多层或多重聚合物细纤维网的制作方法

本发明大体涉及由多重独特的纳米纤维层制成的材料，更特别地，本发明涉及一种用于制造由多重独特的纳米纤维层制成的材料的方法，所述材料除了其他应用之外还可以用作过滤介质。

背景技术：

通过离心纺纱已知用于生产纳米纤维的方法和设备。示例性公开包括美国公开号2016/0083867、2016/0069000、2015/0013141、2014/0339717、2014/0217629、2014/0217628、2014/0159262、2014/0042651、2014/035179、2014/0035178、2014/0035177、2012/0295021和2012/0294966以及美国专利号9,181,635；8,778,240；8,709,309；8,647,541；和8,647,540。这些全部公开内容通过引用整体并入本文。因此，这些参考文献中公开的离心纺纱、喷丝头、材料和方法优选用于本发明的实施例中，本发明的实施例为这种离心纺纱系统提供改进和新用途。

技术实现要素：

以下在随后的内容的单独段落中讨论的本发明的各个方面和实施例可以独立使用或彼此组合使用。

在一个方面中，提供了一种包括聚合物细纤维的过滤介质，所述聚合物细纤维包括第一层细纤维和第二层细纤维。所述第一层细纤维和所述第二层细纤维具有小于1微米的平均直径，并且所述第一层细纤维相对于所述第二层细纤维是独特的。

在某些实施例中，所述第一层细纤维将由第一聚合物构成，所述第二层将由第二聚合物构成，所述第二聚合物与所述第一聚合物不同。

在另一方面中，所述过滤介质具有基底层和包括所述第二层细纤维的最外侧层，其中所述第一层处于所述基底层和所述最外侧层之间。所述最外侧层包括阻燃聚合物，而所述第一层不包括阻燃聚合物。

在另一方面中，所述阻燃聚合物将包括芳族聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或液晶聚合物中的至少一种。

在一特别实施例中，提供了一种过滤介质，其中第一层和第二层之一的细纤维包括与所述细纤维一体的添加剂，而另一层的细纤维不含添加剂。

在一特定实施例中，所述添加剂包括着色剂、抗氧化剂、抗微生物剂、催化材料、吸收剂、tio2或酶中的至少一种。

在一优选实施例中，第一层和第二层的细纤维具有不同的尺寸直径，其中包括，第二层的第二细纤维比第一层的第一细纤维大至少10％。

在一些应用中，所述过滤介质具有基底层和最外侧上游层，所述最外侧上游层可选地为所述第二层，其中所述第一层位于所述第二层和所述基底之间，并且位于所述最外侧上游层的下游，从而将较大尺寸的细纤维定位在上游以形成预过滤层。

在又一方面中，第一层和第二层的细纤维具有不同的横截面形状。

在仍一方面中，聚合物细纤维包括聚合物，所述聚合物是选自于以下组中的至少一种聚合物，所述组包括：聚酯、聚丙烯、醋酸纤维素、聚苯硫醚、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯和其他含氟聚合物。

根据另一方面，制备过滤介质的步骤包括：由聚合物熔体或聚合物溶液形成第一层细纤维股线；然后由聚合物熔体或聚合物溶液形成第二层细纤维股线，其中所述第二层细纤维铺设(敷设)在所述第一层细纤维的顶上。

在另一步骤中，第一层细纤维股线的形成还包括通过经由第一喷丝头中的孔眼离心排出包括聚合物熔体或聚合物溶液中的至少一种的液体聚合物同时使所述喷丝头以至少2500转/分(rpm)的速度旋转来离心纺纱(丝)第一层细纤维，以及通过离心力来拉低第一层细纤维的纤维直径以拉低所述纤维直径。

在又一步骤中，通过以下方式来形成第二层细纤维股线，即，通过经由第二喷丝头中的孔眼离心排出包括聚合物熔体或聚合物溶液中的至少一种的液体聚合物同时使所述喷丝头以至少2500转/分的速度旋转来离心纺纱第二层细纤维，并通过离心力来拉低第二层细纤维的纤维直径，而不使用电纺纱力来拉低所述纤维直径。

在又一步骤中，所述形成形成具有大于1毫米的长度和小于1微米的平均直径的第一层和第二层细纤维股线。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他方面、目的和优点将变得更加明显。

附图说明

结合在说明书中并形成说明书的一部分的附图示出了本发明的若干方面，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在所述附图中：

图1是根据本发明的示例性实施例的由多重独特的纳米纤维层制成的一片过滤介质的示意图；

图2是根据本发明的示例性实施例的由多重独特的纳米纤维层制成的一片过滤介质的示意图；

图3是根据本发明的示例性实施例的由多重独特的纳米纤维层制成的一片过滤介质的示意图；

图4是根据本发明的示例性实施例的由多重独特的纳米纤维层制成的一片过滤介质的示意图；

图5是根据本发明的示例性实施例的由多重独特的纳米纤维层制成的一片过滤介质的示意图；

图6是根据本发明的示例性实施例的由多重独特的纳米纤维层制成的一片过滤介质的示意图；

图7是根据本发明的示例性实施例的由多重独特的纳米纤维层制成的一片过滤介质的示意图；

图8是根据本发明的示例性实施例的用于制造由多重独特的纳米纤维层制成的材料的生产线(未按比例)的示意图；

图9描绘了图8中的生产线的沉积腔室中的用于离心纺纱纳米纤维的多个喷丝头；

图10描绘了图8的生产线的沉积腔室中用于离心纺纱由多重独特的纳米纤维层制成的材料的多个喷丝头；和

图11描绘了图8的生产线的沉积腔室中用于离心纺纱由多重独特的纳米纤维层制成的材料的多个喷丝头的另一个实施例。

虽然将结合某些优选实施例描述本发明，但这并不意图将本发明限制于那些实施例。相反，这样做的意图是涵盖包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的所有备选、修改和等同物。

具体实施方式

图1描绘了根据本申请的一个方面的过滤介质10的横截面的示例性示意性实施例。过滤介质10具有基底层15和第一层13的细纤维14以及第二层11的细纤维12。在该实施例中，第一细纤维14和第二细纤维12具有相当的直径，但是第一细纤维14由一种聚合物制成，而第二细纤维12由与第一细纤维14不同的聚合物制成。

如本领域普通技术人员将理解的，具有由一种聚合物的较细纤维14构成的第一层13和由与第一层13的细纤维14不同的聚合物的细纤维12构成的第二层11的过滤介质10提供许多优点。

在一个示例性实施例中，第二层11可由利用阻燃聚合物制成的细纤维12构成，所述阻燃聚合物例如但不限于包含芳族聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺或液晶聚合物中的至少一种的聚合物。这种过滤介质10可以用于其中将会存在火花或其他形式的火焰的诸如其中火花可能被携带至过滤介质10的金属铸造操作中的空气过滤应用中，所述空气过滤应用需要可能暴露于火花的第二层或外层11是阻燃的。

然而，如本领域技术人员还将理解的，与不阻燃的其他聚合物相比，制备阻燃的细纤维12所需的聚合物相对昂贵。因此，代替不得不制造完全由阻燃细纤维构成的过滤介质，用户可以制造如下的一片过滤介质10，其中第二层或外层11由阻燃的细纤维12构成，而被外层11保护免于暴露于火花的内层13可以由通过较便宜的非阻燃聚合物制成的细纤维14构成。

转到图2，图2描绘了根据本申请的一个方面的过滤介质20的横截面的示例性示意性实施例。过滤介质20具有由第一细纤维22制成的第一层21、由第二细纤维24制成的第二层23和由第三细纤维26制成的第三层25。第一层21的细纤维22和第三层25的细纤维26的直径小于第二层23的细纤维24。所有三个层21、23和25可以由不同的细纤维制成，或者层21和25可以是(例如在直径方面)相似或相同尺寸的细纤维。

转到图3，图3描绘了根据本申请的一个方面的过滤介质30的横截面的示例性示意性实施例。过滤介质30具有基底层35、第一层33和第二层31。第二层31由细纤维32制成，所述细纤维32包括与添加剂37整体混合的聚合物。而第一层33由细纤维34制成，所述细纤维34包括不含任何添加剂37的聚合物。虽然该实施例使用了基底层35，但其它实施例可以消除基底层35。所述基底层可以由ptfe和其它含氟聚合物、聚酰胺、聚酯、纤维素、聚丙烯等形成。

如本领域普通技术人员所理解的，与制造不含有添加剂37的细纤维34相比，将添加剂37与聚合物整体混合以制备具有与细纤维32一体的添加剂的细纤维32更加昂贵且耗时。添加剂37仅仅在其位于过滤介质30的外层31上时才可有效。因此，为了减少制造具有与细纤维32一体的添加剂37的细纤维32的费用和时间，用户可以制造如下的过滤介质30，其中仅仅构成第二层或外层31的细纤维32具有与细纤维32一体的添加剂37，而第一层或内层33的细纤维34不需要由包含添加剂37的聚合物制成。

备选地，如果与外层相反地使内层包括添加剂37可以是有益的，则可以颠倒这些层。这样的示例可以是如下的情况，其中添加剂37聚焦在小微粒上，并且外层被设计用于移除大微粒，而内层被设计用于移除受添加剂影响的较小微粒，例如在以下所描述的图4的实施例中的情况。

此外，虽然图3仅仅描绘了一个与添加剂37混合的层，但是多重层可以与不同的添加剂混合。

转到图4，图4描绘了根据本申请的一个方面的过滤介质40的横截面的示例性示意性实施例。过滤介质40具有第一层43和第二层41。第二层41由细纤维42构成，所述细纤维42的直径大于第一层43的细纤维44的直径。在一个示例性实施例中，第二层41的细纤维42具有比第一层43的细纤维44大至少10％的直径。

在使用期间，过滤介质40可以在高能(高容量)过滤器中实施，其中第二层41的较大直径的细纤维42可以用作预过滤器，其中第一层43的较小直径的细纤维44可以用于执行细颗粒过滤。此外，当从一层移动到下一层时，多于两个的层可以设有减小的直径。

图5描绘了根据本申请的一个方面的过滤介质50的横截面的示例性示意性实施例。过滤介质50具有第一层51和第二层53。第一层51由具有第一横截面形状的细纤维52构成，第二层52由具有第二横截面形状的细纤维54构成，所述第二横截面形状与第一层51的细纤维52的横截面形状不同。

在所示实施例中，第一层51中的细纤维52的横截面形状是圆形的，第二层53中的细纤维54的横截面形状是四角星形的形状。具有四角星形横截面形状的细纤维54可以具有比第一层51中具有圆形横截面形状的细纤维52大的表面面积。

随着细纤维的横截面面积在过滤介质中增大，细纤维将能够过滤较细的颗粒。因此，在所示实施例中，过滤介质50的第一层51可以用作预过滤器以过滤出较大尺寸的颗粒，并且第二层53可以用于执行细颗粒过滤，因为相对于过滤介质50的第二层53的具有较大表面面积的细纤维54，过滤介质50的第一层51的细纤维52具有较小表面面积。

此外，具有不同横截面形状的细纤维也可以具有添加至其中的添加剂。

图6描绘了根据本申请的一个方面的过滤介质60的横截面的示例性示意性实施例。过滤介质60具有第一层61和第二层65。第一层61由第一细纤维62和第二细纤维64构成，第二层65由第一细纤维66和第二细纤维68构成。在所示实施例中，第一层61的第一细纤维62的平均直径等于第二层65的第一细纤维66的平均直径。同样，第一层61的第二细纤维64的平均直径等于第二层65的第二细纤维68的平均直径。

然而，如图6中所示，第一层61中的第一细纤维62的数量大于第一层61中的第二细纤维64的数量。另一方面，第二层65中的第一细纤维66的数量小于第二层65中的第二细纤维68的数量。因为第一层61相对于较小直径的第二细纤维64的数量具有较大数量的较大直径的第一细纤维62，所以第一层61可以充当高能过滤介质中的预过滤层。此外，由于第二层65相对于第二层65中的较大直径的第一细纤维66具有较大数量的较小直径的第二细纤维68，所以第二层65可以用作高能过滤介质中的细颗粒过滤器。

在备选实施例中，所有层不需要具有第一和第二纤维的混合物。

图7描绘了根据本申请的一个方面的过滤介质70的横截面的示例性示意性实施例。过滤介质70具有第一层71和第二层75。第一层71由第一细纤维72和第二细纤维74构成。第二层75也由第一细纤维76和第二细纤维78构成。第一层71的第一细纤维72的平均直径大于第二层75的第一细纤维76的平均直径，第二层75的第一细纤维76的平均纤维直径大于第二层75的第二细纤维78的平均直径，而第二层75的第二细纤维78的平均纤维直径大于第一层71的第二细纤维74的平均直径，以使得第一层71的第一细纤维72和第二细纤维74的平均纤维尺寸与第二层75的第一细纤维76和第二细纤维78的平均纤维尺寸相当。

图8描绘了用于制造本文所述和以其他方式预期的多层过滤介质的生产线80的示例性示意性实施例。

如图8所示并且另外参考图9，最初，细纤维2在纤维沉积腔室86中形成片材3。细纤维2优选经由离心纺纱(在本文中也称为)生产并沉积在移动基底82上。移动基底82可以结合到片材3中，例如稀松布材料，或者移动基底82可以与片材3分开，例如传送系统(未示出)。

图9描绘了纤维沉积腔室86的截面的更详细的示意图。如图8和图9所示，沉积腔室86是腔室。涉及通过至少一个喷丝头90、197、198、199中的孔眼91离心排出液体聚合物(即，聚合物熔体或聚合物溶液中的至少一种)，同时以至少2500转/分(rpm)的速度旋转喷丝头90、197、198、199。这种离心作用导致拉低了细纤维的纤维直径。应该注意的是，的作用在不使用电纺纱力的情况下拉低细纤维2的直径。

图8的沉积腔室86描绘了单个喷丝头90，但是沉积腔室86可以包括多个喷丝头，例如图9-11中所示，这取决于各片过滤介质需要多少层或多少特性。

图9示出了具有第一喷丝头197、第二喷丝头198和第三喷丝头199的沉积腔室86。通常，喷丝头197、198和199能够沿着x、y和z轴移动以提供一定的覆盖范围选项以用于生产它们各自的过滤介质层92、93和94。每个喷丝头197、198和199具有多个孔眼91，它们各自的细纤维97、98和99可以通过所述孔眼91排出。

对于每个单独的喷丝头197、198和199，它们各自的孔眼91中的每一个可以各自连接至同一聚合物熔体、聚合物溶液或液体粘合剂的贮存器，或者每个孔眼91可以连接至不同的聚合物熔体、聚合物溶液或液体粘合剂或其组合的贮存器。此外，每个喷丝头197、198、199可以彼此独立地排出不同的聚合物熔体、聚合物溶液或液体粘合剂。在细纤维沉积期间，喷丝头197、198和199将至少以2500转/分的速度旋转。更典型地，喷丝头197、198和199将至少以5000转/分的速度旋转。

每个喷丝头197、198和199可用于使用例如溶液纺纱法或熔体纺纱法来制造细纤维97、98和99。聚合物熔体可以例如通过熔融聚合物来形成，或者聚合物溶液可以通过将聚合物溶解在溶剂中来形成。如本文所用的聚合物熔体和/或聚合物溶液还指通过将聚合物加热至低于熔点的温度然后将聚合物溶解在溶剂中、即通过制造“聚合物熔体溶液”来形成的材料。可以进一步设计聚合物溶液以获得期望的粘度，或者可以添加表面活性剂以改善流动性，或者可以添加增塑剂以软化刚性纤维，或者可以添加离子化合物以改善溶液导电性。聚合物熔体可另外含有聚合物添加剂，例如抗氧化剂或着色剂。

在图9中，喷丝头197被示出为形成第一细纤维97，所述第一细纤维97形成过滤介质的第一层92。此外，喷丝头198被示出为形成第二细纤维98，所述第二细纤维98形成第二层93，所述第二层93层叠在过滤介质的第一层92的顶上。最后，喷丝头199被示出为形成第三细纤维99，所述第三细纤维99形成第三层94，所述第三层94被示出为层叠在过滤介质的第二层93的顶上。在所示的实施例中，第一细纤维97被显示为具有比第二细纤维98小的纤维直径，第二细纤维98被显示为具有比第三细纤维99小的纤维直径，从而形成具有第一层92、第二层93和第三层94的过滤介质，所述第一层92、第二层93和第三层94各自由具有不同的纤维直径的细纤维97、98和99形成。

在图9中描绘出了沉积腔室86的若干可选特征。通常，细纤维97、98、99优选为连续纤维。可以通过各种机构来促进细纤维97、98、99向下运动以将其收集在移动基底82上，所述各种机构可以独立地或彼此结合地工作。例如，在一些实施例中，可以提供气流系统192以引发向下的气流，如箭头193所示。气流系统192还可以包括侧向气流喷嘴194，所述侧向气流喷嘴194可以被控制以在沉积腔室86内向着不同方向引导气流。

另外，在一些实施例中，细纤维97、98和99的形成将在纤维中引起正或负的静电荷。静电板95可用于将带电纤维97、98和99向下吸引至移动基底82。因此，如图9中可见，静电板95位于移动基底82下方。此外，在一些实施例中，真空系统96被设置在沉积腔室86的底部处，以进一步促进将细纤维97、98和99收集在移动基底82上。此外，在一些实施例中，提供了出口风扇192以排出可能产生的任何气体，例如在过程期间由于溶剂蒸发或材料气化而可能产生的任何气体。

如图9所示，喷丝头197制备第一细纤维97并将其沉积在基底82上以制备过滤介质1的第一层92。然后，喷丝头198制备与第一细纤维97具有不同特性的第二细纤维98并将第二细纤维98沉积成处于第一层92的顶上的第二层93。最后，喷丝头199形成与第一细纤维97或第二细纤维98具有不同特性的第三细纤维99，并将其沉积在第二层93的顶上以形成过滤介质1的第三层94。

细纤维97、98和99可具有但不限于以下特征，即，例如具有不同的纤维直径、不同的纤维横截面形状、不同的聚合物成分，所述聚合物成分例如但不限于包括优选地选自于但不限于以下组中的材料或由优选地选自于但不限于以下组中的材料制成的材料，所述组包括聚酯、聚丙烯(pp)、醋酸纤维素(ca)、聚氨酯(如热塑性聚氨酯tpu)、聚苯硫醚(pps)、聚酰胺(如尼龙)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)和其他含氟聚合物，并且所述聚合物成分还可以包括添加至聚合物中的附加化学品，例如粘合剂或添加剂。

在其他实施例中，细纤维197、198和199可以使用与不同的方法或与相结合的方法来沉积。例如，在一个实施例中，细纤维2可以经由电纺纱来生产。

结合至过滤介质1中的细纤维197、198和199通常将具有小于1微米的平均直径。

细纤维197、198和199、特别是连续股线的将细纤维197、198和199彼此缠绕以形成具有由独特(唯一)的细纤维197、198和199构成的第一、第二和第三层92、93和94的过滤介质1。

图10示出了沉积腔室86的另一个实施例，所述沉积腔室86具有第一对喷丝头100、第二对喷丝头110、第三对喷丝头120和第四对喷丝头130。第一对喷丝头100各自被示出为形成第一细纤维102。第二对喷丝头110被示出为形成第二细纤维112。第三对喷丝头120被示出为形成第二细纤维122，第四对喷丝头130被示出为形成第三细纤维132。

如图所示，第一对喷丝头铺设(敷设)第一细纤维层105。然后，第二对喷丝头铺设与第一细纤维层105具有不同特性的第二纤维层115。然后第三对喷丝头120铺设与第一细纤维层105或第二细纤维层115具有不同特性的第三细纤维层125。最后，第四对喷丝头130铺设与第一细纤维层105、第二细纤维层115或第三细纤维层125具有不同特性的第四细纤维层135。

转到图11，图11示出了沉积腔室86的另一个实施例，所述沉积腔室86示出了形成第一喷丝头对的第一喷丝头200和第二喷丝头201、形成第二喷丝头对的第三喷丝头210和第四喷丝头211、形成第三喷丝头对的第三第五喷丝头220和第六喷丝头221以及形成第四喷丝头对的第七喷丝头230和第八喷丝头231。

第一喷丝头被示出为产生第一细纤维203，所述第一细纤维203的纤维直径小于由第二喷丝头201形成的第二细纤维204的纤维直径。因此，第一细纤维层205将由具有不同直径的不同细纤维203和204构成。接下来，第三喷丝头210被示出为铺设第一细纤维212，并且第四喷丝头被示出为铺设具有添加剂37的第二细纤维213(参见图3)。因此，铺设在第一层205的顶上的第二层215由细纤维212和细纤维213构成，所述细纤维213具有与细纤维213一体的添加剂37。

接下来，第五喷丝头230产生细纤维222，并且第六喷丝头产生包括粘合剂的细纤维223。因此，铺设在第二细纤维层215的顶上的第三细纤维层225包括细纤维222和细纤维223，所述细纤维223包括与细纤维223一体的粘合剂。接下来，第七喷丝头230产生第一细纤维232和第二细纤维233。第一细纤维232具有比第二细纤维233大的直径。最后，第八喷丝头231被示出为产生细纤维234，所述细纤维234由与第七喷丝头230产生的第一细纤维232和第二细纤维233不同的聚合物构成。因此，铺设在第三细纤维层225的顶上的第四细纤维层235包括具有不同直径的细纤维232和233以及由与细纤维232和233不同的聚合物制成的细纤维234。

虽然每个喷丝头对中的不同喷丝头被示出为形成不同直径的纤维，但是成对喷丝头之间的差异可以是不同的特性，例如但不限于以下特性，即，例如具有不同的纤维直径、不同的纤维横截面形状、不同的聚合物成分，所述聚合物成分例如但不限于包括优选地选自于但不限于以下组中的材料或由优选地选自于但不限于以下组中的材料制成的材料，所述组包括聚酯、聚丙烯(pp)、醋酸纤维素(ca)、聚苯硫醚(pps)、聚酰胺(如尼龙)、聚氨酯(如热塑性聚氨酯tpu)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)和其他含氟聚合物，并且所述聚合物成分还可以包括添加至聚合物中的附加化学品，例如粘合剂或添加剂。

在实施例中，细纤维优选由聚合物形成。制成所述材料的聚合物优选地选自于以下组，所述组包括聚酯、聚丙烯(pp)、醋酸纤维素(ca)、聚苯硫醚(pps)、聚酰胺(如尼龙)、聚氨酯(如热塑性聚氨酯tpu)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)和其他含氟聚合物。

另外，可以调整图9-11所示的制造过程中的喷丝头，以改变纤维的输出，从而控制图1-7中所示的示例性多层介质中的各个层的重量。

本文引用的所有参考文献，包括出版物，专利申请和专利均通过引用结合到本文中，其结合程度如同每个参考文献被单独且具体地指出通过引用并入本文并且在本文中被完整地阐述。

在描述本发明的语境中(特别是在以下权利要求的语境中)使用术语“一”和“一种”以及“所述”以及类似的指示物应被解释为涵盖单数和复数，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即，意味着“包括但不限于”)。除非本文另有说明，否则本文中对数值范围的记载仅仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独数值的简写方法，并且每个单独数值被并入本说明书中，如同其在本文中被单独记载一样。除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本文所述的所有方法均可以以任何合适的顺序进行。除非另外声明，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅旨在更好地说明本发明，而不是对本发明的范围进行限制。说明书中的任何语言都不应被解释为表明任何未要求保护的要素对于本发明的实践来说是必不可少的。

本文描述了本发明的优选实施例，包括发明人已知的实施本发明的最佳方式。在阅读前面的描述后，那些优选实施例的变型对于本领域普通技术人员来说可以变得明显。发明人期望熟练的技术人员适当地采用这些变型，并且发明人希望本发明以不同于本文具体描述的方式实施。因此，本发明包括适用法律允许的所附权利要求中所述主题的所有修改和等同物。此外，除非本文另有说明或与上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述要素的所有可能变型的任何组合。