铁电纤维及其应用的制作方法

专利名称：铁电纤维及其应用的制作方法
本申请系1996年5月24日提交的申请序列号08/653,562的部分继续。
背景技术：
本发明涉及诸如熔融挤出纤维之类的纤维以及由这种纤维制备的非织造布。
空气过滤材料，通过在高强度外电场的存在下处理该非织布可得到改善，该处理赋予纤网即使在高强度电场移开之后仍旧继续维持的局域电场(驻极体处理)。与纤网的纤维相联系的这种电场可用来从以空气为典型的流体流中吸引外来的颗粒；就是说，这种处理赋予纤网以附加的机理—除物理截留之外，依靠电场的吸力将外来颗粒滤除。
带电纤维材料作为过滤介质的应用已问世多年了。这类材料的优点在于，纤维上的电荷可大大提高过滤效率而不会对气流阻力产生任何影响。在各种灰尘过滤器当中，由驻极体纤维制作的滤材具有高除尘性能，因而适合用于获得高洁净度。
已知，某些介电材料可被永久地静电极化，例如通过对材料加热，施加高压电场，继而在维持电场的作用的同时将材料冷却。当电场撤去之后，适当的介电材料就变成永久磁铁的电气等价物。当介电材料的电场诱导极化强度，在极化电场去除之后，衰减速率可达到如此之慢，以致在长时间内仍保留其极化强度的相当大一部分，则该介电体就成为了驻极体。此种驻极体可通过各种方法造成，例如电晕充电、摩擦充电或任何其他的充电技术(譬如借助与液体接触)。
已确证，由驻极体纤维构成的空气过滤介质在滤除亚微米气溶胶方面非常有效。相对于传统、不带静电的纤维，上述静电捕集机理可提高此类已带静电的纤维非织布材料的效率。此种过滤介质在捕获颗粒方面的能力提高了，而不相应地增加压(力)降。曾采用非极性聚合物材料制作的薄膜制成灰尘滤材，在制作过程中，薄膜经过拉伸、电晕充电，并用针辊处理以制成纤维材料，随后形成为滤材。替代地，可对聚丙烯纤维和人造丝纤维制成的非织布进行树脂处理，继而施以弯曲或剪切作用从而使非织布表面层带上静电。
驻极体形成过程可包括，将丝条或丝束置于在互相平行且相距很近的电极之间建立起的静电场中。替代地，可将一根单丝，如聚丙烯纤维，紧密地缠绕在空心卷取辊筒上，辊筒表面预先包有带聚酰胺表面层的铝箔。然而，这种方法是不连续的，而且对一个被包缠好的辊筒需要花上3个小时以上的充电时间。
其他形成驻极体的方法涉及将热塑性聚合物纤网中的纤维加热软化，趁纤维变软的时候，对其施加合适的静电场以形成带电的纤网。这项技术也可对薄膜实施，随后将薄膜原纤化为纤维，将纤维收集起来并形成为滤材。又知一种静电纺丝方法，其中借助静电的作用使原料以液态喷出形成纤维材料，然后沉积在导电支持物上。可令该熔喷纤维在形成之后与沉积为纤网之前这段时间带上静电。
已知有若干制备带电纤网的冷充电方法。例子包括对由若干层导电率不同的材料制成的复合纤网进行电晕充电。充电过程是，利用一种导电率比过滤介质的介电纤维大的接触纤网，并通过该导电率较大的介质层进行充电。另一种方法涉及，将不导电的纤网放在一个接地金属电极表面与一系列放电电极之间。适当的纤网(或薄膜)，可通过顺序地令纤网(薄膜)接受一系列电场的作用，其中相邻电场带有彼此基本相反的极性，从而方便地实现冷充电。在另一种方法中，首先让聚合物薄膜穿过电晕放电(区)，该放电使薄膜相对的两面分别带上正和负电荷。然后，将薄膜机械地劈裂为细丝，随后形成为过滤垫。在又一种方法中，在细金属丝与表面电极之间进行放电。金属丝处于数千伏偏置静电位。将待充电的结构，或者是纤维或者是非织布，置于电极之间。在强电场的存在下，处于高于聚合物玻璃化转变温度但低于熔融温度的聚合物过滤结构的纤维中便植入了稳定的离子。
摩擦充电涉及让两种或更多种聚合物材料紧密接触，由于它们的介电性能差异，电荷便从一种聚合物转移到另一种上。当两种聚合物被分开之后，它们就各自带上了电荷。在一种变换的做法中，将过滤垫的纤维涂上锌松香树脂颗粒。机械地针刺该纤维结构以便使锌树脂晶体开裂。颗粒与颗粒之间的磨耗和/或晶体沿内部平面开裂所造成的摩擦效应足以导致颗粒获得正电或负电荷。
已就多种类型聚合物用作驻极体纤维制成的气流滤材的可能做过研究。适合做成驻极体的聚合物是聚烯烃(如聚丙烯和聚乙烯)、缩聚聚合物(如聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯和多芳基化合物)、聚丙烯酸酯、聚缩醛、聚酰亚胺、纤维素酯、聚苯乙烯、氟聚合物及聚苯硫醚。适合的还有各种聚合物的组合(如共聚物及聚合物共混物)。
已知，某些添加剂改进了驻极体作用的效率，但其效果时而有一定的变化。添加剂或添加剂/聚合物组合的例子包括在聚丙烯酸酯中的二氧化钛、向后的脂肪酸金属盐(如硬脂酸镁及棕榈酸铝)(在绝缘聚合物材料(如聚丙烯、聚乙烯、聚酯及聚酰胺)中)。其他添加剂包括电荷控制剂，如在电子照相工艺用有机调色剂中所使用的。这些添加剂已被用来与聚烯烃和其他聚合物掺混使用。有机或有机金属的电荷控制剂已在芳族聚酰胺、聚烯烃和聚酯中得到应用。
诸如室温下为固态的有机酸、无机材料(如陶瓷、金属氮化物及碳黑)以及金属材料(如银、铜、铝及锡)等这样一些材料被贴附在待充电的结构表面。在一种变通的实施方案中，让纤网的表面接受含颗粒的气溶胶的喷砂或金属蒸汽沉积处理，以便在表面上获得不连续的固体颗粒。然后再让纤网带上电。
多数已知的聚合物驻极体由单一的非极性或极性聚合材料构成，或者为包含非极性聚合物与极性聚合物的二元驻极体。已开发并生产出包含两种类型聚合物的二元驻极体，旨在利用极性和非极性聚合物两者的优点，从而提供保留两类聚合物优异特性的驻极体。已知，以材料中非极性聚合物作为基质，极性聚合物作为局部结构的共混物体系，作为驻极体的性能，比相反结构的共混物体系，即极性聚合物作为基质而非极性聚合物作为局部结构的情况，要优越。
发明概述本发明涉及赋予纤维以区域大电场的一种新方法。如果将具有永久电偶极矩的铁电胶体引入到纤维中，纤维将获得区域大电场。用此种纤维制成的纤网的过滤效率将因而得到提高。此种纤网的过滤效率通过在高强度电场存在下处理(驻极体或电晕处理)纤网，可得到进一步提高。
因此，本发明通过提供一种包含热塑性聚合物及分散于其中的铁电材料颗粒的纤维，来解决某些上述困难和问题。所述热塑性聚合物，例如可以是聚烯烃，如聚丙烯或聚乙烯。铁电材料的例子，譬如包括钙钛矿、钨青铜、氧化铋层状材料、烧绿石、明矾、罗谢尔盐、二氢磷酸盐、二氢砷酸盐及硬硼酸钙石。例如，该铁电材料可以是钙钛矿、钨青铜、氧化铋层状材料或烧绿石。作为另一个例子，铁电材料可以是钛酸钡。一般地，铁电材料的含量，以纤维重量为基准，为约0.01～约50％(重量)。按体积百分率计，铁电材料含量可占到纤维的约0.001％～约13％。合意的是，铁电材料的最长尺寸为约10纳米～约10微米。另外，还可让纤维暴露于电场中，接受处理。
纤维通常可具有任何希望的形状。譬如，纤维的断面可以是圆形断面、双叶、三叶或任何其他希望的形状。进而，纤维还可以是由两种或更多种组分构成的多组分纤维，每一种组分包含一种热塑性聚合物，其中至少一种组分还包含分散在该热塑性聚合物中的铁电材料颗粒。例如，多组分纤维可以是双组分纤维，其中两种组分按并列配置排列。替代地，这两组分可按皮芯配置排列。
该纤维可以是连续的或不连续的。该纤维可以是单丝或由多根单丝组成的丝束。希望的话，多根单丝的丝束可编成辫子、加捻或带上假捻。希望的话，丝束或单丝可用于制成针织、机织织物或非织造纤网。
本发明还提供制备包含铁电材料颗粒的纤维的方法，包括将铁电材料在液体及表面活性剂存在下粉碎，获得粉碎的颗粒，其中液体是该表面活性剂的溶剂，表面活性剂则被用来稳定粉碎的颗粒以防止凝聚；制成稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物的掺混物；以及将掺混物挤出成形为纤维。
希望的话，该方法可包括使纤维处于电场中接受处理。附加或替代地，可将挤出的纤维收集在移动的多孔支持物上，成形为非织造纤网。如此得到的纤网可置于电场中接受处理。
掺混物的挤出可采用任何已知的方法实现，包括但不限于，熔融挤出、溶液纺丝及凝胶纺丝。例如，稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物的共混物，可被熔融，所得的熔融掺混物按熔融挤出形成为纤维。作为另一个例子，可向掺混物中加入热塑性聚合物的溶剂，形成热塑性聚合物溶液，其中分散着稳定化、粉碎的铁电材料颗粒。得到的溶液可接着按照已知的程序进行溶液纺丝，形成为纤维。
该方法还包括，在铁电材料粉碎之后，将液体与稳定化、粉碎的铁电材料颗粒的混合物加入到温度足以使该液体蒸发的熔融有机蜡中。替代地，在铁电材料粉碎之后，可先将液体从稳定化、粉碎的颗粒中除掉，然后将稳定化、粉碎的颗粒加入到熔融有机蜡中。
希望的话，在铁电材料粉碎之后可将液体从稳定化、粉碎的颗粒中除掉，然后将颗粒重新分散在水中。随后，将得到的含水分散体加入到其温度足以使水蒸发的熔融有机蜡中。
在本发明方法的某些合意的实施方案中热塑性聚合物是聚丙烯；液体是含有不多于约6个碳原子的脂族醇；表面活性剂是可溶于醇的四烷基铵卤化物、乙氧基化烷基胺、或伯、仲或叔烷基-或芳基胺；粉碎通过球磨机、立式球磨机或销钉研磨机来(Pin Mill)实现；清除液体则借助减压蒸发来完成；以及，有机蜡是聚乙烯蜡。
比方说，该铁电材料可以是钛酸钡，而脂族醇可以是2-丙醇或1-丁醇。
本发明的纤维，尤其是当制成非织造纤网形式时，特别适合作为过滤介质。比如说，此种非织造纤网经制作，适合用来提高从气流中去除颗粒物质的能力。例如，该非织造纤网可以是诸如一种加热、通风、空调过滤器，一种空调或加热过滤器，一种高效粒子去除过滤器(HEPA)之类的空气过滤器的组成部分，以及诸如汽车引擎空气过滤器和汽车车厢空气过滤器之类的汽车空气过滤器的组成部分。作为另一个例子，该非织造纤网可以是呼吸器和面罩的组成部分，例如医用面罩，其例子有外科手术面罩和个人用来防空气中飘浮过敏原的保护面罩。包含本发明非织造纤网的空气过滤器可用来净化清洁房间内的空气，或准备用来作为供给建筑物(特别是给医院、电子工厂或精密工厂等要求空气必须保持低含尘的场合)的空气，或者净化从工厂排放的气体。该空气过滤器还可以是空气净化器或真空吸尘器的组成部分，例如真空袋的组成部分。非织造纤网的过滤效率通常在暴露于电场之后可得到提高。按本发明如此得到的驻极体材料还适合用作揩净材料，如灰尘揩布吸收灰尘的材料或防尘保护服的材料。
附图简述

图1和2是实例1的各种非织造纤网的透过百分率对毫米水柱压降的标绘。
图3和4是实例2各种非织造纤网的透过百分率对构成比纤网材料的配方的标绘。
图5和6分别是实例3的各种非织造纤网的压降及透过百分率对与毛边(横向)距离的标绘。
发明详述本文所使用的术语“热塑性聚合物”是指当受热时变软，而当冷却至室温时又恢复到其原来状态的聚合物。该热塑性聚合物可以是天然或合成的。热塑性聚合物的例子包括，仅用于说明但不限于封端的聚缩醛，如聚(氧亚甲基)或聚甲醛、聚(三氯乙醛)、聚(正-戊醛)、聚(乙醛)及聚(丙醛)；丙烯酸类聚合物，如聚丙烯酰胺、聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)、聚(丙烯酸乙酯)及聚(甲基丙烯酸甲酯)；碳氟聚合物，如聚(四氟乙烯)、全氟化乙烯-丙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚(三氟氯乙烯)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、聚(1,1-偏二氟乙烯)、聚(氟乙烯)；聚酰胺，如聚(6-氨基己酸)或聚(ε-己内酰胺)、聚(六亚甲基己二酰胺)、聚(六亚甲基癸二酰胺)及聚(11-氨基十一烷酸)；聚芳族酰胺，如聚(亚氨基-1,3-亚苯基亚氨基间苯二甲酰)或聚(间亚苯基间苯二甲酰胺)；聚对苯二亚甲基，如聚对二甲苯及聚(氯-对二甲苯)；聚芳基醚，如聚(氧基-2,6-二甲基-1,4-亚苯基)或聚(对亚苯基氧)；聚芳基砜，如聚(氧基-1,4-亚苯基磺酰基-1,4-亚苯基氧-1,4-亚苯基-异亚丙基-1,4亚苯基)及聚(磺酰基-1,4-亚苯基氧-1,4-亚苯基磺酰基-4,4’-亚联苯基)；聚碳酸酯，如聚(双酚A)碳酸酯或聚(碳酰二氧基-1,4-亚苯基-异亚丙基-1,4-亚苯基)；聚酯，如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚(对苯二甲酸-1,4-丁二醇酯)及聚(环亚己基-1,4-二亚甲基对苯二甲酸酯)或聚(氧亚甲基-1,4-环亚己基亚甲基氧基对苯二甲酰)；聚芳基硫醚，如聚(对-亚苯基硫醚)或聚(硫-1,4-亚苯基)；聚酰亚胺，如聚(1,2,4,5-苯四甲酰亚氨基-1,4-亚苯基)；聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯、聚(1-丁烯)、聚(2-丁烯)、聚(1-戊烯)、聚(2-戊烯)、聚(3-甲基-1-戊烯)及聚(4-甲基-1-戊烯)；乙烯基聚合物，如聚(乙酸乙烯酯)、聚(1,1-二氯乙烯)及聚(氯乙烯)；二烯聚合物，如1,2-聚-1,3-丁二烯、1,4-聚-1,3-丁二烯、聚异戊二烯及氯丁橡胶；聚苯乙烯；以及上述的共聚物，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物、乙烯-丙烯共聚物以及乙烯-乙酸乙烯酯共聚物。
本文所使用的术语“聚烯烃”是指由一种或多种只含碳与氢的不饱和单体制备的加成聚合物，其例子是上面所列出的聚烯烃。此外，该术语还涵盖两种或更多种聚烯烃的共混物以及由两种或更多种不同的不饱和单体制备的无规、嵌段及接枝的共聚物。由于在商业上的重要性，聚乙烯和聚丙烯是最合意的聚烯烃。
本文所使用的术语“铁电材料”是指具有自发极化，而这种极化又可以借助施加电场而再取向的结晶材料。该术语包括任何表现出自发极化的相或相的组合，极化的强度和取向可随温度和外部所施加的电场的变化而变化。该术语还意在包括单一铁电材料，或两种或更多种属同一类或不同类的铁电材料的混合物。该术语还进一步包括“掺杂”的铁电材料，即包含少量取代元素的铁电材料以及此种取代元素在宿主铁电材料中的固溶液。
晶体材料的结构典型地用32种不同的对称类来描述。其中，有21类是非中心对称的。就是说，它们不具有对称中心。在非中心对称的各类当中，有20类是具有压电特性的，而这20类当中，仅有10类被称为热电的。热电材料的独特之处在于，它们具有自发电极化，而该极化又是由于单个晶体中在单元晶胞水平存在永久偶极造成的。偶极沿材料晶轴呈整齐排列就在材料中产生净的自发极化。热电材料也称作极性固体。顾名思义，“热电性”是指该自发极化的大小和方向随温度变化而变化。铁电材料是自发极化的热电材料中的一个子类。铁电材料中自发极化的大小与方向既对温度的变化，也对外加电场的存在作出响应。
所有铁电材料都表现出一个“居里点”或“居里温度”，它是指超过该温度，自发极化就会消失的临界温度。居里温度在本文中常称之为“Tc”。
铁电材料的例子包括但不限于，钙钛矿、钨青铜、氧化铋层状材料、烧绿石、明矾、罗谢尔盐、二氢磷酸盐、二氢砷酸盐、六水合硫酸胍铝、硫酸三甘氨酸酯、硬硼酸钙石及硫脲。因此，铁电材料可为本质上是无机的或有机的。由于无机铁电材料热稳定性通常较优，因而是合意的。下面，详细讨论这些类型中若干较为有用的。
钙钛矿钙钛矿是化学计量关系为ABO3的混合的金属氧化物。钙钛矿具有非常简单的立方构造，由角共享的氧八面体与阳离子组成，这些阳离子包括高荷电的小阳离子，例如是钛(Ti)、锡(Sn)、锆(Zr)、铌(Nb)、钽(Ta)及钨(W)，它们占据中央八面体的B部位，以及低荷电的大阳离子，如钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、钙(Ca)、锶(Sr)、钡(Ba)及铅(Pb)等，它们充填更大的12-配位的A部位中氧八面体之间的间隙。与这些材料相联系的铁电产生于，在居里温度以下发生的点阵畸变，其导致在晶体中产生很大偶极。
钙钛矿的独特之处在于它能形成各种各样的固溶液，从简单二元和三元溶液，到极为复杂的多组分溶液。一些例子包括，但不限于，BaSrTiO3、KBaTiO3、Pb(Co0.25Mn0.25W0.5)O3以及多种形式的钛酸钡和钛酸铅，其中掺杂了氧化铌、氧化锑以及氧化镧，这些不过是几个例子而已。形成范围广泛的钙钛矿型化合物固溶液的能力使得本领域技术人员得以通过形成一种固溶液，或加入一种掺杂相，来系统地改变材料的电性质。例如，钛酸钡(BaTiO3)可通过以铅离子取代其中的钡离子，将居里温度从130℃系统地提高到490℃,Tc上限是在100％铅离子取代时达到的。同样，众所周知钛酸钡的Tc可通过以锶离子取代钡离子而逐步降低。
与钙钛矿有关的八面体构造这类材料具有类似于钙钛矿的构造，只是这里的氧八面体是边共享而不是角共享的。提到的这类材料中只有两种，就是铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3)。为简单计，这类材料也归入术语“钙钛矿”的内涵之中。
钨青铜钨青铜是非化学计量式物质，其通式为M1nWO3，其中0＜n≤1,M是单价金属阳离子，最典型的是钠(Na)。铁电钨青铜的典型n值小于或等于0.3。在这一类材料中，有诸如偏铌酸铅(PbNb2O6)和偏钽酸铅(PbTa2O6)之类的化合物。
氧化铋层状材料这类材料是由氧化铋层隔离开的钙钛矿层构成的复杂层状构造。典型的氧化铋层状化合物是铌酸铅铋(PbBiNb2O9)。
烧绿石烧绿石是类似于钙钛矿的角共享氧八面体。然而，这类化合物在能够实现的阳离子取代方面受到一定限制。典型的烧绿石是铌酸镉及钽酸镉，以及铌酸铅及钽酸铅。这类材料的居里温度低于200°K(-73℃)，这就限制了其在某些领域的应用。
本文所使用的术语“粉碎”及其变换说法，是指铁电颗粒粒度的减少。术语“颗粒”及“凝聚颗粒”是指未经过降低粒度加工的铁电材料颗粒。术语“粉碎颗粒”是指经过加工或粉碎，粒度变小了的“颗粒”或“凝聚颗粒”。
本文所使用的术语“电场”是指采用本领域技术人员已知的任何方法产生的，用以对不导电纤网充电的电场。这类方法包括，如加热、液体接触、电子束(照射)及电晕放电等方法。例如，不导电纤网的电晕放电充电法可见诸于授予Klaase等人的美国专利4,588,537,在此将其中有关纤网充电的内容收作本文的参考。作为另一个例子，对不导电纤网在接地金属电极表面与一系列放电电极之间进行充电，此见诸于授予Makao的美国专利4,592,815，在此将其中有关纤网充电的内容收作本文的参考。
一项令人感兴趣的纤网充电技术涉及，用直流电来施加高电压电场以形成驻极体或电荷。这种“冷充电”技术公开在授予Tsai等人的美国专利5,401,446中，在此将该专利收作本文的参考。大体上说，该项技术涉及让材料接受一对电场的作用，其中这两个电场具有相反的极性。例如，可通过让材料顺序地接受一系列电场的处理使可透性材料带电，其中相邻电场具有彼此基本相反的极性。这样，材料的一面起初受到正电荷作用，而材料的另一面起初受到负电荷作用。随后，再让材料的第一面接受负电荷的作用，而让材料的另一面接受正电荷的作用。
重要的是要注意，术语“正”与“负”所指的意义是相对的。例如，任何时候当两个电极之间存在电位差时，将会有一个正电极和一个负电极。大致地说，正电极是所处电位更为正(或负得较少)的电极，而负电极则是所处电位更为负(或正得较少)的电极。
用于给材料充电的电场强度可各不相同，可由本领域技术人员予以适当地确定。具体实施时，电场强度可从约1kV/cm到约30kV/cm不等。例如，电场强度可从约4kV/cm到约12kV/cm不等。
术语“熔融挤出”或其变换说法意在涵盖任何将热塑性聚合物组合物加热变为熔融状态，并迫使其通过口模，形成一定形状的制品的方法，此类制品，例如包括但不限于纤维。
本文所使用的术语“溶液纺丝”是指通过将聚合物组合物的溶液经过口模挤出，形成许多股极细的流体流的纤维形成过程，该方法既包括干纺，也包括湿纺。在干纺的情况下，聚合物的溶剂含量相对较少，于是溶剂可迅速蒸发，每股流体流就形成为一根纤维。湿纺与干纺相类似，只是溶剂含量较高，以及流体流是挤出到水(或其他液体)中，此水(或其他液体)可萃取溶剂。仅作为例子，可参见H.F.Mark等人主编的“聚合物科学与工程大全”第6卷，John Wiley & Sons(出版)，纽约，1986年，802～821页。
本文所使用的术语“非织造纤网”是指由纤维组成的网状物，其中纤维以无规的方式铺放着。而非织造纤网可通过诸如湿法成网、干纺成网、熔喷、复合成形、纺粘以及梳理并粘合等方法制成。
希望该非织造纤网用一种熔融挤出的方法制成，其中熔融挤出形成纤维之后，同时在多孔支持物上形成纤网。此类方法包括，特别是熔喷、复合成形及纺粘法。仅作为例子来说明，此类方法的例子可参见以下的参考文献(a)熔喷法参考文献包括，例如授予R.W.Perry,Jr.的美国专利3,016,599、授予J.S.Prentice的3,704,198、授予J.P.Keller等人的3,755,527、授予R.R.Butin等人的3,849,241、授予R.R.Butin等人的3,978,185以及授予T.J.Wisneski等人的4,663,220。还可参见V.A.Wente发表的“超细热塑性纤维”一文，《工业与工程化学》，第48卷，第8期，1342～1346页(1956)；V.A.Wente等人撰写的“超细有机纤维的制造”，海军研究实验室，华盛顿特区，NRL报告4364(111437)，日期1954年5月25日，美国商业部，技术服务办公室；以及Robert R.Butin及Dwight T.Lohkamp发表的“熔喷-非织造新产品的一步成网法”，《纸粕及造纸工业技术协会会刊》，第56卷，第4期，74～77页(1973)；(b)复合成形的参考文献包括授予R.A.Anderson等人的美国专并 4,100,324及授予E.R.Hauser的4,118,531；以及(c)纺粘法的参考文献包括，特别是授予Kinney的美国专利3,341,394、授予Dorschner等人的3,655,862、授予Dorschner等人的3,692,618、授予Dobo等人的3,705,068、授予Matsuki等人的3,802,817、授予Porte的3,853,651、授予Akiyama等人的4,064,605、授予Harmon的4,091,140、授予Schwartz的4,100,319、授予Appel及Morman的4,340,563、授予Appel及Morman的4,405,297、授予Hartman等人的4,434,204、授予Greiser及Wagner的4,627,811以及授予Fowells的4,644,045。
本文所使用的术语“有机蜡”是指一种在室温，即20～25℃的温度下可为液态、半固态或固态的物质。典型的液态，仅举例说明，包括低重均分子量(Mw)低聚物形式的聚乙烯、聚丙烯及聚异丁烯。典型的半固态，还是仅作为例子，包括聚异丁烯(Mw=100,000)及无规立构聚丙烯。典型的固态，仍旧是仅作为例子，包括聚乙烯(Mw=1,000～4,000)、聚丙烯(Mw=1,000～4,000)以及各种以羧酸酯、酰胺-以及醇为基础的蜡。该有机蜡的选择要根据欲将粉碎的铁电材料分散于其中的热塑性聚合物来决定。
正如前面提到的，本发明提供一种纤维，它包含热塑性聚合物以及分散于其中的铁电材料颗粒。一般而言，该热塑性聚合物可以是任何一种能形成纤维的热塑性聚合物。希望的是，该热塑性聚合物是聚烯烃，即由一种或多种只包含碳和氢的不饱和单体制备的加成聚合物。聚烯烃的例子包括聚乙烯、聚丙烯、聚(1-丁烯)、聚(2-丁烯)、聚(1-戊烯)、聚(2-戊烯)、聚(3-甲基-1-戊烯)及聚(4-甲基-1-戊烯)。另外，术语“聚烯烃”还包括两种或多种聚烯烃的共混物以及由两种或多种不同的不饱和单体制备的无规、嵌段及接枝的共聚物。由于在商业上的重要性，聚乙烯和聚丙烯是最合意的聚烯烃。
在该热塑性聚合物中分散着铁电材料颗粒。就是说，铁电介质颗粒分布在整个纤维的体积中。颗粒的分布基本上是均匀的，意思是指，在大的不含颗粒的纤维体积区附近不存在颗粒的凝聚体。颗粒以无规的方式分布着，就是说，没有采取任何措施使得颗粒在整个纤维体积内沿纤维轴线呈规则间距排列。虽然可能存在颗粒呈规则间距的分布区域，但是这些区域的出现纯属偶然，并非有意使然。颗粒的加料量，或者用重量分数或者用体积分数表示，后者代表铁电材料在形成纤维的聚合物中的体积加料量。
铁电介质颗粒在纤维中的含量，以纤维重量为基准，一般为约0.01～约50％(重量)。例如，铁电材料颗粒的含量可介于约0.05～约30％(重量)的范围。作为另一个例子，铁电材料颗粒的含量可介于约0.1～约20％(重量)。作为又一个例子，这些颗粒的含量可介于约0.5～约5％(重量)。按体积百分率计，铁电材料颗粒在纤维中的含量一般为约0.001～约13％(体积)。例如，铁电材料颗粒的含量可介于约0.01～约8％(体积)的范围。作为另一个例子，铁电材料颗粒的含量可介于约0.1～约5％(体积)。作为又一个例子，这些颗粒的含量可介于约0.1～约2％(体积)。
正如本领域技术人员将会从实施例中看出的，制备符合本发明要求的纤维所需各物料的用量，例如热塑性聚合物及铁电材料的用量，按重量计是方便的。然而，铁电材料颗粒在纤维中所占体积百分率则是更重要的参数。
通常，需要含足够多的热塑性聚合物，以便提供一种连续基质，从而使纤维具有所要求的抗张强度特性。就是说，纤维强度大体上是构成纤维的连续基质强度的函数。因此，在此给出的铁电材料颗粒体积百分率范围可为本领域技术人员提供充分的依据，以便不需做不必要的实验就获得有足够强度的纤维。
总的说，任何粒度的铁电材料颗粒均可用于本发明，只要颗粒的粒度对纤维的形成不产生显著的负面影响即可。例如典型地说，颗粒的最大尺寸不应大于共混物被挤出所通过的喷丝孔直径的约50％。希望的是，铁电材料的最大尺寸介于约10纳米～约10微米。
许多铁电材料是按本文所指的初始颗粒的凝聚的形式供应的。这些凝聚颗粒可能具有大于约10微米的最大尺寸。当要制备的纤维直径比较大时，例如由纺粘法获得的纤维，则凝聚颗粒的尺寸一般不会对纤维的形成产生显著的负面影响。然而当所制备的纤维直径较小时，例如由熔喷法获得的纤维，此种纤维的直径可介于约0.1～约10微米，则就应当将凝聚颗粒粉碎。自然，不论要制备的纤维直径是多少，只要希望，都可对颗粒进行粉碎。
铁电材料颗粒可采用本领域技术人员已知的任何方法进行粉碎。例如，粉碎可通过将铁电材料置于球磨机、立式球磨机或销钉研磨机中加工来实现。虽然加工条件依所用研磨设备的式样和操作情况而有所不同，但适合的条件可由本领域技术人员方便地确定。前面已经提到，粉碎是在一种液体和一种表面活性剂的存在下进行的，其中液体是表面活性剂的溶剂，表面活性剂应适于使粉碎的颗粒保持稳定，不凝聚。
该纤维一般地可具有任何希望的形状。譬如，纤维的断面可以是圆形断面、二叶、三叶或任何其他希望的形状。纤维还可以是由两种或更多种组分构成的多组分纤维，每一种组分包含一种热塑性聚合物，其中至少一种组分包括一种热塑性聚合物和分散在该热塑性聚合物中的铁电材料颗粒。例如，多组分纤维可以是双组分纤维，其中两种组分按并列配置排列。替代地，这些组分可按皮芯配置排列。
该纤维可以是连续的或不连续的。该纤维可以是单丝或由多根单丝组成的丝束。希望的话，多根单丝的丝束可编成辫子、加捻或带上假捻。希望的话，丝束或单丝可用于制成针织、机织织物或非织造纤网。
本发明还提供制备包含铁电材料颗粒的纤维的方法，包括将铁电材料在液体及表面活性剂存在下粉碎，获得粉碎的颗粒，其中液体是该表面活性剂的溶剂，表面活性剂则用来对粉碎的颗粒起稳定化作用以防止凝聚；制成稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物的掺混物；以及将掺混物挤出形成为纤维。
希望的话，该方法可包括使纤维处于电场中。附加或替代地，可将挤出的纤维收集在移动的多孔支持物上，形成为非织造纤网。如此得到的纤网可处于电场中接受处理。
一般地，任何对该表面活性剂来说为溶剂的液体均可使用。而该表面活性剂又应适合用来稳定粉碎的颗粒以防止凝聚。合适的液体，仅作为例子，包括脂族烃，如己烷、庚烷、辛烷及癸烷；芳烃，如二甲苯、甲苯及枯烯；脂族醇，如2-丙醇、1-丁醇、1-己醇及苄基醇；脂族酮，如甲基乙基酮；卤代烃，如二氯甲烷、氯仿、四氯化碳及氯苯；以及极性溶剂，如水、四氢呋喃及N,N-二甲基吡咯烷酮。
希望的是，该液体是含不多于约10个碳原子的脂族醇。此类醇的例子，仅作为例子，包括，甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、1-戊醇、2-戊醇、3-戊醇、2-甲基丁醇、3-甲基丁醇、1-己醇、2-己醇、3-己醇、3,3-二甲基丁醇、1-庚醇、1-辛醇、1-壬醇及1-癸醇。
可用于本发明方法的表面活性剂类型包括，阳离子、阴离子、非离子及两性离子表面活性剂。在某些情况下，可能需要采用两种或更多种表面活性剂的混合物使粉碎的颗粒获得稳定。阳离子表面活性剂的例子，仅作为举例说明，包括，脂族及芳族伯、仲及叔胺；氧化胺；连接酰胺的胺；以及季铵盐。阴离子表面活性剂的例子，还是仅作为举例说明，包括羧酸及其盐、磺酸及其盐、木素磺化盐、烷基苯磺酸盐、烷芳基磺酸盐、石油磺酸盐、带有酯、醚或酰胺键的磺酸盐、硫酸酯及其盐、硫酸化醇、硫酸化乙氧基化醇、硫酸化乙氧基化烷基苯酚、硫酸化的酸、硫酸化酰胺、硫酸化酯、硫酸化天然脂肪及油类、磷酸及多磷酸酯及其盐、磷酸盐化醇、磷酸盐化苯酚、磷酸盐化烷氧基化醇、磷酸盐化烷氧基化苯酚，以及每一类磷酸盐化阴离子表面活性剂的盐。非离子表面活性剂的例子，还是仅举例说明，包括乙氧基化醇、乙氧基化烷基苯酚、乙氧基化羧酸酯、甘油酯、聚乙二醇酯、山梨醇酯、乙氧基化天然脂肪及油、乙二醇及二乙二醇酯、丙二醇酯及乙氧基化羧酸酰胺。
表面活性剂的一般用量应足以使粉碎的铁电材料稳定化，不凝聚。例如，表面活性剂的用量，以被粉碎并抗凝聚稳定化的铁电材料总量为基准，为约0.01～约10％(重量)。希望表面活性剂用量在约0.01～约1％(重量)。
稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物的共混物可采用各种方法制备。例如，在将铁电材料粉碎之后，可将液体与稳定化、粉碎的铁电材料颗粒加入到温度足以使该液体蒸发的熔融有机蜡中。替代地，将铁电材料粉碎之后，可将液体从稳定化、粉碎的颗粒中除掉，然后将稳定化、粉碎的颗粒加入到熔融有机蜡中。
希望的话，在粉碎之后可将液体从稳定化、粉碎的颗粒中除掉，然后将颗粒再分散在水中。随后，将所得的含水分散体加入到温度足以使水蒸发的熔融有机蜡中。
上面的供选程序都能获得稳定化、粉碎的铁电颗粒在有机蜡中的分散体。随后可将这种蜡分散体加入到热塑性聚合物中。例如，可将蜡分散体在足以保持蜡处于熔融状态的温度下与热塑性聚合物粒料进行物理掺混。所获得的掺混物可进一步在例如双螺杆挤塑机中进行掺混，生产出由热塑性聚合物与稳定化、粉碎的铁电材料颗粒组成的粒料。
共混物的挤出可通过任何已知的方法完成。例如，稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物的共混物可预先熔融，然后将共混物挤出形成为纤维。作为另一个例子，可在共混物中加入溶解热塑性聚合物的一种溶剂，形成其中分散了稳定化、粉碎的铁电材料颗粒的热塑性聚合物溶液，最后将共混物挤出形成为纤维。因此，纤维可通过熔融挤出或溶液纺丝的方法来形成。
在本发明某些希望的实施方案中热塑性聚合物是聚丙烯；液体是含不大于约10个碳原子的脂族醇；表面活性剂是可溶于醇的四烷基铵卤化物；乙氧基化烷基胺；或伯、仲或叔烷基-或芳基胺；粉碎是利用球磨机、立式球磨机或销钉研磨机完成的；最后有机蜡是聚乙烯蜡。
举例说，铁电材料可以是钛酸钡，脂族醇可以是2-丙醇或1-丁醇。
本发明纤维，特别是非织造纤网形式的，尤其适合作过滤介质。例如，非织造纤网适合用来从气流中去除颗粒状物质。
下面，通过实施例进一步说明本发明。然而，这些实施例，从任何意义上，均不应对本发明的精神或范围构成限制。
实例1材料制备采用四步法制备了一种非织造纤网，用于构成纤网的纤维由热塑性聚合物以及遍及整个纤维整体中分散的铁电材料颗粒构成。这些步骤是(1)粉碎颗粒的制备、(2)分散在低分子量聚乙烯蜡中、(3)将蜡分散体掺混或混炼到聚丙烯中以及(4)非织造纤网的形成。
粉碎颗粒的制备分散体的制备采用两种品级的钛酸钡(BaTiO3)供应者是Tam陶瓷公司(尼亚加拉瀑布，纽约)，产品名称为Ticon5016及TiconHPB。每一种分散体，是通过将钛酸钡与2-丙醇及稳定化用的表面活性剂置于球磨机中研磨制备的。表面活性剂是乙氧基化牛脂胺(RhodameenPN-430，罗纳-普朗克公司(Rhone-Poulenc)，Cranberry，新泽西)。在典型的间歇配制中，约1千克钛酸钡与2.6升2-丙醇及4～5毫升表面活性剂一起剧烈搅拌。所得到的浆料倒入预先装有12磅(约5.4千克)Borundum(87％氧化铝)研磨介质(美国Stoneware公司)的6.2升Roalox陶瓷研磨机料筒中(美国Stoneware公司，East Palestine，俄亥俄)。将料筒在美国Stoneware公司的组合料筒研磨机上(型号764AVM)以70 rpm的转速滚动48小时。
研磨时间的终点，将形成的稳定化、粉碎的钛酸钡分散体从料筒中取出。通过减压蒸发，驱除2-丙醇，得到的半干粉末在90℃、减压下进一步干燥4小时。按上述程序，总共，每种各50磅(约22.7千克)钛酸钡被粉碎并稳定化。用这种真空干燥的钛酸钡制备了两份各100磅、固体含量约50％(重量)的在去离子水中的分散体。
蜡分散体的制备大致地说，将低分子量聚乙烯蜡置于装有液压驱动、交错配置桨叶的槽中熔融。桨叶起到对熔融蜡与含水悬浮体实施剪切混合的作用。剪切混合作用加速了水蒸发速率并使分散的颗粒与蜡掺混在一起。以对应温度为140℃～147℃的38 psig～48 psig(磅/平方英寸)的蒸汽对槽子进行加热。
具体地说，将约100磅(约45千克)50％(重量)含水钛酸钡分散到12.5磅(约5.7千克)聚乙烯蜡(AC 16，联合信号公司，Morristown，新泽西)中。该钛酸钡/表面活性剂/蜡分散体，按KarlFischer滴定测定，含不足0.1％(重量)残留水。这两种蜡分散体的实际组成载于下表1。将该蜡分散体冷却到干冰的温度，磨碎成粗粉末，以备与聚丙烯干掺混之用。
表1蜡分散体组成<
聚丙烯混炼将两种蜡分散体分别与Himont ProfaxPF-015聚丙烯(Montell聚合物公司，Wilmington,Delaware)掺混。混合物采用单螺杆混炼挤塑机进行熔融掺混。两种掺混物的组成载于表2。
表2聚丙烯/钛酸钡配方<
非织布的形成非织布是在基本如授予Buntin等人的美国专利3,849,241(同时收作本文的参考)所描述的100英寸(约2.5米)(幅宽)熔喷生产线上制造的。将这100英寸宽的纤网裁切成5条20英寸(约51厘米)宽的纤网。这当中，靠原来纤网两外侧的20英寸纤网条弃之不用。剩下的3条代表与毛边相距20英寸(约51厘米)到80英寸(约203厘米)的各种不同的横向部位。所用材料的熔喷条件均相同。借改变生产线速度来改变单位重量。单独用ProfaxPF-015聚丙烯(对照试样，代号PP-A)以及每一种含钛酸钡的配制物(见表2)，纺制出单位重量0.5盎司/平方码或osy(约17克/平方米或gsm)、0.6 osy(约20 gsm)、0.75 osy(约25 gsm)以及1.0 osy(约34gsm)的纤网。各种单位重量的熔喷纤网全部在相同的条件下接受在线驻极体处理。驻极体处理是根据前面提到的美国专利5,401,446公开的方法进行的。
结果空气过滤测试对上面制备的熔喷非织造纤网的空气过滤效率做了评价，采用的仪器系由TSI公司(圣保罗，明尼苏达)制造的型号8110自动过滤测试仪(AFT)。型号8110的AFT可测量空气过滤介质的压降和颗粒滤过特性。该AFT利用压缩空气喷雾器产生一种氯化钠颗粒的亚微米气溶胶，作为测试过滤性能的试验用气溶胶。用于该测试中的颗粒的特征粒度为0.1微米。典型的空气流量介于31升/分钟～33升/分钟。AFT测试是在约140平方厘米的试样面积上进行的。过滤介质的性能或效率，用透过过滤介质的氯化钠颗粒百分率表示。透过的定义为一个颗粒穿过了过滤介质。穿过的颗粒数目是经过滤介质后的下游检测的。透过百分率(％P)反映下游颗粒的计数与上游颗粒的计数之比。氯化钠颗粒的探测和计数采用光散射法。
由上一节所描述的非织造纤网的六种距毛边(CD)位置裁取熔喷材料试样(即每条20英寸宽纤网取2个试样)。材料试样被规定为，裁成约8英寸(约20厘米)见方的特征单位重量的扁平非织造纤网。就典型而言，透过率测试了15～20个试样。表3～5总括了从对比试样和每一种钛酸钡/聚丙烯配方试样得到的压降和颗粒透过数据。
表3对比纤网空气过滤结果
表3，续
表4，续
表5PF-B纤网空气过滤结果
表5，续
表3～5中所载压降及颗粒透过百分率数据，将仅由基础聚丙烯构成的与由钛酸钡/聚丙烯配制物构成的熔喷材料过滤性能做了清楚的对比。这些数据清楚地显示了在所有的单位重量情况下改进的过滤效率。单位重量低(0.5 osy及0.6 osy)的非织布，不论仅采用聚丙烯制备过滤介质，或是采用钛酸钡/聚丙烯配制物制备过滤介质，压降均未显示改变。在较高单位重量(0.75 osy及1.0 osy)的情况下。非织布过滤介质表现出小的压降升高。尽管在这两种较高单位重量情况下压降有这样的改变，采用含钛酸钡的配制物制作的介质总是具有比仅使用基础聚合物制成的介质高的过滤效率。
钛酸钡配制物与仅由聚丙烯制作的情况相比，过滤性能的改善清楚地显示在图1和2中。注意，代表钛酸钡/聚丙烯非织布介质的透过百分率对压降的数据点确定了一条曲线，它总是落在仅由聚丙烯制备的非织布介质所对应的数据点确定的曲线下方。因此，在任何给定的压降之下，由两种钛酸钡配制物中的任一种制作的非织布介质与仅由聚丙烯制作的非织布介质相比，能从空气中去除更多的颗粒。
实例2
材料的制备采用与实例1相同的程序制备了本实例中描述的铁电胶体改性的非织布。因此，下面只说明非织布在制备和处理方面的各自不同之处。
粉碎颗粒的制备钛酸钡由Ferro公司Transelco分部(Dresden，纽约，产品代号219-9)提供。在本实例中，双十二烷基二甲基-铵溴化物(DDAB)作为起稳定作用表面活性剂。就典型而言，将200克钛酸钡加入到1升2-丙醇中，并剧烈搅拌。向混合物中加入约0.8克DDAB。对浆料进行搅拌并以超声波处理(Fisher科学超声波处理器，Fischer科学公司，费城，宾夕法尼亚)大约5分钟。将得到的浆料倒入预先装有4.5磅(约2千克)Borundum研磨介质(见实例1)的2升Roalox陶瓷研磨机料筒中。将料筒在美国Stoneware组合料筒研磨机，(型号764AVM)上以70rpm的转速滚动48小时。
研磨完成之后，从研磨料筒中取出钛酸钡/稳定化用表面活性剂/2-丙醇分散体。将分散体倒入大的圆底烧瓶中，利用真空蒸发驱除2-丙醇。半干的钛酸钡/表面活性剂固体在90℃、减压条件下进一步干燥4小时。按上述程序制备了足够多次数的一次生产量为200克的批料，以便提供约2磅(约908克)表面活性剂稳定化的钛酸钡以备分散到聚丙烯中之用。将稳定化钛酸钡与去离子水混合，制成50％(重量)含水分散体以备下一步骤之用。
蜡分散体的制备在本实例中，将4磅(约1.8千克)50％(重量)含水、稳定化的钛酸钡分散体加入到0.5磅(约227克)实例1中所使用的聚乙烯(PE)蜡中。该钛酸钡/DDAB/PE蜡分散体包含不足0.1％(重量)残留水(按Karl Fischer滴定测定)。蜡分散体的组成为，80％(重量)表面活性剂稳定化的钛酸钡以及20％(重量)PE蜡。将该蜡分散体冷却至于冰的温度，并研磨成粗粉末。得到的粗粉末的量为2.3磅(约1千克)。
聚丙烯混炼2.3磅(约1千克)表面活性剂稳定化的钛酸钡/PE蜡粉末与97.7磅(约44千克)与实例1所用相同类型的聚丙烯进行干掺混。混合物在操作温度330°F(约166℃)及螺杆转速80～100rpm的单螺杆混炼挤塑机中进行熔融掺混。得到的共混物经造粒，干掺混，挤出，以及第二次造粒，旨在确保遍及整个100磅(约45千克)物料的组成均一。该共混物的标定钛酸钡含量为2％(重量)。随后，以该物料作为原料母粒，配制成另外3种标定钛酸钡含量在1％(重量)～0.1％(重量)钛酸钡的稀释料，具体浓度载于表6。将每种稀释料干掺混、挤塑并两次造粒，以确保组成均一。
表6聚丙烯/钛酸钡配方
非织布的形成熔喷非织布是在研究用熔喷生产线上制造的，基本如上面说到的授予Buntin等人的美国专利3,849,241中所述。该熔喷非织布分别是，仅用ProfaxPF-015聚丙烯制备的，作为对比试样(PP-A)，以及用包含1.0％(重量)及0.1％(重量)钛酸钡的聚丙烯/稳定化的钛酸钡配制物制备的(分别为PF-C和PF-E)。含有0.5％(重量)钛酸钡的配制物(PF-D)未熔融丝丝。在每一种情况下，均制备了单位重量在0.5 osy(约17 gsm)～2.0 osy(约67 gsm)范围的纤网。对比试样和钛酸钡配制物所采用的熔融纺丝条件相同。
就对比试样和两个钛酸钡配制物的每一种单位重量，各制备了两卷材料。每一对料卷，均称之为“A”和“B”卷，其中“A”和“B”代表制造期间所使用的驻极体处理条件。
所有的“A”卷都是与纺丝过程一起在线地进行驻极体处理的。驻极体处理按照实例1中所述那样进行。在线驻极体处理需要改变非织造纤网通过该处理区的速度，以便适应生产单位重量各异的非织布所需要。大致地说，对应于非织布材料的单位重量从2.0 osy(约68gsm)改变到0.5 osy(约17gsm)，线速度应由30英尺/分钟(约15厘米/秒)改变到120英尺/分钟(约61厘米/秒)。该驻极体处理器采用两个处理区或处理站。上游站具有介于阳极(充电棒)与阴极(偏压辊)之间的1英寸(约2.5厘米)空气隙。上游偏压辊和充电棒的电位分别为-5kV和0kV。下游站也具有介于阳极(充电棒)与阴极(偏压辊)之间的1英寸(约2.5厘米)空气隙。下游偏压辊和充电棒的电位分别为-5kV和10～13kV。驻极体处理器受到20标准立方英尺/分钟(SCFM)的空气吹扫。
“B”卷是在纺丝过程以外接受离线驻极体处理的，处理方式也如实例1所述。离线驻极体处理，对所有单位重量和所有材料，均以30英尺/分钟(约15厘米/秒)的线速度进行的。上游和下游处理站的空气隙均为1英寸(约2.5厘米)。两个处理站的偏压辊电位均为-5kV，充电棒电位均为10～13kV。驻极体处理器受到23 SCFM的空气吹扫。
结果空气过滤测试按照与实例1所述一样，对上面所制备的熔喷非织布的空气过滤效率进行了评价。表7～9总括了在线驻极体处理材料的压降和颗粒透过百分率。表10～12总括了离线驻极体处理的材料的压降和颗粒透过百分率。
表7PF-A纤网在线驻极体处理，空气过滤结果(“A”卷)
表8PF-C纤网在线驻极体处理空气过滤结果(“A”卷)
<p>表9PF-E纤网在线驻极体处理空气过滤结果(“A”卷)
表9，续
表10PF-A纤网，离线驻极体处理，空气过滤结果(“B”卷)
表11PF-C纤网，离线驻极体处理，空气过滤结果(“B”卷)
表12PF-E纤网，离线驻极体处理，空气过滤结果(“B”卷)
表12，续
压降在任何给定的单位重量条件下，仅用聚丙烯制备的熔喷材料，与稳定化的钛酸钡/聚丙烯配制物制备的熔喷材料相比，没有发现压降的显著不同，不论驻极体处理条件如何。值得注意的是，离线驻极体处理材料与在线处理的材料相比，压降略有增加。这是由于处理期间非织布卷退绕和再卷绕过程中非织造纤网被压实所致。
非织布过滤介质及颗粒透过率非织造介质的过滤效率是按透过百分率给出的。离线驻极体处理的颗粒透过百分率低于在线处理的。这种差别是由于上面提到的驻极体处理条件方面的差别所致。随着在纤维中钛酸钡颗粒加入量的增加，在线和离线处理的过滤介质的过滤效率都显示出同样的改善趋势(见下面将提到的图3及4)。当材料含有1.0％(重量)钛酸钡时，观察到最大的改善效果。除两个单位重量最高的(1.5 osy～2.0 osy)之外，所有试样均表现出效率随钛酸钡含量的增加而系统地提高。在单位重量大于1.5 osy的一点，加入钛酸钡的效果就难以看出了。与仅用聚丙烯制成的非织造纤网相比，钛酸钡配制物制成的非织造纤网的过滤性能的改善可从图3和4中最清楚地看出。在这两个图中，数据点代表给定类型非织造纤网的透过百分率。由图3和图4所显示出的一致表现暗示，钛酸钡颗粒是导致本实例中描述的非织造材料过滤效率改善的原因。
实例3材料制备采用与实例1相同的程序制备了本实例中描述的铁电胶体改性的非织布，除了如下所述的在制备和处理方面的差异。
胶体制备钛酸钡由Tam陶瓷公司提供(Ticon5016)。该胶体分散体是采用装有气动搅拌器的大型不锈钢混合罐(约130加仑或492升)制备的。分散体通过由50马力、转速1750rpm的电机带动的高速不锈钢销钉/立式球磨机进行加工。该混合罐和销钉/立式球磨机是从Standridge颜料公司(Social Circle，佐治亚)专门定做的。混合罐的下半部为漏斗状。混合罐采用2.5英寸(约10厘米)直径柔性软管与气动泵连接，气动泵又与销钉/立式球磨机相连。从球磨机排出的物料循环到混合罐的顶部。气动泵的每冲程排代量为0.25加仑(约0.95升)，其在提供8～10加仑/分钟(约0.5～0.6升/秒)的流量的速率下运行。
在混合罐中加入190磅(86.4千克)技术级1-丁醇。然后，在激烈搅拌下加入7.2磅(3.27千克)RhodameenPN430(罗纳普朗克公司(Rhone-Poulenc))。钛酸钡按每次55磅(约25千克)加入，直至向混合罐中总共加入了770磅(约350千克)为止。浆料经泵压送至高速销钉/立式研磨机并循环至混合罐，如此约用了30分钟。所得到的1-丁醇分散体组成均一，含有80％(重量)钛酸钡。
聚乙烯蜡分散体的形成将该80％(重量)的钛酸钡/1-丁醇分散体直接加入到熔融低分子量聚乙烯(PE)蜡(联合信号A-C16)中。注意，在前面的实例中，是将50％(重量)钛酸钡含水分散体按技术上一般称之为冲洗的方法加入到熔融PE蜡中。在本实例中则是，钛酸钡的稳定化的胶体粒子从富含1-丁醇的相被分配到富含PE蜡的相中，然后通过蒸发除去1-丁醇。该方法与水/蜡冲洗法的不同之处在于，1-丁醇在高于A-C16 PE蜡的熔点的温度沸腾。蜡在150加仑(约568升)装有转动桨叶的蒸汽加热槽中，在桨叶的缓慢混合作用之下熔融。槽子加热所用的蒸汽为50 psig，对应温度约297°F(约147℃)。
在本实例中，969.20磅(440.55千克)1-丁醇/钛酸钡/RhodameenPN-430分散体与190.8磅(86.73千克)A-C 16 PE蜡混合在一起。熔融蜡与1-丁醇分散体连续受到混合作用，直至在混合物上方检测不到醇蒸汽为止。此刻，将BaTiO3/RhodameenPN-430/A-C 16 PE蜡分散体倒在托盘上以冷却至室温。固化的蜡复合物进一步冷却至干冰的温度并研磨成粗粉末，以备与聚丙烯干掺混之用。
聚丙烯混炼832磅(约378千克)BaTiO3/RhodameenPN-430/A-C 16 PE蜡复合物，与2,496磅(约1339千克)Montel ProfaxPF-015聚丙烯(PP)进行干掺混。干混合物置于单螺杆混炼挤塑机中进行熔融掺混，得到含有20％(重量)钛酸钡的混合物。
随后，将一份600磅(273千克)上面制备的20％(重量)母粒与1800磅(约818千克)Montel ProfaxPF-015聚丙烯进行掺混。干混合物置于单螺杆混炼挤塑机中进行熔融掺混，得到5％(重量)的钛酸钡/聚丙烯复合物。
非织布的形成非织布是在基本如授予Buntin等人的美国专利3,849,241所描述的100英寸(约2.5米)熔喷生产线上制造的。将这100英寸宽的纤网裁切成5条20英寸(约51厘米)宽的纤网。所有材料的熔喷条件均维持恒定。所有非织布都具有0.6 osy(约20gsm)的标定单位重量。20％(重量)钛酸钡/聚丙烯复合物按1份对19份纯MontelPF-015聚丙烯的比例进行干掺混，获得的熔喷非织布含有约1％(重量)钛酸钡。另外，又用5％(重量)钛酸钡/聚丙烯复合物，不经稀释，进行了加工。最后，又将纯Montel ProfaxPF-015聚丙烯熔融纺丝，生产出对比试样。所有熔喷非织造纤网均在相同条件下接受在线驻极体处理。该驻极体处理是按照前面所描述的授予Tsai等人的美国专利5,401,446公开的内容进行的。
结果空气过滤测试采用如前面实例中所描述的TSI公司，型号8110自动过滤测试仪对熔喷非织造纤网的空气过滤效率做了评价。以表格和曲线图形式给出的数据，是用含有0.1微米氯化钠颗粒的32升/分钟空气流作为测试气溶胶测量得到的透过百分率及压降。
从上面描述的非织造纤网的10个不同的距毛边位置采集熔喷材料试样(即从每条20英寸宽条子上取2个)。将试样裁切成约8英寸(约20厘米)见方的扁平片材。对至少20个试样就压降(Δp，毫米水柱)和颗粒透过百分率(％P)做了评价。表13～15总括了对比试样(Montel ProfaxPF-015)和含钛酸钡配制物的试样的压降和颗粒透过数据。
表13对比纤网空气过滤结果
表13，续
表141％(重量)BaTiO3的空气过滤结果
表14，续
<p>表155％(重量)BaTiO3空气过滤结果<
<p>表13～15中所载的压降(Δp)和颗粒透过百分率(％P)数据清楚地显示出用钛酸钡/PP复合材料制备的熔喷纤网的优异过滤性能。对全部测试的纤网，用毛边距离-压降及毛边距离-透过率的标绘做了表征。曲线的形状与材料无关。这些过滤性能数据在图5及6中表现得更加直观。图中所述的三种材料，每一种穿过纤网测得的压降(图5)均相同。这揭示，纤维和纤网的形成与纺丝原料(即，聚丙烯或钛酸钡/PP组合物)无关。相比之下，就颗粒透过百分率(图6)而言，1％(重量)和5％(重量)钛酸钡配制物比起对比试样聚丙烯来要显著地低。因此，在规定的穿过纤网的压降条件下，钛酸钡/PP复合物表现出比对比试样聚丙烯优越的过滤性能(即较低颗粒透过率)。
实例4一种驻极体处理的熔喷纤网在空气过滤方面大有希望的潜在应用就是用于医疗和外科手术面罩。为了确证其在这类产品中的应用价值，材料必须符合一些严格的空气过滤测试要求(当以含诸如金黄色葡萄球菌之类细菌的3.0微米含水气溶胶试验时，细菌过滤效率大于98.5％；当以0.1微米胶乳颗粒试验时，过滤效率大于99.5％)。该材料还必须满足，透过纤网仅产生适度的压降(就典型而言，当流量为8升/分钟时，小于2.5毫米水柱)。
对实例3的熔喷非织造纤网进行了关于细菌过滤效率与压差的测定(按照美国国防部规格及标准索引号#MIL-M-36954C)。为了与实例3进行比较，对所有纤网从相同的CD(毛边距离)(50英寸)位置取样。每种代号测定了五个重复试样。这五次测定的平均值和标准偏差记录在表16中。压降ΔP以毫米水柱为单位；效率ε以百分率为单位。凡在表中给出两个数值的地方，第一个代表生产开始时纺出的材料的测定值，第二个代表该次生产结束时纺出的材料的测定值。铁电胶体改性的本发明熔喷非织造纤网，在过滤效率和压降两个方面都超过了规定指标。
表16细菌过滤效率结果
还对实例3的熔喷非织造纤网进行了以0.1微米胶乳颗粒为测试物质的过滤效率试验(按照ASTM试验方法F1215-89)。同样，所有的纤网都是从相同的CD位置(50英寸)采集的试样。每种代号测定了五个重复试样。这五次测定的平均值和标准偏差记录在表17中。同样，效率ε以百分率为单位。凡在表中给出两个数值的地方，第一个代表生产开始时纺出的材料的测定值，第二个代表该次生产结束时纺出的材料的测定值。铁电胶体改性的本发明熔喷非织造纤网达到或超过了过滤效率规定指标。
表17胶乳颗粒过滤效率结果
>虽然上面仅就本发明特定的实施方案做了详细说明，然而本领域技术人员在理解了以上内容之后将很容易想到这些实施方案的替代、变换及等价方案。
权利要求
1．一种纤维，它包含热塑性聚合物；以及分散于其中的铁电材料颗粒。
2．权利要求1的纤维，其中铁电材料颗粒的含量，以纤维重量为基准，为约0.01～约50％(重量)。
3．权利要求1的纤维，其中使纤维处于电场中，经过了电场处理。
4．权利要求1的纤维，其中热塑性聚合物是聚烯烃。
5．权利要求4的纤维，其中聚烯烃是聚丙烯或聚乙烯。
6．权利要求1的纤维，其中铁电材料颗粒的最长尺寸为约10纳米～约10微米。
7．权利要求1的纤维，其中铁电材料选自钙钛矿、钨青铜、氧化铋层状材料或烧绿石。
8．权利要求7的纤维，其中铁电材料是钛酸钡。
9．两种或更多种组分构成的多组分纤维，每一种组分均由一种热塑性聚合物构成，其中至少一种组分由一种热塑性聚合物与分散于其中的铁电材料颗粒构成。
10．权利要求9的多组分纤维，其中铁电材料颗粒的含量，以纤维重量为基准，为约0.01～约50％(重量)。
11．权利要求9的多组分纤维，其中使多组分纤维处于电场中，经过了电场处理。
12．权利要求9的多组分纤维，其中铁电材料颗粒的最长尺寸为约10纳米～约10微米。
13．权利要求9的多组分纤维，其中铁电材料选自钙钛矿、钨青铜、氧化铋层状材料或烧绿石。
14．权利要求13的多组分纤维，其中铁电材料是钛酸钡。
15．权利要求9的多组分纤维，其中多组分纤维是双组分纤维，其中这两种组分按并列配置排列。
16．权利要求9的多组分纤维，其中多组分纤维是双组分纤维，其中这两种组分按皮芯配置排列。
17．权利要求9的多组分纤维，其中热塑性聚合物是聚烯烃。
18．权利要求17的多组分纤维，其中聚烯烃是聚丙烯或聚乙烯。
19．由权利要求1的纤维构成的非织造纤网。
20．权利要求19的非织造纤网，其中使非织造纤网处于电场中，经过了电场处理。
21．由权利要求9的多组分纤维构成的非织造纤网。
22．权利要求21的非织造纤网，其中使非织造纤网处于电场中，经过了电场处理。
23．一种制造含有铁电材料颗粒的纤维的方法，该方法包括将铁电材料在液体和表面活性剂的存在下粉碎以制成粉碎的颗粒，其中液体是该表面活性剂的溶剂，该表面活性剂适合用来使该粉碎的颗粒稳定化，从而不凝聚；制成由该稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物构成的共混物；以及将该共混物挤出，成形为纤维。
24．权利要求23的方法，其中热塑性聚合物是聚烯烃。
25．权利要求23的方法，其中铁电材料颗粒的含量，以纤维重量为基准，为约0.01～约50％(重量)。
26．权利要求23的方法，它还包括使纤维处于电场中，经过了电场处理。
27．权利要求23的方法，其中粉碎的铁电材料颗粒的最长尺寸为约10纳米～约10微米。
28．权利要求23的方法，其中铁电材料选自钙钛矿、钨青铜、氧化铋层状材料及烧绿石。
29．权利要求28的方法，其中铁电材料是钛酸钡。
30．权利要求23的方法，它还包括将挤出的纤维收集在移动的多孔支持物上以制成非织造纤网。
31．权利要求30的方法，它还包括使该非织造纤网处于电场中，经过了电场处理。
32．权利要求23的方法，它还包括将由稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物构成的共混物熔融，并将熔融的共混物熔融挤出，成形为纤维。
33．权利要求23的方法，它还包括向该共混物中加入该热塑性聚合物的溶剂，以形成其中分散了稳定化、粉碎的铁电材料颗粒的热塑性聚合物溶液，并将所得的溶液按溶液纺丝成形为纤维。
34．权利要求23的方法，它还包括，在将铁电材料粉碎之后将由液体与稳定化、粉碎的铁电材料颗粒构成的混合物加入到一种其温度足以使该液体蒸发的熔融有机蜡中。
35．权利要求23的方法，它还包括，在将铁电材料粉碎之后将该液体从稳定化、粉碎的颗粒中除去；以及将该稳定化、粉碎的颗粒加入到熔融有机蜡中。
36．权利要求23的方法，它还包括，在将铁电材料粉碎之后将该液体从稳定化、粉碎的颗粒中除去；将该稳定化、粉碎的颗粒再分散在水中；以及将获得的分散体加入到一种其温度足以使水蒸发的熔融有机蜡中。
37．权利要求34的方法，其中该液体是含不多于约10个碳原子的脂族醇；该表面活性剂是可溶于醇的四烷基铵卤化物、乙氧基化烷基胺、或者伯、仲或叔烷基一或芳基胺；以及该有机蜡是聚乙烯蜡。
38．权利要求36的方法，其中该液体是含不多于约10个碳原子的脂族醇；该表面活性剂是可溶于醇的四烷基铵卤化物、乙氧基化烷基胺、或者伯、仲或叔烷基一或芳基胺；以及该有机蜡是聚乙烯蜡。
39．权利要求23的方法，其中粉碎是采用球磨、立式球磨机或销钉研磨机来完成的。
40．权利要求29的方法，其中脂族醇是2-丙醇或1-丁醇。
41．一种包含权利要求20的非织造纤网的过滤介质。
42．权利要求41的过滤介质，其中非织造纤网适合用来从气流中去除颗粒物质。
43．权利要求41的过滤介质，其中非织造纤网是一种加热、通风、空调过滤器的组成部分。
44．权利要求41的过滤介质，其中非织造纤网是一种空调或加热过滤器的组成部分。
45．权利要求41的过滤介质，其中非织造纤网是高效颗粒清除过滤器的组成部分。
46．权利要求41的过滤介质，其中非织造纤网是机动车空气过滤器的组成部分。
47．权利要求46的过滤介质，其中非织造纤网是机动车引擎空气过滤器的组成部分。
48．权利要求46的过滤介质，其中非织造纤网是机动车车厢空气过滤器的组成部分。
49．一种包含权利要求20的非织造纤网的真空吸尘器滤尘袋。
50．一种包含权利要求20的非织造纤网的面罩。
51．权利要求50的面罩，其中该面罩是医疗用面罩。
52．一种包含权利要求20的非织造纤网的呼吸器。
53．一种包含权利要求20的非织造纤网的灰尘揩布。
全文摘要
一种包含热塑性聚合物及分散于其中的铁电材料颗粒的纤维。该热塑性聚合物例如可以是聚烯烃,如聚丙烯或聚乙烯,而该铁电材料可以是钛酸钡。铁电材料的含量可为约0. 01～约50%(重量)(约0. 001～约13%(体积)),且其最长尺寸为约10纳米～约10微米。可使该纤维处于电场中,进行处理.许多这样的纤维可用来制成针织或机织或非织造纤网。还提供一种制备包含铁电材料颗粒的纤维的方法。该方法包括将铁电材料在液体及表面活性剂的存在下粉碎(destructuring)以获得粉碎(destructured)的颗粒;该液体是该表面活性剂的溶剂,该表面活性剂适合用来使粉碎的颗粒稳定化、抗凝聚.然后,制成由稳定化、粉碎的铁电材料颗粒与热塑性聚合物构成的共混物,并将其挤出成纤维。将挤出的纤维收集在移动的多孔支持物上,形成非织造纤网,希望的话,还可令其处于电场中,接受电场的作用。本发明的纤维,特别是当制成非织造纤网时,尤其适合用作过滤介质。例如,可将该非织造纤网适合用来从气流中去除颗粒物质。
文档编号D04H1/42GK1226293SQ97196715
公开日1999年8月18日 申请日期1997年5月15日 优先权日1996年5月24日
发明者L·A·图尔克维奇, D·L·迈尔斯 申请人:金伯利-克拉克环球有限公司