Дистанционное фторирование волокнистых фильтрующих полотен

Дистанционное фторирование волокнистых фильтрующих полотен

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение представляет собой новый способ фторирования волокнистых полотен. Способ использует фторсодержащие плазменные продукты, созданные из плазмы, образованной в месте, удаленном от точки, где атомы фтора переносятся на волокнистое полотно. В соответствии с настоящим изобретением фторированные волокна могут быть подвергнуты процедуре электризации (придания их поверхности электрического заряда), так что впоследствии их можно использовать в качестве электретных фильтров.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно, что электретные материалы, т.е. диэлектрические материалы, имеющие квазистатический электрический заряд, проявляют хорошие фильтрационными свойствами. Электретные материалы уже применялись в виде различных конструкций, однако для использования с целью фильтрации воздуха они имеют форму нетканых полимерных волокнистых полотен. Примером такого продукта является печной фильтр Filtrete™, продаваемый компанией 3М Company. Нетканые полимерные электретные фильтры используются также в персональных респираторах, как описано, например, в патентах US 5307796, US 5804295 и US 6216,693.

Для получения электретов использовались различные методы, включая бомбардировку волокон электрическими частицами (патент US 4215682), электризацию коронным разрядом постоянного тока (патенты US Re 30782 и US Re 32171 и патент US 4592815), гидроэлектризацию (патенты US 5496507, US 6119691, US 6375886, US 6406657, US 6743464 и US 6783574), и воздействие поляризованными жидкостями. Электрический заряд, который придается диэлектрическому материалу, эффективно повышает улавливание частиц.

Во время использования электретные фильтры часто забиваются частицами и загрязнителями, ухудшающими их фильтрующие способности. Например, жидкие аэрозоли, особенно масляные, могут служить причиной потери усиленной электретом фильтрационной эффективности фильтров (патент US 6627563).

Были разработаны многочисленные способы, направленные на противостояние упомянутой потере фильтрационной эффективности. Один из методов включает добавление в фильтр дополнительных слоев нетканого полимерного волокна. Этот подход, однако, может увеличить перепад давления на фильтре, а также его вес и размер. Особенно неприятны эти недостатки, когда электретный фильтр используется в персональном респираторе. Увеличение перепада давления, приводит, например, к росту сопротивления дыханию, что делает респиратор некомфортным при использовании.

Другой метод повышения устойчивости к маслянистым аэрозолям включает добавление расплава технологической фторсодержащей добавки к полимеру во время создания полимерного волокнистого материала (см., например, патенты US 5025052, US 5099026, US 5411576 и US 5472481). В качестве такой добавки могут быть фторсодержащий оксазолидинон, фторсодержащий пиперазин или перфторированный углеводород. Фторсодержащие соединения допускают переработку в расплавленное состояние, потому что они, в сущности, не деградируют в условиях процесса плавки, который используют для формирования волокон в электретном полотне (см. также патент US 5908598). Кроме способа, использующего плавление, фторирование электретов также выполнялось путем помещения полимерного материала в атмосферу, где имеются фторсодержащие продукты и инертный газ, с последующим приложением электрического разряда для химической модификации поверхности полимерного материала. Электрический разряд может иметь форму плазмы, такой как коронный разряд переменного тока. В процессе плазменного фторирования атомы фтора попадают на поверхность полимерного материала. Для фторирования полимерного материала можно использовать электризацию, например, вышеупомянутую технологию гидроэлектризации. Плазменный процесс фторирования описан в патентах US 6397458, US 6398847, US 6409806, US 6432175, US 6562112, US 6660210 и US 6808551. К другим публикациям, описывающим технологии фторирования, относятся: патенты US 6419871, US 6238466, US 6214094, US 6213122, US 5908598, US 4557945, US 4508781 и US 4264750; заявки на изобретения US 2003/0134515 и US 2002/0174869; и международная заявка на изобретение WO 01/07144. В патентах US 7244291 и US 7244292 описаны фторированные электретные материалы, обладающие улучшенной термической стабильностью.

В патенте US 5147678, принадлежащем университету западного Онтарио, описано использование дистанционной плазменной обработки для модификации поверхности полимерных материалов. Методы дистанционной плазменной обработки отличаются от методов прямой плазменной обработки тем, что обрабатываемая поверхность расположена вдали от области создания (генерации) плазмы. При использовании методов дистанционной плазменной обработки обрабатываемая поверхность подвергается действию только долгоживущих плазменных продуктов, которые способны достичь обрабатываемой поверхности, в отличие от более широкого диапазона продуктов, которые присутствуют в генерируемой плазме. Методы дистанционной обработки с содержанием в плазме N₂, H₂ и O₂ используются для введения азота и кислорода в поверхность полимера.

Так, в патенте US 6197234 описано использование азотосодержащей плазмы для дистанционной плазменной обработки полимерных порошков или материалов и описано введение NF₃ либо выше, либо ниже плазменной зоны с целью повысить «несмачиваемость тела».

Японский специалист в данной области, Инагаки (N.Inagaki), является автором нескольких публикаций, описывающих использование дистанционной плазменной обработки для создания модифицированных полимерных поверхностей. В одной из статей Инагаки (N.Inagaki, S.Tasaka, and S.Shimada, J. APPL. POLYM. SCI. 79, 808-815 (2001)) описывается модификация поверхности полиэтилентерефталатной пленки при обработке аргоновой плазмой. В статье рассматривается зависимость получаемого поверхностного видоизменения пленки от расстояния до так называемой "зоны аргоновой плазмы". В приведенном анализе сообщается, что в поверхностную структуру полиэтилентерефталатной пленки, обработанной в плазме, добавился кислород, причем в поверхность, подвергнутую дистанционной плазменной обработке, кислорода добавилось меньше. В другой статье Инагаки (Y.W. Park, N.Inagaki, J. APPL. POLYM. Sa. v.93, pp.1012-1020 (2004)) описывается поверхностная модификация фторированных полимерных пленок путем дистанционной плазменной обработки с введением аргона, водорода и кислорода. На трех различных фторполимерных субстратах (политетрафторэтилен, этилентетрафторэтилен и поливинилиденфторид) за счет такой дистанционной плазменной обработки уменьшилась концентрация поверхностного фтора и увеличилась концентрация поверхностного кислорода.

Дополнительно к числу патентов и публикаций, описывающих плазменные приборы и методы, включающие дистанционное плазменное фторирование, относятся, например, патенты US 5147678, US 6197234, US 6477980, US 6649222, US 6819096, US 7005845, US 7161112, US 7245084, US 7445695 и US 7468494. В заявке на изобретение US 2007/0028944 описан способ удаления поверхностных отложений за счет дистанционной плазменной обработки с NF₃. В международной заявке WO 03/051969A2 описана плазменная обработка фторированных пористых материалов. Кроме того, способы осуществления дистанционной плазменной обработки описаны в следующих непатентных публикациях:

Renate Foerch et al. Oxidation of Polyethylene Surfaces by Remote Plasma Discharge: A Comparison Study with Alternative Oxidation Methods, JOURNAL OF POLYMER SCIENCE: PART A: POLYMER CHEMISTRY, V.28, pp.193-204 (1990);

N. Inagaki et al., Comparative Studies on Surface Modification of Poly (ethylene terephthalate) by Remote and Direct Argon Plasmas, JOURNAL OF APPLIED POLYMER SCIENCE, V. 79, pp.808-815 (2001);

Brigitte Mutel, Polymer Functionalization and Thin Film Deposition by Remote Cold Nitrogen Plasma Process, JOURNAL OF ADHESION SCIENCE AND TECHNOLOGY, V.22, pp.1035-1055 (2008).

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Несмотря на то, что уже имеется ряд документов, описывающих использование способа дистанционной плазменной электризации различных фторированных материалов, до сих пор остается неизвестным и не используется способ доставки атомов фтора на поверхность нетканого полотна, содержащего полимерные волокна, с использованием дистанционной плазменной обработки. Известен способ доставки атомов фтора на волокнистые полотна с использованием плазмы, которую создают непосредственно в присутствии полотна.

Оказалось совершенно неожиданным, что при создании удаленной от объекта обработки плазмы можно получить атомы фтора и доставить их к волокнистому полотну по коллектору и средствам распределения. Также неожиданным было то, что при этом атомы фтора достаточно долго сохраняют способность вступать в реакцию, легко проникают в поры полотен и оседают на всех поверхностях нетканого полотна, как внутренних, так и внешних. Заявителям удалось показать на практике, что при использовании удаленного от обрабатываемого материала источника плазмы можно получить фторирование материала такого качества, что после электризации этого материала, он обладает хорошими фильтрационными параметрами в маслянистой загрязненной среде. Упомянутые хорошие фильтрационные параметры были достигнуты даже после того, как материал подвергли термическому старению.

Одним из объектов изобретения является способ изготовления фторированного волокнистого полотна. Способ включает получение нетканого полотна, содержащего полимерные волокна, создание плазмы, содержащей атомы фтора, в первом месте, доставку продуктов плазмы на нетканое полотно во втором месте, удаленном от первого места, при котором обеспечивается перенос атомов фтора на поверхность полимерных волокон.

Другим объектом изобретения является способ изготовления нетканого волокнистого электрета. Способ включает фторирование нетканого полотна, содержащего полимерные волокна, продуктами плазмы, созданной в месте, удаленном от места фторирования, и электризацию фторированного нетканого волокнистого полотна.

Другим объектом изобретения является электретный материал, содержащий нетканое полотно, которое включает мелтблаун волокна (полученные путем раздува расплава полимера), содержащие полипропилен и имеющие атомы фтора на поверхностях мелтблаун волокон в полотне, при этом атомный процент фтора более 40% и полученное ToF-SIMS методом (время-пролетная масс-спектроскопия вторичных ионов) отношение C₃F₄H⁺ к C₂F₅ ⁺ превышает величину 0,3, которая превосходит пороговое значение линии RFT1 для атомного процента фтора.

В ходе использования традиционных способов фторирования проявились проблемы в вопросе создания и поддержании равномерной плазмы над большой площадью. Равномерность (однородность) электрического разряда зависит от изменения расстояния между электродами, изменения в процессе протекания газа и изменения физических характеристик обрабатываемого продукта. Чувствительность разряда к упомянутым факторам тем больше, чем больше размер разряда. При осуществлении заявляемого способа зона, где создают плазму, отделена от зоны, где продукты плазмы поступают на полотно. Пространственное разделение этих двух зон позволяет лучше управлять процессом в целом, поскольку каждую из составляющих процесса можно оптимизировать независимо друг от друга. Одно из преимуществ пространственного разнесения места создания плазмы и места осуществления химической реакции на полотне объясняется тем, что на равномерность обработки влияет главным образом равномерное распределение продукта плазмы, а не распределение электрического разряда плазмы. Когда плазму создают вдали от места переноса атомов фтора, окно, в котором происходит процесс, может быть расширено, поскольку нетканое полотно при этом не взаимодействует с плазмой непосредственно в месте ее создания.

Другое преимущество изобретения заключается в том, что можно использовать более высокий уровень мощности плазмы, обеспечивающий более полный распад молекул газов, содержащих фтор. В известных способах фторирования полотен с использованием плазмы значительно труднее получить более высокий уровень мощности над большой площадью электродов, который необходим для распада молекул. Кроме того, отсутствует опасность повреждения полотна, поскольку в том месте, где создают плазму, полотна нет.

К преимуществам настоящего изобретения относится также и то, что оно позволяет использовать NF₃ вместо газообразного фтора F₂ или фтороуглеводородов, таких как C₃F₈. Как ни удивительно, заявителя обнаружили, что азот практически не проникает в нетканое полотно, когда в качестве стартового материала для создания плазмы используется NF₃. Возможность неиспользования фторосодержащих углеродов также является достижением, поскольку в этом случае нет необходимости очищать от них оборудование для плазменного фторирования и обрабатываемое полотно.

Материалы, созданные в соответствии с настоящим изобретением, отличаются от волокнистых полотен, фторированных с использованием локальной плазмы, величиной отношения C₃F₄H⁺ к C₂F₅ ⁺. Упомянутое отношение при заданном атомном проценте фтора больше в нетканых полотнах, выполненных в соответствии с настоящим изобретением. Это отношение может быть определено с использованием линии порогового значение «удаленного» фторирования, описанного ниже. В нетканых полотнах, выполненных в соответствии с настоящим изобретением, отношение C₃F₄H⁺ к C₂F₅ ⁺ находится выше линии, соответствующей фторированию при локальной обработке плазмой. Изделия, созданные в соответствии с настоящим изобретением, могут иметь упомянутое отношение значительно больше, чем то, которое соответствует линии 1 порогового значения "дистанционного" фторирования и даже выше линии 2 и даже выше линии 3. Время-пролетная масс-спектроскопия вторичных ионов (ToF-SIMS метод) убедительно показала, что величина упомянутого отношения значительно отличается от величин, полученных для случаев локального фторирования, в частности, уровень атомного процента фтора на 40% выше, и даже бывает примерно на 42% выше. Нетканые полотна, имеющие такой высокий процент содержания фтора, обладали хорошими характеристиками после того, как их подвергли процедуре ускоренного старения.

Используемые термины и их определение

Термин «включает в себя (или включающий)» - это стандартный патентный термин, допускающий изменения его значений в рамках таких синонимов, как «включает», «имеет» или «содержит». Несмотря на то, что термины «содержит», «включает в себя», «включает», «имеет» или «имеет в своем составе» обычно используют как термины, допускающие широкое толкование, настоящее изобретение может быть также описано с использованием более узких терминов. Например, термин «по существу состоит из» означает исключение тех вещей или элементов, которые могли бы нанести вред фторированному материалу, фторированному электрету или способу его изготовления.

Термин «электрет» означает диэлектрический материал, имеющий, по меньшей мере, квазистационарный электрический заряд.

Термин «электрический заряд» означает, что существует разделение зарядов. Термин «атомы фтора» означает атомарный фтор и/или любой молекулярный фрагмент или молекулу, которые содержит фтор.

Термин «фторирование» означает нанесение атомов фтора на поверхность материала.

Термин «распределительный коллектор» или «гребенка» означает устройство или комбинацию частей, которые распределяют текучую среду.

Термин «нетканый материал» означает структуру или часть структуры, в которой волокна или другие структурные компоненты соединены вместе не в процессе ткачества, а иными средствами.

Термин «плазма» означает ионизированный газ.

Термины «плазменные продукты» или «продукты плазмы» означают фрагменты молекул подвергнутых воздействию плазмы (или комбинации этих фрагментов).

Термин «полимер» означает материал, содержащий повторяющиеся химические элементы, расположенные регулярно или нерегулярно.

Термины «полимерный» или «пластический материал» означает материал, который в основном включает один или несколько полимеров и может также включать другие ингредиенты;

Термин «удаленный от…» означает расположенный не в том же самом месте, а в ином.

Термин «полотно» означает воздухопроницаемую структуру, размеры которой в двух измерениях значительно больше, чем в третьем измерении.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг.1 схематически изображен способ получения нетканого волокнистого фторированного электретного полотна.

На Фиг.2 схематически показано устройство 10 для получения нетканого волокнистого фторированного электретного полотна 22 в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.3 показан в аксонометрии вид спереди одноразовой респираторной маски 30, которая может использовать электретную фильтрующую среду, выполненную в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.4 представлено поперечное сечение корпуса 32 маски, показанной на Фиг.3, показывающее слой 40 фторированных волокон электретного фильтра.

На Фиг.5 показано частичное поперечное сечение устройства, используемого для изготовления нетканого волокнистого полотна 55, пригодного для использования в соответствии с настоящим изобретением.

На Фиг.6 представлены результаты время пролетной масс-спектроскопии вторичных ионов, полученные при локальном и дистанционном фторировании полотен, изготовленных из полученных методом раздува расплава полипропилена микроволокон (BMF).

На Фиг.7 представлен график зависимости полученного методом время-пролетной масс-спектроскопии вторичных ионов отношения C₃F₄H⁺ к C₂F₅ ⁺ от процентного содержания атомарного фтора.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг.1 иллюстрирует пример последовательности действий, выполнение которых позволяет изготовить волокнистое нетканое полотно, имеющее на поверхности волокон атомы фтора. Для получения такого продукта можно создать плазму в месте, удаленном от камеры, поставляющей атомы фтора. Плазма используется для того, чтобы создать химически активные продукты, содержащие атомарный фтор. Как показано, зона, где создана плазма, отделена от зоны, где нетканое полотно обрабатывают плазменными продуктами. Такое отделение позволяет лучше контролировать процесс. Генерация реагента и шаги по обработке полотна могут быть оптимизированы независимо друг от друга. Процесс генерации активных частиц и реакция также могут усовершенствоваться независимо друг от друга. Камера, поставляющая атомы фтора, также допускает улучшения в части развития большей площади для равномерной обработки нетканых полотен плазменным продуктом. Плазма может быть создана с использованием известных удаленных источников плазмы, включая Litmas® аппараты, выпускаемые компанией Advanced Energy Industries, Inc. (Колорадо). К пригодным удаленным источникам продуктов плазмы, выпускаемым упомянутой компанией относятся, например аппараты Litmas® RPS 1501 и 3001. Они могут поставлять химически активные газы, в связи с чем их используют для создания плазменных продуктов, содержащих атомы фтора. К другим надежным источникам фторированных газовых продуктов относится плазменный прибор Astron®, выпускаемый компанией MKS Instruments Inc. Когда плазма создана, плазменный продукт может быть доставлен по трубопроводу в камеру обработки, предпочтительно вакуумную камеру, где размещено подлежащее обработке нетканое полотно. Плазменный продукт, содержащий химически активные составляющие, поступает в камеру и быстро вступает в реакцию с нетканым полотном. В точке, где происходит фторирование, более нет плазмы, т.е. имеются молекулярные фрагменты и комбинации таких фрагментов, которые в результате получились из плазмы, но самой плазмы больше нет. Фторированное полотно затем может быть удалено из камеры и подвергнуто электризации для создания фторированного электретного нетканого волокнистого полотна. Электризация нетканого волокнистого полотна может быть выполнена с использованием ряда известных способов, описанных ниже.

На Фиг.2 приведен пример системы 10 плазменного фторирования, содержащей рабочую камеру 12 и источник 14 плазмы. Внутри камеры 12 имеется средство 16 для распределения плазменного продукта (или распределительное средство 16), преимущественно равномерно и одинаково по лицевой поверхности полотна. Распределительное средство 16 может включать распылитель или распылительную головку или другой распределительный коллектор, например трубу, содержащую ряд отверстий 18 или прорезей (или прорезь), распылительную головку, группы отверстий, выполненные в плоскости или в небольшом объеме, или иные подходящие средства, которые могут заставить плазменный продукт поступать на лицевую поверхность полотна и равномерно на ней распределиться. Обычно распределительное средство размещают на расстоянии от 2 см до 30 см от полотна. Распределительное средство располагается поперек полотна в направлении перпендикулярном его движению. Количество плазменного продукта, доставляемого за минуту к камере 12, может лежать в диапазоне примерно от 3 см³ до 400 см³ на 1 см длины распределительного коллектора. Плазменный продукт подается от источника 14 к распределительному средству 16 по каналу 20. Канал 20 может быть выполнен в виде обыкновенной трубы или в виде ряда трубок с отводами, которые обеспечивают эффективную доставку продукта внутрь камеры 12. Канал 20 может быть сформирован в виде непрерывного множества отверстий в виде щелей, до одного отверстия каждые 8 см с закрытым участком между отверстиями. В распределительном средстве соотношение площадей входных и выходных отверстий может составлять от 0,1 до 1,5. Распределительное средство может быть выполнено из различных материалов, пригодных к работе в среде плазменного продукта. Такие материалы обычно являются термостойкими, не боятся коррозии, в частности это может быть алюминий, нержавеющая сталь, никель, фторполимеры или другие материалы, способные переносить среду плазменного продукта и позволяющие доставлять его в камеру с реагентами.

В предпочтительном варианте система соединена с камерой 12 с целью перемещения молекул из камеры таким образом, чтобы плазменный продукт наиболее эффективно вступал в реакцию (взаимодействовал) с нетканым полотном 22. Для стимулирования подачи плазменного продукта внутри камеры 12 может быть размещен (в одном месте или в нескольких местах) впускной трубопровод. Чтобы направить поток продукта через полотно, впускной трубопровод может быть расположен поблизости от открытой части полотна со стороны, противоположной коллектору, распределяющему плазменный продукт. Фторирование полотна 22 может быть выполнено в результате загрузочной процедуры путем подачи рулона 24 полотна в полость 26 камеры. Во время подачи продукта от источника 14 плазмы в полость 26 камеры по каналу 20 и через распределительное средство 16 полотно 22 может перематываться из первого рулона 24 на второй рулон 28. Открытый участок полотна между рулонами, подвергаемый бомбардировке частицами плазменного продукта может иметь площадь примерно от 0,02 м² до 10 м², чаще от 0,1 м² до 0,5 м². Скорость подачи полотна составляет от 1 м/мин до 100 м/мин, чаще от 2 м/мин до 30 м/мин. После того как рулон 24 полностью перемотан в рулон 28, и полотно должным образом обработано плазменным продуктом во время его транспортировки, подача плазменного продукта в камеру 12 может быть прекращена. При этом фторированное полотно может быть извлечено из камеры 12. Затем в камеру 12 помещают новое необработанное полотно и обрабатывают его так же, как описано выше. При использовании способа в соответствии с изобретением нетканое полотно может стать фторированным во всю его ширину. В соответствии с настоящим изобретением полотна с шириной более 1 м, более 2 м и даже более 4 м могут стать фторированными. Коллекторы, используемые для доставки плазменного продукта к камере, могут иметь длину, соизмеримую с шириной полотна. Коллекторы, используемые при осуществлении настоящего изобретения, могут быть выполнены таким образом, чтобы обеспечить по существу равномерное распределение продукта, выходящего из трубы, имеющей вытянутые вдоль линии прорези. Распределительный коллектор может иметь специфическую геометрию, включая форму и ориентацию прорезей, их поперечное сечение и поперечное сечение входных отверстий. Примером может его выполнения может быть «Трубопровод для доставки текучих веществ, имеющий заданные параметры расхода массы, и способ его создания», описанный в заявке на изобретение US 2006-0265169. Применяемые для фильтрации полотна обычно имеют толщину в диапазоне, по меньшей мере, от 0,25 мм до 5 мм или более. Внутри камеры доставки фтора могут быть размещены очень большие рулоны. Такие рулоны могут иметь диаметр, по меньшей мере, около 0,5 м и даже более 3 м. Общий объем камеры фторирования может быть в пределах от 1 м³ до 60 м³, чаще от 4 м³ до 30 м³. Камера доставки фтора может включать также одно или несколько окон. Так что протекание процесса фторирования можно наблюдать визуально. Завершение процесса может быть визуально отмечено путем наблюдения за перемоткой полотна 22 с первого рулона 24 на второй рулон 28. Для информирования оператора о завершении процесса фторирования могут быть использованы предупредительный сигнал или иные средства. Вакуумная рабочая камера может дополнительно включать одну или более дверей, которые позволяют удалить рулон 28 из вакуумной камеры и другой рулон 24 поместить в нее.

Фторированные электреты имеют различные применения в области фильтрации. Однако некоторые фильтры требуют повышенной термической стабильности, чтобы соответствовать техническим требованиям к изделиям, например, военного назначения, и требованиям Национального института охраны труда и промышленной гигиены, (см. Государственный стандарт для химической, биологической, радиологической и ядерной промышленности на фильтрующий защитный респиратор и Государственный стандарт для химической, биологической, радиологической и ядерной промышленности на полностью закрывающий лицо фильтрующий респиратор, приложение А от 4 апреля 2003 года - Стандарт Национального института охраны труда и промышленной гигиены).

Качество фильтрации электретного материала обычно характеризуются параметром, который принято называть «фактором (коэффициентом) качества» или «Q значением» или «QF». Показатель QF определяет качество фильтрации как сочетание параметров проникновения частиц и перепада давления. Как указывалось выше, некоторые фильтры требуют усиленной термической стабильности для удовлетворения специфики продуктов фильтрации. Существуют такие сферы применения, где материал электретных фильтров должен сохранять заряд при высоких температурах. Если созданный в соответствии с изобретением электретный материал подвергнуть форсированному старению при воздействии высокой температурой, то последующие испытания покажут, что таким путем могут быть достигнуты чрезвычайно высокие показатели качества. В частности, чрезвычайно высокие показатели фактора качества могут быть достигнуты после 9 часов выдержки при температуре 100°С. Показатель QF, полученный в результате такого испытания, указывается как «Q9». Нетканые дистанционно фторированные полотна, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут проявлять увеличенную термическую стабильность, как измеренное значение Q9. Заявленные здесь электретные материалы могут сохранять способность эффективной фильтрации в течение длительного времени, несмотря на «старение» при высоких температурах.

Чем выше значение Q9 при данной скорости потока, тем лучше показатели фильтрации электрета после высокотемпературной выдержки. Электреты в соответствии с настоящим изобретением могут иметь величину Q9, по меньшей мере, около 1,5/мм H₂O, в предпочтительном варианте приблизительно, по меньшей мере, от 1,6/мм Н₂О, еще лучше приблизительно 1,8/мм Н₂О. Величина Q9 может быть определена по методике, изложенной ниже.

Процесс фторирования может выполняться при давлении меньшем атмосферного, в условиях вакуума и при атмосферном давлении. Желательно выполнять процесс фторирования в контролируемой атмосфере, чтобы не допустить сталкивания загрязнений с доставляемыми на поверхность материала атомами фтора. Термин «контролируемая» означает, что устройство способно регулировать состав атмосферы в камере, где происходит фторирование. В предпочтительном варианте атмосфера по существу свободна от кислорода и других нежелательных компонентов. Обычно атмосфера содержит менее 1% по объему кислорода или других нежелательных компонентов, в лучшем случае - менее 0,1%.

Фторосодержащие соединения, присутствующие в атмосфере, могут извлекаться из фторированных компаундов, являющихся газами при комнатной температуре или становящихся газами при нагревании, или способных испаряться. К числу полезных источников фтора относятся атомы фтора, природный фтор, неорганические фториды, такие как фторид серы (например, SF₆), фторид азота (например, NF₃) и PF₃, BF₃, SiF₄ и их комбинации. Окружение фторсодержащих соединений также может включать инертные газовые разбавители, такие как инертные газы гелия, аргона, и др. и их комбинации. Кроме того, в качестве инертного разбавителя может быть использован азот.

При формировании плазмы, во время электрического разряда могут создаваться различные фторсодержащие соединения. Плазма может иметь форму, например, тлеющего плазменного разряда, плазменной короны, тихого плазменного разряда (также называемого диэлектрическим плазменным барьерным разрядом и коронным разрядом переменного тока), и гибридной плазмы, например, форму тлеющего плазменного разряда при атмосферном давлении и псевдотлеющего разряда - см. патенты US 6808551, US 6660210, US 6562112, US 6432175, US 6409806, US 6398847 и US 6397458. Предпочтительна плазма переменного тока, созданная при пониженном давлении. «Пониженное давление» означает давление менее 700 Па, желательно менее 140 Па. Примеры подходящей поверхности, модифицированной процессами электрического разряда, описаны в патентах US 5244780, US 4828871 и US 4844979.

Поверхностная концентрация фтора может быть определена с использованием электронной спектроскопии для химического анализа (ESCA), также известной как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS). Как показала рентгеноэлектронная спектроскопия, поверхность электретных материалов, выполненных в соответствии с изобретением, содержит более 40% фтора, чаще более 45%. С помощью рентгеноэлектронной спектроскопии можно осуществить анализ химического состава только внешней поверхности образца (т.е. приблизительно на глубину от 30 Å до 100 Å).

Отношение C₃F₄H⁺ к C₂F₅ ⁺ измерялось с использованием время-пролетной масс-спектроскопии вторичных ионов, как описано ниже. Упомянутое отношение для изготовленных в соответствии материалов составляет, по меньшей мере, приблизительно 0,3, чаще - приблизительно 0,4. Это отношение выше линии 1 пороговых значений фторирования при дистанционной обработке плазмой (RFT1), показанной на Фиг.7. Линия RFT1 определяется формулой (1), приведенной ниже в примерах. Отношение C₃F₄H⁺ к C₂F₅ ⁺ может также быть выше линии RFT2 и в предпочтительном варианте - выше линии RFT3. Линии RFT2 и RFT3 определяются уравнениями (2) и (3), соответственно, в приведенных ниже примерах.

Волокнистые полотна, пригодные для использования в этом изобретении, могут быть получены различными способами, включая гидросцепление, аэродинамическое холстоформирование, гидравлическое холст-сформирование, процессы получения нетканого синтетического полотна, мелтблаун процессы, такие как описанные в отчете Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 INDUS. ENGN. CHEM. 1342-46 and in Report No. 4364 of the Naval Research Laboratories, published May 25, 1954, entitled Manufacture of Super Fine Organic Fibers by Van A. Wente et al. (Супертонкие термопластичные волокна 48 INDUS. ENGN. CHEM. 1342-46 и в отчете №4364 Военно-морской научно-исследовательской лаборатории, опубликованном 25 мая 1954 года озаглавленном «Производство сверхтонких органических волокон по Van A. Wente и др.). Волокнистые полотна могут быть сделаны с использованием комбинаций этих технологий и комбинаций таких волокон. Микроволокна, в частности, мелтблаун микроволокна особенно подходят для использования в полотнах, которые используются в качестве фильтров. В этом документе «микроволокно» означает волокно (волокна), имеющее эффективный диаметр около 35 мкм или меньше. Эффективный диаметр волокна может быть рассчитан с использованием уравнения 12, приведенного в: Davies, CN., The Separation of Airborne Dust and Particles, INST. MECH. ENGN., LONDON PROC. IB (1952). Для применений в фильтрации микроволокна обычно имеют эффективный диаметр менее 20 мкм, чаще от 1 мкм до 10 мкм. Могут быть использованы также волокна из фибриллированных пленок, см., например, патенты US RE30782, US RE32171, US 3998916 и US 4178157. Нетканые полотна, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут характеризоваться коэффициентами качества QF, которые превышают 2, 2,1, 2,2 и 2,3.

Для улучшения эластичности полотна, то есть, для уменьшения его плотности сшитые волокна можно использовать в сочетании с микроволокнами. Снижение плотности полотна позволяет понизить перепад давления на полотне и облегчить прохождение воздуха через фильтр. Меньшие перепады давления особенно желательны в индивидуальных респираторах, поскольку делают респиратор более комфортным. При незначительном перепаде давления требуется меньше энергии для пропускания воздуха через фильтр. Пользователю респиратора с маской отрицательного давления, т.е. респиратора, требующего отрицательного давления со стороны легких для продувания воздуха через фильтр, невозможно работать, так как трудно дышать отфильтрованным воздухом. Более низкие энергетические требования могут быть также полезны в системах фильтрации, снабженных источниками питания, для уменьшения расходов, связанных с питанием вентилятора, и продления срока службы батареи. В типичном нетканом волокнистом фильтре сшитые волокна составляют не более 90% веса, чаще не более 70%. Часто остальной вес приходится на микроволокна. Примеры полотен, которые содержат сшитые волокна, описаны в патенте US 4118531.

Для различных целей в полотна могут быть включены активные частицы, например, в качестве сорбентов, катализаторов и др. Например, в патенте US 5696199, описаны различные типы активных частиц, которые могут быть полезными. Активные частицы, обладающие сорбирующими свойствами, такие как активированный уголь или глинозем, могут быть включены в полотно для удаления органических паров во время фильтрации. Активные частицы могут присутствовать в полотне в количестве до примерно 95% объема. Примеры нетканых полотен, содержащих частицы, описаны, например, в патентах US 3971373, US 4100324 и US 4429001.

К числу полимеров, полезных для использования в производстве нетканых волокнистых полотен, используемых для электретов, относятся органические термопластичные непроводящие полимеры. Эти полимеры обычно способны сохранить высокое количество накопленного заряда и могут быть переработаны в волокна, например, посредством плавления с раздувом расплава или посредством скрепления прядением. Термин «органический» означает, что основа полимера состоит из атомов углерода. Предпочтение отдается полимерам, включающим полиолефины, такие как полипропилен, поли-4-метил-1-пентин, смеси или сополимеры, содержащие один или несколько этих полимеров, и комбинациям этих полимеров. Другие полимеры могут включать полиэтилен, другие полиолефины, перфторполимеры, поливинилхлориды, полистиролы, полиуглероды, поликарбонаты, полиэтилентерефталат, другие полиэстеры, такие как полилактид, полимеры природного происхождения, и комбинации этих полимеров, а также при желании другие непроводящие полимеры.

Волокнистые электреты в соответствии с настоящим изобретением, чтобы иметь множество полимерных компонентов, могут быть экструдированы или иным способом отформованы - см. патенты US 4729371, US 4795668 и US 4547420. Для создания бикомпонентного волокна различные полимерные компоненты могут быть расположены концентрично или вдоль длины волокна. Волокна могут быть приготовлены в форме «макроскопически гомогенного» полотна, т.е. полотна, выполненного из волокон, имеющих одинаковый основной состав.

Волокна, изготовленные из полимерных материалов, могут содержать также другие подходящие добавки. К возможны