CN114502252A - 一种用于制备复合过滤介质的方法和用该方法获得的复合过滤介质 - Google Patents
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Abstract
一种用于制备复合过滤介质(1)的方法，包括通过经由静电纺丝工艺在基底织物(2)上沉积纳米纤维(4)来形成第一过滤介质(8)的步骤以及通过在真空室(9)中在所述第一过滤介质(8)上等离子体沉积包覆层(7)来覆盖所述过滤介质(1)的步骤。根据本发明，在静电纺丝工艺之后并且在包覆层(7)的等离子体沉积之前，提供了在相同的室(9)内对形成前述第一过滤介质(8)的基底织物(2)和纳米纤维(4)的脱气步骤。相对于已知的过滤介质，本发明的过滤介质提供了保持期望水平的对水和油的排斥性的优点，这是由于形成完全聚合的包覆层，该包覆层强烈地粘附至基底织物和纳米纤维的表面。
Description
发明背景
本发明涉及一种用于制备复合过滤介质(composite filter medium)的方法。本发明还扩展到用该方法获得的复合过滤介质。
本发明的领域是复合过滤介质的领域，特别是用于防止灰尘颗粒的侵入并排斥液体(一般诸如水和油)的复合过滤介质的领域，以便确保对空气的高渗透率，即低的声阻抗，以用于最佳的声音传递；例如，在消费电子设备中，尤其是在移动电话的电声部件中。
已知的复合过滤介质由通过纬纱和经纱基底织物(weft and warp base fabric)支撑的至少一个纳米纤维层的组合形成，其中纳米纤维层通过静电纺丝工艺(electrospinning process)被沉积在基底织物上，并且其中等离子体包覆层被施加至基底织物和纳米纤维。这种方法产生复合过滤介质，其中纳米纤维层粘附至基底织物。
为了保证等离子体包覆层的期望的性能，注入到等离子体系统室中的单体在最佳条件下在基底织物和纳米纤维的表面上聚合是至关重要的。然而，这些聚合条件取决于为等离子体处理设定的工艺参数，例如电源的功率、真空室中的密封压力、纤维暴露于等离子体处理的时间、基质与电极的距离，以及其他工艺参数。
在上文描述的等离子体处理期间，真空室中的压力相对于设定值可能经历变化，特别地，由于由在真空室内正在被加工的材料所释放的气体，该压力可能增加。在用于在基底织物和纳米纤维的表面上形成包覆层的等离子体工艺期间，室内的压力升高的原因主要可归因于放置在真空室内的材料的水分含量。事实上，在此处理期间，水分子离开待包覆的纤维材料，这导致压力的增加，与包覆等离子体进料气体混合，从而将其污染。当在具有大的直径和重的重量的材料的卷上工作时，即在工业生产工艺中，这甚至变得更加关键。
这样的压力的增加不可避免地改变形成基底织物和纳米纤维的包覆层的材料的聚合条件，导致包覆层的不完全聚合，这又导致不能降低纳米纤维的表面能，并且因此不能在最终的过滤介质中实现期望的对水和油的排斥性。
通过由织物释放的水分子引起的对包覆等离子体进料气体的污染改变了聚合反应，从而产生具有表现不如期望的斥水和斥油包覆层的化学-物理性能的化学-物理性能的包覆层，并且不能确保聚合的包覆层与基质的充分粘附。
发明概述
本发明的主要目的是提供一种复合过滤介质及其制造工艺，相对于已知的这种类型的过滤介质，所述复合过滤介质及其制造工艺确保沉积在形成基底织物的单丝的表面上的和沉积在纳米纤维的表面上的包覆层的最佳聚合。
本发明的目的还提供一种用于制造过滤介质的工艺，该过滤介质具有强烈粘附至基底织物的单丝的表面和纳米纤维的表面的包覆层。
这些和其他目标分别通过权利要求1的方法和权利要求10的过滤介质来实现。从剩余的权利要求来看，本发明的优选实施方案将是明显的。
相对于已知的过滤介质，本发明的过滤介质提供了保持期望水平的对水和油的排斥性的优点，这是由于形成完全聚合的包覆层，该包覆层强烈地粘附到基底织物和纳米纤维的表面。
本发明的复合过滤介质(其中单独的纳米纤维和织物的单独的线覆盖有薄的高度疏水和疏油的包覆层)还具有排出灰尘并且特别是排出液体的能力，该液体不仅是水(高表面张力，72mN/m)，而且还是诸如具有低表面张力(30mN/m-40mN/m)的油的液体。本发明的过滤介质的这种特性在其作为电声部件特别是移动电话的电声部件的保护屏的应用中特别有用。事实上，本发明的过滤介质由纳米纤维组成，纳米纤维提供非常高的对空气的渗透率(和非常低的声阻抗)，从而确保有效防止颗粒的侵入。此外，由于本发明的复合过滤介质的特定的包覆层，本发明的复合过滤介质防止水、油和其他类型液体的渗入。事实上，本发明的过滤介质不仅防止这些液体的渗入，而且由于其对水的排斥性而更容易清洁。
附图简述
这些和其他目标、优点和特征将从以下对根据本发明的方法和过滤介质的优选实施方案的描述中变得明显，该方法和过滤介质的优选实施方案在附图的图中以非限制性示例的方式图示。
在这些附图中：
图1是本发明的复合过滤介质的实例的截面示意图；
图2示出了通过静电纺丝沉积在基底织物的对应的线上的纳米纤维的详细图，其中纳米纤维和基底织物的线都包覆有通过等离子体处理施加的斥水且斥油的聚合物的纳米层；
图3图示了用于在本发明的过滤介质中制成纳米纤维层的静电纺丝方法；
图4示意性地图示了本发明的过滤介质的等离子体处理，该等离子体处理是通过在基底织物上沉积由静电纺丝工艺制成的纳米纤维层而获得的；
-图5图示了对于干燥样品和湿样品跨过整个过滤介质测量的流量和压力之间的关系；
-图6图示了对于在两个不同样品上进行的清除堵塞测试(declogging test)的排空压力和对应的压降之间的关系。
优选实施方案的描述
在图1中整体用数字1指示的本发明的复合过滤介质包括由经纱和纬纱类型的基底织物2(优选地单丝织物)形成的支撑物，纳米纤维4通过静电纺丝沉积在该基底织物的表面上。适合于本发明的单丝3是从聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、芳族聚酰胺的单丝开始制成的，其中基底织物2的网眼开口在从2500微米至5微米的范围内。
用于制备本发明的复合过滤介质的基底织物选自宽范围的合成单丝织物，这些合成单丝织物在用于编织(weaving)的单丝的化学性质上不同，该单丝诸如为聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、芳族聚酰胺。同样适合于本发明的是这样的基底织物，其具有4根线/厘米-300根线/厘米的纺织构造、10微米-500微米的线直径、具有15g/m2-300 g/m2的重量和18微米-1000微米的厚度的编织组织(weave)。对于整理(finishing)和进一步的表面处理，除了金属化之外，可以使用水洗和热定形的“白色”织物、彩色织物、经历等离子体处理的织物、疏水织物、亲水织物、抗菌织物、抗静电织物和类似织物。本发明优选的是聚酯单丝织物，每厘米具有48根线，直径为55微米，基底织物的网眼开口为153微米。
适合于本发明的是聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、藻酸盐、聚碳酸酯、PVA(聚乙烯醇)、PLA(聚乳酸)、PAN(聚丙烯腈)、PEVA(聚乙烯醋酸乙烯酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PEO(聚环氧乙烷)、PE(聚乙烯)、PVC、PEI、PUR和聚苯乙烯的纳米纤维4。这些纳米纤维可以具有在50nm与700nm之间的直径。直径范围为从75nm至200nm的PVDF(聚偏二氟乙烯)纳米纤维是优选的。
如图3中图示的，用于形成纳米纤维4和使其随后沉积在基底织物2上的静电纺丝工艺包括通过喷嘴5注射用于形成纳米纤维4的溶解在合适的溶剂中的材料，以便将该材料铺展在电极6上。由于喷嘴5和电极6之间的电势差，由于电场和借助于喷嘴沉积在电极上的聚合物的拉伸，通过溶剂的蒸发形成纳米纤维4。这样形成的纳米纤维然后被拉伸，并且随后被沉积在基底织物2上。
以这种方式获得的复合过滤介质然后经历表面处理，该表面处理通过以下进行：在织物2和纳米纤维层4的暴露表面上等离子体沉积纳米厚度的聚合物层7，从而完全覆盖基底织物2的单丝3和前述纳米纤维4的外表面(图2)。
如图4所示，在存在形成前述包覆层7的气体的情况下，从图3的先前静电纺丝工艺获得的复合过滤介质8被布置在等离子体处理室9内，以便覆盖本发明的复合过滤介质1。
本发明优选的是基于氟碳丙烯酸酯特别是十七氟癸基丙烯酸酯、全氟辛基丙烯酸酯和类似物的气体。由于氟碳丙烯酸酯的斥水和斥油特性，通过等离子体处理氟碳丙烯酸酯的沉积物而形成的气体对本发明是有利的。
在上文描述的等离子体处理中，还使用载气(carrier gas)，例如WO2011089009A1中描述的类型。
前述等离子体处理包括产生10毫托-50毫托的真空、150瓦-350瓦的电极功率和0.5分钟-6分钟的暴露时间。
通过等离子体技术沉积的包覆层可以具有高达500nm的厚度，并且由于所使用的特定技术，具有连续膜的结构，甚至能够包覆像织物的表面那样的3D表面。取决于所使用的化合物，前述包覆层可以具有多种独特的特征，诸如疏水性、疏油性、亲水性和抗静电性。
本发明优选的是从起始气体中的下列化合物开始获得的包覆层：
1H,1H,2H,2H-十七氟癸基丙烯酸酯(CAS#27905-45-9,H2C＝CHCO2CH2CH2(CF2)7CF3)
1H,1H,2H,2H-全氟辛基丙烯酸酯(CAS#17527-29-6,H2C＝CHCO2CH2CH2(CF2)5CF3)。
包覆层7的厚度为15nm-60nm，适于防止该包覆层使复合过滤介质1在织物2和纳米纤维4两者中形成的孔隙过度变窄，该孔隙过度变窄将阻碍声音的自由通过。
对如从图3的静电纺丝工艺获得的复合过滤介质8进行测试，与经历图4的后续等离子体处理的类似复合过滤介质1进行比较。
特别地，前述过滤介质8通过由合成单丝3(例如聚酯的单丝)制成的纬纱和经纱织物形成，在该织物上已经沉积同样由合成材料(例如聚酯)制成的纳米纤维4，以便获得25MKS Rayls的声阻抗，该声阻抗用Textest仪器或用于测量声阻抗/空气渗透率的类似仪器测量。
在过滤介质8的等离子体处理之后，在本发明的复合过滤介质1上可以观察到，声阻抗在25MKS Rayls的值处保持不变。在200Pa的压力，空气渗透率值为5,200l/m2s，并且过滤效率也保持不变。
另一方面，观察到与水的接触角(从50°到130°)和与油的接触角(对于具有表面张力为32mN/m的玉米油的油，从50°到120°)都有相当大的增加，其中接触角是使用利用Kruss仪器的固着方法(sessile method)(液滴沉积和通过高分辨率照相机测量接触角)基于一滴水或油与纳米纤维4测量的。
清除堵塞测试
为了提供上文阐述的观察结果的证据，开发了一种测试方法，目的是用数字量化去除沉积在本发明的复合过滤介质的表面上的油所需的能量。
该测试利用孔隙率计(PMI 1200，由PMI制造)进行，该仪器使用毛细管流孔隙率测定法(capillary flow porometry)来确定测试的样品上的泡点、最小孔隙尺寸和孔隙尺寸的分布。毛细管流孔隙率测定法，或简称为孔隙率测定法，基于极其简单的原理：测量迫使润湿液通过材料的孔隙所需的气体的压力。孔隙排空的压力与孔隙本身的尺寸成反比。大的孔隙需要低的压力，而小的孔隙需要高的压力。
测试包括切割待分析的样品，并将其放入测试室内。随后，通过O型圈将样品保持在合适的位置上，以这种方式确保没有侧向空气泄漏。一旦室被关闭，就测量过滤介质的空气渗透率，从而获得曲线，该曲线使通过样品的空气流量与跨过过滤介质测量的压降相关(图5中的曲线图中的干燥曲线)。一旦已经获得干燥曲线，就打开测试室，并且将样品留在原位，用具有低表面张力(通常<20mN/m)的测试液体覆盖样品的表面。然后关闭测试室，并且再次测量材料的空气渗透率。当材料被测试液体堵塞时，压力将增加，但在下游将不会测量到空气流量，直到压力高到足以迫使液体通过孔隙。从这一刻起，随着压力值的增加，尺寸减小的孔隙将被排空，直到样品(之前是湿的)完全干燥，并且图5的两条曲线重叠。在不涉及分析细节的情况下，在定性水平上，从两条曲线之间的差异，可以确定泡点值(最大孔隙)、最小孔隙的尺寸和孔隙尺寸的分布。
在特定情况下，为了确定斥油/去油能力，进行了该测试，但是使用玉米油(表面张力32mN/m)代替测试液体。
图6中的曲线图示出了排空压力和对应的压降(排空所需的能量)。在图6的曲线图中考虑的样品是来自静电纺丝处理的过滤介质8(曲线10)和本发明的过滤介质1(曲线11)。可以看出，与没有经历等离子体处理的复合过滤介质8相比，利用本发明的过滤介质1，可以在明显较低的压力去除油，或者在相同的压力去除明显更大量的油。
根据本发明，现在已经令人惊讶地发现，通过在上文描述的方法中增加在形成包覆层7的步骤之前进行的、在真空室中对形成待处理的复合过滤介质8的单丝3和纳米纤维4的材料进行脱气的初步步骤以及后续的等离子体处理，实现了随后沉积在形成基底织物的单丝和纳米纤维上的包覆层的完全聚合和强烈粘附。
特别地，根据本发明，在形成等离子体包覆层7的步骤之前，在室9中进行对在先前的静电纺丝工艺中获得的过滤介质8的脱气步骤，以便使室9中的压力达到5毫托-250毫托的值。为此目的，根据待处理的材料的尺寸、重量和吸湿性，将提供脱气步骤，该脱气步骤使材料的暴露时间典型地在从5秒至5分钟的范围内。当然，一旦确定了允许介质的完全干燥的适当暴露时间，即确保在后续的包覆步骤中的稳定真空度的时间，则应当取决于室内的暴露面积来设定用于脱气步骤的正确速度。这样的面积由在展开筒(unwinding cylinder)和卷绕筒(winding cylinder)之间的距离以及电极尺寸来确定。特别地，如果材料被包装成卷，则取决于该材料的水分含量，该材料将在室9内以在0.1m/min和50m/min之间的速度连续地展开和再卷绕。将在室9中提供由阀的系统适当地控制的开口，使得可以将待消除的气体排出。
根据本发明，对前述的压力值的初步检查将允许包含在待在室9中处理的材料中的水分被完全去除，以便允许在形成所述包覆层的后续步骤中达到在基底织物和纳米纤维的表面上的包覆层7的期望的聚合压力。
此外，根据本发明，在上文描述的脱气处理之后并且再次在形成包覆层7的步骤之前，通过等离子体处理，使形成基底织物2的单丝3的表面和纳米纤维4的表面在室9中重新活化，所述等离子体处理在被保持在10毫托-400毫托的压力的室9中，采用在100W-2000W的范围内的电极功率以及在5秒至5分钟的范围内的暴露时间，采用优选地选自氮气、氦气、氩气和氧气的载气进行。取决于使用的气体、暴露时间和功率，将获得或多或少明显的蚀刻效果，这导致在待处理的表面上形成纳米/微米的粗糙度。
在此步骤中，由于不存在聚合物单体，在处理的表面上不存在任何包覆层的形成。相反，由等离子体适当激发的、来自载气的离子以一定的能量冲击基质的表面，这产生纳米凹槽并且因此产生纳米粗糙度，这有利于聚合物包覆层7对单丝3和纳米纤维4的表面的抓紧和粘附，显著地有助于过滤介质对水性液体和油性液体的排斥作用。
由用本发明的工艺制成的过滤介质提供的结果在下表中示出，其值是对具有聚合物材料的层7的过滤介质测量的，该过滤介质通过在以下步骤之后进行用于形成聚合物材料的层7的等离子体处理而获得：
-脱气步骤，该脱气步骤通过将待处理的材料保持在室9内持续适合于确保在后续处理中25毫托的稳定压力的30秒的时间来进行；
-以及随后，对待包覆的材料的等离子体处理的步骤，该步骤在作为载气的氦气的存在下、采用150毫托的真空、600W的电极功率和1分钟的暴露时间而进行：
从这些结果可以看出，在脱气步骤和初步等离子体处理之后，在真空室9中形成的聚合物包覆层7如何确保本发明的过滤介质与油的非常高的接触角(>110°)、以及比需要的最小值高得多的与基质的粘附水平。
在如上文描述的和在附图中的图中所图示的本发明中，可以进行改变以便产生变型，这些变型仍然落在所附权利要求的范围内。
特别地，当过滤介质由略微吸湿性的材料开始被制成并且将经历等离子体沉积工艺时，可以通过等离子体处理并且采用载气单独地进行重新活化步骤，所述载气再次选自氮气、氦气、氩气和氧气。事实上，对于这种类型的略微吸湿性的材料，可以省略上文描述的初步脱气步骤。
Claims (18)
1.一种用于制备复合过滤介质(1)的方法，包括通过借助于静电纺丝工艺在基底织物(2)上沉积纳米纤维(4)来形成第一过滤介质(8)的步骤以及通过在真空室(9)中在所述第一过滤介质(8)上等离子体沉积包覆层(7)来覆盖所述过滤介质(1)的步骤，其特征在于，在所述静电纺丝工艺之后并且在所述包覆层(7)的所述等离子体沉积之前，所述方法提供在相同的室(9)内对形成前述第一过滤介质(8)的所述基底织物(2)和所述纳米纤维(4)的脱气步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述脱气步骤期间，使前述室(9)达到在5毫托和250毫托之间的内部压力值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述脱气步骤期间，确保所述材料在所述室中从5秒至5分钟的暴露时间。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在前述脱气步骤之后并且在所述包覆层(7)的所述等离子体沉积之前，所述方法还提供通过在载气的存在下并且在没有任何含聚合物的气体的情况下在所述室(9)中进行的对在先前脱气步骤中获得的所述第一过滤介质(8)的等离子体处理，在所述基底织物(2)和前述纳米纤维(4)的表面上形成不规则部的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，前述载气选自氮气、氦气、氩气或氧气。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，前述等离子体处理在所述室(9)中在10毫托-400毫托的压力、采用100W-2000W的电极功率并且采用在5秒和5分钟之间的暴露时间来进行。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述静电纺丝工艺包括借助于喷嘴(5)挤出溶解在合适溶剂中的聚合物，并且随后在所述喷嘴本身和电极之间拉伸纤维，从而获得纳米纤维在所述基底织物上的沉积，所述基底织物合适地置于所述喷嘴和所述电极之间，由此获得的所述过滤介质(8)随后经历通过在所述基底织物(2)的暴露表面和所述纳米纤维层(4)的暴露表面上等离子体沉积纳米厚度的聚合物层(7)的表面处理，获得前述复合过滤介质(1)，其中所述基底织物(2)的单丝(3)的外表面和前述纳米纤维(4)的外表面包覆有所述聚合物层(7)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，前述等离子体沉积处理包括产生10毫托-50毫托的真空、150瓦-350瓦的电极功率和0.5分钟-6分钟的暴露时间。
9.一种用于制备复合过滤介质(1)的方法，包括通过借助于静电纺丝工艺在基底织物(2)上沉积纳米纤维(4)来形成第一过滤介质(8)的步骤以及通过在真空室(9)中在所述第一过滤介质(8)上等离子体沉积包覆层(7)来覆盖所述过滤介质(1)的步骤，其特征在于，在所述静电纺丝工艺之后并且在所述包覆层(7)的所述等离子体沉积之前，所述方法提供通过在载气的存在下并且在没有任何含聚合物的气体的情况下在所述室(9)中进行的对所述第一过滤介质(8)的等离子体处理，在所述基底织物(2)和所述纳米纤维(4)的表面上形成不规则部的步骤。
10.一种复合过滤介质，所述复合过滤介质是包括基底织物(2)的类型，在所述基底织物(2)上沉积有纳米纤维(4)，其特征在于，所述基底织物和前述纳米纤维覆盖有借助于等离子体工艺施加的纳米包覆层(7)，所述基底织物(2)和所述纳米纤维(4)具有通过在载气的存在下并且在没有任何含聚合物的气体的情况下等离子体处理获得的纳米凹槽。
11.根据权利要求10所述的过滤介质，其特征在于，前述包覆层(7)由具有高达500nm的厚度、优选地具有15nm-60nm的厚度的膜形成。
12.根据权利要求10所述的过滤介质，其特征在于，前述包覆层(7)是基于具有斥水和斥油特性的氟碳丙烯酸酯的包覆层。
13.根据权利要求10所述的过滤介质，其特征在于，所述单丝(3)是从聚酯、聚酰胺、聚丙烯、聚醚砜、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、芳族聚酰胺的单丝开始制成的。
14.根据权利要求10所述的过滤介质，其特征在于，前述基底织物(2)具有2500微米-5微米的网眼开口。
15.根据权利要求10所述的过滤介质，其特征在于，前述基底织物(2)具有4根线/厘米-300根线/厘米的纺织构造、10微米-500微米的线直径、具有15g/m2-300 g/m2的重量和18微米-1000微米的厚度的编织组织。
16.根据权利要求10所述的过滤介质，其特征在于，前述纳米纤维(4)是聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯、聚砜、聚醚砜、聚酰胺酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、藻酸盐、聚碳酸酯、PVA(聚乙烯醇)、PLA(聚乳酸)、PAN(聚丙烯腈)、PEVA(聚乙烯醋酸乙烯酯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PEO(聚环氧乙烷)、PE(聚乙烯)、PVC、PI或聚苯乙烯的纳米纤维。
17.根据权利要求10所述的过滤介质，其特征在于，所述纳米纤维(4)具有在50nm和700nm之间的直径，优选地，所述纳米纤维(4)是具有在从75nm至200nm的范围内的直径的PVDF(聚偏二氟乙烯)纳米纤维。
18.根据前述权利要求中的一项或更多项所述的过滤介质的用途，用于保护移动电话中的电声部件。
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