Электретное изделие с высоким насыщением фтором

Электретное изделие с высоким насыщением фтором

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к полимерному электретному изделию, которое имеет отношение СF₃:СF₂, равное по меньшей мере 0,15, и которое имеет отношение насыщения фтором больше чем примерно 200. Изобретенное электретное изделие является стойким к уменьшению заряда при воздействии высокой температурой в течение продолжительных периодов времени.

Уровень техники

Электретные изделия, т.е. диэлектрические изделия, которые характеризуются по меньшей мере квазипостоянным зарядом, известны проявлением хороших фильтрационных свойств. Изделиям придан вид разнообразных конструкций, но для целей воздушной фильтрации изделия обычно принимают форму нетканого полимерного волокнистого полотна. Примером такого продукта является печной фильтр марки Filtrete™ от компании 3М. Нетканые полимерные фильтры также используются в персональных респираторных защитных устройствах - см., например, патент США №5.307.796 на имя Kronzer et al., США №5.804.295 на имя Braun et al. и патент США №6.216.693 на имя Rekow et al.

Для создания электретов использовано множество способов, в том числе бомбардировка волокна электрическими частицами (патент США №4.215.682 на имя Kubik et al.), электризация коронным разрядом постоянного тока «DC» (см. патенты США №Re 30.782 и 32.171 на имя Van Turnhout и патент США №4.592.815 на имя Nakao), гидроэлектризацию (см. патенты США №№5.496.507, 6.119.691, 6.375.886 и 6.783.574 на имя Angadjivand et al., патент США №6.406.657 на имя Eitzman et al. и патент США №6.743.464 на имя Insley et al.) и от воздействия на полярные жидкости (патент США №6.454.986 на имя Eitzman et al.). Электрический заряд, который вносится в диэлектрическое изделие, эффективен при улучшении улавливания частиц.

Помимо этого, для волокнистых структур, микроструктурный или микроканальный фильтрующий носитель электрически заряжен для улучшения качества фильтрации (см., например, патент США №6.524.488 на имя Insley et al.).

Во время использования электретные фильтры часто насыщаются частицами и загрязнениями, которые препятствуют фильтрующим способностям электретного фильтра. Жидкие аэрозоли, например в особенности масляные аэрозоли, могут служить причиной потери электретными фильтрами их улучшенной электретной эффективности (см. патент США №6.627.563 на имя Huberty).

Разработаны многочисленные способы для вычисления потери этой эффективности фильтрации. Один способ включает в себя добавление дополнительных слоев нетканого полимерного полотна в фильтр. Однако этот подход может увеличивать перепад давления в электретном фильтре и может добавить ему вес и объем. Когда электретный фильтр используется в персональном респираторном защитном устройстве, эти недостатки могут быть особенно неприятными. Увеличенный перепад давления, например, приводит к увеличению сопротивления дыханию, делая респиратор более неудобным для ношения. Другой способ для улучшения стойкости к взвешенной нефтяной пыли включает в себя добавление перерабатываемой в расплаве фторсодержащей добавки, такой как фторсодержащий оксазолидинон, фторсодержащий пиперазин или перфорированные алканы, к полимерам во время создания полимерного волокнистого изделия - см., например, патенты США №№5.025.052 и 5.099.026 на имя Crater et al., и патенты США №№5.411.576 и 5.472.481 на имя Jones et al. Фторсодержащие соединения перерабатываются в расплаве, т.е. они по существу не испытывают ухудшения в условиях переработки в расплаве, что используется для формирования волокон в электретном полотне - см. также патент США №5.908.598 на имя Rousseau et al. В дополнение к способу переработки в расплаве фторсодержащие электреты также созданы посредством размещения полимерного изделия в атмосфере, которая содержит фторсодержащие частицы и инертный газ, с последующим применением электризации для изменения поверхностного химического состава полимерного изделия. Электризация может быть в виде плазмы, такой как коронный разряд переменного тока (АС). Процесс плазменного фторирования побуждает атомы фтора располагаться на поверхности полимерного изделия. Фторированное полимерное изделие может подвергаться электризации с помощью, например, упомянутых выше методов гидрозаряда. Процесс плазменного фторирования описан в нескольких патентах США на имя Jones/Lyones et al.: 6.397.458, 6.398.847, 6.409.806, 6.432.175, 6.562.112, 6.660.210 и 6.808.551. Другие публикации, которые раскрывают методы фторирования, включают в себя: патенты США №№6.419.871, 6.238.466, 6.214.094, 6.213.122, 5.908.598, 4.557.945, 4.508.781 и 4.264.50, публикации заявок США №№2003/0134515 A1 и 2002/0174869 A1; и публикация международной заявки WO 01/07144.

Хотя фторированные электреты подходят для многих применений фильтрации, некоторые фильтры требуют улучшенной тепловой устойчивости для соответствия техническим условиям изделий, например военным техническим условиям и NIOSH положениям - см. NIOSH, Положение Стандарта для Химического, Биологического, Радиологического и Атомного (CBRN) воздушно-очистительного изолирующего респиратора. Приложение А, 30 сентября, 2003, и NIOSH, Положение Стандарта для Химического, Биологического, Радиологического и Атомного (CBRN) полного лицевого респиратора с воздушной очисткой (APR), Приложение А, 4 апреля 2003. Применения имеют место, где электретный фильтрующий носитель должен быть стойким к уменьшениям заряда при высоких температурах за продолжительные периоды. Настоящее изобретение, описанное ниже, обращено к этому требованию и соответственно предлагает электретное изделие, которое имеет хорошие свойства фильтрации взвешенной нефтяной пыли, несмотря на воздействие высоких температур за продолжительные периоды времени.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение обеспечивает новое фторированное полимерное изделие, при этом изделие содержит полимерный материал, который имеет переданный ему электретный заряд, которое имеет отношение СF₃ к СF₂, равное по меньшей мере примерно 0,15, и которое имеет отношение насыщения фтором больше, чем примерно 200. Настоящее изобретение отличается от известных фторированных электретных изделий тем, что оно имеет комбинацию отношения СF₃ к СF₂ и отношения содержания фтора, прежде не описанное и не установленное в уровне техники по полимерным электретным изделиям. Изобретатели обнаружили, что полимерное электретное изделие, которое имеет такие отношения, может показывать улучшенное качество фильтрации при напряженных температурных условиях. В электретных изделиях, описанных в упомянутых выше патентах Jones/Lyons et al., отношение СF₃ к СF₂ описывается равным примерно 0,25, предпочтительно по меньшей мере примерно 0,45 и более предпочтительно больше, чем 0,9. Однако патенты Jones/Jyons et al. не говорят об отношении насыщения фтором и любых преимуществ, которые может иметь такое отношение в том, что касается стабильности заряда.

Сополимер тетрафторэтилена/гексафторопропилена (также известный как фторированный этиленпропилен или "FEP") и политетрафторэтилен ("PTFE") использованы в качестве электретного изделия, например, в преобразователях. Смотри G.M.Sesler, Electrets, v.1, с.374-381 (1998). Хотя FEP имеет такой же компонент СF₃ - измеренный как примерно 0,11 к количеству СF₂ - PTFE имеет ничтожное количество СF₃. Таким образом, до сих пор не известен созданный продукт, имеющий отношение СF₂:СF₃ и отношения насыщения фтором по данному изобретению; и нет никакого известного электретного продукта, который имеет такие отношения и проявляет термическую стойкость настоящего изобретения.

Качество фильтрации электретного изделия обычно характеризуется с помощью параметра, который называется в уровне техники «коэффициентом качества» или «значением Q». Значение Q характеризует качество фильтрации как комбинация параметров проницаемости частиц и падения давления. Как указано выше, некоторые фильтры требуют улучшенной термической стабильности для соответствия техническим условиям продукта фильтрации. Существуют применения, где электретные фильтрующие среды должны быть стойкими к уменьшению заряда при высоких температурах. Заявители демонстрируют, что данные по исключительному коэффициенту качества могут поддерживаться, когда тестируют изобретенные электретные изделия после воздействия ускоренным высокотемпературным старением. В частности, заявители показали, что данные по исключительному коэффициенту качества могут достигаться после 9 часового старения при 100°С. Значение Q, которое получается из этой проверки, называется «Q9». Изобретатели установили, что при обеспечении электретного изделия, которое имеет отношение СF₃ к СF₂, равное по меньшей мере 0,15, с отношением насыщения фтором больше, чем примерно 200, можно достичь увеличенной температурной стабильности, как измерено значением Q9. Таким образом, изобретенные электретные изделия могут поддерживать хорошую эффективность фильтрации, несмотря на то, что они «выдержаны» при высоких температурах за продолжительный временной период.

Эти и другие признаки и преимущества изобретения более полно показываются и описываются на чертежах и в подробном описании данного изобретения, где одинаковые числовые ссылки используются для представления одинаковых частей. Однако понятно, что чертежи и описание используются только для целей иллюстрации и их не следует считать способом, который чрезмерно ограничивает объем этого изобретения.

Изложенные ниже термины будут иметь значения, как определено:

«аэрозоль» означает газ, который содержит суспендированные частицы в твердой или жидкой форме;

«атомарный процент фтора» означает количество фтора, определенное в соответствии со способом для определения поверхностной концентрации фтора с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС) (XPS);

«загрязнения» означает частицы и (или) другие вещества, которые в общем не могут рассматриваться как частицы, но могут быть вредными для дыхания (например, органические испарения);

«диэлектрик» означает не проводящий для постоянного электрического тока;

«электрет» означает диэлектрическое изделие, которое характеризуется по меньшей мере квазипостоянным электрическим зарядом;

«электрический заряд» означает, что имеется разделение зарядов;

«волокнистый» означает содержание волокон и, возможно, других ингредиентов;

«волокнистым электретным полотном» называется тканое или нетканое полотно, которое содержит волокна и которое обладает по меньшей мере квазипостоянным электрическим зарядом;

«фторирование» означает расположение атомов фтора на поверхности изделия;

«фторсодержащие частицы» означает молекулы и группы, содержащие атомы фтора, в том числе, например, атомы фтора, элементарный фтор и содержащие фтор радикалы;

«непроводящий» означает наличие объемного сопротивления больше, чем примерно 10¹⁴ Ом·см при комнатной температуре (22°С);

«нетканый» означает структуру или часть структуры, в которой волокна или другие структурные компоненты совместно удерживаются средством иным, чем плетение;

«постоянный электрический заряд» означает, что электрический заряд находится в электретном изделии для по меньшей мере общепринятой полезной жизни продукта, в котором используется электретное изделие;

«полимер» означает органический материал, который содержит повторяющиеся связанные молекулярные блоки или группы, которые располагаются регулярно или нерегулярно;

«полимерный» означает содержащий полимер и, возможно, другие ингредиенты;

«полимерный формирующий волокна материал» означает композицию, которая содержит полимер или которая содержит мономеры, способные формировать полимер, и, возможно, содержит другие ингредиенты и которая допускает формование в твердые волокна;

«квазипостоянный» означает, что электрический заряд находится в изделии при условиях внешней окружающей атмосферы (22°С, 101,300 Паскаля (Па)) атмосферного давления и 50% влажности) за временной период, достаточно длинный для существенного измерения;

«штапельное волокно» относится к волокнам, которые разрезаются с определенной в общем длиной, обычно от примерно 2 сантиметров до примерно 25 сантиметров, и обычно имеют диаметр волокна, равный по меньшей мере 15 микрометров;

«поверхностное фторирование» означает присутствие атомов фтора на поверхности (например, поверхности полимерного изделия);

«поверхностно модифицированный» означает, что химическая структура на поверхности изменена от ее исходного состояния;

«термопластик» означает полимерный материал, который размягчается, когда подвергается нагреву, и который снова затвердевает, когда охлаждается, не претерпевая заметного химического изменения; и

«полотно» означает структуру, которая значительно больше в двух измерениях, чем в третьем, и которая проницаема для воздуха.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является видом в перспективе одноразовой респираторной маски 10, которая может использовать электретный фильтрующий носитель по настоящему изобретению;

Фиг.2 является видом в поперечном сечении тела 12 респираторной маски 10, показанной на фиг.1;

Фиг.3 является видом в перспективе респираторной маски 24, которая имеет фильтрующий картридж 28, который может включать в себя электретный фильтрующий носитель по настоящему изобретению; и

Фиг.4 является видом в перспективе матрицы 40 фильтрующего носителя по настоящему изобретению;

Фиг.5 является иллюстрацией спектра ToF-SIMS для фторированного полотна BMF, который высвечивает группы С₄F₉; и

Фиг.6 является диаграммой, которая показывает значения Q9 в зависимости от отношений насыщения фтором для примеров 1-8.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

В описанных предпочтительных вариантах осуществления изобретения для ясности используется конкретная терминология. Однако изобретение не должно ограничиваться такими выбранными конкретными терминами, и должно быть понятно, что каждый такой выбранный термин включает в себя все технические эквиваленты, которые работают аналогично.

Полотна, подходящие для использования в изобретении, могут создаваться различными методами, в том числе процессами аэродинамического холстообразования, процессами влажного холстообразования, гидросплетением, процессами фильерного производства и процессами аэродинамического получения из расплава - см. Van A.Wente, Superfine Thernoplastic Fibers (Сверхтонкие термопластичные волокна), 48, Indus. Engn. Chem. 1342-46 и в отчете №4364 Naval Research Laboratories, опубликованном 25 мая, 1954, и озаглавленном Manufacture of Super Fine Organic Fibers (Изготовление сверхтонких органических волокон), by Van A.Wente et al. Можно использовать также полотна, сделанные с использованием комбинаций этих методов и из комбинаций таких волокон. Микроволокна, в частности, полученные аэродинамически из расплава микроволокна, являются особенно подходящими для использования в волоконных полотнах, которые используются в качестве фильтров. Как используется в данном документе, «микроволокно» означает волокно(-а), которые имеют оптимальный диаметр примерно 25 микрометров или менее. Оптимальный диаметр волокна может вычисляться по формуле 12 в статье Davies, C.N., The Separation of Airborne Dust and Particles (Разделение атмосферной пыли и частиц), Inst. Mech. Engn, London Proc. 1B (1952). Для применений фильтрации микроволокна обычно имеют оптимальный диаметр волокна меньше, чем 20 микрометров, более конкретно, от примерно 1 до примерно 10 микрометров. Используются также волокна, сделанные из фибриллированных пленок - см., например, патенты США Re 30.782, Re 32.171, 3.998.916 и 4.178.157 на имя Van Turnout.

Штапельные волокна также могут объединяться с микроволокнами для улучшения легкости материла, т.е. для уменьшения его плотности. Уменьшение плотности полотна может снижать перепад давления по полотну, упрощая пропускание воздуха через фильтр. Пониженные перепады давления особенно желательны в персональных респираторных защитных устройствах, т.к. они делают респиратор более комфортабельным для ношения. Когда перепад давления низкий, требуется меньше энергии для пропускания воздуха через фильтр. Носитель респиратора, который надевает маску отрицательного давления, - т.е. респиратор, который требует отрицательное давление от легких владельца для пропускания воздуха через фильтр - тем самым не имеет затруднений для вдыхания фильтрованного воздуха. Пониженные энергетические требования также могут быть полезными в запитываемых фильтрующих системах для снижения стоимости, связанной с запиткой вентилятора, и для продления срока службы батареи в системе с батарейным питанием. В обычном нетканом волокнистом фильтре содержится не более чем примерно 90 весовых процентов штапельных волокон, конкретнее, не более чем 70 весовых процентов. Обычно остальные волокна являются микроволокнами. Примеры полотен, которые содержат штапельные волокна, описываются в патенте США №4.118.531 на имя Hauser.

Активные частицы также могут включаться в электретное полотно для различных целей, в том числе для целей всасывания, каталитических целей и других. Патент США №5.696.199 на имя Senkus et al., например, описывает различные типы активных частиц, которые могут быть пригодны. Активные частицы, которые имеют сорбирующие свойства - такие как активированный уголь или глинозем - могут включаться в полотно для удаления органических испарений во время операций фильтрации. Активные частицы могут содержаться в полотне в количестве до примерно 95 объемных процентов. Примеры наполненных частицами нетканых полотен описываются, например, в патентах США №3.971.373 на имя Braun, №4.100.324 на имя Anderson и №4.429.001 на имя Kolpin et al.

Полимеры, которые могут быть подходящими для использования при производстве электретных изделий, включают в себя термопластические органические непроводящие полимеры. Эти полимеры в общем способны удерживать высокую величину захваченного заряда и способны перерабатываться в волокна, как через устройство выдувания из расплава или устройство эжектирования потоком воздуха. Термин «органический» означает, что основа полимера включает в себя атомы углерода. Предпочтительные полимеры включают в себя полиолефины, такие как полипропилен, поли-4-метил-1-пентен, смеси или сополимеры, содержащие один или несколько этих полимеров, и комбинации этих полимеров. Другие полимеры могут включать в себя полиэтилен, другие полиолефины, поливинилхлориды, полистиролы, полиэтилен терефталат, другие сложные полиэфиры и комбинации этих полимеров и могут необязательно использоваться другие непроводящие полимеры в качестве формирующих волокна полимерных материалов или для производства других электретных изделий.

Полимерные электретные изделия, в частности волокна, также могут получаться экструдированием или формироваться иным образом, чтобы иметь множество полимерных компонентов - смотри патент США №4.729.371 на имя Krueger and Dyrud, и патенты США №№4.795.668 и 4.547.420 на имя Krueger and Meyer. Различные полимерные компоненты могут располагаться концентрически или продольно по длине волокна для создания, например, бикомпонентного волокна. Волокна могут располагаться для формирования «макроскопически однородного» полотна, а именно полотна, которое создается из волокон, каждое из которых имеет одну и ту же общую композицию.

Волокна могут быть сделаны из этих полимеров в соединении с другими подходящими добавками. Возможными добавками являются термически стабильные органические триазиновые составы или олигомеры, при этом данные составы или олигомеры содержат по меньшей мере один атом азота в добавление к тем, которые имеются в триазиновом кольце - смотри патенты США №№6.268.495, 5.976.208, 5.968.635, 5.919.847 и 5.908.598 на имя Rousseau et al. Другими добавками, известными для улучшения электретов, заряженных струями воды, являются Chimassorb™ 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]], доступные у Ciba-Geigy Corp.

Волокна, используемые в изобретении, не требуют содержания иономеров - в частности, металлоионных нейтрализованных сополимеров этилена и акриловой или метакриловой кислоты или их обоих - для создания волокнистого изделия, подходящего для применений фильтрации. Нетканые волокнистые электретные полотна могут соответственно создаваться из полимеров, описанных выше, без содержания (мета)акриловой кислоты от 5 до 25 массовых процентов и с группами кислот, частично нейтрализованных ионами металла.

Волокна, которые содержат добавки, могут быстро охлаждаться после формирования нагретой расплавленной смеси полимера и добавки - с последующими этапами отжига и зарядки - для создания электретного изделия. Повышенное качество фильтрации может обеспечиваться для изделия посредством создания электрета этим способом - см. патент США №6.068.799 на имя Rousseau et аl. Электретные изделия также могут быть созданы для низкого уровня выделяемого углеводорода (<3,0 массовых %) для улучшения производительности нагрузки - см. патент США №6.776.951 на имя Rousseau et al.

Полимерный материал, который используется для создания электретного изделия в соответствии с изобретением, предпочтительно имеет объемное удельное сопротивление 10¹⁴ Ом·см или больше при комнатной температуре. Более предпочтительно, объемное удельное сопротивление равно примерно 10¹⁶ Ом·см или больше. Удельное сопротивление формирующего волокна полимерного материала может измеряться в соответствии со стандартизованными тестами ASTM D 257-93. Формирующий волокна полимерный материал, используемый для создания электретных изделий, таких как волокна, полученные аэродинамическим способом из расплава, также должны быть практически свободными от таких компонентов как антистатические агенты, т.е. эти агенты могли бы увеличивать электрическую проводимость или иным образом мешать способности электретного изделия принимать и удерживать электростатические заряды.

Электреты, которые содержат нетканые полимерные волоконные полотна для респираторных фильтров, обычно имеют «базовый вес» в диапазоне примерно 2-500 грамм на квадратный метр (г/м²), конкретнее примерно 20-150 г/м². Базовый вес является массой на единицу площади фильтрующего полотна. Толщина такого нетканого полимерного волоконного полотна составляет обычно примерно 0,25-20 миллиметров (мм), более предпочтительно примерно 0,5-2 мм. Множество слоев волоконных электретных полотен обычно используются в элементах фильтра. Твердость волоконной электретной ткани равна обычно примерно 1-25, более конкретно примерно 3-10.

Изобретенные электретные изделия могут использоваться в качестве фильтров в фильтрующих масках, которые адаптированы для ограждения по меньшей мере носа и рта владельца.

Фиг.1 показывает пример фильтрующей лицевой маски 10, которая может быть создана для содержания электрически заряженного нетканого полотна, которое производится в соответствии с настоящим изобретением. В общем чашевидная телесная часть 12 адаптирована для надевания на нос и рот владельца. Телесная часть 12 является пористой с тем, чтобы вдыхаемый воздух мог проходить через нее. Электретный фильтрующий носитель располагается на телесной части 12 маски (обычно практически по всей площади поверхности) для удаления загрязнений из вдыхаемого воздуха. Удобный носовой зажим 13 может располагаться на маске для помощи в поддержании удобного надевания на нос владельца. Носовой зажим может быть зажимом «М-формы», как описано в патентах США Des 412.573 и 5.558.089 на имя Castiglione. Ременная или строповая система 14 может быть предусмотрена для поддержки телесной части 12 маски на лице владельца. Хотя на фиг.1 показана двойная ременная система, стропа 14 может использовать только один ремень 16 и она может быть представлена в разнообразии других конфигураций - см., например, патенты США №4.827.924 на имя Japuntich et al., 5.237.986 на имя Seppalla et al. и 5.464.010 на имя Byram. Клапан выдоха может монтироваться на телесной части маски для быстрого удаления вдыхаемого воздуха из внутренней части маски - см. патенты США №№5.325.892, 5.509.436, 6.843.248 и 6.854.463 на имя Japuntich et аl.; см. также патент США №Re37.974 на имя Bowers.

Фиг.2 показывает пример поперечного сечения телесной части 12 маски. Телесная часть 12 маски может иметь множество слоев, как обозначено числовыми позициями 18, 20 и 22. Электретный фильтрующий носитель может удерживаться другими слоями, такими как формирующие слои, которые создаются из термически соединенных волокон, таких как бикомпонентные волокна, которые имеют наружный термопластичный компонент, облегчающий волокнам соединение с другими волокнами в точках пересечения волокон. Слой 18 может быть внешним формирующим слоем, слой 20 может быть фильтрующим слоем, а слой 22 может быть внутренним формирующим слоем. Формирующие слои 18 и 22 удерживают фильтрующий слой 20 и обеспечивает форму маски 12. Хотя в данном описании используется термин «формирующие слои», формирующие слои также имеют другие функции, которые, в случае внешнего слоя, могут быть даже первичной функцией, такой как защита фильтрующего слоя и предварительной фильтрацией газового потока. Кроме того, хотя используется термин «слой», один слой может фактически содержать несколько подслоев, объединенных для получения заданной толщины или веса. В некоторых вариантах осуществления только один, в основном внутренний, формирующий слой включается в лицевую маску, но формирование может выполняться более прочно и удобно, если используются два формирующих слоя, например, один на каждой стороне фильтрующего слоя, как показано на фиг.2. Примеры формирующих слоев описаны в следующих патентах США №№: 4.536.440 на имя Berg, 4.807.619 на имя Dyrud et al., 5.307.796 на имя Kronzer et al., 5.374.458 на имя Burgio и 4.850.347 на имя Skov. Хотя телесная часть маски, показанная на фиг.1 и 2, имеет, как правило, округлую, чашеобразную конфигурацию, маска может иметь и другие формы - см., например, патент США №4.883.547 на имя Japuntich.

Фиг.3 показывает другой респиратор 24, который может использовать изобретенные электретные изделия в качестве фильтра. Респиратор 24 включает в себя эластичную телесную часть 26 маски, которая имеет прикрепленный к ней фильтрующий картридж 28. Телесная часть 26 маски обычно включает в себя эластичную лицевую часть 30, которая сопряженно надевается на нос и рот человека. Фильтрующий картридж 28 может содержать изобретенный фильтрующий носитель для улавливания загрязнений до их вдыхания владельцем. Фильтрующий элемент может включать в себя полимерное электретное фильтрующее изделие по изобретению само по себе или в связи с газовым фильтром, таким как активированная угольная подложка. Пористая оболочка или экран 22 может выполняться на фильтрующем картридже для защиты внешней поверхности фильтрующего элемента. Примеры других фильтрующих картриджей, где может использоваться изобретенный электретный фильтрующий носитель, например, в фильтрующих картриджах для респираторов, такие как фильтрующие картриджи, описаны в патенте США № Re. 35.062 на имя Brostorm et al. или в патенте США 5.062.421 на имя Bums и Reischel. Как видно из этих патентов, может использоваться множество фильтрующих картриджей. Картриджи могут также быть сменными и заменяемыми. Помимо этого, изобретенный фильтрующий носитель может использоваться в фильтрующих картриджах запитываемых очищающих воздух респираторов (PAPR). Примеры PAPR показаны в патентах США №№6.666.209 на имя Bennett et al. и 6.575.165 на имя Cook et al. Кроме того, изобретенный фильтрующий носитель может использоваться в фильтрующих картриджах для спасательных капюшонов - см. патенты США № D480.476 на имя Martinson et al. и 6.302.103, 6.371.116, 6.701.925 на имя Resnick.

Фиг.4 показывает вид в перспективе матрицы 40 фильтрующего носителя. Структура матрицы 40 может содержать множество потоковых каналов 42, которые образуют впускные отверстия 43 на первой стороне 44 матрицы 40 и имеют выпускные отверстия 46 на второй стороне матрицы 40. Потоковые каналы могут быть образованы гофрированным или микроструктурным слоем 50 и верхним слоем 52. Очерченный слой 50 может соединяться с верхним слоем 52 в одной или нескольких вершинах или углублениях. Посредством укладки множества слоев структуры и плоских элементов может достигаться микроканальное устройство. Потоковым каналам стремятся придавать высокий коэффициент формы (отношение высоты к ширине), а пленочные слои предпочтительно электрически заряжают для обеспечения изделия с хорошей эффективностью поглощения. Перепад давления по матрице 40 от первой стороны 44 ко второй стороне 48 ничтожен.

Неволоконные электретные изделия, которые используются для целей фильтрации, таким образом, могут быть взяты в виде формованной пленки, микроструктурной поверхности или множества микроструктурированных каналов. Примеры неволоконных электретных изделий описываются в патентах США №№6.752.889 на имя Insley et al., 6.280.824 на имя Insley et al., 4.016.375 на имя Van Turnout, и 2.204.705 на имя Rutherford.

Фторирование

Изобретенные фторированные электреты могут изготавливаться посредством переноса фтора, содержащего группы из газовой фазы, в изделие посредством химической реакции, сорбции, конденсации или других подходящих средств. Полимерное изделие может фторироваться, необязательно в присутствии модифицирующего поверхность электрического разряда, за которым следует зарядка изделия, для создания фторированного электрета. Альтернативно изобретенное изделие может сначала заряжаться, а затем фторироваться.

Поверхность полимерного изделия может быть модифицирована, чтобы содержать атомы фтора, посредством воздействия на полимерное изделие атмосферой, которая включает в себя содержащие фтор частицы. Процесс фторирования может выполняться при атмосферном давлении, при давлении меньше атмосферного, или при «пониженном давлении». Процесс фторирования предпочтительно выполняется в управляемой атмосфере для предотвращения загрязнений от взаимодействия с добавлением атомов фтора к поверхности изделия. Термин «управляемый» означает устройство, которое имеет способность управлять составом атмосферы в камере, где выполняется фторирование. Атмосфера, предпочтительно, практически свободна от кислорода и других нежелательных компонентов. Атмосфера обычно содержит менее чем 1% кислорода или других нежелательных компонентов, предпочтительно, менее чем 0,1% по объему.

Содержащие фтор частицы, представленные в атмосфере, могут доставляться из фторированных смесей, которые являются газами при комнатной температуре, которые становятся газом, когда нагреваются, или которые могут испаряться. Примеры используемых источников фторсодержащих частиц включают в себя атомы фтора, элементарный фтор, неорганические фториды такие, как фторированная сера (например, SF₆), фторированный азот (например, NF₃) и РF₃, ВF₃, SiF₄ и их комбинации. Атмосфера фторсодержащих частиц может также включать в себя инертные разжижающие газы такие, как инертный газовый гелий, аргон и т.д. и их комбинацию. Азот также может использоваться в качестве разбавителя.

Электрический разряд, который применяется во время процесса фторирования, может изменять химию поверхности полимерного изделия, когда применяется в присутствии источника фторсодержащих частиц. Электрический разряд может быть в виде плазмы, например плазма тлеющего разряда, коронная плазма, плазма тихого разряда (также называемая плазма разряда с диэлектрическим барьером и коронный разряд переменного тока), и гибридная плазма, например плазма тлеющего разряда при атмосферном давлении и псевдотлеющего заряда - см. патенты США №№6.808.551, 6.660.210, 6.562.112, 6.432.175, 6.409.806, 6.398.847 и 6.397.458 на имя Jones/Lyons et al. Предпочтительно плазма является плазмой переменного тока при пониженном давлении. «Пониженное давление» означает давление менее чем 700 Па, предпочтительно, менее чем 140 Па. Примеры процесса модификации используемой поверхности электрическим разрядом описываются в патентах США №№5.244.780, 4.828.871 и 4.844.979 на имя Strobel et al.

Другой процесс фторирования может включать в себя погружение полимерного изделия в жидкость, которая является инертной в отношении элементарного фтора, и барботирование газа с элементным фтором через эту жидкость для создания изделия с поверхностным фторированием. Примеры используемых жидкостей, которые являются инертными в отношении фтора, включают в себя пергалоидированные жидкости, например перфторированные жидкости такие, как Performance Fluid PF 5052 (коммерчески доступная от компании 3М). Элементарный фтор, содержащий газ, который барботируется через жидкость, может включать в себя такой инертный газ как азот, аргон, гелий и их комбинацию.

Чем больше значение Q9 при заданной скорости потока, тем лучше качество фильтрации электрета после высокотемпературного хранения. Предпочтительные электреты имеют значение Q9 по меньшей мере примерно 1,4/мм Н₂O, предпочтительно, по меньшей мере примерно 1,5/мм Н₂O, более предпочтительно, по меньшей мере примерно 2,0/мм Н₂O. Значения Q9 могут определяться в соответствии с тестом, установленным ниже. Более высокие значения термически стимулированного тока разряда (TSDC), которые также соответствуют более высокой температурной стабильности, могут достигаться данным изобретением. Предпочтительные электреты, которые содержат полипропилен, имеют пиковое значение TSDC больше чем 130°С, более предпочтительно более чем 140°С.

Поверхностная концентрация фтора может устанавливаться с помощью электронной спектроскопии для химического анализа (ESCA), также известной как спектроскопия рентгеновских фотоэлектронов или XPS. Поверхность изобретенного электретного изделия показывает примерно 40-60 атомарных % фтора, когда анализируется с помощью XPS. XPS анализирует элементный состав самой удаленной поверхности (т.е. приблизительно 30-100 Å) образца. Отношение СF₃ к CF₂ в изобретенных изделиях равно по меньшей мере 0,15, предпочтительно по меньшей мере примерно 0,2, и более предпочтительно равно по меньшей мере примерно 0,3. При верхнем пределе отношение СF₃:СF₂ обычно равно менее чем примерно 0,7 или 0,6. Отношение СF₃ к СF₂ может определяться с помощью способа спектроскопии рентгеновских фотоэлектронов (XPS), описанного ниже.

Электрет также имеет отношение насыщения фтором (FSR) на поверхности электрета более чем примерно 200, предпочтительно, более чем примерно 250, и может быть более чем примерно 300. Отношение насыщения фтором FSR может определяться делением атомарного процента фтора в образце на его отношение насыщения/ненасыщения. Атомарный процент фтора и отношение насыщения/ненасыщения могут определяться с помощью XPS и процедурами ToF-SIMS, описанными ниже. Лучшие значения Q9 в общем достигаются при более высоких отношениях насыщения фтора (см. фиг.6), и, таким образом, чем выше FSR, тем лучше качество фильтрации высокотемпературной нефтяной пыли. Может достигаться значение FSR, равное 350, или даже выше 500.

Для достижения отношения насыщения фтором по настоящему изобретению электретное изделие предпочтительно предварительно подготавливается (фторируется) в системе, которая откачивается до давления ниже 4 Паскаля и наполняется при непрерывной подаче заданной атмосферы фторирования, при управлении скоростью накачки до достижения желательного рабочего давления. Изобретатели установили, что удобно выполнять этап фторирования при пониженном давлении с помощью разряда питания переменного тока (АС).

Придание электрического заряда

Электрический заряд может придаваться полимерным изделиям с помощью различных методов. Полимерные материалы могут бомбардироваться электрическими частицами, когда они экструдируются из выходной части оформляющего канала головки экструдера, как описано в патенте США №4.215.682 на имя Kubik et al. Альтернативно, использовалась зарядка коронным разрядом постоянного тока (DC) как описано в патентах США №№ RE 30.782; 31.285 и 32.171 на имя Turnhout, и патентах США №№4.375.718 и 5.401.446 на имя Wadsworth et al., патенте США №4.588.537 на имя Klasse et аl. и патенте США №4.592.815 на имя Nakao. Полимерные изделия также могут заряжаться посредством контактирования их с водой или полярной жидкостью. Документы, которые описывают зарядку посредством использования воды - т.е. гидрозарядку - включают в себя патенты США №№5.496.507, 6.119.691, 6.375.886 и 6.783.574 на имя Angadjivand et al., патент США №6.406.657 на имя Eitzman et al., и патент США №6.743.464 на имя Insley et al. Электретные изделия также могут заряжаться посредством воздействия на них полярными жидкостями иными, чем вода, как описано в патенте США №6.454.986 на имя Ei