JP2023554604A - 濾過のための電界紡糸繊維を支持する印刷構造体 - Google Patents

Abstract

本明細書の実施形態は、付加製造プロセスを使用する第１の３次元構造体の印刷ステップと、電界紡糸プロセスを使用して第１の３次元構造体の上に第１微細繊維層を堆積させて、第１媒体アセンブリを形成するステップとを含む、濾過媒体を製造する方法に関する。本明細書では、他の実施形態も企図される。

Description

本出願は、すべての国を指定国とする出願人である、米国企業のＤｏｎａｌｄｓｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ．、並びにすべての国を指定国とする発明者である米国民のＰａｔｒｉｃｉａ Ａ．Ｉｇｎａｃｉｏ－ｄｅ Ｌｅｏｎ、米国民のＤｕｓｔｉｎ Ａ．Ｚａｓｔｅｒａ、米国民のＫｌｅｎｔｏｎ Ｔ．Ｗｉｌｌｉｓ、米国民のＪａｒｅｄ Ｒ．Ｍｏｏｄｙ、米国民のＭａｔｔｈｅｗ Ｐ．Ｇｏｅｒｔｚ、米国民のＭｉｋａｙｌａ Ａ．Ｙｏｄｅｒ、米国民のＤａｖｉｄ Ｄ．Ｌａｕｅｒ、米国民のＤａｖｉｓ Ｂ．Ｍｏｒａｖｅｃ及び米国民のＡｎｉｌ Ｓｕｔｈａｒの名義で、２０２１年１１月２２日にＰＣＴ国際特許出願として出願されており、２０２０年１２月１７日に出願された米国仮特許出願第６３／１２７，０７９号明細書の優先権を主張するものであり、その内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

本明細書の実施形態は、濾過媒体のための複合構造体を作成するための電界紡糸繊維の支持体として、且つそうした電界紡糸繊維と組み合わせての、付加製造法によって作製される印刷構造体の使用に関する。

微細繊維は、濾材用途で頻繁に使用される。これらの繊維は、基材に施され、液体及び空気の濾過用途に使用される。

態様は、以下の図に関連してより完全に理解することができる。

本明細書のさまざまな実施形態による、媒体アセンブリで使用される、付加製造によって形成された３次元印刷構造体の一例である、フィンアセンブリの断面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、図１のフィンアセンブリの上面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、図１のフィンアセンブリの上に支柱を含む第１の３次元印刷構造体の断面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、図３の第１の３次元印刷構造体の上面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、図１のフィンアセンブリの上部に支柱を含むとともに、少なくとも１つの支柱の上面に、拡大図に示す表面粗さ機構も有する、第１の３次元印刷構造体の断面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、図３の第１の３次元構造体と、フィンアセンブリの上方に高く上げられた（ｌｏｆｔｅｄ）第１微細繊維層とを含む、第１媒体アセンブリの断面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、図３の第１の３次元構造体と、フィンアセンブリと接触している第１微細繊維層とを含む、代替的な第１媒体アセンブリの断面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、第２支柱層と、第１微細繊維層の上方に高く上げられた第２微細繊維層とを含む、第２媒体アセンブリの断面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、付加製造によって形成された３次元印刷構造体の一例である、第１フィン層の勾配間隔を有する代替的なフィンアセンブリの断面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、第１及び第２フィン層が勾配間隔を有することを観察することができる、図９の勾配フィンアセンブリの上面図である。 本明細書のさまざまな実施形態による、支柱の高さの勾配がある第１支柱層を有する、さらなる代替的なフィンアセンブリの断面図である。

実施形態は、さまざまな変更及び代替形態が可能であるが、その具体的なものを、例及び図面によって示しており、詳細に説明する。しかしながら、本明細書の範囲は、記載する特定の態様に限定されないことが理解されるべきである。逆に、本明細書の趣旨及び範囲内にある変更形態、均等物及び代替形態を包含することが意図されている。

３Ｄ印刷とも称される付加製造技法により、デジタルモデルを使用して物体の非常に精密な製造が可能となる。材料の層が精密な位置に堆積して、所望の物体が形成される。射出成形及び他の製造技法に比べて、３Ｄ印刷では、金型から取り出すことができる形状に関して制限がないため、物体のサイズ及び形状により高い柔軟性が可能になる。３Ｄ印刷の別の利点は、３Ｄ印刷を使用して透過性の高い構造体を形成することができるということである。

３Ｄ印刷を使用して形成された構造体を、微細繊維を組み込んだ濾過媒体に使用して、微細繊維の坪量を増加させることなく、微細繊維の利用可能な表面積、すなわち下地基材と直接接触していない微細繊維の表面積を増大させることができる。ナノ繊維等の微細繊維は、濾過媒体に使用される典型的な基材に適合する。３Ｄ印刷及び他の製造技法を使用して３次元構造体を構築し、それを微細繊維層と組み合わせて使用して、微細繊維層の厚さを増大させることなく、下地面積単位あたりの微細繊維の利用可能な表面積が増大した濾過媒体を作成することができる。その結果、微細繊維層を横切る面速度が低下し、したがって圧力損失が減少する。また、３次元構造体により、塵埃を捕集する（ｌｏａｄ）表面積が追加され、塵埃保持能力が向上する。

３次元構造体を微細繊維層で覆って、第１媒体アセンブリを形成することができる。任意選択的に、第１媒体アセンブリの上にさらなる第２の３次元構造体を印刷し、その後、その上に第２微細繊維層を形成して、媒体アセンブリを形成することができる。複数の追加層も可能であり、さらなる層は、３次元構造体の構成要素と追加の微細繊維層との両方を含む可能性がある。

３Ｄ印刷構造体及び微細繊維層を含む媒体アセンブリは、他のいかなる基材もなしに濾過媒体として使用することができる。別法として、３Ｄ印刷構造体及び微細繊維層を含む媒体アセンブリを、基材の上に形成するか又は位置決めすることができる。本明細書に記載する媒体アセンブリを他の従来のフィルタ構造体とさらに組み立てて、フィルタ複合層又はフィルタユニットを作製することができる。基材の例は、不織布、織布、膜、セルロース媒体、ガラス媒体、合成媒体、スクリム、又はエキスパンドメタル支持体であり得る。本明細書に記載する媒体アセンブリを従来の媒体等の他の多くのタイプの媒体とともに使用して、フィルタ性能を向上させるか又は寿命を延ばすことができる。

媒体を通過する圧力下の流体の影響下で媒体アセンブリを支持するために、穿孔構造体を使用することができる。本明細書に記載するフィルタ構造体は、穿孔構造体、高透過性で機械的に安定なスクリム等のスクリム、及び別個の捕集層等の追加の濾過層と組み合わせることもできる。１つの実施形態では、こうした多領域媒体の組合せは、非水性液体の濾過に一般的に使用されるフィルタカートリッジに収容される。

媒体アセンブリは、基材があっても又はなくても、ロール状に巻くか、プリーツ加工するか、複数の層に積み重ねるか、又は他の方法で組み立てることによって、濾過エレメントに形成することができる。３Ｄ構造体は、プリーツ間隔機構等のエンボス加工機構を提供することができる。

本明細書に記載する３Ｄ構造体を使用して形成されたフィルタエレメントは、種々の流路構成を有することができる。１つの例では、汚れた流体は、プリーツ構造体、積層構造体、又はその両方を有する濾材を通過する。別の例では、汚れた流体は、フィルタパックの汚れ空気側で開放フルートに入る。フルートは反対側の端部が封止されているため、空気は、濾材を通過して隣接するフルートに入るように強制される。濾過された空気は、フィルタエレメントの清浄空気側で開放しているフルートを通ってフィルタパックから出る。いくつかの例では、フィルタエレメントは円筒形であり、汚れた流体はエレメントのコアに入り、濾過媒体を通過し、フィルタエレメントの外側でより清浄で濾過された流体として出る。

別の例では、「フローバイ」流路が使用される。フローバイ濾過とは、流体が濾過媒体を決して通過しないことを意味する。濾過媒体が作るチャネルがあり、流体はそのチャネルを通って流れる。流れの乱れにより、粒子が濾過媒体と接触し、捕捉される。この種の構成には、典型的には部分分離効率の低下を犠牲にして、圧力損失の利点がある。こうした構成を有するフィルタエレメントは、本明細書に記載する媒体アセンブリとともに使用することができる。フローバイ構成を有するフィルタエレメントは、全体が参照により本明細書に援用される、本出願人が所有する特許公報、「ＦＬＵＩＤ ＦＩＬＴＲＡＴＩＯＮ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳＥＳ，ＳＹＳＴＥＭＳ，ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ」と題する国際公開第２０１９０３２７７３号パンフレットに記載されている。

媒体アセンブリのシートの積層構造が使用される場合、媒体アセンブリの積層体が１つ又は複数の寸法にわたって構造を変化させることが可能である。積層体内の個々のシートが互いに異なることも可能である。例えば、別個の３Ｄ機構が、第１シート上に存在し、他のシート上には存在しない場合がある。

各基材又は基材のシートは、３Ｄ構造体の格子を含むことができる。いくつかの例では、格子内の３Ｄ構造体は、基板を横切る方向に移動するさまざまな高さを有することができる。

微細繊維層を有する濾過アセンブリは、大きい圧力損失を有する可能性がある。本明細書に記載するような３Ｄ構造体を追加することにより、微細繊維層を備えた濾過アセンブリの圧力損失を低減させることができる。微細繊維層は、微細繊維層が高い接着強度を有していないいくつかの先行技術のシステムでは、基板から外れる場合もある。３Ｄ構造体を追加することにより、外れる可能性を低減させることができる。

ここで、図１～図５を参照して、フィルタアセンブリに使用することができる３Ｄ構造体の例について説明する。

３Ｄ構造体（図１～図５）
本明細書では、「３Ｄ構造体」及び「３次元構造体」という用語は同義で使用する。

ここで図１～５を参照して、微細繊維層とともに濾過媒体に組み込むことができる３次元印刷構造体の例について考察する。これらの構造体は単に例であり、本明細書に記載する３Ｄ構造体には多くの選択肢が存在する。図１及び図２は、フィン１０４の第１層及びフィン１０６の第２層から形成された３次元印刷構造体１００を示す。３次元印刷構造体１００は、フィンアセンブリとも称することができる。フィンアセンブリは、付加製造により、射出成形により、又は他の製造技法により形成することができる。

いくつかの実施形態では、３Ｄ構造体は、本明細書でこの用語を用いる場合、１、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００又は１０００ミクロン以上である高さ、幅又は長さ寸法等の寸法を有する。いくつかの実施形態では、寸法は、２０００、１９００、１８００、１７００、１６００、１５００、１４００、１３００、１２００、１１００又は１０００ミクロン以下であり得る。いくつかの実施形態では、寸法は、１～２０００ミクロン、若しくは１００～１９００ミクロン、若しくは２００～１８００ミクロン、若しくは３００～１７００ミクロン、若しくは４００～１６００ミクロン、若しくは５００～１５００ミクロン、若しくは６００～１４００ミクロン、若しくは７００～１３００ミクロン、若しくは８００～１２００ミクロン、若しくは９００～１１００ミクロンの範囲内にあり得るか、又は約１０００ミクロンであり得る。

第１フィン層は、互いに平行であるように向けられた複数の第１フィン１０４を含む。図１の図では、第１フィンは、見る人から離れる方向に延在している。第２フィン層は、互いに平行であり且つ第１フィンに垂直であるように向けられた、複数の第２フィンを含む。第２フィンは、第１フィンの上に積み重ねられている。図の例におけるフィンは、各々概して直方体である。

フィンアセンブリは、本明細書に記載するように３Ｄ構造体として使用し、媒体アセンブリに組み込むことができる。別法として、図３及び図４に示す支柱等、さらなる構造体をフィンアセンブリに追加することができる。

図３は、図１のフィンアセンブリの上に支柱１１０を含む別の３次元印刷構造体１００の断面図である。図４は、図３の第１の３次元印刷構造体の上面図である。支柱は、３Ｄ印刷又は他の製造方法によって形成することができる。支柱の少なくとも一部は、第１フィンと第２フィンとが交差する交差位置に形成されている。いくつかの実施形態では、支柱のすべてが、第１フィンと第２フィンとが交差する交差点位置に形成されている。

支柱、フィンアセンブリを構成するフィン、並びに支柱及びフィンの間隔については、多種多様な寸法が可能である。いくつかの実施形態では、支柱間の間隔、フィン間の間隔、フィン幅、フィン長及びフィン高さの寸法は、１、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００又は１０００ミクロン以上である寸法である。いくつかの実施形態では、寸法は、２０００、１９００、１８００、１７００、１６００、１５００、１４００、１３００、１２００、１１００又は１０００ミクロン以下であり得る。いくつかの実施形態では、寸法は、１～２０００ミクロン、若しくは１００～１９００ミクロン、若しくは２００～１８００ミクロン、若しくは３００～１７００ミクロン、若しくは４００～１６００ミクロン、若しくは５００～１５００ミクロン、若しくは６００～１４００ミクロン、若しくは７００～１３００ミクロン、若しくは８００～１２００ミクロン、若しくは９００～１１００ミクロンの範囲内にあり得るか、又は約１０００ミクロンであり得る。

図５は、図１のフィンアセンブリの上に支柱１１０を含む第１の３次元印刷構造体１００の断面図である。図５の３Ｄ印刷構造体はまた、少なくとも１つの支柱の上面に、拡大図に示す、本明細書のさまざまな実施形態による表面粗さ機構５００も有している。表面粗さは、支柱の上面のすべて又は一部のみに設けてもよい。表面粗さは、限定されないが、支柱の側面の一部又はすべて、フィンの上面の一部又はすべて、フィンの側面の一部又はすべて、フィンの底面の一部又は全部を含む、３Ｄ構造体の他の領域に設けてもよい。

表面粗さは、支柱の上面に追加の構造体を堆積させるために、３Ｄ印刷技法を使用して作成することができる。別法として、粒子又は繊維を３Ｄ印刷物の表面層に組み込んで、表面粗さ機構を作成することができる。いくつかの実施形態では、こうした表面粗さ機構の寸法は、１０、１００、２００、３００、４００又は５００ナノメートル以上であり得る。いくつかの実施形態では、寸法は、１０００、９００、８００、７００、６００又は５００ナノメートル以下であり得る。いくつかの実施形態では、寸法は、１０～１０００ナノメートル、若しくは１００～９００ナノメートル、若しくは２００～８００ナノメートル、若しくは３００～７００ナノメートル、若しくは４００～６００ナノメートルの範囲内であり得るか、又は約５００ナノメートルであり得る。

媒体アセンブリ例及び形成方法（図６～図８）
図６は、本明細書のさまざまな実施形態による、図３の第１の３次元構造体１００と、フィンアセンブリの上方に高く上げられた第１微細繊維層６０４とを含む、第１媒体アセンブリ６００の断面図である。第１微細繊維層は、第１媒体アセンブリ６００の上に支柱１１０が形成された後に堆積する。第１微細繊維層の微細繊維の少なくとも一部は、支柱１１０の上面と接触しており、支柱の上面は、第２フィン１０６から最も離れている面である。第１微細繊維層６０４と第２フィン１０６の第１面との間には、間隙６１０が存在する。高く上げられた微細繊維層のたるみの量とも述べることができる支柱間の間隙６１０の高さは、支柱の間隔によって決まる。

微細繊維層６０４の堆積は、３Ｄ構造体１００が構築された後に行うことができる。微細繊維層６０４の堆積は、後処理ステップ以外に行われる最後のステップの１つであり得る。

拡大図６０６は、微細繊維層が一体構造体ではないことを示す。その代わりに、微細繊維層は、微細繊維層内で交差して開口空間を画定する別個の繊維から構成されている。

図７は、図３の第１の３次元構造体と微細繊維層７０４とを含む代替的な第１媒体アセンブリ７００の断面図である。図６の高く上げられた微細繊維層６０４とは対照的に、微細繊維層７０４は、フィンアセンブリと接触する多くの繊維を有し、支柱１１０の間の空間に存在している。支柱１１０は、微細繊維層７０４における塵埃のあり得る高密度の充填を最小限にし、差圧の上昇を緩やかにし、したがって、フィルタ寿命を長くすることができる。微細繊維層７０４は、支柱１１０がフィンアセンブリの上に形成された後に堆積する。微細繊維層７０４は、密着（ｃｏｎｆｏｒｍｉｎｇ）微細繊維層と称する場合がある。

図６の高く上げられた微細繊維層により、フィンアセンブリに接触している微細繊維層７０４と比較して、濾過媒体をパルスクリーニングして塵埃を除去する能力が向上する。

図８は、本明細書のさまざまな実施形態による、第２支柱層と第１微細繊維層の上方に高く上げられた第２微細繊維層とを含む、第２媒体アセンブリ８００の断面図である。第２媒体アセンブリ８００は、フィンアセンブリと、支柱１１０の第１層と、間隙６１０を画定している高く上げられた第１微細繊維層６０４とを含む、図６の第１媒体アセンブリ６００のすべての構成要素を含む。第２媒体アセンブリ８００は、第１支柱１１０の上面に形成されている支柱８０８の第２支柱層をさらに含む。第１微細繊維層６０４もまた、第１支柱の上にある。第１微細繊維層６０４を介在させているにもかかわらず、３Ｄ印刷技法の精密な制御のため、且つ、第２支柱層を形成する材料が微細繊維層の細孔を通って流れる熱可塑性材料であるため、第２支柱層７０８を形成することが依然として可能である。材料は、微細繊維層の任意の個々の、介在する繊維の周りを通過して流れて、第１支柱の上面に堆積する。

第２媒体アセンブリ８００は、高く上げられた第２微細繊維層８１４も含む。第２微細繊維層は、支柱８０８が第１支柱１１０の上に形成された後に堆積する。第２微細繊維層の微細繊維の少なくとも一部は、第２支柱８０８の上面と接触しており、支柱の上面は、第２フィン１０６と３Ｄ構造体の残りの部分とから最も離れている面である。第２微細繊維層８１４と第１微細繊維層６１４との間には、間隙８１８が存在する。高く上げられた微細繊維層のたるみの量とも述べることができる支柱間の間隙８１８の高さは、支柱の間隔によって決まる。

３Ｄ構造体のない従来の基板の上に２つの積み重ねられた微細繊維層を含む媒体アセンブリと比較して、図８の媒体アセンブリは、より低い差圧を有することになる。さまざまな実施形態において、第１微細繊維層は、第２微細繊維層と異なる。例えば、第１微細繊維層は第１細孔径を有する一方で、第２微細繊維層は第２のより大きい細孔径を有することができる。別の例では、第１微細繊維層の上流にある第２微細繊維層は、任意の湿潤流体をよりよくはじくような構造になっており、第１微細繊維層は、微粒子濾過を最適化するような構造になっている。

図８は、２つの微細繊維層に２つの支柱層が点在しているように示すが、互いに点在している第３、第４及び第５の微細繊維層と支柱層とを含むことも可能である。

図の異なる例に示すような３Ｄ構造体を含む第１媒体アセンブリが濾過基材の上に使用される場合、第１媒体アセンブリ６００の存在により、下地基材上の微細繊維層のマスキング効果が低減する。

さまざまな実施形態において、媒体アセンブリは、媒体アセンブリの厚さの深さにおける特定の箇所まで、濾過すべき流体のための直接的な、蛇行していない開放経路を提供する。こうした経路は、３Ｄ印刷構造体の第１側から第２側まで延在することができる。こうした経路は、シュノーケル構造体のようであって、所定の所望の場所までの流体通路を提供する。こうした構造体は、その厚さを通して媒体アセンブリを十分に利用するのに役立つ。こうした構造体は、所定の場所において且つ予め決められた深さにおいて、流体が濾過媒体の内部に入るための経路を作成する。こうした構造体は、汚染物質の容量及び／又はフラックスを増大させるのに役立つことができる。

本明細書に記載する３Ｄ構造体は、食品及び飲料産業、製薬産業、又は生物産業のため等、細胞増殖用の足場として使用することができる。

本明細書に記載する媒体アセンブリは、膜のための捕集層最上層に高くなった構造体を提供することができ、寿命を伸ばすための低剛性の高容量構造体を提供する。

勾配構造
付加製造法が提供する精密な制御と、各位置で構造体に加えられる材料を変更することができることとにより、３Ｄ構造体は、繰返し構造体の高さの勾配、繰返し構造体の幅の勾配、繰返し構造体の厚さの勾配、繰返し構造体の間隔の勾配、繰返し構造体の形状の勾配等、サイズの勾配を有することができる。それにより、物理的な構造体の勾配は、その構造体上に堆積した繊維の微細繊維被覆の勾配を引き起こすことができる。構造体の寸法の任意のものにおいて、材料組成の勾配を形成することも可能である。

可変間隔及び勾配寸法に対する具体的な選択は、圧力損失及び捕集を最適化するフローモデリングに基づくことができる。

勾配構造例（図９～図１１）
図９は、第１フィン層内の第１フィン９０４の勾配間隔を有する、３Ｄ構造体９００とも称することができる代替的なフィンアセンブリ９００の断面図である。図９の図において、フィンアセンブリの左側からフィンアセンブリの右側へ移動すると、フィン９０４は、徐々に離れるように位置決めされている。図１０は、本明細書のさまざまな実施形態による、図９の勾配フィンアセンブリの上面図であり、第１フィン層及び第２フィン層の両方が勾配間隔を有することを観察することができる。図１０の図において頂部から底部である、図１０におけるフィンアセンブリの第１側からフィンアセンブリの第２側へ移動すると、第２フィン層のフィン９０６は、徐々に離れるように位置決めされている。

図１１に、勾配構造体の別の例を示し、これは、さらに別の代替的なフィンアセンブリ１１００又は３Ｄ構造体の断面図である。第１支柱層１１１０は、支柱の高さの勾配を有する支柱を含む。第１支柱は第１高さを有し、第２支柱は第１高さよりも低い第２高さを有し、第３支柱は第２高さよりも低い第３の高さを有する。第１、第２及び第３高さの間の変化の量は、いくつかの実施形態では、１、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００又は１０００ミクロン以上であり得る。いくつかの実施形態では、変化は、２０００、１９００、１８００、１７００、１６００、１５００、１４００、１３００、１２００、１１００又は１０００ミクロン以下であり得る。いくつかの実施形態では、変化は、１～２０００ミクロン、若しくは１００～１９００ミクロン、若しくは２００～１８００ミクロン、若しくは３００～１７００ミクロン、若しくは４００～１６００ミクロン、若しくは５００～１５００ミクロン、若しくは６００～１４００ミクロン、若しくは７００～１３００ミクロン、若しくは８００～１２００ミクロン、若しくは９００～１１００ミクロンの範囲内であり得るか、又は約１０００ミクロンであり得る。

媒体アセンブリを形成する方法
本明細書では、限定されないが、媒体アセンブリを作製する方法、媒体アセンブリを使用する方法等を含む、多くの異なる方法が企図されている。本明細書の別の場所で記載するシステム／デバイスの動作の態様は、本明細書のさまざまな実施形態による１つ又は複数の方法の動作として実施することができる。

一実施形態では、濾過媒体を製造する方法は、付加製造プロセスを使用する第１の３次元構造体の印刷ステップと、電界紡糸プロセスを使用して３次元構造体の上に第１微細繊維層を堆積させて、第１媒体アセンブリを形成するステップとを含む。

一実施形態では、本方法は、付加製造プロセスを使用して第１媒体アセンブリの上に第２の３次元構造体を印刷して、第２媒体アセンブリを形成するステップをさらに含むことができる。

一実施形態では、本方法は、第２の３次元構造体の印刷の後に、第１媒体アセンブリの上に第２微細繊維層を堆積させて、第２媒体アセンブリを形成するステップをさらに含むことができる。

一実施形態では、第１の３次元構造体は基材上に印刷される。

本方法の一実施形態では、基材はロール状に巻かれてフィルタユニットを形成する。

一実施形態では、本方法は、第１媒体アセンブリの複数のシートを形成し、複数のシートを積み重ねてフィルタユニットを形成するステップをさらに含むことができる。

本方法の一実施形態では、各シートは、複数の第１媒体サブアセンブリを含む。

本方法の一実施形態では、第１の３次元構造体は、互いに平行であるように向けられた複数の第１フィンと、互いに平行であり且つ第１フィンに垂直であるように向けられた複数の第２フィンであって、第１フィンの上に積み重ねられる、複数の第２フィンとを備える。

本方法の一実施形態では、第１の３次元構造体は、第２フィンの第１面の上に形成された複数の支柱をさらに備える。

本方法の一実施形態では、支柱の少なくとも一部は、第１フィンと第２フィンとが交差する交差位置に形成される。

本方法の一実施形態では、高く上げられた第１微細繊維層を含む媒体アセンブリは、第１微細繊維層が、支柱が第１の３次元構造体の上に形成された後に堆積し、第１微細繊維層の微細繊維の少なくとも一部が、第２フィンから最も遠い支柱の上面に接触し、第１微細繊維層と第２フィンの第１面との間に間隙が存在するときに形成される。

密着第１微細繊維層を含む媒体アセンブリを形成する方法の一実施形態では、第１微細繊維層は、支柱が第１の３次元構造体の上に形成された後に堆積し、その後、微細繊維層は、支柱の間に位置付けられ、微細繊維の少なくとも一部は、第２フィンの第１面と接触する。

一実施形態では、濾過媒体を製造する方法が含まれ、その方法は、付加製造プロセスを使用する第１の３次元構造体の印刷ステップを含む。このステップは、互いに平行であるように向けられた複数の第１フィンを印刷するサブステップと、互いに平行であり且つ第１フィンに垂直であるように向けられた複数の第２フィンであって、第１フィンの上に積み重ねられる複数の第２フィンを印刷するサブステップと、第２フィンの第１面の上に形成された第１支柱層を形成する第１の複数の支柱を印刷するサブステップとを含む。本方法は、電界紡糸プロセスを使用して３次元構造体の上に第１微細繊維層を堆積させて、第１媒体アセンブリを形成するステップをさらに含む。

一実施形態では、本方法は、付加製造プロセスを使用して第１媒体アセンブリの上に第２の３次元構造体を印刷して、第２媒体アセンブリを形成するステップをさらに含むことができ、第２の３次元構造体は、第２支柱層を形成する第２の複数の支柱を含み、第２の複数の支柱の支柱は、各々、第１の複数の支柱の支柱のうちの１つの上に形成されて、第２媒体サブアセンブリを形成する。

一実施形態では、本方法は、第２支柱層の印刷の後に、電界紡糸プロセスを使用して第２媒体サブアセンブリの上に第２微細繊維層を堆積させて、第１媒体アセンブリを形成するステップをさらに含むことができる。

一実施形態では、３Ｄ印刷構造体の材料は、ナノ粒子、繊維、ナノ繊維、添加剤又は化学処理を含む。

一実施形態では、本方法は、化学処理を行わず又は粒子が添加されない材料と比較して、表面粗さを変化させること、微細繊維付着力を変化させること、及び塵埃付着力を低減させることを含む。

本方法の一実施形態では、第１の３次元構造体は、３次元構造体の第１側から第２側への直接的な、蛇行しない開放通路を画定する。

３Ｄ構造体用の材料
さまざまな材料が、本明細書に記載する３Ｄ構造体を作成するために好適である。材料としては、限定されるべきではないが、限定されるべきではないがポリアミド、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリ乳酸、アクリロニトリルブタジエンスチレン、スチレン、及びそれらの共重合体、混合物又は誘導体を含む、熱可塑性ポリマーが挙げられる。

３Ｄ印刷用の材料は、特定の濾過エレメントの最終用途に適合性があるように選択される。３Ｄ印刷用の材料は、化学的に適合性があり、電界紡糸繊維及び電界紡糸プロセスの条件と相互作用するのに好適な物理的特性を有するように選択される。

３Ｄ印刷プロセス
本明細書に記載する３Ｄ構造体は、本明細書では３次元（３Ｄ）印刷と称する付加製造のプロセスを使用して形成することができる。３Ｄ印刷を使用して生成された３Ｄ構造体は、高アスペクト比を有するものを含む、一意であり且つ微細な構造的細部を含むことができる。本明細書に記載する３Ｄ構造体に組み込まれる微細な機構には、限定されるべきではないが、支柱、フィン、交差フィン、変化する細孔径の変化する分布を有するハニカム細孔構造体、均一な細孔径の均一な分布を有するハニカム細孔構造体、微細ストラット、微細メッシュ構造体、材料を通しての勾配細孔構造体、ねじ山、隆起、粗さ及び追加の表面領域を与える微細表面加工、開放空洞、中央開孔等を挙げることができる。さまざまな実施形態において、３Ｄ構造体は、高度に多孔性である部分であるように、又はそうした部分を含むように３Ｄ印刷することができる。他の実施形態では、３Ｄ印刷プロセスは、３Ｄ構造体を生成するようにさまざまな材料を混合することができる。

印刷物の空孔率
本明細書に記載する構造体の印刷物は、流体が構造体を通って流れるのを可能にするような、多孔質であり得る。この多孔性は、印刷プロセス中に、固体材料部分が点在する多くの高頻度な開口空間を画定することによって達成することができる。多くの開口領域を画定する構造体の例としては、本明細書に例示するフィンアセンブリが挙げられる。これらの開口領域は、流体が構造体内を流れるのを可能にする。

いくつかの実施形態では、エンドキャップ又はプリーツガイド構造体の開口面積は、５０％、５２％、５５％、５８％、６０％、６２％、６５％、６８％又は７０％以上であり得る。いくつかの実施形態では、開口面積は、８５％、８３％、８１％、７９％、７８％、７６％、７４％、７２％又は７０％以下であり得る。いくつかの実施形態では、開口面積は、５０％～８５％、若しくは５２％～８３％、若しくは５５％～８１％、若しくは５８％～７９％、若しくは６０％～７８％、若しくは６２％～７６％、若しくは６５％～７４％、若しくは６８％～７２％の範囲内にあり得るか、又は約７０％であり得る。

同様に多孔性を達成することができる別の方法は、構造体に、それ自体が多孔性であるか、又は印刷後に多孔性であるように改質することができる材料を選択することによる。３Ｄ印刷物には、印刷物の残りの部分とは異なるタイプの熱可塑性材料の、球体等の粒子を組み込んだものがある。これらの粒子は、印刷後に部分的に硬化させ、構造体から溶かし出すことができる。別の選択肢は、構造体の材料に含まれる粒子を選択的に焼成又はエッチングで除去することである。これらのプロセスにより、印刷物内に空隙が生じ、印刷物の空孔率が上昇する。

本開示の目的のために、「細孔径」という用語は、印刷構造体内の材料によって形成される空間を指す。媒体の細孔径は、媒体の電子写真を確認することによって推定することができる。媒体の平均細孔径は、Ｉｔｈａｃａ，ＮＹのＰｏｒｏｕｓ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．から入手可能なモデル番号ＡＰＰ １２００ ＡＥＸＳＣを有するＣａｐｉｌｌａｒｙ Ｆｌｏｗ Ｐｏｒｏｍｅｔｅｒを使用して計算することもできる。

ガス分離に使用される濾過アセンブリの状況において、いくつかの実施形態では、印刷物の平均細孔径は、０．３ナノメートル、０．６ナノメートル、０．９ナノメートル、１．２ナノメートル又は１．５ナノメートル以上であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、３．０ナノメートル、２．６ナノメートル、２．２ナノメートル、１．９ナノメートル又は１．５ナノメートル以下であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、０．３ナノメートル～３．０ナノメートル、若しくは０．６ナノメートル～２．６ナノメートル、若しくは０．９ナノメートル～２．２ナノメートル、若しくは１．２ナノメートル～１．９ナノメートルの範囲内であり得るか、又は約１．５ナノメートルであり得る。

ｅＰＴＦＥ等、既存の媒体の透過性の保存が優先される他の濾過状況において、いくつかの実施形態では、平均細孔径は、０．１ミクロン、０．２ミクロン、０．４ミクロン、０．５ミクロン、０．７ミクロン、０．８ミクロン、０．９ミクロン、１．１ミクロン、１．２ミクロン、１．４ミクロン又は１．５ミクロン以上であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、３．０ミクロン、２．８ミクロン、２．７ミクロン、２．６ミクロン、２．４ミクロン、２．２ミクロン、２．１ミクロン、２．０ミクロン、１．８ミクロン、１．６ミクロン又は１．５ミクロン以下であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、０．１ミクロン～３．０ミクロン、若しくは０．２ミクロン～２．８ミクロン、若しくは０．４ミクロン～２．７ミクロン、若しくは０．５ミクロン～２．６ミクロン、若しくは０．７ミクロン～２．４ミクロン、若しくは０．８ミクロン～２．２ミクロン、若しくは０．９ミクロン～２．１ミクロン、若しくは１．１ミクロン～２．０ミクロン、若しくは１．２ミクロン～１．８ミクロン、若しくは１．４ミクロン～１．６ミクロンの範囲内であり得るか、又は約１．５ミクロンであり得る。

既存の媒体の透過性の保存が優先される半導体分野等の他の濾過状況において、いくつかの実施形態では、平均細孔径は、０．０１マイクロメートル、０．０２マイクロメートル、０．０３マイクロメートル、０．０４マイクロメートル又は０．０５マイクロメートル以上であり得るか、又は上述したもののうちの任意のものの間の範囲に入る量であり得る。

不織布複合材料を使用する濾過アセンブリの状況において、いくつかの実施形態では、印刷物の平均細孔径は、１５ミクロン、１７ミクロン、１８ミクロン又は２０ミクロン以上であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、２５ミクロン、２３ミクロン、２２ミクロン又は２０ミクロン以下であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、１５ミクロン～２５ミクロン、若しくは１７ミクロン～２３ミクロン、若しくは１８ミクロン～２２ミクロンの範囲内であり得るか、又は約２０ミクロンであり得る。

圧力損失を最小限にすることが重要である濾過媒体の状況において、印刷物の平均細孔径、いくつかの実施形態では、平均細孔径は、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍ、０．８ｍｍ、０．９ｍｍ又は１．０ｍｍ以上であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、２．０ｍｍ、１．８ｍｍ、１．６ｍｍ、１．４ｍｍ、１．２ｍｍ又は１．０ｍｍ以下であり得る。いくつかの実施形態では、平均細孔径は、０．５ｍｍ～２．０ｍｍ、若しくは０．６ｍｍ～１．８ｍｍ、若しくは０．７ｍｍ～１．６ｍｍ、若しくは０．８ｍｍ～１．４ｍｍ、若しくは０．９ｍｍ～１．２ｍｍの範囲内であり得るか、又は約１．０ｍｍであり得る。

化学物質、添加剤又は粒子の組込み
微細繊維を所望の場所に向けるのに役立つこと、繊維の３Ｄ構造体への付着力を増大させること、３Ｄ構造体の基材への付着力を増大させることを含む、多くの目的で、３Ｄ構造体に粒子又は添加剤を添加することができる。

材料の表面の接触角を変化させること、表面粗さを変更すること、微細繊維の付着力を増大させること、及び塵埃の付着力を低減させることを含む、さらなる利益を提供するために、製造プロセス中又は製造プロセス後に化学処理を追加することができる。

３Ｄ構造体に添加することができる添加剤の例としては、疎油性添加剤、疎水性添加剤、及び感圧接着剤のような付着力を増大させる添加剤が挙げられる。３Ｄ構造体に添加することができる粒子の例としては、活性炭、シリカゲル、金属有機構造体（ＭＯＦ）及びモレキュラーシーブのような吸着剤が挙げられる。加えて、ＭｎＯ又はＰｔのような触媒も３Ｄ構造体に含めることができる。

電界紡糸法及び微細繊維の例
微細繊維層を堆積させる方法の選択肢、並びに微細繊維材料及び組成物の例は、本出願の出願人によって所有されるとともに、全体が参照により本明細書に援用される以下の３つの特許公報、すなわち、国際公開第２０１３／０４４０１４Ａ１号パンフレット（特に３０ページ、実施例１）、国際公開第２０１７／１７７０３３Ａ１号パンフレット（特に３１ページ、調製方法、実施例１）及び国際公開第２０１３／０４３９８７号パンフレット（特に２３ページ、参照実施例４）に記載されている。ナノ繊維は、本明細書に記載するアセンブリとともに使用することができる微細繊維の例である。微細繊維の他の例としては、メルトブロー繊維、スパンボンド繊維、溶液ブロー繊維及び溶融電界紡糸繊維を挙げることができる。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用する場合の単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈上明確な別段の指示がない限り、複数の指示対象を含むことが留意されるべきである。したがって、例えば、「化合物」を含む組成物への言及は、２種以上の化合物の混合物を含む。また、「又は」という用語は、文脈上明確な別段の指示がない限り、概して、「及び／又は」を含む意味で採用されていることもまた留意されるべきである。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用する場合の「構成され」という語句は、特定の作業を実行するか、又は特定の構成を採用するように構築又は構成されるシステム、装置又は他の構造を述べていることもまた留意されるべきである。「構成され」という語句は、配置及び構成され、構築及び配置され、構築され、製造され、及び配置され等の他の同様の語句と同義で使用することができる。

本明細書におけるすべての刊行物及び特許出願は、本発明が関連する技術分野における当業者通常の水準を示すものである。すべての刊行物及び特許出願は、個々の刊行物又は特許出願が参照により具体的且つ個別に示されるのと同じ程度で、参照により本明細書に援用される。

本明細書で用いる場合の端点による数値範囲の記載は、その範囲内に含まれるすべての数値を含むものとする（例えば、２～８は、２．１、２．８、５．３、７等を含む）。

本明細書で用いる見出しは、米国特許法施行規則１．７７（３７ ＣＦＲ １．７７）に基づく示唆との一貫性のために、又は構成上の手がかりを提供するために提供されている。これらの見出しは、本開示から生じ得る任意の特許請求の範囲に示す発明を制限するか又は特徴付けるものと解釈されるべきではない。一例として、見出しが「技術分野」を指していても、こうした特許請求の範囲は、いわゆる技術分野を説明するためにこの見出し下で選択された文言によって制限されるべきではない。さらに、「背景技術」における技術の説明は、この技術が本開示における任意の発明の先行技術であることを認めるものではない。「発明の概要」もまた、生じる特許請求の範囲に示す発明を特徴付けるものとみなされるべきではない。

本明細書に記載する実施形態は、網羅的であるように、又は以下の詳細な説明に開示する厳密な形態に本発明を限定するように意図されていない。むしろ、実施形態は、当業者が原理及び実施を認識及び理解することができるように、選択し、記載している。したがって、さまざまな具体的且つ好ましい実施形態及び技法を参照して、態様について説明してきた。しかしながら、本明細書の趣旨及び範囲内に留まりながら、多くの変形及び変更を行うことができることが理解されるべきである。

Claims (18)

1. 濾過媒体を製造する方法であって、
   ａ．付加製造プロセスを使用する第１の３次元構造体の印刷ステップと、
   ｂ．電界紡糸プロセスを使用して前記第１の３次元構造体の上に第１微細繊維層を堆積させて、第１媒体アセンブリを形成するステップと、
   を含む方法。
2. 前記付加製造プロセスを使用して前記第１媒体アセンブリの上に第２の３次元構造体を印刷して、第２媒体アセンブリを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２の３次元構造体の印刷の後に、前記第１媒体アセンブリの上に第２微細繊維層を堆積させて、第２媒体アセンブリを形成するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の３次元構造体が基材上に印刷される、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記基材がロール状に巻かれてフィルタユニットを形成する、請求項４に記載の方法。
6. 前記第１媒体アセンブリの複数のシートを形成し、前記複数のシートを積み重ねてフィルタユニットを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 各シートが、複数の第１媒体サブアセンブリを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の３次元構造体が、
   ａ．互いに平行であるように向けられた複数の第１フィンと、
   ｂ．互いに平行であり且つ前記第１フィンに垂直であるように向けられた複数の第２フィンであって、前記第１フィンの上に積み重ねられる、複数の第２フィンと、
   を備える、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１の３次元構造体が、前記第２フィンの第１面の上に形成された複数の支柱をさらに備える、請求項８に記載の方法。
10. 前記支柱の少なくとも一部が、前記第１フィンと前記第２フィンとが交差する交差位置に形成される、請求項９に記載の方法。
11. ａ．前記第１微細繊維層が、前記支柱が前記第１の３次元構造体の上に形成された後に堆積し、
    ｂ．第１微細繊維層の微細繊維の少なくとも一部が、前記第２フィンから最も遠い前記支柱の上面に接触し、
    ｃ．前記第１微細繊維層と前記第２フィンの前記第１面との間に間隙が存在する、
    請求項９に記載の方法。
12. 前記第１微細繊維層が、前記支柱が第１の３次元構造体の上に形成された後に堆積し、前記微細繊維層が前記支柱の間に位置付けられ、前記微細繊維層の少なくとも一部の微細繊維が前記第２フィンの前記第１面と接触する、請求項９に記載の方法。
13. 濾過媒体を製造する方法であって、
    ａ．付加製造プロセスを使用する第１の３次元構造体の印刷ステップであって、
    ｉ．互いに平行であるように向けられた複数の第１フィンを印刷することと、
    ｉｉ．互いに平行であり且つ前記第１フィンに垂直であるように向けられた複数の第２フィンであって、前記第１フィンの上に積み重ねられる複数の第２フィンを印刷することと、
    ｉｉｉ．前記第２フィンの第１面の上に形成された第１支柱層を形成する第１の複数の支柱を印刷することと、
    を含むステップと、
    ｂ．電界紡糸プロセスを使用して前記第１の３次元構造体上に第１微細繊維層を堆積させて、第１媒体アセンブリを形成するステップと、
    を含む方法。
14. 前記付加製造プロセスを使用して前記第１媒体アセンブリの上に第２の３次元構造体を印刷して、第２媒体アセンブリを形成するステップをさらに含み、前記第２の３次元構造体が、第２支柱層を形成する第２の複数の支柱を含み、前記第２の複数の支柱の支柱が、各々、前記第１の複数の支柱の支柱のうちの１つの上に形成されて、第２媒体サブアセンブリを形成する、請求項１３に記載の方法。
15. 前記第２支柱層の前記印刷の後に、前記電界紡糸プロセスを使用して前記第２媒体サブアセンブリの上に第２微細繊維層を堆積させて、第１媒体アセンブリを形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第１の３次元構造体を形成する材料が、粒子、ナノ粒子、繊維、ナノ繊維、添加剤及び化学処理を含む、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記第１の３次元構造体を形成する材料が化学処理を含み、前記化学処理が、前記化学処理を行わない材料と比較して、接触角を変化させること、表面粗さを変化させること、微細繊維付着力を変化させること、及び塵埃付着力を低減させることのうちの１つ又は複数を達成する、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記第１の３次元構造体が、前記第１の３次元構造体の第１側から第２側への直接的な、蛇行しない開放通路を画定する、請求項１３に記載の方法。