CN104114265A - 电纺丝多孔介质 - Google Patents

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Abstract

电纺丝材料可以充当过滤介质或用于其它应用。电纺丝材料可以包含电纺丝聚(四氟乙烯)(电纺丝PTFE)。可以包括一个或多个电纺丝材料层。电纺丝材料的性能可以定制。例如，梯度织物可以包括电纺丝PTFE。所述梯度织物可以包括两个或更多个电纺丝PTFE层。

Description

电纺丝多孔介质
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年1月27日提交的美国临时申请号61,591,555；于2012年3月1日提交的美国临时申请号61,605,510；于2012年4月4日提交的美国临时申请号61,620,179和于2012年10月4日提交的美国临时申请号61,709,450中每一篇的利益。
参考引入
于2012年1月27日提交的美国临时申请号61,591,555；于2012年3月1日提交的美国临时申请号61,605,510；于2012年4月4日提交的美国临时申请号61,620,179和于2012年10月4日提交的美国临时申请号61,709,450中的每一篇的全部内容引入本文供参考。
技术领域
本发明总体上涉及多孔介质以及此种多孔介质的制造和使用方法。
背景技术
多孔介质可以用作，例如且没有限制本发明范围的意图，从气体物流或液体物流除去颗粒的过滤器或过滤介质。使用哪种类型的过滤器(和因此，过滤介质)的选择由待除去的颗粒的尺寸和特性，除去条件，和/或待从中除去颗粒的气体或液体源支配。
气体或液体穿过过滤介质的流动通常产生压差或压降。优选地，与给定过滤法相联系的压降应该尽可能小以使过滤气体或液体所要求的能量最小化。然而，随着时间，由于颗粒物质在过滤介质中的积累，压降倾向于增加。当压降变得过度时，过滤器必须被替换或清洁，这可能是耗时的和/或昂贵的过程。
过滤介质通常可以表征为是深处过滤介质(depth filtrationmedia)或表面过滤介质。对于表面过滤，收集颗粒并在过滤介质的表面上聚集。大多数表面过滤器由微孔膜制成。表面过滤介质通常提供最有效的过滤效率。具有数百万个孔的膜的结构以致亚微米颗粒俘获在其表面上。一般而言，表面过滤膜的衬里基材仅仅可以是在过滤法中发挥最小作用的载体，因为颗粒收集在膜的表面上。即，通常没有颗粒渗透进入或越过过滤介质。与深处过滤相比，表面过滤介质的有利的特性与更小的外壳有关，这是指达到相同的过滤效率水平要求更少盒子/粉尘袋。相对于深处过滤，表面过滤更适合于细小颗粒俘获，例如更适合于最大尺寸小于10μm的颗粒。虽然起初比深处过滤介质更昂贵，但是表面过滤介质通常具有不太频繁的更新周期和更低的处置成本。
对于深处过滤，颗粒倾向于渗透过滤介质并变得俘获在整个介质的深度中。深处过滤介质具有宽的孔隙尺寸分布并且对于其污垢保持能力的一部分依靠吸附-保留。一些深处过滤器具有梯度孔隙结构以使机械保留最大化。大多数深处过滤器由比表面过滤器开放得多的粗纤维例如熔喷非织造纤维制成。深处过滤介质结构内的纤维之间的空隙通常显著地大于待收集的颗粒。粉尘颗粒渗透该介质的表面以“封闭”开孔，堵塞介质并增加压降。结果，当个体粉尘颗粒渗入并越过过滤介质时，大气排放物随着时间可能产生。常规的深处过滤介质很少能够高效地收集细小颗粒。与表面过滤介质相比，深处过滤介质更适合于除去具有大于10μm的最大尺寸的更宽范围的颗粒。与表面过滤介质相比，深处过滤介质起初更经济，但是具有更短的过滤寿命、更高频率的置换和更高的处置成本。
深处过滤介质的实例包括纺粘和熔喷织物。这些材料可以由可熔体加工的各种材料制成。在使用中，熔喷过滤介质通常表现高的过滤效率与较低压降。
表面过滤介质的实例是膨胀的聚(四氟乙烯)(ePTFE)材料。ePTFE膜的有利之处在于它们通常能够甚至在恶劣环境和高温下也表现地好。ePTFE膜通常在过滤方面是高效的，但是通常能与高压降相联系。
一般而言，聚(四氟乙烯)(PTFE)是热塑性的以致提供异常的耐高温和耐腐蚀环境性，还是惰性、无毒的并通常用于身体植入物。PTFE不可能通过常规的熔融聚合物技术(除基体模塑以外)加工，但是可以作为糊料挤出，然后拉伸成各种形态以制备纤维、带、膜或管。ePTFE用这种方式制备。加工PTFE的一种备选手段是提供PTFE的分散体，该分散体可以用于形成涂料或者与成纤聚合物结合并静电纺丝(“电纺丝(electrospun)”或电纺丝(espun))以制备非织造织物、覆盖物、棒或基于纳米纤维的复合材料。这些形式的PTFE通常在高温下烧结或部分烧结以展现合乎需要的机械性能。静电纺丝的方法以前已经得到描述，例如提供在美国专利号2,158,416；4,432,916；4,287,139；4,143,196；4,043,331；4,689,186和6,641,773中，所述文献中的每一篇全文在此引入作为参考。此外，美国专利号4,323,525、4,044,404和4,043,331(它们全文引入本文供参考)提供了涉及由含水分散体或其它分散体将PTFE加工和静电纺丝成织物的信息，随后将所述织物烧结以达到最终稳定的形式。对于ePTFE和电纺丝PTFE，产生具有高表面积的多孔隙结构。有利地，更高粘度的分散体最近已经用于获得更均匀的材料，如Anneaux等的美国专利号8,178,030中证实那样，该文献引入本文供参考。
提供替代的多孔介质例如，但不限于，用于各种应用的过滤介质将是有利的。
发明内容
发明概述
本公开内容的一个方面是提供多孔的并且在至少一些实例中经配置充当过滤介质的电纺丝材料。优选地，(例如，非必要地)，所述电纺丝材料包含电纺丝聚(四氟乙烯)(电纺丝PTFE)。在一些实施方案中，可以包括一个或多个附加层。
在本公开内容的涉及过滤介质的某些方面中，过滤器可以包括载体结构和电纺丝垫，该电纺丝垫包含，或基本上由以下组成：负载在所述载体结构上的电纺丝PTFE。在本公开内容的某些方面中，过滤系统包括可移除地安装在强制流路(a forced fluid path)(例如，气体或液体)中的过滤器组件，其中所述过滤器组件包括载体结构和负载在其上的电纺丝PTFE垫。
在一些实施方案中，过滤介质可以包括能够符合HEPA标准IEST-RP-CC001.3的电纺丝PTFE垫，其中：所述电纺丝PTFE垫包含具有大约250nm-大约1500nm的平均纤维直径的非织造纤维，且所述电纺丝PTFE垫的平均厚度为大约200μm或更低；所述电纺丝PTFE垫包含具有大约463nm-大约1500nm的平均纤维直径的非织造纤维，且所述电纺丝PTFE垫的平均厚度为大约200μm或更低；或所述电纺丝PTFE垫包含具有这样的平均纤维直径的非织造纤维，即该平均纤维直径为大约1500nm至在电纺丝以形成所述垫的分散体中的聚(四氟乙烯)颗粒的平均粒度的三倍，且所述电纺丝PTFE垫的平均厚度为大约200μm或更低。在一些实施方案中，平均纤维直径可以小于大约500nm或小于大约400nm。其它纤维直径在本公开内容的范围内。
所述电纺丝PTFE垫的平均厚度可以改变并且在某些实施方案中，可以为大约100μm或更低。在电纺丝PTFE垫内的压降有利地低。例如，在一些实施方案中，压降可以为大约40mm H2O或更低或大约30mmH2O或更低。电纺丝PTFE垫的密度可以改变。例如且根据一些实施方案，电纺丝PTFE垫的密度可以为大约30克/平方米/密耳厚度或更低，大约25克/平方米/密耳厚度或更低，大约20克/平方米/密耳厚度或更低，或大约10克/平方米/密耳厚度或更低。
本公开内容的另一个方面是提供多孔电纺丝材料的制备方法，该多孔电纺丝材料可以非必要地用作过滤介质，其中该方法包括：提供分散体，该分散体包含呈颗粒状具有给定平均粒度的氟化聚合物，纤维化聚合物，溶剂或其它适合的分散介质，和非必要的导电性物质，以致所述分散体具有给定电导率；和将所述分散体电纺丝而提供能够符合HEPA标准IEST-RP-CC001.3的聚合物垫。所述氟化聚合物可以改变并可以是例如，聚(四氟乙烯)或选自以下的聚合物：氟化乙烯丙烯(FEP)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，全氟烷氧基(PFA)，四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯(THV)的共聚物，聚(乙烯-共聚-四氟乙烯)(ETFE)，乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)，聚氯三氟乙烯(PCTFE)和它们的共聚物、共混物和衍生物。
导电性物质可以是在水中离解成离子并且不破坏分散体结构的任何试剂。导电性物质可以是，例如，水溶性盐，例如铵盐。分散体中的氟化聚合物的给定平均粒度可以改变并且可以，在一些实施方案中，为大约230nm或更低；大约160nm或更低；大约130nm或更低；或大约80nm或更低。在一些实施方案中，进行电纺丝步骤持续一段时间以致聚合物垫具有大约200μm或更低(例如，大约100μm或更低)的平均厚度。
本公开内容的聚合物垫可以投入各种应用。取决于最终应用和例如，聚合物垫可以是负载型的和/或可以按任何适合的方式为聚合物垫赋予强度。例如，在其中本公开内容的聚合物垫属于过滤器的一部分的一个实施方案中，该过滤器可以包括载体结构，且该载体结构可以包括框架，该框架至少部分地围绕着聚合物垫的边缘延伸，或更特别是一直围绕着聚合物垫的边缘延伸，并且封闭聚合物垫的边缘。载体结构还可以包括横构件(cross-member)，该横构件与该框架连接并延伸越过聚合物垫的相对面，以致所述聚合物垫布置在该横构件的相对组之间。另外和/或备选地，载体结构可以包括一个或多个材料层或呈一个或多个材料层形式，该材料层可以与本公开内容的聚合物垫的一个或多个层叠置。所述层可以彼此按任何适合的方式连接，例如经由层压或机械紧固连接，并且除了电纺丝聚合物层(一个或多个)之外的一个或多个层可以提供除了负载功能之外的或作为负载功能替代的任何适合的功能。
对于本公开内容的每个聚合物垫，可以通过将该聚合物垫的纤维的一部分粘结在一起为该聚合物垫赋予强度，通常同时维持，或至少基本上维持该垫的孔隙度。例如，这种粘结可以经由烧结或包括烧结的方法提供。例如，粘结可以包括某种熔融，虽然可能控制任何这样的熔融或使其最小化以致控制(例如维持)聚合物垫的孔隙度。例如并根据本公开内容的一个方面，过滤器可以包括具有已经烧结和/或热熔合在一起的纤维的电纺丝聚合物垫。
根据本公开内容的某些实施方案，提供包含，或基本上由以下组成的过滤介质：呈梯度织物形式的电纺丝PTFE。在一些实施方案中，过滤器包括载体结构和负载在其上的电纺丝PTFE梯度织物过滤介质。在某些实施方案中，提供了包括过滤器的过滤系统，该过滤器具有载体结构和负载在其上的电纺丝PTFE梯度织物过滤介质，其中所述过滤器可移除地安装在强制流路(例如，气体或液体)中。
在某些实施方案中，电纺丝PTFE提供通常与二维和三维两种过滤性能相联系的益处。结果，在本公开内容的一些方面中，提供这样一种材料，其能够将两种类型的介质的过滤能力的范围桥联并拓宽过滤应用的范围。在某些实施方案中，电纺丝PTFE具有深处过滤(三维)特性，因为它减小流动阻力和降低压降，还提供表面膜(二维)特性以便更高的过滤效率和颗粒释放。在本公开内容的一些方面中，电纺丝PTFE提供又一个潜在优点：能够不但通过厚度，而且通过密度控制过滤介质的有效的孔隙尺寸。
本公开内容的一个方面提供由两个或更多个电纺丝PTFE纤维层组成的梯度织物，其中所述两个或更多个层包括至少两个具有不同密度的层，以致所述织物的横截面显示一种或多种密度梯度，其中空气流穿过所述织物的横截面导致过滤效率相对于独立地穿过任一所述层的过滤效率得到增强，和压降在独立地由任一所述层显示的压降的范围内。
在特定实施方案中，梯度织物可以由三个或更多个层组成。在一些实施方案中，两个或更多个层(例如，三个或更多个层)可以沿着织物的长度和宽度是连续的。层的厚度可以改变；例如，每个层的厚度可以在大约0.5μm-大约1000μm之间。
在一些实施方案中，密度梯度包括横穿所述横截面的厚度具有增加的密度的层，以致空气流从最不密实的层流到最密实的层或从不太密实的层流到更加密实的层。在其它实施方案中，密度梯度包括横穿所述横截面的厚度具有降低的密度的层，以致空气流从最密实的层流到最不密实的层或从更加密实的层流到不太密实的层。在还有的其它实施方案中，密度梯度包括横穿所述横截面的厚度具有增加的密度和降低的密度的层。在某些实施方案中，具有最高密度的层在横截面的内部，以致空气流首先穿过一个或多个具有较低密度的层，然后穿过具有最高密度的层，然后穿过一个或多个具有较低密度的层。在一些实施方案中，密度梯度可以包括横穿所述织物的横截面基本上均匀的密度梯度。在一些实施方案中，梯度织物可以进一步包括一种或多种额外的组分，例如，与织物附贴的基材。
作为额外的实例，本公开内容的电纺丝聚合物垫还可以用作，或结合到分离膜、工程织物和组织支架中，或它们可以按任何其它适合的方式使用。对于这些及其它目的，包括电纺丝聚(四氟乙烯)、由电纺丝聚(四氟乙烯)组成、或基本上由电纺丝聚(四氟乙烯)组成的垫可以具有小于大约1003nm的平均纤维直径，和大于大约8.1克/平方米/密耳厚度或更低的密度。
作为另一个具体实例，本公开内容的电纺丝PTFE垫可以经配置是透气性材料，或可以是透气性材料的一部分，所述透气性材料既阻止(例如，基本上阻止)水和/或其它液体渗透，同时允许水分蒸气和空气释放以提供热适应。在一个具体实例中，非织造织物包括或基本上由以下组成：电纺丝聚(四氟乙烯)，其中所述非织造织物经配置以致它能够通过ASTM F1670的血液渗透试验并提供至少大约2.3cfm，或至少大约3cfm的空气透过率，其中所述空气透过率可以在从那些值之一延伸到小于大约9.0cfm，或小于大约8.5cfm的范围中，或在任何其它适合的范围中。作为更加具体的实例，通过ASTM F1670的血液渗透试验的电纺丝PTFE非织造织物可以具有：大约20μm的厚度，大约8.14cfm的空气透过率，和大约442cm的静水压(hydro head)；大约40μm的厚度，大约6.24cfm的空气透过率，和大约474cm的静水压；大约60μm的厚度，大约4.43cfm的空气透过率，和大约533cm的静水压；大约22μm的厚度，大约9.96cfm的空气透过率，和大约395cm的静水压；和/或大约68μm的厚度，大约2.98cfm的空气透过率，和大约664cm的静水压。
各种电纺丝PTFE非织造垫和它们的应用在本公开内容的范围内，以致上述特征和值，如本公开内容期间提供的其它特征和值可以按不同组合和子组合使用，例如用于提供限定本发明各方面的各种量(例如，数值、数值范围和/或类似物)。
上述内容提供了本公开内容的一些方面的简单化综述以提供基本理解。上述综述不是广泛的并且不希望确认本发明的关键或决定性元素或描绘本发明范围。上述综述的目的是以简化形式提供本公开内容的一些构思作为稍后提供的更详细描述的前奏。例如，其它方面将由以下内容变得明朗。
附图简述
参考附图更特别地在说明书的其余部分对于本领域技术人员给出包括最佳模式的完整和可行的公开。
图1是可以根据本公开内容的一个方面使用的基于孔(针)的电纺丝设备的示意图。
图2是根据对比实施例的电纺丝PTFE纤维垫的扫描电子显微照片(“SEM”)，其中所述纤维的直径为1003±105nm。
图3是根据本公开内容的第一示例性实施方案的电纺丝PTFE纤维垫的SEM，其中所述纤维的直径为852±141nm(例如，大约850nm)。
图4A是根据本公开内容的第二示例性实施方案的电纺丝PTFE纤维垫的低分辨率SEM显微照片，其中纤维的直径为463±113nm。
图4B是图4A的垫的高分辨率SEM显微照片。
图5是根据本公开内容的第三示例性实施方案的电纺丝PTFE纤维垫的SEM，其中纤维的直径为651±111nm(例如，大约650nm)。
图6是根据本公开内容第四示例性实施方案的电纺丝PTFE纤维垫的SEM，其中纤维的直径为609±86nm(例如，大约550nm)。
图7是提供各种电纺丝PTFE非织造布的平均孔隙尺寸对厚度的对比的图解(例如，条形图)。
图8是提供各种电纺丝PTFE非织造布的孔隙度(Gurley单位)对厚度的对比的图解(例如，条形图)。
图9是根据本公开内容的一个实施方案的均匀电纺丝PTFE在不锈钢箔片之上的示意性侧面剖视图。
图10是根据本公开内容的一个实施方案的梯度电纺丝PTFE在不锈钢箔片之上的示意性侧面剖视图。
图11是根据本公开内容的一个实施方案的过滤器组件的示意性前示图，其中该过滤器组件的背示图可以与该前示图基本上相同。
图12是显示本公开内容的一些实施方案的耐水性和空气透过率特性的示例性范围的图。
发明详述
下文中将更完全描述本公开内容的实施方案。然而，本发明可以有许多不同的形式实施，并且不应解释为限于这里给出的实施方案；相反，提供这些实施方案是为了本公开将全面和完全，并将向本领域技术人员完全传达本发明范围。事实上，对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围或精神的情况下可以对本公开内容作出各种修改和改变。例如，作为一个实施方案的一部分而说明或描述的特征可以用于另一个实施方案中，以产生另外的实施方案。因此，本公开内容旨在涵盖落入所附权利要求及其等同物范围内的那些修改和改变。当用于本说明书和所附权利要求书时，单数形式″一个/一种(a)″、″一个/一种(an)″、和″该/所述(the)″包括复数指示，除非上下文明确指明相反。
本公开内容的一个方面涉及非织造布(其还可以在本文称作“织物”、“片”、“膜”、“垫”和/或“过滤介质”)，其包括，或基本上由以下组成：电纺丝(在本文也可以称作“电纺丝(espin)”、“电纺丝espun”和/或“电纺丝espinning”)纤雏。在某些实施方案中，非织造布包括电纺丝聚(四氟乙烯)(电纺丝PTFE)；然而，其它实施方案在本公开内容的范围内。即，尽管在本公开内容的详细描述部分通常涉及聚合物PTFE，然而也可以或另外可以使用其它适合的聚合物，例如，但不限于，其它氟化聚合物。换句话说，虽然本公开内容的详细描述部分的一些区域特别涉及PTFE，但是可以使用其它类型的聚合物。例如并且根据一些实施方案，能够以分散体形式提供的任何适合的聚合物可以用于代替本文详细方法中的PTFE。在一些特定实施方案中，聚合物包括氟化聚合物。例如，可以根据本公开内容电纺丝的聚合物包括，但不限于，氟化乙烯丙烯(FEP)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，全氟烷氧基(PFA)，四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物(THV)，聚(乙烯-共聚-四氟乙烯)(ETFE)，乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)，PCTFE(聚氯三氟乙烯)，聚醚醚酮(PEEK)和它们的共聚物、共混物和衍生物。
与由含水分散体及其它分散体加工和静电纺丝PTFE的方法相关的一般信息例如，提供在Bornat的美国专利号4,323,525和Martin等的美国专利号4,044,404中，该文献以其全文引入本文供参考。在某些实施方案中，根据本公开内容使用的电纺丝方法至少部分地基于Anneaux等的美国专利号8,178,030中描述的方法，该文献全文引入本文作为参考。
在一个方面中，本公开内容提供通过某些工艺参数的修改控制电纺丝材料的性能。可以基于本公开内容制备的非织造布可以充当，例如且没有限制本发明范围的意图，过滤介质并可以提供许多优于常规过滤材料的优点。例如并且根据一些实施方案，用作过滤介质的电纺丝非织造布的制备允许一定程度地控制微观性能(例如，纤维直径和/或纤维填充)和宏观特性(例如，孔隙尺寸、均匀性和过滤性能)两者。
电纺丝方法
电纺丝垫可以通过电荷拉伸材料由分散体(例如，溶液或悬浮液/分散体)制备。所制备的纤维通常以随机方式收集以制备非织造材料。
在某些实施方案中，PTFE的电纺丝可以至少部分地基于Anneaux等的美国专利号8,178,030和Ballard等的美国专利申请公开号2012/0114722中详细描述的方法，该两篇文献都以全文引入本文供参考。
可以呈溶液形式提供的各种类型的聚合物可以电纺丝。在某些实施方案中，可以将经由溶液电纺丝制备的电纺丝垫结合到本公开内容的复合材料中。可以由溶液电纺丝的示例性聚合物包括，但不限于，尼龙，聚氨酯(PU)，聚酯和它们的共聚物、共混物和衍生物。
在某些实施方案中，通过基于分散体的电纺丝提供一个或多个电纺丝纤维层。在基于分散体的电纺丝中，可以将能够以分散体形式提供的大多数类型的聚合物电纺丝。在一些实施方案中，聚合物包括聚(四氟乙烯)(PTFE)。虽然本文提供的大部分论述集中于PTFE，但是应该指出，在本文详细的方法中可以使用其它聚合物代替PTFE。例如，在一些实施方案中，将聚醚醚酮(PEEK)电纺丝以提供纤维垫。在一些特定实施方案中，电纺丝纤维垫包括含氟聚合物。可以根据本公开内容电纺丝的示例性聚合物包括，但不限于，氟化乙烯丙烯(FEP)，聚偏二氟乙烯(PVDF)，全氟烷氧基(PFA)，四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物(THV)，聚(乙烯-共聚-四氟乙烯)(ETFE)，乙烯氯三氟乙烯(ECTFE)，PCTFE(聚氯三氟乙烯)和它们的共聚物、共混物和衍生物。
根据本公开内容的各种实施方案，非织造PTFE材料的适合的制备方法的实例在以下进行了描述。一般来说，可以通过将前体分散体改性制备电纺丝的分散体(可以称为电纺丝分散体)。根据本公开内容的一些实施方案，前体分散体和电纺丝分散体都包括PTFE颗粒；因此，它们可以称为PTFE前体分散体和PTFE电纺丝分散体。PTFE前体和电纺丝分散体通常是紧密混合的分散体。尽管本公开内容包括其中PTFE电纺丝分散体由PTFE前体分散体产生的实例，然而本公开内容不限于这样的实例。例如和至少理论上，可以在没有首先产生PTFE前体分散体的情况下产生PTFE电纺丝分散体。例如，PTFE电纺丝分散体可以通过向分散介质(例如溶剂)同时供应所有希望的添加剂产生。
PTFE前体分散体和非必要地还有PTFE电纺丝分散体中的固体含量(即和/或例如，PTFE颗粒的含量)优选(例如，非必要地)为大约50wt％-大约80wt％，更优选(例如，非必要地)大约55wt％-大约65wt％。根据本公开内容一些方面有用的PTFE前体分散体是可商购的，或它们可以通过将PTFE与例如，一种或多种溶剂或其它适合的分散介质结合制备。可商购的PTFE前体分散体的一个实例是DaikinD210PTFE，其包含大约59-61wt％PTFE固体(根据ASTM D4441测量)，6.0-7.2wt％表面活性剂，在25℃下8.5-10.5的pH值，1.50-1.53的比重和35cP的最大布鲁克菲尔德粘度。可以使用具有不同特性的其它PTFE前体分散体。适合的PTFE前体分散体的具体实例在下面根据本公开内容的示例性实施方案进行了更详细论述。
PTFE的性能(例如，分子量、多分散指数、粒度、粒度分布)可以改变。在一些实施方案中，PTFE颗粒在PTFE前体和电纺丝分散体中的平均粒度可以为大约0.05μm-大约1μm(例如，大约0.1μm-大约0.5μm)。在一些实施方案中，PTFE前体和电纺丝分散体中的PTFE的平均粒度小于大约0.5μm，小于大约0.4μm，小于大约0.3μm，或小于大约0.2μm。例如并且根据一些实施方案，PTFE前体和电纺丝分散体中的PTFE的平均粒度可以为大约0.08μm，大约0.13μm，大约0.16μm，大约0.23μm或大约0.25μm。分散介质可以是适合于产生分散体的任何溶剂或其它分散介质，包括但不限于，水溶液或醇溶液(例如，甲醇、乙醇或异丙醇)。
如上面提到的那样，PTFE电纺丝分散体可以由PTFE前体分散体产生，例如通过向所述PTFE前体分散体中添加一种或多种添加剂。各种添加剂在本公开内容的范围内，如下面更详细论述的那样。例如，PTFE电纺丝分散体一般还包含一种或多种纤维化聚合物，并且可以将纤维化聚合物添加到所述PTFE前体分散体中。
纤维化聚合物为足以协助形成非织造网幅并可以优选地(例如，非必要地)在电纺丝方法后除去以提供基于PTFE的电纺丝材料的任何聚合物。纤维化聚合物典型地选择为使得其在分散体的分散介质(例如，溶剂)中具有高溶解度。例如，当溶剂(例如，分散介质)是水时，任何适合的水溶性聚合物可以用作纤维化聚合物。或者，当溶剂是醇时，可以使用任何适合的醇溶性聚合物。在一些实施方案中，例如，纤维化聚合物可以选自：多糖(例如淀粉、壳聚糖、N-[(3′-羟基-2′，3′-二羧基)乙基]壳聚糖、葡聚糖和纤维素聚合物，包括纤维素醚、异丙基纤维素、羟基乙基纤维素、羟基丙基纤维素、纤维素乙酸酯、纤维素硝酸酯、纤维素乙基醚、纤维素乙基羟乙基醚和纤维素甲基羟乙基醚)；胶(例如瓜尔胶化合物、魔芋葡甘聚糖(konjacglocomannan)、支链淀粉、黄原胶、i-卡拉胶、藻酸盐(酯)、藻酸铵盐)；聚丙烯酸酯类(例如聚丙烯酸、聚(甲基丙烯酸)、聚(丙烯酸2-羟基乙酯)、聚(甲基丙烯酸2-(二甲基氨基)乙酯-共聚-丙烯酰胺)、聚(甲基丙烯酸1-甘油酯)、聚(甲基丙烯酸2-羟基乙酯/甲基丙烯酸)90∶10、聚(甲基丙烯酸2-羟基丙酯)、聚(2-甲基丙烯酰氧基乙基三甲基溴化铵)、聚(丙烯酸乙酯/丙烯酸)、聚(丙烯酸正丁酯/2-甲基丙烯酰氧基乙基三甲基溴化铵)、聚(3-氯-2-羟基丙基-2-甲基丙烯酰氧基乙基二甲基氯化铵)、二甲基sulfatequaternary和聚(乙烯/丙烯酸)92∶8)；聚丙烯酰胺和水解聚丙烯酰胺(例如聚(N-异丙基丙烯酰胺)、聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基-1-丙磺酸)，80∶20，聚(丙烯酰胺/丙烯酸)，聚(丙烯酰胺/2-甲基丙烯酰氧基乙基三甲基溴化铵)，聚(N-异丙基丙烯酰胺)，聚(二甲基十二烷基(2-丙烯酰氨基乙基)溴化铵))；聚胺(聚(乙烯基胺)、聚(4-氨基-磺基-苯胺)、聚乙烯亚胺、聚(盐酸化烯丙基胺)、聚苯胺，聚(g-谷氨酸)，聚(2-N-甲基吡啶鎓亚甲基碘)，聚(2-乙基-2-噁唑啉)，聚[N-(对磺基苯基)氨基-3-羟基甲基-1，4-亚苯基亚氨基-1，4-亚苯基)]，聚(苄基三甲基氯化铵)和聚(1-赖氨酸氢溴化物))；乙烯基和乙烯基吡啶聚合物(例如可以由乙烯基单体制备的那些，包括，但不限于，聚乙烯基醇、聚(乙烯基醇)12％乙酰基、聚乙烯基吡咯烷酮、聚(乙烯基亚砜)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮-共聚-乙酸乙烯酯)、聚(2-乙烯基吡啶)、聚(4-乙烯基吡啶N-氧化物)、聚(4-乙烯基吡啶)、聚(2-乙烯基吡啶N-氧化物)、聚(乙烯基甲基醚)、聚(乙烯基胺)盐酸化物、聚(乙烯基膦酸)、聚(乙烯基磺酸)钠盐、聚(2，4-二甲基-6-三吖嗪基乙烯)、聚(3-吗啉基乙烯)、聚(N-1，2，4-三吡咯基乙烯)、聚(甲氧基乙烯)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮/甲基丙烯酸2-二甲基氨基乙酯))；聚(N-丙酰基亚氨基乙烯)、聚(N-甲基吡啶鎓-2，5-二基亚乙烯基)、聚(N-乙烯基吡咯烷酮/乙烯基乙酸酯)、聚(2-乙烯基-1-甲基溴化吡啶鎓)、聚(二烯丙基二甲基氯化铵)、聚(氧化乙烯)山梨聚糖单月桂酸酯、聚(4-N-丁基吡啶鎓亚乙基碘)、聚(苯乙烯磺酸)、N-甲基-4(4′-甲酸基苯乙烯基)吡啶鎓、甲硫酸缩醛(methosulfate acetal)、聚(烯丙基氯化铵)、聚(烯丙基磷酸铵)、聚(衣康酸)、聚(二烯丙基二甲基氯化铵)、聚(马来酸)、聚(丁二烯/马来酸))；聚醚(例如聚环氧乙烷、聚(乙二醇)双(2-氨基乙基)醚、聚(乙二醇)单甲基醚、聚(乙二醇)-双酚A二缩水甘油醚加合物、和聚(环氧乙烯-b-环氧丙烯))；和它们的共聚物、衍生物和共混物。一种尤其优选的(例如非必要的)纤维化聚合物是聚氧化乙烯。
纤维化聚合物的分子量可以变化，但典型地为大于大约50,000amu。可用的聚合物分子量可根据聚合物的化学组成而变化。在本公开内容的实施方案中，纤维化聚合物可以是分子量为大约50,000-4,000,000amu(例如大约200,000amu-900,000amu)的聚氧化乙烯，其中分子量是粘均分子量。聚氧化乙烯纤维化聚合物可以具有大约200,000amu，大约300,000amu，大约400,000amu，大约500,000amu，大约600,000amu或大约900,000amu的数均分子量。纤维化聚合物优选(例如，非必要地)具有高的水(或其它分散体溶剂)中溶解度，其中在室温下大于大约0.5wt％的溶解度是优选的(例如，非必要地)。优选(例如，非必要地)，当在大约385℃下烧结时，纤维化聚合物具有小于大约5wt％的灰分含量，甚至更低是更优选的。
存在于分散体中的纤维化聚合物的量可以改变。在一些实施方案中，分散体包含大约1wt％-大约10wt％的纤维化聚合物，基于所述分散体的总重量。在一些实施方案中，纤维化聚合物与PTFE的重量比改变。例如，纤维化聚合物的量按重量计可以为电纺丝分散体中的PTFE的量的大约3.0％-大约5.5％。根据本公开内容要求的纤维化聚合物的量可以根据聚合物的化学组成改变。
可以通过本领域中已知的任何适合的方法形成电纺丝分散体。在一些实施方案中，将PTFE前体分散体与纤维化聚合物在水溶液中混合以形成电纺丝分散体或中间分散体，然后优选(例如，非必要地)允许它均化。虽然通常使用含水混合物，但是应该指出，也可以使用其它溶剂或分散介质，而不会偏离本发明公开内容。纤维化聚合物分散体的分散介质或溶剂可以是与PTFE前体分散体中相同的分散介质或溶剂。形成PTFE电纺丝分散体的混合时间可以改变。一般而言，制备PTFE电纺丝分散体以致避免高剪切。在一种优选的(例如，非必要的)方法中，将聚氧化乙烯纤维化聚合物添加到PTFE前体分散体中，然后使所述PTFE前体分散体与聚氧化乙烯在没有搅拌的情况下缓慢地胶凝(例如，在几天的时间内，这时，凝胶层的形成是明显的)，然后转移到罐式辊(a jar roller)中，该辊将以恒定速率翻转PTFE电纺丝分散体的罐再多几天。罐式辊是指以下装置：当罐以可以典型地调节以确保材料被适当混合的旋转速度连续旋转时，使罐旋转以制备和/或保持均匀混合的材料。示例性的罐式辊可购自，例如，Diemat，Inc.，group，Paul N.Gardner Company，Detroit ProcessMachinery和Paul O.Abbe。任何得到通过目视检查是通常均匀和具有适当粘度的材料的方法都可以用于制备PTFE电纺丝分散体。应该指出，PTFE电纺丝分散体中有一些不均匀性是可接受的；在一些实施方案中，在纺丝前过滤PTFE电纺丝分散体。PTFE电纺丝分散体中的溶剂或其它适合的分散介质的量可以改变以获得所需稠度或粘度。
可以将除了纤维化聚合物之外的添加剂添加到PTFE前体分散体中，如下面更详细论述那样。
在本公开内容的实施方案中，PTFE电纺丝分散体的粘度通常在某些期望的范围内以允许由其形成均匀和一致的纤维。例如，本公开内容预期使用粘度大于大约50,000cP的PTFE电纺丝分散体以提供均匀且一致的纤维形成，以及更快的构建。例如，在一些实施方案中，PTFE电纺丝分散体的粘度为大约50,000cP-大约300,000cP(例如，大约70,000cP-大约150,000cP)。粘度可以例如，用布鲁克菲尔德粘度计(Brookfield Viscometer)测量。PTFE电纺丝分散体的所需粘度可以根据待进行的电纺丝方法改变。例如，基于孔(针)的设备可以要求比基于自由表面的设备略微更高的粘度。
优选(例如，非必要地)产生在所得高粘性混合物中具有很少或没有陷入的空气的均匀PTFE电纺丝分散体。因此，可以加工PTFE电纺丝分散体以除去夹带的空气和通过例如，各种混合和/或过滤规程除去块状物或凝胶。
参照图1，可以通过电纺丝PTFE电纺丝分散体形成PTFE电纺丝材料9。在这方面，可以将PTFE电纺丝分散体装入受控的泵送设备，该设备具有充当电纺丝方法的电荷源12的固定导电元件。该导电元件具有一个或多个孔，其中PTFE电纺丝分散体通过所述孔向靶排出，且所述孔和靶具有相反的电荷(或者所述靶可以接地)。关于可根据本公开内容使用的设备的更多细节提供在，例如Anneaux等的美国专利申请公开号2010/0193999中，该文献全文引入本文作为参考。
更特别参照图1示意性显示的电纺丝设备，储器10可以装有PTFE电纺丝分散体。输送系统11(例如，其可以包括一个或多个泵送设备)将PTFE电纺丝分散体从储器10输送到电荷源12，该电荷源12可以是，或可以包括一个或多个孔。泵送设备的喷射体积通常设定为预定速率，该速率取决于制得的PTFE电纺丝材料9的所需构型，例如PTFE电纺丝材料的所需纤维直径。当使用基于孔的系统时，孔尺寸优选，但不限于是直径为大约0.01mm-大约3.0mm。靶(或“收集表面”)15经布置以致它与电荷源12隔开。电源16，包括(但不限于)DC电源，在电荷源和靶之间建立电荷电势，使得经纺丝PTFE分散体14带与靶相反的电荷。电荷源12优选地(例如，非必要地)连接到精确DC电源16的正极侧。电源16的负极侧优选(例如，非必要地)连接到收集表面或靶15。虽然可能不是优选的，但是在一些实施方案中，极性可以反转。靶15还可以接地。经纺丝PTFE分散体14被静电吸引到靶15并沉积在其上以形成PTFE电纺丝材料9。虽然不希望限制，但是各种电纺丝技术例如，描述在Chung等的美国专利号6,743,273和Green等的美国专利号7,815,427，Ignatious等的美国专利申请公开号2003/0017208、Petras等的美国专利申请公开号2008/0307766、Green等的美国专利申请公开号2009/0127747、Green等的美国专利申请公开号2009/0199717、Branham等的美国专利申请公开号2010/0018641和Pepper等的美国专利申请公开号2011/0111012中，它们都在此全文引入作为参考。
靶/收集表面15可为静态的或运动的(例如，它可为通过输送辊17或类似物上的运动移动穿过冲击区域的连续的或接近连续的材料，使得收集表面可以是输送机的环形带，或类似物)。收集表面15可以为例如鼓(即，电纺丝材料可以包裹在其周围的圆柱体)或片材。鼓典型地在沉积期间旋转，并且所得三维PTFE电纺丝材料9可以按这种“管子”形式使用，或可以切割以提供片材形式的电纺丝材料。片材是具有离散尺寸的平坦的收集表面。在一些其它实施方案中，收集表面15为可以涂覆即覆盖的任何材料。形成收集表面15的材料的形状、尺寸和几何构型可以变化。例如，收集表面15可以为设备，包括但不限于，可植入的医疗设备(例如组织支架、支撑管、接枝物和阻断器件)。在这样的实施方案中，进行静电纺丝使得该设备被PTFE电纺丝材料9覆盖。在这样的实施方案中，设备可在电纺丝前用另一种材料涂覆，或者该设备可以直接被覆盖，使得PTFE电纺丝材料9在该设备上形成覆盖层。收集表面15可以是能够消散电荷的任何适合的材料。在一些实施方案中，收集表面15可以是金属、陶瓷、玻璃纤维、石墨或聚合物材料(例如，PTFE或氟化聚合物)。在一些实施方案中，收集表面15的材料可以选自不锈钢、铜、钴铬、镍钛(例如，镍钛诺(nitinol))和镁合金。
通常提高电源16上的电压至期望的电压以均匀地拉出聚合物/PTFE电纺丝分散体。施加的电压可以变化，但典型地为大约2,000-大约20,000伏。由电源16的连接引发的电荷将带电的聚合物从电荷源12排斥离开，并将其吸引到收集表面15。收集表面15优选(例如，非必要地)垂直于孔系统12放置并且沿至少一个方向移动，使得整个表面被均匀地覆盖，并且纤维被拉向靶。在一些实施方案中，收集表面15可以旋转从而确保收集表面所有侧面上的覆盖(例如，当收集表面包括鼓或三维设备时)。
或者，可以使用开放浴(open bath)电纺丝设备将PTFE电纺丝分散体电纺丝(例如电纺丝成织物片材)，如下面论述那样。例如，该开放浴电纺丝设备可以具有产生摄动的线材、柱体、钉型、锐边缘、或类似几何构型的纺丝电极。对于开放浴(槽)单元，喷射体积取决于分散体的粘度、分散体的电导率、分散体的表面张力、浴到靶的距离和电压。这些因素还可以影响织物的厚度，和期望的纤维直径。电荷源优选地(例如，非必要地)连接到精确DC电源的正极侧。电源的负极侧优选(例如，非必要地)连接到收集表面。或者，收集表面可以接地。极性可以反转，但这不是优选的。施加的电压可以变化，但在大约100-大约400mm的典型的收集距离内典型地为大约40,000伏-大约200,000伏(例如，大约80,000-大约120,000)伏。
由电源的连接引发的电荷将带电的聚合物从电荷源排斥离开，并将其吸引到收集表面。在开放浴电纺丝中，收集表面典型地为片材。该片材表面可以为任何适合的金属或聚合物材料，其中不锈钢可以是尤其优选的材料。提高电源上的电压至期望的电压以均匀地拉出聚合物/PTFE电纺丝分散体并将该分散体吸引到靶。收集靶可以置于开放浴之上，并沿至少一个方向移动，使得整个表面优选地(例如，非必要地)被均匀覆盖。
关于可以根据本公开内容使用的这种及其它类型的设备的更多细节和操作该电纺丝设备的有用的参数提供在例如，Anneaux等的美国专利号8,178,030中，该文献全文引入本文作为参考。可以提供根据本公开内容使用的电纺丝材料的其它类型的设备及其使用方法描述在例如，Chung等的美国专利号6,743,273和Green等的美国专利号7,815,427，Ignatious等的美国专利申请公开号2003/0017208、Petras等的美国专利申请公开号2008/0307766、Green等的美国专利申请公开号2009/0199717、Branham等的美国专利申请公开号2010/0018641和Pepper等的美国专利申请公开号2011/0111012中，它们都在此全文引入作为参考。
不管使用哪种方法形成PTFE电纺丝材料(例如，图1的PTFE电纺丝材料9)，电纺丝材料优选(例如，非必要地)在它充分地覆盖收集表面后进行加热。更具体地说和例如，通常将通过电纺丝PTFE分散体制备的非织造布烧结以展现所需性能(例如，提供不太粘性、更强、更耐用的电纺丝材料)。可以在原位(即通过将整个收集表面放在烘箱中)或通过在加热前将电纺丝材料从收集表面除去并将游离电纺丝材料置于烘箱中加热电纺丝材料。加热步骤可以发挥许多目的。它可用于干燥电纺丝材料(例如通过将分散介质(例如，溶剂例如水)从电纺丝产物中除去)。加热步骤也可以用于使纤维化聚合物挥发和除去。加热步骤还可以导致PTFE颗粒的烧结。虽然不打算限制，但是据信，这种烧结步骤对于为电纺丝PTFE非织造布提供它们的强度、耐久性及其它合乎需要的特征是重要的。经由烧结提供的PTFE颗粒和/或纤维之间的粘结可以伴随着PTFE颗粒和/或纤维的某种熔融。当希望时，可以按设法控制(例如，维持)PTFE非织造布的孔隙度的方式控制或另外最小化任何这样的熔融。
可以改变将PTFE电纺丝材料加热的时间和温度。例如，在典型的实施方案中，烘箱的温度在大约250℃-大约500℃(例如，大约350℃-大约485℃)之间。加热PTFE电纺丝材料的时间部分地取决于烘箱的温度。该时间还可以取决于PTFE电纺丝材料的厚度，电纺丝材料越厚通常要求越多时间来干燥和/或烧结。在一些实施方案中，进行加热/烧结的温度可以部分地取决于梯度结构内非必要的其它组分的特性(它们可能例如，不能承受另外可能用于PTFE加热/烧结的高温)。
在某些实施方案中，一般使样品暴露于热中一段时间以致剩余水的至少一些(优选大部分)蒸发并且纤维化聚合物的至少一些(优选大部分)经历分解和随后的残留材料消除。在一些实施方案中，加热PTFE电纺丝材料一小时或更少的时间，但是在不脱离本公开内容的情况下可以使用更长加热时间。在一些实施方案中，加热材料一段大约30分钟或更少，大约20分钟或更少，大约10分钟或更少，或大约5分钟或更少的时间。例如，在某些实施方案中，进行加热和/或烧结大约1-大约30分钟，优选大约5-大约10分钟的时间。
可以同时或按一系列步骤进行干燥、挥发、烧结和/或类似步骤。虽然不希望受任何理论的限制，但是据信一些干燥(即，除去溶剂)可在完成电纺丝后进行。进一步相信这时会发生一些低程度的纤维再排布。然后，当加热电纺丝材料时，优选地(例如，非必要地)，剩余分散介质(例如溶剂)和纤维化聚合物的大部分(例如，大于大约80wt％，优选(例如，非必要地)大于大约90wt％或95wt％，最优选(例如，非必要地)大于大约98wt％或99wt％)从PTFE电纺丝材料中除去。一般理解，电纺丝织物在加热后经历收缩。虽然并不限于任何理论，但是认为收缩以两个步骤产生：电纺丝方法后的初始干燥和纤维再排布，和通过加热除去分散介质和纤维化聚合物。
如上所述，加热也可以导致烧结。烧结是指单独的PTFE颗粒熔合而产生非织造的基于PTFE的电纺丝材料。电纺丝材料的烧结一般导致更强、更耐用的电纺丝材料的形成。烧结的水平可以改变。加热期间，可以监测电纺丝材料以通过各种方法(例如量热法)评价烧结水平。加热通常引起电纺丝材料发生可以评价例如目视评价的物理变化。例如，如果材料看上去粘着和甚至发粘，则这通常表明该电纺丝材料应加热更长时间。如果有电纺丝材料的变色(例如黄化)，这一般表明纤维化聚合物的存在(即，不完全的分解)，并且这也表明该电纺丝材料应加热更长时间。
PTFE电纺丝材料优选是纤维性的。尤其优选的电纺丝纤维具有至少大约0.01μm的直径。在一个尤其优选的示例性实施方案中，PTFE电纺丝材料在烧结后具有这样的纤维，该纤维以使纤维之间的接触点之间存在大约0.1μm-大约50μm的距离范围的密度沉积。
电纺丝过滤介质及其制备
本公开内容的一个方面是提供包含，或基本上由以下组成的过滤介质：一种或多种纤维性、非织造PTFE电纺丝材料。此类电纺丝PTFE过滤介质益处在于，在至少一些实施方案中，过滤介质可以适合用于恶劣环境和/或高温应用。
各种试验法可用来评价过滤介质的性能。例如，HEPA和ULPA的过滤效率(FE％)和压降(ΔPmm H2O)可以使用常规TSI8130自动过滤器测试仪(Auto Filter Tester)测定。在一些实施方案中，包含电纺丝PTFE，或基本上由电纺丝PTFE组成的过滤介质显示高过滤效率。例如，在本公开内容的一些实施方案中，使用IEST-RP-CC001.3(1995)评价(对于平坦片材和使用TSI8130Auto Filter Tester，使用0.3μm颗粒，5.3cm/s速度和100cm2试验面积)时，电纺丝PTFE过滤介质符合至少99.97％除去(即，俘获)0.3μm颗粒的HEPA效率标准。过滤性能表征过滤介质在给定浓度和给定流速下除去规定污染物的能力，表示为渗透百分率，和最终压降。然后通过从100％中扣除渗透百分率计算过滤效率。
当在TSI8130Auto Filter Tester上试验过滤器时，取得两个值：在规定流速下的渗透读数和压降。压降与推动空气穿过过滤器所要求的能量成正比。压降是按额定空气流速横穿样品的差压头(differential pressure head)，并且压降通常以英寸水柱表示。例如，作为HEPA或ULPA试验的一部分测量压降。压降提供使空气或水流过过滤介质的能源成本的示值。
在一些实施方案中，当待过滤的材料穿过电纺丝PTFE过滤介质时，使用包含电纺丝PTFE，或基本上由电纺丝PTFE组成的过滤介质进行的过滤显示低压降。在一些实施方案中，符合HEPA效率标准的电纺丝PTFE垫(例如，电纺丝PTFE非织造布)当用于过滤时显示比基于HEPA微玻璃(microglass)的过滤介质更低的压降。例如，在某些特定实施方案中，横穿PTFE过滤介质的压降可以小于大约40mm H2O，小于大约35mm H2O，小于大约30mm H2O，小于大约25mm H2O，或小于大约20mm H2O。
在一些实施方案中，能够符合HEPA效率标准的电纺丝PTFE垫可以比通常用于HEPA过滤的其它材料(例如，基于HEPA微玻璃的过滤介质)薄。例如，在一些实施方案中，能够符合HEPA效率标准的电纺丝PTFE垫具有小于大约300μm，小于大约200μm，小于大约150μm，小于大约100μm，小于大约80μm的平均厚度。在某些特定实施方案中，能够符合HEPA效率标准的电纺丝PTFE垫具有小于大约50μm的平均厚度。
在本公开内容的一个方面中，电纺丝PTFE垫可以同时充当具有低流动阻力的表面过滤器，和具有互联多孔结构的深处过滤器。在这方面并且根据本公开内容的至少一些实施方案，电纺丝PTFE过滤介质(例如电纺丝PTFE非织造材料)经配置用于提供两种不同过滤平台(表面和深处过滤)这两者的特征，并且电纺丝PTFE过滤介质将各自的利益协同地组合。电纺丝PTFE过滤介质的膜状表面过滤介质特征设法提供显著的过滤效率；然而电纺丝PTFE过滤介质的三维互连孔隙结构设法提供低流动阻力和因此，低压降。
根据本公开内容制备的过滤介质的应用可以改变。如所指出的那样，在一些实施方案中，过滤介质可以用作HEPA过滤器。HEPA过滤器例如本文描述的那些可以具有例如，确保医疗设施(例如，医院例如特殊程序室(例如，手术室)，产房，容纳具有空气传播传染病的病人的房间，容纳具有免疫缺乏状况的病人的房间，实验室设施，药房设施和无菌室(例如，无菌供应室))中的空气质量。HEPA过滤器例如本文描述的那些也可以用来确保研究设施(例如，用于微电子、药物、生物、纳米材料或化学研究、开发和生产的工业清洁室)，小汽车，飞机和家庭中的空气质量；可以用于真空吸尘器；可以用于分析重量分析；和可以用于个人防护设备(例如，呼吸器系统)。在一些实施方案中，HEPA过滤器可以用于过滤任何类型的颗粒物质，包括无毒和/或安全的颗粒物质以及有毒和/或危险的颗粒物质例如，放射性物质、生物危险物质、核材料、细菌、真菌或病毒颗粒物质。
根据本公开内容提供的过滤介质可以经改性引入任何适合类型的骨架或结构内以提供过滤设备(即，过滤器)。在一些实施方案中，过滤器具有载体结构和包含被所述载体结构负载(例如，在其之上)的电纺丝PTFE，或基本上由被所述载体结构负载(例如，在其之上)的电纺丝PTFE组成的电纺丝垫，并且此种过滤器可以可移除地安装在强制流路(例如，气体或液体)中，如下面更详细论述的那样。过滤的气体可以是，例如，空气。
例如，可以用本公开内容中所述的过滤介质替换Smithies等的美国专利申请公开号2011/0139008、Dikken等的美国专利申请公开号2010/0218595、Latham等的美国专利申请公开号2009/0071327、Freriks的美国专利申请公开号2006/0201511和Wright等的美国专利申请公开号2005/0183232中所述的过滤介质(例如，HEPA过滤介质)，它们以其全文引入本文供参考。取决于应用，可以将过滤介质按任何适合的形式(例如，平坦单层形式、折叠形式、多层形式和/或打褶形式)结合到过滤设备中。
有利地，在一些实施方案中，可以定制电纺丝PTFE的性能。定制电纺丝材料的性能的能力可用于能够制备适合于给定类型的过滤的非织造PTFE电纺丝材料。PTFE电纺丝非织造布可以对于此类目的定制的示例性性能包括纤维直径、纤维填充密度、纤维填充均匀性和非织造结构中的缺陷(即非均匀性)程度。
存在可以根据本公开内容控制和定制这些性能的各种方法。PTFE电纺丝材料具有可以取决于它们的制备方法(例如，纺丝方法的参数)改变的宏观和微观性能。例如，可以获得非织造电纺丝材料内的PTFE纤维的各种平均纤维直径。存在数种本领域技术人员已知的控制电纺丝材料的纤维直径的方法。控制电纺丝材料的纤维直径通常与方法或材料参数相关。
控制纤维直径的一种方法是在纺丝方法期间通过增加电纺丝分散体电导率来增加电纺丝材料的拉伸。例如，增加电导率一般提供具有更小纤维直径的非织造布。反过来，降低电纺丝分散体的电导率一般提供具有更大纤维直径的非织造布。存在各种可以改变电纺丝分散体电导率的手段。例如，在一些实施方案中，可以将在分散介质(例如水)中离解成离子的任何适合的添加剂/试剂添加到分散体中，只要所述试剂不会不利地影响分散体的稳定性。例如，和根据本公开内容实施方案，可以为此目的使用的导电性物质包括，但不限于，铵或金属盐(氯化物、硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐等)，弱酸(硝酸、甲酸、乙酸等)或弱碱(氢氧化铵、吡啶等)。可以根据本公开内容使用的一种示例性的导电性物质是碳酸铵。在一些实施方案中，导电性物质是任何盐，通常除氧化物和硫化物之外。
待添加的导电性物质的量可以改变。一般而言，导电性物质的量可以是使分散体的电导率产生所需改变必需的量。在一些实施方案中，电导率的增加与添加到体系中的导电性物质的量成正比。然而，电导率增加通常是试剂特异性的并因此，产生具有所需电导率的分散体所要求的导电性物质的量对于不同导电性物质将是不同的。虽然不希望限制，但是在本公开内容的一些实施方案中，添加到/包括在分散体中的导电性物质的量可以为大约0.001wt％-大约50wt％，基于分散体的重量。例如，对于某些导电性物质，添加到/包括在分散体中的导电性物质的量为大约0.01wt％-大约10wt％，大约0.01wt％-大约5wt％，大约0.01wt％-大约1wt％，或大约0.05wt％-大约1wt％，基于分散体的重量。
分散体的所需电导率可以改变。在一些实施方案中，提供合适网幅均匀性但是不压实所述结构的电导率的范围在大约200-大约1000μS/cm(例如，大约300-大约800μS/cm)的范围内。在其它实施方案中，提供好的均匀性而不会使结构致密化的电导率在大约50-大约1000μS/cm的范围内。可以例如，使用MettlerSevenMultiTMModular Meter System使用InLab电导率探针测量分散体的电导率。PTFE分散体一般拥有给定的初始电导率，该电导率可以改变。此外，应该指出，分散体的电导率的选择可能受分散体中的PTFE颗粒粒度影响，如本文进一步描述那样。换言之并且根据本公开内容的至少一些实施方案，电导率和PTFE颗粒粒度通常协同地加以考虑以便获得具有给定纤维尺寸的电纺丝材料。
改变电纺丝分散体的电导率也可能在其它方面影响所得的非织造织物。在一些实施方案中，改变电导率可能影响纤维的填充密度。例如，增加电纺丝分散体的电导率在一些实施方案中可能导致平均纤维直径的减小并且还可以影响纤维填料的均匀性和/或密度。在一些实施方案中，增加电导率可以提供由密集填充的压实纤维构成的稍微均匀的织物。然而，虽然增加电导率通常改进均匀性，但是它还可能压实网幅结构，导致不显示合乎需要的过滤能力的电纺丝材料。
非织造布内的纤维填料的均匀性和非织造布内填料的密度可以视觉评价(例如，用扫描电子显微术)。均匀性的另一个量度是孔隙尺寸均匀性，这可以例如，通过比较电纺丝材料的平均孔隙尺寸和泡点孔隙尺寸(最大孔隙尺寸)进行测定。织物的密度还可以通过比较以克/平方米(GSM)为单位的重量与电纺丝材料的总厚度(以密耳为单位)测定，作为GSM/密耳厚度的比例。在一些实施方案中，包含电纺丝PTFE，或基本上由电纺丝PTFE组成的过滤介质内纤维的填充导致具有大约30或更低，大约25或更低，大约20或更低，大约15或更低，或大约10或更低的GSM/密耳比的介质。在一些实施方案中，GSM/密耳比为大约8-大约25，例如大约9-大约15。
在本公开内容的一些实施方案中，可以如下控制PTFE电纺丝非织造布中的纤维直径：选择在用于制备纺丝PTFE分散体的前体PTFE分散体中的PTFE的特定平均粒度。当由分散体电纺丝PTFE或任何其它聚合物材料时，认为粒度是纤维结构的构建段(building block)。因此，在一些实施方案中，通过减小这些构建段(颗粒)的尺寸，非织造布中的所得的纤维将在直径方面按比例减小。相应地，在其它实施方案中，增加平均粒度可以提供包含具有更大直径的纤维的非织造电纺丝材料。然而，已经发现，一般而言，仅仅改变PTFE颗粒粒度并不总是制备高质量、无缺陷非织造布，例如过滤应用通常所要求的那些的可靠方法。
在本公开内容的一些实施方案中，分散体电导率和PTFE颗粒粒度这两种参数以设法提供所需结果的方式共同作用(例如，联合作用)。换言之，在一些实施方案中，提供分散体电导率和PTFE颗粒粒度的预定组合以便制备具有所需特性的电纺丝PTFE非织造布。虽然一般可以独立地调节任一参数以提供具有减小的纤维直径的非织造织物，但是一般在本公开内容中并行考虑这些参数，因为在一些实施方案中，单独考虑的这些参数都不可能提供对所得PTFE非织造织物的过滤性能的足够控制。PTFE颗粒粒度和分散体电导率的某些组合事实上可能产生不合需要的大尺度缺陷和非均匀性。这些缺陷和非均匀性对于考虑过滤中的应用是重要的。例如，对于过滤目的，可能合乎需要的是减小纤维尺寸；然而，减小纤维尺寸在一些实施方案中可能导致纤维的更密实填充。在这样的电纺丝PTFE材料中，过滤介质可能由于纺丝期间的纤维压实而具有非常高的流动限制。这样的过滤介质在用于过滤期间很可能显示高的压降和能量损失。
如所指出的那样，在一些实施方案中，仅仅减小PTFE颗粒粒度可以减小平均纤维直径；并且在一些实施方案中，仅仅增加PTFE电纺丝分散体中的电导率可以减小平均纤维直径。例如，在一个实施方案中，将分散体中的平均PTFE颗粒粒度从大约230nm减小到大约130nm导致非织造布中的PTFE纤维直径减小大约35％。相似地，将具有大约230nm的平均粒度的PTFE分散体的电导率从250μS/cm增加到600μS/cm导致非织造布中的PTFE纤维直径减小大约15％。虽然从这种数据显而易见，粒度和电导率在影响最终非织造布的纤维直径方面发挥作用，但是进一步得出同时考虑这些参数可能是有利的。
可以通过微调PTFE分散体的粒度和电导率两者提供各种平均纤维直径。在一些实施方案中，通过提供分散体PTFE颗粒粒度和分散体电导率的合适的组合可以获得小于或等于大约1500nm，小于或等于大约1000nm，小于或等于大约900nm，小于或等于大约800nm，小于或等于大约700nm，小于或等于大约600nm，小于或等于大约500nm，小于或等于大约400nm，小于或等于大约300nm，小于或等于大约200nm或小于或等于大约100nm的PTFE纤维直径。因此，在一些实施方案中，PTFE纤维的平均直径在大约250nm-大约1500nm(例如，大约463nm-大约1500nm，或大约1500nm至电纺丝分散体中PTFE的平均粒度的三倍)的范围内。在一些实施方案中，PTFE纤维的平均直径为大约400-大约900nm。
应该指出，在一些实施方案中，本文描述的电纺丝方法可以制备自支撑并且能独立的(stand alone)(例如，不是用作涂层)的聚合物(例如，PTFE)垫。然而，在一些实施方案中，最终电纺丝产物可以包含其它聚合物(例如，作为最终产物中的额外的聚合物膜或膜层或提供在含PTFE的分散体中，获得混合聚合物垫)。此类其它聚合物可以包含或可以不包含电纺丝材料。一般而言，可以投入溶液或分散体形式中的任何聚合物可以电纺丝。例如，可以根据本公开内容电纺丝的某些适合的材料包括尼龙、聚氨酯(PU)、聚酯、氟化乙烯丙烯(FEP)、它们的组合等。通常将通过电纺丝过程分散体(例如，悬浮液)制备的非织造布烧结以展现所需性能；然而，通过电纺丝由溶液制备的非织造布可以在纺丝和干燥期间展现它们的性能。
在下面，在电纺丝PTFE非织造织物的对比实施例后论述第一至第六示例性实施方案。第一至第六示例性实施方案中的每一个可以类似上述实施方案，不同在于指出的改变和将对本领域普通技术人员显而易见的改变。
电纺丝PTFE非织造织物的对比实施例：
在本公开内容的一个方面中，下面描述的对比实施例用于对比目的。在对比实施例中，将呈聚(氧化乙烯)(例如，聚氧化乙烯)形式的纤维化聚合物(300,000kDa-40克)添加到PTFE颗粒在水中的1L前体分散体中，然后使该分散体胶凝大约5天。对比实施例的前体分散体的PTFE颗粒具有大约230nm的平均粒度。对比实施例的前体分散体从Daikin Industries，Ltd.作为Daikin DX-9025获得。辊压该胶凝分散体以结合(大约10rpm)，例如用上述罐式辊，结合至少48小时而产生粘性的乳白色PTFE电纺丝分散体。PTFE电纺丝分散体的电导率为大约250μS/cm。
将该PTFE电纺丝分散体装入槽中，其中旋转的圆柱形辊子用作电荷电极并涂有PTFE电纺丝分散体。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室并用作收集表面，PTFE电纺丝材料沉积在其上。所使用的收集距离为大约230cm且所使用的电压为80kV。之后，将该PTFE电纺丝材料烧结以形成对比实施例的电纺丝PTFE非织造织物。
如图2所示，对比实施例的所得的电纺丝PTFE非织造织物性质上是纤维性的，其中多个纤维经配置限定多个贯穿电纺丝非织造织物的孔隙(例如，弯曲的路径)。制备的纤维具有1003±105nm的平均纤维直径，通过使用软件即软件将至少50根纤维的测量值平均而评价。对比实施例的电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表1中，该表1给出了使用相同参数，但是为了对比不同厚度的两种示例性PTFE制备的数据。
表1：对比实施例的非织造PTFE材料的对比
样品 1 2
厚度(密耳) 1.2 1.4
基重(g/m2) 9.4 14.6
平均流动孔隙(微米) 4.2 3.1
泡点(微米) 7.2 5.1
Gurley值(s/100cc) 1.2 2.4
纺丝分散体的粘度(cP)布鲁克菲尔德# 97,000 104,000
#在2.5的RPM下用S-25转子(spindle)取得测量值
第一示例性实施方案：
在本公开内容的第一示例性实施方案中，将呈聚(氧化乙烯)(例如，聚氧化乙烯)形式的纤维化聚合物(300,000kDa-40克)添加到PTFE颗粒在水中的1L前体分散体中，然后使该分散体胶凝大约5天。第一示例性实施方案的前体分散体的PTFE颗粒具有大约230nm的平均粒度。第一示例性实施方案的前体分散体从Daikin Industries，Ltd.作为Daikin DX-9025获得。将呈氢氧化铵形式的导电性物质(作为在水中的28-33wt％溶液提供)添加到凝胶的分散体中而产生5体积％氢氧化铵的最终浓度。辊压该胶凝分散体以结合(大约10rpm)，例如用上述罐式辊，结合至少48小时而产生粘性的乳白色PTFE电纺丝分散体。PTFE电纺丝分散体的电导率为大约600μS/cm。
将该PTFE电纺丝分散体装入浴中，其中旋转的圆柱形辊子用作电荷电极并涂有PTFE电纺丝分散体。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室并用作收集表面，PTFE电纺丝材料沉积在其上。所使用的收集距离为大约230cm且所使用的电压为80kV。之后，将该PTFE电纺丝材料烧结以形成第一示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物。
如图3所示，第一示例性实施方案的所得的电纺丝PTFE非织造织物性质上是纤维性的，其中多个纤维经配置限定多个贯穿电纺丝非织造织物的孔隙(例如，弯曲的路径)。制备的纤维具有852±141nm(例如，大约850nm)的平均纤维直径，通过使用软件即软件将至少50根纤维的测量值平均而评价。第一示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表2中，其中为了对比提供不同的厚度。
表2：第一示例性实施方案的非织造PTFE材料的对比
#在2.5的RPM下用S-25转子取得测量值
第二示例性实施方案：
在本公开内容的第二示例性实施方案中，将呈聚(氧化乙烯)(例如，聚氧化乙烯)形式的纤维化聚合物(300,000kDa-40克)添加到PTFE颗粒在水中的1L前体分散体中，然后使该分散体胶凝大约5天。第二示例性实施方案的前体分散体的PTFE颗粒具有大约160nm的平均粒度。第二示例性实施方案的前体分散体从3MTM作为DyneonTMTF5032Z获得。辊压该胶凝分散体以结合(大约10rpm)至少48小时而产生粘性的乳白色PTFE电纺丝分散体。PTFE电纺丝分散体的电导率为大约1200μS/cm。
将该PTFE电纺丝分散体装入浴中，其中旋转的圆柱形辊子用作电荷电极并涂有上述分散体。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室并用作收集表面，PTFE电纺丝材料沉积在其上。所使用的收集距离为大约180cm且所使用的电压为60-70kV。之后，将该PTFE电纺丝材料烧结以形成第二示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物。
如图4A和4B所示，第二示例性实施方案的所得的电纺丝PTFE非织造织物性质上是纤维性的，其中多个纤雏经配置限定多个贯穿电纺丝非织造织物的孔隙(例如，弯曲的路径)。制备的纤维具有463±113nm的平均纤维直径，通过使用软件即软件将至少50根纤维的测量值平均而评价。第二示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表3中，其中为了对比提供不同的厚度。
表3：第二示例性实施方案的非织造PTFE材料的对比
样品 1 2
厚度(密耳) 1.3 0.9
基重(g/m2) 41.9 36.7
平均流动孔隙(微米) 1.6 1.6
泡点(微米) 4.6 2.9
粘度(cP)布鲁克菲尔德# 107,000 147,000
#在2.5的RPM下用S-25转子取得测量值
第三示例性实施方案：
在本公开内容的第三示例性实施方案中，将呈聚(氧化乙烯)(例如，聚氧化乙烯)形式的纤维化聚合物(300,000kDa-40克)添加到PTFE颗粒在水中的1L前体分散体中，然后使该分散体胶凝大约5天。第三示例性实施方案的前体分散体的PTFE颗粒具有大约130nm的平均粒度。第三示例性实施方案的前体分散体从Daikin Industries，Ltd.作为RD-V4获得。辊压该胶凝分散体以结合(大约10rpm)，例如用上述罐式辊，结合至少48小时而产生粘性的乳白色PTFE电纺丝分散体。PTFE电纺丝分散体的电导率为大约300μS/cm。
将PTFE电纺丝分散体装入储器并输送到用于纺丝的线型自由表面电极。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室，其中沉积PTFE电纺丝材料。所使用的收集距离为大约260cm且所使用的电压为大约100kV。之后，将该PTFE电纺丝材料烧结以形成第三示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物。
如图5所示，第三示例性实施方案的所得的电纺丝PTFE非织造织物性质上是纤维性的，其中多个纤维经配置限定多个贯穿电纺丝非织造织物的孔隙(例如，弯曲的路径)。制备的纤雏具有651±111nm(例如，大约650nm)的平均纤维直径，通过使用软件即软件将至少50根纤维的测量值平均而评价。第三示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表4中，其中为了对比提供不同的厚度。
表4：第三示例性实施方案的非织造PTFE材料的对比
#在2.5的RPM下用S-25转子取得测量值
第四示例性实施方案：
在本公开内容的第四示例性实施方案中，将呈聚(氧化乙烯)(例如，聚氧化乙烯)形式的纤维化聚合物(300,000kDa-40克)添加到PTFE颗粒在水中的1L前体分散体中，然后使该分散体胶凝大约5天。第四示例性实施方案的前体分散体的PTFE颗粒具有大约80nm的平均粒度。第四示例性实施方案的前体分散体从Daikin Industries，Ltd.作为RD-V5获得。辊压该胶凝分散体以结合(大约10rpm)，例如用上述罐式辊，结合至少48小时而产生粘性的乳白色PTFE电纺丝分散体。PTFE电纺丝分散体的电导率为大约80μS/cm。
将PTFE电纺丝分散体装入储器并输送到用于纺丝的线型自由表面电极。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室，其中沉积复合PTFE纤维。所使用的收集距离为大约260cm且所使用的电压为大约100kV。之后，将该PTFE电纺丝材料烧结以形成第四示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物。
如图6所示，第四示例性实施方案的所得的电纺丝PTFE非织造织物性质上是纤维性的，其中多个纤维经配置限定多个贯穿电纺丝非织造织物的孔隙(例如，弯曲的路径)。制备的纤维具有609±86nm(例如，大约550nm)的平均纤维直径，通过使用软件即软件将至少50根纤维的测量值平均而评价。第四示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表5中，其中为了对比提供不同的厚度。
表5：第四示例性实施方案的非织造PTFE材料的对比
#在2.5的RPM下用S-25转子取得测量值
第五示例性实施方案：
在本公开内容的第五示例性实施方案中，将呈聚(氧化乙烯)(例如，聚氧化乙烯)形式的纤维化聚合物(300,000kDa-40克)添加到PTFE颗粒在水中的1L前体分散体中，然后使该分散体胶凝大约5天。第五示例性实施方案的前体分散体的PTFE颗粒具有大约160nm的平均粒度。第五示例性实施方案的前体分散体从Daikin Industries，Ltd.作为RD-V7获得。辊压该胶凝分散体以结合(大约10rpm)，例如用上述罐式辊，结合至少48小时而产生粘性的乳白色PTFE电纺丝分散体。添加呈氢氧化铵形式的导电性物质(作为在水中的28-33wt％溶液提供)而产生电纺丝分散体中5体积％氢氧化铵的最终浓度。电纺丝分散体的电导率为大约450μS/cm。将电纺丝分散体装入储器并输送到用于纺丝的线型自由表面电极。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室，其中沉积复合PTFE纤维。所使用的收集距离为大约260cm且所使用的电压为大约100kV。之后，将该PTFE电纺丝材料烧结以形成第五示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物。
第五示例性实施方案的所得的非织造织物性质上是纤维性的，其中多个纤维经配置限定多个贯穿电纺丝非织造织物的孔隙(例如，弯曲的路径)。制备的纤维具有690±117(例如，大约650nm)的平均纤维直径。第五示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表6中，其中为了对比提供不同的厚度。
表6：第五示例性实施方案的非织造PTFE材料的对比
#在2.5的RPM下用S-25转子取得测量值
第六示例性实施方案：
在本公开内容的第六示例性实施方案中，将呈聚(氧化乙烯)(例如，聚氧化乙烯)形式的纤维化聚合物(300,000kDa-40克)添加到PTFE颗粒在水中的1L前体分散体中，然后使该分散体胶凝大约5天。第六示例性实施方案的前体分散体的PTFE颗粒具有大约230nm的平均粒度。第六示例性实施方案的前体分散体从Daikin Industries，Ltd.作为Daikin DX-9025获得。辊压该胶凝分散体以结合(大约10rpm)，例如用上述罐式辊，结合至少48小时而产生粘性的乳白色PTFE中间分散体。从该中间分散体中取得样品并将各种量的呈碳酸铵形式的盐添加到每个样品中以产生PTFE电纺丝分散体，其中电纺丝分散体的量和相应的电导率列在表7中。
将第六示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体中的每一种单独地装入10mL注射器，该注射器具有通过luer-lok配件连接的21号标准针(a21gauge needle)。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在辊压鼓上。将注射器设定在0.5ml/h的流速。所使用的收集距离为大约10cm且所使用的电压为大约15-20kV。之后，将该PTFE电纺丝材料烧结以形成第六示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物。
第六示例性实施方案的所得的非织造织物性质上是纤维性的，其中多个纤维经配置限定多个贯穿电纺丝非织造织物的孔隙(例如，弯曲的路径)。第六示例性实施方案的制备的纤维的所得平均纤维直径及其它特征示于表7中。
表7：根据第六示例性实施方案的包括在PTFE电纺丝分散体中的碳酸铵盐的量，及其它相关性能
上面实施例举例显示通过调节粒度和电导率的纤维尺寸控制。下表8归纳了从这些参数的组合的发现，假定对于每种材料优化工艺条件。参照表8以及对比实施例和第三示例性实施方案之间的对照，可以看出，通过仅仅总体上减小粒度，平均纤维直径减小大约35％(1003nm vs.651nm)。参照表8和对照对比实施例和第一示例性实施方案，可以看出通过增加电导率同时保持粒度恒定获得更小的纤维。将第二示例性实施方案与第三和第四示例性实施方案比较还显示通过增加电导率获得更小的纤维。这种数据可以指示，或可以暗示，简单地控制粒度和电导率参数之一可能不足以提供对纤维尺寸和/或过滤能力的完全控制。至少理论上，认为可以通过具有粒度和电导率的合适组合将纤维直径进一步减小到0.1μm以下似乎是合理的。
表8中的最后一列显示织物的克/平方米(GSM)/密耳厚度的比值并给出对于每种材料纤维是多么密集填充的指示。参照表8并对照对比实施例和第一示例性实施方案，可以看出，当增加电导率时，纤维填充更密集。另外，比较第二示例性实施方案与表8中的其它示例性实施方案证实具有最高电导率的电纺丝分散体形成其中纤维比表8中的其它显著更加密集填充的垫。除了大于30的GSM/密耳比值之外，第二示例性实施方案与表8中的其它纤维相比还具有最小的平均孔隙尺寸。对于第二示例性实施方案，纤维的纤维尺寸和密实填充的组合可能导致阻塞的空气流穿过垫，以致该垫可能表征为较差的过滤器材料。
表8：由各种分散体形成的PTFE垫(例如，电纺丝PTFE非织造布)的表征
纤维特性转化为过滤性能差异。使用HEPA MIL-STD282试验方法使用0.3μm颗粒，5.3cm/s速度和对于平坦片材的100cm2试验面积评价过滤性能。表9示出了HEPA Microglass过滤器(H&v(Hollingsworth and Vose))的最薄样品和第一、第三和第四示例性实施方案的符合99.97％的HEPA标准效率的垫的对比。对比实施例的垫不会符合HEPA效率标准。相对照而言，具有它的电导率改性剂的第一示例性实施方案能够符合HEPA效率标准。具有它们的较小粒度的第三和第四示例性实施方案在减小的压降下也符合HEPA效率标准。然而，对于示例性实施方案，基于纤维尺寸和填充获得不同的压降。第一和第四示例性实施方案必须制得比第三示例性实施方案更厚的织物以符合HEPA效率标准，产生更高的压降。这些发现说明虽然可以使用各种技术达到HEPA效率，但是粒度和电导率之间存在支配最终织物性能的强烈相互影响。
表9：由各种分散体形成的PTFE垫(例如，电纺丝PTFE非织造布)的过滤特性
表9中的数据进一步表明电纺丝PTFE垫的示例性实施方案提供与标准HEPA Microglass过滤器(H&V(Hollingsworth and Vose)HEPAMicroglass(0.0125”厚度))相当的过滤效率(FE％)。然而，电纺丝PTFE垫可以按比HEPA microglass显著更小的厚度提供，同时仍然提供所需水平的过滤效率。另外，第三示例性实施方案的非织造PTFE材料在第一示例性实施方案的非织造PTFE材料的一半(例如，大约一半)厚度下达到HEPA过滤效率。
此外，横穿第三示例性实施方案的电纺丝PTFE的1.2密耳厚度试件的压降显著地小于标准HEPA Microglass过滤器(H&V(Hollingsworth and Vose)HEPA Microglass(0.0125”厚度))产生的压降。因此，通过适当地改变本申请中提供的参数，可以获得这样的基于电纺丝聚合物的过滤介质，即其比HEPA Microglass过滤器介质更薄或厚度方面相当，并且能够充当与HEPA Microglass过滤器介质相比具有相当的过滤效率与相当的或更低的压降的HEPA过滤器。
就表9的数据而言，例如并且根据本公开内容的一个方面，第三示例性实施方案的电纺丝PTFE的0.0015”厚度试件与标准HEPAMicroglass过滤器(H&V(Hollingsworth and Vose)HEPAMicroglass(0.0125”厚度))相比：
●薄96％，
●允许大于两倍的空气流通过，
●要求少55％的压力(更少ΔP)，和
●提供大致等效的颗粒俘获效率。
根据本公开内容的一个方面，对于第三示例性实施方案的电纺丝PTFE为大约0.001”-大约0.0015”的厚度，各自符合HEPA效率标准同时要求比标准HEPA Microglass过滤器(H&V(Hollingsworth andVose)HEPA Microglass(0.0125”厚度))更少的压力(更少ΔP)，其中压力减少大约47％-大约61％，且压力的减少与空气流的增加成比例。
表10示出了ULPA标准、ePTFE材料和第三和第五示例性实施方案的垫之间的对比，其中对于基于电纺丝PTFE的材料，该对比在符合99.999％的ULPA标准效率的最薄材料之间进行。
表10：在ULPA(即，≥99.999％)效率下的过滤特性
表10中的数据进一步表明示例性实施方案的电纺丝PTFE垫提供比标准ULPA材料低得多的压降。更具体地说，分别具有大约50μm和35μm的厚度的第三和第五示例性实施方案的非织造PTFE材料在比ePTFE材料低得多的压降下符合99.999％的ULPA标准效率。
就表10的数据而言，与ePTFE的0.0003”厚度样品相比，第三示例性实施方案的电纺丝PTFE的0.0019”厚度样品和第五示例性实施方案的电纺丝PTFE的0.00133”厚度样品：
●允许多34％(第三示例性实施方案)和62％(第五示例性实施方案)的空气流通过，
●要求少34％(第三示例性实施方案)和52％(第五示例性实施方案)的压力(更低ΔP)，和
●提供大致等效的颗粒俘获效率。
根据本公开内容的一个方面，对于第三示例性实施方案的电纺丝PTFE为大约0.002”(例如0.00019)-大约0.0025”的厚度，各自符合ULPA效率要求，同时要求比标准ULPA介质更低的压力(更低ΔP)，其中压力减小大约20％-大约48％，并且压力的减小与空气流的增加成比例。
就流动特性而言并比较上表2、4和5中的所选数据，图7和8是对于第一、第三和第四示例性实施方案的非织造PTFE材料的不同厚度分别提供厚度对平均孔隙尺寸和孔隙度(表征为Gurley单位)的对比的图解(例如，条形图)。Gurley单位定义为100立方厘米空气在4.88英寸水柱的压差下穿过1.0平方英寸的材料所要求的秒数。
在图7和8中的每一个中，从左至右：
·第一、第四和第七个条形图分别对于具有20μm、40μm和60μm厚度的第一示例性实施方案的非织造PTFE材料；
·第二、第五和第八个条形图分别对于具有20μm、40μm和60μm厚度的第四示例性实施方案的非织造PTFE材料；
·第三、第六和第九个条形图分别对于具有20μm、40μm和60μm厚度的第三示例性实施方案的非织造PTFE材料。
从图7和8可以看出，跨越范围，第三示例性实施方案电纺丝PTFE的电纺丝非织造布与第一和第四示例性实施方案的电纺丝非织造布相比由于增加的流动阻力而具有相对更小的孔隙和更高的Gurley值。例如，具有20μm厚度的第三示例性实施方案电纺丝PTFE的孔隙尺寸相似于具有60μm厚度的第一示例性实施方案电纺丝PTFE的孔隙尺寸。更具体地说，具有20μm厚度的第三示例性实施方案电纺丝PTFE具有1.98μm的平均孔隙尺寸，并且具有60μm厚度的第一示例性实施方案电纺丝PTFE具有1.96μm的平均孔隙尺寸。此外，具有20μm厚度的第三示例性实施方案电纺丝PTFE具有5的Gurley值(s/100cc)，而具有60μm厚度的第一示例性实施方案电纺丝PTFE具有6.8的Gurley值(s/100cc)。相应地和就与第一示例性实施方案电纺丝PTFE相比的第三示例性实施方案电纺丝PTFE而言，第三示例性实施方案电纺丝PTFE允许更高的过滤效率，同时允许更好的空气流穿过材料。
一般地说，就上述的一些值而言并且例如，具有大约20μm厚度的第三示例性实施方案电纺丝PTFE具有大约1.98μm的平均孔隙尺寸和大约5的Gurley值(s/100cc)，且具有大约60μm厚度的第一示例性实施方案电纺丝PTFE具有大约1.96μm的平均孔隙尺寸和大约6.8的Gurley值(s/100cc)。即，在整个本公开内容的这种详细描述部分和附图中，没有明确规定为是近似(例如，“大约”)的测量值或数值也可以是近似(例如，“大约”)的。
作为就与第一和第四示例性实施方案相比并且根据本公开内容一个方面的第三示例性实施方案电纺丝PTFE而言的另一个实施例，第三示例性实施方案电纺丝PTFE在上述烧结过程期间更加(例如，非常更加)抗开裂。这种增加的抗开裂性设法减少在生产运转中部的任何问题，例如当将电纺丝制造方法引入连续生产线中时。作为就与第一示例性实施方案电纺丝PTFE相比并且根据本公开内容一个方面的第三示例性实施方案电纺丝PTFE而言的另一个实施例，可以用更薄的材料达到过滤效率；因此，可以不要求建立高厚度的材料，这可能允许电纺丝制造生产线的速度增加。作为就与第一示例性实施方案电纺丝PTFE相比并且根据本公开内容一个方面的第三示例性实施方案电纺丝PTFE而言的另一个实施例，可以在没有电纺丝织物致密化的情况下制备更小的纤维，这允许更好的过滤性能与减少的压降。作为就与第一示例性实施方案电纺丝PTFE相比并且根据本公开内容一个方面的第三示例性实施方案电纺丝PTFE而言的另一个实施例，第三示例性实施方案电纺丝PTFE在颗粒俘获试验中可以更加可靠。作为就与第四示例性实施方案电纺丝PTFE相比的第三示例性实施方案电纺丝PTFE而言的另一个实施例，第三示例性实施方案电纺丝PTFE很少会粘到收集表面15上(图1)，这设法实现流水线(streamline)制造。
电纺丝PTFE梯度织物
在本公开内容的某些实施方案中，可以将两个或更多个电纺丝PTFE纤维层组合以致产生梯度密度织物。在某些方面，本公开内容提供具有梯度密度的非织造布和它们的制备和使用方法。在一些实施方案中，此类材料可以提供许多优于常规过滤介质的优点。例如，可以定制本文所述非织造布的某些微观性能(例如，纤维直径、纤维填充)和宏观特性(例如，孔隙尺寸、均匀性、密度、过滤性能)。
图9和10是电纺丝PTFE在不锈钢箔片17之上的垫的示意性侧面剖视图。更具体地说，图9的垫(没有箔片17)呈具有恒定(例如，基本上恒定)纤维直径和压实密度(compacting density)(例如，在整个横截面中具有基本上相同的纤维尺寸，并在整个横截面中具有基本上相同的密度)的均匀(例如，基本上均匀)电纺丝PTFE过滤器18形式。相对照而言，图10的垫(没有箔片17)呈具有可变纤维直径和可变压实密度的梯度电纺丝PTFE过滤器19形式。
对于图9和10所示的取向，在过滤器18、19中的每一个中，PTFE纤维自上沉积，并且空气流穿过过滤器的方向自上而下是垂直的。对于图10所示的取向，梯度过滤器19包括下部分和上部分。与梯度过滤器19的下部分相比，梯度过滤器19的上部分具有更大的纤维、更低的密度和更大的孔隙尺寸。因此，流过梯度过滤器19的厚度的流体优先地首先穿过该梯度过滤器的具有更大纤维直径和更小压实密度(更大有效孔隙尺寸)的区域，但是本公开内容不希望限于此种流动方向并且也可以涵盖其中流体沿相反方向流动(即，首先穿过具有更小纤维直径和更大压实密度(首先更小有效孔隙尺寸))的过滤器和过滤介质。
本文所使用的“梯度密度”意图是指织物内各个层的密度，并且特别是指当从织物的一个表面穿过织物的厚度到织物的另一个表面(即，横穿织物的横截面)时织物内各层的密度的改变。在某些实施方案中，因此提供其中织物的密度从一个表面到另一个表面改变的织物。然而这种密度变化通常是逐步的(即，每种密度变化在优选的实施方案中穿过织物的宽度具有相对相似的程度)，在一些实施方案中，层到层的密度变化不是严格逐步的并且密度方面的一种或多种大的增加和/或减少可能横穿织物的厚度存在。相似地，在某些实施方案中，密度变化是规则的(即，密度变化以规则间隔穿过织物的厚度发生)，但是在一些实施方案中，密度变化是不规则的(即，密度的变化没有穿过织物的厚度的规则间隔)。应该指出，在某些实施方案中，横穿织物厚度的变化程度是相对逐步的和/或相对均匀的以致梯度过滤器可以被看作在结构方面没有被严格地“分层”。
在一些实施方案中，梯度可以由两个或更多个具有增加(或减少)的密度的层提供，以致横穿织物的厚度的每个层具有比它之前的层更高(或更低)的密度。在其它实施方案中，梯度可以提供横穿织物厚度的密度增加和减少。例如，在某些实施方案中，织物可以包括横穿织物的一部分的厚度密度增加的层和密度减少的一个或多个层(例如，其中具有最高密度的层在织物厚度的内部的织物)。
本文所使用的术语“层”是指涉及特定平均厚度的单位。层不一定是离散和/或均匀的厚度。例如，在一些实施方案中，可能存在来自各个层的纤维的一定程度的缠结。当织物显示层之间的小面积的缠结或共混时，这些离散区域可能不认为是梯度。层可以沿着织物的长度和/或宽度是连续或不连续的。在一些实施方案中，本公开内容的梯度织物可以描述为包括多个层，例如单个层状材料的堆叠体。
本公开内容的梯度密度织物可以按多种方式获得。在本公开内容的某些方面中，梯度密度织物的至少一个层由电纺丝提供。在某些实施方案中，梯度密度织物的所有层由电纺丝提供。
在一个实施方案中，如下实现梯度密度：提供第一垫(其可以包含PTFE或另一种材料)并进行该第一垫穿过电纺丝设备的一遍或多遍通过以致一个或多个电纺丝层沉积在该第一垫上。该第一垫可以由电纺丝或用其它方式提供。可以根据用于每遍通过的工艺参数改变沉积的纤维的纤维直径和密度和层的厚度，如本文更详细描述的那样。随后的通过可以提供更小或更大的纤维直径和/或更小或更大的沉积密度和/或更小或更大的沉积厚度，从而达到织物的最终所需的厚度、密度、梯度效果和/或过滤特性。
在另一个实施方案中，通过进行穿过电纺丝设备内的多个电纺丝区的一遍通过实现梯度密度。可以根据用于个体区中的每一个的工艺参数改变纤维直径、密度和厚度。每个区可以提供更小或更大的纤维直径和/或更小或更大的沉积密度和/或更小或更大的厚度，从而达到织物的最终所需的厚度、密度、梯度效果和/或过滤特性。在某些实施方案中，可以使用上述两种途径的组合和/或制备梯度织物的其它途径。
在某些实施方案中，梯度织物由单一类型的材料组成。所谓的“单一类型”的材料是指梯度织物的各个层的化学组成相同，但是它们的物理性能可能改变。例如，在某些实施方案中，梯度织物可以由两个或更多个电纺丝PTFE层组成，其中所述层可以具有不同的物理性能，例如不同的密度、孔隙度和/或纤维尺寸等。应该指出，在一些实施方案中，给定梯度织物可以包含单一类型的材料，该材料不计算在该材料安装在其上或其中的任何基材、载体等之内。例如，在某些实施方案中，包含单一类型材料(例如，电纺丝PTFE)，或基本上由单一类型材料(例如，电纺丝PTFE)组成的梯度织物可以层压到基础层上以提供更大强度。基材、载体等的性质可以改变。在某些优选的实施方案中，梯度织物基本上由电纺丝PTFE组成并且与它附贴的任何其它组分包括通过除电纺丝以外的手段制备的材料。
虽然本公开内容的一些实施方案涉及电纺丝PTFE，但是在某些其它实施方案中，织物可以包括一个或多个其它聚合物层。在一些实施方案中，一个或多个其它层包含其它电纺丝材料。可以置于溶液中的各种聚合物有被电纺丝的潜能。可以制成分散体的聚合物颗粒(例如PTFE)也可以电纺丝。通常将由分散体制备的电纺丝材料烧结以展现所需性能，但是由溶液电纺丝的聚合物一般在纺丝和干燥期间展现它们的性能并因此通常不要求烧结(但是可以在使用之前将最终织物烧结)。无论织物的组成如何，电纺丝层(一个或多个)彼此和/或与其它类型的层附贴而制备用于过滤的织物一般经由烧结过程达到。因此，梯度织物一般呈烧结形式以便用作例如过滤介质。
本文描述的梯度织物一般由具有不同性能(例如，不同的纤维尺寸和/或不同的压实密度)的两个或更多个电纺丝PTFE纤维层构造。在一些实施方案中，提供由两个层组成的梯度织物。然而，层(各自包括与和它邻接的层不同的纤维尺寸和/或不同的压实密度)的数目可以从两个改变到大约五十(或甚至在一些实施方案中，多于五十)。在一些示例性实施方案中，织物由大约两个到大约十个层组成。
本公开内容的梯度织物的每个层可以通过单次电纺丝通过或多次电纺丝通过沉积。在某些实施方案中，电纺丝通过的数目可以基于层的所需厚度选择。在一个实施方案中，可以让电纺丝垫再次通过如上所述的设备，并将具有不同纤维直径和/或密度和/或厚度的第二PTFE纤维层(或另一种类型的纤维)沉积在初始电纺丝垫上。可以用这种方式沉积不同纤维直径和/或密度和/或厚度的附加PTFE纤维(或另一种类型的纤维)层直到达到所需厚度或其它织物特性。
经由电纺丝方法直接制备的聚合物PTFE垫通常是脆性的，并通常必须烧结以提供足够强且耐用的织物，如上所讨论那样。在一些实施方案中，进行加热/烧结的温度可以部分地取决于梯度结构内非必要的其它组分的特性(它们可能例如，不能承受另外可能用于PTFE加热/烧结的高温)。
在某些实施方案中，一般使聚合物PTFE垫暴露于热中一段时间以致剩余水的至少一些(优选大部分)蒸发，并且纤维化聚合物的至少一些(优选大部分)经历分解和随后的残留材料消除。
各种性能的控制
一般而言，包含小纤维的过滤介质提供更多表面积，并因此可以达到更大过滤效率。然而，更小的纤维也倾向于增加填充密度，导致更高的压降(ΔP)，这转化为更高的能量消耗，缩短的过滤器寿命和过滤应用中的高成本。包含大纤维的介质通常提供更多物理支撑，阻止在使用过程中的过滤器坍塌和确保好的流动特性与低ΔP；然而，这些介质可能由于低的表面积而具有差的过滤效率。在某些实施方案中，梯度介质，例如本文描述的那些的目标是改进(例如，显著地改进)过滤效率，仍然维持更大纤维介质的低ΔP，从而产生最佳过滤性能。
如所示，本文描述的梯度织物的一个优点是它们的层可以定制以致提供具有给定物理性能的材料。在一些实施方案中，织物的各个层的性能的定制可以提供可用作过滤介质的梯度织物(例如，其显示异常的压降特性、异常的过滤效率或这两者)。
例如，在某些实施方案中，梯度织物的给定层的性能的控制通过改变一个或多个电纺丝层的厚度、纤维直径、压实密度和/或网幅均匀性达到。这些参数和控制它们的示例性手段在下面更详细论述。此外，各个层的化学组成的选择可以经由各种类型的聚合物的电纺纤维的引入提供额外程度的控制。在本公开内容的一些实施方案中，控制电纺丝PTFE的纤维直径是有利的。存在数种控制纤维直径的方法，通常与方法或材料参数相关。由上所述重申，降低纤维直径的一种示例性手段是在纺丝过程中通过增加纺丝材料(即，分散体或溶液)的电导率增加纺丝材料的拉伸。这可以通过添加不会不利地影响分散体或溶液的稳定性的导电性物质进行。例如，根据本公开内容有用的导电性物质包括，但不限于，铵或金属盐(氯化物、硝酸盐、硫酸盐等)，弱酸(硝酸、甲酸、乙酸等)或弱碱(氢氧化铵、吡啶等)。通过仅仅增加电导率减小纤维尺寸可以提供由密集填充的细小纤维构成的非常均匀的织物；然而，这种织物由于纺丝期间的纤维压实而具有非常高的流动限制，引起高的压降和能量损失。
也由上所述重申，控制纤维直径的另一个手段涉及调节分散体粒度。当将PTFE(或来自分散体的任何其它聚合物材料)电纺丝时，认为粒度是纤维结构的构建段。因此，通过减小这些构建段(颗粒)的尺寸，由其制备的纤维的纤维直径在直径方面按比例减小。然而，虽然可以通过调节粒度减小纤维尺寸，但是不合适水平的电导率通常将由于大尺度缺陷和非均匀性而不提供高质量过滤介质。
由上所述进一步重申，增加电导率或减小粒度可以提供纤维直径方面的减小；然而，单独采取，这两种方法似乎都不提供对制备的织物的过滤性能的最佳控制。因此，在某些实施方案中，控制纤维直径的这些方法有利地协同使用，以提供具有所需纤维直径，而具有很少至没有大尺度缺陷和/或非均匀性的层。电纺丝方法的各种参数和材料本身之间的关系限定最终纤维直径。
可以有利地根据本公开内容的某些实施方案控制的电纺丝层的另一种性能是压实密度。存在数种控制压实密度的方法，通常与方法或材料参数相关。控制压实密度的一种方法是通过添加不会不利地影响分散体的稳定性的导电性物质来调节纺丝溶液电导率，如上所述。可用来控制压实密度的另一种方法是增加电纺丝期间的电压，这一般导致电纺丝垫的更大压实。
各种其它方法可以用于达到更大压实密度。下面是制备更大或更小压实密度沉积物的额外实施方案，它们不用来限制，因为可以使用对于此种目的已知的任何适合的方法。应该理解的是，不是所有这些技术是相容的，以致它们中的一些不可能同时进行来制备更高或更低压实密度织物。然而，当相关时，可以一起使用一种或多种技术，在某些情况下，来制备比通过使用单一技术制备的织物具有更高或更低压实密度的织物。适用于本公开内容某些实施方案的，并且在垫的电纺丝中涉及的一般准则包括：1)对于给定厚度，一遍通过沉积物(即，制备单层)具有比多遍通过(即，制备多个层)更高的压实密度以达到相同厚度；2)沉积在靶/沉积表面上的第一电纺丝层在该组加工条件下具有最高水平的压实；3)对于多遍通过，沉积层随着层数目增加具有更小的压实密度；4)随着与靶/沉积表面的距离增加，压实密度减小；5)对于给定厚度和相等数目的通过次数，通过次数之间的时间间隔越长，压实密度越低；和6)沉积物“越湿”(即，分散体不太浓缩)，压实越大。
在一些实施方案中，织物的压实和致密化可以通过在制备后加工织物达到。例如，可以使用烧结后的热和压力压延织物。如所述，在某些实施方案中，基于电纺丝PTFE的梯度织物提供高的过滤效率与最小压降。在一些实施方案中，可以通过织物的烧结后压实，例如通过压延织物(虽然在某些实施方案中，这可能导致压降的相应增加)达到甚至更高的效率。在另一个实施方案中，可以在温度和压力下层压不同纤维直径和/或密度的层。当使用熔融温度小于层压温度的热塑性聚合物纤维时，这是尤其有利的。在这种情况下，纤维熔融并产生小孔隙结构，同时使层压体粘附在一起。
可以调节以改变材料性能的其它物理参数是电纺丝垫的均匀性。宏观和微观尺度的高均匀性是有利地。虽然在电纺丝期间纤维的无规沉积是目标，但是差的工艺控制可能导致纤维的相互作用而在沉积期间形成纤维束；使纤维束最少化是有益的。由于不足够或过量的分散体或凝结的分散体而从圆柱体或线的非无规电纺丝可能影响(即，减少或增加)从所述线或圆柱体上的给定位置纺丝的纤维的量并导致纤维的不均匀分布。在某些实施方案中，分散体的添加剂可以通过减小产生纤维束的倾向改进电纺丝均匀性。纤维束的减少提供更平整的更均匀表面，并且结果，减小织物的厚度变化。
可以定制的另一个物理参数是孔隙尺寸。各种其它参数(例如，沉积的PTFE电纺丝层的纤维直径、密度、厚度和网幅均匀性)决定烧结材料中的层的孔隙尺寸(和有效孔隙尺寸)。因为垫的这些属性可以如本文所描述的那样控制，所以这也提供对孔隙尺寸的某种程度的控制，这进一步给予对材料的过滤性能的某种程度的控制。在一些实施方案中，本公开内容的层状梯度织物可以显示与没有梯度结构的类似织物相比增强的过滤效率与更低的压降的其它希望的特性。
改变电纺丝材料的给定层的某些物理特性的其它手段是已知的并且也可以在本文使用。例如，在一些实施方案中，与基材(例如，金属基材)直接接触的电纺丝纤维可以展平，这可以更加减小邻近的孔隙尺寸。在某些实施方案中，更湿的沉积物也可以预期提供更平的纤维。因此，包括这些属性的层通常包括最小孔隙尺寸的层。
本文涉及PTFE及其它电纺丝层所使用的“孔隙尺寸”是用来指例如，通过空气流和/或水流(例如，如ASTM F316通过泡点表征孔隙尺寸(Pore Size Characterization by Bubble Point)所限定那样，其通过参考引入本文)测量的有效孔隙尺寸(而不是实际孔隙尺寸)。应该指出，如果给定电纺丝纤维垫的性质，则一般不可能使用显微方法测量此种材料的实际孔隙尺寸。本公开内容梯度织物内给定电纺丝层的有效孔隙尺寸可以为大约0.05μm-大约50μm。应该指出，在一些实施方案中，给定层的有效孔隙尺寸可能不精确地已知，例如当施加三个或更多个层并随后在梯度织物内烧结时(在这样的实施方案中，每个层不能单独地试验)。然而，可以通过产生具有相同厚度的单层PTFE电纺丝织物来接近每个层的有效孔隙尺寸。在一些实施方案中，织物总体上的有效孔隙尺寸可能不是各个层的有效孔隙尺寸的组合的反映。
由于本公开内容的梯度织物的层状结构，上述电纺丝层的物理性能中的一种或多种可以在该织物的横截面(厚度)内的层与层间变化。在一个示例性的构造中，平均孔隙尺寸基于经由梯度织物的横截面的层评价从大变到小。
控制本公开内容的梯度织物的各个层内的此类性能的能力可以在为特定的应用设计过滤设备方面具有暗示。例如，在一个实施方案中，通过制备过滤系统以致待过滤的气体或液体首先穿过大孔隙层和然后穿过较小孔隙层而提供高效率、低压降、双层过滤器。在另一个实施方案中，提供其中压力均衡是重要的，然而交叉污染是不希望的过滤器，其中过滤介质包括三个或更多个层并且可以带有，例如，具有外部大孔隙层与一个或多个内部较小孔隙层的夹层结构。
具有较小孔隙的层作为最后层的构造(即，气体或液体在离开过滤介质之前最后通过的层)可能最适合于单向过滤器。然而，这种类型的过滤器并不总是希望的。例如，在一些实施方案中，可以将其它电纺丝热塑性层引入在过滤器内。在某些实施方案中，电纺丝热塑性层由于热塑性纤维在PTFE烧结温度下的熔融可能产生具有极其小孔隙尺寸的层。在某些过滤器的构造中使用这样的层可能是有利的，例如在其中小孔隙尺寸在过滤器的内部层中是所希望的实施方案中(例如，当压力均衡能力是所希望的时)。
一般方法和准则
在下面，作为实施例论述与电纺丝PTFE梯度构造相联系的一般方法和准则，但是没有限制本公开内容范围的目的。
对于电纺丝PTFE实施方案，可以通过添加水或含水添加剂，或在不改变纤维化聚合物与PTFE比值的情况下从分散体除去水来改变分散体的粘度。
可以在第一组加工和材料条件下按第一所需厚度(通常大约0.5μm-大约1000μm)将初始电纺丝聚合物层施加到不锈钢表面上以产生第一电纺丝纤维垫。可以使用一遍或多遍通过进行沉积。多遍通过方法可以通过使用在多重电纺丝位点设备内的一遍通过或在单一电纺丝位点设备内的多遍通过进行。
然后一般按第二所需厚度(通常大约0.5μm-大约1000μm)将第二电纺丝聚合物层施加到第一电纺丝纤维垫上，但是在第二组加工和材料条件下施加。可以使用上述一遍或多遍通过进行沉积。可以依照要求添加第三、第四等电纺丝聚合物层(非必要地具有不同组的加工和材料条件)。
在某些实施方案中，沉积的第一层(即，第一电纺丝纤维垫)将含有最小的纤维直径和/或最高水平的压实密度，但是本公开内容不限于此。在一些实施方案中，沉积的最后层通常将含有最大纤维直径和/或最低的压实密度。
一旦多层结构完成，通常将它置于在大约35℃-大约485℃的温度下的烘箱中以允许所有层粘结在一起。粘结温度选择基于材料选择。可以烧结后测定织物厚度和纤维直径。
各种试验方法已经用来评价由此制备的织物的性能。对于下面论述的示例性实施方案，对于样品的HEPA和ULPA试验的过滤效率(FE％)和压降(ΔPmm H2O)基于常规TSI8130自动过滤器测试仪。用来测定HEPA能力的标准方法是MIL-STD282，并且用来测定ULPA能力的标准方法是IES-RP-CC007。在给定挑战性气溶胶和流速下的过滤性能基于用NaC1气溶胶的气溶胶产生，其中中值直径为0.075μm，几何标准偏差＜1.86，和浓度为12-20mg/m3。将过滤性能试验的空气速度设置到5.3cm/s并且在1分钟装载后在试验结束时测量％渗透和ΔP。然后通过从100％效率中扣除％渗透计算过滤效率。
使用数字厚度(snap)量规测量织物厚度。使用PhenomTM电子显微镜并通过使用软件(即软件)将至少50根纤维的测量值平均测量纤维直径。
使用天平测量织物的基重。所述方法由以下组成：将织物样品切割到已知的面积，并在校准天平上测量织物样品的重量。虽然可以使用任何尺寸标准化模头，但是对于基于电纺丝PTFE的重试验目的，为了方法和计算的一致性使用3in2模头。
使用Gurley Densometer试验单元测量Gurley。该试验方法由以下组成：将由巢形气缸排列(a nested cylinder arrangement)供应的计量体积的空气在低的恒定压力下推动穿过两个板之间保持的具有已知的圆形孔面积的样品。流体储器应该部分地填充有油以充当空气密封。
第七示例性实施方案
在第七示例性实施方案中，如上所讨论参照对比实施例提供PTFE电纺丝分散体，并且第七示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体具有82,500cP的粘度。将第七示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体装入槽，其中旋转的圆柱形辊子用作电荷电极并涂有PTFE电纺丝分散体。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室并用作收集表面，PTFE电纺丝材料沉积在其上。所使用的收集距离为大约230cm且所使用的电压为80kV。作出总共6遍通过以完成63μm的目标(烧结的)织物构造。
然后使PTFE电纺丝材料干燥两小时，接着在725°F下烧结20分钟。所得的均匀(例如，基本上均匀)非织造织物具有65μm的平均厚度与883纳米的平均纤维直径，通过使用软件即软件将至少50根纤维的测量值平均而评价。第七示例性实施方案的均匀电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表11中。
表11：第七示例性实施方案的均匀电纺丝PTFE非织造织物的性能
纤维直径(nm) 883
厚度(μm) 65
基重(g/m2) 21.60
Gurley(s/100cc) 2.24
过滤效率(％) 96.41
压降(mm H2O) 10.7
第八示例性实施方案
类似第七示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体那样制备第八示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体，不同之处在于第八示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体还包括25mL氢氧化铵。第八示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体具有大约480μS/cm的电导率和107,000cP的粘度。将第八示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体装入槽，其中旋转的圆柱形辊子用作电荷电极并涂有PTFE电纺丝分散体。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室并用作收集表面，PTFE电纺丝材料沉积在其上。所使用的收集距离为大约230cm且所使用的电压为80kV。作出一遍通过以完成38μm的目标(烧结的)织物构造。
然后使PTFE电纺丝材料干燥两小时，接着在725°F下烧结20分钟。所得的均匀(例如，基本上均匀)非织造织物具有56μm的平均厚度与774纳米的平均纤维直径，通过使用软件即软件将至少50根纤维的测量值平均而评价。第八示例性实施方案的均匀电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的典型性能示于下表12中。
表12：第八示例性实施方案的均匀电纺丝PTFE非织造织物的性能
纤维直径(nm) 774
厚度(μm) 56
基重(g/m2) 25.11
Gurley(s/100cc) 3.90
过滤效率(％) 99.27
压降(mm H2O) 15.0
第九示例性实施方案：
在第九示例性实施方案中，将第八示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体装入浴中，其中旋转的圆柱形辊子用作电荷电极并旋转和涂有所述分散体。将0.002”厚的不锈钢箔片(15.5”×17.5”)安装在导电织物上。让该不锈钢箔进入电纺丝腔室，其中沉积复合PTFE纤维。所使用的收集距离为大约230cm且所使用的电压为80kV。作出一遍通过以完成20μm的目标织物构造(烧结的)。
然后立即将预先装有第七示例性实施方案的PTFE电纺丝分散体的浴置于电纺丝设备内并让电纺丝PTFE纤维涂覆的不锈钢箔穿过电纺丝腔室，其中沉积第二PTFE纤维层。所使用的收集距离为大约230cm且所使用的电压为80kV。作出一遍通过以完成20μm的目标织物构造，该组合在烧结后将产生大约40μm的总目标厚度。
然后使PTFE电纺丝材料干燥两小时，接着在725°F下烧结20分钟。所得的电纺丝PTFE梯度非织造织物具有48μm的平均厚度与在底端上774nm的平均纤维直径和在顶端上883nm的平均纤维直径。第九示例性实施方案的梯度织物的典型性能示于下表13中。
表13：第九示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造梯度织物的性能
纤维直径(nm) 883(顶端)/774(底端)
厚度(μm) 48
基重(g/m2) 21.44
Gurley(s/100cc) 2.62
过滤效率(％) 99.89
压降(mm H2O) 11.17
第七、第八和第九示例性实施方案的织物的性能的对比示于表14中。第九示例性实施方案的梯度织物与第七示例性实施方案的均匀大纤维过滤介质的96.41％相比，和与第八示例性实施方案的均匀小纤维过滤介质的99.27％相比显示显著改进的过滤效率99.89％。构造和试验该梯度过滤器以致空气流首先穿过该大纤维层，接着穿过该小纤维层。尽管梯度织物具有所试验的三种过滤介质中的最低厚度，即48μm相比分别处于65μm和56μm的大纤维过滤器和小纤维过滤器，但是仍达到这种效率。
值得注意地，与所述大纤维过滤器和小纤维过滤器的10.7mm和15.0mm压降相比，该梯度织物过滤器的压降是11.17mm。因此，从大纤维到小纤维的梯度提供最小纤维压实和更高过滤表面积，导致高的过滤效率与较低压降。
表14：第七、第八和第九示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物的性能的对比
如表14所示，具有更小纤维的织物显示比具有更大纤维的织物更少的颗粒渗透(更好的效率)。具有更小纤维的织物显示比对具有更大纤维的织物观察到的更高的压降。因此，当过滤效率和压降两者变化时为了获得过滤性能中的真实性能/效率的有意义的量化，不能仅仅依靠过滤效率或压降。需要同时考虑过滤效率和压降。这样做的一种手段是测定和比较过滤渗透和压降的乘积。这两者的乘积的值越低，过滤介质的性能越好。这一项称为“过滤有效性”并且这三种过滤介质的对比示于表15中。因此，对于每种纤维直径简单地使渗透乘以压降直接地提供可比数据。
通常，过滤效率的高值与压降的高值相关，反之亦然。研究这两者的组合影响以评价给定材料的过滤特性是重要的。最佳过滤介质将具有低渗透和低压降的特性。可以通过使压降乘以渗透模拟这种影响以获得组合影响。
如表15所示，大的纤维介质显示最高渗透和最低压降。虽然小纤维介质显示显著减小的渗透(即，更好的过滤效率)，但是它还具有最高压降。通过提供根据本文概括的方法和材料的梯度介质，这两种途径的优点组合到单一介质中。在一些实施方案中，梯度介质例如本文描述的梯度介质能够达到高水平的过滤效率，同时还维持低压降。一种示例性的梯度介质(它的数据示于表15(第九示例性实施方案)中)清楚地显示最低的渗透和仅略微高于包含大纤维的介质(第七示例性实施方案)所显示的压降的压降。该梯度织物的计算的过滤有效性显著地好于大纤维介质或小纤维介质中的任一介质。因此，该梯度介质提供与其它介质相比的最佳过滤有效性。
表15：电纺丝PTFE非织造梯度织物的过滤有效性的对比
*穿过介质的颗粒的百分率。零百分率渗透将是100％过滤效率。
在上述中，公开了许多电纺丝垫(可以更具体地说呈电纺丝非织造织物形式)，并且下面将重申可以如何使用本公开内容的电纺丝垫的其它实施例。如以前所提及的那样，电纺丝垫(例如，上述电纺丝垫，包括但不限于，上述电纺丝梯度织物中的任一种或多种)可以是过滤器细件的过滤介质。作为更具体的实例，图11是根据本公开内容一个实施方案的流体(例如，气体或更具体地说空气)过滤器20的示意性示图。过滤器20包括至少部分地被载体结构24容纳的过滤介质22。过滤介质22通过图11中的点画示意性示出。过滤介质22可以包含上述电纺丝垫(例如，参见图2-6、9和10)中的任一种或多种，其中当存在多个层时，它们可以彼此叠置，例如，但不限于，作为是梯度织物的结果。当过滤介质22包括多个层时，所述层可以包括与一个或多个常规过滤介质层结合的一个或多个上述电纺丝垫。过滤介质22可以呈任何适合的形式，例如平坦的单层形式；折叠形式；多层形式；和/或打褶形式。
在图11所示的实施方案中，载体结构24可以是包括外围框架26和横构件28的常规结构，并且载体结构可以由任何适合的材料，例如聚合物材料、卡纸和/或纸板构造。框架26至少部分地围绕着过滤介质22的周边延伸，或更具体地说全部围绕着过滤介质22的周边延伸并封闭过滤介质22的周边。框架26的每一面可以呈总体上C或U形的槽式构件形式，其中该槽式构件的槽分别接受过滤介质22的边缘部。横构件28与框架26连接并延伸越过过滤介质22的相对面，以致该过滤介质布置在该横构件的相对组之间。在使用中，横穿过滤器20限定压力梯度，以致正被过滤的气体流过横构件的上游组的横构件28之间限定的开口，然后流过过滤介质22，然后流过横构件的下游组的横构件28之间限定的开口。在备选的实施方案中，横构件可以不同地配置或省略，并且相似地，框架26也可以省略，不同地配置，或用另一个适合的载体结构替换。例如，按任何适合的用于过滤的常规方式配置过滤介质，例如呈在外壳中可移除接收的盒子形式在本公开内容的范围内。一般地说，本公开内容的过滤介质可以用于代替常规过滤介质，例如常规过滤器组件中的常规过滤介质。
作为本公开内容的电纺丝垫可以如何用于过滤的具体实例，空气过滤器可以仅仅基于(例如，可以由以下组成，或基本上由以下组成)电纺丝PTFE，或空气过滤器可以包含与其它过滤介质结合的电纺丝PTFE。在本公开内容的一个方面中，包含电纺丝PTFE，或基本上由电纺丝PTFE组成的过滤器的优点可以基于能够调节电纺丝PTFE层之间的孔隙结构和电纺丝PTFE的三维结构的组合利益。通过调节纤维尺寸和密度而控制孔隙尺寸，和由于三维结构的弯曲孔道，包含电纺丝PTFE或基本上由电纺丝PTFE组成的过滤器与至少一些常规过滤介质相比可以对于更高的过滤效率提供更大的有效表面积。另外，与至少一些常规过滤介质相比，穿过电纺丝PTFE过滤介质的三维结构的多个孔隙路径可以允许更小的压降。与至少一些常规过滤介质相比，电纺丝PTFE过滤介质的这些组合因素可以降低能量消耗并提供更长寿命的过滤器与不太频繁的过滤器置换，而导致更少停机时间(例如，总体上对于使用者显著的成本节约)。在本公开内容的一个方面中，电纺丝PTFE过滤介质的额外的利益可以包括优异的耐化学品性，宽的热工作范围，异常高的流速，固有疏水性材料，U.S.P分类VI等级，非脱落特性，从电纺丝PTFE过滤介质的最小可萃取物含量和电纺丝PTFE过滤介质俘获并截留细菌的能力。
在至少一个实施方案中，包含本公开内容的电纺丝PTFE过滤介质，或基本上由本公开内容的电纺丝PTFE过滤介质组成的加热、通风和空调(HVAC)过滤器(例如，参见图2-6、9和10，和图11的过滤器)具有13或更大，或更特别是17或更大的最小效率报告值(MERV)，并在显著降低的压降下满足或超过HEPA和ULPA(“超低渗透空气”)过滤效率；压降可以比至少一些常规过滤介质，例如微玻璃介质低至少30％。在本公开内容的一个方面中，ULPA过滤器可以从空气中除去(即，俘获)至少99.999％的粒度小于0.3μm的气载颗粒(airborneparticle)(例如，粉尘、花粉、霉菌和细菌)。这种效率要求/项表征过滤介质在规定试验条件下以给定浓度除去规定污染物的能力，表示为百分率。
作为根据本公开内容至少一个实施方案的另一个具体实例，由本公开内容的电纺丝PTFE过滤介质构造的工业除尘袋过滤器(例如，参见图2-6、9和10)非常有利地与根据ASTM D-6830-02的标准介质进行比较。电纺丝PTFE过滤介质具有至少99.9999％的过滤效率与最小30％的压降减小。这种对比相对于由具有至少99.999％的过滤效率的膨胀聚(四氟乙烯)(ePTFE)材料构造的工业除尘袋过滤器。
作为本公开内容的电纺丝垫(例如，参见图2-6、9和10)如何用于过滤的另一个具体实例，排气过滤器可以仅仅基于(例如，可以由以下组成，或基本上由以下组成)电纺丝PTFE，或排气过滤器可以包含与其它过滤介质结合的电纺丝PTFE。排气过滤器可以类似(例如，非常相似)于上述空气过滤器，区别是在使用中，空气或气体的通道都可以穿过排气过滤器。因此，使用排气过滤器的目标通常是经由排气过滤器保持两个环境彼此隔离；只允许空气或气体经由排气过滤器进入并且只允许空气或气体经由排气过滤器逸出同时维持两个环境中的恒定压力平衡。在此种应用中，排气过滤器限制粉尘和污垢穿过其传送，同时允许气体响应于改变环境条件而穿过。气体的这种通道可以用于阻止压力以可能破坏外壳密封的方式积累。例如，通常不希望破坏外壳密封，因为破坏的外壳密封可能使敏感性组分暴露到水和/或残余物中。作为实例，本公开内容的排气过滤器可用来限制空气传播放射性污染物(例如，由核裂变或熔融产生)(例如在从核电厂排出的空气的一些中)的通道。相似地，本公开内容的排气过滤器可用来限制空气传播疾病的通道。本公开内容的排气过滤器还可以用来促进清洁室(例如，其中存在污染控制水平的房间)的清洁度。清洁室可以例如，用于制造电子仪器、半导体、消费品和医疗器械。
作为本公开内容的电纺丝垫(例如，参见图2-6、9和10)如何用于过滤的另一个具体实例，流体过滤器可以仅仅基于(例如，可以由以下组成，或基本上由以下组成)电纺丝PTFE，或流体过滤器可以包含与其它过滤介质结合的电纺丝PTFE。与本公开内容的空气过滤器的特性相似，通过纤维直径和密度控制孔隙尺寸的能力也可以为本公开内容的流体过滤器提供高效率和低压降。在本公开内容的一个方面中，流体过滤器中的电纺丝PTFE是疏水性的并对各种各样的溶剂是惰性的，以致本公开内容的流体过滤器可以适合于各种过滤环境。在一个方面中，电纺丝PTFE的耐化学品和耐高温的能力允许从非常侵蚀性的溶剂和方法中除去固体。作为实例，包含电纺丝PTFE，或基本上由电纺丝PTFE组成的流体过滤器可以用于化学加工、饮料加工和药物、半导体和化学应用。
作为本公开内容的电纺丝垫(例如，参见图2-6、9和10)如何用于过滤的另一个具体实例，分离膜可以仅仅基于(例如，可以由以下组成，或基本上由以下组成)电纺丝PTFE，或分离膜可以包含与其它过滤介质结合的电纺丝PTFE。本公开内容的分离膜可以用于例如，代替工业应用中的蒸发和蒸馏设备，例如用于改进经济状况。根据使用本公开内容的分离膜的一个实例，使用分离膜/电纺丝PTFE的疏水性、耐化学品特性和承受高温的能力中的每一种。例如，分离膜可以限制水和极性物质穿过的通道，同时允许有机材料穿过的通道。如上所讨论并根据本公开内容的一个方面，分离膜的性能可以通过控制形成或属于分离膜的电纺丝PTFE的孔隙尺寸来控制。
在至少一个实施方案中，包含，或基本上由以下组成的分离膜可以用作电池隔板：本公开内容电纺丝PTFE过滤介质(例如，参见图2-6、9和10)。此种电池隔板通常构造得沿着其长度和宽度是均匀和连贯的，以具有好的机械强度与好的刺穿强度，和高渗透性。更具体地说，电池隔板的刺穿强度可以大于12gm/微米，并且，就渗透性而言，电池隔板可以具有10-12的MacMullin值。相似地，由本公开内容电纺丝PTFE过滤介质(例如，参见图2-6、9和10)构造的分离膜可以用于其它类型的储能设备，例如燃料电池。
作为本公开内容的电纺丝垫(例如，参见图2-6、9和10)如何使用的另一个具体实例，工程织物可以仅仅基于(例如，可以由以下组成，或基本上由以下组成)电纺丝PTFE，或工程织物可以包含与其它介质结合的电纺丝PTFE。工程织物可以倾向于各种终端用途应用。例如，本公开内容的工程织物可以表征为是性能织物和/或保护性织物。性能织物可以提供功能性质量，例如水分管理，流体例如水的相斥性，耐水性，风阻力，UV防护，抗微生物质量和/或热调节。更具体地说并且至少理论上，抗微生物添加剂可以包括在本公开内容的电纺丝PTFE垫(例如，电纺丝PTFE非织造布)中，例如用于抑制织物的降解和控制由细菌引起的气味。
作为另一个实例，本公开内容的电纺丝PTFE垫(例如，参见图2-6、9和10)可以经配置是防水透气性材料，或可以是防水透气性材料的一部分，该材料既阻止(例如，基本上阻止)水或其它液体的渗透，同时允许水分蒸气和空气释放以提供热适应。根据本公开内容的一个方面，电纺丝PTFE与标准膨胀聚(四氟乙烯)(ePTFE)材料相比有提供疏水性和孔隙尺寸控制同时允许更好透气性的优点。本公开内容的工程性能织物可以例如，在航空航天工业中，用作线绝缘，用于包装，和/或用于临时封装或环境。作为另一个实例和如上所指出，工程织物可以包含与其它介质结合的电纺丝PTFE，并且，作为更具体实例，在服装或其它织物中，电纺丝PTFE可以是服装或其它织物的外层，并且该服装或其它织物还可以包括安装到(例如，层压到或者直接地或间接地连接到)电纺丝PTFE中的内层(例如，最内层)，其中所述内层可以起将汗吸收离开用户的皮肤，并允许汗移动到一个或多个外层的作用。所述内层可以经由毛细管作用传递水分(例如，吸汗)。可以使用任何适合的常规内层，例如，但不限于，合成材料例如聚酯和微纤维基织物。
本公开内容的工程保护性织物(例如，参见图2-6、9和10)(例如，电纺丝PTFE垫)可用来制备保护穿戴者以防例如，由物理环境、危险工作条件和/或人类作用的极端变化引起的危害的服装。就此种工程保护性织物中的电纺丝PTFE垫而言，它们的三维结构、受控孔隙尺寸和透气性允许穿戴者的舒适，并同时提供对环境危害的防护。本公开内容的工程保护性织物可以例如，用于性能衣服、个人保护性衣服、防尘面罩、医用纺织品和/或医疗制服。就包含常规织物的常规物品而言，在那些常规物品中，在此种代替将合适的情况下可以用本公开内容的电纺丝非织造织物替换所述常规织物中的一种或多种。
进一步就本公开内容的工程织物(例如，性能织物)而言，电纺丝PTFE可以经配置同时显示相当大的耐水性和相当大的透气性。在这方面，图12是显示区域30的图，该区域30识别一组本公开内容的第三示例性实施方案的具有大约3密耳厚度的电纺丝PTFE非织造织物的数据。如下面更详细论述那样，试验第三示例性实施方案的3密耳电纺丝PTFE非织造织物，并且试验的所得数据是区域30的该组数据点的统计样本。图12也包括识别可以至少部分地预示的本公开内容的实施方案的数据组的区域32、34、36。
就分别由区域30、32、34、36识别的数据组的数据点而言，图12包括笛卡儿(Cartesian)坐标系，其中增加耐水性的值向上沿着纵轴延伸，且增加透气性/空气透过率的值沿着水平轴线向右边延伸。使用静水压试验测定第三示例性实施方案的3密耳电纺丝PTFE非织造织物的耐水性以测量织物对水透过的阻力，其中通过水柱施加静水压力，该水柱与织物的顶面相对地面对面接触，并从织物的顶面向上延伸，并且该织物的相对的下表面暴露于环境气氛中。通过水穿过织物时的水柱的高度(即，以水毫米数为单位的静水压力)量化耐水性的程度。第三示例性实施方案的电纺丝PTFE非织造织物的以立方英尺/分钟为单位的透气性/空气透过率使用ASTM D737中规定的差压空气渗透试验(Frazier空气渗透试验)测定。Frazier空气透过率是空气流动阻力的倒数，并且它通常在0.5英寸水柱差压下以cfm/ft2表示。
为了便于理解和非常大体上描述，应该指出，图12的图可以表征为包含文氏图(Venn diagram)或类似物，虽然并且例如，各自限定图12的区域30、32、34、36的封闭的周边线不限于简单的封闭曲线(例如，然而各自限定区域30、32、34的封闭的周边线总体上是圆形的，或更具体地说，它们各自呈圆圈形式，但是相比之下，限定区域36的封闭的周边线大体上是矩形的，或更具体地说，它是具有圆角的矩形)。对于图12所示的笛卡儿坐标系，区域30、32、34、36中的每一个限定一组数据，该组数据包括在该区域中的所有数据点。在本公开内容的一个方面中，对于每一区域30、32、34、36，该区域同时包括与限定该区域的环形周边线重合的那组数据点和由限定该区域的环形周边线界定的数据点(即，该区域不包括在限定该区域的环形周边线外面的数据点)。在本公开内容的另一个方面中，对于每一区域30、32、34、36，该区域仅包括被限定该区域的环形周边线界定的那组数据点(即，该区域既不包括与限定该区域的环形周边线重合的数据点也不包括在限定该区域的环形周边线外面的数据点)。
对于图12，本公开内容的一个方面是提供具有足够高空气透过率的电纺丝PTFE非织造织物，该足够高空气透过率设法允许朝具有增加的耐水性同时维持透气性定制电纺丝PTFE非织造织物。至少部分预言地，电纺丝PTFE非织造织物具有属于图12中的区域30、32、34、36中任一个或更多内的耐水性和/或空气透过率范围在本公开内容的范围内。例如且至少部分预言地，本公开内容的实施方案的电纺丝PTFE非织造织物可以具有从包括在区域30、32、34、36中任一个中的最低耐水性值到包括在区域30、32、34、36中任一个中的最高耐水性值的耐水性和/或从包括在区域30、32、34、36中任一个中的最低空气透过率值到包括在区域30、32、34、36中任一个中的最高空气透过率值的空气透过率，并且任何其它适合的范围(例如，在区域30、32、34、36内)在本公开内容的范围内。虽然上文提供图12的区域30、32、34、36作为实例，但是其它区域、数据组和/或范围在本公开内容的范围内。
由上所述至少部分地重申，本公开内容的工程保护性织物(例如，电纺丝PTFE垫)(例如，参见图2-6、9和10)可以经配置同时显示相当大的液体阻隔性能和相当大的透气性。因此，这些织物可以用于例如，医疗手术帘布和帘布附件，和保护性衣服例如手术袍、隔离袍和类似物。根据本公开内容一个方面，与由其它聚合物例如尼龙和聚丙烯制造的其它纳米织物不同，不论由熔喷或电纺丝，本公开内容的电纺丝PTFE非织造织物(例如，垫)的至少一些已经证实大得多的静水压(例如，更好的阻隔性能)。同时，本公开内容的电纺丝PTFE非织造织物的至少一些与ePTFE膜相比维持更高的空气透过率，以便提供更好的舒适和透气性。
表16示出了本公开内容的对比实施例和示例性实施方案的血液渗透数据之间的对比。总体上就表16所示的数据而言，液体阻隔试验由ANSI/AAMI PB70：2012“Liquid barrier performance andclassification of protective apparel and drapes intended foruse in health care and facilities”以四个水平分级。由ANSI/AAMIPB70：2012规定的水平中的两个要求不同水平的根据AATCC试验方法127的水冲击渗透和静水压力。对于表16，根据AATCC试验方法127获得静水压力(即，静水压)的数据。对于手术帘布和帘布附件，ANSI/AAMI PB70：2012规定的水平之一要求通过由ASTM F1670“Resistance to penetration by synthetic blood”给出的试验。对于表16，根据ASTM F1670“Resistance to penetration bysynthetic blood”获得“血液渗透”数据。
表16：血液渗透试验的对比实施例和示例性实施方案之间的对比
参照表16，示例性实施方案的所有样品显示395cm或以上的静水压值，并通过血液渗透试验。相比之下，试验的亚微米熔喷非织造布都不显示大于110cm的静水压，并且它们都没有通过血液渗透试验。试验的ePTFE膜都显示3.5cfm或更低的低空气透过率。具有大约20μm的厚度的示例性实施方案的样品具有大约395cm-大约442cm的静水压并通过血液渗透试验同时提供大约8cfm-大约10cfm的空气透过率。对于ePTFE膜，这些空气透过率高得多，表明电纺丝PTFE非织造织物设法通过允许水蒸气逸出(例如在长的手术程序期间)而提供更好的舒适。例如，第一示例性实施方案的20μm厚度样品具有高的静水压值并成功地通过血液渗透试验同时维持高的空气透过率，这在医疗保护性织物中可能是有利的。
作为本公开内容的电纺丝垫(例如，参见图2-6、9和10)如何使用的另一个具体实例，组织支架可以仅仅基于(例如，可以由以下组成，或基本上由以下组成)电纺丝PTFE，或组织支架可以包含与其它适合的介质结合的电纺丝PTFE。根据本公开内容一个方面，组织支架是具有可以用于替换或校正生物系统中的破损、缺失或功能不足的组件的结构和功能性的材料。组织支架可以经配置支持(例如，引导)植入在所述组织支架中或上的细胞的生长和/或经配置支持(例如，引导)从周围组织迁移到所述组织支架的细胞的生长。例如，此类细胞生长可以延伸到组织支架(例如，电纺丝垫)的孔隙中以致多孔隙结构提供用于细胞附着和增殖的基材。
根据本公开内容一个方面，当电纺丝PTFE非织造织物的孔隙尺寸在适合的范围内时，与电纺丝PTFE非织造织物的生物相容性耦合的电纺丝PTFE非织造织物的三维和多孔特性允许该电纺丝PTFE非织造织物充分地充当组织支架。例如，电纺丝PTFE非织造织物的孔隙结构可以经配置以允许细胞和培养基的进入容易实现，该细胞和培养基允许到电纺丝PTFE非织造织物中和在整个电纺丝PTFE非织造织物中的额外的组织发育和生长。另外和/或备选地，当(例如，如果)希望时，可以控制由电纺丝PTFE非织造织物的孔隙、电纺丝PTFE非织造织物的密度和电纺丝PTFE非织造织物的纤维直径限定的弯曲路径以抑制细胞向内生长。在一个实例中，电纺丝PTFE非织造织物的孔隙尺寸可以在小于0.2微米至10微米的范围内。在这方面，小于0.2微米的孔隙尺寸可以抑制细胞生长到电纺丝PTFE非织造织物的孔中。因此，如果希望限制此种细胞向内生长，则电纺丝PTFE非织造织物的孔隙尺寸可以小于大约0.2微米；然而，如果希望细胞向内生长，则电纺丝PTFE非织造织物的孔隙尺寸可以在大约0.2微米-大约10微米的范围内。其它孔隙尺寸可以根据本公开内容的其它方面使用。本公开内容的组织支架或类似物可以例如，用于或用作接枝物；扩张接枝物；用于定位或保护器官，或桥联撕裂组织例如肌肉或肌腱的连接性支架；患病或破坏组织的代替物；施药或细胞疗法的可植入设备；伤口护理品；再生膜；和/或按任何其它适合的方式使用。
在本公开内容的一些实施方案中，图2-6、9和10中的每一个所示的非织造织物可以表征为是组织支架，其中活细胞可以在非织造织物的外表面上和/或在非织造织物的孔隙中生长。
对于上面讨论的制品、构造或类似物中的每一个，它可以包含本公开内容的非织造材料，基本上由本公开内容的非织造材料组成，或者结合了本公开内容的非织造材料，除非有另外指示。在这方面，对于可以包含本公开内容的非织造材料，基本上由本公开内容的非织造材料组成，或结合了本公开内容的非织造材料的制品、构造或类似物中的每一种，在一些实例中，所述制品、构造或类似物是常规的，不同之处在于它们的一种或多种材料用本公开内容的一种或多种非织造材料替换。
由上所述重申，在整个本公开内容的这种详细描述部分和附图中，没有明确规定为是近似(例如，“大约”)的测量值或数值也可以是近似(例如，“大约”)的。
本发明的许多修改及其它实施方案将出现在本发明涉及的领域的技术人员的脑海中，该技术人员已从上文的描述中给出的教导获益。因此，应该理解的是，上述实施例无论如何也不打算限制本发明范围。本领域技术人员应当理解，虽然上面已经参照示例性实施方案论述了本公开内容，但是在不脱离权利要求中所给出的本发明精神和范围的情况下可以作出各种增补、修改和改变。

Claims (65)

1.过滤器，包括：
载体结构；和
包含电纺丝聚(四氟乙烯)的垫，所述垫由所述载体结构负载。
2.根据权利要求1的过滤器，其中所述过滤器是流体过滤器。
3.根据权利要求1的过滤器，其与强制流路结合，其中所述过滤器可移除地安装在所述强制流路中。
4.过滤介质，包括：
包含电纺丝聚(四氟乙烯)的垫，所述垫经配置以致所述垫能够满足HEPA标准IEST-RP-CC001.3，所述电纺丝聚(四氟乙烯)包含具有大约250nm-大约1500nm的平均纤维直径的非织造纤维，且所述垫的平均厚度为大约200μm或更低。
5.权利要求4的过滤介质，其中所述垫包含非织造织物，和所述非织造织物包含所述电纺丝聚(四氟乙烯)。
6.权利要求4的过滤介质，其中所述平均纤维直径为大约500nm或更低。
7.权利要求4的过滤介质，其中所述平均纤维直径为大约400nm或更低。
8.权利要求4的过滤介质，其中所述垫是电纺丝聚(四氟乙烯)垫，且所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的平均厚度为大约100μm或更低。
9.权利要求8的过滤介质，其中当在HEPA MIL-STD282下使用0.3μm颗粒、5.3cm/s速度和100cm2的电纺丝聚(四氟乙烯)垫面积以平坦构型试验时，所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫经配置提供大约40mmH2O或更低的压降。
10.权利要求8的过滤介质，其中当在HEPA MIL-STD282下使用0.3μm颗粒、5.3cm/s速度和100cm2的电纺丝聚(四氟乙烯)垫面积以平坦构型试验时，所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫经配置提供大约4mm H2O或更低的压降。
11.权利要求8的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的密度为大约30克/平方米/密耳厚度或更低。
12.权利要求11的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的密度为大约25克/平方米/密耳厚度或更低。
13.权利要求12的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的密度为大约20克/平方米/密耳厚度或更低。
14.权利要求13的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的密度为大约10克/平方米/密耳厚度或更低。
15.过滤介质的制备方法，包括：
具有包含以下组分的分散体：
呈颗粒形式的具有给定平均粒度的氟化聚合物；
纤维化聚合物；
分散介质；和
非必要的导电性物质；以致所述分散体具有给定电导率；和
将所述分散体电纺丝而提供能够符合HEPA标准IEST-RP-CC001.3的聚合物垫。
16.权利要求15的方法，其中所述氟化聚合物是聚(四氟乙烯)。
17.权利要求15的方法，其中所述氟化聚合物选自氟化乙烯丙烯，聚偏二氟乙烯，全氟烷氧基，四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物(THV)，聚(乙烯-共聚-四氟乙烯)，乙烯氯三氟乙烯，聚氯三氟乙烯，和它们的共聚物、共混物和衍生物。
18.权利要求15的方法，其中所述导电性物质是水溶性盐。
19.权利要求15的方法，其中所述导电性物质是氢氧化铵。
20.权利要求15的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约230nm或更低。
21.权利要求20的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约160nm或更低。
22.权利要求21的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约130nm或更低。
23.权利要求22的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约80nm或更低。
24.权利要求15的方法，其中进行所述电纺丝步骤持续一段时间以致所述聚合物垫具有大约200μm或更低的平均厚度。
25.权利要求15的方法，其中进行所述电纺丝步骤持续一段时间以致所述聚合物垫具有大约100μm或更低的平均厚度。
26.过滤介质，包括：
能够充当ULPA过滤器以致从空气中除去至少99.999％的粒度小于0.3μm的气载颗粒的非织造电纺丝聚(四氟乙烯)垫，其中：
所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫包含具有大约250nm-大约1500nm的平均纤维直径的非织造纤维，和
所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的平均厚度为大约200μm或更低。
27.权利要求26的过滤介质，其中所述平均纤维直径为大约500nm或更低。
28.权利要求26的过滤介质，其中所述平均纤维直径为大约400nm或更低。
29.权利要求26的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的平均厚度为大约100μm或更低。
30.权利要求26的过滤介质，其中当在HEPA MIL-STD282下使用0.3μm颗粒、5.3cm/s速度和100cm2的电纺丝聚(四氟乙烯)垫面积以平坦构型试验时，所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫内的压降为大约40mm H2O或更低。
31.权利要求26的过滤介质，其中当在HEPA MIL-STD282下使用0.3μm颗粒、5.3cm/s速度和100cm2的电纺丝聚(四氟乙烯)垫面积以平坦构型试验时，所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫内的压降为大约30mmH2O或更低。
32.权利要求26的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的密度为大约30克/平方米/密耳厚度或更低。
33.权利要求32的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的密度为大约25克/平方米/密耳厚度或更低。
34.权利要求33的过滤介质，其中所述电纺丝聚(四氟乙烯)垫的密度为大约20克/平方米/密耳厚度或更低。
35.过滤介质的制备方法，包括：
具有包含以下组分的分散体：
呈颗粒形式的具有给定平均粒度的氟化聚合物；
纤维化聚合物；
分散介质；和
非必要的导电性物质；以致所述分散体具有给定电导率；和
将所述分散体电纺丝以提供能够充当ULPA过滤器以致从空气中除去至少99.999％的粒度小于0.3微米的气载颗粒的聚合物垫。
36.权利要求35的方法，其中所述氟化聚合物是聚(四氟乙烯)。
37.权利要求35的方法，其中所述氟化聚合物选自氟化乙烯丙烯，聚偏二氟乙烯，全氟烷氧基，四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物(THV)，聚(乙烯-共聚-四氟乙烯)，乙烯氯三氟乙烯，聚氯三氟乙烯，和它们的共聚物、共混物和衍生物。
38.权利要求35的方法，其中所述导电性物质是水溶性盐。
39.权利要求35的方法，其中所述导电性物质是氢氧化铵。
40.权利要求35的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约230nm或更低。
41.权利要求40的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约160nm或更低。
42.权利要求41的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约130nm或更低。
43.权利要求42的方法，其中所述氟化聚合物的给定平均粒度为大约80nm或更低。
44.权利要求35的方法，其中进行所述电纺丝步骤持续一段时间以致所述聚合物垫具有大约200μm或更低的平均厚度。
45.权利要求35的方法，其中进行所述电纺丝步骤持续一段时间以致所述聚合物垫具有大约100μm或更低的平均厚度。
46.包含电纺丝聚(四氟乙烯)的垫，所述垫包含：
小于大约1003nm的平均纤维直径；和
大于大约8.1克/平方米/密耳厚度或更低的密度。
47.权利要求46的垫，其中：
平均纤维直径小于大约852nm；和
密度大于大约9.6克/平方米/密耳厚度。
48.包含权利要求46的垫的分离膜。
49.包含权利要求46的垫的织物。
50.包含权利要求46的垫的组织支架。
51.根据权利要求50的组织支架，其与活细胞结合，其中所述活细胞至少在所述组织支架上生长。
52.根据权利要求50的组织支架，其与活细胞结合，其中所述活细胞至少在所述组织支架的孔隙中生长。
53.垫的制备方法，包括：
具有包含以下组分的分散体：
呈颗粒形式的具有小于大约230nm的平均粒度的氟化聚合物，
纤维化聚合物，
分散介质，和
大于大约250μS/cm的电导率；
将所述分散体电纺丝以提供垫。
54.权利要求53的方法，其中所述氟化聚合物是聚(四氟乙烯)。
55.权利要求53的方法，其中：
所述平均粒度为大约160或更低，和
所述电导率为大约300μS/cm或更高。
56.梯度织物，包含：
两个或更多个电纺丝聚(四氟乙烯)纤维层，其中所述两个或更多个层包括至少两个具有不同密度的层，以致所述织物的横截面显示一种或多种密度梯度。
57.权利要求56的梯度织物，其中空气流穿过所述织物的横截面导致：
过滤效率相对于独立地穿过任一所述层的过滤效率得到增强，和
压降在独立地由任一所述层显示的压降范围内。
58.权利要求56的梯度织物，其中所述梯度织物由三个或更多个层组成。
59.权利要求56的梯度织物，其中所述层沿着所述织物的长度和宽度是连续的。
60.权利要求56的梯度织物，其中每个层的厚度在大约0.5μm-大约1000μm之间。
61.权利要求56的梯度织物，其中所述密度梯度包括横穿所述横截面的厚度具有增加的密度的层。
62.权利要求56的梯度织物，其中所述密度梯度包括横穿所述横截面的厚度具有增加的密度和降低的密度的层。
63.权利要求56的梯度织物，其中具有最高密度的层在所述横截面的内部。
64.权利要求56的梯度织物，其中所述密度梯度包括横穿所述织物的横截面基本上均匀的密度梯度。
65.非织造织物，包含：
电纺丝聚(四氟乙烯)，所述非织造织物经配置以致所述非织造织物能够实现以下两者：
通过ASTM F1670的血液渗透试验，和
提供至少大约2.5cfm的空气透过率。
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