CN107405552A - 包括直接形成在导电层上的纳米纤维层的复合过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种纳米纤维层的复合过滤介质，所述纳米纤维层包括使用溶液纺丝工艺来使纳米纤维直接形成在导电层上的由非极性、非导电的热塑性聚合物形成的纳米纤维；以及用于制造此类介质的相关方法。所述导电层包括至少约大于约5wt.％的导电纤维、Z方向导电性和至少约10‑7微西门子的均匀表面导电性。

Description

包括直接形成在导电层上的纳米纤维层的复合过滤介质
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年3月6日提交的美国临时申请号62/129,612的权益，所述临时申请以引用的方式整体并入本文。
领域
总体上描述了一种用于从流体中除去微粒的复合过滤介质。具体地说，所述复合过滤介质包括直接形成在导电层上的纳米纤维层。
背景
微纤维(即具有小于约1微米(1000纳米)的直径的纤维)网在本领域中熟知用于制备高效空气过滤介质。用于形成此类“纳米纤维”的一种已知方法是在聚合物溶液流上使用静电放电工艺，通常称为静电纺丝。虽然纳米纤维的较高负载易于产生更高效率的介质，但收集的纤维网中积聚的电荷可能导致对可以这种方式收集的纤维数目的限制，因此限制可能的过滤效率的范围。
具体地，典型的静电纺丝工艺通过将高静电场施加到一个或多个流体填充的喷雾尖端或纺丝尖端(即，喷嘴或喷丝头)而使纳米纤维纺丝或使它们喷雾为液滴。高静电场通常(至少在使用相对导电的流体时)在喷射纤维或液滴的每个尖端开口处产生泰勒锥体。喷雾的液滴或纺丝纤维可被收集在目标衬底上或筛网上。高压电源在纺丝尖端(通常处于高电压下)与目标衬底(通常接地)之间提供静电电位差(且因此提供静电场)。已经公开了静电纺丝的许多综述，包括：(i)Huang等，“A review on polymer nanofibers byelectrospinning and their applications in nanocomposites，”Composites Scienceand Technology，第63卷，第2223-2253页(2003)；(ii)Li等，“Electrospinning ofnanofibers：reinventing the wheel？”，Advanced Materials，第16卷，第1151-1170页(2004)；(iii)Subbiath等，“Electrospinning of nanofibers，”Journal of AppliedPolymer Science，第96卷，第557-569页(2005)；以及(iv)Bailey，ElectrostaticSpraying of Liquids(John Wiley&Sons，New York，1988)。常规静电纺丝材料和方法的细节可以在前述参考文献和其中引用的各种其他著作中找到。
因此，尽管利用纳米纤维的组合物已经存在许多年，但是用此类小纤维产生有用的过滤介质已被证明是具有挑战性的。此外，由于难以制造自支撑纳米纤维层或者至少难以在不损坏纳米纤维层的情况下处理此类纳米纤维层，所以在支撑层上形成此类纳米纤维层已被尝试并且也被证明是具有挑战性的。事实上，在基重大于约0.35gsm的目标衬底或支撑层上产生此类纳米纤维层并不是特别成功。
鉴于与目前可获得的纳米纤维层及其制造方法相关的缺点，需要一种包括纳米纤维层的介质，所述纳米纤维层具有比先前制造可获得的那些纳米纤维层更大的基重，特别是当维持用于除去超细颗粒的高效率评级以及介质的适当渗透性和物理属性(即，成褶性、刚度等)时。
简述
根据一方面，提出了一种纳米纤维层的复合过滤介质，所述纳米纤维层包括使用溶液纺丝工艺来使纳米纤维直接形成在导电层上的由非极性非导电的热塑性聚合物形成的纳米纤维；以及用于制造此类介质的相关方法。导电层包括至少约大于约5wt.％的导电纤维、Z方向导电性和至少约10-7微西门子的均匀表面导电性。
附图简述
更具体的描述将通过参考其在附图中示出的特定实施方案呈现。应理解，这些附图仅描绘其典型实施方案并且因此不应被理解为限制其范围，示例性实施方案将通过使用附图利用另外专一性和细节进行描述和解释，在附图中：
图1是根据一个实施方案的复合过滤介质的高度程式化的横截面图；
图2是根据一个实施方案的复合过滤介质的高度程式化的横截面图；并且
图3是典型工艺的示意性图示，其中溶液纺丝的纳米纤维层直接形成在导电层上。
实施方案的各种特征、方面和优点将从以下详述以及附图变得更加显而易见，其中贯穿附图和文本相同数字表示相同部件。各种所描述的特征未必按比例绘制，而是出于突出与一些实施方案相关的具体特征来绘制。
定义
空气过滤器--用于从气流中除去微粒物质的装置，所述气流包括气体和微粒物质的混合物。
α--过滤介质可根据称为“α值”的值(也称为γ值或品质因数或优值)进行评级。更陡斜率或更高的α值指示更好的过滤器性能。α值根据以下公式表示：α＝(-log(DOP渗透率％/100)/压降(以mm H2O为单位)×100
ASHRAE--美国供暖、制冷和空调工程师学会。
ASHRAE 52.2--用于空气过滤器的根据最低性能数据(到本申请的提交日期为止常用的版本)对过滤器进行分类的ASHRAE测试方法。ASHRAE 52.2的结果表示为最低效率报告值(MERV)评级。这被广泛认为是用于评估过滤性能的最佳方法，因为它是基于最低性能而不是平均性能(ASHRAE 52.1和EN779也是如此)。
基重--非织造材料(诸如湿法成网的双层过滤介质)的基重通常以每单位面积的重量表示，例如克/平方米(gsm)或盎司/平方英尺(osf)(1osf＝305gsm)或磅/3000ft2，并且根据T.A.P.P.I.-T-410、A.S.T.M.-D-646测量。
纤维--特征在于长度与直径之比极高的材料形式。如本文所用，术语纤维和长丝可互换使用，除非另外明确地指明。
过滤介质--用于过滤器中的构成过滤器元件的材料。
弗雷泽--在两个介质表面之间的恒定压差下通过材料的气流速率。所述速率通常根据ASTM D737-75测量。单位为立方英尺/平方英尺样品/分钟-报告为(cfm)(压差为0.5英寸(12.7毫米(mm))水位表(WG)(124.5帕斯卡)。(也称为渗透性。)
HEPA--高效微粒空气过滤器。根据ASHRAE标准，HEPA过滤器必须在0.3微米颗粒上达到99.97％的最低效率才能被称为HEPA。
MERV--最低效率报告值的首字母缩略词--从完整的ASHRAE 52.2 1999测试报告中获得。通过将测试数据与MERV表进行比较来获得数字。(参见以下表1，其是MERV表的摘录。)
微米(Micron/micrometer)--百万分之一米(μm)。等于1/25,400英寸。
渗透率(％)＝C/C0，其中C是穿过过滤器后的颗粒浓度，并且C0是穿过过滤器之前的颗粒浓度。渗透率可根据美国军用标准MIL-STD-282(1956)进行测量。典型的渗透率测试涉及吹送邻苯二甲酸二辛酯(DOP)或癸二酸二辛酯(DEHS)(接受的DOP的等效物)颗粒通过过滤介质并测量渗透通过过滤介质的颗粒的百分比。DOP或DEHS气溶胶颗粒的直径为大约0.3微米，并且以大约5.3cm/sec的迎面速度吹送通过过滤介质。
阻力--是根据MIL-STD-282、A.S.T.M.-D2986-91测试时跨过过滤介质的压降的量度。实质上，使平板(100cm2)经受约8cm/s流速的气流，并测量跨过过滤器的压降。如以下表2中所示，阻力以三种不同的水平报告：1.BHT-由独立实验室测试，2.8130-使用TSI 8130机器测试以及3.8127-使用TSI 8127机器测试。
刚度--是根据ASTM D5732使用Gurley刚度测试仪测量的织物在其自身重量下的悬臂弯曲度的量度。
合成聚合物纤维--是包含由合成的非天然聚合物制成的合成的非天然纤维的纤维。
厚度--根据纸浆与造纸工业技术协会(TAPPI)T 411 om-89，“纸张、纸板和组合板的厚度(Thickness/caliper)”使用TMI制造的电子卡尺厚度计3.3型号49-62以8psi(55.16kPa)的脚压进行测定。
详述
现在将对各种实施方案进行详细参考。每个实例通过解释的方式提供，并且不意味着限制并且不构成对所有可能实施方案的限定。
为了说明实施方案的特征，现在将在整个公开内容中引入和引用简单的实例。本领域技术人员将认识到，此实例是说明性的而不是限制性的，并且纯粹被提供用于说明目的。在说明性实例中并且如图1和图2中所示，总体上描绘用于从流体中除去微粒的复合过滤介质100。具体地，复合过滤介质100至少包括直接形成在导电层20上的纳米纤维层10。
本文所述的新型复合过滤介质和方法提供了用于实现非常有利的效率评级的手段，特别是在要求介质放电的应用中。在ASHRAE 52.2下进行评估时，此类介质可能表现出高效率报告值MERV 14-16，特别是根据同一标准的附录J进行放电时。简言之，导电层提供足以产生具有适当渗透性和物理属性(即，褶裥性、刚度等)的有用的过滤介质的收集支持，同时也用于消散所收集的纳米纤维中的电荷累积，从而允许在过滤复合材料中捕获更高的负载量(增加的基重)。其他适用的标准包括但不限于EN 779-2012。
具体转到图1，根据一个实施方案，以高度程式化的截面图描绘双层复合材料100。在此实施方案中，导电层20是多孔的湿法成网非织造材料，并且纳米纤维层10已经直接形成在导电层20上，如下文更详细描述的。制造湿法成网非织造材料的方法是本领域普通技术人员熟知的，并且本文将不再详细讨论。如本文公开的复合过滤介质100的导电层20的重要特征是导电层20必须包括导电纤维22的至少一部分。
据发现将纳米纤维层10直接形成在导电层20上对于能够形成具有重负载(例如，基重约0.5-2.0gsm)的纳米纤维层10是至关重要。事实上，据发现非导电层允许积聚电压电位(在如下所述的纳米纤维形成工艺-溶液纺丝工艺中形成)，其最终将纤维沉积排斥到非导电层上，并且因此不可能形成具有至少约0.5gsm的基重的纳米纤维层10。在一个实施方案中，纳米纤维层具有大于约0.6至约2.0gsm的基重。
适用于形成根据一个实施方案的导电层20的导电纤维22是导电纤维，其包括但不限于金属纤维、离聚物纤维、金属或离聚物涂覆的纤维、碳纤维、石墨纤维或其组合。尽管导电颗粒(即，具有小于约6mm长度的颗粒)可能可用于本文所述的导电层20中，但导电层20必须具有如下文进一步详细描述的在Z方向上布置的导电纤维22，以便达到所需的过滤特性。此外，导电层20必须包括足够的导电纤维22以达到至少约10-7微西门子的均匀表面导电性。用于测量表面导电性的方法是本领域普通技术人员熟知的，并且例如，如在ASTM B193-87中发现的。在一个实施方案中，湿法成网非织造导电层完全由导电纤维22制成，而在其他实施方案中，导电层由导电纤维22和合成纤维24的共混物制成。导电层20包括至少大于约5wt.％的导电纤维22，或者至少约7wt.％、或至少约10wt.％或更多的导电纤维22。
如上所述，导电层20还可包括合成纤维24，即由合成聚合物树脂制成的纤维。此类有用的聚合物的实例包括但不限于聚酯、尼龙、丙烯酸、变性腈纶和聚烯烃中的一种或多种。更具体地，合成聚合物纤维可由以下聚合物制成：聚丙交酯(PLA)、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、脂族聚酰胺(尼龙)和/或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)。还考虑，导电层20可包括其他添加剂和/或天然纤维，诸如玻璃、棉花、纤维素等。
将纤维(导电纤维和/或合成纤维)混合到基质中以形成导电层20，所述导电层具有Z方向导电性。换句话说，制造导电层20以使得许多导电纤维22在Z方向上被形成或放置在非织造基质中，如图1和图2中所示并由箭头Z所指示。纤维22基本上静置在端部上，并且因此形成通过基质的电导管或路径，这有助于维持电场以适应以下所述的溶液纺丝工艺，并且允许纳米纤维层10较重地沉积在导电层20上。
除了具有至少约10-7微西门子的表面导电性，导电层20还可具有以下特性：约10-200克/平方米(gsm)的基重、约13至16密耳(长度等于1/1000英寸并且等于0.0254mm的单位)的厚度、约500至900mg的刚度、约14.8的α(作为15个样品的平均值确定)以及约200-1000立方英尺/分钟(cfm)(5.66-28.32立方米/分钟)的弗雷泽。根据一方面，导电层20是自支撑的并且是可打褶的。也就是说，它能够形成为过滤材料通常所需的褶裥，而不损害过滤材料的完整性。不希望受理论束缚，据信至少约10-7微西门子的表面导电性和Z方向导电性通过导电层20中的导电纤维的最佳量来实现。据发现导电层20中至少约3wt.％导电纤维的负载不足以实现所需的表面导电性和Z方向导电性。
虽然形成导电层20的非织造网可以是毡制的、气流成网的或湿法成网的网，但已经证明湿法成网非织造材料是最有用的。因此，导电纤维22能够被布置以形成Z方向导电性。当在湿法工艺中成网时，即在传统的造纸机上时，网的纤维大部分在成网所抵靠的多孔表面的平面中取向，即在X-Y方向上。纤维的这种总体横向取向在所述侧向方向上为所述网提供了相当大的强度。在横向或Z方向上的强度传统上不被视为与侧向方向上的强度一样重要，因为当向所述网施加涂层时，将所述网在侧向方向上拉伸。此外，如上所述，当所述网是湿法成网的网时，如果需要，可将水溶性粘合剂添加至用于形成湿法成网的网的水分散体中，虽然非常方便，但是不要求粘合剂的这种并入。
导电层20的高导电“Z”方向设计基本上产生“电导管”，其通过导电层20接地来提供在纳米纤维形成工艺(下文将更详细描述)期间产生的隐含的高电压和高度电离空气的消散。它还吸走隐含的电压和电离的表面能，从而使纳米纤维本身发生的累积最小化，以允许高沉积基重(大于或等于约0.5gsm直至约2.0gsm)。导电性的这个阈值是使用表面电导仪测量的，并且在标准大气条件下(72°F(22.22℃)@50％RH)具有10-7微西门子的最小值。另外的导电性可通过添加另外的碳纤维或更高水平的大气湿度以产生另外的和/或增强的“Z”方向消散来实现。
如制造湿法成网结构领域中的普通技术人员将会理解的，将始终存在一定量的在材料中自然形成的Z方向纤维。然而，被认为是本文所述的实施方案的关键特征的是需要一定量的Z方向导电性以在导电层的顶部上实现所需的纳米纤维负载。根据一个实施方案，据信需要至少约7wt.％的导电纤维来获得适当的Z方向导电性以形成本文所述的复合过滤介质。事实上，导电纤维的另外负载可能减损导电层的结构完整性和/或赋予制造导电层的比实现所需效应所必需的更大成本。用于在Z方向上形成或铺设至少一些导电纤维的一种方法包括通过向稀释水中添加连续Nalco 625(合成聚丙烯酸钠)来增强造纸机流浆箱中的粘度调节。这进而允许更大的合成聚合物树脂纤维更快地迁移至造纸机成形织物，并且首先开始形成导电层20。随后，随着片材继续形成，较小的导电纤维保持悬浮更长时间并且最终主要被捕获在Z方向上。
本文所述的另一个关键特征与在导电层20上直接形成纳米纤维层10的能力有关。因此，不必要在导电层20与纳米纤维层10之间提供粘合剂或机械附接机构来形成多层复合过滤介质100。
在一个实施方案中，纳米纤维层10使用改进的静电纺丝工艺制成，所述静电纺丝工艺是将热塑性聚合物溶解在溶液中并且将含聚合物溶液直接静电纺丝到导电层上的工艺。含聚合物溶液和最适合的工艺是转让给Nanostatics Corporation的美国专利号8,518,319中所描述的那些，所述专利以引用的方式整体并入，(以下称为“溶液纺丝工艺”或“溶液纺丝纳米纤维”)。适用于根据一个实施方案的纳米纤维层10的聚合物是非极性、非导电的热塑性聚合物。此类热塑性聚合物的实例包括但不限于聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯、其他芳族侧链聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他丙烯酸酯聚合物、聚氯乙烯(PVC)、其他非极性或非导电聚合物、或者其共聚物或衍生物或组合。在一个实施方案中，使用单一热塑性聚合物或单聚物来形成纳米纤维层10。
表现出降低的导电性的含聚合物溶液的一个实例是(i)聚苯乙烯(PS)在D-柠檬烯(DL)中的溶液和(ii)溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中的无机盐的混合物。聚苯乙烯是非极性、非导电的聚合物；D-柠檬烯是柑橘皮中天然存在的相对高沸点、低蒸汽压、非极性的溶剂。D-柠檬烯作为“绿色”或环保的有机溶剂是有吸引力的，并且作为柑橘加工的副产品可容易地大量获得。
上文公开的溶液纺丝纳米纤维12使用常规静电纺丝设备和上述改进的工艺/流体来形成，其中在含聚合物溶液与电极之间建立导电路径。然而，在常规静电纺丝设备中，导电屏/板/栅/网用作导电目标以维持导电路径。然而，据发现，在适用于高效率过滤应用(即，需要MERV 14-16的去除效率或甚至更高效率的应用)的负载下，试图将纳米纤维形成或以其他方式沉积在位于导电目标上的非导电层上是根本不可能的。事实上，许多纳米纤维将在非导电层的表面正上方飘动，从而试图在加工机械的周围金属部件中找到地面。纳米纤维实际上向侧面移动而不是向下移动以铺设在非导电层的表面上。
根据一方面，静电纺丝设备产生电场，其将从纺丝头组件挤出的含聚合物溶液引导至用作电极的导电层20。通常，纺丝头组件包括喷嘴的阵列，溶液通过所述喷嘴的阵列挤出。
虽然在导电层20上纳米纤维12需要使用一定的沉积速率和/或负载，但是应容易理解，难以实际测量所得到的所谓纳米纤维12的“层”。实际上，即使在本文所述的复合过滤介质100中所需的较高负载(即，具有约0.5至约2.0gsm的基重的纳米纤维层)下，纳米纤维层10也不是和在导电层20上形成的涂层一样的“层”。事实上，在视觉上，纳米纤维层10在导电层20上表现为粉尘。纳米纤维12或纳米纤维层10不需要另外的键合或粘合剂来粘附或附着至导电层20。
因此，为了测量导电层20上的纳米纤维层10的负载或基重，只能测量从溶液纺丝工艺中挤出的材料(或纳米纤维12)的量，而不是实际测量纳米纤维层10本身的重量。因此，知道溶液纺丝工艺的参数(例如压力、时间、起始和完成重量、溶液流量、固体％、喷嘴宽度、线速度、覆盖面积、喷嘴数量、每个喷嘴的流速等)将有助于测定纳米纤维层10的实际基重。或者，可测定复合过滤介质100的基重，并且一旦已知导电层20的基重，就可计算出纳米纤维层10的基重。
虽然具有约0.5至约2.0gsm的基重的纳米纤维层10被认为特别有用，并且不可能在没有本文所述的导电层和溶液纺丝工艺的情况下制成，但更高的基重是甚至更理想的，因为它们提供更稳健的介质，而不损害复合过滤介质100的效率。因此，具有大于约0.6gsm直至约2.0gsm的基重的纳米纤维层10是甚至更理想的。还可考虑，尽管能够制造具有达约1000nm直径的纳米纤维，但是据发现具有约300至约800nm直径的纳米纤维特别有用，因为较细的纤维对于介质的空气流动造成较少的破坏，从而导致在任何设计指定的气流下跨过介质的压降较低。这也导致了改进的α。
另外，虽然认识到术语“微纤维”和“纳米纤维”可能在直径尺寸上重叠，但是如本文所用，术语“微纤维”包括使用当前可获得的商业熔喷机械制成的纤维，其通常不能制成具有小于约800nm直径的微纤维，因为当前技术具有大于约800nm的直径。
转到图2，提供根据一个实施方案的替代复合过滤介质100，其中任选的和另外的一个或多个非织造层或预过滤层40被附接至纳米纤维层10。如图2中所示，可提供另外的粘合剂层30以使一个或多个预过滤层40附接至纳米纤维层10。当使用时，预过滤层40用于基本上将纳米纤维层10保持在适当位置，并使其与导电层20分离。预过滤层40还可用作上游层，以在与纳米纤维层10接合之前从流体流中除去较大的颗粒。如本文所示，粘合剂层30位于纳米纤维层10与预过滤层40之间。
在一个实施方案中，预过滤层40可包括熔喷层，并且在另一实施方案中，预过滤层40可包括带电的熔喷层。如果预过滤层40被形成为熔喷非织造材料，则形成层40的微纤维12通常将具有约1至约25μm的平均直径。在一个实施方案中，预过滤层40具有约5至约60gsm的基重。预过滤层40可由任何已知的合成聚合物形成。此类有用的聚合物的实例包括但不限于聚酯、尼龙、丙烯酸、变性腈纶和聚烯烃中的一种或多种。更具体地，合成聚合物纤维可以由以下聚合物制成：聚丙交酯(PLA)、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、脂族聚酰胺(尼龙)和/或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)。还考虑，预过滤层40可包括其他添加剂和/或天然纤维，诸如玻璃、棉花、纤维素等。此外，预过滤层40可具有约10至约1000立方英尺/分钟(cfm)(约0.28至约28.32立方米/分钟)的弗雷泽。
根据一方面，复合过滤介质100是不含抗氧化剂的。抗氧化剂在本文所述的介质中不是特别有用的原因是导电层20的接地电位可被缓冲，因此致使其在纳米纤维沉积或溶液纺丝工艺期间对电荷消散的影响较小。
图3是典型工艺的示意性图示，其中使用溶液纺丝工艺(未具体示出)形成溶液纺丝纳米纤维层10，以使得纳米纤维12(参见图1)直接形成在导电层20上。如本文所示，将导电层20预先制成到辊120上，并且然后通过所述工艺供给至纳米纤维形成工艺110。在纳米纤维形成工艺110的出口处，复合过滤介质100(在此阶段仅包括纳米纤维层10和导电层20)进入层压工艺140，其中添加任选的预过滤层130和粘合剂层。最后，复合过滤介质100在整理工艺150中完成。
形成后，可根据多种已知技术进一步加工复合过滤介质。例如，复合过滤介质可打褶并用于打褶的过滤器元件中。在一方面，复合过滤介质或其各种层可通过以彼此适当间隔开的距离形成刻痕线而合适地打褶，从而允许复合过滤介质被折叠。应了解，可使用任何合适的打褶技术。
复合过滤介质可包括其他部分，包括一个或多个结构特征和/或加强元件，诸如聚合物网和/或金属网。例如，可在复合过滤介质上设置丝网背衬，从而提供进一步的刚度。然而在另一方面，丝网背衬可有助于保留打褶构型。例如，丝网背衬可以是扩展的金属线或挤出的塑料网。
复合过滤介质可并入多种合适的过滤器元件中，以用于各种应用，包括ASHRAE过滤介质应用。复合过滤介质可用于任何空气或液体过滤应用。作为一个实例，复合过滤介质可用于供暖和空调管道中。复合过滤介质也可作为预过滤器与其他过滤器组合使用，例如像，用作高效过滤器应用(例如，HEPA)的预过滤器。过滤器元件可具有本领域中已知的任何合适的构型，包括袋式过滤器(通常是未打褶的)和板式过滤器(通常是打褶的)。
在一方面，过滤器元件包括可设置在复合过滤介质周围的壳体。壳体可具有各种构型，其中所述构型根据预期应用而变化。在另一方面，壳体可由设置在复合过滤介质的周边周围的框架形成。例如，所述框架可围绕周边热密封。然而在另一方面，所述框架具有围绕总体上矩形的过滤介质的所有四侧的总体上矩形的构型。所述框架可由各种材料形成，所述材料包括例如硬纸板、金属、聚合物或合适材料的任何组合。过滤器元件还可包括本领域中已知的多种其他特征，诸如用于使过滤介质相对于框架稳定的稳定特征、间隔件或任何其他适当的特征。
复合过滤介质可并入到袋(或槽)式过滤器元件中。袋式过滤器元件可通过以下方式来形成：将两个过滤介质放置在一起(或将单个过滤介质折叠成一半)，并且使三个(或两个，如果折叠)侧边彼此配合以使得仅一个侧边保持打开，从而在过滤器内部形成槽。在一方面，可将多个过滤槽附接至框架以形成过滤器元件。每个槽可被定位成使得开口端位于框架中，因此允许空气流入每个槽。在另一方面，框架可包括延伸到每个槽中并保留每个槽的矩形环。应了解，实际上框架可具有任何构型，并且可使用本领域已知的各种配合技术来将操连接至框架。此外，所述框架可包括任何数量的槽，例如像介于6与10个之间的槽，这对袋式过滤器是常见的。
袋式过滤器可包括设置在其中的任何数量的间隔件，并且被构造成以彼此间隔开的距离保留过滤器的相对侧壁。间隔件可以是螺纹或在侧壁之间延伸的任何其他元件。可理解，本领域已知的用于袋式或槽式过滤器的各种特征可并入本文公开的复合过滤介质中。
应理解，复合过滤介质和过滤器元件可具有多种不同的构造，并且特定的构造取决于复合过滤介质和元件所使用的应用。在一些方面，可将另外的衬底或膜加入复合过滤介质中。过滤器元件可具有与上文结合复合过滤介质所述的那些相同的属性值。
在使用期间，当流体(例如空气或液体)流动通过过滤介质时，复合过滤介质将污染物颗粒机械地捕获在纤维网上。在一些应用中，希望亚微米颗粒(即，具有小于1微米尺寸的颗粒)以特别高的效率水平从空气流中除去。如上文所提及，本文所述的复合过滤介质能够实现14或更高、15或更高或甚至16的MERV等级。如本领域普通技术人员将理解的，ASHRAE标准52.2-1999(“ASHRAE 52.2”)列出了测试复合材料的参数，并且基于过滤介质除去不同尺寸的颗粒的能力提供了MERV评级(按1-16的等级)，如表1中部分列出的：
换句话说，为了使复合过滤介质在MERV 16的过滤效率下合格，它必须能够全部以95％或更高的效率除去E1颗粒(具有0.30-1.0μm的尺寸范围的颗粒)、E2颗粒(1.0-3.0μm尺寸的颗粒)和E3颗粒(3.0-10.0μm尺寸的颗粒)。此外，有可能使过滤介质遵从更精细的标准，并且根据ASHRAE 52.2的附录J，可使过滤介质经受另外的调节步骤以模拟现实生活中的过滤效率退化，其中使用严格的方案将氯化钾(KCL)气雾化并引入至过滤介质，从而导致使介质放电。又一实例是使用异丙醇来使介质放电的欧洲标准EN 779。
复合过滤介质不需要带电来增强污染物的捕获。因此，在一些方面，复合过滤介质不带电。然而，在其他方面，复合过滤介质可带电。在特别理想的应用中，本文所述的复合过滤介质具体地是放电的。
本公开的复合过滤介质可具有许多应用，不限于ASHRAE应用。例如，复合过滤介质可适用于液-液聚结应用、气-液聚结应用、液压过滤应用等。应理解，本文公开的介质的用途和应用不是限制性的，并且复合过滤介质的任何合适的应用都是可能的。
实施例
制备根据一个实施方案的复合过滤介质100的样品，其中使用以下制成湿法成网的非织造导电层20：具有约6.0旦尼尔(0.667tex)和/或25.0微米纤维直径和12至24mm长度的75wt.％聚对苯二甲酸乙二酯短纤维，具有约0.7旦尼尔(0.077tex)和/或7.5微米纤维直径和约6.0mm长度的7.0+wt.％碳纤维以及19wt.％丙烯酸-苯乙烯共聚物粘合剂。如本领域普通技术人员将理解的，使用斜网湿法成网工艺制造导电层20，并且使用典型的干燥和固化烘箱来完成成形系统。导电层20具有51gsm的基重、约0.007英寸(0.1778mm)的厚度、约500mg的刚度、约＜10的α和10-7微西门子的表面导电性。纳米纤维层10由具有约300nm直径的溶液纺丝聚苯乙烯纤维使用上文所述的溶液纺丝工艺制成，并直接形成在湿法成网的非织造导电层20上。纳米纤维层10具有如以下表2中所列出的计算的基重以及估计约500nm的厚度。最后，对于高电荷(例如使用多束电晕带电的)预过滤层40，在这种情况下，使用喷涂的纤维化的压敏粘合剂层30(被称为PSA，可从HB Fuller商购获得)将熔喷层附接至纳米纤维层10，所述熔喷层由具有约0与150kV之间的电荷、约2-3微米的平均直径和约33gsm基重的100wt.％聚丙烯纤维制成。粘合剂层30具有≤2gsm的基重。熔喷层40具有＜100mg的刚度、0.025英寸(0.635mm)的厚度和＞50带电的α。
标记为“对照”的样品是没有纳米纤维层10的样品。将复合过滤介质(样品F、A、B2和D)以及对照样品进行各种测试，并且测试结果列于表2和表3中。表2中使用了各种术语，并且它们定义如下：“沉积”是指基于如上文所述的溶液纺丝工艺的各种参数(诸如喷嘴数量、流速等)计算的纳米纤维层10的基重；“流量”是其中对喷嘴施加空气压力的溶液纺丝工艺设置，并且是从喷嘴出来的溶液量的“量度”；“速度”是指当纳米纤维层10沉积在其上时导电层20移动的线速度(目标是实现至少约50至约100英尺/分钟(fpm)，因为这些速度可能是理想的商业上可接受的速度)；“I.R.”是指介质在放电之前以英寸水柱为单位的初始阻力；“mm”是指以毫米水柱(WG)为单位的初始阻力；“阻力(Pa)”是如上文所定义，并且“弗雷泽”是指如上文所定义的弗雷泽。在从复合过滤介质中除去任何电荷之前以及放电之后，测试结果在表3中呈现为E1、E2和E3中的每一个的颗粒去除效率。如所预期，随着纳米纤维在导电层上的沉积(负载)增加，弗雷泽受到下降的影响，因为这些更细的纳米纤维的添加提供了更有效率的过滤。
在从复合过滤介质中除去任何电荷之前以及放电之后(根据附录J)，测试结果在表3中呈现为E1、E2和E3中的每一个的根据ASHRAE52.2的颗粒去除效率。
从数据可以看出，在纳米纤维层的较低负载下(具有0.54gsm及以下的基重的实施例F和A)，对于放电的复合过滤介质来说，不可能达到MERV 16的评级。如上所述，根本不可能在不使用本文所述的导电层和溶液纺丝工艺的情况下实现超过0.35gsm、0.5gsm或大于0.6gsm的纳米纤维层负载。
所示的介质和方法不限制于本文所述的特定实施方案，而是，示出或描述为一个实施方案的部分的特征可在其他实施方案上使用或者结合其他实施方案使用以产生另一个实施方案。意图所述介质和方法包括此类修改和变化。此外，在所述方法中描述的步骤可独立并且与本文所述的其他步骤分开使用。
虽然已经参考具体实施方案描述了介质和方法，但是本领域技术人员将理解，在不背离所设想范围的情况下，可做出各种改变并且可使用等效物来替代其要素。另外，在不背离本文的基本范围的情况下，可做出许多修改来使具体情况或材料适应本文发现的教义。
在本说明书和随后权利要求书中，将提及具有以下含义的许多术语。除非上下文明确地另外规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指示物。此外，对“一个实施方案”、“一些实施方案”、“一种实施方案”等的引用并不意图解释为排除同样包含所述特征的另外实施方案的存在。如本说明书和权利要求书中通篇所使用的近似语言可用于修饰可允许变化而不造成与其相关的基本功能的改变的任何定量表达。因此，由诸如“约”的术语修饰的值不限于所指定的精确值。在某些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。诸如“第一”、“第二”等的术语用于识别一个要素与另一个要素，并且除非另外指定，否则不意图指特定要素的顺序或数量。
如本文所用，术语“可”和“可以是”指示在一组情况内发生的可能性；指定特性、特征或功能的拥有；和/或通过表达与所限定动词相关联的能力、本领或可能性中的一个或多个使另一个动词合格。因此，“可”和“可以是”的使用指示所修改术语明显地适当、能够或适于所指示能力、功能或使用，同时考虑在一些情况下，所修改术语有时可能不适当、能够或合适。例如，在一些情况下，可预期事件或本领，而在其他情况下，所述事件或本领不能发生--此区别由术语“可”和“可以是”捕捉。
如权利要求书中所用，词语“包括”和它的语法变体逻辑上也对向并包括变化和不同程度的短语，例如像但不限于“基本上由...组成”和“由...组成”。必要时，提供范围并且那些范围包括其间所有的子范围。预期这些范围的变化将是本领域的普通技术人员能够想到的，并且在尚未提供给公众的情况下，所附权利要求书应涵盖这些变化。
科学技术的进步可使得等效物和替换物成为可能，所述等效物和替换物因语言的不精确现在未被设想；这些变化应被所附的权利要求书涵盖。本书面的说明书使用实例来公开介质和方法，包括最佳模式，同时也让本领域的任何普通技术人员能够实践这些介质和方法，包括制造和使用任何装置或系统，并且执行任何包含的方法。本发明可获得专利的范围由权利要求书来限定，并且可包括本领域普通技术人员能够想到的其他实施例。如果其他此类实施例的结构元件与权利要求书的字面意义相同，或者如果此类实施例包括的等效结构元件与权利要求书的文字语言无实质差别，则此类实施例也属于权利要求书的范围。

Claims (20)

1.一种复合过滤介质，其包括：
多孔的湿法成网的导电层，其包括大于至少约5wt.％的导电纤维，所述导电纤维混合到基质中以形成所述导电层，所述导电层具有Z方向导电性、至少约10-7微西门子的均匀表面导电性、约10-200gsm的基重和约200-1000立方英尺/分钟(cfm)(5.66-28.32立方米/分钟)的弗雷泽；
纳米纤维层，其包括由非极性、非导电的热塑性聚合物形成的溶液纺丝纳米纤维，所述纳米纤维层具有约0.5-2.0gsm的基重和约300-800nm的平均纤维直径，其中所述纳米纤维层直接形成在所述导电层上；
一个或多个任选的预过滤层，其具有约5-60gsm的基重；以及
任选的粘合剂层，其位于所述纳米纤维层与所述预过滤层之间。
2.如权利要求1所述的复合过滤介质，其中所述导电层还包括合成纤维。
3.如权利要求2所述的复合过滤介质，其中所述合成纤维包括一种或多种选自包括以下各项的组的聚合物纤维：聚丙交酯(PLA)、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、脂族聚酰胺(尼龙)和/或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)。
4.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述导电层是自支撑的可打褶的衬底。
5.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述导电纤维包括碳纤维。
6.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述纳米纤维层包括由单一热塑性聚合物制成的纳米纤维。
7.如权利要求6所述的复合过滤介质，其中所述单一热塑性聚合物为聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚氯乙烯(PVC)。
8.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述纳米纤维层包括大于约0.6-2.0gsm的基重。
9.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述复合过滤介质不含抗氧化剂。
10.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述预过滤层为熔喷层。
11.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述预过滤层为带电的熔喷层。
12.如前述权利要求中任一项所述的复合过滤介质，其中所述预过滤层具有约10-1000cfm(0.28-28.32立方米/分钟)的弗雷泽，并且包括具有约1至25μm直径的聚丙烯微纤维。
13.一种制造复合过滤介质的方法，所述方法包括：
形成多孔的湿法成网的导电层，所述导电层包括大于至少约5wt.％的导电纤维，所述导电纤维混合到基质中以形成所述导电层，所述导电层具有Z方向导电性、至少约10-7微西门子的均匀表面导电性、约10-200gsm的基重、约200-1000立方英尺/分钟(cfm)(5.66-28.32立方米/分钟)的弗雷泽；以及
将纳米纤维直接溶液纺丝到所述导电层上，从而形成纳米纤维层，其中所述纳米纤维由非极性、非导电的热塑性聚合物形成，并且其中所述纳米纤维层具有约0.5-2.0gsm的基重和约300-800nm的平均纤维直径；
形成一个或多个任选的预过滤层，其具有约5-60gsm的基重；以及
将任选的粘合剂层定位在所述纳米纤维层与所述预过滤层之间。
14.如权利要求13所述的复合过滤介质，其中所述导电层还包括合成纤维。
15.如权利要求14所述的复合过滤介质，其中所述合成纤维包括一种或多种选自包括以下各项的组的聚合物纤维：聚丙交酯(PLA)、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、脂族聚酰胺(尼龙)和/或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)。
16.如权利要求13、14或15所述的复合过滤介质，其中所述导电层是自支撑的可打褶的衬底。
17.如权利要求13-16所述的复合过滤介质，其中所述导电纤维包括碳纤维。
18.如权利要求13-17所述的复合过滤介质，其中所述纳米纤维层包括由单一热塑性聚合物制成的纳米纤维。
19.如权利要求18所述的复合过滤介质，其中所述单一热塑性聚合物为聚苯乙烯、苯乙烯丁二烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚氯乙烯(PVC)。
20.如权利要求13-19所述的复合过滤介质，其中所述纳米纤维层包括大于约0.6-2.0gsm的基重。
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