Способ изготовления волокнистого электретного полотна с применением неводной полярной жидкости

Способ изготовления волокнистого электретного полотна с применением неводной полярной жидкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способам придания заряда волокнистым полотнам посредством неводной полярной жидкости.

Электрически заряженные нетканые полотна широко используются в качестве фильтров в респираторах, защищающих пользователя от вдыхания присутствующих в воздухе загрязнителей. В патентах США №4,536, 440, №4,807,619, №5,307,796 и №5,804,295 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, P.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 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 №4,215,682 (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 №4,588,537 (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 №4,592,815 (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. 30,782, Re. 31,285 и Re 32,171 (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 №4,798, 850 (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 №5,280,406 (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 №5,496,507 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 №5,411,576 и 5,472,481 (Jones и др.)). Температура плавления фторсодержащей добавки была не менее 25°С, молекулярный вес - от примерно 500 до 2000.

Патент США №5,908,598 (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 такой соединение или олигомер содержит как минимум один перфорированный компонент; 2) термостабильное 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 №5,057,710 (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 №4,652,282 и №4,789,504 (Ohmory и др.) описано включение в изолирующий полимер металлической соли жирной кислоты для обеспечения длительного срока сохранения 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 №5,780,153 на имя Спои 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.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает новый способ изготовления волокнистых электретов. Этот метод может подходящим образом включать в себя или, по существу, состоять из замачивания состоящего из непроводящих волокон полотна путем соприкосновения этих волокон с неводной полярной жидкостью. После замачивания полотно основательно высушивается, превращаясь в волокнистое электретное полотно. Настоящее изобретение охватывает также фильтрующие лицевые маски, в которых используется волокнистое электретное полотно согласно настоящему изобретению.

Предлагаемый способ отличается от известных способов создания электростатических зарядов тем, что согласно настоящему изобретению электростатические заряды создаются в волокнистом полотне посредством неводной полярной жидкости. До появления настоящего изобретения электростатические заряды, как правило, придавались волокнистым полотнам либо с помощью устройств, создающих коронный разряд, либо способом "гидравлической" зарядки (см., например, патенты США №4,588,537 (Klaase и др.), №4,592,815 (Nakao), №5,496,507 (Angadjivand и др.)). Вместо применения высокого напряжения или воды способ согласно настоящему изобретению использует неводную полярную жидкость. Использование такой жидкости для создания электростатических зарядов предпочтительнее применения коронного разряда, так как позволяет обойтись без высоковольтного оборудования и связанных с ним энергетических затрат. А поскольку неводные жидкости обычно более летучи, чем вода, способ согласно настоящему изобретению предпочтительнее "гидравлической" зарядки, так как уменьшает расход энергии, связанный с сушкой полотна. Кроме того, существуют фильтрующие материалы, которые легко смачиваются неводными жидкостями, но плохо смачиваются водой. Поэтому применение неводных полярных жидкостей может оказаться желательным в ситуации, когда использовать воду для создания электростатических зарядов в полотне неудобно.

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

"достаточное количество" означает, что неводная полярная жидкость использована в количестве, достаточном для того, чтобы после контакта с полярной жидкостью и последующей сушки волокна приобрели свойства электретов;

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

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

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

"волокнистое электретное полотно " - тканое или нетканое полотно, содержащее волокна, сохраняющие электростатический заряд;

"жидкость" - состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным;

"неводная жидкость" - жидкость, содержащая не более 10% воды (по объему);

"непроводящий" - обладающий при комнатной температуре (22°С) удельным сопротивлением более 10¹⁴ Ом×см;

"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;

"полимерный" - состоящий из полимера и, возможно, других ингредиентов;

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

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

"насыщение" - означает, что полотно впитало максимально возможное (или достаточно близкое к нему) количество жидкости;

"штапельное волокно" - нарезанные на отрезки стандартной длины (обычно от 2 до 25 см) волокна с эффективным диаметром не менее 15 микрометров;

"термопластичный" - полимерный материал, размягчающийся при нагревании;

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

"замачивание" - соприкосновение (с жидкостью) или покрытие (ею) практически всей площади поверхности подлежащего увлажнению полотна.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схематический (с частичными разрезами) вид сбоку на устройство 10 для замачивания и сушки волокнистого полотна 20 согласно настоящему изобретению.

Фиг.2 - пример конструкции фильтрующей лицевой маски 40, в которой можно использовать электретный фильтровальный материал, изготовленный согласно настоящему изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно настоящему изобретению электростатический заряд создается в волокнистом полотне путем замачивания последнего неводной полярной жидкостью и последующей сушки. Указанное волокнистое полотно содержит непроводящие волокна, и после замачивания неводной полярной жидкостью и последующего ее удаления посредством сушки превращается в волокнистое электретное полотно, пригодное для применения в качестве фильтра.

Волокнистые нетканые полотна, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, демонстрируют присутствие "почти постоянного" электрического заряда. Предпочтительно, чтобы волокнистое нетканое 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.

Оценка фильтрующих характеристик волокнистых полотен осуществляется с помощью описанной ниже процедуры, называемой "Тест на ДОФ-проницаемость и перепад давления". Тест заключается в продавливании сквозь полотно частиц диоктилфталата (ДОФ) и измерения количества частиц, прошедших сквозь полотно, и разности давлений до и после полотна. По измеренным значениям ДОФ-проницаемости и перепада давления может быть вычислен коэффициент качества (QF). Эффективность фильтрации электрета обычно оценивается по сравнению с начальным коэффициентом качества (QF_H). Начальный коэффициент качества (ОF_H) это коэффициент качества (QF), измеренный до нагрузки волокнистого нетканого электретного полотна - т.е. до того, как на это полотно подействует подлежащий фильтрации аэрозоль.

Предпочтительные волокнистые нетканые электретные полотна, изготовленные согласно настоящему изобретению, могут иметь электрический заряд, позволяющий изделию при проведении описанного ниже теста на ДОФ-проницаемость и перепад давления показать значения QF_H большие, чем 0,10 (мм H₂O)^-1, более предпочтительно - большие чем 0,20 (мм Н₂O)^-1, еще более предпочтительно - больше, чем 0,40 (мм H₂O)^-1, а самое предпочтительное - больше чем 0,60 (мм Н₂О)^-1. 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 пять раз.

На Фиг.1 показан способ изготовления волокнистого электретного полотна согласно настоящему изобретению. Волокнистое полотно 20 направляется в устройство 10, имеющее сосуд 12 с неводной полярной жидкостью 14. Захват, состоящий из валков 16 и 18, сжимает, а затем освобождает полотно по мере того, как оно погружается в жидкость 14. Когда волокнистое полотно 20 расширяется после сжатия, неводная полярная жидкость проникает в промежутки между волокнами, смачивая полотно 20. Такая конструкция захвата наиболее пригодна для замачивания, поскольку помогает удалять газ из полотна. После выхода из сосуда 12 полотно направляется в устройство активной сушки 22, которое может содержать пресс для отжимания 24 и сопряженную пару валков 26 и 28. Валки 26 и 28 выжимают из полотна 20 излишки неводной полярной жидкости прежде, чем полотно пройдет между нагревательными элементами 34 и 36, расположенными по обе стороны полотна 20.

Устройство активной сушки может представлять собой внешнее устройство, использующее подводимую энергию для того, чтобы заставить влагу покинуть полотно. Устройство активной сушки может включать в себя источник тепла, например, прямоточную печь, источник вакуума или источник воздуха, например конвективный нагреватель воздуха, т.е. любой источник сушащего газа. Для удаления полярной жидкости из волокнистого полотна такие сушильные устройства могут использоваться сами по себе или в сочетании с такими механическими устройствами, как центрифуги или прессы для отжимания. В качестве альтернативы для сушки волокнистого полотна может быть использован механизм пассивной сушки, например сушки окружающим воздухом - хотя обычно воздушная сушка не удовлетворяет требованию высокой производительности процесса производства. Настоящее изобретение, по существу, предполагает использование любых методов или устройств, способных, не вызывая существенных структурных повреждений в конечном продукте, заставить влагу покинуть полотно. Полученное электретное полотно затем может быть нарезано на листы, свернуто в рулон для хранения или помещено в различные изделия, например респираторы или фильтры.

После сушки нетканое полотно обладает достаточным электрическим зарядом, чтобы считаться электретом. Полученный электрет может быть подвергнут дополнительной процедуре зарядки, которая, чтобы улучшить фильтрующие характеристики полотна, может увеличить накопленный полотном заряд или изменить его иным образом. Например, волокнистое нетканое электретное полотно может быть обработано коронным разрядом после (или, возможно, до) изготовления электрета с помощью описанного выше процесса. Например, полотно может быть заряжено способом, описанным в патенте США №4,588,537 (Klaase и др.) или способом согласно патенту США №4,592,815 (Nakao). В качестве альтернативы или в сочетании с указанными способами полотно может быть также подвергнуто "гидравлической" зарядке, как описано в патенте США №5,496,507 (Angadjivand и др.). Зарядка волокнистого электретного полотна может быть также дополнена технологиями, описанными в открытых для всеобщего сведения заявках на патенты США под названиями "Способ и устройство для изготовления волокнистых электретных полотен из свободных волокон с использованием полярной жидкости" ("Method and Apparatus for Making a Nonwoven Fibrous Electret Web from Free-Fiber and Polar Liquid" US Serial №09/415,566) и "Способ и устройство для изготовления волокнистых электретных полотен с применением смачивающей жидкости и неводной полярной жидкости" ("Method and Apparatus for Making a Fibrous Electret Web Using a Wetting Liquid and an Aqueous Polar Liquid " US Serial №09/415,291), которые были поданы в тот же день, что и настоящий документ.

Полотно в устройстве может перемещаться, по существу, любым механизмом, способным перемещать полотно от увлажняющего устройства к устройству для сушки. Приводные валки являются только примером пригодного для этой цели механизма, в качестве которого равным образом может быть использован конвейер, пояс или захват.

Представляется, что коэффициент поверхностного натяжения неводной полярной жидкости, используемой на стадии замачивания, играет важную роль в процессе образования электростатических зарядов в волокнистом полотне. Например, если коэффициент поверхностного натяжения неводной полярной жидкости существенно меньше поверхностной энергии полотна, заряд может оказаться очень малым или вообще отсутствовать. Поэтому для целей настоящего изобретения предпочтительно, чтобы неводная полярная жидкость обладала коэффициентом поверхностного натяжения, превышающим поверхностную энергию волокнистого полотна, по меньшей мере, на 5 дин/см, или, более предпочтительно, на 10 дин/см.

При определенном составе неводной полярной жидкости и волокнистого полотна увлажнение и сушка могут быть бесшумным процессом, например, состоящим из погружения полотна в неводную полярную жидкость на некоторое время, извлечения полотна из жидкости и естественной воздушной сушки. Для улучшения замачивания к неводной полярной жидкости и/или к полотну может быть дополнительно приложена энергия или механическая работа, например, путем использования описанного выше захвата. Хотя на Фиг.1 показано, что замачивание осуществляется путем погружения волокнистого полотна в неводную полярную жидкость для целей настоящего изобретения можно применить любой иной подходящий способ замачивания. Например, волокнистое полотно может быть смочено направленным на него потоком неводной полярной жидкости, например, опрыскиванием полотна по способу и с применением устройства, описанного в патенте США №5,496,507 (Angadjivand и др.). Альтернативно замачивание может интенсифицироваться путем использования вакуумных аппаратов, сосудов под давлением и/или механического возбуждения, например с помощью ультразвуковых колебаний. Такие технологии более подробно описаны в одновременно рассматривающейся заявке на патент US Serial №09/415,291 под названием "Способ и устройство для изготовления волокнистых электретных полотен с применением смачивающей жидкости и неводной полярной жидкости" (Method and Apparatus for Making a Fibrous Electret Web Using a Wetting Liquid and an Aqueous Polar Liquid), которая была подана в тот же день, что и настоящий документ. Однако волокнистое нетканое полотно, особенно полотно из микроволокон, может быть повреждено, если для улучшения замачивания к нему будет приложена излишняя энергия или механическая нагрузка.

Смачивающая жидкость должна смочить всю открытую поверхность подлежащих зарядке волокон. Неводная полярная жидкость должна оказаться в контакте, предпочтительно в близком контакте, с волокнами или заполнить пустоты между волокнами. Предпочтительно осуществить процедуру замачивания таким образом, чтобы ткань оказалась, по существу, насыщенной неводной полярной жидкостью. Полотно может быть насыщено жидкостью настолько, чтобы по окончании процедуры замачивания неводная полярная жидкость капала с полотна. Для осуществления операции замачивания могут быть использованы различные технологии. В тех случаях, когда замачивание осуществляется разбрызгиванием неводной полярной жидкости, механическим возбуждением колебаний полотна или полярной жидкости или иными механическими способами, скорость неводной полярной жидкости относительно нетканого полотна предпочтительно не превышает приблизительно 50 м/сек, и более предпочтительно - не превышает приблизительно 25 м/сек. Неводная полярная жидкость предпочтительно смачивает волокна волокнистого полотна не менее чем в течение 0,001 сек, но обычно от нескольких секунд до нескольких минут.

Неводные полярные жидкости, пригодные для использования по предлагаемому способу имеют дипольный момент как минимум около 0,5 Дебай, более предпочтительно - не менее чем примерно 0,75 Дебай и наиболее предпочтительно - не менее чем примерно 1,0 Дебай. Диэлектрическая постоянная (ε) такой жидкости равна не менее чем примерно 10, более предпочтительно - не менее чем примерно 20, и еще более предпочтительно - не менее чем примерно 40. Такие неводные полярные жидкости предпочтительно не оставляют проводящих нелетучих остатков, которые могли бы замаскировать или уничтожить электрический заряд полотна. Как правило, наблюдается корреляция между величиной диэлектрической постоянной жидкости и степенью улучшения характеристик фильтрации. Жидкости, имеющие более высокие значения диэлектрической постоянной, обычно обеспечивают большее улучшение характеристик фильтрации. В число примеров неводных жидкостей, пригодных для использования согласно настоящему изобретению, входят метанол, изопропанол, этиленгликоль, диметилсульфоксид, диметилформамид, ацетонитрил, и, среди прочих, ацетон и смеси указанных жидкостей.

Такие неводные жидкости содержат не более 10% (по объему) воды, обычно меньше, чем примерно 5%, а чаще - меньше, чем примерно 2%. В некоторых случаях неводная полярная жидкость совсем не содержит воды.

Полотна, пригодные для использования в целях настоящего изобретения, могут быть изготовлены по различным технологиям, в том числе способом воздушной укладки, способом влажной укладки или вытягиванием из расплава, как описано 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.). Для изготовления волокнистых полотен, предназначенных для применения в качестве фильтров, наиболее пригодны микроволокна, в частности микроволокна, полученные вытягиванием из расплава. "Микроволокнами" называют волокна, имеющие эффективный диаметр порядка 25 мкм или еще меньше. Эффективный диаметр волокон может быть рассчитан по уравнению (12) из работы Davies, C.N. "Разделение взвешенных в воздухе частиц пыли" ("The Separation of Airborne Dust Particles". Inst. Mech. Eng., London, Proc. 1B, 1952). Для использования в фильтрах предпочтительны микроволокна с эффективным диаметром не более 20 мкм, и более предпочтительны - с диаметрами приблизительно от 1 до 10 мкм.

Для получения более легких, менее плотных полотен, микроволокна можно смешивать со штапельными волокнами. Уменьшение плотности полотна способствует снижению перепада давления. Малый перепад давления желателен в индивидуальных респираторах, поскольку это делает респиратор более удобным для пользователя. Содержание штапельного волокна предпочтительно не превышает 90% (по весу), и более предпочтительно - не превышает 70%. Полотна, содержащие штапельное волокно, описаны в патенте США №4,118,531 (Hauser).

В состав электретного полотна могут быть введены активные частицы различного назначения, например, сорбирующие, каталитические и т.д. Например, в патенте США №5,696, 199 (Senkus и др.) описаны различные виды пригодных для этого активных частиц. Активные частицы, обладающие сорбирующими свойствами - например, активированный уголь или алюминий - могут вводиться в полотно для поглощения паров органических веществ во время фильтрации. Обычно такие активные частицы могут присутствовать в количествах, достигающих 80% (по объему) состава полотна. Нетканые полотна, содержащие активные частицы, описаны, например, в патентах США №3,971,373 (Braun); №4,100,324 (Anderson) и №4,429,001 (Kolpin и др.).

В число полимеров, пригодных для использования при изготовлении полезных для целей настоящего изобретения волокон, входят термопластичные непроводящие органические полимеры. Такие полимеры обычно способны удерживать большие значения захваченного электрического заряда, и пригодны для переработки в волокна, например, с помощью устройств вытягивания из расплава или прядильных устройств. Термин "термопластичный" обозначает полимер, который размягчается под действием тепла. Термин "органический" обозначает полимер, структуру которого образуют атомы углерода. В число предпочтительных полимеров входят полиолефины, например полипропилен и поли-4-метил-1-пентен; смеси или сополимеры, содержащие один или несколько таких полимеров; и смеси таких полимеров. В число других полимеров могут входить полиэтилен и иные полиолефины, поливинилхлориды, полистирены, поликарбонаты, полиэтилентерефталаты, другие сложные полиэфиры, сочетания этих полимеров, а также иные непроводящие полимеры.

Волокна из этих полимеров могут изготавливаться с примесью других подходящих добавок. Такие волокна, чтобы состоять из нескольких полимерных компонентов, могут экструдироваться или формоваться иными способами. Смотри патент США №4,729,371 (Krueger и Dyrud) и патенты США №4,795,668 и №4,547,420 (Krueger и Меуег). Эти различные полимерные компоненты могут располагаться по длине волокна параллельно или концентрически, образуя, например, двухкомпонентное волокно. Волокна могут быть собраны таким образом, чтобы получилось макроскопически однородное полотно, т.е. полотно, образованное из волокон практически одинакового строения.

Волокна, используемые для целей настоящего изобретения, для образования пригодного для фильтров волокнистого продукта не нуждаются в применении иономеров, в частности, нейтрализованных ионом металла сополимеров этилена или акриловой или метакриловой кислот (или обеих вместе). Волокнистые нетканые электретные полотна могут быть изготовлены из указанных выше полимеров без добавления от 5 до 25% (по весу) (мет)акриловой кислоты с частично нейтрализованными ионами металлов кислотными группами.

Характеристики электретного полотна могут быть улучшены путем введения добавок в состав, из которого формируются волокна, до контакта с полярной жидкостью. В сочетании с волокнами или материалом, из которого они формируются, предпочтительно используется "улучшающая добавка против масляного тумана". Эта "улучшающая добавка против масляного тумана" представляет собой компонент, который, будучи добавлен в материал, из которого формируются волокна, или, например, нанесен на готовое волокно, может улучшить способность волокнистого нетканого электретного полотна отфильтровывать аэрозольные масляные частицы.

Для улучшения характеристик электрета в состав полимерного материала может быть введена добавка, содержащая фтор. В патентах США №5,411,481 и №5,472,481 (Jones и др.) описано применение допускающей переработку плавлением фторсодержащей добавки, имеющей температуру плавления не менее 25°С и молекулярный вес приблизительно от 500 до 2000. Такая фторсодержащая добавка может использоваться для улучшения стойкости к воздействию масляного тумана. Известен класс добавок, улучшающих свойства заряжаемых водяной струей электретов. Такие добавки представляют собой соединение, в состав которого входит раствор перфтората, содержащий не менее 18% фтора (от общего веса добавки) - смотри патент США №5,908,598 (Rousseau и др.). Одной из добавок этого типа является вводимый в количестве не менее 0,1% от веса термопластического материала фторированный оксалидинон, описанный в патенте США №5,411,576 как "Additive A".

Другими возможными добавками являются термически стабильные соединения или олигомеры на основе триазина, которые помимо атомов азота самого триазина содержат, по меньшей мере, еще один атом азота. Еще одной добавкой, о которой известно, что она улучшает свойства электретов, заряжаемых струей воды, является Chimasssorb™ 944 LF (поли[[6-(1,1,3,3,-тетраметилбутил)амино]-s-триазин-2,4-диил][(2,2,6,6.-тетраметил-4-пиперидил)имино]гексаметилен[(2,2,6,6.-тетраметил-4-пиперидил)имино]), поставляемый фирмой Ciba-Geigy Corp. Добавки Chimasssorb™ 944 и "Additive A" могут сочетаться. Добавка Chimasssorb™ и/или иные вышеуказанные добавки присутствуют в полимере в количестве, предпочтительно, от примерно 0,1% до примерно 5% веса полимера, более предпочтительно - от примерно 0,2% до примерно 2%, и еще более предпочтительно - от примерно 0,2% до примерно 1% веса полимера. Известно также, что некоторые другие пространственно затрудненные амины увеличивают образующийся в полотне электрический заряд, который улучшает фильтрацию.

Такие содержащие добавки волокна после формования из нагретого расплава смеси полимера и добавки - и после операций отпуска и зарядки - могут быть подвергнуты закалке в ходе образования электретного полотна. Готовое изделие может обладать улучшенными характеристиками фильтрации, если электрет изготавливается именно таким способом - смотри заявку на патент США Serial №08/941,864, соответствующую международной публикации WO 99/16533. Добавки могут быть введены в полотно и после его формования, например, с использованием метода поверхностного фторирования, описанного в поданной 2 июля 1998 года заявке на патент США Serial №09/109,497 (Jones и др.).

Полимерный материал для формирования волокон при комнатной температуре имеет удельное сопротивление не менее 10¹⁴ Ом×см. Предпочтительно, чтобы удельное сопротивление было не менее 10¹⁶ Ом×см. Удельное сопротивление полимерного материала для изготовления волокон может быть определено с помощью стандартного теста ASTM D 257-93. Материал для волокон, используемый для изготовления волокон методом вытягивания из расплава, должен быть практически свободен от таких компонентов, как антистатики, которые могут увеличить электропроводность материала или иным образом повлиять на способность волокон удерживать электростатические заряды.

Изготовленные в соответствии с настоящим изобретением нетканые полотна можно использовать в фильтрующих масках, выполненных так, чтобы защитить, по меньшей мере, нос и рот пользователя.

На Фиг.2 показана фильтрующая лицевая маска 40, которая может быть сконструирована с применением электростатически заряженного нетканого полотна, изготовленного согласно настоящему изобретению. Чашеобразная, в целом, часть корпуса маски 42 выполнена так, чтобы облегать нос и рот пользователя. Электретный фильтровальный материал, предназначенный для удаления частиц загрязнителей из вдыхаемого воздуха, размещается в корпусе маски 42, как правило, по всей его поверхности. Слой электретного фильтровального материала может поддерживаться другими слоями, например формообразующими слоями, выполненными из термически связанных волокон, в частности, таких как двухкомпонентные волокна, имеющие внешний термопластический слой, который придает им способность свариваться между собой в точках касания при нагревании. В числе примеров иных конструкций фильтрующих лицевых масок, где может быть использовано волокнистое нетканое электретное полотно, укажем патенты США №4,536,440 (Berg), №4,807,619 (Dyrud и др.), №4,883,547 (Japuntich), №5,307,796 (Kronzer) и №5,374,458 (Burgio). Электретный фильтровальный материал может быть также применен, например, в фильтрующих картриджах респираторов, таких как картриджи, описанные в патентах США №Re. 35,062 (Brostrom и др.) или №5,062,421 (Burns и Reishel). Поэтому маска 40 изображена здесь только в иллюстративных целях, и использование данного электретного фильтровального материала не ограничивается описанной здесь реализацией. Часть корпуса 42 выполняется пористой, чтобы вдыхаемый воздух мог проходить сквозь нее.

Для удержания маски 40 на лице пользователя может быть предусмотрена лента или мягкое крепление 44. Хотя на Фиг.2 показана только одна лента 46, мягкое крепление 44 может состоять более чем из одной ленты 46 и иметь множество разных конструкций, например, раскрытых в патентах США №4,827,924 (Japuntich и др.), №5,237,986 (Seppalla и др.) или №5,464,010 (Byram).

Заявители уверены в том, что представленный метод зарядки создает в волокнах положительные и отрицательные заряды так, что эти положительные и отрицательные заряды случайным образом распределены по всему объему полотна. Случайное распределение зарядов обеспечивает отсутствие поляризации полотна. Таким образом, волокнистое нетканое электретное полотно, изготовленное в соответствии с настоящим изобретением, практически не поляризовано в направлении, перпендикулярном плоскости полотна. Волокна, заряженные указанным способом, демонстрируют идеальное совпадение с конфигурацией зарядов, показанной на Фигуре 5С в заявке на патент США Serial №08/865,362. Если волокнистое полотно подвергалось также процедуре зарядки коронным разрядом, распределение зарядов в нем будет подобно конфигурации, показанной на Фигуре 5В той же заявки. Полотно, изготовленное из волокон, которые были заряжены исключительно изложенным здесь способом, как правило, обладает захваченным неполяризованным зарядом, равномерно распределенным по всему объему полотна. Термин "по существу неполяризованный заряд" соответствует волокнистым электретным полотнам, у которых при ТСРТ-анализе обнаруживается ток разряда, величина которого, отнесенная к площади измерит