CN101653676A

CN101653676A - 纳米纤维过滤材料及其形成方法

Info

Publication number: CN101653676A
Application number: CN200810210871A
Authority: CN
Inventors: 萧弘毅; 詹琼莹; 林嘉君; 郑淑蕙
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-02-24

Abstract

本发明涉及由聚合物溶液以静电纺丝法所制造含有两种以上不同纤维直径分布的纳米纤维棉网。上述两种以上不同纤维直径纳米纤维在放电纺丝过程彼此交错互织形成纳米纤维棉网层，为本发明的纳米纤维过滤材料，该过滤材料兼具高效率及低压损的特征。

Description

纳米纤维过滤材料及其形成方法

技术领域

本发明有关于一种过滤空气中微粒的纳米纤维过滤材料，更特别是有关于该材料的结构及形成方法。

背景技术

高效率空气过滤材料(High efficiency particulate air，简称HEPA)是一种以260nm微粒在5.3cm/sec流速下测试，其过滤效率在99.97％以上、压损为32mmH₂O以下；若在14cm/sec流速下测试其过滤效率则为94％以上、压损则为94mmH₂O以下的过滤材料。这种过滤材料可应用在半导体工艺的无尘室或生物无菌室(bio-clean room)的空气过滤。在上述环境必需使用稳定的HEPA滤网，以避免空气中微粒损坏无尘室的产品或减少无菌室所含的物质。

目前市售的HEPA滤材组成主要有玻璃纤维或聚丙烯熔喷不织布，最常见的是玻璃纤维不织布滤材，在折叠加工时较易碎裂；聚丙烯熔喷不织布经静电处理后，因材质较软机械强度不高需与其它基材进行折叠加工，这些滤材都具有一定程度的限制，若要达成一定程度的过滤效果(以260nm微粒在5.3cm/sec流速下测试，过滤效率需在99.97％以上、压损为32mmH2O以下)，其单位面积的重量都会大于70g/m²，且往往有很高的压损值。

综上所述，目前仍需新的滤网材料及结构以克服上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种纳米纤维过滤材料及其形成方法，实现高效率低压损的过滤效果。

为了实现上述目的，本发明提出一种纳米纤维过滤材料，包括基材；以及纳米纤维层，包括第一纳米纤维，具有第一纤维直径分布，以及第二纳米纤维，具有第二纤维直径分布；其中第一及第二纳米纤维的聚合物组成相同或相异，且第一纤维直径分布与第二纤维直径分布不同。

为了实现上述目的，本发明也提出一种纳米纤维过滤材料的形成方法，包括提供基材；以及以静电纺丝法将两种以上聚合物溶液喷出，形成两种以上不同纤维直径分布的纳米纤维；其中纳米纤维彼此均匀混合交错形成纳米纤维层在基材上。

附图说明

图1是本发明一实施例中，利用静电纺丝法形成纳米纤维过滤材料的示意图。

【主要组件符号说明】

A、B～高分子溶液； 10～纳米纤维层；

11～容器； 12～输送带；

13～气体入口； 14～纺丝喷嘴；

15～高压电； 16～气体喷嘴；

17～喷丝头； 18～基材。

具体实施方式

本发明提供一种由聚合物溶液放电纺丝纳米纤维所组成的过滤材料，包括基材层；以及纳米纤维层，这种纳米纤维层是由多种纤维直径分布所组成。本发明也提供一种纳米纤维过滤材料的制造方法，包括以聚合物溶液的静电纺丝法在电场环境下制造两种以上纤维直径分布的纳米纤维并沉积在基材上，所形成纳米纤维棉网是由多种不同纤维直径分布纤维彼此交错所组成的过滤材料结构。

如图1所示，本发明将聚合物溶液在电场环境下形成纳米纤维。首先，将适用的聚合物溶于适当溶剂中并配成不同浓度的溶液。较佳聚合物包含驻极体材料如聚丙烯(PP)、聚碳酸酯(PC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、或茂金属环烯烃共聚物(mCOC)。上述的高分子溶液的浓度约介于3％重量至30％重量之间，太稀无法形成纳米纤维且纤维容易有珠点，太高浓度造成纳米纤维直径太粗，过滤效率较低，不符本发明的过滤材料要求。把配制好的聚合物溶液置入容器11。为了附图简洁，在图1中只列出能用放电纺丝法产制有两种纤维直径分布的聚合物溶液A及B。但可以理解的是，本领域的技术人员自可依其需要调整聚合物溶液种类或浓度至三种、四种、甚至十种以上，并不限于附图的两种。

接着将上述聚合物溶液经连接高电压15的喷丝头17使聚合物溶液在电场环境下使聚合物溶液在静电吸引下形成纳米纤维。高电压15约介于10kV至45kV之间。喷丝头17有气体喷嘴16，用以辅助及加速携出由纺丝喷嘴14内喷出的聚合物溶液。聚合物溶液自纺丝喷嘴14喷出后，其溶剂挥发并分散成多束纳米纤维，形成纳米纤维层10在基材18上。输送带12卷动的速度越快，则纳米纤维层10的厚度越薄。若需要较厚的纳米纤维层10，则需减慢输送带12的速度。至此，则完成本发明所述的纳米纤维过滤材料。在上述工艺后，可视情况需要增加电晕处理纳米纤维层10，使纳米纤维驻极静电，可增加粉尘微粒的静电捕集效率。若纳米纤维为驻极体材料，其静电性质在干燥环境下曝落仍可维持有效带静电长达一个月以上。若纳米纤维层具有带静电，将可提高其吸附空气中微粒的能力。

值得注意的是，虽然本发明的纳米纤维材质并不限于某一特定高分子聚合物，聚合物溶液A及B分别形成不同纤维直径分布的纳米纤维。当聚合物溶液的浓度越浓，则形成的纳米纤维越粗，反之则越细。较粗的纳米纤维在气流通过时，可以减少压损。但较粗的纳米纤维则无法有效捕捉空气中的微粒。另一方面，较细的纳米纤维则可有效补捉空气中的微粒，但会提高气流通过时的压损。本发明的纳米纤维过滤材料中，纳米纤维层具有两种以上不同直径分布的纳米纤维。因此，在有效捕捉空气微粒的同时，不会牺牲压损。在本发明的一实施例中，纳米纤维的直径分布是介于30至300nm之间。在本发明一实施例中，两种纳米纤维的直径分布分别介于50-100nm之间及140-300nm之间。在本发明另一实施例中，还包括第三种纳米纤维，其直径分布介于85-140nm之间。上述不同直径的纳米纤维彼此交织而成的纳米纤维层的厚度小于20μm，较佳介于10至20μm之间。纳米纤维过滤材料对260nm微粒在5.3cm/sec的流速下测量，其过滤效率大于99％且压损小于5mm水柱。上述纳米纤维层克重小于10g/m²，较佳纳米纤维层克重为小于5g/m²。

纳米纤维过滤材料的过滤效率及压损，是以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速5.3cm/s下或14cm/s下测得，并以公式QF＝-ln(穿透率)/压损，计算其品质因数QF(quality factor)过滤性质。QF一般用于评估不同过滤材料的过滤性能，即在相同测试气体流速下，QF值愈大，则过滤性能愈佳。

最后，适用于本发明的纳米纤维过滤材料的基材18可为棉网、泡棉、纸、薄片或不织布，且基材18与纳米纤维层10之间需有足够的附着力及支撑力，以避免在加工、包装、运输、使用等过程中分层脱落。

为使本领域的技术人员更清楚本发明的特征，特举例于下述的实施例。

实施例1

在本实施例中，聚合物溶液为将聚碳酸酯溶于四氢呋喃与二甲基乙胺的混合溶剂中，浓度分别为12％及15％(以重量计，下同)二种。聚合物溶液12％及15％是分别在电场环境下以静电纺丝均匀交错方式交织形成具有两种纳米纤维直径分布且均匀混合形成纳米纤维层棉网并沉积在克重为15g/m²的熔喷不织布棉网基材上。喷丝头与收集棉网基材的距离为20cm，施加电压为40kV及25μL/分钟/孔的出液速度，并在喷丝头处同时有气体辅助拉伸纤维，聚合物溶液12％及15％两种浓度分别以均匀交错方式在上述电场环境下交织形成具有两种纳米纤维直径分布且均匀混合形成纳米纤维层棉网，其纳米纤维层克重经测得为1.22g/m²、厚度为10μm并沉积在熔喷不织布棉网基材上，所均匀混合形成的纳米纤维的平均纤维直径为118nm±20nm。以聚合物溶液12％及15％两种浓度均匀交错方式混合交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/sec下测得其过滤性质，如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

实施例2

在本实施例中，聚合物溶液为聚碳酸酯溶于四氢呋喃与二甲基乙胺的混合溶剂中，浓度分别为12％，13.5％，及15％三种。与实施例1相同的静电纺丝条件下及基材，形成纳米纤维棉网，所不同为使用高分子溶液分别为12％，13.5％，及15％三种浓度以均匀交错方式交织形成具有三种纳米纤维直径分布且均匀混合形成的纳米纤维层棉网，其纳米纤维层克重经测得为1.36g/m²、厚度为11μm，所均匀混合形成的纳米纤维棉网的平均纤维直径为150nm±30nm。以高分子溶液分别为12％，13.5％，及15％三种浓度所均匀交错方式交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/s下测得其过滤性质如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

实施例3

在本实施例中，与实施例2相同的静电纺丝条件下，形成复合纳米纤维棉网，所不同为将该经电晕处理的单层复合纳米纤维棉网相互叠合成双层复合纳米纤维棉网，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速5.3cm/sec下测得其过滤性质如表3所示。

实施例4

在本实施例中，聚合物溶液为聚碳酸酯溶于氯仿的溶剂中，浓度分别为8％，10％，及12％三种。与实施例1相同的静电纺丝条件下及基材，形成纳米纤维棉网，所不同为使用高分子溶液分别为8％，10％，及12％三种浓度以均匀交错方式交织形成具有三种纳米纤维直径分布且均匀混合形成的纳米纤维层棉网，其纳米纤维层克重经测得为1.23g/m²、厚度为10μm，所均匀混合形成的纳米纤维棉网的平均纤维直径为210nm±50nm。以高分子溶液分别为8％，10％，及12％三种浓度所均匀交错方式交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/s下测得其过滤性质如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

实施例5

在本实施例中，聚合物溶液为聚碳酸酯溶于四氢呋喃与二甲基乙胺的混合溶剂中，浓度分别为12％，13.5％。及聚合物溶液为为聚偏氟乙烯溶于二甲基乙胺，浓度分别为23％。上述三种高分子溶液与实施例1相同的静电纺丝条件下及基材，形成纳米纤维棉网，所不同为使用高分子溶液分别为12％，13.5％，及23％三种浓度以均匀交错方式交织形成具有三种纳米纤维直径分布且均匀混合形成的纳米纤维层棉网，其纳米纤维层克重经测得为1.22g/m²、厚度为11μm，所均匀混合形成的纳米纤维棉网的平均纤维直径为135nm±15nm。以高分子溶液分别为12％，13.5％，及23％三种浓度所均匀交错方式交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/s下测得其过滤性质如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

实施例6

在本实施例中，聚合物溶液为聚偏氟乙烯溶于二甲基乙胺，浓度分别为15％，19％，及23％三种。与实施例1相同的静电纺丝条件下及基材，形成纳米纤维棉网，所不同为使用高分子溶液分别为15％，19％，及23％三种浓度以均匀交错方式交织形成具有三种纳米纤维直径分布且均匀混合形成的纳米纤维层棉网，其纳米纤维层克重经测得为1.32g/m²、厚度为11μm，所均匀混合形成的纳米纤维棉网的平均纤维直径为110nm±10nm。以高分子溶液分别为15％，19％，及23％三种浓度所均匀交错方式交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/s下测得其过滤性质如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

比较实施例1

在本实施例中，聚碳酸酯高分子溶液是溶于四氢呋喃与二甲基乙胺的混合溶剂中，浓度为12％。在电场环境下以静电纺丝形成纳米纤维层并沉积在不织布棉网基材上。喷丝头与收集棉网基材的距离为20cm，施加电压为40kV及25μL/分钟/孔的出液速度，并在喷丝头处同时有气体辅助拉伸纤维，其纳米纤维层克重经测得为1.12g/m2、厚度为9μm，所形成的纳米纤维的平均纤维直径为84nm±15nm。上述单一直径分布的纳米纤维交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/sec下测得其过滤性质如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

比较实施例2

在本实施例中，高分子溶液为聚碳酸酯溶于四氢呋喃与二甲基乙胺的混合溶剂中，浓度为13.5％。经静电纺丝形成纳米纤维棉网，其纳米纤维层克重经测得为1.28g/m²、厚度为10μm，与比较实施例1的静电纺丝条件下形成的纳米纤维的平均纤维直径为102nm±15nm。上述单一直径分布的纳米纤维交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/sec下测得其过滤性质如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

比较实施例3

在本实施例中，高分子溶液为聚碳酸酯溶于四氢呋喃与二甲基乙胺的混合溶剂中，浓度为15％。经静电纺丝形成纳米纤维棉网，其纳米纤维层克重经测得为1.56g/m²、厚度为12μm，与比较实施例1的静电纺丝条件下形成的纳米纤维的平均纤维直径为165nm±15nm。上述单一直径分布的纳米纤维交织形成的纳米纤维层，以260nm微粒利用TSI 8130在气体流速14cm/sec下测得其过滤性质如表1所示，将上述纳米纤维层再经电晕处理并测得其过滤性质如表2所示。

表1

表2

表3

由表1及表2的比较可知，本发明应用两种以上直径分布且均匀混合形成的纳米纤维层所组成的纳米纤维过滤材料兼具低压损及高过滤效率的优点。由表3可知，本发明应用两种以上直径分布且均匀混合形成的纳米纤维层所组成的纳米纤维过滤材料，经双层叠合而成的复合纳米纤维过滤材料，以260nm微粒在气体流速5.3cm/s下测得的过滤性质比现有HEPA玻璃纤维滤材更轻、低压损及高过滤效率的优点。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1、一种纳米纤维过滤材料，其特征在于，包括：

一基材；以及

一纳米纤维层，包括：

一第一纳米纤维，具有一第一纤维直径分布；以及

一第二纳米纤维，具有一第二纤维直径分布；

其中该第一及第二纳米纤维的聚合物组成相同或相异，且该第一纤维直径分布与第二纤维直径分布不同。

2、根据权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于，该第一纤维直径分布介于50-100nm之间，第二纤维直径分布介于140-300nm之间。

3、根据权利要求1所述的米纤维过滤材料，其特征在于，该第一与第二纳米纤维包括聚丙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、或茂金属环烯烃共聚物。

4、根据权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于，该纳米纤维层的厚度小于20μm。

5、根据权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于，其纳米纤维层克重低于10g/m²。

6、根据权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于，对一260nm微粒在5.3cm/sec下的过滤效率大于99％。

7.根据权利要求1所述的米纤维过滤材料，其特征在于，其对一260nm微粒在5.3cm/sec下的过滤压损小于5mm水柱。

8、根据权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于，该基材包括棉网、泡棉、纸、薄片或不织布。

9、根据权利要求1所述的纳米纤维过滤材料，其特征在于，该纳米纤维层还包括一第三纳米纤维，具有一第三纤维直径分布介于85-140nm之间。

10、一种纳米纤维过滤材料的形成方法，其特征在于，包括：

提供一基材；以及

以静电纺丝法将两种以上聚合物溶液喷出，形成两种以上不同纤维直径分布的纳米纤维；

其中所述纳米纤维彼此均匀混合交错形成一纳米纤维层在该基材上。

11、根据权利要求10所述的纳米纤维过滤材料的形成方法，其特征在于，该基材包括棉网、泡棉、纸、薄片或无纺布。

12、根据权利要求10所述的纳米纤维过滤材料的形成方法，其特征在于，所述聚合物溶液的溶剂包括氯仿或四氢呋喃与二甲基乙胺或其混合溶剂。

13、根据权利要求10所述的纳米纤维过滤材料的形成方法，其特征在于，所述聚合物溶液的溶质包括聚丙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、或茂金属环烯烃共聚物。

14、根据权利要求10所述的纳米纤维过滤材料的形成方法，其特征在于，所述聚合物溶液的浓度介于5％重量至30％重量之间。

15、根据权利要求10所述的纳米纤维过滤材料的形成方法，其特征在于，所述纳米纤维的纤维直径分布介于30-300nm之间。

16、根据权利要求10所述的纳米纤维过滤材料的形成方法，其特征在于，还包括一电晕处理使该纳米纤维过滤材料具有带静电。