CN104043285B - 过滤介质纤维结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

复数种纤维结构和复数种方法被描述，所述纤维结构并入了通过离散长度的、卷曲的纳米纤维的附着而被改良的微米纤维的本体。大量的这些改良的纤维结构可被组装成空气过滤介质。这些改良的纤维和介质的进一步增强可被实现以改善过滤特性。

Description

过滤介质纤维结构及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2013年3月15日提交的题为“HIGH LOFT FIBER STRUCTURE ANDMETHOD OF MAKING SAME”的美国临时申请No.61/789,309的权益。美国临时申请No.61/789,309通过引用被整体合并于此。

技术领域

本申请涉及纤维结构。本申请还涉及过滤介质以及过滤介质的形成方法。

背景技术

过滤系统被应用在工业、商业、和住宅设置中以用于将流体流的一些成分从流体流的其它成分物理分离。流体流可能包括气态或液态载液，将被过滤的成分在其中被输送。过滤系统可以采用过滤器以便经由碰撞、拦截、扩散、沥滤等等而物理地去除将被过滤的成分。

发明内容

采用微米级纤维作为用于附着至其的更小直径的纳米纤维的支撑本体的过滤装置和方法被描述。在一个或多个实现方式中，纳米纤维具有卷曲的本体结构并具有离散的长度。举例来说，当这些具有离散长度的卷曲的纳米纤维被附着至微米纤维时，它们在其自身之中纠缠并且也与微米纤维纠缠、纠缠到微米纤维上、并纠缠在微米纤维的周围以形成改良的纤维。大量的这些改良的纤维被构造用于组装成空气过滤介质。

本“发明内容”被提供以便以简化的形式介绍对概念的选择，这些概念下面在“具体实施方式”中被进一步描述。本“发明内容”不意在识别所要求保护的主题的关键或必要方面。此外，本“发明内容”不意在用作确定所要求保护的主题的范围时的辅助。

附图说明

本申请的非限制性和非穷举的实施方式参考下面的图而被描述，其中，同样的数字贯穿各个视图地指代同样的部分，除非另有指定。

图1为根据本申请一实现方式的介质纤维结构的微观照片的绘图，其中纳米纤维被附着至微米纤维。

图2为根据本申请另一实现方式的介质纤维结构的微观照片绘图。

图3为典型的离散长度卷曲纤维在放松和自然状态下的放大绘图，解释对“卷曲长度”的限定的测量。

图4为图3的典型的离散长度卷曲纤维在足以伸直该纤维的拉伸载荷下的放大绘图，由此解释对“伸直长度”的限定的测量

图5为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图6为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图7为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图8为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图9为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图10为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图11为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图12为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

图13为根据本申请一实现方式的介质纤维结构在焦点深度处的微观照片。

具体实施方式

概述

过滤系统应用过滤介质以便将流体流的一些成分从流体流的其它成分物理分离。过滤系统可以采用包括直径可以微米级测量的相对大纤维（“微米纤维”）和直径可以纳米级测量的相对较小纤维（“纳米纤维”）的空气过滤介质力图达到改进的过滤效率（例如，捕获更多和更小颗粒的能力）。该过滤结构可以被构造成通过减小纤维的尺寸而增大用于捕获颗粒的介质内的表面积。例如，微米纤维可以支撑纳米纤维网，所述纳米纤维网可被直接制造到由更大微米纤维构成的预先存在的纤维性基质的表面上，或者多个纳米纤维层可以被放置在微米纤维介质的层之间。这些构造可以采用纳米纤维，所述纳米纤维可以是：a）超长的，相对连续的并且尽管柔韧且容易弯曲，对于所有用途和目的来讲，它们都是一维的（即，直的），在与它们的宽度或直径相比时具有显著的长度，或者b）短的并且非常直。诸如细且无弹性，对流体流的限制性（例如，对压降的敏感性），具有增大的表面负荷量，具有下降的设计灵活性（例如，需要纳米纤维结构在上游侧定位），利用具有增多的材料的设计结构（例如，褶皱结构），在紧凑的构造中具有对准的倾向，等等的这些构造向过滤效率提出了巨大的挑战。

因此，复数种过滤装置和复数种方法被描述，所述过滤装置采用微米纤维作为用于附着至其的更小直径的纳米纤维的支撑本体。纳米纤维可以有具有离散长度的卷曲的本体结构。举例来说，当这些具有离散长度的卷曲的纳米纤维被附着至微米纤维时，它们以坚固的附着而在它们自身之间纠缠并且也与微米纤维纠缠、纠缠到微米纤维上、及纠缠在微米纤维周围以形成改良的纤维。在一实现方式中，纳米纤维至微米纤维的附着经由微米纤维和纳米纤维之间的粘附而被完成。在一实现方式中，纳米纤维至微米纤维的附着经由微米纤维和纳米纤维之间的静电荷引力和/或范德华引力而被完成。在一实现方式中，纳米纤维至微米纤维的附着经由纳米纤维机械地纠缠到微米纤维上和周围而被完成。大量的这些改良的纤维（例如，附着后的纳米纤维和微米纤维）被构造以用于组装成空气过滤介质。

在此所描述的改良的纤维结构可以被构造成形成大量的微体积，诸如通过稳固的压实，所述微体积可以小于由微米纤维单独形成的孔隙，所述微体积可以维持开放的构造。在一实现方式中，卷曲的纳米纤维相对于支撑的微米纤维被三维地分布在空间中（例如，在上游和在下游分布），这可以增加纤维表面积和微体积。该三维的分布还提供了对过滤介质的特定部分完全阻塞的抵抗，使得流体的一部分（例如，空气和/或者其它气体）可以通过过滤器。

复数个实施方式在下面参考附图被更完整地描述，这些附图形成了本“具体实施方式”的一部分，并且以举例的方式示出了特定的示例性实施方式。这些实施方式足够详细地被公开以使本领域的技术人员能够实现本申请。然而，实施方式可以以许多不同的形式被实现并且不应当被解释为限制于此处所述的实施方式。因此，下列详细说明不以限制性意义对待，因为本申请的范围仅由所附的权利要求限定。

出于增进交流和理解的目的，下列定义将可适用于本文：

“纤维”是柔韧的、线状的物体，在圆形纤维的情况下其具有至少100倍于其截面直径的长度，或者在非圆形纤维的情况下其具有至少100倍于其最大截面尺寸的长度。

“卷曲”是当纤维在自然的，放松的和不受约束的情况下自我呈现时纤维的波状的，弯折的，卷曲的，弯曲的，盘绕的，锯齿的或者类似的形状。图3提供了卷曲纳米纤维的图示的表示法。

“卷曲长度”是当纤维在自然的，放松的和不受约束的情况下被测量时从纤维的一端到同一纤维的另一端按直线被测量的长度。图3提供了卷曲纳米纤维的卷曲长度（D₁）的图示的表示法。

“伸直长度”是当纤维在足以从该纤维消除卷曲的拉伸载荷下以受约束的方式被测量时从纤维的一端到同一纤维的另一端的长度。图4提供了纳米纤维的伸直长度（D₂）的图示的表示法。

“卷曲百分比”是以百分比呈现的纤维“卷曲长度”与纤维“伸直长度”相比的比率。为确定“卷曲百分比”，将纤维“卷曲长度”除以纤维“伸直长度”并乘以100。

“高蓬松度介质”是片形式的三维稳定纤维性基质，其以体积基础被测量时具有的空气远多于纤维固体；此外其具有长度和宽度，以及垂直于通过测量宽度和长度而确立的平面被测量的厚度；该厚度大于制成所述介质的微米纤维的直径但小于五英寸，该介质被应用于从流体流中去除气态的，液态的，或者固态的污染物。

“微体积”是由本申请的纳米纤维限定的三维的空间。此外，这些纳米纤维同时形成了随机地布置在该微体积上，该微体积中，和贯穿该微体积的微孔隙。

实例的实现方式

在图1中，实例的纤维结构或者基质为由6丹尼尔的纤维制成的英寸厚的高蓬松度垫。数字10指代本申请的高蓬松度纤维结构，其中纳米纤维12被附着至较大的微米纤维14且被纠缠在其附近。图1和图2之间的主要差别是，与图1相比，在图2中更大量的纳米纤维12被附着至微米纤维14。

如在图1和2中所见，纳米纤维12在它们自身之中被纠缠以及被附着至高蓬松度过滤介质的较大的微米纤维14且被纠缠在所述微米纤维的附近。另外，这些纳米纤维延伸至由高蓬松度介质的微米纤维14形成的孔隙中。

图1和2在放大时示出了本申请的新的结构，其中传统过滤介质的大纤维14已通过纳米纤维12的附着而被扩大。如在这些图中所见，纳米纤维12已经以单独的纳米纤维12和以纳米纤维的纠缠的小簇16将它们自身附加至较大的纤维14。这些簇还示出了通过纳米纤维的纠缠而三维地形成的微体积。介质纤维结构在各个焦点深度处的微观照片在图5到13中被提供，其中这些图像示出了布置在该介质的典型纤维结构中的具有附着的纳米纤维的微米纤维。这些微观照片进一步示出了由被纠缠的纳米纤维形成的微体积。

图2还示出了制造成介质中的新纤维结构的不同尺寸的纤维。出于简单的缘故，有三种纤维尺寸：大尺寸14，中等尺寸15，和小尺寸12。所有这些纤维可以是合成的或非合成的材料。总的来说，大尺寸和中等尺寸纤维被用来提供介质的结构强度并且小尺寸纤维被用来附着至大尺寸和中等尺寸纤维。被用在过滤介质中的大尺寸和中等尺寸纤维具有可以从2到1000微米变化的直径并且它们的长度可以是大约二分之一到三英寸。较小尺寸纤维的直径可以从0.001到2微米变化。为了设计具有最佳性能的过滤介质，小尺寸纤维应当被适当地选择。已被发现，小尺寸纤维应当小于其附着至的纤维直径的十分之一。例如，如果大尺寸或者中等尺寸纤维直径为20微米，那么附着至其的小尺寸纤维应当是2微米或者更小。小尺寸纤维的长度选择与由大尺寸和中等尺寸纤维形成的孔隙的尺寸有关。首先，小尺寸纤维应当具有使得在被卷曲时它们在大尺寸和中等尺寸的纤维的直径附近和周围并沿着大尺寸和中等尺寸的纤维的长度附着至彼此并与彼此纠缠的长度。其次，被纠缠的小尺寸纤维的长度应当达到适当地延伸至由大尺寸和中等尺寸纤维形成的孔隙空间中的程度。如果小尺寸纤维未被卷曲并且太长，它们将在大尺寸纤维上形成网，这导致高的压降和低的颗粒（例如，灰尘）保持能力。因此，为了建造此处所述的纤维结构，小尺寸纤维向开口中的延伸不应当长于横跨孔隙平均尺寸的距离的一半。例如，如果由大尺寸和中等尺寸纤维形成的孔隙的平均尺寸为1000微米，那么小尺寸纤维的延伸应当为大约500微米。应被提及的是，将被分布在介质中的小尺寸纤维可以是具有各种直径和长度的纤维的复合物。

在复数个实现方式中，由被纳米级的纤维12扩大的微米纤维14，15组成的介质容许通过微米纤维14，15和纳米纤维12捕获类似于这些捕获纤维尺寸的颗粒。例如，纳米纤维12向外延伸至大尺寸纤维14，15之间的开口中，以仅仅最小的压降通过扩散，拦截和碰撞而有效地增大了颗粒捕获效率。由纳米纤维的纠缠产生的微体积为所捕获的小颗粒提供了保持空间，因此增大了过滤介质的灰尘保持能力。纳米纤维12向由微米纤维14，15形成的介质孔隙中的延伸是三维的。这意味着与由二维的纳米纤维网形成的表面积和孔隙相比，表面积的总量和微体积的数目已显著地增大。在此所描述的纤维结构可以被制成过滤介质。在复数个实现方式中，该过滤介质可以通过增加粘合剂（例如，胶粘剂）而被增强，以微不足道的压降增大进一步增强捕获效率。该过滤介质保留了结构强度，低材料和制造成本，耐久性，使用的简易性和灵活性，等等。由微米级和纳米纤维形成的表面积和微体积的巨大的总量可以大大地改善对液体的吸附，吸收，和排斥性。由微米纤维和纳米纤维形成的表面积的巨大的总量和微体积的庞大数目可以增大保留和/或者聚结液体的能力。

在复数个实现方式中，功能性的纳米颗粒被附着至改良的纤维结构（即，包括具有附着至其的纳米纤维的微米级纤维的过滤介质）。功能性的纳米颗粒可以包括，例如，沉积到该改良的纤维结构上的和/或者被附着至该改良的纤维结构的活性炭。用于将纳米颗粒诸如活性炭附着至微米纤维和纳米纤维上的增大的能力由于贯穿整个介质的表面积的巨大增加可以在没有压降的显著增大的情况下改善这些纤维的气体吸收效率。

在复数个实现方式中，在此所描述的过滤介质被构造成为高蓬松度介质。本申请的新的纤维结构和高蓬松度介质的组合提供了新型的过滤介质，其具有高的收集效率，低的压降，和高的灰尘保持能力，其容易地适应现有的制造方法，产品和应用及装置。

原始的纳米纤维可以以若干形式被生产出。一种形式，纳米纤维可以被生产为长的分离的纤维。以这种形式，纳米纤维可以被切断并卷曲以获得期望的长径比。原始的纳米纤维的另一种形式可以包括在液体中分散开的磨成的（ground）或者碾成的（milled）预卷曲纳米纤维，所述液体在特定的实现方式中为水。该纳米纤维和液体的混合物可以由液体喷射装置施加至微米纤维。另外，该卷曲的纳米纤维和液体的混合物可以利用湿法工艺而被用来制作过滤介质。原始的纳米纤维的另一种形式是干的团块（clump）或组块（chunk），它们是纳米纤维的集合。在进一步处理以便提取用于附着至过滤介质的微米纤维的单独的卷曲纳米纤维之前，磨削可以被应用以便减小该纳米纤维团块的尺寸。

本申请的产品的生产方法包括，但不限于：

（1）在生产微米纤维14，15的过程期间将卷曲的纳米纤维12附加至微米纤维14，15，

（2）在微米纤维被生产出之后将卷曲的纳米纤维12附着至微米纤维14，15，

（3）在过滤介质10的生产期间将卷曲的纳米纤维12附着至微米纤维14，15，

（4）在过滤介质10被制造之后利用卷曲的纳米纤维12处理过滤介质10。

在此处所描述的一种或多种方法中，卷曲的纳米纤维12经由纠缠，粘附，静电荷，和范德华力（即，通常描述在小的物体之间自然出现的物质引力的力）等等中的一者或多者而将它们自身附着至过滤介质10的较大纤维14和15。在直径上是小的并且相对更长的卷曲的纳米纤维能够容易地在它们自身之间纠缠和纠缠到大的微米纤维上，如在显微镜下所观察到的。应被注意的是，基于选自以上生产方法中的方法或复数种方法，纳米纤维可以被附着至所有的微米纤维，或者附着至在特定的深度处的微米纤维，或者甚至附着到过滤介质内部的特定的区域。换言之，与由纳米纤维网在两个维度上（即，平面的）增强的过滤介质相比较，本申请提供了由纳米纤维在三个维度上（即体积的）增强的过滤介质。

卷曲的纳米纤维12和大的微米纤维14，15之间的吸引力可以通过在制造期间对干的纳米纤维12，过滤介质10，或者它们两者静电充电而被增强。静电充电可以通过例如，摩擦电充电，电晕放电，或其它的充电方法而发生。一旦这些纤维相互接触，范德华力就开始起作用，其进一步增强了纤维之间的结合。

卷曲的纳米纤维12和较大的微米纤维14，15之间的粘附力可以通过将它们涂覆以粘合剂材料（例如，胶粘剂）以便在纤维之间提供如胶合般的粘附力而进一步被增强。

添加胶粘剂和静电充电的效应不仅用来改善卷曲的纳米纤维12至微米纤维14的附着，而且进一步改善该介质的过滤效率，因此，尽管卷曲的纳米纤维12在没有胶粘剂和静电充电的情况下令人满意地附着至微米纤维14，但胶粘剂和静电充电可以在过滤介质的制造过程期间被应用，仅仅用于提高介质的过滤能力。

应被注意的是，卷曲的纳米纤维12在附着至较大的过滤纤维14，15的过程期间的物理状态可以是湿的或干的。另外，卷曲的纳米纤维12在此处所描述的纤维结构中的最终状态可以是湿的或干的。

对于液体吸收、吸附、或聚结，微米纤维和纳米纤维可以选择性地由亲水的或者疏水的材料制成。最终过滤介质的有效孔隙（即，微体积）尺寸可通过选择适当的尺寸来控制，并且微米纤维和卷曲的纳米纤维的组合对过滤介质保留或者排斥液体的能力提供了进一步改进。

在复数个实现方式中，在此所描述的纤维结构被构造成梯度密度介质，其中孔隙尺寸从上游到下游减小以便增大捕获效率和灰尘保持能力。这一构造考虑到各种尺寸和/或总量的纳米纤维在自上游侧的不同深度处应用至该介质。换言之，介质的上游侧具有最轻总量和/或最大尺寸的附着的纳米纤维而下游侧具有最重总量和/或最小尺寸的附着的纳米纤维。此外，通过将多层的介质堆叠到一起以形成其中每层具有不同总量和/或不同尺寸的纳米纤维的复合介质，期望的孔隙（即，微体积）尺寸可被设计。

尽管该主题已经以针对某些结构和方法步骤的语言进行描述，将被理解的是，限定于所附的权利要求中的主题不必然地限于所描述的特定结构和/或步骤。相反，所描述特定特征或动作作为实现这些权利要求的实例的形式被公开。

Claims (22)

1.一种纤维结构，其具有上游侧和下游侧，所述纤维结构包括：

多个微米级的纤维，每个微米级的纤维包括具有至少1微米直径的本体；和

多个离散长度的卷曲的纳米纤维，其被附着至所述微米级的纤维的多个本体中的各相应本体，所述多个离散长度的卷曲的纳米纤维延伸进所述多个微米级的纤维的相应一些纤维之间限定的至少一个孔隙中，延伸进的距离不长于横跨至少一个孔隙平均尺寸的距离的一半。

2.如权利要求1所述的纤维结构，其中所述多个微米级的纤维的直径为从2微米到1000微米。

3.如权利要求1所述的纤维结构，其中所述多个离散长度的卷曲的纳米纤维具有从0.001微米到2微米的直径。

4.如权利要求1所述的纤维结构，其中所述多个离散长度的卷曲的纳米纤维将它们自身纠缠以形成微体积。

5.如权利要求1所述的纤维结构，其中所述多个离散长度的卷曲的纳米纤维延伸至由所述多个微米级的纤维形成的孔隙中。

6.如权利要求1所述的纤维结构，其中所述多个离散长度的卷曲的纳米纤维的分布从所述纤维结构的上游侧到下游侧增加。

7.如权利要求1所述的纤维结构，其中所述多个离散长度的卷曲的纳米纤维的直径从所述纤维结构的上游侧到下游侧减小。

8.一种过滤介质，其包括：

多个微米级的纤维，每个微米级的纤维包括具有至少1微米直径的本体，所述多个微米级的纤维中相应的一些限定出在所述微米级的纤维之间的至少一个孔隙；和

多个离散长度的、卷曲的纳米纤维，其被附着至所述微米级的纤维的各相应本体并从所述微米级的纤维向外延伸进形成在微米级的纤维之间的所述至少一个孔隙中，延伸进的距离不长于横跨至少一个孔隙平均尺寸的距离的一半。

9.如权利要求8所述的过滤介质，其中所述纳米纤维纠缠在它们自身上以形成一个或多个微体积和一个或多个三维布置的微孔隙。

10.如权利要求8所述的过滤介质，进一步包括在所述多个微米级的纤维和所述多个离散长度的、卷曲的纳米纤维中的一个或多个上的粘合剂。

11.如权利要求8所述的过滤介质，进一步包括一个或多个功能性的纳米颗粒，其被附着至所述多个微米级的纤维和所述多个离散长度的、卷曲的纳米纤维中的一个或多个。

12.如权利要求11所述的过滤介质，其中所述一个或多个功能性的纳米颗粒包括活性炭。

13.如权利要求8所述的过滤介质，其中所述多个微米级的纤维和所述多个离散长度的、卷曲的纳米纤维中的一个或多个包括静电材料。

14.如权利要求8所述的过滤介质，其中所述多个微米级的纤维和所述多个离散长度的、卷曲的纳米纤维中的一个或多个包括疏水材料。

15.如权利要求8所述的过滤介质，其中所述多个微米级的纤维和所述多个离散长度的、卷曲的纳米纤维中的一个或多个包括亲水材料。

16.如权利要求8所述的过滤介质，其中所述多个离散长度的、卷曲的纳米纤维的分布从所述过滤介质上游侧向下游侧增加。

17.如权利要求8所述的过滤介质，其中所述多个离散长度的、卷曲的纳米纤维的直径从所述过滤介质上游侧向下游侧减小。

18.一种过滤介质结构，其包括：

多个层，所述多个层中的每层包括：

多个微米级的纤维，每个微米级的纤维包括具有至少1微米直径的本体，所述多个微米级的纤维中相应的一些限定出在所述微米级的纤维之间的至少一个孔隙；和

多个离散长度的、卷曲的纳米纤维，其被附着至所述微米级的纤维的各相应本体并从所述微米级的纤维向外延伸进形成在微米级的纤维之间的所述至少一个孔隙中，延伸进的距离不长于横跨至少一个孔隙平均尺寸的距离的一半。

19.如权利要求18所述的过滤介质结构，其中所述多个层被布置成高蓬松度过滤介质。

20.如权利要求18所述的过滤介质结构，其中所述多个层中的每层包括与所述多个层中的相应的一些的不同量的离散长度的、卷曲的纳米纤维。

21.如权利要求18所述的过滤介质结构，其中所述多个层中的每层包括与所述多个层中的相应的一些的尺寸不同的离散长度的、卷曲的纳米纤维。

22.如权利要求18所述的过滤介质结构，其中所述多个层中的每层包括与所述多个层中的相应的一些的不同的孔隙尺寸或不同的厚度中至少之一。