TW201500608A - 濾材及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種濾材的製造方法，包括以下步驟。以第一紡絲裝置形成多條第一纖維。以第二紡絲裝置形成多條第二纖維。在承接裝置上收集由第一纖維與第二纖維構成的具有三維非織結構的膜材。第一纖維的直徑介於1 μm~50 μm之間，第二纖維的直徑介於1 nm~1000 nm之間。第二紡絲裝置位於第一紡絲裝置與承接裝置之間，且第一纖維與第二纖維在接觸承接裝置之前以隨機方式彼此交穿排列，從而構成三維非織結構。

Description

濾材及其製造方法
本發明是有關於一種濾材及其製造方法，且特別是有關於一種複合濾材及其製造方法。
為提高人們的生活品質，有多種製作空氣過濾器的設計方式已被提出。每一次技術變革都為室內空氣品質帶來顯著的改善效果。一般而言，空氣過濾器按淨化技術分為：高效率微粒空氣過濾器(high efficiency particulate air filter，HEPA)、活性炭空氣過濾器、負離子空氣過濾器等。
HEPA技術是空氣過濾器中最熱門的技術之一。商業中最常見的高效能空氣過濾網HEPA和ULPA過濾介質或紙製品是由玻璃纖維和樹脂黏結在一起。這些紙製品是採用濕式成網的技術，其中纖維例如是硼矽酸鹽玻璃纖維或纖維素纖維，被分散在水溶性黏合劑攪拌的漿液中，以使纖維徹底成為隨機取向排列且具有較高的效率。然而HEPA及ULPA若要達到一定程度的過濾效果，其單位面積的重量都會大於70 g/m2(以0.3 μm微粒在10.5 L/min流速下測試，過濾效率在99.97%以上、壓損為32 mmH2O)，往往產生很高的壓損值。另外，玻璃纖維有密度大、空氣阻力大、耐鹼性差、脆性、熔點高及刺激皮膚等問題。因此，使用後的廢棄物，難以採用燃燒的方式處理，造成回收上的諸多問題。
本發明提供一種高濾效、低壓損空氣過濾用的濾材及其製造方法。
本發明的濾材的製造方法包括以下步驟。以第一紡絲裝置形成多條第一纖維。以第二紡絲裝置形成多條第二纖維。在承接裝置上收集由第一纖維與第二纖維構成的具有三維非織(non-woven)結構的膜材，其中第一纖維的直徑介於1 μm~50 μm之間，第二纖維的直徑介於1 nm~1000 nm之間，第二紡絲裝置位於第一紡絲裝置與承接裝置之間，且第一纖維與第二纖維在接觸承接裝置之前以隨機方式彼此交穿排列，從而構成三維非織結構。
在本發明的一實施例中，第一纖維可為連續不斷的長纖維或為纖維長度大於3 mm的短纖維。
在本發明的一實施例中，第二纖維可為連續不斷的長纖維。
在本發明的一實施例中，第一紡絲裝置為熔噴裝置，第二紡絲裝置為電紡裝置。
在本發明的一實施例中，以熔噴裝置形成第一纖維時，以氣體壓力介於10 psi~20 psi的熱空氣牽伸第一纖維。
在本發明的一實施例中，電紡裝置具有鏈狀發射電極，並與高壓電輸出源進行連接，從而製備連續不斷的奈米纖維，奈米纖維可同步匯入至第一纖維的結構中。
本發明的濾材包括由多條第一纖維組成的空間支撐層和散布於空間支撐層中的多條第二纖維。第一纖維的直徑介於1 μm~50 μm之間，且第一纖維可為連續不斷的長纖維或纖維長度大於3 mm之短纖維。第二纖維的直徑介於1 nm~1000 nm之間，且第二纖維與第一纖維彼此隨機交穿排列，從而形成具有三維結構的微奈米複合結構過濾材。
在本發明的一實施例中，第一纖維是以熔噴(melt-blown)方式製成。第二纖維是以電紡(electrospinning)方式製成。
在本發明的一實施例中，第一纖維的直徑介於1.0 μm~50.0 μm之間，且第二纖維的直徑大於等於1.0 nm而小於1000.0 nm。
在本發明的一實施例中，以第一纖維和第二纖維的總重計，第二纖維佔0.1%~50.0%。
在本發明的一實施例中，空間支撐層的單位面積重量為0.5 g/m2~300.0 g/m2。
本發明的空調過濾材包括上述的濾材。
基於上述，本發明提供一種濾材和製造這種濾材的方法。此濾材由直徑範圍不同的兩種纖維構成，且細纖維均勻散布在粗纖維構成的空間支撐層中。藉此，濾材能具有出色的濾效，壓損也不至於過高。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例作詳細說明如下。
10‧‧‧設備
100‧‧‧熔噴裝置
102‧‧‧加熱器
103‧‧‧熔噴模具
104‧‧‧入料口
105‧‧‧進氣口
106‧‧‧傳動裝置
108‧‧‧螺桿
110‧‧‧電紡裝置
112‧‧‧鏈狀發射電極
114‧‧‧高壓電輸出源
120‧‧‧承接裝置
150‧‧‧第一纖維
160‧‧‧第二纖維
170‧‧‧膜材
171‧‧‧濾材
172‧‧‧第一纖維
174‧‧‧第二纖維
圖1是根據第一實施例繪示製作濾材之設備的示意圖。
圖2是根據第二實施例繪示濾材的示意圖。
圖3A和圖3B是實驗例3-3在不同倍率下的SEM照片。
在本說明書中，由「一數值至另一數值」表示的範圍，是一種避免在說明書中一一列舉該範圍中的所有數值的概要性表示方式。因此，某一特定數值範圍之記載，即涵蓋該數值範圍內的任意數值以及由該數值範圍內的任意數值界定出的較小數值範圍，就如同在說明書中明文寫出該任意數值和該較小數值範圍一樣。舉例來說，一旦記載了「直徑為10 μm~100 μm」的範圍，不論說明書中是否列舉其他數值，均涵蓋「直徑為50 μm~ 80 μm」的範圍。
本發明的第一實施方式提供一種濾材的製造方法。以下將參照圖1詳細說明之。
圖1是根據第一實施方式的一種製造濾材的設備的示意圖。
請參照圖1，用來製造濾材的設備10包括第一紡絲裝置和第二紡絲裝置。在此，將第一紡絲裝置繪示成熔噴裝置100，而將第二紡絲裝置繪示為電紡裝置110。然而，本發明並不以此為限，只要通過第一紡絲裝置和第二紡絲裝置，可以形成如下所述的第一纖維、第二纖維和非織結構即可。舉例來說，在其他實施方式中，第一紡絲裝置也可以是紡黏(spun-bond)裝置或熔紡(melt-spinning)裝置，第二紡絲裝置可以是熔噴裝置或高壓溶吹(solution blown)裝置。
作為熔噴裝置100，第一紡絲裝置包括加熱器102、入料口104、傳動裝置106、螺桿108、熔噴模具103和進氣口105。配合此實施方式，用來製作纖維的原料可以是任何適於進行熔噴製程的材料，例如聚丙烯、聚酯、聚氨酯、聚醯胺或聚苯硫醚。纖維原料由入料口104注入原料槽102中，並在其中受熱而熔融。傳動裝置106可以帶動螺桿108，使熔融體在原料加熱器102中均勻混合。此外，熱空氣可由進氣口105通入，使熔融的纖維原料從熔噴模具103的紡嘴噴出，從而形成多條第一纖維150。
熔噴模具103的紡嘴的孔徑可以介於0.2 mm與0.5 mm之間。紡嘴的孔徑可能影響第一纖維150的直徑均勻度；例如，使用孔徑為0.22 mm的紡嘴，在其他製程條件固定時，其纖維均勻度可能比採用孔徑0.5 mm的紡嘴為佳。紡嘴的單孔吐出量可以介於0.01 g/hole/min與0.5 g/hole/min之間。藉此，由熔噴裝置100製成的第一纖維150的直徑介於1 μm~50 μm之間。
第一纖維150的直徑既取決於熔噴模具103的紡嘴孔徑和單孔吐出量，也可能取決於熔噴時熱空氣的壓力，以較佳的濾效為考量，牽引第 一纖維150的熱空氣可具有介於10 psi~20 psi之間的氣體壓力。
由於熔噴製程可以形成連續不斷的長纖維，因此，在本實施方式中，由熔噴方法形成的第一纖維150就長度而言沒有特定的上限。至於其實際長度，則可以視纖維製品的性質所需，以習知的裁切方式作任意調整。舉例來說，第一纖維150的長度可以大於3 mm、大於8 mm、大於20 mm或大於50 mm。相對地，在紡絲技術領域中，所謂「短」纖維，長度大約落在3 mm~8 mm之間，如果以短纖維製成濾網，由於纖維與纖維之間太多斷點，其機械攔截效果可能較為不佳。就此觀點而言，由熔噴製程形成的第一纖維150，其長度可以遠長於一般所謂的短纖維，藉此，由第一纖維150形成的製品可以具有更強的機械強度。當然，以上所述僅為第一纖維150的一種態樣而已，本發明並不限制第一纖維150的製法或其長度。
此外，單獨由第一纖維150構成的纖維網的單位面積重量可以在0.5克/平方公尺~300克/平方公尺之間，例如在15克/平方公尺~35克/平方公尺之間。
請繼續參照圖1，第二纖維160由電紡裝置110形成，其直徑介於1 nm~1000 nm之間。電紡裝置110與高壓電輸出源114連接。電紡裝置110可以是一般的電紡裝置，或者可以具有鏈狀發射電極112。藉由鏈狀發射電極112的設置，能使第二纖維160的直徑分布更加均勻。在本實施方式中，第二纖維160的材料可以是適於電紡製程的任意材料，例如水性的聚乙烯醇(PVA)或油性的聚醯胺。此外，在紡絲液中還可以加入熱交聯劑，以提高纖維產品的耐水解性。例如，若紡絲液為聚乙烯醇溶液，則可以加入異氰酸酯(isocyanate)作為熱交聯劑。
如圖1所示，電紡裝置110設置在熔噴裝置100和承接裝置120之間。因此，在第一纖維150和第二纖維160接觸承接裝置120以前，第二纖維160就已匯入由第一纖維150構成的纖維網中，此時，第一纖維150和第二纖維160彼此交穿，從而形成三維的非織結構。這種設置可以使第 二纖維160非常均勻地散布在第一纖維150構成的纖維網中。因此，就結構上來說，前述的三維非織結構是在單一層結構中同時存在不同尺寸的纖維，與習知的複合層結構-由粗纖維構成的纖維層和細纖維構成的纖維層複合而成-有所不同。
隨後，在承接裝置120上收集由第一纖維150和第二纖維160構成的具有三維非織結構的膜材170。視應用所需，經必要的裁切之後，膜材170可作為濾材使用。
以下將參照圖2進一步說明由膜材170製得的濾材171。
請見圖2，濾材171由第一纖維172和第二纖維174組成。除了可能經過必要的裁切以外，第一纖維172實質上相同於前述的第一纖維150，第二纖維174實質上相同於前述的第二纖維160。亦即，第一纖維172的直徑可介於1 μm~50 μm之間，第二纖維174的直徑可介於1 nm~1000 nm之間，兩者的長度均無特定上限，且第一纖維172和第二纖維174彼此隨機交穿排列。
由於第一纖維172的直徑比第二纖維174更大，其耐受外力的能力更強，濾材171的機械強度主要由第一纖維172提供。就此觀點，可以說第一纖維172構成濾材171的空間支撐層，而第二纖維174則散布在這個空間支撐層中，進一步提供過濾的效果。至於兩者的相對比例，沒有一定限制，只要能形成結構穩定的膜材即可。例如，以濾材170的總重計(亦即以第一纖維172和第二纖維174的總重計)，第二纖維174可能佔0.1%~50%。或者，以第一纖維172和第二纖維174的總數量計，第二纖維174可能佔70%~80%。
濾材171與習知濾材相較，具有獨特而優越的過濾性質，茲說明如下。首先應注意，「壓損」和「濾效」為兩種常見的濾材評估指標。壓損的意義是：在氣流流經具有濾材的過濾裝置時，濾材對氣流形成阻力，使氣體流量減少；這種「壓力的損失」即所謂壓損。壓損愈大，過濾裝置 就需要愈大的功率才能達到預定輸送的風量，也就愈耗能。至於濾效，則是指吸附至濾材上的粒子數量與流經濾材的所有粒子數量的比例，濾效愈高，表示濾材的過濾能力愈好。在濾材的相關技術領域中，已經發展出用奈米纖維製成濾材的技術，這種濾材有非常好的機械攔截效果，但是結構太過緻密，造成壓損過高。如果採用較為疏鬆的結構，則濾效又會有所不足。本發明的濾材171結合兩種纖維製成複合結構，足以克服這種兩難的情形，既能達到非常高的濾效，還可以將壓損控制在很低的程度(例如，低於6 mmH2O)。下文將以實作範例和模擬實驗證明之。
另外，本發明也提供一種空調過濾網，包括前述的濾材171。在一種可能的實施方式中，濾材171可以和其他材料共同組成空調設備中的濾網，例如紙框濾網或箱型濾網。紙框濾網的組成步驟大致如下，首先將濾材貼合至鍍鋅鋁網或鍍鋅鐵網，藉此支撐濾材，以免其變形；之後經過摺景，再使用厚的紙板環繞包覆濾材，以達氣密作用，並提供另一道支撐。箱型濾網的組成步驟也大致相似，差異在於，摺景之後，是將濾材組裝於箱體。當然，本發明並不限於這些實施方式，只要是包括前述濾材171的空調過濾網，均涵蓋於本發明的範疇之內。
〈實驗〉
下文將參照實驗範例，更具體地描述本發明。雖然描述了以下實驗，但是在不逾越本發明範疇的情況下，可適當地改變所用材料、其量及比率、處理細節以及處理流程等等。因此，不應根據下文所述的實驗對本發明作出限制性地解釋。
實驗1
比較例1-1：採用圖1所繪的設備10(然而，僅啟動第一紡絲裝置，不使用第二紡絲裝置)以熔噴方法形成聚丙烯纖維。熔噴的製程條件 如下：紡嘴孔徑0.5 mm；單孔紡嘴吐出量0.4~0.5 g/hole/min；熱空氣牽伸壓力10 psi。在承接裝置120上收集單獨由聚丙烯纖維構成的不織布濾網，其纖維平均直徑9.5 μm，濾效20.9%，壓損0.14 mmH2O。
實驗例1-1至實驗例1-4：採用圖1所繪的設備10，且同時使用第一紡絲裝置和第二紡絲裝置。以熔噴方法形成聚丙烯纖維，並以靜電紡絲方法形成PVA奈米纖維。如第一實施方式中所述，PVA奈米纖維嵌埋在聚丙烯纖維中，兩者相互交穿，形成具有三維非織結構的複合濾材。熔噴的製程條件與比較例1-1相同，電紡的製程條件如下：紡絲液為6 wt%~12 wt%的PVA溶液，黏度為300 mPa．s；PVA與異氰酸酯(熱交聯劑)的比例為20：1；靜電紡絲操作電壓為40 kV；滾輪轉速為100 cm/s；與鏈狀發射電極的距離為12 cm。
改變電紡絲工作電極的數量及轉速，即可改變PVA奈米纖維在複合濾材中所佔的比例，藉此得到實驗例1-1至實驗例1-4的濾材。
比較例1-1以及實驗例1-1至實驗例1-4的濾網的濾效和壓損一併呈現於表1，其中，實驗例1-4展現高達99.1%的濾效和僅3.77 mmH2O的低壓損。
實驗2
比較例2-1：採用圖1所繪的設備10，但僅啟動第一紡絲裝置， 不使用第二紡絲裝置。熔噴的製程條件如下：紡嘴孔徑0.5 mm；單孔紡嘴吐出量0.15~0.20 g/hole/min；熱空氣牽伸壓力20 psi。在承接裝置120上收集單獨由聚丙烯纖維構成的不織布濾網，其纖維平均直徑2.5 μm，濾效72.4%，壓損1.13 mmH2O。
實驗例2-1至實驗例2-3：採用圖1所繪的設備10，且同時使用第一紡絲裝置和第二紡絲裝置。以熔噴方法形成聚丙烯纖維，並以靜電紡絲方法形成PVA奈米纖維。熔噴的製程條件與比較例2-1相同，電紡的製程條件與實驗例1-1相同。同樣地，藉由改變電紡絲工作電極的數量，即可改變PVA奈米纖維在複合濾材中所佔的比例，藉此得到實驗例2-1至實驗例2-3的濾材。
比較例2-1以及實驗例2-1至實驗例2-3的濾網的濾效和壓損一併呈現於表2，其中，實驗例2-3展現高達99.2%的濾效和僅2.47 mmH2O的低壓損。
實驗3
比較例3-1：採用圖1所繪的設備10，但僅啟動第一紡絲裝置，不使用第二紡絲裝置。熔噴的製程條件如下：紡嘴孔徑0.2 mm；單孔紡嘴吐出量0.01~0.10 g/hole/min；熱空氣牽伸壓力20 psi。在承接裝置120上收集單獨由聚丙烯纖維構成的不織布濾網，其纖維平均直徑1.8 μm，濾效84.25%，壓損1.3 mmH2O。
實驗例3-1至實驗例3-3：採用圖1所繪的設備10，且同時使用第一紡絲裝置和第二紡絲裝置。以熔噴方法形成聚丙烯纖維，並以靜電紡絲方法形成PVA奈米纖維。熔噴的製程條件與比較例3-1相同，電紡的製程條件與實驗例1-1相同。同樣地，藉由改變電紡絲工作電極的數量，即可改變PVA奈米纖維在複合濾材中所佔的比例，藉此得到實驗例3-1至實驗例3-3的濾材。
比較例3-1以及實驗例3-1至實驗例3-3的濾網的濾效和壓損一併呈現於表3，其中，實驗例3-3展現高達99.98%的濾效和僅5.7 mmH2O的低壓損。
此外，圖3A和圖3B呈現了實驗例3-3的濾網的SEM照片。從圖中可以清楚看出，按照本發明的方式形成的複合濾材，具有微米纖維和奈米纖維相互交穿的非織結構。
實驗4
取實驗例3-3的複合濾材，裁切成10×10 cm2的尺寸，製成Mini Pleat V Type型態的空氣濾網。在風量602 m3/hr、微粒尺寸0.3 μm的條件下進行濾材壽命的測試，至壓損到達20 mmH2O時停止測試。經多次實驗後發現，這種尺寸的濾材，平均可以吸附0.0663 g的粉塵。若換算成34×0.6 cm2的標準尺寸，其容塵量可達135.252 g，相當於一年的使用壽命，遠高於目前已知的V Type濾網(容塵量60 g)。
綜上所述，本發明提供一種濾材和製造這種濾材的方法。此濾材由直徑範圍不同的兩種纖維構成，且細纖維均勻散布在粗纖維構成的空間支撐層中。藉此，濾材能具有出色的濾效，壓損也不至於過高。
雖然已以實施例對本發明作說明如上，然而，其並非用以限定本發明。任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍的前提內，當可作些許的更動與潤飾。故本申請案的保護範圍當以後附的申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧設備
100‧‧‧熔噴裝置
102‧‧‧加熱器
103‧‧‧熔噴模具
104‧‧‧入料口
105‧‧‧進氣口
106‧‧‧傳動裝置
108‧‧‧螺桿
110‧‧‧電紡裝置
112‧‧‧鏈狀發射電極
114‧‧‧高壓電輸出源
120‧‧‧承接裝置
150‧‧‧第一纖維
160‧‧‧第二纖維
170‧‧‧膜材

Claims (12)

  1. 一種濾材的製造方法，包括：以第一紡絲裝置形成多條第一纖維；以第二紡絲裝置形成多條第二纖維；以及在承接裝置上收集由所述第一纖維與所述第二纖維構成的具有三維非織(non-woven)結構的膜材，其中所述第一纖維的直徑介於1 μm~50 μm之間，所述第二纖維的直徑介於1 nm~1000 nm之間，所述第二紡絲裝置位於所述第一紡絲裝置與所述承接裝置之間，且所述第一纖維與所述第二纖維在接觸所述承接裝置之前以隨機方式彼此交穿排列，從而構成所述三維非織結構。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之濾材的製造方法，其中所述第一纖維可為連續不斷的長纖維或為纖維長度大於3 mm的短纖維。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之濾材的製造方法，其中所述第二纖維可為連續不斷的長纖維。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之濾材的製造方法，其中所述第一紡絲裝置為熔噴裝置，所述第二紡絲裝置為電紡裝置。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之濾材的製造方法，其中，在以所述熔噴裝置形成所述第一纖維時，以氣體壓力介於10 psi~20 psi的熱空氣牽伸所述第一纖維。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之濾材的製造方法，其中所述電紡裝置具有鏈狀發射電極，並與高壓電輸出源進行連接，從而製備連續不斷的奈米纖維，所述奈米纖維可同步匯入至所述第一纖維的結構中。
  7. 一種濾材，包括：空間支撐層，由多條第一纖維組成，其中所述第一纖維的直徑介於1 μm~50 μm之間，且所述第一纖維可為連續不斷的長纖維或纖維長度大於3 mm之短纖維；以及多條第二纖維，散布於所述空間支撐層中，其中所述第二纖維的直徑 介於1 nm~1000 nm之間，且所述第二纖維與所述第一纖維彼此隨機交穿排列，從而形成具有三維結構的微奈米複合結構過濾材。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的濾材，其中所述第一纖維是以熔噴(melt-blown)方式製成。其中所述第二纖維是以電紡(electrospinning)方式製成。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的濾材，其中所述第一纖維的直徑介於1.0 μm~50.0 μm之間，且所述第二纖維的直徑大於等於1.0 nm而小於1000.0 nm。
  10. 如申請專利範圍第7項所述的濾材，其中，以所述第一纖維和所述第二纖維的總重計，所述第二纖維佔0.1%~50.0%。
  11. 如申請專利範圍第7項所述的濾材，其中所述空間支撐層的單位面積重量為0.5 g/m2~300.0 g/m2。
  12. 一種空調設備，包括如申請專利範圍第7項到第11項中任一項所述的濾材。
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