BRPI0612342A2 - artigo de eletreto, máscara facial filtrante e método para fabricação de um artigo de eletreto fluorado - Google Patents

Abstract

ARTIGO DE ELETRETO, MáSCARA FACIAL FILTRANTE E MéTODO PARA FABRICAçãO DE LIUI ARTIGO DE ELETRETO FLUORADO. Um artigo de eletreto que inclui um material polimérico ao qual é conferida uma carga elétrica, que tem um ou mais heteroátomos, que tem uma razão de saturação de flúor menor que 200, e que tem uma porcentagem atómica de flúor maior que cerca de 40%. O artigo de eletreto da presente invenção é resistente à degradação de carga por exposição a altas temperaturas durante períodos de tempo prolongados.

Description

"ARTIGO DE ELETRETO, MÁSCARA FACIAL FILTRANTE E MÉTODO PARAFABRICAÇÃO DE UM ARTIGO DE ELETRETO FLUORADO"

A presente invenção refere-se a um artigo de eletreto que incluium material polimérico ao qual é conferida uma carga elétrica, que inclui um oumais tipos de heteroátomos, que tem uma razão de saturação de flúor de cercade 200 ou menos, e que tem uma-porcentagem atômica de flúor de cerca de40% ou mais. O artigo de eletreto da presente invenção é resistente àdegradação de carga por exposição a altas temperaturas durante períodos detempo prolongados.

Fundamentos da Invenção

Sabe-se que os artigos de eletreto, ou seja, os artigos dielétricosque exibem uma carga elétrica ao menos semipermanente, apresentam boaspropriedades de filtração. Os artigos foram produzidos com diversasconstruções mas, para os propósitos de filtração de ar, os artigos comumenteassumem a forma de uma manta fibrosa polimérica em não-tecido. Umexemplo desse tipo de produto é o filtro para fornalha da marca Filtrete™,disponível comercialmente junto à 3M Company. Os filtros de eletretopolimérico em não-tecido também são usados em dispositivos de proteçãorespiratória de uso pessoal. Vide, por exemplo, as patentes U.S. n° 5.307.796de Kronzer et al., a U.S. n° 5.804.295 de Braun et ai., e U.S. n° 6.216.693 deRekow et al.

Diversos métodos têm sido usados para a fabricação de eletretos,inclusive bombardeamento de fibras/partículas elétricas (patente U.S. n°4.215.682 de Kubik et al.), carga por efeito corona de corrente contínua, ou "CC"(vide as patentes U.S. n° Re. 30.782 e 32.171 de van Turnhout, e a patente U.S.n° 4.592.815 de Nakao), hidrocarga (vide patentes U.S. n° 5.496.507,6.119.691,6.375.886 e 6.783.574 de Angadjivand et al., patente U.S. n° 6.406.657 deEitzman et al., e patente U.S. n° 6.743.464 de Insley et al.), e exposição alíquidos polares (patente U.S. n° 6.454.986 de Eitzman et al.). A carga elétricaconferida ao artigo dielétrico causa um aumento na captura de partículas.

Em adição às estruturas fibrosas, meios filtrantes dotados demicroestruturas ou microcanais foram eletricamente carregados para otimizar odesempenho de filtração (vide, por exemplo, a patente U.S. n° 6.524.488, deInslev et al,).

Durante o uso, os filtros à base de eletreto freqüentemente ficamcarregados de partículas e contaminantes que interferem com sua capacidadede filtração. Os aerossóis líquidos, por exemplo, particularmente os aerossóisoleosos, podem fazer com que os filtros à base de eletreto percam suaeficiência de filtração otimizada por eletreto (vide a patente U.S. n° 6.627.563,de Huberty).

Vários métodos foram desenvolvidos para compensar essa perdade eficiência na filtração. Um método inclui a inclusão, ao filtro, de camadasadicionais de manta polimérica em não-tecido. Essa abordagem, no entanto,pode aumentar a queda de pressão através do filtro à base de eletreto, e podeaumentar seu peso e volume. Quando o filtro à base de eletreto é usado em umdispositivo de proteção respiratória de uso pessoal, essas desvantagenspodem ser particularmente problemáticas. O aumento na queda de pressão,por exemplo, resulta em maior resistência à respiração, tornando maisdesconfortável o uso do respirador. Um outro método para otimização daresistência a aerossóis de névoa oleosa inclui a inclusão de um aditivofluoroquímico processável por meio de fusão, como uma oxazolidinonafluoroquímica, uma piperazina fluoroquímica ou um alcano perfluorado aopolímero, durante a criação do artigo fibroso polimérico. Vide, por exemplo, aspatentes U.S. n° 5.025.052 e 5.099.026 de Crater et al., e as patentes U.S. n°5.411.576 e 5.472.481 de Jones et al. Os fluoroquímicos são processáveis pormeio de fusão, ou seja, não sofrem substancialmente nenhuma degradaçãosob as condições de processamento por fusão que são usadas para formar asfibras na manta de eletreto. Vide, também, a patente U.S. n° 5.908.598 deRousseau et al. Em adição a um método de processamento por fusão,eletretos fluorados também têm sido fabricados colocando-se um artigopolimérico em uma atmosfera que inclui uma espécie contendo flúor e um gásinerte e, então, aplicando-se uma descarga elétrica para modificar a químicade superfície do artigo polimérico. A descarga elétrica pode estar sob a formade um plasma, como uma descarga corona em CA. O processo de fluoraçãopor plasma faz com que átomos de flúor estejam presentes sobre a superfíciedo artigo polimérico. O artigo de material polimérico fluorado pode sereletricamente carregado mediante o uso, por exemplo, das técnicas dehidrocarga acima mencionadas. O processo de fluoração por plasma é descritonas patentes U.S. n° 6.397.458, 6.398.847, 6.409.806, 6.432.175, 6.562.112,6.660.210 e 6.808.551, de Jones/Lyons et al. Outras publicações queapresentam técnicas de fluoração incluem: patentes U.S. n° 6.419.871,6.238.466, 6.214.094, 6.213.122, 5.908.598, 4.557.945, 4.508.781 e4.264.750, publicações US 2003/0134515 A1 e US 2002/0174869 A1, epublicação internacional WO 01/07144.

Embora os eletretos fluorados sejam adequados a diversasaplicações referentes a filtração, alguns filtros necessitam de estabilidadetérmica otimizada para atender a especificações de produto, por exemploespecificações militares e requisitos NIOSH. Vide os documentos "Statement ofStandard for Chemical, Biological, Radiological, and Nuclear (CBRN)Air-Purifying Escape Respirator", Anexo A, de 30 de setembro de 2003, e"Statement of Standard for Chemical, Biological, Radiological, and Nuclear(CBRN) Full Facepiece Air Purifying Respirator (APR) ", Apêndice A, de 4 deabril de 2003, ambos emitidos pelo NIOSH (National Institute for OccupationalSafety and Health, ou Instituto Nacional para Saúde e Segurança Ocupacionaldos EUA). Existem aplicações para as quais o meio filtrante de eletreto precisaser resistente a degradações de carga por altas temperaturas durante períodosprolongados. A presente invenção, descrita a seguir, atende a essasnecessidades e, conseqüentemente, apresenta um artigo de eletreto que temboas propriedades de filtração de névoa oleosa, ainda que exposto a altastemperaturas durante longos períodos de tempo.

Sumário da Invenção

A presente invenção apresenta um novo artigo de materialpolimérico fluorado, o qual compreende um material polimérico ao qual éconferida uma carga elétrica, que inclui um ou mais tipos de heteroátomos, quetem uma razão de saturação de flúor menor que 200, e que tem umaporcentagem atômica de flúor de cerca de 40% ou maior. O artigo de eletreto dapresente invenção difere dos artigos de eletreto fluorado conhecidos pelo fato deter um ou mais tipos de heteroátomos, uma razão de saturação de flúor de cercade 200 ou menos, e uma porcentagem atômica de flúor superior a cerca de 40%.

Os inventores descobriram que um artigo de eletreto polimérico com essascaracterísticas pode exibir desempenho de filtração aprimorado sob condiçõesde estresse térmico.

A presente invenção apresenta, também, um novo método parafabricação de um artigo de eletreto fluorado, método esse que compreende: (a)fluorar um artigo polimérico não-condutor em um plasma gerado sob atmosferacontrolada que inclui uma espécie contendo flúor e uma espécie contendonitrogênio, sendo que a fluoração ocorre a uma pressão menor que a atmosférica;

e (b) conferir uma carga elétrica persistente ao artigo polimérico. O métodoinventivo difere dos métodos conhecidos para fabricação de artigos de eletretofluorado, pelo fato de que a etapa de fluoração ocorre em um plasma, na presençade uma espécie contendo nitrogênio e a uma pressão menor que a atmosférica.

Os Requerentes descobriram que os artigos de eletreto produzidos de acordo coma presente invenção podem ter diferentes químicas de superfície, as quais podemproporcionar características de desempenho benéficas.

O desempenho de filtração de um artigo de eletreto é comumentecaracterizado mediante o uso de um parâmetro que é chamado, na técnica, de"fator de qualidade" ou "valor Q". O valor Q caracteriza o desempenho defiltração como uma mistura dos. parâmetros de .penetração de partículas e dequeda de pressão. Conforme indicado acima, alguns filtros precisam deestabilidade térmica otimizada para atender a especificações de produto quantoa filtração. Existem aplicações para as quais o meio filtrante de eletreto precisaser resistente à degradação de carga em altas temperaturas. Os Requerentesdemonstram que dados extraordinários quanto ao fator de qualidade podem sermantidos, quando os artigos de eletreto da presente invenção são testados apósuma exposição a envelhecimento acelerado por alta temperatura.

Especificamente, os Requerentes mostraram que os artigos de eletreto dapresente invenção podem oferecer fatores de qualidade extraordinários após 9horas de envelhecimento a 100 °C. O valor Q que resulta desse teste é chamadode "Q9". Os artigos de eletreto da presente invenção podem manter uma boaeficiência de filtração apesar de serem "envelhecidos" sob altas temperaturasdurante um longo período de tempo.

Essas e outras características ou vantagens da invenção sãomostradas e descritas com mais detalhes nos desenhos e na descriçãodetalhada desta invenção, em que números de referência similares são usadospara representar partes similares. Deve-se compreender, no entanto, que osdesenhos e a descrição têm propósitos de meramente ilustrativos, e nãodevem ser interpretados de um modo que limite indevidamente o escopo destainvenção.

Glossário

Os termos demonstrados abaixo terão os significados conformedefinido a seguir:

"aerossol" significa um gás que contém partículas em suspensão sob formasólida ou líquida;

"porcentagem atômica de flúor" significa a quantidade de flúor determinada deacordo com o método para determinação da concentração superficial de flúorusando espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS);

"valor de fundo" significa o ponto abaixo do qual um sinal espectroscópico jánão pode ser distinguido do ruído no sistema (para todos os heteroátomosdiferentes de nitrogênio, sendo que para o nitrogênio o valor de fundo é 0,0040);

"contaminantes" significa partículas e/ou outras substâncias que geralmentepodem não ser consideradas como partículas, mas que podem ser nocivas casosejam inaladas (por exemplo, vapores orgânicos);

"dielétrico" significa não-condutor para corrente contínua;

"eletreto" significa um artigo dielétrico que exibe uma carga elétrica ao menossemipermanente;

"carga elétrica" significa que há separação de cargas;

"fibroso" significa dotado de fibras e, possivelmente, outros ingredientes;

"manta de eletreto fibrosa" refere-se a uma manta de tecido ou de não-tecidoque contém fibras, e que tem uma carga elétrica ao menos semipermanente;

"fluorar" significa colocar átomos de flúor sobre a superfície de um artigo;

"espécie contendo flúor" significa moléculas e porções contendo átomos de flúorinclusive, por exemplo, átomos de flúor, flúor elementar e radicais contendoflúor;

"heteroátomo" significa qualquer átomo diferente de carbono, hidrogênio ouoxigênio, átomo esse que reage com flúor para formar uma ligação estável e inclui,porém não se limita a, Ρ, Ν, B, Si e S (o heteroátomo é considerado como estandopresente no material polimérico se estiver acima do "valor de fundo" conformedemonstrado mais adiante em "Determinação dos heteroátomos");"não-condutor" significa tendo uma resistividade volumétrica maior que cerca de1014 Ohrrvcm à temperatura ambiente (22 °C);

"não-tecido" significa uma estrutura ou porção de estrutura em que fibras ououtros componentes estruturais são mantidos juntos por um meio diferente datecelagem;

"carga elétrica persistente" significa que a carga elétrica reside no artigo deeletreto durante ao menos a vida útil comumente aceita do produto no qual o ditoartigo de eletreto é usado;

"plasma" significa um estado da matéria no qual as moléculas ou átomos sãoefetivamente ionizados, permitindo que as cargas fluam livremente;"polímero" significa um material orgânico que contém unidades ou gruposmoleculares ligados e repetidos, que estão dispostos de forma regular ouirregular;

"polimérico" significa contendo um polímero e, possivelmente, outrosingredientes;

"material formador de fibra polimérica" significa uma composição que contémum polímero, ou que contém monômeros capazes de produzir um polímero,além de possivelmente conter outros ingredientes, e que é capaz de serformada em fibras sólidas;

"semipermanente" significa que a carga elétrica reside no artigo sob condiçõesatmosféricas ambientes (22 °C, pressão atmosférica de 101.300 Pascais (Pa)1e 50% de umidade) durante um período de tempo longo o suficiente para sersignificativamente mensurável;

"fibra têxtil" refere-se a fibras que são cortadas a um comprimentogenericamente definido, tipicamente de cerca de 2 centímetros a cerca de 25centímetros e, tipicamente, apresentam um diâmetro da fibra de ao menos 15micrômetros;"fluoração de superfície" significa a presença de átomos de flúor sobre umasuperfície (por exemplo, a superfície de um artigo polimérico);

"com superfície modificada" significa que a estrutura química na superfície foialterada em relação a seu estado original;

"termoplástico" significa um material polimérico que amolece quando exposto aocalor e que endurece novamente quando resfriado, sem sofrer uma alteraçãoquímica apreciável; e

"manta" significa uma estrutura que é significativamente maior em duasdimensões que em uma terceira dimensão, e que é permeável a ar.

Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é uma vista em perspectiva de uma máscara respiratóriadescartável 10 que pode usar um meio filtrante de eletreto da presente invenção;

A Figura 2 é uma vista em seção transversal do corpo 12 damáscara respiratória 10 mostrada na Figura 1, mostrando uma camada de filtroà base de eletreto fibroso 20;

A Figura 3 é uma vista em perspectiva de uma máscara respiratória24 que tem um cartucho de filtro 28, o qual pode incluir o meio filtrante deeletreto da presente invenção;

A Figura 4 é uma ilustração de um artigo de eletreto não-fibroso40 da presente invenção; e

A Figura 5 é uma ilustração de espectro ToF-SIMS para umamanta em BMF fluorada, que realça uma espécie C4F9".

Descrição Detalhada das Modalidades Preferenciais

Na descrição de modalidades preferenciais da invenção, é usadauma terminologia específica por questão de clareza. A invenção, no entanto, nãotem a intenção de limitar-se aos termos específicos selecionados, e deve-secompreender que cada termo selecionado inclui todos os equivalentes técnicosque operam de modo similar.As mantas adequadas ao uso na presente invenção podem serfeitas a partir de uma variedade de técnicas, inclusive processos de produção pordeposição a ar (airlaid), processos de produção por deposição a úmido (wetlaid),hidroentrelaçamento, processos de fiação contínua e processos de produção porextrusão em blocos com passagem de ar quente em alta velocidade (meltblown)conforme descrito em Van A. Wente, Superfine Thermoplastic Fibers, 48 Indus.Engn. Chem. 1342-46, e no Relatório n° 4364 de Naval Research Laboratories,publicado em 25 de maio de 1954, intitulado Manufacture of Super Fine OrganicFibers, de Van A. Wente et al. As mantas fabricadas mediante o uso decombinações dessas técnicas e a partir de combinações dessas fibras tambémpodem ser usadas. As microfibras, particularmente aquelas do tipo meltblown, sãoparticularmente adequadas ao uso em mantas fibrosas destinadas ao uso comofiltros. Para uso neste documento, "microfibra" significa fibras que têm umdiâmetro efetivo de cerca de 25 micrômetros ou menos. O diâmetro efetivo da fibrapode ser calculado usando-se a equação número 12 em Davies, C.N., TheSeparation of Airbome Dust and Particles, Inst. Mech. Engn., London Proc. 1B(1952). Para aplicações de filtração, as microfibras tipicamente têm um diâmetroefetivo menor que 20 micrômetros, mais tipicamente de cerca de 1 a cerca de10 micrômetros. Também podem ser usadas as fibras feitas a partir de películasfibriladas. Vide, por exemplo, as patentes U.S. n° RE30.782, RE32.171, 3.998.916e 4.178.157 de Van Turnout.

As fibras têxteis podem, também, ser combinadas às microfibras,para otimizar a aeração da manta, ou seja, para reduzir sua densidade. Aredução da densidade da manta pode diminuir a queda de pressão através damesma, facilitando a passagem de ar através do filtro. As quedas de pressãomenores são particularmente desejáveis em dispositivos de proteçãorespiratória de uso pessoal, pois tornam mais confortável o uso do respirador.Quando a queda de pressão é menor, menos energia é necessária para puxaro ar através do filtro. Desse modo, um usuário de respirador que coloque umamáscara de pressão negativa, ou seja, um respirador que exige pressãonegativa a partir dos pulmões do usuário para puxar o ar através do filtro, nãoprecisa esforçar-se tanto para respirar o ar filtrado. As exigências energéticasmais baixas também podem ser benéficas em sistemas de filtração equipadoscom motor, para reduzir custos associados à alimentação do ventilador e paraprolongar a vida útil de uma bateria, no caso de sistemas alimentados porbateria. Em um filtro fibroso de não-tecido típico, estão presentes não mais quecerca de 90%, em peso, de fibras têxteis, mais tipicamente não mais que cercade 70%, em peso. Tipicamente, o restante das fibras consiste em microfibras.

Os exemplos de mantas que contêm fibras têxteis são apresentados napatente U.S. n° 4.118.531 de Hauser.

Um particulado ativo pode, também, ser incluído nas mantas deeletreto, para diversos propósitos, inclusive aqueles relacionados a sorção,catalisação e outros. A patente U.S. n° 5.696.199 de Senkus et al., porexemplo, descreve diversos tipos de particulado ativo que podem seradequados. O particulado ativo que tem propriedades de sorção, como carvãoativado ou alumina, pode ser incluído na manta para remover vaporesorgânicos durante operações de filtração. O particulado ativo pode estarpresente na manta em quantidades de até cerca de 95 volumes por cento.

Exemplos de mantas de não-tecido carregadas de partículas são descritos, porexemplo, nas patentes U.S. n° 3.971.373 de Braun, 4.100.324 de Anderson1 e4.429.001 de Kolpin et al.

Os polímeros que podem ser adequados ao uso na produção deartigos de eletreto incluem polímeros não-condutores orgânicos termoplásticos.

Esses polímeros são geralmente capazes de reter uma grande quantidade decarga aprisionada, e podem ser processados em fibras, como através de umaparelho para fiação via sopro ou para fiação contínua. O termo "orgânico"significa que a cadeia principal do polímero inclui átomos de carbono. Ospolímeros preferenciais incluem poliolefinas, como polipropileno,poli-4-metil-1-penteno, blendas ou copolímeros contendo um ou mais dessespolímeros, e combinações dos mesmos. Outros polímeros podem incluirpolietileno, outras poliolefinas, cloretos de polivinila, poliestirenos,policarbonatos, tereftalato de polietileno, outros poliésteres e combinaçõesdesses polímeros sendo que, opcionalmente, outros polímeros não-condutorespodem ser usados como material formador de fibra polimérica, ou para aprodução de outros artigos de eletreto.

Os artigos de eletreto polimérico, particularmente as fibras,também podem ser extrudados ou, de outro modo, formados de modo a termúltiplos componentes poliméricos. Vide a patente U.S. n° 4.729.371 deKrueger e Dyrud, e as patentes U.S. n° 4.795.668 e 4.547.420 de Krueger eMeyer. Os diferentes componentes poliméricos podem estar dispostosconcentricamente ou longitudinalmente ao longo do comprimento da fibra, demodo a criar, por exemplo, uma fibra bicomponente. As fibras podem estardispostas para formar uma manta "macroscopicamente homogênea",especificamente uma manta que é feita a partir de fibras que têm, cada uma, amesma composição geral.

As fibras podem ser feitas desses polímeros em conjunto com outrosaditivos adequados. Os possíveis aditivos são compostos ou oligômeros de triazinaorgânicos e termicamente estáveis, os quais contêm ao menos um átomo denitrogênio em adição àqueles no anel de triazina. Vide as patentes U.S. n°6.268.495, 5.976.208, 5.968.635, 5.919.847 e 5.908.598 de Rousseau et al. Umoutro aditivo conhecido por otimizar eletretos carregados mediante jatos de água é oChimassorb™ 944 LF (poli[[6-(1.1.3,3,-tetrametilbutil)amino]-s-triazina-2,4-diila][[(2,2,6,6-tetrametil-4-piperidil)imino] hexametileno[(2,2,6,6-tetrametiM-piperidil)imino]]), disponível junto à Ciba-Geigy Corp.As fibras usadas na invenção não precisam conter ionômeros,particularmente copolímeros de etileno e ácido acrílico ou metacrílico ou ambos,neutralizados com íon metálico, para produzir um produto fibroso adequado aaplicações de filtração. As mantas de eletreto fibroso não-tecido podem seradequadamente produzidas a partir dos polímeros acima descritos, sem conterde 5 a 25%, em peso, de ácido (met)acrílico, com grupos ácidos, parcialmenteneutralizados com íons metálicos.

As fibras que contêm aditivos podem ser arrefecidas após aconformação de uma blenda fundida a quente do polímero e do aditivo, sendoesse procedimento seguido pelas etapas de recozimento e carga, para criarum artigo de eletreto. O desempenho de filtração otimizado pode ser conferidoao artigo ao produzir-se o eletreto dessa maneira. Vide a patente U.S. n°6.068.799 de Rousseau et al. Os artigos de eletreto podem, também, ser feitosde modo a terem um baixo teor de hidrocarboneto extraível (<3,0%, em peso),para otimizar o desempenho de carregamento. Vide a patente U.S. n°6.776.951 de Rousseau et al.

O material polimérico que é usado para produzir um artigo deeletreto de acordo com a presente invenção tem, de preferência, umaresistividade volumétrica de 1014 ohmcm ou maior, à temperatura ambiente.Com mais preferência, a resistividade volumétrica é de cerca de 10 ohm cm,ou maior. A resistividade do material formador de fibra polimérica pode sermedida de acordo com o teste padronizado ASTM D 257-93. O materialformador de fibra polimérica usado para a fabricação de artigos de eletreto,como as fibras meltblown, também precisa ser substancialmente isento decomponentes como agentes anti-estática, os quais poderiam aumentar acondutividade elétrica ou, de outro modo, interferir com a capacidade do artigode eletreto para aceitar e manter cargas eletrostáticas.

Os eletretos que compreendem mantas fibrosas poliméricas emnão-tecido para filtros respiratórios tipicamente têm um "peso base" na faixa decerca de 2 a 500 gramas por metro quadrado (g/m2), mais tipicamente cerca de20 a 150 g/m2. O peso base é a massa por unidade de área da manta de filtro.

A espessura desse tipo de manta fibrosa polimérica em não-tecido situa-se,tipicamente, na faixa de cerca de 0,25 a 20 milímetros (mm), com maispreferência de cerca de 0,5 a 2 mm. Múltiplas camadas de mantas de eletretofibroso são comumente usadas em elementos filtrantes. A solidez da manta deeletreto fibróso é, tipicamente, de cerca de 1 a 25, mais tipicamente de cercade 3 a 10.

Os artigos de eletreto da presente invenção podem ser usadoscomo filtros em máscaras de filtração que são adaptadas para cobrir ao menoso nariz e a boca de um usuário.

A Figura 1 ilustra um exemplo de uma máscara facial filtrante 10que pode ser construída de modo a conter uma manta de não-tecidoeletricamente carregada, que é produzida de acordo com a presente invenção. Aporção de corpo 12, com formato genérico de bojo, é adaptada para ajustar-sesobre o nariz e a boca do usuário. A porção de corpo 12 é porosa, de modo queo ar inalado possa passar através da mesma. O meio filtrante de eletreto estádisposto no corpo da máscara 12 (tipicamente sobre substancialmente toda aárea superficial) para remover contaminantes do ar inalado. Um grampo nasalmoldável 13 pode ser colocado no corpo da máscara, para ajudar a mantê-labem ajustada ao nariz do usuário. O grampo nasal pode ser um grampo emformato de "M", conforme descrito nas patentes U.S. Des. 412.573 e 5.558.089de Castiglione. Um sistema de correias ou suportes 14 pode ser usado paraapoiar o corpo da máscara 12 sobre a face do usuário. Embora um sistema comcorreia dupla esteja ilustrado na Figura 1, o suporte 14 pode usar apenas umacorreia 16, e pode ter várias outras configurações. Vide, por exemplo, aspatentes U.S. n° 4.827.924 de Japuntich et al„ 5.237.986 de Seppalla et al., e5.464.010 de Byram. Uma válvula de exalação pode ser montada no corpo damáscara, para purgar rapidamente o ar exalado do interior da máscara. Vide aspatentes U.S. n° 5.325.892, 5.509.436, 6.843.248, e 6.854.463 de Japuntich etal., e também a patente U.S. n° RE37.974 de Bowers.

A Figura 2 ilustra um exemplo de uma seção transversal de umcorpo da máscara 12. O corpo da máscara 12 pode ter uma pluralidade decamadas, conforme indicado pelos números 18, 20 e 22. O meio filtrante deeletreto pode ser apoiado por outras camadas, como camadas de modelagemque são feitas a partir de fibras termicamente unidas, como fibrasbicomponentes que têm um componente externo termoplástico que permiteque as mesmas se liguem umas às outras em pontos de intersecção. Acamada 18 pode ser uma camada de modelagem externa, a camada 20 podeser uma camada de filtração e a camada 22 pode ser uma camada demodelagem interna. As camadas de modelagem 18 e 22 apoiam a camada defiltração 20 e dão formato ao corpo da máscara 12. Embora o termo "camadasde modelagem" seja usado nesta descrição, camadas de modelagem tambémapresentam outras funções, que no caso de uma camada mais externa podemconsistir em uma função primária, como proteção da camada de filtração epré-filtração de um fluxo gasoso. Além disso, embora o termo "camada" sejausado, uma camada pode, de fato, compreender diversas subcamadas,montadas de modo a se obter a espessura ou o peso desejados. Em algumasmodalidades, somente uma camada de modelagem, geralmente interna, estáincluída em uma máscara facial, porém a modelagem pode ser obtida de formamais durável e conveniente se forem usadas duas camadas de modelagem,por exemplo uma em cada lado da camada de filtração, conforme mostrado naFigura 2. Os exemplos de camada de modelagem são descritos nas seguintespatentes: patentes U.S. n° 4.536.440 de Berg, 4.807.619 de Dyrud et al.,5.307.796 de Kronzer et al., 5.374.458 de Burgio, e 4.850.347 de Skov.Embora o corpo da máscara ilustrado, mostrado nas Figuras 1 e 2, apresenteuma configuração genericamente redonda, em formato de bojo, o corpo damáscara pode ter outros formatos. Vide, por exemplo, a patente U.S. n°4.883.547 de Japuntich.

A Figura 3 ilustra um outro respirador 24 que pode usar os artigos deeietreto da presente invenção como filtro. O respirador 24 inclui-um-corpo demáscara elastomérico 26, ao qual está preso um cartucho de filtro 28. O corpo damáscara 26 inclui, tipicamente, uma peça facial elastomérica 30 que se ajusta demaneira conformável sobre o nariz e a boca de uma pessoa. O cartucho de filtro28 pode conter o meio filtrante de eietreto da presente invenção, para capturarcontaminantes antes que os mesmos sejam inalados pelo usuário. O elementofiltrante pode incluir o artigo de filtro de eietreto polimérico da invenção, seja por sisó, seja em conjunto com um filtro gasoso, como um leito de carvão ativado. Umatampa porosa ou tela 32 pode ser colocada sobre o cartucho de filtro para protegera superfície externa do elemento filtrante. Exemplos de outros cartuchos de filtronos quais pode ser usado o meio filtrante de eietreto da presente invenção sãoapresentados, por exemplo, em um cartucho de filtro para um respirador, como ocartucho de filtro apresentado na patente U.S. n° Re. 35.062 de Brostrom et al., ouna patente U.S. n° 5.062.421 de Burns e Reischel. Conforme mostrado nessaspatentes, podem ser usados múltiplos cartuchos de filtro. Os cartuchos podem,também, ser removíveis e substituíveis. Além do mais, o meio filtrante da invençãopode ser usado nos cartuchos de filtro de respiradores purificadores de arequipados com motor (PAPRs, ou powered air purifying respirators). Exemplos dePAPRs são mostrados nas patentes U.S. n° 6.666.209 de Bennett et al. e6.575.165 de Cook et al. Além disso, os meios filtrantes da invenção podem serusados em cartuchos de filtro para capuzes de fuga. Vide a patente U.S. n°D480.476 de Martinson et al., e as patentes U.S. n° 6.302.103, 6.371.116 e6.701.925 de Resnick.A Figura 4 mostra uma vista em perspectiva de uma matriz demeios filtrantes 40. A estrutura do conjunto 40 pode compreender múltiploscanais de fluxo 42, os quais têm entradas 43 em um primeiro lado 44 doconjunto 40 e saídas 46 em um segundo lado do conjunto 48. Os canais defluxo podem ser definidos por uma camada corrugada ou microestruturada 50,e uma camada de cobertura 52. A camada de contorno 50 pode estar unida àcamada de cobertura 52 em um ou mais picos ou sulcos. Mediante oempilhamento de múltiplas camadas de elementos estruturados e planares,pode-se obter uma disposição em microcanais. Os canais de fluxo tendem aapresentar uma alta razão de aspecto, e as camadas de película são, depreferência, eletricamente carregadas para proporcionar ao artigo 40 uma boaeficiência de captura. A queda de pressão através da matriz 40, do primeirolado 44 para o segundo lado 48, é desprezível.

Portanto, os artigos de eletreto não-fibroso que são usados parapropósitos de filtração podem assumir a forma de uma película conformada,uma superfície microestruturada, ou uma multiplicidade de canaismicroestruturados. Exemplos de artigos de eletreto não-fibroso sãoapresentados nas patentes U.S. n° 6.752.889 de Insley et al., 6.280.824 deInsley et al., 4.016.375 de Van Turnout e 2.204.705 de Rutherford.

Fluoração

Os eletretos fluorados da presente invenção podem serpreparados mediante a transferência da espécie contendo flúor de uma fasegasosa para o artigo, por reação química, sorção, condensação ou outrosmeios adequados. Ò artigo polimérico pode ser fluorado, opcionalmente napresença de uma descarga elétrica modificadora de superfície, sendo esseprocedimento seguido de carregamento do artigo para produzir o eletretofluorado. Alternativamente, os artigos da presente invenção podem sercarregados primeiro e, então, fluorados.A superfície do artigo polimérico pode ser modificada para conterátomos de flúor, mediante a exposição do artigo polimérico a uma atmosfera queinclui a espécie contendo flúor. O processo de fluoração pode ser efetuado sobpressão atmosférica mas, de preferência, é realizado a uma pressão menor quea atmosférica, com mais preferência a uma pressão reduzida. O termo "pressãoreduzida" significa pressão menor que 700 Pascais (Pa). De preferência, apressão é menor que 140 Pa. O processo de fluoração é, de preferência,realizado em uma atmosfera controlada, para evitar que contaminantesinterfiram com a adição de átomos de flúor à superfície do artigo. O termo"controlada" significa que o aparelho tem a capacidade de controlar acomposição da atmosfera no interior da câmara onde ocorre a fluoração. Aatmosfera é, de preferência, substancialmente isenta de oxigênio e outroscomponentes indesejados. A atmosfera tipicamente contém menos que 1%, depreferência menos que 0,01%, por volume, de oxigênio ou outros componentesindesejados.

A espécie contendo flúor presente na atmosfera pode ser derivadade compostos fluorados que são gases à temperatura ambiente, que se tornamgases quando aquecidos, ou que são capazes de se vaporizados. Exemplos defontes úteis de espécie contendo flúor incluem átomos de flúor, flúor elementar,fluorocarbonetos (por exemplo CF4, C3Fe), fluoretos inorgânicos como enxofrefluorado (por exemplo SF6), nitrogênio fluorado (por exemplo NF3), e PF3, BF3,SiF4, óxido de hexafluoropropileno (HFPO), octafluoro tetraidrofurano (OFTHF) ecombinações dos mesmos. A atmosfera de espécie contendo flúor pode, também,incluir gases diluentes inertes, como os gases nobres hélio e argônio, entre outros,bem como combinações dos mesmos. O nitrogênio também pode ser usado comodiluente.

A descarga elétrica que é aplicada durante o processo defluoração é capaz de modificar a química de superfície do artigo polimérico,quando aplicada na presença de uma fonte de espécie contendo flúor. Adescarga elétrica pode estar sob a forma de plasma, por exemplo plasma dedescarga luminescente, plasma de corona, plasma de descarga silenciosa(também chamado plasma de descarga de barreira dielétrica e descargacorona de corrente alternada ("CA")), e plasma híbrido, por exemplo plasma dedescarga luminescente sob pressão atmosférica, e descargapseudo-luminescente. Vide as patentes U.S. n° 6.808.551, 6.660.210,6.562.112, 6.432.175, 6.409.806, 6.398.847 e 6.397.458 de Jones/Lyons et al.De preferência, é usado um plasma alimentado por CA sob pressão reduzida.

Exemplos de processos úteis de descarga elétrica modificadora de superfíciesão descritos nas patentes U.S. n° 5.244.780, 4.828.871 e 4.844.979 deStrobel et al.

Um outro processo de fluoração pode incluir a imersão de umartigo polimérico em um líquido que seja inerte em relação a flúor elementar,seguida do borbulhamento de gás de flúor elementar através do dito líquido,para produzir um artigo com superfície fluorada. Os exemplos de líquidos úteisque são inertes em relação ao flúor incluem líquidos peralogenados, porexemplo líquidos perfluorados como Performance Fluid PF 5052 (disponívelcomercialmente junto à 3M Company). O gás contendo flúor elementar que éborbulhado através do líquido pode incluir um gás inerte, por exemplo nitrogênio,argônio, hélio e combinações dos mesmos.

Quanto mais alto o valor de Q9 a uma determinada taxa de fluxo,melhor o desempenho de filtração do eletreto. Os eletretos preferenciais têm umvalor de Q9 de ao menos cerca de 1,5/9,8 Pa (mmH20), de preferência ao menoscerca de 1,7/9,8 Pa (mmH20) e, com mais preferência, ao menos cerca de 2,0/9,8Pa (ITimH2O). O valor de Q9 pode ser determinado de acordo com o teste abaixo.Valores mais altos de corrente de descarga termicamente estimulada (TSDC), quetambém correspondem a maior estabilidade térmica, podem ser obtidos pelapresente invenção. Os eletretos preferenciais que contêm polipropileno têm umvalor de pico de TSDC maior que 130°C, com mais preferência maior que 140°C.

A concentração superficial de flúor pode ser determinadamediante o uso de espectroscopia eletrônica para análise química (ESCA),também conhecida como espectroscopia fotoeletrônica de raios X ou XPS. Asuperfície do eletreto da presente invenção exibe cerca de 40 a cerca de 65%de flúor, em porcentagem atômica, quando analisada por XPS. A XPS analisaa composição elementar da superfície mais externa (isto é, aproximadamente30 a 100 A) de uma amostra.

O eletreto também tem uma razão de saturação de flúor (FSR) nasuperfície do eletreto menor que cerca de 200, de preferência menor que cercade 180, e que pode ser menor que cerca de 120. Em sua faixa inferior, a FSR étipicamente maior que cerca de 30 a 35. A razão de saturação de flúor, FSR,pode ser determinada pela divisão da porcentagem atômica de flúor de umaamostra por sua razão saturado/insaturado. A porcentagem atômica de flúor e arazão saturado/insaturado podem ser determinadas pelos procedimentos deXPS e ToF-SIMS, descritos a seguir.

Para obter a razão de saturação de flúor da presente invenção, osartigos de eletreto são, de preferência, preparados (fluorados) em um sistemaque é evacuado até uma pressão abaixo de cerca de 4 Pascais e reabastecidocom uma alimentação contínua da atmosfera fluorante pretendida, ao mesmotempo em que se controla a taxa de bombeamento para obter uma pressão detrabalho desejada. Os inventores descobriram que é conveniente efetuar aetapa de fluoração sob uma pressão reduzida mediante o uso de uma descargaalimentada por corrente alternada (CA).

Os heteroátomos são considerados presentes no artigo deeletreto quando detectáveis acima de seu "valor de fundo". Os heteroátomosestão, de preferência, presentes no artigo de eletreto a cerca de 100% acimado valor de fundo, com mais preferência cerca de 500% acima do valor defundo e, com mais preferência ainda, cerca de 1.000% acima do valor defundo. Os heteroátomos preferenciais incluem S, Ν, B e Si1 bem comocombinações dos mesmos. Outros heteroátomos podem incluir, por exemplo,P, As, U, W1 Ti e Fe.

Conferir Carga Elétrica

A carga de eletreto pode ser conferida aos artigos poliméricosmediante o uso de diversos métodos. Os materiais poliméricos podem serbombardeados com partículas elétricas quando são extrudados a partir de umorifício da matriz, conforme ensinado na patente U.S. n° 4.215.682 de Kubik et al.

Alternativamente, o carregamento por meio de corona CC tem sido usado conformedescrito nas patentes U.S. n° RE 30.782, 31.285 e 32.171 de van Tumhout, naspatentes U.S. n° 4.375.718 e 5.401.446 de Wadsworth et al., na patente U.S. n°4.588.537 de Klasse et al., e na patente U.S. n° 4.592.815 de Nakao. Os artigospoliméricos também podem ser carregados colocando-se os mesmos em contatocom água ou um líquido polar. Os documentos que descrevem o carregamentomediante o uso de água, ou seja, hidrocarga, incluem as patentes U.S. n°5.496.507, 6119.691, 6.375.886 e 6.783.574 de Angadjivand et al., a patente U.S.n° 6.406.657 de Eitzman et al., e a patente U.S. n° 6.743.464 de Insley et al. Osartigos de eletreto podem, também, ser carregados mediante a exposição dosmesmos a líquidos polares diferentes de água, conforme ensinado na patente U.S.n° 6.454.986 de Eitzman et al. A hidrocarga é um método preferencial para conferircarga às fibras, pois usa um material prontamente disponível fácil de manusear eambientalmente amigável. A hidrocarga proporciona, também, valores de Q9 maisaltos quando usada em conjunto com a presente invenção. O processo decarregamento pode ser aplicado a uma ou mais superfícies do artigo.

Os métodos de hidrocarga depositam sobre as fibras cargas tantopositivas como negativas, de modo que estas sejam dispersas de modo aleatóriopor toda a manta. A dispersão aleatória de cargas tende a produzir uma mantanão-polarizada. Portanto, uma manta de eletreto fibroso não-tecido produzidamediante o carregamento com um líquido polar, como água, pode sersubstancialmente não-polarizada em um plano normal àquele da dita manta. Asfibras que foram carregadas dessa maneira idealmente exibem a configuração decarga mostrada.na Figura 5C da patente U.S. n° 6.119.691, de Angadjivand et ai.Se a manta fibrosa for também submetida a uma operação de carga por corona, amesma exibiria uma configuração de carga similar àquela mostrada na Figura 5Bda dita patente. Uma manta, formada a partir de fibras carregadas somente pelouso de hidrocarga, tipicamente tem uma carga aprisionada não-polarizada portodo o volume da dita manta. O termo "carga aprisionada substancialmentenão-polarizada" refere-se a uma manta de eletreto fibroso que tem menos de 1μ C/m2 de corrente de descarga detectável com o uso de análise da corrente dedescarga termicamente estimulada (TSDC), em que o denominador é a áreasuperficial do eletrodo. Essa configuração de carga pode ser mostradasubmetendo-se a manta a TSDC. Um exemplo de um processo de hidrocarga útilinclui forçar o impacto de jatos de água ou de um fluxo de gotículas de água sobreo artigo, sob uma pressão e durante um período suficientes para conferir à mantauma carga de eletreto otimizadora da filtração e, então, secar o artigo. Videpatente U.S. n° 5.496.507 de Angadjivand et al. A pressão necessária paraotimizar a carga de eletreto otimizadora da filtração conferida ao artigo irá variarconforme o tipo de aspersor usado, o tipo de polímero a partir do qual é formado oartigo, o tipo e a concentração de aditivos ao polímero, bem como a espessura e adensidade do artigo. São adequadas as pressões na faixa de cerca de 69 kPa (10psi) a cerca de 3.450 kPa (500 psi). Os jatos de água ou o fluxo de gotículas deágua podem ser fornecidos por meio de qualquer dispositivo de aspersãoadequado. Um exemplo de um dispositivo de aspersão útil é o aparelho usadopara entrelaçamento hidráulico de fibras.Os eletretos fluorados formados por meio dos métodos descritosneste documento são adequados ao uso, por exemplo, como elementoseletrostáticos em dispositivos eletroacústicos como microfones, fones deouvido e alto-falantes, filtros para fluidos, dispositivos para controle departículas de poeira para uso, por exemplo, em geradores eletrostáticos de altatensão, gravadores eletrostáticos, respiradores (por exemplo, prérfiítros,-tubose cartuchos substituíveis), aquecimento, ventilação, condicionamento de ar emáscaras faciais.

Método para Determinação da Concentração Superficial de Flúor com oUso de Espectroscopia Fotoeletrônica de Raios X (Xps)

A espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS) é uma técnica deanálise de superfície que usa um feixe de raios X moles (Al Κα, 1.486,6 eV) comoponta de prova. Os raios X irradiam o material para gerar fotoelitrons que sãocaracterizados por sua energia cinitica e intensidade. As energias ciniticas dosfotoelitrons podem fornecer informaques quantitativas sobre os elementos e seusestados químicos. A XPS examina os ~ 30 a 100 Â mais externos de uma superfíciede amostra. A mesma é sensível a essencialmente todos os elementos, excetohidrogênio e hélio, com limites de detecção tão baixos quanto aproximadamente0,1% em porcentagem atômica.

As medições XPS nos materiais de amostra foram feitas com umespectrômetro Kratos Axis Ultra (Kratos Analytical, Manchester, Inglaterra),equipado com uma fonte de excitação de raios X Al Ka monocromática e umanalisador de espelho esfirico. O espectrômetro tinha uma energia de raios X iguala ou próxima de 168 Watts (W) (14 kV, 12 mA). O ângulo entre a amostra e ocoletor (take-off angle) do fotoelitron foi, para todos os espectros registrados, de90 graus medidos em relação a superfície da amostra. O sistema Kratos tem umaárea de amostragem de aproximadamente 800 micrômetros (pm) χ 600 pm. Apressão no sistema de vácuo durante a análise era igual ou menor que 7,0 χΙΟ"6Pascais (Pa).

Mediante o uso do método XPS, foram obtidos levantamentos devarredura ampla a partir dos materiais de amostra. Um espectro delevantamento de varredura ampla contém picos de fotoelétron que sãocaracterísticos dos elementos presentes sobre a superfície do material. Acomposição da superfície (em porcentagem atômica) é derivada das áreasrelativas dos picos de fotoelétron no nível do núcleo, com subtração de fundolinear, e correções para levar em conta os fatores de sensibilidade atômica doinstrumento. O desempenho do espectrômetro Kratos foi verificado por meio deanálise de uma amostra de poli(tetrafluoroetileno) (PTFE)1 a qual mostrouvalores experimentais de porcentagem atômica de flúor (APF) = 67 eporcentagem atômica de carbono = 33. Esses valores estão em excelenteconcordância com a estequiometria teórica do PTFE.

O levantamento típico e as configurações dos instrumentos paracarbono 1s que foram usados são apresentados na Tabela 1, abaixo:

Tabela 1

<table>table see original document page 24</column></row><table>

Método para determinação da razão saturado/insaturado com o uso deToF-SIMS:

Espectrometria de massa de tempo de vôo do íon secundário(ToF-SIMS) é uma técnica de análise de superfície em que um feixe pulsado deíons com energia em quilovolt (íons primários) é usado para bombardear umaamostra, resultando no bombardeamento iônico de sua superfície. Durante obombardeamento iônico, espécies atômicas e moleculares neutras e ionizadassão emitidas a partir da superfície. As espécies ionizadas são chamadas de "íonssecundários", para distinção dos íons primários usados no bombardeamento. Osíons secundários de uma polaridade são acelerados em um campo elétrico paraum espectrômetro de massa, em que passam por um tubo de vôo e chegam aosistema de detecção e contagem. C>s fragmentos partem da superfície da amostraao mesmo tempo e são submetidos à mesma tensão de aceleração e, comoresultado, os fragmentos mais leves chegam ao sistema de detecção antes dosmais pesados. O "tempo de vôo" de um fragmento é proporcional à raiz quadradade sua massa, de modo que diferentes massas são separadas durante o vôo, epodem ser detectadas individualmente. A quantidade medida na análise é amassa do fragmento dividida pela quantidade de carga no mesmo (m/z).

A análise ToF-SIMS foi feita nas amostras usando-se uminstrumento Physical Electronics Trift I (Eden Prairie, Minnesota, EUA), comum feixe de íons primários de Ga+ com 15 quilovolts (keV) rasterizado sobreuma área-alvo da amostra de 400 μηπ χ 400 μιτι. A análise ToF-SIMS forneceinformações químicas sobre os 10 ou 20 A mais externos de um material, eproduz espectros de íons de fluorocarboneto nos modos tanto de íon positivocomo de íon negativo, estendendo-se para fora até uma massa de 1.000unidades de massa atômica (u) e além. A análise dos espectros de íonnegativo de mantas fluoradas com C3Fe- mostrou que os íons defluorocarboneto poderiam ser separados em séries oligoméricas distintas, quevão de completamente saturado a altamente insaturado. As séries maisproeminentes são conforme exposto a seguir:

CnF2n+i", em que η = 1, 2, ...série completamente saturada

(exemplos: C4F9', C8F1?")

CnF2n-I-, em que η = 3, 4, ...série insaturada (exemplos: C4F7",C8F15")CnF2n-3, ^m Que η = 6, 7, ...série insaturada (exemplos: C7F11",C8F13)

CnF2n-5\ em que η = 8, 9, ...série altamente insaturada (exemplos:CeFii, C10F15)

Geralmente, cada uma dessas séries de íons exibe umadistribuição de intensidade que tende a diminuir em massas maiores. As sériesde íon insaturado são amplamente indicativas de fluoração direta da amostra,enquanto as séries de íon insaturado acima de η = 3 são indicativas dadeposição de um revestimento de fluoropolímero altamente ramificado sobre aamostra.

A razão saturado/insaturado (RSU) é calculada usando-se aseguinte equação:

SUR = CsZCu (adimensional)

Dados:

<formula>formula see original document page 26</formula>

Contagem de íons saturados

<formula>formula see original document page 26</formula>

Contagem de íons insaturados

Os valores de "CxFy" são contagens de íons para uma dadaestrutura nos pontos do espectro especificados na Tabela 2, abaixo:

Tabela 2

<table>table see original document page 26</column></row><table><table>table see original document page 27</column></row><table>

Como ilustração dos tipos de espectro, a Figura 5 mostra umespectro ToF-SIMS para uma microfibra soprada (BMF) à base depolipropileno fIuorado e, mais especificamente, o registro do espectro parauma espécie iônica C4Fg". Os gráficos mostram progressivamente umaampliação centralizada em torno do íon C4F9" a uma m/z de 219. Conformeindicado no gráfico inferior, a contagem de íons para a espécie C4F9" na faixadefinida entre m/z 218,329 e m/z 219,953 foi de 1.520. Este seria o valor decontagem usado no cálculo da razão saturado/insaturado (SUR). Desse modo,as contagens para espécies saturadas e insaturadas foram feitas para entradano cálculo de SUR para um dado Exemplo.

Razão de Saturação de Flúor

A razão de saturação de flúor (FSR) é um valor calculado,determinado pela divisão da porcentagem atômica de flúor (APF) de umaamostra por sua razão saturado/insaturado (SUR), sendo dada como:

<formula>formula see original document page 28</formula>

Corrente de Descarga Termicamente Estimulada (Tsdc)

Os estudos de corrente de descarga termicamente estimulada(TSDC) foram conduzidos usando-se um Solomat TSC/RMA modelo 91000com um eletrodo pivotante, disponível junto à TherMoId Partners, L.P.,Thermal Analysis Instruments, de Stamford, Connecticut1 EUA. As amostras deteste foram preparadas mediante sua exposição, primeiro, a uma carga coronaCC para polarizar a carga aprisionada, que antes estava substancialmentenão-polarizada. O carregamento por corona CC corona foi realizado sobcondições ambientes, usando-se uma série de quatro barras de cargadispostas horizontalmente (obtidas sob a designação comercial"CHARGEMASTER PINNER ARC RESISTANT CHARGING BAR", junto àSimco Company, Hatfield, Pensilvania, EUA). As barras de carga estavamespaçadas com uma distância de centro a centro entre as barras 1 e 2, 2 e 3, e3 e 4 de 7,6 cm, 8,3 cm e 9,5 cm, respectivamente. Cada barra de carga estavasituada 3,5 cm acima de uma placa de metal aterrada correspondente. Umatensão de + 29 quilovolts (em relação às placas de metal aterradas) foiaplicada a cada barra de carga. As amostras foram carregadas mediante acolocação das mesmas em uma esteira contínua (número de peça 8882802A,obtida junto à LightWeight Belting Corporation, Minneapolis, Minnesota, EUA)em movimento (2,54 cm/s), a qual passava entre as barras de carga e asplacas de metal, de modo que a esteira mantinha contato com as placas demetal.

Para a determinação da TSDC, as amostras de manta tratadas porcorona foram colocadas entre eletrodos no instrumento de teste SolomatTSC/RMA. No instrumento Solomat, um termômetro foi disposto de modoadjacente à amostra, porém sem tocá-la, para registrar a temperatura durante adescarga. As amostras de manta eram opticamente densas, ou seja, não haviaorifícios visíveis através da manta de amostra. As amostras eram, também,grandes o bastante para cobrir completamente o eletrodo de contato superior doinstrumento Solomat. Para assegurar um bom contato elétrico com os eletrodos,as amostras de manta foram comprimidas em sua espessura a um .fator.de.cercade 10. Com a amostra fixada ao instrumento, o ar da câmara de amostra foipurgado mediante o uso de hélio a uma pressão de cerca de 110 kPa.Resfriamento à base de nitrogênio líquido foi usado para resfriar a câmara atéuma temperatura de cerca de 5 °C.

Durante o procedimento de teste, uma amostra foi mantida a 5 0Cdurante 5 minutos com o campo desligado e, então, aquecida a 5 °C/min enquantoera medida a corrente de descarga. As densidades de carga podem ser calculadasa partir de cada pico de espectro de TSDC, traçando-se uma linha de base entre asmínimas em cada lado de um pico selecionado, e integrando-se a área sob o ditopico. A máxima do pico é definida como a temperatura à qual a corrente dedescarga obtém seu valor máximo.

Fator de Qualidade (Q91 para Estabilidade Térmica

O fator de qualidade (Q9) para estabilidade térmica d e umaamostra de teste foi determinado condicionando-se, primeiro, a mesma em umforno durante nove horas, a 100°C. A amostra condicionada foi deixada resfriare foi testada quanto à penetração de partículas. O Q9 é um valor calculado quetem por base a medida da penetração de partículas pequenas de ftalato dedioctila (DOP), conforme estas são filtradas através da amostra de teste. Apenetração de partículas foi determinada com o uso de um equipamento parateste de filtros automatizado CertiTest, disponível junto à TSI1 Inc., St. Paul,MN, EUA. A taxa de fluxo do instrumento foi ajustada para 42,5 litros/minuto(L/min), o que correspondia a uma velocidade de face de 6,9 centímetros porsegundo (cm/s). O neutralizador de partículas do sistema foi desligado. Aqueda de pressão por toda a amostra foi medida na velocidade de face deprovocação de 6,9 cm/s, usando-se um manômetro eletrônico. A queda depressão foi registrada em milímetros de água (9,8 Pa (mmH20)). A penetraçãode DOP e queda de pressão são usados para calcular o Q9 a partir do Iognatural (In) da penetração de DOP sob a seguinte fórmula:

<formula>formula see original document page 30</formula>

Um valor de Q9 mais alto indica maior desempenho de filtração apóso condicionamento por calor. Um valor mais baixo de Q9 correlaciona-se10 diretamente com um menor desempenho de filtração após exposição ao calor.

Diâmetro Efetivo da Fibra

O diâmetro efetivo médio da fibra (EFD) de uma amostra de manta,medido em micrômetros, foi calculado usando-se a equação número 12 e umataxa de fluxo de ar de 32 L/min, de acordo com o método descrito em Davies, C.N., The Separation of Airborne Dust and Particles, Institution of MechanicalEngineers, London, Proceedings 1B, 1952.

Solidez da Manta

A solidez da manta foi determinada pela divisão da densidadeaparente da manta pela densidade dos materiais que a formam. A densidadeaparente é o peso base da manta (razão entre o peso da manta e sua áreasuperficial) dividido por sua espessura. A densidade aparente de uma manta foideterminada pela medição do peso e da espessura de uma área conhecida damesma. A espessura da manta foi determinada colocando-se uma amostra demanta sobre um suporte plano e, então, baixando-se uma placa (9,81 cm dediâmetro, 230 g) sobre a dita amostra, a uma pressão de carga de 298 Pascal.Com a amostra carregada, foi medida a distância entre a placa e o suporte plano.A divisão do peso da amostra de manta pela área da dita amostra resultou no pesobase (PB) da mesma, o qual é registrado em gramas por centímetro quadrado(g/cm2). A densidade aparente foi determinada pela divisão do peso base damanta por sua espessura, e foi registrada em gramas por centímetro cúbico(g/cm3). A solidez da manta (S) foi determinada pela divisão da densidadeaparente da manta pela densidade do material a partir do qual a mesma foiproduzida. A densidade do polímero ou dos componentes poliméricos pode sermedida por métodos convencionais, caso o fornecedor não especifique adensidade do material. A solidez (S) é uma fração adimensional do conteúdopercentual de sólidos de uma determinada espécie, e é calculada da seguinteforma:

<formula>formula see original document page 31</formula>

Determinação de Heteroátomos

A presença de heteroátomos na superfície de um material foideterminada pelo uso de ToF-SIMS. A quantidade do heteroátomo em relação aoutras espécies atômicas foi determinada tomando-se a razão entre as contagensintegradas para os íons de heteroátomo e as contagens totais no espectro. ATabela 3 relaciona as espécie de heteroátomo que foram usadas para determinara incorporação de heteroátomos aos exemplos:

Tabela 3

<table>table see original document page 31</column></row><table><table>table see original document page 32</column></row><table>

Tipicamente, os heteroátomos incluem nitrogênio, enxofre,fósforo, silício e boro. Os teores de heteroátomo significativos para causar osbenefícios descritos na invenção são aqueles acima de um teor de fundodetectado. Os valores de fundo de heteroátomos, conforme determinado pelarazão de heteroátomos via ToF-SIMS, são apresentados na Tabela 4. Osheteroátomos precisam estar acima do "valor de fundo" para que sejamconsiderados benéficos. Em geral, os valores de fundo podem ser tão altosquanto 0,001 mas, devido à prevalência de nitrogênio na atmosfera, o valor defundo para nitrogênio é significativamente maior que aquele de outrosheteroátomos considerados.

Tabela 4

<table>table see original document page 32</column></row><table>Exemplos

Os Exemplos a seguir foram selecionados meramente para melhorilustrar as características, as vantagens e outros detalhes da invenção. Deve-secompreender expressamente, no entanto, que embora os Exemplos sirvam a essepropósito, os ingredientes e quantidades específicos usados, bem como outrascondições e detalhes, não devem ser interpretados de_maneira„que limitariaindevidamente o escopo desta invenção.

Procedimentos Gerais para Fabricação de Mantas. Tratamento por PlasmaE Carregamento de Eletretos

As mantas de microfibra soprada (BMF) usadas nos exemplos forampreparadas a partir de polipropileno (resina de polipropileno Fina EOD 97-13,disponível junto à FINA Oil and Chemical Co., Houston, Texas, EUA) e tinhamdiâmetros efetivos de fibras de aproximadamente 7,5 μητι, peso base de 62 g/m2 esolidez da manta de 6%. As mantas foram preparadas conforme genericamentedescrito em Wente, Van A., Superfine Thermoplastic Fibers, Industrial Eng.Chemistry, volume 48, páginas 1342 a 1346.

As mantas BMF foram tratadas por plasma, mediante o uso de umprocesso de transporte da manta durante um tempo específico, com plasma CAem uma câmara de vácuo que foi preenchida com 24,7 Pa de gás de espéciecontendo flúor, com energia e potência total de plasma especificada em 2.250watts. O tempo de permanência da molécula na câmara de tratamento foiestimado como estando em cerca de 120 segundos para uma pressão de 67 Pa eum fluxo de 0,024 centímetros cúbicos padrão por minuto, por centímetroquadrado da área da amostra. A taxa de bombeamento foi controlada paraobter-se a pressão de trabalho desejada na câmara. Um sistema de transporte damanta moveu a amostra através da lacuna, entre um conjunto de eletrodos detambor com uma configuração tal que ambos os lados do substrato foramsubmetidos ao plasma. O tratamento de cada lado teve duração igual. Oseletrodos de tambor consistiam em um tambor de alumínio 6061 circundado poruma placa de alumínio 6061 concêntrica, que formava uma lacuna através da qualfoi passado o substrato. A energia foi aplicada por um gerador de RF (13,56 MHz)conectado através de uma rede de acoplamento automático (RF- 50 e AMN-20-K,RF Plasma Products, Inc., Voorhees, NJ1 EUA) para manter o plasma. Ambos osconjuntos de eletrodos foram resfriados até 23°C por água recirculada.

Após o tratamento, as mantas foram carregadas com eletreto deum modo genericamente descrito na patente U.S. n° 5.496.507, de Angadjivand,et al. As mantas foram carregadas ao passarem por bocais de aspersão queaplicavam água desionizada, com uma resistividade de cerca de 6x106 ohrh.cm,a uma face da dita manta, enquanto um vácuo era aplicado à face oposta damesma. A água foi aplicada às mantas mediante o uso de bocais de aspersãoTeejet modelo 95015, disponíveis junto à Spraying Systems, Wheaton, IL, EUA.

Os bocais de aspersão foram colocados com um espaçamento 10 cm entre si, ea 10,5 cm de distância das mantas, sendo operados a uma pressão de 689 kPa.

A água foi aspergida a uma taxa de cerca de 0,87 litros de água por metroquadrado de manta. As mantas passaram pelos bocais de aspersão a umavelocidade de 15 cm/s, com um vácuo de 8,7 kPa abaixo da pressão atmosféricaaplicado a uma fenda com cerca de 0,6 cm de largura, posicionada em oposiçãoaos ditos bocais de aspersão sob a esteira transportadora de malha aberta.Ambos os lados da manta foram tratados dessa maneira.

Exemplo 1

Uma manta de BMF1 conforme descrita na seção sobreprocedimentos gerais para fabricação e tratamento de mantas, foi preparadamediante o uso de um procedimento de fluoração em dois estágios. No primeiroestágio do procedimento de fluoração, a manta foi exposta durante 75 segundos aum plasma de C3F8 e, então, foi submetida a uma segunda exposição de 75segundos a um plasma de SF6. As condições para preparação de amostras,incluindo o gás de espécie contendo flúor, a razão volumétrica de blenda do ditogás, o tempo de exposição e a energia de plasma total, são fornecidos na Tabela6, com valores correspondentes para a porcentagem atômica de flúor (APF), arazão saturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR) e o fator dequalidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, fornecidos na Tabela 7. Apresença de heteroátomos sobre a superfície da amostra é, também, indicada na Tabela 8.

Exemplo 2

Uma manta de BMF, conforme descrita na seção sobreprocedimentos gerais para fabricação e tratamento de mantas, foi preparadamediante o uso de plasma de C3F8ZNF3 em blenda. O gás usado na blenda doExemplo foi uma blenda de 50%/50% (por volume) de C3F8/NF3, nas CNTP. Ascondições para preparação de amostras, incluindo o gás de espécie contendoflúor, a razão volumétrica de blenda do dito gás, o tempo de exposição e aenergia de plasma total, são fornecidos na Tabela 6, com valorescorrespondentes para a porcentagem atômica de flúor (APF), a razãosaturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR) e o fator dequalidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, fornecidos na Tabela 7.A presença de heteroátomos sobre a superfície da amostra é, também,indicada na Tabela 8.

Exemplos 3,4,5.6.7,8,9,10,11,12,13 e14

As mantas de BMF, conforme descritas na seção sobreprocedimentos gerais para fabricação e tratamento de mantas, forampreparadas mediante o uso de plasmas de blenda de gases, como no Exemplo2, exceto pelo fato de que as misturas gasosas do plasma diferiam emcomposição. As condições para preparação de amostras, incluindo o gás deespécie contendo flúor, a razão volumétrica de blenda do dito gás, o tempo deexposição e a energia de plasma total, são fornecidos na Tabela 6, com valorescorrespondentes para a porcentagem atômica de flúor (APF), a razãosaturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR) e o fator dequalidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, fornecidos na Tabela 7.

A presença de heteroátomos sobre a superfície da amostra é, também,indicada na Tabela 8.

Exemplos comparativos 1c, 2c. 3c, 4c. 5c. 6c. 7c. 8c ε 9c

As mantas de BMF, conforme descritas na seção sobreprocedimentos gerais para fabricação e tratamento de mantas, forampreparadas mediante o uso de diversas espécies gasosas contendo flúor. Ascondições para preparação de amostras, incluindo o gás de espécie contendoflúor, a razão volumétrica de blenda do dito gás, o tempo de exposição e aenergia de plasma total, são fornecidos na Tabela 6, com valorescorrespondentes para a porcentagem atômica de flúor (APF), a razãosaturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor (FSR), o fator dequalidade para estabilidade térmica (Q9) e os dados de TSDC resultantes,fornecidos na Tabela 7. A presença de heteroátomos sobre a superfície daamostra é, também, indicada na Tabela 8.

Exemplos comparativos 10c. 11c. 12c ε 13c

Os Exemplos Comparativos de 10c a 13c foram extraídosdiretamente da patente U.S. n° 6.397.548 (Jones et al), estando os exemplos dapatente relacionados aos Exemplos Comparativos ilustrados na Tabela 5. Todas asmantas foram fluoradas sob pressão atmosférica com a concentração mencionadade gás contendo flúor, diluído em hélio puro. As condições para preparação deamostras, inclusive gás de espécie contendo flúor, tempo de exposição e energia deplasma total são fornecidas na Tabela 6. Os valores para a porcentagem atômica deflúor (APF), a razão saturado/insaturado (SUR), a razão de saturação de flúor(FSR), o fator de qualidade para estabilidade térmica (Q9) resultantes, bem como osdados de TSDC, onde aplicável, são fornecidos na Tabela 7. A presença deheteroátomos sobre a superfície da amostra é, também, indicada na Tabela 8. Aabreviação "ND" nas Tabelas significa que a informação não está disponível.

Tabela 5

<table>table see original document page 37</column></row><table>

Tabela 6

<table>table see original document page 37</column></row><table><table>table see original document page 38</column></row><table>

Tabela 7

<table>table see original document page 38</column></row><table><table>table see original document page 39</column></row><table>Tabela 8

<table>table see original document page 40</column></row><table><table>table see original document page 41</column></row><table>

Como é evidente a partir dos resultados da fiitração Q9apresentados na Tabela 7, as mantas de filtro fluoradas da invenção obtêm umaotimização significativa quanto à fiitração termicamente estável.

Um pedido que também descreve um método para obtenção deum artigo de eletreto termicamente estável é aquele intitulado Electret ArticleHaving High Fluorosaturation Ratio, depositado no mesmo dia que este pedido(Caso do Advogado Número 59337US002).

Esta invenção pode sofrer diversas modificações e alteraçõessem afastar-se de seu espírito e escopo. Conseqüentemente, esta invençãonão é limitada ao acima descrito, porém é controlada pelas limitaçõesapresentadas nas reivindicações a seguir, e em quaisquer equivalentes dasmesmas.

Esta invenção pode ser adequadamente praticada na ausência dequalquer elemento.

Todas as patentes e todos os pedidos de patente acima citados,inclusive aqueles na seção de Fundamentos da Invenção, estão aquiincorporados a título de referência, em sua totalidade.

Claims (10)

1. ARTIGO DE ELETRETO, caracterizado pelo fato decompreender:um material polimérico ao qual é conferida uma carga elétrica,que inclui um ou mais tipos de heteroátomos, que tem uma razão de saturaçãode flúor de cerca de 200 ou menos, e que tem uma porcentagem atômica deflúor de cerca de 40% ou mais.

2. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o material polimérico é não-condutor, sendo queo dito artigo de eletreto exibe uma carga elétrica persistente.

3. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que o material polimérico está sob a forma de umamanta de não-tecido composta por fibras que incluem microfibras.

4. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de que as fibras são microfibras produzidas por extrusãoem blocos com passagem de ar quente em alta velocidade (meltblown), que têmum diâmetro efetivo de cerca de 1 a 20 micrômetros.

5. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o material polimérico é não-condutor, sendo queo dito artigo de eletreto exibe carga elétrica persistente e sendo que as fibras sãofibras de fiação contínua.

6. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que o material polimérico exibe uma resistividadevolumétrica de cerca de 1016 ohmcm ou maior, e em que a manta denão-tecido tem uma espessura de cerca de 0,25 a 20 mm.

7. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato de exibir um valor Q9 de ao menos 1,5 por 9,8 Pa(ITimH2O) e apresentar cerca de 40 a 65 % de flúor, em porcentagem atômica,quando analisado por XPS e apresentar uma razão de saturação de flúor menorque cerca de 180.

8. ARTIGO DE ELETRETO, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que os heteroátomos são selecionados a partir dogrupo consistindo em enxofre, nitrogênio, boro, silício e combinações dosmesmos, e em que os heteroátomos estão presentes no artigo de eletreto a umteor cerca de 100% acima do valor de fundo.

9. MÁSCARA FACIAL FILTRANTE, caracterizada pelo fato decompreender um material filtrante, o qual inclui o artigo de eletreto conformedescrito na reivindicação 3.

10. MÉTODO PARA FABRICAÇÃO DE UM ARTIGO DEELETRETO FLUORADO, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de:(a) fluorar um artigo polimérico não-condutor em um plasmagerado sob atmosfera controlada que inclui uma espécie contendo flúor e umaespécie contendo nitrogênio, sendo que a fluoração ocorre a uma pressãomenor que a atmosférica; e(b) conferir uma carga elétrica persistente ao artigo polimérico.