過濾介質纖維結構及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及過濾介質纖維結構及其制備方法。具體體現在由離散長度納米纖維附著改性的微米纖維主體。眾多這些改性纖維結構可組裝成空氣過濾介質。改性纖維和介質的進一步增強可以實現改善的過濾特性。
【專利說明】
過濾介質纖維結構及其制備方法[0001]相關申請的引用[0002]本申請根據美國專利法35U.S.C.§120要求2013年11月8日提交的美國申請序號 14/075635標題為“過濾介質的纖維結構及其制造方法”的權益，其根據美國專利法 35U.S.C.§119(e)要求2013年3月15日提交的美國臨時申請序號61/789309標題為“高膨松 纖維結構及其制造方法”的權益。由此通過引用將美國申請序號14/075，635整體并入本文。
【背景技術】
[0003]工業，商業以及住宅中利用過濾系統用于將流體流的一些組分與流體流的其它組分物理分離。流體流可包括氣態或液態載體流體，其傳輸待過濾組分。過濾系統可以使用過濾器通過捕集、攔截、擴散、粗濾(straining)及類似方式物理地除去待過濾組分。
【發明內容】
[0004]本發明描述了利用微米尺寸纖維作為支撐體附著較小直徑的納米纖維的過濾裝置和方法。在一個或多個實施方案中，所述納米纖維具有卷曲體結構，并具有離散 (discrete)的長度。例如，當這些具有離散長度的卷曲納米纖維附著到微米纖維上時，它們之間發生纏繞，并在微米纖維上和周圍進行纏繞，形成一種改性的纖維。眾多這些改性纖維用于組裝成空氣過濾介質。
[0005]本“
【發明內容】
”以簡單的形式選擇性介紹了一些概念，下面的“詳細說明”將進一步描述。本“
【發明內容】
”并不旨在標識所要求保護的主題的關鍵或本質方面。而且，本“
【發明內容】
”不旨在用作輔助確定所要求保護的主題的范圍。【附圖說明】
[0006]參考以下附圖描述本發明的非限制性的并且非窮盡的實施方案，除非另有說明， 其中，各個視圖中相似的參考標記涉及相似的部件。
[0007]圖1是本發明一個實施方案的介質纖維結構的顯微照片圖，其中納米纖維附著在微米纖維上。
[0008]圖2是本發明另一個實施方案中介質纖維結構的顯微照片圖。
[0009]圖3是一種典型的離散長度的卷曲纖維在放松且自然狀態下的放大圖，用于解釋所定義的“卷曲長度”測量。
[0010]圖4是圖3中典型的離散長度的卷曲纖維在足夠的拉伸負荷下拉直纖維的放大圖， 用于解釋所定義的“拉直長度”測量。
[0011]圖5是本發明一個實施方案中介質纖維結構在一定焦點深度下的顯微照片。
[0012]圖6是本發明一個實施方案中介質纖維結構在一定焦點深度下的顯微照片。
[0013]圖7是本發明一個實施方案中介質纖維結構在一定焦點深度下的顯微照片。
[0014]圖8是本發明一個實施方案中介質纖維結構在一定焦點深度下的顯微照片。
[0015]圖9是本發明一個實施方案中介質纖維結構在一定焦點深度下的顯微照片。
[0016]圖10是本發明一個實施方案中介質纖維結構的顯微照片圖，其中非卷曲的納米纖維附著在微米纖維上。
[0017]圖11是本發明利用非卷曲納米纖維的一個實施方案中介質纖維結構的顯微照片圖。
[0018]圖12是本發明利用非卷曲納米纖維的一個實施方案中介質纖維結構在一定焦點深度下的顯微照片。
[0019]圖13是本發明利用非卷曲納米纖維的一個實施方案中介質纖維結構在一定焦點深度下的顯微照片。
[0020]詳細說明 [0〇21 ] 概述[〇〇22]過濾系統利用過濾介質將流體流中的一些組分與其它組分物理分離。過濾系統可以使用空氣過濾介質，其包括具有可測量直徑為微米的相對較大的纖維(“微米纖維”)和具有可測量直徑為納米的相對較小的纖維(“納米纖維”)，試圖實現提高的過濾效率(如，捕獲到更多并且更小粒子的能力)。過濾結構可被配置為通過減小纖維尺寸以增大用于捕獲顆粒的介質的表面積。例如，微米纖維可以支持納米纖維網，可以直接將納米纖維生產到先存的由較大的微米纖維組成的纖維基質表面上，或者納米纖維層可放在微米纖維介質層之間。這樣的配置所采用的納米纖維可以是:a)非常長，相對連續，靈活并容易彎曲，這些都服務于所有意圖和目的，一維(即，直的)，相比于它們的寬度或直徑具有明顯的長度，B)短，很直。這些配置對過濾效率造成明顯的挑戰，例如薄，無彈性;限制流體流(例如，易受壓降影響)；具有增加的表面載荷;降低了設計靈活性(例如，需要在納米纖維結構的上游側配置)； 利用具有增加的材料(例如，褶狀結構)的設計結構，具有以緊湊構造排列的傾向等等。
[0023]因此，所描述的過濾裝置和方法利用微米纖維作為支撐體附著較小直徑的納米纖維。納米纖維可以是卷曲結構并具有離散的長度。例如，當這些具有離散長度的卷曲納米纖維附著到微米纖維上時，它們相互之間纏結并且也牢固附著到微米纖維上或其周圍，以形成一種改性的纖維。在一個實施方案中，經由微米纖維和納米纖維之間的粘合實現納米纖維到微米纖維上附著。在一個實施方案中，經由微米纖維和納米纖維之間的靜電電荷引力和/或范德華力的吸引力來實現納米纖維到微米纖維的附著。在一個實施方案中，經由納米纖維在微米纖維上和周圍的機械纏結實現納米纖維到微米纖維的附著。在一個實施方案中，經由納米纖維和微米纖維之間使用粘附材料例如增粘劑的粘結實現納米纖維到微米纖維的附著。眾多這些改性纖維(例如，附著的納米纖維和微米纖維)被組裝成空氣過濾介質。
[0024]本文中所描述的改性纖維結構可被配置形成無數個微體積，其可能比僅由微米纖維形成的孔更小，并且可以維持開放的結構，如此抵抗壓實。在一個實施方案中，卷曲的納米纖維相對于支撐的微米纖維在空間中三維地分布(例如，在上游和下游分布)，可以增加纖維的表面積和微體積。三維分布也抵抗過濾介質的特定部分的完全堵塞，使得一部分流體(例如，空氣和/或其它氣體)可以通過該過濾器。
[0025]下面參考附圖詳細描述各實施例，這些附圖通過說明的形式展示出一部分實施例，【具體實施方式】。這些實施例公開的足夠詳細，以使本領域技術人員能夠實施公開內容。 然而，實施例可以以許多不同的形式來實現，并且不應該被解釋為限于這里闡述的實施方式。因此，下面的詳細說明，不被限制在僅由所附權利要求限定的本發明的公開范圍。
[0026]為了更好的交流和理解，以下定義適用于本發明:
[0027]“纖維”是一種柔性、線狀物，對于圓形纖維，其長度是橫截面直徑的至少100倍，或者對于非圓形纖維，長度是最大橫截面尺寸的100倍。
[0028]“卷曲”是當纖維在自然，放松，無拘束條件下表現自身時纖維的波浪(wavy)，彎曲 (bent)，卷曲的(curled)，彎曲的(curved)，蛇形(coiled)，鋸齒或的類似形狀。圖3提供一個卷曲的納米纖維的圖示。
[0029]“卷曲長度”是在自然、放松和無拘束條件下測量纖維時，從纖維一端到同一纖維的另一端的直線長度。圖3提供了一個卷曲納米纖維的卷曲長度(D〇的圖示。
[0030]“拉直長度”是在足夠的拉伸負荷下以消除纖維的卷曲這樣受限的方式測量同一纖維的一端到另一端的長度。圖4提供了納米纖維的拉直長度(D2)的圖示。
[0031]“卷曲百分比”是纖維的“卷曲長度”與纖維“拉直長度”之比，以百分比表示。為了確定“卷曲百分比”，將纖維的“卷曲長度”除以纖維“拉直長度”并乘以1 〇〇。
[0032]“高膨松(loft)介質”是片狀三維穩定化的纖維基體，以體積基準測量，其具有的空氣比纖維固體明顯更多；而且，其具有長度和寬度，以及垂直于由寬度和長度的測量所確定的平面的所測量的厚度;厚度遠大于制備介質所用微米纖維的直徑但小于五英寸，介質用于從流體流中除去氣態，液態，或固態污染物。
[0033]“微體積”是由本發明納米纖維限定的三維空間。此外，納米纖維同時隨機在微體積上、內以及貫穿微體積形成微孔。【具體實施方式】[〇〇34]圖1中，示例性纖維結構或基質是由6旦的纖維制成的1/2英寸厚的高膨松墊。標記 10指的是本發明的高膨松纖維結構，其中納米纖維12附著并在較大的微米纖維14周圍纏結。圖1和圖2的基本區別在于，與圖1相比，圖2中較大量的納米纖維12附著到微米纖維14 上。圖1和圖2中的納米纖維12(相應的介質纖維結構的顯微鏡照片示于圖5-9中)采用附著較大的微米纖維14和在較大的微米纖維14周圍纏結的大量卷曲納米纖維。在一個實施方式中，大量卷曲的納米纖維12至少約占納米纖維總量的50%。對納米纖維進行卷曲，納米纖維 (其可以是合成的或非合成材料)的材料特性等均可以造成納米纖維的卷曲結構。圖10至13 示出了大量非卷曲納米纖維12附著較大微米纖維14和在較大微米纖維14周圍纏結的實施例。在一個實施方式中，大量非卷曲納米纖維12至少約占納米纖維總量的50%。非卷曲納米纖維采用的纖維結構不包括與在松弛狀態下與纖維結構相關的顯著波狀，彎曲，卷曲，彎曲，卷繞，鋸齒或類似形狀，并且可以包括但不限于玻璃纖維。例如，在一個實施例中，非卷曲的納米纖維具有等于或大于約70%的卷曲百分比。
[0035]如圖1和2(具有大量的卷曲納米纖維)以及圖10和11(具有大量非卷曲的納米纖維)所示，納米纖維12彼此之間纏結，并且附著到高膨松過濾介質的較大微米纖維14上和在高膨松過濾介質的較大微米纖維14周圍纏結。此外，納米纖維延伸到由高膨松介質的微米纖維14形成的孔中。
[0036]圖1和2以及圖10和11在放大條件下說明了本發明的新穎結構，其中傳統過濾介質的較大纖維14由納米纖維12的附著而增強。如附圖所示，納米纖維12作為獨立的納米纖維 12以及作為小的納米纖維纏結簇16已經粘到較大的纖維14上。這些簇也顯示了由納米纖維纏結形成的三維微體積。圖5-9(具有大量卷曲納米纖維)以及圖12和13(具有大量非卷曲的納米纖維)展示了各種焦點深度條件下介質纖維結構的顯微照片，其中，這些圖像說明了在典型的介質纖維結構中布置的具有附著的納米纖維的微米纖維。顯微照片進一步說明了由纏結的納米纖維形成的微體積。
[0037]圖2還示出了介質中不同尺寸纖維制成的新的纖維結構。簡單起見，有三個纖維尺寸:大纖維14,中纖維15和小纖維12。所有這些纖維可以是合成的或非合成材料。通常，大纖維、中纖維用以提供介質的結構強度，小纖維附著到大纖維、中纖維上。用于過濾介質的大纖維、中纖維的直徑范圍是2-1000微米，并且長度可以是0.5-3英寸。較小纖維的直徑范圍可以為0.001-2微米。為了設計具有最佳性能的過濾介質，應適當地選擇小纖維。已發現，小纖維應比其所附著的纖維直徑的十分之一更小。例如，如果大的纖維直徑或中的纖維直徑為20微米，附著到它上面的小纖維應該是2微米或更小。小纖維的長度選擇與大纖維和中纖維形成的孔的尺寸相關。首先，小纖維應具有的長度使得卷曲時(或當利用非卷曲纖維時)， 它們附著并相互纏結并圍繞大型和中型纖維的直徑和長度和在其周圍纏結。其次，纏結的小纖維長度應可以適當地延伸到由大纖維、中纖維形成的孔的空間中。在實施例中，小纖維比孔空間更長，可以形成局部化的微網。然而，這些局部微網在空間上是立體的。可以被稱為局部微體積(圖13中示為1300)。在實施例中，微體積可以隨機分布跨越和遍及過濾介質。 應當提到的是，分布在介質中的小纖維可以是具有各種直徑和長度的纖維的組合物。[〇〇38]在實施例中，由納米纖維12強化的微米纖維14,15組成的介質可以通過微米纖維 14，15和納米纖維12捕獲與捕獲纖維尺寸類似的顆粒。例如，納米纖維12向外延伸到大纖維 14,15之間的開口外，有效地增加了通過擴散，攔截和嵌塞捕獲粒子的效率，僅伴隨最少的壓降增加。由納米纖維的纏繞產生的微體積為捕獲的小顆粒提供了保持空間，因而增大了過濾介質的容塵量。納米纖維12向微米纖維14，15形成的介質的孔中的延伸是立體的。這意味著與通過二維納米纖維網形成的表面積和孔相比，表面積的量和微體積數有了大幅增加。本文所描述的纖維結構可制成過濾介質。實施中，可通過加入粘合劑(例如，增粘劑)來增強過濾介質，進一步強化捕獲效率，而不明顯增加壓降。過濾介質可以保持結構強度，具有低的材料和制造成本，耐久，使用容易和靈活等特點。由微米尺寸纖維和納米纖維形成的大量表面積和微體積可大大提高吸附，吸收，以及斥液性。由微米纖維和納米纖維形成的大量表面積和龐大數目的微體積可增加保留和/或聚結液體的能力。
[0039]在實施方案中，將功能性納米粒子附著到改性纖維結構上(S卩，包括納米纖維附著在微米尺寸纖維上的過濾介質)。功能性納米顆粒可以包括，例如，活性炭和/或抗菌材料沉積到和/或附著到改性纖維結構上。通過納米粒子，如活性炭和抗菌材料的附著從而增加的能力，可以提高纖維的氣體吸收效率以及對細菌的殺滅效果，這是由于整個介質的表面積大幅增加卻不顯著增加壓降。
[0040]在實施方案中，本文所述的過濾介質被配置為高膨松介質。本發明新的纖維結構和高膨松介質的組合提供了一種新型的過濾介質，具有高收集效率，低壓降，以及高的灰塵容量，易于適應現有的制造方法，產品和應用和安裝。
[0041]可以若干形式制備原始納米纖維。在一種形式中，納米纖維可以作為長的分離的纖維生產。在這種形式下，可以切割納米纖維，并且在實施中，切割并卷曲以獲得所需的長度與直徑比。原始納米纖維的另一種形式可以包括研磨或碾磨分散在液體中的預卷曲的納米纖維，在特定的實施例中，液體是水。納米纖維和液體混合物可以通過液體噴霧設備應用于微米纖維中。此外，納米纖維(例如，卷曲和/或非卷曲)和液體混合物可以采用濕法工藝制備過濾介質。原始納米纖維的另一種形式是作為納米纖維聚集體的干團塊或大塊。在進一步加工之前，可用研磨減少納米纖維團塊的大小，以提取單獨的納米纖維(例如，卷曲和/ 或非卷曲)附著到過濾介質的微米纖維上。
[0042]本發明產品的制備方法包括但不限于:[〇〇43](1)在微米纖維14，15生產過程中將納米纖維12附著到微米纖維14，15上，[〇〇44](2)在微米纖維生產后將納米纖維12附著到微米纖維14，15上，
[0045](3)在過濾介質10的生產過程中將納米纖維12附著到微米纖維14，15上，[〇〇46](4)在生產過濾介質10后處理帶有納米纖維12的過濾介質10。
[0047]本文中描述的一個或多個方法中，將納米纖維12自身借助纏結，粘附，靜電荷，和范德華力(即，通常描述的小物體之間的天然存在的物理吸引力)及類似方式中的一個或多個，附著在過濾介質10的較大的纖維14和15上。在顯微鏡下觀察到，直徑小并且相對較長的納米纖維相互之間易于纏結，并且易于纏結到較大的微米纖維上。應當注意的是，根據該方法或從上述制造方法的選擇方法，納米纖維可以附著到所有微米纖維或在過濾介質內的特定深度或甚至特定區域。換言之，與由納米纖維網僅在兩個維度(即，平面的)增強的過濾介質相比，本發明提供了由納米纖維在三個維度(即，立體的)增強的過濾介質。[〇〇48]納米纖維12和較大的微米纖維14，15之間的吸引力可以通過在制造過程中干燥的納米纖維12,過濾介質10,或兩者的靜電充電來增強。靜電充電可以通過，例如，摩擦帶電， 電暈放電，或其他充電方法產生。一旦纖維互相接觸，范德華力發揮作用，進一步增強纖維之間的結合。
[0049]納米纖維12和較大的微米纖維14,15還可以通過用粘合劑材料(例如，增粘劑)涂覆以提供纖維間的膠狀粘合力，進一步提高粘附力。
[0050]添加增粘劑和靜電充電的做法不僅有助于提高納米纖維12在微米纖維14上的附著，而且進一步提高介質的過濾效率，盡管如此，沒有增粘劑和靜電充電，納米纖維12也可令人滿意地附著到微米纖維14上。可以在過濾介質制造過程中應用增粘劑和靜電充電從而簡單地提高介質的過濾能力。[〇〇51]應當注意的是，在附著到較大的過濾纖維14,15的過程中，納米纖維12的物理狀態可以是濕的或干的。此外，在本文所描述的纖維結構中的納米纖維12的最終狀態可以是濕的或干的。[〇〇52]為了液體吸收，吸附，或聚結，微米纖維和納米纖維可有選擇地由親水或疏水材料制成。可通過選擇適當的尺寸以及微米和納米纖維的組合來控制最后過濾介質的有效孔 (即，微體積)尺寸，從而進一步細化過濾介質保留或排斥液體的能力。[〇〇53]在實施例中，本文所描述的纖維結構被構造為梯度密度介質，其中孔尺寸從上游到下游減小以增加捕獲效率和容塵量。這種結構允許從介質上游側的不同深度處應用各種尺寸和/或量的納米纖維。換句話說，介質的上游側具有最輕量和/或最大尺寸的附著納米纖維，同時下游側具有最重的量和/或最小尺寸的附著納米纖維。此外，所需的孔(即，微體積)的尺寸可通過堆疊在一起的介質層形成復合介質，其中每一層具有不同量和/或不同尺寸的納米纖維。
[0054]雖然本主題已經用特定于某些結構和方法步驟的語言進行了描述，但是可以理解的是，在所附權利要求書中定義的主題不必限于所描述的特定結構和/或步驟。相反，所描述的具體特征和動作以實現權利要求的示例形式被公開。
【主權項】
1.一種纖維結構，具有上游側和下游側，包括:多個微米尺寸纖維，每個微米尺寸纖維包括直徑為至少1微米的主體；以及附著到各個微米尺寸纖維主體上的多個離散長度的納米纖維。2.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述微米尺寸纖維的直徑是約2微米至約1000微 米。3.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個離散長度的納米纖維具有約0.001微米 至約2微米的直徑。4.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個離散長度的納米纖維自身纏結形成微體 積。5.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個離散長度納米纖維的至少一部分延伸進 入到由多個微米尺寸纖維形成的至少一個微孔。6.根據權利要求5的纖維結構，其中，所述多個離散長度納米纖維的至少一部分從多個 微米尺寸纖維向外延伸進入到形成至少一個局部化的微體積的至少一個微孔。7.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個離散長度納米纖維的分布從纖維結構的 上游側向下游側增加。8.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個離散長度納米纖維的直徑從纖維結構的 上游側向下游側減少。9.根據權利要求1的纖維結構，還包括在所述多個微米尺寸纖維和所述多個離散長度 納米纖維的一個或多個上的粘合劑。10.根據權利要求1的纖維結構，還包括附到所述多個微米尺寸纖維和所述多個離散長 度納米纖維的一個或多個上的一種或多種功能性納米粒子。11.根據權利要求10的纖維結構，其中，所述一個或多個功能性納米粒子包括活性炭和 抗菌材料中的一種或多種。12.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個微米尺寸纖維和多個離散長度納米纖 維中的一個或多個包括靜電材料。13.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個微米尺寸纖維和多個離散長度納米纖 維中的一個或多個包括疏水材料。14.根據權利要求1的纖維結構，其中，所述多個微米尺寸纖維和/或多個離散長度納米 纖維中的一個或多個包括親水性材料。15.—種形成過濾介質的方法，包括:提供多個微米尺寸纖維，所述多個微米尺寸纖維中的各個限定了在微米尺寸纖維之間 的至少一個微孔；通過下面至少之一提供多個納米纖維:(i)將多個伸長的納米纖維切到一定尺寸，該尺 寸使得多個納米纖維被構造成從微米尺寸纖維向外延伸進入到形成至少一個局部化微體 積的至少一個微孔，(ii)研磨或碾磨多個分散在液體中的伸長的納米纖維中的至少一個， 以及(iii)研磨干納米纖維的聚集體;并且將多個納米纖維直接附著在各個微米尺寸纖維上以形成過濾介質。16.根據權利要求15的方法，其中，附著多個納米纖維包括:在過濾介質的微米尺寸纖 維生產過程中或在過濾介質的微米尺寸纖維生產過程之后的至少之一中，將多個納米纖維涂覆到各個微米尺寸纖維上。17.根據權利要求15的方法，其中附著多個納米纖維包括:通過將納米纖維和微米尺寸纖維共混將多個納米纖維附著到過濾介質的微米尺寸纖維上。18.根據權利要求15的方法，其中將多個納米纖維直接附著到各個微米尺寸纖維上以 形成過濾介質包括:借助濕法工藝將多個納米纖維直接附著到各個微米尺寸纖維上。19.根據權利要求15的方法，其中，將多個納米纖維直接附著到各個微米尺寸纖維上包 括將多個納米纖維和液體的混合物噴到微米尺寸纖維上。20.—種過濾介質結構，包括:多個過濾層，多個過濾層的至少一個層包括:多個微米尺寸纖維，每個微米尺寸纖維包括具有直徑為至少1微米的主體，多個微米尺 寸纖維的各個限定了在微米尺寸纖維之間的至少一個孔;和多個離散長度的納米纖維，附著到各個微米尺寸纖維的主體上并且從微米尺寸纖維向 外延伸進入到形成于微米尺寸纖維之間的至少一個孔。21.根據權利要求20的過濾介質結構，其中，多個層被布置為高膨松過濾介質。22.根據權利要求20的過濾介質結構，其中，與各個多個層相比，多個層中的每一層包 括不同量的離散長度的納米纖維。23.根據權利要求20的過濾介質結構，其中，與各個多個層相比，多個層中的每一層包 括不同尺寸的離散長度的納米纖維。24.根據權利要求20的過濾介質結構，其中，與各個多個層相比，多個層中的每一層包 括不同孔徑或不同厚度的至少一個。25.根據權利要求20的過濾介質結構，其中，多個離散長度納米纖維的至少一部分從微 米尺寸纖維向外延伸進入到形成至少一個局部化微體積的至少一個孔。
【文檔編號】B01D39/02GK106039833SQ201610383153
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】K-C·郭, A·瓦蒂內, S·B·貝耶爾, G·波斯皮薩爾
【申請人】產品無限公司, Lms技術公司