本說明書一般涉及過濾介質(zhì)和氣體或液體過濾器，其包括具有納米顆粒和相對高線密度的纖維。

背景技術(shù)：

1、液體和氣體過濾器捕獲多種不同類型的污染物，以去除空氣、水或其他物質(zhì)中的污染物。例如，空氣過濾器通常包括包含纖維或多孔材料的過濾介質(zhì)，其去除空氣中的固體顆粒，例如灰塵、花粉、霉菌和細菌。

2、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(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(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(xué)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非織造過濾材料的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非織造材料內(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(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。

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(yīng)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(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(gòu)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(dǎo)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，需要改進液體和/或氣體過濾器的過濾介質(zhì)。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空氣流量)的情況下，提高此類過濾器捕獲污染物(特別是亞微米污染物)的效率。

技術(shù)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(shù)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(guān)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，其包括高線密度纖維和分散遍及過濾介質(zhì)的至少一部分的納米顆粒。

3、在一個方面，過濾器包括過濾介質(zhì)，該過濾介質(zhì)包含線密度大于約3旦尼爾的纖維的基材和布置在基材內(nèi)的納米顆粒，其中納米顆粒的至少一個尺寸小于1微米。空氣過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。這是因為納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、5旦尼爾或更大、6旦尼爾或更大或大到7-10旦尼爾。

4、申請人還發(fā)現(xiàn)，在一些應(yīng)用中，線密度大于傳統(tǒng)過濾器中使用的線密度(例如，大于約3旦尼爾)的纖維在過濾介質(zhì)內(nèi)提供更多的開放空間或孔隙，這允許更大密度的納米顆粒分散在其中。雖然這可能與本領(lǐng)域技術(shù)人員的直覺相反，但申請人發(fā)現(xiàn)，將具有更大線密度的纖維摻入納米顆粒實際上提高了過濾器的整體效率。這導(dǎo)致更高的merv等級。例如，申請人已經(jīng)能夠用5旦尼爾生物組分纖維產(chǎn)生merv等級為14且壓降為0.5英寸水柱的空氣過濾器。類似地，申請人能夠用5旦尼爾生物組分纖維產(chǎn)生merv等級為13且壓降僅為約0.32英寸水柱的過濾器。

5、在另一個實施方案中，申請人產(chǎn)生了過濾介質(zhì)，其包含5旦尼爾和7旦尼爾梳理纖維的共混物。如本文所述的摻入納米顆粒的過濾介質(zhì)的merv等級為13且壓降小于約0.32英寸水柱。

6、在其他實施方案中，纖維是具有芯和鞘的生物組分纖維。芯相對于鞘的縱軸是非同心的，這增加了生物組分纖維的整體蓬松度。

7、在某些實施方案中，納米顆?！耙砸欢ㄉ疃取狈稚⒃谶^濾介質(zhì)內(nèi)。如本文所用，術(shù)語“以一定深度”意指納米顆粒分散越過過濾介質(zhì)的第一表面，使得至少一些納米顆粒被布置在介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的第一和第二相對表面之間。在某些實施方案中，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，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、在一些實施方案中，納米顆粒相對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，因為它允許流體(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、納米顆?？梢员徊贾迷谶^濾介質(zhì)的第一和第二相對表面之間，使得納米顆粒的面密度從第一表面向第二表面減小，或者與基材的中間部分相比，布置在兩個表面上的納米顆粒的面密度更高。納米顆粒在基材的至少一部分中所形成的密度梯度改善了過濾器的性能特征。例如，納米顆粒增加了纖維基材內(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)。此外，本文公開的過濾器能夠承受嚴格的調(diào)節(jié)，這使過濾器在其整個使用壽命期間均能達到相同水平的過濾性能。

10、在某些實施方案中，位于第一表面處的納米顆粒的密度與分散在兩個表面之間的基材的中心部分或中點內(nèi)的納米顆粒的密度的差異小于50％。在一些實施方案中，該差異小于25％，優(yōu)選小于10％。在某些實施方案中，分散在基材的中心部分內(nèi)的單個納米顆粒的量或數(shù)量是分散在第一表面處或附近的單個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％。

11、在一些實施方案中，納米顆?？梢詮牡谝缓偷诙砻嫣砑拥交闹小Ｔ谶@些實施方案中，第一和第二表面處的面密度或“添加量”可以彼此基本上相等，或者它們可以根據(jù)應(yīng)用而不同。在這些實施方案中，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％。

12、在某些實施方案中，納米顆?？梢园s0.1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。

13、在某些實施方案中，納米顆粒隔離在流體內(nèi)并分散通過基材的第一表面。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?？梢杂蛇@種氣態(tài)介質(zhì)通過氣流、氣溶膠、蒸發(fā)器、噴霧或其他合適的輸送機制進行分散。

14、納米顆?？梢园ㄈ魏魏线m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。

15、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。設(shè)想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。

16、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、丙烯酸多元聚合物、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。

17、在某些實施方案中，過濾介質(zhì)(即纖維和/或納米顆粒)可以帶靜電，使得例如可以通過機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納米顆粒、纖維或兩者進行靜電充電來增強。例如，在某些實施方案中，纖維帶靜電，使得機械過濾可以通過納米顆粒實現(xiàn)，而靜電過濾可以通過駐極體基材實現(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)。在其中一個實施方案中，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。

18、在某些實施方案中，過濾介質(zhì)還包含基材內(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。在實例中，粘合劑是聚合物膠粘劑。

19、在實施方案中，過濾器還包含粘合至過濾介質(zhì)的基本上剛性的支撐層。非織造纖維基材可以包含擠出膜，該擠出膜包含一個或多個孔，用于液體從其中流過。例如，孔可以為六邊形、圓形、正方形或菱形。

20、過濾器可以包括褶皺。例如，纖維基材可以包含至少一個折痕以在基材內(nèi)形成褶皺。在另一個實例中，過濾器還包括跨纖維基材表面延伸的多個褶皺。纖維基材可以是無褶皺的。

21、在某些實施方案中，纖維基材包含網(wǎng)、網(wǎng)狀物、織物、針織物或編織物。非織造纖維基材選自由聚丙烯膜、高密度聚乙烯膜和聚乳酸膜組成的組。在實施方案中，纖維基材是柔性表面層，用于面罩。

22、在某些實施方案中，過濾介質(zhì)的merv等級大于約10且壓降小于約0.5英寸水柱。在其他實施方案中，merv等級為約13且壓降等于或小于約0.36英寸水柱。在實施方案中，merv等級為約14且壓降等于或小于約0.5英寸水柱。

23、在另一方面，過濾器包含第一層和第二層，該第一層包含線密度大于約3旦尼爾的纖維的基材和布置在基材內(nèi)的納米顆粒，該第二層包含粘合至第一層的纖維的基材。因此，過濾介質(zhì)具有至少兩種不同的纖維厚度或線密度，以在同一過濾介質(zhì)內(nèi)提供至少兩個不同的過濾層。

24、在某些實施方案中，第一層中的纖維的線密度為至少5旦尼爾。在其他實例中，第一層中的纖維的線密度為至少6旦尼爾。第一層中的纖維的線密度可以為至少8旦尼爾。

25、在一個實施方案中，過濾介質(zhì)的第一層包括線密度大于3旦尼爾(例如5旦尼爾或更大或6旦尼爾或更大)的纖維。過濾介質(zhì)的第二層包含具有3旦尼爾或更小的更標準的線密度的纖維。這種雙層過濾介質(zhì)創(chuàng)建第一過濾部分和第二過濾部分，該第一過濾部分主要使用在較大厚度的纖維內(nèi)具有高密度的納米顆粒來過濾污染物；該第二過濾部分主要使用具有較低線密度的纖維來過濾污染物，但這兩個部分都可以包括分散遍及纖維的納米顆粒。

26、在某些實施方案中，過濾介質(zhì)可以包括三個或更多個單獨的部分或?qū)?，每個部分內(nèi)具有不同的旦尼爾纖維范圍。

27、纖維可以包括生物組分纖維，其包括彼此粘合的兩種或更多種不同纖維。纖維可以包括相同的材料或不同的材料。

28、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旨在暗示或表示這些目的中的任何一個或全部作為基本特征(單獨或共同地)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。