CH642277A5

CH642277A5 - Elektret in form von fasrigem bahnmaterial.

Info

Publication number: CH642277A5
Application number: CH111479A
Authority: CH
Inventors: Donald Alfons Kubik; Charles Ira Davis
Original assignee: Minnesota Mining & Mfg
Priority date: 1978-02-06
Filing date: 1979-02-05
Publication date: 1984-04-13
Also published as: NL7900855A; FR2416535B1; US4215682A; JPH027671B2; GB2015253A; JPS62290477A; JPS54113900A; FR2416535A1; IT7947886A0; DK45179A; DK157286C; SE7900929L; NO151092B; BR7900546A; SE444893B; AT380126B; GB2015253B; CA1122546A; NO151092C; ES477436A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektret in Form von faserigem Bahnmaterial mit Fasern, die eine permanente elektrische Ladung tragen, das in einfacher Weise und wirtschaftlich in einem im wesentlichen einstufigen Verfahren hergestellt werden und das Fasern mit mikroskopisch kleinen Durchmessern aufweisen kann; dadurch können in einzigartiger Weise die Eigenschaften eines Elektrets mit denen von Mikrofasern kombiniert werden.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung faseriger Elektrete (US-PS 2 740 184) werden thermoplastische Fäden, Fasern, Gewebe oder Folien in ein elektrostatisches Feld gebracht, das zwischen parallelen, eng benachbarten Elektroden aufgebaut wird. Das faserige Material wird zum Erweichen erhitzt und dann in Gegenwart eines Feldes abgekühlt, so dass mehr oder weniger dauerhafte Ladungen in den Fasern gebildet werden.

In der US-PS 3 571 649 sind die Nachteile dieses Verfahrens beschrieben, die darin bestehen, dass es schwierig ist, eine ausreichend hohe, permanente Ladung in dem behandelten, faserigen Bahnmaterial auszubilden, da das Anlegen hoher Spannungen an die Ladeelektroden einen Lichtbogen durch die offenen Poren des faserigen Bahnmaterials verursacht. Daher werden bei dieser US-PS die Ladeelektroden mit einer schlecht leitenden Folie abgedeckt, um die hohe, anliegende Spannung zu verteilen und einen möglichen dielektrischen Durchbruch durch das faserige Bahnmaterial zu dämpfen.

Dieses Verfahren mit abgedeckter Elektrode wird in der US-PS 3 998 916 als nachteilig angesehen, da ein zu langer Zeitraum erforderlich ist, um das faserige Material auf den gewünschten Ladungszustand aufzuladen. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird gemäss der US-PS 3 998 916 ein etwas aufwendigeres oder zweistufiges Verfahren angewendet. Dabei wird eine Folie zunächst vorbereitet und elektrisch aufgeladen, und danach wird die Folie durch Überführen über mit Nadeln versehenen Walzen aufgefasert und zur Ausbildung des faserigen Bahnmaterials in Schichten angeordnet.

Diese Verwendung von Folien zur Herstellung von Fasern ist Teil einer historischen Entwicklung beim Stand der Technik, die von der Herstellung von ziemlich dicken Wachs-Elektreten zu dünneren Folien unter Verwendung von Polymerisaten und Techniken übergegangen ist, bei denen das Verfahren in mehrfacher Hinsicht gesteuert wird, beispielsweise durch Steuerung der Temperatur der Folie während der Aufladung, durch Steuerung des Ahstandes zwischen der Ladevorrichtung und der Folie sowie durch Steuerung des Ladezeitraums. Gemäss der US-PS 3 998 916 (vgl. auch den Aufsatz «The Use of Polymers for Electrets» J. Van Turnhout, in der Zeitschrift Journal of Electrostatics, Bd. 1 (1975), Seiten 147 bis 163) erfolgt die Aufladung der Folie, indem man diese bis in die Nähe ihres Schmelzpunktes erhitzt, sie dann über eine gekrümmte Platte streckt und positive oder negative Ladungen von mehreren, oberhalb der gekrümmten Platte angeordneten, dünnen Drähten aufsprüht. Gemäss der US-PS 3 644 605 wird ein dünner Polymerisatfilm auf einer entsprechend ausgedehnten, dielektrischen Platte gehaltert und mit Elektronen bestrahlt. Ferner ist es bekannt (NASA Technical Report R-457 - Dezember 1975) ein versprühtes oder vernebeltes, flüssiges Dielektrikum durch eine Koronaentladung von einer Kammelektrode oder von einem Netz eng benachbarter Drähte zu leiten und dann auf einer dielektrischen Folie aufzusammeln, wo die Tropfen in Form eines Films aushärten.

Die Herstellung von faserigem Bahnmaterial durch die zwischenzeitliche Ausbildung eines Films zieht zwar Nutzen aus den bekannten Filmladetechniken, doch ist dieses Herstellungsverfahren zeitaufwendig und teuer. Ferner können mit dieser Technik lediglich begrenzte Fasergrossen erhalten werden.

Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemässen Elektrete in Form von faserigem Bahnmaterial vermieden, die auf nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern basieren und im Anspruch 1 definiert sind. Derartige Fasern werden in der Weise hergestellt, dass man geschmolzenes, faserbildendes hydrophobes Polymer durch mehrere Düsen in einen Gasstrom hoher Geschwindigkeit extrudiert, wo das

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extrudierte Material zur Ausbildung eines Faserstrangs verdünnt und verfestigt wird. Erfindungsgemäss wird der Faserstrang beim Austritt aus den Düsen mit elektrisch geladenen Teilchen, wie Elektronen oder Ionen, bestrahlt. Die Fasern werden an einer von den Düsen entfernt liegenden Stelle 5 aufgenommen, wo sie durch Abkühlung formstabil erstarrt sind und wo sie eine permanente elektrische Ladung tragen. Die aufgenommene Bahn oder Matte kann direkt benutzt oder vorzugsweise auf die gewünschte Grösse abgeschnitten werden. Das verwendete Polymer hat einen Volumenwider- 10 stand von > 10,4Q • cm.

Die erfmdungsgemässen Verfahrensbedingungen stehen in scharfem Gegensatz zu den gesteuerten Bedingungen bei bekannten Verfahren zur Herstellung von Folienelektreten: Die Fasern bewegen sich mit ausserordentlich hoher Ge- 15 schwindigkeit, werden durch einen Gasstrom hoher Geschwindigkeit turbulent Verblasen und werden in einem grossen Volumen verdünnender Luft hoher Geschwindigkeit verwirrt und dispergiert. Dabei dringen die elektrisch geladenen Teilchen in den Faserstrang ein und werden in ausreichen- 20 dem Umfang in den Fasern festgehalten. Das Eindringen der Teilchen in den Faserstrang erfolgt notwendigerweise während eines kleinen Sekundenbruchteils (weniger als 1 Millisekunde), wenn die Fasern sowohl nahe der Quelle für die elektrisch geladenen Teilchen sind als auch sich in geschmol- 25 zenem oder nahezu geschmolzenem Zustand befinden. Nach dieser Injizierung der elektrisch geladenen Teilchen verfestigen sich die Fasern ausserordentlich rasch, und dadurch werden die elektrischen Ladungen in den Fasern «einge-

:Ax che und vorzugsweise von sechs Monaten oder einem Jahr. Bei einer derartigen Dauerhaftigkeit der Ladung kann das erfindungsgemässe, faserige Bahnmaterial zutreffend als «Elektret» bezeichnet werden; zur näheren Erläuterung werden diese hier als «Faserelektrete», «Elektrete in Form von faserigem Bahnmaterial» oder allgemeiner als «faserige Elektrete» bezeichnet.

Bei vielen erfmdungsgemässen Elektreten in Form von faserigem Bahnmaterial kann als gutes Mass für die Grösse der Ladung die Oberflächenspannung in dem Bahnmaterial mit einem elektrostatischen Voltmeter mit gleichen Sonden gemessen werden. Eine derartige Messung ist jedoch weniger genau, wenn das Bahnmaterial ein Gemisch von entgegengesetzt geladenen Fasern aufweist. Ein derartiges Misch-ladungs-Bahnmaterial ist jedoch beispielsweise noch vorteilhaft, um die Filtereigenschaften zu erhöhen, doch ist die an dem Bahnmaterial gemessene Nettoladung nicht repräsentativ für die Gesamtladungsmenge. Bei erfmdungsgemässen Elektreten aus faserigem Bahnmaterial mit permanenten Ladungen lediglich einer Polarität wird die Ladung im allgemeinen mindestens 10"8 Cb/g der nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern betragen. Bei Elektreten in Form von faserigem Bahnmaterial mit sowohl positiv als auch negativ geladenen Fasern wird die Nettoladung gewöhnlich mindestens 10"9 Cb/g der nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern betragen. Die elektrische Ladung kann ferner durch andere Versuche festgestellt werden, beispielsweise durch Aufbringen von Tonerpulver auf das Bahnmaterial, wobei jedoch nicht notwendigerweise nume-

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häufig zur Unterstützung der Herstellung, aufgebracht wor-den ist. Beispiele hierfür sind die Verbesserung der Beschich-tung von Fasern mit einer entgegengesetzt aufgeladenen Flüssigkeit (US-PS 2 491 889) oder die Verbesserung bei der Verteilung und Trennung der Fasern und beim Zurückziehen der Fasern zu einem Kollektor, um eine gleichförmigere, faserige Matte zu erhalten (US-PS 2 466 906,

2 810 426, 3 824 052, 3 003 304 sowie 3 490 115 und

3 456 156 für fibrillierte Fäden).

Die bei diesen Herstellungsverfahren aufgebrachten Ladungen sind lediglich temporär. Beispielsweise ist es möglich, dass das faserbildende Material keinen ausreichenden spezifischen Widerstand aufweist oder dass eine zu grosse Menge an leitfähigem Lösungsmittel in den gebildeten Fasern vorhanden ist, so dass eine permanente Ladung nicht aufrecht erhalten werden kann. Ferner kann die Ladung erst nach der Ausbildung der Fasern aufgebracht werden, so dass lediglich eine Oberflächenladung vorhanden ist. Ausserdem können die Ladebedingungen, wie die angelegte Spannung, für die Ausbildung einer permanenten Ladung unzureichend sein. Auch ist es möglich, dass die Ladung nach dem Aufnehmen der Fasern neutralisiert wird. Wenn nach der Herstellung der faserigen Matten irgendein Rest an einer derartigen temporären Ladung verbleibt, so verschwindet diese während der Lagerung oder Benutzung rasch.

Demgegenüber erweist das faserige Bahnmaterial gemäss der Erfindung eine dauerhafte oder permanente Ladung auf. Wenn das erfindungsgemässe, faserige Bahnmaterial bei üblichen Bedingungen aufbewahrt wird, kann es eine wirksame Ladung jahrelang aufrechterhalten. Unter beschleunigenden Versuchsbedingungen, beispielsweise bei Lagerung bei Raumtemperatur und bei 100% relativer Feuchtigkeit der Umgebung, hat die Ladung auf dem erfmdungsgemässen Bahnmaterial eine Halbwertszeit von mindestens einer Wo-

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werden MiKrofaser-Grössen gefordert (dilli mit einer am besten unter einem Mikroskop zu ermittelnden Grösse), und bei einigen Anwendungen soll der Durchmesser möglichst klein sein. Die Mikrofasern weisen einen mittleren Durchmesser von weniger als 10 um, zuweilen sogar < 1 |xm auf.

Es ist bekannt, dass Mikrofasern zu mehreren vorteilhaften Eigenschaften führen können, einschliesslich der Verbesserung bestimmter Eigenschaften beim Filtrieren. Erst die Kombination von Mikrofasern mit permanenter elektrischer Ladung im erfmdungsgemässen Elektreten in Form von faserigem Bahnmaterial, ergibt überraschende, einzigartige Filtrierungseigenschaften. Eine bedeutende Anwendung der erfmdungsgemässen Elektrete in Form von faserigem Bahnmaterial betrifft Atemschutzeinrichtungen, insbesondere bei becherförmigen Gesichtsmasken gemäss Fig. 3. Die Verwendung der erfmdungsgemässen Elektrete in Form von faserigem Bahnmaterial anstelle des bekannten Bahnmaterials aus nach einem Schmelzblasverfahren hergestellten Mikrofasern kann den Filterwirkungsgrad um einen Faktor 2 oder mehr verbessern. Die erfmdungsgemässen Masken gemäss Fig. 3 können billig hergestellt werden, und ihre geringen Kosten und ihr hoher Wirkungsgrad führt zu einer weiten Anwendungspalette, der die bekannten Gesichtsmasken nicht zugänglich sind.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung eines erfmdungsgemässen Elektrets in Form von faserigem Bahnmaterial,

Fig. 2 eine Aufsicht entlang den Linien 2-2 in Fig. 1 mit einem schematischen Schaltplan für eine Quelle der elektrisch geladenen Teilchen der Vorrichtung gemäss Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Anwendung einer Gesichtsmaske mit dem erfmdungsgemässen Elektret in Form von faserigem Bahnmaterial,

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Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Versuchsanordnung zum Testen der Filtereigenschaften des erfmdungsgemässen Elektrets in Form von faserigem Bahnmaterial und

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Teilchenpenetration (Ordinate) in Abhängigkeit von der Teilchengrösse (Abszisse) bei erfmdungsgemässen Elektreten in Form von faserigem Bahnmaterial sowie zum Vergleich bei ungeladenem Bahnmaterial.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung 10 zur Herstellung von erfmdungsgemässen Elektreten in Form von faserigem Bahnmaterial dargestellt. Ein Teil dieser Vorrichtung kann eine übliche, nach dem Schmelzblasverfahren arbeitende Vorrichtung sein; vgl. etwa Report Nr. 4364 der «U.S. Naval Research Laboratories» vom 25. Mai 1954 (V. A. Wente, C.D. Boone und E.L. Fluharty: «Manufacture of Super Fine Organic Fibers»). Eine derartige Faserblasvorrichtung weist eine Düse 11 mit einer Reihe schmaler, nebeneinander liegender Düsenöffnungen 12 zum Extrudieren des geschmolzenen Materials und auf jeder Seite der Düsen-öffnungsreihe Schlitze 13 auf, durch die ein Gas, vorzugsweise Luft, mit hoher Geschwindigkeit geblasen wird. Der Gasstrom zieht das extrudierte Material faserförmig heraus, kühlt die Fasern zur Verfestigung ab und transportiert die Fasern zu einem Aufnehmer 14 in Form eines Faserstrangs 15. Der in Fig. 1 dargestellte Aufnehmer 14 weist einen mit feinen Löchern versehenen, trommel- oder zylinderförmig angeordneten Schirm auf, doch kann der Aufnehmer im Rahmen der Erfindung auch anders ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines flachen Schirms oder Netzes oder in Form eines Endlosbandes, das um Walzen herumgeführt wird. Um die Ablagerung der Fasern und das Entfernen des Gases zu unterstützen, kann hinter dem Schirm eine Gasabsaugvorrichtung angeordnet sein. Der Strang 15 der geblasenen Fasern wird auf den Aufnehmer als unregelmässig verwirrte, zusammenhängende Fasermasse in Form einer handhabbaren Matte 16 aufgebracht, die von dem Aufnehmer abgenommen und auf eine Vorratsrolle 17 aufgewickelt werden kann.

Um die nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern mit elektrisch geladenen Teilchen zu bestrahlen, sind eine oder mehrere Quellen für derartige Teilchen in der Nähe der Düsenöffnungen 12 angeordnet. Bei der Vorrichtung gemäss den Fig. 1 und 2 werden zwei Quellen 18 und 19 verwendet, und zwar jeweils eine Quelle auf jeder Seite des Faserstrangs 15. Jede Quelle weist eineji elektrischen Leiter 20 bzw. 21 auf, der mit einer Hochspannungsquelle 22 verbunden und innerhalb eines Metallmantels 23 bzw. 24 angeordnet ist, der jeweils über einen Widerstand 25 geerdet ist. Gemäss Fig. 2 können die Leiter in Isolatoren 26 und 27 befestigt werden. Bei Anlegen einer ausreichend hohen Spannung (gewöhnlich 15 kV oder mehr) an den Leiter wird um diesen herum eine Korona ausgebildet, und die Luft oder ein anderes Gas im Umfeld des Leiters wird ionisiert. Die elektrisch geladenen Ionen oder Teilchen werden durch eine Kombination von aerodynamischen und elektrostatischen Kräften, die auf die geladenen Teilchen einwirken, in den Faserstrang hineingetrieben. Die Bewegung der geladenen Teilchen kann durch ein Gebläse oder durch eine Spannung an den Mänteln 23 oder 24 unterstützt werden, die die Teilchen abstösst. Anstelle eines zylindrischen Mantels oder eines Rohrs können auf jeder Seite des Leiters ebene Metallplatten angeordnet werden oder irgendeine andere geeignete Anordnung, die einen gewünschten Spannungsgradienten zwischen der Elektrode und der umgebenden Abschirmung hervorruft. Als Quellen für die elektrisch geladenen Teilchen sind Elektronenstrahlen und Strahlungsquellen, wie Rönt-genstrahlapparaturen, geeignet. Die Quellen 18 und 19 für die elektrisch geladenen Teilchen werden nahe der Mündung der Düse 11 angeordnet, wo die Fasern sich im geschmolzenen oder nahezu geschmolzenen Zustand befinden. Unter diesen Bedingungen ist die Beweglichkeit der freien Ladungsträger innerhalb der Fasern hoch, und dadurch wird die Einführung der Ladung in die Fasern erleichtert. Je näher die Quelle der elektrisch geladenen Teilchen an der Düsenmündung liegt, umso stärker sind die Fasern geschmolzen und umso leichter kann die Ladung übertragen werden.

Wenn die Fasern erstarren und abkühlen, werden die Ladungen in den Fasern «eingefroren», und die Fasern werden permanent aufgeladen (ein Erhitzen der Fasern führt zu einem Verlust der Ladung). Entsprechend der üblichen Terminologie der Elektrete handelt es sich dabei um eine sogenannte Einfachladung, die die gleiche Polarität wie die an den Leitern anliegende Spannung aufweist. An die Quelle der elektrisch geladenen Teilchen kann entweder eine positive oder eine negative Spannung angelegt werden, und die Quellen entgegengesetzt geladener Teilchen können auf entgegengesetzten Seiten des Faserstrangs gleichzeitig verwendet werden.

Eine statische Ladung auf der Oberfläche der Fasern, die entgegengesetzt zu der Polarität der Bestrahlung sein kann, kann sich ebenfalls während der Herstellung des erfmdungsgemässen Bahnmaterials ausbilden. Eine derartige Ladung wird jedoch rasch abgebaut, und zwar in ähnlicher Weise wie beim Abbau einer auf ein fertiggestelltes, faseriges Bahnmaterial aufgebrachten statischen Ladung.

Die Temperatur des Gases im Bereich der Fasern tendiert zu einer raschen Abnahme mit zunehmendem Abstand von der Düsenöffnung. So beträgt beispielsweise unter den Bedingungen gemäss Beispiel 1 die Temperatur der Luft an der Düsenöffnung etwa 290 °C und etwa 190 °C, 150 °C, 120 °C und etwa 95 °C in 1,25 cm, 2,5 cm, 3,75 cm bzw. 5 cm Abstand von der Düse. Daher werden die in die geschmolzenen oder nahezu geschmolzenen Fasern in der Nähe der Düsenmündung eingestrahlten Ladungen rasch in den Fasern «eingefroren».

Mehrere Polymerisate, deren dielektrische Eigenschaften ein Verbleiben der elektrisch geladenen Teilchen in der Faser ohne ein Abfliessen der Ladung ermöglichen, können zur Herstellung der nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern für erfindungsgemässes Bahnmaterial verwendet werden. Bevorzugt ist Polypropylen, das einen spezifischen Widerstand von etwa 1016Q • cm aufweist. Andere Polymerisate, wie Polycarbonate und Polyhalocarbonate, die nach dem Schmelzblasverfahren bearbeitet werden können und bei den erwarteten Umgebungsbedingungen geeignete spezifische Widerstände aufweisen, können ebenfalls verwendet werden. Verwendbare Polymerisate weisen einen spezifischen Volumen-Widerstand von mindestens 1014ß • cm auf und verhindern eine Absorption von Feuchtigkeitsmengen, die die gewünschte Halbwertszeit für die Ladung verhindern könnten. Farbstoffe, Füllstoffe und andere Zusätze können mit dem Polymerisat vermischt werden, falls dadurch nicht die erforderlichen Eigenschaften, beispielsweise der spezifische Widerstand, verloren geht.

Der Durchmesser der hergestellten Fasern variiert mit Parametern, wie der Grösse der Düsenöffnung, der Viskosität des Polymerisats und der Geschwindigkeit des Luftstroms. Nach dem Schmelzblasverfahren hergestellte Mikrofasern werden im allgemeinen als diskontinuierlich angesehen, obwohl ihr Längen-Durchmesser-Verhältnis zur Herstellung geeigneten Bahnmaterials gegen unendlich gehen sollte. Die Faserlängen betragen 10 cm oder mehr.

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Das Verfahren zur Herstellung der Fasern kann zum Einbringen anderer Fasern oder Teilchen in das Bahnmaterial modifiziert werden. So beschreibt beispielsweise die US-PS 3 971 373 eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Einbringen von Feststoffteilchen in Bahnmaterial aus nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern. Insbesondere zum Filtern und zum Reinigen sind verschiedene Teilchenarten geeignet, wie Aktivkohle, Aluminiumoxid, Natriumbi-carbonat und Silber, mit deren Hilfe eine Komponente einer Substanz durch Adsorption, chemische Reaktion oder durch Amalgieren entfernt wird, sowie ferner bestimmte Katalysatoren, wie Hopkalit, die die Umwandlung von gefährlichem Gas in eine harmlose Form katalysieren. Die Teilchengrösse kann variieren, und zwar zumindest von 5 (im bis 5 mm mittlerem Durchmesser. Für Atemschutzgeräte beträgt der mittlere Durchmesser der Teilchen im allgemeinen weniger als 1 mm.

Während der Bildung des aus nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern bestehenden Bahnmaterials können ferner vorgeformte Fasern zugegeben werden; vgl. US-PS 3 016 599 und 4 118 531. Beispielsweise können Stapelfasern, einschliesslich gekräuselte Stapelfasern, einem Strang aus nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern zugegeben werden (bei Verwendung von gekräuselten Stapelfasern durch Aufnahme der gekräuselten Fasern vom Bahnmaterial mit Hilfe einer Vorwalze), um lockereres oder poröseres Bahnmaterial mit vermindertem Druckabfall, jedoch guten Filtereigenschaften herzustellen.

Im Rahmen der Erfindung sind weitere Massnahmen oder Veränderungen bei dem grundlegenden Schmelzblasverfahren möglich. Beispielsweise können die nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern in einem Muster von verdichteten Bereichen und Bereichen mit geringer Dichte aufgesammelt werden (US-PS 4 042 740). Ferner kann das zusammengetragene Bahnmaterial aus nach dem Schmelzblasverfahren hergestellten Fasern weiter verarbeitet werden, beispielsweise durch Zerhacken, um für die Verwendung in anderen Erzeugnissen geeignete Fasern zu bilden, durch Verdichten in einem Muster (US-PS 2 464 301), durch Aufsprühen oder durch andere geeignete Zugabe von Zusätzen zu dem Bahnmaterial, durch Auflaminieren des Bahnmaterials auf andere Bahnen oder Folien oder durch Verformung oder Zerschneiden des Bahnmaterials.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform einer Gesichtsmaske, bei der erfindungsgemässe Elektrete in Form faserigen Bahnmaterials verwendet werden. Die Maske 28 weist ein im wesentlichen becherförmiges Teil 29, das über den Mund und die Nase des Benutzers gelegt werden soll, sowie ein Band 30 zum Haltern der Maske auf. Der Rand der Maske soll möglichst eng an die Gesichtsform angepasst sein und legt so den Lufteinlass für den Benutzer der Maske fest; d.h. die meiste von dem Benutzer der Maske eingeatmete Luft soll durch die Maske strömen. Das becherförmige Teil weist ein inneres Faservlies aus luftig angeordneten Fasern 31, zwei Lagen 32 und 33 eines erfmdungsgemässen Elektrets in Form von faserigem Bahnmaterial sowie ein äusseres Faservlies 34 aus luftig angeordneten Fasern auf.

Die Erfindung wird nachstehend durch die Beispiele näher erläutert. Um den Filtrationswirkungsgrad der vorbereiteten Bahnmaterialien zu untersuchen, werden in den Beispielen zwei verschiedene Tests angewendet; bei dem einen Test werden Dioctylphthalat-Tröpfchen (DOP-Test) verwendet, und beim anderen Test wird Siliciumdioxidstaub verwendet (Test des «National Institute for Occupational Safety and Health» - NIOSH - Siliciumdioxidstaub-Test); diese Tests sind im Bundesregister der USA unter dem Titel 30 in Teil 11 im einzelnen beschrieben.

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Beispiele 1 bis 8 Geblasene Mikrofasern werden aus Polypropylenharz (Hercules «Profax 6330») mit einer Vorrichtung gemäss Fig. 1 hergestellt. Bei den Beispielen 1,2,4 bis 6 und 8 werden die nachstehenden Bedingungen eingehalten; Die Breite der Düse beträgt 50 cm, und die Temperaturen der Schmelze in der Düse, der Düse selbst bzw. der aus der Düse abgegebenen Luft betragen 346, 370 bzw. 400 °C. Der Luftdruck an der Düse beträgt 0,43 bar, und die Extrusionsgeschwindig-keit des Polypropylens beträgt 6,8 kg/Stunde. Der Abstand der Düsenmündung vom Aufnehmer beträgt 60 cm, der Abstand 35 in Fig. 1 zwischen der Mündung und den Leitern beträgt 3 cm, und der Abstand 36 zwischen der Mittellinie 37 des Faserstrangs und den Leitern 20 oder 21 beträgt 2,5 cm. 15 kV Spannung werden an jeden Leiter 20 und 21 und 3 kV Spannung an die Mäntel 23 und 24 angelegt. Bei den Beispielen 3 und 7 werden weitgehend die gleichen Bedingungen eingehalten, mit Ausnahme, dass die Schmelztemperatur 360 C, die Lufttemperatur 370 CC und der Luftdruck 0,5 bar betragen. Es werden Bahnen mit verschiedener Dicke und unterschiedlichem Gewicht gemäss Tabelle I hergestellt. Bei den meisten Beispielen wird eine positiv aufgeladene Bahn (gekennzeichnet durch ein -I- in der nachstehenden Tabelle und hergestellt durch Anlegen einer positiven Spannung an die beiden Elektroden 20 und 21 in Fig. 1), eine negativ aufgeladene Bahn (—) sowie eine nicht aufgeladene Bahn (C) zu Vergleichszwecken erhalten. Der Druckabfall (AP) sowie die Teilchenpenetration (%P) - gemessen mit Hilfe des DOP-Tests - sind in der Tabelle I aufgeführt.

Tabelle I

Beispiel

Basisgewicht

AP

%P

Nr.

g/m2

10~4 bar

1 +

0,29

0,6

61

1 -

0,30

0,6

60

IC

0,32

0,8

83

2 +

0,25

0,9

51

2 -

0,25

0,7

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2 C

0,25

0,7

80

3 +

0,26

0,9

54

3 -

0,26

0,9

58

3 C

0,28

1,0

78

4 +

0,33

1,1

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0,33

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4 C

0,32

1,1

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0,45

0,8

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5 C

0,45

0,7

81

6 +

0,52

1,1

46

6 -

0,52

1,3

52

6 C

0,52

1,3

73

7 +

0,52

1,1

44

7 -

0,52

1,2

53

7 C

0,52

M

70

8 -

0,65

2,1

32

8 C

0,65

2,1

55

Beispiele 9 bis 12 Aus dem Bahnmaterial der Beispiele 1 — , 1 + , 2 und 3 + werden Masken gemäss den Fig. 3 und 4 hergestellt. Die Ergebnisse des NIOSH-Siliciumdioxidstaub-Tests sind in Tabelle II aufgeführt.

Ladungsabfalltests Der Abfall der Ladung auf dem Elektret gemäss Beispiel 6+ über einen Zeitraum wird untersucht, indem Proben des Bahnmaterials bei normalen Raumbedingungen in Polyäthylen-Behältern gelagert werden. Der Ladungsabfall wird

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Tabelle II

Beispiel Nr.

anfängliche Inhalation IO-4 bar

Inhalation am Ende IO"4 bar

Ausdünstung am Ende IO-4 bar

Teilchen-

Penetration mg

9

10

11

12

7,9 8,1 11,6 12,0

13,9

14.7 16,6

17.8

bestimmt, indem man die Oberflächenspannung mit einem elektrostatischen Monroe-Voltmetermit gleichen Sonden misst und die Beziehung zwischen der Ladung und der Oberflächenspannung berücksichtigt (Q = C V, wobei Q = Ladung, C = Kapazität und V = Oberflächenspannung), um die effektive Oberflächenladungsdichte zu berechnen. Tabelle III zeigt die Abhängigkeiten zwischen der anfänglichen Oberflächenladung und der nach verschiedenen Zeitabständen gemessenen Oberflächenladung.

Zusätzlich werden Messungen des Ladungsabfalls bei Proben des Bahnmaterials gemäss den Beispielen 6 + und 6C durchgeführt, und zwar nach Lagerung in einem Exsic-

20

9,3 10,0 16,4 13,8

1,39 0,66 0,19 0,23

Tabelle III

Beispiel Nr.

15

Anteil der verbliebenen Oberflächenspannung nach mehreren Tagen Lagerung

100d 200d 325d

6 +

0,96

0,94

cator bei 20 C und 100% relativer Feuchtigkeit. Die Proben werden 120 Tage nach ihrer Herstellung in den Exsiccator gegeben. Der Anteil der nach verschiedenen Zeiträumen verbliebenen Oberflächenladung ist in Tabelle IV aufgeführt.

Tabelle IV

Beispiel Nr.

Anteil der verbliebenen Oberflächenspannung nach mehreren Tagen Lagerung 5 d 10 d 25 d 100 d

180 d

6 +

6 C 0,35 0,15

Zusätzlich zu den Untersuchungen des Abfalls der Ober-flächenladung wird die Änderung der Teilchenpenetration durch Bahnmaterial gemäss Beispiel 6+ nach verschiedenen Lagerungszeiträumen (in einer Umgebung von 100% relativer Feuchtigkeit) gemessen; die Ergebnisse sind in Tabelle V aufgeführt. Die Messungen werden mit Hilfe einer Vorrichtung gemäss Fig. 5 durchgeführt. Die in ein Aerosol-Förderrohr 40 mit 7,6 cm Durchmesser eintretende Luft wird durch ein Absolutfilter 41 hindurchgeleitet, um sicherzustellen,

dass der Teilchenkonzentrationsrest minimal gehalten wird. Das Markierungsaerosol wird in Strömungsrichtung hinter dem Absolutfilter durch einen Einlass 42 eingespritzt und durch einen Abschnitt 43 geleitet, wo das Aerosol gegebenenfalls unter Verwendung einer Krypton-SS-Strahlungs-quelle neutralisiert werden kann. Als Markierungsaerosol wird rauchender Siliciumdioxidstaub gemäss dem NIOSH-Siliciumdioxidstaub-Test verwendet.

Die Abgabe der Aerosolquelle wird mit Hilfe eines Aerosol-Photometers 44 gemessen, das an dem Förderrohr befestigt ist. Das Aerosol-Photometer verwendet eine Photodiode 45, um das von den Teilchen nach vorne gestreute Licht zu messen, das von einem Helium-Neon-Laser 46 durch den Teilchenstrahl hindurchtritt. Die gestreute Lichtmenge ist ein Mass für die Aerosol-Konzentration, wenn die Grössen-verteilung der Aerosol-Population über den Messzeitraum konstant ist. Eine Aerosolprobe wird aus dem Hauptaerosolstrom durch eine Leitung 47 abgezogen und durch das Testfiltrationsmedium 48 geleitet. Durch geeignete Ventilsteuerung werden die Grösse und die Konzentration der Markierungsteilchen von 0,15 bis 3 |im in Strömungsrichtung vor und hinter dem Filtrationsmedium gemessen, und zwar unter Verwendung eines Teilchenmesssystems (ASAS-200 Aerosol Spektrometer), das mit der Leitung 49 verbunden ist. Es werden kontinuierliche Messungen des Druckabfalls über den Filter (durch eine Druckmesseinrichtung 50), der Taupunkt-Temperatur in der Leitung 51 und der Lufttemperatur durchgeführt. Die mit diesem Testgerät erhaltenen Daten ermöglichen eine Beschreibung der Filter-

0,99 0,98 0,97

0,1

pénétration als Funktion der Teilchengrösse anstelle einer Bezugnahme auf die Masse.

Typische Ergebnisse der Penetration bei dem Bahnmaterial gemäss den Beispielen 3 + (Quadrate), 6+ (Kreise) und 6C (volle Punkte) mit der Vorrichtung gemäss Fig. 5 sind in Fig. 6 dargestellt. Ein Maximum der Teilchenpenetration tritt bei Teilchengrössen von 0,3 bis 0,6 (im auf, wo weder eine Diffusion noch eine innere Ablagerung sehr wirksam sind. Wie jedoch gezeigt, führen die erfmdungsgemässen 40 Elektrete in Form von faserigem Bahnmaterial zu Verbesserungen bei allen Teilchengrössen.

Wie vorstehend ausgeführt, zeigt die Tabelle V die Penetrationsergebnisse mit der Vorrichtung gemäss Fig. 5, nachdem das Test-Bahnmaterial jeweils verschieden lang 100% 45 relativer Feuchtigkeit ausgesetzt worden ist. Die in Tabelle V aufgeführten Ergebnisse sind kumulative Teilchenpenetrationen, und zwar gemessen für Teilchengrössen kleiner einem vorgegebenen Durchmesser (0,3,1 und 3 (im); d.h. das in der Spalte für die Teilchengrösse «3 |im» angegebene Er-50 gebnis ist der prozentuale Anteil der bis zu 3 (im grossen Teilchen, der durch das untersuchte Bahnmaterial hindurchgetreten ist; das in der Spalte für die Teilchengrösse «1 |im» angegebene Ergebnis ist der prozentuale Anteil der hindurchgetretenen, bis zu 1 (im grossen Teilchen; entsprechen-55 des gilt für die Spalte mit Teilchengrössen bis zu «0,3 (im».

Tabelle V

Aufbewahrungs- kumulative Massenpenetration in % bei 60 dauer in Tagen verschiedenen Teilchengrössen bei 100% relativer

Feuchtigkeit 0,3 |im 1 (im 3 |_im

0 0,012 0,24 2,4

es 1 0,019 0,30 3,3

7 0,008 0,34 3,0

30 0,009 0,24 1,7

180 0,008 0,29 2,6

35

S

3 Blatt Zeichnungen

Claims

642 277

1. Elektret in Form von faserigem Bahnmaterial mit eine permanente elektrische Ladung tragenden Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass das faserige Bahnmaterial aus einer als Matte handhabbaren, zusammenhängenden Masse regellos angeordneter Fasern besteht, dass die Fasern einen mittleren Durchmesser von weniger als 10 um besitzen und mindestens 10 cm lang sind, dass das faserige Bahnmaterial aus einem hydrophoben Polymer mit einem spezifischen Volumenwiderstand von mindestens 1014Q • cm schmelzgeblasen ist und elektrische Ladungen mit einer Halbwertszeit der abklingenden Ladung von mindestens einer Woche in einer Umgebung mit 100% relativer Feuchtigkeit bei Zimmertemperatur aufweist.

2. Elektret nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Polypropylen bestehen.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Elektret nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bahnmaterial aus schmelzgeblasenen Fasern mit Stapelfasern durchsetzt ist.

4. Elektret nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bahnmaterial Teilchen dispergiert sind.

5. Atemschutz mit einem Halteteil zur Befestigung an einer Person und mit einem Filter, durch das Luft aus der Umgebung zur Zufuhr zum Mund und zur Nase der Person filtriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Filter ein Elektret in Form von faserigem Bahnmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4 eingebaut ist.

6. Atemschutz nach Anspruch 5 mit einem über den Mund und die Nase des Benutzers passenden, das Filter enthaltenden becherartigen Teil, bei dem zumindest eine Lage des Filters ein Elektret in Form von faserigem Bahnmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Elektrets nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) Extrudieren von geschmolzenem, faserbildendem hydrophobem Polymer mit einem spezifischen Volumen-Widerstand von mindestens 1014£2 - cm durch mehrere Düsen in einen Gasstrom hoher Geschwindigkeit, wo die extrudier-te Flüssigkeit verdünnt und unter Ausbildung eines Faserstrangs verfestigt wird,

b) Bestrahlen des Faserstrangs beim Austritt aus den Düsen mit elektrisch geladenen Teilchen und c) Aufnehmen der Fasern an einer von den Düsen ausreichend entfernten Stelle, an der die Fasern durch Abkühlung formstabil erstarrt sind.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Faserstrang Stapelfasern eingeführt werden, nachdem der Strang mit den geladenen Teilchen bestrahlt worden ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Faserstrang Teilchen eingeführt werden, nachdem der Strang mit geladenen Teilchen bestrahlt worden ist.