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CN102600665B - 包括纤维和纤维隔离物的降低密实度的网 - Google Patents

包括纤维和纤维隔离物的降低密实度的网 Download PDF

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CN102600665B CN201210056082.2A CN201210056082A CN102600665B CN 102600665 B CN102600665 B CN 102600665B CN 201210056082 A CN201210056082 A CN 201210056082A CN 102600665 B CN102600665 B CN 102600665B
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Abstract

一种网可以包括大体连续的纤维物质和分散在纤维中的分离装置。所述网具有优选的厚度，通过使聚合材料和颗粒物形成为细纤维层而得到，可以具有多种最终用途。过滤介质可以包括一种结构，该结构包括所述细纤维网和大量颗粒物实施例的分离装置。所得到的细纤维结构提供了改进的过滤介质，它具有实质深度，厚度，和层状结构。所述网的改进特性是由于包含了分离或隔离颗粒。

Description

包括纤维和纤维隔离物的降低密实度的网
本申请是2006年2月15日作为PCT国际专利申请提出的，以美国公司Donaldson Company，Inc.的名义，作为除美国之外的所有国家的指定申请人；和土耳其公民Veli Kalayci，美国公民Douglas Crofoot，Timothy Grafe，和KristineGraham，他们仅被指定为在美国的申请人，并且本申请要求申请日为2005年2月16日的美国临时专利申请序列号60/654,055，和申请日为2006年2月13日的美国专利申请序列号(未知)的优先权。
技术领域
本发明涉及网或纤维结构，例如过滤介质，它包括纤维和纤维衬垫(fiber spacer)，隔离颗粒或与纤维相关的网分离装置的集合。
背景技术
过滤器可以由聚合材料的细纤维网制成。聚合物网可以通过静电纺丝，挤压，熔体纺丝，干法和湿法工艺等制成。过滤器结构的制造技术是大量的，用于获得可以从运动的流体流分离颗粒负载的结构。所述过滤介质包括表面负载介质和深度介质，其中所述介质可以生产成多种几何结构。与使用所述介质相关的原理可以参见Kahlbaugh等，美国专利号5,082,476；5,238,474；5,364,456和5,672,399。在包括任意选择的过滤介质的任何过滤器结构中，过滤器必须除去定义的颗粒大小，并与此同时，具有足够的使用寿命，以便可经济地调整它的颗粒物清除特性。使用寿命一般被认为是绝缘和过滤器获得足够的颗粒负载以使通过过滤器的压力降大于预定水平的时间之间的时间。增大的压力降可能导致过滤器旁通，过滤器机械损坏，流体缺乏，或其他操作问题。
纳米纤维过滤介质业已推动了商业，工业和国防用途的空气过滤性能的新水平，其中，与HEPA(高效率颗粒空气)或ULPA(超低渗透空气)水平相比，效率要求一直是低的。
纳米纤维增强过滤领域的最新进步已经使纳米纤维的可用性延伸到具有更高过滤效率的应用中。具体地讲，所述纳米纤维基质提供了与由亚微米玻璃或膨体PTFE薄膜组成的其他商业用HEPA介质相当的性能。所述性能与上述技术的优点一起示出。纳米纤维过滤介质是具有严格性能要求的高效率用途的可行解决方案。
网可以包括大体上连续的纤维物质和分散在纤维中的纤维衬垫，隔离颗粒或网分离装置。所述隔离物或分离装置导致纤维网获得一种结构，其中，所述纤维物质或网部分，即使充满颗粒物，降低了密实度，分离了纤维或分离了结构内的网部分，增加了纤维网的深度，而不增加所述网中聚合物量或纤维数量。所得到的结构获得了改进的过滤性能，例如对增大压力降的抗性，改善的品质因数，渗透性和效率。过滤效率是过滤介质的特征，它与从运动流中除去的颗粒物部分相关。效率通常通过下述定义的一组测试协议测量。
表面负载过滤介质通常包括纤维密集垫，具有无纺结构，在通过运动流体流的路径上放置。当运动流体流通过成型的无纺纤维结构时，颗粒物通常以一定的效率在过滤器表面从液流中除去，并且留在表面上。与表面负载结构相反，深度介质通常包括相对(与表面负载介质相比)厚的纤维结构，具有定义的密实度，孔隙度，层厚度和效率。深度介质，特别是梯度密度的深度介质披露于Kahlbaugh等，美国专利号5,082,476；5,238,474和5,364,456中。一般，深度介质在过滤作业中通过将装载在运动流体流中的颗粒物阻止在过滤层内而起作用。当颗粒物撞击深度介质纤维结构时，颗粒物留在深度介质内，并且通常分布并且保持在内部纤维上，并遍及过滤器空间。相反，表面负载介质通常将颗粒物积聚在表面层。
Groeger等，美国专利号5,486,410披露了纤维结构，通常由双组分、核/壳纤维制成，包含颗粒材料。颗粒包括保持在纤维结构中的固定功能性材料。所述功能性材料被设计成与流体流相互作用并改变所述流体流。通常的材料包括硅石，沸石，氧化铝，分子筛等，它们能够与流体流中的材料起反应或吸收流体流中的材料。Markell等，美国专利号5,328,758，使用融吹热塑性网和吸附性材料在网中，用于分离处理。Errede等，美国专利号4,460,642披露了PTFE的复合片材，它是水可膨胀的，并且包含亲水性吸收颗粒。该片材可用作创伤敷料，作为吸收和除去非水溶剂的材料或作为分离层析材料。Kolpin等，美国专利号4,429,001披露了包括融吹纤维的吸附剂片材，所述融吹纤维含有超强吸收聚合颗粒。例如，Mitsutoshi等，JP 7265640和Eiichiro等，JP 10165731披露了除臭或空气净化过滤器。
尽管过去已使用了表面负载和深度介质，并且已获得了一定程度的性能，工业中仍明显需要能提供明显不同于以前所获得的新的和不同性能特征的过滤介质。
发明内容
本发明的网包括纤维网和纤维分离装置或纤维衬垫装置。所述网包括连续的纤维结构，具有连续的纤维相和纤维分离装置，包括分散在纤维中的颗粒相。通过分散，颗粒固定在介质中，粘接在纤维上，保持在所述网内的空隙空间内或在部分穿透所述网的凹处中，在网表面形成空间。所述网可用于过滤用途，作为深度介质，具有连续的细纤维网，通过衬垫或分离装置的存在以颗粒结合介质中纤维的形式加以改性，提供品质因数，过滤效率，过滤渗透性，深度负载和延长的使用寿命，由最小的压力降增加表征。
本发明涉及纤维网，包括小纤维和纤维衬垫，隔离颗粒或网分离装置。所述网可应用于多种最终用途，包括用于过滤技术。所述网可用作过滤器，过滤器结构，其中，所述细纤维层和纤维材料被用于过滤器结构和过滤流体，诸如空气、气体和液体流的方法。流体流包括流动相和夹带的颗粒。所述液流通常与大比例的一种或多种颗粒材料结合或被污染。所述污染性颗粒材料可以在成分，颗粒大小，形状，密度和其他物理参数上不同。所述颗粒可以是液体，固体，或可以包括复合颗粒物。所述颗粒由多种来源引起，来自天然和来自人造或人工的来源。需要从流体流中除去某些或全部颗粒材料。例如，所述流体流包括到机动车辆舱的进气流，计算机磁盘驱动器中的空气，HVAC空气，清洁室通风和使用过滤袋，绝缘织物，机织材料的应用，进入机动车辆发动机的空气，或进入发电设备的空气；导向燃气涡轮的气体流；和，进入各种燃烧炉的空气流。对于舱室空气过滤器的情况，希望为安全，乘客舒适度和/或美观起见除去颗粒物。对于进入发动机，燃气涡轮和燃烧炉的空气或进气流，需要除去颗粒材料，因为颗粒可能降低效率或可能造成对各种相关机构的内部工作的实质性损坏。在其他情况，来自工业处理或发动机的生产气体或废气内可能含有颗粒材料。在所述气体能够或应当通过下游设备排放到大气之前，通常需要从所述流体流中基本除去颗粒材料。
所述网能够以所述方式纺成，以将隔离颗粒或网分离装置分散在纤维中。优选的隔离装置包括颗粒物。所述颗粒物可以在含有聚合物的溶液中分散，并且所述溶液纺成纤维网。也可以在成型过程中将颗粒物添加到所述网中，或在成型之后添加。所述网，在静电纺丝时，由网或互相连接的纳米纤维团表征，具有分离或隔离装置或颗粒物分散在纤维网内并贯穿纤维网，并在纤维网表面上。在纤维网内，隔离颗粒在互相连接的纤维结构内形成空隙空间，降低密实度并增大运动的流体流动。本发明还包括通过形成具有同时添加或后纺丝添加隔离颗粒到纤维层的细纤维团而形成的网。在所述实施例中，颗粒贯穿纤维材料团散布。
本发明还涉及在完全形成的网或层中形成纺丝层，并然后在将所述网结合到有用物品之前，将隔离或分离装置或颗粒物添加到网的表面。包括层压，压延，压缩或其他处理的随后处理，可以将颗粒物结合入纤维网中并分布在它里面。在成型时同时将颗粒物添加到网上或在获得成型之后将颗粒物添加到网上的一个优点是，可以使用溶剂可溶性颗粒物。将可溶性颗粒溶解在溶液中会导致材料结合在纤维中，而又不会使颗粒作为分离相保持在所述网中。在成型之后向所述网添加颗粒物使溶剂可溶性材料保持在其颗粒物形式。
所述材料网还可以具有梯度结构。在本文中，术语″梯度″表示网的某些成分(密度，密实度，纤维大小等)从网的一个表面到网或网层的相对表面不同。梯度可以被表征为，在网或两个或多个介质层的层压内纤维重量或数量不同。梯度可以形成在层压中，其中，每一层具有不同的特性或特征，它以各向同性的方式变化通过层压。梯度可以通过在所述网内形成连续的较少纤维而形成，因为所述网以单层或层压形式形成。另外，隔离装置或颗粒物的浓度可以具有梯度显示，其中，每体积颗粒材料的大小，重量或数量从所述网的一个表面到另一个表面显著增加或降低。
本发明的介质能够以单一细纤维网或系列细纤维网的形式用于过滤器结构中。术语″细纤维″表示纤维具有的纤维尺寸或直径为0.0001-小于5微米或约0.001-小于2微米，并且，在某些情况，0.001-0.5微米直径。可以利用多种方法制造细纤维。Chung等，美国专利号6,743,273；Kahlbaugh等，美国专利号5,423,892；McLead，美国专利号3,878,014；Barris，美国专利号4,650,506；Prentice，美国专利号3,676,242；Lohkamp等，美国专利号3,841,953；和Butin等，美国专利号3,849,241；上述所有文献在此被结合入本文参考，这些文献均披露了多种细纤维技术。本发明的细纤维通常通过静电纺丝在基片上。基片可以是可渗透或不可渗透的材料。在过滤应用中，无纺过滤介质可用作基片。在其他应用中，纤维可被纺在不可渗透层上，并且可被移去用于下游加工。在所述应用中，纤维可以被纺在金属桶或金属薄片上。
形成在本发明过滤器基片上的细纤维层可以在颗粒物分布，过滤性能和纤维分布方面大体均匀。大体均匀，是指纤维对基片具有足够的覆盖率，以便贯穿覆盖的基片具有至少某种可测量的过滤效率。本发明的介质可用于过滤器结构中具有多个网的层压件。本发明的介质包括至少一个细纤维结构的网。所述层还可以在单层或层压件的系列层中具有颗粒物的梯度。
纤维网的总厚度为约纤维直径的1-100倍或约0.5-200微米，约5-200微米，约10-200微米或约30-200微米。所述网可以包括约5-95wt％纤维和约95-5wt％隔离颗粒或分离装置或约30-75wt％纤维和约70-25wt％隔离颗粒或分离装置。介质的整体密实度(包括分离装置的成分)为约0.1-约50％，优选约1-约30％。不包括结构中颗粒成分的网的密实度为约10-约80％，并且本发明的过滤介质可以获得约40-约99.9999％的过滤效率，当如本文所述按照ASTM-1215-89，用0.78μ的单分散性聚苯乙烯球形颗粒，以13.21fpm(4米/分钟)测量时。品质因数可以在100-105范围内。本发明的过滤网通常显示Frazier渗透性试验，显示的渗透性为至少约1米-分钟-1，优选约5-约50米-分钟-1。当用作分离装置时，表征本发明所述网的颗粒相的颗粒是这样的颗粒，它对流动相和夹带的污染物负载是惰性的，或相对运动的流体或负载具有限定的活性。
为了本发明目的，术语″介质″包括一种结构，它包括网，所述网包括大体连续的细纤维网或团，和分散在所述纤维网、团或层中的本发明的分离或隔离材料。在本文中，术语″网″包括大体连续的或不间断的细纤维相，具有大体分散在纤维内的隔离颗粒相。连续的网对于对流动相中颗粒污染物负载的通道施加屏障是必需的。单个网，两个网或多个网可以被组合以构成本发明的单层或层压过滤介质。
本发明的颗粒材料具有能够改善本发明的介质和层的过滤性能的尺寸。所述材料可以由多种有用的材料组成。所述材料可以对流动相和通过网的夹带的颗粒负载大体是惰性的，或者所述材料可以与流体或颗粒负载相互作用。为了本发明，术语″惰性″表示网中的材料基本上不与流体或颗粒负载起化学反应，或基本上不会大量物理吸收或吸附部分流体或颗粒负载到颗粒物上。在该″惰性″模式下，隔离颗粒简单地改变纤维层和包括一个或多个纤维层的介质的物理参数。当使用与流体或颗粒负载相互作用的颗粒物时，所述颗粒物除了改变介质或层的物理特性之外，还与部分运动流体或颗粒负载起反应或吸收或吸附部分运动流体或颗粒负载，以便改变通过所述网的材料。本文所披露技术的主要焦点是改进介质或层的物理结构，并且改进过滤器性能。为此，可以使用惰性颗粒。在某些应用中，可以使用大体惰性的颗粒与能够和流动相或颗粒负载相互作用的颗粒的结合。在所述应用中，随后会使用惰性颗粒和相互作用颗粒的组合。
优选的纤维分离装置包括颗粒物。所述颗粒物，用于本发明的独特过滤器结构，包括通常大体惰性或无活性的颗粒物。所述颗粒物仅是占据过滤层或垫内的空间，降低纤维的有效密度，增加流体通过过滤器的弯曲路径，并且既不与流体起反应也不从流体吸收材料。另外，所述颗粒物可以提供机械空间保持效果，同时另外与运动流体发生化学反应或吸附或吸收运动流体中的气体，液体或固体成分。
附图说明
图1-3和5-6是显微照片，详述本发明的网，纤维团，分散在过滤层的颗粒，和连续的结构。所述附图通过分离细纤维，增加流体路径同时保持小孔径，示出了改进的过滤器结构。
图4a和4b示出了用于引入颗粒物，并且将纤维和颗粒物纺入过滤网的机构。
图7a是图6所示材料的颗粒大小的直方图，而图7b是图10-13和14-15所示隔离颗粒材料的颗粒大小分布。
图8示出了用本发明的技术制备的网的渗透和品质因数的改进。
图9是品质因数作为颗粒大小的函数，对于本发明的纳米纤维介质在10.5ft-min-1的不同密实度的图解表示。所述数据是使用根据过滤技术的模拟公式建立的定量数学模型得到的。
图10-13是扫描电子显微照片(SEM)，示出按照示例制备的若干样品的纳米纤维隔离颗粒介质结构。该显微照片示出了包括颗粒物隔离和下层介质层的纳米纤维介质的侧视图和俯视图。
图14和15是通常纳米纤维截面的高和低放大倍数示意图。图14示出具有隔离颗粒的纳米纤维，而图15示出支撑层上的纳米纤维复合物。
图16和17示出在保护性衬垫从纳米纤维表面移去之后，所述折叠的纳米纤维介质的高和低放大倍数SEM图像。SEM中所示的介质部分是折叠顶端，示出折叠不破坏纳米纤维结构。
图18用图表示出在10.5英尺-分钟-1的表面速度，在多种压力下，品质因数的变化作为压缩所述范围的DOP颗粒大小的函数。
图19示出在有和没有隔离颗粒的存在下，在10.5英尺-分钟-1表面速度下，使用0.3微米DOP颗粒的复合物中纳米纤维量的影响。该图表清楚示出，含有纳米纤维和隔离颗粒的复合物具有显著增加的品质因数和效率，而仅有纳米纤维的层不具有足够的效率。
图20-25示出分别在5，10.5和18英尺-分钟-1的表面速度，和对于三种不同材料的0.3微米DOP颗粒大小的条件下，压力降作为渗透[-Ln(渗透)]的函数。含有颗粒隔离物的纳米纤维介质示出了高于玻璃介质的明显改善的性能，以及相对于PTFE介质的改进。
图26示出在三种不同的表面速度下使用纳米纤维介质，对于相同效率水平的玻璃介质的最初压力降的减弱。换句话说，使用本发明的纳米纤维介质减弱了具有不同最初效率的所述介质的最初压力降。
图27示出对于97DOP玻璃介质和纳米纤维复合物等同物，品质因数作为颗粒大小的函数。
图29是用于产生图28a和28b所示脉冲除尘度数据的双介质脉冲试验台。
图31a和31b示出在脉冲清洁台上试验之后的纳米纤维复合物的剖视图和来自下游侧的视图，示出复合物层可被有效净化，而没有实质损坏。
图30示出用于在已知量的负载下压缩纳米纤维介质的试验设备，所述已知量负载用于产生图33所示的数据。
图32和33示出在复合物结构中具有平纹棉麻织物的折叠纳米纤维/隔离颗粒介质的高和低放大倍数SEM图像。在SEM图像中所示的部分是折叠弯曲，示出介质能够有效层压和折叠，而不会对所述结构造成实质损坏。
图34和35示出本发明的折叠的纳米纤维/隔离颗粒介质。
图36夹带在纳米纤维基质中的颗粒的SEM。该样品是在230°F下加热5分钟之后观察的。所述SEM清楚地示出颗粒物粘附到网纳米纤维上，表示颗粒物固定在网中，并且如果不实质性破坏复合物结构就不能被机械性移去。
图37是图35部分的增大放大图，示出极好的纳米纤维与颗粒的粘合。
具体实施方式
我们业已发现，包括在本发明层中的本发明隔离颗粒，显著改善过滤性能，即使大比例占据纤维层时也是如此。隔离颗粒的包含增加了层厚度，并降低了纤维密实度，同时占据了大部分层空间。下面示出了高效纳米纤维颗粒基质的实验结果。这或者通过依次将颗粒物或纳米纤维添加到现有高效基片上，或者通过由同时制备的纳米纤维和隔离颗粒(颗粒物)网制成高效结构而产生。效率和压力降是以商用玻璃和PTFE介质为基准，通过随后的试验得出，它包括所示出的高效纳米纤维介质的耐用性，除尘度和折叠率评估。
纳米纤维有助于提供空气过滤的新的能力和特性。过去用于过滤用途的聚合纳米纤维网具有两个主要功能。首先，非常薄的纳米纤维网通常被应用在较低效率的基片介质。所述基片介质通常具有良好的处理特性并且经济，具有相对差的过滤效率。添加纳米纤维至表面增强了基础材料的效率，形成了对于很多工业和与发动机相关的应用来说具有良好处理性能和良好效率的复合介质。实现相同结果的另一种途径是通过将带电的融吹纤维应用在基础材料的表面上。不过，由于纳米纤维网的效率完全通过机械过滤机制实现，它不会在变化的环境条件下像带电的融吹纤维所倾向的那样降解。另外，与带电的融吹层相比，纳米纤维网非常薄，这在许多应用中是有利的。其次，业已使用聚合纳米纤维网，以改善常用过滤材料的表面负载性能。很多过滤介质在暴露于工业粉尘环境时表现出深度负载特性。随着时间推移，颗粒物质被深深包埋在介质的纤维结构中，最终阻止了适当的空气流动。当聚合纳米纤维网应用于过滤介质上游(脏的)侧时，颗粒物质在纳米纤维网的表面被大量捕获。表面负载性能使得过滤器可以通过标准机制清洁，像反向脉冲调制或振动。其他表现出类似表面负载性能的材料倾向于具有显著更低的渗透性，如膨体PTFE薄膜介质。包括薄聚合纳米纤维网涂层的复合介质在许多应用中导致表面负载性能，具有比使用其他传统的表面负载材料所能得到的更高的渗透性。在亚微米范围的小纤维，与较大的纤维相比，是公知在截留和惯性撞击时间段中由于内部结构和密实度，在相同压力降下能提供更好的过滤效率。对于纳米范围的纤维，应当考虑在纤维表面上滑流的影响。在滑流中，纤维表面的气流速度假定为非零。由于在纤维表面的滑动，纤维上的曳力小于非滑流情况的力，它转化成较低的压力降。另一方面，滑流使得靠近纤维表面流动的空气部分大于非滑流的情况，它转化为更多的颗粒靠近纤维运动，导致更高的扩散，截留和惯性撞击效率(Graham等，Polymeric Nanofibers in Air FiltrationApplications，Fifteenth Annual Technical Conference & Expo of the American Filtration& Separations Society，Galveston，Texas，2002)。
密实度在过滤中的作用更为复杂，因为它在相同方向影响压力降和效率。当密实度增大时，单位长度纤维的曳力增加，因而由于扩散和截留单一纤维的效率也增加。注意，对于高效应用，在这里只考虑扩散和截留，因为它们是接近大部分穿透粒度的主要机理。当过滤介质的密实度增加时，压力降以比单一纤维效率快的多的速率增加，这是由于扩散或截留的作用，根据由R.C.Brown(1993)引用的等式。在大部分穿透粒度附近，品质因数随着密实度的增加而降低。基于类似等式的定量数学模型证实了这种改善。图9示出了对于不同密实度的纳米纤维介质在10.5fpm下，计算的品质因数作为粒度的函数。对于品质因数的说明，参见下文讨论。
应当指出，对于比大部分穿透粒度大很多的颗粒，可能由于截留和惯性碰撞，组合的单一纤维效率比压力降增加的更快。因此，对于更大的颗粒，品质因数可能随着密实度的增加而增加。
就是说，对于大部分实际应用，为了实现在大部分穿透粒度的高效率，希望间隔纳米纤维，使得过滤介质的有效密实度尽可能低。
高效聚合纳米纤维可以用多种不同技术制成；所述工艺之一是电流体动力溶液纺丝或更常见的被称为电纺丝。
电纺丝技术利用电荷使大量聚合物溶液变形，加速并且拉伸，形成纤维形状。通常，表面张力将所述溶液保持在毛细管顶端，并且所述溶液受到接地电位和带电聚合物溶液量之间产生的强电场的作用。在从较大的锥体形状转变为纤维期间直径发生了极大的缩小，这是由于喷嘴弯曲不稳定的性质造成的，当喷嘴沿旋转线喷射时提供无秩序的轨迹。通过选择合适的聚合物和溶剂对，可以制备直径在40-2000nm范围内的纤维。纤维直径可以改变和控制。静电纺丝工艺基础和聚合物能力可以广泛地在科学文献和专利文献中查阅到(参见Chung等，美国专利号6,743,273)。
通过用纳米纤维和隔离颗粒制备高效率结构构造出高效结构的纳米纤维。
空气流量，其为通过过滤器和颗粒负载的阻力或压力降的函数，它随着粉尘块在过滤器上的形成而降低。因此，随着粉尘块形成，气流阻力增大。由于微纤维玻璃HEPA过滤器通常不进行清洁，空气流动速率随着系统工作持续下降。在通过过滤器的阻力达到阈限阻止适当的空气流动后，必须更换过滤器。为此，HEPA过滤器被用于具有低空气流动速率或具有低浓度颗粒物质的应用，并且通常作为最终部件安装，在其他颗粒物质收集设备的下游。
由于它们非常高的纵横比，纳米纤维通常不会在不连续的层中层叠在彼此的顶部。取而代之的是，当在给定表面积上的纳米纤维量非常高时，它们倾向于彼此熔合，并且产生薄膜状结构，该结构限制空气流量，而又不提供高水平的颗粒效率。
我们业已用聚合物微球体的形式使用了隔离颗粒，试图将纳米纤维层彼此隔离。通过这样，降低了结构的密实度，并显著提高了空气渗透性。另外，多层结构导致了空气流的曲折路径，导致需要颗粒的捕获效率显著提高。
本发明涉及细纤维形式的聚合物组合物，如微纤维，纳米纤维，以纤维网的形式，或纤维垫，与颗粒物一起用在独特改进的过滤器结构上。本发明的网包括大体上连续的纤维相，和分散在纤维物质中的纤维分离装置。在本发明的各个方面，所述纤维分离装置可以包括网中的颗粒相。颗粒物可以在网的表面，表面产品中，或贯穿网内形成的空隙空间中找到。网的纤维相可以形成在大体上单一的连续层，可以包含在多种单独限定的层中，或可以形成纤维的非晶形团，具有颗粒物包含相贯穿所述网，随机形成包含空间围绕颗粒物和内部网表面。所述颗粒物的主要尺寸为小于约200微米，并通常包括约0.05-100微米或包括约0.1-70微米。在大体连续的细纤维层中，层具有的层厚度为约0.5-500微米，约1-250微米或约2-200微米。在所述层中，分散在纤维中的是隔离装置，包括颗粒物，具有的粒度为约0.25-200微米，约0.5-200微米，约1-200微米，约10-200或约25-200微米。所述颗粒物分散贯穿在所述层的纤维中。所述颗粒物以约0.1-50vol％，约0.5-50vol％，约1-50vol％，约5-50vol％或约10-50vol％的量存在。纤维具有的直径为约0.0001-约2微米，并且层具有的细纤维密实度为约0.1-50％，约0.5-30％；约1-20％。
所述颗粒物可采用多种规则几何形状或非晶形结构。所述形状可以包括非晶体形或随机形状，团块，球体，圆盘，椭圆形，长卵形，十字形，杆状，空心杆状或圆柱形，条状，具有多个颗粒形式延伸至空间的三维十字形，空心球体，非矩形形状，立方体，具有多个面、棱角和内部空间的实心棱柱体。本发明的非球体隔离颗粒的纵横比(颗粒的最小尺寸对最大尺寸的比率)可以在约1∶2-约1∶10的范围内，优选为约1∶2-约1∶8。
在纤维垫或层中使用颗粒物增大了纤维间平均间距，改进了通过纤维物质的流体的流动，并且提高了效率。本发明的聚合材料包括具有在独特的过滤器结构中提供改进的渗透性，效率和使用寿命的物理特性的组合物。
如上所述，本发明的分离装置颗粒物对于流动相和夹带颗粒相可以是大体惰性的。
本发明的分离装置颗粒相可以包括对流动相和夹带污染物呈惰性的颗粒，和与流动相或夹带颗粒相相互作用或起反应的颗粒的混合物。所述材料能以满足本发明的任意比例混合。不过，通常提供所述颗粒，以获得所述网的颗粒相，它导致本发明的网具有改进的过滤性能。在本发明的一个方面，优选的网包括对流动相或对夹带污染材料呈惰性的颗粒物。所述惰性材料只是对网引进改进的过滤性能，并且避免与流动相或夹带颗粒相的任何相互作用。
本发明涉及具有改进过滤性能的多层细纤维介质，它可用于多种用途，包括空气流，其他气流和含水和非水液体的流体过滤。过滤器结构中具有纤维的纤维层可以具有高过滤效率，因为纤维层内的孔径大小可获得小的孔径大小。颗粒物有助于保持小的孔径大小，但可以增大通过过滤层的流动。过滤介质加工和制造方法可以获得定义的孔径大小，一般，具有限定的过滤纤维。过滤器结构中纤维的密度不能超过某个极限，而又不对渗透性产生负面影响。在所述用途中，纤维不能超过特定直径，而又不导致对流体流动减弱渗透性造成显著限制。
纤维分离装置颗粒物是以球体，纤维或其他几何形状的形式，具有的尺寸大于纤维的直径。纤维分离颗粒物的主要尺寸对纤维结构直径的比率为约2-约10000∶1或约10-1000∶1。所得到的网在已过滤流体的路径随着它通过过滤垫的每一层是曲折的。所述曲折路径使流体流动的限制最小(提高渗透性)，但不降低介质的效率，因为需要流体随着复杂的流动途径流动，并因此通过较大数量的限制性孔状结构。结果，运动流体中的污染物负载被有效地从流体流动中除去，同时在过滤器除去颗粒物负载时，流体几乎不受到或不受到限制(降低渗透性)。除去的颗粒物保留在过滤介质的空间内。
虽然纤维和颗粒物的结合被设计以获得过滤介质和过滤层的特定过滤效率渗透性和厚度，颗粒物可以提供多种其他特性，包括化学反应性，化学吸附性或吸收性，磁性，生物亲和性或生物分离，存在流体流动下的材料缓慢释放或其他与组合物，形状，或颗粒物大小相关的特性。
厚网可以使纤维物质具有改善的耐用性。所述改善的耐用性可以减少由于对所述层的损坏而造成的泄漏。具有隔离颗粒的较厚层可以被暴露在更恶劣的条件，而不造成泄漏。层增加的厚度可以吸收对所述层的外部冲击表面的损坏，而仍贯穿层的深度保持完好的纤维减少泄漏。在较薄的表面负载介质中，对表面负载纤维的任何明显损坏可导致不希望的泄漏。
本发明的隔离颗粒可以由有机或无机材料制成。与运动流体或夹带的颗粒相不相互作用的颗粒物包括有机或无机的材料。有机的颗粒物可以由聚苯乙烯或苯乙烯共聚物，尼龙或尼龙共聚物，聚烯烃聚合物包括聚乙烯，聚丙烯，乙烯，烯烃共聚物，丙烯烯烃共聚物，丙烯酸聚合物和共聚物包括聚甲基丙烯酸甲酯，和聚丙烯腈制成。另外，颗粒物可以包括纤维素材料和纤维素衍生物球。所述球可以由纤维素或纤维素衍生物，如甲基纤维素，乙基纤维素，羟甲基纤维素，羟乙基纤维素及其他制成。另外，颗粒物可以包括滑石，粘土，硅酸盐，熔融二氧化硅，玻璃珠，陶瓷珠，金属颗粒物，金属氧化物等。
小分子、低聚物和聚合材料都可用于本发明。小分子通常具有的分子量小于约500，通常由单一可识别的分子单元制成，并且通常所述单元在分子结构中不重复。低聚物结构通常具有稍大的分子量，但通常在结构中具有2-10个重复的分子单元。聚合物单元通常具有实质更大的分子量，并且通常在聚合物结构中具有大体大于10的重复单元。低聚物和聚合物结构之间的区别并非总是明确的，不过，随着结构中重复单元数的增加，材料倾向于在性质上变得更像聚合物。
所述颗粒可以是单分散性或多分散性的。在单分散性的颗粒物中，大部分颗粒的直径和主要尺寸是类似的。例如，单分散性颗粒的一个例子具有80％-90％的颗粒在约0.8±0.5微米或约1±0.25微米范围内。在多分散性的材料中，颗粒物的大部分颗粒具有不同直径。多分散性材料可以是两种单分散性材料的混合物或具有大量颗粒材料遍及大范围，例如0.01-10微米的材料。
球形或其他形状可以具有多种不同的物理形式，包括固体和空心形式。隔离颗粒可以具有大体球形或略微椭圆形球体结构。所述球体可以是实心的或可以具有实质的内部空隙空间。球体的外壳厚度可以在约0.05-约500微米的范围内，同时球体可以在约0.5-约5000微米的范围内。可以使用的其他圆形结构包括简单的环状结构，盘旋或螺旋结构，或联锁链环类型的链状结构。
本发明的隔离颗粒还可以包括纤维样结构，具有预定的长度和直径。所述纤维的纵横比通常为约1-约10∶1，具有的纤维直径通常大于结构的细纤维直径。隔离颗粒纤维对细纤维的直径比率通常为约0.5-约5000∶1。可以使用多种其他规则形状，包括圆柱形，空心圆柱形，十字形结构，三维十字形结构，I型梁结构及其他。隔离颗粒的形状还可以是不规则的，以使颗粒物具有相对明确的主要和次要尺寸，但具有的外表面实质上是不规则的。许多非晶形有机和无机颗粒物可以具有不规则形状，但可以具有可提供颗粒材料的间隔特性的大小。根据球体的物理形式和化学性质，所述球体的尺寸可以通过二次工艺处理，所述二次工艺例如溶剂溶胀，热膨胀，孔隙度变化等。从可获得的微球体可被热处理，以极大地膨胀微球体的体积。细纤维和微球体复合介质可以按照本发明生产，并且随后进行二次处理-不局限于热处理-所述复合介质的结构能够以受控的方式调整，例如对于的情况，根据所施加的热和温度水平，可以控制微球体的膨胀程度。例如，通过膨胀微球体，可以增大结构的厚度和膨松性，并因此能够以希望的方式改变过滤性能。应当理解，微球体物理性质的所述变化应该被细纤维的弹性容忍，因为它们在微球体膨胀时会拉伸。根据微球体变化的可逆性，还可以形成膨松结构，并然后折叠/收缩该结构，以形成致密的/紧密的过滤结构。
本发明的过滤器结构通常通过使用纤维成形工艺形成纤维层而制成。纤维成形工艺涉及使包括聚合物和隔离颗粒的组合物通过加工装置，形成包括细纤维和隔离颗粒的细纤维层。可以使用多种工艺，包括但不限于，静电纺丝，熔吹，纺粘法和其他方法，只要制成正确尺寸的过滤器。所述技术可以通过使用电场，加压气体等实施，以形成适当尺寸的层状结构。在一种应用中，用于制造细纤维的聚合物可以溶解在合适溶剂中，并且与分散在溶液中的适当量的隔离颗粒结合。在所述聚合物溶液中，聚合物量为约20-80wt％或25-75wt％，而颗粒物量为约80-20wt％或约75-25wt％，根据溶液重量计。所述聚合物溶液和分散的颗粒然后可以利用已知工艺被制成纤维。在使用聚合物溶液时，选择大体不溶于溶剂的颗粒物。通常选择能溶解聚合物但不能溶解颗粒物的溶剂。溶剂可以包括水，低醇，氯化溶剂，DMF，丙酮，碳氢化合物，DMSO和其他已知溶剂。一种优选的纤维成形工艺包括静电纺丝工艺，得到具有适当纤维直径，渗透性和效率，含有本发明的隔离颗粒的细纤维层。
可用于本发明的聚合物组合物的聚合材料包括加聚物和缩聚物材料，例如聚烯烃，聚缩醛，聚酰胺，聚酯，纤维素醚和酯，聚硫化亚烃，聚芳撑氧，聚砜，改性聚砜聚合物及其混合物。属于上述类别的优选材料包括聚乙烯，聚丙烯，聚(氯乙烯)，聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸树脂)，聚苯乙烯，及其共聚物(包括ABA型嵌段共聚物)，聚(偏二氟乙烯)，聚(偏二氯乙烯)，交联和非交联形式的各种水解度(87％-99.5％)的聚乙烯醇。优选的加聚物倾向于玻璃状(Tg大于室温)。对于聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯聚合物组合物或合金，或可结晶性低的聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇材料是这样。一类聚酰胺缩聚物是尼龙材料。术语″尼龙″是所有长链合成聚酰胺的总称。通常，尼龙命名包括一系列数字，如尼龙-6，6，它表示原料是C6二胺和C6二酸(第一个数字表示C6二胺，而第二个数字表示C6二羧酸化合物)。其他尼龙可以通过ε(C6)己内酰胺(或其他C6-12内酰胺)在存在少量水的条件下由缩聚作用制成。该反应形成尼龙-6(由环状内酰胺组成-又被称作ε-氨基己酸)，它是线性聚酰胺。另外，还涉及尼龙共聚物。共聚物可以通过将各种二胺化合物，各种二酸化合物和各种环状内酰胺结构组合在反应混合物中，并然后形成具有随机设置在聚酰胺结构中的单体材料的尼龙而制成。例如，尼龙6，6-6，10材料是由己二胺和C6和C10二酸混合而制成的尼龙。尼龙6-6，6-6，10是通过ε-氨基己酸，己二胺和C6和C10二酸材料的混合的共聚作用制成的尼龙。
嵌段共聚物也可用于本发明的工艺中。对于所述共聚物，溶剂溶胀剂的选择是重要的。所选择的溶剂使得两种嵌段物可溶解在溶剂中。一个例子是在二氯甲烷溶剂中的ABA(苯乙烯-EP-苯乙烯)或AB(苯乙烯-EP)聚合物。如果一种成分不溶于所述溶剂，它会形成凝胶。所述嵌段共聚物的例子有类型的聚(苯乙烯-共-丁二烯和聚(苯乙烯-共-氢化丁二烯(乙烯-共-丙烯)，类型的e-己内酰胺-共-乙撑氧，聚酯-共-乙撑氧和乙撑氧和异氰酸盐的聚氨酯。
加聚物，如聚偏二氟乙烯，间规聚苯乙烯，偏二氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，聚乙烯醇，聚乙酸乙烯酯，非结晶的加聚物，如聚(丙烯腈)及其共聚物具有丙烯酸和甲基丙烯酸酯，聚苯乙烯，聚(氯乙烯)及其各种共聚物，聚(甲基丙烯酸甲酯)及其各种共聚物，可以相对容易地进行溶液纺丝，因为它们可以在低压和低温下溶解。不过，高度结晶的聚合物，如聚乙烯和聚丙烯要求高温高压溶剂，如果对它们进行溶液纺丝的话。因此，聚乙烯和聚丙烯的溶液纺丝是非常困难的。静电溶液纺丝是制备纳米纤维和微纤维的一种方法。
我们还发现了形成聚合物组合物的显著优点，所述组合物包括两种或多种聚合材料，以聚合物混合物，合金形式或交联化学粘接结构。我们相信，所述聚合物组合物通过改变聚合物属性改善物理性能，例如改善聚合物链柔韧性或链流动性，增加总体分子量，和通过形成聚合材料的网络提供强化作用。
在这一构思的一个实施例中，可以将两种相关的聚合材料混合，以便获得有利的特性。例如，高分子量聚氯乙烯可以与低分子量聚氯乙烯混合。类似地，高分子量尼龙材料可以与低分子量尼龙材料混合。另外，可以混合总体聚合物属的不同种类。例如，高分子量苯乙烯材料可以与低分子量、高抗冲聚苯乙烯混合。尼龙-6材料可以与尼龙共聚物，如尼龙-6；6，6；6，10共聚物混合。另外，具有低水解度的聚乙烯醇，如87％水解的聚乙烯醇可以与具有的水解度在98％和99.9％之间和以上的完全或超水解的聚乙烯醇混合。混合物中所有这些材料可以使用适当的交联机制交联。尼龙可以使用交联剂交联，所述交联剂与酰胺键中的氮原子起反应。聚乙烯醇材料可以使用羟基活性材料交联，如一元醛，如甲醛，尿素，三聚氰胺-甲醛树酯及其类似物，硼酸和其他无机化合物二醛，二酸，氨基甲酸乙酯，环氧树脂类和其他已知交联剂。交联技术是公知和理解的现象，其中交联剂反应并形成聚合物链之间的共价键，以显著改进分子量，化学抗性，整体强度和对机械降解的抗性。
我们业已发现，添加剂材料可显著改善细纤维形式的聚合材料的特性。对热，潮湿，冲击，机械应力的影响和其他负面环境影响的抗性可以通过使用添加材料显著改善。我们业已发现，在加工本发明的微纤维材料时，添加材料可以改善疏油特征，疏水特征，并且似乎有助于改善材料的化学稳定性。我们相信，以微纤维形式的本发明的细纤维通过存在所述疏油和疏水添加剂而得到改善，因为所述添加剂形成保护性涂层，烧蚀表面或某种程度的穿透表面，以改善聚合材料的性质。我们相信，所述材料的重要特征是存在强疏水基，它优选还具有疏油特征。强疏水基包括碳氟化合物基团，疏水烃表面活性剂或嵌段，和实质上烃低聚物组合物。所述材料以组合物形式生产，它具有部分倾向于与聚合材料兼容的分子，通常提供物理连接或与聚合物结合，同时强疏水或疏油基团，作为添加剂与聚合物结合的结果，形成了保护性表面层，它位于所述表面上或与聚合物表面层形成合金或混合。所述添加剂的使用量占纤维总重量的1％-25％。对于具有10％添加剂水平的0.2-微米纤维，计算的表面厚度为大约如果添加剂已向表面迁移。迁移被认为是由于疏油或疏水基团在块状材料中的不兼容性造成的。的厚度似乎对保护性涂层是合理的厚度。对于0.05-微米直径的纤维，的厚度相当于20％的质量。对于2微米厚度的纤维，的厚度对应2％的质量。优选的，添加剂材料的使用量为约2-25wt％。可用的表面厚度可以在范围内。可以与本发明的聚合材料组合使用的低聚物添加剂包括分子量为约500-约5000的低聚物，优选约500-约3000，包括含氟化合物，非离子表面活性剂和低分子量树脂或低聚物。优选非离子材料。
用作本发明组合物的添加材料的有用材料是叔丁基苯酚低聚物。所述材料倾向于是较低分子量的芳族酚醛树脂。所述树脂是酚醛聚合物，通过酶促氧化结合制备。亚甲桥的缺乏导致了独特的化学和物理稳定性。所述酚醛树脂可以与各种胺和环氧树脂类交联，并且与多种聚合材料相容。
存在相当多的不同纤维过滤介质基片，用于不同的用途。本发明披露的耐用纳米纤维和微纤维可以添加到任何介质基片。本发明所披露的纤维还可用于取代现有介质基片的纤维成分，获得改善性能的显著优点(改善的效率和/或降低的压力降)，这是由于它们的小直径，同时表现出更大的耐用性。
在细纤维纺丝中，包括容器，充满了选定的颗粒物，细纤维聚合物和溶剂。旋转类型的喷射设备或喷射器接触聚合物溶液。所述喷射器大体包括旋转部分，它从容器获得聚合物溶液，并且当它在静电场中旋转时，从喷射器获得溶液液滴，并通过静电场加速朝向收集介质。
面向喷射器但与其相间隔的，是大体平面的格栅，其上置有收集介质基片(即基片或组合基片)。可以通过格栅抽取空气，将介质固定在位。收集介质位于格栅上面，并且在格栅和聚合物溶液之间。通过合适的静电压源和连接到格栅和喷射器，在喷射器和格栅之间保持了高电压静电电位。具体地讲，格栅和喷射器之间的静电位使材料带电，这导致液体以细纤维形式从其喷射。含有纤维的细湿颗粒物被吸向格栅，在这里它被收集在位于格栅上面的基片上。对于溶液中分散的颗粒物和聚合物的情况，在飞向格栅期间溶剂挥发离开纤维；因此，纤维到达基片，含有减少的溶剂并且在基片上干燥。湿的细纤维接触粘结到基片纤维。选择静电场强度，以确保聚合材料在从喷射器向收集介质加速时；所述加速足以使材料形成非常细的微纤维或纳米纤维结构。改变(减速或加速)收集表面的推进速度，可以在成型的介质上沉积更多或更少的喷射的纤维，因而允许控制沉积在其上的每一层的厚度。
纤维纺丝和聚合物溶液静电纺丝的方式披露于Barris，美国专利号4,650,516和Chung等，美国专利号6,743,273。聚合物溶液的粘性倾向于随时间推移而增大。普遍公知的是，聚合物粘性对确定纤维大小具有重大影响。因此，难以控制商业化规模，连续生产的工艺。
附图的详细说明
图1-3，10-13，14-15，31a-33，38-39，42和43示出含有隔离颗粒的纳米纤维介质在纳米纤维网结构中。所述附图示出了纳米纤维形成具有厚度的层，所述厚度层充满相当均匀浓度的隔离颗粒在纳米纤维层内。在附图中，示出了总介质10，它含有隔离颗粒11和网12，所述隔离颗粒渗入到所述网中，粘接并固定在位，形成机械稳定的隔离颗粒复合结构。
图1示出本发明的改进过滤介质的表面层。表面层10上包括纤维的交叉网，具有颗粒物质分散贯穿其间。过滤介质10上是颗粒物11，它具有的直径为约5微米，颗粒物12具有更大的直径，为约9.4微米，和其他颗粒物具有的直径为约7微米。表面层13是由细纤维在交叉网上形成的层。细纤维具有的纤维直径为约0.25微米。由细纤维形成的表面层的孔径大小14，如所述层中所示交叉，具有的有效尺寸为约2.3微米。所述有效孔径大小随纤维15在交叉点16形成联锁的网而形成。
图2是本发明介质的侧视图。在图2中，介质20具有表面层21，由细纤维的紧密网制成，它具有的有效孔径大小为约1微米。层状介质20包括形成在介质内的额外内层22，23，使用颗粒物24使其保持为分离的结构，如图所示。
图3是图2部分的放大图。放大部分示出了内层31，32和33，它们至少部分由于包含颗粒物34，35和36而形成。介质30的层状结构的结果是，要求流动流体从入射侧到出口侧要通过曲折的路径。
图4a和4b是本发明的纺丝设备的示意图。
图5是显微照片，示出纤维网内的多个纤维分离装置颗粒物。在图5中，示出纤维网51覆盖多个颗粒物52，53和54，所述颗粒物在纤维网55，56和57内的空隙中形成。示出了纤维网的表面58。纤维网形成在由纤维59，60和61制成的无纺织物上。
图6是纤维网60的表面的平面图，类似于图5的表面58。在图6中，可以看到在表面60上方和下方有多个颗粒物61，62和63。另外，可以看到由边缘65环绕的空隙64，显示颗粒66搁置在网67上。网67是本发明的多余方面，确保网60上的任何瑕疵都不会导致总体介质的缺陷结构，因为网67的存在保持了过滤完整性。
图7a是直方图，示出图6所示显微照片中颗粒的粒度变化。图表中的每个条框表示高达10微米，10-20微米等每个范围内的颗粒的相对数。对于所述实验，大部分颗粒物似乎在约20-50微米之间。
图7b是显微照片所示的颗粒粒度分布的数据；参见图10-13和14-15。
图8和9是密实度在过滤中的作用的曲线表示图。密实度可能影响压力降和效率。当密实度增加时，单位长度纤维的曳力通常按比例增大。由于扩散在拦截的单纤维效率也增加。图8和9示出不同颗粒在不同密实度的品质因数，并且示出了对于模型颗粒物贯穿密实度范围的极好的过滤特性。图9是计算的数据组，而图8表示实际测量的参数。
图10-13示出本发明的纳米纤维隔离颗粒介质与无纺基片结合。图10-13示出介质14包括纳米纤维层，它含有隔离颗粒11和纳米纤维网12，均形成在无纺基片13上。扫描电子显微镜(SEM)显微照片示出若干样品的纳米纤维/隔离颗粒介质结构。图10是与右手侧的图11相比，具有更细结构的剖面图像。通过改变介质厚度，我们能够不断地改变结构的效率/压力降性能。可以看到，样品在采样区域的厚度似乎非常均匀。可以在两个图像的下部看到基片纤维。图12从底侧示出复合物，其中，基片纤维从正面清晰可见。从该图像可以看出，隔离颗粒紧密结合在纳米纤维基质内，并且基片纤维表面没有可能作为污染物的任何颗粒。图13示出沿俯视图方向固定的复合物。非常清楚，隔离颗粒也非常好地结合在介质的上游。
图14是复合物的特写剖视图，其中，可以非常清楚地看到复合物深度内的纳米纤维。很大程度是所述纤维和在其内形成的空隙空间推动了结构的高效率。从该高放大倍数图中还可以看到，某些颗粒似乎通过它们连接到单纤维而悬浮在空气中，这告诉我们关于所述纤维的韧性。
图29示出用于产生图28a和28b所示数据的测试设备。在所述附图中，总测试装置20包括粉尘供给系统21，入口过滤器22，用于匀化空气流的腔室23，用于测试介质24的介质样品位置，用于确定通过样品的压力降的变换器或压力传感器，压缩空气接收器26和脉冲阀27，用于提供反向脉冲净化空气，以确定除尘度和过滤器使用寿命，下游压力变换器25，以确定通过标准流量计孔板30和最终泵29的压力降。
图41示出用于在已知负载量下压缩纳米纤维介质的设置，用于图33所示数据的压缩试验。测试结构在相应试验中使用约4.5，19.1和47.4磅的重物40，用于分配总压缩力的上板41，具有平纹棉麻织物侧在下板44的待测试样品42，位于上板41和平纹棉麻织物样品42之间的释放衬垫，整个测试结构由下板44支撑。
图42和43示出本发明的黏合方面，其中，纳米纤维网粘接到复合结构的隔离颗粒。图43具体地示出了渗入在纳米纤维网12中的隔离颗粒11。具体地讲，图43示出纳米纤维网结构的长度粘接在颗粒物和纳米纤维之间大部分接触区域的隔离颗粒上，导致稳定的捕获颗粒在纳米纤维网内。
本发明的网包括纤维相和颗粒相，通常是无纺网，可以具有多种最终用途。本发明的网的一种特别重要的最终用途是用于通用过滤操作。在所述操作中，流动流体相通过所述网，以便大体从流动相除去流动相中的颗粒负载。在本发明的操作中，本发明的网用作″深度″介质，它将夹带的颗粒相积聚在网内，并且在其运动通过可渗透的网时将颗粒相从流动相物理分离。本发明的网可用于多种其他最终用途，包括绝缘层。所述绝缘层可以包括隔热，隔声或隔音，或电绝缘。所述网还可以用作土工织物，蓄电池隔板，薄膜层，细胞培养层，组织移植基片，绷带，应用于伤口护理，擦拭材料成分，和用作纸张涂层。
实验
利用反絮凝离心机系统将用于示例2，4，6，8和9-13的尼龙微球体分散到纳米纤维基质中，其中，使用干燥颗粒进料机(螺旋进料机)将微球体输送到反絮凝离心机，对颗粒输出速度进行电子控制。该颗粒进料机位于工业型天平上，天平精确度为约5g，并因此从进料机排放到反絮凝离心机的微球体量被记录为天平读出的损失。该系统为我们提供了控制和读取微球体输出的有效能力。系统的反絮凝和沉积部分由反絮凝离心机组成，其中，压缩空气被吸入反絮凝离心机，以便打开任何颗粒凝聚，并且用高速度迫使它们离开喷嘴。使用反絮凝离心机下游的喷嘴控制微球体的轨迹，它将微球体偏转成预定的沉积几何形状。在这种情况，颗粒沉积宽度为约12英寸，而喷嘴的开口为约1英寸。
用于示例2，4，6，8和9-13的颗粒从Kobo Products，Inc.，SouthPlainfield，New Jersey获得。所述产品被识别为SP-500，它由尼龙12聚合物微球体组成。使用Beckman Coulter LS13320激光衍射粒度分析仪分析粒度分布。用少量异丙醇和水分散少量粉尘。然后对该样品进行超声波处理10-15秒，并且在激光衍射分析仪上分析，用水作为溶剂。生产商提供1.53的折射率，并且用于分析。粉末的平均大小为3.915微米。粒度分布在图7b中呈现。
在这里，有两种不同的聚合物溶液，它们同时静电纺丝。为此，如图4a和4b所示，采用了四个不同的静电纺丝工位。工位1和4静电纺丝使用聚合物溶液的混合物，而工位2和3静电纺丝使用尼龙溶液。该系统被设计成该结构的原因是因为以下事实：从聚合物溶液混合物静电纺丝的纤维优选与微球体接触，因为所述纤维具有粘面层，并因此使纤维对微球体的粘接更好。另外，所述纤维的纤维直径略大于由纯尼龙溶液静电纺丝的纤维，并因此较大的纤维直径转化为更好的表面，用于使颗粒安置下并且固定。从工位2和3静电纺丝的纤维具有较小的直径，因此这些纤维是复合物的主要效率成分，为介质提供高效率。
产生了四种不同的涂层水平，以便比较降低密实度(增加空隙空间)对于纳米纤维介质的品质因数的影响。这四种水平是：1X，1.6X，2X和2.4X。术语″X″只是纤维单位量的指标。在这里，例如，1X是单位量，而1.6X具有1X的1.6倍纤维量(质量)。
下文是我们如何制备所述结构的详细说明。
例1
该1X样品的运转周期是：
  3min  同时静电纺丝尼龙溶液和聚合物溶液混合物(所有4个工位)
  +2min  仅静电纺丝尼龙溶液(仅工位2和3)
它具有与例2相同量的纳米纤维(纳米纤维纺丝的总量为5分钟-1X-)；不过，由于该介质中没有颗粒，因此介质的密实度更大，并且空气渗透性比示例2低。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，持续10分钟，试图模仿例2的热处理可能发生的纤维形态的任何变化。
例2
该1X样品的运转周期是：
产生该样品的总运行时间花了5分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为9.5g。所述介质在实验室烘箱中加热到300°F，持续10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
例3
该1.6X样品的运转周期是：
  6分钟  同时静电纺丝尼龙溶液和聚合物溶液混合物(所有4个工位)
  +2分钟  仅静电纺丝尼龙溶液(仅工位2和3)
它具有与例4相同量的纳米纤维(纳米纤维纺丝的总量为8分钟-1.6X-)；不过，由于该介质中没有颗粒，因此，介质的密实度更大，并且空气渗透性比示例4低。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，持续10分钟，试图模仿例4的热处理可能发生的纤维形态的任何变化。
例4
该1.6X样品的运转周期是：
生成该样品的总运行时间花了8分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为20g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
例5
该2X样品的运转周期是：
  8分钟  同时静电纺丝尼龙溶液和聚合物溶液混合物(所有4个工位)
  +2分钟  仅静电纺丝尼龙溶液(仅工位2和3)
它具有与例6相同量的纳米纤维(纳米纤维纺丝的总量为10分钟-2X-)；不过，因为该介质中没有颗粒，因此，介质的密实度更大，并且空气渗透性比例6低。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图模仿例6的热处理可能发生的纤维形态的任何变化。
例6
该2X样品的运转周期是：
生成该样品的总运行时间花了10分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为14g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
例7
该2.4X样品的运转周期是：
  12分钟  同时静电纺丝尼龙溶液和聚合物溶液混合物(所有4个工位)
  +2分钟  仅静电纺丝尼龙溶液(仅工位2和3)
它具有与例8相同量的纳米纤维(纳米纤维纺丝的总量为14分钟-2.4X-)；不过，由于该介质中没有颗粒，因此介质的密实度更大，并且空气渗透性比例8低。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图模仿例8的热处理可能发生的纤维形态的任何变化。
例8
该2.4X样品的运转周期是：
生成该样品的总运行时间花了14分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为27g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
图19示出对于仅有纳米纤维和纳米纤维/隔离颗粒的结构，品质因数作为给定表面积中纳米纤维量的函数的变化。在仅有纳米纤维的结构中，随着纳米纤维量的增加，品质因数急剧减少，这只是由于超过临界点，纤维开始彼此熔合，并形成薄膜状结构，具有极小的孔，具有的效率在低90′s，对空气流具有巨大的阻力。因为它们非常小的纤维直径，纳米纤维不倾向在离散层中层叠在彼此上面，而是它们跟随先前沉积层的轮廓，因为形成薄膜状结构。
另一方面，当纳米纤维层通过物理分离使它们彼此分离成离散层时，介质效率和品质因数急剧提高。这可以从图19证实。对于单位表面积中相同量的纳米纤维，与仅有纳米纤维的效率在91％的范围的数据相比，最右边数据点的纳米纤维/隔离颗粒效率在99.9％的范围内。
当评价最左边数据点的两种类型介质时，可以看出两种介质的性能彼此接近，因此对于该数据点纳米纤维的结合不是很高。如果要收集的数据是单位量纳米纤维小于1X，显而易见两种介质类型的性能甚至更为接近。
所述两种类型介质结构之间的独特差异是我们评价的基础起点，其中，我们评估了纳米纤维/隔离颗粒介质的HEPA水平性能。
图19的数据还在下表示出，试图解释测试结果的详细情况。
表1
纳米纤维，玻璃和PTFE介质的效率和压力降评估
用于本研究的玻璃介质由生产商供应，具有三种不同水平的效率93％，97％和99.99％HEPA。它们均是商用等级的玻璃介质。PTFE介质也是商用的，并且层压在纺粘基片上。纳米纤维介质样品是在内部使用纳米纤维和隔离颗粒实验制备，并且根据用于分级效率测试台的表面速度，它们生成五种不同的效率水平，覆盖从90％到99.99％的广泛范围。
下面将披露五种样品中每一个的细节。
例9
该特定样品的运转周期如下：
生成该样品的总运行时间花了5分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为9.5g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
例10
该特定样品的运转周期如下：
生成该样品的总运行时间花了10分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为14g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
例11
该特定样品的运转周期如下：
生成该样品的总运行时间花了16分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为28g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
例12
该特定样品的运转周期如下：
生成该样品的总运行时间花了14分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为27g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
例13
该特定样品的运转周期如下：
生成该样品的总运行时间花了18分钟。排放的SP-500尼龙微球体量为49g。所述介质在实验室烘箱中被加热到300°F，保持10分钟，试图增加静电纺丝纤维和微球体之间的结合强度。此后，切割4英寸直径的样品，并且在TSI 3160分级效率测试台上测试。
下面所提供的表示出了在TSI 3160分级效率测试台上使用邻苯二甲酸二辛酯颗粒进行测量的结果。所述结果只对于0.3微米DOP粒度，它很大程度上是最重要的粒度，因为大部分HEPA标准涉及该粒度作为满足99.97％效率的要求。
表2
这些是将商用介质用作本研究的基准点得到的结果；同样0.3微DOP粒度的结果报告如下。
表3
从图22，24和25可见，与玻璃介质相比，在所有渗透水平在所有三种不同表面速度下，纳米纤维介质具有更低的压力降。PTFE介质具有大的多的压力降；不过，它也具有比纳米纤维介质和玻璃介质更高的效率。
为了以更便于理解的形式表示上述差别，我们在图22，24和25中使用-Ln(渗透)作为x轴来图示结果。从所述附图中可以看到，在所有三种不同表面速度，与玻璃介质相比，纳米纤维介质的通过介质的压力降明显下降。纳米纤维介质和玻璃介质获得的数据点以非常好的相关性外推，以便评估它们对PTFEHEPA介质的相对性能。证实，在所有三种不同表面速度下，与PTFE HEPA相比，纳米纤维介质具有非常相似的-如果不是稍好的-性能，而玻璃介质在所有情况下在推断的置信水平内具有更大的压力降。
并非简单地指出纳米纤维介质在所有效率-压力降比较中具有比玻璃更好的表现；使用图17，18和19中提供的数据，我们推导出了纳米纤维介质的下述公式，它描述了对于三种不同表面速度：5，10.5和18ft/min-1，压力降和渗透之间的关系：
dP5fpm＝(-Ln(渗透)x0.045)-0.0019
dP10.5fpm＝(-Ln(渗透)x0.1053)-0.004
dP18fpm＝(-Ln(渗透)x0.1973)-0.0361
使用上述公式，我们计算了对于匹配玻璃介质的给定-Ln(渗透)值的通过纳米纤维介质的实际压力降。玻璃和纳米纤维介质的每一个相关压力降之间的差异在图26中示出，其中，呈现了使用纳米纤维介质的初始压力降的降低。从该图可见，很清楚对于取决于表面速度的相同水平的效率，纳米纤维介质比玻璃介质提供低15-35％的压力降。
尽管迄今为止所提供的结果都集中于0.3微米DOP，因为它是关注的粒度，并且为简便起见，但是仍然收集了大范围粒度的数据。尽管我们不试图对所有不同粒度作每一个图表，图27示出了对于97DOP玻璃介质及其纳米纤维等同物，FOM作为粒度的函数。从该图可以看到，两种类型的介质性能非常相似，直到约0.09微米DOP粒度，以及超过该粒度纳米纤维介质开始在FOM表现出超过玻璃介质的重要增益。对于测试的所有不同水平的效率，这种趋势非常相似。
还示出了扫描电子显微镜(SEM)显微照片，示出若干种样品的纳米纤维/隔离颗粒介质的结构。与图11相比，图10是较薄结构的剖视图。通过改变介质的厚度，我们能够不断地改变结构的效率/压力降性能。从图中可以看到，样品在取样区域表现出的厚度非常均匀。在两幅图像的下部可以看到基片纤维。
图12从底侧示出了复合物，其中，基片纤维从正面清晰可见。从该图像可以看到，隔离颗粒紧密结合在纳米纤维基质内，并且基片纤维表面没有可能作为污染物的任何颗粒。图13示出沿可见俯视图的方向固定的复合物。并且非常清楚，隔离颗粒在介质的上游也很好地结合。
图14和图15是通常的纳米纤维复合物剖面的高和低放大倍数视图。图14和15是复合物的特写剖面(SEM)视图，其中，可以非常清楚地看到复合物深度内的纳米纤维。主要是这些纤维和在它们中形成的空隙空间提供了结构的高效率。从该高倍放大视图中还可以看到，某些颗粒通过与单一纤维的结合表现为悬浮在空气中，这很好地告诉我们纤维的韧性。
表征了纳米纤维和隔离颗粒在给定样品中的空间分布。用于该表征的样品按例6生产；另外，所述样品的SEM显微照片在图10呈现。使用该显微照片，测量在基片上涂层的纳米纤维厚度为43.577微米(标准误差3.2)，并且根据该信息，对于4英寸直径样品，计算纳米纤维涂层的总体积为353.3mm3。切割基片的4英寸直径样品，并且测量重量。类似地，我们测量了按照例6和例5制造的样品的重量。例5与例6具有相同量的纳米纤维；不过，例6还具有隔离颗粒。例5的样品和基片的重量之间差告诉我们纳米纤维的重量。而例6和例5的样品重量之间差告诉我们隔离颗粒的重量。对纤维(约1.1g/cm3)和隔离颗粒(约1g/cm3)使用特定的比重，计算纳米纤维和隔离颗粒的体积。在给定的4英寸直径样品中，具有的厚度为43.577微米，纳米纤维体积为4.02mm3，和隔离颗粒的体积为69.3mm3。换句话说，总固体体积为73.32mm3。在该值与样品的总体积(353.3mm3)进行比较时；每种成分对总体积的贡献计算如下：1.14vol％的纳米纤维，19.62vol％的隔离颗粒，和79.24vol％的空隙空间。
纳米纤维介质的除尘度，折叠率和可压缩性评估 脉冲-除尘度
图28a示出HEPA级玻璃介质和其纳米纤维等同物以扁平片材形式在加载/脉冲净化测试台上的性能，其中，两种样品在测试台上同时供给Atomite尘粒，并用压缩空气以一定时间间隔进行脉冲净化。Atomite粉尘是自由流动的碳酸钙粉末，具有如表4所示的广泛的大小分布。计算机和数据采集系统监测通过介质的压力降，并且在空气脉冲从介质下游吹送之前和之后立即记录，试图排出粉尘并且净化介质。排出的粉尘然后收集在容器中。见图29有关该系统的详细信息。使用该测试台，可以同时评估和比较不同介质的脉冲除尘度。同时操作是重要的，因为该方法消除了任何因为外部因素可能造成的不一致性，所述外部因素如湿度，温度，测试粉尘的粒度分布等。
表4
  等同的球形直径(微米)   Atomite(％)
  20   100
  10   92
  5   75
  3   49
  2   32
  1   16
  0.5   8
在该测试中，我们使用图29的测试结构，用20psi空气压力净化介质。玻璃介质(未示出)不能很好地承受压缩空气，并且仅在若干个脉冲之后破裂，大约15分钟。相反，纳米纤维介质(未示出)保持未受损。玻璃介质的破裂并不令人吃惊，因为玻璃HEPA介质通常被工程设计不要被清洁，并且玻璃介质的脆弱性质妨碍了它对机械应力的任何抵抗性。另一方面，纳米纤维介质表现非常好，因为它在相对短的持续时间内达到稳态压力降，通过图28a中在150分钟之后观察到的平稳状态证实。
为了进行比较，我们提供了来自不同测试的曲线，其中，评估了在基片表面上存在和不存在纳米纤维的脉冲-除尘度。这可以从图28b看到。从该图可以看到，没有纳米纤维在基片的表面上，即使在2200分钟的测试后压力降似乎达不到稳定状态，而纳米纤维复合物在测试约200分钟之后达到了相对平衡。
根据该数据，显而易见，具有HEPA级效率的纳米纤维介质，能够成功脉冲净化，而不会对纳米纤维复合物造成任何可观察到的损坏。SEM显微照片是在脉冲净化研究之后拍的，以观察损伤的迹象；图31a和31b示出了测试后介质所处的状态。可以看到，在图31a纳米纤维涂层的表面上的碳酸钙层；而在所述介质的背面，似乎没有任何碳酸钙颗粒的渗透，由图31b可见。
折叠率
折叠试验是使用刀具类型的折叠机器进行的，其中，使用1英寸折叠高度来折叠纳米纤维介质。一般，已知刀具类型的折叠器具有使介质表面摩擦的倾向，并因此可能导致比旋转折叠器更大的损坏。当使用其他平纹棉麻织物或释放衬垫在纳米纤维层上保护纳米纤维介质时，我们已获得了良好的折叠率；图34和34中可以看到上面具有平纹棉麻织物的折叠包。
图32和33来自样品，其中纳米纤维介质被折叠，上面具有平纹棉麻织物。这些SEM图像被记录，具有保护性平纹棉麻织物仍在折叠的介质上面。
图38和39来自样品，其中纳米纤维介质被折叠，上面具有保护性释放衬垫。所述介质折叠地非常好，并且随后将释放衬垫从纳米纤维介质表面移去。图38和39的SEM图像是在移去衬垫之后捕获的。即使在移去释放衬垫之后，仍保留了折叠形状。
在获得折叠的样品之后，我们对样品进行了一系列分级效率测量，并注意到效率与未折叠样品的效率非常接近。原始样品具有的效率为99.937(0.3微米DOP10.5fpm)，而折叠样品的效率范围在99.582-99.974％。
可压缩性
具有隔离颗粒的纳米纤维介质依靠建立大空隙空间，以便改善空气渗透性，同时提供较高水平的颗粒物效率。所述理想特性的高空隙空间，换句话说，低密实度对于介质的适当性能是关键的。从制造角度来看，有可能破坏该特性的最关键特征可能发生在将介质重绕成卷状形式，由于具有太大的网张力，介质可能受压，并可能损失它的空隙空间。
为了了解压缩力的影响，我们设计了室内测试装置，其中，通过在样品表面施加重物，使若干个样品受到不同的压缩力。为此，我们将样品切割成直径略大于3英寸，并且使用TSI 3160分级效率测试台测量每个样品的效率，所述测试台在10.5fpm表面速度下工作，使用大小在0.02-0.4微米范围内的DOP颗粒。所述测试台仅使用3英寸直径样品区域，用于测试测量。在我们建立了每个样品的基线效率之后，我们使每个样品受到不同量的负载：4.5，19.1和47.4磅。所述样品固定在两个3英寸直径样品架之间，并且从顶部施加力，持续1分钟。在移去力之后，我们测试了相同样品的效率和压力降，并且将结果与基线值进行比较。通过样品表面上的总重量除以3英寸直径样品架的表面积计算压力。
结果在图40示出，其中，品质因数的变化(+或-％)作为压缩力和DOP粒度的函数呈现。2.7psi下的压缩力比0.64psi下的压缩力更有利；有趣地发现，空隙空间的负变化有助于增加介质的FOM。这在很大程度上是由于结构的效率提高，因为所述结构只是略微塌陷；压力降也略微增加，但总体上效率的增加遮盖了压力降的增加。当压缩压力增大到6.7psi，FOM显著下降。这是由于效率的略微降低，但介质压力降的显著增加造成的。在这里，压力降从0.742增加到0.802英寸水。
根据该试验，我们可以得出结论，介质易受压缩的影响，并且性能可以通过它的压缩量规定。我们已提供证据，并非所有压缩都对性能具有负面影响，但压缩量是关键。这对于重新卷绕过程中网的张力是重要的，并且需要小心地调整和控制。
例14
图1-3所示的过滤介质使用可从Kobo Products，Inc.，South Plainfield，NJ获得的SP-500颗粒材料制成。颗粒材料SP-500由尼龙12组成，并具有90％范围的粒度小于10微米，和100％小于20微米，按照制造商的说明。该颗粒的粒度分布呈现在图7b中。按照美国专利号6,743,273的披露制备11.5wt％固体的基于聚酰胺的聚合物溶液，并冷却到室温。对于已知量的该溶液，我们已添加了11.5wt％的SP-500颗粒材料。包括已在该溶液中的聚合物固体，通过添加所述颗粒材料，总固体含量增加到23wt％。尽管溶液的固体含量由于添加颗粒材料而翻倍，使用勃罗克费尔特(Brookfield)粘度计测量的溶液粘度仅增加了约47％。这是一个非常好的暗示，它表示该溶液的静电纺丝不会比原始11.5wt％聚合物溶液更复杂。
使用静电纺丝方法以水平结构处理该溶液。纺丝剂被装入注射器，并使用注射泵迫使其以恒定的速度从20-规格针头的顶端排出。对针头施加已知电压，以便使溶液感应带电，用于纺丝。静电纺丝纤维与颗粒材料一起收集在连接到转筒的铝箔上。带电荷的针头和接地的铝箔/金属筒之间形成的电场有利于纤维的生产。从针头顶端射出的颗粒材料被加速，并且通过从静电纺丝喷射/纤维的运动积累的动量沉积在铝箔上。因此，具有纤维和隔离颗粒材料的复合介质形成在铝箔上。
例15
在本发明的另一个实施例中，过滤介质(未示出)通过按部就班的方式制成。基于聚酰胺的聚合物溶液同样按照美国专利号6,743,273的披露制成，并且使用类似的针头-注射器设置以恒定的进料速度进行静电纺丝，并且施加电压。纤维被静电纺丝和沉积在合成基片上(可从CerexTM的商品名获得)。沉积进行了有限量的时间，并且通过基片速度被控制；当基片移出纺丝区时，沉积停止。注射器-针头设置垂直定向，以确保纤维沿地球重力场方向沉积。接地的收集器以与针头间隔一固定距离放置在针头下面，以便形成必要的电场。
一旦静电纺丝纤维的第一层形成在基片上，复合介质然后移向第二级，用于颗粒材料应用。第二级由细筛和真空箱组成。所述筛使用细的网眼，按照生产商TWP Inc.，Berkeley，CA的规定，具有的开口为43微米。将复合介质放置在真空箱上，并且将所述筛置于复合介质上方一固定距离处。真空箱产生气流形式，它将筛过的颗粒材料导向复合介质。振动所述筛，以确保位于所述筛的容器内部(上游)侧的颗粒材料流向位于所述筛下游侧的复合介质。
在本示例中使用的颗粒材料是091DU 140，可以从Expancel Inc.，Duluth，GA获得。颗粒材料091DU 140是空心的聚合物，封装有烃发泡剂，它在加热时施加压力。增大压力和软化聚合物外层的结果是，颗粒材料的尺寸增加。按照生产商的说明，颗粒材料091DU 140在未膨胀形式的粒度为35-45微米。
在将一定量的颗粒材料沉积到静电纺丝纤维基质上之后，重复相同的纤维沉积过程，以确保形成第二层纤维基质，从而将颗粒材料夹在两层静电纺丝纤维基质之间。
例16
在本发明的这个示例中，同样按照美国专利号6,743,273的披露制备基于聚酰胺的聚合物溶液。将聚合物溶液装入注射器，并且使用注射泵以0.03ml/min的速率迫使它从20-规格针头的顶端排出。对针头导入16千伏的高压，同时使旋转金属桶电接地，从而在针头和桶之间形成电场。桶与针孔间隔2.5英寸。使用电动机，使位于基座一端的注射器被从底座的另一端水平枢轴转动，以便使金属桶上的纤维沉积图案变宽。当水平进行静电纺丝时，通过将筛置于桶上方间隔桶一固定距离处，垂直沉积颗粒材料。所述筛连接到气动旋转球振动器，其中，通过控制空气压力来控制振动频率。
使用该设置，我们已成功地将纤维和颗粒材料彼此独立地同时沉积在旋转桶上。复合物材料沉积在合成基片Cerex上，该基片高度可渗透，并且具有非常低的效率。图5和6示出了所述过滤介质。
用于本示例的颗粒材料由纤维素制成，并且可从Kobo Products Inc.，South Plainfield，NJ获得，产品名称为Cellulo Beads D-50。按照生产商的说明，CelluloD-50的平均颗粒直径为40微米。例16的材料是用和不用颗粒物制成的。
为了比较纤维/颗粒物基质和仅有纤维的基质，我们进行了实验，其中，纤维的静电纺丝进行了固定量的时间。称为″NS″的第一个样品通过以固定的溶液供给速率静电纺丝聚合物溶液而制备，在Cerex基片上施加电压和目标距离持续一固定量的时间。称为″S″的第二个样品使用所有相同的纺丝条件制备，所不同的是，使用上述筛装置还同时引入颗粒材料Cellulo D-50。由于纤维的静电纺丝独立于颗粒物沉积，并且两个样品使用相同的纺丝条件，预计对于″NS″和″S″，静电纺丝纤维的数量和它们的沉积面积是相同的。它们过滤性能的差别可能归结于以下事实：只有″S″具有颗粒材料包埋在纤维基质内。
收集样品后，我们使用47mm直径的模具从每种条件压出4个样品，用于使用LEFS(低效率扁平片材)介质测试台进行效率测试。在测试实际样品之前，校准测试台，测试对照样品CS-6001，并验证对照样品的效率。样品在13.21ft/min的表面速度下进行测试，并且使用0.78微米胶乳测试颗粒。结果显示在下表中：
表5
  介质ID   压力降(英寸水)   效率(％)   品质因数
  S1   0.421   98.18   342
  S2   0.355   89.41   227
  S3   0.371   99.53   519
  S4   0.382   99.23   458
  NS1   0.590   99.52   325
  NS2   0.632   99.63   318
  NS3   0.639   99.82   355
  NS4   0.620   99.92   413
从以上数据，可以对样品″S3″和″NS1″进行直接比较，其中，两个样品的效率几乎重叠，而″NS1″具有的压力降测量值是″S3″压力降测量值的约1.59倍。该数据清楚地证实，通过将颗粒材料引入纤维基质，结构变得更具渗透性，并且仍具有相当的效率。从上述数据显而易见，使用纤维/颗粒物结构可以获得具有良好水平渗透性的更高的效率。
样品″S2″具有较差的效率，这可能与纤维/颗粒物结构中的某些缺陷(瑕疵)相关。例如，可能隔离颗粒由于摩损等原因被从结构中移出，留下孔。虽然所述瑕疵是重要的并应当避免的，即使存在瑕疵仍观察到89.41％的效率也是令人鼓舞的。换句话说，因为结构由多层纤维构成，在一层中的瑕疵(可能在最上面的上游表面)不会导致介质的完全失效，因为它保留了某些过滤效率。可以容易地理解，如果介质具有一层细纤维过滤表面，在该单一层上的瑕疵会导致明显的性能损失。图6示出了纤维/颗粒物结构的有利性质。
上述样品与四个仅有基片的样品一起称重。每个样品的直径为47mm。因此，每个样品的总表面积等于1735mm2。下面披露了重量，基重和百分比分布的结果：
表6
  样品ID   重量(g)
  Sub1   0.0839
  Sub2   0.0816
  Sub3   0.0806
  Sub4   0.0759
  平均基片   0.0805
  NS1   0.0882
  NS2   0.0918
  NS3   0.1052
  NS4   0.0878
  平均基片+纳米纤维   0.09325
  S1   0.1036
  S2   0.1007
  S3   0.0981
  S4   0.1013
  平均基片+纳米纤维+球体   0.100925
表7
  1735mm2面积的重量分布   g
  纳米纤维+球体复合物   0.020425
  仅纳米纤维   0.01275
  仅球体   0.007675
表8
 基重 mg//mm2
 纳米纤维+球体复合物   1.176E-02
  仅纳米纤维   7.34E-03
  仅球体   4.42E-03
表9
 纳米纤维+球体复合物中的成分   ％wt
  仅纳米纤维   62.42
  仅球体   37.58
为了验证/重复在上述表格中呈现的这些重量测量结果，我们测量了图6呈现的扫描电子显微照片上所有可见球体的直径。图7a是直方图，示出一般球形颗粒物的大小范围和数量。球体的生产商Kobo Products Inc.，规定了Cellulo D-50的密度为0.91g/ml。通过使用图6中统计的每个单独球体的体积，我们可以计算球体的总质量和以下结果。
表10
  总球体重量   4.749E-03   mg
  总纤维重量(使用球体重量计算)   7.889E-03   mg
  总复合物(球体+纤维)重量   1.264E-02   mg
  扫描电子显微照片的面积(图6)   1.255   mm2
  基重   1.007E-02   mg/mm2
表11
从上述计算可以看出，我们不能统计的只是图6呈现的所有球体的6.31％wt，而大部分可以成功统计。这极有可能是因为这些球体不在扫描电子显微镜的电子束的焦点内。通过将该偏差结合入计算，我们能够独立地验证呈现在表8中的基重。
表12示出使用隔离材料和不使用隔离材料制成的过滤器质量的比较。数据列表和图8示出了大体如例6所示制备的材料的测试数据，它包括具有隔离物的纤维和没有隔离颗粒的纤维基质。在数据中，渗透性由下述公式确定：
渗透性＝1-效率；
效率是如下述测量。抗性与通过纤维物质的压力降或ΔP相同。品质因数是根据渗透性和抗性导出的参数。正如从图8中以图表表示的数据表格可以看到，纤维物质中含有隔离颗粒在测试的粒度范围(0.02-0.4)内明显降低了(改进)渗透。该影响在约0.02-约0.2微米范围内的低粒度最明显。类似地，具有隔离颗粒的纤维物质的品质因数也明显改善，超过只有纤维基质的情况。另外，在上述小粒度下的改善最明显。
表12
讨论
使用可从TSI Incorporated，Shoreview，MN获得的Model 3160自动过滤测试仪(Automated Filter Tester(AFT))来测量分级效率。它是自动化过滤器测试仪，测量过滤器效率和渗透性对粒度。通过使用雾化器和静电分级器以生成颗粒，来实现具有已知粒度的复杂的过滤器或过滤介质。使用两种凝结颗粒计数器来完成上游和下游颗粒检测。使用微机和特殊软件使AFT自动化。所述测试仪能够测量0.015-0.8微米粒度范围的高达99.999999％的效率。
将邻苯二甲酸二辛酯(DOP)气溶胶颗粒用作下述宽范围粒度内的挑战颗粒：0.015-0.4或0.02-0.4微米。为了清楚起见以及在美国最关注的是0.3微米粒度的事实，我们使用0.3微米DOP颗粒报告了大部分结果。
品质因数可以被认为是效益成本比率，其中，效率是效益，而标准化压力降(ΔP)是成本(ΔP/介质速度)。″成本″被标准化，以便可以比较不同速度下进行测试的品质因数。品质因数仅是比较介质的指标。较大的品质因数值比小的品质因数值好。计算品质因数的公式如下：
品质因数＝-Ln(渗透)/(ΔP/介质表面速度)
在上面所提供的公式中，ΔP是通过介质的压力降，而在该公式中使用的单位是cmHg；介质表面速度的单位是cm/sec；Ln(渗透)是渗透性的自然对数。而渗透性被定义为：
渗透性＝1-效率
报导品质因数的测量的标准单位如下：
1/(cm Hg)/(cm/sec)或(cm/sec)/cm Hg
我们已证实了低密实度结构的多层纳米纤维在HEPA和-HEPA级范围内表现出高的颗粒物捕获效率。另外，通过组合两个或多个HEPA级效率纳米纤维介质，构建纳米纤维介质表现出ULPA级的效率是高度可行的。
我们已经生成了具有各种不同效率水平的纳米纤维介质，和基准了商用玻璃和膨体PTFE介质性能。根据我们的结果，纳米纤维介质表现出与e-PTFE非常类似的性能，甚至表现出比玻璃介质更好的性能。玻璃介质的性能改善水平取决于目标效率，并且对于测试的表面速度(5，10.5和18fpm)下的给定效率，它可以在15-35％的较低压力降范围内。极有可能的是，进一步调整纳米纤维结构可以将效益扩大甚至大于15-35％。
纳米纤维介质表现出良好的脉冲-除尘度，而没有任何支撑和其他类型强化的玻璃介质不进行脉冲净化，并且在若干次脉冲之后就破裂。纳米纤维介质的这种独特性质可以在本领域中发挥重要作用，因为这种类型的HEPA介质可用于粉尘浓度和流速高的应用中，因为介质可以用反向脉冲定期清洁。我们已成功地将所述纳米纤维介质在刀具类型的折叠器上折叠，具有确定的折叠形状和良好的保留效率。
上述说明书，示例和数据提供了本发明的组合物和实施例的制造和使用方法的完整说明。因为本发明的很多实施例可以在不偏离本发明精神和不超出本发明的构思的前提下实现，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (27)

1.一种网，所述网包括大体连续的细纤维层，所述细纤维层具有的层厚度为0.5-500微米，所述层包括隔离装置，所述隔离装置包括具有0.05-200微米粒度的颗粒物分散遍及所述层的纤维，所述颗粒物的量为0.1-50vol％；纤维具有的直径为0.0001-2微米，和所述层具有的细纤维密实度为0.1-50％，并且其中所述细纤维层的密实度小于不含颗粒的层的密实度，和，其中所述颗粒物对于流体流是惰性的。
2.根据权利要求1所述的网，其中，所述纤维具有的直径为0.001-1微米，所述颗粒物的量为0.5-40vol％，和所述层具有的细纤维密实度为0.5-30％，并且其中所述细纤维层的渗透性大于不含颗粒的层的渗透性。
3.根据权利要求1所述的网，其中，所述纤维具有的直径为0.001-0.5微米，所述颗粒物的量为1-30vol％，所述层具有的细纤维密实度为1-20％。
4.根据权利要求1所述的网，其中，所述网具有的品质因数为100-104。
5.根据权利要求1所述的网，其中，所述网包括20-80wt％的纤维和80-20wt％的隔离装置。
6.根据权利要求1所述的网，其中，所述网包括30-75wt％的纤维和70-25wt％的隔离装置。
7.根据权利要求1所述的网，其中，所述颗粒物具有的粒度为0.05-100微米。
8.根据权利要求1所述的网，其中，所述隔离装置包括大体圆形的颗粒物。
9.根据权利要求8所述的网，其中，所述颗粒物的直径为5-200微米。
10.根据权利要求8所述的网，其中，所述颗粒物的直径为0.05-100微米。
11.根据权利要求8所述的网，其中所述颗粒物的主要尺寸为0.1-70微米。
12.根据权利要求1所述的网，其中，所述网具有的弗雷泽(Frazier)渗透性为1-50米/分钟和在ASTM 1215-89下用单分散性0.78微米聚苯乙烯乳胶颗粒在4米/分钟下的效率为40-99.99％。
13.根据权利要求1所述的网，其中，所述网具有的弗雷泽(Frazier)渗透性为1-50米/分钟，和使用TSI3160分级效率测试台用单分散性0.3微米邻苯二甲酸二辛酯颗粒在3.2米/分钟下的效率为40-99.9999％。
14.根据权利要求1所述的网，其中，所述网包括两层或更多层细纤维，所述细纤维具有的厚度为至少0.5微米，至少一层不含颗粒物并且至少一层具有颗粒物分布在所述层。
15.根据权利要求1所述的网，其中，所述颗粒物包括聚合材料，并且所述层的纤维基本粘接至所述颗粒物。
16.根据权利要求14所述的网，其中，所述颗粒物包括尼龙。
17.根据权利要求14所述的网，其中，所述颗粒物包括聚烯烃。
18.根据权利要求14所述的网，其中，所述颗粒物包括聚酯。
19.根据权利要求14所述的网，其中，所述颗粒物包括芳族聚酸胺。
20.根据权利要求8所述的网，其中，所述颗粒物是非球形的。
21.根据权利要求8所述的网，其中，所述颗粒物是非晶形的。
22.根据权利要求8所述的网，其中，所述颗粒物是单分散性的。
23.根据权利要求8所述的网，其中，所述颗粒物是多分散性的。
24.根据权利要求1所述的网，其中，所述网在隔离装置的分布上具有梯度。
25.根据权利要求1所述的网，其中，所述网在纤维分布上具有梯度。
26.一种过滤介质，包括如权利要求1所述的网和支撑层。
27.一种过滤器，包括过滤器支撑结构和如权利要求25所述的网。
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