含有纳米纤维的复合材料结构的制作方法
【专利说明】含有纳米纤维的复合材料结构
[0001] 本申请是申请日为2012年3月30日申请号为201280017046. 3的中国专利申请 的分案申请。
[0002] 交叉引用的相关申请
[0003] 本申请要求2011年4月1日提交的美国临时专利申请No. :61/470705的优先权， 其整个内容在此通过引用并入。
【发明内容】
发明领域
[0004] 本发明通常涉及液体过滤介质。在某些实施方案中，本发明提供复合材料液体过 滤平台以及使用该平台和制造该平台的方法，用于将微生物从过滤的液体中截留。
[0005] 发明背景
[0006] 已经使用各种方法例如熔喷、静电纺丝和电吹（electroblowing)将合成聚合物 形成了非常小的直径（即，直径处于几微米（μπι)或更低的量级）的纤维的网。这样的网 表现出能够用作液体阻挡材料和过滤器。通常将它们与更强的基底组合来形成复合材料。
[0007] 复合材料多孔结构被广泛地用于过滤和分离应用中。作为此处使用的术语"复合 材料"表示将两个或更多个不同孔尺寸、孔形态和/或材料的膜的组合用于产生最终的复合 材料多孔结构。
[0008] 在例如膜过滤中，复合材料可以包含两个或更多个明显不同孔结构的多孔层。 通过在复合材料过滤膜中组合两个或更多个明显不同孔结构的多孔材料层，能够实现过 滤效率、通过量和机械坚固性的明显提升。作为例子，复合材料可以如下来形成：将分别 制造的多孔材料随后层合，将第二或者更多的层流延到预成型的第一层上，将两个或更 多个预成型的层层合在一起，或者通过同时共同形成两个或更多个层，如EMD Millipore Corporation的美国专利No. 7229665所教导的那样。
[0009] 生物药制造业一直在寻求流水线生产的方式，组合和消除步骤，和降低加工每个 批次的药物物质所需的时间。同时，市场和法规的压力驱使生物药制造商降低它们的成本。 因为细菌、支原体和病毒的除去占了药物物质净化总成本的主要百分比，因此非常需要提 高多孔膜的过滤通过量和降低净化加工时间的方案。
[0010] 由于引入新的预过滤介质和细菌、支原体和病毒的截留过滤器（retentive filter)的通过量的相应提高，供料流的过滤变成通量受限制的。因此，细菌、支原体和病毒 的截留过滤器的渗透性的显著改善将直接对细菌、支原体和病毒过滤步骤的成本产生有益 的影响。
[0011] 液体过滤中所用的过滤器通常可以分为含纤维的非织造介质过滤器或者多孔薄 膜膜过滤器。
[0012] 多孔薄膜膜液体过滤器或者其他类型的过滤介质可以无载体使用或者与多孔基 底或载体一起使用。多孔薄膜液体过滤膜（其典型的孔尺寸小于多孔含纤维非织造介质） 可以用于：
[0013] (a)微滤（MF)，其中从液体过滤的微粒典型地是大约0. 1 μ m至大约10 μ m ;
[0014] (b)超滤（UF)，其中从液体过滤的微粒典型地是大约2纳米（nm)至大约0· 1 μπι ; 和
[0015] (c)反渗透（R0)，其中从液体过滤的微粒物质典型地是大约1 Λ至大约Inm。
[0016] 逆转录酶病毒截留性膜通常被认为是处于超滤膜的松散端。
[0017] 高渗透性和高可靠性截留是液体过滤膜中所期望的两种参数。但是，在这两种参 数之间存在着折衷，并且对于相同类型的液体过滤膜来说，更大的截留性可以通过牺牲渗 透性来实现。制造液体过滤膜的常规方法的固有限制阻止了膜超过某些孔隙率阈值，和因 此限制了在任何给定孔尺寸能够实现的渗透性的数量级。
[0018] 含纤维非织造液体过滤介质包括但不限于由纺粘的、熔喷的或者水刺的连续纤维 形成的非织造介质；由梳毛过的短切纤维等等形成的水刺的非织造介质和/或其组合。典 型的，液体过滤中所用的含纤维非织造介质过滤器的孔尺寸通常大于大约1微米（μπι)。
[0019] 非织造材料被广泛地用于制造过滤产品。褶状膜筒通常包括非织造材料作为排出 层（例如参见美国专利No. 6074869, 5846438和5652050,每个属于Pall Corporation ;和 美国专利 No. 6598749,属于 Cuno Inc，现在的 3M Purification Inc·)。
[0020] 非织造微孔材料也可以用作位于其上的相邻的多孔膜层的支持筛网，例如 Billerica，MA 的 EMD Millipore Corporation 的月切:值这义通超滤膜。
[0021] 非织造微孔材料也可以作为支持骨架来提高位于非织造微孔结构上的多孔膜的 强度，例如同样获自EMD Millipore Corporation的Milligard?过滤器。
[0022] 非织造微孔材料也可以用于"粗预过滤"，通过除去直径通常大于大约1 μπι的悬 浮粒子来提高位于非织造微孔材料下游的多孔膜的能力。该多孔膜通常提供了关键生物安 全性阻挡或者结构，其具有明确定义的截留孔尺寸或者分子量。关键过滤的特征在于微生 物和病毒粒子所预期的和可有效保证的高除去度（典型的>99. 99%，如规定的测试所定义 的）。通常依靠关键过滤来保证在多个制造阶段以及在使用点的液体药物和液体生物药物 配方的无菌性。
[0023] 熔喷和纺粘的含纤维介质经常称作"传统"或"常规"非织造物。这些传统非织造 物中的纤维通常是至少大约lOOOnm直径的，所以传统非织造物中有效孔尺寸大于大约1微 米。制造传统非织造物的方法典型地导致了非常不均匀的纤维垫。
[0024] 历史上，常规非织造垫形成（例如通过熔喷和纺粘）的无规性已经导致了一般的 假设，即，非织造垫不适于液体流的任何关键过滤，和同样地，混有常规非织造物垫的过滤 装置典型地将这些垫仅仅用于预过滤的目的，来提高位于常规非织造物垫下游的多孔关键 过滤膜的能力。
[0025] 另一类型的非织造包括静电纺纳米纤维非织造垫，其如同"传统"或"常规"非织 造物那样，通常被认为不适于液体流的关键过滤。（参见例如Bjorge等人，Performance assessment of electrospun nanofibers for filter applications，Desalination，249， (2009)，942-948)。
[0026] 静电纺聚合物纳米纤维垫是高度多孔的，其中"孔"尺寸与纤维直径是大致成线 性比例的，并且孔隙率相对独立于纤维直径。该静电纺纳米纤维垫的孔隙率通常落入大约 85%-90%的范围，产生了这样的纳米纤维垫，其表现出与具有类似厚度和孔尺寸等级的浸 渍流延膜相比明显改进的渗透性。静电纺聚合物纳米纤维垫优于多孔膜的孔隙率优势在病 毒过滤典型所需的较小的孔尺寸范围内变得增强，这是因为前面讨论的UF膜降低的孔隙 率。
[0027] 静电纺纳米纤维非织造垫是通过使用电势纺织聚合物溶液或熔体来生产的，而非 制造常规或者传统非织造物中所用的熔喷、湿叠置或者挤出制造方法。通过静电纺丝所获 得的典型的纤维直径是10nm-1000nm，并且比常规或者传统非织造物小了 1-3个数量级。
[0028] 静电纺纳米纤维是如下来形成的：将溶解的或熔融的聚合物材料与第一电极相邻 放置，并且施加电势，以使得该溶解的或熔融的聚合物材料作为纤维从第一电极朝着第二 电极拉出。在制造静电纺纳米纤维垫的方法中，纤维没有通过吹热空气或者其他机械手段 (其会导致非常宽的孔尺寸分布）来强制处于垫中。相反，静电纺纳米纤维形成了非常均匀 的垫，这是因为静电纺纳米纤维之间的电互斥力。
[0029] Ε· I. Du Pont De Nemours and Company 的TO2008/109117教导了使用多孔纳米纤 维层作为深度过滤层（即，预滤器），用于相邻的多孔膜，其对于某些粒度具有3. 7LRV(即， LRV定义为对数截留值，这里3LRV等于0. 999的过滤效率）。W02008/109117教导了 对于该膜级别为LRV3. 7或更高时的粒度，该纳米纤维层的过滤效率级别为至少95%。 W02008/109117声称教导了关键过滤的作用是专用于多孔膜的，而非该纳米纤维层。
[0030] EMD Millipore Corporation 的 W02010/107503 教导了具有特定厚度和纤维直径 的纳米纤维垫提供了改进的液体渗透性和微生物截留性的组合。通常，纳米纤维垫提供了 优于它们的相当截留性的多孔膜对应物2-10倍的渗透性，这被认为是该纳米纤维垫具有 较高孔隙率（~90%，相对于典型的湿流延多孔膜的70-80% )的结果。
[0031] 静电纺纳米纤维垫可以通过将纤维沉积到常规纺粘非织造织物上来制造（非织 造和纳米纤维层面对面界面的例子的教导在Elmarco s. r. 〇.的W02009/010020和Clarcor Inc.的美国专利申请公开No. 2009/0199717中，每个在此将它们全部通过引用并入）。在 这些方案的每个中，支持性非织造织物的表面粗糙度可以带入到该纳米纤维层中，引起该 纳米纤维结构潜在的非均勾性，由此潜在的危及截留（rention)特性。
[0032] Jirsak等人发布的美国专利No. 7585437教导了用于使用静电纺丝来由聚合物溶 液生产纳米纤维的无喷嘴方法、以及进行该方法的装置。
[0033] Nano Technics Co. LTD.的W02003/080905(在此将其全部通过引用并入）教导了 电吹方法，其中将包含聚合物和溶剂的聚合物溶液流体从存储槽供给到喷丝头内一系列的 纺丝喷嘴中，向其上施加高电压，并且通过其排出聚合物溶液。可以任选被加热的压缩空气 是从布置在纺丝喷嘴侧面或外围的空气喷嘴释放的。该压缩空气通常向下引导，作为吹气 流将新流出的聚合物溶液包封和促其向前，由此帮助形成纳米纤维网，其收集在位于真空 室上的接地的多孔收集带上。
[0034] Schaefer等人的美国专利申请公开No. 2004/0038014教导了一种非织造过滤垫， 其包含一层或多层的通过静电纺丝形成的细聚合物微纤维和纳米纤维的厚集合体，用于过 滤污染物。
[0035] Green的美国专利申请公开No. 2009/0199717教导了一种在基底层上形成静电纺 纤维层的方法，该静电纺纤维大量的纤维直径小于100纳米（nm)。
[0036] Bjorge等人在Desalination 249 (2009) 942 - 948中教导了静电纺尼龙纳米纤 维垫，其具有纳米纤维的直径是大约50nm-100nm和厚度是大约120μπι。所测量的非表 面处理的纤维的细菌LRV是1. 6-2. 2。Bjorge等人据称得出结论，即，纳米纤维静电纺垫 (electrospun mat)的除菌效率令人不满意。
[0037] Gopal 等人在期刊 Membrane Science 289(2007)210 - 219 中教导了静电纺聚醚 砜纳米纤维垫，其中该纳米纤维的直径是大约470nm。在液体过滤过程中，该纳米纤维垫充 当了筛网，来滤出高于Ιμπι的粒子，和作为深度过滤器（例如预滤器）用于低于1微米的 粒子。
[0038] Aussawasathien 等人在期刊 Membrane Science，315 (2008) 11 - 19 中教导了将直 径大约30nm-110nm的静电纺纳米纤维用于除去直径大约0. 5 μπι-10 μπι的聚苯乙稀粒子。
[0039] Choi等人的W02010/120668教导了具有0. 2 μπι级别的纳米纤维层与更紧密的超 高分子量（UPE)膜（例如具有大约5nm级别）的组合，据称产生了在表面活性剂存在下聚 苯乙烯粒子改进的截