CZ310499A3

CZ310499A3 - Porézní kompozit a jeho použití

Info

Publication number: CZ310499A3
Application number: CZ19993104A
Authority: CZ
Inventors: Charles B. Hassenboehler; Larry C. Wadsworth; Tsai Peter Ping-Yi; Greta Heismeyer
Original assignee: The University Of Tennessee Research Corporation
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 2000-02-16

Abstract

Porézní korrpizitse vstupnímavýstupnímpovrchem, ktetý zahrnuje navzájempropletenámeltblown vlákna astaplová vlákna. Kompozit má zvýšenou filtrační účinnost, kde navzájem propletenámeltblown vlákna definují hustotní gradient od hrubých pórů na vstupnímpovrchu kjemnýmpórůmna výstupnímpovrchu. Způsob výroby porézního kompozitu spočívá vtom, že se tavenina vláken strhávádo horkého vzduchu ado něj se injektují staplová vlákna. Porézní kompozitje vhodný pro filtraci tekutin.

Description

Porézní kompozit a jeho použití

Oblast techniky

Vynález se týká nových kompozitů z vláken, získávaných metodou „meltblown“ („meltblown vlákna“, „MB vlákna“), v nichž jsou s MB vlákny důkladně propletena staplová vlákna, jako je polypropylen, polyethylen, polyestery, nylony, bavlna, vlna, skleněná vlákna a/nebo ěásticové materiály, způsobem regulovaným tak, aby bylo dosaženo požadovaného gradientu hustoty napříč získaným kompozitním rounem z MB. Vynález se také týká uvedených kompozitů, které jsou výhodně za studená opatřeny elektrostatickým nábojem, způsobu takovéhoto opatřování nábojem, způsobu použití kompozitu a způsobu výroby kompozitu.

Dosavadní stav techniky

Netkané textilie z MB vláken se používají pro vzduchové filtry, protože jejich ultrajemná vlákna poskytují velkou povrchovou plochu. Jejich vysoká sypná hustota však způsobuje vysoký odpor vzduchu a u většiny velikostí částic je k dispozici pouze povrchová filtrace. Tato skutečnost značně omezuje jejich použití na jednorázové respirátory, chirurgické masky a operační oděvy pro jedno použití.

K řešení nevýhod známého stavu přispívá tento vynález.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu jsou vysoce porézní kompozity z vláken, získávaných metodou meltblown (MB), s kontrolovatelnou hustotou napříč tloušťkou filtru, získané uložením staplových vláken do proudu roztavených vláken. Tyto kompozity mají objem a nízký pokles tlaku, a proto mají zvýšenou schopnost udržovat částice a delší životnost bez snížení účinnosti t

filtrace. Účinnost filtrace je možno ještě výrazněji zvýšit elektrostatickým nábojem, dodaným kompozitu.

Vynález se týká kompozitních roun, obsahujících vlákna získaná metodou meltblown (MB vlákna), propletená se staplovými vlákny, která zvyšují objem a snižují hustotu.

to ·

Kompozit vykazuje mezi oběma povrchy hustotní gradient, takže hustota je nejvyšší v blízkosti jedné strany kompozitu a nejnižší v blízkosti druhé strany kompozitu.

Klíčovým znakem vynálezu je skutečnost, že koncentrace injektovaných vláken (poměr míšení injektovaných vláken a MB vláken) může být regulována tak, aby se podle potřeby měnila napříč tloušťkou kompozitního rouna. Obecně je více žádoucí, má-li filtr napříč tloušťkou filtru nebo filtrační sestavy různé stupně filtrace. Hloubkový filtr může být například na otevřené straně, odkud přichází aerosol (nebo filtrovaná tekutina), hrubší, takže se větší částice zachytí ve větších pórech a otvorech rouna, kde je více místa pro jejich zachycení, aniž by výrazně omezovaly průtok vzduchu (nebo kapaliny) filtrem a tak zvětšovaly pokles tlaku. Aerosol obsahující jemnější částice pak putuje hustší stranou filtru, kde je více velmi jemných MB vláken pro zachycení částic na větším povrchu vláken. Protože většina větších částic byla zachycena na méně husté straně filtru, dojde k ucpání pórů na hustší straně částicemi za delší dobu. Filtr s gradientem probíhajícím ve směru od hrubšího (méně hustého) k jemnějšímu (hustšímu) může tedy filtrovat aerosol obsahující směs hrubých a jemných částic a přitom probíhá filtrace velmi jemných částic s velmi vysokým stupněm účinnosti, doprovázená nízkým poklesem tlaku a vysokou životností filtru. Aerosolem může být jakýkoli typ plynu a kapalinou může být voda nebo jiná kapalina.

Filtrem s hustotním gradientem probíhajícím od hrubšího (méně hustého) k jemnějšímu (hustšímu) lze dále filtrovat aerosol z většinou velmi jemných částic s výbornou filtrační účinností a větší životností, protože na poréznější straně je více místa pro zachycení částic, které by jinak měly tendenci ucpávat tu stranu filtru, kudy se přivádí aerosol.

Proces MB a výhody použití MB vláken pro filtry popsal Hassenboehler (1994). Filtrační účinnost (FE) kontrolních a MB roun elektrostaticky nabitých koronovým výbojem popsali Tsai a Wadsworth (1994a). Vysoká FE MB vláken je způsobena jejich ultrajemnými vlákny. MB vlákna v MB rounech filtrační jakosti se pohybují od 0,5 to 10 pm s průměrnou hodnotou průměru vláken typicky v rozmezí 2 až 4 pm. Přestože patenty a publikace na téma meltblown procesu, které se datují více než 10 let zpět, uvádějí, že během procesu MB dochází k popraskání MB vláken a dosahuje se délek pouze několika cm, ukázaly nedávné studie, že MB vlákna jsou převážně kontinuální (Milligan a Utsman, 1995x: Milligan, M.W. a Utsman, F., „An investigation of the Meltblown Web Defect known as Shot“, International Nonwovens Research Journal 7, č. 2, 65-68, 1995; Milligan a spol., 1992y: Milligan, M.W., Lu, F., Buntin, R.R. a Wadsworth, L.C., „The Use of Crossflow to Improve Nonwoven Melt99 99 • 9 9 9

9 9 9

999 999

9 • 9 99

99 9

999

Blown Fibers“, Journal of Applied Polymer Science 44, 279-288, 1992). V každém případě je však prakticky nemožné zjistit z rouna skutečnou délku (pokud došlo k přetrhání filamentu) MB vláken v důsledku intenzivního propletení vláken, které je procesu MB vlastní.

Velmi jemná vlákna však také přispívají k vysokému odporu vzduchu, který je zaznamenán jako vysoký pokles tlaku napříč rounem, pokud se nějakým způsobem nesníží sypná hustota rouna. Pokles tlaku v MB rouně je možno snížit zvětšením vzdálenosti (DCD) mezi tryskou a sběračem nebo zvětšením velikosti vláken změnou podmínek procesu. Bylo demonstrováno (Wadsworth, 1990), že u MB média se při zvýšení DCD za účelem výroby objemnějšího rouna sníží FE. To má za následek méně rovnoměrné rozvržení MB vláken na sběrači a také to umožňuje vzájemné zakroucení více filamentů. Toto objemnější méně pravidelné rouno má větší póry a v důsledku toho nižší pokles tlaku, ale nižší FE.

Poněvadž zvyšování DCD nebo velikosti vlákna není dobrou metodou snižování odporu vzduchu uvnitř rouna, umožňuje tento vynález snížení poklesu tlaku a zvýšení schopnosti zachycovat částice bez nepříznivého ovlivnění FE u MB roun tím, že se do proudu MB vláken zamíchávají staplová vlákna, jako je polypropylen (PP), polyethylen (PE), polyestery, nylony, bavlna, vlna, skleněná vlákna a/nebo částicové materiály, mezi něž patří aktivní uhlí, práškové superabsorbenty a vlákna a drcené textilní materiály. Průměr vláken, jejichž průřez se pohybuje od plochého (bavlněné vlákno má tvar ploché zkroucené pásky) do okrouhlého (u syntetických vláken je možno měněním tvaru zvlákňovací hubice dosáhnout téměř jakéhokoli typu tvaru průřezu), se pohybuje obecně od 12 do 60 pm a jejich délka od 12,7 do 76,2 mm (0,5 až 3,0“; syntetická staplová vlákna se obvykle sekají z kontinuálních filamentů na délku 25,4 až 50,8 mm, tj. 1 až 2“). Vlněná vlákna mají velmi různou délku a jsou spíše značně delší, až 50,8 až 152,4 mm (2 až 6“). U drceného textilu se tloušťka, délka a šířka mění podle podmínek drcení, ale největší rozměr částic drceného textilu může být v rozmezí 1,59 až 12,7 mm (1/16 až 1/2“). Částice aktivního uhlí a superabsorbentů mohou mít průměr 1 až 300 pm.

MB vlákna mohou být kterákoli vlákna zpracovatelná metodou meltblown, obvykle syntetická. Může se jednat o jednosložková nebo dvousložková vlákna z polyolefinů, polypropylenu (PP), polyethylenu (PE), polyamidů (nylon 6, nylon 6,6 atd.), polyesterů, polyethylentereftalátu (PET), polycyklohexantereftalátu (PCT), polybutylentereftalátu (PBT), polytrimethylentereftalátu (PTT) nebo o jakákoli MB vlákna nebo směsi MB vláken, která mohou být zpracována metodou meltblown. Pro kompozity podle vynálezu, které mají být • ·« · »·· • * ·· »· ·· ·· · · · · • » » · · · • « · ··· ··· ♦ · · · ··· »99 99 99 opatřeny elektrostatickým nábojem pro zvýšení FE, ukázali Wadsworth a Tsai (1997x: Wadsworth, L.C.. a Tsai, P.P., 1997, „Recent advances and applications for Electrostatically Charged Filters“, Proceedings of Second International Conference on Nonwovens in Filtration, Stuttgart, 80-85, 18.-19.3.), že PP, PE a polyestery PCT lze snadněji nabíjet za účelem vyšší FE a mnohem větší trvanlivosti FE po nabití koronou. Nicméně je vhodný každý typ MB vláken, která mohou být elektrostaticky nabíjena. Bylo prokázáno, že pokud je možno MB vlákna elektrostaticky nabíjet, není nutno pro získání dobrých hodnot FE elektrostaticky nabíjet injektovaná vlákna (Wadsworth a Tsai, 1997x).

Charakter MB vláknitého materiálu není podstatný do té míry, že pro provádění vynálezu je vhodný jakýkoli materiál, který je schopný vytvářet vlákna metodou meltblown. Podobně není rozhodující ani charakter staplových vláken a vhodný je jakýkoli materiál, který je schopný důkladného propletení s MB vláknem, definujícího v získaném kompozitu hustotní gradient.

V dalším textu zahrnuje výraz „staplová vlákna“, pokud nejsou uvedena konkrétní staplová vlákna nebo textilní materiály, jako jsou PP staplová vlákna, všechny výše uvedená staplová vlákna a textilní materiály. Protože nejvíce rozšířeným polymerem pro metodu meltblown je PP, implikuje výraz MB zde v popisu MB PP, ačkoli je možno použít i jiných zde popsaných typů MB vláken.

V úvahu by měly být vzaty tyto skutečnosti:

FE (η) vláknitého rouna z teorie účinnosti jediného vlákna se vyjadřuje rovnicí (Liu,

1986) η = l-e^ (1) kde S/je faktor filtrační plochy η₅ je účinnost jediného vlákna a

S/= D/Z/ (2) kde Z/je specifická délka nebo délka vlákna na jednotku filtrační plochy D/= průměr vlákna.

Faktor filtrační plochy se zvýší pomocí

S* - Obh (3)

Σ ·· · « 9 ······ · · · 9 9

999 999 999 999 99 99 kde h = specifická délka uložených vláken Dz, = velikost uložených vláken.

Celková filtrační účinnost s příměsí staplových vláken je pak η - (4) kde η o ~ účinnost jediného vlákna po přimíšení vláken.

Celková účinnost jediného vlákna (ηo) po přimíšení vláken se sníží v důsledku snížení sypné hustoty a existence hrubých staplových vláken. Celková filtrační účinnost může stoupat nebo klesat v závislosti na velikosti snížení účinnosti jediného vlákna a velikosti zvýšení faktoru filtrační plochy.

Podle Daviese (1973), je-li průtok vzduchu rounem laminámí, je pokles tlaku v rounu přímo úměrný funkci sypné hustoty rouna a nepřímo úměrný čtverci průměrného průměru vláken, tj.

4? = tvuftti) d/ (5) kde Δρ = pokles tlaku napříč rounem t = tloušťka rouna v = rychlost na vstupu μ = viskozita vzduchu d/= průměrný průměr vlákna a = sypná hustota

Pro sypnou hustotu v rozmezí mezi 0,006 a 0,3 byla funkce sypné hustoty experimentálně stanovena jako

Λα) = 64α¹’⁵ (1+56α³) (6)

To znamená, že funkce sypné hustoty klesá rychleji než klesá sypná hustota. Při míšení MB vláken s hrubými staplovými vlákny spolu s růstem průměrného průměru vláken klesá tlakový pokles.

Při stejných ostatních parametrech je tlakový pokles uvnitř rouna přímo úměrný zvýšení tloušťky rouna. Tato tloušťka je pak úměrná faktoru filtrační plochy. Filtrační účinnost rouna lze proto vyjádřit pomocí poklesu tlaku napříč rounem, tj.

99·

999

999 • · · · • · · · 9 · · • 9 9 9 ·

99 999

9 9 9

999 999 99 99 η = l-e^” (7) kde ψ-se označuje jako filtrační kvalita a je funkcí vlastností rouna a aerosolu (Hinds, 1982).

Životnost je definována jako FE a tlakový pokles by neměl překročit předem stanovené hodnoty. V některých aerosolech, jako jsou částice chloridu sodného, FE vzrůstá se zatížením částicemi, dobu životnosti filtru tedy určuje tlakový pokles. Tlakový pokles u rouna roste v důsledku zatížení částicemi. Zatížitelnost filtru částicemi je maximální množství prachu, které může filtr zadržet, než tlakový pokles překročí předem stanovenou hodnotu. Je důležité vztahovat životnost jak na tlakový pokles, tak na zatížitelnost. Po získání křivky vztahu tlakového poklesu a zatížení částicemi je možno ze zatížitelnosti filtru vypočítat životnost, tj.

τ = M riCQ (8) kde τ = doba životnosti (h)

M = zatížitelnost (g/m²) η= filtrační účinnost (%100)

C = koncentrace aerosolu (g/m )

Q= průtok aerosolu (m³/h-m²)

Přehled obrázků na výkresech

Obr. IA představuje snímek MB rouna z elektronového mikroskopu (SEM) při zvětšení 500x.

Obr. IB je SEM snímek MB rouna z obr. 1 A, do něhož byla uložena polypropylenová vlákna.

Obr. 2 graficky znázorňuje závislost poklesu tlaku na zatížení částicemi u nenabitých vzorků 1 a 2 z tabulky II.

Obr. 3 graficky znázorňuje závislost účinnosti filtrace na zatížení částicemi u nenabitých vzorků 1 a 2 z tabulky II.

Obr. 4 graficky znázorňuje závislost poklesu tlaku na zatížení částicemi u nabitých vzorků 1 a 2 z tabulky II.

• ···· • · ·

999 * · • · ·· ·· • · · · • · · 9

999 999

9

99 99

Obr. 5 graficky znázorňuje závislost účinnosti filtrace na zatížení částicemi u nabitých vzorků 1 a 2 z tabulky II.

Obr. 6 schematicky znázorňuje výhodné provedení zařízení vhodného pro výrobu nového kompozitu podle vynálezu.

Obr. 7 schematicky znázorňuje jiné výhodné provedení zařízení vhodného pro výrobu nového kompozitu podle vynálezu.

Jak je znázorněno na obr. 6, vynález spojuje metodu meltblowing i, injektování 2 jiných vláken ze strany do proudu vzduchu obsahujícího MB vlákna 3. MB vlákna a jiná staplová vlákna se v proudu vzájemně intenzivně mísí a proplétají a jsou vrhána na okraj vytvářeného rouna. Míra, do jaké jsou injektovaná staplová vlákna koncentrována na jedné straně rouna, závisí jak na vertikální, tak na horizontální vzdálenosti výstupní trysky jednotky dodávající vlákna, měřené od otvorů zvlákňovací hubice MB na výstupu z MB trysky. Tak je možno regulovat hustotní gradient kompozitu posunováním polohy výstupní trysky jednotky dodávající staplová vlákna směrem k čelu MB trysky a od něho a směrem ke středové čáře a od středové čáry otvorů zvlákňovací hubice. Dále je možno hustotu regulovat změnou množství injektovaných staplových vláken vzhledem k velikosti proudu MB vláken. Obecně budou MB vlákna, která jsou umístěna nejblíže výstupu trysky, mít nejvyšší podíl staplových vláken, zatímco vlákna vzdálenější budou obsahovat méně staplových vláken. Podobně se poměr staplových vláken v kompozitu zvýší zvýšením rychlosti proudu staplových vláken se zvýšením nebo bez zvýšení množství vláken dodávaných do proudu MB vláken.

Typická sestava, znázorněná na obr. 7, je tvořena jednotkou 1 dodávající vlákna s výstupní tryskou 2 ve svislé vzdálenosti 76,2 mm (3“) směrem dolů od výstupního okraje řady otvorů 5 zvlákňovací hubice MB (typicky 20 až 35 otvorů na 25,4 mm, tj. 1“ trysky v jedné přímé řadě otvorů napříč šířkou trysky) a ve vodorovné vzdálenosti 203,2 mm (8“), tlumící vytlačované MB filamenty, vedené štěrbinami 4 s volnými noži, umístěnými uvnitř trysky na obou stranách koncovky, pro názornost je znázorněn i sběrač vláken a dopravník 6 rouna. Používá se buď rotační sítový válec nebo sítem pokrytý dopravní pás (obvykle s odsáváním vzduchu pod povrchem válce nebo dopravního pásu, napomáhajícím sbírání MB vláken z rouna a odvádění horkého vzduchu). Jak je zřejmé z obr. 6, kompozitní rouno 4 je unášeno dopravním pásem a kompozitní rouno může být v prostoru mezi dopravním pásem a navíječem, který jej navíjí, elektrostaticky nabíjeno. I když to v těchto schématech není znázorněno, je možno úhel, pod nímž jednotka dodávající vlákna vysílá do proudu MB vláken ·« « ·» ·« ♦ · · · * ··· · · » » · · • · * · · . »·· ···

8» · » · · · • t' ··* ··· »·♦ ·♦ ·· staplová vlákna, sklápěním jednotky směrem dolů od trysky měnit z 90 °, jak je znázorněno, do polohy, kdy se vlákna dodávají ve více tangenciální poloze, například na 10 ° nebo méně, je-li to žádoucí.

Příklad provedení vynálezu

Vynález je blíže popsán na příkladu provedení, který však slouží pouze pro jeho osvětlení, nikoli omezení.

Vertikálně orientovaná MB linka 50 cm z J & M Laboratories, Dawsonville, Georgia, USA, byla na The University of Tennessee použita pro výrobu roun a přidávání staplových vláken. Přidávání vláken bylo prováděno s použitím popsaného injekčního systému. Silná (tloušťka přibližně 4 cm s plošnou hmotností 460 g/m²) rohož ze staplových vláken polypropylenu (PP) o šířce 50,8 cm (20“) byla zaváděna do injekčního systému, který používal kombinaci rotujících válců se zuby z kovového drátu a vzduchového pohonu k ukládání jednotlivých vláken nebo malých zakroucených pramenů vláken do proudu napůl roztavených meltblown vláken a zpomalovacího vzduchu ve vzdálenosti přibližně 4 cm od koncového výstupu MB trysky. S MB PP vlákny byla tímto způsobem rovněž míšena bavlněná vlákna za vzniku kompozitních roun o nízké hustotě. Mísící poměr a plošná hmotnost jsou uvedeny v tabulce I. Koronové nabíjení roun pro zlepšení jejich hodnot FE bylo prováděno technologií elektrostatického nabíjení Tantret™, Technika II, kterou vyvinuli Tsai a Wadsworth (1995a), US patent č. 5,401.446.

Hodnoty FE byly zjišťovány pomocí zařízení TSI 8110 Automated Filter Tester a modifikované metody ASTM F1215 (Davis, 1993). Jako testovací částice pro TSI 8110 byl použit chlorid sodný o průměrné velikosti částic 0,1 pm. Aerosol měl koncentraci 15 mg/m³při povrchové rychlosti 5,3 cm/s. Pro modifikovaný test ASTM F1215 byly použity polystyrénové mikrosféry nominálních velikostí 0,6, 1,2 a 3 pm. Skutečná velikost kuliček byla 0,62,1,07, 2,04 a 2,93 pm při filtrační rychlosti 30 cm/s.

Mikrofotografie z elektronového mikroskopu, zobrazené na obr. IA a 1B, ukazují, že MB vlákna jsou oddělena hrubými staplovými vlákny za vzniku porézního kompozitu, zatímco MB vlákna bez příměsi jsou navzájem natěsnána. Fyzikální vlastnosti MB tkanin s příměsí a bez příměsi jsou popsány v tabulce I. Mykaná rohož PP, tvořící vzorek 8 v tabulkách I a II, je složena ze staplových vláken použitých k uložení do proudu MB vláken.

e· 99

9 9

9 9 9 9 «

9* 99

Rouna s příměsí PP staplových vláken měla vyšší hodnoty FE než rouna bez příměsi, a to jak u nabitých, tak nenabitých roun, jak je patrné z tabulky II, s výjimkou nenabitého vzorku 2, který má patrně změněnou pravidelnost rouna. Jak je z této tabulky patrné, ukládání bavlněných vláken do MB roun vykazovalo stejný trend. Tlakový pokles se snížil z 1,9 mm H₂O pro rouno 34 g/m² bez příměsi (vzorek 1 v tabulce II) na 1,4 mm H₂O pro příměs PP staplových vláken (vzorky 1 a 2 v tabulce II). Snížení tlakového poklesu přídavkem staplových vláken bylo připsáno zvýšení velikosti pórů nebo snížení sypné hustoty. Zmenšení natěsnání snižuje hodnotu FE podle teorie účinnosti jediného vlákna (Davies, 1973). FE je exponenciální funkce součinu faktoru filtrační plochy a účinnosti jediného vlákna. Mírná změna FE (vzorky 2 a 3 v porovnání se vzorkem 1 v tabulce II) po přimíšení znamená, že se faktor filtrační plochy zvýšil o stejnou hodnotu jako pokles účinnosti jediného vlákna. Tlakový pokles se nesnížil uložením 80 % PP staplových vláken do rouna 20 g/m², jak ukazuje vzorek 5 v tabulce II, a uložením 17 a 40 % bavlněných vláken do roun 34 g/m², jak ukazují vzorky 6 a 7 ve stejné tabulce. MB rouno s nízkou plošnou hmotností, například 20 g/m², nebylo vhodné pro uložení vysokého podílu PP staplových vláken z toho důvodu, že vysoká hodnota tlakového poklesu není kompenzována zvýšením FE. Tato skutečnost byla zjištěna porovnáním jejich hodnot kvality filtru. Bavlna měla vyšší schopnost propletení s MB vlákny PP, protože má jemnější okraj vláken, která jsou v důsledku spirálové struktury zkroucena.

Rouna se stejnou hodnotou FE při nižším tlakovým poklesem mají lepší kvalitu filtru. U všech MB roun s příměsí staplových vláken se filtrační kvalita zvýšila, jak je patrné z tabulky II. Přídavek bavlněných vláken však vykazoval menší vzrůst filtrační kvality. Vzorek 8 v tabulkách I a II představoval rohož ze staplových PP vláken, použitou pro přimíšení do proudu MB vláken. Je uveden pro srovnání, že jeho hodnota FE je oproti MB rounům nízká.

U filtračních médií, která mají malou velikost pórů ve srovnání s velkou velikostí částic, dochází k většímu cupávání. Pokud by aerosol měl širší distribuci velikostí částic, malé částice by vyplnily póry v koláči a tudíž by vzrostla jak hodnota FE, tak tlakový pokles. Tato skutečnost je patrná na hodnotách FE a tlakového poklesu rouna bez příměsi (MB1) na obr. 2, 3, 4 a 5, kde NaCI měl průměrnou velikost částic 0,1 pm a standardní odchylku 1,9. Krychlový tvar částic NaCI je rovněž faktorem ucpávání.

• · V 99 999 999 • · · · · »*· «·» ··

Částice pronikají do hloubky rouna, pokud je jejich velikost malá v porovnání s velikostí pórů rouna. Částice se usazují na povrchu vláken a hromaděním částic se tvoří dendrity. Toto hromadění zvyšuje v důsledku zvýšení plochy povrchu ve filtračním médiu hodnotu FE, jak je patrné z obr. 3 a 5 pro rouno s příměsí. Tento druh zatížení však zvyšoval tlakový pokles mnohem pomaleji než ucpávání rouna bez příměsi, znázorněné na obr. 2 a 4.

Životnost roun s příměsí se díky pomalejšímu zvyšování tlakového poklesu napříč rounem zvýšila. Dobu životnosti je možno získat z křivky závislosti tlakového poklesu na čase, znázorněné na obr. 2 a 4. Byl-li konkrétní tlakový pokles například 3 mm H₂O, byla doba životnosti pomocí aproximace křivky u nezměněného rouna bez příměsi 73 min, u nenabitého rouna s příměsí 211 min, u nabitého rouna bez příměsi 32 min a u nabitého rouna s příměsí 72 min.

U nabitých roun došlo v počátečním filtračním procesu ke snížení hodnoty FE, jak ukazuje obr. 5 pro rouna s příměsí i bez příměsi. Hodnota FE klesala se zatížením částicemi, protože na samém počátku filtrace byl náboj neutralizován a filtrace elektrostatickými mechanismy byla omezena. Po zatížení se hodnota FE zvýšila, protože nad elektrostatickými mechanismy převážily mechanické. Jedná se o typický efekt zatížení elektrostaticky nabitého filtru, který je dobře dokumentován (Hinds, 1982). K omezení elektrostatické filtrace se zátěží NaCl došlo spíše pomyslnou neutralizací náboje částicemi NaCl než disipací náboje. Bylo prokázáno (Tsai, 1993), že PP materiál má malou disipaci náboje s dobou skladování. Nabité tkaniny PP proto mají dobrou životnost.

Bylo prokázáno, že tok vzduchu MB rounem je ve velkém rozmezí plošných hmotností rouna filtračních rychlostí laminámí (Tsai, 1993). Když se na rouno působilo polystyrénovými kuličkami s povrchovou rychlostí 30 cm/s, byla splněna rovnice (5), jak ukazují tlakové poklesy v tabulkách III a IV. Vzorky v těchto dvou tabulkách jsou vzorky z tabulky II s odpovídajícími čísly vzorků. Tlakový pokles každého rouna byl stejný, byl-li tlakový pokles při rychlosti 30 cm/s normalizován na rychlost 5,3 cm/s.

Je známo (Hinds, 1982), že FE se zvyšuje se zvětšováním velikosti částic od bodu mechanické filtrace, kdy je velikost částic větší než velikost největší penetrace, dejme tomu 0,1 až 0,3 pm, v závislosti na velikosti vlákna a filtrační rychlosti atd. Tento efekt je demonstrován v tabulce IV pro nenabitá rouna. Totéž platilo pro nabitá rouna, jak je uvedeno v tabulce III. Zvýšení hodnoty FE pro nabité rouno s velikostí částic však nebylo tak patrné jako pro nenabité rouno. Elektrostatické mechanismy nemají účinnou přitažlivost vůči • 9 99 • 9 · 9

9 9 9

999 999

9

99

• 9999 9 9	9 99	99
9 999	9
9 9 9	9
9 9	9
9· 999	999	99

částicím o velké velikosti pohybujícím se vysokou rychlostí (Brown, 1993). Neexistuje teorie pro odhad vztahu mezi hodnotou FE a velikostí částic u nabitých roun, protože je obtížné charakterizovat náboj v rounu po elektrostatickém nabití. Elektrostatická sílá má velký příspěvek k účinnosti filtru pro malé částice při nízké rychlosti filtrace. Tato skutečnost je ilustrována v tabulkách III a IV.

Konečně, příměsí 110 % staplových PP vláken do MB rouna 34 g/m² (vzorek 3 v tabulce II) se nedosáhlo lepší hodnoty FE a nižšího tlakového poklesu než příměsí 50 % PP staplových vláken. Příměs do MB rouna s plošnou hmotností 20 g/m² (vzorek 4) nesnížila tlakový pokles, ale zvýšila FE. Příměs bavlněných vláken vedla k vyšší hodnotě FE a tlakového poklesu než odpovídající poměr míšení s PP staplovými vlákny. Přestože má PP vysokou dielektrickou bariéru, nemohla být tato šarže PP staplových vláken nabita koronou, zřejmě v důsledku použití antistatického prostředku při úpravě vlákna (Tsai, 1996). V některých případech tito výzkumní pracovníci zjistili, že zahřívání staplových PP vláken a/nebo jejich praní a sušení minimalizuje schopnost antistatické úpravy interferovat s účinným elektrostatickým nabíjením vláken. Bavlna má vysokou navlhavost, která snadno odvádí náboj z vláken, takže je neutralizován ionty přirozeně přítomnými ve vzduchu. Avšak pokud byla kPP MB rounům přidána jak PP staplová, tak bavlněná vlákna, bylo možno vzniklé kompozitní tkaniny snadno elektrostaticky nabít pomocí technologie, kterou vyvinuli Tsai a Wadsworth (1995a).

Kompozitní tkaniny, získávané injektováním hrubých staplových vláken do proudu MB vláken snižovaly pokles tlaku aerosolu, proudícího tkaninou, aniž by snižovaly hodnotu FE tkaniny. Velikost snížení tlakového poklesu a zvýšení hodnoty FE závisí na plošné hmotnosti MB a procentickém podílu uložených staplových vláken a rovněž na strukturních vlastnostech staplových vláken. Kompozity s příměsí bylo možno elektrostaticky nabíjet na optimální hodnotu FE metodami vyvinutými na The University of Tennessee.

Tabulka I. Fyzikální vlastnosti roun
Vzorek	Vzorek	Substrát,		Příměs	Celková
č.		plošná			hmotnost
		hmotnost		hmotn.	(g/m²)
		íg/m²)	%	(g/m²)
1	MB1	34	0	0	34
2	MB1+PP	34	50	17	51
3	MB1+PP	34	110	37,4	71,4
4	MB2	20	0	0	20
5	MB2+PP	20	80	16	36
6	MBl+bavlna	34	17	5,8	39,8
7	MBl+bavlna	34	40	13,6	47,6
8	mykaná rohož PP	464	0	0	464

Tabulka II. Filtrační účinnost NaCl a kvalita filtru
Vzorek		Filtrační účinnost, tlakový pokles a kvalita filtru
		nenabitý			nabitý
	FE	Δρ	Qf	FE	Δρ	Qf
	(%)	(mm H2O)	(1/mm H₂O)	(%)	(mm H2O)	(1/mm H2O)
MB1	28,6	1,9	0,177	91,1	1,9	1,273
MB1+PP	27	1,4	0,225	94,5	1,5	1,934
MB1+PP	30,4	1,6	0,228	93,2	1,5	1,792
MB2	15,5	1,1	0,153	72,7	1,1	1,180
MB2+PP	21,8	1,1	0,224	84,1	1,1	1,672
MBl+bavlna	37,9	2,3	0,207	97,7	2,5	1,510
MBl+bavlna	36,2	2,3	0,195	98,0	2,3	1,701
mykaná rohož PP	12,7	0,7	0,194	13,0	0,7	0,199

• · · · ·· · ·· · • · ·· ··

Tlakový pokles (mm H₂O)

Tabulka III. Filtrační účinnost nabitých roun na polystyrénové kuličky

Vzorek

Filtrační účinnost na polystyrénovou kuličku (5)

	0,6 pm	1,0 pm	2,0 pm	3,0 pm	30 cm/s	5,3 cm/s
1	74,5	77,4	91,7	95,4	9,65	1,71
2	80,6	81,8	92,5	96,1	9,65	1,71
3	88,0	88,9	96,3	99,3	8,39	1,49
5	67,2	68,1	81,3	91,9	6,10	1,08
6	88,3	90,3	98,6	99,7	12,19	2,15
7	84,7	87,2	97,6	99,4	11,18	1,97

Tabulka IV. Filtrační účinnost nenabitých roun na polystyrénové kuličky
Vzorek Filtrační účinnost na polystyrénovou kuličku (5)	Tlakový pokles (mm H₂O)
0,6 pm	1,0 pm	2,0 pm	3,0 pm	30 cm/s	5,3 cm/s
1 30,5	46,0	88,1	95,5	9,65	1,71
2 31,3	44,6	76,1	96,7	8,13	1,44
3 33,4	45,7	85,9	97,2	8,51	1,50
5 28,6	40,4	79,1	92,8	6,10	1,08
6 39,8	56,4	93,8	98,8	10,54	1,86
7 45,9	59,6	94,6	99,2	10,67	1,88
Tabulka V. Fyzikální	vlastnosti MB	roun na	bázi PP s příměsí PP staplových vláken

v Accurate Products Laboratory

Vzorek	Vzorek	Substrát,	Příměs	Celková
č.		plošná			hmotnost
		hmotnost		hmotn.	(g/m²)
		(g/m²)	%	(g/m²)
9	MB3	18	0	0	18
10	MB3+PP	18	210	38	56

»· * » »

» · ·

Tabulka VI. Filtrační účinnost NaCl a filtrační kvalita MB roun na bázi PP s přídavkem PET staplových vláken v Accurate Products Laboratory

Vzorek Filtrační účinnost, tlakový pokles a kvalita filtru nenabitý nabitý

	FE (%)	Δρ (mm H2O)	Qf (1/mm H2O)	FE (%)	Δρ (mm H2O)	Qf (l/mm H2O)
MB3	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A	N/A
MB3+PP	27,3	1,2	0,266	79,8	1,2	1,333

Literatura:

Patent US č. 4,100.324 (Anderson a spol.)

Patent US č. 4,118.531 (Hauser)

Assoc. of the Nonwoven Fabrics Industry, „The Nonwovens Handbook“, str. 53-55.

Brown, R.C., (1970), Air Filtration, Pergamon Press.

Davies, C.N., (1973), Air Filtration, Academie Press.

Davis, W.T., (1993), „Air Filtration Efficiency Testing Using ASTM F1215“, Proceedings, TAPPI Nonwovens Conference.

Hassenboehler, C.B. a Wadsworth, L.C., (1994), „Melt Blown Webs Products for Filtration“, Fluid/Particle Separation Journal, 7(1), 31M-32M.

Hinds, W.C., (1982), Aerosol Technology, John Wiley & Sons.

Tsai, P.P., a Wadsworth, L.C., (1993), „Measurement of Melt Blown Geometrie Properties by Air Flow Techniques“, Book of Papers, 3rd TANDEC Conference, The University of Tennessee.

Tsai, P.P., a Wadsworth, L.C., (1994a), „Air Filtration Improved by Electrostatically Charging Fibrous Materials“, Particulate Science and Technology, An International Journal, 12(4), 323-332.

Tsai, P.P., a Wadsworth, L.C., (1994b), „Effect of Aerosol Properties on the Filtration Efficiency of Melt Blown Webs and their Electrets“, Book of Papers, 4th TANDEC Conference, The University of Tennessee * ·

Tsai, P.P., a Wadsworth, L.C., (1995a), „Method and Apparatus for the Electrostatic Charging of a Web or Film“, US patent 5,401.446.

Tsai, P.P a Wadsworth, L.C., (1995b), „Effect of Polymers and Additives on the Electrostatic Charging of Different Filter Structures“, 5th TANDEC Conference.

Wadsworth, L.C., a Lee, L. (1990), „Relationship Among Melt Blown Web Structure, Air Permeability and Filtration Efficiency“, INDA Journal ofNomvovens Research, 2(1), 4348.

Liu, B.Y.H. a Rubow, K.L. (1986), „Air Filtration by Fibrous Media“, ASTM STP,

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Porézní kompozit se vstupním a výstupním povrchem, zahrnující navzájem propletená meltblown vlákna a staplová vlákna, který má zvýšenou filtrační účinnost, vyznačující se t i m , že navzájem propletená meltblown a staplová vlákna definují hustotní gradient od hrubých pórů na vstupním povrchu k jemným pórům na výstupním povrchu.
2. Kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že hustotní gradient je definován změnou poměru míšení staplových vláken s meltblown vlákny napříč kompozitem od vstupního povrchu k výstupnímu povrchu.
3. Kompozit podle nároku 2, vyznačující se tím, že hmotnostní poměr míšení staplových vláken k meltblown vláknům je v rozmezí asi 0,17 až asi 1,10.
4. Kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že staplová vlákna mají průměr asi 12 až 60 pm a délku asi 12,7 až 152,4 mm.
5. Kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že staplová vlákna zahrnují částice o velikosti 1 až 300 pm z materiálu vybraného ze skupiny zahrnující aktivní uhlí a práškový superabsorbent.
6. Kompozit podle nároku 2, vyznačující se tím, že staplová vlákna zahrnují drcený textil s maximálním rozměrem v rozmezí asi 1,59 až 12,7 mm.
7. Kompozit podle nároku 2, vyznačující se tím, že meltblown vlákna jsou vlákna zpracovatelná metodou meltblown.
8. Kompozit podle nároku 7, vyznačující se tím, že vlákna zpracovatelná metodou meltblown jsou polyolefinová vlákna.

·· ··

I · · to ► ·· · ··· ···
9. Kompozit podle nároku 5, vyznačující se tím, že meltblown vlákna zahrnují polyolefin a staplová vlákna zahrnují bavlnu.
10. Kompozit podle nároku 9, vyznačující se tím, že polyolefinem je polypropylen.
11. Kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že má elektrostatický náboj.
12. Kompozit podle nároku 1, vyznačující se tím, že filtrační účinnost je definována vzorcem 4 v popisu, kde symboly mají význam uvedený v popisu.
13. Způsob použití porézního kompozitu se vstupním a výstupním povrchem, zahrnujícího navzájem propletená meltblown vlákna a staplová vlákna, který má zvýšenou filtrační účinnost, kde navzájem propletená meltblown a staplová vlákna definují hustotní gradient od hrubých pórů na vstupním povrchu k jemným pórům na výstupním povrchu, vyznačující se tím, že se do kompozitu dodává tekutina zahrnující směs nežádoucích částic s distribucí velikostí od malých částic do velkých částic a nechává se projít kompozitem, přičemž se získává filtrovaná tekutina s nižším obsahem nežádoucích částic než měla dodávaná tekutina.
14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že tekutina se přivádí na vstupním povrch a prochází kompozitem k výstupnímu povrchu, přičemž se větší částice zachytávají ve větších pórech a menší částice v menších pórech.
15. Způsob podle nároku 14, vyznačující se tím, že distribuce velikosti částic zahrnuje částice v rozmezí asi 0,1 až 3 pm.
16. Způsob výroby porézního kompozitu, zahrnujícího navzájem propletená meltblown vlákna a staplová vlákna, kde navzájem propletená meltblown a staplová vlákna definují hustotní gradient od hrubých pórů na jednom povrchu k jemnějším pórům na druhém povrchu kompozitu, vyznačující se tím, že se tavenina vláken strhává do horkého

9« 99 • 9 ·

9 9 9

999 999

9 ·

9· *· vzduchu a do něj se injektují staplová vlákna, přičemž se získává rouno meltblown vláken důkladně navzájem propletených se staplovými vlákny.
17. Způsob podle nároku 16, vyznačující se tím, že se porozita kompozitu od jedné plochy ke druhé reguluje regulací vzdálenosti výstupní trysky jednotky dodávající vlákna, měřeno od otvorů meltblown zvlákňovací hubice výstupu meltblown trysky.
18. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že se porozita kompozitu reguluje také regulací rychlosti a/nebo poměru staplových vláken injektovaných do proudu meltblown vláken.
19. Způsob podle nároku 18, vyznačující se tím, že se získané rouno dále elektrostaticky nabíjí.
20. Porézní „použitý“ kompozit se vstupním a výstupním povrchem, zahrnující navzájem propletená meltblown vlákna a staplová vlákna, který má zvýšenou filtrační účinnost, kde navzájem propletená meltblown a staplová vlákna definují hustotní gradient od hrubých pórů na vstupním povrchu k jemným pórům na výstupním povrchu, vyznačující se tím, že kompozit zahrnuje nežádoucí částice zachycené na vláknech, přičemž větší částice jsou umístěny v oblasti kompozitu, která má větší póry, a menší částice jsou umístěny v oblasti kompozitu s menšími póry a tak tvoří gradient zachycených částic od jednoho povrchu kompozitu k druhému.
21. Použitý kompozit podle nároku 20, vyznačující se tím, že meltblown vlákna jsou elektrostaticky nabita.