CN103747854A - 包括纳米纤维层的选择性水蒸汽输送膜及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种水蒸汽输送膜包括置于一个大孔支撑层上的一个纳米纤维层，该纳米纤维层涂覆有一种水可渗透性聚合物。一种用于制作水蒸汽输送膜的方法包括：在一个大孔支撑层上形成一个纳米纤维层，并且将一种水可渗透性聚合物涂布到该纳米纤维层上。这种水可渗透性聚合物可以涂布成使得该纳米纤维层基本上或部分地填充有该水可渗透性聚合物，或使得该涂层在该纳米纤维层的一个表面上形成一个基本上连续的层。在该方法的一些实施例中，该纳米纤维层是通过在该多孔支撑层的至少一侧上对至少一种聚合物进行电纺丝来形成的。在某些实施例中，这个支撑层是可成形的，并且该方法进一步包括从该水蒸汽输送膜成形一种三维结构，例如，通过压缩模制、打褶或起皱。

Description

包括纳米纤维层的选择性水蒸汽输送膜及其制作方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及了2011年6月7日提交的标题为“包括纳米纤维层的选择性水蒸汽输送膜及其制作方法”的美国临时专利申请序号61/494,122并且要求来自其的优先权权益，该临时专利申请特此通过引用以其全部内容结合。

发明领域

本发明涉及包括一个纳米纤维层和选择性涂层的水蒸汽输送膜。这类膜特别适合用于在全热交换器（enthalpy exchanger）和涉及在气体流之间水分和可任选地热量交换的其他应用中使用，其中很少或没有气体流穿过该膜进行混合。

背景

热回收通风设备（HRV）是一种机械装置，该装置将一种热交换器与一种通风系统相结合用于提供受控的通风到建筑物中。热交换器使用排出的空气来加热或冷却进入的新鲜空气。同样在两种空气流之间交换水分的装置一般被称为能量回收通风设备（ERV），有时还被称为全热回收通风设备或全热交换器。

为了使建筑物具有良好的室内空气品质，它们需要浑浊的室内空气与新鲜的室外空气的交换。出于这个目的ERV可以得以使用并与一种从正被带入建筑物的通风空气中去除过量的湿度或增加湿度到其中的方法结合。除了改善建筑物中的室内空气品质外，ERV的安装将产生节能。例如，在炎热和潮湿的气候下，当冷却的空气从建筑物排出时，可用的能量被浪费了。在ERV中，排出的空气可以用于冷却从外部被带入的较热的空气，从而降低空气调节器的能量消耗负荷和与空气调节相关的能量。在适当设计的情况下，可以降低空气调节器的尺寸。如果建筑物倾向于过度潮湿，ERV可以降低湿度水平，从而降低引起疾病、缺勤以及损失生产力的霉菌、细菌、病毒、以及真菌的可能性。另一方面，在寒冷干燥的气候下，当热空气从建筑物排出时，能量被浪费了，加上会存在进入的空气流过于干燥的另外的问题。除了将热量从排出的空气转移到进入的空气，ERV可以用于从排出的气流中对水蒸汽进行再循环，从而提高湿度水平，由此减少皮肤刺激、干燥、以及由干燥空气引起的呼吸症状。

ERV系统中转移这些空气流之间热量和湿度的一个关键部件被称为ERV芯。两种最常见类型的ERV是基于平面膜板式装置的那些和基于旋转全热轮（enthalpy wheel）装置的那些。平面板式ERV芯包括多个水可渗透性膜层。这两种空气流被引导穿过ERV芯的多个交替层或到其多个相反的侧上，并且热量和湿度经由膜进行转移。全热轮ERV（还被称为能量轮）典型地具有一个涂覆有干燥剂的圆柱形或盘形的蜂巢芯。电动机使该圆柱体旋转，从而在进气与排出空气流之间转移热量和湿度。ERV系统典型地还包括一个外壳、用于使这些空气流移动的多个泵或风扇、管道、还有多个过滤器、控制电子器件以及其他部件。

因为空气被排出主要用于从建筑物中去除浑浊的和污染的空气，所以优选排出的流应该不能在这两种气流穿过ERV时与膜的相反侧上的进入气流相混合。然而，在许多情况下，由于ERV中的密封件或接头处的渗漏和/或由于这些气体穿过该膜材料而存在交叉污染（多个流之间的渗漏）。

优选在ERV芯中所使用的膜是薄的以便允许热量在这两种气流之间充分交换，这是由这些流之间的温度梯度来驱动的。该膜还是水可渗透性的以便允许水分穿过该材料，这是由这两种气流之间的蒸汽压力差或水浓度梯度来驱动的。更薄的膜将倾向于具有更高的热量和水分输送速率。理想地，该膜还是对空气和污染物气体来说不可渗透的，以便防止这两种气流穿过该膜进行混合和交叉。

已经使用或建议用于ERV应用的膜包括：纤维素薄膜；涂覆或浸渍有一种亲水聚合物或一种亲水聚合物-干燥剂混合物的纤维素纤维或玻璃纤维纸或多孔聚合物薄膜；经由界面聚合制造的薄膜复合材料；由非织造支撑层上的吹塑薄膜（blown film）制成的层压膜；包括结合到一种多孔支撑物上的一种离聚物薄膜的层压膜；以及磺化的和羧酸化的离聚物薄膜。其他材料涉及将一个水可渗透性涂层涂布到微孔衬底上。然而，所有这些材料都具有缺点。例如，纤维素薄膜在润湿条件下在机械上和尺寸上是不稳定的，倾向于经受冷冻/融化破裂，并且典型地是相当厚的（例如，大于10微米），这导致较低的水渗透率。在液体水存在的情况下，水溶性组分倾向于洗掉涂覆有亲水聚合物和/或聚合物-干燥剂混合物的纸或聚合物薄膜。当将一种干燥剂添加到该涂层中时，这会需要多个高干燥剂负荷（>80%）以及厚的涂覆层以便阻断气体输送；这可以减少水输送。纤维素薄膜和涂覆的纸还倾向于是可燃的并且经受微生物生长。在通过界面聚合制造的薄膜复合材料的情况下，为了减少涂层洗掉的问题，使单体在一种多孔聚合物衬底的表面上反应以制成一种化学结合的水可渗透性涂层。这类膜倾向于是昂贵的并且它们的制作涉及有机溶剂和其他苛性化学品的使用。此外，可以结合的添加剂的类型受到所涉及的化学作用的限制。通过将一种流延离聚物薄膜结合到一种多孔支撑物上制成的层压膜、或层压到一种非织造物上的吹塑薄膜（例如，聚醚-嵌段酰胺（PEBA）），由于这两种层的不同尺寸特性（例如，溶胀和热膨胀）和在它们之间形成一种强结合的难度而倾向于层离。并且，这类层压膜的水输送性能倾向于是有限的，因为离聚物或吹塑薄膜必须是足够厚的（例如，大于5微米），以使得它可以被加工成一种连续的、无小孔的薄膜并且然后进行处理以便制造该层压材料。

一种用于全热交换器和其他应用（涉及气体流之间的水分和任选地热量的交换）的膜（其中很少或没有气体流穿过该膜进行混合）的令人希望的特性总体上包括以下项：

□高的水渗透（蒸汽和液体）；

□高的吸水率；

□低的或零空气和污染物气体渗透；

□不可燃的；

□对微生物生长的抗性；

□在干燥时或在潮湿时有利的机械强度和特性，以使得该膜是易于处理的，不会容易撕裂，优选将接受并且保持褶皱，并且是足够刚性的以经受压力差，这样该膜不会过度偏转；

□在液体水存在的情况下良好的尺寸稳定性并且是可洗的，出于维护目的允许清洗而不会破坏或损害ERV芯的功能性；

□在所要求的操作条件下长的寿命，而没有膜组分的有害浸出或损失，并且没有水蒸汽输送性能的显著退化或增加的污染物交叉；

□在液体水冷凝存在的情况下对冷冻-熔化循环的耐受性，而没有性能的显著降低；

□低成本；

□可成形性，意指该膜可以被成形为三维结构并且将保持其所成形的形状。

经常，以上表现出相冲突的要求。例如，具有低的空气渗透性的材料倾向于也具有低的水渗透性；聚合物薄膜提供优异的运用，但倾向于是相当可燃的；并且特制聚合物和高度工程化的薄膜复合材料以及类似材料倾向于是非常昂贵的。

一些用于这些装置的最有希望的现有技术的膜是涂覆有一个水可渗透性聚合物薄层的、多孔的、负载有干燥剂的聚合物衬底，例如如特此通过引用而进行结合的WO2010/132983中所描述的。该衬底给该膜提供结构刚度，而同时该薄的功能性聚合物层提供着水蒸汽输送选择性。利用这类衬底允许一个薄的水可渗透性聚合物层（例如，该涂层的厚度可以是小于5微米，并且优选小于1微米）的涂布，该聚合物层改善了这些材料的水蒸汽渗透性能，尽管仍然存在着对水输送穿过该涂覆层的一些阻力。该衬底的厚度典型地是在50至200微米的范围中，并且测试表明这类膜中多于50%的水蒸汽输送阻力是来自该衬底。这与该多孔衬底的性质有关，该多孔衬底倾向于具有曲折的孔隙和闭端（dead-ended）的孔隙，从而导致对水输送的增加的阻力。

用于增加ERV和其他装置的全热交换效率的关键方式之一是通过减少衬底材料的水蒸汽输送阻力。同时，重要的是不增加该选择性层的厚度。增加性能的另外一种的方式是改进该选择性聚合物层的水渗透率。然而，许多更高渗透性的聚合物对于这些应用来说是成本高昂的。衬底层代表当前材料中成本和输送阻力中的一大部分。如果可以将这个层除去，那么膜的成本将会大大减少，而同时水蒸汽输送性能将会增加。例如，在用于ERV应用的一种当代的膜材料中，微孔衬底层的成本是该膜成本的80%以上。如果可以从该膜中消除该微孔衬底，那么可能存在着使用更昂贵的、但渗透性更高的涂覆材料和添加剂的经济合理性。

可成形的膜在膜组件的组装和制作中是有利的。可以被形成为自支撑式的三维结构的工程化的复合膜材料将允许基于膜的装置的增加的性能和减少的成本。

在此所描述的这些水蒸汽输送膜可以提供高的水渗透率和高的选择性（低的气体交叉率（crossover）），从而使得它们特别适合用于ERV应用和涉及气体流之间的水分和可任选地热量的交换的其他应用。此外，展示了具有类似渗透和选择特性的膜，这些膜也可以被成形为三维结构。

发明概述

一种水蒸汽输送膜包括置于一个多孔支撑层上的一个纳米纤维层，其中该纳米纤维层涂覆有一种水可渗透性聚合物。该纳米纤维层可以基本上或部分地填充有该水可渗透性聚合物，或该涂层可以在该纳米纤维层的一个表面上形成一个基本上连续的层。

一种用于制作水蒸汽输送膜的方法包括：

(a)在一个多孔支撑层上形成一个纳米纤维层；并且

(b)将一种水可渗透性聚合物涂布到该纳米纤维层上。

这种水可渗透性聚合物可以被涂布成使得该纳米纤维层基本上或部分地填充有该水可渗透性聚合物，或使得该涂层在该纳米纤维层的一个表面上形成一个基本上连续的层。在该方法的一些实施例中，该纳米纤维层是通过在该多孔支撑层的至少一侧上对至少一种聚合物进行电纺丝来形成的。在该方法的一些实施例中，这个支撑层是可成形的，并且该方法可以进一步包括从该膜来成形一种三维结构，例如，通过压缩模制、打褶或起皱。

在以上所描述的水蒸汽输送膜或用于制作水蒸汽输送膜的方法的一些实施例中，该水可渗透性聚合物可以是交联的。在某些实施例中，该水可渗透性聚合物是非离子的，在某些实施例中它是离聚物的。在某些实施例中，该水可渗透性聚合物包括一种交联的聚氨酯-聚醚聚合物或一种全氟化的磺酸聚合物。

在以上所描述的水蒸汽输送膜或用于制作水蒸汽输送膜的方法的一些实施例中，该纳米纤维层可以包含聚丙烯腈纤维。

在以上所描述的水蒸汽输送膜或用于制作水蒸汽输送膜的方法的一些实施例中，该水可渗透性聚合物将该纳米纤维层粘合到该多孔支撑层上。

在以上所描述的水蒸汽输送膜或用于制作水蒸汽输送膜的方法的优选实施例中，该支撑层是大孔的。在以上所描述的水蒸汽输送膜或用于制作水蒸汽输送膜的方法的优选实施例中，该支撑层是可成形的。

在以上所描述的水蒸汽输送膜或用于制作水蒸汽输送膜的方法的优选实施例中，该水蒸汽输送膜是基本上空气不可渗透的。

在以上所描述的水蒸汽输送膜或用于制作水蒸汽输送膜的方法的一些实施例中，该支撑层被省去。

如在此所描述的水蒸汽输送膜是在全热交换装置和水蒸汽输送应用中特别有用的。例如，它们可以用于能量回收通风设备中。因此，还提供一种能量回收通风设备芯，该芯包括一种水蒸汽输送膜，该膜包括一个纳米纤维层，其中该纳米纤维层涂覆有一种水可渗透性聚合物。优选地，该纳米纤维层被置于一个多孔支撑层上。

本发明的这些水蒸汽输送膜优于已知的水蒸汽输送膜之处在于：通过利用一个纳米纤维层来支撑一个功能性涂层，可以产生一种低成本的、高度水蒸汽可渗透的和选择性的膜来用于气体到气体水分和/或热量的转移应用。在组合的热量和水分输送应用中，一种薄的膜将是有益的。还可以在多个支撑结构上产生这些层，这些支撑结构可以是可成形的，从而允许改进的交换器几何结构和更高的性能。

附图简要说明

图1A是展示了可以用于制备纳米纤维层的纳米纤维纺丝设备和工艺的实例的简图。

图1B是展示了可以用于制备一个有支撑的、涂覆的纳米纤维层的一种纳米纤维纺丝和卷对卷涂覆设备和工艺的一个实例的简图。

图2A至图2D展示了包括纳米纤维层和水蒸汽可渗透性聚合物涂层而无支撑层的一种水蒸汽输送膜的实施例。

图3A至图3F展示了包括纳米纤维层、水蒸汽可渗透性聚合物、以及大孔支撑层的一种水蒸汽输送膜的实施例。

图4是电纺丝的聚丙烯腈纳米纤维层的表面的电子显微照片。

图5是涂覆的纳米纤维膜的截面的电子显微照片。

图6是涂覆的聚丙烯腈纳米纤维层的表面的电子显微照片，该层已经部分地填充有交联的聚醚-聚氨酯聚合物。

图7是涂覆的聚丙烯腈纳米纤维层的表面的电子显微照片，该层基本上填充有交联的聚醚-聚氨酯聚合物。

图8A是在铝网支撑层上的聚醚-聚氨酯涂覆的聚丙烯腈纳米纤维层的光学显微照片。

图8B是图8A的膜的起皱的样品的照片。

图9是由一种选择性水蒸汽可渗透性膜制成的一个成形的（压缩模制的）全热交换器板的照片，该膜包括在聚酯纺粘非织造织物支撑层上的一个涂覆的纳米纤维层。

图10是一个交叉流动ERV芯的经简化的等距视图。

图11是展示了一个ERV系统的用途的简化图。

发明实施方式的详细说明

在本方法中，改进的水蒸汽输送膜包括一个纳米纤维层，该纳米纤维层涂覆有一种水蒸汽可渗透性聚合物。

如在此所使用的“涂覆的”总体上是指该纳米纤维层的纤维具有置于它们之上的水蒸汽可渗透性聚合物。“涂覆的”包括以下情况：其中该纳米纤维层填充（完全浸渍）或部分填充有该水蒸汽可渗透性聚合物，和/或其中在该纳米纤维层的一个或两个表面上存在着该水蒸汽可渗透性聚合物的一个层或薄膜。该水蒸汽可渗透性聚合物在此还被称为“功能性涂层”或“功能性聚合物”。

该功能性涂层允许该膜对气体和污染物是基本上不可渗透的，而对水和水蒸汽保持高度可渗透性。这种特性被称为选择性。在此所描述的这些膜对水蒸汽的选择性是大于对其他气体和污染物的。在某些实施例中，该纳米纤维层被支撑在一个大孔支撑层上，例如以便增加处理和加工该膜的容易性。在某些实施例中，该功能性涂层除了赋予选择性和高水蒸汽渗透率之外，还可以充当一种粘合剂以便将该纳米纤维层粘附到该支撑层上。该支撑层还可以是可成形的，例如，以使得使该膜可以起皱、打褶或成形为一系列通道或其他三维结构。该膜可以进一步包含添加剂以便对该膜赋予令人希望的功能性，如阻燃性、抗微生物活性、或改进的水和水蒸汽吸收。

在本方法中，该纳米纤维层充当一个框架以便支撑该功能性涂层。随着纤维直径接近10至1000nm的纳米尺度，衬底中的水蒸汽输送阻力可以实质上降低。在本说明书中，纳米纤维材料被定义为具有小于约1000nm的纤维直径的材料。由于这些纤维的小的直径，该纳米纤维层具有非常高的孔隙率。该纳米纤维层的有效孔隙大小一般是在该纳米纤维层的制作过程中纳米纤维材料的沉积程度的函数。该纳米纤维层具有高的水蒸汽渗透率，因为它具有高的孔隙率并且几乎所有这些孔隙都是通孔，具有很少的闭端和低曲折度。这意味着水蒸汽将经由这些纤维之间的开放的空气空间而扩散穿过该纳米纤维层，其中一个相对无阻挡的直线路径穿过该层的厚度且与这些纤维有很少的相互作用。因此，水蒸汽的扩散分子在垂直于该纳米纤维层的平面的轴线上行进的路径长度是在该层的厚度范围内。这导致对扩散种类的输送的阻力降低，因为分子将具有穿过该纳米纤维层的直接和无阻碍的路径，并且因此更高的水蒸汽渗透率。该纳米纤维层可以固有地或通过结合添加剂来对该膜赋予令人希望的特性。这些特性可以包括但不限于，增加的吸附、微生物抗性、或阻燃性。使用一个纳米纤维层用于膜制作的另外一个的优点是该层包含按重量计非常少的聚合物，并且因此材料成本将是很低的。相比之下，在已知的水蒸汽输送膜中用于支撑一个功能性涂层的多孔或微孔层代表了膜的材料成本中的一大部分。

总之，基于纳米纤维的膜的使用具有大大降低对最终膜材料中的水蒸汽输送的阻力的潜力，从而引起装置性能和建筑物的总体能量效率的显著增加。这些纳米纤维膜中增加的性能还将改进在冷冻条件下的ERV性能。在冷冻条件过程中，增加的水蒸汽输送性能允许更多来自排出的流的水蒸汽穿过该膜，这减少所存在的冷凝的量并且降低霜和冰在这些交换器通道中形成的可能性。就寿命而论，纤维衬底提供优于当代微孔衬底的优点之处在于：它们将不会遭受孔隙塌陷和应力诱导的破裂。一般厚度小于100微米的膜在全热交换器中将具有高的热量输送速率。薄于200微米的膜是优选的并且更优选小于100微米。

纳米纤维层已经被结合到用于透气（breathable）性能的衣物、防护衣物、超滤、水净化、化学吸收以及其他应用的已知（现有技术）的膜中。总体上来说，至少一个支撑层用于支撑一个或多个纳米纤维层，并且在一些情况下使用其他添加剂。大多数之前所描述的结合了纳米纤维的膜是多孔的并且将输送水蒸汽，但这些膜对于水蒸汽的选择性并不超过其他气体，并且因此不适合用于选择性水蒸汽输送应用如ERV装置。将纳米纤维层结合到多层“三明治状的”结构中的膜（其中不同的涂层涂布在这些材料的表面上）也已经用于超滤和水纯化应用。

总体上来说，用于水过滤应用的膜不适合用于水蒸汽输送应用。水过滤膜被设计成在相对高的压下与液体水相接触。污垢经常是水过滤中的关注点，但在水蒸汽输送应用中典型地很少有关注。水过滤膜总体上具有厚的和致密的支撑结构（与蒸汽输送膜相比）以便抵抗在水过滤过程中经历的、横过该膜的、较高的压差。取决于过滤的类型，水过滤膜还总体上被设计成或者亲水性的亦或疏水性的；这在蒸汽输送应用中可能不是完全令人希望的。因为水过滤膜与液体水相接触，所以当在气体到气体水蒸汽输送应用中使用时，它们倾向于或者具有低选择性、低渗透率、亦或具有二者。

涉及使用具有一个选择性水蒸汽可渗透性聚合物涂层的一个纳米纤维层的本方法可以允许一个选择性水蒸汽可渗透性层形成在一个大孔支撑层之上。在此大孔是指具有大于约10微米的平均孔隙大小至大于10mm的平均孔隙大小的材料。常规地，制作基于这些大孔材料的膜的一个难度是在这些材料的表面上形成一个薄的水可渗透性选择性层是非常难的。在孔隙大于几微米的情况下，这些孔隙倾向于被聚合物溶液填充而不是支撑一个薄的表面薄膜。因为这些大孔材料是至少与该材料的孔隙大小一样厚（并且典型地厚得多），所以如果这些孔隙填充有该聚合物，那么选择性和可渗透性聚合物层将是相对厚的。这将导致低的渗透率。用于制作基于大孔支撑材料的选择性膜的另一种方式是通过将一种选择性水蒸汽可渗透性聚合物薄膜层压到该支撑物上。然而，不太容易制造出厚度低于5至15微米的、无缺陷的、整体的且均匀的聚合物薄膜。这意味着与在一种微孔材料的表面上流延的一种薄膜相比，该选择性-可渗透性层将仍然是相当厚的。由于这些薄膜的厚度所致的对水蒸汽输送的阻力将导致水蒸汽输送应用方面性能不良。

一种用于在大孔支撑层上产生一个薄的选择性水蒸汽可渗透性聚合物层的新颖方法是如通过利用一个纳米纤维层作为一个框架来支撑在此所描述的水蒸汽可渗透性聚合物。一个另外的优点是如果该水蒸汽可渗透性聚合物是从溶液来流延的以便填充或部分地填充该纳米纤维层（而不是保持作为仅仅一个表面薄膜），那么它可以同时将该纳米纤维层粘附到该支撑层上。

用于制作一个薄的选择性水可渗透性层的这样一种方法可以用于多种多样的大孔支撑材料上。可成形的支撑材料作为支撑层可以是令人希望的。这种类型的可成形性可以产生选择性水蒸汽可渗透性膜，由于支撑物的选择，这些膜可以形成为自支撑式三维结构。所成形的膜在制作膜组件时具有独特优点，因为有可能从组件设计中除去多个部件，如单独制作的流场、支撑肋等。这样可以减少材料成本和制造的复杂性。此外，使用该膜来形成流动通道（即，其中这些通道壁是由该可渗透性膜制成的）可以显著增加该组件中膜的有效表面积，这可以进而增加每单位体积的性能并且减少成本。该涂覆的纳米纤维层实质上是一种纤维增强的复合材料。这赋予增加的强度到该选择性层之中。当与一个可成形的大孔支撑层相组合时，这可以允许该选择性水蒸汽可渗透性层与该支撑物一起形成，而不会破坏或损害该选择性层。在一些成形操作过程中，该选择性层在成形过程中被拉长或拉伸。这可以使该选择性层变得更薄，并且可以进一步增加该膜的水蒸汽输送性能。

纳米纤维层

可以经由各种已知的技术来产生该纳米纤维层，这些技术包括但不限于，拉延、化学气相沉积、模板合成、自组装、相分离、电纺丝、以及力纺丝（force spinning）。电纺丝和力纺丝对于工业规模扩大具有最大潜力，但本发明的这些膜可以结合经由任何适合的纳米纤维制作工艺产生的纳米纤维材料。

电纺丝涉及使用高压电场将一种聚合物溶液拉延成细的纤维。在图1A中所展示的一个典型设置中，将一种聚合物溶液15置于一个注射器10中并且将一个电极20连接到金属针尖端25上。在针尖端25与一个接地收集器30之间维持一个空气间隙。当施加足够电压以克服该聚合物溶液的表面张力和粘滞力时，将该溶液作为一个喷射流35从针尖端25朝向收集器30拉延。随着聚合物喷射流35被拉延，溶剂从纤维蒸发，纤维表面变得带电，并且排斥力引起该喷射流抖动（whip），从而进一步将该纤维拉延到一个更细的直径。通过这种方法有可能获得在10至1000纳米范围中的连续纤维。

电纺丝工艺是高度复杂的，并且在电纺丝纳米纤维的受控制合成中涉及多个变量。变量包括：聚合物-溶剂-溶液变量；该聚合物的浓度、传导性、粘度、表面张力、溶剂挥发性、介电常数、分子量以及结构。工艺变量包括：纺丝距离、喷丝头针的几何形状、溶液进料速率、环境温度和湿度、电压、以及收集器几何形状。本领域普通技术人员可以有效地操控这些变量以便制造具有受控制的几何形状和直径的聚合物纳米纤维。

已经描述了用于产生纳米纤维衬底的片材或连续的卷的不同方法。这包括多针和多道（multiple pass）系统，或在聚合物溶液的一个浴中润湿的一个旋转电极。经常令人希望的是制作用于支撑层上的膜的纳米纤维层，以用于改进强度和易于处理。

可以将一个纳米纤维层直接地电纺丝到一个大孔支撑层上。该纳米纤维层的厚度将例如由纤维直径、沉积时间、以及电纺丝设置的几何形状来决定。在电纺丝过程中，聚合物纺丝溶液中的溶剂随着纤维形成而蒸发。这一点是有利的，因为这些纤维层在沉积在该支撑层上时将是干燥的或几乎干燥的。因此，进一步的干燥可能是不必要的，但是可以通过对流加热和干燥、红外干燥、真空干燥或其它干燥和固化方法来实现完全干燥或固化。

可以对能够溶解到溶液中的大多数商业聚合物进行电纺丝，并且这些聚合物已经在文献中进行了报道。因此，纳米纤维层可以由多种多样的聚合物制成，这些聚合物包括但不限于：聚乙烯醇（PVA）；乙烯-乙烯醇（EVA）；纤维素材料，如α-纤维素、乙酸纤维素（CA）、羧甲基纤维素（CMC）、以及乙基纤维素（EC）；生物聚合物，如壳聚糖、胶原、葡聚糖、以及明胶；聚酰胺，如尼龙-6、尼龙-12、以及聚丙烯酰胺；聚丙烯酸（PAA）；聚丙烯腈（PAN）；聚己酸内酯（PCL）；聚氧化乙烯（PEO）；聚酯，如聚(对苯二甲酸乙二醇酯)（PET）以及聚(丁二酸丁二醇酯)（PBS）；聚酸，如聚(乳酸-乙醇酸)共聚物（PLGA）、聚乳酸（PLA）、以及聚-L-丙交酯（PLLA）；丙烯酸树脂类，如聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）；聚砜（PSU）；聚(醚酰亚胺)（PEI）；聚酰亚胺（PI）；聚苯并咪唑（PBI）；聚苯乙烯（PS）；聚氨酯（PU）以及聚氨酯共聚物；乙烯基聚合物，如聚(氯乙烯)（PVA）和聚(氟乙烯)（PVDF）；以及聚(乙烯基吡咯烷酮)（PVP）。

结合在本发明的选择性水蒸汽输送膜中的纳米纤维层优选地是不溶于水的，以使得该膜是可洗的并且能够耐受最终用途应用中的冷凝。水溶性的纳米纤维聚合物可以被交联成使得该纳米纤维层不溶于水。可以通过各种已知的方法（包括UV辐射或加热）实现交联，并且可以通过引发剂添加剂来加速交联。交联还可以直接通过使用反应性交联剂来实现。交联机制将取决于用于该纳米纤维层的聚合物。可能希望的是使用一种不溶于水的聚合物以便除去交联的需要。然而，这将意味着必须利用一种非水性溶剂系统来形成该纳米纤维层。非水性溶剂经常是可燃的、有毒的或两者，从而增加制造的复杂性。可能需要溶剂回收，从而增加膜的制造成本。

用于该纳米纤维层的聚合物的选择将取决于对选择性水蒸汽可渗透性聚合物涂层和所使用的任何支撑材料的选择。取决于该功能性涂层和有待制作的膜的所希望的构造，该纳米纤维层可以是疏水性的或亲水性的。例如，使用一个部分亲水性的纳米纤维层和一种水性功能性涂覆溶液总体上将产生一个填充的纳米纤维层。另一方面，涂布到疏水性纳米纤维层上的一种水性功能性涂覆溶液将不会润湿该纳米纤维层或被拉延到该纳米纤维层中，并且总体上将产生一个表面涂覆的纳米纤维层。

利用具有纳米尺寸的纤维一个优点是，随着纤维直径减少，表面与纤维中的本体原子的比率显著增加。已知表面原子是更具活性的，并且因此纳米范围中的纤维可以展示改进的反应特性、抗微生物特性、阻燃特性、和/或吸附特性。此外，与微米纤维层相比，减少的纤维直径极大地增加纳米纤维层的表面积，这在某些表面活性应用中可能是有益的。

可以将具有有益特性的添加剂结合到本发明的膜的纳米纤维层之中。因为这个层将具有高的表面面积，所以还可以增加添加剂的活性区域。因此，膜的抗微生物特性、阻燃特性、或吸收特性可以通过将添加剂结合到该纳米纤维层中而极大地改进。

在本发明的膜的一些实施例中，该纳米纤维层可以包含一种或多种不同类型的聚合物或可以由相同聚合物但具有不同添加剂的溶液制成。可以对具有令人希望的特性的、共混的聚合物溶液进行电纺丝以便形成两种或更多种聚合物的纳米纤维。并且，两种或更多种聚合物溶液可以用多个独立的针进行电纺丝并且同时沉积到一个收集器上以便在同一层中产生具有两种或更多种缠结的纳米纤维聚合物的一个网状物。这种多纺丝喷嘴方法可以通过控制来自不同溶液的纤维的沉积而允许添加剂受控地分布在纳米纤维层中。

还可以在其他纳米纤维层之上产生纳米纤维层，其中每个层是一种不同的聚合物，或每个层具有不同的纤维直径或几何形状或结合不同的添加剂。这在以下方面可能是有用的：产生具有增加的或减少的孔隙大小或孔隙率的结构，或产生具有不同亲水特点和疏水特点的层。

在本发明的膜的优选实施例中，经由电纺丝或另一种适合的纳米纤维形成方法将纳米纤维层直接沉积到一个大孔支撑层上。这个过程可以是连续的，从而允许制作有支撑的纳米纤维材料的卷。这个过程还可以是一个连续膜制作线的一部分，其中在形成有支撑的纳米纤维层之后涂布一个功能性涂层。

涂覆层

涂布到纳米纤维层上的选择性水蒸汽可渗透性聚合物涂层充当气体混合和污染物输送的一个屏障。该功能性涂层是高度水蒸汽可渗透性的并且对水蒸汽是高度选择性的，但是液体水的吸收和渗透也是令人希望的。该功能性涂层典型地作为一种溶液进行涂布。如在此所用，特别是在提及该功能性涂层时，“溶液”包括该功能性聚合物的分散液和悬浮液、以及溶液。功能性涂覆溶液还可以包含令人希望的添加剂，如抗微生物剂、阻燃剂、以及干燥剂。

通过从膜的润湿侧到膜的干燥侧的浓度梯度而扩散穿过该功能性聚合物来驱动水输送。令人希望的是降低功能性涂层的厚度，以便增加穿过该膜的水输送速率，然而这必须在不会过度损害功能性涂层充当气体混合的屏障的能力的情况下进行。

功能性涂层针对水蒸汽的渗透性还将取决于水蒸汽在聚合物中的溶解度和扩散率，如在膜科学文献中通常所描述：渗透性=扩散率×溶解度。因此，渗透性取决于功能性聚合物的性质，该性质包括聚合物链堆填（packing）和取向、聚合物链中的官能团、极性、结晶度、聚合物添加剂、交联密度、填充剂的存在、以及聚合物在水存在的情况下塑化的程度。溶解度取决于功能性聚合物和被吸收到该聚合物层中的种类的化学性质，例如由于某些聚合物的化学性质，它们将有利地吸入一种极性分子，如水。对水和水蒸汽来说，水溶性聚合物将因此具有高溶解度，并且水蒸汽吸收到聚合物中在热力学上将是有利的。交联这些聚合物将在一定程度上降低溶解度，然而交联允许聚合物在一种可溶性种类存在的情况下在某种程度上溶胀而不会溶解该聚合物。某些聚合物的高水平的溶胀将导致穿过聚合物结构的液体通道的形成。如果水是溶质，这经常由于聚合物经受内部相分离而自发完成，因为热力学力引起聚合物内的亲水基团的对齐。固体聚合物层中的这些‘水性通道’的存在对聚合物中的扩散输送具有深厚影响，因为穿过液相的输送比穿过该固相的输送大出数个数量级。总体上来说，弹性体聚合物比非晶态聚合物在运动上更少受约束，非晶态聚合物它们本身比结晶聚合物更少受约束。这与该聚合物中的自由体积有关，因为聚合物分子通过迁移到聚合物基质内的孔中而在固体内移动。总体上来说，聚合物链在涂覆材料内的可移动的越多，该材料中的扩散输送速率就越大。因此，扩散在链是可移动的聚合物中极大得到增加。对水和水蒸汽的高吸收与水蒸汽在聚合物基质中的快速扩散的组合产生了具有高渗透率的功能性聚合物。这些聚合物将是本发明的令人希望的功能性涂覆材料。

功能性聚合物涂层优选地是柔性的以便允许最终膜的更容易处理、打褶、以及加工从而形成ERV芯或其他这类装置。因此，弹性体聚合物或非晶态聚合物、非结晶聚合物是优选的，因为它们通常是柔性的。

在干燥和固化之后，功能性涂层应是不溶于水的，因为冷凝将典型地在最终用途应用的装置中发生。在ERV应用中，因为膜一直与进入和离开建筑物的空气相交界（interfacing），将令人希望的是能够周期性地清洗该膜。

可以使用的不同功能性涂层包括，例如，纤维素及其衍生物，如羧甲基纤维素、乙基纤维素、乙酸纤维素；聚醚，如聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚苯醚；乙烯醇，如聚乙烯醇；以及丙烯酸树脂类，如聚丙烯酸酯和聚丙烯酰胺。然而，这些功能性涂层中的一些可能难致使不溶于水，具有不良选择性，或对于ERV应用的不充分的渗透性。

热塑性弹性体（TPE）是候选的涂覆材料，因为一些这类材料提供高渗透率（如以上所讨论的）并且可以作为与水可渗透性聚合物的共聚物来产生以便产生具有高水蒸汽输送速率和结构整体性的聚合物。广泛范围的独特TPE聚合物是可获得的，它们具有尤其针对水蒸汽输送而制成的不同等级。家族包括热塑性聚氨酯、热塑性聚酯、热塑性聚酰胺、以及苯乙烯嵌段共聚物。这些聚合物是可商购的，例如Estane（路博润公司（Lubrizol））、PEBAX（阿科玛公司（Arkema））、Arnitel（帝斯曼公司（DSM））、Hytrel（杜邦公司（DuPont））、以及Kraton（壳牌公司（Shell））。这些聚合物典型地是熔融加工的并且可按片材形式作为‘透气薄膜’可获得。这些材料的水蒸汽渗透率对于一些应用来说是足够的，然而，膜成形的较低限制（典型地5到15微米）倾向于导致在高水蒸汽输送应用如ERV应用中低于所要求的水蒸汽输送性能。

聚氨酯分散液如聚氨酯-聚醚共聚物是可以作为水溶液涂布并且然后交联的适合的柔性、耐用的水可渗透性涂层。例如，已经发现以下是适合的：含有针对机械强度的聚氨酯主链‘硬’片段和针对水渗透性和水输送功能性的聚氧化乙烯（PEO）‘软’片段侧链的非离子型聚氨酯-聚醚聚合物（如例如在名称PERMAX230下从路博润公司可获得的那些）。因为该聚合物是水溶性的，所以需要一定程度的交联来使该聚合物是充分地不溶性的。对于这些涂层来说，交联总体上将在聚合物链的聚氨酯片段中的羧基基团上发生。这种交联机制使该聚合物涂层在液体水中溶解性较低，而聚合物的软（PEO）区段的水输送特性被适当地保留。用于这些聚合物的适合的交联剂包括氮丙啶、三聚氰胺、异氰酸酯、以及碳二亚胺。

可以将尤其设计用于水蒸汽输送的聚合物树脂（例如，PEBAXMV3000、PEBAX1074以及1657）溶解在适当的溶剂中并且然后涂布到纳米纤维层上作为功能性涂层。这些聚合物是更难以溶解的，但是一旦它们被流延就具有增加的不溶于水的益处。

某些离聚物的聚合物如羧酸化的或磺化的聚合物展示了高的水蒸汽输送速率，这是由于这些聚合物在液体水或水蒸汽存在的情况下溶胀并且形成‘水性通道’的能力。可商购的磺化聚合物，如磺化聚苯乙烯（sPS）、全氟化磺酸（PFSA）、磺化聚醚醚酮（sPEEK）、磺化聚醚砜（sPES）以及磺化苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（sSEBS），倾向于具有非常高的水蒸汽输送并且对于水蒸汽可以是高度选择性的。这些聚合物倾向于显示出溶胀现象、在聚合物中形成水性通道以及高的水渗透率。过度溶胀将降低聚合物的尺寸稳定性并且当暴露于液体水时可能导致从膜制造的材料和装置的耐久性问题。可以通过聚合物的磺化程度和结构性质来控制溶胀的程度。还可以通过物理地将聚合物约束在一个多孔框架之上或之内来减少溶胀。纳米纤维层具有高的表面积，并且将提供用于保持可溶胀聚合物的优异衬底。因此，水蒸汽输送离聚物的聚合物可以用作涂布到本发明的膜中的纳米纤维层上的功能性涂层。然而，这些材料倾向于具有比其他功能性聚合物更高的成本，并且这些材料的使用对于某些应用来说可能在经济上是不可行的。

水蒸汽可渗透性聚合物涂层还可以是不同聚合物的一种混合物，例如一种高度可渗透的、高成本的聚合物与一种更低成本、更低渗透性聚合物共混可以在该涂层中赋予增加的渗透性，而基本上不会增加成本。一个非限制性实例将是通过将一小部分的昂贵的磺化聚合物与低成本的水可渗透性聚醚-聚氨酯进行共混来制作一种选择性高的水蒸汽可渗透性涂层。

涂层的添加剂

可以针对具体最终用途的应用通过将一种或多种添加剂结合到功能性聚合物涂层之中来进一步增强最终膜的特性，该功能性聚合物涂层被涂布到纳米纤维层上。实例包括：

(a)通过使用阻燃剂来改进的阻燃性；和/或

(b)通过使用杀微生物剂以便抵抗霉菌、细菌和/或真菌的生长来改进的微生物抗性；和/或

(c)通过使用干燥剂和/或其他聚合物来增加的水吸收和渗透；和/或

(d)气味、VOC、或其他污染物的吸附或掩蔽。

可以将阻燃剂添加剂添加到功能性涂层以便改进最终膜的阻燃性。如果纳米纤维层和/或支撑层（如果存在）是不阻燃的，在这种情况下，涂层可以包含足够的添加剂以便使得最终膜是阻燃的，这一点是特别重要的。出于这个目的，不同类型的添加剂是适合的。这些包括：膨胀型材料（intumescents），如可膨胀的石墨和膦酸酯；三水合铝；金属氢氧化物，如氢氧化铝和氢氧化镁；锑化合物，如三氧化锑、五氧化锑以及亚锑酸钠；硼化合物，如硼酸、硼砂、硼酸锌；其他金属化合物，如钼化合物、钛化合物、锆化合物、锌化合物如锡酸锌、羟基锡酸锌；磷化合物，如红磷和多磷酸铵；三聚氰胺；以及胍。理想地，阻燃剂添加剂在功能性涂覆溶液中是不可溶的，并且可以容易地分散于溶液中。还希望添加剂是无毒的，并且在低负荷下是有效的。

在此描述的这些膜的优选实施例中所使用的纳米纤维层、功能性涂层、以及任选的支撑层总体上不促进、并且在一些情况下抵抗霉菌和细菌的生长（与纤维素和其他之前所使用的衬底和涂层不同）。将杀微生物剂添加到该涂层中可以进一步阻止全热交换器或其他装置中的霉菌、真菌、以及细菌的生长。对于是一个空气处理系统的一部分的全热交换器来说，这些材料可以用于一种黑暗、潮湿、并且温暖的环境中，这种环境对于霉菌和细菌生长是有利的。即使所使用的这些膜材料不能够被降解，这些添加剂的添加也可以是有益的。用于这个目的的适合的添加剂包括Bioban（溴硝丙二醇）、Dowicide（2-苯基苯酚）、Filmguard（3-碘丙炔基丁基氨基甲酸酯）、Amical（二碘甲基-对-甲苯基砜）、以及Canguard（1,2-苯并异噻唑啉-3-酮）。

在一些情况下，可能希望将干燥剂添加到功能性涂层中以便增加材料的水携载能力。优选地，选择并且按以下这些量来使用添加到该涂层中的这些干燥剂：这些量使得它们不会不利地增加穿过膜的气体渗透并且不会随时间的推移溶解于水中。适合的干燥剂可以包括：氯化锂、二氧化硅、分子筛、沸石、氧化铝、氯化钙、以及硫酸钙，但是这些中的一些将倾向于是水溶性的。

如以上的添加剂可以具有吸收和阻断空气流中的气味和其他污染物的益处。

可以将水溶性聚合物添加到功能性涂层中作为粘度调节剂和薄膜成形剂以便改进涂层的稠度并且增加制造的容易性。可以将表面活性剂添加到该功能性涂层中以便改进涂层在衬底上的展布或减少加工过程中涂覆溶液的发泡。

支撑层

如以上所提及的，本发明的这些膜优选进一步包括一个支撑层，例如，以便提供结构刚度并且使膜更容易处理和使用。由于纳米纤维层是典型地十分细且脆，所以有益的是具有一个支撑层，可以在该支撑层上制作该纳米纤维层，以容易在纳米纤维纺丝过程与涂覆过程之间进行处理。一旦涂布该功能性涂层，该膜可以受益于由该支撑层提供的增加的结构整体性。该支撑层对于将该膜下游加工和结合到装置和全热交换器中也许是重要的。例如，该支撑层可以改进该膜的能够被打褶、辊轧、成形、焊接、胶带粘合（taped）、封装（potted）或以不同制造工艺处理的容易性。该支撑层还可以给予膜足够的强度和/或刚度以便在一个装置中在所要求的操作条件下使用。例如，该膜可能必须在所施加的压差下在升高的温度下在肋条或通道之间支撑它们本身而无过度变形。该支撑层可以允许该膜以某种方式热、振动或超声波焊接或接合到它本身或其他部件中。

该支撑层优选提供令人希望的机械特性，而不会对水蒸汽输送赋予任何显著增加的阻力。出于这个原因，具有高孔隙率的大孔材料优选作为支撑层。选择支撑材料以使得它与膜系统的其余部分在物理上和化学上是相容的。在一些应用中，希望支撑材料是不可燃的和/或抵抗霉菌、细菌、或其他微生物的生长。

该支撑层可以是任何适合的多孔材料，包括但不限于：非织造物、织造物、聚合物网、金属网、过滤器、纤维材料、烧结碳、烧结金属、烧结塑料、以及泡沫。已经发现由聚合物纤维制成的非织造材料特别适合用于ERV应用。这些材料是广泛可获得的、相对便宜的、并且由广泛范围的聚合物制造的。金属网结构也可以用作支撑层，其具有在膜制作之前或之后易于打褶、起皱、或以另外的方式成形的增加的益处。

膜的制作

在涂覆程序中，将功能性聚合物的一种溶液流延到纳米纤维层上，在此之后使溶剂蒸发，从而在该纳米纤维层上留下一个固体聚合物涂层。如果该聚合物溶液对该纳米纤维层具有亲和力，那么该纳米纤维层可能被填充有该聚合物溶液，并且当溶剂蒸发时，将存在功能性聚合物填充或部分填充该纳米纤维层中的孔隙。填充的程度将取决于该溶液的多个变量，这些变量包括（例如）该溶液中的聚合物的浓度和类型、溶剂、以及该溶液的表面张力。填充的程度还将取决于该纳米纤维层的多种特性，包括孔隙大小、纤维直径、以及纳米纤维聚合物的表面能。填充的程度还将取决于涂布方法，和沉积在该纳米纤维层上的功能性涂覆溶液的体积。为了增加最终膜的水渗透率，优选地所施加的功能性聚合物的量应仅是足够高的以便满足应用的选择性要求。

用于形成本发明的膜的方法在以下进行更详细的描述。在某些实施例中，可以使用多步骤工艺，而其他实施例可能涉及在一个连续工艺中制作。

可以通过杆、刮刀或类似装置将一种功能性聚合物溶液直接涂布到纳米纤维层或有支撑的纳米纤维层上。其他适合的涂布方法包括：浸涂、迈尔杆（Mayer rod）、刮刀上辊涂覆（blade over roller coating）、直接照相凹版印刷术、间接照相凹版印刷（offset gravure）、吻合涂覆（kiss coating）、狭缝式涂覆、以及喷涂。然后使该涂覆的膜典型地穿过一个干燥器或烘箱以便去除过量的溶剂并且使该涂层粘附到纳米纤维表面上。例如，可以通过以下方式来实现干燥，通过对流进行加热的空气干燥、通过使用红外加热器、或两者的组合。干燥器中的高温可以引发或加快聚合物涂层的交联。取决于涂覆聚合物的类型，可以使用其他交联技术。这些膜的产生可以在卷对卷设备上在一个连续过程中完成，从而允许高容量、低成本的制造。

图1B是一个简图，展示了可以用于制备一个有支撑的、涂覆的纳米纤维层的一种卷对卷设备和工艺的一个实例。三排注射器设备115（与参照图1A所描述的那些类似）用于在一个大孔支撑层140上电纺丝并且沉积一个纳米纤维层，该大孔支撑层在辊145a与145b之间被张拉并且移动，在辊150之下穿过。一个接地收集器130定位在大孔支撑层140的下面、直接在注射器设备115的正下方。一旦该纳米纤维层已经在该支撑层上形成，就使用一种适合的辊涂或替代涂覆设备155涂布一种功能性涂覆溶液，并且然后去除溶剂并且在被收集在辊145b上之前使用烘箱、加热器、或干燥器160来干燥该膜。

取决于涂覆方法和该纳米纤维层、支撑层以及该功能性涂覆溶液的化学特性，可以在涂覆过程中将该纳米纤维层和支撑层润湿。在这种情况下，该涂层可以起作用将这些层粘合在一起，从而形成最终膜。然而，为了维持该膜中的高水蒸汽渗透率，低涂层利用是所要求的，但不会太低以至于损害膜的选择性。纳米纤维尺寸、纳米纤维层厚度、密度、孔隙大小、孔隙率、以及涂层制剂、涂布方法、以及均匀性和厚度之间的平衡可以由本领域技术人员实现，从而产生具有高渗透率和高选择性的膜的制作。

一个优选的膜实施例可以通过在一个大孔支撑层的表面上对具有小于500nm直径纤维的一个低负荷的纤维层进行纺丝来制成。这个纤维层将具有低重量、低厚度、以及高孔隙率。随后使用具有高水蒸汽渗透性的功能性聚合物的一种溶液来涂覆该纳米纤维层，该溶液将润湿该纳米纤维层和该大孔支撑层。机械地去除过量涂层，并且使溶剂从该涂层中蒸发。结果是一种有支撑的纳米纤维膜，该纳米纤维膜通过该功能性涂层粘合在一起。这种膜对水和水蒸汽将是高度可渗透的，并且对空气、气体、颗粒、以及污染物是实质上不可渗透的。

在某些实施例中，该功能性涂覆溶液可能是与该纳米纤维层不相容的并且将不会润湿该纳米纤维层。在这种情况下，可以将一个薄的涂层流延到该纳米纤维层的表面上。这样就具有高渗透率（由于该薄的选择性涂覆层的低阻力）的潜力的优点，但具有未将该纳米纤维层粘合到该支撑层的缺点。在这种情况下，该纳米纤维层优选应能够粘附到该支撑层上。这可以通过在该支撑层上对该纳米纤维层进行纺丝之前用一种粘合剂、粘附促进剂、涂层、电晕处理来对该支撑层进行涂底（priming）或类似地处理该支撑层而得到增强。最终的膜还可以通过加热、压延，层压、或类似工艺进行后处理以便帮助将这些部件粘合在一起。

在包括两个纳米纤维层的一个实施例中，一个第一纳米纤维层未被该功能性涂层润湿，并且一个第二纳米纤维层被该涂层润湿。这样允许一个纳米纤维层相对于另一个优先涂覆，或一个纳米纤维层与该支撑层优先粘合。

当将多种纳米纤维聚合物一起纺丝在一个层中时，该功能涂层可以仅润湿这些纳米纤维聚合物中的一种，并且这样可以允许根据这些不同的纳米纤维的比例来控制涂覆的程度。

在另一个实施方案中，可以用一种低浓度涂覆溶液（高溶剂含量）或粘合溶液来涂覆该纳米纤维层，以便将该纳米纤维层粘附到该支撑层上，并且对该纳米纤维层进行涂底以用于涂布一个功能性涂层。这个涂底过程实质上涂覆该支撑层和纳米纤维层，从而将它们粘附在一起。这还可以增强该功能性涂覆层与该纳米纤维层的粘附。

制作膜的另外一种方法是在将该功能性涂层流延到该纳米纤维层的表面上之前用一种液体填充该纳米纤维层，并且然后蒸发或去除这种或这些溶剂。这样可以允许将一个连续的功能性涂层沉积到该纳米纤维层的表面上，而基本上不会填充该纳米纤维层。这样可以具有以下优点：减少该功能性涂覆层的厚度并且因此增加其水蒸汽渗透率（permeance）。然而，最终的膜可能需要通过如之前所描述的预处理或后处理过程来粘合在一起。

一种制作膜的方法的另一个实施例膜与以上方法类似，不同之处在于纳米纤维层填充有具有低浓度功能性聚合物的一种第一涂覆溶液。该聚合物和溶剂可以与第二涂覆溶液相同，但必须润湿该纳米纤维层和该支撑层。然后使用该第二功能性聚合物溶液来涂覆该液体填充的纳米纤维膜，该第二功能性聚合物溶液具有更高浓度的聚合物，并且因此具有更高的粘度和密度。由于该纳米纤维层填充有该第一低浓度溶液，该功能性聚合物将基本上不会填充该纳米纤维层。然后干燥该膜以便去除溶剂。这同时将该支撑层粘合到该纳米纤维层上，并且在该纳米纤维层的表面上产生一个薄的选择性水蒸汽可渗透性涂层。

如以上所描述，用于选择性水蒸汽输送的本发明的膜包括一个纳米纤维层和水蒸汽可渗透性聚合物涂层。该膜还可以包括一个或多个支撑层和一个或多个另外的纳米纤维层，该一个或多个另外的纳米纤维层在每个层中具有不同的表面涂覆或填充程度。这样，可以按不同的方式结合并且安排该膜的这些部件。潜在膜配置的非限制性实例在以下进行描述。

图A到图D展示了包括一个纳米纤维层和一种水蒸汽可渗透性聚合物而无一个支撑层的水蒸汽输送膜的不同示例性实施例。图2A示出完全填充有一种选择性的水蒸汽可渗透性聚合物的一个纳米纤维层（201）。该纳米纤维层充当用于保持该选择性的可渗透性聚合物的一个框架，并且该功能性聚合物还充当一种粘合剂，从而将这些纳米纤维粘附在一起并且增加该复合膜的机械强度。图2B示出一个部分填充的纳米纤维层（211）；该功能性聚合物将这些纳米纤维粘合在一起，增加了材料的强度，并且可以对膜赋予足够的选择性，而同时维持高的水渗透率。图2C示出一个纳米纤维层（222），该纳米纤维层已经涂覆有选择性的水蒸汽可渗透性聚合物的一个薄的表面层（221）。纳米纤维层222将几乎不对水蒸汽输送具有阻力，同时支撑选择性涂覆层221。图2D示出一个部分填充的纳米纤维层（232），该纳米纤维层具有选择性的水蒸汽可渗透性聚合物的一个薄的表面层（231）。部分填充的纳米纤维层232包含一种粘合聚合物，该粘合聚合物增加了该膜的机械强度和结构刚度，而不显著增加对该纳米纤维层中的水蒸汽输送的阻力。涂覆层231是薄的并且对水蒸汽是高度可渗透的，但是是有选择性的，从而不允许输送气体和其他污染物。

图3A到图3F展示包括一个纳米纤维层、一种水蒸汽可渗透性聚合物、以及一个支撑层的水蒸汽输送膜的不同示例性实施例。图3A示出具有置于其一个表面上的一个纳米纤维层（302）的支撑层（303）。纳米纤维层302已经涂覆有选择性的水蒸汽可渗透性聚合物的一个薄的表面层（301）。图3B示出支撑一个纳米纤维层的支撑层（312），该纳米纤维层已经填充有一种选择性的水蒸汽可渗透性聚合物（311）。图3C示出一个支撑层（323），该支撑层支撑了一个未填充的第一纳米纤维层（322），以及一个填充有选择性的水蒸汽可渗透性聚合物的第二纳米纤维层（321）。该第一纳米纤维层可以包含一种粘合剂用于将这些纤维保持在一起并且将它结合到支撑层323上。图3D示出一个支撑层（334），该支撑层支撑了一个第一纳米纤维层（333）和一个第二纳米纤维层（332）。该第二纳米纤维层已经涂覆有选择性的水蒸汽可渗透性聚合物的一个薄的表面层（331）。该第一和/或第二纳米纤维层可以包含一种粘合剂用于将这些纤维保持在一起并且将它们结合到一个或多个相邻层上。图3E示出支撑了一个纳米纤维层（341）的一个支撑层（342），其中这两个层均部分地填充有一种选择性的水蒸汽可渗透性聚合物。图3F示出支撑了一个纳米纤维层（352）的一个支撑层（353），其中这两个层均部分地填充有一种选择性的水蒸汽可渗透性聚合物。部分填充的纳米纤维层352已经涂覆有选择性的水蒸汽可渗透性聚合物的一个薄的表面层（351）。使用一个支撑层总体上是优选的，因为纳米纤维层倾向于是脆弱的，并且一个支撑层有助于下游工艺和最终用途应用中的处理和制造。该支撑层还可以允许该膜在制作之后成形或打褶。该支撑层对水蒸汽输送具有非常低的阻力，并且优选地是一种大孔开放式结构。

实验实例

实例1：与已知的微孔衬底相比的有支撑的纳米纤维层

将不同的微孔衬底与未涂覆的、有支撑的纳米纤维层进行比较。

从西尔格德有限公司（Celgard LLC）在名称Celgard2500下获得一种微孔聚丙烯衬底；厚度是25微米，平均孔隙大小是0.204×0.054微米（平均尺寸约0.13微米），并且孔隙率是55%。一种微孔二氧化硅-聚乙烯膜是从恩泰克国际公司（ENTEK International）获得；厚度是191微米，平均孔隙大小是0.065微米，并且孔隙率是63%。

一种非织造支撑层，即，聚酯非织造物（Reemay2004/2006），1盎司/平方码（oz/sq.yd.）是从博维公司（Fiberweb）获得的。聚丙烯腈（PAN）是从科学聚合物产品公司（Scientific Polymer Products）获得，平均分子量为150000g/mol。PAN在二甲基甲酰胺（DMF）中的10%重量的溶液是在70℃下在搅拌下产生。将该PAN溶液放置在具有十八规格皮下注射针的一个10mL注射器中，该针1.5英寸长、针尖斜面去除。该注射器安装在距离一个旋转接地收集器15cm处，该非织造支撑层附加到该接地收集器上。一个电极被放置在该针的尖端上。将17.5kV电势施加到该针尖端，从而引起聚合物从该注射器朝向该收集器喷出。一个注射器泵用于维持聚合物溶液基本上恒定地供应到该针尖端，速率是大约0.02mL/分钟。收集器靶是在0.5m/min的速率下旋转的一个转鼓。该转鼓的直径是10cm，并且用该非织造支撑层覆盖的宽度是32cm。该注射器在15cm的基本恒定的距离处在3cm/min的速率下在转鼓的宽度上来回移动。具有三种不同纳米纤维负荷的有支撑的纳米纤维层的样品是通过纺丝1小时（#1A）、3小时（#1B）、以及5小时（#1C）来产生的。通过对干燥样品进行称重并且将它们浸泡在一种润湿流体中来测定每个样品的孔隙率。测量每个样品的空气渗透和水蒸汽渗透。在SEM下对这些样品进行评估以便测定平均孔隙大小和纤维直径。平均纤维直径是483nm。在图4中示出了电纺丝纤维的扫描电子显微照片。

表1

空气交叉率和水蒸汽通量测试的结果总结在表1中。显然所得到的有支撑的纳米纤维层的样品具有非常高的孔隙率、大的孔隙大小、对水输送的低的阻力、以及高水蒸汽通量。这些有支撑的纳米纤维层具有比当前用作膜衬底的微孔材料大得多的水蒸汽通量。然而，未涂覆的、有支撑的纳米纤维层不是选择性的。

实例2：用PEO-PU来涂覆有支撑的PAN纳米纤维层

为了使这些有支撑的纳米纤维材料具有选择性，可以将一个致密的聚合物涂覆层涂布到该纳米纤维层上。聚醚-聚氨酯已知是有效的致密聚合物层，它对水蒸汽赋予高于其他气体的高选择性，并且提供高的水蒸汽渗透性。将聚丙烯腈纳米纤维层以与实例1中所描述的类似的一种方法电纺丝到一个聚酯非织造支撑层上。将该聚酯非织造支撑物（30cm×80cm）附接到一个接地收集器靶上，该收集器靶是一个旋转带。该带在1.5m/min的速度下旋转。将纳米纤维垫在3种水平的纳米纤维负荷下沉积在这些非织造支撑物上——在表2中示出这三个样品的测试结果。所有三个样品的孔隙率均是相当高的——在所进行的测试中大于90%。

表2

聚氧化乙烯-聚氨酯（PEO-PU）溶液（PERMAX230）与一种聚碳二亚胺交联剂（Picassian XL-702）按10:1的重量比一起配制，其中三种聚合物的浓度为21%、15%、以及11%。将这三种功能性聚合物溶液各自涂覆到这三个有支撑的纳米纤维层（#2A、#2B以及#2C）各自的样品上。将聚合物溶液放置在样品上并且使用一个涂覆杆（#2棒）在该纳米纤维表面上流延一层涂层。该涂层倾向于润湿该纳米纤维层和该聚酯支撑层，并且该纳米纤维层填充有该涂覆溶液。使用纸巾去除过量涂层，并且将这些样品在一个烘箱中在50℃下进行干燥以便去除水性溶剂。测定每个样品的涂层负荷、氧交叉率、以及水蒸汽通量，如表3中所示。

表3

据发现涂覆有较低浓度的PEO-PU聚合物溶液的样品总体上具有高氧交叉率（不良选择性），而且还具有高水蒸汽通量。在图5中示出膜样品#2C-2的截面的扫描电子显微镜图像。

分别在图6和图7中示出样品#2A-3和样品#2A-2的扫描电子显微镜图像。可以观察到在较低浓度的溶液（11%）的情况下，聚合物仅部分地填充纳米纤维层中的孔隙（图6），而在较高浓度的溶液（15%）的情况下，聚合物似乎完全填充纳米纤维层（图7）。显然，将存在着纳米纤维层沉积与涂覆溶液浓度的最佳组合以便使水蒸汽通量最大化，同时维持可接受的选择性（例如氧交叉率<1%）。一种涂覆的微孔膜（DPoint Mx4）的实验结果包括于表3中。这种膜是涂覆有3微米交联的聚醚-聚氨酯层的一种微孔二氧化硅-聚乙烯复合材料（与WO2010/132983中所描述的材料类似）。纳米纤维膜样品（#2A-2）的水蒸汽输送性能更好并且氧交叉率是类似的。由于微孔衬底总体上是高成本的，所以基于本文所描述的纳米纤维膜的更低成本的材料存在显著潜力。

实例3：使用PFSA来涂覆有支撑的PAN纳米纤维层

包括如实例3中所制作的涂覆的有支撑的纳米纤维层的膜展示了优于包括涂覆的微孔衬底的常规膜的改进的水蒸汽渗透性能，而同时维持足够的选择性。然而，其水蒸汽渗透率明显低于实例1中所描述的未涂覆的有支撑的纳米纤维层的。因此，减少该功能性涂层的负荷或增加该功能性涂层的水蒸汽渗透性是令人希望的。

增加最终膜的渗透率的一种方法将是使用具有比实例3中所使用的聚醚-聚氨酯聚合物更高的水蒸汽渗透性的一种功能性聚合物。存在着许多具有比聚醚-聚氨酯更高的渗透性的聚合物，如以上所讨论。磺化聚合物是一类这样的聚合物-这些聚合物中的许多具有高的水蒸汽渗透性和对水蒸汽的高选择性，例如，在商品名

下可获得的全氟磺酸-聚四氟乙烯共聚物（PFSA）。

从杜邦公司获得了一种

分散液（DE 2021），它含有在醇中的20% PFSA聚合物。使用实例3中所描述的方法将该溶液流延到一个有支撑的纳米纤维层上。该纳米纤维层填充有该PFSA涂覆溶液，并且将该样品放置在一个烘箱中在70℃下以便蒸发该溶剂并且使该聚合物涂层退火。该功能性涂层仅部分有效地将该纳米纤维层结合到该聚酯支撑层上。然而，该纳米纤维层填充有PFSA并且在水中是在机械上坚固的且在尺寸上稳定的。涂层负荷是25 g/m²，氧交叉率是0%，并且水通量是42 kg/m²/天。即使涂层负荷是相当高的，使用具有更高渗透性的一种聚合物也极大地改进了水渗透性能。这个实例的纳米纤维膜具有是实例2中所提及的DPoint Mx4材料的1.5倍的水通量。然而，PFSA聚合物的成本显著高于实例3中所使用的PEO-PU聚合物，所以可能存在成本与性能之间的权衡。

实例4：一种金属网支撑物上的涂覆的纳米纤维层

从非佛公司（Phifer）获得一种18×16目的铝片材，金属丝直径0.011英寸。将一个30×70cm的网放置在一个电纺丝设备的收集带上，并且将一个纳米纤维PAN的涂层在该网的表面上从15cm的距离处进行沉积。纺丝电压是17.5kV，收集带以1.5m/分钟的速率进行旋转，18G、1.5英寸注射器在1.5cm/分钟的速率下在15cm距离上来回移动。沉积时间是30分钟。将16.5%聚醚-聚氨酯水溶液与一种交联剂（1.3%）进行混合并且涂布到该纳米纤维涂覆的铝网上。该聚合物溶液润湿该网和该纳米纤维层。用纸巾从该网去除过量涂层，并且将该样品在烘箱中在50℃下进行干燥。在图8A中示出所得到的膜的显微照片。存在着其中未涂布涂层的一个小的缺陷，该缺陷提供对比以示出该涂层。该膜具有零氧交叉率，和27kg/m²/天的水蒸汽通量。这个性能与现有技术微孔膜类似，但是该材料能够容易地弯曲和成形，而不会破坏所涂覆的纳米纤维层。纤维增强的功能性涂层的增加的强度有助于形成这种材料，而不会破坏该功能性涂层。在图8B中示出该膜的起皱的样品。

实例5：基于网的可成形的膜

类似于实例4以五个沉积时间（30、45、60、75、以及90分钟的电纺丝时间），制作一系列膜。所使用的网是来自非佛公司的一种聚合物涂覆的网（PERMA-KOTE静电粉末涂覆的铝网），该网具有7×8目和0.011英寸的金属丝直径。然后将有支撑的纳米纤维层的样品用聚醚-聚氨酯涂覆溶液与交联剂在三种不同浓度（按重量计11%、14.5%、以及18%）下的一种水溶液进行浸渍。将这些样品在一个烘箱中在50℃下进行干燥。将这些最终膜样品称重以便测定涂层重量，并且然后针对氧交叉率和水蒸汽输送进行测试。结果总结在表4中。由于涂覆过程的不完善，这些结果中的一些是异常的。在该过程中该网倾向于被涂覆，并且该纳米纤维层中的涂层重量难以确定地测定。此外，该涂覆过程中的缺陷影响了对这些膜的输送实验。总体上来说，增加纳米纤维的沉积和增加功能性聚合物的溶液浓度导致了最终涂层重量增加。增加的涂层重量对应于减少的氧交叉率（这是令人希望的，即，更少缺陷），但还对应于减少的水输送（这是不希望的，较低的有效性）。所产生的一些膜具有可比得上或好于已知的或常规的膜材料的性能。

然后将这些膜在压缩模具中成形以便制作ERV板。然而，该模制工艺倾向于使该网支撑物中的金属丝断裂，并且据确定替代的可成形的支撑层将是更适当的。

表4

实例6：基于非织造物的可成形的膜

从旭化成公司（Asahi Kasei）获得聚酯纺粘非织造织物（粉碎专用非织造物（Smash Specialty Nonwoven）Y15100）的片材。这些材料被设计用于在低热（<100℃）下的可成形性。以三种不同负荷将PAN纳米纤维的涂层沉积在这些支撑层上。然后将这些纳米纤维层用一种聚醚-聚氨酯共聚物的水溶液在三种浓度（按重量计13%、15%、以及17%）下进行浸渍。将这些材料在一个烘箱中在50℃下进行干燥。将这些膜针对氧交叉率和水蒸汽输送进行测试，并且结果总结在表5中。具有低氧交叉率的材料倾向于具有更低的水蒸汽输送速率。

然后将这些材料在一个加热的（80℃）压缩模具中成形以用于一个全热交换器板。由这些纳米纤维膜样品中的一个制成的一个成形的全热交换器板在图9中可见。

然后对所形成的材料条带来测量伸长率并且再次针对水蒸汽输送和氧输送进行测试，并且结果在表6中示出。据确定该成形步骤使这些膜伸长，这导致水蒸汽输送的增加，而不会显著增加氧输送。该成形步骤使该选择性的水蒸汽可渗透性涂层伸长，从而使它更薄，这导致该膜中的更高通量。所形成的这些膜在一个方向（垂直于流动通道）上伸长了平均8.3%，并且具有21%的水蒸汽输送增加。

这个程序产生了具有高的水蒸汽输送（>25kg/m²/天）和低的氧交叉率（<1%）的膜，这些膜可以被形成为全热交换器板。

表5

表6

实例7：照相凹版涂覆试验

以上实例中所使用的涂覆/浸渍程序提出了一个挑战，因为难以控制涂布到纳米纤维层上的涂覆溶液的量，在实例5中这些纳米纤维层是由一种适度可润湿的聚合物（PAN）制成的并且该支撑层是由一种高度可润湿的PET聚合物制成的。由于毛细管作用，该纳米纤维层对于水性涂层是高度可吸收的，并且因此两个层都倾向于被该水性涂层润湿。如前所述的，这样是有益的，原因在于在该涂覆/干燥程序中该层被结合在一起，从而制得一种复合的结构稳固的材料。然而，通过这种方法在计量涂覆溶液方面存在困难。

在改进该涂覆程序的尝试中，将一个纳米纤维PAN层电纺丝到一个PET非织造物层上，并且然后使用一个照相凹版涂覆头浸渍这种材料。照相凹版辊是具有限定的表面图案的一个蚀刻辊。用于这些试验的辊是180Q（每平方英寸180个四边形小室）。在这些涂覆试验中，将该照相凹版辊穿过含有该功能性涂覆溶液的一个浴，并且将该溶液通过毛细管作用拾取到照相凹版的小室中。所使用的涂覆溶液是与26.5%固体下的聚碳二亚胺交联剂的一种水性聚醚-聚氨酯共聚物溶液。一个刮刀从该辊上去除过量的涂层，以使得涂覆溶液仅保留在照相凹版的小室之中。所有支撑的纳米纤维层与辊以这样一种方式相交界：使得纳米纤维层接触照相凹版辊。纳米纤维层从该照相凹版的小室中吸收涂层并且进行干燥。这种方法允许受控量的涂覆溶液涂布到纳米纤维层上，这与其他涂覆方法相比是有益的。本领域技术人员将认识到，具有其他图案和小室体积的照相凹版以及具有不同浓度的涂覆溶液的使用将允许改变功能性聚合物沉积/浸渍在纳米纤维层上或中的程度，并且允许实现不同的总负荷。

通过这种方法产生的膜具有在3至4g/m²范围中的功能性涂层负荷。氧输送速率是2.9%并且水蒸汽输送速率是30.0kg/m²/天。

实例中所使用的测试方法的总结

开发了一种动态水蒸汽输送测试程序，该程序被设计成在类似于可能使用这些膜的那些条件下来测试它们。将一个膜材料样品密封在一个测试设备中，其中流场路径在该膜的两侧上，以便使气体均匀地分布在该材料的两个表面上，这些气体由该膜分隔开。可以控制每个入口气体流的流速、温度、以及相对湿度，并且可以测量每个气体流的出口温度和相对湿度。这些气体是在该膜的相反的表面上以逆流的方式供应和引导。测试架中的膜的有效面积是33cm2。整个设备位于一个温度受控制的烘箱内，以使得所有测量是等温的，并且在该膜组件内或湿度探针上不可能会发生冷凝。在一个典型的测试中，将一个第一气体流在50℃和0%相对湿度下供应到该膜的一侧上的入口中。将一个第二气体流在50℃和50%相对湿度下并且在与该第一气体相同的流速下供应到该膜的另一侧上的入口中。将该烘箱维持在50℃下以便维持等温实验。在这些出口处测量并且记录这两个气流的水含量和温度。从这些值，测定该测试样品的水输送速率，单位：每单位时间的质量（g/h）。这些结果还可以被报告为通过除以已经发生输送的膜面积而得到的水通量，单位：每单位时间每单位面积的质量（g/m²/h）。通过该水通量除以所计算的测试组件内的平均水蒸汽压差，可以确定水渗透率值，单位：每单位蒸汽压差每单位时间每单位面积的摩尔数（mol/m²/s/Pa）。由于结果的标度，据发现最方便的是将水输送数据报告为单位为kg/m²/天的水通量值。

为了评定以上实例中的这些膜材料的空气渗透或空气交叉特性，将该膜材料的样品密封在一个测试设备中。将加压的空气施加到该膜的一侧上并且记录穿过该材料的空气流动。在一个典型的测试中，在不同压力下施加这种加压的空气。将穿过该测试样品的交叉流动速率以每分钟的立方厘米数（cm³/min）进行记录。可以通过除以所施加的压力和膜面积（在一个典型的测试中是33cm²）将这一值转化成一个空气渗透率值。可以按mol/m²/s/Pa报告空气渗透率。

孔隙率是通过以下方式进行测量：切割已知面积的一个材料样品，将该样品浸泡在已知密度的一种润湿流体中，用一种吸收性纸巾去除过量水分，并且称重该湿润的样品。然后将该样品在一个烘箱中进行干燥，并且测定干重。使用一个测微计来测量该样品的厚度。孔隙率被计算为湿重与干重之间的差值除以湿润流体的密度，再除以样品体积。

氧交叉率提供了该膜材料的选择性的指示。开发一种测试来测定该膜的氧交叉率。在这个测试中，再次将一个膜样品放置在测试设备中，该设备将该膜的两侧分隔开，以使得独立的气体流可以被提供在该膜的相反侧上。在该膜的一侧上，一个纯的氮气流经过该膜的表面。在该膜的另一侧上，一个空气流经过该膜表面。这两个流之间的压差被维持在零，以使得穿过该膜仅发生扩散输送而不发生对流输送。将一个氧传感器放置在该氮气流的出口处以便测量氧浓度。由于空气中的氧浓度是已知的，并且该氮气流在入口处不含氧，所以通过扩散穿过该膜的氧的百分比可以报告为：

氧交叉率%={[C(O₂,1)]/[C(O₂,2)]}×100

其中C是指在点1和点2处的氧气（O₂）的百分比浓度，其中点1是位于该氮气侧出口处（通过传感器测量的），并且点2是位于该空气侧入口处（已知的，20.95%）。这个测试是在不同流速下完成的，还可以从这些结果计算氧渗透率。

为了按实验室规模精确地且一致地来涂覆膜，使用迈尔杆式涂覆器。这种类型的涂覆装置还可以被称为迈耶棒（Meyer bar）、斜接杆、迈耶杆、计量棒、涂覆杆、平衡棒、刮刀杆（doctor rod）、或计量杆涂覆器。在这些类型的棒中，钢丝被紧紧地缠绕在一个杆周围。在该金属丝的相邻匝之间产生的间隙间隔将取决于用于卷绕该杆的金属丝的直径。在以上实例中所使用的涂覆设备中，将金属丝缠绕的杆在基本上恒定的向下压力下放置在该纳米纤维层之上，并且然后将功能性聚合物溶液通过移液管而沉积到该杆前面的表面上。一个线性致动器驱动该杆以恒定的速率横过该表面，从而在该纳米纤维层上展布该功能性涂层。沉积在该纳米纤维层上的湿润涂层的厚度将取决于用于卷绕该杆的金属丝的直径。所使用的金属丝直径的范围是从0.05至0.3mm，从而允许受控制的湿膜沉积物的范围是从约4微米至约24微米。该涂层通过重力而沉降成具有基本上均匀的湿厚度的一个薄膜，在此之后将该材料进行干燥和固化以便去除溶剂并且产生具有一致的干燥涂层厚度和涂层负荷的一个涂覆的纳米纤维层。涂层负荷的进一步精制可以通过改变所使用的溶液的固体含量或浓度、粘度、密度、以及表面张力特性来实现。

本发明的这些膜特别适合用于在全热交换器中使用，但还可以适合用于涉及气体流之间的水分和任选地热量的交换的其他应用，其中很少或没有气体流穿过该膜进行混合。这类潜在的应用包括燃料电池增湿器、气体干燥、除湿、医用气体增湿、飞机增湿、以及烟道气热量和水的回收。

图10是一个ERV芯1100的实施例的一个简化等距视图，该ERV芯包括打褶的膜1101的多个交替层，其中在相邻层之间有气体流动路径。这些流动路径可以包括在该膜的表面上穿过该芯延伸并且是密封的通道，以使得存在两个气体流流动穿过该芯，而无这两个气流穿过该膜进行混合。这些气体流被引导穿过ERV芯1100，以使得每个膜层的一侧暴露于一个气流1110中并且该膜层的相反侧暴露于其他气体流1120中。在所展示的实施例中，这些气体是处于交叉流动配置中。取决于该ERV芯和歧管装置的几何形状，可以使用逆流、并流、以及其他相对流动配置。由于这两个气体流之间的热量或水分的差异，热量和水分的输送穿过该膜发生。热量和水分的流动可以在穿过该膜的任一方向上发生，这取决于气体流1120和1110的条件。当流1110是冷却的且干燥的，而流1120是温暖的且潮湿的时，热量和湿度输送将穿过该膜发生以便在流1110在1121处离开该芯之前加热和增湿该流。温暖和潮湿的流1120因此将在它穿过该芯并且在1121处离开时被冷却并且除湿。

将该打褶的膜套筒（cartridge）的周界进行密封以便防止气体在该打褶的套筒的周界与该ERV壳体（在图10中未图示）的内部之间渗漏。例如，可以沿该打褶的膜套筒的边缘并且在顶表面和底表面上安置垫圈或密封件1102和1103，以使得一旦处于ERV系统中，将在入口端口与出口端口之间产生密封以便防止这些气流之间的气体短路。

图11是一个ERV系统1240中的一个ERV芯1200的简化图。系统1240可以包括多个风扇和控制装置以便使空气在由图11中的箭头所指示的方向上移动穿过该系统。密封件被安置在该芯的周边周围。该ERV系统在一个封闭的建筑物空间1250中的空气与外部环境之间交界。这些密封件允许空气流按以下这样一种方式被引导穿过ERV芯1200：进入建筑物1250的进入空气1220在芯1200中的这些膜层的一侧上通过，并且离开该建筑物的流出空气1210在该芯中的这些膜层的另一侧上通过。如果流出空气1211是冷却的且干燥的，并且进入空气1220是温暖的且潮湿的，那么热量和水分输送将穿过该芯中的膜发生，以使得在1210处的排出空气将具有增加的热量和湿度，并且在1221处进入该外壳的空气将已被冷却和除湿。

虽然已经示出和描述了本发明的具体实施例和应用，但当然应理解本发明不限于此，因为本领域的技术人员可以在不脱离本披露的范围的情况下、特别是根据以上传授内容做出多种修改。

Claims (41)

1.一种水蒸汽输送膜，包括置于多孔支撑层上的一个纳米纤维层，其中该纳米纤维层涂覆有一种水可渗透性聚合物。

2.如权利要求1所述的水蒸汽输送膜，其中该纳米纤维层至少部分地填充有该水可渗透性聚合物。

3.如权利要求1所述的水蒸汽输送膜，其中该纳米纤维层基本上填充有该水可渗透性聚合物。

4.如权利要求1所述的水蒸汽输送膜，其中该水可渗透性聚合物在该纳米纤维层的一个表面上形成一个基本上连续的薄膜。

5.如权利要求1至4中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该支撑层是大孔的。

6.如权利要求1至5中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该支撑层是可成形的。

7.如权利要求1至6中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该支撑层是一种金属网。

8.如权利要求1至6中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该支撑层是一种非织造物。

9.如权利要求1至8中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该水蒸汽输送膜是起皱的、成形的或打褶的。

10.如权利要求1至9中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该水可渗透性聚合物是交联的。

11.如权利要求1至9中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该水可渗透性聚合物是非离子的。

12.如权利要求1至9中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该水可渗透性聚合物是离聚物的。

13.如权利要求1至9中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该水可渗透性聚合物包括一种交联的聚氨酯-聚醚聚合物。

14.如权利要求1至9中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该水可渗透性聚合物包括一种全氟化的磺酸聚合物。

15.如权利要求1至14中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该水蒸汽输送膜是基本上空气不可渗透的。

16.如权利要求1至15中任一项所述的水蒸汽输送膜，其中该纳米纤维层包含聚丙烯腈纤维。

17.一种用于制作水蒸汽输送膜的方法，该方法包括：

(a)在一个多孔支撑层上形成一个纳米纤维层；并且

(b)将一种水可渗透性聚合物涂布到该纳米纤维层上。

18.如权利要求17所述的方法，其中该纳米纤维层是通过在该多孔支撑层的至少一侧上对至少一种聚合物进行电纺丝来形成。

19.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物至少部分地填充该纳米纤维层。

20.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物基本上填充该纳米纤维层。

21.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物在该纳米纤维层的一个表面上形成一个基本上连续的薄膜。

22.如权利要求17至21中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物将该纳米纤维层粘合到该多孔支撑层上。

23.如权利要求17至22中任一项所述的方法，其中该多孔支撑层是大孔的。

24.如权利要求17至23中任一项所述的方法，其中该多孔支撑层是可成形的。

25.如权利要求24所述的方法，进一步包括在步骤(a)和(b)之后对该膜进行压缩模制。

26.如权利要求24所述的方法，进一步包括在步骤(a)和(b)之后使该膜打褶或起皱。

27.如权利要求17至26中任一项所述的方法，其中该多孔支撑层是一种金属网。

28.如权利要求17至26中任一项所述的方法，其中该多孔支撑层是一种非织造物。

29.如权利要求17至28中任一项所述的方法，其中通过以下方式将该水可渗透性聚合物涂布到该纳米纤维层上：将一种包含该水可渗透性聚合物和一种溶剂的溶液涂布到该有支撑的纳米纤维层上，交联该水可渗透性聚合物，并且然后干燥以便去除该溶剂。

30.如权利要求29所述的方法，其中该溶液是一种水溶液。

31.如权利要求29至30中任一项所述的方法，其中该溶液进一步包括用于交联该水可渗透性聚合物的一种交联剂。

32.如权利要求17至31中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物是非离子的。

33.如权利要求17至31中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物是离聚物的。

34.如权利要求17至31中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物包括一种交联的聚氨酯-聚醚聚合物。

35.如权利要求17至31中任一项所述的方法，其中该水可渗透性聚合物包含一种全氟化的磺酸聚合物。

36.如权利要求17至31中任一项所述的方法，其中该纳米纤维层包含聚丙烯腈纤维。

37.一种通过以下方式制成的水蒸汽输送膜：

(a)在一个多孔支撑层上形成一个纳米纤维层；并且

(b)将一种水可渗透性聚合物涂布到该纳米纤维层上。

38.如权利要求37所述的水蒸汽输送膜，其中该水蒸汽输送膜是基本上空气不可渗透的。

39.一种能量回收通风设备芯，包括一种水蒸汽输送膜，该水蒸汽输送膜包括置于一个多孔支撑层上的一个纳米纤维层，其中该纳米纤维层涂覆有一种水可渗透性聚合物。

40.如权利要求39所述的能量回收通风设备芯，其中该多孔支撑层是可成形的并且该水蒸汽输送膜是起皱的或打褶的。

41.一种能量回收通风设备芯，包括根据权利要求1至16或权利要求37至38中任一项所述的水蒸汽输送膜。

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