交織的過濾屏障的制作方法
【專利說明】交織的過濾屏障
[0001]相關申請交叉引用
[0002]本申請按照35U.S.C.§ 119(e)要求于2013年12月9日提交的美國臨時申請序列號61/963,612的權益，其全部內容通過引用并入本文。
技術領域
[0003]本發明涉及聚合物過濾屏障及其制備方法。具體而言，該過濾屏障具有障壁層和基層。
【背景技術】
[0004]期望的過濾屏障應具有高過濾效率和低壓降。一些過濾屏障是由直徑為幾微米至幾十微米的熔噴纖維組成。這些屏障無法有效過濾掉大部分微米級顆粒和納米顆粒并同時保持低壓降。
【發明內容】
[0005]鑒于前述背景，本發明的目的在于提供另一種的過濾屏障。
[0006]因此，在一個方面，本發明提供了一種過濾屏障，其包括至少一個障壁層和至少一個基層。障壁層包括多個聚合物納米纖維，其與多個聚合物微纖維交織。基層包括聚合物微纖維。所述障壁層連接于所述基層上。障壁層的納米纖維和/或微纖維攜帶靜電荷。
[0007]在本發明的示例性實施方案中，障壁層的聚合物納米纖維的直徑范圍為10納米至1000納米；障壁層的聚合物微纖維的直徑為I微米至10微米。
[0008]在本發明的另一示例性實施方案中，過濾屏障還包括與障壁層連接的至少一個支持層，并且該支持層包括聚合物微纖維。
[0009]在另一個方面，本發明提供了一種過濾屏障，其包括納米纖維層和殺生物劑層。納米纖維層包括多個聚合物納米纖維。殺生物劑層包括由具有反應基的聚合物制成的多個納米纖維，和通過交聯劑與所述反應基結合的殺生物劑。所述納米纖維層連接于殺生物劑層上。殺生物劑層中殺生物劑的量占0.5-2重量％，并且殺生物劑層的孔隙率范圍為90-98%。
[0010]在另一方面，本發明提供了制備過濾屏障的方法，其包括以下步驟:使納米纖維與微纖維交織，形成孔徑為10-1OOOOnm的障壁層，從而使得所述過濾屏障在低于85L/min(分鐘)的空氣流量下可阻擋超過95%的200_400nm的顆粒，同時使壓降維持在低于35mm H2O0小于200nm的顆粒可通過布朗擴散阻擋，而大于400nm的顆粒可通過撞擊、攔截、靜電吸引和過篩來阻擋。
[0011]在一個實施方案中，上述方法還包括改變聚合物溶液的導電率、粘度或表面張力的步驟。
[0012]在另一實施方案中，上述的改變步驟還包括加入導電率促進添加劑的步驟。
[0013]在本發明的示例性實施方案中，所述方法還包括將交織的障壁層連接于基層上的步驟，并且該基層包括聚合物微纖維。
[0014]在本發明的另一示例性實施方案中，納米纖維和微纖維由聚合物溶液制成，并通過改變聚合物溶液的導電率、粘度或表面張力獲得。
[0015]在另一方面，本發明提供了制備過濾屏障的方法，其包括以下步驟:(I)通過改變由聚合物溶液制成的線狀物(thread)的至少一個維度(dimens1n)形成包含與微纖維交織的納米纖維的障壁層；(2)將障壁層連接于基層上以形成過濾屏障。用聚合物溶液通過靜電紡絲制成線狀物；并且基層包含多個微纖維。
[0016]在另一方面，本發明提供了制備過濾屏障的方法，該過濾屏障包括納米纖維層和殺生物劑層。納米纖維層包括多個攜帶正靜電荷的非極性聚合物納米纖維。殺生物劑層包括由具有羥基的聚合物制成的多個納米纖維，所述羥基通過交聯劑能夠與具有氨基的殺生物劑共價結合。
[0017]本發明的過濾屏障提供了多個優勢，例如，該障壁層包括納米纖維與微纖維的交織結構，其中通過這種交織可提供對過濾屏障的附加支撐，而不會折減過濾屏障的過濾效率。本發明的發明人認識到，盡管過濾效率通常隨納米纖維表面面積的增加而增加，并且表面面積隨納米纖維直徑的減小而增加，但對于給定材料而言，納米纖維的直徑不能無限制地大幅降低。如果需要進一步提高包含可能的最小直徑的納米纖維的屏障的過濾效率，必須增大屏障的厚度，這會致使屏障的壓降增大。因此，本發明是研發能夠提高過濾效率且不會引起壓降明顯增大的過濾屏障的解決方案。
[0018]本發明人認識到，通過正壓和負壓靜電紡絲制成的納米纖維分別攜帶正靜電荷和負靜電荷，并且這些電荷可保持相對長的時間。本發明人還認識到，這些電荷來自兩種來源:納米纖維中的殘余表面電荷和過量陷阱電荷(ETC)。與表面電荷不同，ETC無法輕易消散，因為ETC會在聚合物的疇界(domain boundaries)處積累。對于半晶體聚合物，在結晶/非晶界面可誘捕電荷。由非極性聚合物構成的電紡納米纖維與由極性聚合物構成的相比，通常會將電荷保留較長的時間。由于大部分細菌和病毒是帶負電的，因此該問題目前的解決方案是形成攜帶正電荷的納米纖維屏障。那些帶電屏障能夠通過靜電吸引增強細菌和病毒的過濾，而不會增大壓降。
[0019]在另一方面，可用接觸時能夠殺滅細菌的殺生物劑來功能化電紡納米纖維，而大部分市售過濾屏障僅僅用作濾篩以過濾掉氣載污染物。理想的屏障除物理上阻隔氣載污染物之外還應展現出殺菌功能，以使交叉污染最小化。本發明人認識到，雖然一些屏障可表現殺菌性質，但這些屏障常常需要將殺生物劑(例如銀納米顆粒)從屏障濾去以殺滅細菌。本解決方案研發出一種納米纖維屏障，其能夠在接觸時殺滅細菌而無需將殺生物劑從屏障濾出。
[0020]此外，如以下討論的結果中所說明的，過濾屏障具有較高過濾效率和較低壓降。另夕卜，該障壁層可由一組溶液制備，該組溶液的導電率、粘度和表面張力是不穩定的，由此這種制備障壁層的方法可易于擴增以用于大規模生產。最后但同樣重要的是，障壁層在連接于基層時可維持其機械完整性。而且，包括基層和障壁層的過濾屏障是柔性的，以便允許卷對卷加工，而不影響障壁層的機械完整性。
【附圖說明】
[0021]圖1示出了過濾屏障，其包括障壁層和基層。
[0022]圖2示出了本發明一個實施方案的與微纖維交織的CA/PEO納米纖維的SEM圖像(X 5000放大率)。
[0023]圖3示出了本發明的同一實施方案的包括障壁層、基層和支持層的過濾屏障。
[0024]圖4示出了本發明的一個實施方案的過濾屏障，其包括五個障壁層和5個基層以及一個支持層。
[0025]圖5示出了對具有不同數量的障壁層和基層的過濾屏障的過濾效率和壓降的研宄結果。障壁層包括無靜電荷且與微纖維交織的CA/PEO納米纖維。
[0026]圖6示出了對不同數量的CA/PEO納米纖維層的過濾效率和壓降的研宄結果。
[0027]圖7示出了對具有不同數量的障壁層和基層的過濾屏障的過濾效率和壓降的研宄結果。障壁層包括帶靜電荷且與微纖維交織的CA/PEO納米纖維。
[0028]圖8示出了對包括與微纖維交織的CA/PEO納米纖維的一個障壁層在從電紡結束至測量開始的時間段內的表面電勢的研宄結果。
[0029]圖9示出了對包括CA/PEO納米纖維的一個障壁層在從電紡結束至測量開始的時間段內的表面電勢的研宄結果。
【具體實施方式】
[0030]本文和權利要求中使用的“包括”意思是包括下述要素，但不排除其他要素。
[0031]實施例1包括與微纖維交織的納米纖維的過濾屏障
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