CN104582810B - 细纤维过滤介质和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了包括纤维网的细纤维产品以及相关组件、系统和方法。在一些实施方案中,本文所描述的纤维网可以包括在纤维挤出工艺期间形成的细纤维和相对低量的降解聚合物。纤维网可以用于过滤介质应用。

Description

细纤维过滤介质和方法
技术领域
描述了包括适于用作过滤介质的细纤维产品以及相关组件、系统和方法。
背景技术
过滤介质可以在各种应用中用于除去污染物。根据应用,过滤介质可以被设计为具有不同的性能特征。通常,过滤介质可以由纤维网形成。纤维网提供允许流体(例如,液体或气体)流经过滤介质的多孔结构。包含在流体内的污染物颗粒可以被捕获在纤维网上。过滤介质的特征(例如,纤维直径和单位面积重量)影响过滤性能(包括过滤效率和流体流经过滤器的阻力)。
纤维网可以通过不同的工艺形成。在熔喷工艺中,纤维网可以通过将聚合物材料通过模头挤出,并随后用加热的高速空气流使所得长丝变细形成。该工艺可以生产细纤维,所述细纤维可以被收集在移动的收集带上,在收集器上细纤维彼此缠结形成纤维网。在挤出工艺期间中存在可以影响所得纤维网的结构和性能特征的几个参数。挤出工艺的改进可以使得纤维网具有改进的结构和性能特性,例如,减小的纤维直径、增加的表面积、和/或减少的单位面积重量。这种改进可以用在许多可以使用纤维网的不同的领域(例如过滤应用)中。
发明内容
本公开内容总体上涉及细纤维产品以及相关组件、系统和方法。
在一些实施方案中,提供了一系列纤维网。在一组实施方案中,纤维网包括由聚合物材料形成的多根熔喷纤维,所述多根熔喷纤维的平均直径为约0.1微米至约1.5微米。纤维网的透气率为约10CFM至约1800CFM,表面积为约0.1m2/g至约6.0m2/g,单位面积重量为约1.0g/m2至约100g/m2,并且厚度为约0.0005英寸至约0.04英寸。纤维网还具有小于约1.6 个颗粒/平方英寸的颗粒表面密度,所述颗粒由聚合物材料形成,其中每个所述颗粒的最大截面尺寸为约1.0mm或更大。
在另一组实施方案中,纤维网包括具有平均纤维直径为约0.1微米至约1.5微米的多根熔喷纤维的纤维网。纤维网的平均孔径大于约0.1微米并且小于约2.0微米。纤维网的透水率大于约0.2ml/min·cm2·psi,并且渗透浊度小于约8NTU。纤维网还具有约15g/m2至约200g/m2的单位面积重量以及约0.002英寸至约0.02英寸的厚度。
在另一组实施方案中,纤维网包括平均纤维直径为约0.1微米至约1.5微米的多根熔喷纤维。纤维网的平均孔径大于约0.1微米并且小于约2.0微米。纤维网的泡点(bubblepoint)与平均孔径的比率可以小于约3∶1。纤维网的透水率可以大于约0.2ml/min·cm2·psi。另外,纤维网的密实度可以大于或等于约10%并且小于约70%。纤维网的单位面积重量可以为约15g/m2至约200g/m2。纤维网的厚度可以为约0.002英寸至约0.02英寸。
在另一组实施方案中,纤维网包括由聚合物材料形成的多根熔喷纤维,所述多根熔喷纤维的平均纤维直径为约0.1微米至约0.6微米。纤维网的透气率为约10CFM至约1800CFM,表面积为约0.1m2/g至约6.0m2/g,单位面积重量为约1.0g/m2至约100g/m2,并且厚度为约0.0005英寸至约0.04英寸。纤维网还具有小于约5个颗粒/平方英寸的颗粒表面密度,所述颗粒由聚合物材料形成,其中每个所述颗粒的最大截面尺寸为约1.0mm或更大。
在另一组实施方案中,纤维网包括平均纤维直径为约0.1微米至约1.5微米的多根熔喷纤维。纤维网的透气率为约10CFM至约1800CFM,表面积大于约2.0m2/g,单位面积重量为约1.0g/m2至约100g/m2,并且厚度为约0.0005英寸至约0.04英寸。
在一些实施方案中,提供了一系列形成纤维网的方法。在一组实施方案中,形成纤维网的方法包括:将聚合物材料引入挤出系统中,该挤出系统包括挤出机入口、模头出口、以及在挤出机入口与模头出口之间的加工空间,其中挤出系统包括内径为约4英寸或更小的挤出机料筒;以及在挤出系统中对聚合物材料进行加工,使得聚合物材料在加工空间中的停留时间(dwell time)少于约85分钟。该方法还包括:由聚合物材料形成多根熔喷纤维,其中所述多根熔喷纤维的平均直径为约0.1微米至约1.5微米;以及形成包括所述多根熔喷纤维的纤维网。
在另一组实施方案中,一种形成纤维网的方法包括:将聚合物材料引入挤出系统中,所述挤出系统包括挤出机入口、模头出口、以及在挤出机入口与模头出口之间的体积小于约25000cm3的加工空间。该方法还包括:由聚合物材料形成多根熔喷纤维,其中所述多根熔喷纤维的平均直径为约0.1微米至1.5微米;以及形成包括所述多根熔喷纤维的纤维网。
在另一组实施方案中,一种形成纤维网的方法包括:将聚合物材料引入挤出系统中,所述挤出系统包括挤出机入口、模头出口、以及在挤出机入口与模头出口之间的加工空间;以及在挤出系统中对聚合物材料进行加工,使得聚合物材料在加工空间中的停留时间少于约30分钟并且聚合物材料的通过量小于约85磅/时。该方法还包括:由聚合物材料形成多根熔喷纤维,其中所述多根熔喷纤维的平均直径为约0.1微米至1.5微米;以及形成包括所述多根熔喷纤维的纤维网。
在另一组实施方案中,一种形成纤维网的方法包括:将聚合物材料引入挤出系统中,该挤出系统包括挤出机入口、模头出口、以及在挤出机入口与模头出口之间的加工空间;以及在挤出系统中对聚合物材料进行加工,使得聚合物材料在加工空间中的停留时间少于约50分钟并且聚合物材料的通过量小于约55磅/时。该方法还包括:由聚合物材料形成多根熔喷纤维,其中所述多根熔喷纤维的平均直径为约0.1微米至1.5微米;以及形成包括所述多根熔喷纤维的纤维网。
当结合附图考虑时,根据下面详细描述的本发明的各种非限制性实施方案,本发明的其他优点和新颖特征将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包含矛盾和/或不一致的公开内容的情况下,以本说明书为准。如果通过引用并入的两个或更多个文献包括相对于彼此矛盾和/或不一致的公开内容,那么以生效日期在后的文件为准。
附图说明
本发明的非限制性实施方案将通过举例的方式参照附图进行描述,所述附图是示例性的并非旨在按比例绘制。在附图中,每个示出的相同或几乎相同的部件通常是以单一附图标记表示。为了清楚起见,在不需要图解来使得本领域普通技术人员理解本发明的地方,不是每个部件都被标记,也不是本发明的每个实施方案中的每个部件都被示出。在附图中:
图1为示出根据一组实施方案的纤维形成工艺的示意图。
具体实施方式
描述了包括纤维网的细纤维产品以及相关组件、系统和方法。在一些实施方案中,本文所描述的纤维网可以包括在纤维挤出工艺期间形成的细纤维和相对低量的降解聚合物。聚合物降解可能导致聚合物颗粒的形成,其可降低用于过滤介质或其他应用的纤维网的特性。聚合物降解可以通过,例如减少聚合物材料在挤出系统的某些部分中相对高温高压下花费的时间量(例如,停留时间)来减少。影响这种减少的停留时间的因素与形成具有小直径纤维的期望相平衡,所述小直径纤维在某些常规工艺中在较长的停留时间下生产。在一些实施方案中,本文所述的纤维网具有相对低的透气率和相对高的表面积,这可以导致提高的性能。还提供了本文所述的制品、方法和系统的其他优点。
本公开内容描述了几种方法来解决与某些聚合物纤维挤出工艺有关的一些问题。一个问题涉及直径非常小的纤维的形成。如下面更详细的描述的,通常在某些挤出工艺中直径非常小的纤维的形成使用相对低的聚合物通过量。然而,低通过量可能导致在挤出工艺期间形成颗粒形式的降解聚合物材料。这种降解可能由于聚合物材料经历挤出工艺长时间的相对高温高压和/或其他条件下所引起。随着降解聚合物的量的增加,每单位聚合物生产的纤维减少。对于用于过滤的纤维网或某些其他应用的纤维网而言,不期望发生这种情况,这是因为它可能导致为了获得与不含降解聚合物而所有其他因素都相同的纤维网相同的性能水平而必须形成具有较高的单位面积重量的纤维网。
过去,在挤出工艺期间形成的降解聚合物的量的增加有时导致专业人员不得不改变挤出工艺的某些参数以减少降解聚合物的量;然而,这些改变可能导致形成具有相对较大直径的纤维和/或具有较少的期望性能特征的纤维网。本发明人已在本发明的上下文中发现通过平衡挤出工艺的某些参数和/或通过向用于形成纤维的聚合物材料中加入一种或更多种添加剂,可以获得具有相对低量的聚合物降解、提高的性能和/或更好的结构特征的细纤维网。下文将更加详细的描述可以被改变的参数和可以被用于获得这个结果的添加剂的实施例。
尽管本文提供的许多描述是指用作过滤介质的纤维网或熔喷产品,应当理解的是,在其他实施方案中,纤维网和/或熔喷产品可以用于其他应用中。
图1示出了可以在根据本文所述的某些实施方案的形成细纤维的方法中使用的系统1。如本示例性实施方案所示,可以将聚合物材料10(例如可以为粒状形式的树脂)引入混合器20,在混合器20中聚合物材料可以可选地与一种或更多种添加剂组合。聚合物材料然后可以沿箭头22的方向向挤出机25的入口24传送。挤出机包括被安装用于在挤出机料筒27中旋转的的挤出机螺杆26。通过螺杆的旋转,聚合物材料在挤出机料筒中向下游输送,所述挤出机料筒可以被加热至所期望温度以产生聚合物材料的流体流。从挤出机入口到挤出机出口加热(通常缓慢地)聚合物以使得聚合物材料更容易地流动。然后聚合物材料的流可以流入一个或更多个管道28中,管道28将挤出机流体连接至模头主体30(例如,将挤出机出口连接至模头主体入口)。挤出机入口与模头出口44之间的体积共同限定了加工空间,所述加工空间具有特定的内部体积,其可以用来计算聚合物材料的停留时间,如下文更详细描述的。
如图1说明性示出的,熔体泵32可以位于管道28与模头主体之间。熔体泵可以有助于控制输送至模头主体的聚合物通过量(磅/小时)。模头主体具有影响模头主体中聚合物材料温度的模头温度,其包括连接至模头主体的纺丝组件40中的聚合物的温度。纺丝组件可以包括允许聚合物流向包括一个或更多个孔的模头出口44(例如,模头尖端)的一个或更多个通道42。纺丝组件还包括允许空气或其他气体流向模头尖端的一个或更多个附加通道46。随着熔化的聚合物离开一个或更多个模头出口,在通道46中流动的空气使聚合物变细成纤维。可以通过改变加工空气温度和加工空气体积来控制纤维形成。
离开模头出口的一个或更多个孔的聚合物在包括收集带70的收集台60上形成熔喷纤维50。纤维直径可以部分通过引入可用于使纤维淬火的通道55的空气或其他气体控制。随着聚合物离开模头出口,热的高速空气在模头出口的任一侧冲击聚合物。这种空气可以使纤维变细成为最终纤维尺寸。淬火可以通过改变淬火空气的温度和淬火空气的体积来控制。
收集在收集带上的纤维可以使用抽吸箱74拉向收集台。收集在收集带上的纤维形成纤维网。可以改变从模头尖端到收集台的距离75以控制纤维网的密度(例如,随着距离增加,纤维速度减小,并且纤维温度降低,因此纤维堆积较不紧密,导致更蓬松的网)。随着距离的增加,纤维的速度通常减小,制得更蓬松的纤维网。还控制同样影响纤维网的蓬松度的收集器抽吸。可以通过控制收集带的速度来改变纤维网的单位面积重量和厚 度。收集带将纤维网传送至卷绕机80,在卷绕机80中纤维网可以被进一步加工(如果需要)。
在某些实施方案中,形成纤维网的方法可以涉及控制聚合物材料在系统(例如图1所示的系统)的加工空间中的停留时间。停留时间是聚合物材料在加工空间中花费的时间,所述加工空间包括在挤出工艺的温度和压力控制范围内聚合物材料可以驻留在挤出机入口与模头出口之间的组合体积。组合体积可以包括,例如,挤出机(例如,挤出机料筒)的体积、模头主体和流体连接挤出机和模头主体的任意管道。停留时间可以使用如下公式计算:
停留时间=V·ρ/Th (1)
其中V是如上面所定义的加工空间的体积,ρ是被挤压的聚合物材料的密度,以及Th是聚合物材料通过模头主体的通过量。
不希望受任何理论限制,本发明人认为在一些实施方案中,为了形成细纤维网,在挤出工艺期间可以使用相对低的通过量。相对低的通过量使得能够形成具有小直径的纤维;然而,低通过量还可能导致用于形成纤维的一定量的聚合物材料降解,这是由于聚合物材料经历长时间(即,相对长停留时间)的相对高温高压的挤出工艺所致。降解可能导致如下面更详细描述的小聚合物颗粒的形成,其可以降低纤维网的过滤性能。如果使用相对高的通过量,那么聚合物材料的停留时间会减少;然而,可以形成具有较大直径的纤维。因此,在一些实施方案中,用于形成具有低聚合物降解的细纤维的合适过程可能涉及在挤出工艺期间使聚合物材料的通过量与停留时间两者平衡。
本发明人已在本发明的上下文中认识到用于减少聚合物材料的停留时间,同时获得小纤维直径的一种方法是减小加工空间的体积。由于加工空间包括挤出机入口与模头出口之间的组合体积,因此减少加工空间的体积可以通过如下方式减少:例如,减小挤出机料筒的直径和/或长度;减少连接挤出机与模头主体的任何管道的数目、直径和/或长度;减少模头主体的内部体积;以及它们的组合。在挤出工艺期间使用相对低的加工空间体积可以使得在一些实施方案中使用相对低的聚合物通过量,同时仍维持相对低的停留时间。因此,可以形成聚合物降解相对低的细纤维。
本发明人还已在本发明的上下文中观察到,在一些实施方案中,在加工空间中的聚合物材料的温度可以对聚合物降解的量具有相对小的影响 (例如,与停留时间相比)。本领域普通技术人员会预期聚合物降解是由于聚合物材料在挤出工艺期间经历了相对高的温度(和压力)而导致的。因此,为了减少聚合物降解的量,本领域普通技术人员很可能降低挤出机和/或模头主体中聚合物材料的温度。本领域普通技术人员将不会预期:当使用相对高的加工温度时,结合修改本文提供的某些方法中所述的其他参数可以获得低量的聚合物降解。
如上所指出,在一些实施方案中,形成纤维网的方法可以包括控制聚合物材料在挤出系统的加工空间中的停留时间。在某些实施方案中,停留时间可以在约1分钟至约2600分钟的范围内。例如,聚合物材料的停留时间可以为约1分钟至约1500分钟、约2分钟至约1000分钟、约2分钟至约500分钟、约2分钟至约100分钟、约3分钟至约90分钟、约5分钟至约76分钟、约5分钟至约50分钟、约5分钟至约30分钟、或约1分钟至约15分钟。在一些实施方案中,聚合物材料在加工空间中的停留时间小于约2000分钟、小于约1500分钟、小于约1000分钟、小于约500分钟、小于约200分钟、小于约100分钟、小于约75分钟、小于约50分钟、小于约30分钟、小于约20分钟、小于约15分钟、小于约10分钟、或小于约5分钟。停留时间还可以为其他范围和值。
聚合物通过量可以在,例如约1磅/时至约200磅/时的范围内。例如,聚合物通过量可以为约1磅/时至约150磅/时、约1磅/时至约100磅/时、约2磅/时至约90磅/时、约20磅/时至约85磅/时、约20磅/时至约60磅/时、约40磅/时至约85磅/时、或约1磅/时至约20磅/时。在一些实施方案中,聚合物通过量可以小于约200磅/时、小于约150磅/时、小于约100磅/时、小于约85磅/时、小于约60磅/时、小于约40磅/时、小于约20磅/时。在其他实施方案中,聚合物通过量可以大于约20磅/时、大于约40磅/时、大于约85磅/时、大于约100磅/时、大于约150磅/时、或大于约200磅/时。聚合物通过量还可以为其他范围和值。
在一些实施方案中,可以改变聚合物材料可以驻留的加工空间的体积,例如以实现特定的停留时间。加工空间的体积可以在以下范围内,例如:约10cm3至约30000cm3、约10cm3至约25000cm3、约10cm3至约20000cm3、约10cm3至约15000cm3、约10cm3至约12000cm3、约10cm3至约10000cm3、约10cm3至约8000cm3、约10cm3至约6000cm3、约10cm3至约4000cm3、约10cm3至约2000cm3、约10cm3至约1000cm3、或约10cm3至约500cm3。在一些情况下,加工空间的体积可以小于约 30000cm3、小于约25000cm3、小于约20000cm3、小于约15000cm3、小于约12000cm3、小于约10000cm3、小于约8000cm3、小于约6000cm3、小于约4000cm3、小于约2000cm3、小于约1000cm3、或小于约500cm3。加工空间体积还可以为其他范围和值。
在一些实施方案中,可以改变挤出机螺杆的尺寸(例如,螺杆直径),例如以实现特定的加工空间体积。在一些实施方案中,挤出机螺杆直径可以为约0.25英寸至约6.0英寸。例如,螺杆直径可以为:约0.25英寸至约5.5英寸、约0.5英寸至约5.0英寸、约1.0英寸至约4.0英寸、约1.0英寸至约3.5英寸、或约1.0英寸至约3.0英寸。在一些情况下,挤出机螺杆直径可以为约6.0英寸或更小、约5.5英寸或更小、约5.0英寸或更小、约4.5英寸或更小、约4.0英寸或更小、约3.5英寸或更小、约3.0英寸或更小、约2.5英寸或更小、约2.0英寸或更小、或者约1.5英寸或更小。挤出机螺杆直径还可以为其他范围和值。
在一些实施方案中,可以改变挤出机料筒直径(例如,料筒内径)并且可以进行选择以匹配挤出机螺杆的尺寸。例如,具有4英寸直径的挤出机螺杆可以与具有约4.0英寸内径的挤出机料筒匹配。在一些实施方案中,挤出机料筒的内径可以为约0.25英寸至约6.0英寸。例如,挤出机料筒的内径可以为约0.25英寸至约5.5英寸、约0.5英寸至约5.0英寸、约1.0英寸至约4.0英寸、约1.0英寸至约3.5英寸、或者约1.0英寸至约3.0英寸。在一些情况下,挤出机料筒的内径可以为约6.0英寸或更小、约5.5英寸或更小、约5.0英寸或更小、约4.5英寸或更小、约4.0英寸或更小、约3.5英寸或更小、约3.0英寸或更小、约2.5英寸或更小、约2.0英寸或更小、或者约1.5英寸或更小。挤出机料筒的内径还可以为其他范围和值。
在某些实施方案中,可以改变挤出机料筒的长度,例如以实现特定的加工空间体积。在一些实施方案中,挤出机料筒的长度可以为约1英尺至约15英尺。例如,挤出机料筒的长度可以为约1英尺至约12英尺、约1英尺至约10英尺、约1英尺至约8英尺、约1英尺至约6英尺、约1英尺至约5英尺、约1英尺至约4英尺、或约1英尺至约2英尺。在一些情况下,挤出机料筒的长度可以为约15英尺或更小、约12英尺或更小、约10英尺或更小、约8英尺或更小、约6英尺或更小、约5英尺或更小、约4英尺或更小、约3英尺或更小、或者约2英尺或更小。挤出机料筒长度还可以为其他范围和值。
在某些实施方案中,可以改变挤压出口与模头入口之间的一个或更多 个管道(例如,聚合物材料可以驻留的空间)的平均直径,例如以实现特定的加工空间体积。在一些实施方案中,管道的平均直径可以为约0.1英寸至约10.0英寸。例如,管道的平均直径可以为约0.3英寸至约8.0英寸、约0.3英寸至约5.0英寸、约0.1英寸至约3.0英寸、约0.1英寸至约2.0英寸、约0.5英寸至约2.0英寸、约0.1英寸至约1.8英寸、约0.1英寸至约1.6英寸、约0.1英寸至约1.4英寸、约0.1英寸至约1.2英寸、约0.1英寸至约1.0英寸、或约0.1英寸至约0.8英寸。在一些情况下,管道的平均直径为约10.0英寸或更小、约8.0英寸或更小、约6.0英寸或更小、约4.0英寸或更小、约3.0英寸或更小、约2.0英寸或更小、约1.8英寸或更小、约1.6英寸或更小、约1.4英寸或更小、约1.2英寸或更小、约1.0英寸或更小、约0.8英寸或更小、或约0.7英寸或更小。管道的平均直径还可以为其他范围和值。
在某些实施方案中,可以改变挤压出口与模头入口之间的一个或更多个管道(例如聚合物材料可以驻留的空间)的组合长度,例如以实现特定的加工空间体积。在一些实施方案中,管道组合长度可以为约0.5英尺至约75英尺。例如,管道组合长度可以为约5英尺至约50英尺、约5英尺至约40英尺、约5英尺至约30英尺、约10英尺至约25英尺、约5英尺至约25英尺、约5英尺至约20英尺、约5英尺至约15英尺、约1英尺至约12英尺、约1英尺至约10英尺、约1英尺至约8英尺。在一些情况下,管道长度可以为约75英尺或更小、约50英尺或更小、约40英尺或更小、约30英尺或更小、约25英尺或更小、约20英尺或更小、约15英尺或更小、约12英尺或更小、约10英尺或更小、约8英尺或更小、或者约6英尺或更小。管道组合长度还可以为其他范围和值。
在一些实施方案中,可以改变聚合物材料可以驻留的模头主体(包括纺丝组件)的体积。模头主体的体积可以为:例如,约300cm3至约15000cm3、约300cm3至约13000cm3、约300cm3至约11000cm3、约300cm3至约9000cm3、约300cm3至约6000cm3、约300cm3至约4000cm3、约300cm3至约2000cm3、约300cm3至约1000cm3、或约300cm3至约600cm3。在一些情况下,模头主体的体积为15000cm3、小于约13000cm3、小于约10000cm3、小于约8000cm3、小于约6000cm3、小于约4000cm3、小于约2000cm3、小于约1000cm3、或小于约600cm3。模头主体积还可以为其他范围和值。
在一些实施方案中,本文所述的挤出工艺可以包括特定的模头温度范 围或值。通常,可以选择模头温度来适当地软化(例如,熔化)待形成纤维的聚合物材料。在一些实施方案中,模头温度为约400°F至约630°F。例如,模头温度可以为约410°F至约600°F、约410°F至约580°F、约420°F至约550°F、或约420°F至约500°F。在某些实施方案中,模头温度可以大于约400°F、大于约420°F、大于约440°F、大于约460°F、大于约480°F、或大于约500°F。在其他实施方案中,模头温度可以小于约630°F、小于约550°F、小于约500°F、或小于约450°F。模头温度还可以为其他范围和值。
挤出机料筒的温度通常从挤出机入口到挤出机出口是可以改变的,以允许聚合物材料更容易地流动。挤出机料筒中用于加热聚合物的最低温度可以为例如至少约300°F、至少约350°F、至少约400°F、或至少约420°F。挤出机料筒的最高温度可以为例如约400°F至约630°F。例如,挤出机料筒的最高温度可以为约410°F至约600°F、约410°F至约580°F、约420°F至约550°F、约420°F至约480°F、或约420°F至约500°F。在某些实施方案中,挤出机料筒的最高温度可以大于约400°F、大于约420°F、大于约440°F、大于约460°F、大于约480°F、或大于约500°F。在其他实施方案中,挤出机料筒的最高温度可以小于约630°F、小于约550°F、小于约500°F、或小于约450°F。在一些实施方案中,挤出机料筒的最高温度可以比模头主体的温度低至少约10°F、至少约20°F、至少约30°F、或至少约40°F。挤出机料筒的温度还可以为其他范围和值。
还可以改变加工空气温度。在一些实施方案中,加工空气温度可以为约400°F至约630°F。例如,加工空气温度可以为约410°F至约600°F、约410°F至约580°F、约420°F至约550°F、约440°F至约530°F、或约420°F至约500°F。加工空气温度还可以为其他范围和值。
在一些实施方案中,可以期望改变加工空气体积。如上所述,加工空气是形成纤维的模头尖端的任一侧的经加热的空气。这种经加热的空气(通常与模头尖端的温度相同)冲击纤维并且有助于纤维变细至最终的纤维尺寸。应当认为的是,在一些实施方案中,随着空气体积的增加,纤维直径可以减小。加工空气体积可以适当的选择。在一些实施方案中,加工空气体积可以为约1000磅/时·米(lbs/hr·m)至约4000lbs/hr·m。例如,加工空气体积可以为约1500lbs/hr·m至约3800lbs/hr·m、约2500lbs/hr·m至约3750lbs/hr·m、或约3000lbs/hr·m至约3500lbs/hr·m。加工空气体积还可以为其他范围和值。
还可以改变淬火空气温度。在一些实施方案中,淬火空气温度可以为 约0°F至约200°F。例如,淬火空气的温度可以为约0°F至约150°F、约0°F至约100°F、约0°F至约75°F、约0°F至约50°F、约0°F至约30°F、或约0°F至约20°F。淬火空气温度还可以为其他范围和值。
在一些实施方案中,可以期望改变淬火空气体积。在一些实施方案中,淬火空气体积可以为约0磅/时(lbs/h)至约750lbs/h。例如,淬火空气体积可以为约0lbs/h至约500lbs/h、约0lbs/h至约250lbs/h、或约0lbs/h至约150lbs/h。淬火空气体积还可以为其他范围和值。
通常可以选择期望的模头出口(例如,孔)的尺寸和每英寸模头的出口数目。在一些实施方案中,模头每英寸可以具有约35个0.0125”孔的孔。在某些实施方案中,模头每英寸可以具有约70个0.007”孔的孔。在一些实施方案中,模头可以具有每英寸约25个孔至每英寸约250个孔。在某些情况下,模头可以包括每英寸约35个孔或更多、每英寸约50个孔或更多、或者每英寸约70个孔或更多。可以可选地使用其他模头。
在一些实施方案中,可以改变从模头尖端至收集器的距离。从模头尖端至收集器的距离可以为例如约3英寸至约80英寸。例如,从模头尖端至收集器的距离可以为约3英寸至约50英寸、约4英寸至约40英寸、约5英寸至约25英寸、或约6英寸至约15英寸。从模头尖端至收集器的距离还可以为其他范围和值。
可以适当地选择由抽吸箱产生的真空水平。在一些实施方案中,真空水平可以为约1英寸水柱高至约60英寸水柱高。例如,真空水平可以为约10英寸水柱至约50英寸水柱、约20英寸水柱至约40英寸水柱、约20英寸水柱至约30英寸水柱、或约30英寸水柱至约40英寸水柱。
可以根据需要选择收集带移动的线速度以形成纤维网。在一些实施方案中,收集带移动的线速度可以为约1英尺/分至约400英尺/分。例如,收集带移动的线速度可以为约10英尺/分至约200英尺/分、约50英尺/分至约150英尺/分、约50英尺/分至约100英尺/分、或约75英尺/分至约150英尺/分。
应当理解的是,上述参数的值和范围可以以不同的组合使用以控制挤出工艺期间纤维形成。例如,在一些实施方案中,可以使用相对少的停留时间和相对低的通过量以形成细纤维。例如,在一组实施方案中,一种方法可以包括使聚合物材料经历少于约30分钟的停留时间和小于约85磅/时的通过量。在另一组实施方案中,聚合物材料可以具有少于约50分钟的停留时间和小于约55磅/时的通过量。在一些实施方案中,如下面更详细的描述,使用这些或其他参数,可以形成具有相对低的颗粒表面密度的 纤维网。
在一些实施方案中,在挤出工艺期间改变上述参数,和/或使用本文所述的一种或更多种添加剂可能导致在纤维形成期间基本没有或相对低量的聚合物降解。在一些情况下,该工艺可以用来形成细纤维,例如具有本文所述的范围之一的直径(例如,平均直径为约0.1微米至约1.5微米、或约0.1微米至约0.6微米)的细纤维。不希望受任何理论的限制,本发明人认为使用于形成纤维的聚合物材料在挤出系统中经历延长时间的相对高温高压可能引起聚合物材料降解。降解可以包括断链(即聚合物链缩短以产生低分子量的聚合物)和/或其他形式的分解(例如,化学分解、热分解、电离)。作为聚合物降解的结果,可以形成小聚合物颗粒。这些颗粒可以具有与用于形成纤维的聚合物材料相同的化学组合物(但是具有较低的分子量),或者可以为用于形成纤维的聚合物材料的衍生物。这些颗粒可以以各种构造与纤维网相关联。例如,颗粒可以驻留在纤维的表面上、纤维网的表面上、纤维网的中心中、或它们的组合。如上所述,随着降解的聚合物量的增加,每单位聚合物生产的纤维减少。例如,对于用于过滤的纤维网,不希望发生这种情况,由于这可能导致增加的单位面积质量来实现与不含降解的聚合物而其他因素都相同的纤维网相同的性能水平。
可以改变形成的聚合物颗粒的形状和尺寸,并且在一些情况下,颗粒甚至可以聚集以形成更大的颗粒。应当理解的是,本文所述的聚合物颗粒与纤维不同。聚合物颗粒是非纤维状的,并且通常具有小于50∶1的长径比(即长度与最大截面尺寸之比)和至少0.2mm的最大截面尺寸。在一些实施方案中,颗粒的最大截面尺寸可以为约0.2mm或更大、约0.5mm或更大、约1.0mm或更大、约1.5mm或更大、约2.0mm或更大、约2.5mm或更大、约3.0mm或更大、约3.5mm或更大、约4.0mm或更大、约4.5mm或更大、约5.0mm或更大、约5.5mm或更大、约6.0mm或更大、约6.5mm或更大、约7.0mm或更大、约7.5mm或更大、约8.0mm或更大、约8.5mm或更大、约9.0mm或更大、约9.5mm或更大、或者约10.0mm或更大。颗粒尺寸还可以为其他值和其他范围。
在某些实施方案中,在纤维挤出工艺期间形成的颗粒的平均分子重量可以小于用于形成纤维的聚合物的平均分子重量的约1/2。例如,在纤维挤出工艺中形成的颗粒的平均分子重量可以小于用于形成纤维的聚合物的平均分子重量的约1/8、约1/64、或约1/200。与纤维网相关联的颗粒的平均分子重量还可以为其他值。
在一些实施方案中,本文所述的纤维网在其表面上可以包含相对低数目的颗粒或基本没有颗粒。颗粒的量可以通过确定在纤维网上的颗粒表面密度(即每单位面积纤维网表面在纤维网表面上的颗粒的数目)来测定。例如,纤维网的颗粒表面密度可以小于约12.0个颗粒/平方英寸、小于约11.5个颗粒/平方英寸、小于约11.0个颗粒/平方英寸、小于约10.5个颗粒/平方英寸、小于约10.0个颗粒/平方英寸、小于约9.5个颗粒/平方英寸、小于约9.0个颗粒/平方英寸、小于约8.5个颗粒/平方英寸、小于约8.0个颗粒/平方英寸、小于约7.5个颗粒/平方英寸、小于约7.0个颗粒/平方英寸、小于约6.5个颗粒/平方英寸、小于约6.0个颗粒/平方英寸、小于约5.5个颗粒/平方英寸、小于约5.0个颗粒/平方英寸、小于约4.5个颗粒/平方英寸、小于约4.0个颗粒/平方英寸、小于约3.5个颗粒/平方英寸、小于约3.0个颗粒/平方英寸、小于约2.7个颗粒/平方英寸、小于约2.5个颗粒/平方英寸、小于约2.2个颗粒/平方英寸、小于约2.0个颗粒/平方英寸、小于约1.8个颗粒/平方英寸、小于约1.6个颗粒/平方英寸、小于约1.5个颗粒/平方英寸、小于约1.3个颗粒/平方英寸、小于约1.0个颗粒/平方英寸、小于约0.8个颗粒/平方英寸、小于约0.5个颗粒/平方英寸、或小于约0.3个颗粒/平方英寸,其中各个颗粒具有以上描述范围或值中的之一的最大截面尺寸。例如,在一个特定的实施方案中,纤维网的颗粒表面密度小于约3.0个颗粒/平方英寸,其中每个颗粒的最大截面尺寸为约0.2mm或更大。在这种实施方案中,即使纤维网可以包含最大截面尺寸小于约0.2mm的一些颗粒,在计算颗粒表面密度时这些颗粒也不计算在内。在另一实施方案中,纤维网的颗粒表面密度小于约3.0个颗粒/平方英寸,其中每个颗粒的最大截面尺寸为约1.0mm或更大。在这种实施方案中,即使纤维网可以包含最大截面尺寸小于约1.0mm的一些颗粒,在计算颗粒表面密度时这些颗粒也不计算在内。颗粒表面密度还可以为其他特定的尺寸范围或值。
单位面积纤维网的颗粒的数目可以确定如下。纤维网的样品可以连同碳纸和白色标准复印纸层叠在一起,其中碳纸位于纤维网与复印纸之间。该复合结构可以放置在采用如下条件的连续压带机中:线速度为2.5米/分、压力为6巴以及温度为约68°F至80°F之间(室温)。暴露于这些条件下之后,降解的聚合物颗粒(如果存在的话)可能位于与纤维相比升高的位置处,并且在底下的复印纸上显示小“点”。如果需要检测较暗的图像,可以用标准的复印机使碳图像变暗来影印复印纸。此复印纸图像可以使用标准图像软件进行扫描,并且软件(例如,图像J软件可以在 http://rsbweb.nih.gov/ij/下载)可以用于确定图像上“点”的数目。这些“点”可以以像素测量,并且每个像素可以与某些尺寸相关联以确定颗粒的尺寸和数目。例如,1像素可以对应0.2646mm,因此在图像上尺寸为1像素的“点”可以对应最大尺寸为0.2646mm的1个颗粒;在图像上尺寸为4像素的“点”可以对应最大尺寸为1.1mm的1个颗粒;像素尺寸可以根据所使用的成像硬件和/或软件来改变。为了计算颗粒表面密度,其中每个颗粒的最大截面尺寸为例如约1.0mm或更大,仅尺寸为至少4像素(即最大截面尺寸为约1.0mm或更大)的“点”将被计算在内。这个数目可以除以用于计算颗粒的纤维网的面积以确定颗粒表面密度。在这个特定的实施例中,即使纤维网可以包括最大截面尺寸为小于约1.0mm的一些颗粒,为了这个特定计算的目的这些颗粒也不计算在内。
在一些实施方案中,具有上述颗粒表面密度的值或范围的纤维网还可以具有一个或更多个下面描述的特点和性能特征的值和范围。
本文所述的纤维网可以由平均直径为约0.1微米至约1.5微米的纤维形成。例如,纤维网可以包括平均直径在如下范围内的纤维(例如,熔喷纤维):约0.1微米至约1.3微米、约0.1微米至约1.2微米、约0.1微米至约1.0微米、约0.25微米至约1.0微米、约0.1微米至约0.8微米、约0.1微米至约0.7微米、约0.1微米至约0.6微米、约0.1微米至约0.5微米、或约0.1微米至约0.4微米。在一些实施方案中,纤维网中的纤维(例如,熔喷纤维)的平均直径可以为约1.5微米或更小、约1.4微米或更小、约1.3微米或更小、约1.2微米或更小、约1.1微米或更小、约1.0微米或更小、约0.9微米或更小、约0.8微米或更小、约0.7微米或更小、约0.6微米或更小、约0.5微米或更小、约0.4微米或更小、或者约0.3微米或更小。在其他实施方案中,在纤维网中的纤维(例如,熔喷纤维)的平均直径可以大于约0.2微米、大于约0.4微米、大于约0.6微米、大于约0.8微米、大于约1.0微米、或大于约1.2微米。如本文所使用的,纤维直径使用扫描电子显微镜测定。
纤维网通常可以具有任意合适的厚度。在一些实施方案中,纤维网的厚度为约0.0005英寸至约0.040英寸。例如,纤维网的厚度可以为约0.001英寸至约0.030英寸、约0.001英寸至约0.020英寸、约0.002英寸至约0.02英寸、约0.006英寸至约0.016英寸、约0.002英寸至约0.010英寸、或约0.002英寸至约0.020英寸。在一些情况下,纤维网的厚度可以小于或等于约0.040英寸、小于或等于约0.030英寸、小于或等于约0.025英寸、小于或等于约0.020英寸、小于或等于约0.018英寸、小于或等于约 0.016英寸、小于或等于约0.015英寸、小于或等于约0.012英寸、小于或等于约0.010英寸、小于或等于约0.0070英寸、小于或等于约0.0060英寸、小于或等于约0.0050英寸、小于或等于约0.0040英寸、或者小于或等于约0.0020英寸。在一些情况下,纤维网的厚度可以大于约0.0010英寸、大于约0.0020英寸、大于约0.0030英寸、大于约0.0040英寸、大于约0.0050英寸、大于约0.0060英寸、大于约0.0070英寸、大于约0.010英寸、大于约0.015英寸、大于约0.020英寸、或大于约0.030英寸。还可以是以上参考范围的组合(例如,厚度小于或等于约0.016英寸并且大于约0.0060英寸)。还可以是其它范围。如本文所引用的,厚度是根据ASTM D1777标准确定。
在某些实施方案中,本文所述的纤维网的厚度就整个纤维网而言具有相对高的一致性(低变率)。例如,整个纤维网的厚度的变率可以为约6.0标准偏差或更小、约5.5标准偏差或更小、约5.0标准偏差或更小、约4.5标准偏差或更小、约4.0标准偏差或更小、约3.5标准偏差或更小、约3.0标准偏差或更小、约2.5标准偏差或更小、约2.0标准偏差或更小、约1.5标准偏差或更小、约1.0标准偏差或更小、或者约0.5标准偏差或更小。厚度的变率还可以为其他值。厚度的变率可以通过在整个纤维网上进行大量次数的测量取统计来确定。
通常可以根据需要选择纤维网的单位面积重量。在一些实施方案中,纤维网的单位面积重量可以为约1.0g/m2至约200g/m2(例如,约1.0g/m2至约100g/m2、约15g/m2至约200g/m2、或约30g/m2至约200g/m2)。例如,纤维网的单位面积重量可以为约1.0g/m2至约70g/m2、约1.0g/m2至约50g/m2、约3.0g/m2至约30g/m2、或约3.0g/m2至约20g/m2。在一些实施方案中,纤维网的单位面积重量可以大于约1g/m2(例如,大于约10g/m2、大于约15g/m2、大于约25g/m2、大于约30g/m2、大于约50g/m2、大于约75g/m2、大于约100g/m2、大于约125g/m2、大于约150g/m2、大于约175g/m2、或大于约200g/m2)和/或小于约400g/m2(例如,小于约175g/m2、小于约150g/m2、小于约125g/m2、小于约100g/m2、小于约90g/m2、小于约75g/m2、小于约50g/m2、小于约25g/m2、或小于约15g/m2)。还可以是以上参考范围的组合(例如,单位面积重量小于约200g/m2并且大于约30g/m2)。还可以是其它范围。如本文所引用的,单位面积重量根据ASTM D3776确定。
在某些实施方案中,本文所述的纤维网的单位面积重量就整个纤维网而言具有相对高的一致性(低变率)。例如,整个纤维网的单位面积重量 的变率可以为约6.0标准偏差或更小、约5.5标准偏差或更小、约5.0标准偏差或更小、约4.5标准偏差或更小、约4.0标准偏差或更小、约3.5标准偏差或更小、约3.0标准偏差或更小、约2.5标准偏差或更小、约2.0标准偏差或更小、约1.5标准偏差或更小、约1.0标准偏差或更小、或者约0.5标准偏差或更小。单位面积重量的变率还可以为其他值。单位面积重量的变率可以通过在整个纤维网上进行大量次数的测量取统计来确定。
在一些实施方案中,纤维网可以包括多个层(例如,至少2层、至少3层、至少4层、至少5层、至少6层、至少7层、至少8层、至少9层、至少10层、至少12层、至少14层、至少16层、至少18层、或至少20层)。在一些情况下,两层或更多层的相同的组合物(例如,具有相同的纤维类型、纤维尺寸等)可以堆叠在一起以形成在整个网的厚度上具有相对均匀的组合物的更厚的纤维网。在其他情况下,两层或更多层的不同组合物可以堆叠在一起以形成在整个网的厚度上具有不同性质的组合物。堆叠的层可以采用任意合适的方法例如层合和压延可选地附着于另一个上。
层合可以包括,例如,采用平板层压机或任何其他合适的设备在特定的压力和温度下在特定的驻留时间(即,在压力和加热下花费的时间量)内将两层或更多层压缩在一起。例如,压力可以为约30psi至约150psi(例如,约30psi至约90psi、约60psi至约120psi、约30psi至约60psi、或约120psi至约90psi);温度可以为约75°F至400°F(例如,约75°F至约300°F、约200°F至约350°F、或约275°F至约390°F);以及驻留时间为约1秒至约60秒(例如,约1秒至约30秒、约10秒至约25秒、或约20秒至约40秒)。压力、温度和驻留时间还可以为其他范围。
压延可以包括,例如,采用压延辊在特定的线性压力、温度和线速度下将两层或更多层压缩在一起。例如,线性压力可以为约50磅/英寸至约400磅/英寸(例如,约200磅/英寸至约400磅/英寸、约50磅/英寸至约200磅/英寸、或约75磅/英寸至约300磅/英寸);温度可以为约75°F至400°F(例如,约75°F至300°F、约200°F至350°F、或约275°F至390°F);以及线速度可以为约5英尺/分至约100英尺/分(例如,约5英尺/分至约80英尺/分,约10英尺/分至约50英尺/分,约15英尺/分至约100英尺/分,或约20英尺/分至约90英尺/分)。线性压力、温度和线速度还可以为其他范围。
在某些实施方案中,本文所述的纤维网可以具有相对高的表面积。在某些实施方案中,纤维网的表面积可以为约0.1m2/g至约6.0m2/g。例如,纤维网的表面积可以为约0.1m2/g至约6.0m2/g、约0.5m2/g至约6.0m2/g、 约1.0m2/g至约6.0m2/g、约1.3m2/g至约6.0m2/g、约1.5m2/g至约6.0m2/g、约1.7m2/g至约6.0m2/g、约1.8m2/g至约6.0m2/g、约2.0m2/g至约6.0m2/g、或约2.5m2/g至约6.0m2/g。在一些情况下,纤维网的表面积为约1.0m2/g或更大、约1.3m2/g或更大、约1.5m2/g或更大、约1.6m2/g或更大、约1.7m2/g或更大、约1.8m2/g或更大、约1.9m2/g或更大、约2.0m2/g或更大、约2.1m2/g或更大、约2.2m2/g或更大、约2.3m2/g或更大、约2.4m2/g或更大、约2.5m2/g或更大、约2.6m2/g或更大、约2.7m2/g或更大、约2.8m2/g或更大、约2.9m2/g或更大、或者约3.0m2/g或更大。如本文所确定的,表面积是通过使用标准BET表面积测量技术来测量的。BET表面积是根据国际电池理事会标准(“BatteryCouncil International Standard”)BCIS-03A的“推荐电池材料规格阀控式重组电池”(Recommended Battery Materials Specifications Valve Regulated RecombinantBatteries)的第10条来测量的,第10条为“用于重组蓄电池隔板垫的表面积的标准测试方法”(“Standard Test Method for Surface Area of Recombinant Battery SeparatorMat”)。根据这项技术,BET表面积是利用氮气使用BET表面分析仪(例如,麦克双子III 2375表面积分析仪(“Micromeritics Gemini III 2375 Surface Area Analyzer”))吸附分析来测量的;样品量为每3/4″管0.5克至0.6克;以及使样品在75摄氏度下脱气至少3小时。
也可以改变纤维网的平均孔径(平均流体孔径)。在一些实施方案中,纤维网的平均孔径为约1微米至约30微米。例如,平均孔径可以为:约0.1微米至约10微米、约0.1微米至约3微米、约0.1微米至约1微米、约1微米至约20微米、约1微米至约15微米、约5微米至约15微米、约1微米至约10微米、或约5微米至约15微米。在某些实施方案中,平均孔径可以为小于或等于约30微米、小于或等于约25微米、小于或等于约20微米、小于或等于约15微米、小于或等于约10微米、小于或等于约6微米、小于或等于约5微米、小于或等于约3微米、小于或等于约2.5微米、小于或等于约2微米、小于或等于约1.5微米、小于或等于约1.0微米、小于或等于约0.8微米、小于或等于约0.6微米、小于或等于约0.5微米、小于或等于约0.4微米、小于或等于约0.3微米、或者小于或等于约0.2微米。在其他实施方案中,平均孔径可以大于约0.1微米、大于约0.2微米、大于约0.3微米、大于约0.35微米、大于约0.4微米、大于约0.5微米、大于约0.6微米、大于约0.8微米、大于约1微米、大于约2微米、大于约3微米、大于约5微米、大于约10微米、大于约15微米、 大于约20微米、大于约25微米、或者大于约30微米。还可以是以上参考范围的组合(例如,平均孔径小于或等于约1.0微米并且大于约0.3微米)。平均孔径还可以为其它值和范围。如本文所引用的,平均孔径是根据ASTM F-316-80标准方法B,BS6410(例如,利用由Porous Materials公司制造的毛细管流气孔计(Capillary FlowPorometer))来测量的。
在一些实施方案中,可以测量纤维网的泡点。泡点是指纤维网内的最大孔径。在一些实施方案中,纤维网的泡点为约0.1微米至约30微米。例如,泡点可以为约0.1微米至约10微米、约0.1微米至约3微米、约0.1微米至约1微米、约1微米至约20微米、约1微米至约15微米、约1.2微米至约7微米、约1微米至约10微米、或约5微米至约15微米。在某些实施方案中,泡点可以小于或等于约30微米、小于或等于约25微米、小于或等于约20微米、小于或等于约15微米、小于或等于约10微米、小于或等于约7微米、小于或等于约6微米、小于或等于约5微米、小于或等于约3微米、小于或等于约2.5微米、小于或等于约2微米、小于或等于约1.5微米、小于或等于约1.0微米、小于或等于约0.8微米、小于或等于约0.6微米、小于或等于约0.5微米、小于或等于约0.4微米、小于或等于约0.3微米、或者小于或等于约0.2微米。在其他实施方案中,泡点可以大于约0.1微米、大于约0.2微米、大于约0.3微米、大于约0.35微米、大于约0.4微米、大于约0.5微米、大于约0.6微米、大于约0.8微米、大于约1微米、大于约2微米、大于约3微米、大于约5微米、大于约10微米、大于约15微米、大于约20微米、大于约25微米、或大于约30微米。还可以是以上参考范围的组合(例如,泡点小于或等于约1.0微米并且大于约0.3微米)。泡点还可以为其它值和范围。如本文所引用的,泡点是根据ASTM F-316-80标准方法B,BS6410(例如,利用由Porous Materials公司制造的毛细管流气孔计(Capillary Flow Porometer))来测量的。
在一些实施方案中,本文所述的纤维网的泡点与平均孔径具有一定比率。在一些实施方案中,泡点与平均孔径的比率小于或等于约10∶1、小于或等于约8∶1、小于或等于约6∶1、小于或等于约5∶1、小于或等于约4∶1、小于或等于约3∶1、小于或等于约2.5∶1、小于或等于约2∶1、或者小于或等于约1.5∶1。在某些实施方案中,泡点与平均孔径的比率大于或等于约1∶1、大于或等于约1.5∶1、大于或等于约2∶1、大于或等于约2.5∶1、大于或等于约3∶1、大于或等于约4∶1、大于或等于约5∶1、大于或等于约6∶1、大于或等于约8∶1、或者大于或等于约10∶1。还可以是以上参考范围的组 合(例如,比率大于约1∶1并且小于或等于约3∶1)。还可以为其它范围。
在一些实施方案中,可以测量纤维网的密实度。密实度是固体(例如,纤维)占介质的体积分数,因此密实度是每单位质量的固体体积除以每单位质量的介质体积的比值。基于以下等式:密实度(%)=1-孔隙率(%),可以根据纤维网的孔隙率导出密实度。在一些实施方案中,本文所述的纤维网密实度可以为约5%至约70%。例如,密实度可以大于或等于约5%、大于或等于约10%、大于或等于约20%、大于或等于约25%、大于或等于约30%、大于或等于约40%、大于或等于约50%、大于或等于约60%、或者大于或等于约70%。在一些实施方案中,纤维网的密实度可以小于约70%、小于约60%、小于约55%、小于约50%、小于约40%、小于约30%、小于约20%、或小于约10%。还可以是以上参考范围的组合(例如,密实度大于或等于约25%并且小于约55%)。密实度还可以为其它值和范围。如本文所引用的,密实度通过以下公式表示:单位面积重量/(块体纤维密度×厚度)。
通常,纤维网由一种或更多种聚合物形成。示例性聚合物包括聚烯烃(例如,聚丙烯)、聚酯(例如,聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯)、聚酰胺(例如,尼龙)、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚氨酯(例如,热塑性聚氨酯)。可选地,所述聚合物可以包含氟原子。这种聚合物的实例包括PVDF和PTFE。可以使用的具体聚合物的实例包括:由LyondellBasell制造的聚丙烯(MF650Y)、由Total Petrochemicals制造的聚丙烯(3962)、由Exxon制造的聚丙烯(PP3546G和ACHV6936G1Metocene PP)、由Borealis制造的聚丙烯(HL512FB)、由Ticona制造的聚酯(PBT)(HB85151M1 CX2008)、以及由BASF制造的尼龙(Ultramid B3SQ661)。还可以使用其他适合用于挤出工艺的聚合物。
在一些实施方案中,纤维网包含一种或更多种添加剂,例如接合剂、润滑剂、增滑剂、表面活性剂、偶联剂、交联剂以及其他添加剂。在某些情况下,可以使用一种或更多种添加剂以减少或消除在纤维网上或纤维网中形成的聚合物颗粒的数目。
通常,纤维网包括小重量百分比的添加剂。例如,纤维网可以包括小于约10%、小于约8%、小于约6%、小于约5%、或小于约4%的添加剂。在一些情况下,纤维网可以包括约1%至约10%、约1%至约8%、约1%至约5%、或约1%至约2.5%的添加剂。在某些实施方案中,纤维网可以包括小于约5%、小于约3%、小于约2%、或小于约1%的以下所 述的脂肪酸添加剂。在一些实施方案中,在聚合物材料为熔融(例如,熔化)状态时可以向用于形成纤维的聚合物材料添加添加剂。在其他实施方案中,在纤维形成之后用添加剂涂覆纤维。
在一些实施方案中,纤维网可以包括脂质形式的添加剂(例如,增滑剂或其他类型的添加剂)。在一些情况下,添加剂包括脂肪酸(例如,饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸、单不饱和脂肪酸、多不饱和脂肪酸)。在某些实施方案中,脂肪酸包括酰胺基(例如,脂肪酸酰胺)。脂肪酸酰胺的非限制性实例包括:硬脂酰胺、山嵛酸酰胺、芥酸酰胺、N-(2-羟乙基)芥酸酰胺(N-(2-hdriethyl)erucamide)、月桂酰胺、N,N′-亚乙基双油酸酰胺、N,N′-亚乙基双硬脂酰胺、油酸酰胺、油基棕榈酰胺、硬质芥酸酰胺、牛脂酰胺、花生四烯酸乙醇酰胺(arachidonylethanolamide),N-花生四烯酸马来酰亚胺(N-arachidonylmaleimide)、它们的混合物以及它们的衍生物。
可以使用的具体添加剂的实例包括由Standridge Color公司提供的供应商部件号22686的添加剂和由Standridge Color公司提供的供应商部件号10SAM1044的添加剂。
在某些实施方案中,添加剂为具有Cn(碳)链的脂肪酸形式,其中n为整数。在一些情况下,n为2或更大、4或更大、6或更大、8或更大、10或更大、12或更大、14或更大、16或更大、18或更大、20或更大、22或更大、24或更大、26或更大、28或更大、30或更大、32或更大、34或更大、36或更大、38或更大、或者40或更大。在其他情况下,n小于或等于50、小于或等于45、小于或等于40、小于或等于35、小于或等于40、小于或等于35、小于或等于30、小于或等于25、小于或等于20、小于或等于15、小于或等于10、或者小于或等于5。
本文所述的纤维网可以具有各种性能特征。在一些情况下,纤维网具有使它们成为适合用作过滤介质的性能特征。
在一些实施方案中,本文所述的用于形成熔喷纤维的方法可以导致具有相对低的透气率的纤维网。例如,纤维网的透气率可以小于约1800立方英尺/分/平方英尺(CFM)、小于约1500CFM、小于约1300CFM、小于约1000CFM、小于约900CFM、小于约800CFM、小于约750CFM、小于约700CFM、小于约600CFM、小于约500CFM、小于约400CFM、小于约300CFM、小于约200CFM、小于约100CFM、小于约50CFM、小于约45CFM、小于约40CFM、小于约35CFM、小于约30CFM、小于约25CFM、小于约20CFM、小于约15CFM、小于约10CFM、或小 于约5CFM。在一些实施方案中,透气率可以大于约1CFM、大于约2CFM、大于约5CFM、大于约10CFM、大于约15CFM、大于约20CFM、大于约25CFM、大于约30CFM、大于约40CFM、大于约50CFM、大于约75CFM、大于约100CFM、大于约200CFM、大于约500CFM、大于约1000CFM、大于约1300CFM、大于约1500CFM。通常,纤维网的透气率可以在约2CFM至约1800CFM的范围内(例如,约10CFM至约1800CFM、约10CFM至约1500CFM、约10CFM至约1000CFM、约10CFM至约750CFM、约40CFM至约750CFM、约10CFM至约600CFM、约10CFM至约500CFM、约10CFM至约400CFM、约10CFM至约300CFM、约10CFM至约200CFM、约10CFM至约100CFM、或约10CFM至约50CFM)。还可以是以上参考范围的组合(例如,透气率大于约2CFM并且小于约35CFM)。还可以为其它范围。如本文所引用的,透气率根据ASTM D737-75标准测量。透气率可以在12.5mm H2O柱的压力下(例如,相对低的渗透率测量值)或在250mm H2O柱的压力下测量(例如,相对高的渗透率测量值)。除非另外指出,本文所述的用于透气率的值是在250mm H2O柱的压力下测量的。
本文所述的纤维网可以具有不同范围的NaCl颗粒过滤效率。NaCl颗粒过滤效率为[1-(C/C0)]*100%,其中C为通过纤维网之后的NaCl颗粒的浓度,并且C0为通过纤维网之前的NaCl颗粒的浓度。为了测量NaCl颗粒的过滤效率,通过装有氯化钠发生器的由TSI公司的自动化过滤器测试装置TSI 8130CertiTest(TM),100cm2表面积的纤维网可以用具有如下性质的NaCl(氯化钠)颗粒来测试:质量平均直径为0.26微米、几何标准偏差小于1.83、浓度为15mg/cm3至20mg/cm3、以及面速度为5.3cm/s。该仪器测量整个纤维网的压降(例如,气流阻力)和在流速小于或等于115升每分(lpm)的瞬时基础上所得的渗透值。瞬时读数可以被定义为1压降/渗透测量值。该测试描述在ASTM D2 986-91中。
本文所述的纤维网的NaCl颗粒过滤效率可以为约0.0001%至约99.97%。例如,NaCl颗粒过滤效率可以为约0.001%至约99.97%、约0.01%至约99.97%、约0.1%至约99.97%、约1%至约99.97%、约10.0%至约99.97%、约40.0%至约99.97%、约60.0%至约99.97%、或约85.0%至约99.97%。在一些情况下,NaCl颗粒过滤效率大于约10.0%、大于约20.0%、大于约30.0%、大于约40.0%、大于约50.0%、大于约60.0%、大于约70.0%、大于约80.0%、大于约90.0%、大于约95.0%、大于约97.0%、大于约98.0%、大于约99.0%、大于约99.5%、大于约99.9%、 或大于约99.97%。NaCl颗粒过滤效率还可以为其他范围和值。
在一些情况下,本文所述的纤维网的气流阻力可以为约0.1mm H2O至约50.0mmH2O。例如,气流阻力可以为约0.1mm H2O至约40.0mm H2O、约0.1mm H2O至约30.0mm H2O、约0.1mm H2O至约20.0mm H2O、约0.1mm H2O至约10.0mm H2O、约0.3mm H2O至约5.0mm H2O、约0.3mm H2O至约3.5mm H2O、约0.3mm H2O至约3.0mm H2O、约0.1mm H2O至约2.5mm H2O、或约0.1mm H2O至约2.0mm H2O。在一些情况下,纤维网的气流阻力小于约50.0mm H2O、小于约40.0mm H2O、小于约30.0mm H2O、小于约20.0mm H2O、小于约10.0mm H2O、小于约5.0mm H2O、或小于约2.5mm H2O。在其他情况下,纤维网的气流阻力为:大于约1.0mm H2O、大于约2.5mmH2O、大于约5.0mm H2O、大于约10.0mm H2O、大于约20.0mm H2O、大于约30.0mm H2O、或大于约40.0mm H2O。气流阻力还可以为其他范围和值。如本文所使用的,气流阻力根据如上所述的ASTM D2 986-91标准测量。
在一些实施方案中,本文所述的纤维网可以具有如在去离子水中测量的优良的流体性能(例如,水通量、透水率)和在含水的二氧化硅分散体中测量的优良的流体性能(例如,渗透浊度、在二氧化硅分散体中的初始渗透通量和/或最终渗透通量)。渗透是指通过介质的任意量的经过滤的水。
如本文所使用的,水的流量是通过在20psi的压力下使去离子水穿过纤维网直至收集到1000ml的渗透物来测量的。在收集到1000ml的渗透物的情况下确定流量。水通量是通过用流量(ml/min)除以纤维网的样品的有效面积(cm2)(即,暴露于流体流的面积)来计算的并且以ml/min·cm2来表示。在一些实施方案中,本文所述的纤维网的水通量可以为约5ml/min·cm2至约200ml/min·cm2。例如,水通量可以大于或等于约5ml/min·cm2、大于或等于约10ml/min·cm2、大于或等于约20ml/min·cm2、大于或等于约30ml/min·cm2、大于或等于约40ml/min·cm2、大于或等于约50ml/min·cm2、大于或等于约60ml/min·cm2、大于或等于约70ml/min·cm2、大于或等于约80ml/min·cm2、大于或等于约90ml/min·cm2、大于或等于约100ml/min·cm2、大于或等于约125ml/min·cm2、大于或等于约150ml/min·cm2、或者大于或等于约175ml/min·cm2。在一些实施方案中,纤维网的水通量可以小于约200ml/min·cm2、小于约175ml/min·cm2、小于约150ml/min·cm2、小于约125ml/min·cm2、小于约100ml/min·cm2、小于约90ml/min·cm2、小于约80ml/min·cm2、小于约70 ml/min·cm2、小于约60ml/min·cm2、小于约50ml/min·cm2、小于约40ml/min·cm2、小于约30ml/min·cm2、小于约20ml/min·cm2、或小于约10ml/min·cm2。还可以是以上参考范围的组合(例如,水通量大于约10ml/min·cm2并且小于约60ml/min·cm2)。还可以是其它范围。
透水率是通过用水通量除以用于确定流量所施加的压力(例如,20psi)来确定的,并且以ml/min·cm2·psi来表示。在一些实施方案中,本文所述的纤维网的透水率为约0.1ml/min·cm2·psi至10.0ml/min·cm2·psi。例如,透水率可以大于或等于约0.1ml/min·cm2·psi、大于或等于约0.2ml/min·cm2·psi、大于或等于约0.5ml/min·cm2·psi、大于或等于约1.0ml/min·cm2·psi、大于或等于约2.0ml/min·cm2·psi、大于或等于约3.0ml/min·cm2·psi、大于或等于约5.0ml/min·cm2·psi、大于或等于约7.0ml/min·cm2·psi、或者大于或等于约10.0ml/min·cm2·psi。在一些实施方案中,透水率可以小于或等于约10.0ml/min·cm2·psi、小于或等于约7.0ml/min·cm2·psi、小于或等于约6.0ml/min·cm2·psi、小于或等于约4.0ml/min·cm2·psi、小于或等于约2.0ml/min·cm2·psi、小于或等于约1.0ml/min·cm2·psi、或者小于或等于约0.5ml/min·cm2·psi。还可以为以上参考范围的组合(例如,透水率大于或等于0.5ml/min·cm2·psi并且小于约3.0ml/min·cm2·psi)。还可以为其它范围。
在一些实施方案中,可以测量初始渗透通量。如本文所使用的,初始渗透通量是通过在30psi的压力下将含水二氧化硅悬浮液穿过纤维网直至收集到50ml的渗透物来确定的。初始渗透通量是通过用悬浮液的流量(ml/min)除以纤维网的样品的有效面积(cm2)(即,暴露于流体流的面积)来计算的,并且以ml/min·cm2来表示。在收集了50ml的渗透物的情况下确定流量。
在一些实施方案中,可以测量最终渗透通量。最终渗透通量是通过在30psi的压力下将含水二氧化硅悬浮液穿过纤维网直至收集到50ml的渗透物来确定的。最终渗透通量是通过用悬浮液的流量(ml/min)除以纤维网的样品的有效面积(cm2)(即,暴露于流体流的面积)来计算的,并且以ml/min·cm2来表示。在收集了500ml的渗透物的情况下确定流量。
在用于初始渗透通量和最终渗透通量的这样的测试条件下,该通量逐渐减小直至50ml(初始渗透通量)或500ml(最终渗透通量)的含水二氧化硅悬浮液穿过过滤器之后过滤过程停止为止。发生通量减少-或“通量下降”(从初始渗透通量至最终渗透通量的通量减少的量度)-反映了过滤器介质被二氧化硅颗粒的逐渐堵塞。初始通量反映了在堵塞有限(收集的渗透物只有50ml)的情况下过滤器的过滤性能,并且它的值有时候与去离子水通量的值匹配。最终通量反映了在形成块状物并且保留机制通过纤维网和堵塞层二者控制的条件下过滤器的过滤性能。
通过将ISO 12103-1-A2的二氧化硅精细试验粉尘(例如,由Powder Technology制造的)以1500ppm的浓度分散在去离子水中来制备用于确定初始渗透通量和最终渗透通量的含水二氧化硅悬浮液。ISO 12103-1-A2的二氧化硅精细试验粉尘的估计平均颗粒尺寸为8.7微米,并且全部颗粒尺寸分布在约0.7微米至约84微米的范围内。
在一些实施方案中,本文所述的纤维网的初始渗透通量为约5ml/min·cm2至约200ml/min·cm2。例如,初始渗透通量可以大于或等于约5ml/min·cm2、大于或等于约10ml/min·cm2、大于或等于约20ml/min·cm2、大于或等于约30ml/min·cm2、大于或等于约40ml/min·cm2、大于或等于约50ml/min·cm2、大于或等于约60ml/min·cm2、大于或等于约70ml/min·cm2、大于或等于约80ml/min·cm2、大于或等于约90ml/min·cm2、大于或等于约100ml/min·cm2、大于或等于约125ml/min·cm2、大于或等于约150ml/min·cm2、或大于或等于约175ml/min·cm2。在一些实施方案中,纤维网的初始渗透通量可以小于约200ml/min·cm2、小于约175ml/min·cm2、小于约150ml/min·cm2、小于约125ml/min·cm2、小于约100ml/min·cm2、小于约90ml/min·cm2、小于约80ml/min·cm2、小于约70ml/min·cm2、小于约60ml/min·cm2、小于约50ml/min·cm2、小于约40ml/min·cm2、小于约30ml/min·cm2、小于约20ml/min·cm2、或小于约10ml/min·cm2。还可以是以上参考范围的组合(例如,初始渗透通量大于约5ml/min·cm2并且小于约60ml/min·cm2)。还可以是其它范围。
在一些实施方案中,本文所述的纤维网的最终渗透通量为约1.5ml/min·cm2至约150ml/min·cm2。例如,最终渗透通量可以大于或等于约1.5ml/min·cm2、大于或等于约2ml/min·cm2、大于或等于约5ml/min·cm2、大于或等于约10ml/min·cm2、大于或等于约20ml/min·cm2、大于或等于约30ml/min·cm2、大于或等于约40ml/min·cm2、大于或等于约50ml/min·cm2、大于或等于约60ml/min·cm2、大于或等于约70ml/min·cm2、大于或等于约80ml/min·cm2、大于或等于约90ml/min·cm2、大于或等于约100ml/min·cm2、或者大于或等于约125ml/min·cm2。在一些实施方案中,纤维网的最终渗透通量可以小于约150ml/min·cm2、小于约125ml/min·cm2、小于约100ml/min·cm2、小于约90ml/min·cm2、小于约80 ml/min·cm2、小于约70ml/min·cm2、小于约60ml/min·cm2、小于约50ml/min·cm2、小于约40ml/min·cm2、小于约30ml/min·cm2、小于约20ml/min·cm2、小于约10ml/min·cm2、或小于约5ml/min·cm2。还可以是以上参考范围的组合(例如,最终渗透通量大于约2ml/min·cm2并且小于约30ml/min·cm2)。还可以是其它范围。
在一些实施方案中,可以测量穿过纤维网的渗透物的浊度。浊度是指由分散在溶液中的小颗粒的存在引起的流体的混浊。通常,较低的渗透物的浊度反映了纤维网的更大的保留能力。如本文所使用的,渗透物浊度是通过将如上述制备(即1500ppm二氧化硅)的含水二氧化硅悬浮液穿过纤维网直至收集了50ml渗透物为止并且测量所收集渗透物的浊度来确定的。
浊度可以用比浊计或浊度计来测量,比浊计或浊度计检测小颗粒在暴露于光束的情况下其所散射的光量。比浊法浊度单位(NTU)测量值是通过将由液体介质散射的光与由已知浓度的福尔马肼(Formazin)聚合物散射的光联系起来而获得的。这个测量单位被认为含水样品的光学透明度的量度。可以被用于测量浊度的浊度计的一个实例是由HFScientific公司制造的模型Micro TPI/TPW。这种仪器建立为符合在ISO 7027和DIN27027中规定的设计标准并且满足标准美国EPA 180.1对浊度测量规定的标准。
在一些实施方案中,穿过纤维网的脏水溶液的渗透浊度可以为约0.1NTU至约12.0NTU。在某些实施方案中,纤维网的渗透浊度可以小于或等于约12.0NTU、小于或等于约10.0NTU、小于或等于约8.0NTU、小于或等于约6.0NTU、小于或等于约5.0NTU、小于或等于约4.5NTU、小于或等于约4.0NTU、小于或等于约3.5NTU、小于或等于约3.0NTU、小于或等于约2.5NTU、小于或等于约2.0NTU、小于或等于约1.5NTU、小于或等于约1.0NTU、小于或等于约0.8NTU、小于或等于约0.6NTU、小于或等于约0.4NTU、小于或等于约0.2NTU、或者小于或等于约0.1NTU。在一些实施方案中,渗透浊度可以大于或等于约0.1NTU、大于或等于约0.5NTU、大于或等于约0.7NTU、大于或等于约1.0NTU、大于或等于约1.5NTU、大于或等于约2.0NTU、大于或等于约3.0NTU、大于或等于约5.0NTU、大于或等于约6.0NTU、大于或等于约8.0NTU、或者大于或等于约10.0NTU。还可以是以上参考范围的组合(例如,渗透浊度小于或等于约2.5NTU并且大于约0.1NTU)。还可以是其它范围。
在一些实施方案中,本文所述的纤维网或过滤介质与特定的绝对微米 额定值(absolute micron rating)相关。如本文所使用的,纤维网或过滤介质的绝对微米额定值是指将穿过网或介质的最大的球状颗粒的直径。超出这个分界点,网或介质将会俘获任意较大的颗粒。纤维网或过滤介质的绝对微米额定值可以在实验室条件下通过确定如本文所述的纤维网的过滤效率进行测量。在一些实施方案中,本文所述的过滤介质的绝对微米额定值可以为约0.1微米、约0.15微米、约0.2微米、约0.25微米、约0.3微米、约0.35微米、约0.4微米、约0.45微米、约0.5微米、约0.55微米、约0.6微米、约0.65微米、约0.7微米、约0.75微米、约0.8微米、约0.85微米、约0.9微米、约0.95微米、或者约1.0微米。纤维网的绝对微米额定值还可以在上述值之间(例如,绝对微米额定值为约0.3微米至约0.5微米、约0.35微米至约0.6微米)。绝对微米值还可以为其他值和范围。
应当理解的是,具有上述特点和性能特征的值和范围的本文所述的纤维网可以使用上述参数的不同组合以控制挤出工艺期间的纤维形成而形成。例如,在一些实施方案中,涉及使用于形成纤维的聚合物材料经历小于约85分钟的停留时间并且使用内径为4英寸或更小的挤出机料筒的方法可能导致小直径(例如,平均直径为约1.0微米或更小、约0.8微米或更小、或者约0.6微米或更小)的纤维、相对高的表面积(例如,约1.8m2/g或更大、约2.0m2/g或更大、或者约2.2m2/g或更大)的纤维、和/或相对低量的聚合物降解(例如,聚合物颗粒的表面密度小于约5.0颗粒/平方英寸、小于约3.0颗粒/平方英寸、小于约2.0颗粒/平方英寸、小于约1.6颗粒/平方英寸、小于约1.0颗粒/平方英寸、或小于约0.8颗粒/平方英寸、小于约0.5颗粒/平方英寸、或小于约0.3颗粒/平方英寸,其中每个颗粒的最大截面尺寸为1.0mm或更大)的纤维。在其他实施方案中,涉及将用于形成纤维的聚合物材料经历体积小于约25000cm3、小于约15000cm3、或小于约9000cm3的加工空间的形成纤维的方法可能导致具有这些特征的纤维和/或纤维网。
在某些实施方案中,本文所述的纤维网可以可选地利用粘合剂与一个或更多个其他的部件(例如,基底和/或稀松布(scrim))相结合。基底、稀松布和粘合剂的实例在于2008年11月7日提交的并且标题为“Meltblown Filter Medium”的美国公开第2009/0120048号中描述,其全部内容通过引用合并入本文以用于所有目的。
在一些情况下,可以对纤维网或包括纤维网的复合材料进行充电。通常可以使用任意的各种技术来对纤维网和/或包括纤维网的复合材料进行 充电以形成驻极体网。实例包括AC和/或DC电晕放电。在一些实施方案中,复合材料经历至少1kV/cm(例如,至少5kV/cm、至少10kV/cm)和/或至多30kV/cm(例如,至多25kV/cm、至多20kV/cm)的放电。例如,在某些实施方案中,复合材料可以经历1kV/cm至30kV/cm(例如,5kV/cm至25kV/cm、10kV/cm至20kV/cm)的放电。例如在美国专利第5401446号中公开了示例性方法,在其与本公开内容不矛盾的程度上,通过引用将其并入本文。
在一些实施方案中,本文所述的纤维网可以为过滤元件的一部分。过滤元件的实例包括燃气轮机过滤元件、重载空气过滤元件、机动车空气过滤元件、HVAC空气过滤元件、HEPA过滤元件、真空袋式过滤元件、燃料过滤元件和油过滤元件。这些过滤元件可以并入相应的过滤系统(燃气轮机过滤系统、重载空气过滤系统、机动车空气过滤系统、HVAC空气过滤系统、HEPA过滤系统、真空袋式过滤系统、燃料过滤系统和油过滤系统)中。真空袋式过滤系统通常在家用真空吸尘器中使用。在这样的实施方案中,过滤介质可以可选地通过用熔喷材料涂覆纸来制备。在某些实施方案中,过滤介质可以用湿法成网产品或干法成网产品(例如,纤维素、聚合物、玻璃)来制备。过滤介质可以可选地打褶成多种构造(例如,面板、圆柱形)中的任意构造。过滤介质的实例更详细地描述在于2008年11月7日提交的并且标题为“Meltblown Filter Medium”的美国公开第2009/0120048号中,其全部内容通过引用合并入本文以用于所有目的。
下面的实施例是示例性的并且不旨在限制。
实施例1至实施例10
实施例1至实施例10示出了根据本文所述的某些实施方案可以改变挤出工艺的各种工艺参数以形成具有的小纤维直径、高表面积、低透气率、和/或低聚合物降解水平的纤维网。
总共进行了80个实验,其中利用类似于图1中所示的工艺同时改变各种工艺条件(包括:挤出机料筒内径、模头主体温度和聚合物通过量)利用聚丙烯纤维或聚酯(聚对苯二甲酸丁二醇酯)纤维形成不同的纤维网。测量所得的纤维网的性能特征和物理特性(包括:透气率、聚合物降解水平(例如,颗粒的表面密度)、表面积和纤维尺寸),并且这些值被编译并输入到模拟软件,建立了这些特性的数学模型。精炼(通过减少)模型直至获得组合效果获得可接受的统计计量。确定用于每个性能特征和物理特性的响应计算。
然后将所得的、非编码的数学模型放入Excel电子表格,其中利用简单的数学方程函数来呈现使用不同的加工条件(例如,改变挤出机料筒内径、模头主体温度和聚合物通过量的值)可以产生的纤维网的预测物理性质值。计算的结果在表1至表3中示出。
对于示出在表1至表3中的每个实施例,使用以下加工条件:挤出机温度分布(上升)为300°F、325°F、350°F、375°F、400°F、425°F、450°F;与模头主体温度相同的加工空气温度;加工空气设置为3150磅/时;模头至收集器的距离为8.0英寸;淬火空气速度为225磅/时;以及真空水平为17500立方英尺。
表1
*所述颗粒是指具有1.0mm或更大的最大截面尺寸的颗粒。
实施例1至实施例3示出了通过减小挤出机料筒内径、挤出机料筒长度和管道直径并且增加聚合物通过量,可以减少聚合物在加工空间中的停留时间。与停留时间相对更长的比较例1相比,通过在这样的条件下加工产生的在纤维网中降解聚合物的颗粒的表面密度将会降低。实施例1至实施例3还示出了通过减小加工空间的体积(例如,通过减小挤出机料筒长度和管道直径),可以使用相对高的通过量并且可以用来形成具有与通过比较例1中所示的加工条件(例如,较低的通过量而较高的加工空间体积) 形成的介质相似的性能特征(例如,透气率)的纤维介质。较高的通过量可以导致较低的制造成本。
表2
*所述颗粒是指具有1.0mm或更大的最大截面尺寸的颗粒。
实施例4至实施例7示出了通过减小挤出机料筒内径、挤出机料筒长度和管道直径,可以减少聚合物在加工空间中的停留时间。与停留时间相对较长的比较例2相比,通过在这样的条件下加工产生的在纤维网中的降解聚合物的颗粒的表面密度将会降低。在实施例4至实施例7中示出的加工条件还可以导致具有较低透气率和较高表面积的纤维网。还可以产生较小的纤维直径(实施例7)。
表3
*所述颗粒是指具有1.0mm或更大的最大截面尺寸的颗粒。
实施例8至实施例10示出了通过减小挤出机料筒内径、挤出机料筒长度和管道直径,可以减少聚合物在加工空间中的停留时间。与停留时间相对较长的比较例2相比,通过在这样的条件下加工产生的在纤维网中的降解聚合物的颗粒的表面密度将会降低。在实施例8至实施例10中示出的加工条件还可以导致具有较低透气率、较高表面积和较小的纤维直径的纤维网。
实施例11至实施例13
实施例11至实施例12示出使用本文所述的挤出工艺可以形成具有小纤维直径的纤维网,并且通过这种方法形成的多个纤维网可以被堆叠以形成单一的更厚的纤维网。
在实施例11中,使用1.5英寸直径的挤出机加工聚丙烯树脂,并且形成平均纤维尺寸为500nm(S1)的熔喷网(即,基层)。基层的八个手抄纸堆叠在另一个的顶部并且在90psi、275华氏度下用平板层压机压缩24秒(S2)的驻留时间。基层的十个手抄纸也堆叠在另一个的顶部并且用平板层压机在90psi、275华氏度下压缩24秒(S3)的驻留时间。这些网的特性汇总在表4中。
表4-实施例11
*在250mm水柱的压力下的测量值**在12.5mm水柱的压力下的测量值
在实施例12中,使用1.5英寸直径的挤出机加工聚丙烯树脂,并且形成具有500nm的平均纤维尺寸的熔喷网(即,基层)。在样品S4中,基层的四个手抄纸堆叠在彼此的顶部并且在90磅/英寸的线性压力、140华氏度和30fpm的线速度下在压延辊之间压缩。这些网的特性汇总在表5中。
表5-实施例12
*在12.5mm水柱下测量的透气率
对用于表4和表5中所述的纤维网的液体过滤性能特征进行测定。
使用具有被切成直径为47mm的圆形片的纤维网进行所有液体过滤测量。切割纤维网被放入具有使纤维网的有效面积减少至12.5cm2的O环形的保持器中。最初是通过将网浸泡在异丙醇/水为70/30v/v的混合物中一分钟来浸湿纤维网。然后将网浸泡在去离子水中一分钟以用水交换异丙醇。然后将纤维网在去离子水中漂洗1分钟。然后将纤维网放入过滤单元(直径为47mm的成一排的不锈钢过滤保持器)同时仍用水一直充分浸湿纤维网。
通过在20psi的压力下使去离子水穿过纤维网直至收集500ml的渗透物时测量水通量。通过用流量(ml/min)除以纤维网的有效面积(12.5cm2)来计算水通量。表6示出了用于表4和表5中所述的纤维网的水通量和透水率的测量值。
表6
表7示出了初始渗透通量、最终渗透通量、通量下降、以及含水二氧化硅分散体(过滤前的浊度为1040NTU)穿过表4和表5所述的纤维网之后所测量的渗透浊度。通过以1500ppm的浓度将ISO 12103-1-A2二氧化硅精细测试灰尘(由Powder Technology制造的)分散在去离子水中制备的含水二氧化硅分散体在30psi的压力下穿过每个纤维网直至收集到50ml的渗透物(初始渗透通量)或直至收集到500ml的渗透物(最终渗透通量)。所收集的渗透物被用于使用按美国EPA标准180.1规格的浊度计(型号微TPI/TPW,由HF Scientific公司制造,这是建立以符合ISO7027和DIN 27027中的设计标准规定)测量浊度。
表7
*所有的通量测量都是在30psi下进行的
如表6和表7中所示,每个样品S2、样品S3和样品S4具有相对高的透水率,这意味着纤维网在整个网上具有相对低的阻力。在过滤1500ppm的含水二氧化硅分散体的情况下,各样品还具有相对低的渗透浊度测量值,表明该纤维网具有相对大的保持特性。此外,当过滤1500ppm 的含水二氧化硅分散体时,每个纤维网具有相对较低的最终渗透通量测量值,表明该纤维网具有相对较低的堵塞倾向。
实施例13
对若干纤维网样品的表面积进行测量。样品S5包括在275°F的温度、60psi的压力和24秒的停留时间下使用平板层压机将两个S1样品(如实施例11中所述)压缩在一起。样品S6包括在相同的条件下使用平板层压机压缩在一起的三个S1样品。
样品NB1包括平均纤维直径为1微米的纤维。样品NB2包括被压缩在一起的两个NB1样品。样品NB3包括被压缩在一起的三个NB1样品。
样品MB1包括平均纤维直径为2.5微米的纤维。样品MB2包括被压缩在一起的两个MB1样品。样品MB3包括被压缩在一起的三个MB1样品。
结果在表8中示出。
表8
样品ID 表面积(m2/g) 压缩设置
S1-纤维尺寸:0.5微米 3.0 未压缩
S5(2xS1压缩的) 2.7 平板层压机:275°F-60psi-24秒
S6(3xS1压缩的) 2.7 平板层压机:275°F-60psi-24秒
NB1-纤维尺寸:1微米 1.7 未压缩
NB2(2xNB1压缩的) 1.6 平板层压机:275°F-60psi-24秒
NB3(3xNB1压缩的) 1.55 平板层压机:275°F-60psi-24秒
MB1-纤维尺寸2.5微米 1.0 未压缩
MB2(2xMB1压缩的) 0.95 平板层压机:275°F-60psi-24秒
MB3(3xMB1压缩的) 0.9 平板层压机:275°F-60psi-24秒
如此描述了本发明的至少一个实施方案的几个方面之后,应当理解的是对于本领域的技术人员很容易想到各种变化、修改和改进。这种变化、修改和改进旨在成为本公开内容的一部分,并且旨在本发明的精神和范围之内。因此,前面的描述和附图仅为示例的方式。

Claims (29)

1.一种纤维网,包括:
多根熔喷纤维,所述多根熔喷纤维的平均纤维直径为0.1微米至1.5微米,其中所述纤维网具有:
大于0.1微米并且小于2.0微米的平均孔径;
大于0.2ml/min·cm2·psi的透水率,其中确定所述透水率包括:在20psi的压力下使去离子水穿过所述纤维网直至收集到1000ml的渗透物;
小于8NTU的渗透浊度,其中确定所述渗透浊度包括:使以1500ppm的浓度将ISO 12103-1-A2二氧化硅精细测试灰尘分散在去离子水中的分散体在30psi的压力下穿过所述纤维网直至收集到50ml的渗透物,和测量所收集的渗透物的浊度;
15g/m2至200g/m2的单位面积重量;以及
0.002英寸至0.02英寸的厚度。
2.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的表面积大于1.5m2/g。
3.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的单位面积重量为30g/m2至200g/m2
4.根据权利要求1所述的纤维网,其中,所述纤维网的整个纤维网的单位面积重量的一致性为3.0标准偏差或更小。
5.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的厚度为0.006英寸至0.016英寸。
6.根据权利要求1所述的纤维网,其中,所述纤维网的整个纤维网的厚度的一致性为3.0标准偏差或更小。
7.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述多根熔喷纤维的平均纤维直径小于1.0微米。
8.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述多根熔喷纤维的平均纤维直径小于0.6微米。
9.根据权利要求1所述的纤维网,包括大于或等于10%并且小于70%的密实度。
10.根据权利要求1所述的纤维网,包括大于或等于25%并且小于55%的密实度。
11.根据权利要求1所述的纤维网,包括大于0.2微米并且小于1.5微米的平均孔径。
12.根据权利要求1所述的纤维网,包括大于0.3微米并且小于1.0微米的平均孔径。
13.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的透气率大于2CFM并且小于35CFM。
14.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的透气率大于2CFM并且小于25CFM。
15.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的透水率大于0.2ml/min·cm2·psi并且小于4ml/min·cm2·psi。
16.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的初始渗透通量大于5ml/min·cm2并且小于200ml/min·cm2
17.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的初始渗透通量大于5ml/min·cm2并且小于60ml/min·cm2
18.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的最终渗透通量大于1.5ml/min·cm2并且小于100ml/min·cm2
19.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的最终渗透通量大于2ml/min·cm2并且小于30ml/min·cm2
20.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的渗透浊度小于5NTU。
21.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的渗透浊度小于2.5NTU。
22.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网是通过堆叠两层或更多层的所述多根熔喷纤维形成的。
23.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网是通过层合两层或更多层的所述多根熔喷纤维形成的。
24.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网是通过使两层或更多层的所述多根熔喷纤维经历压延过程形成的。
25.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的泡点与平均孔径的比率小于3∶1。
26.根据权利要求1所述的纤维网,其中所述纤维网的泡点为1.5微米至20微米,其中所述泡点根据ASTM F-316-80标准方法B,BS6410测量。
27.根据权利要求1所述的纤维网,包括两层或更多层的相同的组合物。
28.一种过滤元件,包括权利要求1所述的纤维网。
29.一种过滤方法,包括使液体穿过权利要求1所述的纤维网。
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