激光诱导石墨烯过滤器以及制造和使用其的方法

激光诱导石墨烯过滤器以及制造和使用其的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年8月9日提交的标题为“激光诱导石墨烯过滤器以及制造和使用其的方法”的美国专利申请系列第62/884,758号的权益，该专利申请为本技术所有人拥有。该申请(包括附录1-3)全文纳入本文。
技术领域
3.本发明涉及激光诱导石墨烯(lig)过滤器以及制备和使用其的方法。更具体地，由lig制备的杀灭病毒和微生物、自消毒电阻式加热空气过滤器以及其制造方法和使用其的方法。
4.政府权利
5.本发明是在美国国防部空军科学研究办公室授予的批准号fa9550-14-1-0111下由美国政府资助完成。美国政府对本发明拥有一定的权利。


背景技术：

6.根据疾病控制和预防中心(cdc)的数据，美国患者感染至少一种医疗相关感染(hai)的概率为1/31，并且3％的住院患者患有一种或多种hai[cdc 2017；magill 2018]。由于医院负债，这些数字可能被低估。约10-20％的医院感染是空气传播的[eickhoff 1994；beggs 2003]。其包括细菌、细菌衍生产物和病毒。另外一部分医院感染是由于污染物，例如，污染的表面和物体，其由飞沫、气溶胶和微粒物质携带的空气中的细菌、真菌、孢子和各种其他病原体沉积而成[beggs 2003；kowalski 2012]。
[0007]
目前防止空气中病原体传播的策略包括稀释通风、加压、定向气流、消毒和过滤[sehulster 2019；kowalski 1999]。稀释通风通过内部空气与外部空气交换来降低感染源的浓度。加压和定向气流通过控制空气传输路径来防止感染源的传播，而消毒是将感染源灭活。过滤是从循环中去除感染源。加压和定向气流既不能去除也不能破坏空气中的感染源，通常与集成到空气循环系统中的过滤和消毒方法结合使用[kowalski 2012]。
[0008]
目前的过滤方法通常使用包含多层交织纤维的曲折介质[brown 1993]。颗粒捕获依赖于扩散、静电吸引、粘附拦截、惯性碰撞和尺寸排除筛分[da roza 1982]。然而，在运行期间，污染物积累，并且捕获的微生物会在过滤器中增殖，导致过滤效率降低、能源成本增加、流速降低、较小颗粒渗透、性能受损，以及下游空气中病原体污染[sehulster 2019；joe 2014；bonnevie perrier 2008]。因此，空气过滤器需要定期更换，这增加了过滤设备和系统的维护成本。
[0009]
最常见的空气消毒方法是uv-c辐照[reed 2010]。然而，uv-c需要临界剂量的辐照才能杀灭细菌或使病毒失活。一些微生物可以通过修复损伤而存活，粘附在颗粒上并以较大飞沫形式存在的病原体可以屏蔽辐照[kowalski 2000]。光基过滤系统(如uv-c等)是“视线”系统，这意味着如果光没有直接暴露在感兴趣的目标(目标可能在曲折过滤结构后面或内部)上，则目标不被光影响。因此，uv-c杀菌系统通常与过滤系统串联使用。臭氧、光催化
氧化和离子产生是市场上可供选择的消毒方法[bolashikov2009]。与uv-c相比，这些方法通常能量效率较低，成本较高，有效性较低。因此，紫外线杀菌辐照仍然是目前最先进的空气消毒技术[sehulster2019]。
[0010]
目前的消毒方法不会破坏生物毒素和微生物死亡的副产物。内毒素、外毒素、磷壁酸和真菌毒素会在人体内引起不良反应，如高烧、感染性休克、肺损伤、自身免疫性疾病和死亡[brigham 1986；danner 1991；hadidane1985；hedayati 2007；schlievert 1981]。这些化合物很难去除，具有高达250℃的高热稳定性，即使在皮摩尔浓度或纳克每千克剂量下也具有难以置信的效力[raetz 2002；sehulster 2012；tsuji i 1978；tsuji ii 1978]。因此，尽管消毒将杀灭微生物并破坏病毒衣壳，但有毒产物会作为持久性污染物累积，并且微生物死亡的生物副产物可以直接为微生物增殖提供营养[augustowska 2006]。此外，目前的消毒方法对高度稳定、持久且难以检测的蛋白质感染颗粒(朊病毒)几乎没有保护作用[sehulster 2012；who 1999；prusiner 1998]。尽管经常被忽视，但对人类没有直接毒性的其他生物片段有能力引起重大风险，例如遗传物质片段，这可能有助于有能力的细菌获得抗生素耐药性和毒力因子[von wintersdorff 2016]。因此，消毒策略通常与过滤结合使用，取得了不同程度的成功。
[0011]
典型的物体去热原法包括在至少250℃的温度下干燥加热延长的时间[sehulster 2012]。干燥加热期间，内毒素分解是通过较低温度下的自由基氧化和较高温度下的分子分解来实现。在较高温度下分解通常是无差别的，并且不需要任何形式的催化剂，因为几乎所有生物分子都会在高于300℃的温度下快速分解。基于动力学研究，250℃下内毒素浓度log
10
降低的时间常数约为300秒，其通常被称为d
1250℃
时间。d
1300℃
时间为约30秒，并且d
1350℃
时间为约3秒[tsuji i 1978；tsuji ii 1978]。
[0012]
发明概述
[0013]
本发明涉及石墨烯(lig)过滤器以及制备和使用其的方法，并且更具体地，由lig制备的病毒灭活和微生物杀灭、自消毒电阻式加热空气过滤器以及其制造方法和使用其的方法。
[0014]
本发明是自净式过滤器，其包括激光诱导石墨烯(lig)，一种通过市售co2激光切割机由碳前体直接光热转化形成的微孔导电石墨烯泡沫[ye2019]。在lig形成期间，碳前体的光热加热迫使非碳元素脱气，并促进sp2杂化[chyan 2018]。迄今为止，lig在各种应用领域表现出了良好的前景，例如微型超级电容器[li 2016；peng 2015”；lin 2014”]、可穿戴的嵌入式传感器[stanford i 2019；carvalho 2018；sun 2018]、摩擦电纳米发电机[stanford ii2019]和电催化[zhang i 2018；zhang ii 2018]等等。lig也很容易进行掺杂、化学官能化[ye 2019；ye 2018]和复合[luong 2019]。
[0015]
pi转化成lig与辊对辊加工和层压物体制造兼容，因此显示出商业应用的可能性[luong 2018]。直接写入能力允许形成各种不同几何形状和构造，能够形成机械坚固、自立式lig膜。微孔过滤器能够同时采用污染物去除和消毒策略。
[0016]
自立式lig膜可以捕获细菌、含病毒颗粒和微粒。还显示出lig可以防止经过滤细菌增殖，即使将其浸入培养基中亦是如此。通过周期性焦耳加热机制(过滤器容易达到高于300℃)，过滤器破坏了所捕获的细菌和病毒，并超过使可维持生命的化合物以及可能导致不良生物反应和疾病的分子分解的温度，如病毒衣壳、热原、污染物、过敏原、外毒素、磷壁
酸、内毒素、真菌毒素、核酸和朊病毒。lig的焦耳加热通过病毒衣壳、细菌和分子材料的碳化导致该破坏和分解。
[0017]
传统的过滤器依赖物理清洗过程，或者在微粒使过滤器饱和后进行更换。对于本发明的过滤器，焦耳加热通过简单地在整个lig基过滤器上施加电势来实现自净。该方法在医院环境中尤其有用，医院环境中微生物(如败血症繁殖微生物)会持续存在，并且容易通过空气处理系统在房间与房间之间转移。其还能很好地去除室内居住空间中含有病毒的飞沫，从而最大限度地减少人与人之间的传播机会。
[0018]
通常，在一个实施方式中，本发明的特征是一种制造包括lig的过滤器的方法。所述方法包括使得包含聚合物的片材的第一侧暴露于第一激光源的步骤。第一侧上的暴露导致在片材第一侧上形成激光诱导石墨烯(lig)。lig源自聚合物。所述方法还包括对片材第二侧进行处理的步骤。片材第二侧在片材第一侧的相反侧上。片材第一侧上的lig和第二侧上的处理步骤为片材提供孔隙率，使得片材能够使空气从第一侧流动通过lig达到第二侧。片材第一侧上的至少一些聚合物并未形成lig，且能够运行以支撑形成于第一侧上的lig。
[0019]
本发明的实施方式可以包括以下一项或多项特征：
[0020]
对片材第二侧进行处理的步骤是可选自下组的第二侧处理：(a)使片材第二侧暴露于第一激光源以在片材第二侧上形成lig，其中，片材第二侧上的至少一些聚合物并未形成lig，并且能够支撑形成于第二侧上的lig；(b)使片材第二侧暴露于第二激光源以在片材第二侧上形成lig，其中，片材第二侧上的至少一些聚合物并未形成lig，并且能够支撑形成于第二侧上的lig；(c)使片材第一侧暴露于第一激光源足够时间以对片材第二侧上的聚合物进行激光，其中，片材第二侧上的至少一些聚合物并未形成lig，并且能够支撑形成于第二侧上的lig；(d)对片材中的网格进行切割，从而为片材提供孔隙率，以使片材能够使空气从第一侧流动通过lig到达第二侧；和(e)其组合。
[0021]
第二侧的处理可以包括：使片材第二侧暴露于第一激光源，以在片材第二侧上形成lig。片材第二侧上的至少一些聚合物可能没有形成lig，且能够支撑形成于第二侧上的lig。
[0022]
片材可以位于适合用于产生lig的波长的激光反射表面上(例如，适用于10.6μm激光器的铝)。在使得片材第一侧暴露于第一激光源的步骤期间，第一激光源可以通过反射表面反射以对片材第二侧进行激光。
[0023]
第二侧的处理可以包括：使片材第二侧暴露于第二激光源，以在片材第二侧上形成lig。片材第二侧上的至少一些聚合物可保持未转化为lig，且能够支撑形成于第二侧上的lig。
[0024]
第二侧上的处理可以包括：使片材第一侧暴露于第一激光源足够时间，以对片材第二侧上的聚合物进行激光。片材第二侧上的至少一些聚合物可能没有形成lig，且能够支撑形成于第二侧上的lig。
[0025]
片材可以是薄片材，其能够由第一激光源在第一侧上进行激光时在片材第二侧上进行激光。
[0026]
处理可包括：对片材中的网格(mesh)进行切割，从而为片材提供孔隙率，以使片材能够使空气从第一侧流动通过lig到达第二侧。
[0027]
过滤器能够运行以捕获选自下组的颗粒或分子：空气中微生物、微生物副产物、微
生物相关毒素、病毒、病毒衣壳、病毒衣壳飞沫及其组合。
[0028]
所述方法还可以包括：通过焦耳加热使所捕获的颗粒或分子分解。
[0029]
lig前体材料可以选自下组：聚合物、包含无定形碳的碳基前体以及作为多孔无定形碳前体的化合物。
[0030]
作为多孔无定形碳前体的化合物可以包括膨胀性材料。
[0031]
lig前体材料可以是聚合物。
[0032]
聚合物可以是聚酰亚胺(pi)。
[0033]
片材可以是聚合物片材。
[0034]
片材可以是纤维聚合物片材。
[0035]
聚合物可以是lig前体聚合物。
[0036]
lig前体聚合物可选自下组：均聚物、乙烯基聚合物、逐步生长聚合物、缩聚物、通过活性聚合物反应制成的聚合物、链生长聚合物、嵌段共聚物、碳化聚合物、芳香族聚合物、环状聚合物、聚酰亚胺(pi)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚醚酮(peek)、聚砜、弹性体、橡胶、回收塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、低密度聚乙烯(lpe)、线性低密度聚乙烯(lldpe)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚丁二烯、聚(苯乙烯-丁二烯)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、热塑性材料、热固性材料及它们的组合。
[0037]
使第一侧暴露的步骤可以通过第一侧上第一图案使第一激光源暴露。
[0038]
对第二侧进行处理的步骤可以包括：使片材第二侧暴露于第二激光源，以在片材第二侧上形成lig。第二激光源可以是与第一激光源相同或不同的激光源。使第二侧暴露于第二激光源可以通过第二侧上的第二图案使第二激光源暴露。第一图案可以与第二图案偏移。
[0039]
两个图案可以是不同的晶格(lattices)。
[0040]
第一图案可以是六边形图案，并且第二图案可以是堆叠六边形图案。
[0041]
第一图案和第二图案可以各自选自下组：六边形和三角形、正方形和平行四边形。
[0042]
第一图案和第二图案提供了三维晶格(3-dimensional lattice)用于加固和几何增强。
[0043]
过滤器能够运行用于在整个过滤器上施加压力时产生热量。
[0044]
热量能够杀灭或分解所捕获的颗粒。
[0045]
在整个过滤器上施加压力时，过滤器可以作为静电过滤器运行。
[0046]
如果片材由纤维聚合物制成，那么仅在一侧上激光可能是足够的，因为纤维聚合物源已经是气流可渗透的。
[0047]
通常，在另一实施方式中，本发明的特征为lig过滤器，其包括lig和能够支撑lig过滤器第一侧上lig的聚合物。lig在lig过滤器的至少第一侧上。lig过滤器片材具有孔隙率，以使得lig过滤器能够使得空气流动通过第一侧上的lig到达lig过滤器第二侧。lig过滤器能够运行以捕获选自下组的颗粒：空气中的微生物、微生物副产物、微生物相关毒素、病毒、病毒衣壳、其飞沫及其组合。
[0048]
本发明的实施方式可以包括以下一项或多项特征：
[0049]
lig可以在lig过滤器的第二侧上。lig过滤器片材可以具有孔隙率，以使得lig过滤器能够使得空气从第一侧流动通过lig到达lig过滤器第二侧。
[0050]
lig过滤器可以是包括由上述方法中至少一项制备的lig的过滤器。
[0051]
lig过滤器能够运行用于在整个过滤器上施加压力时产生热量。
[0052]
热量能够杀灭或分解所捕获的颗粒。
[0053]
lig前体材料可以选自下组：聚合物、包含无定形碳的碳基前体以及作为多孔无定形碳前体的化合物。
[0054]
作为多孔无定形碳前体的化合物可以包括膨胀性材料。
[0055]
lig前体材料可以是聚合物。
[0056]
聚合物可以是聚酰亚胺(pi)。
[0057]
通常，在另一实施方式中，本发明的特征是包括lig和聚合物的lig薄膜。lig薄膜能够运行用于通过捕获空气中颗粒对空气进行过滤。所捕获的颗粒选自下组：空气中的微生物、微生物副产物、微生物相关毒素、及其组合。lig薄膜能够运行用于在整个lig上施加电压时产生热量。所产生的热量能够用于杀灭或分解颗粒。
[0058]
本发明的实施方式可以包括以下一项或多项特征：
[0059]
lig薄膜可以是包括由上述方法中至少一项制备的lig的过滤器。
[0060]
lig可以在lig薄膜两侧上，以使得空气过滤通过两侧的lig结构。
[0061]
lig薄膜可以包括由未激光聚合物材料制成的载体阵列。
[0062]
未激光聚合物材料呈现ab堆叠六边形阵列图案。
[0063]
未激光聚合物材料可以是具有至少两个图案的堆叠体。
[0064]
至少两个图案可以各自选自下组：六边形和三角形、正方形和平行四边形。
[0065]
具有至少两个图案的堆叠体提供了三维晶格用于加固和几何增强。
[0066]
lig可以由聚酰亚胺制成。
[0067]
lig可以由聚砜、纸、棉、木材、或碳水化合物制成。
[0068]
聚砜、纸、棉、木材、或碳水化合物可以用添加剂进行阻燃。
[0069]
lig可以由如下聚合物制成：逐步生长聚合物、链生长聚合物、活性聚合的聚合物、易位聚合物、乙烯基聚合物、缩聚物或其混合物。
[0070]
所捕获的颗粒能够导致院内感染(hospital-acquired infection)。
[0071]
所捕获的颗粒可以是败血症或病毒的来源。
[0072]
病毒可以选自下组：冠状病毒、sars-cov、mers-cov、sars-cov-1和sars-cov-2。
[0073]
lig薄膜能够用于在整个lig上施加电压时产生至少70℃的热量。
[0074]
lig薄膜能够用于在整个lig上施加电压时产生至少150℃的热量。
[0075]
lig薄膜能够用于在整个lig上施加电压时产生至少250℃的热量。
[0076]
当在整个lig上施加电压时，lig薄膜能够运行以产生热量，导致通过使分解的吸附质挥发对lig表面进行清洁。
[0077]
lig薄膜能够运行用于在整个薄膜上连续施加电压时产生热量。
[0078]
lig薄膜能够运行用于在整个薄膜上周期性地施加电压时产生热量。
[0079]
周期可以选自下组：小时、分钟、秒或秒的分数。
[0080]
周期可以为1毫秒至24小时。
[0081]
周期可以为5秒至1分钟。
[0082]
所捕获的颗粒可以包括选自下组的微生物：细菌、真菌及其组合。
[0083]
所捕获的颗粒包括毒素，所述毒素可以是内毒素。
[0084]
所捕获的颗粒包含病毒，所述病毒可以是：冠状病毒、sars-cov、mers-cov、sars-cov-1和sars-cov-2。
[0085]
通常，在另一实施方式中，本发明的特征是一种方法，其包括如下步骤：选择包括lig和聚合物载体的lig薄膜。所述方法还包括步骤：利用lig薄膜以捕获空气中的颗粒。所捕获的颗粒选自下组：空气中的微生物、微生物副产物、微生物相关毒素、病毒、病毒衣壳及其组合。所述方法还包括步骤：在整个lig上施加电压以产生热量。所述方法还包括步骤：利用所产生的热量来杀灭或分解颗粒。
[0086]
本发明的实施方式可以包括以下一项或多项特征：
[0087]
lig薄膜可以是包括由上述方法中至少一项制备的lig的过滤器。
[0088]
lig薄膜可以是至少一个上述lig过滤器。
[0089]
lig薄膜可以是至少一个上述lig薄膜。
[0090]
lig薄膜可以在一侧上具有lig。
[0091]
lig薄膜可以在纤维或多孔聚合物薄膜一侧上具有lig。
[0092]
lig薄膜可以在薄膜两侧上具有lig，以使得空气过滤通过两侧的lig结构。
[0093]
lig薄膜可以包括由未激光聚合物材料制成的载体阵列。
[0094]
未激光聚合物材料呈现ab堆叠六边形阵列图案。
[0095]
未激光聚合物材料可以是具有至少两个图案的堆叠体。
[0096]
至少两个图案可以各自选自下组：六边形和三角形、正方形和平行四边形。
[0097]
具有至少两个图案的堆叠体提供了三维晶格用于加固和几何增强。
[0098]
lig可以由聚酰亚胺制成。
[0099]
lig可以由聚砜、纸、棉、木材、或碳水化合物制备。
[0100]
聚砜、纸、棉、木材、或碳水化合物可以用添加剂进行阻燃。
[0101]
lig可以由如下聚合物制成：逐步生长聚合物、链生长聚合物、活性聚合的聚合物、易位聚合物、乙烯基聚合物、缩聚物或其混合物。
[0102]
所捕获的颗粒能够导致院内感染(hospital-acquired infection)。
[0103]
所捕获的颗粒可以是败血症的来源。
[0104]
所捕获的颗粒可以是病毒或病毒来源，包括冠状病毒，其进一步包括sars-cov、mers-cov、sars-cov-1和sars-cov-2。
[0105]
在整个lig上施加电压的步骤可以产生至少70℃的热量。
[0106]
在整个lig上施加电压的步骤可以产生至少150℃的热量。
[0107]
在整个lig上施加电压的步骤可以产生至少250℃的热量。
[0108]
利用热量的步骤可以包括通过使分解的吸附质挥发对lig表面的表面进行清洁。
[0109]
所捕获的颗粒可以包括选自下组的微生物：细菌、真菌及其组合。
[0110]
所捕获的可以包括毒素，所述毒素是内毒素。
[0111]
所捕获的颗粒可以包括病毒和/或包含病毒的飞沫和/或气溶胶。
[0112]
通常，在另一实施方式中，本发明的特征是一种方法，其包括如下步骤：通过对包含一种或多种lig形成前体的多孔透气片材进行激光来制备包括lig的过滤器。所述方法还包括如下步骤：使得多孔透气片材的第一侧暴露于第一激光源。第一侧上的暴露导致在片
材第一侧上形成lig。lig源自聚合物或碳基lig前体。
[0113]
本发明的实施方式可以包括以下一项或多项特征：
[0114]
所述方法还可以包括如下步骤：对多孔透气片材的第二侧进行处理以形成lig。多孔透气片材的第二侧可以在片材第一侧的相反侧上。
[0115]
多孔透气片材可以进行激光，以使得多孔透气片材的未转化部分是lig的载体。
[0116]
多孔透气前体片材可以选自下组：碳纤维纸、织造的碳纤维织物、氧化丙烯酸类(opan)毡、活性炭、碳化聚合物以及它们的组合。
[0117]
多孔透气前体片材可以是包含无定形碳的多孔结构。
[0118]
多孔透气前体片材可以是包含无定形碳的多孔结构。
[0119]
包含无定形碳的的多孔结构可以是包含聚合物的复合材料。
[0120]
多孔透气前体片材可以包含聚合物纤维。
[0121]
多孔透气前体片材可以包括织造织物或非织造毡。织造织物或非织造毡可以包含适合转化为lig的至少部分纤维。
[0122]
多孔透气前体片材可以包括透气开孔聚合物泡沫。
[0123]
聚合物可以选自下组：聚酰亚胺(pi)、聚苯硫醚(pss)、聚芳酰胺、纤维素纤维、聚丙烯腈(pan)、聚苯并噁唑(pbo)、聚噁唑、酚醛树脂、均聚物、乙烯基聚合物、聚乙烯、聚丙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、逐步生长聚合物、缩聚物、通过活性聚合物反应制成的聚合物、链生长聚合物、嵌段共聚物、芳香族聚合物、环状聚合物、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚醚酮(peek)、聚砜、弹性体、橡胶、聚(苯乙烯-丁二烯)、交联的聚苯乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、热塑性材料、热固性材料及它们的组合。
[0124]
通常，在另一实施方式中，本发明的特征是一种方法，其包括如下步骤：选择涂覆有一种或多种lig形成前体的多孔材料。所述方法还包括：对涂覆有一种或多种lig形成前体的多孔材料进行激光以形成包含lig和多孔载体的lig过滤器。多孔载体具有孔隙率，以使得空气能流动通过lig过滤器第一侧到达lig过滤器第二侧。
[0125]
本发明的实施方式可以包括以下一项或多项特征：
[0126]
涂覆有一种或多种lig形成前体的多孔材料可以选自下组：金属丝网(wire mesh)、金属泡沫、多孔陶瓷板、聚合物泡沫、聚合物过滤介质和多孔玻璃纤维片材。
[0127]
一种或多种lig形成前体可以选自下组：聚合物、包含无定形碳的材料以及暴露于热量后形成多孔无定形碳薄膜的物质。
[0128]
一种或多种lig形成前体可以包括暴露于热量后形成多孔无定形碳薄膜的物质，其是膨胀性材料。
[0129]
所述方法还可以包括：使涂覆有一种或多种lig形成前体的多孔材料的片材的第一侧暴露于第一激光源。片材第一侧上的暴露可以在片材第一侧上形成lig。lig可以由多孔材料上涂覆的一种或多种lig形成前体转化形成。多孔载体可以包括未转化的多孔材料。
[0130]
所述方法还可以包括对片材第二侧进行处理以在第二侧上形成lig，其中，第二侧与第一侧相反。
[0131]
在整个过滤器上施加电压时，lig过滤器可以作为静电过滤器运行。当lig过滤器为单侧的时，电压可以在lig过滤器的平面内。当lig过滤器为双侧的时，电压可以在整个lig过滤器上。
[0132]
附图简要说明
[0133]
图1a是lig的sem。
[0134]
图1b是用于对pi基材外的自立式lig过滤器进行激光的方法的示意图。
[0135]
图2a-2e是过滤器合成示意图和基本特性。图2a是双侧激光工艺的示意图，其导致形成由pi晶格支撑的多孔lig过滤器。图2b是激光后保留的pi晶格的示意图。图2c是lig过滤器的光学图像，展示了柔性和机械稳定性。图2d是lig过滤器的sem图像，显示lig毯子以及未激光的pi。图2e是532nm下lig过滤器的拉曼光谱。
[0136]
图3a-3c是lig过滤器的横截面sem图像。
[0137]
图4a-4c是源自多孔前体载体(即，由聚酰亚胺p84制成的非织造材料)的lig过滤器的拉曼光谱和sem图像。
[0138]
图4d-4e是显示与其它过滤器相比，各种lig过滤器压降的曲线图。
[0139]
图5a显示了利用生产lig空气过滤器的基于传送机的方法的系统。
[0140]
图5b显示了利用生产lig空气过滤器的辊对辊方法的系统。
[0141]
图6a-6e是细菌捕获以及随后通过焦耳加热进行的杀菌和去热原的示意图。图6a是具有lig过滤器的空气过滤示意图，所述lig过滤器安装在带有背衬pes测试过滤器的真空过滤系统上。图6b是过滤之后通过焦耳加热进行图6c杀菌和去热原的示意图。图6d是焦耳加热装置的示意图，其中，在整个过滤器上施加电势以进行焦耳加热。图6e是焦耳加热至380℃的lig过滤器的红外图像。
[0142]
图7是显示通过焦耳加热进行加热的lig基过滤器的温度与功率的曲线图。
[0143]
图8是lig空气过滤器的光学图像。
[0144]
图9a-9d显示了不同几何结构，例如，具有lig过滤器的系统，其支承静电过滤器的电压施加。
[0145]
图9e是显示如图9d所示系统多个部分的照片。
[0146]
图10a-10f是显示温度、功率、压降、流速、循环稳定性和颗粒捕获图的图表。图10a显示出在没有焦耳加热的情况下，整个lig过滤器压降与流速的关系。图10b显示了lig过滤器温度与在不同空气流速下所供应功率的关系。图10c显示了lig过滤器的温度与压降数据的关系。图10d显示了lig过滤器在室温和255℃之间15v恒定电位下250个循环的焦耳加热循环稳定性。图10e显示了来自鼓泡器内部的水的光学图像，来自五支香烟燃烧产生的颗粒流动通过该鼓泡器。图10a显示了来自动态光散射(dls)的粒径分布，其支持了过滤器在捕获0至800nm的颗粒时的有效性(effectiveness)。
[0147]
图11a是所使用的搅拌箱系统的示意图。
[0148]
图11b是显示图11a所示系统中所用的过滤器放大的图示。
[0149]
图11c是显示焦耳加热之前和之后，图11b所示过滤器上微粒物质的图示。
[0150]
图12是最低效率报告值(merv)8过滤的粉尘引导示意图。
[0151]
图13是显示包含merv8粉尘的lig过滤器搅拌、退火和恢复的图示。
[0152]
图14a-14c分别是图13所示过程中使用的lig过滤器在merv 8粉尘积聚之前(a)、在merv 8粉尘第一轮饱和之后(b)、以及在第一轮焦耳加热之后(c)的照片。
[0153]
图15是显示包含蜂花粉的lig过滤器搅拌、退火和恢复的图示。
[0154]
图16a-16b是分别显示在300℃下焦耳加热之前堵塞且在300℃焦耳加热后未堵塞
的lig过滤器的照片，所述照片是在图15所示过程中进行第一轮焦耳加热后拍摄的。
[0155]
图16c-16f分别是图15所示过程中所用lig过滤器在第一轮焦耳加热后(c)、第二轮焦耳加热后(d)、四轮搅拌后(e)和第四次搅拌后(f)的照片。
[0156]
图17是显示包含收集在真空袋中粉尘的lig过滤器搅拌、退火和恢复的图示。
[0157]
图18a-18c分别是图17所示过程中使用的lig过滤器在第二轮搅拌之前(a)、搅拌之后(b)、以及在焦耳加热之后(c)的照片。
[0158]
图19a-19d是空气过滤后进行培养的示意图和结果。图19a是实验装置的示意图。图19b是培养过程的示意图。图19c是孵育24小时后，在培养前未经超声处理的过滤器沉水培养介质的光密度图。图19d是孵育24小时后，在培养前用2分钟的超声波将细菌从lig过滤器中分离出来的光密度结果图。在图19c-19d中，柱表示9次测量的标准偏差。
[0159]
图20是显示lig过滤器材料的bet表面积的曲线图。
[0160]
图21a-21b分别为过滤系统的lig过滤器的俯视图和侧视图。
[0161]
图22a-22f是用于测量电阻的各种lig复合材料的照片(速度为5％，功率为15％)。
具体实施方式
[0162]
lig由于能够简单且快速地合成多孔石墨烯薄膜已备受关注。lig通过使用激光辐照碳源合成。碳源以光热方式转化为多孔石墨烯。lig的孔尺寸约为2-10nm，同时具有更大的微米级孔隙[lin 2014]。从图1a中的sem图像可以看到lig中的微米级孔隙。这些孔隙中的许多孔隙小于hepa过滤器的典型要求，即，尺寸为约0.3μm[asme 2004]。便利地，lig的制造可以使用商业激光切割机进行，这在大多数机器商店都可找到。其容易转变为工业制造的辊对辊系统。例如，参见2019年12月28日提交的国际pct申请号pct/us2019/068933，其标题为“激光诱导石墨烯复合材料和传感器及其使用方法”(“tour’933pct申请”)，该申请通过引用纳入本文。
[0163]
制造lig过滤器材料的方法
[0164]
在本发明的一些实施方式中，为了生产lig过滤器，双部激光策略(two-part lasing strategy)可用于将聚酰亚胺(pi)薄膜101转换为lig 103。pi薄膜在顶部侧和底部侧上进行激光，以制备允许空气流动通过其孔隙的lig自立式薄膜。图1b显示了用于对pi基材101外的自立式lig过滤器进行激光的方法的示意图。该方法使用顶部侧激光102和底部侧激光104使得整个厚度的pi薄膜101转化为lig 103。
[0165]
lig通过如下合成：用安装在通用激光系统(universal laser systems)xls10mwh激光切割机中的10.6μm 75瓦co2脉冲激光器，以30厘米/秒的扫描速率、15％的占空比和1000ppi的图像密度对mcmaster-carr kapton pi 127μm薄膜进行辐照。如图2a所示，在pi膜101的两侧上激光六边形图案201(顶部上为六边形图案211，底部上为六边形图案212)，从而留下pi 101的支撑网格，该支撑网格赋予过滤器机械刚性和强度，同时仍允许lig 103连续且导电。
[0166]
在激光处理期间，pi 101通过毛细管粘附固定在激光台上。由于过滤器在约2900k的温度(比杀菌和去热原所需的温度高一个数量级)下通过光热激光使pi 101碳化成lig 103制成，因此过滤器在使用前默认是无菌且无热原的。过滤器的激光面积可选择为45mm
×
45mm。由于ab堆叠六边形激光图案不允许空气在过滤器边缘流动，过滤器边缘有轻微偏移，
因此过滤区域的尺寸与测试期间使用的康宁
tm
(corning
tm
)431097过滤漏斗内42mm
×
42mm 0.22μm聚醚砜(pes)膜过滤器的面积大致相等。
[0167]
同样，如图2a所示，在两侧上对pi进行激光，并且pi的交替的ab堆叠六边形图案保持未进行激光(图2b)。因此，过滤器是由交替的六边形pi晶格(类似于bernal双层石墨烯的结构)增强的lig的固有复合材料。交替的六边形图案产生出色的刚性和机械强度，同时保持lig的连续性，确保了高导电性。然而，应注意的是，也可使用其他图案化几何图形，并且通常由两个规则晶格组成，每侧一个图案，以提供赋予加固和几何增强的三维晶格。由于lig在空气中的分解温度约为575℃，高于pi在空气中的550℃分解温度，因此过滤器的最大焦耳加热温度受限于pi。但在380℃的测试温度下，过滤器远远低于其稳定性极限。
[0168]
如图2c的光学图像所示，过滤器可以折曲而不会破坏结构完整性。lig的激光刻划是直接写入过程，因此可以产生各种易于适应现有hvac系统的几何形状和构造。图2d中的sem图像显示了lig的表面形态，其是高度多孔且纤维状的。(图2d显示了lig毯子，并且未激光的pi由虚线205标记。图2e中的拉曼光谱清楚显示了指示lig形成的d、g和2d峰的存在[ye 2019]。d带可以由泡沫中石墨烯层的弯曲产生[dimiev 2016]。
[0169]
图3a-3c中显示了lig过滤器的横截面图像。图3a是显示过滤器的整个厚度以及提高过滤效率的过滤器的固有形态梯度的横截面图像。图3b是lig过滤器外部的sem图像(图3a方框301的放大图像)，显示了捕获较大颗粒和气溶胶的lig纤维(ligf)毯子[duy 2018]。图3c是呈现lig结构的部分lig过滤器的sem图像(图3a方框302的放大图像)，其具有允许捕获细菌和较小颗粒的曲折的2.86-8.94nm孔隙[lin 2014]。
[0170]
lig的各种形态是可见的。过滤器的外表面形成了lig纤维(ligf)毯子，用于捕获较大颗粒和气溶胶(图3b)。过滤器的中心包含多孔lig，其可捕获较小污染物和细菌(图3c)。这两种形态都可以在pi激光期间形成，并且其之前已经描述过了[lin 2014；duy 2018]。ligf是由于高激光功率和自发脱气而形成的，但pi中较深的激光衰减导致形成多孔lig[duy2018]。形态梯度有助于延长过滤器的使用寿命，因为较大颗粒在较小颗粒之前去除，从而防止较小孔隙阻塞。亚微米孔隙具有高曲折度，并且适合捕获微生物。
[0171]
在本发明的另一实施方式中，包含聚合物或碳基lig前体的透气多孔片材转化为lig。多孔前体材料片材的一个实例包括由聚酰亚胺纤维构成的非织造毡。用占空比高达30％的10.6μm 75瓦co2脉冲激光辐照毡，得到了激光诱导石墨烯。图4a显示了经激光的聚酰亚胺毡的拉曼光谱，其清楚显示了指示lig形成的d、g和2d峰。图4b中的sem图像显示了lig表面形态的高度多孔性质。lig过滤器的横截面图像(激光之前和之后的非织造聚酰亚胺材料)显示于图4b-4c。图4d-4e显示了与其它过滤器材料相比，各种p84非织造lig过滤器的压降特性。图4d中曲线401-406显示了n95口罩、外科口罩、未涂覆p84、经涂覆p84、未涂覆p84 lig、和经涂覆p84 lig。图4e中曲线411-414显示了外科口罩、n95口罩、经涂覆p84上的lig、和外科口罩和lig p84非织造物一起。
[0172]
与使用固体聚合物片材的实施方式不同，lig空气过滤器可通过仅对单侧进行激光由多孔片材产生，无需特定图案化。不同的是，需要通过使两侧转化为多孔lig或首先在固体片材中对网格进行切割，在固体片材上产生孔隙度。这进一步消除了对片材两侧上图案对齐的需要，并允许保持连续多孔支撑。
[0173]
由于这些优点，通过对多孔基材进行激光来制造空气过滤器的方法可以很好地用
于lig空气过滤器的自动化制造的实施方式中。自动化制造的示例包括但不限于：在传送带上使多孔片材传送通过激光暴露区域，或使用辊对辊的传送方法来进行相同操作(图5a-5b)。
[0174]
图5a显示了利用生产lig空气过滤器的基于传送机的方法的系统500。传送带504通过辊505移动，以使传送带沿箭头506方向移动。多孔lig前体材料片材501(例如，由聚合物如聚酰亚胺制成)通过传送带移动，然后使用激光503进行激光以形成支撑在未激光lig前体材料501上的lig502。
[0175]
图5b显示了生产lig空气过滤器的辊对辊方法的系统510。lig前体材料511(例如，由聚合物如聚酰亚胺制成)的辊516通过辊515展开并移动，从而使用激光513可以对lig前体材料511进行激光以形成支撑在未激光lig前体材料511上的lig 512。支撑在未激光lig前体材料511上的lig 512随后通过卷绕到辊517上进行收集。
[0176]
利用lig的过滤系统
[0177]
与典型的纤维过滤器相比，lig过滤器的独特之处在于，lig呈现出适中的导电性，使过滤器能够通过电功率耗散进行焦耳加热。图6a-6c显示了lig基过滤器的自杀菌的工作原理。过滤器测试设置如图6a所示，真空过滤系统600包括lig过滤器602，气流604可通过该过滤器流入腔室601，并通过过滤器603(例如，0.22μm的pes过滤器)流出至真空部605。
[0178]
lig过滤器602安装在真空过滤系统600上，并由0.22μm孔测试pes膜603串联背衬。pes膜603捕获了通过lig过滤器602的污染物，并提供了表征lig过滤器602有效性的方法。当lig过滤器602经受气流时，微生物和污染物(例如霉菌孢子、细菌、微粒和内毒素)嵌入lig中。参见图6b。sem成像和拉曼光谱显示出，没有lig颗粒从过滤器中释放并向下游行进至pes膜的迹象。lig过滤器随后可以焦耳加热至远超过病原体杀菌温度的温度(图6c)。
[0179]
焦耳加热过程的示意图显示于图6d中。直流电源用于在过滤器上施加电势。电能耗散导致电阻加热。显示lig过滤器上热分布的红外图像显示于图6e中。过滤器很容易超过380℃，且热分布非常均匀。
[0180]
该空气过滤器的独特之处在于，lig是导电材料。已证明了～5ω/sq的片材电阻[chyan 2018]。当在整个lig过滤器上施加足够电压时，焦耳加热使过滤器温度快速升高，可以焚烧被捕捉的微粒，如细菌、内毒素和病毒。干燥空气中细菌和内毒素的杀菌温度分别为150℃和250℃[jenneman1986]。而病毒衣壳失活的温度是低得多的温度，在150℃下约小于3秒。使用直流电源，lig材料可在约6秒内快速焦耳加热至250℃，功耗约为0.8w/cm2。图7显示了lig基过滤器的温度与所施加功率的关系。这使得所捕捉的微粒能够快速焚烧，因此lig基空气过滤器被认为是自净的。便利地，支撑自立式lig薄膜的pi在高达550℃的空气中是稳定的。这远低于所需的杀菌温度，因此随着时间推移，薄膜将非常稳定。
[0181]
图8显示了经受25天连续气流的lig过滤器的光学图像。
[0182]
lig空气过滤器的导电性还允许lig过滤器以静电模式运行，从而提高颗粒捕获。在整个lig过滤器上施加电势可以捕获带电粒子。在单侧lig空气过滤器上，可以在过滤器片材的平面中施加电压。在双侧lig过滤器上，可在整个过滤器上施加电压，使得与片材另一面上的lig过滤器的第二侧相比，lig过滤器的第一侧可以带更多正电荷或负电荷。电荷的施加显示出细菌颗粒通过过滤器的渗透性下降。图9a-9d显示了不同几何结构，例如，具有lig过滤器902的系统，其支承静电过滤器901(p84聚酰亚胺纤维，奥地利兰精赢创纤维股
份有限公司(evonikfibersgmbh,lenzing,austia))的电压903施加。图9c-9d的系统包括间隔物904。图9e是显示如图9d所示系统多个部分的照片。
[0183]
表i显示了铜绿假单胞菌(p.aeruginosa)菌落形成单位减少与图9a-9d所示几何结构以及不使用lig(单层和双层厚度的p84聚酰亚胺纤维)的系统中所施加电势之间的关系。在表1中，在10升/分钟空气流速下，相对于没有任何测试过滤器的系统，对细菌通过率(％)进行标准化。
[0184]
表i：
[0185][0186]
nt
–
未测试
[0187]
温度、功率、空气流速和压降的关系
[0188]
过滤器表征的重要参数包括流速、压降和颗粒捕获能力。过滤器的有效流速反映了空气能够通过过滤器进行有效过滤的速率。过滤器上的压降表示过滤器对气流的阻力，并与驱动空气通过过滤器所需的功耗相关。空气过滤器的优值(q)通常如式1所定义：
[0189]
q＝-in(p)/δp(i)
[0190]
其中，p是限定为下游颗粒浓度除以上游颗粒浓度的颗粒渗透性，δp是通过过滤器的压降[brown1993]。在给定空气流速下，希望具有低压降和高颗粒捕获效率。
[0191]
整个lig过滤器的压降与室温下空气流速的关系如图10a所示。该过滤器在气流和压降之间呈现出伪线性关系，这在颗粒捕获空气过滤器中是常见的。气流速率对lig过滤器焦耳加热能力的影响由图10b表征。具体而言，记录了过滤器同时承受0至25升/分钟气流时的温度与电功率曲线的关系(曲线1001-1006分别对应于0、5、10、15、20和25升/分钟)。
[0192]
在相对较低的流速(0和5升/分钟)下，未观察到对温度与功率关系的实质性影响，并且在高流速下观察到低供应功率的温度降低。然而，温度功率曲线显示出在较高流速下的s形行为，表明即使在相对较高的流速下，提高功率也可以部分补偿温度的降低。
[0193]
不同流速下，整个lig过滤器的压降与过滤器温度的关系显示于图10c(曲线1011-1016分别对应于0、5、10、15、20和25升/分钟)。如所预期的，压降随着流速增加而增加。还观察到压降随着温度升高而增加。这是由于石墨烯的负热膨胀系数[yoon2011]。随着温度升高，lig收缩，孔尺寸减小，气流阻力提高。
[0194]
由于多种原因，收缩是有利的。当过滤器进行焦耳加热时，收缩增强了lig捕捉并焚烧所捕获污染物的能力。类似地，随着温度的升高，收缩改善了lig内的电接触，并且降低了材料的电阻率，使加热越来越容易。收缩减少了空气流动，导致加热期间能量损失减少，并能够到达较高的温度，由此导致在温度-功率曲线中观察到的s形行为。
[0195]
热循环稳定性
[0196]
lig过滤器热循环稳定性测试结果如图10d所示。在250次循环至255℃内未观察到分解，其中，以恒定15v施加5秒电势，然后切断5秒，以允许过滤器冷却至室温。之后，在相同条件下对过滤器进行30分钟加热，以测试延长的焦耳加热热稳定性。lig过滤器样品的延长的焦耳加热证实了恒定的热稳定性。最后，过滤器经受380℃下加热1小时，并且由于lig和pi的显著热稳定性，未观察到降解迹象。
[0197]
由于lig的热容较低，加热和冷却速率很快。加热至255℃所需的时间量约为5秒，过滤器冷却至室温所需的时间量约为5秒。低热容对过滤器效率至关重要，因为过滤器不需要大量的能量进行加热，因此有助于在短时间内以低功耗实现高温。同时，转移至空气并最终通过空气调节排出的废热量也减少了。随着温度升高，电流提高约4.5％，因为lig的电导率随温度增加，因此能通过测量电阻进行实时温度监测。lig在空气中的分解温度约为575℃，在空气中的热稳定性比pi高，pi在空气中的分解温度约为550℃。通过tga测定，过滤器在低于560℃时是稳定的。因此，焦耳加热lig过滤器的工作峰值温度应限制在《500℃，以防止热降解。
[0198]
颗粒污染物捕获测试
[0199]
颗粒由香烟燃烧产生，并经过lig过滤器，以确定捕获亚微米颗粒的效率。经过滤空气鼓泡通过水，以捕获空气中的微粒，并通过动态光散射(dls)进行分析。
[0200]
用于捕获空气中微粒的水的光学图像(图10e)显示出，与经过滤空气(容器1022中)相比，未过滤空气(容器1021中)含有更多微粒，如溶液颜色的变化所示。dls用于估算鼓泡器中捕获的颗粒浓度。参见图10f，并且曲线1031-1032分别表示未过滤和具有过滤器。在所有颗粒尺寸范围内，过滤器阻止了大部分颗粒(大于86％为0-500nm)。一些较小颗粒能够渗透过滤器，尽管所观察的尺寸范围足够小，足以渗透高效空气颗粒(hepa)过滤器。
[0201]
然而，由于大多数细菌、真菌、气溶胶、含病毒的气溶胶、过敏原和携带病原体的颗粒物通常都是微米级的，因此更精细的过滤并不能为医疗应用保护提供实质性改进[kowalski 2012]。通过增加过滤层、折叠过滤器或化学官能化，可以很容易地提高过滤效率，尽管后者可能会使工作温度更受限。仅基于尺寸排除筛选而不考虑任何其他捕获机制，过滤器将有效阻止花粉、孢子和粉尘颗粒，并且因此将有效消除常见过敏原[sublett 2010]。
[0202]
可重复使用性/焦耳加热
[0203]
lig过滤器有目的地以不同材料进行涂覆，并进行焦耳加热以测试其可重复使用性。图11a显示了搅拌箱系统1100，该系统用于采用测试介质对过滤器进行涂覆，并且图表数据显示了过滤器的恢复。系统1100包括具有风扇1102(例如12v风扇)(用于颗粒1103的手动微粒饱和)的搅拌箱1101和包括lig过滤器1105的真空过滤系统1104。lig过滤器1105的放大图如图11b所示。lig过滤器1105可以是具有银导体1107的非波纹单片材lig 1106。真空过滤系统1104可使用导管1108使空气流动以抽真空。系统1100还包括用于气压读数的压力计h009和电源1110。图11c显示了焦耳加热前(lig过滤器1105a)和焦耳加热后(lig过滤器1105b)所示的lig过滤器1105过滤器上的微粒物质。系统1100中不需要pes过滤器。
[0204]
merv 8粉尘
[0205]
最低效率报告值(merv)设计用于帮助过滤器评级。merv评级表见http://
www.mechreps.com/pdf/merv_rating_chart.pdf，并且一些各种不同的过滤器按如下评级：
[0206]
纺成玻璃纤维过滤器(merv 1-4)：这些过滤器便宜且是一次性的，将捕集80％的50微米及更大的颗粒，并阻碍25％的3至10微米的颗粒。许多制造商建议这些过滤器作为风扇电机、热交换器和其他表面上粉尘和污垢积聚的最低防护。其过滤掉大颗粒以保护熔炉部件，提供最大气流，但不会过滤影响人们健康的微小有害污染物。
[0207]
一次性折叠纸或聚酯过滤器(5至8merv)：这些中等尺寸的过滤器可以捕捉80％至95％的5微米及更大的颗粒。其成本是纺成玻璃纤维过滤器的四倍，但过滤效果更好。
[0208]
静电过滤器(2至10merv)：其使用自充电纤维(self-charging fiber)来吸引微粒离开空气。标准尺寸的一次性折叠版的售价约为10美元(例如：16英寸x25英寸x1英寸)。可洗涤版(4至10merv，通常不折叠)听起来是省钱的好方法，但质量随成本而变化。质量更好的那些可以持续长达8年。这些过滤器必须在洗涤后完全干燥，以避免发霉或霉菌生长，所以方便技巧是买两个，然后将其旋出进行清洗。
[0209]
一次性折叠高merv过滤器(11至13merv)：高效过滤器可以捕捉0.3微米的颗粒，如细菌和一些病毒。两至五英寸厚的过滤器固定在安装于空气处理器上的盒状外壳中，可以持续长达一年。过滤器设计的周期变化可能会使价格增加。
[0210]
高效微粒捕集(hepa)过滤器：这是真正的高端过滤，能够过滤掉0.3微米的颗粒。hepa过滤器严重限制气流，只能与可兼容系统匹配。
[0211]
对于merv 8级过滤器，比色效率(dust spot efficiency)为30-35，过滤效果(arrestance)大于90％。merv 8级过滤器的典型受控污染物为颗粒尺寸3.0至10.0pm。merv 8级过滤器的典型应用和限制是商业建筑。merv 8级过滤器的典型空气过滤器/清洁器类型是折叠过滤器，其通常是一次性的，扩展了表面积，是厚的，具有棉-聚酯共混介质和硬纸板框架。
[0212]
图12显示了merv 8过滤器的粉尘引导器1200。粉尘引导器1200是强力空气锥形系统，其中，含有粉尘的空气通过导管1201吹入锥形物中。然后空气利用merv 8过滤器1202进行过滤，将提供对霉菌孢子、花粉、宠物皮屑和尘螨碎屑的过滤。通过该系统，颗粒被捕捉在过滤器1202中。
[0213]
使用粉尘引导器1200将来自室外来源的粉尘捕捉在过滤器1202上。随后将过滤器1202切割成正方形，并且反向加载到箱系统1100中。然后使用清洁空气(实验室质量)将捕捉在merv过滤器中的颗粒(称为merv8粉尘)吹到lig过滤器1105上。
[0214]
图13显示在一系列循环内包含merv8粉尘的lig过滤器1105搅拌、退火和恢复的图示。图14a-14c显示了在merv 8粉尘积聚之前、在merv 8粉尘第一轮饱和之后、以及在第一轮焦耳加热之后的lig过滤器1105。图13显示了介质搅拌后空气压力显著增加，虽然没有回到初始水平，但有显著恢复。由于空气中不可燃的物质保持堵塞在过滤器中，因此无法恢复到原始水平。
[0215]
蜂花粉
[0216]
焦耳加热可以有效地减少有机物质(如蜂花粉)的堵塞。蜂花粉是最著名的蜂疗剂(apitherapeutics)之一，其化学组成在很大程度上取决于植物来源和地理来源以及其他因素(例如，气候条件、土壤类型、蜜蜂种族和活动)。在蜂花粉组成中，有约250种物质，包括
氨基酸、脂质(甘油三酯、磷脂)、维生素、宏微量营养素和类黄酮。
[0217]
图15显示了用蜂花粉快速老化的lig过滤器材料的搅拌、退火和恢复。(搅拌涉及两个12伏风扇，使空气在内部堆着介质的封闭箱里循环。如果是蜂花粉，则需要敲打箱表面或摇晃箱，以使风扇能将蜂花粉吹向周围。蜂花粉的密度为(～0.68g/cm3))。图16a-16b分别显示了在第一轮焦耳加热后得到的在300℃下进行焦耳加热之前堵塞和在300℃下进行焦耳加热之后未堵塞的过滤器。图16c-16f分别显示了第一轮焦耳加热后的lig过滤器、第二轮焦耳加热后的lig过滤器(并且可看到并形成蜂花粉泡沫片材)、四轮搅拌后的lig过滤器和第四次搅拌后的lig过滤器(并且看到蜂花粉从过滤器上脱落)。
[0218]
过滤器堵塞导致整个过滤器的压降增加，能耗增加。焦耳加热会焚烧被捕捉的微粒，并降低压降，以使过滤器“再生”(即，使过滤器畅通)。过滤器的这种再生可以在过滤器的整个寿命周期内实现节能。
[0219]
在三轮过度饱和/搅拌/退火后，恢复显而易见，但随着石墨烯似乎适度粘附在退火的蜂花粉上，蜂花粉开始使片材受热并从过滤器上剥落，导致过滤器损坏，并显示出比初始压力值更多的恢复，最终出现了损坏。
[0220]
室内粉尘
[0221]
从标准真空吸尘器的袋子中收集的粉尘也使用lig过滤器进行过滤。通过手将粉尘挤压通过袋子上的孔洞以允许粉尘颗粒排出，使该粉尘(称为“室内粉尘”)直接搅拌到lig过滤器中。
[0222]
图17显示包含室内粉尘的lig过滤器的搅拌、退火和恢复。对来自真空袋中的室内粉尘颗粒进行退火后，未发现任何恢复。通过真空拾取的材料含有大量玻璃或二氧化硅，在通过焦耳加热～350℃的所用温度范围内并未退火。图18a-18c分别是图17所示过程中使用的lig过滤器在第二轮搅拌之前(a)、搅拌之后(b)、以及在焦耳加热之后(c)的照片。
[0223]
细菌捕获和培养结果
[0224]
图19a显示了用于确定lig过滤器捕获和杀灭空气中细菌的功效的实验装置。真空过滤系统1900包括lig过滤器1902，气流1904可通过该过滤器流入腔室1901，并通过过滤器1903(例如，0.22μm的pes过滤器)流出以抽真空1905。对照过滤系统1910也显示于图19a中，其具有类似设置，不同的是其不包括lig过滤器1902。
[0225]
lig过滤器1902安装在市售真空过滤系统上，并以10升/分钟的速率经受气流1904九十小时。通过过滤器捕获的空气中细菌的时间依赖性孵育显示出，细菌在24小时孵育时间内经历了延迟阶段、指数阶段和稳定阶段。因此，使用24小时后的孵育来确定过滤器是否暴露于细菌或捕获了细菌。
[0226]
空气以与对照过滤漏斗相同的流速和持续时间通过lig过滤器。对照0.22μm pes滤膜(在对照过滤系统1910中标记为pes a)。标记为pes b(真空过滤系统1900)的pes膜与lig过滤器串联，pes b的后续培养显示出细菌是否在运行期间通过lig过滤器。
[0227]
图19b是培养过程的示意图。将相关过滤器1911浸入肉汤培养基1912中，并且培养后，使用随时间变化的所得培养物1915的光密度测量来检测细菌增殖。
[0228]
图19c是培养基光密度的柱状图，90小时气流过滤器在培养基中孵育24小时(lig过滤器、pes a、pes b、lig加热过滤器和无菌lig分别以柱1921-1925显示)。观察到，除经受相当流速和持续时间的pes对照过滤器(pes a)外，所有样品均未出现细菌生长，表明空气
中存在细菌。
[0229]
重复该实验，但在孵育24小时之前，将过滤器在培养基中温和超声2分钟。如图19d所示(并且lig过滤器、pes a、pes b、lig加热过滤器和无菌lig分别以柱1931-1935显示)，随后在pes a过滤器和非焦耳加热lig过滤器中观察到细菌生长。因此，由于lig的抗菌包封表面性能，即使将过滤器浸入培养基中，lig过滤器捕获的细菌也会抑制增殖[luong2019；singh 2017]。
[0230]
用与lig过滤器串联的pes测试过滤器样品(pes b)孵育的培养基中没有细菌生长，表明lig过滤器成功阻止细菌到达pes b，并且pes b保持无菌。在经超声的焦耳加热lig过滤器样品上未观察到细菌生长，表明在300℃下焦耳加热成功杀灭了细菌。
[0231]
还观察到，在四次24小时试验之间，含有培养基的pes a过滤器的光密度大致相同，表明温和超声不会杀灭细菌。在随后的试验中，观察到pes a和非焦耳加热的lig过滤器的指数阶段后，过滤器的额外培养时间超过130小时，显示出焦耳加热的lig或pes b没有细菌增殖，表明这些过滤器在实验范围内无菌。
[0232]
多糖碳化演示
[0233]
细菌内毒素通常是脂多糖(lps)，作为革兰氏阴性细菌外膜外叶的结构成分。其在细菌死亡期间释放，并且包含长链聚糖聚合物(也称为o抗原)，其附着在核心低聚糖上，继而又与脂质a结合[rietschel 1994]。内毒素的主要生理免疫反应(如高热和败血症性休克)可归因于lps的脂质a部分。一般来说，内毒素需要在高于250℃长时间加热才能分解。然而，高于300℃，log
10
分解速率加速至第二时间尺度[tsuji i 1978；tsuji ii 1978]。
[0234]
由于淀粉的热稳定性与lps糖类部分的稳定性相当[aggarwal 1998；liu 2009]，因此证明了通过焦耳加热lig使淀粉碳化，以确定表面是否超过分解lps所需的温度。当向过滤器提供1.10w
·
cm-2
时，表面温度在《5s内达到300℃，并且铺展在过滤器表面上的淀粉在《1分钟内快速分解。由于加热元件的内部温度通常高于表面温度，这表明表面足够热以使多糖碳化。之前证明的最大稳定延长期加热温度380℃足以在几秒内使几乎所有生物分子降解，包括朊病毒、真菌毒素、内毒素、外毒素、磷壁酸和核酸等。
[0235]
病毒的捕获和破坏
[0236]
图20显示了lig-3.6w的bet表面积。这表明lig具有约342m2/g的大表面积和丰富的高曲折度纳米孔(孔尺寸分布在2.36nm、3.68nm、5.37nm和8.94nm)。因此，lig特别适用于病毒体以及可能含有病毒体或其他病原体的咳嗽和打喷嚏产生的气溶胶的扩散和吸附捕获。随后的焦耳加热达到的温度足以破坏构成病毒的成分，如核酸、蛋白质、脂质和碳水化合物。因此，同样的过滤器也可用于口罩、个人防护设备和hvac系统，以防止空气传播传染病的传播。
[0237]
其他材料同样适用于合适物质，所述物质用于产生用于过滤应用的lig，包括薄膜、膜、片材、泡沫、纤维、织物和纺织品形式的聚酰亚胺、peek、pes、纸和布。
[0238]
lig过滤系统
[0239]
图21a-21b所示的框架是lig空气过滤的演示。图21a-21b分别显示过滤系统的lig过滤框架设备2100的示例的俯视图和侧视图。图21a显示了如下布局：玻璃框架2101、尼龙螺栓和螺母2102(尼龙螺栓和螺母带有气密垫圈)、lig 2103、铜条带2104(在玻璃下)、多余的聚酰亚胺2105、暴露的铜条带2106和鳄鱼夹2107(或用于电接触的其他连接器)。图21b显
示了暴露的电极侧视图，展示了与暴露的电极匹配的电接触点的位置。
[0240]
在lig过滤器2100中，过滤器捕捉并且随后使捕捉在过滤器中的微粒退火。为了使石墨烯对捕捉的颗粒进行退火，lig需要电极。使用困在lig过滤器和耐高温绝缘体框架之间的电极，可以允许电极对石墨烯进行刚性体支撑。由lig形成的石墨烯的性质是纤维状的，对触摸敏感。使用压向框架和lig之间的石墨烯的扁平电极(如铜)有助于保持接触，其他方法可能会干燥和破裂，或者可能太厚，导致在振动期间与hvac系统内部分离。该电极应用方法是一种退火方法。
[0241]
lig 2103以所需图案对所选材料的两侧进行激光。lig 2103放置在两个由选定材料制成的框架2101之间，铜电极嵌入以允许周期性退火。lig2103暴露于中央的元素，并且框架将铜向石墨烯压紧。尼龙螺钉2102提供框架2101的压紧，有助于实现气密密封以及将电极向石墨烯压紧。框架2101具有用作lig 2103刚性变体的全玻璃面的能力，其在低密度聚乙烯之间层压有电极。这还展示了刚性空气过滤器，其设计用于放置在空气过滤通风口中。只要玻璃能承受组装产生的应力，其是可扩张的。
[0242]
各种电极都呈现出不同电阻读数，并实现了与铜条带类似的益处。这些材料是经过用所制造的过滤器优化和测试的适用选项，以满足所需的性能。
[0243]
与将其应用于lif过滤器有关的其它电极信息参见tour’933pct应用，该应用通过引用纳入本文。
[0244]
所测量的电阻
[0245]
图22a-22f是用于测量电阻的各种lig复合材料的照片(速度为5％，功率为15％)，其在1000次弯曲试验之前在210欧姆开始)。图22a-22f适用于具有测量电阻的以下材料：(a)铜
–
270ω，(b)铜
–
268ω，c)铝
–
650ω，(d)银漆
–
320ω，(e)锤击锡铅焊料
–
650ω，以及(f)2-1超细石墨
–
高温rtv
–
500ω。
[0246]
用途
[0247]
本发明的lig过滤器能够捕获污染物和微生物，并通过焦耳加热进行自净。该过滤器适用于医院，用于减少通过空气、飞沫、气溶胶和微粒-物质-传输模式传播的医院感染。lig过滤器克服了传统hvac过滤器和消毒方法的挑战，通过焦耳加热进行自我杀菌可以防止过滤器上的微生物增殖和随后的下游污染。
[0248]
lig过滤器能够捕获细菌，并且即使浸入培养基中也能防止增殖。通过周期性焦耳加热机制，过滤器消除了过滤器表面上的颗粒，破坏了所捕获的细菌，并超过使维持生命的化合物以及可能导致不良生物反应和疾病的分子热分解的温度，如热原、污染物、过敏原、外毒素、磷壁酸、内毒素、真菌毒素、核酸和朊病毒。
[0249]
该材料可用于医疗机构(如医院)，因为医院内细菌和内毒素引起的感染影响到所有住院患者中的约5％。据信，约20％的院内感染(hai)是空气传播的[kowalski 2016]。许多细菌通过风道在房间之间输送。空气管道中的传统hepa过滤器在过滤器饱和后需要擦洗或更换。本发明的lig基空气过滤器可以周期性焦耳加热，以焚烧被捕捉的细菌和内毒素。这将破坏所捕捉的微粒，从而减少通过空气管道传播的传染性物质。
[0250]
除了在医疗环境中使用外，lig过滤器还可用于需要焚烧空气中的微生物以防止空气中的微生物生物战或恐怖剂(terror agent)的其他应用。lig过滤器也适用于降低运输系统(如商用飞机、火车和公共汽车)中病原体传播的风险，以防止来自不同来源的高流
量乘客携带和引入的疾病的远程传播和转移。同样，该过滤器也可用于保护动物、植物、真菌和其他生物体免受农业、兽医、动物学和研究环境中的疾病。以相同方式，过滤器可以保护生物实验室免受污染。
[0251]
lig空气过滤器可用于捕捉病毒、气溶化飞沫中的病毒，并容易使病毒失活，因为病毒的失活温度通常为150℃下3秒。这包括冠状病毒。
[0252]
lig空气过滤器的几何结构可以改变，以便为特定应用提供最有效的微粒捕获。此外，在lig合成期间调节激光参数可以改变孔径分布。
[0253]
在一些实施方式中，可能不需要使用双侧lig薄膜。在该替代性实施方式中，可以在pi薄膜上切割空间，用于让空气通过。但是lig网格覆盖一侧或两侧且如果网足够厚，微生物和病毒的捕获率仍然很高。
[0254]
此外，还可以使用其他材料来制造lig，例如纸、木材、聚砜，以及各种链生长、逐步生长和活性聚合物系统，包括缩聚物和乙烯基聚合物。此外，例如，其它材料可选自下组：均聚物、乙烯基聚合物、逐步生长聚合物、缩聚物、通过活性聚合物反应制成的聚合物、链生长聚合物、嵌段共聚物、碳化聚合物、芳香族聚合物、环状聚合物、聚酰亚胺(pi)、聚醚酰亚胺(pei)、聚醚醚酮(peek)、聚砜、弹性体、橡胶、回收塑料、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯、低密度聚乙烯(lpe)、线性低密度聚乙烯(lldpe)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚丁二烯、聚(苯乙烯-丁二烯)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、热塑性材料、热固性材料及它们的组合。
[0255]
虽然示出并描述了本发明的实施方式，但是，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和内容下可以对其进行变动。本文所述实施方式和实施例仅是举例，并不意图进行限制。本文所公开的本发明的许多变化和变动是可能的，并且在本发明范围之内。保护的范围不受上文所列描述的限制，而只由所附权利要求书限定，权利要求书的范围包括权利要求书主题的所有等价内容。
[0256]
本文中列举的所有专利、专利申请和出版物的内容都通过参考文献全文纳入本文，它们对本文陈述的内容提供示例性、程序上或其它细节上的补充。
[0257]
可以以范围的形式给出数量和其它数值数据。应当理解，使用这样的范围形式仅是为了方便和简洁，并且应该灵活地将其解释成不仅包括作为范围界限明确列举的数值，而且包括所有包含在该范围内的单个数值或子范围，就如同各数值和子范围都已明确列举。例如，应该将约1至约4.5的数值范围解释为不仅包括明确列举的1至约4.5的限值，还包括诸如2、3、4之类的单个数值和诸如1至3、2至4等之类的子范围。相同的原理应用于仅涉及一个数值的范围，例如“小于约4.5”，应理解为包括所有上述数值和范围。此外，无论所描述的范围或特征的宽度如何，这种解释都适用。符号“～”与“约/大约”相同。
[0258]
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所述主题所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。虽然也可采用与本文所述相似或等同的任何方法、装置和材料实施或测试本公开主题，但描述了代表性的方法、装置和材料。
[0259]
按照长久存在的专利法习惯，术语“一个”和“一种”用于本技术(包括权利要求)时指“一个或多个/一种或多种”。
[0260]
除非另有说明，否则本说明书和权利要求书所用的表示各成分含量、反应条件等等的所有数值应理解为在所有情况下均被术语“约”修饰。因此，除非另有说明，否则，在本
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