CN102421499B - 作为过滤工具使用的织物材料复合结构 - Google Patents

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Abstract

一种作为过滤工具或过滤介质使用的织物材料复合结构,其特征在于,所述结构包括一个或多个纳米纤维层和由合成单线相互垂直编织而成的精密织物的组合。

Description

作为过滤工具使用的织物材料复合结构
背景技术
本发明涉及一种作为过滤工具或过滤介质使用的织物材料复合结构。
目前,具有小于1-2微米的颗粒尺寸的颗粒不能被过滤织物材料分离,因为现有纺织技术的局限性使得纺织织物材料的网孔不会小于5微米。
发明内容
因此,本发明目标是提供一种能够阻止颗粒尺寸为1-2微米的颗粒通过的织物材料复合结构。
在上述目标范围内,本发明的主要目的是提供一种织物材料复合结构,所述织物材料复合结构具有精密的和选择性的过滤性能,如同精密织物所具备的,同时具有粉末过滤能力。
本发明的另一目的是提供一种适合于延长所制造的过滤介质使用寿命的织物材料复合结构。
本发明的另一目的是提供一种织物材料复合结构,所述织物材料复合结构具有比用于声学应用中的相似网孔尺寸的织物材料更小的声阻抗,还提供保护作用,例如,在蜂窝电话中此种织物还保护电话的内部部件,使其不受磁场和粉末颗粒的影响,所述织物材料复合结构为具有很小的网孔尺寸和低的纤维阻抗值同时使得声音能够穿过的织物。
以上所述的目标和目的,连同其他的目的,在下文的描述中将会更加清晰，其通过如下的织物材料复合结构实现，该织物材料复合结构作为过滤工具或过滤介质使用,其特征在于,所述复合结构包括一个或多个纳米纤维层和由合成单线相互垂直编织而成的精密织物的组合。
尤其,所述纳米纤维层通过静电纺纱涂覆法被覆盖或涂覆于所述单线织物上,且被嵌入到所述支撑织物中，从而形成一个单独的或粘性结合的过滤工具或过滤介质。
另一个粘接剂材料层,例如,水溶性丙烯酸胶水材料,也可被沉积在上述织物结构上,以增加织物材料和纳米纤维之间的粘性结合。
因此,上述织物材料提供了一种具有很高结构强度的过滤膜。
根据本发明的一个方面,将纳米纤维层沉积在织物材料的两面是可能的,和/或在其上黏附一种附加的织物层以便提供一种其中包括所述纳米纤维层的夹层织物布置,所述夹层织物布置在很多的过滤应用场合中具有很大的优势,如,要求很高的微米级的过滤效率并且要求可渗透的过滤介质且还能保持很好的流速特性的声音、媒介(vehicle)、漂白织物(white good)、水、诊断和医用过滤应用中。
附图说明
本发明的更进一步的特性和优势在下文从附图中本发明的优选但不是排他的实施方式的以下详细的描述中会更加明显，这些实施方式是阐述性、作为指示性的而不是限制性的例子，附图中：
图1示意性显示了一种静电纺纱设备。
图2显示了一个表，该表显示了基体织物材料PA120.30 WO的特性参数和其过滤效率。
图3是显示了一种复合的或叠层的过滤材料的特性参数的另一个表,所述复合的或叠层的过滤材料由织物材料+PA120.30 WO纳米纤维构成。
图4是显示了基体织物材料PES AM 120.34 WB的特性参数的另一个表。
图5是显示了一种叠层的材料的特性参数的另一个表,所述叠层的材料由织物材料+PES AM 120.34 WB纳米纤维构成,所述纳米纤维层被沉积在织物的单侧。
图6是显示了一种叠层的材料的特性参数的另一个表,所述叠层的材料由织物材料+PES AM 120.34 WB纳米纤维构成,所述纳米纤维层被沉积在织物的单侧和织物的双侧。
图7是显示了一种复合的或叠层的材料的特性参数的另一个表,所述复合的或叠层的材料由织物材料+PES AM 150.27纳米纤维构成,所述纳米纤维层被沉积在织物的涂覆有粘结剂的单侧。
图8,图9和图10为显示过滤工具或过滤介质的照片,所述过滤工具或过滤介质包括合成单线精密织物材料,所述织物材料具有随机布置的纳米纤维层；和
图11和图12为经过过滤效率测试的过滤工具或过滤介质的照片,所述过滤工具或过滤介质包括合成单线精密织物材料和纳米纤维层。
具体实施方式
引用上述提到的附图中的编号，本发明所述的复合织物结构包括合成单线平面网孔精密织物材料。
需要指出的是,由于其非常均匀连贯的网孔结构,本发明所述的织物具有高的强度和好的处理特性,使得所述复合织物成为过滤应用领域中的理想基体织物。
事实上,所述复合织物具有非常均匀的织物重量、厚度、表面特性、热阻,相对于现有的多线织物,这些特性均有很大的提升,上述优势特性在整个织物卷的长度上都保持一致,且在每个织物批次之间也保持一致。
然而,本发明所述的精密织物在制造时允许的公差范围是非常窄的,从而本发明提供了一种过滤工具或介质,所述过滤工具或介质具有相容的过滤效率和气流渗透性,如上所述,这是由于其具有均匀一致的孔径且纺织过程中所用单线或单纱具有稳定的性能。
另外,所述精密织物具有很好的抵抗天气变化、水分和潮湿的能力,因此,其可以很容易地在工业环境下被制造生产。
上述合成单线相互垂直编织的精密织物可以由聚酯(polyester)、聚酰胺(polyamide)、聚丙烯(polypropylene)、聚苯基硫醚(polyphenylsulphide)、PEEK、PVDF、PTFE制成,所述精密织物具有在2000微米到5微米的网孔尺寸范围内的网孔尺寸,且可以被用作支撑纳米纤维层或膜的支撑基体织物。
所述织物也可以由以下有机聚合物制成,包括:PA6、PA 6/12、聚芳酰胺(polyaramide)、PUR、PES、PVA、PVAC、PAN、PEO、PS、导电聚合物(聚噻吩)、氟基聚合物(fluorine based polymer)等等。
所述织物也可以由以下生物聚合物制成,包括:壳聚糖(kitosan)、角质蛋白(keratine)、骨胶原(collagen)、肽(peptide)等等。
所述基体织物的选择基于其网孔尺寸和材料而定,沉积的纳米纤维的量、沉积层的厚度和形成纳米纤维的聚合物全部基于预期应用所要求的性能而定。
使用静电纺纱技术纺织适合于医学应用的生物聚合物是可能的,但不管是什么类型的过滤,均要求所用材料具有生物相容性。
在研究复合的或叠层的织物/纳米纤维膜过滤工具时,纱帝牌(Saati)的一系列织物材料和可静电纺纱聚合物的种类均被使用过。
特别地,纳米纤维和基体被设计成在可接受的压力损失和渗透性的范围内提供最高的过滤效率。
需要指出的是,在此处“过滤器”一词表示任何三维的系统,其中相对于其他两个方面,几何尺寸被认为是主要的。
特别的,所述纳米纤维的直径小于1微米,为纳米级(100-900纳米)。
所述纳米纤维和纳米织物材料的特性包括:大的比表面积,高的表面积/体积比,小的网孔尺寸,高的孔隙率,具有三维形状,高的渗透率和的低的气流阻力,很好的颗粒分离能力,很好的粉末阻挡能力和改善了的物理机械性能,使其在纤维活性区域内可以达到不言而喻的效果,改善了的过滤性能和从流体角度来说的不言而喻的优势。
以上所提到的非常好的多功能特性允许在一个很宽的应用范围内使用所述纳米纤维,例如:
专业织物材料；
过滤工具或过滤介质,用于过滤液体和气体；
保护和隔离织物材料(卫生,军事,衣物的应用等等)；
生物医学设备和材料(药物释放载体,止血设备,专门的有机织物和绷带材料)；
在医疗和诊断领域；
在声音吸收的应用中；
作为强化复合材料；
作为化妆品领域中的面膜(去污剂和皮肤药物疗法)；
有机织物材料之间的桥结构,例如,皮肤的渗透膜,用于再生血管和神经组织的管状结构,用于再生骨或软骨的三维桥结构；
另外,本发明所述的织物和纳米纤维结构也可以被应用于一个系统,所述系统通过静电纺纱工艺将聚合纳米纤维沉积在织物基体上,所述静电纺纱工艺对于很大范围内的聚合材料都是可以适用的,所述聚合材料可以通过添加适当的添加剂而得到改良,从而提供了一种改善了性能的用于特定应用环境的织物材料。
众所周知,静电纺纱工艺具有以下主要优点:
快捷简便的从实验室到工业应用转变的可能性；
生产效率高；
可重复性好；
可以精确控制纤维的尺寸和形状；
可以精确控制被沉积的纤维的量；
容易方便控制纤维的生产效率；
很容易仅仅通过在初始溶液中加入添加剂而调整织物材料的性能；
低的原材料消耗(非常轻的纳米纤维纬纱花样,相应地,由于材料的节约,可以生产出便宜的产品)；
工艺在室温下进行,因此,没有使材料降解的风险,同时,伴随着低耗能,低成本,高经济效益；
工艺系统易于保养和维修；
高的安全操控性能。
另外,静电纺纱工艺允许“冷纺(cold spin)”纳米尺度的聚合物纤维,从受到合适的外电场作用的浓缩的聚合物溶液开始。
一种非常简单的用于运行上述工艺的静电纺纱设备,在附图1中由附图标记1表示,包括以下三种主要的部件:
电源,在附图1中由附图标记2表示,所述电源能够产生不同的高电压(5-50千伏)；
喷射布置3(die arrangement)，其是用于提供细丝的装置,包括,喷射器,毛细管和喷嘴组件,相关容器等等,聚合物溶液从所述喷射布置3中喷出,且喷射布置3作为正电极操作；和
收集器4,收集静电纺纱法纺出的纳米纤维被收集在收集器4上,且所述收集器4作为对电极操作。
在所述设备中,通过施加电场,使得溶液带电，从而提供与表面张力相反的静电力,从而产生不稳定的现象以形成喷射流。
通过快速蒸发溶剂,横截面减小且伴随着喷射流的大大延长,从而使得所述喷射流变成了一条很细的连续的丝,所述丝开始固化且被沉积在收集器表面。
在所述设备中,所述合成单线织物材料被放置在距离喷射布置一给定的合适的距离处的对电极上。
通过设置两电极之间的一组电压差,所述纳米纤维被直接喷射沉积在过滤织物材料上,或者可能被随机导向地沉积,以在织物上形成纬纱花样,所述花样具有高的表面积/体积的比和非常小的网孔尺寸,所述被沉积的纳米纤维被通过物理和化学力结合于织物上,从而形成了一种完整的组合。
可以对织物材料进行等离子体预处理,以便进一步改善所述纳米纤维对下层的粘着力和它们的沉积均匀度。
为了进一步提高这种粘着力,还可以调整喷射布置和支撑基体在其上的对电极之间的距离,使得所述纳米纤维在其接触过滤织物时处于未干燥状态。
通过调整以下工艺参数以获得不同性能的纳米纤维层:纤维尺寸,网孔平均尺寸,沉积层厚度和纳米纤维层重量(g/m2)。
通过调整工艺参数,材料性能和环境因素可以控制静电纺纱工艺。
通过进一步调整工艺参数,所述纳米纤维的直径,规格参数和性能能够被很容易地调整。
初始溶液的特征可以由其粘度、聚合物浓度和溶剂的导电性和挥发性表征。
环境因素在于其相对湿度、温度和气压,而工艺条件的特征在于其所应用的电压、喷射布置和沉积表面之间的距离,电极之间的距离,溶液的流动性和沉积速度。
根据本发明的测试结果,可以发现对本发明所述工艺最有意义的参数,且改变所述参数值后进行重复测试,不断优化最终产品,得到几何学上一致的纤维,所述纤维具有一定的尺寸和结构,所述尺寸和结构能够提供一致均匀的网孔尺寸分布,对微米级颗粒具有高的过滤效率,同时,通过调整沉积层的厚度和平均孔径来保持可控的高的渗透性。
实验结果
本发明所述织物样品的特征在于其过滤效率,通过使用一种过滤效率测试平台和常规的纱帝系统来验证所述过滤工具的颗粒控制率,通过测试其渗透率来验证所述叠层的或复合的材料的流体阻力,通过声阻抗的测试来验证其声音阻力。
大量不同的织物样品被制备和测试,所述样品由聚酯和尼龙制备,其上覆盖由PA,PUR聚合物纳米纤维。
最有指示性的结果如下:
覆盖有纳米纤维的PA120.30WO织物
基体织物的特征为:
网孔尺寸＝55微米
高渗透率5600I/m^2s
使用Fibrodat接触角测试仪测试接触角11.9°
图2的表显示了本发明基体织物的过滤效率特征参数。
图3的表显示了织物+纳米纤维的复合或叠层材料的特征参数。
经过等离子体预处理的纳米纤维覆盖于PES AM120.34 WB织物上
基体织物的特征为:
网孔尺寸＝47微米
空气渗透率4500I/m^2s
图4的表进一步显示了基体织物的特征参数。
图5的表显示了织物+纳米纤维的复合或叠层材料的特征参数,所述纳米纤维层沉积于织物的单侧或单面；图6的表显示了织物+纳米纤维的复合材料的特征参数,所述纳米纤维层沉积于织物的单侧和织物的双侧。
一种黑色憎水纳米纤维覆盖于PES AM 150.27织物上。
基体织物的特征为:
网孔尺寸＝38微米
空气渗透率4500I/m^2s
声阻抗＝47 MKS Rayls
图3的表显示了织物+纳米纤维的复合材料的特征参数,所述纳米纤维层被沉积于织物的单面。
根据本发明所述的织物材料复合结构的渗透性好于具有相似网孔尺寸值的合成单线精密织物的渗透性:事实上,网孔尺寸相同,复合过滤工具或过滤介质的渗透性比合成单线精密织物的渗透性提高了2.5倍。
另外,本发明所述的织物材料复合结构提供了一种对于大至2微米颗粒具有99％过滤效率且相应地对于小于5微米的颗粒具有高的过滤效率的过滤介质(而此正是现有过滤精密织物的局限所在)。
另外,根据本发明所述的织物材料复合结构具有粉末排斥能力,而这也是过滤织物的局限,所述的织物材料复合结构的声阻抗要小于具有相似网孔尺寸值的合成单线精密织物的声阻抗:事实上,开口网孔尺寸相同,复合过滤工具或过滤介质的声阻抗比合成单线精密织物的声阻抗低1.5倍。
所述织物材料复合结构的进一步的重要特征在于,涂覆有高使用寿命的纳米纤维的所述织物材料复合结构具有长期高效的过滤特性。
根据本发明所述的过滤工具或过滤介质的形态学特征参数。
静电纺纱法纺出的细丝的形态和直径分布已由扫描电镜(SEM)表征,结果显示,根据选择样品的不同,所述纳米纤维的直径在80到850微米之间变化,且相互交叉连接界定了具有很小网孔尺寸的薄的纬纱花样。
图8,图9和图10显示了所述过滤介质的扫描电镜照片,所述过滤介质由合成单线精密织物和随机样式的纳米纤维层构成。
图11和图12为经过过滤效率测试的所述过滤介质的另外的扫描电镜照片,所述过滤介质由合成单线精密织物和纳米纤维层构成。
从图中可以清晰地看到,测试溶液中的颗粒被牢牢地锁定在的织物上且被本发明所述过滤介质纳米纤维所捕获。
由此可见,本发明达到了所有预期的目标和目的。
事实上,本发明提供了一种作为过滤工具或过滤介质使用的织物材料复合结构,所述织物材料复合结构能够阻止颗粒尺寸为1-2微米的颗粒通过,而直到现在,这些颗粒都不能被现有的过滤织物分离,因为,以上提到的现有纺织工艺的技术局限使其不能制造出网孔尺寸小于5微米的织物。
另外,本发明所述的复合织物结构提供了一种像典型的精密织物一样的精密和选择性过滤，还具有粉末排斥能力(尽管有限,因为纳米纤维层的厚度很薄)。
另外,本发明所述的复合织物结构提升了过滤介质的平均使用寿命,因为,纳米纤维层的存在使得颗粒被截留到了其厚度当中。
网孔尺寸相同,渗透率较大,因此,作为结果,在过滤工具的进口处和出口处之间的流量/压力变化较小。
另外,本发明所述的复合织物结构的声阻抗小于具有相似网孔尺寸值的现有织物的声阻抗,该特征在声学领域的应用中是非常重要的,在声学领域的应用中所述织物材料同时也起到了对设备(例如蜂窝电话)内部构件的保护作用,使其免受强磁性和粉末颗粒的影响。
最后,本发明克服了纳米纤维薄膜由于其机械强度不足导致其使用领域受限的缺陷。
在本发明的具体实施中,根据实际需要,所使用的材料,可能的尺寸和形状可以是任意的。

Claims (10)

1.一种织物复合结构，其作为过滤工具或过滤介质用于声学应用或声学设备，且适用于保护所述设备的内部部件免受磁场效应和粉尘颗粒的影响，所述结构包含一个或多个通过由合成单线织成的支撑性相互垂直网编织的精密织物支撑的纳米纤维层；所述纳米纤维具有100至900纳米的纳米纤维直径且所述编织的精密织物具有5微米至2000微米的网孔尺寸，因而所述复合结构阻止具有1微米至2微米的颗粒尺寸的粉末颗粒通过；所述织物结构具有比具有相似网孔尺寸值的任何现有单线精密织物的声阻抗低1.5倍的声阻抗，且对于具有大至2微米的尺寸的颗粒提供99％的过滤效率，并且对于具有小于5微米的颗粒尺寸的颗粒提供高的过滤效率。
2.根据权利要求1所述的织物复合结构，其特征在于，所述设备为蜂窝电话。
3.根据权利要求1或2所述的织物复合结构，其特征在于，所述纳米纤维层通过静电纺丝涂敷法涂敷于所述支撑性相互垂直网编织的精密织物上，并被嵌入所述支撑织物中，从而形成单独的粘合结合的过滤工具。
4.根据权利要求1或2所述的织物复合结构，其特征在于，所述纳米纤维层被涂敷在所述支撑织物的单侧或所述支撑织物的双侧。
5.根据权利要求1或2所述的织物复合结构，其特征在于，在所述支撑织物上涂敷粘接剂材料后，将所述纳米纤维层涂敷到所述支撑织物上。
6.根据权利要求1或2所述的织物复合结构，其特征在于，所述结构还包括在所述纳米纤维层上的一种附加的织物，从而提供一种其中包括所述纳米纤维层的夹层织物布置。
7.根据权利要求1或2所述的织物复合结构，其特征在于，所述合成单线选自聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚苯基硫醚、PEEK、PVDF及PTFE。
8.根据权利要求1或2所述的织物复合结构，其特征在于，所述合成单线选自包括含氟聚合物、PA 6、PA 6/12、聚芳酰胺、PUR、PES、PVA、PVAC、PAN、PEO、PS的有机聚合物、包括聚噻吩的导电聚合物、和/或生物聚合物，所述生物聚合物选自壳聚糖、角质蛋白、骨胶原和肽。
9.根据权利要求1或2所述的织物复合结构，其特征在于，所述纳米纤维经过等离子体处理，以改善所述纳米纤维对所述支撑织物的粘着力。
10.一种用于制备根据任一前述权利要求所述的织物复合结构的设备，其特征在于，所述设备包括提供细丝的喷射布置，一个聚合物溶液容器、喷射器、毛细管及喷嘴组件，聚合物溶液从所述喷射布置喷出且所述喷射布置作为正电极操作；以及收集器，静电纺纱法纺出的纳米纤维被收集在所述收集器上且所述收集器作为对电极操作；且所述喷射布置和所述对电极之间的距离使得所述纳米纤维在未干燥状态下接触所述支撑织物。
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