本說明書總體上涉及包含納米顆粒和靜電荷的過濾介質(zhì)和過濾器，用于通過機(jī)械和靜電方式過濾污染物。

背景技術(shù)：

1、非織造材料通常包括單個(gè)纖維或線的結(jié)構(gòu)，這些纖維或絲彼此交織，但不像針織或編織織物中那樣以可識別的方式交織。這樣的非織造材料用于許多應(yīng)用，例如家用清潔制品、屋頂和地板制品、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、由于其細(xì)小的纖維尺寸，非織造材料對于在過濾裝置中捕獲污染物特別有用。過濾介質(zhì)的纖維以微米計(jì)量，并且可以通過紡粘、熔噴、靜電紡絲或其它技術(shù)形成。當(dāng)流體流過過濾介質(zhì)時(shí)，細(xì)纖維捕獲并截留過濾介質(zhì)中的污染物。

3、兩種主要類型的結(jié)合有非織造材料的過濾裝置包括表面過濾器和深度過濾器。諸如膜層或膜等表面過濾器作為在污染物進(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較高的顆粒捕獲效率。但是，它們也具有較高的壓降和低容塵量。高壓降導(dǎo)致通過過濾器的空氣流量減少。低粉塵負(fù)載能力顯著降低過濾器的壽命。因此，表面過濾器在空氣過濾行業(yè)中的應(yīng)用有限。

4、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(jìn)行評級。該評級稱為最低效率報(bào)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。

5、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(jī)械空氣過濾器通常報(bào)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。

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，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。

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(gè)merv等級點(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。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)可以采用包含直徑以微米計(jì)的較大纖維和較小的納米顆粒的過濾介質(zhì)。納米顆粒通過減小介質(zhì)中的總纖維尺寸來增加介質(zhì)中用于捕獲顆粒的表面積。納米顆粒還傾向于彼此擠壓，從而提高過濾介質(zhì)內(nèi)的堆積密度。已經(jīng)表明，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、將納米顆粒結(jié)合到過濾介質(zhì)中的最常見方法是通過靜電紡絲在非織造基材上施加很薄的一層連續(xù)納米纖維。納米顆粒通常平行或垂直于主體過濾介質(zhì)層的表面延伸，并且除了由粗過濾介質(zhì)提供的對較大顆粒的過濾之外，還提供對小顆粒的高效過濾。例如，第6,743,273號美國專利公開了一種過濾介質(zhì)，其中在基材的表面上沉積連續(xù)的納米纖維層。第10,799,820號美國專利也公開了一種空氣過濾介質(zhì)，該空氣過濾介質(zhì)包含過濾介質(zhì)表面上的連續(xù)納米纖維層。

9、雖然現(xiàn)有的結(jié)合有納米顆粒的過濾介質(zhì)提高了這些過濾器的相對效率，但是這些過濾器的商業(yè)潛力在某些應(yīng)用中受到限制，因?yàn)榧{米顆粒通常分散到非織造材料的表面上。過濾器表面上的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(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，但是這些嘗試僅限于所謂的“濕法成網(wǎng)”方法。這些濕法成網(wǎng)方法涉及將短切納米纖維結(jié)合到液體漿料中，以在表面活性劑的幫助下分離纏結(jié)的納米纖維。例如，第10,252,201號美國專利公開了一種由通過濕法成網(wǎng)方法形成的短切納米纖維和短切粗纖維的混合物制成的過濾介質(zhì)。類似地，第2021/0023813號美國專利申請公開了一種制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該復(fù)合結(jié)構(gòu)由帶有不連續(xù)纖維(例如碳納米纖維)的連續(xù)纖維非織造基材組成。該方法包括將連續(xù)纖維非織造基材在不連續(xù)纖維的漿料中拉過，其中納米材料嵌入到非織造基材中。

11、雖然這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出效率提高，但是它們還存在其它問題，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)方法未能成功地將納米顆粒均勻地結(jié)合到整個(gè)非織造材料中，這導(dǎo)致納米顆粒在材料中聚結(jié)，從而進(jìn)一步降低其效率和整體容塵量。

12、因此，需要一種改進(jìn)的非織造材料和包含這種材料的過濾器。希望提高這種過濾器捕獲污染物(尤其是亞微米級污染物)的效率，而不損害過濾器的其它重要特性，例如壽命、容塵量、以及通過過濾器的壓降或空氣流量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、以下給出所要求保護(hù)的主題的簡明概述，以提供對所要求保護(hù)的主題的某些方面的基本理解。這種概述不是所要求保護(hù)的主題的廣泛概述。它并非旨在確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或決定性元素或界定所要求保護(hù)的主題的范圍。其唯一目的是以簡明的形式呈現(xiàn)所要求保護(hù)的主題的一些概念，作為稍后呈現(xiàn)的更詳細(xì)說明的前序。

2、提供了一種過濾介質(zhì)和過濾器，例如空氣過濾器、面罩、燃?xì)廨啓C(jī)和壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾器、板式過濾器等，該過濾介質(zhì)和過濾器利用靜電力和過濾介質(zhì)內(nèi)的納米顆粒捕獲亞微米顆粒。還提供了一種制造這樣的過濾器的系統(tǒng)和方法。

3、在一個(gè)方面中，過濾介質(zhì)包括基材，該基材包括包含纖維的基材和布置在基材內(nèi)的納米顆粒。纖維或納米顆粒中的至少一種帶靜電。至少在過濾器的最初使用期間，靜電荷有效地捕獲亞微米顆粒。納米顆粒確保即使在靜電荷開始隨時(shí)間衰減之后過濾器也保持很高的效率。此外，可以通過靜電荷增強(qiáng)纖維與納米顆粒之間的結(jié)合，這使得納米顆粒以一定深度分散在整個(gè)過濾介質(zhì)中。

4、可以使用摩擦電方法、電暈放電、靜電纖維紡絲、水力充電、充電棒或其它已知方法對基材內(nèi)的纖維、納米顆?；蜻@兩者進(jìn)行靜電充電?？梢赃x擇相對于纖維具有不同的摩擦電性能的納米顆粒，以便使用摩擦電效應(yīng)來增強(qiáng)顆粒去除。這在過濾介質(zhì)內(nèi)增強(qiáng)或產(chǎn)生局部電場梯度，以增強(qiáng)顆粒去除。納米顆粒和粗纖維可以具有不同的潤濕特性。

5、在某些實(shí)施方式中，纖維帶靜電，從而可以利用納米顆粒實(shí)現(xiàn)機(jī)械過濾，同時(shí)可以通過駐極體基材實(shí)現(xiàn)靜電過濾。靜電或駐極體基材可以是通過梳理和針刺制成的高蓬松摩擦電過濾介質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施方式中，優(yōu)選在針刺之前將納米顆粒沉積到基材中，然后將靜電纖維和納米顆粒針刺在一起。

6、在某些實(shí)施方式中，納米顆?！耙砸欢ㄉ疃取狈稚⒃诨膬?nèi)。如本文所用，術(shù)語“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)中的第一和第二相對表面之間。在某些實(shí)施方案中，納米顆粒基本上分散遍及從第一表面到相對的第二表面的整個(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)內(nèi)。在其它實(shí)施方式中，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布置。納米顆粒的密度在第一表面或第二表面處可以較大。

7、納米顆粒增加過濾介質(zhì)內(nèi)的總表面積，從而提高過濾效率，并允許捕獲亞微米污染物，而不會顯著損害其它因素，例如通過過濾器的壓降(即，空氣流量)。此外，本文中公開的過濾器能夠經(jīng)受嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，這允許過濾器在其整個(gè)壽命期內(nèi)實(shí)現(xiàn)相同水平的過濾性能。此外，這些材料提高總體容塵量，從而延長過濾器的壽命，尤其是與僅依靠或主要依靠靜電效應(yīng)來提高效率的過濾器相比。

8、在某些實(shí)施方式中，所述纖維可以具有大于大約3旦尼爾的線密度。空氣過濾器中的纖維通常具有大約3旦尼爾或更小的線密度，以確保纖維足夠小以捕獲穿過過濾器的污染物。申請人驚奇地發(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(例如大于3旦尼爾)的線密度。這是因?yàn)榧{米顆粒提供顯著的過濾能力。在某些情況下，纖維可以具有大于3旦尼爾、5旦尼爾或更大、6旦尼爾或更大、或高達(dá)7-10旦尼爾的線密度。

9、所述基材可以包括片材、層、膜、開孔膜、網(wǎng)、網(wǎng)狀物或其他介質(zhì)。在某些實(shí)施方式中，所述基材包括具有交織的單個(gè)纖維或線的結(jié)構(gòu)的非織造材料。適當(dāng)?shù)姆强椩觳牧系睦影ǖ幌抻诮?jīng)過熔噴、紡粘、粘合梳理、氣流成網(wǎng)、共成型、水力纏結(jié)等處理的纖維、層或幅材。在其他實(shí)施方式中，設(shè)想采用針織或編織織物作為基材。

10、在一些實(shí)施方式中，該過濾器包括一個(gè)或更多個(gè)粘合至過濾介質(zhì)的支撐層。支撐層和/或過濾介質(zhì)可以包括以一定深度分散在層中的納米顆粒。在一些實(shí)施方式中，提供了一種聚合物層、膜層或膜，該聚合物層、膜層或膜包括一個(gè)或更多個(gè)孔，用于氣體或液體經(jīng)其流過，納米顆粒以一定深度布置在聚合物層中。

11、在某些實(shí)施方式中，在流體中隔離納米顆粒，并使其通過基材的第一表面分散。納米顆?？梢赃x自由碳纖維、玻璃纖維、聚丙烯纖維、尼龍纖維、聚交酯纖維以及它們的組合所組成的組。

12、在某些實(shí)施方式中，過濾介質(zhì)還包含纖維材料內(nèi)的粘合劑，該粘合劑將納米顆粒粘結(jié)到纖維上。該粘合劑可以包含多種常規(guī)材料，包括天然基材料(例如淀粉、糊精、瓜爾膠等)或者合成樹脂(例如eva、pva、pvoh、sbr、聚乙交酯等)。在一些實(shí)施方式中，基材包含其自身的粘合劑組合物。在這些實(shí)施方式中，可以向基材上添加或不添加粘合劑或粘合材料。在一個(gè)這樣的實(shí)施方式中，基材包含生物組分纖維，其中一個(gè)組分包括至少部分地包圍芯的鞘。在某些實(shí)施方式中，芯與鞘不同心，而在其它實(shí)施方式中，芯與鞘同心。

13、納米顆粒可以包括任何適當(dāng)?shù)牟牧?，例如玻璃、生物可溶性玻璃、陶瓷材料、丙烯酸、碳、金?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、聚偏二氟乙烯以及它們的任何組合。

14、基材纖維可以通過任何方法制造，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)想的纖維可以具有多種橫截面形狀，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。

15、纖維可以是人造或天然纖維。用于纖維的適當(dāng)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(例如p(vdf-trfe))或三元共聚物(例如p(vdf-trfe-cef))、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、膠乳、聚酯共聚物、羧基化苯乙烯丙烯酸或乙酸乙烯酯、環(huán)氧樹脂、丙烯酸類多元聚合物、酚醛樹脂、聚氨酯、纖維素、苯乙烯或它們的任何組合。還考慮了其它常規(guī)纖維材料。

16、在另一個(gè)方面中，一種制造過濾介質(zhì)的方法包括提供纖維基材，對纖維進(jìn)行靜電充電，以及將納米顆粒分散到基材中。至少在過濾器的最初使用期間，帶靜電的纖維有效地捕獲亞微米顆粒。納米顆粒確保即使在靜電荷開始隨時(shí)間衰減之后過濾器也保持很高的效率。此外，可以通過靜電荷增強(qiáng)纖維與納米顆粒之間的結(jié)合，這允許納米顆粒以一定深度分散在整個(gè)過濾介質(zhì)中。

17、可以使用摩擦電方法、電暈放電、靜電纖維紡絲、水力充電、充電棒或其它已知方法對基材內(nèi)的纖維進(jìn)行靜電充電。在某些實(shí)施方式中，所述方法包括對纖維進(jìn)行電暈充電。在其他實(shí)施例中，所述方法包括對纖維進(jìn)行摩擦充電。

18、在某些實(shí)施方式中，在將納米顆粒分散到基材中之前對纖維進(jìn)行充電。在其他實(shí)施方式中，納米顆粒被分散和捕獲在基材內(nèi)，然后對纖維進(jìn)行靜電充電。在另一個(gè)實(shí)施方式中，這些過程可以基本上同時(shí)地發(fā)生。

19、在某些實(shí)施方式中，所述方法包括對纖維進(jìn)行靜電纖維紡絲。在其他實(shí)施例中，所述方法包括將纖維和納米顆粒針刺在一起。所述方法可以包括對纖維進(jìn)行梳理。所述方法可以包括對纖維進(jìn)行紡粘。所述方法可以包括對纖維進(jìn)行熔噴。

20、在某些實(shí)施方式中，所述方法包括將納米顆粒分散到基材的第一表面上，使得納米顆粒至少穿透基材的第一表面。所述方法可以包括在流體中隔離單個(gè)納米顆粒，其中單個(gè)納米顆粒具有至少一個(gè)小于1微米的尺寸。

21、所述方法還可以包括在氣體介質(zhì)中內(nèi)分離和/或隔離納米顆粒，所述氣體介質(zhì)例如是空氣、氦氣、氮?dú)狻⒀鯕?、二氧化碳等，然后?jīng)由氣流、氣溶膠、蒸發(fā)器、噴霧或其他合適的輸送機(jī)制將納米顆粒分散到基材中。在氣體介質(zhì)中分離和/或隔離單個(gè)納米顆粒，然后將它們分散到基材或氣流中，使得納米顆粒更均勻地分布在整個(gè)產(chǎn)品中。此外，可以使納米顆粒“以一定深度”分散或分布到產(chǎn)品中。

22、在本文中對由本說明書的各種實(shí)施方式滿足的期望目的進(jìn)行的敘述并非意味著暗示或啟示這些目的中的任何一個(gè)或全部作為基本特征單獨(dú)或共同存在于本說明書的最一般的實(shí)施方式中或其任何更具體的實(shí)施方式中。