含有纳米纤维的复合材料结构的制作方法
【专利摘要】一种复合材料液体过滤平台，其包括复合材料过滤介质，该介质的特征为收集在多孔膜上的静电纺聚合物纳米纤维层。当使用时，该多孔膜充当聚合物纳米纤维层上游使用的预滤器，来从流过该复合材料过滤结构的液体流中除去粒子。位于该多孔膜下游的该纳米纤维层用作关键过滤的截留性层来提供生物安全性保证，和用于捕集微生物如细菌、支原体或者病毒。这里提供的复合材料液体过滤平台表现出优于纺织在粗的非织造物上的常规多孔膜或者纳米纤维垫的渗透性。
【专利说明】含有纳米纤维的复合材料结构
[0001]交叉引用的相关申请
[0002]本申请要求2011年4月I日提交的美国临时专利申请N0.: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
[0003]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。
[0004]发明背景
[0005]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(Pm)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。
[0006]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。
[0007]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 MilliporeCorporation的美国专利N0.7229665所教导的那样。
[0008]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。
[0009]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(retentivefilter)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。
[0010]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。
[0011]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:
[0012](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 ;[0013](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 μ m ;和
[0014](c)反渗透(RO)，其中从液体过滤的微粒物质典型地是大约I A至大约lnm。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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I微米(μπι)。
[0018]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N0.6074869，5846438和5652050，每个属于Pall Corporation ;和美国专利 N0.6598749,属于 Cuno Inc,现在的 3M Purification Inc.)。
[0019]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Biomax?超滤膜。
[0020]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。
[0021]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Iym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。
[0022]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IOOOnm直径的，所以传统非织造物中有效孔尺寸大于大约I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。
[0023]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。
[0024]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，Performanceassessment of electrospun nanofibers for filter applications,Desalination,249,(2009)，942-948)。
[0025]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溃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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]E.1.Du Pont De Nemours and Company 的 W02008/109117 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。
[0029]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。
[0030]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.ο.的W02009/010020和ClarcorInc.的美国专利申请公开N0.2009/0199717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勻性，由此潜在的危及截留(rention)特性。
[0031]Jirsak等人发布的美国专利N0.7585437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。
[0032]Nano Technics C0.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。
[0033]Schaefer等人的美国专利申请公开N0.2004/0038014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。
[0034]Green的美国专利申请公开N0.2009/0199717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)。
[0035]Bjorge等人在Desal ination249 (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，S卩，纳米纤维静电纺垫(electrospun mat)的除菌效率令人不满意。
[0036]Gopal 等人在期刊 Membrane Science289 (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I μπι的粒子，和作为深度过滤器(例如预滤器)用于低于I微米的粒子。
[0037]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 μ m-10 μ m的聚苯乙烯粒子。
[0038]Choi等人的W02010/120668教导了具有0.2 μ m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留性。在所提供的每个例子中，该膜具有比单独的纳米纤维层更高的截留性。看起来加入纳米纤维层到该膜没有导致组合的泡点可测出的增加和导致与该膜本身相比的截留性的增量增加。如前所述，纳米纤维垫教导据称教导了使用纳米纤维垫作为预滤器，和使用该多孔膜来提供关键过滤和截留性保证。
[0039]但是，前述的纳米纤维垫的教导没有教导使用在多孔膜载体上形成的纳米纤维垫，其中截留性保证和关键过滤性是通过纳米纤维垫而非多孔膜提供的；并且预滤器性能是由多孔膜载体而非纳米纤维垫提供的。
[0040]所需要的是一种多孔静电纺纳米纤维复合材料过滤介质，其将容易的可按比例的、可适用于加工从几毫升到几千升的体积的样品流体，并且能够使用多种过滤方法和装置，以使得静电纺纳米纤维层提供截留性保证和关键过滤性能，并且该纳米纤维层形成于其上的该多孔载体提供了预过滤性能。本发明涉及这些以及其他目标和实施方案。
[0041]
【发明内容】
[0042]本发明解决了通常与复合材料非织造物液体过滤结构有关的不均匀性和能力缺陷。这里教导的该新的复合材料液体过滤平台包括具有收集在多孔膜上的聚合物纳米纤维层的多孔复合材料过滤结构，以使得当该复合材料过滤结构用于过滤液体或者液体流时，该多孔膜位于聚合物纳米纤维层上游。虽然该多孔膜充当了基底，用于捕集复合材料过滤结构生产中的纳米纤维，但是该多孔膜也是在聚合物纳米纤维层上游使用的预滤器，来从流过该复合材料过滤结构的液体流中除去粒子。即，该纳米纤维层位于多孔膜的下游，并且作为截留性层用于关键过滤来提供生物安全性保证，和用于捕集微生物如细菌、支原体或者病毒。将该复合材料过滤结构的多孔膜侧作为预滤器(而非纳米纤维层，其迄今之前被用作预滤器)和薄的、均匀的和小孔尺寸纳米纤维层用作截留性生物安全性保证层，这里教导的液体过滤平台表现出优于在粗非织造物上纺织的常规多孔膜或者纳米纤维垫的渗透性。
[0043]在某些实施方案中，本发明提供了一种多孔复合材料介质，其包括多孔膜和位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该纳米纤维层的孔尺寸小于该膜的孔尺寸。
[0044]在其他实施方案中，本发明提供了包括多孔膜和位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层的多孔复合材料介质，其用合适的流体所测量的泡点(bubble point)比单独的所述膜的泡点大至少20%。
[0045]在某些实施方案中，本发明提供多孔复合材料介质，其包括多孔膜和位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该膜是非对称的并包括紧密侧。[0046]在其他实施方案中，本发明提供了多孔复合材料介质，其包括多孔膜和位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该纳米纤维层是对称的。
[0047]在仍然的其他实施方案中，本发明提供了多孔复合材料介质，其包括多孔膜和位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该纳米纤维层是静电纺垫。
[0048]在其他实施方案中，本发明提供了多孔复合材料介质，其包括多孔膜和位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该纳米纤维层包含聚合物的共混物、共聚物及其混合物。
[0049]在另外一种实施方案中，本发明提供了多孔复合材料介质，其包括多孔膜和位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该纳米纤维层包含脂肪族聚酰胺。
[0050]在另外一种实施方案中，本发明提供了一种复合材料液体过滤介质结构，其具有多孔膜预滤器和收集在该膜上的关键过滤多孔纳米纤维截留性层。该多孔纳米纤维层的厚度是大约Iym-大约500 μπι。该多孔纳米纤维层的有效孔尺寸通常由纤维直径(其是基于待截留的期望的微生物或者粒子来选择的)限定。该多孔纳米纤维层的有效孔尺寸(通过下文提供的泡点测试来测量)是大约0.05 μπι(用于逆转录酶病毒的除去)到大约
0.5 μ m(用于细菌的除去)。
[0051]在另一实施方案中，本发明提供复合材料液体过滤平台，其包括厚度为大约10 μ m-大约500 μ m的静电纺多孔纳米纤维层。
[0052]在另一实施方案中，本发明提供复合材料液体过滤平台，其包括厚度大约20 μ m-大约300 μ m的多孔静电纺纳米纤维层。
[0053]在仍然的其他实施方案中，本发明提供复合材料液体过滤平台，其包括厚度大约50 μ m-200 μ m的多孔静电纺纳米纤维层。
[0054]在另外一种实施方案中，本发明提供用于液体过滤的多孔复合材料介质，其包括具有紧密侧(tight side)、松散侧(open side)并且孔尺寸在紧密侧和松散侧之间尺寸逐渐增大的多孔非对称膜，和位于紧密侧上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该膜紧密侧上的孔尺寸大于聚合物纳米纤维层的孔尺寸。
[0055]在某些实施方案中，本发明提供用于关键液体过滤的复合材料过滤装置，其包括预滤器和截留性过滤器，其中该预滤器具有紧密侧、松散侧并且孔尺寸在紧密侧和松散侧之间尺寸增加的多孔非对称膜，该截留性过滤器具有位于非对称膜的紧密侧上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该非对称膜的紧密侧的孔尺寸大于聚合物纳米纤维层的孔尺寸。
[0056]在另外一种实施方案中，本发明涉及一种由一种或多种多孔静电纺聚合物纳米纤维形成多孔复合材料液体过滤平台的方法，所述纳米纤维是由聚合物溶液使用静电纺丝设备、并且将该溶液经历大于大约IOkV的电势、和将该静电纺聚合物纤维收集在具有光滑表面的多孔载体膜上而形成的。该载体膜的光滑表面结构产生了光滑的和均匀的多孔纳米纤维垫(不同于在非织造收集载体上形成的纳米纤维垫，其具有粗的载体表面)。光滑和均匀的多孔纳米纤维垫典型地具有更大的截留性，即，当在更光滑的膜表面上生产时，与在粗的非织造物上相比，具有相同厚度和渗透性的多孔纳米纤维垫将具有更大的粒子除去性能。可选择的，如果在光滑的膜上生产，类似截留性的多孔纳米纤维垫将更薄和渗透性更大。
[0057]在某些其他实施方案中，本发明提供一种多孔复合材料液体过滤装置，其包括多孔复合材料液体过滤平台，该平台具有液体过滤复合材料介质，其特征在于位于多孔膜基底预滤器上的静电纺聚合物多孔纳米纤维截留性生物安全性保证层。[0058]在仍然的另一实施方案中，本发明提供一种具有多孔复合材料介质的液体过滤平台，其包括收集在多孔预滤器膜上的关键生物安全性多孔纳米纤维层。该复合材料液体过滤平台被用于过滤液体流和捕集液体中会存在的其他物质、微生物如细菌，支原体或者病毒等。该液体过滤平台如下来实现这个目的:液体流首先遇到该多孔复合材料介质上的多孔预滤器膜部件，随后遇到该截留性纳米纤维层，其通过捕集预滤器层下游的微生物、支原体或病毒来用于关键过滤。
[0059]本发明另外的特征和优点将在后面的【具体实施方式】和权利要求中阐述。对本领域技术人员来说，很显然可以对本发明进行许多的改变和变化，而不脱离它的主旨和范围。应当理解前述的通用说明和下面的详细说明、权利要求以及附图仅仅是示例性的和说明性的，并且目的是提供对于本发明教导的不同的实施方案的解释。此处所述的具体实施方案仅仅是为了举例而提出的，并不意味着任何方式的限制。
【专利附图】
【附图说明】
[0060]附图(其并入和构成说明书的一部分)与说明书一起说明了本发明目前所预期的实施方案，用于解释本发明的原理。
[0061]图1是根据本发明一种实施方案，将纳米纤维静电纺丝到移动网上的方法的图
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[0062]图2表示了根据本发明的一种实施方案的复合材料液体过滤平台的电镜图，其特征在于多孔复合材料过滤结构，该结构具有收集在多孔膜上的聚合物纳米纤维层。
[0063]图3表示了根据本发明一种实施方案的复合材料液体过滤平台(特征在于多孔复合材料过滤结构，该结构具有收集在多孔膜上的聚合物纳米纤维层)的IPA泡点，和对于相同的纺织时间(并因此纳米纤维垫的厚度相同)的对比例的沉积在粗的非织造物上的纳米纤维垫之间的比较。
[0064]图4表示了具有类似支原体截留性09LRV)的纳米纤维的水渗透性的比较:对比例的纺织在粗的非织造物上的纳米纤维垫和根据本发明一种实施方案的复合材料液体过滤平台(特征在于多孔复合材料过滤结构，该结构具有收集在多孔膜上的聚合物纳米纤维层)。
[0065]图5证实了根据本发明一种实施方案的复合材料液体过滤平台(特征在于多孔复合材料过滤结构，该结构具有纺织在微孔非对称的0.45 μ m级别的膜上的聚合物纳米纤维垫)的纺织时间(spin time)、泡点和支原体截留性之间的关系。
[0066]图6表示了具有类似的B.diminuta截留性(>9LRV)的纳米纤维的水通量的比较:对比例的纺织在粗的非织造物上的纳米纤维垫和根据本发明一种实施方案的复合材料液体过滤平台(特征在于多孔复合材料过滤结构，该结构具有收集在多孔膜上的聚合物纳米纤维层)。
[0067]图7表示了具有类似的逆转录酶病毒截留性06LRV)的纳米纤维的水通量的比较:对比例的纺织在粗的非织造物上的纳米纤维垫和根据本发明一种实施方案的复合材料液体过滤平台(特征在于多孔复合材料过滤结构，该结构具有收集在多孔膜上的聚合物纳米纤维层)。
[0068]图8表示了根据本发明一种实施方案的复合材料液体过滤平台(特征在于多孔复合材料过滤结构，该结构具有收集在多孔膜上的聚合物纳米纤维层)与对比例的相同纳米纤维直径和类似的支原体截留性09LRV)的纺织在粗的非织造物上的纳米纤维垫的过滤能力比较。
【具体实施方式】
[0069]这里引用的全部公开文献、专利和专利申请，无论在前面或者后面，都在此将它们全部通过引用并入，如同每个单个的公开文献、专利或专利申请明确地和单个地表示来通过引用并入的程度一样。
[0070]在进一步详细描述本发明之前，将定义许多的术语。使用这些术语不限制本发明的范围，而仅仅用于便于描述本发明。
[0071]作为此处使用的，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。
[0072]在本说明书和附加的权利要求中，表示说明书和权利要求书中所用的成分、材料百分比或者比例、反应条件和其他数值的量的全部数值被理解为在全部的情况中是用术语“大约”修正的，无论术语“大约”是否明确表示。
[0073]因此，除非有相反的说明，否则下面的说明书和附加的权利要求书中阐明的数字参数是近似的。虽然阐明本发明宽的范围的数字范围和参数是近似的，但是在具体实施例中所述的数值是尽可能精确来报告的。此外，这里公开的全部范围被理解为包括其中所含的全部子范围。例如范围“ι-?ο”包括了在最小值I和最大值10之间(并且包括该最小值和最大值)的任何和全部子范围，即，具有最小值等于或大于I和最大值等于或小于10的任何和全部子范围，例如5.5-10。
[0074]作为此处使用的，“膜”定义为多孔双连续结构，最普通的是通过将聚合物分散体或者溶液流延成期望的形状来制备的，其中该多孔结构是通过所谓的“相转化”方法来形成的。本领域技术人员将容易意识`到相转化可以例如通过引起聚合物沉淀物与气相、液相接触或者通过温度来完成。该膜期望的形状非限定性的例子包括中空纤维、平片或者其他制品。含纤维材料如织造材料和非织造织材料或者垫子通常具有不连续的固体相，其是通过单个纤维缠绕在一起形成的。含纤维材料通常不归类为膜。
[0075]作为此处使用的，“非对称膜”特征在于该膜的孔尺寸随该膜厚度内的位置的变化而变化。最普通的非对称膜具有梯度结构，其中孔尺寸从一个表面(经常称作“紧密”侧)到另一表面(经常称作“疏松”侧)逐渐和连续增加。非对称膜通常具有比相当的厚度和截留性的对称膜更高的通量。当用于它们较大的孔侧上游的构造中时，非对称膜在许多情况中具有比相当的对称膜更大的流通量。参见例如D.M.de Winter在1981年4月14日发布的美国专利N0.4261834。非对称膜具有厚的、致密的表面区域，或者在许多情况中在一个表面上形成外皮，并且稍微延伸到它的深度中，例如紧密表面。参见W.Wrasidlo在1986年12月16日发布的美国专利N0.4629563中。
[0076]术语“砑光(calendering)”指的是一种将网送过两个辊子之间的辊隙的方法。该辊子可以彼此接触，或者在辊子表面之间可以存在着固定的或者可变的间隙。
[0077]术语“过滤器介质”或“过滤介质”指的是材料或者材料的集合，带有微生物污染物的流体送过该介质，其中微生物沉积在该材料或者材料集合之中或者之上。[0078]术语“通量”和“流量”交替使用来表示经过给定面积的过滤介质的流体体积时的速率。
[0079]术语“纳米纤维”指的是直径或者横截面通常小于大约I μ m,典型的在大约20nm至大约800nm变化的纤维。
[0080]术语“任选”或“任选地”表示随后所述的事件或者情况可以发生或者可以不发生，和所述说明书包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
[0081]本发明的复合材料液体过滤平台包括例如复合材料液体过滤介质，特征在于沉积在多孔膜基底上的多孔静电纺纳米纤维液体过滤层。该静电纺纳米纤维优选的平均纤维直径是大约IOnm至大约150nm,平均孔尺寸是大约0.05 μ m至大约I μ m,孔隙率是大约80%至大约95%,厚度是大约Iym至大约100 μ m,优选大约Iym至大约50 μ m,更优选I μ m至20 μ m。这里教导的复合材料液体过滤平台的水渗透性大于大约100LMH/psi。
[0082]另外，这里教导的复合材料液体过滤平台具有高的微生物截留性，提供了至少3LRV的逆转录酶病毒除去和至少6LRV的细菌和支原体，和优选至少6LRV的逆转录酶病毒除去和至少9LRV的细菌和支原体。
[0083]该静电纺纳米纤维是由宽范围的聚合物和聚合物复合物来制备的，包括热塑性和热固性聚合物。合适的聚合物包括但不限于尼龙，聚酰亚胺，脂肪族聚酰胺，芳族聚酰胺，聚砜，纤维素，醋酸纤维素，聚醚砜，聚氨酯，聚(脲氨基甲酸酯)，聚苯并咪唑(PBI)，聚醚酰亚胺，聚丙烯腈(PAN)，聚(对苯二甲酸乙二醇酯)，聚丙烯，聚苯胺，聚(环氧乙烷)，聚(萘二甲酸乙二醇酯)，聚(对苯二甲酸丁二醇酯)，丁苯橡胶，聚苯乙烯，聚(氯乙烯)，聚(乙烯醇)，聚(偏二氟乙烯)，聚(乙烯基丁烯)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，共聚物，衍生物化合物和其共混物和/或组合物。
[0084]作为这里交叉使用的，术语“孔尺寸”或“有效孔尺寸”是多孔结构的一个度量，其预测了它截留某些尺寸的粒子的能力。膜或者静电纺垫的有效孔尺寸可以使用常规技术来测量，例如泡点，液体-液体气孔测量法，和用某些尺寸的粒子的免疫测试(challengetest)。虽然几种方法可以用于确定孔尺寸和每个可以产生稍微不同的测量值，但是当在不同的结构例如膜和静电纺垫的孔尺寸之间进行比较时，使用相同的测量方法。
[0085]【具体实施方式】
[0086]图1示意性表示了本发明的一种实施方案，其中该复合材料液体过滤平台包括复合材料液体过滤介质，该介质具有由单个静电纺聚合物纳米纤维制成的静电纺多孔纳米纤维垫60。该单个纳米纤维是通过位于带电旋转鼓20和收集电极35之间的移动收集设备30的一次通过、通过静电纺丝方法来制造的。将理解纳米纤维网或者垫可以通过在相同的移动收集设备30上同时运行的一个或多个纺纱鼓20来形成。
[0087]在图1中，移动收集设备30优选是位于纺纱带电旋转鼓20和电极35之间的静电场50中的移动收集带。聚合物溶液10可以经历来自高电压源40的电势，以使得在电场50中生产静电纺聚合物纤维。
[0088]在这里教导的其他实施方案中，静电纺含纤维垫60是通过从尼龙溶液中沉积静电纺纳米纤维来形成的。所形成的纳米纤维垫优选的基重是大约lg/m2至大约20g/m2，这是在干基物(dry basis)上测量的(即，在残留溶剂已经蒸发或除去后)。
[0089]在这里教导的其他实施方案中，该复合材料液体过滤平台包括许多多孔单层或多层膜基底或者载体，其可以排列在移动收集带上来收集和与在其上形成静电纺纳米纤维垫的静电纺纳米纤维组合。
[0090]单层或者多层多孔基底或者载体非限定性的例子包括多孔薄膜膜。多孔薄膜膜是由多种热塑性聚合物生产的，包括聚酰胺，聚砜，聚偏二氟乙烯，聚四氟乙烯，纤维素，纤维素酯，聚丙烯腈等。生产多孔膜薄膜的方法包括溶液相转化，温度引起的相分离(TIPS)，蒸气引起的相分离(VIPS)，溶剂和化学蚀刻，室温和热辅助的双轴拉伸，及其组合。
[0091]观察捕集或收集静电纺纳米纤维的复合材料过滤介质的多孔膜基底的表面粗糙度，来至少部分地确定最终的复合材料过滤结构所形成的纳米纤维层的性能。例如我们已经观察到用于收集静电纺纳米纤维的基底表面越光滑，所形成的纳米纤维层结构越均匀。观察到用于收集静电纺纳米纤维层的粗纺粘的非织造基底的表面上图案的印记，来直接转移到其上所收集的所形成的静电纺纳米层。但是，当静电纺纳米纤维层收集在具有光滑表面的多孔膜基底上时，无法看到这样的图案印记。收集在该多孔膜光滑表面上的静电纺纳米纤维层产生了在其上形成的“无特征”的纳米纤维层。
[0092]在这里教导的复合材料液体过滤平台的某些实施方案中，静电纺纳米纤维层结合到多孔膜基底或载体上。结合可以通过本领域公知的方法来完成，包括但不限于在加热的光滑啮合辊之间的热砑光，超声波结合和通过气体结合。将静电纺纳米纤维层结合到膜载体上提高了复合材料的强度，以及该复合材料的抗压性，以使得所形成的复合材料过滤介质能够经受住与将复合材料过滤平台形成有用的过滤器形状和尺寸有关的力，或者当将复合材料过滤平台安装到过滤装置中时的力。
[0093]在这里教导的复合材料液体过滤平台的其他实施方案中，该多孔静电纺纳米纤维层的物理性质例如厚度、密度和孔的尺寸和形状会受到在该纳米纤维层和该膜载体之间所用的结合方法的影响。例如可以使用热砑光来降低静电纺纳米纤维层的厚度和提高静电纺纳米纤维层的密度和降低静电纺纳米纤维层的孔隙率，和降低孔尺寸。这反过来降低了在给定的施加压力差时穿过复合材料过滤介质的流速。
[0094]通常，超声波结合将结合到比热砑光更小的静电纺纳米纤维层面积上，和因此对静电纺纳米纤维层的厚度、密度和孔尺寸具有较小影响。
[0095]热气或者热空气结合通常对于静电纺纳米纤维层的厚度、密度和孔尺寸具有最小的影响，所以这种结合方法在其中期望保持较高流速的应用中会是优选的。
[0096]当使用热砑光时，必须小心不要过度结合该静电纺纳米纤维层，以使得该纳米纤维熔体作为单个纤维不再保持它们的结构。极端的，过度结合将导致该纳米纤维完全熔融，来形成膜。将所用的一个或者两个啮合辊加热到大约环境温度例如大约25°C到大约300°C的温度。该多孔纳米纤维介质和/或多孔载体或者基底可以在处于大约01b/in到大约10001b/in(178kg/cm)压力的啮合辊之间压缩。
[0097]砑光条件如辊温度、啮合压力和线速度可以调整来实现期望的可靠性。通常，在高温和/或高压下施加较高的温度，压力和/或驻留时间导致了提高的可靠性。
[0098]其他机械步骤例如拉伸、冷却、加热、烧结、退火、卷绕、回卷等可以任选地包括在形成、成形和制造期望的复合材料过滤介质的整体方法中。
[0099]这里教导的复合材料过滤介质的孔隙率可以作为砑光的结果而变化，其中孔隙率是大约5%-大约90%。[0100]在这里教导的复合材料液体过滤平台的某些实施方案中，该多孔膜载体基底(即，用于收集静电纺纳米纤维层)包括与另一层多孔膜相邻的至少一层的多孔膜。例如该多孔膜基底的分层改进了粒子截留性。还使用了相同或不同组成的分层的多孔膜基底来改进复合材料过滤介质通过量。
[0101]用于选择复合材料液体过滤平台中的多层的多孔膜基底的其他考虑包括复合材料液体过滤介质的经济性和便利性、用于制造其中可以安装复合材料液体过滤介质的液体过滤装置的方法、灭菌的容易性和有效性。用于收集该静电纺纳米纤维层的多孔膜基底可以是单层或者多层构造，其中经常基于实际的考虑来选择构成多孔膜基底的层的优选数目。
[0102]此外，在较低的纳米纤维垫厚度和因此在较短的纺织时间时观察到的这里所教导的复合材料液体过滤平台的好处是更明显的。这些好处也可以用于移动网(web)上，其将直接转化成更快的生产线速度。通过将该纳米纤维层纺纱到较光滑的载体表面上，观察到实现了相同的泡点，但是处于较低的纳米纤维层厚度。这些优点导致了来自更快的生产速度的经济性益处、和较薄的纳米纤维层的更大的渗透性二者。
[0103]在这里教导的其他实施方案中，该复合材料液体过滤平台包括:
[0104]I)多孔膜载体，其在单层中没有表现出逆转录酶病毒的全截留，例如:
[0105];?)0.1μηι 级的 Millipore Express'' 膜，获自 EMD Millipore Corporation,Billerica, MA,
[0106]ii) Retropore ? 膜，获自 EMD Millipore Corporation, Billerica, MA,或者
[0107]iii)0.45 μ m级的尼龙膜或者0.60 μ m级的尼龙膜，来自德国的Membrana GmbHWuppertal,和
[0108]2)聚合物静电纺纳米纤维层，其沉积在该多孔膜载体上，并且使用较小厚度来在较高渗透性、过滤能力(归因于多孔膜预过滤)和较低的纳米纤维生产成本(归因于低的纳米纤维层厚度)实现全逆转录酶病毒截留。
[0109]为了改进静电纺纳米纤维非织造垫的通过量，静电纺纳米纤维是通过将该纳米纤维收集在非对称的多孔载体膜的紧密侧上来生产的。该复合材料液体过滤平台的最终结构包括复合材料过滤介质，其构造使得该多孔载体膜在它的最紧密的部分中具有比静电纺纳米纤维层的孔尺寸更大的孔，以使得该多孔载体膜充当了预滤器并且位于静电纺纳米纤维层的上游。在复合材料过滤平台的这种布置中，该复合材料过滤介质的非对称的多孔载体膜提供了预过滤能力，和该静电纺纳米纤维层提供了大部分的微生物截留性。
[0110]这里教导的复合材料液体过滤平台的两个非限定性的例子包括I)复合材料过滤结构或者介质，其特征在于沉积在0.5 μ m级的预滤器多孔膜载体上的支原体-截留性纳米纤维垫(0.1 μ m 级的)，例如来自 EMD Millipore Corporation, Billerica, MA 的
Millipore Express"预滤器膜，和2)沉积在0.1 μ m级的多孔膜载体上的逆转录酶病毒除去纳米纤维垫(孔尺寸〈0.1 μ m)，例如，来自 EMD Millipore Corporation, Billerica, MA的 Millipore Express? SHR 膜。
[0111]虽然复合材料液体过滤平台(其特征在于预过滤多孔载体膜和微生物截留性纳米纤维层)表现出其上提供的微生物的完全截留性，这种复合材料的多孔载体膜和纳米纤维组分在单独测试时都不需要表现出完全的微生物截留性。作为一个非限定性的例子，将部分细菌截留性纳米纤维层纺织到具有0.5 μ m级的部分细菌截留性预滤器多孔膜载体上，例如 Millipore Express'、SHC 过滤器，来自 EMD Millipore Corporation, Billerica,MA。
[0112]生产静电纺纳米纤维的方法
[0113]制造该静电纺纳米纤维层的方法在例如W02005/024101、W02006/131081和W02008/106903中教导，将它们每个全部在此通过引用并入，并且每个属于捷克共和国的Liberec 的 Elmarco s.r.ο.。
[0114]W02005/024101,标题为 “A Method Of Nanofibres Production From PolymerSolution Using a Electrostatic Spinning And A Device For Carrying Out TheMethod”，教导了例如在真空室中，使用在旋转带电电极和具有不同电势的反电极之间产生的电场中的静电纺丝由聚合物溶液来生产纳米纤维。
[0115]将该聚合物溶液保持在具有至少一个聚合物溶液入口和出口的容器中。该入口和出口用于循环该聚合物溶液和将该聚合物溶液在容器中保持在恒定的高度水平。
[0116]辅助干燥空气供给(其如果需要可以是加热的)位于带电电极和反电极之间。将旋转带电电极的一侧浸入聚合物溶液中，以使得一部分的溶液被该旋转带电电极的外表面带走，并且纺织到旋转带电电极和反电极之间(这里形成电场)的真空室区域中。这里该聚合物溶液形成了在旋转带电电极的表面(其提供了用于初步形成该纳米纤维的位置)上具有高稳定性的Taylor锥体。
[0117]该反电极具有由穿孔的导电材料构成的圆柱表面，其形成了连接到真空源的真空室的一端。位于旋转带电电极附近的反电极的部分表面充当了背面织物材料的传送表面，该材料在沉积其上时支持了该静电纺纳米纤维。该背面织物载体材料位于排列在真空室一侧上的回卷装置上和排列在该真空室另一侧上的卷绕装置上。
[0118]电场的影响导致所形成的纳米纤维渐渐离开至反电极上，和随后沉积到背面织物载体材料的表面上，成为纳米纤维层。该纳米纤维的厚度是使用回卷和卷绕装置的速度来控制的。
[0119]该纳米纤维渐渐离开带电电极至反电极是通过吸入到真空室并且沿着聚合物溶液容器和带电电极传送的空气的流动来促进的，并且该空气经过背面织物，其提供了该纳米纤维和反电极的载体材料的支持材料。
[0120]测试方法
[0121]基重是根据ASTM 程序 D-3776, “Standard Test Methods for Mass Per UnitArea (Weight) of Fabric”来确定的,其在此将其全部通过引用并入,并且以g/m2来报告。
[0122]孔隙率是用样品的基重(g/m2)除以聚合物密度(g/cm3)，除以样品厚度(微米)，乘以100，并且用100减去所形成的数来计算的，即，孔隙率=100-[基重/(密度X厚度)XlOO]。
[0123]纤维直径如下确定:在纳米纤维垫样品每侧上以40000或60000的放大倍率拍摄扫描电镜(SEM)图像。从每个SEM图像上测量十个(10)明显可辨别的纳米纤维的直径，并且记录。不包括不规则的情况(即，纳米纤维团，聚合物滴，纳米纤维交叉等)。计算每个样品两侧的平均纤维直径，并且平均来产生每个样品的单个平均纤维直径值。[0124]厚度是根据ASTM 程序 D1777-64，“Standard Test Method for Thickness ofTextile Materials”来确定的，其在此将其全部内容通过引用并入，并且以微米(μ m)来报告。
[0125]平均流动泡点是根据ASTM 程序 Designation E1294-89,“Standard Test Methodfor Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated LiquidPorosimeter”,使用来自ASTM Designation F316的自动泡点方法,使用定制的毛细流动孔隙率计(原理上类似于来自Porous Materials, Inc.(PMI), Ithaca,纽约的市售设备)来测量的。将25mm直径的各个样品用异丙醇润湿。将每个样品置于支架中，并且施加空气的压差和从样品除去流体。使用润湿流动等于干燥流动(dry flow)(无润湿溶剂的流动)一半时的压力差，使用由PMI提供的软件来计算平均流动孔尺寸。
[0126]通量是流体经过给定区域的样品时的速率，并且是通过将去离子水经过直径47 (9.6cm2过滤面积)mm的过滤介质样品来测量的。经由侧壁烧瓶在滤出液端上使用大约25英寸Hg真空来驱使水穿过该样品。
[0127]静电纺垫的有效孔尺寸是使用常规膜技术例如泡点，液体-液体气孔测量法和具有某些尺寸的粒子的免疫测试来测量的。通常已知的是含纤维垫的有效孔尺寸通常随着纤维直径而增加和随着孔隙率而降低。
[0128]泡点测试提供了一种方便的方式来测量有效孔尺寸。泡点是由下面的等式来计算的:
[0129]
【权利要求】
1.多孔复合材料介质，其包含: 多孔膜，和 位于该膜上的多孔聚合物纳米纤维层， 其中所述纳米纤维层的孔尺寸小于所述膜的孔尺寸。
2.权利要求1的复合材料，其用合适的流体所测量的泡点比单独的所述膜的泡点大至少 20%ο
3.权利要求1的复合材料，其中所述膜是非对称的并包括紧密侧。
4.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层是对称的。
5.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层是静电纺垫。
6.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层包含选自下面的聚合物:聚酰亚胺、脂肪族聚酰胺、芳族聚酰胺、聚砜、醋酸纤维素、聚醚砜、聚氨酯、聚(脲氨基甲酸酯)、聚苯并咪唑、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚丙烯、聚苯胺、聚(环氧乙烷)、聚(萘二甲酸乙二醇酯)、聚(对苯二甲酸丁二醇酯)、丁苯橡胶、聚苯乙烯、聚(氯乙烯)、聚(乙烯醇)、聚(偏二氟乙烯)、聚(乙烯基丁烯)、其共聚物、衍生物或者共混物。
7.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层包含脂肪族聚酰胺。
8.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层包含聚合物的共混物、共聚物、及其混合物。
9.权利要求1的复合材料，其总厚度是约IOym至约500μ m。
10.权利要求1的复合材料，其总厚度是约50μ m至约200 μ m。
11.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层是由选自静电纺丝和电吹的方法形成的。
12.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层的厚度是约Iμ m至约200 μ m。
13.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层的厚度是约Iμ m至约100 μ m。
14.权利要求1的复合材料，其中该纳米纤维层的厚度是约Iμ m至约25 μ m。
15.权利要求1的复合材料，其中该膜的厚度是约10μ m至约500 μ m。
16.权利要求1的复合材料，其中该膜的厚度是约50μ m至约200 μ m。
17.权利要求1的复合材料，其中该膜包含通过溶液相转化、热引起的相分离、蒸气引起的相分离、径迹蚀刻、双轴拉伸、溶剂蚀刻及其任意组合所生产的一层或多层。
18.权利要求1的复合材料，其对于异丙醇的平均流动泡点是约IOpsi至约130psi。
19.用于过滤的多孔复合材料介质，其包含: 具有紧密侧、松散侧的多孔非对称膜，并且孔尺寸在该紧密侧和该松散侧之间尺寸逐渐增大，和 位于该紧密侧上的多孔聚合物纳米纤维层， 其中该膜紧密侧上的孔尺寸大于该聚合物纳米纤维层的孔尺寸。
20.一种用于关键过滤的复合材料过滤装置，其包含: 具有多孔非对称膜的预滤器，该膜具有紧密侧、松散侧，并且孔尺寸在该紧密侧和该松散侧之间尺寸逐渐增大，和 截留性过滤器，其具有位于该非对称膜的紧密侧上的多孔聚合物纳米纤维层，其中该非对称膜紧密侧的孔尺寸大于该聚合物纳米纤维层的孔尺寸。
【文档编号】D01D5/00GK103459006SQ201280017046
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2011年4月1日
【发明者】O·Y·卡斯, M·科兹洛夫, G·特卡奇克, D·任, S·A·利昂, P·格达德 申请人:Emd密理博公司