專利名稱：納米纖維過(guò)濾介質(zhì)的制作方法
本申請(qǐng)是申請(qǐng)?zhí)枮?3803015.2的分案申請(qǐng)。
本申請(qǐng)要求2002年1月31日申請(qǐng)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列No.60/354062的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及過(guò)濾介質(zhì)，其包括加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度(CanadianStandard Freeness)小于約45的原纖化纖維，該過(guò)濾介質(zhì)具有下述性能指標(biāo)厚度小于或等于約0.25mm和質(zhì)量因數(shù)大于約0.075；和當(dāng)截留尺寸為約0.18微米的氣溶膠顆粒時(shí)，效率大于約99.9％；以及在約32L/min的流量下經(jīng)過(guò)尺寸為100cm2的樣品時(shí)，壓降小于約40mm水柱；和其中若過(guò)濾介質(zhì)薄于0.25mm，則當(dāng)調(diào)節(jié)較薄的過(guò)濾介質(zhì)的效率和壓降以補(bǔ)償達(dá)到0.25mm厚的厚度差時(shí)，可提供滿足或超過(guò)該性能指標(biāo)的過(guò)濾介質(zhì)。
另一方面，本發(fā)明涉及過(guò)濾介質(zhì)，其包括微玻璃纖維和加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度小于約45的原纖化Lyocell纖維的混合物，該過(guò)濾介質(zhì)具有下述性能指標(biāo)厚度小于或等于約0.25mm，和質(zhì)量因數(shù)大于約0.075；和當(dāng)截留尺寸為約0.18微米的氣溶膠顆粒時(shí)，效率大于約99.9％；以及在約32L/min的流量下經(jīng)過(guò)尺寸為100cm2的樣品時(shí)，壓降小于約40mm水柱；和其中若過(guò)濾介質(zhì)薄于0.25mm，則當(dāng)調(diào)節(jié)較薄的過(guò)濾介質(zhì)的效率和壓降以補(bǔ)償達(dá)到0.25mm厚的厚度差時(shí)，可提供滿足或超過(guò)該性能指標(biāo)的過(guò)濾介質(zhì)。
再一方面，本發(fā)明涉及過(guò)濾介質(zhì)，其包括；加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度小于約10的原纖化Lyocell纖維，該過(guò)濾介質(zhì)具有下述性能指標(biāo)厚度小于或等于約0.25mm和質(zhì)量因數(shù)大于約0.075；和當(dāng)截留尺寸為約0.18微米的氣溶膠顆粒時(shí)，效率大于約99.9％以及在約32L/min的流量下經(jīng)過(guò)尺寸為100cm2的樣品時(shí)，壓降小于約40mm水柱；和其中若過(guò)濾介質(zhì)薄于0.25mm，則當(dāng)調(diào)節(jié)較薄的過(guò)濾介質(zhì)的效率和壓降以補(bǔ)償達(dá)到0.25mm厚的厚度差時(shí)，可提供滿足或超過(guò)該性能指標(biāo)的過(guò)濾介質(zhì)。
本發(fā)明包括引入通常如上所述的過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾體系。
再一方面，本發(fā)明涉及制備空氣過(guò)濾介質(zhì)的方法，其包括步驟分散原纖化纖維；和形成厚度小于約0.25mm的原纖化纖維層，以便過(guò)濾介質(zhì)具有下述性能指標(biāo)質(zhì)量因數(shù)大于約0.075，和當(dāng)截留尺寸為約0.18微米的氣溶膠顆粒時(shí)，效率大于約99.9％；以及在約32L/min的流量下經(jīng)過(guò)尺寸為100cm2的樣品時(shí)，壓降小于約40mm水柱；和其中若過(guò)濾介質(zhì)薄于0.25mm，則當(dāng)調(diào)節(jié)較薄的過(guò)濾介質(zhì)的效率和壓降以補(bǔ)償達(dá)到0.25mm厚的厚度差時(shí)，可提供滿足或超過(guò)該性能指標(biāo)的過(guò)濾介質(zhì)。
又一方面，本發(fā)明涉及提高已有過(guò)濾介質(zhì)性能的方法，其包括步驟提供多根納米纖維；在已有過(guò)濾介質(zhì)上濕鋪納米纖維，其中納米纖維以約0.5g/m2至約11.0g/m2的比率負(fù)載在已有的過(guò)濾介質(zhì)上；和使已有的過(guò)濾介質(zhì)的質(zhì)量因數(shù)增加至少約100％。優(yōu)選在提供多根原纖化的納米纖維的步驟中，所述納米纖維包括微玻璃纖維、Lyocell納米纖維、丙烯酸納米纖維或其組合。該方法可進(jìn)一步包括步驟提供固體粘結(jié)劑，其中將原纖化納米纖維和固體粘結(jié)劑濕鋪在已有的過(guò)濾介質(zhì)上，和活化固體粘結(jié)劑。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明認(rèn)為具有新穎性的本發(fā)明特點(diǎn)和本發(fā)明的子特性在所附權(quán)利要求書中特別給出。附圖僅用于說(shuō)明且沒(méi)有按比例畫出。但本發(fā)明本身(在組織和操作方法二者上)可參考對(duì)以下優(yōu)選的實(shí)施方案的說(shuō)明并結(jié)合附圖而得到最佳理解，其中

圖1是說(shuō)明當(dāng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的空氣速度變化時(shí)顆粒攔截的圖表。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說(shuō)明定義″粘結(jié)劑″是指主要用于將其它材料粘結(jié)在一起的材料。
″加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度″或″CSF″是指根據(jù)紙漿懸浮液可能被排放的速度而測(cè)量的紙漿游離度或排放速度值。該方法是熟練造紙領(lǐng)域的人員公知的。
“DOP”是指鄰苯二甲酸二辛酯(dioctyl phanthalate)。粒度為0.18微米的單分散DOP液滴用于測(cè)試本發(fā)明的過(guò)濾介質(zhì)。
“纖維”是指特征在于高長(zhǎng)徑比例如幾百比一的固體。有關(guān)纖維的任何討論包括晶須。
“過(guò)濾介質(zhì)”是指進(jìn)行流體過(guò)濾的材料。
“FOM”或“質(zhì)量因數(shù)”是指[-log(1-FE)]/ΔP其中FE是在特定的流量下和對(duì)于特定的粒度，過(guò)濾介質(zhì)的攔截效率分?jǐn)?shù)。ΔP是在特定的流量下通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的壓差，也稱為壓降或壓力阻力。在本說(shuō)明書中，標(biāo)準(zhǔn)氣溶膠是在32L/min的流量下經(jīng)過(guò)100cm2的過(guò)濾器面積時(shí)攜帶的0.18微米的DOP。應(yīng)當(dāng)理解，各向異性介質(zhì)的FOM值是常數(shù)，以便壓降與過(guò)濾介質(zhì)厚度成正比例地變化和log(1-FE)也與介質(zhì)的厚度成正比例地變化，以便對(duì)于給定的過(guò)濾介質(zhì)，F(xiàn)OM為常數(shù)，與最終過(guò)濾介質(zhì)的厚度無(wú)關(guān)。
“流體”是指液體、氣體或其組合。
″成形″是指將松散的非結(jié)構(gòu)化物質(zhì)轉(zhuǎn)化成內(nèi)聚的均勻結(jié)構(gòu)。例如，將松散的纖維轉(zhuǎn)化成紙張。
“HEPA”過(guò)濾器或過(guò)濾介質(zhì)是指能除去至少99.97％直徑為0.3微米和更大的所有氣載粒狀物質(zhì)的高效粒狀空氣過(guò)濾器或過(guò)濾介質(zhì)。
″攔截(intercept)″或″攔截(interception)″是指干預(yù)或阻止流過(guò)，以實(shí)現(xiàn)改變、除去、滅活或影響。
″納米纖維″是指直徑小于約3.0mm的纖維。
″無(wú)紡布″是指網(wǎng)或織物或具有相互疊放(但不以針織或織造織物中的高度組織化方式)的各個(gè)纖維的結(jié)構(gòu)的其它介質(zhì)。無(wú)紡網(wǎng)一般可通過(guò)本領(lǐng)域熟知的方法而制成。這些方法的例子包括但不限于(僅僅是例舉的方式)熔體吹塑，紡粘，梳理和氣流鋪設(shè)。
″紙張″或″紙狀″是指通常扁平的纖維層或通過(guò)濕鋪方法形成的材料墊。
″顆?！迨侵赋叽绶秶鷱哪z體至肉眼可見，且對(duì)形狀沒(méi)有特別限制但一般具有有限長(zhǎng)/寬比的固體。
″片材″是指長(zhǎng)度和寬度顯著大于其厚度的大致二維的結(jié)構(gòu)。
″晶須″是指具有有限的長(zhǎng)徑比且介于顆粒和纖維的長(zhǎng)徑比之間的一種長(zhǎng)絲。有關(guān)纖維的任何討論包括晶須。
過(guò)濾介質(zhì)的特征本發(fā)明的高效粒狀空氣(HEPA)過(guò)濾介質(zhì)包括多根納米纖維和粘結(jié)劑，其成形為厚度小于約0.25mm的層，和當(dāng)在約20℃和大氣壓下以及在小于約45mm水柱的壓降下，空氣以約32L/min的流量流過(guò)100cm2的過(guò)濾介質(zhì)的直徑圓盤時(shí)，對(duì)于直徑為約0.18微米的氣溶膠顆粒所述層的效率大于約99.9％。本發(fā)明的過(guò)濾介質(zhì)使得可增加引入到最終的過(guò)濾器設(shè)計(jì)內(nèi)的過(guò)濾介質(zhì)量，這是因?yàn)樗∏铱烧郫B，從而提高過(guò)濾性能。已有的過(guò)濾體系可用顯著更多的本發(fā)明過(guò)濾介質(zhì)來(lái)更新，這是因?yàn)楦鲗颖群穸葹?.38-0.457mm的常規(guī)HEPA材料薄得多，且在中等的壓降下具有類似或改進(jìn)的氣溶膠攔截作用。
包括本發(fā)明過(guò)濾介質(zhì)的空氣過(guò)濾器可用于諸如在建筑物、汽車，尤其密閉汽車內(nèi)的空氣循環(huán)體系、真空吸塵器、呼吸過(guò)濾器之類的場(chǎng)合或要求過(guò)濾空氣的其它場(chǎng)合。
在已有過(guò)濾介質(zhì)上涂布納米纖維也可用于提高已有過(guò)濾介質(zhì)的性能和可提供已有過(guò)濾器增加大于約100％的質(zhì)量因數(shù)(FOM)。
過(guò)濾介質(zhì)也可帶靜電以提供增強(qiáng)的過(guò)濾性能。過(guò)濾介質(zhì)的進(jìn)一步處理可提供在呼吸器中可用的微生物攔截的殺菌性能從而用于核、生物和化學(xué)(NBC)防御。
生產(chǎn)改進(jìn)的空氣過(guò)濾介質(zhì)有兩種基本的方法。第一種是生產(chǎn)具有提高“質(zhì)量因數(shù)”(FOM)的材料，其中質(zhì)量因數(shù)約等于顆粒攔截的對(duì)數(shù)除以通過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的壓差。盡管在FOM概念上具有變化，但基本等式是FOM＝[-log(1-FE)]/ΔP其中FE是在特定的流量下和對(duì)于特定的粒度，過(guò)濾介質(zhì)的攔截效率分?jǐn)?shù)，和ΔP是也在特定的流量下測(cè)量的壓降。
當(dāng)過(guò)濾介質(zhì)的深度為各向同性并以層流狀態(tài)操作時(shí)，對(duì)于這種過(guò)濾介質(zhì)，F(xiàn)OM基本上是常數(shù)，而與不同樣品的過(guò)濾介質(zhì)的基重的任何變化無(wú)關(guān)。當(dāng)比較各種過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，這是非常有用的工具。例如，通過(guò)在空氣過(guò)濾介質(zhì)上施加靜電荷，或?qū)τ谑褂迷凇盎瑒?dòng)(slip)”狀態(tài)下操作的極小纖維的材料，F(xiàn)OM通常大大地得到改進(jìn)。
然而，當(dāng)兩種過(guò)濾介質(zhì)具有相同的FOM，但一個(gè)比另一個(gè)厚許多倍時(shí)，顯然人們將使用薄的過(guò)濾介質(zhì)，這是因?yàn)樵谶^(guò)濾器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，空間幾乎總是很受歡迎。當(dāng)折疊過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，過(guò)濾介質(zhì)的厚度在實(shí)現(xiàn)最大過(guò)濾器面積上扮演關(guān)鍵性作用。若多至兩倍的濾紙可堆積到過(guò)濾器內(nèi)，則與基本的情況相比，空氣流過(guò)濾紙的速度減半。另外，空氣過(guò)濾器的顆粒攔截效率隨著空氣流過(guò)濾紙速度的下降而改進(jìn)。這對(duì)于必須擴(kuò)散到過(guò)濾器表面上的小顆粒來(lái)說(shuō)尤其重要。圖1示出了當(dāng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的空氣速度變化時(shí)的顆粒攔截。在已調(diào)節(jié)厚度之后，最佳的納米HEPA是本發(fā)明的HEPA材料。通過(guò)添加更多的過(guò)濾介質(zhì)到過(guò)濾器設(shè)計(jì)(更多的褶皺)中導(dǎo)致空氣流動(dòng)的任何下降(這通過(guò)使用薄材料而變得可能)提供顯著的優(yōu)點(diǎn)。額外的褶皺允許過(guò)濾體系具有較低的壓降和改進(jìn)的顆粒攔截效率，這是因?yàn)楫?dāng)起褶時(shí)，它在較低的空氣流量下操作所致。過(guò)濾介質(zhì)的厚度因此間接影響過(guò)濾效率和摺疊過(guò)濾器中的壓降這二者，因?yàn)樗淖凂薨櫟淖罴讯逊e。
本發(fā)明提供具有良好FOM值且極薄的有效平片過(guò)濾介質(zhì)?？缮a(chǎn)具有與現(xiàn)代環(huán)氧玻璃濾紙相同F(xiàn)OM的過(guò)濾介質(zhì)，但其厚度僅為玻璃介質(zhì)的幾分之一且具有類似的總體剛度和拉伸性能。本發(fā)明提供優(yōu)選方法制備摺疊的空氣過(guò)濾器。
納米纖維本發(fā)明的過(guò)濾介質(zhì)由納米纖維組成，所述納米纖維可以是有機(jī)或無(wú)機(jī)材料，其中包括但不限于聚合物、工程樹脂、陶瓷、纖維素、人造絲、玻璃、金屬、活化礬土、碳或活性炭、二氧化硅、沸石或其組合。可以考慮有機(jī)和無(wú)機(jī)纖維和/或晶須的組合且在本發(fā)明的范圍蒙，例如可一起使用玻璃、陶瓷或金屬纖維和聚合物纖維。
當(dāng)通過(guò)濕鋪方法，由纖維素的納米纖維或聚合物纖維生產(chǎn)過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，這種纖維的加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度還應(yīng)當(dāng)小于或等于45，和可以小于或等于約2。優(yōu)選地，顯著比例的纖維的直徑應(yīng)當(dāng)小于或等于約1000納米，更優(yōu)選小于或等于約400納米，和最優(yōu)選直徑小于或等于約200納米的纖維。優(yōu)選切斷纖維到約1mm至約8mm的長(zhǎng)度，優(yōu)選約2mm至約6mm，和更優(yōu)選約3mm至約4mm。最優(yōu)選原纖化纖維，這是因?yàn)樗鼈兲貏e小的尺寸和潛在的低成本。
優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明加工的原纖化合成纖維素或丙烯酸纖維可產(chǎn)生本發(fā)明的超細(xì)過(guò)濾介質(zhì)。可通過(guò)在有機(jī)溶劑如氧化胺中直接溶解和紡絲木漿來(lái)制備這種原纖化纖維素纖維，且被稱為L(zhǎng)yocell纖維。Lyocell纖維的優(yōu)點(diǎn)是能以一致、均勻的方式生產(chǎn)，從而產(chǎn)生可重復(fù)的結(jié)果，這對(duì)于例如天然纖維素纖維來(lái)說(shuō)情況可能并不如此。此外，Lyocell的原纖常常卷曲。卷曲提供大量的纖維纏繞，從而導(dǎo)致具有高干強(qiáng)度和顯著殘留的濕強(qiáng)度的最終過(guò)濾介質(zhì)。此外，可使用中等投資成本的設(shè)備大量地生產(chǎn)原纖化Lyocell纖維。要理解，除了纖維素以外的纖維可被原纖化以生產(chǎn)極細(xì)的原纖，如人工纖維，尤其丙烯酸或尼龍纖維或其它纖維素材料。
可在本發(fā)明中使用原纖化和非原纖化纖維的組合。例如，微玻璃纖維可與原纖化聚合物纖維混合，以降低全部纖維混合物的成本和輔助分散，同時(shí)維持所得的性能。優(yōu)選地，微玻璃纖維的直徑為約0.25微米至約1微米，和優(yōu)選約0.5微米至約0.75微米，和更優(yōu)選約0.65微米。微玻璃纖維的量可以為過(guò)濾介質(zhì)重量的最多約90％。
最優(yōu)選的實(shí)施方案包括平均直徑小于約200納米和約3至約5mm的短切纖維長(zhǎng)度的原纖化的Lyocell納米纖維。原纖化Lyocell纖維可與一部分便宜的微玻璃纖維混合，以降低成本，但在可接受的壓降下仍維持所需的效率。
增強(qiáng)過(guò)濾介質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度可通過(guò)在不明顯妨礙空氣流動(dòng)經(jīng)過(guò)過(guò)濾介質(zhì)的支撐層上形成過(guò)濾介質(zhì)來(lái)提高過(guò)濾介質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度。支撐層可以是任何透氣的基質(zhì)，條件是支撐層的孔徑不要大到在真空壓力下納米纖維被牽引通過(guò)透氣基質(zhì)。支撐層可以是由織物、無(wú)紡布、紡粘、熔體吹塑、纖維素和其它纖維材料制備的材料。這種基質(zhì)的實(shí)例是紡粘聚酯，如購(gòu)自O(shè)ldHickory，Tennessee的BBA Nonwovens Reemay，Inc的REEMAYTM2004或REEMAYTM2275。支撐層也可被處理或由抗霉、霉菌、真菌或細(xì)菌的材料制備。
賦予過(guò)濾介質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度的另一方式是混合一部分粘結(jié)劑與納米纖維。本領(lǐng)域公知，添加環(huán)氧、丙烯酸或其它樹脂到造紙工藝中可提供增強(qiáng)的濕強(qiáng)度，但這些水分散的樹脂常常在最終產(chǎn)品古引起較低的滲透率，特別地當(dāng)纖維尺寸下降時(shí)。盡管這些樹脂和樹脂體系可在本發(fā)明中使用，但優(yōu)選使用本領(lǐng)域已知的粉末、顆?；蛘呃w維形式的熱塑性或熱固性材料。選擇粘結(jié)劑，以便粘結(jié)劑材料的熔點(diǎn)充分低于納米纖維的熔點(diǎn)，以便可加熱過(guò)濾介質(zhì)來(lái)活化粘結(jié)劑，同時(shí)過(guò)濾介質(zhì)不會(huì)熔化并進(jìn)而喪失孔隙率。粘結(jié)劑優(yōu)選充分均勻地分布在整個(gè)過(guò)濾介質(zhì)上，以便隨后當(dāng)活化時(shí)，粘結(jié)劑將截留或粘結(jié)到基本上所有納米纖維上。
可用的粘結(jié)劑材料包括但不限于聚烯烴，聚鹵乙烯，聚乙烯酯，聚乙烯醚，聚乙烯硫酸酯，聚乙烯磷酸酯，聚乙烯胺，聚酰胺，聚酰亞胺，聚噁二唑，聚三唑，聚碳化二亞胺，聚砜，聚碳酸酯，聚醚，聚亞芳基氧，聚酯，聚丙烯酸酯，酚醛樹脂，蜜胺-甲醛樹脂，甲醛-脲，乙基-醋酸乙烯酯共聚物，其共聚物和嵌段共聚物，和其組合。以上材料和其它有用的聚合物的變體包括基團(tuán)如羥基，鹵素，低級(jí)烷基，低級(jí)烷氧基，單環(huán)狀芳基和類似物的取代。其它潛在可用的材料包括聚合物如聚苯乙烯和丙烯腈-苯乙烯共聚物，苯乙烯-丁二烯共聚物和其它非晶或無(wú)定形聚合物與結(jié)構(gòu)。
可用于本發(fā)明的粘結(jié)劑材料的更詳細(xì)列舉包括聚鏈烯，聚醚，聚乙烯酯，聚乙烯醚，乙基-醋酸乙烯酯共聚物，封端聚縮醛，如聚甲醛，聚(三氯乙醛)，聚(正戊醛)，聚(乙醛)，和聚(丙醛)等；丙烯酸聚合物如聚丙烯酰胺，聚(丙烯酸)，聚(甲基丙烯酸)，聚(丙烯酸乙酯)和聚(甲基丙烯酸甲酯)等；氟碳聚合物，如聚(四氟乙烯)，全氟化乙烯-丙烯共聚物，乙烯-四氟乙烯共聚物，聚(氯三氟乙烯)，乙烯-氯三氟乙烯共聚物，聚(偏二氟乙烯)和聚(氟乙烯)等；聚酰胺，如聚(6-氨基己酸)或聚(ε-己自酰胺)，聚(亞己基己二酰胺)，聚(亞己基癸二酰胺)和聚(11-氨基十一酸)等；聚芳酰胺，如聚(亞氨基-1，3-亞苯基亞氨基異鄰苯二甲酰)或聚(間-亞苯基異鄰苯二甲酰胺)等；聚對(duì)亞苯基二甲基，如聚-對(duì)-亞二甲苯基和聚(氯-對(duì)-亞二甲苯基)等；聚芳基醚，如聚(氧基-2，6-二甲基-1，4-亞苯基)或聚(對(duì)苯醚)等；聚芳基砜，如聚(氧基-1，4-亞苯基磺?；?1，4-亞苯基氧基-1，4-亞苯基亞異丙基-1，4-亞苯基)和聚(磺?；?1，4-亞苯基氧基-1，4-亞苯基磺?；?4，4′-亞聯(lián)苯基)等；聚碳酸酯，如聚(雙酚A)或聚(羰基二氧基-1，4-亞苯基亞異丙基-1，4-亞苯基)等；聚酯，如聚(對(duì)苯二甲酸乙二酯)，聚(對(duì)苯二甲酸丁二酯)，聚(亞環(huán)己基-1，4-二亞甲基對(duì)苯二甲酸酯)或聚(甲醛-1，4-環(huán)亞己基亞甲基氧基對(duì)苯二甲酰)等；聚芳基硫化物，如聚(對(duì)苯硫醚)或聚(硫代-1，4-亞苯基)等；聚酰亞胺，如聚(均苯四亞氨基-1，4-亞苯基)等；聚烯烴，如聚乙烯，聚丙烯，聚(1-丁烯)，聚(2-丁烯)，聚(1-戊烯)，聚(2-戊烯)，聚(3-甲基-1-戊烯)，和聚(4-甲基-1-戊烯)等；乙烯基聚合物，如聚(醋酸乙烯酯)，聚(偏二氯乙烯)和聚(氯乙烯)等；二烯聚合物，如1，2-聚-1，3-丁二烯，1，4-聚-1，3-丁二烯，聚異戊二烯，和聚氯丁二烯等；聚苯乙烯；前述的共聚物，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物等及其混合物。
可使用一系列粘結(jié)劑纖維，其中包括聚乙烯、聚丙烯、丙烯酸或聚酯-聚丙烯或聚丙烯-聚乙烯雙組分纖維或其它。優(yōu)選的纖維粘結(jié)劑材料可包括FYBREL合成纖維和/或SHORT STUFFEST-8，這二者均是聚烯烴基材料。FYBREL是一種聚烯烴基合成紙漿，它是一種高度原纖化的纖維且商購(gòu)于日本的Mitsui Chemical Company。FYBREL具有優(yōu)良的熱模塑性并給過(guò)濾介質(zhì)提供光滑的表面。SHORT STUFFEST-8商購(gòu)于MiniFibers，Inc.，Pittsburgh，Pennsylvania，和是一種高度原纖化的高密度聚乙烯。同樣優(yōu)選低密度聚乙烯(LDPE)粘結(jié)劑顆粒，如由Tuscola，Illinois的Equistar Chemicals，L.P.制備的MICROTHENEGrade FN 510。聚醋酸乙烯酯(PVA)也可用作粘結(jié)劑。優(yōu)選的PVA是商購(gòu)于Kuraray Company，Ltd.，Osaka，日本的KURALONTMVPB071。
優(yōu)選，粘結(jié)劑的用量為約1％至約35％重量，更優(yōu)選約3％至約10％，最優(yōu)選約5％至約7％。
添加劑顆粒、纖維、晶須或粉末形式的一種或多種添加劑也可與納米纖維混合，以有助于攔截其它污染物或除去濕氣和/或臭味。有用的添加劑可包括但不限于金屬顆粒，活化礬土，活性炭，二氧化硅，聚合物粉末和纖維，玻璃珠?；蚶w維，纖維素纖維，離子交換樹脂，工程樹脂，陶瓷，沸石，硅藻土，活化鋁土礦，漂白土，硫酸鈣，超吸收聚合物(SAP)，或其組合。也可根據(jù)特定應(yīng)用化學(xué)處理添加劑，以賦予抗微生物或殺菌能力。這些添加劑優(yōu)選以使得在使用過(guò)程中所得過(guò)濾介質(zhì)中的空氣流動(dòng)基本上不受阻礙的足夠量存在。添加劑的量取決于過(guò)濾體系的特定功能。
制備本發(fā)明HEPA過(guò)濾介質(zhì)的方法可根據(jù)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的方法制備本發(fā)明的HEPA過(guò)濾介質(zhì)。干鋪工藝包括紡粘、靜電紡紗、海島紡絲(spinningislands-in-sea)工藝、原纖化薄膜、熔體吹塑，和本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的其它干鋪工藝。例舉的干鋪工藝以短切纖維開始，所述短切纖維可通過(guò)梳理成單根纖維而分開，然后通過(guò)氣動(dòng)方法鋪在一起到所需厚度，形成非粘合的纖維片材。然后對(duì)該非粘合纖維進(jìn)行水力噴射，使纖維原纖化并水力纏繞(hydroentangle)?？稍谝恍┧芰夏ど线M(jìn)行類似的工藝，當(dāng)所述塑料膜暴露于高壓水射流時(shí)，轉(zhuǎn)化成原纖化纖維網(wǎng)。
在優(yōu)選的濕鋪工藝中，將纖維絲束切斷成特定的長(zhǎng)度，通常在約1mm至約8mm范圍治，和尤其在約3mm至約4mm范圍區(qū)。在具有類似于摻合器特征的設(shè)備內(nèi)，或在較大規(guī)模上在常稱為“hi-low”、“打漿機(jī)”或“勻漿機(jī)”的機(jī)器內(nèi)，原纖化短切纖維。使纖維經(jīng)歷反復(fù)的應(yīng)力，同時(shí)進(jìn)一步切斷并使纖維長(zhǎng)度的下降最小。當(dāng)纖維經(jīng)歷這些應(yīng)力時(shí)，由于無(wú)定形和結(jié)晶區(qū)域之間的作用力弱導(dǎo)致纖維劈裂，和加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度(CSF)開始下降，其中所述加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度通過(guò)本領(lǐng)域公知的方法來(lái)測(cè)定?？砷g隔地取出所得紙漿樣品，和將CSF可用作原纖化程度的間接量度。盡管CSF值略微敏感于纖維長(zhǎng)度，但它更強(qiáng)烈敏感于纖維的原纖化程度。因此，CSF是監(jiān)控纖維原纖化程度的合適方式，而CSF是從紙漿中除水的容易程度的量度。若表面積非常高，則在給定量的時(shí)間下非常少的水從紙漿中排出，和隨著纖維更深入地原纖化，CSF值將逐漸變低。給定CSF值的原纖化纖維可直接用于生產(chǎn)紙張或在各種不同的設(shè)備(包括脫水壓機(jī)或傳動(dòng)帶)上脫水，產(chǎn)生脫水紙漿。已脫水紙漿可隨后用于制備濕鋪紙張。一般地，對(duì)于本發(fā)明的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用CSF低于45的紙漿，和優(yōu)選CSF應(yīng)當(dāng)小于或等于約2。纖維可被直接送入到紙漿制備體系中，以生產(chǎn)適合于造紙的配料。過(guò)濾介質(zhì)的最終重量?jī)?yōu)選約21至約65g/m2，優(yōu)選約32至約48g/m2，基于過(guò)濾介質(zhì)的總重量。以這一方式原纖化的纖維包括Lyocell和選擇不同等級(jí)的不完全結(jié)晶的丙烯酸、尼龍或其它合成纖維。
可在形成濕鋪或干鋪紙張之前或之后，根據(jù)本領(lǐng)域已知的方法，如納米纖維的電暈放電處理或化學(xué)處理，使過(guò)濾介質(zhì)帶靜電。也可在纖維的納米纖維混合物如丙烯酸和尼龍纖維的混合物內(nèi)，通過(guò)摩電效應(yīng)產(chǎn)生靜電荷。靜電荷通過(guò)電動(dòng)攔截可提供增強(qiáng)的微粒攔截。
例舉的濕鋪工藝包括在摻合器內(nèi)在混合下在水中分散CSF為約2的原纖化Lyocell纖維紙漿，形成具有約1％至約2％稠度的配料?？上蛟摲稚⒁褐刑砑悠渌w維和粘結(jié)劑或成分。此后，可在濕鋪過(guò)濾介質(zhì)的生產(chǎn)中直接使用各成分的完全混合物。
使用納米纖維涂層改進(jìn)已有過(guò)濾介質(zhì)的FOM在本發(fā)明另一實(shí)施方案中，已表明，在基質(zhì)如已有過(guò)濾介質(zhì)上局部涂布納米纖維可提高已有過(guò)濾介質(zhì)的FOM至少約100％。使用濕鋪工藝，以約0.5g/m2至約11.0g/m2，和優(yōu)選約1.08g/m2的速度將納米纖維負(fù)載在已有的過(guò)濾介質(zhì)上。納米纖維強(qiáng)烈粘附到基質(zhì)上，也同樣可使用納米纖維通過(guò)充當(dāng)主粘結(jié)劑將其它纖維或成分粘附在基質(zhì)上。固體形式的常規(guī)粘結(jié)劑材料可用于提高對(duì)基質(zhì)的粘附，但在所有場(chǎng)合中這不是必須的。
優(yōu)選地，丙烯酸納米纖維或原纖化Lyocell纖維(單獨(dú)和與微玻璃纖維的組合)顯著改進(jìn)已有過(guò)濾介質(zhì)的FOM?？稍谶^(guò)濾介質(zhì)的起始生產(chǎn)過(guò)程中施加納米纖維或在所需小量納米纖維給定的名義成本下生產(chǎn)之后涂布在其上?？墒褂眉幽么髽?biāo)準(zhǔn)游離度小于約45、優(yōu)選小于約10和優(yōu)選約2和短切纖維長(zhǎng)度為約3mm至約8mm的的丙烯酸納米纖維。根據(jù)本領(lǐng)域已知的方法原纖化這種丙烯酸纖維。可以以商品牌號(hào)RES-25從Sterling Fibers，Inc.，Pace，F(xiàn)lorida、以商品名CASHMILONTM從AsahiKasei Corporation，Tokyo日本和/或從Mitsubishi RayonAmerica，New York以3mm長(zhǎng)度的可原纖化短切纖維形式獲得優(yōu)選的丙烯酸短切纖維。
在采用納米纖維涂層的已有空氣過(guò)濾介質(zhì)的例舉處理中，如上所述切斷纖維絲束到約3至約4mm長(zhǎng)度并原纖化。然后在已有的過(guò)濾介質(zhì)或其它支撐基質(zhì)的片材上濕鋪原纖化的納米纖維，其中包括微玻璃纖維(若使用的話)。
實(shí)施例提供以下實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，而不應(yīng)理解為限定本發(fā)明的范圍。
使用獲自Air Techniques，International of Owings Mill，Maryland的Model TDA-100，進(jìn)行氣溶膠攔截和氣流阻力測(cè)量。在該研究中使用單分散的0.18微米的油氣溶膠顆粒。流量為32slpm。利用Tinius Olsen Testing Machine Company，Inc.of Horsham，Pennsylvania的機(jī)械試驗(yàn)站測(cè)量拉伸強(qiáng)度。HEPA過(guò)濾介質(zhì)或如下所示在支撐層上的納米纖維涂層的厚度不考慮任何支撐基質(zhì)的厚度。
根據(jù)下述通用步驟制備本發(fā)明的HEPA過(guò)濾介質(zhì)的手工片材(handsheet)。稱取材料并在不銹鋼韋林氏摻合器中與2.0L去離子水共混至少3分鐘。當(dāng)使用微玻璃纖維時(shí)，在與納米纖維和粘結(jié)劑(若存在的話)混合之前獨(dú)立地共混它們約3分鐘。在纖維混合物傾倒在30.5×30.5cm2不銹鋼FORMAXTM造紙框(deckle)內(nèi)，用在100目的基本篩網(wǎng)上平鋪的REEMAYTM2004無(wú)紡布片材作為支撐層。填充所述框至總共有含不同纖維的約12L水。使用具有60個(gè)直徑為2cm的孔的30.5×30.5cm2不銹鋼攪拌器片，從頂部到底部上下翻轉(zhuǎn)纖維混合物約8-10次。通過(guò)在框下方施加輕微真空從纖維混合物中除去水，引起纖維在REEMAYTM無(wú)紡布上形成。一旦大量水被除去，則采用真空泵進(jìn)行補(bǔ)充脫水，以除去額外過(guò)量的濕氣和產(chǎn)生相對(duì)光滑、平坦、很薄的紙狀片材。將所得片材從篩網(wǎng)中分離并在頂部和底部上與沾吸(blotter)片材組合。輕輕地用2.27kg大理石搟輥輥壓組合片材，以除去過(guò)量水和使片材的頂部表面平滑。然后將該片材放置在兩塊新鮮和干燥的沾吸片材之間并在約120℃下放置在FORMAX片材干燥器上約10至約15分鐘。將干燥的過(guò)濾介質(zhì)與沾吸片材分離并在FORMAX片材干燥器上直接加熱各側(cè)約5分鐘，以活化存在的任何粘結(jié)劑。
在其中納米纖維涂布于過(guò)濾介質(zhì)或其它粗糙基質(zhì)上的實(shí)施例中，用選擇的過(guò)濾介質(zhì)或基質(zhì)而不是REEMAYTM無(wú)紡布給框做襯底，和如前所述在其上濕鋪納米纖維。
實(shí)施例1和2具有原纖化Lyocell和微玻璃納米纖維的HEPA過(guò)濾介質(zhì)這些實(shí)施例說(shuō)明了用加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為約8的原纖化Lyocell納米纖維在與微玻璃纖維混合的含水分散液中制備的HEPA過(guò)濾介質(zhì)的性能，其中所述微玻璃纖維的纖維直徑為0.65微米，以商品牌號(hào)FIBREGLASSTM#106獲自Johns Manville Company of Denver，Colorado。表I和II示出了過(guò)濾介質(zhì)的組成與特征。
表I
實(shí)施例3-7具有原纖化Lyocell和微玻璃納米纖維的HEPA過(guò)濾介質(zhì)采用加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為約2的原纖化Lyocell納米纖維在與FIBREGLASSTM#106微玻璃纖維混合的含水分散液中制備實(shí)施例3-7。在這些和以下的實(shí)施例中，將商購(gòu)于Kuraray Company，Ltd.，Osaka，日本的KURALONTM聚醋酸乙烯酯(PVA)用作粘結(jié)劑。實(shí)施例3進(jìn)一步包括MICROTHENEGrade FN510作為粘結(jié)劑。MICROTHENE含有0.5wt％無(wú)定形的沉淀二氧化硅。表II示出了組成。表III示出了過(guò)濾介質(zhì)的特征。
表II
表III
實(shí)施例1-7的HEPA過(guò)濾介質(zhì)在厚度顯著小于常規(guī)HEPA材料下，在截留0.18微米氣溶膠顆粒中顯示出優(yōu)良的效率。
實(shí)施例8-20具有CSF為2的原纖化Lyocell和微玻璃納米纖維的HEPA過(guò)濾介質(zhì)這些實(shí)施例進(jìn)一步示出了在沒(méi)有粘結(jié)劑和具有下表所示的不同用量粘結(jié)劑的情況下，用原纖化Lyocell納米纖維和FIBREGLASS #106微玻璃纖維制備的本發(fā)明的HEPA過(guò)濾介質(zhì)的性能。所使用的粘結(jié)劑是PVA和含有0.5wt％無(wú)定形的沉淀二氧化硅的MICROTHENEGrade FN-510，基于MICROTHENE和二氧化硅的總重量。
表IV
表V
所有實(shí)施例表明在截留0.18微米氣溶膠顆粒中的優(yōu)良效率，因此將超過(guò)常規(guī)的HEPA材料的性能。
實(shí)施例21-35具有CSF為2的原纖化Lyocell和微玻璃納米纖維以及不同量PVA粘結(jié)劑的HEPA過(guò)濾介質(zhì)這些實(shí)施例說(shuō)明了當(dāng)用不同量PVA粘結(jié)劑制備的HEPA過(guò)濾介質(zhì)的不同性能。表VI示出了過(guò)濾介質(zhì)的組成和表VII示出了性能結(jié)果。
表VI
表VII
表VII中的實(shí)施例表明在中等壓降下對(duì)0.18微米的氣溶膠顆粒優(yōu)良的攔截效率。
實(shí)施例36-38具有CSF為2的原纖化Lyocell和微玻璃納米纖維以及不同量PVA粘結(jié)劑的摺疊(pleated)和非褶疊(unpleated)HEPA過(guò)濾介質(zhì)的比較這些實(shí)施例說(shuō)明了當(dāng)褶摺疊(在表IX中用字母P表示)時(shí)本發(fā)明的HEPA過(guò)濾介質(zhì)保持其初始的非摺疊的性能。在制備過(guò)濾介質(zhì)中使用加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為2的Lyocell納米纖維。PVA為使用的粘結(jié)劑。
表VIII
表IX
實(shí)施例39-66具有CSF為2的原纖化Lyocell和微玻璃納米纖維以及不同量EST-8粘結(jié)劑的HEPA過(guò)濾介質(zhì)這些實(shí)施例說(shuō)明了當(dāng)不同量EST-8聚乙烯纖維用作粘結(jié)劑時(shí)HEPA過(guò)濾介質(zhì)的不同性能。
表X
表XI
實(shí)施例67-71具有CSF為2的原纖化Lyocell和微玻璃納米纖維以及不同量EST-8粘結(jié)劑的摺疊和非摺疊HEPA過(guò)濾介質(zhì)的比較下述實(shí)施例比較用30wt％Lyocell納米纖維、60wt％玻璃微纖維(FIBREGLASS #106)和10wt％EST-8作為粘結(jié)劑制備的摺疊和非摺疊HEPA過(guò)濾介質(zhì)的性能。
表XII
同樣，摺疊過(guò)濾器顯示出與非摺疊過(guò)濾器基本上相同的性能特征。所有均具有對(duì)亞微米顆粒的優(yōu)良攔截能力，因?yàn)楸疚乃鲈囼?yàn)的效率是采用0.18微米的氣溶膠顆粒進(jìn)行的。對(duì)于打褶來(lái)說(shuō)拉伸強(qiáng)度也是最佳的。在攔截效率中獲得的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了略微較高的阻力。
實(shí)施例72-74具有納米纖維涂層的已有過(guò)濾介質(zhì)的FOM的改進(jìn)下述實(shí)施例說(shuō)明了FOM的增加，并進(jìn)而說(shuō)明負(fù)載0.15g/ft2(干重)納米纖維的已有過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能的增加。采用0.18微米的氣溶膠顆粒，以32slpm的流量在100cm2的定位模具(jig)上進(jìn)行所有測(cè)量。用FM表示初始的過(guò)濾介質(zhì)并用它的氣溶膠滲透分?jǐn)?shù)、氣流阻力和FOM來(lái)定義。FM1和FM2是無(wú)紡布。在實(shí)施例72中，使用以上所述的濕鋪工藝，用25％加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為約2的丙烯酸納米纖維和75％FIBREGLASS#106微玻璃纖維涂布初始過(guò)濾介質(zhì)FM1。實(shí)施例72中的丙烯酸纖維獲自于Mitsuibishi Rayon America。在實(shí)施例73中，用25％加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為約2的Lyocell纖維和75％FIBREGLASS #106微玻璃纖維涂布初始過(guò)濾介質(zhì)。在實(shí)施例74中，用25％加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為約2的原纖化Lyocell納米纖維涂布初始過(guò)濾介質(zhì)FM1。在實(shí)施例75中，用同樣獲自于Mitsuibishi Rayon America的100％丙烯酸納米纖維涂布初始過(guò)濾介質(zhì)FM2。根據(jù)表VIII可看出，向已有過(guò)濾介質(zhì)中添加小量納米纖維顯著提高FOM，進(jìn)而提高過(guò)濾介質(zhì)的性能。
表XIII
實(shí)施例76-79具有納米纖維涂層的發(fā)動(dòng)機(jī)濾紙的FOM的改進(jìn)下述實(shí)施例說(shuō)明了FOM的增加，并進(jìn)而說(shuō)明負(fù)載1.6g/m2(干重)納米纖維的已有過(guò)濾介質(zhì)的過(guò)濾性能的增加。初始過(guò)濾介質(zhì)(表示為FM3)是在標(biāo)準(zhǔn)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣吸入過(guò)濾器中使用的標(biāo)準(zhǔn)樹脂粘合的纖維素過(guò)濾介質(zhì)。采用0.18微米的氣溶膠顆粒以32slpm的流量在100cm2的定位模具內(nèi)試驗(yàn)滲透性。實(shí)施例76用加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為約2的原纖化Lyocell納米纖維涂布。實(shí)施例77和78用約25％原纖化Lyocell納米纖維和約75％FIBREGLASS #106微玻璃纖維涂布。實(shí)施例79用約25％加拿大標(biāo)準(zhǔn)游離度為約2的丙烯酸納米纖維和約75％FIBREGLASS #106微玻璃纖維涂布。實(shí)施例79使用獲自于Mitusibishi Rayon America的丙烯酸納米纖維并原纖化成3mm的長(zhǎng)度。如表IX所示，在添加涂布于其上的小量納米纖維的情況下獲得FOM的顯著改進(jìn)。對(duì)于低成本的過(guò)濾器，這一小量的納米纖維是改進(jìn)過(guò)濾器性能的經(jīng)濟(jì)方式。
表XIV
盡管已結(jié)合特定優(yōu)選的實(shí)施方案具體描述了本發(fā)明，但顯然根據(jù)上文描述，許多替換、修改和變化對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見的。因此認(rèn)為，所附權(quán)利要求書包括落入本發(fā)明真實(shí)范圍和主旨內(nèi)的任何這些替換、修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種提高已有過(guò)濾介質(zhì)性能的方法，其包括如下步驟提供多根原纖化納米纖維；在已有的過(guò)濾介質(zhì)上濕鋪或涂布來(lái)自流體懸浮液的原纖化納米纖維，其中原纖化納米纖維以約0.5g/m2至約11.0g/m2的比率負(fù)載在已有的過(guò)濾介質(zhì)上；和使已有過(guò)濾介質(zhì)的質(zhì)量因數(shù)增加至少約100％。
2.權(quán)利要求1的方法，其中在提供多根原纖化納米纖維的步驟中，所述納米纖維包括Lyocell納米纖維、丙烯酸納米纖維、尼龍納米纖維或其組合，和進(jìn)一步包括微玻璃纖維。
3.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括提供粘結(jié)劑的步驟，其中將來(lái)自流體懸浮液的原纖化納米纖維和粘結(jié)劑濕鋪或涂布在已有過(guò)濾介質(zhì)上。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括納米纖維的空氣過(guò)濾介質(zhì)，該過(guò)濾介質(zhì)的厚度小于0.25mm、質(zhì)量因數(shù)大于約0.075，和當(dāng)截留尺寸為約0.18微米的氣溶膠顆粒時(shí)，效率大于約99.9％，以及在約32L/min的流量下經(jīng)過(guò)尺寸為100cm
文檔編號(hào)B01D39/02GK1891325SQ200610004748
公開日2007年1月10日 申請(qǐng)日期2003年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月31日
發(fā)明者E·E·科斯洛 申請(qǐng)人:科斯洛技術(shù)公司