CN116261579A - 透明的可重复使用的超高分子量聚乙烯空气过滤器 - Google Patents

透明的可重复使用的超高分子量聚乙烯空气过滤器 Download PDF

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张树君
顾其傲
高平
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Abstract

本发明提供了一种用于去除病毒或去除小颗粒的新型透明超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纳米多孔过滤器，其具有极高的过滤效率和通过筛分机制阻挡经空气传播的亚微米颗粒的能力。这种新纳米多孔过滤器有利地兼具对可见光和紫外光的极高透射率、通过紫外照射或简单洗涤进行清洗或消毒后的可重复使用性、几纳米至500纳米的可定制筛分孔径范围，以及承载杀菌、杀病毒等的试剂或者纳米或微米尺度上的颗粒的能力。

Description

透明的可重复使用的超高分子量聚乙烯空气过滤器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年9月17日提交的美国临时申请系列No.
63/204,179的权益，该临时申请的包括任何表格、图或附图在内的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及空气净化过滤器的领域。更具体而言，本发明涉及一种具有高过滤效率、低压降和极高光学透射率的超轻纳米多孔聚合物空气过滤器。
背景技术
一个人每天平均呼吸大于两万次，交换一万升的空气。空气是生命的基本必需品。然而，空气污染以及经空气传播的病毒的问题已经成为人类的巨大威胁。最实际的是，通过物理过滤或吸附实现空气的净化，空气的净化可以充分帮助对抗由污染的空气所造成的有害影响。许多空气过滤器制品在空气净化方面具有理想的性能，例如面罩和高效颗粒物空气(HEPA)过滤器。然而，市售空气过滤材料没有光学透明的。
Puckett等人的美国专利申请No.2010/0239625公开了一种带有通风孔开口的多层透明膜形成的面板。Puckett将“窒息”列举为不具有通风口的透明面罩的穿戴/感受评价，不具有通风口的透明面罩需要多个层，其中层之间有间隙，并且Puckett进一步指出，所使用的层越多，透过面罩的能见度越差。
Liu,C.等人(参见文献Transparent air filter for high-efficiencyPM2.5capture.Nat.Commun.6,6205(2015))公开了一种透明超薄过滤器，其中当PM2.5颗粒的去除率>95.00％时的透明度为～90％，当PM2.5颗粒的去除率>99.00％时的透明度为～60％，并且在PM2.5颗粒的去除率>99.97％时的透明度为～30％。Liu阐述了根据颗粒尺寸，PM分为PM2.5和PM10，PM2.5和PM10分别指颗粒尺寸小于2.5μm和10μm。由于PM2.5的颗粒尺寸小从而PM2.5可穿透人体支气管和肺部，因此PM2.5污染极其有害。因此，长期暴露于PM2.5增加了发病率和死亡率。
Calis等人的美国专利No.8465565公开了厚度大于10μm至小于200μm且平均孔径为至少0.5μm的多层聚乙烯膜。
发明内容
在一个方面，本发明可提供一种光学透明的空气过滤器，其代表了从商业角度和技术角度的开拓性进展。在另一方面，本发明可提供一种透明窗滤网(transparent windowscreen)，其兼具未削弱的视觉、自然光的透过和进入空气的有效过滤(例如，兼具HEPA过滤和大于90％的可见光透射率)。在另一方面，本发明可提供一种透明面罩，其通过安全地过滤面罩佩戴者呼入和呼出的空气，从而可提高安全性、舒适性以及人际互动性，同时能够提高佩戴者的嘴、鼻或脸的可视性。提高的可视性通过提高视觉线索的感知并促进唇读可以进一步有益于患有听力障碍的个体。
在一些实施方案中，本发明可提供制备超透明纳米多孔UHMWPE过滤器的过程，该过滤器具有高过滤效率(例如，对0.1微米颗粒的过滤效率>99.995％)和低压降(例如，流速为5.3cm/s时具有的压降为约100Pa)以用于去除经空气传播的颗粒物。此外，在某些实施方案中，本发明提供了一种纳米多孔UHMWPE过滤器，其具有优异的性能，包括极高的光透射率、机械强度和稳健性，从而足以通过洗涤和/或UV消毒重复使用。根据本发明的UHMWPE过滤器的一个实施方案已经用于制造透明面罩的制品原型，该制品原型具有实际用途所需的性能特征。
本发明的实施方案提供了这样的纳米多孔纳米膜(例如，UHMWPE膜)，其纳米膜厚度小于1000纳米，或者小于10000纳米、9000纳米、5000纳米、2000纳米、1100纳米、900纳米、800纳米、700纳米、600纳米、500纳米、400纳米、300纳米、200纳米、100纳米、90纳米、80纳米、70纳米、60纳米、50纳米、40纳米、30纳米或20纳米，包括增量、范围和它们的组合。可通过本领域已知的技术(例如，利用以下方式的单点或平均多点测量：物理接触/探测，如通过测微计、扫描探针显微镜等；光学测量，如光学透射率/吸光度、干涉仪、椭偏仪、截面扫描电子显微镜等；电容，如霍尔效应、电容计等；称重方法，如微量天平、超天平等；光谱测定法，例如TOF-SIMS、动态XPS、XRF等；或其他仪器。诸如ASTM E252-06之类的国家、地区或国际标准可用于测量根据本发明的实施方案的厚度)测量膜厚度(以及根据本发明的任何过滤器、结构体、层压体或组件的厚度)。
本发明的实施方案提供了这样的纳米多孔纳米膜(例如，UHMWPE膜)，其包括平均孔径小于500纳米、或者小于495纳米、490纳米、450纳米、400纳米、300纳米、200纳米、100纳米、80纳米、60纳米、40纳米、20纳米、10纳米、5纳米或3纳米的孔，包括增量、范围和它们的组合。或者，平均孔径可大于500纳米，或者大于400纳米、300纳米、200纳米、100纳米、80纳米、60纳米、40纳米、20纳米、10纳米、5纳米、3纳米或1纳米，包括增量、范围和它们的组合。平均孔径可为约106纳米、小于106纳米、在3纳米和110纳米之间、在20纳米和40纳米之间、在39纳米和59.4纳米之间或在20纳米和60纳米之间，包括增量、范围和它们的组合。可通过本领域已知的技术测量孔径(例如，利用物理、光学、电容或其他仪器的单点或平均多点测量，包括Brunauer–Emmett–Teller(BET)表面积分析仪、压汞仪、扫描电子显微镜/透射电子显微镜(SEM/TEM)图像分析等)。不同应用领域、技术或细分市场中的不同过滤材料(例如，陶瓷过滤器、纤维过滤器、多孔膜、海绵状吸收介质以及其他实施方案或个别实施方案的各种应用)可以具有本领域已知的不同孔径表征标准；各标准都可以应用于量化或鉴别本发明的实施方案的厚度或其他性能。
本发明的实施方案可提供这样的纳米多孔纳米膜(例如UHMWPE膜)，其对0.1μm颗粒的过滤效率大于95％、或者大于50％、60％、70％、80％、90％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.95％、99.99％、99.995％或99.999％，包括增量、范围和它们的组合；或者，对0.075μm颗粒的过滤效率大于50％、60％、70％、80％、90％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.95％、99.99％、99.995％或99.999％，包括增量、范围和它们的组合。
本发明的实施方案提供了这样的纳米多孔纳米膜(例如，UHMWPE膜)，其在空气中、在流体速度为20cm/s时具有的压降小于1000Pa，或者小于900Pa、800Pa、700Pa、600Pa、500Pa、400Pa、300Pa、200Pa或100Pa，包括增量、范围和它们的组合；或者，在指定气体成分中(例如，在内燃机的排气流中)亦是如此；或者，在接近大气条件下(例如，在15℃，1atm压力)、在流速为5.3cm/s时具有的压降(或者)约200Pa，或者小于200Pa、190Pa、180Pa、170Pa、160Pa、150Pa、140Pa、130Pa、120Pa或110Pa，包括增量、范围和它们的组合。
本发明的实施方案提供了这样的纳米多孔纳米膜(例如，UHMWPE膜)，其具有的可见光透射率大于90％、或者大于50％、60％、70％、80％、95％、96％、97％、98％或99％，包括增量、范围和它们的组合，例如，根据ASTM D1746(塑料片材透明度的标准试验方法(Standard Test Method for Transparency of Plastic Sheeting))测定可见光透射率，在此，该方法的全部内容并入本文。虽然这种ASTM标准需要在光波长(540nm至560nm)进行测试，但在本发明的范围内，进一步考虑在全紫外-可见光谱(200nm至1100nm)进行测试并相应地报告全光谱可见结果。
本发明的实施方案提供了这样的纳米多孔纳米膜(例如，UHMWPE膜)，其具有大于1.5GPa的杨氏模量和大于800MPa的拉伸强度；或者，杨氏模量在1.5GPa和10GPa之间，并且拉伸强度在800MPa和1300MPa之间，包括增量、范围和它们的组合。可以通过本领域公知的方法对杨氏模量和拉伸强度的测定进行测定(例如，按照ASTM D882，薄塑料片材拉伸性能的标准试验方法(Standard Test Method for Tensile Properties of Thin PlasticSheeting)，该方法的全部内容通过引用并入本文。
某些实施方案可以组合多个有利特征。作为非限制性实例，此类实施方案可包括具有以下任意或全部特征的空气过滤器：对0.1微米颗粒的过滤效率高于95％，或者高于90％、91％、92％、93％、94％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.95％、99.99％或99.995％；流速为5.3cm/s时的压降为约200Pa，或者小于200Pa、190Pa、180Pa、170Pa、160Pa、150Pa、140Pa、130Pa、120Pa或110Pa；杨氏模量大于1.5GPa；拉伸强度大于800MPa；并且可见光透射率大于90％。或者，也可以提供本文公开的单个过滤器特征的其他组合。
本发明的实施方案提供了通过提供包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的膜从而制备层压纳米膜结构体的方法，该膜的厚度小于1000纳米、或者小于10000纳米、9000纳米、5000纳米、2000纳米、1100纳米、900纳米、800纳米、700纳米、600纳米、500纳米、400纳米、300纳米、200纳米、100纳米、90纳米、80纳米、70纳米、60纳米、50纳米、40纳米、30纳米或20纳米，包括增量，范围和它们的组合；沿第一方向依次拉伸膜以在膜中形成初步孔结构；随后沿第二方向拉伸膜，选择第二方向以控制孔的拓扑结构，或同时双轴拉伸膜，依次和同时双轴拉伸这两者都可在膜中形成三角形孔结构，该三角形孔结构包括由纳米纤维限定的三角形孔，该三角形孔的平均孔径小于100纳米；在拉伸后对纳米膜进行热退火；将一个或多个纳米颗粒接枝至纳米膜结构体；并且将该膜层压至背衬材料以形成层压纳米膜结构体。三角形孔结构的一个或多个孔可包括有助于膜的结构完整性的Delaunay特征。将一个或多个纳米颗粒接枝至纳米膜结构体中的步骤可包括沉积、旋涂、浸涂、浇铸、喷涂、溅射或等离子体蚀刻中的至少一者。一个或多个纳米颗粒可从结构体移除、部分移除或不移除，并且一个或多个纳米颗粒可包括银纳米颗粒、铂族金属或钙钛矿中的一者或多者。一个或多个纳米颗粒还可包括尺寸小于100纳米的颗粒。将一个或多个纳米颗粒接枝至纳米膜结构体的步骤还可包括基于溶液的表面合成过程，该表面合成过程包括在低于120℃时发生的化学反应。在一些实施方案中，通过在纳米膜和背衬材料之间建立范德华力实现将膜层压至背衬材料的步骤。建立范德华力的方法可包括超声波焊接或声波焊接(例如，声波焊接可包括用溶液填充膜和背衬材料之间的间隙，其中溶液可为一种或多种挥发性或非挥发性溶剂(例如，乙醇、丙酮或其他已知溶剂)，以及干燥溶剂以提供膜和背衬材料之间的提高的接触性)。
本发明的实施方案提供了一种膜，该膜具有三角形孔结构，该三角形孔结构包括由纳米纤维限定的三角形孔，该三角形孔具有可通过三角形孔的2D表示的内切圆直径测量的平均孔径(例如，图1的图像的两者中的一者中的三条白色纤维线之间的内切圆)。根据本发明的实施方案的三角形孔可由几何三角形限定，或者，由近似三角形限定，近似三角形中的一个或多个边(例如，UHMWPE纤维)不是完全直的，而是可具有弯曲、曲线、不规则或变形拓扑结构(例如，如图1所示)。此外，单个三角形的角可呈不同程度的成圆、颈缩或纤维之间的搭接。不同尺寸的三角形可相互搭接或啮合。可以选择放大倍率以支持在实施方案中所需平均孔径、或单个孔径、标称孔径、或孔径分布的测定(例如，包括但不限于图1所示的20,000X和50,000X放大倍率)。一个或多个孔周围的相邻、连接、搭接或邻近纤维可具有类似的、相同的或不同的尺寸(例如，如图1所示)
在膜沿两个方向(例如，沿第一方向和第二方向)拉伸的实施方案中，这两个方向可以彼此垂直(例如，以90度的角度，或者，大约垂直或约90度角)，或者与其他方向成角。两个方向之间的合适角度包括175度、170度、160度、150度、140度、135度、130度、120度、110度、100度、95度、94度、93度、92度、91度、90度、89度、88度、87度、86度、85度、80度、70度、60度、50度、40度、45度、40度、30度、20度、10度和5度，包括增量、范围和它们的组合。可有利地选择两个方向之间的具体角度以影响整个孔结构或单个孔的拓扑结构。尽管本文例举了两个方向，但可以预期，沿额外方向(例如，与第一和第二方向相同或不同的方向)对材料的额外拉伸(例如，同时或依次拉伸)也可以有利地用于影响整个孔结构或单个孔的拓扑结构。
本发明的实施方案可在某些温度热退火以帮助稳定纳米膜(例如，释放和/或减少内部应变或力)。适当的退火温度可包括80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃和160℃，包括增量、范围和它们的组合。可在拉伸之前、期间或之后进行退火。退火时间和其他过程参数包括本领域已知的退火时间和其他过程参数，例如，在约30秒至约30分钟之间，例如小于30秒、30秒、45秒、60秒、90秒或120秒、1分钟、2分钟、3分钟、4分钟、5分钟、10分钟、15分钟、20分钟、25分钟或30分钟，或者大于30分钟，包括增量、范围和它们的组合。
本发明的实施方案提供了一种具有高过滤效率、低压降和极高光学透射率的超轻纳米多孔聚合物空气过滤器。过滤器可包括层压结构，该层压结构包括厚度在20纳米和40纳米之间的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纳米膜活性层，多个通常为三角形的孔径在3纳米和300纳米之间、或者在3纳米和110纳米之间、或者在3纳米和200纳米之间的孔，并且该层压结构的杨氏模量大于1.5GPa。某些实施方案还可包括背衬材料或多孔支撑层。其他实施方案还可包括抗菌添加剂、反应用试剂载体或气体处理用催化剂中的至少一者。
本发明的实施方案提供了一种用于去除空气中的污染物以提高空气质量的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其包括具有UHMWPE纳米膜活性层和背衬材料、一种或多种抗菌添加剂和多孔支撑层的层压结构。进一步的实施方案还可包括用于一些反应试剂的一种或多种载体，或用于气体处理的催化剂。
附图说明
将本发明的一些实施方案作为实例进行说明，并且不受附图的图的限制，在附图中相似的标记表示类似的元件，并且在附图中：
图1描绘了根据本发明的某些实施方案的UHMWPE双轴取向纳米多孔膜的表面形态的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图2说明了在常规HEPA过滤器中观察到的某些颗粒沉积机制以及根据本发明的某些实施方案观察到的一种筛分效应。
图3示出了根据本发明的某些实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的拉伸应力-应变曲线。
图4A示出了根据本发明的某些实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的光透射率光谱。
图4B示出了与等式(3)一致的根据本发明的某些实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的光透射率测定数据。
图5示出了与由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的市售透明防护面罩的实例相比，根据本发明的某些实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的防雾性能。
图6示出了使用根据本发明的实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的面罩的原型。
具体实施方式
本发明的一个方面提供了一种高透明UHMWPE空气过滤器，其具有高过滤效率(对100nm NaCl气溶胶颗粒的过滤效率>95％)以及低压降(在5.3cm/s时为～200Pa)，例如，根据以下中的一者或多者进行测定：(a)BS EN 149:2001+A1:2009(呼吸防护装置-颗粒物防护用过滤式半面罩-要求、测试、标记(Respiratory protective devices—Filteringhalf masks to protect against particles—Requirements,testing,marking))；(b)中华人民共和国国家标准GB/T 6165-2008(高效空气过滤器性能试验方法-效率和阻力(Testmethod of the performance of high efficiency particulate air filter-Efficiency and resistance))；或者(c)ASTM F1471(高效颗粒空气过滤器系统的空气净化性能的标准试验方法(Standard Test Method for Air Cleaning Performance of aHigh-Efficiency Particulate Air-Filter System))；各方法各自的全部内容通过引用并入本文。
本发明的另一方面提供了以美国专利申请公开No.US 20200360870公开的方式的UHMWPE膜的制造，该公开的全部内容通过引用并入本文，并且其中形成了厚度小于0.1μm的膜。根据本发明的某些实施方案，如图1所示，过滤器的平均孔径可为约100nm。不希望受理论的约束，发明人认为，除了如图2所示的包括布朗扩散、惯性冲击、重力沉降或静电沉积在内的已知过滤机制之外，本发明的某些实施方案可提供UHMWPE空气过滤器，其通过筛分效应捕获颗粒，筛分效应如Zhang,2016所述，该文献的全部内容通过引用并入本文。再次，在不受理论约束的情况下，认为颗粒捕获机制随粒径变化而改变，因为(1)大颗粒(粒径>10μm)主要可受重力沉降和筛分效应的影响；(2)中等颗粒(1μm<粒径<10μm)主要可受惯性冲击和筛分效应的影响；(3)小颗粒(0.3μm<粒径<1μm)主要可受截留和筛分效应的影响；并且超细颗粒(0.05μm<粒径<0.3μm)主要可受布朗扩散和筛分效应的影响。
在常规纤维过滤器中，穿过过滤器的压降是由各纤维对流经它的气流的阻力的组合效果引起的。压降是由全部纤维的总曳力引起的。如P.Li等人所讨论的(参见文献Airfiltration in the free molecular flow regime:A review of high-efficiencyparticulate air filters based on Carbon Nanotubes.Small.10,4553–4561(2014))，该文献的全部内容通过引用并入本文，可使用以下等式估计通过常规空气过滤器的压降：
Figure BDA0004113650330000091
相比之下，对于利用物理筛分机制的空气过滤器，可使用Chen,W.等人(参见文献High-flux water desalination with interfacial salt sieving effect innanoporous carbon composite membranes.Nat.Nanotechnol.1–6(2018).doi:10.1038/s41565-018-0067-5)讨论的Knudsen扩散方程预测过滤器的压降；该文献的全部内容通过引用并入本文：
Figure BDA0004113650330000092
分别在等式(1)和(2)中：v为空气速度，η为空气粘度，δ为过滤器厚度，C1、C2为与各自过滤器几何形状相关的常数，df为常规过滤器的纤维直径，并且r为纳米过滤器的孔径。
比较(1)和(2)，C1为无量纲常数，C2可用单位kg/m2·s表示，η和v取决于流体和流动条件并且在比较时可以在两个方程式中保持恒定。对于环境温度下的空气，C1的典型值可在0.03至30之间；而C2的典型值约1000kg/m2·s至2000kg/m2·s。这些值可因膜结构而不同。df的典型值可为1μm至100μm；并且r的典型值可为50nm至500nm。在常规过滤器中，过滤器厚度δ的典型值为5μm至100μm。在本发明的某些实施方案中，过滤器厚度δ的典型值可在15nm和500nm之间。
作为非限制性实例，发现根据本发明制造的某些原型实施方案的厚度为20nm至50nm并且孔径为100nm至200nm。根据等式(2)，假设进气流速为0.05m/s，压力为40Pa至180Pa。对于20nm厚的过滤器，本发明的相应实施方案测定的实际压降为约35Pa，并且对于50nm厚空气过滤器，实际压降为150Pa。
为了进行比较，其他UHMWPE材料(例如，如Calis等人的美国专利No.8465565描述的)典型过滤器厚度可大于20μm，这比本发明的某些实施方案厚10,000倍，从而导致等式(2)中的压降的相对大幅增加。
同样地，作为比较，在常规空气过滤器中，过滤器厚度为约0.15mm，纤维直径为约20μm。因此，根据等式(1)，计算的压降在0.056Pa至56.25Pa的范围内。对于市售常规面罩(其可能不能过滤或者性能不如本发明的实施方案)，发现实际测定的压降可通常在5Pa至25Pa的范围内。
除了提高过滤效率和降低压降之外，增加光透射率是本发明的另一优势。可以通过Puckett等人的文献Transparent Antimicrobial Face Mask.USPTO(2010).doi:10.1021/ed039p333所讨论的Lambert-Beer定律模拟穿过空气过滤器的光衰减；该文献的全部内容通过引用并入本文：
Figure BDA0004113650330000111
其中A为材料的吸光度，ε称为物质的吸光度，l为光路的长度，c为聚乙烯的摩尔浓度。将透射率T定义为透射强度I与入射强度I0的比值，并且取值在0和1之间，或者也可以表示为百分比透射率。吸光度与透射率呈对数关系；吸光度为0对应于100％的透射率，并且吸光度为1对应于10％的透射率。
在本发明的某些实施方案中，在500nm的波长处的光透射率(T％)可高于95％。光路l是指实施方案的膜厚度，其可以在100nm之内。在此，c是指材料的摩尔浓度，并且对于具有相同成分的过滤器(例如，聚乙烯)，c将保持恒定。
作为比较，在500nm的波长处，PET塑料片材的光透射率(T％)为约85％。l为光路，其是指膜厚度，并且通常在0.05mm之内。
在可见光范围内，聚乙烯的光吸收率为约103cm-1(例如，参见文献L.Z.Ismail,TheOptical Absorption Coefficient of Amorphous Polyethylene in the Region 450-725nm.Polym.Test.7,299–303(1987)，该文献的全部内容通过引用并入本文。具体而言，引用摘要：使用单模环形染料激光器，在450nm至725nm的波长范围内测定了非晶态聚乙烯片材的光吸收系数。入射激光功率为100mW，并且所使用的单个片材的厚度为0.039mm。吸收系数的测定值为103.85cm-1，并且在所使用的波长范围内基本恒定)。
膜越薄，光学透射率越高。当所公开的过滤器的厚度在10nm至200nm的范围内时，存在非常好的线性。当过滤器极其薄时，该等式有效，因为较厚过滤器中的内部散射将产生非线性效应，并且在较厚过滤器中只能从该方程推断定性预测。
如以上等式和讨论所示，较薄过滤器可提供较低的压降和较高的光透射率。然而，薄过滤器的脆性或较差的机械性能可成为透明超薄过滤器(例如，空气过滤器或通气面罩)的某些应用的限制因素。本发明的某些实施方案的有益特征可以包括机械稳健性。自支撑膜可足够坚固，即使当自支撑膜的厚度低于100nm时，也可作为独立空气过滤器。可以将纳米纤维过滤器的稳健性定义为维持过滤器完整性的能力，如Liu,C.等人(参见文献Transparent air filter for high-efficiency PM2.5 capture.Nat Commun.6,6205(2015))所讨论的，该文献的全部内容通过引用并入本文。
现在参考附图，图1描绘了根据本发明的某些实施方案的UHMWPE双轴取向纳米多孔膜的表面形态的两个扫描电子显微镜(SEM)图像。上方的图像的放大倍率为20,000X，并且下方的图像的放大倍率为50,000X。从下方的图像中的图像尺度，可观察或测定该膜的区域中的平均孔径为约100nm。
图2的上方的图说明了在常规HEPA过滤器中观察到的某些颗粒沉积机制，并且图2的下方的图说明了根据本发明的某些实施方案观察到的筛分效应。筛分效应基于尺寸专属机制。为了过滤出0.1μm超细颗粒，过滤器的孔径应当小于颗粒尺寸(例如，小于0.1μm)。市售空气过滤器材料通常具有的孔径范围为几微米，因此市售空气过滤器不能通过筛分效应过滤出更小的颗粒(例如，亚微米颗粒)。
图3示出了根据本发明的某些实施方案的厚度小于100nm的透明UHMWPE空气过滤器的拉伸应力-应变曲线。使用的膜样品的固体膜厚度和横向尺寸为5mm×8mm(59.4nm厚)。在环境条件下，以0.001s-1的恒定Hencky应变率进行全部应力应变试验。第一方向应力-应变曲线和第二方向应力-应变曲线之间的差异是由于膜依次双轴拉伸的过程引起的。在该图表中，第一方向是指沿材料第一次拉伸的方向，第二方向是指沿第二次拉伸的方向，在本实施方案中，第二方向垂直于第一方向，但在其他实施方案中第二方向可以在不同方向上选取。拉伸试验结果示出了过滤器沿第二方向的杨氏模量大于10GPa，并且沿第一方向的平均杨氏模量大于2GPa；并且沿第二方向的拉伸强度值大于1300MPa(是304不锈钢的3倍)，并且沿第一方向的平均拉伸强度值大于800MPa，其中样品第一方向_3的拉伸强度值达到大于1000MPa。数据表示厚度为59nm的样品的三次试验。第一和第二方向来自同一工件。
根据本发明的过滤器可具有比不锈钢304的比拉伸强度高出数倍(例如，3倍、或者大于3倍、或者大于5倍、或者大于10倍、或者大于20倍)的比拉伸强度。这使膜具有强的超薄膜承载能力。
图4A示出了根据本发明的实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的光透射率光谱。使用与图3中拉伸应力-应变曲线的测试相同的材料和制备方法测试紫外-可见光的光透射率数据。对透明UHMWPE空气过滤器材料的相同样品片的4个不同位置的紫外-可见光透射率取平均值。图4A和4B测量的试样尺寸为6cm×6cm×22nm，其中孔径为约100nm，杨氏模量为10GPa，拉伸强度为1.2GPa。
图4B示出了与等式(3)一致的根据本发明的某些实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的光透射率测定数据。对不同的特定样品进行测试，该样品以类似于图3所示的样品的制备过程进行制备。将空气过滤器测试试样切割成正方形(6cm×6cm)，并且选择垂直于各边缘的中点的4个不同的测试位置，每次测定的测定面积为5mm×9mm。通过标准透射模式，由紫外-可见光谱法测试透射率。
图5示出了与由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制成的市售透明面罩的实例相比，根据本发明的某些实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的防雾性能，其中试验方案按照标准BSEN 168:2002和ASTM F659-10耐雾性试验进行，这些标准的全部内容通过引用并入本文。图5测量的试样尺寸为6cm×6cm×22nm，其中孔径为约100nm，杨氏模量为10GPa，拉伸强度为1.2GPa。对不同的特定样品进行测试，该样品以类似于图3、图4A、图4B和图5所示的样品的制备过程进行制备。市面上声称的“透明面罩”使用透明PET作为屏障，这可以阻挡大液滴通过，但不能过滤或净化空气。不希望受理论的约束，发明人认为，根据本发明的某些实施方案的UHMWPE空气过滤器的防雾性能可源自基材的固有疏水性并且可通过其纳米结构进一步放大。由于其强疏水性和有利的纳米结构，因此水分不太可能凝结在本发明的透明过滤器或面罩的表面。
图6示出了使用根据本发明的某些实施方案的透明UHMWPE空气过滤器的面罩的原型。根据NOISH NaCl颗粒试验标准和GB 2626-2020呼吸器试验标准的试验方案对该原型进行测试，这些标准的全部内容通过引用并入本文。对于0.075μm气溶胶颗粒，过滤效率大于95％。在流速为85L/min时，压降低于350Pa。图6测量的试样尺寸为6cm×6cm×22nm，其中孔径为约100nm，杨氏模量为10GPa，拉伸强度为1.2GPa。由于测试仪器的限制，测试面积为约20cm2。对不同的特定样品进行测试，该样品以类似于图3、图4A、图4B和图5所示的样品的制备过程进行制备。
根据YY0469-2011医用外科口罩标准对实施方案的血液渗透试验(流体阻力试验)进行了测试，该标准的全部内容通过引用并入本文，并发现血液渗透值为120mm Hg。
为了可以更容易地理解本公开，在下文以及整个详细描述中定义某些术语，以对在本文中使用的这些术语的含义提供指导。
除非本文另有指示或与上下文明确矛盾，否则应当将如本文所使用的术语“一个(“a”、“an”、“the”)”和在本发明的上下文中使用的类似术语解释为涵盖单数和复数。因此，例如，除非另有指示或与上下文明确矛盾，否则应当将“一个臂(an arm)”或“一个孔(ahole)”解释为涵盖或包含单个臂或单个孔以及多个臂和多个孔。
如本文所使用的，术语“约(about)”和“近似(approximately)”通常应指给定测定的性质或精度的所测定的量的可接受误差程度。示例性误差程度在给定值或该值的范围的20百分比(％)之内，通常在10％之内，并且更典型地，在5％之内。
如本文所使用的，术语“和/或”应当理解为是指如以下方式结合的特征中的“两者中的一者或两者”：即，在某些情况下同时存在而在其他情况下不同时存在的要素。
如本文所使用的，术语“包括”、“由……组成”和“基本上由……组成”根据其标准含义定义。为了联系与每个术语相关联的具体含义，本文中的术语可以相互替代。
如本文所使用，术语“或”应当理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当将项目的列表分离时，“和/或”或“或”应解释为包括，即，包括至少一者，但也包括大于一个项目的数量，并且可选的是，额外未列出的项目。只有明确指出相反的术语，例如，“仅一者(only one of)”或“恰好一者(exactly one of)”，或者当在权利要求中使用时，“由……组成”将指包括数量或要素的列表中的恰好一个要素。一般而言，当在术语前具有排他性说明如“两者中的一者(either)”、“一者(one of)”、“仅一者(only one of)”或“恰好一者(exactly one of)”时，本文所使用的术语“或”仅应解释为表示带有排他的替代性选择(即，“一者或另一者，而不是两者”)。
如本文所使用的，首字母缩略词“PET”应当理解为指聚对苯二甲酸乙二醇酯。
如本文所使用的，首字母缩略词“UHMWPE”应当理解为指超高分子量聚乙烯。
材料和方法
本文参考或引用的全部专利、专利申请、临时申请和出版物的包括全部附图和表格在内的全部内容均通过引用并入本文，在某种程度上，这些文献与本说明书的明确教导一致。
将本公开视为本发明的示例，并且不旨在将本发明限制为由下文的图或描述所示的具体实施方案。
实施例1：一种制造透明面罩的方法是将本发明的UHMWPE空气过滤器覆盖在中空支架(例如，中空PET片材)上，然后将支架与框架和/或缓冲材料一体化以制成功能性面罩。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜(LumirrorTM高透明级)购自Toray(日本，东京)。该PET膜的厚度为100μm，密度为1.3g/cm3至1.4g/cm3。将激光切割机用于将PET膜切割成中空支架。测试了各种缓冲材料，包括但不限于聚二甲基硅氧烷、橡胶和光学胶。在本发明中考虑其他柔软、可塑性和/或支撑性的缓冲材料，并且缓冲材料可被覆或涂覆至中空支架以保护过滤材料不被刚性支架材料破坏。
实施例2：构造原型以示出透明纳米多孔UHMWPE空气过滤器也可适形于各种多孔背衬材料(例如，非织造织物或玻璃纤维网)并且层压结构可安装至HEPA/ULPA模块，以作为窗纱或其他结构化过滤器。多孔背衬材料可包括熔喷聚丙烯织物、尼龙织物、聚酯织物、其他聚合物、纤维、膨胀金属、网或玻璃纤维织物。合适的玻璃纤维织物如网眼数大于100的玻璃纤维织物可购自ADFORDS(Saint-Gobain ADFORS，法国，巴黎)。HEPA/ULPA模块可为圆柱形或平板形，并且可为折叠、波纹或扁平拓扑结构，这取决于具体应用场景。已知的粘合剂、胶或密封剂可用于制造HEPA/ULPA模块。本公开的UHMWPE空气过滤器和多孔背衬材料可形成活性过滤部件。所用的层压方法包括热压、超声波焊接、溶剂焊接、化学交联、粘合剂胶合等。可根据应用要求进一步调整层数和装配方法。
实施例3：已经构造原型样品材料以测试实施方案负载催化剂(例如，银纳米线、银纳米颗粒、石墨烯和氧化铁)的能力。透明纳米多孔UHMWPE空气过滤器还可以负载一个或多个催化剂试剂，例如银纳米线或银纳米颗粒、石墨烯、氧化铁或其他试剂；负载过滤器可作为尾气处理单元安装在气体排气装置(例如，内燃机)内部。催化剂可包括可促进化学反应/过程的物质，以将进口成分转化为其他成分。通常在这种应用中，催化剂试剂将有害/无用的排气成分转化为无毒和/或有用的成分。
本发明测试所用的银纳米线和纳米颗粒的实例包括购自Sigma-Aldrich(St.Louis,MO，美国)的那些。在一些情况下，这些银纳米材料的杆直径或粒径可小于50nm以确保高的光透射率。其他试剂包括用于工业废气处理的一些铂族金属(例如，铂、钯和铑)。其他试剂还可包括用于家用挥发性有机化合物(例如，甲醛等)处理的二氧化钛。
实施例4：图1所示的实施方案包括按照美国专利申请公开No.US 20200360870的过程制备的由超高分子量聚乙烯组成的前体凝胶膜材料。该方法包括在热对流室(100℃至150℃)以高于20×20的拉伸比双轴拉伸前体凝胶膜，然后进行热退火(100℃至150℃)。这制造出了这样的膜：厚度：20nm至50nm；孔径：约100nm；强度：900MPa至1200MPa极限拉伸强度；光透射率：在500nm的波长处>98％；拉伸方向：两个方向彼此垂直的双轴拉伸。通过与其他图相同的制造参数和前体膜制备该样品。
实施例5：通过相同的方法制造在图3中测试以生成应力和应变数据的实施方案，并且该实施方案具有与实施例4(在前述段中的图1)所记载的相同的性能测定范围。
实施例6：通过相同的方法制造在图4A和图4B中测试以生成透射率数据的实施方案，并且该实施方案具有与实施例4(上述图1)所记载的相同的性能测定范围。在光透射率方面，对大于100个样品片进行测试。结果可再现性高。支持光透射率与厚度的数据示于图4B。进行了大量测定，以找到与等式(3)的相关性。
实施例7：通过相同的方法制造在图6的原型和图5中测试以生成透射率数据随时间与雾化而变化的实施方案，并且该实施方案具有与实施例4(上述图1)所记载的相同的性能测定范围。
示例性实施方案
通过参考某些说明性实例可以更好地理解本发明，这些实例包括但不限于以下：
实施方案1.一种纳米多孔纳米膜，其包括：
厚度小于1000纳米的纳米膜，以及
平均孔径小于500纳米的孔。
实施方案2.根据实施方案1所述的纳米膜，其中平均孔径等于或小于约106纳米。
实施方案3.根据实施方案1所述的纳米膜，其中平均孔径小于100纳米。
实施方案4.根据实施方案1所述的纳米膜，其中平均孔径在3纳米和110纳米之间。
实施方案5.根据实施方案1所述的纳米膜，其中平均孔径在110纳米和500纳米之间。
实施方案6.根据实施方案5所述的纳米膜，其中厚度在20纳米和60纳米之间。
实施方案7.根据实施方案6所述的纳米膜，还包含UHMWPE。
实施方案8.根据实施方案7所述的纳米膜，其中纳米膜对0.1μm颗粒的过滤效率大于95％。
实施方案9.根据实施方案8所述的纳米膜，其中纳米膜在流体速度为20cm/s时具有小于1000Pa的压降。
实施方案10.根据实施方案9所述的纳米膜，其中纳米膜具有大于90％的可见光透射率。
实施方案11.根据实施方案10所述的纳米膜，其中纳米膜具有大于1.5GPa的杨氏模量和大于800MPa的拉伸强度。
实施方案12.根据实施方案11所述的纳米膜，其中纳米膜具有在1.5GPa和10GPa之间的杨氏模量和在800MPa和1300MPa之间的拉伸强度。
实施方案13.一种制造层压纳米膜结构体的方法，该方法包括：
提供包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的膜，该膜的厚度小于1000纳米；
将膜双轴拉伸并热退火以在膜中形成三角形孔结构，其中双轴拉伸和热退火包括：
(a)沿至少第一方向和第二方向同时双轴拉伸膜，选择第一方向和第二方向以控制孔的拓扑结构，随后热退火以在膜中形成三角形孔结构，或者
(b)依次双轴拉伸膜，随后热退火以在膜中形成三角形孔结构，其中依次双轴拉伸包括：
(i)沿第一方向拉伸膜以在膜中形成初步孔结构，
(ii)沿第二方向拉伸膜，选择第二方向以控制孔的拓扑结构，从而在膜中形成三角形孔结构，
三角形孔结构包括由纳米纤维限定的三角形孔，三角形孔的平均孔径小于100纳米，
将一个或多个纳米颗粒接枝至纳米膜结构体，以及
将膜层压至背衬材料以形成层压纳米膜结构体。
实施方案14.根据实施方案13所述的方法，其中三角形孔结构的一个或多个孔具有有助于膜的结构完整性的Delaunay特征。
实施方案15.根据实施方案13所述的方法，其中将一个或多个纳米颗粒接枝至纳米膜结构体的步骤包括沉积、旋涂、浸涂、浇铸、喷涂、溅射和等离子体蚀刻中的至少一者。
实施方案16.根据实施方案13所述的方法，其中一个或多个纳米颗粒可从结构体中移除、部分移除或不移除，并且一个或多个纳米颗粒包括银纳米颗粒、铂族金属和钙钛矿中的一者或多者。
实施方案17.根据实施方案13所述的方法，其中一个或多个纳米颗粒包括尺寸小于100纳米的颗粒。
实施方案18.根据实施方案13所述的方法，其中将一个或多个纳米颗粒接枝至纳米膜结构体的步骤包括基于溶液的表面合成过程，该表面合成过程包括在低于120℃时发生的化学反应。
实施方案19.根据实施方案13所述的方法，其中将膜层压至背衬材料的步骤包括超声波焊接或溶剂焊接；其中，溶剂焊接包括用挥发性溶剂填充膜和背衬材料之间的间隙并干燥溶剂以提供在膜和背衬材料之间的提高的接触性。
实施方案20.一种具有高过滤效率、低压降和极高光学透射率的超轻纳米多孔聚合物纳米膜，其包括：
层压结构，该层压结构包括厚度在20纳米和40纳米之间的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纳米膜活性层、多个通常为三角形的孔径在3纳米和110纳米之间的孔，并且该层压结构的杨氏模量大于1.5GPa。
实施方案21.根据实施方案20所述的超轻纳米多孔聚合物空气过滤器，还包括：
背衬材料；以及
多孔支撑层。
实施方案22.根据实施方案21所述的超轻纳米多孔聚合物空气过滤器，还包括抗菌添加剂、反应用试剂载体或用于气体处理的催化剂中的至少一者。
实施方案23.一种去除空气中的污染物以提高空气质量的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其包括：
层压结构，其包括UHMWPE纳米膜活性层和背衬材料，
一种或多种抗菌添加剂，其包括已注册的抗菌剂，并且包括选自由粒径小于或等于100nm的银纳米颗粒、铂族金属或钙钛矿纳米颗粒组成的组中的至少一种试剂，以及
多孔支撑层，其提供有抵抗外力的强度以维持过滤器的形状，多孔支撑层包括选自有非织造织物、聚酯织物、中空塑料片材和棉布织物组成的组中的至少一种材料。
实施方案23.一种去除空气中的污染物以提高空气质量的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其包括：
UHMWPE纳米膜活性层，
支撑材料，以及
气体处理用催化剂。
实施方案24.根据实施方案23所述的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其中催化剂包括铂族金属，并且气体处理包括工业废气处理。
实施方案25.根据实施方案24所述的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其中铂族金属包括铂、钯或铑。
实施方案26.根据实施方案23所述的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其中催化剂包括二氧化钛，并且气体处理包括家用挥发性有机化合物处理。
实施方案27.根据实施方案26所述的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其中家用挥发性有机化合物处理包括甲醛处理。
实施方案28.根据实施方案23所述的透明纳米多孔UHMWPE过滤器，其中气体处理包括排气处理、工业废气处理或室内空气净化。
尽管在本文中已经参考优选实施方案及其具体实例说明和描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员而言，可以具有类似的功能和/或实现相似的结果的其他实施方案和实例是显而易见的。
应当理解，本文描述的实例和实施方案仅用于说明性目的，并且将向本领域技术人员建议对根据本文描述的实例和实施方案进行各种修改或改变，并且这些修改或改变包括在本申请的精神和权限以及所附权利要求的范围内。此外，本文公开的任何发明或其实施方案的任何要素或限制可与本文公开的任何和/或全部其他要素或限制(单独的或任意组合)或任何其他发明或本文所述的实施方案组合，并且在本发明的范围内考虑了全部此类组合，但不限于此。

Claims (20)

1.一种纳米多孔纳米膜，其包括：
厚度小于1000纳米的纳米膜，以及
平均孔径小于500纳米的孔。
2.根据权利要求1所述的纳米膜，其中所述平均孔径等于或小于约106纳米。
3.根据权利要求1所述的纳米膜，其中所述平均孔径小于100纳米。
4.根据权利要求1所述的纳米膜，其中所述平均孔径在3纳米和110纳米之间。
5.根据权利要求1所述的纳米膜，其中所述平均孔径在110纳米和500纳米之间。
6.根据权利要求3所述的纳米膜，其中所述厚度在20纳米和60纳米之间。
7.根据权利要求6所述的纳米膜，还包含UHMWPE。
8.根据权利要求7所述的纳米膜，其中所述纳米膜对0.1μm颗粒的过滤效率大于95％。
9.根据权利要求8所述的纳米膜，其中所述纳米膜在流体速度为20cm/s时具有小于1000Pa的压降。
10.根据权利要求9所述的纳米膜，其中所述纳米膜具有大于90％的可见光透射率。
11.根据权利要求10所述的纳米膜，其中所述纳米膜具有大于1.5GPa的杨氏模量和大于800MPa的拉伸强度。
12.根据权利要求11所述的纳米膜，其中所述纳米膜具有在1.5GPa和10GPa之间的杨氏模量和在800MPa和1300MPa之间的拉伸强度。
13.一种制造层压纳米膜结构体的方法，所述方法包括：
提供包含超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的膜，所述膜的厚度小于1000纳米；
将所述膜双轴拉伸并热退火以在所述膜中形成三角形孔结构，所述三角形孔结构包括由纳米纤维限定的三角形孔，所述三角形孔的平均孔径小于500纳米；以及
将所述膜层压至背衬材料以形成所述层压纳米膜结构体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述三角形孔结构的一个或多个孔具有有助于所述膜的结构完整性的Delaunay特征。
15.根据权利要求13所述的方法，包括：
将一个或多个纳米颗粒接枝至所述纳米膜结构体，其中将一个或多个纳米颗粒接枝至所述纳米膜结构体的步骤包括沉积、旋涂、浸涂、浇铸、喷涂、溅射和等离子体蚀刻中的至少一者。
16.根据权利要求13所述的方法，包括：
将一个或多个纳米颗粒接枝至所述纳米膜结构体，其中所述一个或多个纳米颗粒可从所述结构体中移除、部分移除或不移除，并且所述一个或多个纳米颗粒包括银纳米颗粒、铂族金属和钙钛矿中的一者或多者。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个纳米颗粒包括尺寸小于100纳米的颗粒。
18.根据权利要求16所述的方法，其中将一个或多个纳米颗粒接枝至所述纳米膜结构体的步骤包括基于溶液的表面合成过程，所述表面合成过程包括在低于120℃时发生的化学反应。
19.根据权利要求13所述的方法，其中将所述膜层压至背衬材料的步骤包括超声波焊接或溶剂焊接。
20.一种具有高过滤效率、低压降和极高光学透射率的超轻纳米多孔聚合物纳米膜，其包括：
多孔UHMWPE纳米膜，该纳米膜具有：
小于1000纳米的厚度，
小于500纳米的平均孔径，
对0.1μm颗粒大于95％的过滤效率，
在流体速度为20cm/s时小于1000Pa的压降，
大于90％的可见光透射率，
大于1.5GPa的杨氏模量，以及
大于800MPa的拉伸强度。
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Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009103556A1 (en) * 2008-02-22 2009-08-27 Dsm Ip Assets B.V. Polyethylene membrane and method of its production
TWI460007B (zh) * 2009-04-13 2014-11-11 Entegris Inc 多孔複合薄膜
WO2015187412A1 (en) * 2014-06-04 2015-12-10 The Research Foundation For The State University Of New York Highly porous fibrous network materials for gas filtration
US20190267594A1 (en) * 2016-11-17 2019-08-29 The Hong Kong University Of Science And Technology Nanoporous ultra-high molecular weight polyethylene membrane
US11389772B2 (en) * 2017-12-18 2022-07-19 The Hong Kong University Of Science And Technology Method for synthesis of flexible multifunctional high-voidage ultrathin PE membranes
CN110960995B (zh) * 2018-09-28 2022-11-22 香港科技大学 用于盐水处理的薄聚合物膜

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