本說明書一般涉及包括纖維和納米顆粒的非織造材料以及含有此類非織造材料的產(chǎn)品，包括過濾介質(zhì)和過濾器。

背景技術(shù)：

1、非織造材料通常包含相互交織的單根纖維或線的結(jié)構(gòu)，但不像針織物或編織物那樣呈圖案狀。此類非織造材料用于許多應(yīng)用，例如家用清潔產(chǎn)品、屋頂和地板產(chǎn)品、汽車內(nèi)飾和車頂內(nèi)襯、可重復(fù)使用的袋子、墻面覆蓋物、過濾裝置、絕緣材料等。

2、由于非織造材料的纖維尺寸細(xì)，它們特別適用于捕獲過濾裝置中的污染物。過濾介質(zhì)的纖維以微米為單位進(jìn)行測(cè)量，并且可通過紡粘、熔噴、靜電紡絲或其他技術(shù)形成。當(dāng)流體流過過濾介質(zhì)時(shí)，細(xì)纖維捕獲并截留其中的污染物。

3、摻入非織造材料的兩種主要類型的過濾裝置包括表面過濾器和深度過濾器。表面過濾器(例如膜層或膜)作為在污染物進(jìn)入介質(zhì)結(jié)構(gòu)之前將其捕獲的屏障。這些表面過濾器通常具有亞微米孔徑和窄孔徑分布。表面過濾器往往具有相對(duì)高的顆粒捕獲效率。然而，它們也具有相對(duì)高的壓降和低的容塵量。高壓降導(dǎo)致通過過濾器的空氣流量減少。低容塵量顯著降低了過濾器的壽命。因此，表面過濾器在空氣過濾行業(yè)中的應(yīng)用數(shù)量有限。

4、深度過濾器通常用于空氣過濾裝置，具有中等效率至高效率、低壓降和相對(duì)高的容塵量。傳統(tǒng)的住宅和商業(yè)空氣過濾器，例如hepa過濾器，通常根據(jù)過濾器捕獲約0.3至10微米顆粒的能力進(jìn)行評(píng)級(jí)。該評(píng)級(jí)稱為最低效率報(bào)告值或merv，由美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ashrae)制定。merv等級(jí)范圍為1-16，值越高，表示捕獲特定類型顆粒的效率越高。

5、污染物的尺寸范圍廣泛。然而，小于1微米的污染物是對(duì)人體最有害的顆粒，并且相對(duì)難以過濾。例如，傳統(tǒng)的機(jī)械空氣過濾器通常報(bào)告非織造過濾材料的merv等級(jí)為約8-10。因此，這些過濾介質(zhì)通常不捕獲亞微米顆粒，例如病毒和其他有害病原體。

6、過濾行業(yè)集中于兩種不同的捕獲這些亞微米顆粒的方法：靜電力和利用過濾介質(zhì)中的納米顆粒。通過使用摩擦電方法、電暈放電、水力充電、靜電纖維紡絲或其他已知方法對(duì)非織造材料內(nèi)的纖維進(jìn)行靜電充電而形成靜電過濾器。靜電過濾器在捕獲亞微米顆粒方面最有效，在捕獲1至3微米的顆粒方面相當(dāng)有效，并且在捕獲3至10微米的較大顆粒方面效果極低。靜電纖維通常用于許多過濾應(yīng)用，例如面罩和高效過濾器，以過濾亞微米污染物，例如病毒等。

7、靜電過濾器的一個(gè)缺點(diǎn)是靜電荷隨時(shí)間和過濾器的使用而衰減。因此，過濾器的效率降低相對(duì)較快，從而縮短其壽命。例如，初始merv等級(jí)為13的靜電過濾器在靜電力衰減后可能失去至少2-3個(gè)merv等級(jí)點(diǎn)。這損害了過濾器的完整性，并可能部分或完全抑制其捕獲亞微米顆粒的能力。

8、另一種捕獲亞微米污染物的方法是將納米顆粒與纖維結(jié)合使用。過濾系統(tǒng)可以采用過濾介質(zhì)，包括直徑以微米測(cè)量的相對(duì)大的纖維和相對(duì)較小的納米顆粒。納米顆粒通過減小介質(zhì)內(nèi)的整體纖維尺寸來增加介質(zhì)內(nèi)用于捕獲顆粒的表面積。納米顆粒也傾向于相互塌陷，增加過濾介質(zhì)內(nèi)的堆積密度。已顯示，即使在微纖維材料上形成的層中僅有少量納米尺寸的纖維，也能改善材料的過濾特性。

9、將納米顆粒摻入過濾介質(zhì)的最常見方法是通過電紡絲將連續(xù)納米纖維薄層施加在非制造基材上。納米顆粒通常平行或垂直于本體過濾介質(zhì)層的表面延伸，除了粗過濾介質(zhì)提供的較大顆粒的過濾外，還提供小顆粒的高效過濾。例如，美國(guó)專利號(hào)6,743,273公開了過濾介質(zhì)，其中連續(xù)納米纖維層沉積在基材的表面上。美國(guó)專利號(hào)10,799,820還公開了空氣過濾介質(zhì)，其包含過濾介質(zhì)表面上的連續(xù)納米纖維層。

10、雖然現(xiàn)有的摻入納米顆粒的過濾介質(zhì)已經(jīng)提高了這些過濾器的相對(duì)效率，但這些過濾器在某些應(yīng)用中的商業(yè)潛力受到限制，因?yàn)榧{米顆粒通常分散在非織造材料的表面上。過濾器表面上相對(duì)較薄的納米顆粒層僅提供有限的顆粒過濾，并且具有相對(duì)較低的容塵量。

11、雖然已經(jīng)進(jìn)行了許多將納米材料摻入過濾介質(zhì)以提高整體過濾效率的嘗試，但這些嘗試僅限于所謂的“濕法成網(wǎng)(wetlaid)”方法。這些濕法成網(wǎng)方法涉及將短切納米纖維摻入液體漿料中，以借助表面活性劑分離纏結(jié)的納米纖維。例如，美國(guó)專利號(hào)10,252,201公開了由濕法成網(wǎng)形成的短切納米纖維和短切粗纖維混合物制成的過濾介質(zhì)。類似地，美國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?021/0023813公開了生產(chǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該復(fù)合結(jié)構(gòu)由連續(xù)纖維非織造基材和不連續(xù)纖維(例如碳納米纖維)組成。該方法包括通過將連續(xù)纖維非織造基材拉過不連續(xù)纖維的漿料，其中納米材料嵌入非織造基材中。

12、雖然這些結(jié)構(gòu)已顯示出效率提高，但它們還存在其他問題，例如當(dāng)介質(zhì)處于正常使用條件下時(shí)，壽命和/或效率降低。此外，這些濕法成網(wǎng)方法尚未成功地將納米顆粒均勻地?fù)饺胝麄€(gè)非織造材料中，這導(dǎo)致納米顆粒在材料內(nèi)結(jié)塊，從而進(jìn)一步降低其效率和整體容塵量。

13、因此，需要改進(jìn)的非織造材料和包含此類材料的產(chǎn)品。特別期望在不損害過濾器的其他重要特性(例如壽命、容塵量和通過過濾器的壓降或氣流)的情況下，提高過濾器捕獲污染物(特別是亞微米污染物)的效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、以下呈現(xiàn)了所要求保護(hù)的主題的簡(jiǎn)要概述，以提供對(duì)所要求保護(hù)的主題的一些方面的基本理解。本
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
不是對(duì)所要求保護(hù)的主題的全面概述。它既不旨在確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或重要要素，也不旨在描述所要求保護(hù)的主題的范圍。其唯一目的是以簡(jiǎn)化形式呈現(xiàn)所要求保護(hù)的主題的一些概念，作為后面呈現(xiàn)的更詳細(xì)描述的序言。

2、提供了非織造材料和包含非織造材料的產(chǎn)品，其包括包含纖維的基材和摻入基材的至少一部分中的納米顆粒。本文討論的非織造材料可以包括任何基材，例如片材、層、膜、開孔膜、網(wǎng)、網(wǎng)狀物或其他介質(zhì)，其包含相互交錯(cuò)的單根纖維或線的結(jié)構(gòu)。合適的非織造材料的實(shí)例包括但不限于熔噴、紡粘、粘合梳理、氣流成網(wǎng)、共成型、液壓纏結(jié)等的纖維、層或網(wǎng)。在其他實(shí)施方案中，設(shè)想針織物或編織物為基材。

3、在一個(gè)方面，非織造材料包括基材和納米顆粒，該基材包含纖維并且具有第一表面和相對(duì)的第二表面，該納米顆粒被布置在基材內(nèi)的至少第一表面和第二表面之間，使得該納米顆粒的面密度從第一表面向第二表面減小，或者與該基材的中間部分相比，布置在兩個(gè)表面上的納米顆粒的面密度更高。由在基材的至少一部分中的納米顆粒形成的密度梯度改善了材料在許多不同應(yīng)用中的性能特征。例如，納米顆粒增加了基材內(nèi)的總表面積，這可以提高其過濾效率，并允許捕獲亞微米污染物，而不顯著損害其他因素，例如通過過濾器的壓降(即空氣流量)。

4、在某些實(shí)施方案中，位于第一表面處的納米顆粒的密度與分散在兩個(gè)表面之間的基材的中心部分內(nèi)的納米顆粒的密度的差異小于50％。在一些實(shí)施方案中，該差異小于25％，優(yōu)選小于10％。在某些實(shí)施方案中，分散在基材的中心部分內(nèi)的單個(gè)納米顆粒的量或數(shù)量是分散在第一表面處或第一表面附近的單個(gè)納米顆粒的量的至少約50％，優(yōu)選至少約75％，并且更優(yōu)選至少約90％。

5、在一些實(shí)施方案中，納米顆?？梢詮牡谝槐砻婧偷诙砻嫣砑拥交闹?。在這些實(shí)施方案中，第一表面和第二表面處的面密度或“添加量”可以基本上彼此相等，或者它們可以根據(jù)應(yīng)用而不同。在這些實(shí)施方案中，存在于基材中間的面密度或“添加量”低于外表面處的面密度或“添加量”。例如，基材中間的面密度可以是外表面處的面密度的約75％，或者可以是約50％、40％或25％。

6、在某些實(shí)施方案中，納米顆粒可以包含約0.1克/m2至約20克/m2，優(yōu)選至少約2.0克/m2的添加量。具體的添加量或面密度可能取決于應(yīng)用。例如，申請(qǐng)人已發(fā)現(xiàn)，更高的面密度或添加量將提高非織造材料過濾污染物的效率。

7、在某些實(shí)施方案中，納米顆?！耙砸欢ㄉ疃取狈稚⒃诨膬?nèi)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“以一定深度”意指納米顆粒分散越過基材的第一表面，使得至少一些納米顆粒被布置在基材或介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中第一和第二相對(duì)表面之間。在某些實(shí)施方案中，納米顆粒分散遍及從第一表面到相對(duì)的第二表面的基本上整個(gè)介質(zhì)。在其他實(shí)施方案中，納米顆粒分散在從第一表面到第一和第二表面之間的位置的一部分介質(zhì)內(nèi)。

8、在一些實(shí)施方案中，納米顆粒相對(duì)于支撐纖維在空間中呈三維分布，這可以增加非織造材料內(nèi)的纖維表面積和微體積。三維分布還可以防止非織造材料特定部分的完全堵塞，這在過濾介質(zhì)中特別有用，因?yàn)樗试S流體(例如，空氣和其他氣體)穿過過濾器，從而降低過濾器上的總壓降。

9、在某些實(shí)施方案中，基材具有從第一表面到第二表面的厚度，其中納米顆粒以從第一表面到第二表面寬度的至少70％布置在基材內(nèi)。在實(shí)例中，納米顆粒以從第一表面到第二表面厚度的至少90％布置在基材內(nèi)。

10、在某些實(shí)施方案中，在流體內(nèi)隔離納米顆粒并使其通過基材的第一表面分散。例如，流體可以是氣態(tài)介質(zhì)，例如空氣、氦、氮、氧、二氧化碳等。納米顆粒可以通過氣流、氣溶膠、蒸發(fā)器、噴霧或其他合適的輸送機(jī)制從該氣態(tài)介質(zhì)中進(jìn)行分散。

11、納米顆粒可以包括任何合適的材料，例如玻璃、生物可溶性玻璃、陶瓷材料、丙烯酸、碳、金屬(例如氧化鋁)、聚合物(例如尼龍、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯等)、聚氯乙烯(pvc)、聚烯烴、聚縮醛、聚酯、纖維素醚、聚亞烷基硫醚、聚(亞芳基氧化物)、聚砜、改性聚砜聚合物和聚乙烯醇、聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯及其任何組合。

12、基材的纖維可以通過任何方法生產(chǎn)，包括但不限于氣流成網(wǎng)法、噴絲頭、凝膠紡絲、熔融紡絲、濕法紡絲、干法紡絲、海島型短纖維或紡粘、分段式餅狀短纖維或紡粘等。預(yù)期的纖維的橫截面可以具有多種形狀，包括但不限于圓形、蕓豆形、狗骨形、三葉形、杠鈴形、領(lǐng)結(jié)形、星形、y形等。

13、纖維可以是人造纖維或天然纖維。適合用于纖維的材料包括但不限于聚丙烯、聚酯(pet)、pen聚酯、pct聚酯、聚丙烯、pbt聚酯、共聚酰胺、聚乙烯、高密度聚乙烯(“hdpe”)、lldpe、交聯(lián)聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚富馬腈、聚苯乙烯、苯乙烯馬來酸酐、聚甲基戊烯、環(huán)烯烴共聚物或氟化聚合物、聚四氟乙烯、全氟乙烯和六氟丙烯或與pvdf的共聚物(如p(vdf-trfe))或三元共聚物(如p(vdf-trfe-cfe))、丙烯、聚酰亞胺、聚醚酮、纖維素酯、尼龍和聚酰胺、聚甲基丙烯酸、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲醛、聚磺酸酯、丙烯酸、苯乙烯化丙烯酸、預(yù)氧化丙烯酸、氟化丙烯酸、乙酸乙烯酯、乙烯基丙烯酸、乙烯乙酸乙烯酯、苯乙烯-丁二烯、乙烯/氯乙烯、乙酸乙烯酯共聚物、乳膠、聚酯共聚物、羧化苯乙烯丙烯酸或乙酸乙烯酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸共聚物、酚醛樹脂、聚氨酯、纖維素、苯乙烯或其任何組合。設(shè)想了其他常規(guī)纖維材料。

14、纖維可以包括不同尺寸的纖維，纖維的直徑通常在約1至1000微米的范圍內(nèi)，長(zhǎng)度在約半英寸至三英寸的范圍內(nèi)。纖維可以被配置為梯度密度介質(zhì)，其中孔徑從過濾器的上表面(上游)到下表面(下游)減小，以提高捕獲效率和容塵量。這種配置還允許將不同數(shù)量的納米顆粒分散到不同深度的過濾介質(zhì)中。例如，過濾介質(zhì)的上游側(cè)可以具有最大的纖維尺寸，以允許更多的空隙空間和更大的納米顆粒密度，而過濾介質(zhì)的下游側(cè)具有較小尺寸的纖維，以提供較低的納米顆粒密度?？蛇x地，可以反轉(zhuǎn)該結(jié)構(gòu)以在過濾介質(zhì)的下游部分提供更高密度的納米顆粒。

15、在一些實(shí)施方案中，基材可以包含“高蓬松度”非織造材料，該非織造材料包含紡粘或熱風(fēng)粘合的梳理非織造纖維。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“高蓬松度”是指空隙空間的體積大于總固體的體積。在熱風(fēng)粘合的梳理非織造纖維中，基材的蓬松度可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的各種方式控制。

16、在某些實(shí)施方案中，纖維的線密度可以大于約3旦尼爾?？諝膺^濾器中的纖維的線密度通常為約3旦尼爾或更小，以確保纖維足夠小以捕獲穿過過濾器的污染物。申請(qǐng)人已出乎意料地發(fā)現(xiàn)，通過使用分散在過濾介質(zhì)中的納米顆粒，纖維可以具有更大的線密度，例如，大于3旦尼爾。這是因?yàn)榧{米顆粒提供了顯著的過濾能力。在一些情況下，纖維的線密度可以大于3旦尼爾、為5旦尼爾或更大、為6旦尼爾或更大或大到7-10旦尼爾。

17、在某些實(shí)施方案中，纖維是具有芯和鞘的生物組分纖維。在實(shí)施方案中，芯與鞘不同心。在其他實(shí)施方案中，芯與鞘同心。

18、在某些實(shí)施方案中，非織造材料(即纖維和/或納米顆粒)可以帶靜電，使得例如可以通過機(jī)械和靜電過濾捕獲污染物。纖維和納米顆粒之間的粘合還可以通過對(duì)納米顆粒、纖維或兩者進(jìn)行靜電充電來增強(qiáng)。例如，在某些實(shí)施方案中，纖維帶靜電，使得機(jī)械過濾可以通過納米顆粒實(shí)現(xiàn)，而靜電過濾可以通過駐極體基材實(shí)現(xiàn)。靜電或駐極體基材可以是通過梳理和針刺制成的高蓬松度摩擦電過濾介質(zhì)。在實(shí)施方案中的一個(gè)中，優(yōu)選地納米顆粒在針刺之前沉積到基材中，然后將靜電纖維和納米顆粒針刺在一起。

19、在某些實(shí)施方案中，非織造產(chǎn)品還包含在基材內(nèi)的粘合劑，將納米顆粒保持在基材中。例如，粘合劑可以包含選自由淀粉、糊精、瓜爾膠、pvoh和合成樹脂組成的組的材料。在實(shí)施例中，粘合劑是聚合物膠粘劑。

20、在另一個(gè)方面，提供了非織造材料，其包括包含直徑大于1微米的纖維的基材，以及布置在基材內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)的多個(gè)納米顆粒。鄰近或靠近第一表面布置的納米顆粒的數(shù)量大于鄰近或靠近第二表面布置的納米顆粒的數(shù)量。

21、在某些實(shí)施方案中，納米顆粒的面積密度從第一表面向第二表面減小?；闹械睦w維具有以克每平方米(gsm)為單位的第一面積密度，并且納米顆粒具有以gsm為單位的第二面積密度。第一面積密度與第二面積密度的比率小于或等于約100。在某些實(shí)施方案中，該比率小于或等于約67。在進(jìn)一步的實(shí)施方案中，該比率小于或等于約33.5。在實(shí)施方案中，該比率小于或等于約22.3。

22、本文中對(duì)本說明書的各種實(shí)施方案所滿足的期望目的的敘述并不意味著或表示這些目的中的任何一個(gè)或全部作為基本特征單獨(dú)或集體存在于本說明書的最一般的實(shí)施方案或其任何更具體的實(shí)施方案中。