Способ и устройство для изготовления нетканого волокнистого электретного полотна из свободных волокон и полярной жидкости

Способ и устройство для изготовления нетканого волокнистого электретного полотна из свободных волокон и полярной жидкости

Реферат

 

Способ и устройство для придания заряда волокнам, состоящим из непроводящего полимера. Полярная жидкость опрыскивает свободные волокна, а затем эти свободные волокна собираются, образуя спутанное волокнистое нетканое полотно, которое может содержать некоторое количество полярной жидкости. Затем нетканое полотно высушивается. Благодаря попаданию на свободные непроводящие волокна эффективного количества полярной жидкости до того, как они образуют нетканое полотно, и последующей сушке, свободные волокна заряжаются. Предлагаемый способ и устройство позволяют зарядить волокна одновременно с изготовлением полотна без последующей обработки. 2 н. и 25 з.п.ф-лы, 3 ил., 10 табл.

Настоящее изобретение относится к способам использования полярной жидкости для придания заряда свободным непроводящим волокнам для изготовления электрически заряженного волокнистого нетканого полотна. Настоящее изобретение относится также к устройствам, пригодным для изготовления такого полотна.

Электрически заряженные нетканые полотна широко используются в качестве фильтров в респираторах, защищающих пользователя от вдыхания присутствующих в воздухе загрязнителей. В патентах США №4536440, №4807619, №5307796 и №5804295 приведены примеры респираторов, в которых используются такие фильтры. Электрические заряды улучшают способность нетканого полотна задерживать взвешенные в потоке частицы. Когда поток проходит сквозь нетканое полотно, эти частицы задерживаются в полотне. Нетканые полотна обычно состоят из диэлектрических, т.е. не проводящих тока полимеров. За последние годы разработано много способов изготовления электрически заряженных диэлектрических материалов, часто называемых "электретами".

Первые работы, относящиеся к электрически заряженным полимерным пленкам, Р.V.Chudleigh описал в статьях "Механизм переноса заряда на полимерную поверхность с помощью контакта с проводящей жидкостью" (Mechanism of Charge Transfer to a Polymer Surface by a Conducting Liquid Contact), 21 Appl. Phys. Lett., 547-48 (Dec. 1., 1972) и "Зарядка полимерных пленок с помощью жидкостного контакта" (Charging of Polymer Foils Using Liquid Contacts), 47 J. Appl. Phys., 4475-83 (October 1976). Способ, которым пользовался Chudleigh, включал в себя зарядку полимерной полифторэтиленовой пленки путем приложения к ней напряжения. Напряжение к пленке прикладывалось через проводящую жидкость, соприкасающуюся с поверхностью пленки.

Первая из известных технология изготовления волокнистых полимерных электретов описана в патенте США №4215682 (Kubic and Davis). По этому способу волокна бомбардировались потоком электрически заряженных частиц непосредственно на выходе из сопла экструдера. Сами волокна получались методом "вытягивания из расплава", при котором поток газа, проносящийся с высокой скоростью перед соплом экструдера, вытягивает и охлаждает экструдируемый полимерный материал, превращая его в отвердевшие волокна. Подвергнутые бомбардировке волокна в случайном порядке накапливаются на коллекторе, образуя волокнистое электретное полотно. В патенте сказано, что если вытянутые из расплава волокна электрически заряжены описанным способом, эффективность фильтрации может увеличиться в два или более раза.

Волокнистые электретные полотна изготавливались также путем зарядки их с помощью коронного разряда. Например, в патенте США №4588537 (Klaase и др.) показано, как волокнистое полотно непрерывно подается в устройство, создающее коронный разряд, где располагается вблизи от одной из главных поверхностей прочно закрепленной диэлектрической пленки. Корона создается высоковольтным источником, соединенным с противоположно заряженными тонкими вольфрамовыми проволоками. Другая высоковольтная конструкция для создания электростатических зарядов в нетканом полотне описана в патенте США №4592815 (Nakao). В этой конструкции полотно удерживается в плотном контакте с гладким заземленным электродом.

Волокнистые электретные полотна могут быть также изготовлены из полимерных лент или пленок, как описано в патентах США Re. 30782, Re. 31285 и Re 32171 (van Turnhout). Полимерные ленты или пленки электростатически заряжаются перед разрезкой на волокна, которые затем собираются и перерабатываются в волокнистый нетканый фильтр.

Для придания электрического заряда полимерным волокнам использовались и механические подходы. В патенте США №4798850 (Brown) описан фильтрующее полотно, состоящее из смеси двух различных по составу крученых полимерных волокон, которые сначала расчесывались, образуя рыхлый слой, а затем сшивались в подобие войлока. В патенте указано, что волокна тщательно перемешиваются, вследствие чего они электрически заряжаются при расчесывании. Описанный Brown процесс основан на общеизвестном явлении электризации трением.

Электризация трением может происходить также при высокой скорости движения струи незаряженного газа или жидкости вдоль поверхности полимерной пленки. В патенте США №5280406 (Coufal и др.) показано, что когда струя незаряженной жидкости ударяется о поверхность диэлектрической пленки, эта поверхность приобретает электрический заряд.

В более поздних разработках для внедрения электрических зарядов в волокнистые нетканые полотна использовали воду (см. патент США №5496507 на имя Angadjivand и др.). Для придания полотну свойств электрета струя воды под давлением или поток капель воды направлялись на нетканое полотно, состоящее из непроводящих микроволокон. Образующиеся при этом заряды улучшали фильтрующие свойства полотна. Выполняемая перед "гидравлической" зарядкой обработка полотна с целью удаления зарядов под действием коронного разряда в воздухе обеспечивала дополнительное улучшение параметров электрета.

Введение в состав волокнистого полимерного полотна определенных добавок улучшает фильтрующие свойства электретов. Например, стойкое к масляному туману электретное фильтровальное полотно было получено при введении фторсодержащей добавки в полипропиленовые микроволокна, вытягиваемые из расплава (см. патенты США №5411576 и 5472481 (Jones и др.)). Температура плавления фторсодержащей добавки была не менее 25С, молекулярный вес - от примерно 500 до 2000.

Патент США №5908598 (Rousseau и др.) описывает способ, при котором добавка смешивается с термопластической смолой, предназначенной для изготовления волокнистого полотна. Струя воды под давлением или поток капель воды направляются на полотно под давлением, достаточным для создания в полотне электрических зарядов, улучшающих его фильтрующие свойства. Затем полотно высушивается. В качестве добавок могут использоваться: 1) термостабильное органическое соединение или олигомер, причем такое соединение или олигомер содержит как минимум один перфторированный компонент; 2) теoрмостабильное органическое триазиновое соединение или олигомер, содержащий, помимо атомов азота, входящих в состав триазиновой группы, по меньшей мере, один дополнительный атом азота; или 3) комбинация составов 1) и 2).

В патенте США №5057710 (Nishura) описан другой вид содержащих добавки электретов. В состав описанных Nishura полипропиленовых электретов входит, по меньшей мере, один стабилизатор, выбранный из пространственно затрудненных аминов, пространственно затрудненных фенолов, содержащих азот, или пространственно затрудненных фенолов, содержащих атом металла. В патенте сказано, что электреты, содержащие такие добавки, способны демонстрировать высокую термостабильность. Электростатическая обработка выполняется путем помещения листов нетканого полотна между игольчатым и заземленным электродами. В патентах США №4652282 и №4789504 (Ohmori и др.) описано включение в изолирующий полимер металлической соли жирной кислоты для обеспечения длительной сохранности высоких характеристик фильтрации пыли. В японском патенте Kokoku JP60-947 описаны электреты, состоящие из поли-4-метил-1-пентена и, по меньшей мере, одного соединения, выбранного среди

а) соединений, содержащих гидроксифенольную группу; б) высших алифатических карбоксикислот и их металлических солей; в) соединений, содержащих тиокарбоксилат; г) соединений, содержащих фосфор; и д) соединений, содержащих сложный эфир. В патенте указано, что такие электреты обладают высокой стабильностью при длительном хранении.

Недавно опубликованный патент США показывает, что фильтровальное полотно может быть изготовлено и без применения специальных операций дополнительной зарядки или электризации волокон или готового волокнистого полотна (см. патент США №5780153 на имя Сnоu и др.). Такие волокна изготавливаются из сополимера, который состоит из сополимера этилена, от 5 до 25% (по весу) (мет)акриловой кислоты и, возможно, но менее предпочтительно, до 40% (по весу) алкил(мет)акрилата, алкильные группы которого имеют от 1 до 8 атомов углерода. От 5 до 70% кислотных групп нейтрализуется ионами металла, в частности цинка, натрия, лития, магния или их смесью. Сополимер имеет индекс плавления от 5 до 1000 грамм за 10 минут. Остальное может быть полиолефином, например полипропиленом или полиэтиленом. Эти волокна могут быть изготовлены методом вытягивания из расплава, а для предотвращения излишнего слипания могут быстро охлаждаться водой. В патенте сказано, что такие волокна очень хорошо удерживают электростатические заряды - как существующие, так и преднамеренно созданные.

ЕР-А-0845554 описывает способ придания заряда нетканому полотну из микроволокон для получения электретного фильтровального материала. Этот способ заключается в обработке нетканого полотна, состоящего из непроводящих термопластических микроволокон, способных удерживать большое количество захваченных зарядов, струей воды или потоком водяных капель, направленных под давлением, достаточным для того, чтобы придать полотну улучшающий его фильтрующие свойства электрический заряд, и в последующей сушке полотна.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает новый способ и устройство, причем и тот и другое пригодны для изготовления волокнистого нетканого электретного полотна. Предлагаемый способ изготовления волокнистого нетканого электретного полотна состоит из этапов: (а) формирования одного или множества свободных волокон из непроводящего полимерного волокнообразующего материала; (б) опрыскивания свободных волокон эффективным количеством полярной жидкости; (в) сбора свободных опрысканных волокон с образованием волокнистого нетканого полотна; и (г) сушки свободных опрысканных волокон, нетканого полотна (или и того и другого) с целью получения волокнистого нетканого электретного полотна.

Предлагаемое устройство включает в себя аппарат для изготовления волокна, способный изготавливать одно или несколько свободных волокон. Рядом с ним располагается распылительное устройство, позволяющее опрыскивать эти свободные волокна полярной жидкостью. Имеется также коллектор, собирающий свободные волокна и формирующий из них волокнистое нетканое полотно. Кроме того, имеется сушильное устройство, обеспечивающее активную сушку полученных волокон или волокнистого нетканого полотна.

Предлагаемый способ отличается от известных способов тем, что он основан на опрыскивании свободных непроводящих волокон эффективным количеством полярной жидкости. После высушивания нетканого полотна его волокна приобретают электретные заряды, и само полотно превращается в нетканый волокнистый электрет. Существует множество патентов, описывающих взаимодействие свободных волокон с жидкостями. В известных решениях свободные волокна подвергаются воздействию жидкости с целью закалки волокон. Этап закалки предусматривался ради достижения множества целей, в том числе для придания полимеру мезоморфной не кристаллической структуры, для обеспечения более высокой производительности, для охлаждения волокон, чтобы предотвратить их излишнее слипание, и для увеличения однородности пряжи. (Смотри патенты США №№3366721, 3959421, 4277430, 4931230, 4950549, 5078925, 5254378 и 5780153). Хотя в этих патентах описывается закалка волокон с помощью жидкости, выполняемая вскоре после формования волокон, ни один из этих патентов не указывает на возможность получения электрета путем опрыскивания свободных непроводящих волокон полярной жидкостью. Заявители обнаружили, что для изготовления волокнистого нетканого электретного изделия достаточно иметь: (а) полярную жидкость; (б) непроводящий полимерный волокнообразующий материал; (в) эффективное количество полярной жидкости; и (г) стадию сушки.

Предлагаемый способ обладает тем преимуществом, что в нем этап образования электрета принципиально интегрирован в процесс формирования волокон, что позволяет существенно сократить количество этапов изготовления нетканого волокнистого электретного полотна. Хотя безусловно, совместно с предлагаемым способом могут использоваться и технологии последующей зарядки, электрет может быть изготовлен, не нуждаясь и не требуя операций зарядки, существенно отличающихся от процесса изготовления самого полотна.

Устройство согласно настоящему изобретению отличается от известных устройств, предназначенных для изготовления волокон тем, что включает в себя сушильный аппарат, расположенный так, чтобы обеспечить активную сушку свободных волокон или образующееся волокнистое полотно. Известные устройства не содержат сушильных аппаратов, поскольку по понятным причинам они расходуют закалочную жидкость в количествах, достаточных только для охлаждения или закалки волокна, легко удаляемых испарением при пассивной сушке.

Готовые изделия, изготовленные предлагаемым способом с применением устройств согласно настоящему изобретению, могут обладать постоянным электрическим зарядом сразу после сушки, например, на коллекторе. Поэтому нет необходимости подвергать их последующей процедуре зарядки коронным разрядом или иным способом для превращения в электрет. Полученное электрически заряженное нетканое полотно может использоваться в качестве фильтровального материала и способно сохранять практически однородное распределение зарядов в течение всего срока службы фильтра. Такие фильтры могут быть особенно удобны для применения в респираторах.

Применительно к настоящему изобретению термины в этом документе используются в значениях:

"свободное волокно" - волокно или волокнообразующий материал в процессе перемещения от формующего устройства к коллектору;

"эффективное количество" означает, что полярная жидкость использована в количестве, достаточном для того, чтобы вследствие опрыскивания свободных волокон полярной жидкостью и последующей сушки образовался электрет;

"электрет" - вещество, сохраняющее электростатический заряд, по меньшей мере, почти постоянно;

"электрический заряд" означает, что в веществе произошло разделение зарядов;

"волокнистый" означает "состоящий из волокон и, возможно, других компонентов";

"нетканое волокнистое электретное полотно " - нетканое полотно, состоящее из волокон, сохраняющих, по меньшей мере, почти постоянный электростатический заряд;

"почти постоянный" означает, что при стандартных условиях (температура 22С, атмосферное давление 101,300 Па, влажность 50%) электростатический заряд сохраняется в материале настолько долго, что его можно измерить;

"жидкость" - состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным, в том числе в виде непрерывной массы, например потока, или в виде отдельных капель, например тумана;

"микроволокно" - волокно (или волокна) с эффективным диаметром менее 25 мкм.

"непроводящий" - обладающий при комнатной температуре (22С) удельным сопротивлением не менее 10¹⁴ Омсм;

"нетканый" - структура или часть структуры, в которой волокна связаны между собой иным, по сравнению с ткачеством, способом;

"полярная жидкость" - жидкое вещество, у которого дипольный момент составляет, по меньшей мере, около 0,5 Дебай, а диэлектрическая постоянная, по меньшей мере, около 10;

"полимер" - органическое вещество, состоящее из повторяющихся молекулярных блоков или групп, регулярно или нерегулярно связанных между собой, в том числе гомополимеры, сополимеры и смеси полимеров;

"полимерное волокнообразующее вещество" - вещество, из которого можно изготовить твердые волокна, состоящее из полимера или способного к превращению в полимер мономера и, возможно, других ингредиентов;

"опрыскивание" - означает процесс, позволяющий полярной жидкости вступить в контакт со свободным волокном под действием любого подходящего способа или устройства;

"полотно" - проницаемая для воздуха структура, имеющая в двух измерениях существенно большие размеры, чем в третьем измерении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематический (с частичными разрезами) вид сбоку на устройство для зарядки свободных волокон 24 согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 - увеличенный вид сбоку (с частичными разрезами) на сопло 20 (по фиг-1).

Фиг.3 - пример фильтрующей лицевой маски 50, в которой можно использовать электретный фильтровальный материал, изготовленный согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно предлагаемому способу с помощью предлагаемого устройства одному или многим волокнам волокнистого полотна может быть придан электростатический заряд. Для этого полярной жидкостью опрыскивают свободные волокна, как только они покинут волокнообразующее устройство, например сопло экструдера. Волокна, состоящие из непроводящего полимерного материала, опрыскиваются эффективным количеством полярной жидкости, предпочтительно, пока они еще недостаточно спутаны или еще не образовали нетканое полотно. Увлажненные волокна собираются и сушатся до или после того, как они будут собраны, но предпочтительно собрать их во влажном виде, а потом высушить. Получившееся нетканое плотно предпочтительно имеет большое количество захваченных "почти постоянных" неполяризованных зарядов.

В своем предпочтительном воплощении настоящее изобретение по существу состоит из этапов: (а) формирования одного или нескольких свободных волокон из непроводящего полимерного волокнообразующего материала; (б) опрыскивания свободных волокон неполярной жидкостью; (в) собирания свободных волокон в нетканое волокнистое полотно; и (г) сушки волокон и/или нетканого полотна для образования нетканого волокнистого электретного полотна. Выражение "по существу состоит" употреблено в настоящем документе как неограниченный термин, исключающий только такие этапы, которые могли бы оказать пагубное влияние на электрический заряд электретного полотна. Например, если электрет был бы впоследствии подвергнут такой обработке, что дополнительная обработка привела бы к существенной потере электрического заряда нетканым полотном, такая дополнительная обработка должна быть исключена из предлагаемого способа, который по существу состоит из перечисленных выше этапов (а) - (г).

В другом своем предпочтительном воплощении настоящее изобретение составлено из этапов (а) - (г). Выражение "составлено из" также используется в настоящем документе как неограниченный термин, но исключающий только такие этапы, которые никак не связаны с изготовлением электретов. Таким образом, если изобретение составлено из перечисленных выше этапов (а) - (г), предлагаемый способ не включает такие этапы, которые выполняются для целей, абсолютно не связанных с изготовлением волокнистых электретов. Подобные этапы также могут оказывать пагубное влияние, но если они используются для целей, никоим образом не связанных с изготовлением электретов, они должны быть исключены из способа, который составлен из этапов (а) - (г).

Нетканые волокнистые полотна, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют присутствие "почти постоянного" электрического заряда. Предпочтительно, чтобы нетканое волокнистое полотно имело "постоянный" электрический заряд, т.е. чтобы этот электрический заряд сохранялся в волокнах и, тем самым, в нетканом полотне, по меньшей мере, в течение общепринятого срока службы изделия, в котором использован этот электрет. Фильтрующие характеристики волокнистых полотен обычно оцениваются по величине начального коэффициента качества (QF_н). Начальный коэффициент качества (QF_н) это коэффициент качества (QF), измеренный до нагрузки волокнистого нетканого электретного полотна, т.е. до того, как на это полотно подействует подлежащий фильтрации аэрозоль. Коэффициент качества (QF) определяется с помощью описанной ниже процедуры, называемой "Тест на ДОФ-проницаемость и перепад давления". Коэффициент качества волокнистых нетканых электретных полотен, изготовленных согласно настоящему изобретению, предпочтительно не менее чем в два раза превышает QF необработанного полотна практически той же самой конструкции и, более предпочтительно, не менее чем в 10 раз.

Предпочтительные волокнистые нетканые электретные полотна, изготовленные согласно настоящему изобретению, могут иметь электрический заряд, позволяющий готовому изделию показывать значения QF_н, большие чем 0,4 (мм Н₂O)^-1, более предпочтительно - большие чем 0,9 (мм H₂O)^-1, еще более предпочтительно - больше чем 1,3 (мм H₂O)^-1, а самое предпочтительное - больше чем 1,7 или 2 (мм Н₂О)^-1.

В одном из воплощений предлагаемого способа изготовления электретных изделий поток свободных волокон формируется путем экструзии волокнообразующего материала в поток газа, обладающего большой скоростью. Подобную операцию обычно называют вытягиванием из расплава. В течение многих лет нетканые волокнистые фильтровальные полотна изготавливались с помощью устройств для вытягивания из расплава, подобных описанному Van A. Wente в статье "Сверхтонкие термопластические волокна" (Superfine Thermoplastic Fibers), Indus. Engn. Chem. 48, стр.1342-46 (1956), и в опубликованном 25 мая 1954 г. отчете №4364 Naval Research Laboratories под названием "Изготовление сверхтонких органических волокон" ("Manufacture of Super Fine Organic Fibers", Van A. Wente и др.). Газовый поток обычно обламывает концы свободных волокон. Однако длина отдельных волокон, как правило, оказывается неопределенной. Свободные волокна хаотически перепутываются возле коллектора, непосредственно перед ним, или на самом коллекторе. Обычно волокна перепутываются настолько сильно, что с получающимся полотном можно работать как с циновкой. Иногда бывает трудно определить, где начинается или оканчивается отдельное волокно, так что волокна обычно кажутся непрерывно размещенными в нетканом полотне (хотя они и могли быть оборваны в процессе вытягивания).

Альтернативно, свободные волокна могут быть сформированы в процессе прядения, в котором одно или несколько свободных непрерывных полимерных экструдируется на коллектор (см. например, патент США №430563). Свободные волокна могут быть также изготовлены с помощью процесса электростатического прядения, описанного, например, в патентах США 4043331, 4069026 и 4143196 или путем воздействия электростатического поля на расплавленный полимерный материал - см. патент США 4230650. На этапе опрыскивания полярной жидкостью свободные волокна могут находиться в жидком (расплавленном) состоянии, в сочетании жидкого и расплавленного состояний (полурасплавленном) или в твердом состоянии.

На фиг.1 и 2 показан способ изготовления волокнистого электретного полотна из вытянутых из расплава волокон.

Устройство 20 имеет экструзионную камеру 21, по которой перемещается расплавленный волокнообразующий материал, пока он не выйдет из устройства через отверстие 22. Отверстия для вспомогательного газа 23, через которые газовый поток (обычно нагретый воздух) выходит с высокой скоростью, расположены рядом с отверстием 22, чтобы помогать вытягивать волокнообразующий материал из отверстия 22. В большинстве практических исполнений, поперек выходного конца устройства 20 размещается целый ряд отверстий 22. По мере движения волокнообразующего материала, из выходного конца устройства выдавливается множество волокон, которые собираются на коллекторе 26 в виде полотна 25. Отверстия 22 размещены таким образом, чтобы направлять свободные волокна 24 к коллектору 26. Волокнообразующий материал имеет тенденцию отвердевать в пространстве между отверстиями 22 и коллектором 26. В патентах США №4118531 (Hauser) и №4215682 (Kubik и Davis) описаны устройства для вытягивания волокон из расплава, использующие подобную технологию.

Когда волокнообразующий материал выдавливается из устройства 20, газовый поток вытягивает одно или много свободных волокон 24. По мере увеличения длины свободных волокон 24 газовый поток становится способен делать более тонкими или отламывать концы свободных волокон 24. Отломанные куски свободных волокон газовый поток переносит к коллектору. Для изменения места отламывания волокон можно менять параметры процесса формирования свободных волокон 24. Например, уменьшение поперечного сечения волокон или увеличение скорости газового потока обычно заставляют волокна ломаться ближе к устройству 20.

Для достижения максимального заряда нетканого полотна предпочтительно, чтобы во время опрыскивания свободные волокна 24 еще не были сильно спутаны. Опрыскивание наиболее эффективно, если оно выполняется до того, как свободные волокна 24 окажутся спутанными. Спутанные волокна затеняют друг друга и могут не дать некоторым волокнам подвергнуться опрыскиванию полярной жидкостью, тем самым уменьшая общий электрический заряд. В реализациях, где одновременно формируется много волокон 24, поток капель полярной жидкости может спутывать волокна, мешая опрыскать полярной жидкостью некоторые из них. Кроме того, похоже, что поток разбрызгиваемой полярной жидкости способен "сбивать с курса" волокна 24, усложняя собирание волокон.

Движением волокон на пути к коллектору 26 управляет поток газа. Пока волокно 24 вытягивается из отверстия 22, дальний конец волокна 24 может свободно двигаться и спутываться с соседними волокнами. Напротив, ближний конец волокна 24 все время связан с отверстием 22, что минимизирует возможность спутывания в непосредственной близости к устройству 20. Следовательно, опрыскивание предпочтительно осуществлять как можно ближе к отверстиям 22.

Обычно, если скоростной поток газа не используется, например, в прядильном процессе, непрерывные свободные волокна собираются на коллекторе. После собирания волокна спутываются, чтобы образовать полотно одним из множества известных способов, в том числе тиснением и гидроспутыванием. Опрыскивание потока непрерывных свободных волокон в процессе прядения вблизи коллектора облегчает спутывание, поскольку дальние концы волокон легче перемещаются под воздействием разбрызгиваемой полярной жидкости.

На фиг.2 верхнее опрыскивающее устройство 28 показано расположенным на расстоянии "е" над средней линией "с" отверстий 22. По ходу волокон опрыскивающее устройство 28 удалено от торцов отверстий 22 на расстояние "а". Нижнее опрыскивающее устройство 30 расположено на расстоянии "f" под средней линией "с" отверстий 22. По ходу волокон опрыскивающее устройство 30 удалено от торцов отверстий 22 на расстояние "g". Верхнее и нижнее опрыскивающие устройства 28 и 30 расположены так, чтобы направлять потоки брызг 32 и 34 полярной жидкости на поток свободных волокон 24.

Опрыскивающие устройства 28 и 30 могут использоваться раздельно или для совместной обработки с разных сторон. Опрыскивающие устройства 28 и 30 могут использоваться для распыления паров полярной жидкости, например водяного пара, микроскопических или мелких (как в тумане) капелек полярной жидкости или непрерывных или прерывистых струй полярной жидкости. В общих чертах, этап опрыскивания состоит во взаимодействии свободных волокон с полярной жидкостью, причем полярная жидкость поддерживается газовой фазой или переносится ею любым из описанных выше способов. Опрыскивающие устройства 28 и 30 могут быть размещены, по существу, в любом месте между устройством 20 и коллектором 26. Например, в показанном на фиг.1 альтернативном воплощении опрыскивающие устройства 28' и 30' расположены рядом с коллектором, и даже после источника 38, подающего штапельные волокна в полотно 25.

Было обнаружено, что опрыскивание свободных волокон, пока они находятся в расплавленном или полурасплавленном состоянии, максимизирует величину создаваемого заряда. Опрыскивающие устройства 28 и 30 предпочтительно располагаются насколько возможно близко к потоку свободных волокон 24 (на минимально возможных расстояниях "е" и "f"), лишь бы не мешать движению свободных волокон 24 к коллектору 26. Указанные расстояния "е" и "f" предпочтительно составляют примерно 30,5 см (один фут), более предпочтительно менее 15 см (6 дюймов) в сторону от свободных волокон. Полярная жидкость может распыляться перпендикулярно потоку свободных волокон или под острым углом, например под острым углом к общему направлению движения свободных волокон.

Как показано, предпочтительно располагать опрыскивающие устройства 28 и 30 как можно ближе к торцу устройства 20 (на минимальных расстояниях "d" и "g"). Конструктивные ограничения обычно не позволяют разместить опрыскивающие устройства 28 и 30 ближе, чем примерно в 2,5 см (1 дюйм) от торца устройства 20, однако, при желании можно расположить опрыскивающие устройства 28 и 30 еще ближе к торцу устройства 20, например в специально сконструированном оборудовании. Наибольшее расстояние, на которое опрыскивающие устройства 28 и 30 могут быть удалены от торца устройства 20 (расстояния "d" и "g"), зависит от параметров процесса, поскольку опрыскивание должно быть выполнено до того, как волокна окажутся спутанными. Как правило, расстояния "d" и "g" не больше 20 см (8 дюймов).

На волокна распыляют столько полярной жидкости, чтобы обеспечить ее "эффективное количество". Это означает, что в контакте со свободными волокнами находится столько полярной жидкости, сколько нужно, чтобы обеспечить изготовление электрета способом согласно настоящему изобретению. Как правило, используемое количество полярной жидкости настолько велико, что формирующееся на коллекторе полотно оказывается мокрым. Однако возможно, что на коллекторе и не окажется жидкости, например, если расстояние между источником свободных волокон и коллектором настолько велико, что полярная жидкость успевает высохнуть, пока она находится на свободных волокнах, а не на коллекторе. Тем не менее, в предпочтительном воплощении настоящего изобретения расстояние между источником и коллектором не столь велико, а полярная жидкость используется в таком количестве, что собранное полотно намочено полярной жидкостью. Более предпочтительно, если полотно намочено до такой степени, что с него стекают капли даже при слабом сжатии. Еще более предпочтительно, если в момент формирования на коллекторе полотно существенно или полностью насыщено полярной жидкостью. Полотно может быть настолько насыщенным, что капли будут стекать даже без приложения какого-либо давления.

Количество распыляемой на полотно полярной жидкости может зависеть от скорости изготовления волокон. Если волокна изготавливаются с относительно небольшой скоростью, могут использоваться пониженные давления, поскольку в этом случае у волокон есть больше времени для адекватного взаимодействия с полярной жидкостью. Поэтому полярная жидкость может распыляться под давлением около 30 кПа или больше. При более высокой скорости изготовления волокон, как правило, полярную жидкость нужно распылять с более высокой производительностью. Например, когда применяется способ вытягивания волокон из расплава, полярная жидкость предпочтительно распыляется под давлением не менее 400 кПа, и более предпочтительно - от 500 до 800 и более кПа. Более высокое давление обычно создает в полотне более мощный заряд, но слишком высокое давление может помешать формированию волокон. Поэтому обычно используемые давления распыления меньше 3500 кПа, чаще всего - меньше 1000 кПа.

Предпочтительной полярной жидкостью является вода, поскольку она не дорога. К тому же при контакте с расплавленным или полурасплавленным волокнообразующим материалом она не образует вредных или опасных газов. Для целей настоящего изобретения предпочтительно пользоваться не водопроводной, а очищенной, например, путем дистилляции, обратного осмоса или деионизации водой. Очищенная вода предпочтительнее неочищенной, поскольку неочищенная вода может воспрепятствовать эффективной зарядке волокон. Вода обладает дипольным моментом около 1,85 Дебай и диэлектрической постоянной порядка 78-80.

Вместе с водой или вместо нее могут использоваться водные или не водные полярные жидкости. "Водная жидкость" - это жидкость, в которой содержится более 50% (по объему) воды. "Не водная жидкость" - это жидкость, в которой воды меньше 50% (по объему). Примерами не водных полярных жидкостей, пригодных для зарядки волокон, могут служить, метанол, этиленгликоль, диметилсульфоксид, диметилформамид, ацетонитрил и, среди прочих, ацетон или комбинации этих жидкостей. Такие водные или не водные жидкости должны обладать дипольным моментом, по меньшей мере, 0,5 Дебай, предпочтительно - не менее 0,75 Дебай и более предпочтительно - не менее 1,0 Дебай. Диэлектрическая постоянная жидкости должна быть не меньше 10, предпочтительно - не меньше 20, более предпочтительно - не меньше 50. Полярная жидкость не должна оставлять нелетучего проводящего остатка, который мог бы замаскировать или уничтожить заряд изготовленного полотна. Было обнаружено, что в целом существует тенденция к корреляции между величиной диэлектрической постоянной полярной жидкости и характеристиками фильтрации электретного полотна. Полярные жидкости, обладающие более высокими значениями диэлектрической постоянной, имеют тенденцию обеспечивать более заметное улучшение характеристик фильтрации.

Нетканые фильтровальные полотна предпочтительно имеют удельный вес не более примерно 500 г/м², более предпочтительно - примерно от 5 до 400 г/м². еще более предпочтительно - примерно от 20 до 100 г/м². При изготовлении полотна из вытянутых из расплава волокон его удельный вес может регулироваться, например, изменением либо производительности экструдера, либо скорости коллектора. В большинстве случаев использования в фильтрах толщина нетканого полотна составляет от 0,25 до 20 мм, но обычно примерно от 0,5 до 4 мм. Готовое нетканое полотно имеет плотность предпочтительно не меньше 0,03, более предпочтительно - примерно от 0,04 до 0,15, еще более предпочтительно - примерно от 0,05 до 0,1. Плотность - безразмерный параметр, определяющий долю плотных фракций полотна. Предлагаемый способ обеспечивает создание практически равномерного распределения зарядов во всем объеме готового нетканого полотна независимо от удельного веса, толщины или плотности готового продукта.

Коллектор 26 располагается против устройства 20 и обычно собирает мокрые волокна 24. Волокна 24 оказываются спутанными либо на самом коллекторе 26, либо непосредственно перед попаданием на коллектор. Как было сказано выше, волокна, когда их собирают, предпочтительно должны быть влажными, более предпочтительно - сильно намоченными и еще более предпочтительно - намоченными практически до возможного предела или, по существу, насыщенными полярной жидкостью. Коллектор 26 предпочтительно снабжен механизмом для транспортирования полотна, который по мере собирания волокон перемещает собранное полотно к сушильному устройству 38. В предпочтительной реализации процесса коллектор совершает непрерывное движение по замкнутой траектории, что обеспечивает непрерывность процесса изготовления электретного полотна. Такой коллектор может быть выполнен в виде барабана, конвейерной ленты или ширмы. По существу, любые устройства или технологии, пригодные для собирания волокон, могут рассматриваться как подходящие для использования согласно настоящему изобретению. Один из примеров подходящих коллекторов описан в заявке на патент США, Serial №09/181205, озаглавленной "Однородное полотно из вытянутых из расплава волокон, а также способ и устройство для его изготовления" (Uniform Meltblown Fibrous Web and Method and Apparatus for Manufacturing).

Сушильное устройство 38 изображено расположенным после места сбора волокон 24, хотя сушку волокон для образования электретного полотна согласно настоящему изобретению можно выполнять и до того, как они будут собраны (или одновременно - и до и после сб