專利名稱：多層納米纖維過濾器的制作方法
多層納米纖維過濾器
背景技術：
在過濾介質中已經使用在IOnm至IOOOnm范圍的納米纖維來捕獲低于IOOOnm的亞微米顆粒。據(jù)信納米纖維捕獲顆粒的能力歸因于纖維對亞微米顆粒的攔截和亞微米顆粒的布朗運動或“隨機漫步”的組合，這兩者便于顆粒被納米纖維的大表面/質量比所捕獲。常規(guī)的過濾介質可以具有尺寸分布在IOOnm至300nm范圍的鋪設在介質的基體層上的納米纖維層，如圖IA所示?？梢岳缤ㄟ^減少纖維直徑和/或增加納米纖維的如以克納米纖維/平方米度量的堆積密度，增加納米纖維的表面積，實現(xiàn)捕獲能力的進一步增加。 但是，由于納米纖維不具有結構剛性，當鋪設更多的纖維時，額外的納米纖維通常壓縮形成緊密(即，低孔隙度或空隙空間)和厚的層，這顯著增加了橫跨介質的壓降。這降低了空氣流對過濾介質的透過性，使過濾介質具有不希望的透氣性。通常希望研發(fā)出一種具有高過濾效率和低壓降的改進型納米纖維過濾介質。還希望研發(fā)出制備具有這些改進性能的納米纖維過濾介質。

發(fā)明內容
根據(jù)一個方面，過濾介質可以包括至少一個基體層和至少兩個納米纖維層。所述基體層夾在系列形式的所述納米纖維層之間以形成交替(alternating)的層壓單元。根據(jù)另一方面，制備過濾介質的方法可以包括將納米纖維涂覆在基體層的一面或兩面上以形成層壓單元，和以系列形式堆疊至少兩個所述單元以形成交替的層壓單元。根據(jù)又一方面，制備過濾介質的方法可以包括將納米纖維涂覆在基體層的一面或兩面上以形成層壓單元，和以曲折(serpentine)布置方式折疊至少兩個所述單元以形成交替的層壓單元。制備包括由基體介質支持的多個納米纖維層的過濾介質的方法是作為目前最優(yōu)選的實施方式，其中所有納米纖維層具有超過98體積％的開孔。


圖IA示出了現(xiàn)有技術的過濾介質，該過濾介質在基體層上的納米纖維層具有 0.12克/平方米納米纖維。圖IB示出了本發(fā)明的過濾介質，該過濾介質具有夾在納米纖維層之間的基體層， 在每一側上所述納米纖維層具有0. 12克/平方米納米纖維。圖2A示出了圖IA的現(xiàn)有技術的過濾介質，該過濾介質具有0. M克/平方米納米纖維。圖2B示出了本發(fā)明的過濾介質，該過濾介質具有堆疊起來的兩個如圖IA所示的過濾介質，以形成具有0. M克/平方米納米纖維的層壓單元。圖2C示出了本發(fā)明的過濾介質，該過濾介質具有堆疊起來的兩個如圖IB所示的過濾介質，以形成具有0. 48克/平方米納米纖維的層壓單元。圖3A示出了圖IA的現(xiàn)有技術的過濾介質，該過濾介質具有0. 36克/平方米納米
3纖維。圖:3B示出了本發(fā)明的過濾介質，該過濾介質具有堆疊起來的三個如圖IA所示的過濾介質，以形成具有0. 36克/平方米納米纖維的層壓單元。圖3C示出了本發(fā)明的過濾介質，該過濾介質具有堆疊起來的三個如圖IB所示的過濾介質，以形成具有0. 72克/平方米納米纖維的層壓單元。圖4A示出了圖1的現(xiàn)有技術的過濾介質，該過濾介質具有0.48克/平方米納米纖維。圖4B示出了本發(fā)明的過濾介質，該過濾介質具有堆疊起來的四個如圖IA所示的過濾介質，以形成具有0. 48克/平方米納米纖維的層壓單元。圖4C示出了本發(fā)明的過濾介質，該過濾介質具有堆疊起來的四個如圖IB所示的過濾介質，以形成具有0. 96克/平方米納米纖維的層壓單元。圖5A示出了過濾介質中的納米纖維層的相對于現(xiàn)有技術測得的厚度。圖5B示出了過濾介質的相對于現(xiàn)有技術測得的厚度。圖6示出了過濾介質的納米纖維的相對于現(xiàn)有技術測得的固體體積分數(shù)。圖7示出了過濾介質的相對于現(xiàn)有技術測得的孔隙度。圖8A示出了單層過濾介質和多層過濾介質的捕獲效率和壓降。圖8B示出了單層面罩過濾介質和多層面罩過濾介質的捕獲效率和壓降。圖8C示出了多層過濾介質的捕獲效率和壓降，尺寸為0.3微米的顆粒的最小捕獲率為95%。圖9A示出了涂覆在多孔性支持層上的單層納米纖維層。圖9B示出了具有5個納米纖維層的過濾介質，由圖9A的單層納米纖維層折疊得到。圖9C示出了涂覆在多孔性支持層的兩側上的單層納米纖維層。圖9D示出了具有10個納米纖維層的過濾介質，由圖9C的單層納米纖維層折疊得到。圖10示出了不同堆積密度的多層過濾介質對50nm顆粒的捕獲效率和壓降。圖11示出了不同堆積密度的多層過濾介質對IOOnm顆粒的捕獲效率和壓降。圖12示出了不同堆積密度的多層過濾介質對200nm顆粒的捕獲效率和壓降。圖13示出了不同堆積密度的多層過濾介質對300nm顆粒的捕獲效率和壓降。圖14示出了不同堆積密度的多層過濾介質對400nm顆粒的捕獲效率和壓降。圖15示出了 0. 233克/平方米納米纖維的多層納米纖維過濾介質的相對質量因 ^ (relative quality factor)禾口—雙·。圖16示出了 0. 350克/平方米納米纖維的多層納米纖維過濾介質的相對質量因數(shù)和捕獲效率。圖17示出了 0. 467克/平方米納米纖維的多層納米纖維過濾介質的相對質量因數(shù)和捕獲效率。
具體實施例方式現(xiàn)在詳細參考本發(fā)明的具體實施方式
，其實例還在隨后的描述中提供。盡管詳細描述了本發(fā)明的示例性實施方式，但是對于本領域技術人員而言應當明了的是，對于理解本發(fā)明不是特別重要的一些特征可能為了清楚目的而沒有示出。另外應當理解的是，本發(fā)明不限于下述的精確的實施方式，并且本領域技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和改變而沒有脫離本發(fā)明的實質或范圍。例如，不同的例示性實施方式的要素和/或特征可以在本公開內容和所附權利要求的范圍內相互組合和/或相互替代。另外，在閱讀本公開內容、附圖和所附權利要求后本領域技術人員可以明了的改進和改變被認為是處在本發(fā)明的實質和范圍內。過濾介質可以包括一個基體層和至少一個涂覆在所述基體層的至少一側上的納米纖維層，以形成雙層層壓單元，如圖IA所示。在一個實施方式中，過濾介質還可以包括至少一個基體層和至少兩個納米纖維層。所述基體層可以以序列(series)形式夾在納米纖維層之間以形成交替三層層壓單元，如圖IB所示。納米纖維層和基體層可以相互粘附以形成充分粘結的層壓結構。術語“充分粘結的層壓結構”是指沒有明顯起皺的層的多層過濾介質。使用厚度小的層有利于形成充分粘結的層壓結構。為了提高捕獲效率的同時降低壓降，過濾介質可以具有多層，如圖2B、2C、;3B、3C、 4B和4C所示。箭頭示出空氣流的方向。多層過濾介質可以包括以平行和重復雙層或三層層壓單元的序列布置的多于一個雙層單元或一個三層單元，使得過濾介質交替在納米纖維層和基體層之間。過濾介質中雙層和三層的數(shù)量可以由包括用以達成希望的顆粒捕獲效率的期望的總聚合物堆積密度、希望的總介質厚度、各層厚度以及容許最大壓降在內的因素確定。因此，過濾介質因堆積密度增加而具有較高的過濾效率但不出現(xiàn)橫跨過濾介質的高壓降。該構造的過濾介質可以具有很多優(yōu)點納米纖維在各納米纖維層中可以保持低的固體體積分數(shù)(或等同為較高的孔隙度)、過濾器中的納米纖維層的總厚度可以充分超過具有相同總聚合物堆積密度(即相同的克/平方米或“gsm”)的單個納米纖維層，對于亞微米顆粒可以獲得高的顆粒捕獲效率，在與具有相同堆積密度(即相同的gsm)的單層相比時可以實現(xiàn)較低的壓降，基體層可以用作為過濾介質提供機械應力(張力)的支持體，并且基體層可以用作過濾介質。多層過濾介質的一個實例可以包括以交替構造堆疊在一起的兩個納米纖維層和兩個基體層，如圖2B所示，這不同于只包括粘結到單層基體層上的單層納米纖維層的現(xiàn)有技術，如圖2A所示。在該實例中，圖2A和2B的過濾介質都含有0. 24g/m2的納米纖維，而圖2C含有0. 48g/m2的納米纖維。多層過濾介質的另一個實例可以包括以交替構造堆疊在一起的三個納米纖維層和三個基體層，如圖;3B所示，這不同于只包括粘結到單層基體層上的單層納米纖維層的現(xiàn)有技術形成，如圖3A所示。在該實例中，圖3A和;3B的過濾介質都含有0. 36g/m2的納米纖維，而圖3C中的三個三層堆疊體(stackup)含有0. 72g/m2的納米纖維。多層過濾介質的又一個實例可以包括以交替構造堆疊在一起的四個納米纖維層和四個基體層，如圖4B所示，這不同于只包括粘結到單層基體層上的單層納米纖維層的現(xiàn)有技術，如圖4A所示。在該實例中，圖4A和4B的過濾介質都含有0. 48g/m2的納米纖維， 而圖4C中的四層介質含有0. 96g/m2的納米纖維。過濾介質中的納米纖維可以通過各種方式獲得。例如，納米纖維可以通過對聚合物溶液進行電紡絲來制備。在另一個實例中，納米纖維可以通過對聚合物進行熔噴來獲得。 可以采用的聚合物的實例可以包括聚烯烴、聚縮醛、聚酰胺、聚酯、纖維素醚和酯、聚亞烴化硫、聚亞芳基氧化物(polyaryleneoxide)、聚砜、修飾的聚砜聚合物、尼龍、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚碳酸酯以及它們的混合物。在一個實例中，納米纖維可以通過對尼龍6聚合物的 98%甲酸溶液進行電紡絲來形成。在另一個實例中，納米纖維可以通過對聚苯乙烯或聚氯乙烯的四氫呋喃(THF)溶液進行電紡絲來形成。在另一個實例中，納米纖維可以通過對溶解在水中的聚氧化乙烯(PEO)進行電紡絲來形成。在又一個實例中，可以對聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)進行電紡絲或熔融紡絲而直接由它們的聚合物熔融體制成納米纖維。只要所得溶液或聚合物熔融體具有與蜂蜜類似的粘度(在25°C的粘度為至少2000cP (厘泊)至3000cP)，則該溶液、熔融體或適當?shù)暮蜻x材料就可以被紡絲成納米纖維。納米纖維還可以使用本領域技術人員已知的其他工藝形成。納米纖維可以具有約5納米至約900納米的平均直徑，優(yōu)選具有約100納米至約 300納米的平均直徑，更優(yōu)選具有約150納米至約250納米的平均直徑。例如，當尼龍6在聚合物溶液中的重量百分比為約18%至約時，并且在電極電壓為25kV和噴嘴到接收屏的距離為14cm的電紡絲條件下，電紡絲尼龍6納米纖維可以具有約147納米至249納米的平均纖維直徑。平均纖維直徑可以通過拍攝SEM(電子掃描顯微鏡)圖像再從圖像中隨機選擇并測量30根納米纖維的直徑來表征。通過降低噴嘴到接收屏的距離，例如5厘米， 可以將纖維直徑增加到600納米至800納米。這種直徑降低的一種可能解釋是纖維沒有時間通過存留在纖維表面的同性電荷的電荷排斥來拉伸而變得更細(即直徑更小)?；w層可以包括能夠作為支持體為過濾介質提供機械強度的任何多孔性的非織造材料。例如，基體層可以包括微米纖維。微米纖維的實例可以包括聚乙烯、聚乙烯、玻璃、 乙酸纖維素、活性碳纖維或者它們的組合。微米纖維可以具有約1微米至約30微米的平均直徑，這些微米纖維可以包括具有約1微米至約20微米的平均直徑的細微米纖維和具有約 10微米至30微米的平均直徑的粗微米纖維，例如活性碳纖維。過濾介質中的微米纖維的含量可以在約10克/平方米過濾面積至約600克/平方米過濾面積之間變化。在一個實例中，可以直接將納米纖維電紡絲在非織造微米纖維片材的表面上。在另一個實例中，可以將微米纖維放在液體中，并且將納米纖維電紡絲在微米纖維上。然后可以對液體懸浮液進行空氣循環(huán)處理，并且真空除去所述液體。接著，使用少量的相容性粘合劑通過機械壓縮將微米纖維和納米纖維壓在一起形成剛性結構。基體層可以包括一種或多種呈例如微粒、纖維、須狀物或粉末形式的添加劑。添加劑的實例可以包括抗微生物基材。術語“抗微生物基材”是指能夠用來殺滅微生物、病毒或細菌或使微生物、病毒或細菌不能生存的任何化學品或顆粒?？刮⑸锘目梢园ㄓ梢韵挛镔|制得的納米顆粒氧化鎂(MgO)、銀(Ag)化合物(包括硝酸銀)、氧化鈦納米顆粒、聚 (N-芐基-4-乙烯基氯化吡啶)或者它們的組合。添加劑的實例還包括吸附顆粒。術語“吸附顆?！笔侵讣{米尺寸的吸附劑，其分子大小為約0. 5納米至約100納米，可以從流體流將顆粒和揮發(fā)性有機化合物(VOC)物理吸引并吸附到吸附顆粒的表面。這種吸引可以涉及靜電或化學相互作用。吸附顆粒的實例可以包括活性碳、硅膠、活性氧化鋁、沸石、多孔性粘土礦物質、分子篩或者它們的組合。還可以使用由氧化鋅、氧化鈣、氧化銅、氧化鎂、二氧化錳、氧化錳、氧化鋁和沸石制得的納米尺寸的吸附劑來過濾諸如硫化氫之類的特定分子。添加劑可以進一步包括多種解吸物質。術語“解吸物質”是指可以從基體層的表面或孔隙擴散掉的顆?；蛘羝?。例如，解吸物質可以包括藥物或香料顆?；蛘羝?。解吸物質可以隨時間逐漸擴散，而不是以單劑量或多計量脈沖釋放。用于治療哮喘和呼吸系統(tǒng)疾病的解吸物質可以用于醫(yī)藥用途。解吸物質的實例可以包括用于慢性梗阻性肺部疾病的留族化合物；用于治療哮喘的沙丁胺醇粉末；用于減弱特異性疾病相關mRNA的可吸入反義寡核苷酸(RASON)；用于治療與慢性阻塞性肺病相關的支氣管痙攣的SpirivaHandiHaler (噻托溴銨，可以從Boehringer Ingelheim獲得)；用于治療哮喘的Qvar@(丙酸倍氯米松，可以從Ivax獲得)；用于治療可逆性阻塞性氣道疾病的作為吸入溶液的Xopene/ (可以從kpracor獲得)；用于治療與COPD相關的支氣管痙攣的 DuoNeb (硫酸沙丁胺醇和異丙托溴銨，可從Dey實驗室獲得)；用于治療C0PD、哮喘和支氣管痙攣的作為支氣管擴張劑的Foradil Aerolizer (富馬酸福莫特羅吸入粉末，可從 Novartis獲得)；用于治療或預防支氣管痙攣的Ventolin HFA (硫酸沙丁胺醇吸入氣霧齊U，可從GlaxoSmithKline獲得)；用于治療成人和12歲以上兒童中的過敏性鼻炎的鼻部癥狀"Tri-Nasal Spray (曲安奈德噴霧劑，可從Muro Pharmaceutical獲得)；用于治療或預防支氣管痙攣的 Proventil HFA Inhalation Aerosol (可從 3MPharmaceuticals 獲得)；用于噴鼻的含有布地奈德的Rhinocort Aqua Nasal Spray (可從AstraZeneca獲得)；或者它們的組合。解吸物質還可以在家庭、化妝或工業(yè)用途中使用以調節(jié)臨近的周圍環(huán)境。在一個實例中，由 Astrazeneca制造的Symbicort 和由 GSK (GlaxoSmithKline)制造的Serevent 可以用于顆粒的吸附和釋放。這些物質可以為能夠被吸收在基體層上的粉末形式或者液體氣霧劑形式。過濾介質還可以包括一種或多種粘結在層壓體上的覆蓋層。覆蓋層可以包括例如非織造材料。過濾介質進一步包括粘結在覆蓋層之一的疏水層。疏水層可以構造成允許橫跨過濾介質發(fā)生自由氣體交換，同時防止水和其它水性液體進入。因此，疏水層能夠防止攜帶病毒的水滴潤濕和透過覆蓋層。疏水層可以是非極性的。非極性聚合物的實例包括PTFE、 玻璃復合物和尼龍。聚醚砜(PEQ和丙烯酸酯共聚物還可以用來使過濾介質具有疏水性， 這使得膜不能被大多數(shù)低表面張力液體所潤濕。還可以使用生物降解性聚合物，這些生物降解性聚合物可以包括脂肪族聚酯如聚(乳酸)、聚(乙醇酸)、聚(己內酯)以及它們的共聚物。多層過濾介質的幾何學在一個實施方式中，多層過濾介質可以包括涂覆在多孔性基體層上的納米纖維層 (如圖9A所示)，其可以以曲折布置方式折疊成多層納米纖維。例如，具有五個納米纖維層的多層過濾介質在圖9B中示出。在另一個實施方式中，多層過濾介質可以包括涂覆在多孔性基體層上的兩個納米纖維層(如圖9C所示)，其可以以曲折布置方式折疊成多層納米纖維。例如，具有十個納米纖維層的多層過濾介質在圖9D中示出。制造方法制造多層過濾介質的方法可以包括將納米纖維涂覆在基體介質上以形成層壓單元(如圖IA所示)，和以平行和重復雙層層壓單元序列形式堆疊至少兩個單元，使得過濾介質交替在納米纖維層和基體層之間。制造多層過濾介質的另一種方法可以包括在基體兩側上涂覆納米纖維以形成層壓單元(如圖IB所示)，和以平行和重復雙層層壓單元的序列的形式堆疊至少兩個單元，使得基體被兩層納米纖維隔開。質量因數(shù)質量因數(shù)(quality factor, QF)定義為QF = In (1-η) / Δ P，其中，η是過濾器在捕獲特定尺寸的顆粒時提供的收集效率，△ ρ是橫跨過濾器的壓降。具有較高n和/或較低ΔΡ(因而具有較高的QF)的過濾器可以說是具有較好的性能。相對質量因數(shù)(RQF)定義為RQF = QF2AjF1,其中，QF1是過濾器的質量因數(shù)(作為性能基線)，而QF2是將被比較的另一個過濾器的質量因數(shù)?，F(xiàn)在詳細參考本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，其實例還在隨后的描述中提供。盡管詳細描述了本發(fā)明的示例性實施方式，但是對于本領域技術人員而言應當明了的是，對于理解本發(fā)明不是特別重要的一些特征可能為了清楚目的而沒有示出。另外應當理解的是，過濾介質不限于下述的精確的實施方式，并且本領域技術人員可以對本發(fā)明進行各種改動和改變而沒有脫離本發(fā)明的實質或范圍。例如，不同的例示性實施方式的要素和/或特征可以在本公開內容和所附權利要求的范圍內相互組合和/或
相互替代。過濾介質進一步在隨后的實施例中說明，這些實施例無論如何不應解釋為對本發(fā)明范圍加以限制。相反，應當清楚理解的是，可以借助于這些實施例，使得本領域技術人員在閱讀本文的描述之后可以不言自明而沒有脫離本說明書的實質和/或所附權利要求的范圍。實施例實施例1 過濾介質的厚度比較在圖5Α示出了來自電紡絲典型的聚合物/溶劑組合的納米纖維層的測定厚度，所述典型的聚合物/溶劑組合例如為在丙醇中的聚氧化乙烯(PEO)、在甲酸中的尼龍6 (Ν6)、 在四氫呋喃(THF)的聚苯乙烯(PS)、以及同樣在THF中的聚氯化乙烯(PVC)。結果顯示，對于通過將納米纖維層涂覆在基體介質上形成的過濾介質(例如如圖1Α、2Α、3Α和4Α所示的過濾介質)，納米纖維層的厚度中度增加，從在0. 1167gsm時的9. 694微米增加到在0. 7gsm 時的16. 92微米。相反，對于層壓單元形式的過濾介質，納米纖維層的厚度顯著增加，從在 0. 1167gsm時的9. 694微米增加到在0. 7gsm時的58. 16微米。圖5顯示，包括基體介質的厚度(約lX10_4m)，在等量納米纖維的情況下，采用如圖IB所示的過濾介質作為建構塊的夾心式層壓單元比堆疊如圖IA所示的過濾介質形成的交替式單元較薄。如隨后將解釋的那樣，在等量納米纖維的情況下，具有單層納米纖維涂層的過濾介質比多層布置(交替式層壓單元和夾心式層壓單元均是如此)具有低得多的空氣透過性。圖5B所示的結果表明，就節(jié)省基體介質而言，夾心式布置優(yōu)于交替式布置，因此降低了總厚度并限制了生產成本。 實施例2 過濾介質的固體體積分數(shù)比較 比較了由單層和多層納米纖維構成的過濾介質的固體體積分數(shù)，如圖6所示。結
8果表明，當將納米纖維壓縮成單層時，固體體積分數(shù)隨著納米纖維的量的增加而增加。為了制造納米纖維沿著過濾介質的厚度稀疏分布的過濾介質，將過濾介質按較低固體體積分數(shù)堆疊直至達到目標量的納米纖維。例如，在單層納米纖維的情況下，固體體積分數(shù)為在 0. 1167gsm納米纖維時的0. 01065，但是顯著增加到在0. 7gsm時的約0. 0366。相反，通過堆疊6層含有0. 7gsm納米纖維的過濾介質形成的過濾介質具有保持在0. 01065的固體體積分數(shù)。圖6中的結果顯示，沿著多層布置的過濾介質的厚度稀疏分布的納米纖維導致希望的性能，如增加的孔隙度(或低固體體積分數(shù))和降低的壓降。實施例3 過濾介質的孔隙度比較比較了由單層和多層納米纖維構成的過濾介質的孔隙度，如圖7所示。孔隙度和固體體積分數(shù)按下式相關孔隙度=1-固體體積分數(shù)和圖6中的結果類似的是，沿著多層布置的過濾介質的厚度稀疏分布的納米纖維導致希望的性能，如增加的孔隙度(或低固體體積分數(shù))和降低的壓降。實施例4 過濾介質的捕獲效率與壓降比較比較了由單層和多層納米纖維構成的過濾介質的捕獲效率與壓降，如圖8A所示。 多層布置形式的每個納米纖維層具有涂覆在基體介質上的0. 12gsm納米纖維。結果表明，在給定的納米纖維(如曲線上標出的參數(shù))的情況下，單層布置和多層布置的捕獲效率相當。但是，壓降顯示出明顯的不同。例如，盡管涂覆有0.72gsm納米纖維的基體介質(由圖8A中的空心框表示)的壓降為162. 6Pa，但是通過堆疊6層涂覆0. 12gsm 納米纖維的基體介質形成的過濾介質的壓降僅為87. 49Pa(由圖8A中的實心塊表示)。結果顯示，納米纖維過濾介質中的多層布置可以改善空氣透過性(即較低的壓降)，作為容許折中方案，捕獲效率稍微下降。實施例5 面罩的捕獲效率與壓降為了展示作為現(xiàn)有過濾產品的替代品的潛力，將多層布置形式的納米纖維過濾介質與常規(guī)一次性手術面罩比較(如圖8B所示)。圖8B中的虛線表示涂覆有0. 12gsm納米纖維的基體介質的堆疊，而實線表示常規(guī)面罩的堆疊。模型A4是涂覆在常規(guī)面罩上的具有0. 12gsm納米纖維的過濾介質。模型A4具有 44%的捕獲效率和32. 16 的壓降。該捕獲效率相當于具有以序列排列的3層面罩。但是， 橫跨以序列排列的3層面罩的壓降為46Pa，即比模型A4過濾介質的壓降高30%。模型B8是通過堆疊涂覆有0. 12gsm納米纖維的兩層基體介質形成的過濾介質。 模型B8具有的捕獲效率和29. 16Pa的壓降。該捕獲效率相當于具有以序列排列的4 層面罩。但是，具有以序列排列的4層面罩的壓降為70Pa，即比模型B8過濾介質的壓降高 MO %。結果表明，過濾介質具有較高的捕獲效率和/或較低的壓降，性能優(yōu)于常規(guī)的面罩。實施例6 :N95呼吸器的捕獲效率與壓降比較將通過堆疊以不同納米纖維堆積密度(0. 0584gsm、0. 0875gsm和0. 1167gsm)涂覆有納米纖維的基體介質形成的各種不同過濾介質的捕獲效率和壓降與常規(guī)N95呼吸器的相比較，如圖8C所示。結果顯示，常規(guī)N95呼吸器的壓降為約140 至147Pa。比較而言，通過堆疊涂覆有0. 0584gsm納米纖維的15層基體介質形成的過濾介質的壓降僅為90Pa(壓降下降37% )。但是，該過濾介質對0. 3微米的顆粒具有95%的捕獲效率，這與N95呼吸器的捕獲效率相匹配。納米纖維還可以涂覆在基體介質的兩側上。通過優(yōu)選在基體介質的兩側的每一側上涂覆0. 1167gsm納米纖維，可以獲得圖IB所示的過濾介質。該過濾介質對 0. 3微米顆粒具有54. 89%的捕獲效率，并且壓降為29. 16Pa,這與通過堆疊2層僅在一側上涂覆有0. 1167gsm納米纖維的基體介質形成的過濾介質(圖8C中的點P)相同。圖IB中的布置是有利的，這是因為該布置節(jié)省了一層基體介質。圖2C顯示了通過堆疊2個圖IB的過濾介質形成的過濾介質。該過濾介質的捕獲效率和壓降與通過堆疊4層僅在一側上涂覆有0. 1167gsm納米纖維的基體介質形成的過濾介質(圖8C中的點Q)的相同，并且該過濾介質節(jié)省了兩層基體介質。類似地，圖3C中所示的布置能夠節(jié)省3層基體介質(圖8C中的點R)，而圖4C中所示的布置能夠節(jié)省4層基體介質(圖8C中的點S)。實施例7 壓降降低程度取決于目標捕獲效率相互比較了通過堆疊涂覆有各種不同量的納米纖維的基體介質形成的過濾介質的捕獲效率和壓降，如圖10至14所示。對50nm、100nm、200nm、300nm和400nm顆粒的捕獲效率分別顯示在圖10、11、12、13和14中。圖10示出了由涂覆有一層納米纖維的基體介質形成的過濾介質(它們的后面標有數(shù)據(jù)點“1”)與通過堆疊涂覆有不同量的納米纖維的基體介質形成的過濾介質(標以“1” 以外的數(shù)字的數(shù)據(jù)點，表示存在不止一個納米纖維層)的結果。例如，涂覆有0.7gsm納米纖維的基體介質對50微米顆粒的捕獲效率為92%，壓降為164Pa。相反，通過堆疊6層基體介質(各涂覆有0. 1167gsm納米纖維)形成的過濾介質的捕獲效率接近90%，壓降僅為 88Pa(即下降46%)。另外，通過堆疊12層基體介質(各涂覆有0. 0584gsm納米纖維)形成的過濾介質的效率也為90%，壓降較低，為70 (下降57% )。這種現(xiàn)象針對其他顆粒尺寸也觀察到(如圖11至14所示)?？傊瑘D10至14的結果顯示，對于相同總量的納米纖維，具有較多納米纖維層的過濾介質具有較低的壓降。這些結果被認為是在整個過濾器介質厚度人為稀疏地再分布納米纖維，因此提高了納米纖維層的孔隙度并導致介質更具有透過性。據(jù)發(fā)現(xiàn)，壓降的降低在含有更多納米纖維(例如0.7gsm納米纖維)的過濾器介質中更為顯著。對于含有更少量的納米纖維(例如0. 0875gsm)的過濾器介質，由壓降下降獲得的益處不能彌補由于基體介質的過多消耗和加工造成的成本增加。實施例8 多層納米纖維過濾介質的相對質量因數(shù)和捕獲效率測量了具有各種不同納米纖維堆積密度的多層納米纖維過濾介質的RQF和捕獲效率，如圖15至17所示。堆積密度為0. 223g/m2的多層過濾介質示于圖15中。堆積密度為0. 35g/m2的多層過濾介質示于圖16中。堆積密度為0. 467g/m2的多層過濾介質示于圖 17中。圖15至17的結果表明，對于以克/平方米表示的總量相等的納米纖維，多層過濾介質中納米纖維層數(shù)的增加顯著地降低了壓降。盡管已經描述了過濾介質的實施例，但是應當理解的是，過濾介質并不限于此，還可以進行多種改變。過濾介質的范圍由所附的權利要求限定，權利要求涵義(不管字面涵義的還是等同涵義)內的所有裝置，都擬涵蓋在所附的權利要求中。
權利要求
1.制造多層過濾器的方法，所述方法包括如下步驟(a)將納米纖維層涂覆在基體介質的一側或兩側上以獲得復合過濾器介質；和(b)以曲折布置方式折疊所述復合過濾器介質以形成多層過濾器。
2.如權利要求1所述的方法，其中，納米纖維層涂覆在所述基體介質的兩側上。
3.如權利要求1所述的方法，其中，所述基體介質由粗纖維制得，所述粗纖維的平均直徑為1微米至30微米，定量為IOgsm至600gsm，厚度小于100微米，在δαι Γ1的面速度下的壓降小于2Pa，并且對于0. 05微米至0. 5微米的顆粒尺寸的過濾效率小于3%。
4.如權利要求1所述的方法，其中，所述層的納米纖維的平均直徑為0.1微米至0.4微米，定量小于0. 3gsm,并且厚度小于10微米。
5.如權利要求1所述的方法，其中，所述復合過濾器介質對0.3微米顆粒具有18%至的過濾效率，并且在δαι Γ1的面速度下的壓降為4. 9Pa至觀！^。
6.制造多層過濾器的方法，所述方法包括如下步驟(a)將納米纖維層涂覆在基體介質的兩側上以獲得復合過濾器介質；和(b)堆疊所述復合過濾器介質的多個片材以形成多層過濾器，所述多層過濾器包含兩層納米纖維的結構，所述兩層納米纖維夾在兩層所述基體介質之間。
7.如權利要求6所述的方法，其中，所述基體介質由粗纖維制得，所述粗纖維的平均直徑為1微米至30微米，定量為IOgsm至600gsm，厚度小于100微米，在δαι Γ1的面速度下的壓降小于2Pa，并且對于0. 05微米至0. 5微米的顆粒尺寸的過濾效率小于3%。
8.如權利要求6所述的方法，其中，所述層的納米纖維的平均直徑為0.1微米至0.4微米，定量小于0. 3gsm,并且厚度小于10微米。
9.如權利要求6所述的方法，其中，所述復合過濾器介質對0.3微米顆粒具有18%至的過濾效率，并且在δαι Γ1的面速度下的壓降為4. 9Pa至觀！^。
10.一種具有頂層和底層的多層過濾器，所述多層過濾器包括多層基體介質和多層所述納米纖維，所述頂層和所述底層各自為所述納米纖維的層，并且在所述頂層和所述底層之間存在至少一個單元或多個單元，各單元包含夾在兩層所述基體介質之間的兩層所述納米纖維。
11.如權利要求10所述的多層過濾器，其中，所述基體介質由粗纖維制得，所述粗纖維的平均直徑為1微米至30微米，定量為IOgsm至600gsm，厚度小于100微米、在δαι Γ1的面速度下的壓降小于2Pa，并且對于0. 05微米至0. 5微米的顆粒尺寸的過濾效率小于3%。
12.如權利要求10所述的方法，其中，各層所述納米纖維的平均直徑為0.1微米至0.4 微米，定量小于0. 3gsm，并且厚度小于10微米。
全文摘要
制造多層過濾器的方法和由所述方法制得的過多層過濾器。所述方法主要包括兩個步驟。第一步驟是將納米纖維層涂布在基體介質的一側或兩側上以獲得復合過濾器介質，第二步驟是以曲折方式折疊所述復合過濾器介質以形成多層過濾器。可選的是，所述第二步驟可以通過堆疊所述復合過濾器介質的若干片材以形成具有兩層納米纖維的結構的多層過濾器，所述兩層納米纖維夾在兩層所述基體介質之間。由任一所述方法制造得到的多層過濾器含有至少一個結構單元，所述結構單元具有兩層夾在兩層基體介質之間的納米纖維。
文檔編號B01D46/12GK102481506SQ201080031111
公開日2012年5月30日 申請日期2010年5月7日 優(yōu)先權日2009年5月7日
發(fā)明者梁煥方, 洪志豪 申請人:香港理工大學