本說(shuō)明書(shū)一般涉及具有至少兩層的氣體過(guò)濾器，其中至少一層摻入納米顆粒，以及用于制造這種氣體過(guò)濾器的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、由于纖維材料的纖維尺寸細(xì)，它們特別適用于在過(guò)濾裝置中捕獲污染物。過(guò)濾介質(zhì)的纖維以微米為單位進(jìn)行測(cè)量，并且可以通過(guò)紡粘、熔噴、靜電紡絲或其他技術(shù)形成。當(dāng)流體流過(guò)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，細(xì)纖維將污染物捕獲并截留在過(guò)濾介質(zhì)中。

2、摻入纖維材料的兩種主要類(lèi)型的過(guò)濾裝置包括表面過(guò)濾器和深度過(guò)濾器。表面過(guò)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(guò)濾器通常具有亞微米孔徑和窄孔徑分布。表面過(guò)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(guò)過(guò)濾器的空氣流量減少。低容塵量顯著降低了過(guò)濾器的壽命。因此，表面過(guò)濾器在空氣過(guò)濾行業(yè)中的應(yīng)用有限。

3、深度過(guò)濾器通常用于空氣過(guò)濾裝置，具有中等至高效率、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(guò)濾器，例如hepa過(guò)濾器，通常根據(jù)過(guò)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(chēng)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(lèi)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(duì)人體最有害的顆粒，并且相對(duì)難以過(guò)濾。例如，傳統(tǒng)的機(jī)械空氣過(guò)濾器通常報(bào)告纖維過(guò)濾材料的merv等級(jí)為約8-10。因此，這些過(guò)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(guò)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(guò)濾介質(zhì)中的納米顆粒。通過(guò)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)纖維材料內(nèi)的纖維進(jìn)行靜電充電而形成靜電過(guò)濾器。靜電過(guò)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，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(guò)濾應(yīng)用，例如面罩和高效過(guò)濾器，以過(guò)濾亞微米污染物，例如病毒等。

6、靜電過(guò)濾器的一個(gè)缺點(diǎn)是靜電荷隨時(shí)間和過(guò)濾器的使用而衰減。因此，過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)濾系統(tǒng)可以采用過(guò)濾介質(zhì)，包括直徑以微米計(jì)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(guò)減小介質(zhì)內(nèi)的整體纖維尺寸來(lái)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(guò)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(guò)濾特性。

8、將納米顆粒摻入過(guò)濾介質(zhì)的最常見(jiàn)方法是通過(guò)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(guò)濾介質(zhì)層的表面延伸，除了粗過(guò)濾介質(zhì)提供的較大顆粒的過(guò)濾外，還提供小顆粒的高效過(guò)濾。例如，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)6,743,273公開(kāi)了過(guò)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(zhuān)利號(hào)10,799,820還公開(kāi)了空氣過(guò)濾介質(zhì)，其包含過(guò)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(guò)濾介質(zhì)已經(jīng)提高了這些過(guò)濾器的相對(duì)效率，但這些過(guò)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(guò)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(guò)濾，并且具有相對(duì)較低的容塵量。

10、雖然已經(jīng)進(jìn)行了許多將納米材料摻入過(guò)濾介質(zhì)以提高整體過(guò)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(zhuān)利號(hào)10,252,201公開(kāi)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(guò)濾介質(zhì)。類(lèi)似地，美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)?021/0023813公開(kāi)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(guò)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(wèn)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。

12、因此，我們需要改進(jìn)氣體過(guò)濾器以及用于制備這種過(guò)濾器的系統(tǒng)和方法。特別期望將納米顆粒摻入整個(gè)氣體過(guò)濾器的至少一部分中，從而改進(jìn)過(guò)濾器的性能特征。

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、提供了過(guò)濾介質(zhì)和過(guò)濾器，例如空氣過(guò)濾器、面罩、燃?xì)廨啓C(jī)和壓縮機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾器、板式過(guò)濾器等，其包括至少兩層和以一定深度分散在至少一層內(nèi)的多個(gè)納米顆粒。還提供了用于制造此類(lèi)過(guò)濾器的系統(tǒng)、裝置和方法。

3、在一方面，氣體過(guò)濾器包含纖維的第一層、粘合至第一層的纖維的第二層和摻入第一層的多個(gè)納米顆粒。納米顆粒增加了過(guò)濾器內(nèi)的總表面積，這提高了其過(guò)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(guò)過(guò)濾器的壓降(即空氣流量)。此外，本文公開(kāi)的過(guò)濾器能夠承受?chē)?yán)格的調(diào)節(jié)，這使過(guò)濾器在其整個(gè)使用壽命期間均能達(dá)到相同水平的過(guò)濾性能。

4、氣體過(guò)濾器的第一層限定第一表面和與第一表面相對(duì)的第二表面。納米顆粒被布置通過(guò)第一表面并進(jìn)入第一層的第一和第二表面之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施方案中，納米顆粒“以一定深度”分散在第一層內(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(guò)層的第一表面，使得至少一些納米顆粒被布置在層或過(guò)濾介質(zhì)的第一和第二相對(duì)表面之間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。在某些實(shí)施方案中，納米顆粒分散基本上遍及從第一表面到相對(duì)的第二表面的整個(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)中。在其他實(shí)施方案中，納米顆粒從基材的第一表面到相對(duì)的第二表面以密度梯度布置。納米顆粒的密度在第一表面或第二表面處可以較大。

5、氣體過(guò)濾器的第二層可以粘合至第一層的第一表面或第二表面。在某些實(shí)施方案中，在第二層中也摻入多個(gè)納米顆粒。納米顆?？梢苑稚⒈榧暗诙拥膬?nèi)部結(jié)構(gòu)。納米顆粒可以從第二層的一個(gè)表面到另一個(gè)表面以密度梯度布置。在該實(shí)施方案中，納米顆粒在分散表面(即，納米顆粒分散進(jìn)入其中的表面)的密度將大于第二層的相對(duì)表面的密度。

6、第一層和第二層可以彼此粘合，使得它們的分散表面彼此面對(duì)(即，其中較大密度的納米顆粒位于氣體過(guò)濾器的內(nèi)側(cè))?？蛇x地，第一層和第二層可以彼此粘合，使得它們的分散表面彼此背對(duì)，使得較大密度的納米顆粒位于氣體過(guò)濾器的外側(cè)。在又另一個(gè)實(shí)施方案中，分散表面交替，使得一個(gè)層的較大密度的納米顆粒位于氣體過(guò)濾器的內(nèi)側(cè)，而另一個(gè)層的較大密度的納米顆粒位于氣體過(guò)濾器的外側(cè)。

7、在另一方面，氣體過(guò)濾器的第一層的線密度可以大于約3旦尼爾?？諝膺^(guò)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(guò)過(guò)濾器的污染物。申請(qǐng)人已出乎意料地發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用分散在過(guò)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(guò)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。

8、申請(qǐng)人還發(fā)現(xiàn)，在一些應(yīng)用中，線密度大于傳統(tǒng)過(guò)濾器中使用的線密度的纖維(例如，大于約3旦尼爾)在過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)提供更多的開(kāi)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(jué)相反，但申請(qǐng)人發(fā)現(xiàn)，將具有更大線密度的纖維摻入納米顆粒實(shí)際上提高了過(guò)濾器的整體效率。

9、在某些實(shí)施方案中，過(guò)濾介質(zhì)可以包括至少兩種不同的纖維厚度或線密度，以在同一過(guò)濾介質(zhì)內(nèi)提供至少兩個(gè)不同的過(guò)濾層。例如，在一些情況下，過(guò)濾器的第一層將包括納米顆粒和線密度大于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(guò)濾介質(zhì)的第二層將包含線密度為3旦尼爾或更小的纖維。這種雙層過(guò)濾介質(zhì)創(chuàng)建了第一過(guò)濾層和第二過(guò)濾層，該第一過(guò)濾層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(lái)過(guò)濾污染物；該第二過(guò)濾層主要使用具有較低線密度的纖維來(lái)過(guò)濾污染物，但這兩個(gè)部分可以均包含分散遍及纖維的納米顆粒。在某些實(shí)施方案中，過(guò)濾器可以包括三個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)的部分或?qū)樱總€(gè)部分內(nèi)具有不同的旦尼爾纖維范圍。

10、第一層和第二層可以包括任何基材，例如片材、層、膜、開(kāi)孔膜、網(wǎng)、網(wǎng)狀物或其他介質(zhì)。在某些實(shí)施方案中，基材將包含具有相互交錯(cuò)的單獨(dú)纖維或線的結(jié)構(gòu)的纖維材料。合適的纖維材料的實(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、層或幅材。在其他實(shí)施方案中，設(shè)想了針織物或編織物作為基材。

11、在一些實(shí)施方案中，過(guò)濾器包括粘合至過(guò)濾介質(zhì)的一個(gè)或多個(gè)支撐層。支撐層和/或過(guò)濾介質(zhì)可以包括以一定深度分散在層內(nèi)的納米顆粒。在一些實(shí)施方案中，提供了聚合物層、膜層或膜，其包括一個(gè)或多個(gè)孔，用于氣體或液體從其中流過(guò)，其中納米顆粒以一定深度布置在聚合物層內(nèi)。

12、在另一方面，用于制造雙層過(guò)濾器的系統(tǒng)包括：進(jìn)料器，用于將纖維的第一層從上游端推進(jìn)到下游端；和在上游端與下游端之間的分散裝置，用于使納米顆粒分散進(jìn)入第一層的第一表面，使得納米顆粒至少穿過(guò)第一層的第一表面。該系統(tǒng)還包括用于將第一層粘合至纖維的第二層的裝置。

13、在某些實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括第二進(jìn)料器，用于推進(jìn)纖維的第二層。第一和第二進(jìn)料器可以包含例如卷繞裝置，其將層通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)樣至連接點(diǎn)，然后在該連接點(diǎn)處將兩層粘合在一起?？梢酝ㄟ^(guò)本領(lǐng)域已知的任何合適方法(例如，相互層合)將層粘合在一起。在某些實(shí)施方案中，進(jìn)料器可以還包含在兩個(gè)卷繞機(jī)之間延伸的支撐表面，用于在基材向下游移動(dòng)通過(guò)系統(tǒng)時(shí)支撐纖維層。在其他實(shí)施方案中，基材直接從退繞機(jī)退繞到卷繞機(jī)，而無(wú)需其他支撐表面。

14、在某些實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括第二分散裝置，用于使納米顆粒分散進(jìn)入第二層的第一表面，使得納米顆粒至少穿過(guò)第二層的第一表面。第一和第二進(jìn)料器可以被配置成使得第一層的第一表面粘合至第二層的第一表面。在其他實(shí)施方案中，第一和第二進(jìn)料器被配置成使得與第一層的第一表面相對(duì)的第一層的第二表面至與第二層的第一表面相對(duì)的第二層的第二表面。可選地，第一和第二進(jìn)料器被配置成使得第一層的第一表面粘合至與第二層的第一表面相對(duì)的第二層的第二表面。

15、該系統(tǒng)可以還包括纖維化裝置，用于將納米顆粒分離和/或隔離在流體或氣體介質(zhì)內(nèi)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“纖維化”意指將納米顆粒簇、團(tuán)塊或其他組轉(zhuǎn)化(例如，打開(kāi)、分離、隔離和/或個(gè)體化)成至少一個(gè)尺寸小于1微米的單個(gè)納米顆粒。在一個(gè)實(shí)施方案中，納米顆粒被分離或隔離在合適的氣態(tài)介質(zhì)(例如空氣、氦、氮、氧、二氧化碳等)中，并經(jīng)由氣流、氣溶膠、蒸發(fā)器、噴霧或其他合適的輸送機(jī)制分散到產(chǎn)品、基材或纖維流中。將單個(gè)納米顆粒分離和/或隔離在氣態(tài)介質(zhì)中，然后將其分散到基材或氣流中，使納米顆粒更均勻地分布遍及氣體過(guò)濾器的層。

16、第二裝置可以還包括與第一和/或第二噴嘴相對(duì)地布置在基材下方的負(fù)壓源或真空源，以增加納米顆粒的穿透深度和均勻性。負(fù)壓源可以是任何合適的抽吸裝置，其使納米顆粒通過(guò)基材，例如抽吸泵等。

17、該系統(tǒng)可以還包括涂覆裝置，用于將粘合劑分散到第一層和/或第二層中的纖維上。粘合劑可以包含各種常規(guī)材料，包括天然基材料，例如淀粉、糊精、瓜爾膠等，或合成樹(shù)脂，例如eva、pva、pvoh、sbr、聚乙交酯等。在一些實(shí)施方案中，基材包括其自身的粘合劑組合物。在這些實(shí)施方案中，粘合劑或粘合材料可以添加或可以不添加到基材中。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，基材包含生物組分纖維，其中組分中的一個(gè)包含至少部分圍繞內(nèi)芯的外鞘。

18、第二裝置可以還包括干燥器，例如ir烤箱等，其布置在進(jìn)料器的下游端附近，用于加熱納米顆粒和纖維，以將納米顆粒粘合至基材內(nèi)的纖維。

19、在另一方面，用于制造雙層過(guò)濾器的方法包括提供各自包含纖維的第一層和第二層；使納米顆粒分散進(jìn)入第一層的第一表面，使得納米顆粒至少穿過(guò)第一層的第一表面；以及將第一層粘合至第二層以形成過(guò)濾介質(zhì)。

20、在某些實(shí)施方案中，該方法還包括使納米顆粒分散進(jìn)入第二層的第一表面，使得納米顆粒至少穿過(guò)第二層的第一表面。第一層的第一表面可以粘合至第二層的第一表面或第二表面?？蛇x地，第一層的第二表面可以粘合至第二層的第一表面或第二表面。

21、納米顆?？梢员环蛛x或隔離在流體或氣體介質(zhì)內(nèi)，然后分散基本上遍及氣體過(guò)濾器的第一層和/或第二層。在一些實(shí)施方案中，納米顆?？梢栽诘谝粚雍?或第二層內(nèi)形成梯度，使得納米顆粒的密度從一個(gè)表面到另一個(gè)表面減小。

22、可以向第一層和/或第二層內(nèi)的纖維施加粘合劑，以將納米顆粒保留在層內(nèi)。粘合劑可以包含各種常規(guī)材料，包括天然基材料，例如淀粉、糊精、瓜爾膠等，或合成樹(shù)脂，例如eva、pva、pvoh、sbr、聚乙交酯等。在一些實(shí)施方案中，基材包括其自身的粘合劑組合物。在這些實(shí)施方案中，粘合劑或粘合材料可以添加或可以不添加到基材中。在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，基材包含生物組分纖維，其中組分中的一個(gè)包含至少部分圍繞內(nèi)芯的外鞘。

23、本文中對(duì)本說(shuō)明書(shū)的各種實(shí)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(gè)或全部作為基本特征(單獨(dú)或共同地)存在于本說(shuō)明書(shū)的最一般的實(shí)施方案或其任何更具體的實(shí)施方案中。