專利名稱：使用潤濕液體和非水極性液體制造駐極體纖維網(wǎng)的方法和設(shè)備的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用非水極性液體使纖維網(wǎng)充電的方法。
發(fā)明的背景帶有電荷的非織造物通常被用作面罩中的過濾物，以防止使用者吸入空氣中的污染物。美國專利4,536,440、4,807,619、5,307,796以及5,804,295揭示一些使用這些過濾物的面罩的實例。這些電荷可提高非織造捕捉懸浮在流體中的微粒的能力。當(dāng)流體通過，非織造物時可以捕捉到這些微粒。非織造物通常包括含由絕緣聚合物構(gòu)成的織物，即包含有由非傳導(dǎo)性的聚合物構(gòu)成的織物。帶有電荷的絕緣物件通常被稱之為“駐極體”，這些年來已發(fā)展出多種用于生產(chǎn)這些產(chǎn)品的技術(shù)。
P.W.Chudleigh在“通過導(dǎo)電液體的接觸使電荷轉(zhuǎn)移到聚合物表面的機理”，21，APPL.PHYS.LETT.，547-48(1972年12月1日)，以及在“利用液體接觸使聚合物薄片附上電荷”，47，J.APPL.PHYS.，4475-83(1976年10月)書中描述了早期關(guān)于帶電荷聚合物薄片。Chudleigh的方法是通過對聚氟乙烯聚合物薄片施加一電壓而使該薄片附上電荷。電壓是通過與薄片表面接觸的傳導(dǎo)液體施加的。
Kubic和Davis的美國專利4,215,682揭示了一種用于制造纖維形狀的聚合物駐極體的技術(shù)。在該方法中，當(dāng)纖維從一?？着懦鰰r，用帶有電荷的微粒對纖維進(jìn)行粒子輻射。這些纖維是使用“熔噴”法生產(chǎn)的，其中，緊靠著?？赘咚俅党龅臍饬鲗D出的聚合物材料抽出，并將它冷卻成固態(tài)纖維。經(jīng)粒子輻射的熔噴纖維隨機地累積在一收集器上，以形成纖維駐極體織物。該專利指出，當(dāng)熱熔噴制的纖維以這種方式附上電荷時，過濾的效率可以提高兩倍或兩倍以上。
駐極體纖維織物還可以通過以一電暈使它們附上電荷而制得。例如，Klaase等人的美國專利4,588,537中示出了這樣一種纖維織物，其中的織物連續(xù)地進(jìn)入電暈放電裝置中，而該裝置安置在緊靠于一基本閉合的絕緣薄片的一主表面上。由高壓源產(chǎn)生電暈，該高壓源與帶有相反電荷的細(xì)的鎢絲相連。在Nakao的美國專利4,592,815中描述了另一種用于在非織造物上附上靜電荷的高壓技術(shù)。在這種施加電荷的過程中，織物和帶有光滑表面的接地電極緊密接觸。
van Turnhout的美國專利Re.30,782、Re.31,285和Re.32,171描述，還可以由聚合物薄膜或薄片制成纖維駐極體織物。在聚合物薄膜或薄片形成纖維之前，被施以靜電荷，這些纖維隨后被收集起來并加工成非織造物纖維過濾物器。
也可用機械方法來對纖維施加電荷。Brown的美國專利4,798,850描述了這樣一種過濾材料，該材料含有一種帶有兩種不同卷曲的合成聚合纖維的混合物，這些纖維被梳理成棉網(wǎng)，再針刺成氈。該專利描述了充分混合這些纖維，在梳理時就帶電荷了。Brown所揭示的此種方法通常被稱為“摩擦充電(tribocharging)”。
當(dāng)高速不帶電荷的氣體或液體的射流經(jīng)過絕緣材料薄膜表面時也可發(fā)生摩擦充電(tribocharging)。在Coufal等人的美國專利5,280,406中揭示了，當(dāng)一不帶電荷的流體的射流沖擊絕緣薄膜的表面時，該表面將帶有電荷。
最近開發(fā)了一種利用水來向非織造纖維網(wǎng)施加電荷的方法。(參見Angadjivand等人的美國專利5,496,507)。通過加壓的水射流或水滴束撞擊到含有不導(dǎo)電的微纖維網(wǎng)上而產(chǎn)生電荷制得駐機體。所產(chǎn)生的電荷增強了過濾特性。在水加工之前，先用空氣電暈放電處理該網(wǎng)的話，可進(jìn)一步提高駐極體的性能。
向聚合物纖維網(wǎng)添加特定的添加劑可提高駐極體的性能。例如，通過在熱熔噴制的聚丙烯微纖維中加入一氟化合物添加劑可制得一種耐油霧的駐極體過濾媒質(zhì)(參見Jones等人的美國專利5,411,576和5,472,481)。氟化合物添加劑的熔點至少為25℃，而分子量約為500到2500。
Rousseau等人的美國專利5,908,598描述了一種將添加劑和熱塑樹脂混合形成一種纖維網(wǎng)的方法。水射流或水滴束以這樣一種壓力沖擊到網(wǎng)上，該壓力足以給網(wǎng)提供提高過濾性能所需的駐極體電荷。隨后干燥該網(wǎng)。該添加劑可以為(I).一種熱穩(wěn)定的有機化合物或低聚物，該化合物或低聚物至少含有一種全氟化部分；(II).一種熱穩(wěn)定的有機三嗪化合物或低聚物，除三嗪組中的氮原子外，該化合物或低聚物還至少含有一個氮原子；(III).(I)和(II)的組合物。
Nishiura等人的美國專利5,057,710描述了其它一些含有添加劑的駐極體。Nishiura揭示的聚丙烯駐極體至少含有一種選自受阻胺、含氮的受阻酚以及含金屬的受阻酚的穩(wěn)定劑。該專利揭示出，含有這些添加劑的駐極體可提供高度的熱穩(wěn)定性。通過將非織造織物層放置在一針狀電極和一接地電極之間來處理駐極體。Ohmori等人的美國專利4,652,282和4,789,504描述了將脂肪酸金屬鹽結(jié)合到一種絕緣聚合物中，以長時間保持較高的除塵性能。日本專利Kokoku JP60-947描述了這樣一些駐極體，這些駐極體由聚4-甲基-1-戊烯以及從下列化合物中選取的至少一種構(gòu)成，這些化合物為(a)含有酚羥基的化合物，(b)高級脂族羧酸及其金屬鹽，(c)硫代羧酸酯化合物，(d)含磷化合物和(e)酯化合物。該專利指出，這些駐極體具有長期存儲的穩(wěn)定性。
近期公布的美國專利揭示出，無需故意使纖維或纖維網(wǎng)附上電荷或使之起電，便可以生產(chǎn)過濾網(wǎng)(參見Chou等人的美國專利5,780,153)。該纖維由共聚物制成，該共聚物包括一種乙烯的共聚物、5-25(重量)％的(甲基)丙烯酸、或任選(但不是較佳的)高達(dá)40(重量)％烷基1到8個碳原子的(甲基)丙烯酸烷基酯。5-70％的酸基由金屬離子、特別是鋅、鈉、鋰或鎂離子，或其混合物中和。共聚物的熔融指數(shù)為5-1000克、10分鐘。而其余可以為如聚丙烯或聚乙烯之類的聚烯烴。該纖維可以通過熔噴方法生產(chǎn)，并且以水快速冷卻來防止過度的粘合。該專利揭示出，這些纖維對于任何特別引入的或現(xiàn)有的靜電荷具有很高的靜電保持力。
發(fā)明的概述本發(fā)明提供一種制造纖維狀駐極體的新方法。該方法可以合適地包括如下步驟，或基本由如下步驟組成用非水極性液體接觸纖維使含非導(dǎo)電纖維的網(wǎng)潤濕。潤濕后，使網(wǎng)充分干燥以形成駐極體纖維網(wǎng)。本發(fā)明還涉及使用本發(fā)明駐極體纖維網(wǎng)的過濾面罩。
本發(fā)明方法與已知的充電方法的不同在于是用非水極性液體使纖維網(wǎng)帶電。在本發(fā)明之前，纖維網(wǎng)通常由電暈放電裝置進(jìn)行充電，或由水力充電操作進(jìn)行充電(見例如授予Klasse等人的美國專利№4588537、授予Nakao的美國專利№4592815，或授予Angadjivand等人的美國專利№5496507)。本發(fā)明不用高壓或水，而是使用非水極性液體。與電暈充電相比使用這種液體的好處在于，它不再需要高壓和相伴隨的高能量。由于非水液體通常比水更易于揮發(fā)，本發(fā)明的方法比起水力充電操作的優(yōu)點在于，它能夠降低干燥所需的能量。另外，還有一些難以用水潤濕的過濾網(wǎng)可直接用非水液體潤濕。因此，在不適于用水來使網(wǎng)充電時就可使用非水極性液體。
本文中使用的術(shù)語“有效量”指足以通過用極性液體接觸纖維然后干燥來制成駐極體的非水極性液體的使用量；“駐極體”指至少具有準(zhǔn)永久電荷的制品；“電荷”指有電荷分離；“纖維的”指含有纖維，還可能含有其他組分；“駐極體纖維網(wǎng)”指含有纖維并顯示準(zhǔn)永久電荷的無紡織物或網(wǎng)；“液體”指一種介于固體與氣體之間的物質(zhì)狀態(tài)；“非水液體”是含有低于10體積(％)水的液體；“非導(dǎo)電”指室溫(22℃)時體電阻率約為或大于1014歐姆·厘米。
“非織造”指一種結(jié)構(gòu)或一種結(jié)構(gòu)的一部分，其中纖維由織造以外的方式固結(jié)起來；“極性液體”指偶極矩至少約為0.5德拜、介電常數(shù)至少約為10的液體；“聚合物”指含有以規(guī)則或不規(guī)則方式重復(fù)連接的分子單元或基團(tuán)的有機材料；“聚合的”指含有聚合物和可能的其他組分；“聚合物成纖物質(zhì)”指這樣的組合物，它含有聚合物，或含有能夠形成聚合物的單體并可能含有其他組分，而且能夠形成固態(tài)纖維；“準(zhǔn)-永久”指在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下(22℃，101300Pa大氣壓和50％濕度)電荷在網(wǎng)內(nèi)停留的時間足夠長，可以明顯地測出；“飽和”指用最大量或基本可能最大量的液體潤濕網(wǎng)；“短纖維”指通常切成所限定的長度一般約為2-25cm，有效纖維直徑至少為15微米的纖維；“熱塑性”指遇熱軟化的聚合物材料；“網(wǎng)”指一種結(jié)構(gòu)，它的兩個方向的尺寸比第三方向明顯大，而且可透氣；
“潤濕”指基本上接觸或覆蓋基本要潤濕的網(wǎng)的整個表面積；附圖的簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明用于潤濕和干燥纖維網(wǎng)20的設(shè)備10的部分剖面?zhèn)纫晥D；圖2是使用根據(jù)本發(fā)明制成的駐極體過濾介質(zhì)的過濾面罩40的一個例子。
優(yōu)選實施方式的詳細(xì)說明在本發(fā)明中，用非水極性液體將該纖維網(wǎng)潤濕，然后干燥，與賦予纖維網(wǎng)靜電荷。纖維網(wǎng)含有非導(dǎo)電纖維，潤濕并干燥脫除非水極性液體后，就形成了適用作過濾器的駐極體纖維網(wǎng)。
根據(jù)本發(fā)明制成的非織造駐極體纖維網(wǎng)呈現(xiàn)至少準(zhǔn)永久性電荷。優(yōu)選地，非織造駐極體纖維網(wǎng)呈現(xiàn)“持久”電荷，這是指電荷保留在纖維內(nèi)，以及保留在非織造網(wǎng)內(nèi)的時間至少長達(dá)用作駐極體制品通?？山邮艿氖褂闷谙蕖?br> 確定纖維網(wǎng)過濾性能的測試方法叫作DOP透過率和壓力降法。所述測試包括強制使鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)顆粒通過纖維網(wǎng)，并測量顆粒穿過網(wǎng)的透過率，和網(wǎng)兩側(cè)的壓力降。由測得的DOP透過率和壓力降，就可以計算品質(zhì)因子(QF)。通?？蓮某跏计焚|(zhì)因子QFi來估算駐極體的過濾效率。初始品質(zhì)因子QFi是非織造駐極體纖維網(wǎng)載荷之前，即網(wǎng)接觸要過濾的氣懸體之前測得的品質(zhì)因子QF。
根據(jù)本發(fā)明制成的優(yōu)選的非織造駐極體纖維網(wǎng)可具有足量的電荷，能使制品按DOP透過率和壓力降測試測得的QFi大于0.1(毫米水柱)-1、優(yōu)選大于0.2(毫米水柱)-1、再優(yōu)選大于0.4(毫米水柱)-1、更優(yōu)選大于0.6(毫米水柱)-1。本發(fā)明的非織造駐極體纖維網(wǎng)的初始品質(zhì)因子優(yōu)選高于基本同樣結(jié)構(gòu)的未處理網(wǎng)的QFi值至少2倍，更優(yōu)選至少5倍。
圖1為根據(jù)本發(fā)明制造駐極體纖維網(wǎng)的方法。纖維網(wǎng)20被送至包括容器12的設(shè)備10，所述容器12含有非水極性液體14。浸沒在液體14內(nèi)的輥子16、18組成的壓送輥輥壓并送出纖維網(wǎng)20。當(dāng)纖維網(wǎng)20再次脹大時，非水極性液體14就進(jìn)入纖維之間的間隙以潤濕網(wǎng)20。所述壓送輥對潤濕步驟有好處，因為它有助于從網(wǎng)中排出氣體。網(wǎng)20從容器12中出來后，送至主動干燥設(shè)備22，設(shè)備22可包括榨水機24和配合輥26與28。網(wǎng)在經(jīng)過位于網(wǎng)20二相對方向上的加熱元件34、36之前，輥26和28從網(wǎng)20中擠出過量非水極性液體。
主動干燥設(shè)備可以是消耗從網(wǎng)上脫除所有水份所需能源的外部源。主動干燥設(shè)備可以包括一個熱源例如流體經(jīng)過的烘箱、真空源或空氣源例如空氣對流設(shè)備，即干燥氣流。這些干燥機構(gòu)可以或不與機械機構(gòu)例如離心分離機或輥筒結(jié)合起來使用，以從纖維網(wǎng)中擠出極性液體。另外，也可以采用被動干燥機構(gòu)例如環(huán)境空氣來干燥纖維網(wǎng)，雖然空氣干燥通常不適合高速生產(chǎn)需求。本發(fā)明基本上考慮了所有能將水份從網(wǎng)上脫除，而不會使最終制品的結(jié)構(gòu)明顯損壞的操作和設(shè)備。然后，形成的駐極體網(wǎng)可切成片，卷起來以供儲存，或形成各種制品例如呼吸器或過濾器。
一旦干燥，非織造網(wǎng)就具有足夠的電荷以用作駐極體。形成的駐極體網(wǎng)也可作進(jìn)一步充電處理，以進(jìn)一步增大網(wǎng)上的駐極體電荷，或可以實施一些可以改善過濾性能的其他駐極體充電操作。例如，非織造駐極體纖維網(wǎng)可在采用上述方法制成駐極體后(或之前)進(jìn)行電暈充電操作。所述網(wǎng)可以按例如授予Klaase等人的美國專利№4588537，或如授予Nakao的美國專利№4592815所述方法進(jìn)行充電。另外，或與已知的充電技術(shù)結(jié)合，使所述網(wǎng)進(jìn)一步進(jìn)行水力充電，如授予Angadjivand等人的美國專利№5496507所述。駐極體纖維網(wǎng)還可用稱為“由自由纖維和極性液體制備非織造纖維駐極體的方法和設(shè)備”(美國№09/415566)、“采用含水極性液體制備駐極體纖維網(wǎng)的方法”(美國№09/41621916)的美國專利申請所述的充電技術(shù)作補充充電。
基本上可用任何輸送設(shè)備將網(wǎng)從潤濕機構(gòu)送至干燥器。從動輥和傳送器、輸送帶或壓送輥都是適用于該用途的輸送器的例子。
用于潤濕步驟的非水極性液體的表面張力對賦予纖維網(wǎng)電荷有重要作用。例如，如果非水極性液體的表面張力明顯低于網(wǎng)的表面能，充電就很少，或不會充電。因此，本發(fā)明優(yōu)選的是，非水極性液體的表面張力比纖維網(wǎng)表面能至少大5達(dá)因/厘米，更優(yōu)選大10達(dá)因/厘米。
根據(jù)非水極性液體和纖維網(wǎng)的成分不同，潤濕和干燥可以是靜態(tài)過程，例如將網(wǎng)浸入非水極性液體中一定時間，再從液體中取出網(wǎng)，并用空氣干燥。另外也可以使用例如上述壓送輥將能量和機械的施加到非水極性液體和/或纖維網(wǎng)上，以改善潤濕。雖然圖1所示的潤濕步驟是將纖維網(wǎng)浸沒于非水極性液體中實施的，但是也可以考慮將任何其他合適的潤濕步驟用于本發(fā)明。可以采用例如授予Angadjivand等人的美國專利№5496507中所述的方法和設(shè)備，將非水極性液體噴灑到纖維網(wǎng)上來潤濕纖維網(wǎng)。另外，使用真空棒、增壓容器和/或機械攪動例如超聲波振動也可以促進(jìn)潤濕。這些技術(shù)與本專利同一天申請的名稱為“采用潤濕液體和含水極性液體制造駐極體纖維網(wǎng)的方法和設(shè)備”待審的美國專利№09/415291中有更全面的描述。但是，如果使用過大能量或機械功來實現(xiàn)潤濕，就會損壞非織造纖維網(wǎng)尤其是微纖維網(wǎng)。
潤濕液體應(yīng)當(dāng)潤濕要充電纖維的所有露出表面積。非水極性液體可以接觸優(yōu)選密切接觸纖維，或充滿纖維間的孔隙。潤濕步驟優(yōu)選，要使得網(wǎng)變成被非水極性液體充分飽和。網(wǎng)可以飽和到使?jié)櫇窈蟮木W(wǎng)上會滴下非水極性液體。多種技術(shù)都可以用來實施潤濕步驟。如果通過噴灑非水極性液體、機械攪動網(wǎng)或極性液體、或其他機械方法來實施潤濕的話，非水極性液體與非織造網(wǎng)的相對速度優(yōu)選低于約50m/s，更優(yōu)選低于約25m/s。非水極性液體優(yōu)選在纖維網(wǎng)的纖維上潤濕至少0.001秒，一般數(shù)秒至數(shù)分鐘。
適用于本發(fā)明方法的非水極性液體的偶極矩至少為0.5德拜，更優(yōu)選至少為0.75德拜，最優(yōu)選至少為1.0德拜。介電常數(shù)(ε)至少約為10，更優(yōu)選至少約為20，再優(yōu)選至少為40。非水極性液體優(yōu)選不會留下會掩蔽或耗散網(wǎng)上電荷的導(dǎo)電的非揮發(fā)殘留物。通常，液體的介電常數(shù)與過濾性能的提高程度有關(guān)。介電常數(shù)較高的液體會顯示出更大的提高過濾性能的作用。適用于本發(fā)明的非水液體的例子包括甲醇、異丙醇、乙二醇、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、乙腈和丙酮及他們的組合物。非水液體含有低于10體積(％)的水，一般低于約5體積(％)水，更一般低于2體積(％)水。在一些情形下，非水極性液體中不含水。
適用于本發(fā)明的網(wǎng)可以由多種技術(shù)制成，包括例如Van A.Wente發(fā)表于48 INDUS.ENGN.CHEM.1342-46的文章“超細(xì)熱塑性纖維”和Van A.Wente等人發(fā)表于1954年5月25日的名稱為“超細(xì)有機纖維的制造”的NavalResearch Laboratories報告№4364中所述的。氣流成網(wǎng)法、濕法成網(wǎng)法和熔噴法，微纖維，尤其熔噴微纖維，尤其適用作過濾器的纖維網(wǎng)。“微纖維”指有效直徑約為25微米或以下的纖維。有效纖維直徑可采用Davies C.N.發(fā)表于INST.MECH.ENGN.，LONDON PROC.1B(1952)的文章“空氣中灰塵和顆粒的分離”中所述的式12計算。對于過濾用途，微纖維的有效纖維直徑優(yōu)選小于約20微米，更優(yōu)選約1-10微米。
短纖維也可以與微纖維組使用，以形成膨松不致密網(wǎng)。降低網(wǎng)的密度就能夠降低網(wǎng)兩側(cè)的壓力降。在個人呼吸器中，較低的壓力降較好，因為它能夠使呼吸器佩戴更舒適。優(yōu)選含有不超過約90(重量)％的短纖維，更優(yōu)選不超過約70(重量)％。在授予Hauser的美國專利№4118531描述了含短纖維的網(wǎng)。
活性顆粒也可以包含于多種用途包括吸附用途、催化用途和其他用途的駐極體網(wǎng)中。授予Senkus等人的美國專利№5696199揭示了可以適用的多種活性顆粒。網(wǎng)內(nèi)還可包含具有吸附性能的活性顆粒-例如活性碳或氧化鋁，在過濾時去除有機氣體?；钚灶w粒的含量通常高達(dá)網(wǎng)內(nèi)容物的約80體積(％)。例如授予Braun的美國專利№3971373、授予Anderson的4100324和授予Kolpin等人的4429001中描述了載顆粒的非織造網(wǎng)。
適用于制備用于本發(fā)明的纖維的聚合物包括熱塑性有機非導(dǎo)電聚合物。這些聚合物通常能夠保持大量捕獲的電荷，而且能夠通過例如熔噴設(shè)備或紡粘設(shè)備加工成纖維?！盁崴苄浴毙g(shù)語指遇熱軟化的聚合物材料?！坝袡C”術(shù)語指聚合物的主鏈包含碳原子。優(yōu)選的聚合物包括聚烯烴，例如聚丙烯、聚-4-甲基-1-戊烯、含有一種或多種這些聚合物的共混物或共聚物，和這些聚合物的組合物。其他聚合物可以包括聚乙烯、其他聚烯烴、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、其他聚酯和這些聚合物的組合物和其他非導(dǎo)電聚合物。
所述纖維可由這些聚合物與其他合適的添加劑組合而制成。纖維也可以擠出或以其他方式形成有多種聚合物成分。見授予Krueger和Dyrud的美國專利№4729371，和授予Krueger和Meyer的美國專利№4795668和4547420。不同的聚合物成分可以設(shè)置成同心或沿纖維長度方向縱向排列，以形成例如雙組分纖維。纖維可以設(shè)置成形成宏觀上均勻的網(wǎng)，它是由具有相同總組分的纖維制成的網(wǎng)。
用于本發(fā)明的纖維不需含有離聚物，尤其是否需含有金屬離子中和的乙烯與丙烯酸或甲基丙烯酸或兩者的共聚物，就可制成適用于過濾用途的纖維制品。非織造駐極體纖維網(wǎng)可由上述聚合物制成，而無需含有5-25(重量)％部分酸基被金屬離子中和的(甲基)丙烯酸。
可通過網(wǎng)接觸極性液體之前，在成纖物料中加入添加劑而提高駐極體網(wǎng)的性能。優(yōu)選將“提高耐油霧性能的添加劑”與纖維或與成纖物料結(jié)合起來使用?！疤岣吣陀挽F性能的添加劑”是這樣的成分，在加入到成纖物料，或例如放到形成的纖維上時，它能夠提高非織造駐極體纖維網(wǎng)過濾油霧的能力。
含氟化合物也可加入到聚合物材料中，以提高駐極體性能。授予Jones等人的美國專利№5411576和5472481描述了使用熔融溫度至少為25℃、分子量約為500-2500的可熔融加工的含氟化合物添加劑。該含氟化合物添加劑可以用來提供更好的耐油霧性。一類可提高用水流充電的駐極體的添加劑是有全氟化部分而且氟含量至少為添加劑的18(重量)％的化合物，見授予Rousseau等人的美國專利№5908598。該類型的一種添加劑是含氟噁唑烷酮，如美國專利№5411576稱為“添加劑A”，至少為熱塑性物料的0.1(重量)％。
其他可能的添加劑是熱穩(wěn)定的有機三嗪化合物或低聚物，該化合物或低聚物除了三嗪環(huán)上的氮原子，還含有至少一個氮原子。其他可增強水流充電的駐極體的添加劑有ChimassorbTM944LF(聚[[6-(1，1，3，3-四甲基丁基)氨基]-s-三嗪-2，4-二基][[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)亞氨基]亞己基[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)亞氨基]])，購自Ciba-Geigy Corp.。ChimassorbTM944可和“添加劑A”可以組合起來使用。添加劑ChimassorbTM和/或上述添加劑的含量優(yōu)選約為聚合物的0.1-5(重量)％，添加劑(一種或多種)的含量更優(yōu)選約為聚合物的0.2-2(重量)％，再優(yōu)選約為聚合物的0.2-1(重量)％。一些其他受阻胺也已知可增大網(wǎng)上增強過濾的電荷。
可在使聚合物與添加劑的加熱熔融共混物成形后冷卻形成含有添加劑的纖維，然后是熱處理和充電步驟，形成駐極體制品。這樣制得的駐極體可提高制品的過濾性能(見美國專利申請№08/941864，其對應(yīng)于國際專利申請WO99/16533)。也可以按例如Jones等人在1998年7月2日提出的美國專利申請№09/109497。使用氟化技術(shù)成形后將添加劑放到網(wǎng)上。
聚合物成纖物料在室溫時的體電阻率為或大于1014歐姆·厘米。體電阻率優(yōu)選約為或大于1016歐姆·厘米?？筛鶕?jù)標(biāo)準(zhǔn)測試ASTM D257-93測定聚合物成纖物料的電阻率。用來形成熔噴纖維的成纖物料也應(yīng)當(dāng)基本不含抗靜電劑之類的組分，這種組分會增大導(dǎo)電性或妨礙纖維接受并保持靜電荷的能力。
本發(fā)明的非織造網(wǎng)可以用于過濾面罩，該面罩適于戴在至少戴者的口鼻上。
圖2示出了過濾面罩40，它可由包含按本發(fā)明制成的帶電荷的非織造網(wǎng)構(gòu)成?？傮w為杯狀的主體部分42適于戴在戴者的口鼻上。駐極體過濾器介質(zhì)放在面罩主體42內(nèi)，并且復(fù)蓋住整個表面上，以脫除吸入空氣內(nèi)的污物。駐極體過濾器介質(zhì)可以由其他層片支撐，例如由熱粘合纖維制成的片，所述熱粘合纖維是例如雙組分纖維，它的外部是熱塑性成分，能在纖維交叉點處粘合到其他纖維上?？梢允褂梅强椩祚v極體纖維網(wǎng)的其他過濾面罩的例子包括授予Berg的美國專利№4536440、授予Dyrud等人的美國專利№4807619，授予Japuntich的4883547，授予Kronzer等人的5307796和授予Burgio的5374458。駐極體過濾器介質(zhì)也可以用于例如呼吸器的過濾器芯子內(nèi)，例如授予Brostrom等人的美國專利№Re。35062、或授予Burns和Reischel的美國專利№5062421所述。面罩40僅用于說明該用途，本發(fā)明駐極體過濾器介質(zhì)的用途不局限于這些具體的實施方式。主體部分42是多孔的，以使吸入的空氣能夠通過。
可以用帶子或系具44將面罩40固定到戴者面孔上。雖然圖4中僅示出了一根帶子46，但是系具44也可以使用一根以上的帶子46，而且可以有多種結(jié)構(gòu)-見例如授予Japuntich等人的美國專利№4827924，授予Seppalla等人的5237986和授予Byram的5464010。
本申請人認(rèn)為本發(fā)明的充電方法可將正和負(fù)兩種電荷沉積到纖維上，使正和負(fù)電荷無規(guī)分布在整張網(wǎng)上。電荷的無規(guī)分布會形成非極性網(wǎng)。因此，根據(jù)本發(fā)明制成的非織造駐極體纖維網(wǎng)在垂直于網(wǎng)平面的平面內(nèi)基本是非極性的。以該方式充電的纖維可理想地呈現(xiàn)出如美國專利申請№08/865362中圖5C所示的電荷分布。如果纖維網(wǎng)還經(jīng)過電暈充電操作，那么它會呈現(xiàn)出與該專利申請中圖5B所相似的電荷分布。僅采用本發(fā)明方法充電的纖維制成的網(wǎng)，在整個網(wǎng)體積內(nèi)的捕獲電荷的非極性的?！盎痉菢O性的捕獲電荷”指采用TSDC法在駐極體纖維網(wǎng)上可測出的放電電流小于1μC/m2，其中分母是電極表面積。對網(wǎng)施加熱激發(fā)放電電流(TSDC)，就可顯示出該電荷分布。
熱激發(fā)放電分析包括加熱駐極體網(wǎng)，使凍結(jié)或捕獲的電荷重新獲得移動性，并移動至一些能量較低的結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生可測出的外部放電電流。關(guān)于熱激發(fā)放電電流的討論，見Lavergne等人的“熱激發(fā)電流的綜述”，IEEEELECTRICAL INSULATION MAGAZINE，1993，Vol.9，№2，5-21，和Chen等人的“熱激發(fā)過程的分析”，Pergamon出版社1981。
將溫度升高至聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)以上一定程度，就楞在根據(jù)本發(fā)明充電的網(wǎng)內(nèi)誘導(dǎo)電荷極化，所述玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物從硬和較脆狀態(tài)轉(zhuǎn)變成粘性或彈性狀態(tài)的溫度。該玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于聚合物的熔點(Tm)。將聚合物的溫度升高至其Tg以上后，在DC電場存在下將該樣品冷卻以凍結(jié)捕獲電荷的極化。然后，通過以恒定加熱速率再加熱駐極體材料，并測量外電路中產(chǎn)生的電流，來測量熱激發(fā)放電電流?？捎糜趯嵤O化和隨后的熱激發(fā)放電的儀器是帶有基準(zhǔn)電極的Solomat TSC/RMA型91000，康涅狄格州斯坦福的熱分析儀，由TherMold Partners分銷。
以放電電流為y軸(縱坐標(biāo))，溫度為x軸(橫坐標(biāo))繪出曲線。放電電流的峰位置(最大電流)和形狀是電荷儲存在駐極體網(wǎng)中的機理的特征。對于含有電荷的駐極體網(wǎng)，最大峰和形狀與捕獲在駐極體材料內(nèi)的電荷結(jié)構(gòu)有關(guān)?？赏ㄟ^積分放電峰(一個或多個)來測定，由于加熱時駐極體網(wǎng)內(nèi)的電荷向較低能量態(tài)運動而在外電路內(nèi)形成的電荷量。
本發(fā)明的駐極體纖維網(wǎng)表現(xiàn)的實測電荷密度是非極化捕獲電荷的相對量的度量。實測電荷密度可采用下述步驟確定。本發(fā)明的駐極體纖維網(wǎng)優(yōu)選至少約0.12μC/m2實測電荷密度，更優(yōu)選至少約0.2μC/m2，再優(yōu)選至少約0.3μC/m2。在一些情形下，實測電荷密度可超過0.6μC/m2。
本發(fā)明的優(yōu)點和其他性能和細(xì)節(jié)在下面的實施例中進(jìn)一步說明。雖然實施例的目的如此，但是不應(yīng)當(dāng)將所用的具體組分和用量和其他條件不適當(dāng)?shù)叵拗票景l(fā)明的范圍。例如，雖然實施例說明了本發(fā)明以各單元制備制品的方法，但是所述方法也可以連續(xù)方式實施。所選出的下述實施例僅用于說明如何實施本發(fā)明的優(yōu)選實施方式和制品的性能如何。
實施例樣品的制備按Van A.Wente的48 INDUS.& ENGN.CHEM.1342-46(1956)所述方法制備非織造網(wǎng)。除非另有說明，熱塑性樹脂是FINA 3860X聚丙烯(購自得克薩斯州Houston的Fina Oil and Chemical Co.)。擠出機是Berstorff 60mm，44∶1，八區(qū)，同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機，購自北卡羅來納州Charlotte。當(dāng)樹脂內(nèi)要加入添加劑時，就用Werner Pfleiderer 30mm，36∶1，同向旋轉(zhuǎn)的雙螺桿擠出機制成10-15(重量)％的濃度，所述擠出機購自新澤西州Ramsey的Werner & Pfleiderer Corp.。除非另有說明，網(wǎng)的單位重量約為54-60g/m2。
DOP透過率和壓力降測試迫使直徑中值為0.3微米的鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)顆粒以42.5L/min的速度，通過直徑為11.45cm(4.5inch)非織造網(wǎng)樣品，來測試DOP透過率和壓力降。樣品的面上流速為6.9cm/s。使用有四個孔和207kPa(30psi)清潔空氣入口的TSI No.212噴霧器(購自明尼蘇達(dá)州St.Paul的TSI)制造濃度為70-110mg/m3的鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)氣溶膠。將樣品暴露在含DOP顆粒的氣溶膠中30秒鐘。用光學(xué)散射室，即購自Air Techniques Inc.的型號為TPA-8F的百分率滲透儀(Percent Penetration Meter Model TPA-8F)測量通過樣品的DOP顆粒的透過率。使用電子測壓計測量樣品兩側(cè)的壓力降(ΔP)，單位為毫米水柱(mmH2O)-1。
使用DOP透過率和壓力降由下述公式從DOP透過率的自然對數(shù)(ln)來計算品質(zhì)因子“QF” 將通過氣霧前的制品測得的品質(zhì)因子稱為初始品質(zhì)因子QFi。初始QF值較高表明初始過濾性能較好。相反，初始QF值較低與初始過濾性能降低有關(guān)。
實測電荷密度由下述方式在每個網(wǎng)的4個樣品內(nèi)誘導(dǎo)電荷極化(i)將每個樣品加熱至100℃，(ii)在100℃將每個樣品在2.5KV/mm的DC場內(nèi)極化5、10、15或20分鐘，和(iii)在DC場中將每個樣品冷卻至-50℃，以凍結(jié)網(wǎng)內(nèi)捕獲并極化的電荷。然后，再加熱每個網(wǎng)樣品，使凍結(jié)的電荷重新獲得移動性，并移向較低能量態(tài)以產(chǎn)生可測出的外放電電流。具體地說，在上述DC場內(nèi)極化后，將每個網(wǎng)樣品自約-50℃以約3℃/min的速率加熱至約160℃。測得產(chǎn)生的隨溫度而變化的。外電流。計算放電峰下的面積，并除以樣品面積，就得到了每個樣品未校正的實測電荷密度。將每個網(wǎng)未校正的實測電荷密度設(shè)為與每個網(wǎng)的4個分析樣品中最高的未校正的實測電荷密度相等。使用有基準(zhǔn)電極的Solomat TSC/RMA型91000(康涅狄格州斯坦福的熱分析儀，由TherMoldPartners分銷)進(jìn)行極化和隨后的熱激發(fā)放電。分析同樣成分和物理性能的未處理網(wǎng)，就能夠確定來自于捕獲的未極化電荷的實測電荷密度。從處理網(wǎng)的未校正的實測電荷密度減去未處理網(wǎng)的校正的實測電荷密度就可得到處理網(wǎng)的實測電荷密度。
實施例1-8和對比例C1用FINA 3860X聚丙烯(購自得克薩斯州Houston的Fina Oil and ChemicalCo.)按上述方法制備噴制的聚丙烯微纖維網(wǎng)。網(wǎng)的單位重量約為50-60g/m2，有效纖維直徑(EFD)約為8-9微米(μm)。從該網(wǎng)上切下約22英寸×11英寸(55.9cm×27.9cm)的單個樣品。將單個樣品浸入非水液體內(nèi)飽和，擠壓樣品，再浸沒在液體中使它脹大。然后從液體中取出樣品，空氣干燥。從樣品上切下直徑約為5.25英寸(13.3cm)的圓形樣品，并對每個圓的中央部分4.5英寸(11.4cm)測定DOP透過率和壓力降。按上述方法計算每個樣品的QFi。重復(fù)切割和評估各樣品，還切割和評估未處理樣品，兩次評價結(jié)果的平均值如表1所示。
表1 非水液體處理對過濾性能的影響
表1數(shù)據(jù)所示，用選出的非水極性液體潤濕纖維網(wǎng)，并干燥網(wǎng)，可制得初始品質(zhì)因子優(yōu)良的網(wǎng)。該數(shù)據(jù)還說明，介電常數(shù)較高的液體，可較大地提高過濾性能。
實施例9-16和對比例C2按實施例1-8和對比例C1所述方法制備含有熔噴微纖維的網(wǎng)，除了加入約為聚丙烯樹脂1(重量)％的美國專利№5411576中稱為“添加劑A”的含氟化合物添加劑，樣品在約140℃溫度下熱處理約10分鐘，添加劑A的結(jié)構(gòu)式如下
形成的網(wǎng)的單位重量和有效纖維直徑與不用添加劑制成的相同。按實施例1-8所述方法切下樣品，用液體潤濕，并干燥。從這些樣品中切下圓形樣品，并按上述方法評價過濾性能。將兩次評價結(jié)果取平均值，結(jié)果如表2所示。
表2 非水處理對有含氟化合物添加劑A的過濾性能的影響
表2數(shù)據(jù)所示，介電常數(shù)較高的液體，可較大地提高過濾性能。測試的所有樣品都表現(xiàn)出比未按本發(fā)明進(jìn)行處理的對比例有提高。
實施例17-24和對比例C3-C6按實施例1-8和C1制備噴制聚丙烯微纖維網(wǎng)的方法，制得實施例17-20和C3-C5的樣品，除了使用ESCORENE 3505G聚丙烯(購自Exxon Corp.)制備纖維。以實施例17-20和C3-C5所述同樣的方式，由噴制的聚丙烯微纖維網(wǎng)分別制備了實施例21-24和C5-C6，除了實施例21-24和C5-C6的樣品含有美國專利№5411576所述“添加劑A”含氟化合物添加劑。每個網(wǎng)的單位重量都約為50-60g/m2，樣品的有效纖維直徑約為8-9μm。添加劑的加入量約為聚丙烯樹脂的1(重量)％，樣品在約140℃熱處理約10分鐘。按實施例1-8和C1所述方法測試，所有實施例17-24和C3-C6。確定每個樣品的QFi值。
然后，按上述方法評價網(wǎng)的實測電荷密度。
表3 極化后的實測電荷密度
表3數(shù)據(jù)所示，用介電常數(shù)較高的液體潤濕的網(wǎng)，表現(xiàn)出較大的實測電荷密度和較大提高的過濾性能。實施例21和C6與其他的不同(分別為負(fù)值和高值)，大概是因為與溶劑和含氟化合物添加劑相關(guān)的作用所致。
實施例25-26實施例25-26涉及液體表面張力對充電的BMF網(wǎng)的影響。用乙醇與水的溶液潤濕兩種不同的噴制微纖維網(wǎng)的樣品，樣品尺寸為11×21英寸(55.9cm×27.9cm)，以研究液體表面張力對電荷形成的影響。所用的兩種網(wǎng)含有由表4所述物質(zhì)制成的纖維表4
采用表4所述物質(zhì)，根據(jù)實施例1所述方法制成實施例25和26的樣品。每個樣品都首先用塑料盤或鋁盤中的約200ml乙醇處理。也擠壓每個樣品，以保證它完全潤濕和基本排出所有內(nèi)部空氣。再向盤中加入足量水，獲得8個規(guī)定的表面張力之一24、26、28、30、35、40、50或60達(dá)因/厘米。對于每個規(guī)定的表面張力，所需的加水量根據(jù)Szyszkowski方程式確定，該式里Prausnitz和Sherwood的“the properties of gases and liquids，theirestimation and correlation by reid”(第622-624頁，第三版，McGraw-HillInc.，紐約，1977)。所研究的表面張力和相關(guān)的乙醇體積份數(shù)和加水量如表5所示表5
水加入到盤中后，擠壓浸沒的樣品約30秒，后放開。使樣品在水/乙醇溶液中停留約5分鐘，接著再擠壓約30秒，再放開。再停留約5分鐘后，再次擠壓樣品約30秒，并再放開。然后，使樣品通過榨水機2次以脫除過量液體，并晾在繩上通宵干燥。從每個樣品上切下三個直徑為5.25英寸的圓，采用上述DOP透過率和壓力降測試方法分析兩個圓的過濾性能，各條件下的平均測試結(jié)果如表6所示(每個平均值都以2次測量值進(jìn)行平均)。
表6
括號內(nèi)是標(biāo)準(zhǔn)偏差。
含有約1(重量)％含氟化合物添加劑的樣品實施例25在約140℃熱處理約10分鐘，含水乙醇溶液出現(xiàn)最大品質(zhì)因子并具有十分平滑的曲線，估算的表面張力約為35-40達(dá)因/厘米。不含氟化合物添加劑的樣品實施例26的品質(zhì)因子在表面張力估算為約24-28達(dá)因/厘米范圍內(nèi)急劇上升。
實施例26樣品的品質(zhì)因子的急劇變化大概是因為網(wǎng)的表面能的原因。不含添加劑制備的聚丙烯的表面能約為30達(dá)因/厘米。表面張力低于該值的液體會象膜樣潤濕網(wǎng)內(nèi)的纖維，而表面張力高于該表面能的液體在壓榨或干燥期間會在有些地方形成液滴。含有含氟化合物的樣品實施例25的表面能由于添加劑的存在而比實施例26的樣品低得多。實施例25的樣品的表面能可能在20達(dá)因/厘米或更小的范圍內(nèi)。因此，它比該實施例中所研究的所有表面張力都低，這就可解釋當(dāng)表面張力變化時品質(zhì)因子不會呈現(xiàn)任何急劇的變化。
上述所有專利和專利申請，包括在背景部分中所討論的內(nèi)容，都引入本文中以供參考。
本發(fā)明也同樣適用于本文中所沒有明確描述的任何場合。
權(quán)利要求
1.一種制造駐極體纖維網(wǎng)的方法，它包括如下步驟用有效量非水極性液體潤濕含有非導(dǎo)電纖維的纖維網(wǎng)；充分干燥所述潤濕的纖維網(wǎng)，形成駐極體纖維網(wǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述駐極體纖維網(wǎng)具有持久的電荷。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述駐極體纖維網(wǎng)是含有微纖維的非織造纖維網(wǎng)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述駐極體纖維網(wǎng)按鄰苯二甲酸二辛酯透過率和壓力降測試方法測定的品質(zhì)因子至少約為0.4(mm水柱)-1。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的方法，其特征在于所述纖維含有含氟化合物添加劑。
6.如權(quán)利要求1-5中任一項所述的方法，在潤濕纖維網(wǎng)的步驟之前，它還包含對纖維網(wǎng)熱處理的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述纖維網(wǎng)以這樣的方式潤濕壓縮纖維網(wǎng)，浸入非水極性液體內(nèi)的同時，使纖維網(wǎng)恢復(fù)到未壓狀態(tài)；使非水極性液體流到纖維網(wǎng)上；把聲能加到網(wǎng)上的非水極性液體上；與纖維網(wǎng)接觸的同時，對非水極性液體增壓，和/或?qū)⒗w維網(wǎng)浸入非水極性液體內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的方法，其特征在于所述非水極性液體選自甲醇、異丙醇、乙二醇、二甲基亞砜、二甲基甲酰胺、乙腈和丙酮。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述纖維網(wǎng)是空氣干燥的；使一網(wǎng)遇熱進(jìn)行干燥；使一網(wǎng)暴露于靜態(tài)真空中進(jìn)行干燥；使一網(wǎng)接觸加熱的干燥氣流進(jìn)行干燥；和/或以機械的方式脫除非水極性液體進(jìn)行干燥。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述纖維含有聚丙烯、聚-4-甲基-1-戊烯或這兩種聚合物。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述纖維含有提高耐油霧性能的添加劑。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述非導(dǎo)電纖維的體電阻率約為1016歐姆·厘米-1或更大。
13.如權(quán)利要求1-12中任一項所述的方法，其特征在于所述纖維網(wǎng)在潤濕步驟中被飽和。
14.一種過濾面罩，它至少適于復(fù)蓋戴者的口鼻，它含有權(quán)利要求1所述的駐極體纖維網(wǎng)作為過濾器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用非水極性液體使纖維網(wǎng)充電的方法。含非導(dǎo)電纖維的網(wǎng)(20)用非水極性液體(14)潤濕。網(wǎng)(20)再被充分干燥(22),以制得駐極體纖維網(wǎng)。該駐極體纖維網(wǎng)可在過濾面罩(40)中用作過濾器,該過濾面罩適于蓋在戴者的口鼻上。與已知充電方法相比本發(fā)明方法優(yōu)點在于,非水液體的干燥所需能量比含水液體少。另外,許多用含水液體難以潤濕的過濾器網(wǎng)可用非水液體直接潤濕。
文檔編號A41D13/11GK1384896SQ00813970
公開日2002年12月11日 申請日期2000年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月8日
發(fā)明者P·D·艾茨曼, A·D·魯索, M·E·瓊斯, S·A·安加吉范達(dá) 申請人:3M創(chuàng)新有限公司