CN108605175A - 用作一般声学和电子产品中的子部件的复合多层过滤结构 - Google Patents

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Abstract

一种复合多层过滤结构，其用于要求对微米量级的颗粒的高过滤效率和过滤介质的高渗透性的过滤应用并用作声学和电子产品特别是麦克风和扬声器中的子部件，该复合多层过滤结构包括至少第一聚合物纳米孔膜层和至少第二合成单丝精密织物层，该第一聚合物纳米孔膜层耦合到第二精密织物层，从而提供适于防止甚至1‑2μm的颗粒和加压液体通过其的整体过滤介质。

Description

用作一般声学和电子产品中的子部件的复合多层过滤结构
发明背景
本发明涉及一种复合多层过滤结构，其特别地但不排他地用于一般的声学和电子产品中。
众所周知，在声学应用中，声音通过空气穿过多孔表面而传播，或者通过非常薄的材料(例如薄膜或膜)的振动传播。
通过使空气通过的传播通常通过织物材料而发生，该织物材料设计成用于保护例如一般的麦克风或扬声器或电子设备免受不希望的固体颗粒影响，但无法免受水或其他流体的影响。
反过来，通过振动的声音传播在一般的扬声器或电子设备中是典型的，并且还必须设计成使免受水和液体渗透的影响。
另外已知的是以下事实：通过使空气通过的声音传播比振动声音传播好，因此理想的过滤介质应该具有织物的声学特性和膜的保护性质。
发明概述
因此，本发明的目的是提供这样一种复合过滤结构，其对于该复合过滤结构将被应用的电子设备具有非常好的声学特性以及最佳的保护特性。
在上述目的的范围内，本发明的主要目标是提供这样一种上述类型的过滤结构，其允许非常精确的和选择性的过滤，以及令人满意的抵抗液体可能渗透或泄漏的能力。
本发明的另一个目标是提供这样一种上述类型的过滤结构，其具有非常长的使用寿命，甚至等于该结构将被应用的声学部件的使用寿命。
本发明的又一目标是提供这样一种上述类型的复合结构，除了它的良好的保护特性以免受固体颗粒和液体的影响之外，其还具有比当前使用的方法的声阻抗更低的声阻抗，以便不仅应用于声学应用中，而且应用于在其中该结构应当保护相关装置免受越来越小的颗粒的影响的那些应用，并且对于这些应用，保护介质或织物应当具有相应的越来越小的网孔。
本发明的又一目标是提供这样一种上述类型的复合结构，其可以以非常简单的方式处理和加工，以制造期望应用通常需要的小尺寸零件。
本发明的又一个目标是提供这样一种上述类型的复合结构，其单独的过滤部件可以容易地制造，这些过滤部件又可以容易地设置有用于将它们耦合到声学部件及其壳体的耦合装置。
根据本发明的一个方面，通过根据权利要求1的复合过滤结构来实现上述目的和目标以及在下文中将变得更加明显的其它目标。
在从属权利要求中限定了根据本发明的复合过滤结构的另外的特征。
附图简述
根据本发明的复合过滤结构的另外的细节和优点将在下文中从其当前优选实施方案的详细公开中变得更加明显，该实施方案在示意性附图中通过指示性但非限制性的例子示出，在附图中：
图1是根据本发明的复合过滤结构的当前优选实施方案的示意性横截面图；
图2是示出根据本发明的复合过滤结构的主要方面的包括织物和膜的层压或耦合材料的声学特性的图；
图3是示出所谓的“水侵入”测试结果的另一图表；和
图4示出了根据本发明的复合过滤结构的样品的SEM图像。
优选实施方案的描述
参照上述附图，根据本发明的复合过滤结构包括作为第一主要部件的精密织物T，该精密织物T包括均匀的“网孔”或开口(例如由合成单丝制成并具有正方形网孔构造)。
贯穿整个织物一致的非常均匀的网孔结构，以及其高机械强度和加工能力，使得这种精密单丝织物材料T成为过滤基础材料的理想解决方案。
这些非常均匀的织物材料在其重量和厚度、表面性质和温度特性方面比传统的多丝织物具有更恒定的性质。
特性均匀性从一批到另一批始终沿着整个织物卷保持。
此外，根据本发明的织物T以非常窄的制造公差制造，从而提供具有一致的过滤效率和相关的特定气流渗透性的过滤介质。
恒定和一致的特性仅仅是用于织造操作的单丝材料的均匀开口或孔径的结果。
此外，本主题的精密织物材料对大气试剂、水和湿气具有非常好的抵抗性，并且可以以非常稳定和可再现的质量在工业规模上生产。
更具体地，本发明中使用的精密织物最初由具有非常高弹性模量的纱线制成，因此精密织物T将是几乎不可变形的材料，这对于例如本发明的预期声学应用是非常重要的。
同样，不同于构成商业上可获得的过滤结构的大多数材料，这些织物具有非常低的“蠕变(CREEP)”或相关的非常低的“应力松弛”的特性性质，对于这种应用是非常重要的。
本发明的主要方面在于，本发明提供了一种复合过滤系统，其包括两个或更多个耦合或层压材料层，如所提到的，其中至少一层由合成单丝方形网孔或开口精密织物MF制成，并且至少另一层或第二基本部件由透气微孔膜或纳米孔膜M组成。
所述膜M允许空气通过，同时抑制任何不期望的颗粒，而织物T为纳米孔膜M提供期望的结构阻力或强度，同时令人满意地执行其过滤功能。
从申请人进行的试验中发现，对于本发明的复合过滤结构在声学领域的具体应用，膜M(或多孔膜)应具有在200Pa的压降下的5至150l/m2s的空气渗透率；厚度为2至60μm并且典型孔径为150nm至3μm。
根据本发明，膜M通过多种层压或耦合方法例如反应性聚氨酯(PU)耦合、超声(US)层压和其它耦合方法耦合到单丝织物T，从而使膜M和支撑织物T成为整体单元，以根据本发明的另一个主要方面提供单一过滤介质或复合结构。
如所述，织物T为膜M提供所需的结构强度，同时执行其过滤功能。
根据本发明的另一方面，还可以在织物T的两侧或面上沉积膜M层和/或将所述膜层压或连接到附加织物T，从而提供其中包含膜M的织物T的“夹层”。
参照图1，这里所示的复合结构包括例如两层，即优选由聚酯制成的合成单丝精密织物T的底层和具有“高”空气渗透率的纳米孔膜M的顶层，纳米孔膜M例如通过起始薄膜被适当拉伸的拉伸工艺优选由PTFE材料制成，或者通过相同工艺或静电纺丝工艺由PVDF材料制成。
在本发明的优选实施方案中，为了优化织物T的机械性质，膜M布置在外部，即与加压液体L接触(图1)，而织物T布置在内部，从而有利于与加压液体L施加的力相等和相反的反应，特别是在织物T自身的单丝MF上操作。
在这方面，应该清楚的是，通过减小织物T的网孔尺寸，将可能增加膜M的刚度，从而在其使用过程中引起所述膜的较小变形。然而，在这方面，应该指出，假设单丝MF的直径是预设的，对于越大量单丝MF，织物T将导致结构重量增加。
由于本发明的基本目的是通过上述两种声音传播机制，即空气通道和介质振动，提供优化的声音传播，作为结果织物T的重量增加将导致声学性能变差。
参照图2，如所述，其示出了说明根据本发明的织物+膜层压材料的声学特性的图。
该图特别示出了用于麦克风本身的表征(基线)的所述麦克风的频率响应，此外还示出了在干燥条件下复合结构的“冲切(die-cut)”部分，以及在执行适当的水侵入测试之后复合结构的冲切部分。
在所有三种提到的情况下，使用相同的扬声器，发出给定声压级的声音，在这种情况下为94dB。
从“基线”和第二曲线之间的Δ(增量)可以相应地确定由于在麦克风和扬声器之间插入本发明的复合结构而引起的声衰减或插入损耗。
图2还示出了，两条曲线具有非常相似的构形，并且衰减值大幅减小，通常低于1.5dB。
同样地，通过比较第二和第三曲线，可以确定由于上述水侵入测试而引起的材料的可能改性而导致的进一步衰减。
在这种具体情况下，可以看出，所提到的增量接近于零，这将对应于最佳性能和水渗透阻力，在具体公开的情况下，水在300mbar的水压下，在30分钟内被迫冲击膜的表面(直径为1至6mm的样品)。
如所述，图3是示出水侵入测试结果的图，其中直径为1至6mm的复合结构的样品已经在200mbar下经受30分钟的水侵入测试。
在测试结束时，观察样品表面以检测可能存在的易于通过本发明的复合结构的水滴。
如图3的图表所示，30分钟之前没有任何测试被中断，因为在任何情况下都不可能检测到水。
从作为本发明的复合结构的样品的SEM图像的图4中，可以看到沉积在聚酯精密织物T上的由PTFE制成的纳米孔膜M。
可以清楚地看到，织物上的膜的承载点为具有较浅色调的区域。
根据本发明，构成膜的有机聚合物可以选自:PTFE或其衍生物、PVDF、PA 6、PA 6/12、聚芳酰胺、PUR、PES、PVA、PVAC、PAN、PEO、PS以及导电聚合物(聚噻吩)、氟化聚合物、生物聚合物等。
所述生物聚合物可以包括壳聚糖、角蛋白、胶原、肽等。
基本织物T的选择，涉及到膜M的网孔、密度、厚度和空气渗透率、构成所述膜M的层压层和聚合物的厚度，当然将基于预期特定应用所需的特性来进行。
特别是，在研究织物/膜的层压过滤结构时，使用了由SAATI(即本申请的申请人)进行的织物选择和待用于膜M的聚合物选择。
待层压的膜和子层已经被如此研究以便在这样的压力损失和空气渗透率的情况下实现最大的过滤效率，以便在干燥和潮湿两种条件下提供以db为单位的小的声损耗。
如所述，可以用于这种应用的膜可以通过不同的制备方法来制备，例如相转化、纳米纤维的静电纺丝和聚合物薄膜的热机械拉伸。
在本发明的优选实施方案中，已经使用了由ePTFE(即，PTFE)制成的膜，该膜是通过热机械拉伸PTFE薄膜而制成的。
在任何情况下，主要方面是根据本发明的复合结构的物理几何性质，其在200Pa的压降下应该具有5至150l/m2sec的空气渗透率，且厚度为2至60μm，以及典型的孔径为150nm至3μm。
膜性质包括更大的特定的表面/高的表面积-体积比、更小的孔尺寸、高的孔隙率、立体特性、对空气通道的高渗透性/低阻力、颗粒的良好分离、高的抑制粉末能力、改进的物理机械性质和特定的功能性质，从而在纤维活性面积、改进的过滤性质和不言而喻的流动优点方面提供不言而喻的“增益”。
因此，具有改进的性能和功能的用于特定应用的织物被相应地制造。
用于将织物耦合或层压到膜上的工艺参数可以改变，以提供具有不同过滤性质的过滤系统。
在对本发明进行的实际实验测试中，已经检测到最重要的参数，并且在改变所述参数的值的同时重复相关的测试，直到使最终产品最优化，从而获得几何、尺寸和结构上均一的纤维，所述纤维提供孔尺寸的均一分布，其中以高过滤效率过滤微米尺寸的颗粒，同时通过调节层的厚度和膜孔的平均尺寸保持受控的高渗透性。
样品已用下列术语表征：
-通过测量空气渗透率而制成的层压材料的流动阻力；
-通过测量声阻抗的声通道阻力；
-在给定条件下水侵入阻力；
-水侵入试验后的声音通道阻力。
制备并表征了涂覆有PTFE聚合物膜的聚酯织物的几个样品。
最重要的结果在这里如下示出：
涂覆有ePTFE膜的聚酯织物
基底织物特性：
网孔＝85μm
开放面积60％
厘米密度90线/cm
线直径24μm
空气渗透率>10000l/m2s@200pa
CA Fibrodat>100°
起始膜的性质
厚度：8μm
空气渗透率：30l/m2s@200pa
孔径0.3-0.5μm
如所提到的，图2示出了织物+膜层压或耦合材料的声学特性。根据三条曲线的增量，可以确定由于扬声器和麦克风之间插入复合结构而导致的dB损耗，以及在执行水侵入测试时的dB损耗。
一个非常重要的优点是，本发明的复合结构允许获得比常规膜更高的渗透性。
此外，本结构允许制备过滤介质，其对2μm的颗粒具有99％的效率，因此对于<5μm的颗粒具有高过滤效率(这是过滤精密织物的当前极限)。
此外，本发明的复合过滤结构具有改进的抑制过滤织物上液体的能力。
已经发现本发明完全实现预期目的和目标。
事实上，根据本发明的复合结构提供了与良好的液体抑制能力相结合的精密织物所特有的过滤精度和选择性。
所述结构的声阻抗低于单独的膜的声阻抗(用于声学应用的主要特征，其中织物目前提供蜂窝电话的内部零件对粉末和液体的保护功能，从而需要越来越小的低阻抗网孔，以便不减少通过的声音)。
此外，本复合结构允许克服由于这些结构的机械强度差而引起的传统膜的使用限制，这些结构如果没有由单丝精密织物适当地支撑，则不能经受典型的过滤系统的流动通道。
本发明的复合结构的另一个优点是，它可以容易地机械加工，例如通过“冲切”，以提供多个过滤模块单元，可以容易地将例如具有合适的轮廓和结构的双粘合聚合物条带与这些过滤模块单元相关联并耦合到每个冲切过滤模块单元，从而在其有效部分中提供复合结构的渗出性质，同时允许每个过滤模块通过插入合适的垫圈粘附/组装到要保护的声学部件以及相关电子设备(例如移动电话、平板电脑或计算机)的壳体或外壳上。
另外，尽管通过前述公开已经指出了根据本发明的过滤结构的主要参数的特定值，但是这些值应该被认为是可由术语“约”修饰的。
在实际制造本发明的复合过滤结构时，根据需要，所使用的材料以及可能的尺寸和形状可以是任意的。

Claims (12)

1.一种复合多层过滤结构，所述复合多层过滤结构用于要求对微米量级的颗粒的高过滤效率和过滤介质的高渗透性的过滤应用并用作声学和电子产品特别是麦克风和扬声器中的子部件，其特征在于，所述多层结构包括至少第一聚合物纳米孔膜层和至少第二合成单丝精密织物层，所述第一聚合物纳米孔膜层耦合到所述第二精密织物层，从而提供适于防止甚至1-2μm的颗粒和加压液体通过其的整体过滤介质。
2.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述至少第一聚合物纳米孔膜层和所述至少第二合成单丝织物层通过选自层压法、反应性聚氨酯(PU)法、超声(US)法和其它常规层压法的耦合方法耦合。
3.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述复合结构层压有两个适当轮廓的双粘合聚合物条带元件，以在所述复合结构的有效部分处保持所述复合结构的渗出性质，同时允许所述结构通过垫圈粘附/组装到要保护的声学部件和诸如移动电话、平板电脑、计算机的电子设备的外壳。
4.根据权利要求1和2所述的复合结构，其特征在于，在所述复合结构中，所述膜被如此耦合以便面向所述加压液体的入口方向。
5.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述纳米孔膜的所述层在所述合成单丝织物的两面上耦合到所述织物。
6.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述纳米孔膜的所述层被层压在所述合成单丝织物的两层之间。
7.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述合成单丝精密织物是由选自聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚苯硫醚、PEEK、PVDF、PTFE的材料制成的方形网格或开口精密织物，处于从2000μm至5μm的开口范围内。
8.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述第一纳米孔膜层由选自以下项的聚合物材料组成：PTFE及其衍生物、PVDF、PA6、PA6/12、聚芳酰胺、PUR、PES、PVA、PVAC、PAN、PEO、PS、导电聚合物和/或选自壳聚糖、角蛋白、胶原、肽等的生物聚合物，处于从100nm到3μm的网孔范围。
9.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述第一纳米孔膜层通过选自相转化、静电纺丝、机电拉伸的浸渍工艺制成。
10.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述耦合选自反应性热熔耦合、热塑性层压、热层压、超声层压。
11.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，在所述复合结构中，所述织物是涂覆有ePTFE膜的聚酯织物，所述织物具有85μm的网孔；60％的开放面积；90线/cm的厘米密度；24μm的线直径，空气渗透率<10000l/m2s@200Pa；CA Fibrodat>100°，所述ePTFE膜具有8μm的厚度、30l/m2s@200Pa的空气渗透率以及0.3至0.5μm的孔径。
12.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，当所述复合结构布置在蜂窝电话的常规麦克风和常规扬声器之间时，所述复合结构由于插入损耗具有低于1.5dB的声衰减或损耗。
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