32]1.1过滤屏障的结构
[0033]如图1所示，本发明的第一方面涉及一种过滤屏障20，其包括障壁层22和基层24。障壁层22包括聚合物纳米纤维和聚合物微纤维的交织结构，其中纳米纤维和微纤维携带静电荷，而基层24由聚合物微纤维制成。障壁层22通过机械联锁(mechanicalinterlocking)和静电吸引连接于基层24上。
[0034]在一个实施方案中，障壁层22的周界也可通过超声波焊接连接于基层24的周界上。
[0035]在一个实施方案中，障壁层22的厚度范围为5-100微米，而基层24的厚度范围为90-200 微米。
[0036]图2不出了扫描电子显微镜下障壁层22的交织结构的形态(X5000放大率)。在一个实施方案中，纳米纤维的直径范围为20-500纳米，而微纤维的直径范围为1-3微米。
[0037]在图3所示的另一实施方案中，过滤屏障30还包括与障壁层22连接的支持层32。支持层32由聚合物微纤维制成。在一个实施方案中，支持层可由聚酯、尼龙、聚乙烯、聚氨酯、纤维素、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯、聚甲基戊烯或聚苯乙烯制成。在另一实施方案中，支持层的直径范围为I微米至10微米。
[0038]在具体实施方案中，图3所示的过滤屏障30的障壁层22由重量为0.8gsm的CA和PEO的组合构成，其中纳米纤维和微纤维通过静电纺丝制成。静电纺丝是一种能够形成纳米纤维/微纤维的技术，其是一种制备在低压降时具有高过滤效率的空气过滤屏障的有前景的方法。基层24是由经抗静电处理的20gsm的聚丙烯(PP)构成的非纺织物(nonwovenfabric)，其中微纤维通过网状结合或熔喷制成。最后，支持层32是由50gsm PP制成的非纺织物，其中微纤维也通过网状结合或熔喷制成。由于纳米纤维的非纺织网具有高比表面积，因此其是用于过滤的理想材料。该性质可通过各种机制如过筛、拦截和布朗扩散促进微小颗粒的诱捕。
[0039]在一个实施方案中，基层是由1-1OOgsm聚丙烯制成的非纺织物，支持层是由40-120gsm聚丙烯制成的非纺织物。
[0040]在又一实施方案中，过滤屏障可包括多个障壁层和基层。例如，图4所示的过滤屏障40包括5个障壁层22、5个基层24和一个支持层32，其中5个障壁层22中的每层连接在一个基层24上，并且障壁层42之一夹在基层44和支持层32中间。
[0041]1.2过滤屏障的合成
[0042]将15重量％的纤维素乙酸酯(CA)和0.1重量％的聚环氧乙烷(PEO)溶于二甲基甲酰胺(DMF)，并加入0.3重量％的苄基三乙基氯化铵(BTEAC)以获得聚合物溶液。
[0043]将聚合物溶液装入静电纺丝系统中，其中聚合物溶液的静电纺丝是在以下条件下进行以形成障壁层22:涂覆时间为2小时(基本重量为0.8gsm)，电压为25kV，工作距离为15cm，流速为0.5ml/h，针内径(ID)为0.8mm，23°C，以及相对湿度为60%。将收集筒(Drumcollector)用于静电纺丝法。
[0044]在一个实施方案中，施加电压的工作范围为10_50kV;距离的工作范围为10-30cm ;溶液流速的工作范围为0.05-5ml/h ;相对湿度的工作范围为30-80%，以及温度为 20-30 °C。
[0045]在一个实施方案中，形成的障壁层的孔径为200-5000nm，从而使得超过95%的10至800nm的颗粒无法通过该屏障，同时当气流为3L/min时将压降维持在31mm H2Oo
[0046]在静电纺丝期间，可通过调节聚合物溶液的性质，如导电率、粘度和表面张力，来改变从电纺器(electrospinner)中排出的CA/PEO纤维的尺寸或直径。例如，如果提高聚合物溶液的导电率，则排出的纤维的尺寸或直径将会较小，如果降低聚合物溶液的粘度，会观察到同样的效果。
[0047]为使聚合物溶液的性质是可调节的，包括了加入专用导电率促进添加剂如有机盐、无机盐、吸湿性物质或碳黑的步骤。添加剂的一些实例为BTEAC、磷酸(H3PO4)、氯化锂LiCl)、四乙基溴化铵(TEAB)和四丁基溴化铵(TBAB)。例如，为使聚合物溶液的导电率不稳定，将0.3重量％的BTEAC加入聚合物溶液中，使得聚合物溶液的导电率在30-32 μ S/cm的范围内波动。
[0048]将通过静电纺丝制成的障壁层直接沉积在由聚合物微纤维制成的基层上，并通过机械联锁和静电吸引将障壁层连接在基层上以形成过滤屏障。在一个实施方案中，通过超声波焊接将由聚合物微纤维制成的支持层与障壁层连接，以对过滤屏障提供额外的强度和支撑。
[0049]1.3过滤屏障的过滤效率和压降的研宄
[0050]通过使由气溶胶发生器产生的尺寸范围为1-SOOnm的颗粒通过过滤屏障来评价上述方法中合成的不同数量和/或不同种类的障壁层的过滤效率和压降。在过滤屏障的另一端使用气溶胶监测器，以监测可通过的颗粒。
[0051]1.3.1无静电荷且具有纳米纤维和微纤维的交织结构的障壁层
[0052]如图5所示，对通过前述方法合成的本发明的不同数量的障壁层的过滤效率和压降进行比较。障壁层的重量为0.Sgsm且具有与微纤维交织的纳米纤维。与微纤维交织的纳米纤维不带有静电荷。可见，随着障壁层数量的增加，障壁层的过滤效率提高。使用能够过滤95%污染物的很常用的口罩N95作为对照。如进一步观察到的，有六个障壁层的样品比N95具有更高的过滤效率，但压降却比N95更低。
[0053]从结果可见，使用本发明的过滤屏障的障壁层可实现增强的过滤效果。具体而言，当施用6个障壁层时，其过滤性能比N95过滤器的更好。
[0054]1.3.2无静电荷且仅具有纳米纤维的障壁层
[0055]图6显示了无静电荷重量为0.8gsm且仅具有CA/PEO纳米纤维(即不具有CA/PEO纳米纤维和CA/PEO微纤维的交织结构)的障壁层的过滤效率和压降。通过比较图5和图6中所示结果，可以看出，与无交织结构的障壁层相比，本发明的有交织结构的障壁层的压降更小。
[0056]由此，结果显示，本发明的有交织结构的障壁层可提供较低的压降，而不会损害过滤效率。
[0057]1.3.3带静电荷且具有纳米纤维和微纤维的交织结构的障壁层
[0058]在该研宄中，评价了通过前述方法合成的本发明的带有静电荷的不同数量的障壁层的过滤效率和压降，并将结果显示于图7。
[0059]如图7所示，与微纤维交织的CA/PEO纳米纤维带有由静电纺丝法产生的范围在28-32V的静电荷。在比较图5和图7中所示结果时，可以看出，与无静电荷的障壁层相比，有静电荷的障壁层具有更高的过滤效率。另外，具有静电荷为32V的4个障壁层的样品比N95具有更高的过滤效率和更低的压降。
[0060]由此，结果显示交织结构上的静电荷可提高过滤效率，而不增加压降。
[0061]此外，通过静电伏特计(TREK 706B)测定本发明的一个重量为0.8gsm的障壁层的表面电势。从静电纺丝结束至60天后测定表面电势，并示于图8中。在静电纺丝结束约20天后，表面电势降至O，而如图9所示，对于仅具有CA/PEO纳米颗粒的障壁层，在静电纺丝结束约10天后，表面电势降