專利名稱：具有改善的容塵量和改善的抗高濕度環(huán)境性能的空氣過(guò)濾介質(zhì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從氣體物流，具體地講是帶霧氣體物流中過(guò)濾顆粒物質(zhì)的空氣過(guò)濾介質(zhì)。
背景技術(shù)：
氣相過(guò)濾通常用低、中和高效可打褶復(fù)合過(guò)濾介質(zhì)進(jìn)行，包括無(wú)規(guī)取向纖維的低、中或高效纖維過(guò)濾層；以及一個(gè)或多個(gè)滲透性加強(qiáng)層，其能夠使復(fù)合過(guò)濾介質(zhì)打褶并保持其形狀。此類過(guò)濾裝置可用作車輛乘客室空氣過(guò)濾器、高性能發(fā)動(dòng)機(jī)空氣過(guò)濾器和機(jī)油過(guò) 濾器° ASHRAE (American Society of Heating Refrigeration and Air ConditioningEngineers)打裙過(guò)濾器等通常用打裙的高效過(guò)濾介質(zhì)作為過(guò)濾元件。由納米纖維高效率層和更具滲透性的紡粘纖維加強(qiáng)層(也稱為“SN”介質(zhì))制成的可打褶復(fù)合過(guò)濾介質(zhì)已顯示可提供良好的導(dǎo)流/阻隔性能(即，高效率和低壓降)。然而，在過(guò)濾器應(yīng)對(duì)非常小的塵粒的某些工業(yè)HVAC應(yīng)用中，容塵量低于期望值，這種情況會(huì)在HVAC系統(tǒng)被設(shè)計(jì)和構(gòu)造為在高效率最終過(guò)濾器前具有較低效率的預(yù)過(guò)濾器時(shí)發(fā)生。在SN結(jié)構(gòu)中，稀松布通常由纖維直徑為14至30微米的非織造纖維網(wǎng)制成，其能夠預(yù)過(guò)濾掉粒度大于約5微米的顆粒。剩余的顆粒將到達(dá)薄納米纖維層，并且快速填滿各個(gè)孔并堵塞過(guò)濾器。因此，過(guò)濾阻力快速增大，從而縮短過(guò)濾器壽命。已嘗試通過(guò)增大稀松布的基重和厚度來(lái)提高容塵量，但對(duì)于要求更高的情況結(jié)果仍不令人滿意。當(dāng)進(jìn)入空氣的濕度較高或進(jìn)入空氣包含水霧時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)的納米纖維層上承載的粉塵會(huì)吸取水分并溶脹，這使問(wèn)題變得更為復(fù)雜。眾所周知，很大一部分大氣氣溶膠具有吸濕的性質(zhì)。這會(huì)進(jìn)一步減小剩余的孔徑并跨越過(guò)濾器而產(chǎn)生額外的流量限制和增大的壓降。壓降的突然增大會(huì)使HVAC系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的問(wèn)題。一直需要提供一種用于這些過(guò)濾應(yīng)用的成本較低的高效率過(guò)濾介質(zhì),這些過(guò)濾應(yīng)用在存在水分的情況下顯示具有較高的容塵和/或空氣污染物容量和較低的壓降。本發(fā)明的一個(gè)目的是提供此類過(guò)濾介質(zhì)及其使用方法。發(fā)明概沭本發(fā)明提供了從流動(dòng)空氣中過(guò)濾顆粒物質(zhì)的方法，所述方法包括以下步驟提供載有水霧并包含要過(guò)濾的顆粒的空氣流，以及使空氣流通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)。介質(zhì)相對(duì)于空氣流具有上游側(cè)和下游側(cè)，并包括在疏水性非織造纖維網(wǎng)的下游并與所述疏水性非織造纖維網(wǎng)流體接觸的納米纖維網(wǎng)層。發(fā)明詳沭定義如本文所用，術(shù)語(yǔ)“非織造”是指由大量纖維構(gòu)成的纖維網(wǎng)。纖維可彼此粘結(jié)，或者可不粘結(jié)。纖維可包含一種材料或多種材料，也可為不同纖維的組合或者為分別包含不同材料的類似纖維的組合。各自包含多種材料的類似纖維可為“雙組分”(具有兩種材料)或多組分。
如本文所用，“非織造纖維網(wǎng)”或僅僅“非織造網(wǎng)”在一般意義上是用于定義較平坦、柔性和多孔并包括短纖維或連續(xù)長(zhǎng)絲的一般平面結(jié)構(gòu)。對(duì)于非織造織物的詳細(xì)描述，可參見(jiàn)E. A. Vaughn 的“Nonwoven Fabric Primer and Reference Sampler，，，ASSOCIATION OFTHE NONWOVEN FABRICS INDUSTRY，第3版(1992)。非織造織物可為梳理成網(wǎng)的、紡粘的、濕法成網(wǎng)的、空氣成網(wǎng)的和熔噴的，如行業(yè)中人們所熟知的此類產(chǎn)品。如本文所用，“非織造”還指具有單獨(dú)纖維或線束結(jié)構(gòu)的纖維網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)為夾層，但不是如針織織物那樣的可辨認(rèn)方式的夾層。已由多種方法例如熔噴法、紡粘法、粘結(jié)梳理成網(wǎng)法來(lái)形成非織造織物或纖維網(wǎng)。非織造織物的基重通常用盎司/平方碼(osy)或克/平方米(gsm)來(lái)表示，可用的纖維直徑通常以微米來(lái)表示。(注意，要將osy轉(zhuǎn)換成gsm，可用osy 乘以 33. 91)?！叭蹏娎w維”是指通過(guò)以下方法形成的纖維使熔融熱塑性材料以熔融線或長(zhǎng)絲的形式通過(guò)許多細(xì)小的、通常為圓形的模具毛細(xì)管，進(jìn)入聚集的高速加熱氣體(例如空氣)物流中，使熔融熱塑性材料的長(zhǎng)絲變細(xì)以減小它們的直徑。之后，熔噴纖維由高速氣體物流攜帶并沉積在收集表面上以形成無(wú)規(guī)分散的熔噴纖維的纖維網(wǎng)。此類方法公開(kāi)于例如授予Butin等人的美國(guó)專利3，849，241中。熔噴纖維為微纖維，其可為連續(xù)的或不連續(xù)的，通常小于約0. 6旦尼爾，并且通常在沉積到收集表面上時(shí)是自粘的。“熔噴纖維網(wǎng)”為包含熔噴纖維的非織造纖維網(wǎng)?！凹徴忱w維”是指通過(guò)以下方法形成的纖維將熔融熱塑性材料以長(zhǎng)絲的形式從多個(gè)具有圓形或其它構(gòu)型的噴絲頭的細(xì)小毛細(xì)管擠出，其中擠出長(zhǎng)絲的直徑快速減小，如(例如)授予Appel等人的美國(guó)專利4，340，563、授予Dorschner等人的美國(guó)專利3，692，618、授予Matsuki等人的美國(guó)專利3，802，817、授予Kinney的美國(guó)專利3，338，992和3，341，394、授予Hartmann的美國(guó)專利3，502，763、授予Petersen的美國(guó)專利3，502，538以及授予Dobo等人的美國(guó)專利3，542，615中所述，所述專利全文以引用方式并入本文中。紡粘纖維通常是連續(xù)的，并且通常具有大于約O. 3，更具體地講介于約O. 6與10旦尼爾之間的平均纖度?！凹徴忱w維網(wǎng)”為包含紡粘纖維的纖維網(wǎng)。術(shù)語(yǔ)“SMN”是指按順序包含紡粘纖維網(wǎng)、熔噴纖維網(wǎng)和納米纖維網(wǎng)的多層結(jié)構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“MSN”是指按順序排列的熔噴纖維網(wǎng)、紡粘纖維網(wǎng)和納米纖維網(wǎng)。術(shù)語(yǔ)“疏水性”是指其傳統(tǒng)意義上的“拒水”?！笆杷苑强椩炖w維網(wǎng)”是包含具有疏水性表面的纖維的纖維網(wǎng)。所述表面可為因纖維材料而具有疏水性，例如纖維可完全由聚烯烴構(gòu)成，因?yàn)榫巯N被視為具有固有的疏水性。纖維也可由親水性材料紡成，例如聚酰胺或聚酯，并具有疏水性涂層。例如，纖維可由聚酰胺或聚酯紡成，并且上面具有表面活性劑涂層，具體地講是含氟表面活性劑涂層。因此，所謂能夠“拒水”的材料是指可抵抗被含水介質(zhì)潤(rùn)濕的疏水材料，優(yōu)選的是包含氟和碳原子的試劑。例如，親水性材料可至少部分地涂覆有氟化材料。作為另外一種選擇，氟化材料選自包含氟化甲基丙烯酸酯共聚物的Zonyl D織物氟化劑或包含氟化丙烯酸酯共聚物的Zonyl 8300織物保護(hù)劑。用此類氟化聚合物 和低聚物處理織物在行業(yè)中是常見(jiàn)的，而且并不限于這些化學(xué)品。本領(lǐng)域的技術(shù)人員有能力選擇合適的處理劑。因此，本發(fā)明所用的拒水涂層可為排斥水并適用于親水性纖維網(wǎng)的任何試劑，優(yōu)選的是包含氟和碳原子的試劑。本發(fā)明優(yōu)選的拒水涂層為包含含氟聚合物，尤其是氟化丙烯酸酯聚合物的混合物(例如 OLEOPHOBOL SM ,得自 Ciba Spezialitatenchemie PferseeGmbH, Langweid, Germany)的涂層。可采用多種方法將涂層施加到纖維。一種方法是將純樹(shù)脂涂覆材料以液體、粘性固體或懸浮顆粒的形式或以流化床的形式施加到拉伸的高模量纖維。作為另外一種選擇，可按合適溶劑中的溶液或乳液的形式來(lái)施加涂層，其中溶劑在施加溫度下不會(huì)對(duì)纖維的性質(zhì)產(chǎn)生不利影響。盡管可使用能夠溶解或分散涂層聚合物的任何液體，但優(yōu)選的溶劑組包括水、石蠟油、芳族溶劑或烴溶劑，其中例證性的具體溶劑包括石蠟油、二甲苯、甲苯和辛烷。將涂層聚合物溶解或分散到溶劑中所采用的技術(shù)可為在多種基底上涂覆類似彈性體材料時(shí)常用的技術(shù)。 原則上可使選擇制劑中的防水劑均勻分布在纖維表面上的任何方法都適用于將防水劑施加到親水性纖維。例如，能夠?qū)⒎浪畡┲苿┮员∧さ男问绞┘拥捷伾?，然后使親水性纖維經(jīng)過(guò)薄膜。作為另外一種選擇，能夠?qū)⒎浪畡┲苿﹪娚涞接H水性纖維上。也能夠用泵和銷、狹縫或塊施用裝置將防水劑制劑施加到纖維。能夠通過(guò)使親水性纖維網(wǎng)從浸入包含防水劑水乳液的浴中的輥上經(jīng)過(guò)來(lái)施加涂層。在合適的溫度范圍內(nèi)對(duì)涂覆的纖維網(wǎng)進(jìn)行干燥。還根據(jù)所選擇涂覆方法的要求來(lái)確定溫度的參數(shù)范圍和干燥時(shí)間。例如，如果在纖維網(wǎng)紡絲工藝過(guò)程中將防水劑施加在纖維網(wǎng)上，則在纖維離開(kāi)洗滌浴之后，按照紡絲設(shè)備的紡絲速度和結(jié)構(gòu)特征來(lái)確定溫度范圍和干燥時(shí)間。纖維還可為雙組分結(jié)構(gòu)，其中外表面由疏水材料(例如聚烯烴)紡制而成?？梢暈槭杷缘木酆衔锏膶?shí)例為只包含碳和氫，或只包含碳、氫和氟的聚合物，例如聚烯烴、含氟聚合物和聚亞乙烯基氟化物?？梢暈榉鞘杷缘木酆衔锏膶?shí)例為聚酰胺和聚酯?？捎糜诒景l(fā)明實(shí)施方案的熔噴或紡粘非織造纖維網(wǎng)可包括聚乙烯、聚丙烯、彈性體、聚酯、人造絲、纖維素、聚酰胺的纖維和此類纖維的共混物。已經(jīng)提出了許多非織造纖維網(wǎng)定義。纖維通常包括短纖維或連續(xù)長(zhǎng)絲。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“納米纖維”是指具有小于約lOOOnm，甚至小于約800nm，甚至介于約50nm和500nm之間，并且甚至介于約100和400nm之間的數(shù)均直徑的纖維。就非圓形橫截面的納米纖維而言，如本文所用，術(shù)語(yǔ)“直徑”是指最大的橫截面尺寸?！跋∷刹肌睘橹螌?，并可為能夠與過(guò)濾介質(zhì)粘結(jié)、粘附、或?qū)雍系娜魏谓Y(jié)構(gòu)。有利的是，可用于本發(fā)明的稀松布層為紡粘非織造層，但可由非織造纖維的梳理纖維網(wǎng)、熔噴非織造層、織造織物、網(wǎng)等制成?？捎糜谀承┻^(guò)濾應(yīng)用的稀松布層需要足夠的剛度以保持褶縐形狀。本發(fā)明所用的稀松布應(yīng)具有足夠開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，從而不會(huì)影響介質(zhì)的容塵結(jié)構(gòu)。所謂“成面對(duì)面關(guān)系”的兩個(gè)或更多個(gè)纖維網(wǎng)是指任何一個(gè)纖維網(wǎng)的表面所處位置基本平行于一個(gè)或多個(gè)其它纖維網(wǎng)的表面，這樣，纖維網(wǎng)表面至少部分地重疊。纖維網(wǎng)不必彼此粘結(jié)，但它們的表面或邊緣的至少一部分可部分地或完全地彼此粘結(jié)。在正常的最終用途中，兩個(gè)或更多個(gè)纖維網(wǎng)彼此“流體接觸”，沖擊到其中一個(gè)纖維網(wǎng)上的所有流體預(yù)期也會(huì)沖擊到第二纖維網(wǎng)上。兩個(gè)或更多個(gè)纖維網(wǎng)的所有表面區(qū)域不必都直接接觸流體，但所有流體預(yù)期會(huì)通過(guò)兩個(gè)纖維網(wǎng)。在本文中，所謂“水霧”是指包含分散在空氣或氣體物流中的極小水滴的氣液兩相體系?？捎脷怏w或空氣以及通過(guò)水噴嘴釋放的水來(lái)形成薄霧，其中水噴嘴可產(chǎn)生非常細(xì)小的液滴，使得液滴小到足以被空氣或氣體物流運(yùn)送，同時(shí)在空氣物流中運(yùn)送期間不會(huì)聚集成連續(xù)相。液滴的直徑通常為大約18至50微米。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“納米纖維網(wǎng)”和“納米網(wǎng)”是同義的，都是指包含納米纖維網(wǎng)并可完全由納米纖維構(gòu)成的非織造纖維網(wǎng)。說(shuō)明本發(fā)明涉及從流動(dòng)空氣中過(guò)濾顆粒物質(zhì)的方法，在空氣被水飽和并形成薄霧期間，該方法可避免操作壓力顯著增大。該方法包括以下步驟提供充滿水霧并包含要過(guò)濾的顆粒的空氣流，以及使空氣流通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)。這種情況的一個(gè)實(shí)例是雨天或霧天。介質(zhì)相對(duì)于空氣流具有上游側(cè)和下游側(cè)，并包括在疏水性非織造纖維網(wǎng)的下游并與所述疏水性非織造纖維網(wǎng)流體接觸的納米纖維網(wǎng)層。疏水性非織造纖維網(wǎng)可具有本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何非織造構(gòu)造，并且具體地講可為熔噴纖維網(wǎng)或紡粘纖維網(wǎng)。在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，納米纖維網(wǎng)的主要目的是過(guò)濾顆粒。在該實(shí)施方案中，納米纖維網(wǎng)的功能是不聚集水霧，并且在介質(zhì)暴露于充滿薄霧的空氣30分鐘之后納米纖維網(wǎng)仍保持至少部分地干燥。在該方法的另一個(gè)實(shí)施方案中，在暴露于空氣物流中的水霧的情況下，跨越介質(zhì)的壓降在暴露于水霧3分鐘后增大不超過(guò)10倍。疏水性纖維網(wǎng)可與納米纖維網(wǎng)實(shí)際接觸，或者可將為疏水性或親水性的第二纖維網(wǎng)置于疏水性纖維網(wǎng)與納米纖維網(wǎng)之間。如果疏水性纖維網(wǎng)或第二纖維網(wǎng)與納米纖維網(wǎng)接觸，則可將其表面的至少一部分與納米纖維網(wǎng)粘結(jié)。疏水性纖維網(wǎng)或第二纖維網(wǎng)還可被點(diǎn)粘結(jié)到納米纖維網(wǎng)，即納米纖維網(wǎng)與疏水性纖維網(wǎng)或第二纖維網(wǎng)之間以纖維網(wǎng)平面上的離散點(diǎn)的形式粘結(jié)。通過(guò)實(shí)施例可以很好地理解測(cè)量過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)條件。然而，除非本文另外指明，過(guò)濾數(shù)據(jù)都取自以下測(cè)試在具有直徑為11. 3cm的圓形開(kāi)口的平板介質(zhì)上連續(xù)加載O. 5小時(shí)的氯化鈉氣溶膠，其中氣溶膠質(zhì)量平均直徑為O. 26微米，空氣流量為40升/分鐘(對(duì)應(yīng)6. 67cm/s面速率)，氣溶膠濃度為16mg/m3。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)測(cè)量過(guò)濾效率和初始?jí)航担跍y(cè)試結(jié)束時(shí)測(cè)量最終壓降。通過(guò)用最終壓降減去初始?jí)航涤?jì)算壓降增長(zhǎng)。因此本發(fā)明方法中所用的過(guò)濾介質(zhì)包含至少兩個(gè)非織造層，其中一個(gè)為納米纖維網(wǎng)，第二上游疏水性非織造層與納米纖維網(wǎng)流體接觸。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，疏水性纖維網(wǎng)層的平均流孔徑與納米纖維網(wǎng)的平均流孔徑的比率介于約I至約10之間，優(yōu)選地介于約I至約8之間，更優(yōu)選地介于約I與約6之間。本發(fā)明的疏水性纖維網(wǎng)(無(wú)論是熔噴、紡粘還是任何其它纖維網(wǎng))和納米纖維網(wǎng)彼此流體接觸，并且還可彼此直接接觸。也可用某種粘結(jié)方式將它們彼此粘結(jié)。本發(fā)明上下文中的“粘結(jié)方式”是指實(shí)現(xiàn)將兩個(gè)纖維網(wǎng)層合為復(fù)合結(jié)構(gòu)的方式。適于本發(fā)明上下文的方法通過(guò)但不限于下述方法例證超聲波粘結(jié)、點(diǎn)粘結(jié)、真空層合和粘合層壓。本領(lǐng)域的技術(shù)人員熟悉各種類型的粘結(jié)，并且能夠采用任何合適的粘結(jié)方式用于本發(fā)明。超聲波粘結(jié)通常需要執(zhí)行一個(gè)過(guò)程，例如，通過(guò)將材料穿過(guò)超聲裝置和砧輥之間，例如美國(guó)專利4，374，888和5，591,278中所述，該專利全文據(jù)此以引用方式并入本文中。在超聲波粘結(jié)的示例性方法中，將要連接在一起的不同層同時(shí)送入超聲裝置的粘結(jié)輥隙。、多種此類裝置可商購(gòu)獲得。一般來(lái)講，這些裝置在層內(nèi)的粘結(jié)部位處產(chǎn)生可熔融熱塑性組分并將它們接合在一起的高頻率振動(dòng)能量。因此，誘導(dǎo)能源的量、組合組分經(jīng)過(guò)輥隙的速度、輥隙的間隙以及粘結(jié)部位的數(shù)量決定各個(gè)層之間的粘結(jié)程度。可獲得極高的頻率，超過(guò)18，OOOHz的頻率通常稱為超聲，取決于不同層之間所需的粘合和對(duì)材料的選擇，低至5，OOOHz或者甚至更低的頻率可制備合格的產(chǎn)品。點(diǎn)粘結(jié)通常是指在多個(gè)離散點(diǎn)處將一種或多種材料粘結(jié)在一起。例如，熱點(diǎn)粘結(jié)通常涉及使一個(gè)或多個(gè)要粘結(jié)的層從加熱的輥(例如刻花輥和光滑的壓延輥)之間穿過(guò)。刻花輥上具有以某種方式形成的圖案，以使得整個(gè)織物的整個(gè)表面不會(huì)都被粘結(jié)，而壓延輥通常是光滑的。因此，出于功能性以及美觀的原因，開(kāi)發(fā)了用于刻花輥的多種圖案。粘合層壓通常是指使用涂覆到纖維網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)兩 個(gè)纖維網(wǎng)之間的粘結(jié)的一種或多種粘合劑的任何方法?？赏ㄟ^(guò)例如輥涂布、噴霧或經(jīng)纖維施加的方法將粘合劑涂覆到纖維網(wǎng)。合適的粘合劑的實(shí)例提供于美國(guó)專利6，491，776中，其公開(kāi)內(nèi)容的全文以引用方式并入本文中。在另一個(gè)實(shí)施方案中，疏水層與納米纖維網(wǎng)層的平均流孔徑比率優(yōu)選地與給定粒度的介質(zhì)的所需總體效率相關(guān)，其中可采用納米纖維網(wǎng)的孔徑來(lái)控制給定粒度。例如，在介質(zhì)的另一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)全部介質(zhì)具有大于約60%的效率時(shí)，疏水性纖維網(wǎng)層的平均流孔徑與納米纖維網(wǎng)的平均流孔徑的比率介于約I至約3之間。當(dāng)介質(zhì)具有大于約70%的效率時(shí)，疏水性纖維網(wǎng)層的平均流孔徑與納米纖維網(wǎng)的平均流孔徑的比率介于約2至約4之間。當(dāng)介質(zhì)具有大于約80%的效率時(shí)，疏水性纖維網(wǎng)層的平均流孔徑與納米纖維網(wǎng)的平均流孔徑的比率介于約4至約6之間。也可用疏水性纖維網(wǎng)層的孔徑來(lái)限定本發(fā)明方法中使用的介質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，過(guò)濾介質(zhì)可包含數(shù)均纖維直徑小于I微米的納米纖維網(wǎng)以及與納米纖維網(wǎng)成面對(duì)面關(guān)系的上游熔噴纖維網(wǎng)層，其中熔噴纖維網(wǎng)層的平均流孔徑介于約12至約40微米之間，優(yōu)選地介于約15至約25微米之間，更優(yōu)選地介于約18至約22微米之間。本發(fā)明方法中使用的介質(zhì)還可包含數(shù)均纖維直徑小于I微米的納米纖維網(wǎng)以及與納米纖維網(wǎng)成面對(duì)面關(guān)系的上游熔噴纖維網(wǎng)層，其中當(dāng)介質(zhì)在被給定粒度的顆粒沖擊時(shí)具有介于50%與99. 97%之間的效率時(shí)，熔噴纖維網(wǎng)層的平均流孔徑與給定粒度的比率介于約50和約154之間。在另一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)介質(zhì)在被給定粒度的顆粒沖擊時(shí)具有介于50%與99. 97%之間的效率時(shí)，熔噴纖維網(wǎng)層的平均流孔徑與給定粒度的比率介于約57和約96之間。在另一個(gè)實(shí)施方案中，當(dāng)介質(zhì)在被給定粒度的顆粒沖擊時(shí)具有介于50%與99. 97%之間的效率時(shí)，熔噴纖維網(wǎng)層的平均流孔徑與給定粒度的比率介于約69和約85之間。在上文所述的任何一個(gè)實(shí)施方案中或本文所附的權(quán)利要求中，本發(fā)明方法中使用的介質(zhì)還顯示在暴露于空氣物流中的顆粒時(shí)效率的變化很小。例如，當(dāng)在測(cè)試中過(guò)濾粒度為O. 26微米的顆粒O. 5小時(shí)時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出效率下降不到5%，測(cè)試時(shí)在具有直徑為11. 3cm的圓形開(kāi)口的平板介質(zhì)上加載氯化鈉氣溶膠，其中氣溶膠的質(zhì)量平均直徑為O. 26微米，空氣流量為40升/分鐘(對(duì)應(yīng)6. 67cm/s的面速率)，以及氣溶膠濃度為16mg/m3。本發(fā)明方法中使用的介質(zhì)在其任何實(shí)施方案中還表現(xiàn)出在暴露于空氣物流中的顆粒時(shí)具有低壓降。例如，當(dāng)在測(cè)試中過(guò)濾粒度為O. 26微米的顆粒O. 5小時(shí)時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)會(huì)表現(xiàn)出壓降增大值小于200Pa，測(cè)試時(shí)在具有直徑為11. 3cm的圓形開(kāi)口的平板介質(zhì)上加載氯化鈉氣溶膠，其中氣溶膠的質(zhì)量平均直徑為O. 26微米，空氣流量為40升/分鐘(對(duì)應(yīng)6. 67cm/s的面速率)，以及氣溶膠濃度為16mg/m3。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，疏水性纖維網(wǎng)層的基重可大于約lOgsm，優(yōu)選地為15gsm,并更優(yōu)選地為20gsm或30gsm。疏水層的效率可大于約50%,優(yōu)選地大于約55%,更優(yōu)選地大于約60%。疏水層可包含熔噴聚合物纖維網(wǎng)。 納米纖維網(wǎng)可包括通過(guò)選自電吹法、靜電紡絲法、離心紡絲法和熔噴法的方法制造的非織造纖維網(wǎng)。納米纖維網(wǎng)可具有大于約2克/平方米(gsm)的基重，優(yōu)選地大于約3gsm，更優(yōu)選地大于約5gsm。所述介質(zhì)還可包括與納米纖維網(wǎng)或上游層接觸的稀松布支撐層。本發(fā)明方法中使用的介質(zhì)還可具有抵抗?jié)B透性下降的性能，當(dāng)介質(zhì)承載粉塵并暴露于濕氣形式的水分時(shí)會(huì)發(fā)生滲透性下降的情況。例如，當(dāng)加載質(zhì)量平均直徑為O. 26微米的氯化鈉氣溶膠，使終阻力介于150與300Pa之間時(shí)，本發(fā)明介質(zhì)在暴露于25°C下相對(duì)濕度為98%的空氣8小時(shí)后表現(xiàn)出小于約25%的滲透性損失。本發(fā)明還涉及過(guò)濾包括空氣在內(nèi)的氣體的方法，所述方法包括使空氣通過(guò)符合上文所公開(kāi)的描述中的任一項(xiàng)的介質(zhì)。初生納米纖維網(wǎng)可主要包含或僅包含納米纖維，納米纖維可有利地通過(guò)靜電紡絲法例如傳統(tǒng)的靜電紡絲法或電吹法以及在某些情況下通過(guò)熔噴法或其它此類合適的方法來(lái)制備。傳統(tǒng)的靜電紡絲法是在全文并入本文中的美國(guó)專利4，127，706中所述的技術(shù)，其中向聚合物溶液施加高電壓以生成納米纖維和非織造墊。然而，靜電紡絲方法中的總生產(chǎn)能力太低，因此無(wú)法商業(yè)化生產(chǎn)基重較重的纖維網(wǎng)?！半姶怠狈ü_(kāi)于世界專利公布WO 03/080905中，其全文以引用方式并入本文。將包含聚合物和溶劑的聚合物溶液流從儲(chǔ)罐送至噴絲頭內(nèi)的一系列紡絲噴嘴中，向噴絲頭施加高電壓并且聚合物溶液經(jīng)噴絲頭排出。同時(shí)，任選地加熱的壓縮空氣由空氣噴嘴排出，該空氣噴嘴設(shè)置在紡絲噴嘴的側(cè)面或周邊。通常向下引導(dǎo)空氣以形成吹氣物流，吹氣物流包裹住新排出的聚合物溶液并使其向前，并且有助于形成纖維網(wǎng)，所述纖維網(wǎng)被收集在真空室上方的接地多孔收集帶上。電吹法使得可在相對(duì)短的時(shí)間周期內(nèi)形成基重超過(guò)約lgsm，甚至高達(dá)約40gsm或更高的商用尺寸和數(shù)量的納米纖維網(wǎng)。還可通過(guò)離心紡絲方法來(lái)制備本發(fā)明的納米纖維網(wǎng)。離心紡絲是包括以下步驟的纖維形成方法將具有至少一種溶解于至少一種溶劑中的聚合物的紡絲溶液裝入具有旋轉(zhuǎn)錐形噴嘴的旋轉(zhuǎn)噴涂器中，其中噴嘴具有凹的內(nèi)表面和向前的表面釋放邊緣；使紡絲溶液從旋轉(zhuǎn)噴涂器中沿凹的內(nèi)表面流出，以便使所述紡絲溶液朝噴嘴釋放邊緣的向前表面散布；以及用紡絲溶液形成單獨(dú)的纖維物流，同時(shí)使溶劑蒸發(fā)，以便在存在或不存在電場(chǎng)的情況下形成聚合物纖維。成型流體可在噴嘴周圍流動(dòng)以引導(dǎo)紡絲溶液離開(kāi)旋轉(zhuǎn)噴射器?？蓪⑦@些纖維收集在收集器上以形成纖維網(wǎng)。還可用熔融工藝(例如熔噴)來(lái)制備用于本發(fā)明方法中所用介質(zhì)的納米纖維網(wǎng)。例如，納米纖維可包括由聚合物熔體制成的纖維。用于由聚合物熔體生產(chǎn)納米纖維的方法描述于例如以下專利中授予 University of Akron 的 U. S. 6，520，425、U. S. 6，695，992、和U. S. 6，382，526 ;授予 Torobin 等人的 U. S. 6，183，670、U. S. 6，315，806 和 U. S. 4，536，361 ；以及美國(guó)專利公布2006/0084340?？蓪⒒谆蛳∷刹疾贾迷谑占魃弦员闶占突旌显诨咨霞彸傻募{米纖維網(wǎng)，使得可將混合的纖維網(wǎng)用作高性能過(guò)濾器、擦拭物等?；椎膶?shí)例可包括多種非織造布，例如熔噴非織造布、針刺或水刺非織造布、織造布、針織布、紙材等，對(duì)其使用并無(wú)限制，只要能將納米纖維層添加到基底上即可。非織造布可包含紡粘纖維、干法成網(wǎng)或濕法成網(wǎng)纖維、纖維素纖維、熔噴纖維、玻璃纖維或它們的共混物。對(duì)可用于形成本發(fā)明的納米纖維網(wǎng)的聚合物材料沒(méi)有具體限制，其包括加聚物和縮聚物材料，例如聚縮醛、聚酰胺、聚酯、聚烯烴、纖維素醚和酯、聚硫化亞烴、聚亞芳基氧化物、聚砜、改性的聚砜聚合物，以及它們的混合物。這些種類中優(yōu)選的材料包括交聯(lián)和非交聯(lián)形式的、不同水解程度(87%至99. 5%)的聚(氯乙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯(和其它丙烯酸類樹(shù)脂)、聚苯乙烯，以及它們的共聚物(包括ABA型嵌段共聚物)、聚(偏二氟乙烯)、 聚(偏二氯乙烯)、聚乙烯醇。優(yōu)選的加聚物趨于是玻璃狀的0；大于室溫)。聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚合物的組合物或合金或低結(jié)晶度的聚偏氟乙烯和聚乙烯醇材料便是如此。一類優(yōu)選的聚酰胺縮聚物為尼龍材料，例如尼龍-6、尼龍_6，6、尼龍6，6-6，10等。當(dāng)通過(guò)熔噴法形成本發(fā)明的聚合物納米纖維網(wǎng)時(shí)，可使用能夠熔噴形成納米纖維的任何熱塑性聚合物，包括聚烯烴，例如聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯；聚酯，例如聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯；以及聚酰胺，例如上述尼龍聚合物。可能有利的是，向上述多種聚合物中加入本領(lǐng)域已知的增塑劑以降低纖維聚合物的Tg。適合的增塑劑取決于將被靜電紡絲或電吹的聚合物，并且取決于納米纖維網(wǎng)具體的最終應(yīng)用。例如，尼龍聚合物可用水或甚至用靜電紡絲或電吹工藝中的殘余溶劑來(lái)增塑?？捎糜诮档途酆衔颰g的本領(lǐng)域已知的其它增塑劑包括但不限于脂族二元醇類、芳族磺胺類、鄰苯二甲酸酯類。鄰苯二甲酸酯類包括但不限于選自下列的那些鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二己酯、鄰苯二甲酸二環(huán)己酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二異癸酯、鄰苯二甲酸雙十一酯、鄰苯二甲酸雙十二酯，以及鄰苯二甲酸二苯酯等?！癏andbook ofPlasticizers”(George Wypych 編輯，2004 Chemtec Publishing)公開(kāi)了可用于本發(fā)明的其它聚合物/增塑劑組合，該文獻(xiàn)以引用方式并入本文。
實(shí)施例細(xì)小顆粒平板承載測(cè)試ASHRAE粉塵和ISO細(xì)塵通常用作過(guò)濾器以及過(guò)濾介質(zhì)容塵量測(cè)試中的測(cè)試氣溶膠。然而，這兩種粉塵的粒度(大于15微米的質(zhì)量平均粒徑)并不反映高效空氣過(guò)濾器在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中處理的粉塵粒度，尤其是當(dāng)預(yù)過(guò)濾器用于去除較大顆粒時(shí)。我們?cè)诰哂蓄A(yù)過(guò)濾器的空氣處理系統(tǒng)中進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，大于3微米的顆粒很少，粒度范圍介于0. 3至10微米之間，按質(zhì)量計(jì)約60%的顆粒的粒度范圍介于0. 3至0. 5微米之間。因此，使用ASHRAE和ISO細(xì)小測(cè)試氣溶膠的現(xiàn)有容塵測(cè)試不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)過(guò)濾介質(zhì)在現(xiàn)實(shí)生活情況下的容塵量。為了解決該問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了細(xì)小顆粒粉塵承載測(cè)試，其使用質(zhì)量平均直徑為0. 26微米的測(cè)試氣溶膠。
使用圓形開(kāi)口直徑為11. 3cm(面積=IOOcm2)的自動(dòng)過(guò)濾器測(cè)試儀(TSI型號(hào)No. 8130)在平板介質(zhì)上進(jìn)行細(xì)小顆粒粉塵承載測(cè)試。使用2重量％氯化鈉水溶液生成質(zhì)量平均直徑O. 26微米的細(xì)小氣溶膠，將其用在承載測(cè)試中?？諝饬髁繛?0升/分鐘，對(duì)應(yīng)于6. 67cm/s的面速率。根據(jù)設(shè)備制造商的規(guī)定,氣溶膠濃度為約16mg/m3。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)測(cè)量過(guò)濾效率和初始?jí)航担跍y(cè)試結(jié)束時(shí)測(cè)量最終壓降。通過(guò)用最終壓降減去初始?jí)航祦?lái)計(jì)算壓降增長(zhǎng)。纖維尺寸測(cè)量在5，000倍放大率下拍攝各納米纖維層樣本的十張掃描電鏡(SEM)圖像。由照片測(cè)量十一(11)個(gè)清晰可辨的納米纖維的直徑并進(jìn)行記錄。不包括瑕疵(即，納米纖維的凸 塊、聚合物球、納米纖維的交叉處)。計(jì)算每個(gè)樣本的平均纖維直徑。對(duì)于熔噴層樣品而言，拍攝五張SEM圖像。測(cè)量每張照片上至少10根熔噴纖維的直徑并記錄。計(jì)算每個(gè)樣本的平均纖維直徑。誘氣率過(guò)濾介質(zhì)空氣流滲透性通常使用弗雷澤測(cè)量法(ASTM D737)來(lái)測(cè)量。在此測(cè)量法中，向適當(dāng)夾住的介質(zhì)樣品施加124. 5N/m2(0. 5英寸水柱)的壓力差，對(duì)所產(chǎn)生的空氣流量進(jìn)行測(cè)量，并稱之為弗雷澤透氣率或更簡(jiǎn)單地稱為“弗雷澤”(Frazier)。在本文中，以ft3/min/ft2為單位報(bào)告弗雷澤透氣率。高弗雷澤對(duì)應(yīng)于高空氣流滲透性而低弗雷澤對(duì)應(yīng)于低空氣流滲透性。濕度測(cè)試濕度測(cè)試的目的是研究相對(duì)濕度對(duì)承載灰塵或氣溶膠的過(guò)濾介質(zhì)的影響。在平板介質(zhì)樣品上加載細(xì)小NaCl氣溶膠(如上所述)，使終阻力介于150至300Pa之間。將樣品置于25°C、不同相對(duì)濕度的條件下調(diào)節(jié)至少8小時(shí)。從調(diào)節(jié)室取出樣品后立即測(cè)量樣品的透氣率并記錄。過(guò)濾效率測(cè)量使用圓形開(kāi)口直徑為11. 3cm(面積=100cm2)的自動(dòng)過(guò)濾器測(cè)試儀(TSI型號(hào)No. 3160)在平板介質(zhì)上進(jìn)行過(guò)濾效率測(cè)量。使用2重量％氯化鈉水溶液生成質(zhì)量平均直徑O. 26微米的細(xì)小氣溶膠?？諝饬髁繛?2升/分鐘，其對(duì)應(yīng)于5. 53cm/s的面速率。測(cè)試開(kāi)始時(shí)測(cè)量過(guò)濾效率和初始?jí)航挡⒂涗?。平均流孔測(cè)量平均流孔(MFP)徑根據(jù)ASTM 命名 E 1294-89,“Standard Test Method for PoreSize Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter，，進(jìn)行測(cè)量，其通過(guò)利用ASTM命名F 316中的自動(dòng)泡點(diǎn)法使用毛細(xì)流動(dòng)孔隙率計(jì)(型號(hào)CFP-34RTF8A-3-6-L4, Porous Materials, Inc. (PMI)，Ithaca, NY)大致測(cè)量具有 0.05 μ m至300 μ m的孔徑直徑的膜的孔徑特性。各個(gè)樣本(8、20或30mm直徑)用低表面張力流體(1，1，2，3，3，3-六氟丙烯，或“6&1 ^”，具有16達(dá)因/厘米的表面張力)潤(rùn)濕。將每個(gè)樣本置于夾持器中，然后施加空氣壓差并將流體從樣本上移除。潤(rùn)濕流量等于干燥流量(無(wú)潤(rùn)濕溶劑下的流量)的二分之一處的壓差用于利用提供的軟件來(lái)計(jì)算平均流孔徑。泡點(diǎn)是指最大的孔徑。水分測(cè)試步驟
水分測(cè)試器為包含氣室的設(shè)備，其中氣室用于測(cè)試模擬雨滴或水霧的水對(duì)過(guò)濾介質(zhì)的影響。將介質(zhì)樣品固定到氣室的前外平面上。然后，在水噴嘴周圍產(chǎn)生空氣流并且使空氣流朝向氣室內(nèi)的介質(zhì)。用壓力計(jì)測(cè)量氣室內(nèi)部與外部之間的壓差。記錄該值并打開(kāi)水噴嘴。使水停留6分鐘以合適的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量壓差，直到介質(zhì)干燥。為了進(jìn)行測(cè)試，可制備IScmX 18cm的介質(zhì)樣品。用夾具將樣品固定并密封到氣室的外部，使其垂直于噴嘴水流?？諝饬髁繛?3升/分鐘，其對(duì)應(yīng)于6. 67cm/s的面速率，該面速率與ASHRAE 52. 2測(cè)試規(guī)程指定的面速率相同，并取得初始?jí)毫y(cè)量值。將水打開(kāi)6分鐘并用3個(gè)水噴霧嘴產(chǎn)生細(xì)小水霧。將介質(zhì)暴露于水霧。水流量設(shè)置為70mL/min。每30秒記錄一次壓力測(cè)量值，直到介質(zhì)干透或壓力保持恒定。纖維網(wǎng)制各 對(duì)于這些實(shí)施例，按WO 03/080905中所述，通過(guò)電吹法將24%的聚酰胺_6，6甲酸溶液紡成絲狀以形成納米纖維網(wǎng)。數(shù)均纖維直徑為大約350nm。對(duì)于實(shí)施例I和2，紡粘非織造纖維網(wǎng)分別由聚丙烯(基重為68克/平方米(gsm)的Xavan ,由DuPont制造)和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)(基重為70gsm, F5070型，由Kolon Co. in Korea制造)制備獲得。熔噴纖維網(wǎng)為23gsm的細(xì)纖維網(wǎng)，由DelStarCo. (Middletown, Delaware)制造。紡粘+熔噴+納米纖維(即SMN)層合體通過(guò)層合到30gsm的紡粘聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)稀松布上構(gòu)造而成，為C3030型，由KolonCo. (Korea)制造。實(shí)施例3為MSN結(jié)構(gòu)，其中M(20gsm的溶噴纖維網(wǎng)，由DelStar Co. (Middletown,Delaware)制造)和 S (70gsm 的紡粘 PET 纖維網(wǎng)，F(xiàn)5070 型，由 Kolon Co. (Korea)制造)或?qū)嵤├?是顛倒的。表3示出了實(shí)施例2和3的壓力增大情況比較。結(jié)果表I示出了用TSI 3160測(cè)得的實(shí)施例1_3的壓降和過(guò)濾效率。表2和3示出了水分測(cè)試中的壓力增大情況。激1
實(shí)施例初始效率初始?jí)毫? __(%)__( mm 水柱)_I~65.9~1.0
2 ~ 68.1 — 1.1 368.11.1轟I暴露于水霧后的壓力增大
權(quán)利要求
1.用于從空氣中過(guò)濾顆粒的方法，所述方法包括以下步驟 提供充滿水霧并包含要過(guò)濾的顆粒的空氣流， 使所述空氣流通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)， 所述介質(zhì)相對(duì)于所述空氣流具有上游側(cè)和下游側(cè)并包括在疏水性非織造纖維網(wǎng)的下游且與所述疏水性非織造纖維網(wǎng)流體接觸的納米纖維網(wǎng)層。
2.權(quán)利要求I的方法，其中在暴露于空氣物流中的水霧的情況下，跨越所述介質(zhì)的壓降在暴露于所述水霧3分鐘后增大不超過(guò)10倍。
3.權(quán)利要求I的方法，其中第二纖維網(wǎng)被放置在所述納米纖維網(wǎng)與所述疏水性纖維網(wǎng)之間并且與它們兩者流體接觸。
4.權(quán)利要求I的方法，其中所述疏水性纖維網(wǎng)與所述納米纖維網(wǎng)實(shí)際接觸。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述疏水性纖維網(wǎng)的表面的至少一部分與所述納米纖維網(wǎng)粘結(jié)。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述疏水性纖維網(wǎng)被點(diǎn)粘結(jié)到所述納米纖維網(wǎng)。
7.權(quán)利要求I的方法，其中所述疏水性纖維網(wǎng)包括在所述納米纖維網(wǎng)的上游并與所述納米纖維網(wǎng)流體接觸的紡粘非織造纖維網(wǎng)。
8.權(quán)利要求7的方法，其中所述紡粘非織造纖維網(wǎng)與所述納米纖維網(wǎng)實(shí)際接觸。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述紡粘非織造纖維網(wǎng)被粘結(jié)到所述納米纖維網(wǎng)。
10.權(quán)利要求8的方法，其中所述紡粘非織造纖維網(wǎng)被點(diǎn)粘結(jié)到所述納米纖維網(wǎng)。
11.權(quán)利要求7的方法，其中所述紡粘纖維網(wǎng)包括單組分纖維或雙組分纖維，其中一種組分包含聚烯烴。
12.權(quán)利要求I的方法，其中所述非織造纖維網(wǎng)包括在所述納米纖維網(wǎng)的上游并與所述納米纖維網(wǎng)流體接觸的熔噴非織造纖維網(wǎng)。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述熔噴非織造纖維網(wǎng)與所述納米纖維網(wǎng)實(shí)際接觸。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述熔噴非織造纖維網(wǎng)被粘結(jié)到所述納米纖維網(wǎng)。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述熔噴非織造纖維網(wǎng)被點(diǎn)粘結(jié)到所述納米纖維網(wǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了用于從充滿水霧的空氣中過(guò)濾顆粒的方法，所述方法涉及使所述空氣通過(guò)介質(zhì)，所述介質(zhì)具有與疏水性非織造纖維網(wǎng)流體接觸的納米纖維網(wǎng)層。所述疏水性纖維網(wǎng)可由固有疏水材料制成，或者可被涂覆有疏水性涂層。所述介質(zhì)不會(huì)發(fā)生通常與過(guò)濾水霧相關(guān)的大壓降并且還可充分保持其效率。
文檔編號(hào)B01D39/16GK102630182SQ201080052009
公開(kāi)日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者C-H·基, D·C·瓊斯, H·S·林, L·張 申請(qǐng)人:納幕爾杜邦公司