專利名稱：用于顆粒和分子過濾的具有復雜形狀的纖維的制作方法
背景相關技術描述用活性炭和其他物質作為吸附成分以從氣流中除去雜質是通常已知的。隨著有效的纖維橫截面的出現，有可能生產一種部分中空的纖維。特別有效的橫截面是具有三個從中芯軸伸展出來的T形葉片的橫截面，如美國專利5,057,368所述，該專利被結合到本文作為參考。常規(guī)的過濾器在多種應用中使用固體或液體材料涂覆的過濾介質，但是許多這些應用依靠吸收而不是吸附。當待除去的顆粒附著在過濾材料成分的表面上時發(fā)生吸附，而當控制分子運動的機動性從而以一種非機械的方式將不需要的顆粒從一個區(qū)移到另一個區(qū)時則發(fā)生吸收。當某些去除雜質的液體或固體被填充在纖維內部形成的空穴中時，多葉形纖維作為芯吸纖維(wicking fiber)是特別有效的。
填充有固體過濾顆粒的多葉形纖維被用在吸附空氣過濾以及除味應用中。這種過濾顆粒已經包括了碳顆粒、沸石、碳酸氫鈉、環(huán)糊精以及可以吸附某些雜質的固體的使用(參看美國專利5,759,354，其被結合到本文作為參考)。其他利用多葉形纖維作為芯吸纖維的應用還包括了某些填充在纖維內部空穴中的液體的吸收特性。通常對這些液體進行選擇從而以一種可逆的方式從被污染的氣流中輕微地吸收氣味和氣體分子，幫助這些分子最終分散到第二氣流中(參看美國專利5,891,221和5,704,966，它們被結合到本文作為參考)。
在集成電路的生產中，保持環(huán)境不含污染物是特別關鍵的，這是因為晶片非常容易受細小顆粒和低含量的某些化學物質的影響。這可以通過在具有過濾空氣的凈室內生產晶片來實現。使用過濾器以將顆粒和化學物質含量降低到極低水平(低于十億分之一)。半導體工具有時也裝配有環(huán)境控制器，可在處理期間提供局部超凈空氣流。但是，常規(guī)的化學過濾器具有極短的壽命，需要經常更換，并且在有效濾去某些化學物質時無效。
概述本發(fā)明描述了一種用于化學污染物過濾用途、具有長壽命的超高效多葉形纖維過濾器。所述纖維過濾器的出乎意料的超高效將污染物降到了在十億分之幾的低水平。將反應試劑(優(yōu)選液體或固體形式的酸或堿)置于纖維的各長度內的縱向槽內。所述試劑可以通過任何已知的機理與堿污染物起反應，如酸-堿反應形成離子鍵、氧化-還原反應、本領域已知的各種其他有機和無機反應機理形成共價鍵、氫鍵、配位化合物或絡合化合物。所述試劑可以被單獨使用或與吸附性顆粒一起使用，所述吸附性顆粒可以與試劑一起被用在纖維中的縱向槽內。在一個實施方案中，使所述纖維形成單層纖維氈，在另一個實施方案中，使所述纖維形成多層纖維氈，但是試劑保持暴露于流經過濾器的被污染的氣流中。流體流中的污染物在纖維的縱向槽內反應。由于堿污染物和試劑反應，污染物被保留在纖維的縱向槽內。
在一個優(yōu)選的實施方案中，所述污染物為銨和/或胺，所述試劑為酸。酸浸漬的多葉形纖維明顯比幾種可買到的過濾器更有效。所述過濾器可被用在多種應用中，包括安裝在現場的凈室和過濾室。
附圖簡述

圖1表示一根多葉形纖維的詳細截面圖。
圖2表示由具有置于各多葉形纖維內的試劑的多葉形纖維制成的纖維氈的特寫圖。
圖3表示圖2的纖維氈的更大范圍的圖。
圖4表示酸浸漬的多葉形纖維與兩種其他可買到的過濾器的污染物隨時間穿透(breakthrough)的百分比的對照圖。
圖5表示在一個實施方案中的用于以酸浸漬的多葉形纖維過濾氣流的一個腔。
圖6表示具有多層多葉形纖維過濾器的圖5的腔。
在不同的圖中使用相同的參考符號表示類似或相同的部分。
詳細描述圖1表示單獨的多葉形纖維2的詳細截面圖。纖維2是由熱塑性聚合物制成的一類纖維，并且是通過常規(guī)纖維形成技術，如在作為參考的上述美國專利5,057,368中所述的通過常規(guī)的噴絲板對纖維組合物進行紡絲的技術所形成的。纖維2包括芯4，三個葉片6由4開始向外延伸。各葉片6以蓋子8結束，蓋子8垂直地連接在葉片6的末端。在葉片6和臨近的蓋子8之間形成的空穴貫穿多葉形纖維2的整個長度，形成縱向槽10。多葉形纖維2具有保留粉末狀顆粒物如粉末狀碳的能力。碳粉末可以通過被蓋子8夾住從而機械地夾持在槽10中，而無需使用任何液體。可以通過撲撒粉末使其進入纖維內，然后抖落過量的粉末或者用風扇扇去過量的粉末來將粉末夾在槽10中。
優(yōu)選纖維2可以通過毛細力將液體保持在槽10中。圖2表示纖維氈100的特寫圖，纖維氈100中液體試劑12被填充在網眼纖維2的槽10中?？梢酝ㄟ^使液滴滲透纖維氈100，在與纖維2的表面撞擊后芯吸(wicking)入槽10從而將液體試劑12填充在槽10中。在液滴與纖維2撞擊后，它們快速地聚結到槽10中，同時在纖維2之間留下開孔，使氣流沒有阻礙地通過纖維氈100。或者，可以通過將纖維2浸入試劑12，并除去過量的試劑12，從而由纖維2通過毛細力將試劑12吸到槽10中。
可以通過不同的方法如迫使試劑12通過一個機械噴霧器，或者優(yōu)選使用常規(guī)的液體點滴器使試劑12形成液滴。試劑12可以是各種液體，如酸、氧化劑、還原劑、絡合劑、配位劑和潮解劑，但優(yōu)選使用酸。用作試劑12的酸包括但不限于無機酸如硼酸，優(yōu)選磷酸或硫酸。與無機酸相比，使用有機酸更好。有機酸包括但不限于單羧酸、二羧酸和三羧酸，這些類型的有機酸包括檸檬酸、乳酸、馬來酸、富馬酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水楊酸和蘋果酸。在另一個實施方案中，也可以使用粉末狀的酸來代替液體酸，以一種類似于上述用于碳粉的方法使其浸透到槽10中。在一個替代實施方案中，也可以將粉末狀的堿用于過濾非堿性污染物。這種粉末狀的堿包括如碳酸氫鈉(發(fā)酵粉)、碳酸鈉、氫氧化鈉、磷酸三鈉、碳酸鉀、氫氧化鉀和四硼酸鈉。而且，試劑12可以包括含過渡金屬如銅的配位劑；含誘捕劑如環(huán)糊精的絡合劑。
圖3是纖維氈100的更大范圍的圖?？梢詫⒗w維2打褶或將其制成多層，以形成多種結構的纖維氈100。通常，槽10內的體積組成多葉形纖維2的體積的大約一半，并且取決于污染物的密度，在槽10中纖維2可以獲得約100％重量的液體污染物以及25％-125％重量的固體粉末。利用多葉形纖維2的性質來捕獲液體或固體污染物，將試劑12用于吸附性和吸收性過濾應用。有意將試劑12浸漬在槽10中，試劑12可以是反應性液體或固體試劑，優(yōu)選都為酸，纖維氈100被用作支承性網以將試劑12保持在高度分散的配置中用于除去吸附性和吸收性的分子污染物。多葉形纖維12不僅可以保持液體或固體(酸)試劑12，對于保持液體試劑和固體顆粒的組合也是有效的。固體吸附物如沸石、氧化鋁、活性碳(浸漬過的并且是新的)以及化學改性的硅石也可以以液體或固體形式與酸性試劑12結合，浸漬在多葉形纖維2的槽10中。固體吸附物也可以與堿性試劑12結合并浸漬在槽10中。
在從經過的流體流中過濾堿性污染物的情況下纖維氈100是特別有效的。認為堿是化學領域通常被視為堿的任何化學物質或化合物。這些化學物質和化合物包括路易斯堿、shift base、含水堿，優(yōu)選在含水環(huán)境中呈堿性的任何化合物。銨和胺是優(yōu)選的堿。
用液體酸性試劑12浸漬的纖維氈100對于從經過的流體流中吸收堿性污染物，如銨、NH3和胺(例如n-甲基-2-吡咯烷酮(NMP))是特別有效的。含污染物例如銨離子的氣流通過纖維氈100。當其通過被酸性試劑12浸漬過的多葉形纖維2時，銨離子與酸性試劑12發(fā)生化學反應(本領域眾所周知的反應)并且被酸性試劑12吸附而形成鹽。酸性試劑12與銨離子交換氫原子，形成副產物水，并且使銨離子與酸性試劑12反應，并結合到酸性試劑12中。試劑12不可逆地將銨離子保留在多葉形纖維2的槽10中。
用液體酸性試劑12浸漬過的多葉形纖維2的結合在過濾堿性污染物方面具有出乎意料的超高效。從圖4中可以看出，當與兩種通常買到的用酸浸漬過的商品過濾器比較時，利用被酸性試劑12浸漬過的多葉形纖維2的纖維氈100的有效性。使3種過濾器都連續(xù)暴露于在空氣中稀釋百萬分之90(ppm)的被銨污染的氣體中。將所述空氣調節(jié)到50％相對濕度和23℃，使所述空氣以150英尺/分鐘的速度吹過過濾器，以使三種過濾器得到相同的壓降。在各過濾器的下游連續(xù)測量堿性氣體的濃度，繪制污染物隨時間的穿透的百分比。穿透百分比是指保留在過濾器的空氣下游的污染物的量相對于在過濾器的氣體上游中的最初污染物的量。
正如由圖4可以看到的，曲線A代表被酸性試劑12浸漬過的多葉形纖維2。曲線B和C代表其他可買到的過濾器的結果。曲線A的結果表明被酸浸漬過的多葉形纖維2具有超過曲線B或C的顯著的污染物保持性，表明與多葉形纖維2結合的酸性試劑12具有有效性和長壽命。纖維氈100的保持時間接近曲線B所示保持時間的三倍(在約0％穿透時的120分鐘相對于曲線B在4％穿透時的40分鐘)。
利用在多葉形纖維2中的酸性試劑12的纖維氈100可以被用于多種應用，例如將多葉形纖維2打摺或層疊以形成纖維氈100。在一個實施方案中，纖維氈100可以被用作圖5所示過濾腔102中的一個過濾元件。腔102包括殼18，它可以由常規(guī)的金屬如鋁設計以適應操作和現場安裝。打摺或層疊的纖維氈100與殼18相連，優(yōu)選經粘結劑或低除氣膠(outgassing glue)連接。在一個替代實施方案中。也可能將纖維氈100連接在框架上(框架未示出)；然后可以將帶有纖維氈100的該框架安裝到殼18中或者可交換地移到殼18中。殼18還具有入口14和出口16，以使氣流20通過過濾腔102，同時被纖維氈100過濾。腔102可以被用于向銨、胺以及化學凈室環(huán)境中的顆粒提供顆?；蚧瘜W過濾作用。
圖6表示纖維氈100的一個替代實施方案。除用多層纖維氈100′代替纖維氈100外，圖6在大多數方面類似于圖5中的腔102。多層纖維氈100′是由數個單獨的相鄰層組成的一個過濾器。用任一種上面討論的試劑浸漬各獨立層，將各層使用不同試劑的多個獨立的層結合起來形成一個單獨的多層纖維氈。層數可以從1到N，纖維氈100′可以含任何層與試劑的組合，這取決于所需的功能。
盡管參考具體實施方案對本發(fā)明進行了描述，但本說明書僅僅是對本發(fā)明的應用的一個實施例，不應當將其作為限制。特別是盡管大多數前面討論的是針對液態(tài)酸浸漬的多葉形纖維2，但本發(fā)明的替代實施方案包括用固體酸性試劑12浸漬的多葉形纖維2和以液體和固體形式的堿浸漬以過濾非堿性污染物的多葉形纖維2。公開的實施方案的各種其他修改和特性的組合包括在由下面的權利要求定義的本發(fā)明的范圍內。
權利要求
1.一種用于從流體流中除去堿性污染物的含纖維氈的過濾器，它包含多個伸長的纖維，各纖維界定多個縱向延伸的內部空穴，各個空穴具有一個朝向所述纖維外表面的開口；一種試劑，它被置于所述伸長的纖維的所述內部空穴中，并且可與所述堿污染物發(fā)生化學反應；其中所述試劑被保留在所述內部空穴中，并暴露于定向通過所述纖維的所述流體流中；其中所述試劑適合與所述堿性污染物反應。
2.權利要求1的過濾器，其中所述纖維具有多個與所述纖維的朝向所述外表面的所述開口相連的被封著的葉片。
3.權利要求2的過濾器，其中所述被封著的葉片是T形的。
4.權利要求1的過濾器，其中有三個所述內部空穴。
5.權利要求1的過濾器，其中所述試劑適合與選自銨和胺的所述堿性污染物反應。
6.權利要求1的過濾器，它還含有一種置于所述內部空穴中的吸附性固體，所述吸附性固體選自沸石、氧化鋁、活性炭和硅石。
7.權利要求6的過濾器，其中所述吸附性固體被選自酸、配位劑、絡合劑和潮解劑的試劑浸漬。
8.權利要求1的過濾器，其中所述試劑選自酸、配位劑、絡合劑和潮解劑。
9.權利要求8的過濾器，其中所述酸是選自磷酸、硫酸和硼酸的無機酸。
10.權利要求8的過濾器，其中所述酸是選自檸檬酸、乳酸、馬來酸、富馬酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水楊酸和蘋果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有機酸。
11.權利要求8的過濾器，其中所述試劑是液體。
12.權利要求8的過濾器，其中所述試劑是固體。
13.一種用于從流體流中除去堿性污染物的含多層纖維氈的過濾器，它包含多個相鄰的纖維層，各所述層包括多個伸長的纖維，各纖維界定多個縱向延伸的內部空穴，各個空穴具有一個朝向所述纖維外表面的開口；一種試劑，它被置于所述伸長的纖維的所述內部空穴中，并且可與所述堿性污染物發(fā)生化學反應；其中所述試劑被保留在所述內部空穴中，并暴露于定向通過所述纖維的所述流體流中；其中所述試劑適合與所述堿性污染物反應；其中在各所述層中的所述試劑選自酸、配位劑、絡合劑和潮解劑；其中各所述纖維層含不同的試劑。
14.權利要求13的過濾器，其中所述纖維具有多個與所述纖維的朝向所述外表面的所述開口相連的被封著的葉片。
15.權利要求13的過濾器，其中所述被封著的葉片是T形的。
16.權利要求13的過濾器，其中有三個所述內部空穴。
17.權利要求13的過濾器，其中所述試劑適合與選自銨和胺的所述堿性污染物反應。
18.權利要求13的過濾器，它還含有一種置于所述內部空穴中的吸附性固體，所述吸附性固體選自沸石、氧化鋁、活性炭和硅石。
19.權利要求18的過濾器，其中所述吸附性固體被選自酸、配位劑、絡合劑和潮解劑的試劑浸漬。
20.權利要求13的過濾器，其中所述酸是選自磷酸、硫酸和硼酸的無機酸。
21.權利要求13的過濾器，其中所述酸是選自檸檬酸、乳酸、馬來酸、富馬酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水楊酸和蘋果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有機酸。
22.權利要求13的過濾器，其中所述試劑是液體。
23.權利要求13的過濾器，其中所述試劑是固體。
24.一個用于從氣流中除去堿性污染物的過濾體系，它包含一個殼，該殼還包含一個所述氣流通過其進入的入口和一個所述氣流通過其離開的出口；一個置于所述殼中的過濾器，該過濾器還包括多個伸長的纖維，各纖維界定多個縱向延伸的內部空穴，各個所述空穴具有一個朝向所述纖維外表面的開口；一種試劑，它被置于所述伸長的纖維的所述內部空穴中，這樣所述試劑被保留在所述內部空穴中，并且暴露于所述氣流中，從而所述試劑與至少一部分所述堿性污染物發(fā)生化學反應。
25.權利要求24的過濾器，其中所述纖維具有多個與所述纖維的朝向所述外表面的所述開口相連的被封著的葉片。
26.權利要求24的過濾器，其中所述被封著的葉片是T形的。
27.權利要求24的過濾器，其中有三個所述內部空穴。
28.權利要求24的過濾器，其中所述試劑適合與選自銨和胺的所述堿性污染物反應。
29.權利要求24的過濾器，它還含有一種置于所述內部空穴中的吸附性固體，所述吸附性固體選自沸石、氧化鋁、活性炭和硅石。
30.權利要求29的過濾器，其中所述吸附性固體被選自酸、配位劑、絡合劑和潮解劑的試劑浸漬。
31.權利要求29的過濾器，其中所述試劑選自酸、配位劑、絡合劑和潮解劑。
32.權利要求31的過濾器，其中所述酸是選自磷酸、硫酸和硼酸的無機酸。
33.權利要求31的過濾器，其中所述酸是選自檸檬酸、乳酸、馬來酸、富馬酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水楊酸和蘋果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有機酸。
34.權利要求31的過濾器，其中所述試劑是液體。
35.權利要求31的過濾器，其中所述試劑是固體。
36.一種用于從氣流中除去銨和胺的含纖維氈的過濾器，所述纖維氈包含多個伸長的纖維，各纖維界定多個縱向延伸的內部空穴，各個所述空穴具有一個朝向所述纖維外表面的開口；一種酸，它被置于所述伸長的纖維的所述內部空穴中；其中所述酸被保留在所述內部空穴中，并暴露于定向通過所述纖維的所述氣流中；其中所述酸與至少一部分所述銨和胺反應以形成被保留在所述內部空穴中的鹽。
37.權利要求36的過濾器，其中所述纖維具有多個與所述纖維的朝向所述外表面的所述開口相連的被封著的葉片。
38.權利要求36的過濾器，其中所述被封著的葉片是T形的。
39.權利要求36的過濾器，其中有三個所述內部空穴。
40.權利要求36的過濾器，其中所述酸是液體。
41.權利要求36的過濾器，其中所述酸是固體。
42.權利要求36的過濾器，其中所述酸是選自磷酸、硫酸和硼酸的無機酸。
43.權利要求36的過濾器，其中所述酸是選自檸檬酸、乳酸、馬來酸、富馬酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水楊酸和蘋果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有機酸。
44.一種從流體流中除去銨和胺的方法，它包括提供一種過濾器，所述過濾器包含多個伸長的纖維，各纖維界定多個縱向延伸的內部空穴，各個所述空穴具有一個朝向所述纖維外表面的開口；一種酸，它被置于所述伸長的纖維的所述內部空穴中，從而所述酸被保留在所述內部空穴中；使所述流體流定向通過所述過濾器，由此在所述過濾器中的所述酸與至少一部分所述銨和胺反應以形成被保留在所述過濾器的所述纖維的所述內部空穴中的鹽。
45.權利要求44的方法，其中所述纖維具有多個與所述纖維的朝向所述外表面的所述開口相連的被封著的葉片。
46.權利要求44的方法，其中所述被封著的葉片是T形的。
47.權利要求44的方法，其中有三個所述內部空穴。
48.權利要求44的方法，其中所述酸是液體。
49.權利要求44的方法，其中所述酸是固體。
50.權利要求44的方法，其中所述酸是選自磷酸、硫酸和硼酸的無機酸。
51.權利要求44的方法，其中所述酸是選自檸檬酸、乳酸、馬來酸、富馬酸、己酸、月桂酸、草酸、丙二酸、酒石酸、琥珀酸、水楊酸和蘋果酸的一元羧酸、二羧酸或三羧酸有機酸。
全文摘要
描述了一種用于化學污染物過濾用途的超高效多葉形橫截面纖維過濾器。將吸收性化學反應試劑，優(yōu)選液體形式的酸或堿，或者固體形式的吸附性化學反應試劑(酸或堿)置于各纖維長度內的縱向槽內。所述試劑可以被單獨使用或與固體吸附性顆粒一起使用，所述吸附性顆?？梢耘c試劑一起被用在纖維中的縱向槽內。在纖維中的試劑仍暴露于通過過濾器的被堿污染的氣流中。在氣流中的堿污染物化學物質如銨和胺(以及顆粒)與纖維的縱向槽內的酸性試劑反應。由于污染物和試劑反應，銨或胺不可逆地被吸收(如果試劑為固體酸，則被吸附)至液體酸性試劑和多葉形纖維中。
文檔編號D06M11/70GK1409648SQ00817024
公開日2003年4月9日 申請日期2000年10月17日 優(yōu)先權日1999年10月20日
發(fā)明者N·H·亨德里克斯, W·E·麥克格維, R·R·勒克萊雷, A·G·譚諾斯, P·翁格爾, D·鮑斯, R·羅爾巴赫, J·米勒 申請人:聯合訊號公司