CN101541392A - 耐用纳米纤维网稀松布层压材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过滤介质，所述过滤介质包括纳米纤维层和基底层；所述纳米纤维层包含聚合物材料并具有约0.01至1.0微米的纤维直径、约0.5至30gsm的基重、以及至少约2微米的厚度，所述纳米纤维层还具有至少约5kN/m的表面稳定性指数，所述介质是打褶的。

Description

耐用纳米纤维网稀松布层压材料
发明领域
本发明涉及用于从气态或受污染的空气流中除去灰尘、污垢及其他颗粒的过滤介质和过滤结构，所述过滤结构可一般用于过滤应用中，所述过滤应用包括：真空吸尘器、集尘器、燃气涡轮进气过滤系统、供暖、通风和空调过滤系统，或用于多种其他应用中。
背景技术
气体流常常携带颗粒物质。在许多情况下，希望从气体流中除去一些或全部的颗粒物质。例如，通向机动车引擎或发电设备的进气流，通向燃气涡轮的气体流，以及通向多种燃烧炉的空气流常常含有夹带的颗粒物质。这些颗粒物质如果进入到各种机构的内部零件中，可造成相当大的损坏。因此，经常需要从位于引擎、涡轮、燃烧炉或其他相关设备上游的气体流中除去颗粒物质。另一个实例为商用和家用的供暖、通风和空调(HVAC)过滤系统。通向HVAC系统的空气流常常携带颗粒物质，例如花粉、孢子、大气粉尘、以及其他亚微米颗粒。为了减少过敏反应以及潜在的健康风险，期望除去这些颗粒物质。
纳米纤维和包含纳米纤维的纤维网组合物具有改善的特性，所述特性可用于多种应用中，包括形成过滤应用所需的过滤介质。参见例如U.S.7,008,465，其中描述了纳米纤维在空气过滤应用中的用途。
在制备细旦纤维介质的过程中，已使用了多种材料，包括玻璃纤维、金属、陶瓷和一系列聚合物组合物。已使用了多种形成纤维的方法和技术来制造小直径微纤维和纳米纤维。一种方法涉及使材料通过细的毛细管或开口，其中所述材料可为熔融材料的形式，也可存在于随后被蒸发的溶液中。也可以用通常用于制备合成纤维例如尼龙的“喷丝头”来形成纤维。静电纺丝也是已知的。此类技术涉及使用皮下注射针、喷嘴、毛细管或活动发射器。这些结构提供聚合物的液体溶液，所述溶液随后被高压静电场吸引至收集区域。随着材料被拉出发射器并加速通过静电区域，纤维变得纤细并可通过溶剂蒸发作用而形成纤维结构。
在过滤应用中，使过滤介质形成褶皱以增加可用于液体接触的有效表面积是广为人知的。用传统技术制造的纳米纤维网导致纳米纤维网层的纤维表面稳定性不佳。对于褶皱过滤器的制作，稀松布和纳米纤维网层之间的较低粘合强度导致了不可接受的褶皱质量。在打褶过程中，纳米纤维网被打褶辊磨损，并且纳米纤维网层与稀松布分层。
为防止纤维的磨损和纳米纤维网层的分层，通常会使用第二稀松布来形成“SNS”(即稀松布-纳米纤维网-稀松布)结构。用粘合剂或通过超声和热粘结来实现第二稀松布的粘结，这会增加产品的成本和厚度。较厚的产品会限制褶皱过滤器中的打褶密度(每英寸的褶数)。
例如，在现有技术的一个商业实施方案中，褶皱过滤器由通过超声粘结技术粘结的“SNS”结构制成。
在第二商业实施方案中，褶皱过滤器由“SN”结构制成，但纳米纤维网层的基重通常小于0.5克/平方米(gsm)，并且其稀松布由湿法成网纸材和纺粘非织造材料制成。
在第三商业实施方案中，过滤介质为“SN”结构，其中纳米纤维层的基重小于2gsm，并且其稀松布为130gsm的纺粘聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
过滤器行业需要纳米纤维网加稀松布的结构，该结构能保持纳米纤维网层的优异过滤性能，同时可无需进一步修改即可形成褶皱。
本发明人已发现了一种有关对单纯纳米纤维网加稀松布结构进行打褶的问题的解决方法。
发明概述
本发明涉及一种过滤介质，该过滤介质包括纳米纤维层和基底层；该纳米纤维层包含聚合物材料并具有约0.01至1.0微米的纤维直径、约0.5至30gsm的基重、以及至少约2微米的厚度。该纳米纤维层还具有至少约5kN/m的表面稳定性指数，所述介质还是打褶的。
发明详述
如本文所用，术语“纳米网”和“纳米纤维网”是同义词。类似地，术语“稀松布”和“基底”也是同义词。
如本文所用，术语“非织造纤维网”或“非织造材料”是指具有独立纤维、长丝或线的结构的纤维网，这些纤维、长丝或线彼此交错，但不是以规则或可识别的方式，例如在已经纤丝化的针织织物或薄膜中那样交错。已由多种方法，例如熔喷法、纺粘法、粘结梳理成网法，来形成非织造纤维网或材料。非织造纤维网或材料的基重通常用盎司材料/平方码(osy)或用克/平方米(gsm)来表示，并且可用的纤维直径通常以微米来表示。
“稀松布”为支撑层，并可以为能够与纳米纤维网粘结、粘附或层合的任何平面结构。有利的是，可用于本发明的稀松布层为纺粘非织造层，但也可由非织造纤维的梳理纤维网等制成。可用于某些过滤器应用的稀松布层需要足够的刚度来保持褶绉和死褶。
如本文所用，“纳米纤维”是指具有小于约1000nm、甚至小于约800nm、甚至介于约50nm和500nm之间、以及甚至介于约100nm和400nm之间的数均直径或横截面的纤维。如本文所用，术语“直径”包括非圆形形状的最大横截面。
初生非织造纤维网主要包含或仅包含通过静电纺纱，例如通过传统的静电纺纱或电吹，在某些情况下通过熔喷法，而生成的纳米纤维。传统的静电纺纱是在美国专利4,127,706中所述的技术，该专利全文并入本文中，其中向聚合物溶液施加高电压以生成纳米纤维和非织造垫。然而，静电纺纱方法中的总生产能力太低，以致无法商业化生产较大基重的纤维网。
“电吹”法在世界专利公布WO 03/080905中有所公开，该专利全文以引用方式并入本文。将包含聚合物和溶剂的聚合物溶液流从储罐送至喷丝头内的一系列纺丝喷嘴，向喷丝头施加高电压并且聚合物溶液通过喷嘴排出。同时，任选地被加热的压缩空气由空气喷嘴排出，该空气喷嘴设置在纺丝喷嘴的侧面或周边。通常向下引导空气以形成吹气流，该吹气流包裹住新排出的聚合物溶液并将其向前递送，并且有助于形成纤维网，该纤维网被收集在真空室上方的接地多孔收集带上。电吹法允许在相对短的时段内形成商用尺寸和数量的纳米纤维网，该纳米纤维网的基重超过约1gsm，甚至高达约40gsm或更高。
可将基底或稀松布布置在收集器上以收集和混合在基底上纺成的纳米纤维网，使得可将组合的纤维网用作高性能过滤器、擦拭物等。基底的实例可包括多种非织造布，例如熔喷法非织造布、针刺法或射流喷网法非织造布、织造布、针织布、纸材等，对其使用并无限制，只要纳米纤维层可被添加到基底上。非织造布可包含纺粘纤维、干法成网或湿法成网纤维、纤维素纤维、熔喷纤维、玻璃纤维、或它们的共混物。
可使用下述电吹法条件来制造本发明的纤维网。
施加到喷丝头的电压优选地在约1至300kV的范围内，更优选在约10至100kV的范围内。能够以约0.01至200kg/cm2且优选约0.1至20kg/cm2的压力排出聚合物溶液。这使得聚合物溶液能够以批量生产的方式大量排出。本发明的方法能够以约0.1至5毫升/分钟/孔的排出速率排出聚合物溶液。
通过空气喷嘴被注入的压缩空气具有约10至10,000m/min，优选约100至3,000m/min的流量。空气温度优选地在约300℃且更优选约100℃的范围内。模具至收集器的距离(DCD)，即纺丝喷嘴的下端与吸入收集器之间的距离，优选为约1至200cm，并且更优选为约10至50cm。
对可用于形成本发明的纳米纤维网的聚合物材料没有具体限制，该聚合物材料包括加聚物和缩聚物材料，例如聚缩醛、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、纤维素醚和酯、聚硫化亚烃、聚亚芳基氧化物、聚砜、改性的聚砜聚合物、以及它们的混合物。这些种类中优选的材料包括交联和非交联形式的、不同水解程度(87％至99.5％)的聚(氯乙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸类树脂)、聚苯乙烯、和它们的共聚物(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。优选的加聚物趋于为玻璃状(玻璃化转变温度Tg大于室温)。聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚合物的组合物或合金或低结晶度的聚偏氟乙烯和聚乙烯醇材料便是如此。一类优选的聚酰胺缩聚物为尼龙材料，例如尼龙-6、尼龙-6，6、尼龙6，6-6，10等。当通过熔喷法形成本发明的聚合物纳米纤维网时，可使用能够熔喷成为纳米纤维的任何热塑性聚合物，包括聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯；聚酯，例如聚(对苯二甲酸乙二酯)；以及聚酰胺，例如上述尼龙聚合物。
可有利的是，向上述多种聚合物中加入本领域已知的增塑剂以降低纤维聚合物的Tg。适宜的增塑剂取决于将被静电纺纱或电吹的聚合物，并且取决于纳米纤维网具体的最终应用。例如，尼龙聚合物可用水或甚至用静电纺纱或电吹工艺中的残余溶剂来增塑。可用于降低聚合物Tg的本领域已知的其他增塑剂包括但不限于脂族二元醇类、芳族磺胺类、邻苯二甲酸酯类，所述邻苯二甲酸酯类包括但不限于选自下列的那些：邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二己酯、邻苯二甲酸二环己酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸双十一酯、邻苯二甲酸双十二酯、以及邻苯二甲酸二苯酯等。“Handbook of Plasticizers”(George Wypych编辑，2004Chemtec Publishing)中公开了可用于本发明的其他聚合物/增塑剂组合，该文献以引用方式并入本文。
在电吹法中，纺丝箱体下方的收集器真空的吸入压力以及烘干机工段的真空压力是非常重要的工艺参数，这些参数将控制纳米纤维的表面稳定性以及纳米纤维网层与稀松布之间的粘结强度。纺丝箱体下方的纳米纤维网层较粘并由纺丝试剂溶剂化。高吸入压力使得纳米纤维网可与稀松布层紧缩，并通过其与纺丝试剂的粘性来促进“纤维与纤维”之间的粘结。高吸入压力会增强纳米纤维网到稀松布的机械锚固。
本发明可以过滤介质、滤筒的形式使用，可以平板式或圆柱形装置的形式使用，以及可用于多种过滤方法应用中。此类应用包括过滤气流和液流；真空吸尘器；除尘；机动车和其他运输应用(既包括轮式车辆以也包括航空器设备中的过滤应用)；将这些材料用于Donaldson Company，Inc.的Powercore(Z型过滤介质)应用；燃气轮机发电站进气流的过滤；过滤军事、住宅、工业、和医疗环境的室内空气；半导体制造以及其中减少小颗粒对于健康、有效生产、清洁、安全、或其他重要目至关重要的其他应用；在军事应用中过滤空气流以除去当地环境中的生物危害或化学危害物质；用于封闭式通风设备的过滤，该通风设备用于例如航天飞机、航空器空气再循环、潜水艇、洁净室、和其他此类封闭式应用，以作为公务员或安全人员例如警察和消防员、军事人员、平民、医院人员、行业工人、以及需要从吸入的大气中高效除去小颗粒的其他人员所使用的呼吸装置中的高效过滤器。
在公开了过滤器结构和要求保护与过滤材料一起使用的结构的各个方面的专利中示出了各种过滤器设计。Engel等人的美国专利4,720,292公开了用于过滤器组合件的径向密封设计，该组合件具有通常为圆柱形的过滤元件设计，该过滤元件由相对柔软的、橡胶状的端帽来密封，该端帽具有圆柱形的、向心式表面。Kahlbaugh等人的美国专利5,082,476公开了一种过滤器设计，该设计使用包括泡沫基底与褶皱组件的深度介质的过滤器设计，所述褶皱组件结合了本发明的微纤维材料。Stifelman等人的美国专利5,104,537涉及可用于过滤液体介质的过滤器结构。液体被带入到过滤器外壳中，穿过过滤器的外部进入内部环形滤芯，然后在该结构中恢复到可用状态。此类过滤器可高度用于过滤液压流体。Engel等人的美国专利5,613,992展示了一种典型的柴油引擎进气过滤结构。该结构从壳体外部获得空气，该空气可含有或不含夹带的水分。空气穿过过滤器，而水分可到达外壳的底部并从外壳中排出。Gillingham等人的美国专利5,820,646公开了使用特定褶皱过滤器设计的Z型过滤器结构，该设计涉及带塞通道，这些通道要求流体流穿过“Z”型通道中的至少一层过滤介质以获得适当的过滤性能。成形为褶皱Z型格式的过滤介质可包含本发明的细旦纤维介质。Glen等人的美国专利5,853,442公开了一种袋室结构，该袋室结构具有可包括本发明的细旦纤维结构的过滤元件。Berkhoel等人的美国专利5,954,849示出了一种用于处理通常具有较高灰尘负荷的空气的集尘器结构，以过滤来自于在加工工件后在环境空气中产生高灰尘负荷的空气流的灰尘。最后，Gillingham的美国外观设计专利425,189公开了使用Z型过滤器设计的板式过滤器。
可通过本领域的技术人员已知的任何方法形成褶皱。例如，在美国专利3,531,920中描述了一种制备具有压印突出的褶皱过滤介质的方法。根据该方法，将过滤材料穿过辊到达压印机，该压印机包括两个以相反方向旋转的加热的滚筒。两个滚筒具有相啮合的突出和相应的凹陷，并且从两个滚筒间通过的过滤材料通过深冲被持久成形。成形工艺影响深冲区域中的过滤材料的结构，从而改变该区域中的原有的过滤性能，所述区域对过滤非常重要。
在已公布的欧洲专利申请0 429 805中所述的方法实现了对上述方法的改进。在该方法中，通过辊在运行方向的横向上聚集平坦的过滤介质，接着通过成形装置的冲模将细长突出压入到聚集的材料中。该聚集防止了压印的突出所需的其他材料在材料中引起张力，并防止结构在过滤介质的深冲区域发生变化。
已公布的德国专利申请196 30 522描述了在有槽压延辊之间刻划和粘结由拉伸的和未拉伸的合成纤维制成的成形织物。通过此方法，可由非织造织物制成过滤材料而不会改变非织造织物外观的均匀性。
有两种类型的打褶机：刀式和旋转式。刀式打褶机的操作涉及预加热纤维网，然后由上下运动的两把刀片生成褶皱。使用压力下的后加热的区域来稳定褶皱。加热的旋转式打褶机的操作涉及采用加热的旋转刀来刻划介质，然后在压力下折叠划痕线来形成褶皱。
测试方法
表面稳定性指数(SSI)是对纤维网的表面的纤维在受拉时挣脱的趋势的量度。通过下述技术测量纤维网的表面稳定性指数。将磁棒置于伸长仪(MTS QUESTTM 5)上的下安装点中。将大约10.2cm×15.2cm的钢板置于磁棒的顶部。在钢板上，稳固地贴上一片双面胶带，该胶带为约6.4cm宽和约7.6cm长。将一片至少5.1cm×5.1cm的待测试的材料轻柔而平稳地置于该双面胶带上。要小心，不要破坏待测试材料的表面；避免褶皱和折叠。
测试探针为钢质圆柱体，其具有1.59cm(0.625英寸)的末端直径(面积＝1.98cm2)。该探针的末端覆盖有一片相同的双面胶带，剪切胶带使其与探针贴合。将探针安装到伸长仪移动横杆上的50N测力传感器中。降低移动横杆，使得探针高于样本表面500μm至1000μm。该起点指定为零延伸。
让探针以0.127cm/min(0.050in/min)的连续速率向下(朝向样本)行进。探针继续向下，直到在样本和探针之间产生2.2N(0.5lbf)的法向力。探针保持在此位置10秒钟。随后，逆转探针方向并以0.254cm/min(0.10in/min)的连续速率背离样本行进。此运动一直继续，直到移动横杆到达其起点。
从数据中提取负荷与延伸关系图中测试的卸载部分靠近零负荷轴的斜率。斜率计算的起点指定为尽可能靠近零负荷轴，优选的是具有正的负荷值的点。沿着卸荷曲线的线性部分选择终点，此点与起点的距离应大于10μm(在延伸轴上)。测试软件自动地拟合介于起点和终点之间的数据的最小二乘线性趋势线，并且趋势线的斜率以lb/in或N/m为单位报告。将斜率的绝对值报告为表面稳定性指数(SSI)。
在给定样本的纳米纤维网侧面上进行五次该测量，但不重复使用样本(即测试为破坏性的)。每次测量后，更换两片胶带(位于样本板上和探针上)。取五个样本的平均值以得出样本的唯一表面稳定性值。
根据ASTM D-3776测定基重(BW)，该方法据此以引用方式并入，并以g/m2(gsm)为单位报告。
纤维直径按照如下方式测定。为各细旦纤维层样本采集十张放大5,000倍的扫描电镜(SEM)图像。从照片中测量十一(11)根清晰可辨的细旦纤维的直径并进行记录。不包括不合格品(即，细旦纤维的团、聚合物滴、细旦纤维的交叉)。计算各样本的平均纤维直径。
使用扫描电镜法测量厚度。厚度以微米为单位报告。
实施例
制备了下列实施例来阐述本发明。
实施例1
对于实施例1，通过如WO 03/080905中所述的电吹法纺织24％的聚酰胺-6，6的甲酸溶液。施加到喷丝头上的电压为85kV，并且聚合物溶液以2.0毫升/孔/分钟的生产率纺织，其中喷嘴中的孔以1cm的间距分开。将实施例1收集到70gsm的聚酯稀松布或基底层上，收集器真空度为80mm水柱，并且烘干机真空度为40mm水柱。生产线速度为14.5m/min，并制备了基重为4.2gsm的纤维网。纺丝室温为大约27℃，室内湿度为88％。将模具至收集器的距离设置为400mm。工艺的气体温度为38℃，各自的流量为4立方米/分钟/米喷嘴宽度。纤维具有0.3微米的纤维直径。进行了表面稳定性测试，所得的表面稳定性指数为14.3kN/m(81.5lbf/in)。
根据下述工序对纤维网打褶。使用刀式打褶机进行打褶试验，该机器由两把刀片以及用于在温度和压力下稳定褶皱的加热区域构成。褶皱深度设置为30mm，打褶速度为75褶皱/分钟。通过目测，根据褶皱的形态和均匀性、打褶后介质的完整性以及对介质的损坏程度来评定打褶性能。打褶性能是优异的并具有良好的褶皱清晰度和均匀性。未观察到分层、离层或损坏。
实施例2
在实施例2中，通过如WO 03/080905中所述的电吹法来纺织24％的聚酰胺-6，6的甲酸溶液。施加到喷丝头上的电压为85kV，并且聚合物溶液以1.0毫升/孔/分钟的生产率纺织，其中喷嘴中的孔以1cm的间距分开。将实施例2收集到70gsm的聚酯稀松布或基底层上，收集器真空度为80mm水柱，烘干机真空度为20mm水柱。生产线速度为25m/min，并制备了基重为1.2gsm的纤维网。纺丝的室温为大约27℃，室内湿度为80％。将模具至收集器的距离设置为420mm。工艺的气体温度为38℃，各自的流量为4立方米/分钟/米喷嘴宽度。纤维具有0.3微米的纤维直径。测得表面稳定性指数为7.97kN/m(45.5lbf/in)。
以与实施例1中相同的工序来对纤维网进行打褶。打褶性能勉强可以接受。
比较实施例A
在比较实施例A中，通过如WO 03/080905中所述的电吹法来纺织24％的聚酰胺-6，6的甲酸溶液。施加到喷丝头上的电压为85kV，并且聚合物溶液以1.0毫升/孔/分钟的生产率纺织，其中喷嘴中的孔以1cm的间距分开。将纤维收集到75gsm的聚酯稀松布或基底层上，收集器真空度为80mm水柱，烘干机真空度为20mm水柱。生产线速度为15m/min，并制备了基重为2gsm的纤维网。纺丝室温为大约31℃，室内湿度为50％。将模具至收集器的距离设置为400mm。工艺的气体温度为58℃，各自的流量为4立方米/分钟/米喷嘴宽度。纤维具有0.6微米的纤维直径。测得表面稳定性指数为4.25kN/m(24.3lbf/in)。
使用与实施例1中所述的相同的工序对纤维网进行打褶。打褶性能不可接受。纳米纤维网与稀松布发生了分层和分离，这导致了对纳米纤维网的损坏以及褶皱形成不佳。

Claims (3)

1.一种过滤介质，所述过滤介质包括纳米纤维层和基底层；所述纳米纤维层包含聚合物材料并具有约0.01至1.0微米的纤维直径、约0.5至30gsm的基重、以及至少约2微米的厚度，所述纳米纤维层还具有至少约5kN/m的表面稳定性指数，所述介质还是打褶的。
2.一种过滤器，所述过滤器包含权利要求1的过滤介质。
3.权利要求1的过滤介质，其中所述基底层包含非织造材料，所述非织造材料包括纺粘纤维、干法成网或湿法成网纤维、纤维素纤维、熔喷纤维、玻璃纤维、或它们的共混物。
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