改進的打褶納米纖維網結構的製作方法

2023-04-27 12:10:31

專利名稱：：改進的打褶納米纖維網結構的製作方法
技術領域：
：本發明涉及可一般用於過濾應用或從氣體或受汙染的空氣流中去除灰塵、汙垢及其他顆粒的多種其他應用的過濾介質和過濾結構，所述應用包括真空吸塵器、集塵器、氣體渦輪進氣過濾系統、供暖、通風和空調過濾系統。
背景技術：
：氣體流常常攜帶顆粒物質。在許多情況下，期望從氣體流中去除一些或全部顆粒物質。例如，通向汽車發動機或發電裝置的進氣流、通向氣體渦輪的氣體流、以及通向多種燃燒爐的空氣流常常含有夾帶的顆粒物質。在各種機構的運轉過程中，這些顆粒物質如果進入其內部，可造成相當大的損害。經常需要從發動機、渦輪、燃燒爐、或其他相關設備的上遊氣體流中去除顆粒物質。另一個例子為商用和家用的供暖、通風和空調(HVAC)過濾系統。通向HVAC系統的空氣流常常攜帶顆粒物質例如花粉、孢子、大氣粉塵，以及其他亞微米顆粒。為了減少過敏反應以及潛在的健康風險，期望去除這些顆粒物質。在過濾應用中，使過濾介質形成褶皺以增加可以發生液體撞擊的有效表面積是廣為人知的方法。熔噴合成介質發生器將靜電充電的微纖維網與稀鬆布支撐層結合，從而獲得可接受的初始過濾效率和過濾器阻力。如果微纖維網為熔噴的，則熔噴層通常由15-40gsm的纖維組成，所述纖維的直徑為1-5微米，並且所述層的厚度為約0.2-0.4mm。這種產品存在不足之處。介質的總厚度通常大於0.6mm，所述介質在打褶後其厚度導致產生流動阻力。當熔噴層相對較厚時，穿過所述層的流型不與所述層完全垂直，並且切向流可導致更高的阻力。初始時被充電的介質通常由於熱量、溼度、和灰塵積聚而失去靜電荷，這導致過濾效率的降低。本發明克服了與打褶的熔噴結構中的流動阻力相關的局限性以及與使用充電的介質相關的效率降低問題。發明概述本發明涉及一種過濾器，所述過濾器包括具有打褶結構的過濾介質，所述結構包括納米纖維網層和稀鬆布，其中納米纖維網層包括具有小於1微米的數均直徑和小於50微米的層厚度的纖維，其中總介質厚度與褶縐間距的比率小於O.15，其中納米纖維網層具有約0.6gsm以上的基重，並且其中稀鬆布為由纖維製成的非織造材料，所述纖維選自紡粘纖維、幹法成網纖維、溼法成網纖維、纖維素纖維、熔噴纖維、玻璃纖維、以及它們的共混物。附圖概述圖1顯示比較實施例1以及實施例1、2和3的過濾器阻力對平板阻力(flatsheetresistance)的曲線圖。圖2顯示本發明的過濾器和某些商業充電的介質的效率對時間的曲線圖。發明詳述如本文所用，術語"納米網"和"納米纖維網"為同義詞。類似地，術語"稀鬆布"和"基底"也為同義詞。如本文所用，術語"非織造纖維網"或"非織造材料"是指具有由獨立纖維、長絲、或線構成的結構的纖維網，這些纖維、長絲、或線彼此交錯，但不是以規則或可識別的方式例如在已經纖絲化的針織織物或薄膜中那樣交錯。已由多種方法，例如熔噴法、紡粘法、粘結梳理成網法，來形成非織造纖維網或材料。非織造纖維網或材料的基重通常用盎司/平方碼(osy)或克/平方米(gsm)來表示，可用的纖維直徑通常以微米來表示。"稀鬆布"為支撐層，並可以是能夠與納米纖維網結合、粘附、或層合的任何平面結構。有利的是，可用於本發明的稀鬆布層為紡粘非織造層，但也可由非織造纖維的梳理纖維網等製成。可用於某些過濾應用的稀鬆布層需要足夠的剛度來保持褶縐和死褶。如本文所用，"納米纖維"是指具有小於約1000nm、甚至小於約800nm、甚至介於約50nm和500nm之間、並且甚至介於約100nm和400nm之間的數均直徑或橫截面的纖維。如本文所用，術語"直徑"包括非圓形形狀的最大橫截面。術語"納米纖維網"是指包含納米纖維的非織造纖維網。"褶縐間距"為打褶結構中的峰間距或谷間距。本發明涉及一種過濾器，所述過濾器包括具有打褶結構的介質。打褶結構包括納米纖維網層，所述層包括具有小於1微米的數均直徑和小於50微米的層厚度的纖維，其中總介質厚度與褶縐間距的比率小於0.15。在另一個實施方案中，該過濾器還包括粘結到納米纖維網層上的稀鬆布。稀鬆布還可包括非織造材料，所述材料包括紡粘纖維、幹法成網或溼法成網纖維、纖維素纖維、熔噴纖維、玻璃纖維、或它們的共混物。初生非織造纖維網主要包含或僅包含可通過靜電紡紗生成的納米纖維，例如通過傳統的靜電紡紗或電吹以及在某些情況下通過熔噴法生成。傳統的靜電紡紗是在全文併入本文中的美國專利4，127，706中所述的技術，其中向聚合物溶液施加高電壓以生成納米纖維和非織造墊。然而，靜電紡紗方法中的總生產能力太低，無法商業化生產較重基重的纖維網。"電吹"法克服了靜電紡紗法的生產能力的局限性，其公開於世界專利公布WO03/080905中，所述專利公布以引用方式併入本文。電吹法使得可在相對短的時間周期內形成商用尺寸和數量的納米纖維網，其基重超過約lgsm，甚至高達約40gsm或更高。可將基底或稀鬆布布置在收集器上以便收集和混合在基底上紡成的納米纖維網，使得可將混合的纖維網用作高性能過濾器、擦拭物等。基底的實例可包括多種非織造布，例如熔噴非織造布、針剌或射流噴網非織造布、織造布、針織布、紙材等，對其使用並無限制，只要能將納米纖維層添加到基底上。非織造布可包含紡粘纖維、幹法成網或溼法成網纖維、纖維素纖維、熔噴纖維、玻璃纖維、或它們的共混物。本發明中所用的納米纖維可包括由聚合物熔體製成的纖維。用於由聚合物熔體生產納米纖維的方法描述於例如以下專利中授予UniversityofAkron的U.S.6，520，425、U.S.6，695，992、和U.S.6，382，526;授予Torobin等人的U.S.6，183，670、U.S.6，315，806、和U.S.4，536，361;以及美國專利公布2006/0084340。對可用於形成本發明的納米纖維網的聚合物無特別限制，並且包括加聚物和縮聚物，諸如聚縮醛、聚醯胺、聚酯、纖維素醚和酯、聚烯化硫、聚亞芳基氧化物、聚碸、改性的聚碸聚合物、以及它們的混合物。這些種類中優選的聚合物包括交聯和非交聯形式的、各種水解程度(87%至99.5%)的聚(氯乙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸類樹脂)、聚苯乙烯、和它們的共聚物(包括ABA型嵌段共聚物)、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚乙烯醇。優選的加聚物往往是玻璃狀的(玻璃化轉變溫度Tg大於室溫)。聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚合物的組合物或合金或低結晶度的聚偏氟乙烯和聚乙烯醇材料便是如此。一類優選的聚醯胺縮聚物為尼龍材料，例如尼龍_6、尼龍-6，6、尼龍6，6-6，10等。當通過熔噴法形成本發明的聚合物納米纖維網時，可使用能夠熔噴形成納米纖維的任何熱塑性聚合物，包括聚烯烴，例如聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯；聚酯，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯；以及聚醯胺，例如上述尼龍聚合物。可能有利的是，向上述多種聚合物中加入本領域已知的增塑劑以降低纖維聚合物的乙。適合的增塑劑取決於將被靜電紡紗或電吹的聚合物，並且取決於納米纖維網具體的最終應用。例如，尼龍聚合物可用水或甚至用靜電紡紗或電吹工藝中的殘餘溶劑來增塑。可用於降低聚合物Tg的本領域已知的其他增塑劑包括但不限於脂族二元醇類、芳族磺胺類、鄰苯二甲酸酯類。鄰苯二甲酸酯類包括但不限於選自下列的那些鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二己酯、鄰苯二甲酸二環己酯、鄰苯二甲酸二辛酯、鄰苯二甲酸二異癸酯、鄰苯二甲酸雙i^一酯、鄰苯二甲酸雙十二酯、以及鄰苯二甲酸二苯酯等。〃HandbookofPlasticizers〃(GeorgeWypych編輯，2004ChemtecPublishing)公開了可用於本發明的其他聚合物/增塑劑組合，該文獻以引用方式併入本文。本發明可以平板或圓柱形單元的形式用於多種過濾法應用中。此類應用包括過濾氣流和液流；除塵；機動車和其他運輸工具應用(包括輪式車輛以及航空器設備的過濾應用)；燃氣輪機發電站進氣流的過濾；軍事、住宅、工業、和醫療環境的室內空氣過濾；其中減少小顆粒對於健康、有效生產、清潔、安全、或其他重要目的非常重要的半導體製造和其他應用；在軍事應用中用於除去當地環境中的生物危害或化學危害物質的空氣流過濾；用於封閉式通風設備的過濾，例如太空梭、航空器空氣再循環、潛水艇、潔淨室、和其他此類封閉式應用，以及作為公用設施/安全人員例如警察和消防員、軍事人員、平民、醫院人員、行業工人、以及需要從吸入大氣中高效除去小顆粒的其他人員所使用的呼吸裝置中的高效過濾器。在公開過濾器結構和與過濾材料一起使用的結構的各個方面並提出權利要求的專利中示出了各種過濾器設計。授予Engel等人的美國專利4，720，292公開了過濾器組合件的徑向密封設計，該組合件具有通常為圓柱形的過濾元件設計，該過濾元件由相對柔軟、橡膠狀的端帽來密封，該端帽具有圓柱形、向心式表面。授予Kahlbaugh等人的美國專利5，082，476公開了一種過濾器設計，其使用包括泡沫基底與褶皺組件的深層過濾介質，褶皺組件結合了本發明的微纖維材料。授予Gillingham等人的美國專利5，820，646公開了使用特定褶皺過濾器設計的Z型過濾器結構，該設計涉及帶塞通道，這些通道要求流體流穿過"Z"型通道中的至少一層過濾介質以獲得適當的過濾性能。形成為打褶Z型型式的過濾介質可包括本發明的細旦纖維介質。最後，授予Gillingham的美國設計專利425，189公開了使用Z型過濾器設計的平板式過濾器。可通過本領域的技術人員已知的任何方法形成褶皺。例如，在美國專利3，531，920中描述了一種製備具有壓印突出的褶皺的過濾介質的方法。據該方法所述，將過濾材料穿過輥到達壓印機，壓印機包括兩個以相反方向旋轉的加熱的滾筒。兩滾筒具有相嚙合的突出和相應的凹陷，從兩滾筒間通過的過濾材料通過深衝被持久成型。成型工藝影響深衝區5域中的過濾材料的結構，從而改變該區域中的原有的過濾性能，所述區域對過濾非常重要。在已公布的歐洲專利申請0429805中所述的方法實現了對上述方法的改進。在該方法中，通過輥在運行方向的橫向上聚集平坦的過濾介質，接著通過成型設備的衝模將細長突出壓入聚集的材料中。該聚集防止了壓印突出所需的附加材料在材料中引起張力，並防止結構在過濾介質的深衝區域中發生變化。已公布的德國專利申請19630522描述了在成型的壓延輥之間刻劃和粘結由拉伸的和非拉伸的合成纖維製成的成形織物。通過該方法，可由非織造織物製成過濾材料而不會改變非織造織物外觀的均勻性。存在兩種普通類型的打褶機刀式打褶機和旋轉式打褶機。刀式打褶機的操作涉及預加熱纖維網，然後由上下運動的兩把刀片來生成褶皺。使用壓力下的後加熱的區域來穩定褶皺。旋轉式打褶機的操作涉及採用旋轉刀刻劃介質，然後在壓力下將劃線進行摺疊來形成褶皺。本發明可通過以下實施例得到最佳理解。測li式方法根據ASTMD-3776來測定基重(BW)，並以g/m2(gsm)為單位予以記錄，該方法以引用方式併入。纖維直徑如下測量。為各細旦纖維層樣本採集十張放大5，000倍的掃描電鏡(SEM)圖像。由照片測量十一(11)個清晰可辨的細纖維的直徑並進行記錄。不包括瑕疵(即，細纖維的凸塊、聚合物球、細纖維的交叉處)。計算每個樣本的平均(中值)纖維直徑。纖維網氣流透氣率通常使用弗雷澤測量法(ASTMD737)來測量。在該測量法中，向適當夾住的織物樣本施加124.5N/m2(0.5英寸水柱)的壓力差，並且將所得的氣流速率測量為弗雷澤透氣率或更簡單地講測量為"弗雷澤"。在本文中，以mVm7min為單位報告弗雷澤透氣率。高弗雷澤對應於高氣流透氣率，並且低弗雷澤對應於低氣流透氣率。纖維網厚度使用掃描電鏡或數字光學顯微鏡來測量。製作了清潔的橫截面切割的樣本，並且利用五(5)次厚度測量值來計算平均值，以mm或微米為單位報告所述值。平板阻力通過分餾效率過濾試驗機(TSI型號3160或8130)來測量。流動阻力在5.3cm/s的氣流速率下測量，並且以mm水標(W.G.)為單位報告。在固定的流速下，高阻力對應於平板介質上的高壓力降。過濾器阻力通過兩種不同的方法來測量。將艙室空氣過濾器按照ISOTestSpecification11155-1(2001)，"RoadVehicles_AirFiltersforPassengerCompartments-Part1:TestforParticulateFiltration"進行測試。將該過濾器安裝在豎直管中，並且在170m3/h的氣流速率下測量過濾器上的流動阻力。將HVAC過濾器按照ASHRAEStandard52.2_1999，"MethodofTestingGe證alVentilationAir_CleaningDevicesforRemovalEfficiencybyParticleSize，，進行測試。ASHRAE為AmericanSocietyofHeating,RefrigeratingandAir-conditioningEngineers,Inc.的縮寫。將標稱610mm(長度)x610mm(寬度)x305mm(深度)的過濾器安裝在符合ASHRAE52.2測試標準的水平管中。在3344m3/h的氣流速率下測量過濾器上的流動阻力，並且以英寸水標為單位報告並將其轉換為以帕斯卡為單位。在進行氯化鉀(KC1)顆粒調理步驟以揭示一些過濾器在實際使用期間經歷的過濾效率的下降之前和之後，測量HVAC過濾器的效率。這按照本發明的針對ASHRAEStandard52.2-2007，PublicReviewDrafts,March1，2007的"附錄a"來執行，其以引用方式併入本文。通過在過濾器中以3.6xl05個顆粒至3.8xl05個顆粒/cm3的密度將0.02微米直徑的氯化鉀顆粒進行循環流動並持續多至72小時來調理過濾器。以百分比為單位周期性地測量並報告分餾過濾效率。納米纖維網的製備對於所有實施例，均通過WIP0公布WO03/080905中所述的電吹法來對聚合物的甲酸溶液進行紡絲。除非另外指明，將按重量計24%的聚合物的甲酸溶液用於電吹法。所用的聚合物為聚醯胺-6，6(PA66)(Zytel3218，DuPont，Wilmington，DE)。在纖維網沉積之後，接著將該纖維網在8(TC下的加熱的空氣中進行乾燥，除非另外指明。施加到噴絲頭上的電壓為85kV。附加工藝條件描述於具體實施例中。HM將纖維網使用刀式打褶機或旋轉式打褶機進行打褶。打褶機通常包括加熱的區域以在溫度和壓力下穩定褶縐。具體工藝條件描述於實施例中。製備下列實施例來闡述本發明。實施例1使用電吹法製備納米纖維網結構，並且在真空下將其收集到75gsm的紡粘聚酯稀鬆布(Kolon)上。產生基重為0.9gsm的納米纖維網。該細旦纖維具有0.3微米的平均纖維直徑，並且細旦纖維層的厚度為大約5微米(0.005mm)。合併的層的厚度為0.25mm。平板阻力為1.lmmW.G.，所述阻力在5.3cm/s的空氣速度下測量。將介質的合併的層使用刀式打褶機進行打褶，並且裝配到艙室空氣平板式過濾器中。褶縐高度為28mm，並且褶縐間距為5mm。過濾器的尺寸為22.5cm長和10.8cm寬。按照ISOTestSpecification11155-1在空氣管中測量過濾器的阻力，並且結果為170m3/h的流速下的32Pa。比較實施例1比較實施例1使用了稀鬆布-熔噴-稀鬆布(SMS)構型的熔噴介質。該熔噴纖維具有7微米的平均纖維直徑，並且層的厚度為0.44mm。上遊稀鬆布層為110gsm的紡粘聚酯稀鬆布，並且下遊稀鬆布層為紡粘聚丙烯稀鬆布。總介質厚度為0.80mm。平板阻力為0.7mmW.G.，所述阻力在5.3cm/s的空氣速度下測量。將該介質打褶並裝配到其構型與實施例1中所述的相同的過濾器中並且相應地進行測試。該過濾器的阻力為170mVh的流速下的37Pa。實施例1中的過濾器阻力比比較實施例1中的過濾器阻力低14%，雖然平板阻力高57%。實施例2-3根據與實施例1所述類似的規程來製備實施例2和3的纖維網結構。調整聚合物生產能力和生產線速度以改變細旦纖維尺寸和纖維網的基重。在這兩個實施例中，製作了兩種稀鬆布-納米纖維(SN)纖維網結構，其中稀鬆布的第一纖維網為75gsm的紡粘聚酯(Kolon)，並且第二纖維網為30gsm的紡粘聚酯(Kolon)。將這兩種纖維網結構超聲粘結成SN-NS構型的複合層。實施例2-3的詳細特性總結於表1中。表1tableseeoriginaldocumentpage8圖1示出實施例1-3以及比較實施例1的過濾器阻力對平板阻力的曲線圖。該圖顯示，對於給定的過濾器阻力，該構造的平板阻力在具有本發明的纖維網的情況下可高於比較實施例的熔噴纖維網的情況。該結果的重要性是雙重的(l)本發明的具有較高阻力和因此具有較高效率的過濾介質可用來獲得較高的過濾效率而不超過過濾器阻力目標；或(2)可用本發明的纖維網來獲得較低的過濾器阻力而不犧牲過濾效率。實施例4使用電吹法製備納米纖維網結構，並且將其收集到65gsm的幹法成網並且樹脂粘結的聚酯稀鬆布(OkSoo)上。所產生的納米纖維網的基重為3.8gsm。該納米纖維網的細旦纖維具有0.3微米的平均纖維直徑，並且細旦纖維層的厚度為大約23微米。合併的層的厚度為0.55mm。平板阻力為3.6mmW.G.，所述阻力在5.3cm/s的空氣速度下測量。將組合介質使用旋轉式打褶機進行打褶並且膠合到支撐聚酯側壁上以形成打褶的過濾組合件。褶縐高度為29mm，並且褶縐間距為5mm。介質厚度對褶縐間距的比率為0.11。過濾組合件的尺寸為550mm長和275mm寬。將八個過濾組合件適配進塑料框架中並裝配到HVAC4V-bank過濾器中，所述過濾器具有610mm(長度)x610mm(寬度)x305mm(深度)的標稱尺寸。按照ASHRAE52.2測試標準來測量水平管中的HVAC過濾器的阻力，並且結果為3344mVh(1968ftVmin)的流速下的80Pa(0.32英寸WG)。比較實施例2將常規的熔噴介質用於比較的目的。該熔噴纖維具有約3微米的平均纖維直徑。該熔噴層的厚度為O.32mm(320微米)，並且總介質厚度為O.78mm。平板阻力為2.7mmW.G.，所述阻力在5.3cm/s的空氣速度下測量。將該介質打褶成具有5mm褶縐間距的過濾組合件。介質厚度對褶縐間距的比率為0.16。將這些組合件裝配到V-bank過濾器中，並且按照ASHRAE52.2測試方法進行測試。過濾器阻力為3344m3/h(1968ft3/min)的流速下的80Pa(0.32英寸WG)。實施例4中的過濾器具有與比較實施例2中的過濾器相同的阻力，雖然平板阻力高出33%(3.6mmW.G.對2.7mmW.G.)。實施例5在本發明的過濾器效用的另一個實施例中，根據實施例4所述的規程來製備實施例5。僅有的差別是將樣本收集到lOOgsm的幹法成網並且樹脂粘結的聚酯稀鬆布(OkSoo，Korea)上，並且所產生的納米纖維網的基重為4.5gsm。使用先前所述的KC1氣溶膠調理步驟來將所裝配的V-bankHVAC過濾器與由充電的介質製成的商業過濾器的過濾性能進行比較。所測試的商業樣本為用熔噴介質製成的剛性元箱式過濾器(Purolato型號DC95-4412K)和V-bankHVAC過濾器(ViledonMV95過濾器)。圖2示出本發明的過濾器的效用在使用時可保持效率。可期望本發明的過濾器在加載非常細小的氯化鉀氣溶膠的加速條件下保持其效率持續至少20小時。權利要求過濾器，所述過濾器包括具有打褶結構的過濾介質，所述打褶結構包括納米纖維網層和稀鬆布，其中所述納米纖維網層包括具有小於1微米的數均直徑和小於50微米的層厚度的纖維，其中總介質厚度與褶縐間距的比率小於0.15，其中所述納米纖維網層具有約0.6gsm以上的基重，並且其中所述稀鬆布為由纖維製成的非織造材料，所述纖維選自紡粘纖維、幹法成網纖維、溼法成網纖維、纖維素纖維、熔噴纖維、玻璃纖維、以及它們的共混物。2.權利要求1的過濾器，其中總介質厚度與褶縐間距的比率小於0.12。3.權利要求1的過濾器，其中總介質厚度與褶縐間距的比率小於0.08。4.權利要求1的過濾器，其中所述稀鬆布粘結到所述納米纖維網層上。5.權利要求1的過濾器，其中所述介質的過濾器阻力與平板阻力的比率小於約35Pa/mm，其中平板阻力在5.3cm/s的氣流速率下測量並以mm水標為單位報告，並且過濾器阻力在3344m3/h的氣流速率下測量並以英寸水標為單位報告並將其轉換為帕斯卡單位。6.權利要求1的過濾介質，其中過濾效率在以3.6xl05個顆粒至3.8xl05個顆粒/cm3的密度和3344m3/h的氣流速率加載了0.02微米的氯化鉀氣溶膠之後的20小時的處理時間內不會降低。全文摘要本發明涉及過濾器，該過濾器包括具有打褶結構的過濾介質。該介質包括納米纖維網層和稀鬆布，其中納米纖維網層包含具有小於1微米的數均直徑和小於50微米的層厚度的纖維。總介質厚度與褶縐間距的比率小於0.15，並且納米纖維網層具有約0.6gsm以上的基重。該非織造稀鬆布可為紡粘纖維網、幹法纖網、溼法纖網、纖維素纖維網、熔噴纖維網和玻璃纖維網。文檔編號B01D29/01GK101795746SQ200880105307公開日2010年8月4日申請日期2008年9月8日優先權日2007年9月7日發明者季正杭,林鉉勝申請人:納幕爾杜邦公司