WO2009103674A1 - Kunststoffsubstrat mit einer innerhalb des substrats dispergierten elektretausrüstung - Google Patents

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Sylvia Klausnitzer
Yvonne Klawitter
Mathias Becker
Martin Klenke
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Definitions

  • the invention relates to a plastic substrate, a method for producing the plastic substrate and the use of the plastic substrate for the production of textiles and carpets, filters, for example for gas, air and liquid filtration or in cigarette filters, sensors, condenser microphones, data storage or membranes.
  • electret filters are usually produced in such a way that an electretable substance is applied to the carrier material, melted and charged in an electric field.
  • US 5,191,905 A a cigarette filter is known in which magnetic fibers and electret fibers are used for filtering fine dust.
  • US 5,162,608 A describes a pressure roller with an electret coating, which comes with a developer substance, containing magnetic particles, in contact.
  • US 4,258,730 A describes a jacket of a cigarette filter including a switch with an electret body and a magnetic body for improving the efficiency of the cigarette filter.
  • JP 08038934 A also relates to an air filter.
  • a mixture of different powders is poured into a container. This results in a very small contact surface of the electret material with the incoming air.
  • the magnetic and electret components act from different directions on the same particles to be filtered.
  • the electret materials known from the above prior art especially when present as fibers, can usually be charged with a voltage of at most 500V. Even with a slow degradation of the charge, these materials are therefore quickly ineffective.
  • meltblown fibers are relatively expensive.
  • polymers lose their surface charge too fast. So far, surfaces are usually charged via bar electrodes. A charge waste is accepted. It is therefore the object of the present invention to allow exposure of magnetic material or coated particles and electret material from the same spatial direction and to be able to charge the electret material with the highest possible voltage.
  • This object of the invention is achieved in a first embodiment by a plastic substrate having an electret component dispersed within the substrate, the particles having an inorganic coating and / or magnetic particles in an amount in a range of 0.01 to 6 wt.% And electret material in an amount ranging from 0.1 to 99% by weight each based on the substrate.
  • Plastic substrates in the context of the invention are, for example, one-dimensional, two-dimensional, three-dimensional bodies, such as, for example, casings, or molding compounds for producing these bodies.
  • the plastic substrate is fibers or films.
  • particularly efficient end products such as filters and condenser microphones can be produced.
  • High contents of particles in the plastic substrate according to the invention are particularly suitable for the production of electret membranes.
  • the plastic substrate according to the invention contains nonmagnetic particles with inorganic coating and / or magnetic particles in an amount in a range of 0.01 to 1% by weight and electret material in an amount in a range of 0.1 to 10% by weight.
  • Low levels of particles in the fiber of the present invention are particularly useful for textiles or to make filters such as air and liquid filters or cigarette filters, sensors, condenser microphones or data storage devices. It goes without saying that also the magnetic particles can be coated in the same way as the non-magnetic particles.
  • Magnetic particles according to the invention advantageously comprise those having a magnetic susceptibility at 25 0 C of at least 0.1 and higher, or at least -0.1 and less.
  • magnetic particles are understood as meaning particles which are diamagnetic, ferrimagnetic, paramagnetic, superparamagnetic, antiferromagnetic, or ferromagnetic, or have ferromagnetic domains, which are therefore ferromagnetic as such, but the magnetic moments of the domains Have different directions and thus cancel all or part, so that no or only a weaker magnetic moment is measurable to the outside.
  • Electret material according to the invention is an inorganic or organic material which is dielectric and may have a permanent electric dipole moment.
  • These may be, for example, polymers such as polytetrafluoroethylene,
  • the electret material is preferably selected from the group consisting of methylsiloxane, fluoroalkylsilane, fluoropolyurethane, fluoropolyacrylate, polytetrafluoroethylene, polytetrafluoroethylenepropylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, copolymers of these aforementioned polymers, silicon dioxide, silicon nitride, barium titanate or carnauba wax.
  • fluorine-containing or fluorine-free polymers such as Baygard AFF ® from Lanxess AG
  • fluorine-containing or fluorine-free acrylic polymers or copolymers such as DICRYLAN ® AC Huntsman Textile Effects
  • the ratio of width to length of the magnetic particles is preferably in a range of 0.5 to 2.
  • the magnetic particles have a higher mechanical stability than those having a more elongate shape such as fibers.
  • the average particle diameter of the magnetic particles and / or inorganic coating particles is preferably in a range of 5 to 60,000 nm, more preferably in a range of 5 to 50,000 nm, more preferably in a range of 5 to 500 nm, most preferably in one Range of 50 to 500 nm. This allows a more homogeneous distribution of the particles in the plastic substrate.
  • magnetic particles and / or nonmagnetic particles with inorganic coating are present in the plastic substrate in a range of 0.1 to 0.5 wt%.
  • the particles of electret material be present in a range of 0.6 to 3 wt% in the plastic substrate.
  • the advantage of this distribution is that the inorganic particles are largely isolated from each other by the polymer particles, which is guaranteed only with an excess of polymer. This achieves better charge retention and charge separation. Alternatively, both ingredients can also be used in higher concentrations.
  • the ferromagnetic particles are preferably made of a material selected from the group iron, cobalt, nickel, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4, CrO 2, barium ferrite, gadolinium, dysprosium, holmium, erbium, terbium, Al-Ni-Co alloy, Sm-Co alloy, Nd 2 Fe I4 B, Ni-Fe alloy , Ni-Cu-Co alloy, manganese arsenide, europium oxide, rare earth alloy, permalloy, silicon iron, Mn-Zn ferrite, supermalloy, barium oxide, Nd-Fe-B alloy or a mixture thereof.
  • the non-magnetic particles include, for example, in particular consist of layered silicates (s).
  • the particles used according to the invention are nonmagnetic.
  • the particles preferably consist of mica. The advantage of mica is that they are platelets. It is therefore effective the whole surface of the plate.
  • the inorganic coating in particular of the mica particles, advantageously has a layer thickness in a range of 1 to 200 nm, in particular in a range of 10 to 100 nm, very particularly preferably 12 to 30 nm.
  • the coating thickness is advantageously as small as possible.
  • the coating is then amorphous, resulting in better charge storage. In addition, less coating material is required thereby, whereby these particles can be produced more economically.
  • the inorganic coating preferably contains a material selected from the group consisting of antimony-doped tin oxide, silicon oxide, titanium dioxide or mixtures thereof. Particularly preferably, the coating consists of it. Very particularly preferably consists of A coating of antimony-doped tin oxide, a mixture of antimony-doped tin oxide and silicon oxide or a mixture of titanium dioxide, silicon oxide and antimony-doped tin oxide. These materials are semiconductors and can thereby bind dust particles by electrical forces of attraction. The coating achieves better charge retention.
  • Silica and tin oxide according to the invention comprises at least one of all known oxides of silicon or tin.
  • High levels of particles in the electret equipment according to the invention are particularly suitable for the production of electret membranes.
  • the weight ratio of electret material to magnetic particles and / or non-magnetic particles having an inorganic coating is advantageously at least 1.2: 1, since such a particularly good separation characteristics of dust can be realized.
  • the plastic substrate according to the invention comprises (optionally in addition to the particles and the electret material further) polymers, in particular thermoplastics and / or elastomers.
  • Thermoplastics for the purposes of the present invention include, for example, polyolefins, in particular polyethylene, polypropylene and copolymers thereof; Vinyl polymers, in particular polyvinyl alcohols and / or polyvinyl acetate; polyamides; Polyester; polyether; Polyacrylates, especially polymethylmethacrylate; polycarbonates; polyphenylene sulfide; polysulfones; polysiloxanes; so also polyurethanes and ionomers.
  • aqueous polymer dispersions such as acrylate, fluorocarbon resin, fluoropolymer or polyurethane dispersions, sol-gel systems, fluorine-containing binders, inorganic, organic and hybrid binders with magnetic and non-magnetic iron oxide particles of different sizes (about 30 nm - 20 microns) and composition (such as magnetite, elemental iron, ferrites, mixed oxides) and form are combined, with the choice of suitable components surface charges of over 200 kV / m 2 can be achieved.
  • the best result is achieved, for example, by a combination of fluorocarbon resin with coated mica particles.
  • the coating advantageously consists either of antimony-doped tin oxide, a mixture of antimony-doped tin oxide and silicon dioxide, or a mixture of titanium dioxide, silicon dioxide and antimony-doped tin oxide. Further mixtures are conceivable.
  • the substrates may be electrically charged, for example, via a bar electrode, corona charging or the like. The storage of the substrates, for example, in a plastic wrap. Previous experiments show a good long-term stability of surface charging.
  • the object underlying the invention is achieved by a method for producing a plastic substrate according to the invention, which is characterized in that one comprises a melt of plastic material, magnetic particles and / or particles with inorganic Coating and electret material processed to a plastic substrate in an electric field.
  • the processing into a plastic substrate takes place, for example, by spinning into fibers or extruding into films.
  • the method according to the invention makes it possible for the first time to position magnetic components and electret components within the plastic substrate (for example the fibers) in such a way that they can act on particles essentially from the same direction.
  • moving, electrically charged particles which thereby also receive a magnetic moment, can be attracted particularly effectively, since the electric field and the magnetic field can act from the same direction.
  • the fibers can be charged with particularly high electrical voltages.
  • the voltage is advantageously at least 0.5 kV, in particular the voltage is in a range of 1 to 1000 kV, in particular in a range of 10 to 50 kV.
  • the plastic substrate (for example fibers) produced in this way has a considerably improved charge retention compared with the prior art.
  • the plastic substrate may optionally contain conventional additives such as binders, dyes or similar components.
  • the magnetic particles and / or particles having an inorganic coating in the plastic substrate according to the invention are substantially embedded in the electret material.
  • the concrete advantage of embedding is that the particles are isolated from each other by the electret material, which is very important for the charge retention. Upon contact, the charge can drain.
  • the particles are if at least 80% of the surface of the particles with an inorganic coating, in particular at least 90 wt .-% of the particles with an inorganic coating to at least 50%, in particular at least 90% with electret in direct Standing in contact.
  • the aim of the invention is, for example, to transform an easily polarizable material by embedding particles of the invention in an electrostatically easily chargeable substrate.
  • the object underlying the invention is achieved by the use of the plastic substrates according to the invention, in particular fibers for the production of textiles and carpets, filters, for example for gas, air and liquid filtration or cigarette filters, sensors, condenser microphones, data storage or membranes.
  • the present invention is therefore primarily of interest to all air and dust filters to improve fine and particulate matter deposition.
  • plastic substrates according to the invention can also be used in other industries and applications, such as in condenser microphones (electret membranes), electrophotography, data storage and in medical prosthetics.
  • Example 5 99 parts by weight of a polypropylene melt from Aldrich, and 1 part by weight of a magnetic iron oxide pigment powder, magnetic pigment 345 BASF AG, particle size ⁇ 1 micron, were mixed at 190 0 C in an extruder and the melt blowing process to fibers with processed a mean diameter of about 2 microns to 5 microns.
  • the produced fibers could be charged via a beam electrode as described above.
  • Example 5
  • Part Minatec 30CM a mixture of titanium dioxide and silicon dioxide and antimony-doped zinc oxide having a particle size of 50 to 60 microns were mixed at 190 0 C in an extruder and over the melt blowing process into fibers with a mean diameter of about 2 microns to 5 microns processed.
  • the produced fibers could be charged via a beam electrode as described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kunststoffsubstrat, ein Verfahren zum Herstellen des Kunststoffsubstrats sowie die Verwendung des Kunststoffsubstrats zur Herstellung von Textilien und Teppichböden, Filtern, beispielsweise zur Gas-, Luft- und Flüssigkeitsfiltration oder in Zigarettenfiltern, Sensoren, Kondensatormikrofonen, Datenspeichern oder Membranen.

Description

KUNSTSTOFFSUBSTRAT MIT EINER INNERHALB DES SUBSTRATS DISPERGIERTEN ELEKTRETAUSRÜSTUNG
Die Erfindung betrifft ein Kunststoffsubstrat, ein Verfahren zum Herstellen des Kunststoffsubstrats sowie die Verwendung des Kunststoffsubstrats zur Herstellung von Textilien und Teppichböden, Filtern, beispielsweise zur Gas-, Luft- und Flüssigkeitsfiltration oder in Zigarettenfiltern, Sensoren, Kondensatormikrofonen, Datenspeichern oder Membranen.
Mathias Becker, „Neue ultradünne Polymerfasern und Kompositfasern durch Elektrospinnen und Coelektrospinnen von Polymerlösungen und Polymerschmelzen aus Einzel- und Mehrdüsenanordnungen", DER ANDERE VERLAG, Tönning, 2006 beschreibt das Grundprinzip des Spinnens von Kunststofffasern im elektrischen Feld. Insoweit wird auf diese Dissertation in vollem Umfang Bezug genommen.
Wie der DE 10 2004 060 593 Al entnommen werden kann, werden Elektretfilter üblicherweise so hergestellt, dass eine elektretfähige Substanz auf das Trägermaterial aufgebracht, aufgeschmolzen und in einem elektrischen Feld aufgeladen wird.
Aus der US 5,191,905 A ist ein Zigarettenfilter bekannt, in dem magnetische Fasern und Elektretfasern zum Filtern von Feinstaub genutzt werden. US 5,162,608 A beschreibt eine Druckwalze mit einer Elektretbeschichtung, die mit einer Entwicklersubstanz, magnetische Teilchen enthaltend, in Kontakt kommt.
US 4,258,730 A beschreibt eine Ummantelung eines Zigarettenfilters, die einen Schalter mit einem Elektretkörper und einem magnetischen Körper beinhaltet, zur Verbesserung der Effizienz des Zigarettenfilters.
Auch die JP 08038934 A betrifft einen Luftfilter. Bei diesem wird eine Mischung verschiedener Pulver in einen Behälter eingefüllt. Es entsteht dadurch eine sehr geringe Kontaktfläche des Elektretmaterials mit der einströmenden Luft.
In den meisten dieser Ausgestaltungsformen wirken die magnetischen und die Elektretkomponenten aus unterschiedlichen Richtungen auf dieselben zu filternden Partikel. Zudem können die aus dem obengenannten Stand der Technik bekannten Elektretmaterialien, gerade wenn sie als Fasern vorliegen, üblicherweise mit einer Spannung von höchstens 500 V aufgeladen werden. Selbst bei einem langsamen Abbau der Ladung werden diese Materialien deshalb schnell wirkungslos.
Die bekannten Meltblown-Fasern sind relativ teuer. Zudem verlieren Polymere ihre Oberflächenladung zu schnell. Bisher werden Oberflächen üblicherweise über Balkenelektroden aufgeladen. Ein Ladungsabfall wird dabei in Kauf genommen. Es ist also die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Einwirkung von magnetischem Material oder beschichteten Teilchen und Elektretmaterial aus derselben räumlichen Richtung zu ermöglichen und das Elektretmaterial mit einer möglichst hohen Spannung aufladen zu können.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch ein Kunststoffsubstrat mit einer innerhalb des Substrats dispergierten Elektretausrüstung, die Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung und/oder magnetische Teilchen in einer Menge in einem Bereich von 0,01 bis 6 Gew.% und Elektretmaterial in einer Menge in einem Bereich von 0,1 bis 99 Gew.% jeweils bezogen auf das Substrat enthält.
Kunststoffsubstrate im Sinne der Erfindung sind beispielsweise eindimensionale, zweidimensionale, dreidimensionale Körper, wie beispielsweise auch Gehäuse, oder Formmassen zur Herstellung dieser Körper.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Kunststoffsubstrat um Fasern oder um Folien. Dadurch können besonders effiziente Endprodukte wie Filter und Kondensatormikrofone erzeugt werden.
Hohe Gehalte an Teilchen in dem erfindungsgemäßen Kunststoffsubstrat sind besonders zur Herstellung von Elektretmembranen geeignet.
Vorteilhafterweise enthält das erfindungsgemäße Kunststoffsubstrat nichtmagnetische Teilchen mit anorganischer Beschichtung und/oder magnetische Teilchen in einer Menge in einem Bereich von 0,01 bis 1 Gew.% und Elektretmaterial in einer Menge in einem Bereich von 0,1 bis 10 Gew.%. Niedrige Gehalte an Teilchen in der erfindungsgemäßen Faser sind besonders für Textilien oder zur Herstellung von Filtern, beispielsweise Luft- und Flüssigkeitsfiltern oder Zigarettenfiltern, Sensoren, Kondensatormikrofonen oder Datenspeichern geeignet. Es versteht sich von selbst, dass auch die magnetischen Teilchen in gleicher Weise beschichtet sein können, wie die nichtmagnetischen Teilchen.
Magnetische Teilchen im Sinne der Erfindung umfassen vorteilhafterweise solche mit einer magnetischen Suszeptibilität bei 25 0C von wenigstens 0,1 und höher oder mindestens -0,1 und weniger. Unter magnetischen Teilchen im Sinne der Erfindung werden darüber hinaus Teilchen verstanden, die diamagnetisch, ferrimagnetisch, paramagnetisch, superparamagnetisch, antiferromagnetisch, oder ferromagnetisch sind, oder ferromagnetische Domains aufweisen, die zwar somit als solche für sich ferromagnetisch sind, wobei aber die magnetischen Momente der Domainen unterschiedliche Richtungen aufweisen und sich somit ganz oder teilweise aufheben, so dass nach Außen hin kein oder nur ein schwächeres magnetisches Moment messbar ist.
Elektretmaterial im Sinne der Erfindung ist ein anorganisches oder organisches Material, das dielektrisch ist und ein permanentes elektrisches Dipolmoment aufweisen kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um Polymere wie Polytetrafluorethylen,
Polytetrafluorethylenpropylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid und einige seiner Copolymeren handeln. Das Elektretmaterial ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe Methylsiloxan, Fluoralkylsilan, Fluorpolyurethan, Fluorpolyacrylat, Polytetrafluorethylen, Polytetrafluorethylenpropylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid, Copolymere dieser vorgenannten Polymere, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Bariumtitanat oder Carnaubawachs.
Ganz besonders bevorzugt umfasst das Elektretmaterial Fluor-haltige oder Fluor-freie Polymere, wie beispielsweise Baygard ÄFF® der Lanxess AG, Fluor-haltige oder Fluor-freie Acrylpolymere bzw. -copolymere, wie beispielsweise Dicrylan® AC der Firma Huntsman Textile Effects, Fluor- haltige oder Fluor-freie Polyurethane, wie beispielsweise Alberdingk® U2101 der Alberdingk Boley GmbH, Fluor-haltiges oder Fluor-freies Polyethylen, wie beispielsweise Permanol® HDL der Dick Peters B. V. oder Fluoralkylsilane oder deren Salze, wie beispielsweise Dynasilan® F8815 der Degussa AG.
Viele Partikel, die durch das vom Elektretmaterial aufgebaute elektrische Feld wandern, tragen eine elektrische Ladung. Wird eine elektrische Ladung bewegt, so wird neben dem elektrischen Feld ein magnetisches Feld erzeugt, welches mit dem Magnetfeld der magnetischen Teilchen (Pigmente) wechselwirken kann. So wird beispielsweise Feinstaub durch vorhandene magnetische Teilchen im Vergleich zu bekannten Filtermaterialien wesentlich effizienter abgeschieden. Das Verhältnis von Breite zu Länge der magnetischen Teilchen, das Aspektverhältnis, liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 bis 2. Dadurch weisen die magnetischen Teilchen eine höhere mechanische Stabilität auf, als solche Teilchen, die eine länglichere Form haben wie beispielsweise Fasern.
Der mittlere Teilchendurchmesser der magnetischen Teilchen und/oder Teilchen mit anorganischer Beschichtung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 5 bis 60000 nm, besonders bevorzugt in einem Bereich von 5 bis 50000 nm, insbesondere in einem Bereich von 5 bis 500 nm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 50 bis 500 nm. Dadurch ist eine homogenere Verteilung der Teilchen in dem Kunststoffsubstrat möglich.
Es ist besonders bevorzugt, wenn magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetische Teilchen mit anorganischer Beschichtung in dem Kunststoffsubstrat in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Gleichermaßen ist es besonders bevorzugt, wenn die Teilchen aus Elektretmaterial in einem Bereich von 0,6 bis 3 Gew.-% in dem Kunststoffsubstrat vorhanden sind. Der Vorteil dieser Verteilung ist, dass die anorganischen Partikel durch die Polymerpartikel voneinander weitgehend isoliert werden, was nur bei einem Überschuss von Polymer gewährleistet ist. Dadurch wird eine bessere Ladungserhaltung und Ladungstrennung erreicht. Alternativ können beide Inhaltsstoffe auch in höheren Konzentrationen eingesetzt werden.
Die ferromagnetischen Teilchen bestehen vorzugsweise aus einem Material, das ausgewählt ist aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel, Fe2O3, Fe3O4, CrO2, Bariumferrit, Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Terbium, Al-Ni-Co-Legierung, Sm-Co-Legierung, Nd2FeI4B, Ni- Fe-Legierung, Ni-Cu-Co-Legierung, Manganarsenid, Europiumoxid, Seltenerdenlegierung, Permalloy, Siliciumeisen, Mn-Zn-Ferrite, Supermalloy, Bariumoxid, Nd-Fe-B-Legierung oder einer Mischung derselben.
Die nichtmagnetischen Teilchen umfassen beispielsweise, insbesondere bestehen aus, Schichtsilikate(n). Zudem sind die erfindungsgemäß eingesetzten Teilchen nichtmagnetisch. Bevorzugt bestehen die Teilchen aus Glimmer. Der Vorteil von Glimmer ist, dass es sich hier um Plättchen handelt. Es ist daher die ganze Oberfläche des Plättchens wirksam.
Die anorganische Beschichtung insbesondere der Glimmerteilchen weist vorteilhafterweise eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 200 nm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 100 nm, ganz besonders bevorzugt 12 bis 30 nm auf. Die Beschichtungdicke ist vorteilhafterweise möglichst gering. Die Beschichtung ist dann amorph, was zu einer besseren Ladungsspeicherung führt. Zudem wird dadurch weniger Beschichtungsmaterial benötigt, wodurch diese Teilchen wirtschaftlicher hergestellt werden können.
Die anorganische Beschichtung enthält vorzugsweise ein Material ausgewählt aus der Gruppe Antimon-dotiertes Zinnoxid, Siliziumoxid, Titandioxid oder Mischungen derselben. Besonders bevorzugt besteht die Beschichtung daraus. Ganz besonders bevorzugt besteht die Beschichtung aus Antimon-dotiertem Zinnoxid, einem Gemisch aus Antimon-dotiertem Zinnoxid und Siliziumoxid oder einem Gemisch aus Titandioxid, Siliziumoxid und Antimon-dotiertem Zinnoxid. Diese Materialien sind Halbleiter und können dadurch Staubpartikel durch elektrische Anziehungskräfte binden. Durch die Beschichtung wird eine bessere Ladungserhaltung erreicht.
Siliziumoxid und Zinnoxid im Sinne der Erfindung umfasst mindestens eines aller bekannten Oxide von Silizium beziehungsweise Zinn.
Hohe Gehalte an Teilchen in der erfindungsgemäßen Elektretausrüstung sind besonders zur Herstellung von Elektretmembranen geeignet.
Das Gewichtsverhältnis von Elektretmaterial zu magnetischen Teilchen und/oder nichtmagnetischen Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung beträgt vorteilhafterweise mindestens 1,2 : 1, da so eine besonders gute Abscheidecharakteristik von Staub verwirklicht werden kann.
Das erfindungsgemäße Kunststoffsubstrat, insbesondere die Folie oder Faser, umfasst (ggf. neben den Teilchen und dem Elektretmaterial weitere) Polymere, insbesondere Thermoplaste und/oder Elastomere. Thermoplaste im Sinne der vorliegenden Erfindung umfassen beispielsweise Polyolefine, insbesondere Polyethylen, Polypropylen sowie deren Copolymere; Vinylpolymere, insbesondere Polyvinylalkohole und/oder Polyvinylacetat; Polyamide; Polyester; Polyether; Polyacrylate, insbesondere Polymethylmethacrylat; Polycarbonate; Polyphenylensulfid; Polysulfone; Polysiloxane; so auch Polyurethane und Ionomere.
So können bei der Erfindung (beispielsweise wässrige) Polymerdispersionen wie Acrylat-, Fluorcarbonharz-, Fluopolymer- oder Polyurethandisperionen, Sol-Gel-Systeme, Fluor-haltige Bindemittel, anorganische, organische und hybride Bindemittel mit magnetischen und nichtmagnetischen Eisenoxidpartikeln unterschiedlicher Größe (etwa 30 nm- 20 μm) und Zusammensetzung (wie Magnetit, elementares Eisen, Ferrite, Mischoxide) und Form kombiniert werden, wobei durch die Auswahl geeigneter Komponenten Oberflächenladungen von über 200 kV/m2 erreicht werden können. Das beste Ergebnis wird beispielsweise durch eine Kombination von Fluorcarbonharz mit beschichteten Glimmerpartikeln erreicht. Die Beschichtung besteht vorteilhafterweise entweder aus Antimon-dotiertem Zinnoxid, einem Gemisch aus Antimon-dotiertem Zinnoxid und Siliciumdioxid, oder einem Gemisch aus Titandioxid, Siliciumdioxid und Antimon-dotiertem Zinnoxid. Weitere Mischungen sind denkbar. Die Substrate können beispielsweise über eine Balken-Elektrode, Corona-Aufladung oder ähnliches elektrisch aufgeladen werden. Die Lagerung der Substrate erfolgt beispielsweise in einer Plastikhülle. Bisherige Versuche zeigen eine gute Langzeitstabilität der Oberflächenaufladung.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von einem erfindungsgemäßen Kunststoffsubstrat, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine Schmelze aus Kunststoffmaterial, magnetischen Teilchen und/oder Teilchen mit anorganischer Beschichtung und Elektretmaterial zu einem Kunststoffsubstrat in einem elektrischen Feld verarbeitet.
Die Verarbeitung zu einem Kunststoffsubstrat erfolgt beispielsweise durch Verspinnen zu Fasern oder Extrudieren zu Folien.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich im Unterschied zum Stand der Technik erstmals magnetische Komponenten und Elektretkomponenten innerhalb des Kunststoffsubstrats (beispielsweise der Fasern) erstmals so positionieren, dass sie im Wesentlichen aus derselben Richtung auf Partikel einwirken können. So können sich bewegende, elektrisch geladene Teilchen, welche dadurch auch ein magnetisches Moment erhalten, besonders effektiv angezogen werden, da das elektrische Feld und das magnetische Feld aus derselben Richtung einwirken können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich die Fasern mit besonders hohen elektrischen Spannungen aufladen. So beträgt die Spannung vorteilhafterweise mindestens 0,5 kV, insbesondere liegt die Spannung in einem Bereich von 1 bis 1000 kV, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 50 kV. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wurde weiterhin überraschenderweise gefunden, dass so hergestellte Kunststoffsubstrat (beispielsweise Fasern) eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserte Ladungserhaltung aufweisen.
In dem Kunststoffsubstrat (insbesondere der Faser) können gegebenenfalls übliche Additive wie Bindemittel, Farbstoffe oder ähnliche Bestandteile enthalten sein. Erfindungsgemäß sind die magnetischen Teilchen und/oder Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung in den erfindungsgemäßen Kunststoffsubstrat (insbesondere Fasern) im Wesentlichen in das Elektretmaterial eingebettet. Der konkrete Vorteil der Einbettung liegt darin, dass die Teilchen durch das Elektretmaterial voneinander isoliert werden, was für den Ladungserhalt sehr wichtig ist. Bei Kontakt kann die Ladung abfließen. Eingebettet im Sinne der Erfindung sind die Teilchen dann, wenn vorteilhafterweise mindestens 80 % der Oberfläche der Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung, insbesondere mindestens 90 Gew.-% der Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung zu mindestens 50 %, insbesondere mindestens 90 % mit Elektretmaterial in direktem Kontakt stehen.
Ziel der Erfindung ist es beispielsweise, ein leicht polarisierbares Material durch Einbettung von erfindungsgemäßen Teilchen in ein elektrostatisch leicht aufladbares Substrat zu transformieren.
Bei der Filtration von Luft durch Vlies- oder andere Filtermedien werden Staubpartikel an dem Filtermedium abgeschieden. Kleine und kleinste Partikel, Feinstaub und Nanopartikel passieren das Filtermedium jedoch oft ungehindert und werden somit nicht abgetrennt. Das erfindungsgemäße Ziel ist es also, auch diese Partikel abzuscheiden. Meist tragen die Staubpartikel entweder eine positive oder eine negative Ladung, was sich für die Staubabscheidung ausnutzen lässt. Bisher wird dies über die elektrische Aufladung von Beschichtungen des Filtermediums durchgeführt. Die vorliegende Erfindung nutzt genau diesen Effekt der Staubpartikel. So wird bei Glimmerpartikeln durch eine Beschichtung mit ATO (Antimon-dotiertes Zinnoxid) eine bessere Ladungserhaltung erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kunststoffsubstrate, insbesondere Fasern zur Herstellung von Textilien und Teppichen, Filtern, beispielsweise zur Gas- , Luft- und Flüssigkeitsfiltration oder in Zigarettenfiltern, Sensoren, Kondensatormikrofonen, Datenspeichern oder Membranen. Die vorliegende Erfindung ist daher in erster Linie für alle Luft- und Staubfilter interessant, um die Fein- und Feinststaubabscheidung zu verbessern. Generell können jedoch erfindungsgemäße Kunststoffsubstrate auch in anderen Industriezweigen und Anwendungen, wie in Kondensatormikrofonen (Elektretmembranen), Elektrofotografie, Datenspeicherung und in der medizinischen Prothetik eingesetzt werden.
Ausführunαsbeispiele:
Die beschriebenen Fasern befanden sich nach der Herstellung in direkter Nachbarschaft einer Balkenelektrode R23 ATR mit einem Hochspannungsgenerator KNH 124 der Eltex Elektrostatik GmbH mit einer Spannung von 20 kV, wodurch die Oberflächenladung induziert werden konnte. Beispiel 1 :
97 Gew. -Teile einer 20 %igen Lösung eines Polyamid 6, Ultramid B3® der BASF AG, in Ameisensäure und 2 Gew. -Teile wässrige Fluorpolymerdispersion Baygard ÄFF® der Lanxess AG wurden mit 1 Gew. -Teil einer ca. 20 %igen ethanolischen Dispersion des nichtmagnetischen Eisenoxidpigments der Bühler AG, Schweiz (V306 MP) mit einer Partikelgröße von ca. 30 nm gemischt. Die Mischung wurde durch elektrostatisches Spinnen aus einer Kanüle mit einem Innendurchmesser von 0,3 mm und einem Elektrodenabstand von 20 cm unter Anlegen einer Spannung von 30 kV zu ultradünnen Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 50 nm bis 100 nm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 2:
95 Gew. -Teile einer 20 %igen Lösung eines Polyamid 6, Ultramid B3® der BASF AG, in Ameisensäure und 4 Gew. -Teile wässrige Fluorpolymerdispersion Baygard ÄFF® der Lanxess AG wurden mit 1 Gew. -Teil einer ca. 20 %igen ethanolischen Dispersion des Magnetpigments der Bühler AG, Schweiz (V306 MP) mit einer Partikelgröße von ca. 30 nm gemischt. Die Mischung wurde durch elektrostatisches Spinnen aus einer Kanüle mit einem Innendurchmesser von 0,3 mm und einem Elektrodenabstand von 20 cm unter Anlegen einer Spannung von 30 kV zu ultradünnen Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 50 nm bis 100 nm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 3:
95 Gew. -Teile einer 20 %igen Lösung eines Polyamid 6, Ultramid B3® der BASF AG, in Ameisensäure und 4 Gew. -Teile wässrige Fluorpolymerdispersion Baygard ÄFF® der Lanxess AG wurden mit 1 Gew. -Teil Magnetpigment Ferronan 8500® der Firma Nano Chemonics mit einer Partikelgröße von ca. 20 bis 30 nm gemischt. Die Mischung wurde durch elektrostatisches Spinnen aus einer Kanüle mit einem Innendurchmesser von 0,3 mm und einem Elektrodenabstand von 20 cm unter Anlagen einer Spannung von 23 kV zu ultradünnen Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 50 nm bis 100 nm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 4:
99 Gew. -Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, und 1 Gew. -Teil eines magnetischen Eisenoxidpigmentpulvers, Magnetpigment 345 der BASF AG, Partikelgröße < 1 μm, wurden bei 190 0C in einem Extruder gemischt und über das melt blowing Verfahren zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 2 μm bis 5 μm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden. Beispiel 5:
98 Gew. -Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, 1 Gew.- Teil der mikronisierten PTFE-modifizierten Polyethylenwaches Lanco™TF 1780 EF der Lubrizol Coating Additives GmbH, Ritterhude und 1 Gew.- Teil eines magnetischen Eisenoxidpigmentpulvers, Magnetpigment 345 der BASF AG, Partikelgröße < 1 μm, wurden bei 190 0C in einem Extruder gemischt und über das melt blowing Verfahren zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 2 μm bis 5 μm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 6:
99 Gew. -Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, und 1 Gew. -Teil Minatec 30CM einer Mischung aus Titandioxid und Siliziumdioxid und Antimon-dotiertem Zinkoxid mit einer Partikelgröße von 50 bis 60 μm wurden bei 190 0C in einem Extruder gemischt und über das melt blowing Verfahren zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 2 μm bis 5 μm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 7:
98 Gew. -Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, 1 Gew.- Teil der mikronisierten PTFE-modifizierten Polyethylenwaches Lanco™ TF 1780 EF der Lubrizol Coating Additives GmbH, Ritterhude und 1 Gew.- Teil Minatec 30CM einer Mischung aus Titandioxid und Siliziumdioxid und Antimon-dotiertem Zinkoxid mit einer Partikelgröße von 50 bis 60 μm wurden bei 190 0C in einem Extruder gemischt und durch Extrusion über eine Düse mit 0,3 mm Innendurchmesser und gleichzeitigen Druckluftaustritt aus Kanälen am äußeren Rand der Kanüle zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 20 μm bis 100 μm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 8:
99 Gew. -Teile einer Poly(methyl)methacrylat-Schmelze, PMMA 7N der Firma Röhm und 1 Gew. -Teil Magnetpigment Ferronan 8500® der Firma Nano Chemonics mit einer Partikelgröße von ca. 20 bis 30 nm wurden bei 150 0C in einem Extruder geschmolzen und gemischt und zu einer transparenten Folie mit einer Dicke von ca. 10 μm bis 50 μm extrudiert. Die hergestellte Folie konnte über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 9:
93 Gew. -Teile einer Poly(methyl)methacrylat-Schmelze, PMMA 7N der Firma Röhm, 2 Gew. -Teile eines magnetischen
Eisenoxidpigmentpulvers, Magnetpigment 346 der BASF AG, Partikelgröße < 1 μm und 5 Gew. -Teile des mikronisierten PTFE- modifizierten Polyethylenwachses Lanco™ TF 1780 EF der Lubrizol Coating Additives GmbH, Ritterhude, wurden bei 150 0C in einem Extruder geschmolzen und gemischt und zu einer schwarzen Folie mit einer Dicke von ca. 10 μm bis 50 μm extrudiert. Die hergestellte Folie konnte über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
Beispiel 10:
94 Gew. -Teile einer PolyCmethyOmethacrylat-Schmelze, PMMA 7N der Firma Röhm, 1 Gew. -Teil Magnetpigment Ferronan 8500 der Firma Nano Chemonics mit einer Partikelgröße von ca. 20 bis 30 nm und 5 Gew.- Teile des mikronisierten PTFE-modifizierten Polyethylenwachses Lanco™ TF 1780 EF der Lubrizol Coating Additives GmbH, Ritterhude, wurden bei 150 0C in einem Extruder geschmolzen und gemischt und zu einer weißen Folie mit einer Dicke von ca. 10 μm bis 50 μm extrudiert. Die hergestellte Folie konnte über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Kunststoffsubstrat mit einer innerhalb des Substrats dispergierten Elektretausrüstung, die magnetische Teilchen und/oder Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung in einer Menge in einem Bereich von 0,01 bis 6 Gew.% und Elektretmaterial in einer Menge in einem Bereich von 0,1 bis 99 Gew.% jeweils bezogen auf das Substrat enthält.
2. Kunststoffsubstrat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Fasern oder um Folien handelt.
3. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Teilchen eine magnetische Suszeptibilität von mindestens 0,1 und höher oder mindestens -0,1 und weniger bei 25 0C aufweist.
4. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Breite zu Länge der magnetischen Teilchen in einem Bereich von 0,5 bis 2 liegt.
5. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teilchendurchmesser der magnetischen Teilchen und/oder nichtmagnetischen Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung in einem Bereich von 5 bis 50000 nm, insbesondere 5 bis 500 nm liegt.
6. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmagnetischen Teilchen Schichtsilikate umfassen.
7. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Beschichtung eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis 200 nm umfasst.
8. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Beschichtung ein Material ausgewählt aus der Gruppe Antimon-dotiertes Zinnoxid, Siliziumoxid, Titandioxid oder Mischungen derselben umfasst.
9. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewichtsverhältnis von Elektretmaterial zu magnetischen Teilchen und/oder nichtmagnetischen Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung mindestens 1,2 : 1 beträgt.
10. Kunststoffsubstrat gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasermaterial Thermoplaste und/oder Elastomere umfasst.
11. Verfahren zum Herstellen von einem Kunststoffsubstrat nach einem Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Schmelze aus Kunststoffmaterial, insbesondere Fasermaterial magnetischen Teilchen und/oder Teilchen mit anorganischer Beschichtung und Elektretmaterial zu einem Kunststoffsubstrat in einem elektrischen Feld verarbeitet.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Spannung einsetzt zum Aufbau des elektrischen Feldes in einem Bereich von 1 kV pro cm bis 100 kV pro cm.
13. Verwendung des Kunststoffsubstrats gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von Textilien und Teppichen, Filtern, insbesondere Gas-, Luft- und Flüssigkeitsfiltern oder Zigarettenfiltern, Sensoren, Kondensatormikrofonen, Datenspeichern oder Membranen.
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