交织的过滤屏障的制作方法
【专利说明】交织的过滤屏障
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请按照35U.S.C.§ 119(e)要求于2013年12月9日提交的美国临时申请序列号61/963,612的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及聚合物过滤屏障及其制备方法。具体而言，该过滤屏障具有障壁层和基层。
【背景技术】
[0004]期望的过滤屏障应具有高过滤效率和低压降。一些过滤屏障是由直径为几微米至几十微米的熔喷纤维组成。这些屏障无法有效过滤掉大部分微米级颗粒和纳米颗粒并同时保持低压降。
【发明内容】
[0005]鉴于前述背景，本发明的目的在于提供另一种的过滤屏障。
[0006]因此，在一个方面，本发明提供了一种过滤屏障，其包括至少一个障壁层和至少一个基层。障壁层包括多个聚合物纳米纤维，其与多个聚合物微纤维交织。基层包括聚合物微纤维。所述障壁层连接于所述基层上。障壁层的纳米纤维和/或微纤维携带静电荷。
[0007]在本发明的示例性实施方案中，障壁层的聚合物纳米纤维的直径范围为10纳米至1000纳米；障壁层的聚合物微纤维的直径为I微米至10微米。
[0008]在本发明的另一示例性实施方案中，过滤屏障还包括与障壁层连接的至少一个支持层，并且该支持层包括聚合物微纤维。
[0009]在另一个方面，本发明提供了一种过滤屏障，其包括纳米纤维层和杀生物剂层。纳米纤维层包括多个聚合物纳米纤维。杀生物剂层包括由具有反应基的聚合物制成的多个纳米纤维，和通过交联剂与所述反应基结合的杀生物剂。所述纳米纤维层连接于杀生物剂层上。杀生物剂层中杀生物剂的量占0.5-2重量％，并且杀生物剂层的孔隙率范围为90-98%。
[0010]在另一方面，本发明提供了制备过滤屏障的方法，其包括以下步骤:使纳米纤维与微纤维交织，形成孔径为10-1OOOOnm的障壁层，从而使得所述过滤屏障在低于85L/min(分钟)的空气流量下可阻挡超过95%的200_400nm的颗粒，同时使压降维持在低于35mm H2O0小于200nm的颗粒可通过布朗扩散阻挡，而大于400nm的颗粒可通过撞击、拦截、静电吸引和过筛来阻挡。
[0011]在一个实施方案中，上述方法还包括改变聚合物溶液的导电率、粘度或表面张力的步骤。
[0012]在另一实施方案中，上述的改变步骤还包括加入导电率促进添加剂的步骤。
[0013]在本发明的示例性实施方案中，所述方法还包括将交织的障壁层连接于基层上的步骤，并且该基层包括聚合物微纤维。
[0014]在本发明的另一示例性实施方案中，纳米纤维和微纤维由聚合物溶液制成，并通过改变聚合物溶液的导电率、粘度或表面张力获得。
[0015]在另一方面，本发明提供了制备过滤屏障的方法，其包括以下步骤:(I)通过改变由聚合物溶液制成的线状物(thread)的至少一个维度(dimens1n)形成包含与微纤维交织的纳米纤维的障壁层；(2)将障壁层连接于基层上以形成过滤屏障。用聚合物溶液通过静电纺丝制成线状物；并且基层包含多个微纤维。
[0016]在另一方面，本发明提供了制备过滤屏障的方法，该过滤屏障包括纳米纤维层和杀生物剂层。纳米纤维层包括多个携带正静电荷的非极性聚合物纳米纤维。杀生物剂层包括由具有羟基的聚合物制成的多个纳米纤维，所述羟基通过交联剂能够与具有氨基的杀生物剂共价结合。
[0017]本发明的过滤屏障提供了多个优势，例如，该障壁层包括纳米纤维与微纤维的交织结构，其中通过这种交织可提供对过滤屏障的附加支撑，而不会折减过滤屏障的过滤效率。本发明的发明人认识到，尽管过滤效率通常随纳米纤维表面面积的增加而增加，并且表面面积随纳米纤维直径的减小而增加，但对于给定材料而言，纳米纤维的直径不能无限制地大幅降低。如果需要进一步提高包含可能的最小直径的纳米纤维的屏障的过滤效率，必须增大屏障的厚度，这会致使屏障的压降增大。因此，本发明是研发能够提高过滤效率且不会引起压降明显增大的过滤屏障的解决方案。
[0018]本发明人认识到，通过正压和负压静电纺丝制成的纳米纤维分别携带正静电荷和负静电荷，并且这些电荷可保持相对长的时间。本发明人还认识到，这些电荷来自两种来源:纳米纤维中的残余表面电荷和过量陷阱电荷(ETC)。与表面电荷不同，ETC无法轻易消散，因为ETC会在聚合物的畴界(domain boundaries)处积累。对于半晶体聚合物，在结晶/非晶界面可诱捕电荷。由非极性聚合物构成的电纺纳米纤维与由极性聚合物构成的相比，通常会将电荷保留较长的时间。由于大部分细菌和病毒是带负电的，因此该问题目前的解决方案是形成携带正电荷的纳米纤维屏障。那些带电屏障能够通过静电吸引增强细菌和病毒的过滤，而不会增大压降。
[0019]在另一方面，可用接触时能够杀灭细菌的杀生物剂来功能化电纺纳米纤维，而大部分市售过滤屏障仅仅用作滤筛以过滤掉气载污染物。理想的屏障除物理上阻隔气载污染物之外还应展现出杀菌功能，以使交叉污染最小化。本发明人认识到，虽然一些屏障可表现杀菌性质，但这些屏障常常需要将杀生物剂(例如银纳米颗粒)从屏障滤去以杀灭细菌。本解决方案研发出一种纳米纤维屏障，其能够在接触时杀灭细菌而无需将杀生物剂从屏障滤出。
[0020]此外，如以下讨论的结果中所说明的，过滤屏障具有较高过滤效率和较低压降。另夕卜，该障壁层可由一组溶液制备，该组溶液的导电率、粘度和表面张力是不稳定的，由此这种制备障壁层的方法可易于扩增以用于大规模生产。最后但同样重要的是，障壁层在连接于基层时可维持其机械完整性。而且，包括基层和障壁层的过滤屏障是柔性的，以便允许卷对卷加工，而不影响障壁层的机械完整性。
【附图说明】
[0021]图1示出了过滤屏障，其包括障壁层和基层。
[0022]图2示出了本发明一个实施方案的与微纤维交织的CA/PEO纳米纤维的SEM图像(X 5000放大率)。
[0023]图3示出了本发明的同一实施方案的包括障壁层、基层和支持层的过滤屏障。
[0024]图4示出了本发明的一个实施方案的过滤屏障，其包括五个障壁层和5个基层以及一个支持层。
[0025]图5示出了对具有不同数量的障壁层和基层的过滤屏障的过滤效率和压降的研宄结果。障壁层包括无静电荷且与微纤维交织的CA/PEO纳米纤维。
[0026]图6示出了对不同数量的CA/PEO纳米纤维层的过滤效率和压降的研宄结果。
[0027]图7示出了对具有不同数量的障壁层和基层的过滤屏障的过滤效率和压降的研宄结果。障壁层包括带静电荷且与微纤维交织的CA/PEO纳米纤维。
[0028]图8示出了对包括与微纤维交织的CA/PEO纳米纤维的一个障壁层在从电纺结束至测量开始的时间段内的表面电势的研宄结果。
[0029]图9示出了对包括CA/PEO纳米纤维的一个障壁层在从电纺结束至测量开始的时间段内的表面电势的研宄结果。
【具体实施方式】
[0030]本文和权利要求中使用的“包括”意思是包括下述要素，但不排除其他要素。
[0031]实施例1包括与微纤维交织的纳米纤维的过滤屏障
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