所述三維捲曲的乾紡聚丙烯腈纖維、濕紡聚丙烯腈纖維及聚丙烯纖維以形成無紡駐極體氣體過濾器介質。
  14. 根據申請專利範圍第13項所述的方法，其中至少一些的聚丙烯纖維係具有狗骨形截面。
  15. 根據申請專利範圍第13項所述的方法，其中至少一些三維捲曲的乾紡聚丙烯腈纖維係具有狗骨形截面。
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