耐用纳米纤维网稀松布层压材料的制作方法
【专利说明】耐用纳米纤维网稀松布层压材料
[0001]本申请是申请号为200780043648.5，申请日为2007年11月27日，发明名称为“耐用纳米纤维网稀松布层压材料”的中国专利申请的分案申请。
技术领域
[0002]本发明涉及用于从气态或受污染的空气流中除去灰尘、污垢及其他颗粒的过滤介质和过滤结构，所述过滤结构可一般用于过滤应用中，所述过滤应用包括:真空吸尘器、集尘器、燃气涡轮进气过滤系统、供暖、通风和空调过滤系统，或用于多种其他应用中。
【背景技术】
[0003]气体流常常携带颗粒物质。在许多情况下，希望从气体流中除去一些或全部的颗粒物质。例如，通向机动车引擎或发电设备的进气流，通向燃气涡轮的气体流，以及通向多种燃烧炉的空气流常常含有夹带的颗粒物质。这些颗粒物质如果进入到各种机构的内部零件中，可造成相当大的损坏。因此，经常需要从位于引擎、涡轮、燃烧炉或其他相关设备上游的气体流中除去颗粒物质。另一个实例为商用和家用的供暖、通风和空调(HVAC)过滤系统。通向HVAC系统的空气流常常携带颗粒物质，例如花粉、孢子、大气粉尘、以及其他亚微米颗粒。为了减少过敏反应以及潜在的健康风险，期望除去这些颗粒物质。
[0004]纳米纤维和包含纳米纤维的纤维网组合物具有改善的特性，所述特性可用于多种应用中，包括形成过滤应用所需的过滤介质。参见例如U.S.7，008, 465，其中描述了纳米纤维在空气过滤应用中的用途。
[0005]在制备细旦纤维介质的过程中，已使用了多种材料，包括玻璃纤维、金属、陶瓷和一系列聚合物组合物。已使用了多种形成纤维的方法和技术来制造小直径微纤维和纳米纤维。一种方法涉及使材料通过细的毛细管或开口，其中所述材料可为熔融材料的形式，也可存在于随后被蒸发的溶液中。也可以用通常用于制备合成纤维例如尼龙的“喷丝头”来形成纤维。静电纺丝也是已知的。此类技术涉及使用皮下注射针、喷嘴、毛细管或活动发射器。这些结构提供聚合物的液体溶液，所述溶液随后被高压静电场吸引至收集区域。随着材料被拉出发射器并加速通过静电区域，纤维变得纤细并可通过溶剂蒸发作用而形成纤维结构。
[0006]在过滤应用中，使过滤介质形成褶皱以增加可用于液体接触的有效表面积是广为人知的。用传统技术制造的纳米纤维网导致纳米纤维网层的纤维表面稳定性不佳。对于褶皱过滤器的制作，稀松布和纳米纤维网层之间的较低粘合强度导致了不可接受的褶皱质量。在打褶过程中，纳米纤维网被打褶辊磨损，并且纳米纤维网层与稀松布分层。
[0007]为防止纤维的磨损和纳米纤维网层的分层，通常会使用第二稀松布来形成“SNS”(即稀松布一纳米纤维网一稀松布)结构。用粘合剂或通过超声和热粘结来实现第二稀松布的粘结，这会增加产品的成本和厚度。较厚的产品会限制褶皱过滤器中的打褶密度(每英寸的褶数)。
[0008]例如，在现有技术的一个商业实施方案中，褶皱过滤器由通过超声粘结技术粘结的“SNS”结构制成。
[0009]在第二商业实施方案中，褶皱过滤器由“SN”结构制成，但纳米纤维网层的基重通常小于0.5克/平方米(gsm)，并且其稀松布由湿法成网纸材和纺粘非织造材料制成。
[0010]在第三商业实施方案中，过滤介质为“SN”结构，其中纳米纤维层的基重小于2gsm，并且其稀松布为130gsm的纺粘聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
[0011]过滤器行业需要纳米纤维网加稀松布的结构，该结构能保持纳米纤维网层的优异过滤性能，同时可无需进一步修改即可形成裙皱。
[0012]本发明人已发现了一种有关对单纯纳米纤维网加稀松布结构进行打褶的问题的解决方法。
【发明内容】
[0013]本发明涉及一种过滤介质，该过滤介质包括纳米纤维层和基底层；该纳米纤维层包含聚合物材料并具有约0.01至1.0微米的纤维直径、约0.5至30gsm的基重、以及至少约2微米的厚度。该纳米纤维层还具有至少约5kN/m的表面稳定性指数，所述介质还是打褶的。
【具体实施方式】
[0014]如本文所用，术语“纳米网”和“纳米纤维网”是同义词。类似地，术语“稀松布”和“基底”也是同义词。
[0015]如本文所用，术语“非织造纤维网”或“非织造材料”是指具有独立纤维、长丝或线的结构的纤维网，这些纤维、长丝或线彼此交错，但不是以规则或可识别的方式，例如在已经纤丝化的针织织物或薄膜中那样交错。已由多种方法，例如熔喷法、纺粘法、粘结梳理成网法，来形成非织造纤维网或材料。非织造纤维网或材料的基重通常用盎司材料/平方码(osy)或用克/平方米(gsm)来表示，并且可用的纤维直径通常以微米来表示。
[0016]“稀松布”为支撑层，并可以为能够与纳米纤维网粘结、粘附或层合的任何平面结构。有利的是，可用于本发明的稀松布层为纺粘非织造层，但也可由非织造纤维的梳理纤维网等制成。可用于某些过滤器应用的稀松布层需要足够的刚度来保持褶绉和死褶。
[0017]如本文所用，“纳米纤维”是指具有小于约lOOOnm、甚至小于约800nm、甚至介于约50nm和500nm之间、以及甚至介于约10nm和400nm之间的数均直径或横截面的纤维。如本文所用，术语“直径”包括非圆形形状的最大横截面。
[0018]初生非织造纤维网主要包含或仅包含通过静电纺纱，例如通过传统的静电纺纱或电吹，在某些情况下通过熔喷法，而生成的纳米纤维。传统的静电纺纱是在美国专利4，127，706中所述的技术，该专利全文并入本文中，其中向聚合物溶液施加高电压以生成纳米纤维和非织造垫。然而，静电纺纱方法中的总生产能力太低，以致无法商业化生产较大基重的纤维网。
[0019]“电吹”法在世界专利公布WO 03/080905中有所公开，该专利全文以引用方式并入本文。将包含聚合物和溶剂的聚合物溶液流从储罐送至喷丝头内的一系列纺丝喷嘴，向喷丝头施加高电压并且聚合物溶液通过喷嘴排出。同时，任选地被加热的压缩空气由空气喷嘴排出，该空气喷嘴设置在纺丝喷嘴的侧面或周边。通常向下引导空气以形成吹气流，该吹气流包裹住新排出的聚合物溶液并将其向前递送，并且有助于形成纤维网，该纤维网被收集在真空室上方的接地多孔收集带上。电吹法允许在相对短的时段内形成商用尺寸和数量的纳米纤维网，该纳米纤维网的基重超过约lgsm，甚至高达约40gsm或更高。
[0020]可将基底或稀松布布置在收集器上以收集和混合在基底上纺成的纳米纤维网，使得可将组合的纤维网用作高性能过滤器、擦拭物等。基底的实例可包括多种非织造布，例如熔喷法非织造布、针刺法或射流喷网法非织造布、织造布、针织布、纸材等，对其使用并无限制，只要纳米纤维层可被添加到基底上。非织造布可包含纺粘纤维、干法成网或湿法成网纤维、纤维素纤维、熔喷纤维、玻璃纤维、或它们的共混物。
[0021 ] 可使用下述电吹法条件来制造本发明的纤维网。
[0022]施加到喷丝头的电压优选地在约I至300kV的范围内，更优选在约10至10kV的范围内。能够以约0.01至200kg/cm2且优选约0.1至20kg/cm 2的压力排出聚合物溶液。这使得聚合物溶液能够以批量生产的方式大量排出。本发明的方法能够以约0.1至5毫升/分钟/孔的排出速率排出聚合物溶液。
[0023]通过空气喷嘴被注入的压缩空气具有约10至10，000m/min,优选约100至3，000m/min的流量。空气温度优选地在约300°C且更优选约100°C的范围内。模具至收集器的距离(D⑶)，即纺丝喷嘴的下端与吸入收集器之间的距离，优选为约I至200cm，并且更优选为约10至50cm。
[0024]对可用于形成本发明的纳米纤维网的聚合物材料没有具体限制，该聚合物材料包括加聚物和缩聚物材料，例如聚缩醛、聚酰胺、聚酯、聚烯烃、纤维素醚和酯、聚硫化亚烃、聚亚芳基氧化物、聚砜、改性的聚砜聚合物、以及它们的混合物。这些种类中优选的材料包括交联和非交联形式的、不同水解程度(87%至99.5%)的聚(氯乙烯)、聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸类树脂)、聚苯乙烯、和它们的共聚物(包括ABA型嵌段共聚物)、聚(偏二氟乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚乙烯醇。优选的加聚物趋于为玻璃状(玻璃化转变温度Tg大于室温)。聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚合物的组合物或合金或低结晶度的聚偏氟乙烯和聚乙烯醇材料便是如此。一类优选的聚酰胺缩聚物为尼龙材料，例如尼龙一6、尼龙一 6，6、尼龙6，6 — 6，10等。当通过熔喷法形成本发明的聚合物纳米纤维网时，可使用能够熔喷成为纳米纤维的任何热塑性聚合物，包括聚烯烃，例如聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯；聚酯，例如聚(对苯二甲酸乙二酯)；以及聚酰胺，例如上述尼龙聚合物。
[0025]可有利的是，向上述多种聚合物中加入本领域已知的增塑剂以降低纤维聚合物的Tg。适宜的增塑剂取决于将被静电纺纱或电吹的聚合物，并且取决于纳米纤维网具体的最终应用。例如，尼龙聚合物可用水或甚至用静电纺纱或电吹工艺中的残余溶剂来增塑。可用于降低聚合物Tg的本领域已知的其他增塑剂包括但不限于脂族二元醇类、芳族磺胺类、邻苯二甲酸酯类，所述邻苯二甲酸酯类包括但不限于选自下列的那些:邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二己酯、邻苯二甲酸二环己酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸双十一酯、邻苯二甲酸双十二酯、以及邻苯二甲酸二苯酯等。“Handbook ofPlasticizers”(George Wypych 编辑，2004 Chemtec Publishing)中公开了可用于本发明的其他聚合物/增塑剂组合，该文献以引用方式并入本文。
[0026]在电吹法中，纺丝箱体下方的收集器真空的吸入压力以及烘干机工段的真空压力是非常重要的工艺参数，这些参数将控制纳米纤维的表面稳定性以及纳米纤维网层与稀松布之间的粘结强度。纺丝箱体下方的纳米纤维网层较粘并由纺丝试剂溶剂化。高吸入压力使得纳米纤维网可与稀松布层紧缩，并通过其与纺丝试剂的粘性来促进“纤维与纤维”之间的粘结。高吸入压力会增强纳米纤维网到稀松布的机械锚固。
[0027]本发明可以过滤介质、滤筒的形式使用，可以平板式或圆柱形装置的形式使用，以及可用于多种过滤方法应用中。此类应用包括过滤气流和液流；真空吸尘器；除尘；机动车和其他运输应用(既包括轮式车辆以也包括航空器设备中的过滤应用)；将这些材料用于Donaldson Company, Inc.的Powercore (Z型过滤介质)应用；燃气轮机发电站进气流的过滤；过滤军事、住宅、工业、和医疗环境的室内空气；半导体制造以及其中减少小颗粒对于健康、有效生产、清洁、安全、或其他重要目至关重要的其他应用；在军事应用中过滤空气流以除去当地环境中的生物危害或化学危害物质；用于封闭式通风设备的过滤，该通风设备