Способ изготовления электретных изделий, основанный на использовании зета-потенциала

Способ изготовления электретных изделий, основанный на использовании зета-потенциала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения

В настоящем изобретении предлагается новый способ заряжания полимерных электретных изделий. Способ включает использование жидкости на водной основе, имеющей проводимость и рН, которые являются функцией зета-потенциала изделия.

Уровень техники

Электретные изделия, то есть изделия, имеющие по меньшей мере квазиперманентный электрический заряд, известны как обладающие хорошими фильтрующими свойствами. Такие изделия используются во многих приложениях. В системах фильтрации воздуха они используются, как правило, в виде нетканых полотен из полимерных волокон. Примером такого материала является фильтр для печей производства 3М Company, предлагаемый под торговой маркой Filtrete™. Нетканые полимерные электретные фильтры используются также в устройствах индивидуальной защиты органов дыхания - смотри, например, патенты США 4,536,440 (автор Berg), 4,807,619 (Dyrud с соавторами), 5,307,796 (Kronzer с соавторами), 5,804,295 (Braun с соавторами) и 6,216,693 (Rekow с соавторами).

Электрический заряд повышает способность нетканого полотна захватывать частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в среде, проходящей через данное полотно. Нетканое полотно, как правило, содержит волокна, содержащие диэлектрические, то есть непроводящие полимеры. Для производства электретных изделий в течение многих лет было разработано множество способов.

Одни из первых способов производства электрически заряженных полимерных пленок описаны Р.W.Chudleigh в публикациях Mechanism of Charge Transfer to a Polymer Surface by a Conducting Liquid Contact, 21 APPL. PHYS. LETT., 547-48 (Dec.1, 1972) и Charging of Polymer Foils Using Liquid Contacts, Al J. APPL. PHYS., 4475-83 (October 1976). Способ по Chudleigh включает заряжание полифтороэтиленовой полимерной пленки путем приложения к ней электрического напряжения. Напряжение прикладывается через проводящую жидкость, находящуюся в контакте с поверхностью пленки.

Один из первых способов производства полимерного электрета в виде волокон описан в патенте США 4,215,682 (авторы Kubic и Davis). Согласно данному способу волокна на выходе из головки экструдера бомбардируются электрически заряженными частицами. Волокна создаются с помощью процесса «выдувания из расплава», в котором рядом с выходным отверстием экструдера дуется газ с большой скоростью, который увлекает за собой частицы экструдированного материала, и они, охлаждаясь, отвердевают в виде волокон. Бомбардируемые волокна, выдуваемые из расплава, в произвольном порядке накапливаются на приемном устройстве (коллекторе), в результате чего образуется волокнистое электретное полотно. В упомянутом патенте указывается, что фильтрующая способность такого полотна увеличивается в два раза или более, когда выдуваемые из расплава волокна заряжаются по сравнению с таким же полотном из незаряженных волокон.

Волокнистые электретные полотна производятся также способом коронного заряжания. Так, например, в патенте США 4,588,537 (Klaase с соавторами) описано волокнистое полотно, непрерывно подаваемое в устройство коронного разряда. В устройстве полотно располагается рядом с одной из основных поверхностей в сущности закрытой диэлектрической фольги. Коронный разряд вырабатывается с помощью источника высокого напряжения, подключенного к находящимся друг напротив друга тонким вольфрамовым проводам. Еще один способ сообщения электростатического заряда нетканому полотну описан в патенте США 4,592,815 (автор Nakao). В предлагаемом способе заряжания полотно приводится в плотный контакт с нулевым электродом с гладкой поверхностью.

Волокнистые электретные полотна могут также изготавливаться из полимерных пленок, как описано в патентах США Re. 30,782, Re. 31,285 и Re. 32,171 (автор van Turnhout). Полимерным пленкам сообщается электростатический заряд, после чего они подвергаются фибрилляции (разделению на волокна), которые впоследствии собираются, и из них изготавливается нетканый электретный фильтр.

Для придания волокнам электрического заряда используются также механические способы. Так, в патенте США 4,798,850 (автор Brown) описан фильтрующий материал, содержащий смесь двух различных спутанных между собой синтетических полимерных волокон, подвергнутый кардованию, в результате чего образуется начес, а затем прокалыванию иглами, в результате чего образуется материал типа войлока. Согласно материалам патента волокна должны быть перемешаны особо тщательно, благодаря чему в процессе кардования они становятся электрически заряженными. Процесс, описанный в данном патенте, обычно называется «трибозаряжанием».

Трибозаряжание может также происходить, когда по поверхности диэлектрической пленки проходят имеющие большую скорость незаряженные струи жидкости или газа. Как описано в патенте 5,280,406 (Coufal с соавторами), когда струи незаряженной жидкости или газа ударяются о поверхность диэлектрической пленки или газа, данная поверхность становится заряженной.

В более поздних технологиях для заряжания нетканого волокнистого полотна используется вода (смотри патент США 5,496,507 (Angadjivand с соавторами). Струя воды под давлением или поток водяных капелек, ударяясь о нетканое полотно, содержащее непроводящие микроволокна, придает полотну электрический заряд. Обработка полотна воздушным коронным разрядом перед такой операцией гидрозаряжания может еще более усиливать конечный заряд полотна. В результате усиливаются и фильтрующие свойства полотна. Прочие способы, основанные на использовании воды для производств электретных изделий, описаны также в патентах США 6,824,718 и 6,406,657 (Eitzman с соавторами), 6,783,574, 6,375,886 и 6,119,691 (Angadjivand с соавторами) и 6,743,464 (Insley с соавторами). Для производства волокнистых электретных изделий используются также полярные жидкости на неводной основе - см. патент США 6,454,986 (Eitzman с соавторами).

Введение в полотно добавок повышает его электретные свойства. Один из способов повышения устойчивости материала против масляно-туманных аэрозолей включает введение в полимер допускающих обработку плавлением фторохимических добавок, таких как фторохимический оксазолидинон, фторохимический пиперазин, или перфторированные алканы, в процессе формирования изделия из полимерных волокон - смотри, например, патенты США 5,025,052 и 5,099,026 (Crater с соавторами), 5,411,576 и 5,472,481 (Jones с соавторами). Фторохимические вещества допускают возможность их обработки плавлением, то есть они в сущности не претерпевают разрушения своей структуры в процессах плавления, используемых для формирования волокон электретного полотна - смотри, например, патент США 5,908,598 (Rousseau с соавторами). В дополнение к способу обработки плавлением фторированные электретные материалы изготавливаются также путем помещения полимерного изделия в атмосферу инертного газа, содержащую фтористые соединения, а затем сообщения ему электрического заряда, в результате чего изменяется химический состав поверхности полимерного изделия. Используемый электрический разряд может быть в форме плазмы, например представлять собой коронный разряд переменного тока. Процесс плазменного фторирования обеспечивает присутствие атомов фтора на поверхности полимерного изделия. Фторированные полимерные изделия могут быть заряжены с использованием, например способов гидрозяряжания, описанных выше. Процесс плазменного фторирования описан в ряде патентов США, например в патентах 6,397,458, 6,398,847, 6,409,806, 6,432,175, 6,562,112, 6,660,210 и 6,808,551 (Jones/Lyons с соавторами). Электретные изделия, характеризующиеся высокой степенью фторирования, описаны в патенте США 7.244.291 (Spartz с соавторами), а электретные изделия с низкой степенью фторирования, содержащие, кроме того, гетероатомы, описаны в патенте США 7.244.292 (Kirk с соавторами). Прочие патенты, в которых описаны способы фторирования, включают: патенты США 6,419,871, 6,238,466, 6,214,094, 6,213,122, 5,908,598, 4,557,945, 4,508,781 и 4,264,750; патентные публикации США 2003/0134515 А1 и 2002/0174869 А1; а также международную публикацию WO 01/07144.

Фильтрующие полотна производятся также без специального заряжания волокон или полотен после их изготовления (то есть без специальной их «электретизации» - смотри, например, патент США 5,780,153 (Chou с соавторами). Волокна для таких полотен изготавливаются из сополимера, содержащего: сополимер этилена, от 5% до 25% (по весу) (мет)акриловой кислоты, и возможно, хотя это менее предпочтительно, до 40% (по весу) алкил-мет(акрилата), алкильные группы которых имеют от 1 до 8 атомов углерода. От 5% до 70% кислотных групп нейтрализованы ионами металла, как правило цинка, лития или магния, или их сочетаниями. Сополимер имеет показатель плавления от 5 до 1000 г/10 минут. Остальную часть сополимера может представлять полиолефин, например полипропилен или полиэтилен. Волокна могут изготавливаться способом выдувания из расплава, после чего быстро охлаждаться в воде во избежание чрезмерного образования связей. Как описано в данном патенте, такие волокна характеризуются высокой степенью удержания статического заряда, имеющегося в них или специально сообщенного.

Прочие электретные материалы, содержащие добавки, описаны в патенте США 5,057,710 (автор Nishiura). Пропиленовые электретные материалы, описанные в данном патенте, содержат по меньшей мере один из следующих типов стабилизаторов: стерически затрудненные амины, азот-содержащие стерически затрудненные фенолы и металл-содержащие стерически затрудненные фенолы. В данном патенте указывается также, что электретный материал, содержащий такие добавки, может иметь высокую термическую устойчивость. Электретизация материала проводилась путем помещения листа нетканого полотна между игольным электродом и нулевым электродом. В патентах США 4,652,282 и 4,789,504 (Ohmori с соавторами) описан процесс включения соли металла и жирной кислоты в теплоизолирующий полимер, что поддерживает высокую эффективность пылеудаления таким материалом в течение длительного времени. В патенте Японии JP 60-947 (автор Kokoku) описаны электретные материалы, содержащие поли-4-метил-1-пентен и по меньшей мере одно соединение из следующих: (а) соединение, содержащее фенол-гидрокси-группу, (b) высшую алифатическую карбоксильную кислоту и ее металлические соли, (с) тиокарбоксилатное соединение, (d) соединение на основе фосфора и (е) соединение на основе эфира. По данным указанного патента такие электретные материалы характеризуются долговременной накапливающей способностью.

Прочие патентные публикации Японии, в которых описаны способы производства электретных изделий, включают 2002-115178, 2002-115177 А, 2003-013359, 2004-66026, 2004-66027 и 2004-195357.

Для краткого ознакомления с ионно-химическими процессами на границах раздела сред, а также способов переноса ионов с помощью поглощаемой воды, и их использования для производства электретных, рекомендуем обратиться к публикациям: McCarty and Whitesides, Electrostatic Charging Due to Separation of Ions at Interfaces: Contact Electrification of Ion Electrets, 47 ANGW. CHEM. INT. 2-22 (2008); McCarty et al., Ionic Electrets: Electrostatic Charging of Surfaces by Transferring Mobile Ions Upon Contact, 129 J. AM. CHEM.SOC. 4075-88 (2007), и Kudin et al., Why Are Water - Hydrophobic Intersurfaces Interfaces Charged?, J. AM. CHEM. SOC. (принята 17 сентября 2007 г.).

Определения

В контексте настоящего документа:

«на водной основе» по отношению к жидкости означает, что по меньшей мере 40% такой жидкости по объему составляет вода;

«содержит» (или «содержащий») имеет значение, стандартно применяемое в патентной терминологии, и является открытым термином, как правило синонимичным терминам «включает», «имеет» или «вмещает». Хотя термины «содержащий», «включающий», «имеющий» и «вмещающий» и их вариации являются широко используемыми открытыми терминами, в контексте настоящего изобретения наиболее подходящим термином с более узким значением по отношению к термину «содержащий» является «состоит в сущности из», который является полуоткрытым термином в том смысле, что он исключает только те объекты или элементы, которые могут оказать негативное воздействие на работу электретного изделия при выполнении функции, для которой оно предназначено;

«проводимость» означает способность вещества передавать электрический ток;

«электрический заряд» означает, что имеет место разделение зарядов;

«энтальпия» обозначает термодинамическую характеристику вещества, обозначаемую "Н" и рассчитываемую как Н=U+pV, где U - внутренняя энергия, р - давление, а V - объем; энтальпия Н представляет собой внутреннюю энергию системы плюс произведение давления и объема; ее изменение в системе равно количеству тепла, переданному системе при постоянном давлении;

«энтальпия депротонирования» (ΔH_dp) означает энтальпию, требующуюся для отрыва от молекулы одного протона;

«волокнистый» означает содержащий волокна и, возможно, прочие ингредиенты;

«волокнистое электретное полотно» означает полотно, содержащее волокна и способное нести квази-перманентный электрический заряд;

«жидкий» означает состояние материи между твердым и газообразным;

«непроводящий» означает имеющий объемное сопротивление 10¹⁴ Ом·см или выше при комнатной температуре (22°С);

«нетканый» означает структуру или участок структуры, в которой ее составляющие (например, волокна), удерживаются друг с другом способами, иными чем в тканых полотнах;

«N-замещенный амино-ароматический» означает ароматическую группу, имеющую от одного до трех ароматических колец, например бензольное, нафталиновое или триазиновое, с по меньшей мере одним замещением аминогруппой типа -NR¹R², где группой R¹ может быть водород, алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода, арил, имеющий от 1 до 5 колец, связанных простой или ароматической связью, гетероалкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода или замещенный алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода, и группой R² может быть водород, алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода, арил, имеющий от 1 до 5 колец, связанных простой или ароматической связью, гетероалкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода или замещенный алкил, имеющий от 1 до 20 атомов углерода;

«рН» означает меру кислотности или щелочности (основности) раствора при комнатной температуре (22°С) и нормальном атмосферном давлении (101 300 Па), по логарифмической шкале от 0 до 14, где 7 соответствует нейтральной среде, меньшие значения соответствуют кислой среде, причем чем меньше значение рН, тем выше кислотность, а большие значения, чем 7, соответствуют щелочной среде, и чем выше рН, тем выше щелочность; точно рН рассчитывает как отрицательный десятичный логарифм активности ионов водорода;

«полимер» означает органический материал, содержащий повторяющиеся и связанные между собой молекулярные единицы или группы, расположенные правильным или неправильным образом;

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

«материал, образующий полимерные волокна», означает состав, который содержит полимер, или который содержит мономер, из которого может быть изготовлен полимер, и, возможно, содержит прочие ингредиенты, и из которого могут быть сформированы твердые волокна;

«сродство к протону» (РА) означает взятое с противоположным знаком изменение энтальпии при присоединении к молекуле одного протона, выраженное в килокалориях на моль (ккал/моль);

«коэффициент качества» (QF) означает коэффициент, определяемый в соответствии с процедурой определения коэффициента качества, приведенной ниже;

«квази-перманентный» означает, что электрический заряд может оставаться на изделии при стандартных условиях (температура 22°С, атмосферное давление 101 300 Па, относительная влажность 50%), в течение периода времени, достаточного для проведения значимых измерений;

«вода» означает Н₂О; и

«зета-потенциал» (ζ-потенциал) означает разность электрических потенциалов (известную также как электрокинетический потенциал) при нулевом значении электрического тока, вызванную течением жидаости под градиентом давления.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении предлагается новый способ изготовления электретного изделия. Способ содержит: (а) обеспечение полимерного изделия, подлежащего заряжанию; и (b) приведение полимерного изделия, подлежащего заряжанию, в контакт с жидкостью на водной основе, имеющей следующие значения рН и проводимости: (i) если изделие имеет зета-потенциал менее чем -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость имеет проводимость примерно от 5 до 9000 мкСм/см (микроСименс/см) и рН больше 7; и (ii) если изделие имеет зета-потенциал, больший чем -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость имеет проводимость примерно от 5 до 5500 мкСм/см (микроСименс/см) и рН 7 или менее. Изделие может быть подвергнуто активной сушке (под вакуумом или под воздействием тепла) или пассивной (ручная сушка) или их сочетанию.

В настоящем изобретении предлагается новый способ изготовления электретных материалов, строгое следование которому позволяет получить улучшенные фильтрующие характеристики изготовленных из них электретных изделий. Изобретатели обнаружили, что улучшение фильтрующих характеристик, в частности, в виде увеличения стандартно определяемого коэффициента качества (QF), может быть достигнуто путем заряжения электретного изделия жидкостью на водной основе, имеющей рН и проводимость, которые являются функцией от зета-потенциала. Кроме того, изобретатели обнаружили, что сродство к протону (РА) и энтальпия депротонирования (ΔH_dp) также играют определенную роль, если в полимерный материал, из которого изготовлено электретное изделие, введены добавки. Улучшенные фильтрующие характеристики дает то преимущество, что для достижения одной и той же степени фильтрации может быть использовано меньшее количество фильтрующего материала. Лучшие фильтрующие характеристики могут быть получены за счет более высокого уровня заряжяния материала или за счет более оптимального распределения заряда в полученном электретном изделии.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Аксонометрический вид спереди одноразовой респираторной маски 10, в которой может использоваться электретный фильтрующий элемент в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2. Сечение основы 12 маски, изображенной на фиг.1, на котором виден электретный фильтрующий слой 20.

Фиг.3. Аксонометрический вид спереди респираторной маски 24, имеющий фильтрующий картридж 28, который может включать электретный фильтрующий элемент в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4. Пример не волокнистого электретного изделия 40, которое может быть использовано в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5. Сечение устройства для изготовления нетканого полотна из микроволокон.

Фиг.6. Аксонометрический вид жидкоструйного аппарата, который может использоваться для изготовления электретных изделий в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание изобретения

В нижеследующем описании наиболее предпочтительных воплощений изобретения для ясности используется определенная терминология, единая для настоящего описания. Однако не имелось в виду ограничить изобретение именно выбранной терминологией, и подразумевается, что каждый из использованных терминов включает все технически эквивалентные ему термины, и работающие аналогичным образом.

В соответствии с настоящим изобретением электретные изделия могут быть изготовлены путем сначала обеспечения полимерного изделия, подлежащего заряжанию; и затем приведения данного изделия в контакт с жидкостью на водной основе, имеющей значения рН и проводимости, зависящие от зета-потенциала изделия, подлежащего заряжанию. Если изделие имеет зета-потенциал, больший чем -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость должна иметь проводимость примерно от 5 до 5500 мкСм/см (микроСименс/см) и рН 7 или менее; и (ii) если изделие имеет зета-потенциал, меньший или равный -7,5 мВ, то приводимая с ним в контакт жидкость должна иметь проводимость примерно от 5 до 9000 мкСм/см (микроСименс/см) и рН больше 7. Если полимерное изделие содержит N-замещенную амино-ароматическую добавку, имеющую сродство к протону, большее чем примерно 230 ккал/моль и энтальпию депротонирования, большую чем примерно 335 ккал/моль, а также сродство к протону, меньшее чем примерно 230 ккал/моль, тогда жидкость на водной основе должна иметь рН 7 или менее и проводимость от 5 до 5500 мкСм/см. Если полимерное изделие содержит N-замещенную амино-ароматическую добавку, имеющую энтальпию депротонирования, меньшую чем примерно 335 ккал/моль, то жидкость на водной основе должна иметь рН больше 7 и проводимость от 5 до 9000 мкСм/см. Добиться требуемых значений рН и проводимости жидкости на водной основе, чтобы придать материалу требуемый заряд в соответствии с настоящим изобретением, можно за счет использования различных химических веществ, добавляемых в воду, взятых в различном количестве. Так, например, и рН, и проводимость раствора гидроксида натрия (NaOH) могут быть плавно изменены путем добавления больших количеств его в воду. При добавлении уксусной кислоты (СН₃СООН) в ее водный раствор рН раствора постепенно уменьшается, а его проводимость постепенно увеличивается. Проводимость жидкости на водной основе может изменяться при постоянном значении рН за счет добавления в раствор одного и того же количества гидроксида натрия (NaOH), которое обеспечивает нужное значение рН, и изменяя количество добавляемого хлорида натрия (NaCl), раствор которого имеет нейтральное значение рН, для получения требуемого значения проводимости раствора. При использовании непрерывного производственного процесса значения рН и проводимости могут постоянно измеряться в течение длительных периодов времени, особенно в начальной стадии использования новой партии жидкости.

Предлагаемый заявителями способ изготовления электретных изделий позволяет получить такие изделия, обладающие высокой эффективностью работы, особенно в приложениях, связанных с фильтрацией. Электретные изделия, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, могут иметь различные формы и конфигурации. Изделия могут быть сплошными, пористыми, волокнистыми и прочими.

Волокнистые изделия, которые могут быть использованы в соответствии с настоящим изобретением, могут быть изготовлены различными способами, включая процессы воздушной укладки, мокрой укладки, гидро-спутывания, процессы «спанбонд» и процессы выдувания из расплава, например, описанные в публикации Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. ENGN. CHEM. 1342-46, a также в отчете №4364 Научно-Исследовательской Лаборатории ВМС (Naval Research Laboratories) от 25 мая 1954 года «Manufacture of Super Fine Organic Fibers», Van A. Wente с соавторами. Волокнистые изделия могут быть изготовлены в форме полотна, с использованием различных сочетаний данных способов и различных сочетаний таких волокон. Микроволокна, особенно выдуваемые из расплава, особенно пригодны для использования в волокнистых полотнах, используемых в качестве фильтров. В контексте настоящего документа «микроволокно» означает волокно (волокна), имеющие эффективный диаметр примерно 25 мкм или менее. Эффективный диаметр микроволокна может быть рассчитан по формуле (12), приведенной в публикации Davies, CN., The Separation of Airborne Dust and Particles, INST. MECH. ENGN., LONDON PROC. IB (1952). Для приложений, связанных с фильтрацией, как правило, используются микроволокна, имеющие эффективный диаметр менее 20 мкм, и более предпочтительно - от примерно 1 мм до примерно 10 мкм. Могут быть также использованы волокна, изготовленные из фибриллированных пленок - смотри, например, патенты США RE30,782, RE32.171, 3,998,916 и 4,178,157 (автор Van Turnout). Нетканые полотна, изготовленные в соответствии со способом, предлагаемым в настоящем изобретении, могут иметь коэффициент качества, превышающий 1,0; 1,2; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,3; 2,4 и 3,4. Как правило, нетканое полотно, изготовленное в соответствии с настоящим изобретением, имеет коэффициент качества, на 15% больший, а в большинстве случаев - на 50% или даже более превышающий коэффициент качества такого же изделия, изготовленного не в соответствии с настоящим изобретением.

Для повышения воздушности полотна, то есть для снижения его плотности, микроволокна могут использоваться в сочетании со штапельными (основообразующими) волокнами. Уменьшение плотности полотна позволяет уменьшить падение давления воздуха при прохождении через него, то есть воздух легче будет проходить через фильтр. Низкое падение давления особенно целесообразно для устройств индивидуальной защиты, так как обеспечивается больший комфорт при использовании такого изделия. Чем ниже падение давления, тем меньше энергии затрачивается на всасывание воздуха через такой фильтр. Так, например, пользователю так называемой «отрицательной» респираторной маски, то есть маски, при которой всасывания воздуха через ее фильтр требует наличие разрежения в легких, потребуется затрачивать меньшие усилия на дыхание через такую маску. Низкое падение давления может быть также полезно для фильтровальных систем, работающих от нагнетательного вентилятора, так как снижаются энергозатраты на питание вентилятора или увеличивается, например, срок службы батареи в системах, работающих от батареи. Как правило, в нетканом волокнистом фильтре присутствует не более 90% (по весу) штапельных волокон, и наиболее часто - не более 70% по весу. Остальную часть материала обычно представляют микроволокна. Примеры полотен, содержащих штапельные волокна, описаны в патенте США 4,118,531 (автор Hauser).

Для различных целей в электретное полотно могут быть введены активные твердые частицы, например, в качестве сорбентов, катализаторов и для прочих целей. Так, например, в патенте США 5,696,199 (Senkus с соавторами) описаны различные типы активных частиц. Активные частицы, обладающие сорбирующими свойствами, такие как активированный уголь или глинозем, могут быть включены в полотно для удаления из него в процессе фильтрации органических паров. Активные твердые частицы могут присутствовать в полотне в количестве, составляющем до 95% его объема. Примеры нетканых полотен, содержащих твердые частицы, описаны в патентах США 3,971,373 (автор Braun), 4,100,324 (автор Anderson) и 4,429,001 (Kolpin с соавторами).

Полимеры, которые могут использоваться для производства электретных изделий, включают термопластические органические непроводящие полимеры. Такие полимеры, как правило, способны удерживать большое количество попавшего в их заряда и могут быть переработаны в волокна, например, с использованием процесса выдувания из расплава или процесса «спанбонд» и соответствующего оборудования. Термин «органический» означает, что скелет данного полимера содержит атомы углерода. Предпочтительные полимеры включают полиолефины, такие как полипропилен, поли-4-метил-1-петнен, смеси или сополимеры, включающие один или более из данных полимеров, и сочетания данных полимеров. Прочие полимеры могут включать полиэтилен, прочие полиолефины, перфторполимеры, поливинилхлориды, полистиролы, поликарбонаты, полиэтилен-терефталат, прочие полиэфиры, такие как полилактид и сочетания данных полимеров. Прочие непроводящие полимеры также могут быть использованы в качестве материала для формирования полимерных волокон или для производства электретных изделий.

Полимеры, используемые для производства электретных изделий в соответствии с настоящим изобретением, могут быть подвергнуты экструдированию или иным процессам, позволяющим получить многокомпонентные полимеры - смотри, например, патенты США 4,729,371 (авторы Krueger и Dyrud), 4,795,668 и 4,547,420 (авторы Krueger и Meyer). Различные полимерные компоненты могут быть расположены концентрично или продольно относительно оси волокна, в результате чего может быть, например, получено двухкомпонентное волокно. Волокна могут быть расположены так, что они будут образовывать «макроскопически гомогенное полотно», то есть полотно, изготовленное из волокон, каждое из которых в целом имеет один и тот же состав.

Волокна, изготовленные из полимерных материалов, могут также содержать прочие подходящие добавки. Возможные добавки включают термически устойчивые органические триазиновые соединения или олигомеры, содержащие по меньшей мере один атом азота в дополнение к атомам азота триазинового кольца - смотри патенты США 6,268,495, 5,976,208, 5,968,635, 5,919,847 и 5,908,598 (Rousseau с соавторами). Еще одной добавкой, известной как способствующей сообщению полотну большего электретного заряда при заряжании струями воды, является 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]]), производства Ciba Specialty Chemicals, Inc. Добавки могут быть N-замещенными амино-ароматическими соединениями, в частности три-амино замещенными соединениями, имеющими, например, формулы (1) или (2), приведенные ниже:

где Ar - трехвалентная ароматическая группа, замещенная от 0 до 3 атомами азота, n - целое число от 0 до 20, а каждая из групп R, независимо от других групп, может быть группой, содержащей менее чем примерно 20 атомово, отличных от атомов водорода и металлов. Каждая из групп R, независимо от других групп, может быть: водородом; галогеном, например фтором; гидроксилом; алкилом, содержащим до 20 атомов углерода, например метил, этил, пропил, бутил и прочие; галоген-замещенные алкилы, такие как трифторометил; алкокси-группой, содержащей от 1 до 20 атомов углерода, например метоксигруппой; эфиром, содержащим от 2 до 20 атомов углерода, таким как метоксикарбонил, замещенными аминами, содержащими от 2 до 20 атомов углерода, например метиламино-группой; и нитро-группой. Добавки, способствующие заряжанию и имеющие такие формулы, будут приведены ниже в разделе «Примеры». Дополнительные примеры усиливающих заряжание добавок приводятся в патентной заявке США 61/058,029 «Усиливающие заряжание добавки для электретных материалов», поданной в один день с настоящей заявкой, и в патентной заявке США 61/058,041 «Электретные полотна с усиливающими заряжание добавками». Как правило, добавки могут присутствовать в полимерном изделии в количестве примерно от 0,1% до 5% по весу, наиболее часто - от 0,25% до 2% по весу.

Прочие добавки включают световые стабилизаторы, первичные и вторичные антиоксиданты, инактиваторы металлов, стерически затрудненные амины и фенолы, металлические соли жирных кислот, триэфир-фосфиты, соли фосфорной кислоты, вторсодержащие соединения, меламины, а также добавки, упоминаемые в предварительной патентной заявке США 60/992745, патентной публикации США 2007/0180997 (Leir с соавторами), патенте США 5,057,710 (Nishiura с соавторами), публикациях Японии 2002212439 и 2005131485.

Волокна, содержащие добавки, могут быть быстро охлаждены после придания формы нагретой и расплавленной смеси полимера и добавки, после чего следуют этапы отжига и заряжания, и получается электретное изделие. Изготовление таким образом обеспечивает улучшенные фильтрующие характеристики электретного изделия - смотри патент США 6,068,799 (Rousseau с соавторами). Могут быть также изготовлены электретные изделия, имеющие низкий уровень извлекаемых углеводородов (<3,0 весовых %), что повышает их устойчивость нагрузкам - смотри патент США 6,776,951 (Rousseau с соавторами).

Полимерный материал, используемый для производства электретных изделий в соответствии с настоящим изобретением, может иметь объемное сопротивление 10¹⁴ Ом·см или выше (при комнатной температуре). Объемное сопротивление может также составлять 10¹⁶ Ом·см или более. Объемное сопротивление материала, образующего полимерные волокна, может быть измерено по стандартной процедуре ASTM D 257-93. Материал, используемый для производства полимерных волокон, например, выдуваемых из расплава, и электретного изделия из них, в сущности не должен содержать веществ, обладающих антистатическим действием, поскольку такие вещества могут усиливать электрическую проводимость материала или иным образом ухудшать способность электретного изделия принимать и удерживать электростатические заряды.

Электретные материалы, содержащие нетканые полимерные волокнистые полотна и используемые для изготовления фильтров респираторов, как правило, имеют удельный вес от примерно 2 до примерно 500 г/м², наиболее часто - от 20 до 150 г/м². Под удельным весом в данном случае подразумевается масса изделия, приходящаяся на единицу его площади. Толщина таких нетканых полимерных волокнистых полотен, как правило, составляет примерно от 0,25 мм до 20 мм, предпочтительно - примерно от 0,5 мм до 2 мм. В фильтрующих элементах, как правило, наиболее часто используется несколько слоев волокнистых электретных полотен. Густость волокнистого электретного полотна, как правило, составляет от 1% до 25%, наиболее часто - от 3% до 10%. Густость в данном случае является безразмерным параметром, отражающим содержание в изделии твердой фракции (в процентах от общей площади продольнго сечения). Изделие в соответствии с настоящим изобретением может характеризоваться в целом равномерным распределением заряда в заряженном нетканом волокнистом полотне, в сущности независимо от его удельного веса, толщины и твердости.

Электретные изделия в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться в качестве фильтров в фильтрующих масках, предназначенных для покрытия по меньшей мере носа и рта пользователя.

На фиг.1 представлен пример фильтрующей лицевой маски 10, которая может содержать электрически заряженное нетканое полотно, изготовленное в соответствии с настоящим изобретением. Имеющая в целом форму чаши основа 12 маски может иметь форму, приданную ей в результате формования и обеспечивающую прилегание к носу и рту пользователя. Основа 12 маски является пористой, так что через нее может проходить вдыхаемый воздух. В основе 12 маски находится электретная фильтрующая среда (как правило, расположенная по всей ей поверхности), удаляющая из вдыхаемого воздуха загрязняющие вещества. Для удобства основа маски может содержать носовой зажим 13, способствующий более плотной ее посадке на нос пользователя. Носовой зажим может иметь М-образную форму, как описано в промышленном образце США 412,573 и патенте США 5,558,089 (автор Castiglione). Для удержания основы 12 маски на лице пользователя может быть предусмотрена система 14 завязок или тесемок. Хотя на фиг.1 изображена крепежная система, включающая две тесемки, система 14 крепления может включать только одну тесемку 16, которая может иметь различные конфигурации - смотри, например, патент США 4,827,924 (Japuntich с соавторами, 5,237,986 (Seppalla с соавторами), 5,464,010 (автор Byram), 6,095,143 (Dyrud с соавторами) и 6,332,465 (Xue с соавторами). Для быстрого выведения из внутреннего пространства маски выдыхаемого воздуха на основу маски может быть установлен выдыхательный клапан - смотри, например, патенты США 5,325,892, 5,509,436, 6,843,248, 6,854,463, 7,117,868 и 7,311,104 (Japuntich с соавторами); RE37.974 (автор Bowers); и 7,013,895, 7,028,689, и 7,188,622 (Martin с соавторами).

На фиг.2 показано примерное сечение основы 12 маски. Основа 12 маски может включать множество слоев, обозначенных как поз.18, 20 и 22. Электретная фильтрующая среда может удерживаться другими слоями, такими как формообразующие слои, изготовленные из термоскрепленных волокон, например из двухкомпонентных волокон, имеющих наружный термопластический компонент, позволяющий волокнам скрепляться друг с другом в точках их пересечений. Слой 18 может быть внешним формообразующим слоем, слой 20 может быть фильтрующим слоем, а слой 22 может быть внутренним формообразующим слоем. Формообразующие слои 18 и 22 удерживают фильтрующий слой 20 и придают общую форму основе 12 маски. И хотя в настоящем описании используется термин «формообразующие слои», данные слои могут иметь и другие функции, о которые в случае внешнего слоя могут быть даже их основными функциями, такими как, например, защита фильтрующего слоя и предварительная фильтрация потока газа. И хотя в данном документе используется термин «слой», следует понимать, что один слой может на самом деле включать несколько под-слоев, собранных вместе для обеспечения требуемой толщины или плотности всего слоя. В некоторых воплощениях в конструкцию маски может быть включен только один формообразующий слой, как правило внутренний, но наиболее надежное и удобное придание маске формы осуществляется, когда по каждую сторону фильтрующего слоя имеется формообразующий слой, как показано на фиг.2. Формообразующие слои описаны в следующих патентах США: 4,536,440 (автор Berg), 4,807,619 (Dyrud с соавторами), 5,307,796 (Kronzer с соавторами), 5,374,458 (автор Burgio) и 4,850,347 (автор Skov). И хотя изображенная на фиг.1 и 2 основа маски имеет в целом круглую форму в виде чаши, она м