CN101795746A - 改进的打褶纳米纤维网结构 - Google Patents
改进的打褶纳米纤维网结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及过滤器，该过滤器包括具有打褶结构的过滤介质。该介质包括纳米纤维网层和稀松布，其中纳米纤维网层包含具有小于1微米的数均直径和小于50微米的层厚度的纤维。总介质厚度与褶绉间距的比率小于0.15，并且纳米纤维网层具有约0.6gsm以上的基重。该非织造稀松布可为纺粘纤维网、干法纤网、湿法纤网、纤维素纤维网、熔喷纤维网和玻璃纤维网。
Description
发明领域
本发明涉及可一般用于过滤应用或从气体或受污染的空气流中去除灰尘、污垢及其他颗粒的多种其他应用的过滤介质和过滤结构，所述应用包括真空吸尘器、集尘器、气体涡轮进气过滤系统、供暖、通风和空调过滤系统。
发明背景
气体流常常携带颗粒物质。在许多情况下，期望从气体流中去除一些或全部颗粒物质。例如，通向汽车发动机或发电装置的进气流、通向气体涡轮的气体流、以及通向多种燃烧炉的空气流常常含有夹带的颗粒物质。在各种机构的运转过程中，这些颗粒物质如果进入其内部，可造成相当大的损害。经常需要从发动机、涡轮、燃烧炉、或其他相关设备的上游气体流中去除颗粒物质。另一个例子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，期望去除这些颗粒物质。
在过滤应用中，使过滤介质形成褶皱以增加可以发生液体撞击的有效表面积是广为人知的方法。熔喷合成介质发生器将静电充电的微纤维网与稀松布支撑层结合，从而获得可接受的初始过滤效率和过滤器阻力。如果微纤维网为熔喷的，则熔喷层通常由15-40gsm的纤维组成，所述纤维的直径为1-5微米，并且所述层的厚度为约0.2-0.4mm。这种产品存在不足之处。介质的总厚度通常大于0.6mm，所述介质在打褶后其厚度导致产生流动阻力。当熔喷层相对较厚时，穿过所述层的流型不与所述层完全垂直，并且切向流可导致更高的阻力。初始时被充电的介质通常由于热量、湿度、和灰尘积聚而失去静电荷，这导致过滤效率的降低。
本发明克服了与打褶的熔喷结构中的流动阻力相关的局限性以及与使用充电的介质相关的效率降低问题。
发明概述
本发明涉及一种过滤器，所述过滤器包括具有打褶结构的过滤介质，所述结构包括纳米纤维网层和稀松布，其中纳米纤维网层包括具有小于1微米的数均直径和小于50微米的层厚度的纤维，其中总介质厚度与褶绉间距的比率小于0.15，其中纳米纤维网层具有约0.6gsm以上的基重，并且其中稀松布为由纤维制成的非织造材料，所述纤维选自纺粘纤维、干法成网纤维、湿法成网纤维、纤维素纤维、熔喷纤维、玻璃纤维、以及它们的共混物。
附图概述
图1显示比较实施例1以及实施例1、2和3的过滤器阻力对平板阻力(flat sheet resistance)的曲线图。
图2显示本发明的过滤器和某些商业充电的介质的效率对时间的曲线图。
发明详述
如本文所用，术语“纳米网”和“纳米纤维网”为同义词。类似地，术语“稀松布”和“基底”也为同义词。
如本文所用，术语“非织造纤维网”或“非织造材料”是指具有由独立纤维、长丝、或线构成的结构的纤维网，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/平方码(osy)或克/平方米(gsm)来表示，可用的纤维直径通常以微米来表示。
“稀松布”为支撑层，并可以是能够与纳米纤维网结合、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、并且甚至介于约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。
术语“纳米纤维网”是指包含纳米纤维的非织造纤维网。
“褶绉间距”为打褶结构中的峰间距或谷间距。
本发明涉及一种过滤器，所述过滤器包括具有打褶结构的介质。打褶结构包括纳米纤维网层，所述层包括具有小于1微米的数均直径和小于50微米的层厚度的纤维，其中总介质厚度与褶绉间距的比率小于0.15。
在另一个实施方案中，该过滤器还包括粘结到纳米纤维网层上的稀松布。稀松布还可包括非织造材料，所述材料包括纺粘纤维、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。
初生非织造纤维网主要包含或仅包含可通过静电纺纱生成的纳米纤维，例如通过传统的静电纺纱或电吹以及在某些情况下通过熔喷法生成。传统的静电纺纱是在全文并入本文中的美国专利4,127,706中所述的技术，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，无法商业化生产较重基重的纤维网。
“电吹”法克服了静电纺纱法的生产能力的局限性，其公开于世界专利公布WO 03/080905中，所述专利公布以引用方式并入本文。电吹法使得可在相对短的时间周期内形成商用尺寸和数量的纳米纤维网，其基重超过约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便收集和混合在基底上纺成的纳米纤维网，使得可将混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，例如熔喷非织造布、针刺或射流喷网非织造布、织造布、针织布、纸材等，对其使用并无限制，只要能将纳米纤维层添加到基底上。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。
本发明中所用的纳米纤维可包括由聚合物熔体制成的纤维。用于由聚合物熔体生产纳米纤维的方法描述于例如以下专利中：授予University ofAkron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；以及美国专利公布2006/0084340。
对可用于形成本发明的纳米纤维网的聚合物无特别限制，并且包括加聚物和缩聚物，诸如聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚和酯、聚烯化硫、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。这些种类中优选的聚合物包括交联和非交联形式的、各种水解程度(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。优选的加聚物往往是玻璃状的(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，可使用能够熔喷形成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醇酯；以及聚酰胺，例如上述尼龙聚合物。
可能有利的是，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。适合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。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，2004ChemtecPublishing)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。
本发明可以平板或圆柱形单元的形式用于多种过滤法应用中。此类应用包括过滤气流和液流；除尘；机动车和其他运输工具应用(包括轮式车辆以及航空器设备的过滤应用)；燃气轮机发电站进气流的过滤；军事、住宅、工业、和医疗环境的室内空气过滤；其中减少小颗粒对于健康、有效生产、清洁、安全、或其他重要目的非常重要的半导体制造和其他应用；在军事应用中用于除去当地环境中的生物危害或化学危害物质的空气流过滤；用于封闭式通风设备的过滤，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，以及作为公用设施/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。
在公开过滤器结构和与过滤材料一起使用的结构的各个方面并提出权利要求的专利中示出了各种过滤器设计。授予Engel等人的美国专利4,720,292公开了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、橡胶状的端帽来密封，该端帽具有圆柱形、向心式表面。授予Kahlbaugh等人的美国专利5,082,476公开了一种过滤器设计，其使用包括泡沫基底与褶皱组件的深层过滤介质，褶皱组件结合了本发明的微纤维材料。授予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。形成为打褶Z型型式的过滤介质可包括本发明的细旦纤维介质。最后，授予Gillingham的美国设计专利425,189公开了使用Z型过滤器设计的平板式过滤器。
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的过滤介质的方法。据该方法所述，将过滤材料穿过辊到达压印机，压印机包括两个以相反方向旋转的加热的滚筒。两滚筒具有相啮合的突出和相应的凹陷，从两滚筒间通过的过滤材料通过深冲被持久成型。成型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，接着通过成型设备的冲模将细长突出压入聚集的材料中。该聚集防止了压印突出所需的附加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中发生变化。
已公布的德国专利申请196 30 522描述了在成型的压延辊之间刻划和粘结由拉伸的和非拉伸的合成纤维制成的成形织物。通过该方法，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。
存在两种普通类型的打褶机：刀式打褶机和旋转式打褶机。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来生成褶皱。使用压力下的后加热的区域来稳定褶皱。旋转式打褶机的操作涉及采用旋转刀刻划介质，然后在压力下将划线进行折叠来形成褶皱。
本发明可通过以下实施例得到最佳理解。
测试方法
根据ASTM D-3776来测定基重(BW)，并以g/m2(gsm)为单位予以记录，该方法以引用方式并入。
纤维直径如下测量。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。由照片测量十一(11)个清晰可辨的细纤维的直径并进行记录。不包括瑕疵(即，细纤维的凸块、聚合物球、细纤维的交叉处)。计算每个样本的平均(中值)纤维直径。
纤维网气流透气率通常使用弗雷泽测量法(ASTM D737)来测量。在该测量法中，向适当夹住的织物样本施加124.5N/m2(0.5英寸水柱)的压力差，并且将所得的气流速率测量为弗雷泽透气率或更简单地讲测量为“弗雷泽”。在本文中，以m3/m2/min为单位报告弗雷泽透气率。高弗雷泽对应于高气流透气率，并且低弗雷泽对应于低气流透气率。
纤维网厚度使用扫描电镜或数字光学显微镜来测量。制作了清洁的横截面切割的样本，并且利用五(5)次厚度测量值来计算平均值，以mm或微米为单位报告所述值。
平板阻力通过分馏效率过滤试验机(TSI型号3160或8130)来测量。流动阻力在5.3cm/s的气流速率下测量，并且以mm水标(W.G.)为单位报告。在固定的流速下，高阻力对应于平板介质上的高压力降。
过滤器阻力通过两种不同的方法来测量。将舱室空气过滤器按照ISOTest Specification 11155-1(2001)，“Road Vehicles-Air Filters for PassengerCompartments-Part 1：Test for Particulate Filtration”进行测试。将该过滤器安装在竖直管中，并且在170m3/h的气流速率下测量过滤器上的流动阻力。将HVAC过滤器按照ASHRAE Standard 52.2-1999，“Method of Testing GeneralVentilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by Particle Size”进行测试。ASHRAE为American Society of Heating，Refrigerating and Air-conditioning Engineers，Inc.的缩写。将标称610mm(长度)x610mm(宽度)x 305mm(深度)的过滤器安装在符合ASHRAE 52.2测试标准的水平管中。在3344m3/h的气流速率下测量过滤器上的流动阻力，并且以英寸水标为单位报告并将其转换为以帕斯卡为单位。
在进行氯化钾(KCl)颗粒调理步骤以揭示一些过滤器在实际使用期间经历的过滤效率的下降之前和之后，测量HVAC过滤器的效率。这按照本发明的针对ASHRAE Standard 52.2-2007，Public Review Drafts，March 1，2007的“附录a”来执行，其以引用方式并入本文。通过在过滤器中以3.6x105个颗粒至3.8x105个颗粒/cm3的密度将0.02微米直径的氯化钾颗粒进行循环流动并持续多至72小时来调理过滤器。以百分比为单位周期性地测量并报告分馏过滤效率。
纳米纤维网的制备
对于所有实施例，均通过WIPO公布WO 03/080905中所述的电吹法来对聚合物的甲酸溶液进行纺丝。除非另外指明，将按重量计24％的聚合物的甲酸溶液用于电吹法。所用的聚合物为聚酰胺-6，6(PA66)(Zytel3218，Du Pont，Wilmington，DE)。在纤维网沉积之后，接着将该纤维网在80℃下的加热的空气中进行干燥，除非另外指明。施加到喷丝头上的电压为85kV。附加工艺条件描述于具体实施例中。
打褶
将纤维网使用刀式打褶机或旋转式打褶机进行打褶。打褶机通常包括加热的区域以在温度和压力下稳定褶绉。具体工艺条件描述于实施例中。
制备下列实施例来阐述本发明。
实施例1
使用电吹法制备纳米纤维网结构，并且在真空下将其收集到75gsm的纺粘聚酯稀松布(Kolon)上。产生基重为0.9gsm的纳米纤维网。
该细旦纤维具有0.3微米的平均纤维直径，并且细旦纤维层的厚度为大约5微米(0.005mm)。合并的层的厚度为0.25mm。平板阻力为1.1mmW.G.，所述阻力在5.3cm/s的空气速度下测量。
将介质的合并的层使用刀式打褶机进行打褶，并且装配到舱室空气平板式过滤器中。褶绉高度为28mm，并且褶绉间距为5mm。过滤器的尺寸为22.5cm长和10.8cm宽。按照ISO Test Specification 11155-1在空气管中测量过滤器的阻力，并且结果为170m3/h的流速下的32Pa。
比较实施例1
比较实施例1使用了稀松布-熔喷-稀松布(SMS)构型的熔喷介质。该熔喷纤维具有7微米的平均纤维直径，并且层的厚度为0.44mm。上游稀松布层为110gsm的纺粘聚酯稀松布，并且下游稀松布层为纺粘聚丙烯稀松布。总介质厚度为0.80mm。平板阻力为0.7mm W.G.，所述阻力在5.3cm/s的空气速度下测量。将该介质打褶并装配到其构型与实施例1中所述的相同的过滤器中并且相应地进行测试。该过滤器的阻力为170m3/h的流速下的37Pa。
实施例1中的过滤器阻力比比较实施例1中的过滤器阻力低14％，虽然平板阻力高57％。
实施例2-3
根据与实施例1所述类似的规程来制备实施例2和3的纤维网结构。调整聚合物生产能力和生产线速度以改变细旦纤维尺寸和纤维网的基重。在这两个实施例中，制作了两种稀松布-纳米纤维(SN)纤维网结构，其中稀松布的第一纤维网为75gsm的纺粘聚酯(Kolon)，并且第二纤维网为30gsm的纺粘聚酯(Kolon)。将这两种纤维网结构超声粘结成SN-NS构型的复合层。实施例2-3的详细特性总结于表1中。
表1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 比较实施例1 | |
| 复合层 | SN | SN-NS | SN-NS | SMS |
| 细旦纤维尺寸(微米) | 0.3 | 0.6 | 0.3 | 7 |
| 细旦纤维层的基重(gsm) | 0.9 | 1.0，1.0 | 1.2，1.6 | 35 |
| 细旦纤维层的厚度(微米) | 5 | 6，6 | 7，10 | 440 |
| 合并的层的厚度(mm) | 0.24 | 0.34 | 0.34 | 0.8 |
| 褶绉间距(mm) | 5 | 5 | 5 | 5 |
| 合并的层厚度与褶绉间距的比率 | 0.05 | 0.07 | 0.07 | 0.16 |
| 平板阻力(mmWG) | 1.1 | 1.3 | 2.4 | 0.7 |
| 过滤器阻力(Pa) | 32 | 40 | 65 | 37 |
图1示出实施例1-3以及比较实施例1的过滤器阻力对平板阻力的曲线图。该图显示，对于给定的过滤器阻力，该构造的平板阻力在具有本发明的纤维网的情况下可高于比较实施例的熔喷纤维网的情况。该结果的重要性是双重的：(1)本发明的具有较高阻力和因此具有较高效率的过滤介质可用来获得较高的过滤效率而不超过过滤器阻力目标；或(2)可用本发明的纤维网来获得较低的过滤器阻力而不牺牲过滤效率。
实施例4
使用电吹法制备纳米纤维网结构，并且将其收集到65gsm的干法成网并且树脂粘结的聚酯稀松布(Ok Soo)上。所产生的纳米纤维网的基重为3.8gsm。
该纳米纤维网的细旦纤维具有0.3微米的平均纤维直径，并且细旦纤维层的厚度为大约23微米。合并的层的厚度为0.55mm。平板阻力为3.6mmW.G.，所述阻力在5.3cm/s的空气速度下测量。
将组合介质使用旋转式打褶机进行打褶并且胶合到支撑聚酯侧壁上以形成打褶的过滤组合件。褶绉高度为29mm，并且褶绉间距为5mm。介质厚度对褶绉间距的比率为0.11。过滤组合件的尺寸为550mm长和275mm宽。将八个过滤组合件适配进塑料框架中并装配到HVAC 4V-bank过滤器中，所述过滤器具有610mm(长度)x 610mm(宽度)x 305mm(深度)的标称尺寸。按照ASHRAE 52.2测试标准来测量水平管中的HVAC过滤器的阻力，并且结果为3344m3/h(1968ft3/min)的流速下的80Pa(0.32英寸WG)。
比较实施例2
将常规的熔喷介质用于比较的目的。该熔喷纤维具有约3微米的平均纤维直径。该熔喷层的厚度为0.32mm(320微米)，并且总介质厚度为0.78mm。平板阻力为2.7mm W.G.，所述阻力在5.3cm/s的空气速度下测量。
将该介质打褶成具有5mm褶绉间距的过滤组合件。介质厚度对褶绉间距的比率为0.16。将这些组合件装配到V-bank过滤器中，并且按照ASHRAE 52.2测试方法进行测试。过滤器阻力为3344m3/h(1968ft3/min)的流速下的80Pa(0.32英寸WG)。
实施例4中的过滤器具有与比较实施例2中的过滤器相同的阻力，虽然平板阻力高出33％(3.6mm W.G.对2.7mm W.G.)。
实施例5
在本发明的过滤器效用的另一个实施例中，根据实施例4所述的规程来制备实施例5。仅有的差别是：将样本收集到100gsm的干法成网并且树脂粘结的聚酯稀松布(Ok Soo，Korea)上，并且所产生的纳米纤维网的基重为4.5gsm。使用先前所述的KCl气溶胶调理步骤来将所装配的V-bankHVAC过滤器与由充电的介质制成的商业过滤器的过滤性能进行比较。所测试的商业样本为用熔喷介质制成的刚性元箱式过滤器(Purolato型号DC95-4412K)和V-bank HVAC过滤器(Viledon MV95过滤器)。
图2示出本发明的过滤器的效用在使用时可保持效率。可期望本发明的过滤器在加载非常细小的氯化钾气溶胶的加速条件下保持其效率持续至少20小时。
Claims (6)
1.过滤器，所述过滤器包括具有打褶结构的过滤介质，所述打褶结构包括纳米纤维网层和稀松布，其中所述纳米纤维网层包括具有小于1微米的数均直径和小于50微米的层厚度的纤维，其中总介质厚度与褶绉间距的比率小于0.15，其中所述纳米纤维网层具有约0.6gsm以上的基重，并且其中所述稀松布为由纤维制成的非织造材料，所述纤维选自纺粘纤维、干法成网纤维、湿法成网纤维、纤维素纤维、熔喷纤维、玻璃纤维、以及它们的共混物。
2.权利要求1的过滤器，其中总介质厚度与褶绉间距的比率小于0.12。
3.权利要求1的过滤器，其中总介质厚度与褶绉间距的比率小于0.08。
4.权利要求1的过滤器，其中所述稀松布粘结到所述纳米纤维网层上。
5.权利要求1的过滤器，其中所述介质的过滤器阻力与平板阻力的比率小于约35Pa/mm，其中平板阻力在5.3cm/s的气流速率下测量并以mm水标为单位报告，并且过滤器阻力在3344m3/h的气流速率下测量并以英寸水标为单位报告并将其转换为帕斯卡单位。
6.权利要求1的过滤介质，其中过滤效率在以3.6x105个颗粒至3.8x105个颗粒/cm3的密度和3344m3/h的气流速率加载了0.02微米的氯化钾气溶胶之后的20小时的处理时间内不会降低。
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