CN101678252A - 前置的过滤装置及方法 - Google Patents

Abstract

过滤介质包含用于捕获或中和有害物质的介质。制造用于捕获有害物质的低压、高效过滤介质的方法得到具有设计小孔的过滤介质，所述的设计小孔具有设计的孔径分布，所述的过滤介质可以是单分散性的和均匀安置的。可以将中和组分涂布在过滤介质上，同时提供提高的捕获效率和对至少一种有害物质的中和，所述的有害物质如有害的病原体、气溶胶、微料、VOC、气体和蒸汽。

Description

前置的过滤装置及方法

相关申请

本申请要求下列申请的权益：于2004年2月5日提交的David S.Soane和Christopher D.Tagge的名称为“Advanced Filtration Devices and Methods”的美国临时专利申请60/542,409和于2003年4月28日提交的David S.Soane的名称为“Rapid Production of Sheet Filter Medias By Direct Castingand Imprinting”的美国临时专利申请60/466,160，该申请以其全文形式通过引用结合在此。

技术领域

本发明的领域是过滤，特别是关于中和或纠正有害粒子、气溶胶、蒸汽和气体的过滤。

背景技术

有害物质如毒素和病原体，存在于空气中，其过高的浓度可以导致疾病。对于这些有害物质存在许多的来源，这些有害物质可以被长距离携带，或可以被限制在室内环境中。室内空气污染是一个严重的关注所在。例如，毒性霉菌已经成为房屋所有者和商业的关注所在。此外，近来的事件使得使用病原体和毒素作为恐怖武器的可能性受到严重关注。术语有害物质有意要包括天然物质，如灰尘、霉菌毒素和花粉，人造物质，如烟尘和挥发性有机物质，和恐怖武器，如VX、沙林、蓖麻毒蛋白和炭疽。四种有害物质的化学式示于图1A-1D中。

一些有毒化学品是高度反应性的极性化合物。例如，四类已知的化学武器包括：窒息毒剂、发疱毒剂、血液毒剂和神经毒剂。诸如氯和光气的窒息毒剂攻击肺。诸如芥子气(HD)的发疱毒剂是挥发性液体，当在皮肤上、眼睛中或肺中吸收时使有机组织发疱。诸如氰化氢(HCN)的血液毒剂通过肺吸收到血液中，或者在水载HCN的情况下通过肠进入血液中，在血液中它不可逆转地与血红蛋白结合，并且阻止氧的摄取。神经毒剂，如沙林(GB)、索曼(GD)和VX，当吸入或者通过皮肤或肺吸附时是特别有效和致命的。氯、光气和氰化氢是气体。GB、GD、VX和HD是半挥发性液体，它们通常被分散成气溶胶或气体和气溶胶的组合。

已经研究了表面接触毒性物质后的去污染问题。主要的去污染策略是吸附(随后焚烧)和通过化学反应的中和。虽然这些有毒化学品的结构和功能变化很大(图1A-1D)，但全部是高度反应性物质，其可以由试剂的恰当组合而被迅速中和。例如，有毒化学品可以与氧化剂、碱性溶液或两者迅速反应。神经毒剂在强氧化剂的存在下被快速氧化为磷酸。HD也可以被氧化，尽管必须小心以避免部分氧化成基本上更低毒性、但仍然危险的砜衍生物。氰化氢、氯、光气、HD、沙林、索曼和VX都受到碱性溶液的快速攻击，生成相对良性的产物。

挥发性有机化合物(VOC)在整个住宅和商业建筑中流行，并且已经发现导致居住者严重的健康后果。虽然各国和国际健康相关的机构有不同的分类，但是广泛地认为VOC是气态的或在室温下具有显著蒸汽压的化合物。例如，产品如碎料板、胶合板、织物、涂料和绝缘材料释放大量的气态甲醛，一种常见的VOC。在家和工作场所中的甲醛的峰值浓度典型地为0.04-0.4ppm。与超过0.06ppm的浓度经常接触可能导致严重的健康后果，包括粘膜刺激、皮疹、严重的变态反应、疲劳、头痛、恶心、抑郁，和慢性、长时间接触而导致的喉癌显著增加的危险。其它通常在家中从产品中释放的VOC是苯、甲苯、苯乙烯、丙酮、对-二氯苯、氯仿、四氯乙烯、丙烯酸酯以及脂肪族酮和醇。此外，建筑居住者经常接触低浓度的其它有毒气体，包括挥发性硫复合物和氨气。大多数VOC可以由氧化剂、碱性溶液或两者而被中和。

在建筑、车辆和个人保护设备中的空气处理系统的空气过滤系统是为了提高人们呼吸的空气的安全性和/或质量。但是，这样的过滤系统，与在加热、通风和空气调节(HVAC)系统中使用的那些一样，不能防止有害浓度的微生物、粒子、蒸汽和气体分散在整个结构中。参见用于比较一些常见有害物质的尺寸的表1。在车辆中的空气过滤系统不能将普通的车辆排放废气降低至安全水平，更不用说在汽车附近有害物质的任何意想不到的释放。即使是为防止与有害物质接触而设计的个人保护设备，在要求置换过滤元件以保证持续的保护之前，也对于允许的接触持续时间有严格的限制。

在一个实例中，仅仅来自自然和人造来源的甲醛的浓度可以超过能够对人类健康造成伤害的水平。很少的HVAC系统能够中和这样的物质。事实上，HVAC系统更容易将释放的毒素有意地扩散至整个建筑物中，而不是为居住者提供任何保护。

高效微粒空气(HEPA)过滤器可以有效捕获空气传播的病原体和粒子。如果使用，这些过滤器可以对一些有害物质如炭疽提供一些受限的、被动的防护。

HEPA过滤器对于许多其它的有害物质是无效的，其它有害物质包括：大多数挥发性有机化合物(VOC)和蒸汽、气溶胶或气体形式的其它有害物质。而且，HEPA过滤器对于捕获粒子是高度有效的，但是与HEPA过滤器相伴的是高操作费用，这与气流通过HEPA过滤器的大阻力相关。对气流的阻力可以由压降来测量，该阻力要求更多的能量用来使空气通过过滤器循环，这增加了操作费用。此外，HEPA过滤器上的压降产生高的反压，这可以导致HVAC导管的泄漏，从而急剧地降低系统的总捕获效率。

已知粒状活性炭过滤器，如在传统的防毒面具中使用的那些，提供对有害气体的短期防护。活性炭过滤器受到某些的限制，阻碍它们在HVAC应用中的普遍采用，并且减少在它们在个人保护应用如防护面罩中的过滤器中的有效性。具体而言，在活性炭中的气体吸附机理是可逆的。因而，吸附的气体可以由于空气的温度、湿度或化学组成的变化而释放出来。例如，与粒状活性炭具有更高亲合力的第二种气体的存在可以导致先前吸附的气体的释放。此外，活性炭是非极性的，对于极性气体显示相对差的吸附。这些限制表明：为了提供合理的过滤器使用期限，相对高密度的活性炭是必须的。如在涉及HEPA过滤器所讨论的，该高密度导致通过过滤器的大压降，这对于过滤器系统不是所希望的。最后，松散地保持在滤床中的粒状活性炭容易形成开放的通道，这显著地降低了过滤器的功效。例如，美国专利6,435,184，通过引用而结合在此，公开了一种传统防护面罩的结构。

1962年授权的美国专利3,017,329公开了一种使用传统无纺过滤介质的杀菌和杀真菌过滤器。该过滤介质由传统方法涂敷，例如使用活性成分喷淋或浸浴过滤介质。该活性成分选自有机银化合物或有机锡化合物，它们具有中性pH，但对于哺乳动物具有高毒性。然后，加热处理过的过滤器以除去在涂敷过程中用作溶剂的水，并且固化粘合剂，以将活性成分固定于过滤介质。

美国专利3,116,969描述了一种含有烷基芳基季铵氯化物防腐化合物的过滤器，该化合物由粘性组合物保持在传统的过滤纤维上，所述的粘性组合物包括吸湿剂、增稠剂和成膜剂。

美国专利3,820,308描述了一种含有湿油质涂层的无菌过滤器，所述的湿油质涂层含有作为杀菌剂的季铵盐。

M.Dever等，Tappi Journal 1997，80(3)，157，公开了对结合在熔喷聚丙烯过滤介质纤维中的抗菌剂的抗菌功效的研究结果。将三个不同的、未经确认的试剂每一种与聚丙烯共混，然后将其传统熔喷，以形成过滤介质。在加工后，只有两种试剂可由FTIR检测，并且这两种试剂提供抗菌性能。但是，所述的试剂对聚丙烯的物理性能产生负面影响，从而与未共混的聚丙烯相比，使过滤介质的纤维变厚，并且降低了收集效率。

K.K.Foard和J.T.Hanley，ASHRAE Trans.，2001，v.107，p.156公开了使用由三种未经确认的抗菌剂中的一种处理的过滤器进行现场试验的结果。已知的抗菌过滤器处理在试验条件下产生很少的作用，从而表明在未处理和处理过的对应物上的生长是相似的。

A.Kanazawa等，J.Applied Polymer Sci.，1994，v.54，p.1305公开了一种使用共价地固定在纤维素基材上的抗菌氯化鏻部分的抗菌过滤介质。含有更长烷基链的鏻盐倾向于具有更高的捕获细菌的能力。

M.Okamoto，Proceedings of the Institute of Environmental Sciences andTechnology，1998，p.122公开了银沸石作为空气处理过滤器中的抗菌剂的应用。银沸石由粘合剂粘附在过滤器的一侧上。

美国专利公开2001/0045398公开了一种制备无纺多孔材料的方法，该多孔材料在其空隙中固定有粒子。粒子加入方法包括：将材料与粒子的悬浮液接触并且强迫悬浮液通过该材料，捕获在多孔材料的间隙中夹带的粒子，并且提供抗菌屏蔽。

国际公开WO 00/64264的英文摘要公开了一种用于过滤器的杀菌有机聚合材料，该材料是由包含骨架和与骨架结合的聚合侧链基团的聚合物基体制成的。该材料包含衍生自固定在聚合材料上的N-烷基-N-乙烯基烷基酰胺和三碘化物离子的单元。

国际公开WO 02/058812公开了一种含有抗菌剂的延时释放微胶囊的过滤介质。微胶囊含有悬浮在粘滞性溶剂中的试剂，该试剂慢慢从微胶囊的多孔外壳扩散出来。可以使用阿拉伯胶作为粘合剂而将微胶囊保持在传统的过滤介质中。

除去空气传播病原体的其它方法包括：使空气渗滤过液体、静电沉积(例如，美国专利5,993,738)，紫外光(例如，美国专利5,523,075)，但是这些方法的每一种都使用明显超过大体积HVAC应用可以接受的能量。

上面的所有实例都具有阻碍它们在空气过滤系统中广泛采用的缺点，如产生危险废物处理问题，高的操作费用和过滤系统的高的制造和维护费用。因而，急切地需要对于低成本和有效过滤器的保护能力的实质改善。对于捕获和中和有害粒子、病原体、气溶胶、蒸汽和气体，特别需要能量消耗低。

如在半导体器件制造领域中所已知的，使用光刻方法，如在美国专利5,110,697中所公开的方法，该专利通过引用而结合在此，可以产生亚微米图案。通过使用光刻和其它传统技术，如彩色印刷和压花片材(embossedsheet)印刷的众所周知的、传统的方法，很容易获得1-50微米的图案。在彩色印刷中，用于对准多层的精确位置的方法是众所周知的。同样，压花片材的形成是已知的，其在加工熔融粘滞液体或软化固体时提供耐久压花辊表面。例如，在形成压花片材时，聚合物熔体被挤压通过一套具有嵌入表面特征的压延辊的狭窄缝隙，该缝隙称作咬入区。这些不涉及传统过滤介质制造的方法，在这里称作传统基材印刷。

发明概述

过滤器包括用于捕获和中和有害物质的介质。在粒子进入过滤介质之前，可以使用低压、高效预过滤器用来捕获所述的粒子。前置的过滤介质包含过滤组件和中和组分。中和组分是以薄膜形式涂敷于基材上的粘滞性有机组分和反应性组分的膜，从而低压降、高通过性地纠正有害物质。

在一个实施方案中，中和组分由支撑中和组分的过滤组件如纤维支撑。所述纤维分布在过滤器中，使得通过过滤器的空气必须通过环绕纤维的曲折通道。因而，空气中夹带的有害物质与中和一种或多种有害物质的中和组分接触。

附图简述

图1A-1D所示为几种有毒物质的化学式。

图2用图说明了本发明含有用纠正层涂敷的纤维的一个实施方案。

图3所示为用于纠正多种有毒或有害物质的广谱过滤器的一个实施方案。

图4所示为没有纠正层的过滤纤维。

图5用图说明了在适宜于霉菌生长的温度和湿度的温育器中放置后的由纠正层涂敷的纤维，所述纤维喷淋有含有霉菌孢子的溶液。

图6所示为进行了与图5类似的涂敷和温育的图4的纤维，与图5所示的实施方案相比，图4的纤维表现出实质性的霉菌生长。

图7所示为根据现有技术的过滤器的实际纤维。

图8用图说明了一种过滤器，其包含粗预过滤器、涂敷粗预过滤器的中和组分和片式过滤介质。

图9用图说明了纤维包装的概念，纤维包装是指在纤维的表面上安置一层或多层功能聚合物层，从而提供纠正层。

图10用图说明了片式过滤介质的一个实施方案。

图11所示为制备片式过滤介质的方法。

发明详述

在一个实施方案中，过滤器包含过滤组件以及中和组分。过滤组件可以包含几种不同的过滤介质或者可以是连续的。无论如何，中和组分可以单一的活性试剂，或活性试剂的组合，或者可以是在过滤组件的单独区域中成条纹的多种活性试剂。

例如，如图2所示，中和组分由过滤组件支撑，所述的过滤组件作为中和组分的基材。如图7所示，传统的过滤介质使用随机缠绕的和/或缠结的纤维，使通过过滤器的空气通过纤维之间的曲折气道。将纤维分布在过滤器中，使得通过过滤器的空气必须通过纤维周围的曲折通道。因此，在空气中夹带的有害物质与中和一种或多种有害物质的中和组分接触。

在一个实例中，用于中和有害物质的过滤器包含：涂敷有纠正层的传统的、非反应性的过滤介质，如聚合物纤维。纠正层包含：容纳一种或多种中和物质的主材，所述的中和物质如酸性、碱性或氧化物质。主材可以具有粘性表面，以粘住撞击在粘性表面上的夹带粒子，从而提高粒子捕获效率，并且提供用于中和粒子如病原体的额外时间。

据发现：在纠正层中用粘滞有机组分薄层涂敷纤维过滤器，能吸附有机气体和气溶胶。高处理量的过滤介质配备有适宜于有效捕获和中和有毒和有害物质如病原体、VOC和其它化学品的反应性涂层。反应性涂层包含用于中和有害或有害物质的反应性组分和提供反应性组分与过滤介质之间粘合力的涂层基质。

反应性组分的实例是：氧化剂，如次氯酸钠、次氯酸钙和高锰酸钾；酸性复合物，如丙烯酸衍生物和磺酸衍生物；和碱性复合物，如烷醇钠、叔胺和吡啶，以及它们的相容混合物。

基质组分典型地为聚合材料，如聚(乙烯吡咯烷酮)、聚(乙烯基吡啶)、聚(丙烯酸)(游离酸或盐)、聚(苯乙烯磺酸)(游离酸或盐)、聚(乙二醇)、聚(乙烯醇)、聚硅氧烷、聚丙烯酸酯衍生物、羧甲基纤维素、或它们的混合物和共聚物。在某些情况下，如聚(苯乙烯磺酸)的情况下，基质组分还可以作为反应性组分。基质组分也可以由非挥发性的、低分子量复合物如甘油和乙二醇低聚体组成，以提升与目标有毒或有害物质的亲合力。

可以将聚合物组分交联，以防止在极端条件下反应性涂层从过滤纤维中除去。可以将反应性涂层技术应用于任何纤维状过滤介质，包括玻璃和合成聚合物纤维，如聚酯和纤维素衍生物。

这些高度有效的过滤器的一种优势在于：对一种或多种有毒或有害物质纠正的高可能性。这是过滤器结构的功能，该结构优选导致有毒或有害物质与过滤介质的大量碰撞，并且导致与过滤介质每次碰撞将导致吸附或中和的可能性。没有单套的条件可以普遍地应用于所有的物质。因此，例如，如图3所示，对于多相过滤、多重环境而言，广谱过滤器可以是所希望的。

中和组分的下列实例每个都提供如报道的对特定有害物质的保护；但是，也可以中和未试验的其它有害物质。

实施例1

氧化凝胶涂层的形成

由下列制备水溶液：20重量％的四乙氧基硅烷、20重量％的双(三乙氧基甲硅烷基)甲烷、10重量％甘油和0.05重量％柠檬酸。将纤维玻璃垫浸渍在上面所述的溶液中，吸干，然后通过蒸汽加热而固化6小时。然后将该垫浸渍在2％次氯酸钠和0.5％氰尿酸的水溶液中，然后干燥。得到的过滤器对于中和二乙基硫醚是有效的。

实施例2

氧化涂层的形成

由10重量％的聚(乙烯吡咯烷酮)制备水溶液。将纤维玻璃垫浸渍在上面所述的溶液中，吸干，然后在UV灯下辐照6小时以交联所述的聚合物。然后将该垫浸渍在2％次氯酸钙的水溶液中，然后风干。得到的过滤器对于中和甲醛是有效的。

实施例3

氧化涂层的形成

由10重量％的聚(乙烯吡咯烷酮)和2重量％的高锰酸钾制备水溶液。将纤维玻璃垫浸渍在上面所述的溶液中，然后风干。得到的过滤器对于中和甲醛是有效的。

实施例4

氧化涂层的形成

由10重量％的聚(乙烯吡咯烷酮)制备水溶液。将纤维玻璃垫浸渍在上面所述的溶液中，吸干，然后在UV灯下辐照6小时以交联所述的聚合物。然后将该垫浸渍在2％高锰酸钾的水溶液中，然后风干。得到的过滤器对于中和甲醛是有效的。

实施例5

氧化涂层的形成

由10重量％的聚(乙二醇)和2重量％的次氯酸钙制备水溶液。将纤维玻璃垫浸渍在上面所述的溶液中，然后风干。得到的过滤器对于中和甲醛是有效的。

实施例6

氧化涂层的形成

由10重量％的聚(丙烯酸)钠盐和2重量％的次氯酸钙制备水溶液。将纤维玻璃垫浸渍在上面所述的溶液中，然后风干。得到的过滤器对于中和甲醛是有效的。

实施例7

碱性涂层的形成

制备含有30重量％甘油、5重量％聚乙撑亚胺和0.25重量％丙氧基化甘油三缩水甘油基醚(glycerol propoxylate triglycidyl ether)的水溶液。将玻璃垫浸渍在所述的溶液中，吸干，然后在100C下固化6小时。然后将该玻璃垫浸渍在含30重量％甘油的pH 12或以上的氢氧化钠水溶液中，从该溶液中取出，吸干，然后在50C干燥2小时。得到的过滤器对于中和氰化氢气体是有效的。

实施例8

酸性涂层的形成

制备包含下列的水溶液：30重量％甘油、5重量％苯乙烯磺酸、0.1重量％二乙烯基苯、0.13重量％2，2′-偶氮二异丁腈、0.02重量％过硫酸钾和0.5重量％十二烷基硫酸钠。将纤维玻璃垫浸渍在上面所述的溶液中，将垫干燥，然后在85C下固化2小时。得到的过滤器对于中和氨气是有效的。快速生产片式过滤介质的方法

图10图示了具有均匀矩形单分散性小孔的网状物的片式过滤介质的局部、近视图。单分散性是指孔径在至少片式过滤介质的基本部分中是基本上相同的。更广泛地，该方法可以制造具有任何适宜小孔分布的过滤介质。例如，图8显示了具有蜂窝结构的另一过滤介质；但是，可以采用快速生产片式过滤介质的方法形成任何结构。

制备具有设计小孔分布的过滤器的一种方法通过直接浇铸和盖印而为快速生产片式过滤介质作准备。将传统的基材印刷方法用来形成两维或三维多孔片式过滤介质。“直接浇铸和盖印”是指通过印刷方法，在产生适宜的过滤介质结构的过程中，两维或三维片式过滤介质的纤维在原处来自于前体。该方法和传统的压花和造纸的区别在于，例如：通过原位纤维图案形成而形成的亚微米和更大的多孔结构。得到的过滤介质的结构是一种有组织的和互相联接的纤维图案。互相联接的纤维图案可以形成为片式过滤介质，其同时具有由传统过滤介质不能获得的强度和挠性。

据认为，在不以任何方式加以限制的情况下，例如，表面张力是造成基材上的聚合物前体和溶剂的两相溶液或乳液产生自发偏析的原因，所述的基材含有具有一种表面张力的隆起和具有另一种表面张力的凹槽。因此，纤维过滤介质的图案可以通过印刷基材上的这种分离而展示，印刷基材是使用传统的基材印刷方法如光刻法、类似彩色印刷的方法或压花片材印刷而形成图案的。

例如，制备与用光刻法制备的印刷基材一起使用的水性前体乳液，所述的基材在其表面上具有隆起和凹槽的图案。制备乳液，使得至少一种前体相围绕隆起而水填充凹槽。备选地，通过控制多相乳液或溶液的油包水或水包油的性质，可以选择前体相和水相，或含有前体相的其它溶剂的相反取向。前体相可以含有通过聚合、固化、结晶、气相催化生长或任何其它固结方法形成纤维的物质，所述的方法保留通过来自印刷基材表面的隆起和凹槽的图案提供的定向。

例如，前体相包含聚合物前体，所述的聚合物前体在基材表面的隆起上在相分离地过程中在原位形成聚合物纤维。然后，例如，可以通过蒸发而达到去除水相或溶剂，从而在隆起图案中互相联接的聚合物线料之中之间留下特定大小、形状和分布的明确空隙。形成的互相联接纤维的网状物限定了过滤介质中的小孔。纤维可以由中和组分涂敷，以帮助捕获以及中和有害物质。在一个实例中，纤维基本上是由中和组分涂敷的，所述的中和组分同时为有害气体如挥发有机化合物(VOC)的有效粒子捕获和足够的中和作准备。

在另一个实例中，前体相是水溶液形式的溶解或消化的纤维素塑料或蛋白质聚合物，并且在乳液中该水溶液与溶剂混合，其在印刷基材表面上离析到隆起上。在此实例中，前体相在原位形成于凹槽中。得到的纤维保留凹槽的图案，凹槽图案可以是任何图案。例如，该图案形成网格、蜂窝或任何其它两维几何形状。

在一个实施方案中，前体相与水相或溶剂相的分离不是由在印刷基材表面上的隆起和凹槽处不同材料造成的，而是由在隆起处和凹槽中的材料之间的温差导致该分离，该温差驱动了前体相的自发组装。在此具体实例中，甚至不需要前体进料是多相体系。例如，可以选择预聚物或聚合物，其将从亚稳态溶液形成在相对冷的地势周围，而将富含溶剂和稳定的溶液留在相对温暖的地方。因而，可以由非水性聚合物溶液形成片式过滤介质。

在另一个备选方案中，印刷基材的表面没有隆起和凹槽。取而代之，表面基本上是平坦的，并且包含不同材料的图案，如在印刷基材的表面上印刷的图案。不同的材料与乳液或溶液具有不同的表面张力，从而导致前体相与水相或溶剂的分离。如此，如前所述，可以由印刷基材形成纤维图案。

在再一个实例中，前体相包含溶解在丙烯酸单体/交联剂/光引发剂配方中的聚酯，如由丙烯酸苄酯和双酚A-二丙烯酸酯混合物增塑的聚对苯二甲酸乙二醇酯。用传统的基材印刷方法在辊表面形成图案，并且将该辊用来根据辊表面上的图案而自发地引发相迁移和自组装。形成的是形成图案的片材，然后将其曝光于强UV光源，由此丙烯酸酯配方聚合，在聚酯纤维中形成互相贯通的分子网络。如果存在残余的水或其它溶剂，将其蒸发，从而将有机纤维留在强烈交联和挠性的片式过滤介质中。

聚酯纤维由互相贯通的丙烯酸网络牢固地锚定，这确保了由辊形成的多孔图案稳定而持久。因而，片式过滤介质具有小孔的图案，所述的小孔具有恒定的大小、分布和间距，所述小孔图案完全基于辊表面上提供的图案和有机聚合物线料的厚度。对于过滤应用而言，辊上的图案可以具有从亚微米大小至50微米的任何图案。可以由前体组分的量和前体组分在稀释剂或溶剂中的浓度控制线料厚度。

在另一个实例中，使部分聚合碳氟化合物在水中(waster)的悬浮液与具有聚(四氟乙烯)压花图案的辊表面接触。碳氟化合物材料围绕聚(四氟乙烯)图案聚集，从而将水(或水溶液)留在辊表面的金属氧化物区域。形成图案的碳氟化合物通过聚合反应聚合，如通过施加热或光，例如UV光，使其聚合。由该方法形成了非常细、花边状碳氟化合物过滤介质。

备选地，由相同的方法形成聚酯或尼龙片材，不同之处在于：使用部分聚合前体(或其它前体，如无活性聚合物和尚未反应或部分反应前体的共混物)，形成聚酯或尼龙。聚酯和尼龙片材也形成花边状过滤介质。在形成花边状结构且聚合完成后，同时在两个正交方向机械地拉伸片式过滤介质。该拉伸使纤维伸长，从而均匀地降低纤维直径并且提高孔径。该技术，还可以应用于其它前体，可以生产具有亚微米纤维直径的过滤介质，从而与更大纤维直径相比，改善捕获效率-压降特性。

在另一个备选的实施方案中，混杂方法使用预纺纤维，以及直接浇铸和盖印，形成过滤介质。例如，可以将预纺平行纤维进料至轧光机中，轧光机具有垂直至于平行纤维移动方向的压花线。含前体的进料与压花表面接触，从而在平行纤维之上形成前体材料的图案。前体反应，从而形成与预纺纤维组合的片式过滤介质。在一个实例中，大量的空隙存在于“经”和“纬”纱之间，即原位形成的纤维和预纺纤维之间。新纤维粘附于预纺纤维，从而将强度赋予混杂过滤介质。此外，聚集重叠的地方可以使纤维枢轴转动，从而给予材料充分的挠性。如前所述，新纤维可以是多孔或实心的，合成或天然的，以及构造简单或者是复合结构的。通过使用具有至少两相的有机-水体系，其中两相均含有聚合物或前体，新纤维可以拥有芯-壳几何形状。此外，纤维图案可以包括沉积在预纺纤维上的波浪、弧形或铰接线，这对于在没有浇铸和盖印存在下的传统预纺纤维是不可能的。

在再一个实施方案中，可以将水性-有机-水性复合乳液用来设计多孔线料。这些多孔线料围绕空隙，但是也可以在线料中具有空隙，其是在水蒸发过程形成的，所述的水是通过例如与水的化学亲合力或表面张力在线料中形成的。在一个实例中，将亲水性和疏水性部分用来制造这样的多孔性聚合物线料。

使用本发明的方法可以生成这样的图案，所述图案用其它方法难以或者不能在低成本、可大量生产的过滤介质中复制。例如，制造片式过滤介质，使其具有至少一个单分散性孔径的区域。更优选，单分散性孔径、形状和分布在片式过滤介质的大表面区域之上是均匀的。与传统的、不均匀的过滤介质相比，孔径的均匀性可以极大地改善单位纤维体积的过滤介质的粒子捕获效率。因而，与传统的过滤介质相比，本发明的片式过滤介质对于任何所需要的粒子捕获效率而言具有更低的压降，或对于任何所需要的压降而言具有更高的粒子捕获效率。

在备选的实施方案中，可以将拥有亲水性和疏水性特性的许多聚合物共混物用来形成两相或多相体系中的片式过滤介质。聚合共混物可以是下列的混合物：无定形或结晶聚合物、均聚物或共聚物、混合有活性组分(例如，单体、低聚体、交联剂等)的无活性聚合物，和粘滞性活性低聚体或大分子单体。例如，用于形成纤维网络的反应物可以具有自由基或缩合性质。而且，聚合物或聚合物前体可以是合成或者天然的。合成聚合物不仅可以包括碳氢化合物，如聚烯烃、聚酯、乙酸酯、丙烯酸树脂和尼龙，而且包括碳氟化合物和聚硅氧烷。

当将机械装置用于薄、多孔片式过滤介质的形成时，可以开发在聚合物/前体体系和辊之间的界面性能，以制备羊毛状结构。如果在进料原料和形状产生基材表面之间存在强但是短暂的粘合力，那么可以从过滤器片材中拉出细线头或晶须，直到材料的粘弹性破坏基材表面和进料材料之间的稀疏系绳。由此制备的大量线头或晶须可以是羊毛状的。在一个实例中，随后的固化锁定这种羊毛状、三维结构。而且，由下面的方法制造高度组织化片式过滤介质：通过具有多个纳米级或显微级缺陷的精心磨蚀的(即粗糙化的)基材表面，促进线头的形成。备选地，通过下面的方法保证高度规则和清洁的片式过滤介质：制备没有缺陷的表面，并且使用脱模剂，以降低基材表面和进料材料之间的表面张力。

在另一实例中，两只配对的辊具有平行凹槽，其中一组横过第一辊的宽度，并且第二组跨越第二辊的外周。当将含有前体组分的进料挤压通过咬入区时，产生十字形纤维图案。在一个实例中，横过第一辊的宽度或沿着第二辊的外周的线条是不连续的。因而，形成图案，其具有增加的挠性。此外，辊表面可以配备有凹槽中的犬牙交错点，从而导致片式过滤介质具有隆起点，因而提供增强的触觉性能。

在另一实施方案中，使用牺牲层或载体膜，如可溶膜。可以由本发明的任何方法在牺牲层或载体膜的一侧或两侧上形成图案。例如，这种图案可以是多层的，并且可以在牺牲层的相反侧上的图案之间通过“路径”形成连接，路径是通过例如在牺牲层中形成预先存在的孔，经过牺牲层形成的。在形成片式过滤介质后，可以溶解牺牲层，从而仅在对应于路径位置的特定互连部位处的片式过滤介质之间提供互连。因而，可以形成复合三维几何形状，而这使用传统过滤介质是不能的。备选地，也许可以从过滤介质上简单地剥离载体膜并且重新使用，从而降低制造成本。

在另一个实施方案中，使含有至少一种前体的半固体膜挤压通过一组压花辊，所述的压花辊在每只辊的表面上都具有压花的图案。例如，将图案如线或孔，穿孔经过半固体膜，从而产生开口，所述的开口可以通过半固体膜的仔细拉伸而得到增强。然后，加工半固体膜的前体，例如通过聚合、固化、结晶或凝固，得到完全固体的片式过滤介质，从而保留开口。例如，可以将半固体膜进行加热，或曝露于UV光、X射线、电子束或伽马射线，以使半固体膜完全反应并且生成固体片式过滤介质。

术语“半固体膜”是指在没有剪切力或低剪切力下显示膜的性质但在高剪切力下屈服的膜。因而，可以将半固体膜作为固体膜处理，但是可以容易地由一个或多个辊上的隆起表面穿孔通过。在一个实例中，半固体膜的弹性模量为10⁶达因/cm²至10⁷达因/cm²。在一个实例中，辊能够施加更大的力，并且将弹性模量的上限提高至不大于10¹⁰达因/cm²。例如，可以通过混合高分子量聚合物与低分子量聚合物，以及任选的稀释剂、增塑聚合物和(被溶剂)部分溶胀聚合物，而改进半固体膜的弹性模量。这些成分的一种或多种可以是彼此具有反应性的，如具有侧链官能团的无活性聚合物，其可以由交联成分或试剂交联。而且，可以完全或部分地聚合或交联稀释剂和/或增塑剂，以形成互相贯通的聚合物网络(IPN)。半固体膜还可以包含反应性低聚体或大分子单体，或它们的混合物，和其它添加剂，如抗氧化剂、阻燃剂、脱模剂、流动性助剂、生物活性试剂、活性炭、微纤维和/或预先存在的天然和/或合成纤维。

在一个备选的实施方案中，不需要由辊机械地穿孔通过半固体膜。而是可以在处理膜前体之前，在半固体膜的一个或两个表面上沉积不透明区域，以通过例如曝露于UV光而诱导膜固化。然后，可以将未固化的不透明区域优先溶解，以打开在片式过滤介质中的孔。可以将掩模用来提供不透明区域，如在标准光刻法中那样。可以用形成图案的金属涂布聚酯薄膜来制备掩模。然后，形成图案的聚酯薄膜在半固体膜曝露于辐射源期间投影在半固体膜上。例如，在传送机上通过的同时，辐射源可以固化半固体膜的非掩模部分。备选地，快速激光扫描是在半固体膜中产生图案的另一种备选方案。

在一个备选的实施方案中，可以独立地展开半固体膜，或者半固体膜可以是在多层过滤介质中的一层或多层。例如，多层膜可以同时或相继地在相反侧上曝露。对于任何基材而言，如果层中的一层是半固体膜，那么其它层可以沉积其上。例如，可以用液体前体在一侧或两侧上涂敷中央半固体膜，用比单独形成每一层所需要的更少的步骤制造层压的、开放过滤器结构。在一个实施方案中，孔径的大小从多层膜的一侧发展至另一侧。因而，在多层过滤器的第一表面上的层的孔径最大，而在相反的表面上的层的孔径最小。中间层按照从第一表面至相反表面的顺序从最大孔径过渡至最小孔径，该中间层可以用作渐进的微型筛(microsieve)，其首先将最大的粒子过滤出来。这样的多层过滤器可以具有基本上对准的小孔，或者可以具有从一层至下一层有偏移量的小孔，以增加气流通道的曲折性。曲折的通道可以增加粒子捕获效率，但是也增加通过过滤器的压降。确定对于特殊的应用领域是最佳的安排在本领域的普通技术范围之内。

在再一种方法中，将喷墨印刷用来在表面上沉积纤维前体的图案，所述的表面如平坦表面或弯曲表面。在一个实施方案中，同时采用多个喷嘴，以快速地将前体组分沉积在表面上。可以以此方式印刷任何可以想象得到的图案，并且不同的喷嘴可以沉积不同的前体，所述的前体或是反应性或非反应性的。此外，该方法可以在喷墨印刷期间和/或完成喷墨印刷之后，固化前体，如通过使用热量、光或加入催化剂，以熔化、聚合或进一步聚合前体。在一个实施方案中，表面是非粘表面，并且固化的片式过滤介质通过简单地从表面上剥离片式过滤介质而除去。例如，可以使用

(

是Dupont Corp.的注册商标)表面，即聚四氟乙烯(PTFE)，或涂敷有非粘涂层的基材。

在一个备选的实施方案中，按照预定的图案振动或移动喷嘴，以使从喷嘴中喷射出来的连续纤维材料以图案形式沉积在表面上。例如，图案可以迫使线料彼此交叉，从而使线料一起熔化。备选地，线料可以沉积为线条，然后可以旋转在线料下面的工作台，并且制造第二通道，从而使线条的第二图案与线条的第一图案交叉。然后可以使用热量或由任何其它方法如通过光聚合的交联而使线料熔化。备选地，该方法可以是连续方法，其使用传送带以将沉积表面从一组喷嘴移动至下一组喷嘴。由不同的喷嘴可以以多层(和不相邻的多层)沉积不同的前体材料，其可以一起熔化。在一个实例中，十字结部位可以用一些汇合的结和另一些未汇合的结形成，从而可以通过将两维片式过滤器扩展到第三维而形成三维结构。在具有使用该方法由喷嘴沉积的多层的过滤介质的交替层之间，通过选择性熔化某些部位，可以形成非常复杂的两维和三维图案。

在另一种方法中，将激光印刷技术用来在表面上沉积前体，该前体然后聚合。使用给予调色剂静电荷的板或辊来沉积前体，以形成图案，然后将图案转印至转印表面。调色剂图案可以含有前体，或者可以被用来将前体形成为与前面有关的图案。

在再一个实施方案中，进料可以含有起泡剂或发泡剂。可以将任何传统的起泡剂或发泡剂它们本身结合到纤维中。一旦形成花边状结构，纤维线料可以膨胀，从而产生中空纤维、多孔纤维或两者的组合。

这里列出的方法和前置的过滤介质为设计的微型过滤器和亚微米过滤器生产作准备，所述的过滤器具有特定的孔径、形状和分布，从而与具有随机取向的纤维的传统过滤器相比，降低了压降并且提高捕获效率。而且，传统的具有随机纤维分布的过滤器要求更多的材料以进行相同水平的过滤，从而增加了过滤器成本。

这些过滤介质的一种或多种可以涂敷有中和组分，所述的中和组分可以中和一种或多种有害物质，如有害微粒、气溶胶、气体、蒸汽和病原体。

可以将本发明的前置过滤器用于任何过滤系统，如HVAC、外科口罩、防护面罩、真空吸尘器袋、滤网、医学隔离、净室、运输和工业应用领域。

不能将可以用来形成片式过滤介质的所有组合都列出。尽管本发明已经涉及特定的实施方案及其实例进行了描述，但是对于本领域的技术人员而言，许多其它的变体和改进以及其它用途是显而易见的。意欲将这些包括在所要求保护的发明范围之内；因而，优选本发明不受其中具体公开的内容所限制，而仅由所提出的权利要求书所限制。

表I：有害物质的相对大小

有害物质	大小(微米)	捕获机理
			炭疽	1-10	拦截
细菌	亚微米	扩散/相互作用
			化学品	气溶胶：1-10气本：0.005	拦截扩散/相互作用

Claims (20)

1.一种用于过滤有害物质的过滤介质，其包含：

互相连接纤维的网状物；和

所述的互相连接纤维的网状物限定具有不随机的、设计孔径分布的小孔，其中所述的孔径不大于50微米。

2.权利要求1所述的过滤介质，其中所述的孔径分布是单分散性的。

3.权利要求1所述的过滤介质，其中所述的互相连接纤维的网状物将小孔图案限定为蜂窝图案。

4.权利要求1所述的过滤介质，其中所述的互相连接纤维的网状物将小孔图案限定为矩形图案。

5.一种用于过滤有害物质的过滤介质，其包含：

互相连接纤维的网状物；和

中和组分，其中所述的中和组分至少涂布在部分所述互相连接纤维的网状物上。

6.权利要求5所述的过滤介质，其中所述的互相连接纤维的网状物基本上被中和组分所涂布。

7.权利要求5所述的过滤介质，其中所述的中和组分包含：

主材；和

一种或多种中和物质。

8.权利要求7所述的过滤器，其中所述的一种或多种中和物质选自：酸性物质、碱性物质和氧化物质。

9.权利要求7所述的过滤器，其中所述的主材具有粘性表面。

10.权利要求7所述的过滤器，其中所述的主材是粘滞性有机组分的薄层。

11.权利要求7所述的过滤器，其中所述的一种或多种中和组分包含至少一种氧化剂。

12.权利要求11所述的过滤器，其中所述的氧化剂选自：次氯酸钠、次氯酸钙、高锰酸钾及它们的混合物。

13.权利要求7所述的过滤器，其中所述的一种或多种中和组分选自由丙烯酸衍生物、磺酸衍生物和它们的混合物组成的酸性复合物。

14.权利要求7所述的过滤器，其中所述的一种或多种中和组分选自由烷醇钠、叔胺和吡啶及它们的相容混合物组成的碱性复合物。

15.权利要求5所述的过滤器，其中所述的纤维由聚合材料制成，所述的聚合材料如聚(乙烯吡咯烷酮)、聚(乙烯基吡啶)、聚(丙烯酸)(游离酸或盐)、聚(苯乙烯磺酸)(游离酸或盐)、聚(乙二醇)、聚(乙烯醇)、聚硅氧烷、聚丙烯酸酯衍生物、羧甲基纤维素、或它们的混合物和共聚物。

16.一种制造过滤介质的方法，该方法包括以下步骤：

制备前体乳液或溶液；

对基材形成图案，其中在所述基材的表面上形成图案；和

使所述基材与所述的前体乳液或溶液接触；

将至少一种前体与在所述基材表面上的图案中的乳液或溶液隔离；

使从所述乳液或溶液分离出的前体反应，形成片式过滤介质；和

将所述的片式过滤介质从所述的基材上移开。

17.权利要求16的方法，其中所述形成图案的步骤包括在所述的基材表面上形成隆起和凹槽。

18.权利要求17的方法，其中分离是由温差导致的。

19.权利要求16的方法，其中所述基材的表面基本上是平坦的，并且所述形成图案的步骤是通过将不同的材料沉积在所述基材的表面上而形成的。

20.权利要求16的方法，其中所述反应的步骤包括用UV光源辐照所述的前体以使前体聚合。

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