高性能应用的纳米纤维过滤介质的制作方法

本申请要求2016年4月18日提交、申请号为62/324,179的美国临时专利申请的优先权，其内容通过引用整体并入本文。

本申请涉及用于内燃机等的过滤系统中的过滤介质。

背景技术

在用于内燃机的过滤系统领域中，越来越需要过滤器在现场提供高微粒去除、低限制和长寿命。这对于发动机空气和柴油燃料过滤最为明显。为了满足这些竞争要求，需要改进过滤器设计和过滤介质。具体地，期望最大化可以包装在有限的过滤器体积中的介质表面积的量，同时最小化成本。这可以通过使介质更薄和/或使得介质的上游面纹理化来实现。两种方法都增加了可以包装在给定体积中用于污染物去除的介质表面积的相对量。然而，薄介质的挑战在于它依赖于表面过滤，这不能提供最佳的容尘量和过滤器寿命。

技术实现要素：

新型过滤介质可以克服这些相互矛盾的设计约束和挑战，同时仍满足客户对现场微粒高去除、低限制和长寿命的要求。因此，一组实施方案涉及一种复合过滤介质，具有至少一个结合到基底层的纳米纤维层，所述至少一个纳米纤维层具有多个纳米纤维，所述纳米纤维的几何平均直径小于或等于0.5μm，所述至少一个纳米纤维层厚度约为1-100μm。

在一些实施方案中，所述多个纳米纤维具有大于1.4的纳米纤维直径的几何标准偏差。在一些实施方案中，所述多个纳米纤维的几何平均直径为0.1-0.5μm，以及纳米纤维直径的几何标准偏差为1.5-2.0。在一些实施方案中，所述至少一个纳米纤维层的厚度在1-50μm的范围内。在一些实施方案中，所述多个纳米纤维的纳米纤维基重在0.7g/m²至3g/m²的范围内。在一些实施方案中，所述多个纳米纤维的纳米纤维基重在3g/m²至10g/m²的范围内。

在一些实施方案中，所述至少一个纳米纤维层还包含面积当量直径大于1μm并覆盖1-25％的介质表面积的聚合物块。在一些实施方案中，所述聚合物块覆盖介质表面积的2-5％。在一些实施方案中，所述聚合物块结合在所述纳米纤维层内。在一些实施方案中，所述聚合物块位于所述至少一个纳米纤维层和所述基底层之间的界面处，以帮助将所述至少一个纳米纤维层固定到所述基底层。在一些实施方案中，所述聚合物块为所述多个纳米纤维提供锚定点并且为所述至少一个纳米纤维层产生三维表面。在一些实施方案中，所述聚合物块由与所述多个纳米纤维相同的聚合物制成。在一些实施方案中，所述聚合物块具有至少为所述至少一个纳米纤维层的厚度的直径，并为所述多个纳米纤维提供锚定点。在一些实施方案中，所述聚合物块的面积当量直径在5μm至130μm的范围内。

在一些实施方案中，所述基底层包括具有大于1μm的几何平均纤维直径的粗纤维。在一些实施方案中，粗纤维包含纤维素、聚酯和聚酰胺中的至少一种。在一些实施方案中，所述至少一个纳米纤维层位于所述基底层的上游，并且其中所述复合过滤介质在所述至少一个纳米纤维层的上游没有附加层。在一些实施方案中，复合过滤介质是混合表面深度过滤器。在一些实施方案中，混合表面深度过滤器的厚度在4μm至25μm的范围内。在一些实施例中，混合表面深度过滤器的厚度在1μm至5μm的范围内。

另一组实施方案涉及一种复合过滤介质，包括至少一个结合到基底层的纳米纤维层，所述至少一个纳米纤维层包含多个纳米纤维和多个聚合物块，所述纳米纤维的几何平均直径小于或等于0.5μm，所述多个聚合物块具有在5μm至130μm之间的面积当量直径。

在一些实施方案中，所述多个纳米纤维具有大于1.4的纳米纤维直径的几何标准偏差。在一些实施方案中，所述多个纳米纤维的几何平均直径为0.1-0.5μm，多个聚合物块的面积当量直径在40μm至100μm之间。在一些实施方案中，所述至少一个纳米纤维层的厚度在1-50μm的范围内。在一些实施方案中，所述多个纳米纤维的纳米纤维基重在0.7g/m²至3g/m²的范围内。在一些实施方案中，所述多个纳米纤维的纳米纤维基重在3g/m²至10g/m²的范围内。在一些实施方案中，所述多个聚合物块覆盖介质表面积的1-25％。在一些实施方案中，所述多个聚合物块覆盖介质表面积的2-5％。在一些实施方案中，所述多个聚合物块结合在至少一个所述纳米纤维层内。在一些实施方案中，所述多个聚合物质块位于所述至少一个纳米纤维层和所述基底层之间的界面处，以帮助将所述至少一个纳米纤维层固定到所述基底层。在一些实施方案中，所述多个聚合物块为所述多个纳米纤维提供锚定点并且为所述至少一个纳米纤维层产生三维表面。

在一些实施方案中，所述多个聚合物块具有至少为所述至少一个纳米纤维层的厚度的直径，并为所述多个纳米纤维提供锚定点。在一些实施方案中，所述多个聚合物块由与所述多个纳米纤维相同的聚合物制成。在一些实施方案中，所述基底层包括具有大于1μm的几何平均纤维直径的粗纤维。在一些实施方案中，粗纤维包含纤维素、聚酯和聚酰胺中的至少一种。在一些实施方案中，所述至少一个纳米纤维层位于所述基底层的上游，并且其中所述复合过滤介质在所述至少一个纳米纤维层的上游没有附加层。在一些实施方案中，复合过滤介质是混合表面深度过滤器。在一些实施例中，混合表面深度过滤器的厚度在4μm至25μm的范围内。在一些实施例中，混合表面深度过滤器的厚度在1μm至5μm的范围内。

另一组实施方案涉及一种复合过滤介质，包括至少一个粘合到基底层的纳米纤维层，所述至少一个纳米纤维层包括多个纳米纤维，所述纳米纤维具有0.7g/m²至10g/m²的纳米纤维基重，其中所述至少一个纳米纤维层的厚度在1-100μm的范围内，并且其中所述至少一个纳米纤维层的厚度与纳米纤维基重的函数之间存在线性关系。

在一些实施方案中，所述至少一个纳米纤维层的厚度与所述纳米纤维基重的函数之间的线性关系被描述为y＝5.6221x-3.092，其中x＝所述纳米纤维基重，单位为g/m²和y＝至少一个纳米纤维层的厚度，单位为μm。

另一组实施方案涉及一种用于从空气中除去微粒的方法，包括使空气在空气流动方向上通过本公开的复合过滤介质，使得纳米纤维层在基底层的上游。

另一组实施方案涉及一种用于从液体中除去微粒的方法，包括使液体通过本发明的复合过滤介质。

结合附图，通过以下详细描述，这些和其他特征以及其操作的组织和方式将变得明显。

附图说明

图1示出了纳米纤维复合过滤介质的示意图。

图2示出代表性纳米纤维过滤介质的250倍sem显微照片。(a)介质a，(b)介质b，(c)介质c，(d)介质d，(e)介质e，(f)介质f，(g)介质g，(h)介质h。

图3示出代表性纳米纤维过滤介质的1000倍sem显微照片。(a)介质a，(b)介质b，(c)介质c，(d)介质d，(e)介质e，(f)介质f，(g)介质g，(h)介质h。

图4示出了从45°角观察的介质a、b、e和f的250倍的sem显微照片。

图5示出了从45°角观察的介质a、b、e和f的1000倍的sem显微照片。

图6示出了介质i、j和k的250倍和1000倍的sem显微照片。

图7示出绘制为介质a、b、c、d、e、f、g、h、i、j和k的纳米纤维基重的函数的纳米纤维层厚度。

图8示出了介质a、e和f在0.3μm处的初始去除效率。

图9示出了介质a、e、f和g的渗盐和过滤器寿命。

图10示出了介质a、b、f和g的分数效率。

图11示出了介质a、e、f和g在90nm处的除灰效率。

图12示出作为介质h、i、j和k的颗粒尺寸函数的β比。

图13示出了作为介质h、i、j和k的纳米纤维层厚度的函数在4μm(c)处的β比率结果。

图14示出了示例性圆柱形空气过滤器元件，其可包括本公开的过滤介质。

图15示出了示例性旋装式燃料过滤器元件，其可包括本公开的过滤介质。

具体实施方式

现在将详细参考发明人设想的用于实施本发明的本发明的一些具体实施例。虽然结合这些具体实施例描述了本发明，但是应该理解，并不是要将本发明限制于所描述的实施例。相反，旨在覆盖可包括在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等同物。

在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实现本发明的特定示例实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的处理操作，以免不必要地模糊本发明。

为清楚起见，有时将以单数形式描述本发明的各种技术和机制。然而，应该注意，除非另有说明，否则一些实施例包括方法的多次迭代或机理的多次实例化。

在本公开中，复合过滤介质制造有相对薄(和/或低基重)的纳米纤维层，其对于过滤器直径具有大的几何标准偏差，并且可选的，其结构由大的聚合物块支撑。用于空气过滤的常规纳米纤维具有非常薄且低基重的纳米纤维，其基本上是扁平的，具有窄的几何标准偏差和很少聚合物块(如果有的话)。

本文公开的介质还可以用于液体(例如，燃料)过滤并且对于过滤器直径具有大的几何标准偏差以及由大聚合物块支撑的三维结构，但是可以比空气过滤中使用的纳米纤维层更厚，以满足客户的清除要求和过滤器寿命(即容量)要求。

以尽可能低的成本获得更高性能的需求，驱动开发改进的用于空气过滤过程和液体过滤过程的纳米纤维复合材料。

术语“纳米纤维”已用于指代小于或等于0.5μm的纤维。该定义反映了通过静电纺丝、电吹、熔喷和生产“纳米纤维”的相关方法生产的纤维的直径。通常理解的是，污染物去除效率和压降两者都随着纤维直径的减小而增加。这是压力去除的不希望的折衷。然而，当使用纳米纤维时，效率更高并且压降低于预期，即更有利于效率和压降之间的折衷。

空气过滤

在空气过滤中，当克努森(knudsen)数(即气体平均自由程与纤维半径之比)超过0.1时，开始出现滑流。这导致观察到相对于连续流动条件压降减少，并且颗粒去除效率增加。可根据直径用克努森数函数地定义纳米纤维。由于气体平均自由程约为0.066μm，因此在纤维直径小于约1.3μm时开始出现滑流及其相应的过滤效果，并且随着几何平均纤维直径接近0.5μm或小于0.5μm，所得益处变得越来越重要。因此，对于几何平均纤维直径小于约0.5μm的介质，观察到明显的益处。

复合过滤介质。

本文描述的各种实施方案涉及复合过滤介质(例如，用于图14的示例性圆柱形空气过滤器元件或用于图15的示例性旋装式燃料过滤器元件)，其包括至少一纳米纤维层和一基底层。纳米纤维层的厚度在约1和约100微米之间，并且由几何平均直径≤0.5微米的聚合物纳米纤维构成，并且可以具有>1.4的几何标准偏差直径。基底层由几何平均直径大于1微米的纤维组成。此外，纳米纤维层可任选地包括更大的块(masses)，该更大的块具有类似于或大于标称纳米纤维层的厚度的面积当量直径，散布在纳米纤维层的结构内并覆盖介质的可见表面积的2％至25％。如果附加层位于纳米纤维层(即微纤维层)的顶部，则除非重新分配附加层，否则块可能不再可见。此外，块可以是聚合物并且由与纳米纤维相同的聚合物制成，可以在纳米纤维层生产期间结合到纳米纤维层的结构中，并且可以为纳米纤维提供锚定点。

在一些实施方案中，通常在图1中以100示出的复合过滤介质设置有至少两层不同类型的过滤介质-纳米纤维层110和基底层120。纳米纤维层110用作过滤层并且强烈影响颗粒去除、压降、容尘量和寿命。

基底层120支撑纳米纤维层，提供结构完整性和可成形性，并且还可以实现颗粒去除、压降、容尘量和/或寿命。通常，纳米纤维层110位于基底层120的上游，但是在一些实施例中，纳米纤维层110可以位于基底层120的下游。复合过滤介质100在图1中示意性地示出，其示出了纳米纤维层110、基底层120和可选的在纳米纤维层110中的聚合物块130。为简单起见，未示出单个纤维。纳米纤维层110包含聚合物纳米纤维或由聚合物纳米纤维组成，聚合物纳米纤维可选的散布有聚合物块130。如图所示，聚合物块130可以从纳米纤维层110的标称表面向上延伸或突出。聚合物块130为纳米纤维提供升高的锚定点和附着点，允许它们相对于标称纳米纤维层表面向上倾斜局部延伸，从而提供纹理化表面、增加的介质表面积和纳米纤维层110的可变深度。当聚合物块130位于纳米纤维层110和基底层120之间的界面处时，它们还可以帮助将纳米纤维层110附着并固定到基底层120。

在一些实施方案中，复合介质包含纳米纤维层，所述纳米纤维层具有粘合到基底的宽纤维尺寸分布。纳米纤维层包含几何平均直径小于或等于0.5μm(例如，0.1-0.4μm)、(在一些实施方案中)几何标准偏差大于1.4的聚合物纤维，纳米纤维层厚度介于约1μm和约50μm之间，和可选的直径大于1μm(例如，1-100μm)覆盖介质面的1％-25％的聚合物块。

纳米纤维层

表1a和1b总结了根据各种实施方案的复合过滤介质(1a，改进的纳米纤维复合介质)和更常规的过滤介质(1b，现有技术纳米纤维复合介质)的纳米纤维层的特征。图2、3、4、5和6示出了本发明各种实施方案和常规介质的不同放大倍数和不同视角的sem显微照片。

自始至终，介质a、b、c和d是本文描述的各种实施方案的实例。更具体地，介质a、b、c和d是论证改进的纳米纤维复合介质的各种实例和实施方案的发展的介质。介质e、f和g是用于空气应用的常规纳米纤维复合介质的代表性实例。更具体地，介质e、f和g是已经在市场上或可在市场上获得的更薄的常规纳米纤维复合介质的实例。

介质a、b、c、d、e、f和g是相关的过滤介质，其可以用于发动机空气过滤器应用，其具有纳米纤维层，所述纳米纤维层由纤维素基底支撑而没有在纳米纤维层上游的额外的介质层。介质的基底层类似，但不一定相同。考虑到许多过滤介质之间存在差异，介质a、b、c、d和e单独的基底层的重量效率的最小规格是99.9％。介质a、c和e的基底层和它们的性能几乎相同，因此任何观察到的性能差异都可归因于纳米纤维层。对于改进的纳米纤维复合介质，上游层的存在是可选的。介质e、f和g缺少改进的纳米纤维复合介质的蓬松度或厚度。这种厚度的缺乏是用于空气过滤的常规纳米纤维复合介质的特征，其依赖于表面过滤来引发粉尘层的形成。

支撑纳米纤维层、提供强度并促进在褶皱和过滤元件的生产期间的加工的基底层可以是纤维素，但是也可使用其他更开放的(平均流动孔径和/或弗雷泽(frasier)渗透率大于纳米纤维层)多孔层。对于空气过滤应用，有利的是基底具有小于150cfm的弗雷泽渗透率。当基底弗雷泽渗透率大于这些值时，纳米纤维复合介质的性能恶化，即，可能降低去除、介质可能发生泄漏、或者可能难以加工。

图2和3分别示出了从顶部(纳米纤维层侧)观察的250倍和1000倍的介质的扫描电子显微镜(sem)显微照片。图4和5分别示出了从侧面以45°角观察的介质a、b、e和f的250倍和1000倍的扫描电子显微镜(sem)显微照片。

表1a

表1b

在上面的表1a和1b中提供了纳米纤维层的基重。图7示出了绘制为介质a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k和l的纳米纤维基重的函数的纳米纤维层厚度。观察到在基重和厚度之间的差不多线性关系；因此，纳米纤维层基重可以用作纳米纤维层厚度的替代物，并且在一些实施方案中，纳米纤维层基重更便于测量。纳米纤维层的基重可以通过几种方法确定。例如，如果纳米纤维层形成为单独的片材，则其基重可以使用tappit410om-13“纸和纸板的重量(单位面积重量)”来确定。另一种方法是使用扫描电子显微镜(sem)来确定纳米纤维覆盖的介质面区域的部分并确定它们的直径。可用结合纳米纤维聚合物密度的知识的信息确定纳米纤维层的基重。也可以使用其他方法。介质e、f和g均显示出小于1μm的纳米纤维层厚度，并且纳米纤维的基重小于0.9g/m²，而介质a、b、c、d、h、i、j、k和l均显示出纳米纤维层厚度大于或等于1μm。纳米纤维的基重大于0.7g/m²，更特别地，大于或等于0.9g/m²。

参考图1，纳米纤维层110附接到基底层120，通常相对于流体流附接到其上游面，并且包括至少一种类型的聚合物纤维(例如，尼龙6)。用于纳米纤维层的其他聚合物包括聚丙烯酸酯(pan)、聚己内酯、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚环氧乙烷(peo)、聚乙烯醇(pva)、聚烯烃、聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚和酯、聚亚烷基硫醚、聚亚芳基氧化物、聚砜、改性聚砜聚合物、聚乙烯、聚丙烯聚(氯乙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯(和其它丙烯酸树脂)、聚苯乙烯、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚乙烯醇、长链合成聚酰胺、六氟丙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙酸乙烯酯、以及它们的共聚物和它们的混合物。参考表1a和1b，纳米纤维层的几何平均纳米纤维直径小于1μm。对于改进的纳米纤维复合材料介质，纳米纤维层的几何平均纳米纤维直径理想地在0.05μm和0.5μm之间，优选地在0.1和0.5μm之间(包括的边界值)。与常规纳米纤维相比，纳米纤维直径分布可以是宽的，从其几何标准偏差可以看出。在特定实施例中，几何纤维直径标准偏差大于1.4，更优选地在1.5和2.0之间。常规的表面过滤纳米纤维介质，例如用于空气过滤，表现出较窄的纳米纤维直径分布，几何标准偏差小于1.4。为了最大程度地去除并使压降最小化，常规介质努力减少粗纤维的相对数量并缩小其直径分布。常规介质的较窄直径分布可部分地是用于生产纳米纤维的静电纺丝过程的副产物。该方法描述于例如美国专利号9,220,998中，其内容通过引用并入本文。在本文所述的各种实施方案中，使用深度过滤而不是表面过滤来减轻这些不利的折衷，同时改善过滤器的容尘量和寿命，因此需要更宽的直径分布。具有本文所述各种实施方案所需的这些特征的纳米纤维可以以各种方式生产，例如熔喷或电吹。熔喷描述在例如美国专利号8,986,432中，其内容通过引用并入本文。电吹描述在例如美国专利号7,927,540中，其内容通过引用并入本文。

与常规纳米纤维空气过滤介质相反，本文所述的各种实施方案的过滤介质采用深度过滤并且表现得不像过滤器或筛子。参考表1a和1b，本文所述的各种实施方案的纳米纤维层厚度为约1μm至约100μm(包括端值)，理想地厚度在约1μm至约50μm之间，优选厚度在约2μm至约30μm之间。复合过滤介质中纳米纤维层的厚度可以通过多种方式确定，例如通过用扫描电子显微镜(sem)观察介质的横截面或在附接于基底层前根据tappit411(纸、纸板和组合板的纸浆和造纸工业标准t411om-97厚度(卡尺)的技术协会)测量纳米纤维的厚度。然而，tappi方法可能是不合适的并且低估了纳米纤维层厚度，因为在进行测量时施加50kpa的压力。对于厚度小于100微米的薄纳米纤维层，上述方法可能是困难的，因此可以通过使用扫描电子显微镜(sem)观察纳米纤维层的顶表面来估计纳米纤维的厚度，如图3所示，并测量和求和每个从纳米纤维层的顶部出发并且延续到基底层的顶部表面纳米纤维的纤维直径。该过程可以在介质上的不同位置重复多次以获得平均厚度。或者，过滤介质的样品可以嵌入环氧树脂中。氰基丙烯酸酯粘合剂或其他低粘度润湿剂可用于帮助完全包封纳米纤维介质。然后可以切割、抛光嵌入的介质和通过sem观察嵌入的介质的横截面以确定纳米纤维层的厚度。或者，可以使用图7中给出的等式从纳米纤维基重估算纳米纤维层的厚度。在缺少聚合物块的过滤介质的区域中，本文所述的各种实施方案的纳米纤维层厚度通常为约1μm至约50μm(包括端值)，理想地厚度在约1μm至约15μm之间，优选厚度在约2μm至约5μm之间。在聚合物块附近的位置处，厚度可接近约100μm。这对于深度过滤来说足够厚，但又足够薄以最大化可以包装在限定的过滤器体积中的介质表面积的量，以进一步增加过滤器寿命。

单独增加纳米纤维层的厚度可能不会导致深度过滤。厚度与宽纳米纤维直径分布的组合导致蓬松的多孔纤维结构，其整个深度用于去除污染物。相反，具有窄纳米纤维直径分布和厚度范围为约0.05μm至约0.2μm的常规空气过滤介质依赖于表面过滤以去除污染物。与现有技术的介质相比，本发明中的纳米纤维层的厚度与被除去的污染物的尺寸相同，即1至100微米，更具体地1至50微米，甚至更具体地1至15微米。非直观的是，厚度大约等于污染物颗粒尺寸的纳米纤维层可以用作混合表面深度型过滤，并具有两者的附带益处。

聚合物块

为了进一步增强过滤介质的性能，纳米纤维层可选的包含由纳米纤维块和聚合物珠粒组成的聚合物块。这在图1和图2(介质a、b、c和d)，图3(介质a、b、c和d)，图4(介质a和b)，图5(介质a和b)和图6(介质i，j和k)的sem图像中示意性地示出。这些块在其生产过程中由纳米纤维层形成，并且可以表现为沿着纳米纤维和在介质中的疤痕或团块。这些块为纳米纤维层中的纳米纤维和基底提供锚定点。因此，它们可以增强介质、为纳米纤维层提供促进深度过滤的额外的蓬松(loft)、为表面提供增加介质表面积的纹理，并产生比周围介质更深的局部区域。这些块产生具有峰和谷的纳米纤维层面的三维表面，其有效地以微尺度增加介质的表面积，如图4和5所示。参见图4和5，值得注意的是，对于传统的介质e，粗基质纤维实际上穿过非常薄的纳米纤维，而本文所述的各种实施方案的介质a和b表现出聚合物块锚定从标称纳米纤维表面伸出的纳米纤维。这些块可以是近似球形、椭球形、卵形、扁椭球形或扁平形状、或者可以是不规则形状。这些块的面积当量直径理想地大于1μm，并且优选大于5μm。优选地，这些块的直径大于或等于周围纳米纤维层的相应深度，在周围纳米纤维层中不存在这样的聚合物块。参考表1a和1b，这些块中的最大块通常为35μm至130μm面积当量直径范围，这些块通常为40至100μm面积当量直径范围。观察到的聚合物块最大的直径是指观察到的最大聚合物块的面积当量直径。这些块的尺寸使得它们的上游特征可以从周围的纳米纤维的表面上升。固定在这些上游特征上的纳米纤维导致局部区域通常比不存在这些块的周围纳米纤维层厚。质量块通常也向下朝向基底延伸。它们可以接触基底并促进两层彼此粘合。还值得注意的是，尽管在诸如介质e、f和g的常规介质中可以观察到类似形状或尺寸的块，但是这些常规介质块很少并且与改进的纳米纤维复合过滤介质的不同之处在于它们搁置在纳米纤维的表面上。另一方面，本文所述的各种实施方案的聚合物块在纳米纤维生产期间引入或生产，并且结合在纳米纤维层的整体结构内。因此，本文描述的各种实施方案的一个方面涉及具有宽的纤维直径分布的纳米纤维层的复合过滤介质，并且包含其面积当量直径等于或大于标称纳米纤维层(缺少聚合物块)的厚度聚合物块。

在一些实施方案中，控制介质中聚合物块的总量。如果太多，则纳米纤维不足以提供所需的颗粒去除效率。介质甚至可能变得过度限制。如果太少，则容尘量和去除效率可能会受到影响。聚合物块的相对量可以通过sem观察时测量块所覆盖的介质表面积的百分比来量化，优选在50倍和500倍之间的放大率下，并且理想地在100倍和300倍之间的放大率下。纳米纤维层的聚合物块可以覆盖可见表面积的2％至25％，理想地为2％至10％，优选5％至10％。

基底层

基底层包括比纳米纤维层更粗糙的纤维或由比纳米纤维层更粗糙的纤维组成，几何平均纤维直径大于1μm。优选地，基底层的几何纤维直径大于5μm，理想情况下大于10μm。通常，纤维是纤维素、聚合物、玻璃、或包含纤维素、聚酯和聚酰胺中的至少一种。可以使用酚醛树脂将基底纤维粘合在一起，但也可以使用丙烯酸或其他树脂体系，或者纤维可以热熔，超声波或以其他方式粘合在一起。在功能上，基底支撑纳米纤维层并允许复合介质形成并在生产、运输和使用过程中保持所需的形状。纳米纤维可以粘合到基底上，或者可以在基底形成时直接施加到基底上。通常，纳米纤维在固化时粘合并粘附到基底上。

过滤性能

表2说明了使用本文所述各种实施方案的薄、深度过滤纳米纤维介质的意外益处之一。表2比较了四种过滤介质，介质a、介质d、介质e和介质f的容尘量。这些结果是使用iso5011：2014内燃机和压缩机的进气空气净化设备-性能试验获得的，但使用指示的试验粉尘。它表明，当用pti0-3微米测试粉尘或用iso精细测试粉尘挑战时，本文描述的各种实施方案的介质a和d表现出比常规介质e和f更大的容尘量。iso精细测试粉尘在iso12103-1中规定：1997道路车辆-用于过滤器评估的测试粉尘。pti0-3微米测试粉尘是一种相关的更细的测试粉尘，其颗粒尺寸分布缩短为3微米，并提供更具挑战性的测试。如图所示，本文描述的各种实施方案的增强的容尘量对于这种较细的粉尘是最明显的。在一个实施方案中，当用pti(粉尘技术公司(powdertechnologyinc.))0-3微米测试粉尘挑战时，复合过滤介质具有至少58g/m²、至少60g/m²、或至少61g/m²的粉尘容量。在一个实施方案中，当用iso精细测试挑战时，复合过滤介质具有至少195g/m²、至少197g/m²、或至少200g/m²的粉尘容量。

表2示例的纳米纤维复合过滤介质的粉尘容量性能

空气过滤器测试数据

图8比较了0.3μm颗粒的初始去除效率，介质a、e和f用于空气过滤的最大渗透粒径。使用niosh程序号rct-apr-stp-0051、0052、0053、0054、0055、0056rev.1.1测试介质，“用于负压、空气净化呼吸器标准测试程序(stp)测定颗粒过滤器渗透以测试液体气溶胶”，国家职业安全与健康研究所(宾夕法尼亚州匹兹堡，2005年)，带有tsi8130自动过滤器测试仪和0.3微米油滴作为污染物。介质a是本文描述的各种实施例的实施方式，而介质e和f是常规介质。图8示出了与介质e和f观察到的相比，在介质a的这种最具挑战性的颗粒尺寸下改进的初始去除。这与预期相反，因为介质a具有比介质e和f更大的纤维直径。这些结果证明除了常规介质中使用的表面过滤之外，本文所述的各种实施方案的改进的复合过滤介质使用深度过滤，其在去除非常细的0.3μm颗粒方面提供了意想不到的改进。在一个实施方案中，复合过滤介质具有至少50％、至少53％、或至少55％的0.3μm颗粒的初始去除率。

较薄的介质e和f的去除率比介质a低7％以上，即使它们的纤维直径更小。这证明了具有宽纳米纤维尺寸分布的较厚介质的益处以改善去除。在发动机进气过滤中，传统介质设计用于建立和支撑粉尘层，其提供大量污染物去除。在评估发动机进气过滤器saej726性能的标准方法中，过滤器寿命和压降由粉尘层的形成速率和特性控制。薄纳米纤维层，如介质e、f和g，起到表面型过滤器的作用，并且是理想的，因为它可以提高初始去除效率并有助于建立粉尘层。相反，改进的纳米纤维复合介质另外利用深度过滤来增强污染物去除和容尘能力。

图9比较了介质a、e、f和g的渗盐随时间的变化，其中e、f和g是常规介质，介质a是本文所述各种实施方案中的一个实施方案。使用niosh程序编号rct-apr-stp-0051、0052、0053、0054、0055、0056rev.1.1测试介质，“测定颗粒过滤器渗透以测试液体气溶胶的负压、空气净化呼吸器标准测试程序(stp)”，国家职业安全与健康研究所(宾夕法尼亚州匹兹堡，2005年)，使用tsi8130自动过滤器测试仪和nacl作为污染物。与传统的介质e、f和g相比，介质a在初始和整个寿命期间提供较低的渗透率(较高的去除率)。因此，性能不仅初始优越，而且贯穿在过滤器的整个寿命期间。这是其更宽的纳米纤维直径分布、三维结构和厚度的结果，使得介质能够利用深度过滤，同时保持相对薄。

图10将介质a、b、f和g作为颗粒尺寸函数的分数(fractional)效率。介质根据经过修改的iso/ts19713-1：2010进行测试(道路车辆-内燃机和压缩机的进气空气净化设备-第1部分：用精细颗粒的分数效率测试)，其通过使用粉末科技公司(powdertechnologiesinc.)(pti)的0-20μm测试粉尘改进，而不是kc1盐，作为测量分数效率的污染物。与常规介质f和g相比，本文所述的各种实施方案的介质，介质a和b，在所有尺寸下显示出显着更高的分数效率，最显着的是在小于约2μm的颗粒尺寸下。

与较薄的现有技术纳米纤维复合介质f和g相比，介质a和b在所有尺寸下表现出更高的去除，即使它们使用更细的纤维。因此，低于临界阈值厚度，不能充分利用更细纤维的全部益处。用更粗的纳米纤维、更宽的纳米纤维直径分布和聚合物块实现高去除的能力是有利的，因为它提供了设计灵活性。较粗的纳米纤维趋于结构更强，为过滤介质的三维结构提供额外的支撑。这与更宽的尺寸分布相结合，可以降低过滤器整个寿命期间的渗透，并更好地保护发动机。

图11显示了介质a、e、f和g在90nm处的烟灰去除效率。改进的纳米纤维复合材料介质a显示出比较薄的常规复合介质e、f和g明显更好的烟灰去除能力，其具有较小的纤维直径并且预期会表现出更好的去除。

纳米纤维与纤维直径和厚度在限定范围内的更大几何标准偏差的组合导致出乎意料地更高的容量，在其寿命期间通过过滤器的污染比现有技术介质更低。当介质中的聚合物块为其整体结构提供额外的三维支撑时，这进一步增强。

图8至11的空气过滤数据证明了改进的纳米纤维复合介质与常规纳米纤维介质相比的在过滤器(过滤介质)的寿命期间的粉尘渗透方面的意外益处以及容量。这是其纳米纤维几何直径和标准偏差以及纳米纤维层厚度的组合的结果，并且通过介质结构内的聚合物块进一步增强。与常规纳米纤维复合介质相比，改进的纳米纤维复合介质利用纳米纤维层的三维结构来增加去除和容量，并降低过滤介质寿命期间的渗透。常规的纳米纤维复合介质更多地依赖于表面过滤，不能充分利用滑流条件。改进的纳米纤维复合介质的三维结构并且由宽的纳米纤维直径分布产生和维持，其可以通过在其结构内存在聚合物块而进一步增强。为了利用这一点，纳米纤维层需要约1μm的最小厚度，或大于约0.7至约0.9g/m²纳米纤维的基重。厚度大于约100μm，并且理想地大于约50μm(纳米纤维基重大于约9至约20g/m²)，这种优化结构的益处在空气过滤中减少。

改进的纳米纤维复合介质在空气过滤中的优点

发动机空气过滤器利用表面过滤来诱导粉尘层的形成。例如，在saej726空气过滤器测试期间，粉尘层用作主要过滤介质。与粗粒纤维相比，纳米纤维促进了饼层的形成并增加了去除，同时降低了压降处罚，但它们在空气过滤中的实际应用主要局限于表面过滤。在生产和后期制造过程中，纳米纤维倾向于塌陷和压缩，因此不能实现优选用于深度过滤的蓬松三维结构。将颗粒间隔物结合到纳米纤维中的各种机制，已经在有限成功范围内使用以解决这个问题。然而，这些机制增加了制造过程的成本和复杂性，并且有可能扫除下游并污染清洁的过滤了的空气。本公开描述了通过使用具有宽纤维直径分布的纳米纤维和/或通过在纳米纤维结构内引入聚合物块以提供附着点和表面纹理，可稳定纳米纤维介质的三维结构。这使得纳米纤维能够用作具有增加的容尘量的深度介质。与常规介质相比，如所定义的纳米纤维的厚度范围意外地提供了在过滤器寿命期间更大的容量和更低的渗透。

液体过滤

本文公开的复合过滤介质也可用于液体过滤过程。针对液体应用，希望基底层具有小于60cfm的弗雷泽渗透率。介质h、i、j和k是可用于液体(例如燃料)过滤的纳米纤维复合介质的实例。更具体地，介质j和k是论证改进的纳米纤维复合介质的各种实例和实施方案的发展的介质。介质h和i是常规纳米纤维复合介质的代表性实例。更具体地，介质h和i是已经在市场上或可在市场上获得的更厚的常规纳米纤维复合介质的实例。值得注意的是，介质h通常被称为纳米纤维过滤介质，但其几何平均纤维直径为0.64μm。这比用于本公开目的的纳米纤维大，并且太大而不能在改进的纳米纤维复合介质中提供所需的高效率。

介质h、i、j和k都在纳米纤维层上游具有聚酯熔喷纤维的精细层以增加容尘量，例如us8,440,083，us7,887,704或us8,678,202中所述。介质j和k是改进的纳米纤维复合介质的实例，但介质j更薄并且具有比介质k更低的纳米纤维基重。介质h和i是用于燃料应用的更厚的常规纳米纤维复合介质。将介质j和k的纳米纤维层施加到相同类型的纤维素基材上，并将介质h和k施加到聚酯基材上。

纳米纤维层的基重在上面的表1a和1b中提供，图7显示纳米纤维层厚度绘制为介质a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k和l的纳米纤维基重的函数，介质h、i、j和k都表现出大于或等于1μm的纳米纤维层厚度。并且纳米纤维的基重大于0.7g/m²，更特别地，大于或等于0.9g/m²。

单独增加纳米纤维层的厚度可能不会导致深度过滤，因为纳米纤维的固有结构弱点可能导致它们自身压缩和塌陷。厚度与宽纳米纤维直径分布的组合导致蓬松的多孔纤维结构，其整个深度可用于去除污染物。在液体过滤中，深度过滤是优选的，以确保高污染物去除和使用这些更粘稠的流体的长寿命。某些纳米纤维液体过滤介质的厚度大于约100μm，尽管us8,360,251和us8,517,185公开了最小纳米纤维层厚度为约10μm和约100μm，当与另外的上游过滤介质层结合使用时，us9,199,185公开了约50μm的最小纳米纤维层厚度用于联合应用。本文提供的各种实施方案在几个方面与这些不同。

此外，根据本发明的各种实施方案的复合过滤介质通过将粘弹性状态的纳米纤维直接施加到基底上而形成，而现有技术的纳米纤维液体过滤介质通过将两层或更多层过滤介质合成在一起而形成。与常规的用于液体应用的纳米纤维过滤介质相比，这导致更薄的纳米纤维层为1至100微米，理想地为1至50微米厚。

改进的纳米纤维复合介质在液体(燃料)过滤中的优点

在液体过滤器应用(例如柴油燃料过滤)中，使用介质h、i、j和k证明改进的纳米纤维复合介质相对于其他纳米纤维复合介质的性能优点，介质h、i、j和k的物理性质在表1a和ib中描述。使用iso4548-12多通过滤器测试和iso媒介测试粉尘(mediumtestdust)测量介质h、i、j和k的性能，如图12所示。讨论将主要集中在4-10μm(c)尺寸范围内的细颗粒的β比率结果，因为纳米纤维层在很大程度上决定了污染物的去除，特别是在较小的颗粒尺寸下。

图12示出了作为颗粒尺寸的函数的时间加权β比。β比率定义为过滤器上游大于指示尺寸的颗粒的数量浓度与下游大于相同尺寸的数量浓度的比率。介质i表现出最高水平的污染物去除，接着是改进的纳米纤维复合介质k。这两种介质具有相似的纤维直径，但介质i的纳米纤维层6倍大于介质k的纳米纤维层。介质h和j表现出类似的较小尺寸低β比率，尽管改进的纳米纤维复合材料介质j比介质h薄10倍。由于改进的介质更薄，相关的成本降低和/或更多的介质可以包装在给定的体积中。这些是重要的考虑因素，同时满足要求苛刻的液体过滤应用的要求，包括高压共轨柴油发动机的燃料过滤和高压液压应用。

图13展示了在移除时纳米纤维层厚度的输入。示出了4μm(c)处的β比率结果。当具有相似纤维直径的介质i、j和k的β比率数据被绘制为纳米纤维层厚度的函数时，β比率随着厚度高于1-2而急剧增加并且接近上文约100μm的平台。对于小于1-2μm的厚度，数据表明该益处对于燃料过滤是无关紧要的。对于厚度大于约100μm，β比率的增量增益被增加的成本和可以包装在给定体积中的褶皱数量减少所抵消。数据表明理想的厚度范围在约1μm和约100μm之间(纳米纤维基重在约0.7和约20g/m²之间)，更特别地在约5和约100μm之间(纳米纤维的基重在约1.4至约20g/m²)，甚至更特别地为约15至约50μm(纳米纤维的基重为约3至约10g/m²)。在较小的厚度下，去除明显更少并且接近基础介质的去除。在较大的厚度下，与所需的介质量增加相比，益处可忽略不计。除了厚度之外的因素也影响去除，例如纤维直径，如介质h所示。介质i、j和k的纤维直径约为介质h直径的一半，但表现出更好的整体性能。介质k比介质h薄8倍，但β比率高出近一个数量级。介质j表现出略高于介质h的β比率，但是薄18倍。

为了实现这些益处，必须保护纳米纤维层的三维结构以促进深度过滤。通过直径的几何标准偏差测量的更宽的纳米纤维直径分布有助于实现这一点。现有技术没有提及具有宽纳米纤维直径分布或聚合物块的重要性，以便产生促进混合表面深度过滤的蓬松结构。纳米纤维层中聚合物块的存在为纳米纤维结构提供进一步的强度，为纤维提供锚定点和为纳米纤维层提供纹理化表面。对于介质处理和元件构造，将薄纳米纤维层施加到刚性的开放式基底上，例如如前所述的树脂涂覆的纤维素或编织网。在一些实施方案中，薄纳米纤维层之前是较粗纤维的上游层，例如聚合物熔喷纤维，以在加工过程中保护纳米纤维层并增强过滤器寿命。

此外，本文描述的实施方案的益处不限于空气过滤。在燃料过滤中，需要深度过滤以满足柴油燃料过滤应用中高要求的污染物去除和过滤器寿命要求。已经使用深度纳米纤维复合介质来满足这些严格的要求，但是希望利用明显更薄的纳米纤维层实现这些高水平的去除，以便获得可能更长的过滤器寿命和/或降低的成本。随着纳米纤维层厚度接近污染物颗粒(1-100μm)的尺寸，可以实现表面和深度过滤的益处。在较小的厚度下，介质开始表现为表面过滤器并快速插入。在更高的厚度下，移除和容量的额外改进以高成本获得并具有边际效益。出乎意料的是，可以通过减小如本公开中所述的纳米纤维层的厚度来获得可接受的性能水平。

当作为平板介质测试时，本文所述的复合介质的性质提供增强的过滤性能。当复合介质用于过滤介质包、过滤器元件和过滤器组件时，增强的性能可能更加明显。对于传统的褶皱式过滤器或滤芯，以及更先进的过滤器设计和褶皱包装，例如四面体褶皱结构，“凹槽”褶皱包或使用折叠介质包或结构的其他过滤器，这种额外的益处是显而易见的。例如，在美国专利号8,397,920中描述了四面体褶皱结构，其内容引入本文作为参考。例如，在美国专利号9,084,957中描述了凹槽褶皱包，其内容引入本文作为参考。可结合本文所述复合介质的其他过滤元件的实例包括美国专利no.6,902,598、6,149,700和6,375,700中所述的那些，其内容通过引入本文作为参考。介质的使用不限于这些示例。

如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则单数词语“一”，“一个”和“该”包括复数指代。因此，例如，除非上下文另有明确规定，否则提及化合物可包括多种化合物。

如本文所使用的，诸如“约”的术语用于描述和解释小的变化。当与事件或情况一起使用时，术语可以指事件或情况恰好发生的实例以及事件或情况发生到近似的实例。例如，当与数值结合使用时，该术语可以指小于或等于该数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％，小于或等于±4％，小于或等于±3％，小于或等于±2％，或小于或等于±1％。

另外，数量、比率和其他数值有时以范围格式在本文中呈现。应当理解，这种范围格式是为了方便和简洁而使用的，并且应该被灵活地理解为包括明确指定为范围限制的数值，但是也包括包含在该范围内的所有单独数值或子范围，如同明确指定每个数值和子范围。例如，约1至约200的比例应理解为包括明确列举的约1和约200的限度，但也包括单独的比例，例如约2、约3和约4，以及子范围，例如约10至约50，约20至约100等。

在前面的描述中，对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文公开的发明进行各种替换和修改。本文说明性地描述的本发明可适当地在缺少未在本文中特别公开的任何元件或(多个)元件、限制或(多个)限制的情况下实施。已经使用的术语和表达用作描述的术语而非限制，并且无意在使用这些术语和表达来排除所示和所描述的特征的任何等同物或其部分，而是认识到在本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应该理解，尽管已经通过具体实施例和可选特征说明了本发明，但是本领域技术人员可以采用本文公开的概念的修改和/或变化，并且在本发明的范围内考虑这些修改和变化。