CN102695552B

CN102695552B - 用于高湿度环境的过滤介质

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Publication number: CN102695552B
Application number: CN201080052563.5A
Authority: CN
Inventors: D·C·琼斯; J·A·西迪奎
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2030-11-03
Also published as: US20110252970A1; JP2013511627A; CN102695552A; BR112012011916A2; KR20120112461A; WO2011062761A1; EP2501456A1

Abstract

本发明涉及包含至少一种湿气敏感的聚合物的纳米纤维。该纤维也包括氢键材料的纳米颗粒，所述氢键材料被混入纤维的主体之中。氢键材料以相当于大于聚合物重量的2％的量存在，并且纳米纤维具有沿其长度测量的小于一微米的平均纤维直径。还包括由这种纤维的纳米纤维网制成的过滤介质。

Description

用于高湿度环境的过滤介质

发明领域

本发明涉及过滤领域。具体地讲，本发明涉及用于过滤空气流和其他气体流的改进的方法和材料。

发明背景

流体流诸如空气流和气体流常常会在其中承载颗粒物质。需要从流体流中除去一些或全部的颗粒物质。例如，进入机动车辆舱室的进气流，计算机磁盘驱动器中的空气，HVAC空气，使用滤袋、阻挡织物、织造材料的洁净室通风和应用，进入机动车辆发动机的空气，或进入发电设备的空气；被引导到气体涡轮中的气体流；以及进入各种燃烧炉的空气流，均常常在其中包括颗粒物质。在舱室空气过滤器的情形中，为了使乘客感到舒适和/或为了美观的目的，希望除去所述颗粒物质。对于进入发动机、气体涡轮和燃烧炉的空气进流和气体进流，希望除去颗粒物质，因为颗粒可能对所涉及的各种机构的内部运作造成基本的损害。在其他情况下，源自工业过程或发动机的生产用气体或废气也可在其中包含颗粒物质。在此类气体可或应当通过各种下游设备被排放到大气中之前，期望从那些气流中基本上除去颗粒物质。

由于预想到由聚合材料制成的过滤介质具有更高要求的应用，需要显著地改进材料以耐受环境温度以上的苛刻温度，并且尤其是高湿度或有液态水存在的情况。聚合材料在热和/或湿气的存在下可降解或经历形态学改变，并且过滤效率或压降可能受到影响。如果压降在湿气的存在下升高，则会降低过滤器的使用寿命或会提升驱动空气或气体穿过过滤器所花费的成本。

因此，过滤器元件在成形之后的一个重要参数是其对热、湿度或它们两者的影响的阻抗。关于所需求的能够管理湿气的过滤器的一个特定实例为气体涡轮进气过滤器，其中涡轮在靠近沿岸区或在雨或雾条件下运行。湿气可被夹带在过滤元件中而导致压降增加，这会降低涡轮的功率输出。过滤介质不受湿气影响的能力对于涡轮的操作者来讲是很有价值的，并且其允许涡轮产生功率而不会因吸入阻力的增加而产生任何损失。

本发明解决了对聚合材料、微纤维和纳米纤维材料以及过滤结构的需求，它们提供在更高温度和更高湿度下过滤气流的改善的特性。具体地讲，本发明涉及过滤结构，它们在存在湿度的情况下不表现出压力波动。

发明概述

本发明涉及纳米纤维，所述纳米纤维包括至少一种湿气敏感的聚合物和氢键材料的基本上球形的纳米颗粒，所述氢键材料被混入纤维的主体之中，其中所述材料以相当于大于聚合物重量的2％的量存在，并且纳米纤维具有沿其长度测量的小于一微米的平均纤维直径。

本发明还涉及过滤介质，所述过滤介质包括纳米纤维网，所述纳米纤维网包括数均纤维直径为一微米或更小的湿气敏感的聚合物纳米纤维，所述纤维中混入了氢键材料的基本上球形的纳米颗粒，其中氢键材料以相当于大于聚合物重量的2％的量存在，并且纳米纤维具有沿其长度测量的小于一微米的平均纤维直径。

本发明还涉及用于过滤空气的方法，所述方法包括使空气穿过介质的步骤，所述介质包括如上所述的纳米纤维网，所述纳米纤维网包括数均纤维直径为一微米或更小的湿气敏感的聚合物纤维，并且包括氢键材料的纳米颗粒，其中所述材料以相当于大于聚合物重量的2％的量存在，并且纳米纤维具有沿其长度测量的小于一微米的平均纤维直径。在该方法的一个实施方案中，纳米颗粒为基本上球形的。

发明详述

本发明涉及纳米纤维，所述纳米纤维包括至少一种湿气敏感的聚合物和氢键材料的基本上球形的纳米颗粒，所述氢键材料被混入纤维的主体之中，其中所述材料以相当于大于聚合物重量的2％的量存在，并且纳米纤维具有沿其长度测量的小于一微米的平均纤维直径。优选地，纳米颗粒为基本上球形的。

所述湿气敏感的聚合物没有特别的限制，但可选自聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚和酯、聚硫化亚烃、聚亚芳基氧、聚砜、改性的聚砜聚合物以及它们的混合物。此外，还有聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸类树脂)、各种水解度(87％至99.5％)的交联和非交联形式的聚乙烯醇。

所述氢键材料也没有特别的限制，但可选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆和有机聚合物。

氢键材料也可以相当于大于聚合物重量的2.5％，优选地大于聚合物重量的3％，甚至大于聚合物重量的4％或5％的量存在。

本发明还涉及过滤介质，所述过滤介质包括纳米纤维网，所述纳米纤维网包括数均纤维直径为一微米或更小的湿气敏感的聚合物纳米纤维，所述纤维中混入了如上所述的氢键材料的纳米颗粒，并且以相当于大于聚合物重量的2％或2.5％，优选地大于聚合物重量的3％，甚至大于聚合物重量的4％或5％的量存在。

本发明也涉及过滤器组合件，所述过滤器组合件包括如上所述的过滤介质。

本发明还涉及用于过滤空气的方法，所述方法包括使空气穿过介质的步骤，所述介质包括如上所述的纳米纤维网，所述纳米纤维网包括数均纤维直径为一微米或更小的湿气敏感的聚合物纤维，并且包括氢键材料的纳米颗粒，并且以相当于大于聚合物重量的2％或甚至2.5％，优选地大于聚合物重量的3％，甚至大于聚合物重量的4％或5％的量存在。在该方法的一个实施方案中，纳米颗粒为基本上球形的。

定义

“悬浮液”或“溶胶”可指任何形状或尺寸的颗粒在流体中的任何浆液、悬浮液或乳液。所述流体通常为水，虽然本发明不限于含水悬浮液。悬浮液可指一种如下系统，其会随着时间的推移发生沉降，因而是不稳定的，但在本发明的使用时段内是分散的。

如本文所用，“纤维”是指如下的细长体，其长度尺寸远远大于宽度和厚度的横向尺寸。因此，“纤维”包括例如单丝、复丝(连续纤维或短纤维)、带、条、短纤维和其他形式的具有规则或不规则横截面的短切、切割或不连续的纤维等。“纤维”包括上述纤维中的任何一种或上述纤维的组合的多个纤维。

如本发明所用，“纳米颗粒”是指基本上由无机或有机材料制成的颗粒，它们具有小于约750nm，优选地小于500nm，更优选地小于200或甚至100nm的主(最长)尺寸。本发明的纳米颗粒能够氢键到它们所混入其中的聚合物中。术语“氢键”是指本领域的技术人员，具体地讲是化学领域的技术人员可理解的分子间键合的类型。在本发明的上下文中，聚合物诸如胺、酰胺和羧基键上的极性基团能够以静电方式键合到所述材料上的极性键。当所述材料为无机材料时，所述材料上的此类极性键将通常为金属-氧键诸如Si-O，Al-O，Zr-O，Ti-O等。

“基本上球形的”是指这些颗粒具有在它们的制造方法所允许的精度以内的球形对称性，并且所述颗粒没有一个轴线或方向可被判定为显著地大于任何其他轴线或方向。在聚合物纤维基质的颗粒中也没有任何一个轴线的取向是优选的。就本发明而言，由制造方法或对颗粒的观察所引起的偏离球形对称性的畸变仍然使得颗粒成为球形对称的。

适用于本发明的纳米颗粒物质包括但不限于二氧化硅、氧化铝、氧化锆、二氧化钛、和混合材料、或有机聚合物，它们在被混入聚合物基质中时会形成纳米颗粒结构。在本发明中可使用高岭土，并且其可为含水的(Al₂O₃.2SiO₂.2H₂O)或煅烧过的(Al₂O₃.2SiO₂)。含水的和煅烧过的高岭土是人们所熟知的可商购获得的材料。

纳米颗粒可通过多种技术被混入聚酰胺纤维之中。例如，纳米颗粒可在聚合之前与形成聚合物的单体混合，或其可与非挥发性油混合以形成可倾倒的浆液，所述浆液随后被加入聚合物之中。另一种方法是利用母炼技术，其中将包含聚酰胺和高岭土的浓缩物共混或松弛成进料或基体聚酰胺树脂。然后将所述共混物纺成纤维。可将所述浓缩物注入包括所述基体聚合物树脂的纺丝机中。基于浓缩物的重量，浓缩物可包括约9至约50，优选地约25至约35重量％的纳米颗粒物质，其余的为聚合物。

基于聚合物纤维的重量，所述纤维中的纳米颗粒的量应当大于约2.0，优选地大于2.5，3.0，4.0或甚至5.0重量％。如果包括的是小于2重量％，则聚合物纤维将不表现出所期望的湿气阻抗。

“压延”是将纤维网通过两个辊之间的辊隙的工艺。辊可以彼此接触，或者可以在辊表面之间有固定的或可变的间隙。有利的是，在该压延过程中，辊隙在软辊和硬辊之间形成。“软辊”是指在为了保持两辊在压延机中接触而施加的压力下会变形的辊。“硬辊”是具有下述表面的辊，该表面在工艺压力下不会发生对工艺或产品产生显著影响的变形。“无图案的”辊是指在能够制造它们的过程中具有平滑表面的辊。当纤维网通过辊隙时，不同于点粘合辊，没有点或图案可在纤维网上特意生成图案。

“稀松布”为支撑层，并且可为能够与纳米纤维网结合、粘附或层合的任何结构。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。

术语“非织造材料”是指包括多根纤维的纤维网。纤维可彼此粘结，或者可不粘结。纤维可以是短纤维或连续纤维。纤维可包含一种材料或多种材料，也可以是不同纤维的组合或者是分别由不同材料构成的类似纤维的组合。

适用于本发明的实施方案的非织造纤维网包括湿气敏感的材料的纤维，例如弹性体、聚酯、人造丝、纤维素、尼龙以及此类纤维的共混物。已经提出了许多非织造纤维网定义。纤维通常包括短纤维或连续长丝。如本文所用，“非织造纤维网”在一般意义上是用于定义较平坦、柔性和多孔并包括短纤维或连续长丝的一般平面结构。对于非织造织物的详细描述，可参见E.A.Vaughn的“NonwovenFabricPrimerandReferenceSampler”，ASSOCIATIONOFTHENONWOVENFABRICSINDUSTRY，第3版(1992)。非织造织物可为梳理成网的、纺粘的、湿法成网的、气流成网的和熔喷的，如行业中人们所熟知的此类产品。

非织造织物的实例包括熔喷纤维网、纺粘纤维网、梳理纤维网、气流法纤维网、湿法成网法纤维网、射流喷网法纤维网、以及包括一个以上非织造材料层的复合纤维网。

如本文所用，术语“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之间的数均直径的纤维。就非圆形横截面的纳米纤维而言，如本文所用，术语“直径”是指最大的横截面尺寸。

“包括湿气敏感的聚合物纤维的纤维网”是指如下纤维网，其包括由聚合物制成的纤维，当所述纤维网用作气体诸如空气中的过滤介质时，所述聚合物在存在呈液滴形式或呈湿空气流或气体流形式的湿气的情况下表现出压力尖峰。此类聚合物通常在聚合物链的主链或在其端基中具有至少一个位于两种相异元素之间的极性共价键。

可用于本发明的聚合物组合物的湿气敏感的聚合材料的实例包括加聚物和缩聚物材料，诸如但不限于聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚和酯、聚硫化亚烃、聚亚芳基氧、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聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸类树脂)、各种水解度(87％至99.5％)的交联和非交联形式的聚乙烯醇。优选的加聚物可为玻璃状的(大于室温的Tg)，诸如聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯醇材料的情况，并且可混入增塑剂。

适用于本发明的一类聚酰胺缩聚物为尼龙材料。术语“尼龙”为所有长链合成聚酰胺的类属名。通常，尼龙命名包括一系列数字，诸如在尼龙-6，6中，其表示起始材料为C₆二胺和C₆二酸(第一数字表示C₆二胺，并且第二数字表示C₆二元羧酸化合物)。尼龙也可通过在少量水的存在下缩聚ε己内酰胺来制造。该反应形成尼龙-6(由环状内酰胺--也称为ε-氨基己酸制成)，所述尼龙为直链聚酰胺。此外，也设想到尼龙共聚物。共聚物可通过如下方式制成：在反应混合物中混合各种二胺化合物、各种二酸化合物和各种环状内酰胺结构，然后形成具有聚酰胺结构的无规定位的单体材料的尼龙。例如，尼龙6，6-6，10材料为一种由1，6-己二胺和二酸的C₆及C₁₀共混物制成的尼龙。尼龙6-6，6-6，10为一种通过共聚ε氨基己酸、1，6-己二胺和C₆及C₀二酸的共混物材料制成的尼龙。

嵌段共聚物也用于本发明的产品和方法。对于此类共聚物，对溶剂溶胀剂的选择是很重要的。所选择的溶剂使得这两个嵌段均可溶于所述溶剂。此类嵌段共聚物的实例为Pebax类e-己内酰胺-b-亚乙基氧、Sympatex聚酯-b-亚乙基氧以及亚乙基氧和异氰酸酯的聚氨酯。

加聚物比如聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、非晶态加聚物，诸如聚丙烯腈及其与丙烯酸和甲基丙烯酸酯的共聚物、聚苯乙烯、聚氯乙烯及其各种共聚物、聚异丁烯酸甲酯及其各种共聚物均适用于本发明，并且可相对容易地进行溶液纺丝，因为它们可在较低的压力和温度下溶解。

可有利地形成如下聚合物组合物，它们包括呈聚合物混合物、合金型式或交联的化学键合结构的两种或更多种聚合材料。此类聚合物组合物通过如下方式改善物理特性：改变聚合物属性，诸如改善聚合物的链柔韧性或链流动性、增加总体分子量并通过形成聚合材料的网络来提供强度。

在本概念的一个实施方案中，可共混两种相关的聚合物材料以便产生有益的特性。例如，可将高分子量的聚氯乙烯与低分子量的聚氯乙烯共混。类似地，可将高分子量的尼龙材料与低分子量的尼龙材料共混。此外，还可共混一大类聚合物种类中的不同物质。例如，尼龙-6材料可与尼龙共聚物诸如尼龙-6；6，6；6，10共聚物共混。此外，具有低水解度的聚乙烯醇诸如87％水解的聚乙烯醇可与水解度介于98和99.9％之间和更高的完全或超水解的聚乙烯醇聚乙烯醇共混。所有这些混合材料均可使用适当的交联机制来交联。尼龙可使用与酰胺键中的氮原子反应的交联剂来交联。聚乙烯醇材料可使用如下羟基反应性材料来交联：诸如一醛，诸如甲醛、脲、三聚氰胺-甲醛树脂及其类似物、硼酸和其他无机化合物、二醛、二酸、氨基甲酸酯、环氧化物以及其他已知的交联剂。交联技术是人们熟知并理解的现象，其中交联试剂起反应并在聚合物链之间形成共价键以基本上改善分子量、耐化学品性、总体强度和对机械劣化的阻抗。

应当理解，针对不同的应用，存在种类极多的纤维过滤介质。本发明所述的耐用纳米纤维和微纤维可加入任何所述介质之中。本发明所述的纤维也可用来替代这些现有介质的纤维组分，因为它们具有归因于它们的小直径的改善的性能(改善的效率和/或减小的压降)的显著的优点，同时表现出更大的耐久性。

本发明的初生纳米纤维网可被压延以便赋予所期望的改善的物理特性。在本发明的一个实施方案中，将初生的纳米纤维网喂入两个无图案的辊之间的辊隙中，其中一个辊是无图案的软辊，一个辊是无图案的硬辊，并且将硬辊的温度保持在介于T_g和T_om之间的温度，其中T_g在本文中被定义为聚合物从玻璃态向橡胶态转变时的温度，并且T_om在本文中被定义为聚合物开始熔融的温度，使得纳米纤维网的纳米纤维在穿过压延辊隙时处于塑性状态。可改变这些辊的组成和硬度以产生所期望的最终使用特性。在本发明的一个实施方案中，一个辊为硬金属，例如不锈钢，另一个是软金属或聚合物涂覆的辊或硬度小于洛氏B70的复合材料辊。纤维网在两个辊之间的辊隙中的停留时间由纤维网的线速度控制，所述线速度优选介于约1m/min和约50m/min之间，并且两辊之间的占有面积为纤维网与双辊同时接触时的纵向距离。该占有面积受施加在两辊之间的辊隙处的压力来控制，并通常以辊的每线性横向尺寸上的力来衡量，优选介于约1mm和约30mm之间。

此外，非织造纤维网可被拉伸，同时任选地被加热至纳米纤维聚合物的T_g和最低T_om之间的温度。拉伸可以在将纤维网喂入压延辊中之前和/或之后进行，可以在纵向或横向上进行，或在两个方向上同时进行。

术语“纳米颗粒”也可包括“纳米粘土”和“有机粘土”。“纳米颗粒”是指最大尺寸(例如，直径)小于，或小于等于约750nm(纳米)的颗粒。如同在本文中明确写出的一样，本文中也混入并包括了在介于0nm和750nm之间的所有范围内的粒度。应当理解，在整个说明书中给出的每一限定值将包括每一个下限或上限，视具体情况而定，如同该下限或上限在本文明确写明一样。纳米颗粒的粒度分布的非限制性实例为在约2nm至小于约750nm，或者约2nm至小于约200nm，或者约2nm至小于约150nm范围内的粒度分布。还应当理解，取决于纳米颗粒所混入其中的纤维的尺寸，粒度的某些范围可为适用的。各种类型的颗粒的平均粒度可不同于所述颗粒的粒度分布。例如，层状的合成硅酸盐可具有约25纳米的平均粒度，而其粒度分布一般可在约10nm至约40nm之间变化。(应当理解，本文所述的粒度是针对分散的处在含水介质中时的颗粒而言的，并且平均粒度基于颗粒数分布的平均值。

球形颗粒在本发明中是优选的，但纳米颗粒也可包括非球形颗粒。纳米颗粒的非限制性实例可包括粒度为约2至约750纳米的结晶或非晶态颗粒。例如勃姆石氧化铝可具有2至750nm的平均粒度分布。纳米管可包括至多1厘米长、或者粒径为约2至约50纳米的结构。

适用于本发明的组合物的纳米颗粒可为基本上球形的形状，并且具有小于约750纳米的平均粒径，并且在化学组成上是基本上无机的。纳米颗粒可基本上包括单一氧化物诸如二氧化硅，或可包括一种类型的氧化物芯(或除金属氧化物以外的材料的芯)，在所述芯上沉积了另一种类型的氧化物。一般来讲，纳米颗粒的尺寸(平均粒径)范围也可为约2纳米至约750纳米，约2纳米至约500纳米，约10纳米至约300纳米，或约10纳米至约100纳米，并且尺寸范围可在介于5和500纳米之间的任何范围内。也期望纳米颗粒具有围绕给定平均粒度的相对窄的粒度分布。

某些层状粘土矿物和无机金属氧化物可为纳米颗粒的实例，并且在本文中也称为“纳米粘土”。适用于本发明的层状粘土矿物包括如下地质类别中的那些：绿土、高岭土、伊利石、绿泥石、绿坡缕石和混合层粘土。属于这些类别的具体粘土的典型实例为绿土、高岭土、伊利石、绿泥石、绿坡缕石和混合层粘土。例如，绿土包括蒙脱石、膨润土、叶蜡石、锂蒙脱石、皂石、锌蒙脱石、囊脱石、滑石、贝得石、铬高岭石和蛭石。高岭土包括高岭石、地开石、珍珠陶土、叶蛇纹石、蠕陶土、多水高岭土、埃洛石和温石绒。伊利石包括漂云母、白云母、钠云母、金云母和黑云母。绿泥石包括绿泥间蛭石、叶绿泥石、片硅铝石、须藤石、叶绿泥石和斜绿泥石。绿坡缕石包括海泡石和坡缕石。混合层粘土包括钠板石和黑云母蛭石。这些层状粘土矿物的变体和同构取代物提供独特的应用。

层状粘土矿物可为天然存在的或合成的。本文所用的纳米粘土颗粒的一个非限制性实施方案的一个实例使用天然或合成的锂蒙脱石、蒙脱石和膨润土。另一个实施方案使用可商购获得的锂蒙脱石粘土，并且商业锂蒙脱石的典型来源为源自SouthernClayProducts，Inc.，U.S.A的LAPONITEs；源自R.T.Vanderbilt，U.S.A的VeegumPro和VeegumF；以及源自BaroidDivision，NationalReadComp.，U.S.A.的Barasyms、Macaloids和Propaloids。

天然粘土矿物通常以层状硅酸盐矿物形式存在，并且较少以非晶态矿物形式存在。层状硅酸盐矿物具有被布置成二维网络结构的SiO₄四面体片层。一种2∶1型层状硅酸盐矿物具有数个至数十个硅酸盐片层的层压结构，其具有三层的层状结构，其中镁八面体片层或铝八面体片层夹置在两片二氧化硅四面体片层之间。在一些实施方案中，期望纳米纤维组合物包括如下多个纳米颗粒，所述纳米颗粒包括多种类型的(或第一组)纳米颗粒而不是2∶1层状硅酸盐。应当理解，这组纳米颗粒是指纳米颗粒的类型，并且此类纳米颗粒可按任何方式分布在整个纳米纤维组合物中，并且无需分组在一起。此外，甚至在这些实施方案中，纳米纤维组合物也可包括至少一些(可能是非功能量的)纳米颗粒，所述纳米颗粒包括2∶1层状硅酸盐(其可包括第二组纳米颗粒)。

通过熔体纺丝法将纳米颗粒直接混入纤维之中，可制备和使用包含相对高浓度的片状剥落粘土的纳米复合材料组合物的母料。例如，可使用包含按重量计30％的片状剥落粘土的纳米复合材料组合物母料。如果需要具有3重量％的片状剥落粘土的组合物，则可通过混合1重量份的所述30％的母料与9重量份的所述“纯”聚酰胺来制备包含所述3重量％的组合物。所述混合过程可通过如下方式在聚合物熔体中实现：挤出加工或作为另外一种选择在共同溶剂中共溶解所述母料和所述“纯”聚酰胺。

此类母料组合物可通过典型的熔融混合技术制成。例如，可将各组分加入单螺杆挤出机或双螺杆挤出机或捏合机之中并以标准的方式混合。在所述材料被混合之后，它们可被成形(切割)成粒料或其他颗粒以便方便地进行操纵。如果近晶粘土(例如，蒙脱石)被制造得具有更强的与聚合物的相容性，则其可最佳地在整个聚合物基质中均匀分散并且片状剥落为单个粒料。这可通过如下方式来实现：使蒙脱石粘土中的钠与与聚合物更相容的烷基铵离子发生阳离子交换，或对聚合物进行化学改性，例如通过接枝来改性，以使其与所述粘土更相容。

有必要向聚合物/粘土混合物上施加足够的剪切应力以分离粘土的各层，并且随后使因此片状剥落的粘土粒料均匀地分布在熔体中。挤出机螺杆应当被设计成施加高剪切应力和某种程度的轴向混合。

通过溶液纺丝法直接将纳米颗粒混入纤维之中，可将纳米颗粒在纺丝之前直接被混入聚合物溶液之中。在这种情况下，纳米颗粒在溶液中形成悬浮液或胶体。可任选地加入表面活性剂以确保纳米颗粒适当地分散到溶液之中。可能需要对溶液施加热和剪切以便获得足够的颗粒分散体，并且本领域的技术人员将能够认识到完成该任务所用的方法和设备。

初生纳米纤维网主要包含或仅包含纳米纤维，该纳米纤维有利地通过静电纺纱来制备，例如传统的静电纺纱或电吹法；在某些情况下通过熔喷法或其他此类合适的方法制成。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，因此无法商业化形成基重较重的纤维网。

“电吹”法公开于世界专利公布WO03/080905中，其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中，向喷丝头施加高电压并且聚合物溶液经喷丝头排出。同时，任选地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。通常向下引导空气作为吹气流，吹气流包裹住新排出的聚合物溶液并使其向前并且有助于形成纤维网，所述纤维网被收集在真空室上方的接地多孔收集带上。电吹法使得可在相对短的时间周期内形成基重超过约1gsm，甚至高达约40gsm或更高的商用尺寸和数量的纳米纤维网。

还可通过离心纺丝方法来制备本发明的纳米纤维网。离心纺丝是包括以下步骤的纤维形成方法：将具有至少一种任选地溶解于至少一种溶剂中的聚合物的纺丝溶液或熔体装入具有旋转锥形喷嘴的旋转喷涂器中，其中喷嘴具有凹的内表面和向前的表面释放边缘；使纺丝溶液从旋转喷涂器中沿凹的内表面流出，以便使所述纺丝溶液朝喷嘴释放边缘的向前表面散布；以及用纺丝溶液形成单独的纤维流，同时使溶剂蒸发，以便在存在或不存在电场的情况下形成聚合物纤维。成型流体可在喷嘴周围流动以引导纺丝溶液离开旋转喷射器。可将这些纤维收集在收集器上以形成纤维网。离心纺丝法的一个实例见于专利申请11/593,959和12/077,355，这两个专利申请均以引用方式全文并入本文。

基底或稀松布可被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，以便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、针刺或水刺非织造布、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即可。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。

根据本发明的过滤介质构造可包括单独的纳米纤维网、或可渗透的粗纤维介质的第一层或具有第一表面的基底。将细纤维介质的第一层固定到可渗透的粗纤维介质的第一层的第一表面。优选地可渗透的粗纤维材料的第一层包括如下纤维，所述纤维具有至少10微米，通常且优选地约12(或14)至30微米的平均直径。此外，优选地可渗透的粗纤维材料的第一层还包括如下介质，所述介质具有不大于约300克/米²，优选地约70至270g/m²，并且最优选地至少15g/m²的基重。优选地可渗透的粗纤维介质的第一层为至少0.0005英寸(12微米)厚，并且通常且优选地为约0.001至0.030英寸(25-800微米)厚。

根据本发明的某些优选的配置包括如一般在总体过滤器构造中所定义的过滤介质。用于此类用途的一些优选的配置包括被布置成圆柱形打褶构型的介质，其中所述褶皱大致在纵向上延伸，即在与所述圆柱形图案的纵向轴线相同的方向上延伸。就此类配置而言，介质可嵌置在端帽中，如常规过滤器的情况那样。如果需要，此类配置可包括用于典型的常规目的的上游衬件和下游衬件。

在某些应用中，根据本发明的介质可与其他类型的介质例如常规介质联合使用以改善总体过滤性能或使用寿命。例如，根据本发明的介质可被层压到常规介质，被用于堆叠配置中；或被混入(整体部件)包括一个或多个常规介质区域的介质结构之中。其可用在此类介质的上游以便具有较大载荷；和/或其可用在常规介质的下游以作为高效率的抛光过滤器。

根据本发明，提供了用于过滤的方法。这些方法一般涉及如上所述利用介质以有利于进行过滤。具体地讲，根据本发明的介质可被过滤器设计领域的技术人员构造和构建成在相对高效的系统中提供相对长的使用寿命。

实施例

湿气测试

模拟过滤介质的润湿并使用17.8厘米乘17.8厘米的介质样本测量包含在其中的相关联的空气流阻抗的增加。使用围绕周边均匀间隔开的十个耐用型夹具将样本固定并密封到161.3平方厘米的压力室开口上。然后将空气管线连接到低压调节器，并且用三个独立的流量计来控制进入压力室中的空气流。由于具有测量大约0-100升/分钟的容量，流量计允许空气进入压力室。当被设定为17.2升/分钟的空气流试图穿过5英寸乘5英寸的介质样本的正方形区域时，三个测量0和1270毫米之间水的压力计显示出所述室内的压力。将该干样本压力测量值记录为初始压力。由17.2升/分钟的流量所产生的面速度对于所述161.3平方厘米的介质区域来讲为大约1.78厘米/秒，并且相当于运行的气体涡轮过滤器中所存在的典型的面速度。以介于55和70ml/min之间的流量使样本经受源自位于压力室内的喷嘴的水喷雾并持续六分钟的时段。在水喷雾开始时，每30秒做一次压力测量，直到样本干透并回到大约初始干燥起始压力。

实施例1

使用湿气测试规程测试了对照样本以作为基线性能数据集，所述对照样本包括由KolonIndustries，Inc.制造的型式为L2165的165g/m²纺粘聚酯，其层合到大约2g/m²的尼龙6，6电吹纳米纤维。使用相同的规程对样本进行了后续的湿气测试，所述样本被加工成具有相同的基体材料和基重，但也包含二氧化硅纳米颗粒添加剂，所述添加剂由NissanChemicals以按体积计20.7％的浓度用商品名为EG-ST的乙二醇制造而成，并且与电吹尼龙6，6纳米纤维共纺。制备了两种重量浓度的EG-ST，使得所述大约2g/m²的尼龙6，6包含按重量计大约3％和5％的直径＜100nm的非晶态二氧化硅纳米颗粒。表1所示的结果展示了与所加入的非晶态二氧化硅纳米颗粒的浓度相关的改善，这与165g/m²纺粘聚酯和不包含非晶态二氧化硅纳米颗粒的2g/m²的尼龙6，6纳米纤维的对照样本形成对比。也示出了单独的由KolonIndustries，Inc.制造的型式为L2165的165g/m²纺粘聚酯的性能，而没有尼龙6，6纳米纤维来隔离所述结构的单独的纺粘PET部分的压降贡献，所述部分未加入非晶态二氧化硅纳米颗粒。

表1

实施例2

使用湿气测试规程测试了对照样本以作为基线性能数据集，所述对照样本包括由KolonIndustries，Inc.制造的型式为L2165的165g/m²纺粘聚酯，其层合到大约2g/m²的尼龙6，6电吹纳米纤维。使用相同的规程对样本进行了后续的湿气测试，所述样本被加工成具有相同的基体材料和基重，但也包含二氧化硅纳米颗粒添加剂，所述添加剂由NissanChemicals以按体积计30.5％的浓度用商品名为MEK-ST的二氯甲烷制造而成，并且与电吹尼龙6，6纳米纤维共纺。制备了三种重量浓度的MEK-ST，使得所述大约2g/m²的尼龙6，6包含按重量计大约1％，3％，和5％的直径＜100nm的非晶态二氧化硅纳米颗粒。表2所示的结果展示了与所加入的非晶态二氧化硅纳米颗粒的浓度相关的改善，这与165g/m²纺粘聚酯和不包含非晶态二氧化硅纳米颗粒的2g/m2的尼龙6，6纳米纤维的对照样本形成对比。也示出了单独的由KolonIndustries，Inc.制造的型式为L2165的165g/m²纺粘聚酯的性能，而没有尼龙6，6纳米纤维来隔离所述结构的单独的纺粘PET部分的压降贡献，所述部分未加入非晶态二氧化硅纳米颗粒。

表2

Claims

1.纳米纤维，包括氢键材料的基本上球形的纳米颗粒和至少一种湿气敏感的聚合物，所述氢键材料被混入所述纤维的主体之中，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的2％至等于5％的量存在，并且所述纳米纤维具有沿其长度测量的小于一微米的平均纤维直径。

2.权利要求1的纳米纤维，其中所述湿气敏感的聚合物选自聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚、纤维素酯、聚硫化亚烃、聚亚芳基氧、聚砜、改性的聚砜聚合物以及它们的混合物、聚氯乙烯以及交联和非交联形式的聚乙烯醇。

3.权利要求1的纳米纤维，其中所述氢键材料选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆和有机聚合物。

4.权利要求1的纳米纤维，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的2.5％的量存在。

5.权利要求1的纳米纤维，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的3％的量存在。

6.权利要求1的纳米纤维，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的4％的量存在。

7.权利要求1的纳米纤维，其中所述湿气敏感的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。

8.过滤介质，包括纳米纤维网，所述纳米纤维网包括数均纤维直径为一微米或更小的湿气敏感的聚合物纤维，所述纤维包括氢键材料的基本上球形的纳米颗粒，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的2％至等于5％的量存在。

9.权利要求8的介质，其中所述湿气敏感的聚合物选自聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚、纤维素酯、聚硫化亚烃、聚亚芳基氧、聚砜、改性的聚砜聚合物以及它们的混合物、聚氯乙烯以及交联和非交联形式的聚乙烯醇。

10.权利要求8的介质，其中所述氢键材料选自二氧化硅、氧化铝、氧化锆和有机聚合物。

11.权利要求8的介质，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的2.5％的量存在。

12.权利要求8的介质，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的3％的量存在。

13.权利要求8的介质，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的4％的量存在。

14.权利要求8的介质，其中所述湿气敏感的聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。

15.用于过滤空气的方法，包括使所述空气穿过介质的步骤，所述介质包括纳米纤维网，所述纳米纤维网包括数均纤维直径为一微米或更小的湿气敏感的聚合物纤维，所述纤维包括氢键材料的纳米颗粒，所述氢键材料被混入所述纤维的主体之中，其中所述氢键材料以相当于大于所述聚合物重量的2％至等于5％的量存在。

16.权利要求15的方法，其中选择所述聚合物和所述氢键材料，使得在所述纳米颗粒的存在下，在161.3平方厘米的表面积上存在55-70ml/min的水流量以及1.78cm/s的空气流面速度的情况下，所述介质表现出小于220mm水的压力尖峰，并且其中所述压力尖峰在缺乏所述纳米颗粒的情况下将超过240mm水。

17.权利要求15的方法，其中所述纳米颗粒为基本上球形的。

18.权利要求16的方法，其中所述纳米颗粒为基本上球形的。

19.过滤器组合件，包括权利要求8的过滤介质。