本說明書大致上涉及用于在氣態(tài)介質(zhì)中分離和/或隔離單個納米顆粒以及生產(chǎn)在產(chǎn)品內(nèi)摻入單個納米顆粒的產(chǎn)品的系統(tǒng)和方法。

背景技術：

1、由于纖維材料的纖維尺寸細，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行測量，并且通過紡粘、熔噴、靜電紡絲或其他技術形成。當流體流過過濾介質(zhì)時，細纖維捕獲并截留其中的污染物。

2、摻入纖維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)作為在污染物進入介質(zhì)結(jié)構之前被捕獲的屏障。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高的顆粒捕獲效率。然而，它們也具有相對高的壓降和低的容塵量。高壓降導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)中的應用有限。

3、深度過濾器通常用于空氣過濾裝置，具有中等至高效率、低壓降和相對高的容塵量。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微米顆粒的能力進行評級。該評級稱為最低效率報告值或merv，由美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學會(ashrae)制定。merv等級范圍為1-16，值越高，表示捕獲特定類型顆粒的效率越高。

4、污染物的尺寸范圍廣泛。然而，小于1微米的污染物是對人體最有害的顆粒，并且相對難以過濾。例如，傳統(tǒng)的機械空氣過濾器通常報告纖維過濾材料的merv等級為約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。

5、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纖維材料內(nèi)的纖維進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有效，在捕獲3至10微米的較大顆粒方面效果最差。靜電纖維通常用于許多過濾應用，例如面罩和高效過濾器，以過濾亞微米污染物，例如病毒等。

6、靜電過濾器的一個缺點是靜電荷隨時間和過濾器的使用而衰減。因此，過濾器的效率降低相對較快，從而縮短其壽命。例如，初始merv等級為13的靜電過濾器在靜電力衰減后可能失去至少2-3個merv等級點。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。

7、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)，包括直徑以微米計的相對大的纖維和相對較小的納米顆粒。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。

8、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，美國專利號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。美國專利號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。

9、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效率，但這些過濾器在某些應用中的商業(yè)潛力受到限制，因為納米顆粒通常分散在非織造材料的表面上。過濾器表面上相對較薄的納米顆粒層僅提供有限的顆粒過濾，并且具有相對較低的容塵量。

10、雖然已經(jīng)進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，美國專利號10,252,201公開了由濕法成網(wǎng)方法形成的由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，美國專利申請?zhí)?021/0023813公開了生產(chǎn)復合結(jié)構的方法，該復合結(jié)構由連續(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。

11、雖然這些結(jié)構已顯示出效率提高，但它們還存在其他問題，例如當介質(zhì)處于正常使用條件下時，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摻入整個非織造材料中，這導致納米顆粒在材料內(nèi)結(jié)塊，從而進一步降低其效率和整體容塵量。

12、因此，需要改進的用于從納米纖維中分離和/或隔離納米顆粒的系統(tǒng)和方法，使得這些納米顆?？梢愿晒Φ負饺氘a(chǎn)品(例如過濾器)中，從而改善過濾器的性能特征。

技術實現(xiàn)思路

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

2、提供了用于在氣態(tài)介質(zhì)內(nèi)從納米纖維團塊、簇或其他組中分離和/或隔離單個納米顆粒的系統(tǒng)、裝置和方法。納米纖維組可以具有任何合適的尺寸，并且可以相互纏結(jié)或可以相互不纏結(jié)?？梢栽谌魏魏线m的氣態(tài)介質(zhì)(例如空氣、氦氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣等)中隔離單個納米顆粒，使得納米顆粒能夠經(jīng)由氣流、氣溶膠、蒸發(fā)器、噴霧或其他合適的輸送機制分散到膜、層、基材、產(chǎn)品或纖維流中。在氣態(tài)介質(zhì)中隔離單個納米顆粒，然后將其分散到基材或流體流中以形成產(chǎn)品，使納米顆粒更均勻地且“以一定深度”分布在整個產(chǎn)品中。如本文所用，術語“以一定深度”意指納米顆?？梢苑稚⒃竭^基材或其他介質(zhì)的第一表面，使得至少一些納米顆粒被布置在基材內(nèi)部結(jié)構中的第一和第二相對表面之間。

3、在一個方面，該系統(tǒng)包含殼體，其被配置成容納納米纖維簇、團塊或其他組，以及耦接至殼體的泵。該系統(tǒng)還包括耦接至泵的一個或多個通道和通道內(nèi)的氣態(tài)介質(zhì)。泵被配置成以足以將納米纖維組打開和/或分離成至少一個尺寸小于1微米的單個納米顆粒的速度和/或動量將納米纖維組通過氣態(tài)介質(zhì)或與氣態(tài)介質(zhì)一起推向通道內(nèi)的一個或多個表面。

4、申請人發(fā)現(xiàn)，通過以足以生成將至少一些這些納米纖維組分解和分離成單個納米顆粒所需要的動能的速度將納米纖維簇推入合適的表面中，可以在氣態(tài)介質(zhì)內(nèi)從納米纖維組中分離出單個納米顆粒。在某些實施方案中，納米顆粒的速度為約500英尺/分鐘(fpm)至約10,000fpm，優(yōu)選約2,000fpm至約6,000fpm。

5、在一個特定方面，該系統(tǒng)包含進料器以及與進料器耦接的分離器，進料器例如為料斗或類似裝置，用于將大納米纖維簇或團塊引入系統(tǒng)中，分離器被配置成將大納米纖維簇機械分離成具有適合在系統(tǒng)中循環(huán)的尺寸的較小的納米纖維組。大簇可以是任何合適的尺寸，并且可以相互纏結(jié)，或可以相互不纏結(jié)。

6、在實施方案中，該系統(tǒng)還包含氣體源，例如壓縮空氣或其他合適的氣體，以及用于將較小的納米纖維組從分離器通過一個或多個通道吸入系統(tǒng)的泵。壓縮空氣源提供動力流體，以使納米纖維在整個系統(tǒng)中循環(huán)，并最終向外進入合適的分散裝置。泵可以包括任何合適的泵，例如正排量泵、離心泵、軸流泵等。在一個實施方案中，泵包含噴射器，其被配置成生成足夠的負壓，以將納米纖維從分離器中吸出并通過通道進入泵中。

7、該系統(tǒng)可以還包括能量源，例如第二泵、第二噴射器等，該能量源耦接至第一噴射器并被配置成以足夠的速度將納米纖維從第一噴射器推向表面以分解納米纖維并將至少一些納米纖維組轉(zhuǎn)化成單個納米顆粒。該表面可以是任何阻礙納米纖維流過通道的表面，例如連接點處的通道內(nèi)壁，或其他方向變化的內(nèi)壁，例如曲面、垂直表面等?？蛇x地，通道可以包括布置在通道內(nèi)或在流體路徑中突出到通道中的壁或其他表面。在一個實施方案中，通道延伸到基本上t形的接頭，該接頭包括從接頭延伸的兩個獨立通道。第二噴射器被配置成以足以使至少一些納米纖維打散的速度將納米纖維推入t形接頭的壁中。

8、在某些實施方案中，該系統(tǒng)還包含一個或多個反應器，用于分離已經(jīng)從尚未完全分解的納米纖維組中隔離的單個納米顆粒。反應器包含殼體，其與通道耦接并且具有內(nèi)腔和負壓源，該負壓源被配置成使納米纖維組與單個納米顆粒分離。

9、在實施方案中，一個或多個反應器各自包含基本上中心桿或圓柱體以及位于內(nèi)腔一端且基本上圍繞中心桿的一個或多個入口。入口與通道耦接，使得納米纖維和單個納米顆粒通過入口被吸入腔。中心桿在與入口相對的一端包含開口。開口與中心桿內(nèi)的內(nèi)部通道耦接，并且具有與噴嘴或其他分散裝置耦接的出口。這允許納米顆粒通過入口進入反應器，然后進入中心桿并進入分散裝置。

10、入口的朝向可以相對于中心桿成一定角度，使得納米纖維和納米顆粒以相對于反應器外表面的橫向角度進入內(nèi)腔。在優(yōu)選的實施方案中，至少一個或多個入口的朝向使得當納米纖維和納米顆粒進入反應器時，它們沿與中心桿基本上相切的方向移動。一旦它們進入圍繞桿的環(huán)形腔，納米纖維和納米顆粒的速度矢量(速度和方向)在反應器內(nèi)產(chǎn)生渦流，使它們圍繞中心桿從一端到另一端打旋。由于單個納米顆粒明顯輕于仍聚集在一起的纏結(jié)納米纖維，因此這些單個納米顆粒被吸入中心桿的入口中。腔內(nèi)的渦流還可以在納米纖維簇穿過反應器時進一步分解(例如，打開、分離和/或單獨化)納米纖維簇。

11、反應器還可以包含位于入口的相對端的一個或多個出口。尚未分解的較大和較重的納米纖維簇通過這些出口被吸出。因此，被隔離和單獨化的納米顆粒被吸入噴嘴，并且納米纖維簇通過出口被吸出。這些出口可以耦接至第一泵或第二泵，或耦接至系統(tǒng)內(nèi)的另外的泵，這些泵被設計用于進一步分解納米纖維簇并將其重新循環(huán)回反應器中。

12、在實施方案中，該系統(tǒng)還可以包括分散裝置，用于將單個納米顆粒與纖維組合以形成含有纖維和納米顆粒的產(chǎn)品。在一個實施方案中，第二裝置包含噴嘴或類似裝置，用于將單個納米顆粒分散到第一流中。系統(tǒng)進一步包括用于生成一個或多個纖維流的裝置，這些纖維流將與單個納米顆粒流組合。纖維流可以用本領域已知的任何合適機制(例如熔噴、紡粘或水刺、熱粘合、梳理、氣流成網(wǎng)、濕法成網(wǎng)、共成型、針刺、縫合、液壓纏結(jié)等)生成。

13、在另一個實施方案中，第二裝置包含噴嘴，用于將單個納米顆粒分散到包含纖維的基材的第一表面上，使得納米顆粒至少滲透通過基材的第一表面。纖維可以是例如包括基材的纖維材料的一部分，例如片材、層、膜、開孔膜、網(wǎng)、網(wǎng)狀物或其他介質(zhì)。基材包含纖維，并且包括粘合至纖維并摻入基材中的至少一部分中的納米顆粒。

14、噴嘴優(yōu)選地被配置成將納米顆粒以一定深度分散到基材內(nèi)。在某些實施方案中，噴嘴將納米顆粒分散遍及從第一表面到相對的第二表面的基本上整個介質(zhì)。在其他實施方案中，噴嘴將納米顆粒分散到從第一表面到第一表面和第二表面之間的位置的介質(zhì)的一部分中。在其他實施方案中，噴嘴以密度梯度從基材的第一表面到相對的第二表面分散納米顆粒。納米顆粒的密度在第一表面或第二表面處可以更大。

15、分散裝置還可以包括布置在基材下方與噴嘴相對的負壓源或真空源，以增加納米顆粒的滲透深度和均勻性。負壓源可以是任何合適的將基材中的納米顆粒吸出的抽吸裝置，例如抽吸泵等。

16、在某些實施方案中，產(chǎn)品是過濾介質(zhì)和過濾器，例如空氣過濾器、面罩、燃氣輪機和壓縮機進氣過濾器、板式過濾器等。納米顆粒增加了過濾介質(zhì)內(nèi)的總表面積，這提高了其過濾效率，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)。此外，使用本文所述的系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的過濾器能夠承受嚴格的調(diào)節(jié)，這允許過濾器在其整個壽命期間均能實現(xiàn)相同水平的過濾性能。

17、在另一個方面，用于在氣態(tài)介質(zhì)內(nèi)隔離單個納米顆粒的方法包括在氣態(tài)介質(zhì)內(nèi)提供納米纖維簇、團塊或其他組，并將納米纖維組推向表面以將納米纖維簇的至少一部分分離成單個納米纖維。可以在任何合適的氣態(tài)介質(zhì)(例如空氣、氦氣、氮氣、氧氣、二氧化碳、水蒸氣等)中隔離單個納米顆粒，使得納米顆粒能夠經(jīng)由氣流、氣溶膠、蒸發(fā)器、噴霧或其他合適的輸送機制分散到膜、層、基材、產(chǎn)品或纖維流中。

18、在某些實施方案中，首先將大納米纖維簇彼此機械分離，以形成具有適合通過纖維化裝置推進的尺寸的較小納米纖維簇。纖維化裝置將納米纖維簇分解成單個納米顆粒。

19、該方法還可以包括向納米纖維簇施加負壓以將納米纖維簇吸入壓縮空氣流中，并將納米纖維簇推向表面，以將至少一部分納米纖維簇分解成單個納米顆粒。例如，該表面可以是接頭的通道內(nèi)壁，或其他方向變化的內(nèi)壁，例如曲面、垂直表面等。在一個實施方案中，將納米纖維推入基本上t形的接頭，該接頭包括從接頭延伸的兩個獨立通道。納米纖維的速度可以為約500英尺/分鐘(fpm)至約10,000英尺/分鐘，優(yōu)選約2,000fpm至約6,000fpm。

20、在某些實施方案中，該方法還包括分離已經(jīng)從尚未完全分解的納米纖維團塊中隔離的單個納米顆粒。在這些實施方案中，使顆粒(納米纖維團塊和單個納米顆粒)進入到一個或多個反應器的內(nèi)腔中。顆粒在反應器中分離，使得納米顆粒進入噴嘴，并且剩余的納米纖維團塊離開反應器，通過系統(tǒng)再循環(huán)。在優(yōu)選的實施方案中，顆粒以與中心桿成一定角度的方式被推入反應器中，使得納米纖維和納米顆粒的速度矢量(速度和方向)在反應器內(nèi)產(chǎn)生渦流，使它們圍繞中心桿從一端到另一端打旋。由于單個納米顆粒明顯輕于仍聚集在一起的纏結(jié)納米纖維，因此這些單個納米顆粒被吸入中心桿的入口。腔內(nèi)的渦流可以在納米纖維簇穿過反應器時進一步分解(例如，打開、分離和/或單獨化)納米纖維簇。

21、在一個實施方案中，第一單個納米纖維流與一個或多個纖維流合并以形成纖維材料。纖維流可以通過本領域中任何已知的系統(tǒng)(例如紡粘、熔噴模頭、梳理、擠出等)生成。

22、在另一個實施方案中，將單個納米顆粒分散到含有纖維的基材的第一表面上，使得納米顆粒至少滲透通過基材的第一表面。在某些實施方案中，納米顆?；旧戏稚⒈榧皬牡谝槐砻娴较鄬Φ牡诙砻娴恼麄€介質(zhì)。在其他實施方案中，納米顆粒通過從第一表面到第一和第二表面之間的位置的介質(zhì)的一部分分散。在其他實施方案中，納米顆粒以密度梯度從基材的第一表面到相對的第二表面分散。在第一表面或第二表面處可以具有更大的納米顆粒密度。

23、本文中對本說明書的各種實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或全部作為基本特征單獨或集體存在于本說明書的最一般的實施方案或其任何更具體的實施方案中。