作为空气过滤介质的驻极体纳米纤维网的制作方法
【专利摘要】本发明涉及改善的空气过滤介质，其包括单层聚合物纳米纤维网，该纤维网包括单一来源的无规缠结的纤维网络，该纤维网络具有至多?20kV的静电荷、约70％至约99.99％的过滤效率范围、以及对于0.3微米直径的颗粒而言小于约2.5mm wg的空气阻力。该空气过滤介质由离心熔体纺丝方法制得。
【专利说明】
作为空气过滤介质的驻极体纳米纤维网
[0001 ]本申请要求2013年10月21日提交的美国临时申请61 /893，316的优先权，该申请全 文以引用方式并入本文。
技术领域
[0002] 本发明涉及驻极体纳米纤维网，其包括单一来源的无规缠结的具有一定纤维直径 范围的纤维网络，其获得改善的过滤性质，特别用于空气过滤。
【背景技术】
[0003] 由纳米纤维获得的增大的表面与体积比率已对广泛的应用有显著的影响。具体 地，对于过滤器性能，其基于广生最尚的流速同时捕集和截留最细的颗粒，而不堵塞过滤 器，纳米纤维具有改善的截留和惯性撞击有效性。
[0004] 实际上，纳米纤维介质本身是柔软且脆弱的，并且不能单独用作空气过滤器。纳米 纤维目前仅可涂覆在刚性基材上以形成可容易操作的复合体。该基材通常来说是非织造微 纤维介质。纳米纤维涂层可通过静电纺纱法或熔吹方法进行生产，电纺丝纤维的直径通常 小于熔吹纤维的直径。静电纺纱的纳米纤维通常在低速率下生产，对于许多应用而言成本 过高，并且熔喷的纳米纤维相对于标准过滤介质而言是相对昂贵的。即使是可在高速率下 生产的海岛型纳米纤维也是以高成本生产的，因为它们需要可移除的"海"和移除"海"的方 法步骤。无规地平放纤维的熔喷纳米纤维方法或熔融膜原纤化方法对于大多数最终用途应 用而言在充分高的生产量下提供不了充分的均匀度。
[0005] 非织造纤维网已被公开用于空气过滤介质。美国专利申请2006/0137317和US 8， 282,712公开了一种过滤介质，其由双层稀松布-纳米纤维(SN)结构组成，用于空气过滤器。 SN结构具有至少一个其纤维具有小于lwii直径的纳米纤维层和至少一个上游的稀松布层。 该介质对于粉尘颗粒具有充分的保持能力，使得在使用过程中通过该介质的有效性损失和 压力损失最低。该介质具有良好的通量/阻隔特性（即高有效性和低压降）。然而，在过滤器 应对非常小的尘粒挑战的某些工业HVAC应用中，容尘量低于期望值，这种情况会在HVAC系 统被设计和构造为在高效率最终过滤器前具有较低效率的预过滤器时发生。在SN结构中， 稀松布通常由纤维直径为14至30微米的非织造纤维网制成，其能够预过滤掉粒度大于约5 微米的颗粒。剩余的颗粒将到达薄纳米纤维层，并且快速填满各个孔并堵塞过滤器。因此， 过滤阻力快速增大，从而缩短过滤器寿命。已尝试了通过增大稀松布的基重和厚度来提高 容尘量。
[0006] 美国专利6,521，321公开了通过在梯度结构介质（例如5吧吧《中替代地层合至少 6至7个粗纤维和细纤维的纤维网以提高空气过滤器的使用寿命的尝试。所需的层合数使得 该方法在经济上无吸引力。
[0007] 美国专利7,125,434公开了使用深梯度密度的过滤器用于过滤生物药物流体的尝 试，该过滤器由三个材料区域组成。该过滤器具有至少1.27cm的深度，并被设计用于液体过 滤。厚度对于折叠式空气过滤用途是有限制的。
[0008] 另一方面，带电荷的非织造纤维网常被用作呼吸器中的过滤器以防止穿戴者吸入 空气传播的污染物。电荷增强了非织造纤维网捕集悬浮在流体中的颗粒的能力。非织造纤 维网在流体通过纤维网时捕集颗粒。带电荷的介电颗粒常被称为"驻极体"，并且近年来已 研发多种技术用于制造这些产品。经静电处理的熔吹过滤介质，如美国专利4,874,659和4， 178,157中所述的，初始时表现良好，但使用中迅速失去过滤效率，这是由于当介质开始捕 集颗粒时粉尘填塞，并且静电荷由此变为绝缘。此外，由于颗粒的有效捕集基于电荷，该过 滤器的性能很大程度上受空气湿度的影响，造成电荷耗散。纤维驻极体纤维网已通过使纤 维或纤维网带电，用电晕放电装置有意地使它们后处理带电（美国专利4,588,537、6,365， 088和6，969，484)、摩擦带电（当高速不带电气体或液体射流通过介电膜表面时出现）（美国 专利5，280，406)或向纤维网添加特定添加剂以改善驻极体性能而进行生产。
[0009] 美国专利8，277,711公开了少量喷嘴的离心熔体纺丝方法。使用W0 2013/096672 的方法，所得纳米纤维被沉降在带式收集器上而形成纤维网介质。该技术使得纳米纤维网 在高得多的产量和低得多的生产成本下进行大量生产成为可能。
[0010] 需要改善驻极体纳米纤维网，使其具有更高的空气过滤效率和更低的空气阻力。
【发明内容】
[0011] 本发明涉及空气过滤介质，其包括单层聚合物驻极体纳米纤维网，该纤维网包括 单一来源的无规缠结的纤维网络，该纤维网络具有至多-20kv的静电荷、约70 %至约 99.99%的过滤效率范围、以及对于0.3微米直径的颗粒而言小于约2.5mm wg的空气阻力。
[0012] 本发明还涉及空气过滤介质，其包括纳米纤维网，该纳米纤维网包括：（a)按数量 计纳米纤维网中至少约65%的纤维，是数均直径小于约lOOOnm的纳米纤维；（b)按数量计纳 米纤维网中最多约30%的纤维是数均直径为约1.Own至约3.Own的微纤维；以及(c)按数量 计纳米纤维网中最多约5 %的纤维是数均直径大于约3. Own的粗纤维。
[0013] 本发明还涉及空气过滤介质，其包括通过离心熔体纺丝方法制造的纳米纤维网。
【附图说明】
[0014] 图1是使用纺丝盘的离心熔体纺丝设备的示意图，该纺丝盘适用于制造根据本发 明的纳米纤维网。
[0015] 图2是本发明的实施例与比较例的其它方法纺丝的非织造物相比，空气过滤介质 的效率指数与空气阻力的函数关系。
[0016] 图3是本发明的实施例与比较例的熔体纺丝的非织造物相比，空气过滤介质的效 率指数与空气阻力的函数关系。
【具体实施方式】
[0017]
[0018] ^文所用，术语"纤维网"是指通常制成非织造物的纤维网络的层。
[0019] 如本文所用，术语"非织造物"是指多个基本上无规取向纤维的纤维网，其中通过 肉眼不能分辨纤维排列中的总体重复结构。所述纤维可以彼此键合，或者可以是非键合的， 并且缠结以向所述纤维网赋予强度和完整性。纤维可以是短纤维或连续纤维，并且可包含 单一材料或多种材料，也可以是不同纤维的组合或者是各自包括不同材料的类似纤维的组 合。
[0020] 如本文所用，术语"纳米纤维网"是指主要由纳米纤维构成的纤维网。"主要(地)" 是指纤维网中大于50%的纤维是纳米纤维。
[0021] 如本文所用，术语"纳米纤维"是指数均直径小于约lOOOnm的纤维。就非圆形横截 面的纳米纤维而言，如本文所用的术语"直径"是指最大的横截面尺寸。
[0022] 如本文所用，术语"微纤维"是指数均直径为约1. Own至约3. Own的纤维。
[0023] 如本文所用，术语"粗纤维"是指数均直径大于约3. Own的纤维。
[0024]所谓"驻极体"是指带电荷的介电制品。
[0025]所谓"独立的"是指纳米纤维网是单层、自持的且没有任何基材。
[0026]所谓"单一来源"是指纤维网的任何结构性质和带电性质来自单一的纺丝方法。
[0027] 所谓"离心纺丝方法"是指通过从旋转构件抛出而形成纤维的任何方法。
[0028] 所谓"旋转构件"是指喷射或分配材料的纺丝装置，由此通过离心力形成纤丝或纤 维，无论是否使用另一种装置诸如空气来辅助此类喷射。
[0029]所谓"凹形的"是指剖面可以是弯曲的，例如半球形的旋转构件的内表面具有椭圆 形、双曲线形、抛物线形的剖面，或者可以是截头圆锥形等。
[0030] 所谓"纺丝盘"是指具有圆盘形状的旋转构件，其具有凹陷、截头圆锥或扁平敞开 的内表面。
[0031] 所谓"纺丝碗"是指具有碗形状的旋转构件，其具有凹陷或扁平敞开的内表面。
[0032] 所谓"纤丝"是指当纤丝变细时，可以细旦纤维前体形式形成的细长结构。在旋转 构件的排出点处形成纤丝。排出点可以是边缘、锯齿或者可为孔，流体通过该孔挤出以形成 纤维。
[0033] 所谓"无喷嘴(的)"是指不来自于喷嘴型纺丝孔的纤丝或纤维，或者旋转构件上没 有任何喷嘴。
[0034] 所谓"气流场"是指描述在本发明方法中在任何点或物理位置处的空气速度和方 向的向量场。
[0035] 所谓"充电的"是指在方法中的一个对象相对于未充电的对象或那些不具有净电 荷的对象具有正极性或负极性的净电荷。
[0036] 所谓"纺丝流体"是指熔融或溶液形式的热塑性聚合物，其能够流动并形成纤维。
[0037] 所谓"排出点"是指纤丝或纤维从纺丝构件抛出的位置。排出点例如可为边缘或 孔，通过该边缘或孔挤出纤丝。
[0038] 所谓"基本上"是指如果一个参数保持"基本上"处于某个值，那么描述该参数的数 值从该值进行的不影响本发明的功能的改变被认为在该参数的描述的范围内。
[0039] 本发明涉及过滤介质，其包括单层聚合物非织造纤维网，其中该非织造纤维网包 括单一来源的无规缠结的纤维网络。该网络包括按数量计纳米纤维网中至少约65%的纤维 是数均直径小于约lOOOnm的纳米纤维，按数量计纳米纤维网中最多约30%的纤维是数均直 径为约1.0M1至约3.Own的微纤维，以及按数量计纳米纤维网中最多约5%的纤维是数均直 径大于约3. Own的粗纤维，并且其中该非织造纤维网的平均纤维直径小于1. Own。该非织造 纤维网可使用美国专利8,277,711(将其以引用方式并入本文）中公开的离心熔体纺丝方法 制得，变化如实施例中所述。
[0040] 该非织造纤维网可使用美国专利8，277，711中公开的离心熔体纺丝方法制得。纳 米纤维的形成是经过均匀的薄膜原纤化。熔体流铺展在纺丝盘的内表面上以形成薄膜。膜 原纤化发生在纺丝盘边缘处，并形成薄线。这些薄线通过离心力被进一步拉伸成纤维。US 8,277,711 B2中对于给定的聚合物，由均匀稳定的薄膜原纤化形成纳米纤维。纤维纺丝的 操作参数是温度、熔体进料速率和盘转速。在本发明中，结合了操作变化，其通过改变温度、 熔体供料速率和盘转速的方法规程以产生成膜不稳定、相对较厚的膜向外移动伴随从中心 至边缘的径向条带化，并且膜在厚度上出现波浪状。纳米纤维从薄膜的较薄区域形成，粗纤 维从薄膜的较厚区域形成，并且微纤维从其间的膜区域形成。该方法利用了产生一定是纤 维直径范围的纤维的纺丝盘或纺丝碗。
[0041] 本发明涉及结合温度、熔体供料速率和盘转速的方法变化以产生成膜不稳定和相 对较厚的波浪状膜。
[0042] 如实施例中所述，与美国专利8,277，711相比，对于给定的聚合物，本发明具有更 低的纺丝盘或纺丝碗的内表面温度、熔体挤出和熔体输送管线温度、以及拉伸区温度。例 如，根据美国专利8,277,711制得的纯纳米纤维网，其中纺丝盘或纺丝碗的内表面温度为 260 °C、熔体挤出和熔体输送管线温度为200 °C，并且拉伸区温度为150 °C。根据本发明制得 实施例中的包括纳米纤维、微纤维和粗纤维的纳米纤维网，其中纺丝盘或纺丝碗的内表面 温度为200°C、熔体挤出和熔体输送管线温度为200°C，并且拉伸区温度为100°C。
[0043] 如实施例中所述，与美国专利8,277，711相比，对于给定的聚合物，本发明将降低 纺丝盘或纺丝碗的转速。例如根据美国专利8，277，711制得纯纳米纤维网，其中转速为14， OOOrpm。根据本发明制得实施例1中的包括纳米纤维、微纤维和粗纤维的纳米纤维网，其中 转速为l〇,〇〇〇rpm。
[0044] 与美国专利8,277,711相比，对于给定的聚合物，本发明将提高对纺丝盘的熔体供 料速率。例如根据美国专利8，277，711制得纯纳米纤维网，其中熔体供料速率为8克/分钟。 根据本发明制得实施例1中的包括纳米纤维、微纤维和粗纤维的纳米纤维网，其中熔体供料 速率为10克/分钟。
[0045] 本发明还将施加受控的脉冲供料。本发明还将施加受控的脉冲转速。
[0046]使用W0 2013/096672的方法将纤维沉降在带式收集器上以形成PP纤维网，其据此 以引用方式并入本文。通过经设计的气流场和充电布置的组合控制纤维网沉降。气流场的 操作参数是拉伸区空气、成型空气和施加穿过空心转轴和防扭转轮轴的中央空气的空气温 度和空气流速。在收集器带上和在围绕纺丝盘的电晕环上存在双高压充电。非织造纤维网 的最终产物已保持静电荷。所得非织造纤维网相对于纯纳米纤维网具有增强的机械性质。
[0047]该方法利用产生纤维直径在一定范围内的纤维的纺丝盘。该非织造纤维网具有至 少约65%的孔隙率、最多约15卵1的中流量孔径、以及125?&下约870(：1113八111 2/111111至约 6000cm3/cm2/min的费雷泽透气率。该非织造纤维网具有约5至约100g/m 2之间和优选约20g/ m2至约60g/m2之间的基重。
[0048]可使用任何可成纤维的熔体纺丝聚合物。例如，可使用聚烯烃，特别是聚丙烯及共 混物。
[0049]非织造纤维网具有静电荷。
[0050] 纺丝方法
[0051] 首先参照对于纺丝盘的图1，示出了纤维110离开纺丝盘边缘处的排出点109。该纤 维沉积在收集器111上。通常，纤维不以受控的方式流向收集器，并且不均匀地沉积在收集 器上，如图1中示意性地示出。本发明中使用的W02013096672方法弥补了该情况，其通过向 正从旋转构件抛出的纤丝和纤维施加空气和静电荷，目标是生产特别均匀的纤维网。
[0052]在一个实施方案中，旋转构件是纺丝盘或纺丝碗，但不限于这些和任何具有边缘 或孔（"排出点"），纤维可从该边缘或孔排出。该方法则可包括以下步骤：向具有前向表面纤 维排出点的加热旋转分配盘、杯或其它装置的内纺丝表面供入至少一种热塑性聚合物的纺 丝熔体或溶液。纺丝熔体或溶液（"纺丝流体"）沿内纺丝表面分布，以便将纺丝熔体分布成 膜，并分布至排出点。该方法还可包括排出步骤，其基本上由以下构成：从正向表排出点排 出连续的独立熔融聚合物纤维流，然后通过离心力使该纤维流或纤丝变细以产生聚合物纤 维。排出的纤维流可通过气流变细，气流用从排出点径向远离的部件导引。
[0053]本领域技术人员将理解可使用从旋转构件产生纤维的其它方式。例如，旋转构件 可具有洞或孔，通过该洞或孔排出聚合物熔体或溶液。旋转构件可为杯、或者平坦的或成角 度的盘的形式；由旋转构件形成的纤丝或纤维可通过空气、离心力、电荷、或它们的组合变 细。
[0054]图1示意性地示出可用于实施本发明实施方案的设备。纺丝组合件包括旋转中空 轴101，其用于驱动纺丝盘105。带有穿孔空气排出板104的纤维拉伸区空气加热环103围绕 纺丝盘进行装配。将成型空气环102安装在拉伸区空气环上并使空气以该方向竖直向下通 过，从而将纤维导向收集器111。将具有针状组件104的带电环置于拉伸区空气加热环103 内，以便为纤维流110充电。将空气轮毂108安装在纺丝盘105下方，转轴101上方。期望携带 电荷的伞形纤维流110通过气流场形成，该气流场来自纺丝盘及其加热器的间隙的空气、拉 伸区空气、成型空气和来自旋转空气轮毂的气流的组合。
[0055]使用W0 2013/096672的方法将纤维沉降在带式收集器上而形成纳米纤维非织造 纤维网，所述专利据此以引用方式并入本文。可将真空箱纤维网沉降收集器211置于整个纺 丝组合件下方。纺丝组合件至收集器的距离可在l〇cm至15cm的范围内。收集器可具有打孔 表面。向收集器施加真空，在收集器的角落和边缘处真空强度最大，从收集器角落和边缘开 始至收集器中央逐渐降低，其中收集器中央的真空强度为零。
[0056]可使用纤维网结构以实施本发明的方法，并且这在图1的实施下得到。由于成膜不 稳定，薄膜随着从中心至边缘的径向条带化向外移动，并且膜在厚度上出现波浪状。纳米纤 维从薄膜的较薄区域形成，粗纤维从膜的厚区域形成，并且微纤维从其间的膜区域形成。 [0057] 纤维可由任何热塑性树脂纺丝，它们能够用于离心式纤维或纳米纤维纺丝。这些 包括极性聚合物，例如聚酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)和 聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT)、以及聚酰胺，例如尼龙，合适的非极性聚合物包括聚丙烯 (PP)、聚丁烯（PB)、聚乙烯（PE)、聚-4-甲基戊烯（PMP)、以及它们的共聚物（包括EVA共聚 物）、聚苯乙烯聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚三氟氯乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯、有机硅、以及这 些的共混物。
[0058] 充电方法
[0059] 任何高电压直流(d.c.)、或甚至交流电可用于提供本发明的静电场。电场用于向 纺丝流体提供电荷。纺丝流体在旋转构件上时可充电，或者当纺丝流体以纤丝或纤维的形 式排出时充电，或者甚至在已经因空气或静电场的作用变细而形成纤维后充电。纺丝流体 可直接充电，例如通过来自由接近旋转构件的充电实体产生的电晕放电的离子电流充电。 此种充电实体的一个示例将为环，其与旋转构件同心并位于熔融聚合物或聚合物溶液、或 者当排出纤丝或纤维时位于纤丝或纤维附近。
[0060] 纺丝流体、纤丝或纤维甚至可通过位于收集器上或其附近的充电器感应充电。
[0061] 期望在充电过程中所消耗的电流较小(优选地小于10mA)。该源极应具有可变电压 设置(例如OkV至80kV)，优选地电晕环为-5kV至-15kV，并且收集板为+50至+70kV，并且优选 地(_)极和(+ )极设置允许调节以形成静电场。
[0062] 纳米纤维因此相对于收集器在本发明的方法中被充电，使得在纤维和收集器之间 存在电场。收集器可接地或直接充电，或者经由在其附近的充电板或其它实体间接充电，例 如在它下方相对于旋转构件。
[0063] 纳米纤维可通过对聚合物熔体或溶液、熔融的或溶液形式的纤丝、纳米纤维、或这 三个位置的任何组合充电获得它们的电荷。
[0064] 纳米纤维可直接充电，例如通过电晕放电和由靠近纤维的充电实体引发的离子电 流充电。此种充电实体的一个示例将为环，该环与旋转构件同心并位于熔融聚合物或聚合 物溶液附近处，或者当排出纤丝或纤维时位于纤丝或纤维附近。
[0065] 在聚合物溶液作为方法介质的情况下，向溶液或纳米纤维充电不是主要的问题所 在，这是由于溶剂的高电导率。但是，在聚合物熔体或熔体纺丝线的情况中，充电并不容易 且不重要，这是由于固体或熔融状态下大多数聚合物的低电导率。在本发明中，拉伸区限定 为旋转碗边缘周围形成线的区域。拉伸区温度是保持线处于熔融状态以使纤丝线受离心力 被拉伸成纳米纤维的关键要素。更重要地是，存在用于聚合物熔体和纤丝线的温度规程以 使充电更有效。通过热激励电流(TSC)法测试熔融PP纤丝线上的静电电流与温度的函数关 系。对于PP，用于聚合物熔体和纤丝线以使充电更有效的温度规程为约165°C至195°C。拉伸 区的最佳温度是180 °C。随着非极性聚合物中的充电剂，方法将更好地运行。
[0066] 施加空气的方法
[0067]气流场具有两个区域，其中表征气流的方向和速率。第一区域是a.从旋转构件开 始的纤丝或纤维的排出点；在该第一区域中的气流方向基本上垂直于旋转构件的纺丝轴 线。气流可以是沿旋转构件的径向方向的，或它可以是与旋转构件成一角度的，空气可由位 于旋转构件附近的多个喷嘴供应，或者它可由狭槽供应，或以其他方式以围绕旋转构件边 缘的连续方式供应。空气可从纺丝轴线径向向外导出，或者在其中空气离开任何给定喷嘴 的点处可与半径成一角度导出。
[0068] 空气因此可由喷嘴供应，该喷嘴具有位于旋转构件半径上的开口，并且可将气流 以与半径成介于〇和60度之间的角度，并且在与旋转构件的旋转方向相反的方向上导出。
[0069] 第二区域位于邻近收集器的空间内，并远离旋转构件周边。在这个区域中，气流基 本上垂直于收集器表面。因此空气将纤维导向收集器的表面，其中它们被纤维上的静电荷 和在收集器和旋转构件之间的电场压制。
[0070] 在这个区域中的空气可由位于旋转构件下侧、在面向收集器的表面上的喷嘴供 应。喷嘴可朝向收集器。
[0071] 气流场还可包括来自在旋转构件主体和收集器表面之间的区域的进入收集器的 气流，其基本上垂直于收集器。
[0072] 本发明涉及空气过滤介质，其包括单层聚合物驻极体纳米纤维网，该纤维网包括 单一来源的无规缠结的纤维网络，该纤维网络具有至多_20kV的静电荷、约70 %至约 99.99%的过滤效率范围、以及对于0.3微米直径的颗粒而言小于约2.5mm wg的空气阻力。 [0073] 所述纳米纤维网包括：（a)按数量计纳米纤维网中至少约65%的纤维是数均直径 小于约lOOOnm的纳米纤维；（b)按数量计纳米纤维网中最多约30%的纤维是数均直径为约 1.Own至约3.Own的微纤维；以及(c)按数量计纳米纤维网中最多约5%的纤维是数均直径大 于约3.0mi的粗纤维。
[0074] 该纳米纤维网具有至少约70%的孔隙率、最多约15wii的中流量孔径和125Pa下约 870cm3/cm2/min 至约 6000cm3/cm2/min 的费雷泽透气率。
[00"75] 该纳米纤维网具有约5至约100g/m2或甚至约10g/m2至约60g/m2的基重。
[0076] 该纳米纤维网包括选自以下的聚合物:聚丙烯和聚丙烯-聚丙烯共混物，其中共混 物中的聚丙烯是不同的。
[0077] 该纳米纤维网通过离心熔体纺丝方法制得。
[0078] 测试方法
[0079] 在以下非限制性实施例中，采用以下测试方法来测定各种报道的特性及性能。 ASTM是指美国材料试验学会。
[0080] 纤维尺寸测量
[0081] 使用扫描电镜法测量纤维直径。为了以不同的详细程度展示纤维形态，在X25、 父100、乂250、乂500、)(1，000、乂2,500、乂5,000和)(10,000的标称放大倍数下获得5￡]\1图像。对于 纤维直径计数，从至少5(至多10)个图像在5000x或2500x的放大倍数下对纤维计数。
[0082]从图像用X500的放大倍数下对纤维计数。至少400个纤维被单独标记并计数。500x 图像的面积为36467微米2,而X5000下的5个图像的面积为1339微米2。为了确保在这两个放 大倍数下将相同的面积用于计数，将X5000下进行的计数乘以36467/1339 = 27次。对于单独 测量，通过复制X5000放大倍数的测量20次，并与X500放大倍数的测量连接而生成新的组合 测试数据组。若非如此，数据中将引入偏差，这是由于X5000下计数对于较小纤维更敏感，且 X500下计数对较大尺寸纤维更敏感。相似地，X2500图像的面积为1475微米2,所以为了确保 在两个放大倍数下将相同的面积用于计数，将X2500下得到的计数乘以4.8倍。对于单独测 量，通过复制X500放大倍数的测试5次，并与X2500放大倍数的测量连接而生成新的组合测 试数据组。
[0083] 基重通过ASTM D-3776测定，结果以g/m2为单位报告。
[0084] 纤维网孔隙率定义为过滤器中流体空间的体积除以过滤器总体积的比值，并且可 从测得的孔体积和材料的堆密度计算。样品的孔隙率由各样品的基重和厚度测量计算。实 践中，片材的基重(BW)通过将给定的样品尺寸(W)除以样品面积(A)进行计算。样品片材的 基重通过沿片材横向冲压出3个具有固定面积的样品，并使用标准砝码对它们称重而进行 测试。该样品尺寸的体积由此为A*S，其中S是样品厚度。使用Checkline MTG-D厚度计在 lOkPa压力下测量厚度，并沿样品在横向上的不同点处经3次测量取平均。样品的重量是样 品体积中纤维的重量。如果片材的固相分数为9,并且聚合物堆密度为P，则
[0085] W = (p pA*8
[0086] 由于BW=W/A，因此(p = BW/_pS，并且聚合物密度为P
[0087] 孔隙率=1-固相分数
[0088] =1-BW/p8
[0089]弗雷泽透气率是特定体积的空气穿过测试样品所需的时间量的度量。气压通过重 力负载的柱桶产生，柱桶捕集使用液体密封物的腔室内的空气体积。该体积加压的空气被 导引至夹持隔垫环，其握持试样。穿过试样的空气通过在下游的夹持片中的孔逸出到大气 中。弗雷泽透气率测量使用FAP-5390F3或FX3300仪器进行，两者均由Frazier Precision Instrument Co Inc. (Hagerstown，Maryland)制造。
[0090]在使用FAP-5390F3仪器中，试样安装在样品台上。通过使用用于压力调节用途的 阻止器，调节栗使得倾斜式气压计在水柱处显示出12.7cm的压力。从然后观察竖立式气压 计和所使用的孔类型的标度指示，得到穿过试样的空气量。喷嘴尺寸取决于材料的孔隙率 而变化。
[0091]在使用FX3300仪器中，一台大功率、消音的真空栗将空气从圆形开口抽入可更换 的测试头。为了测量，将适于所选测试标准的测试头安装在仪器上。将试样夹持覆盖在测试 头开口上，其通过将夹持臂下压，自动开启真空栗。自动维持预选的测试压力，并在数秒之 后试样的透气率以预选的度量单位数字式地显示。通过二次下压夹持臂，释放试样，并关闭 真空栗。由于当试样夹持在适当的位置，覆盖测试头开口时真空栗自动开启，只有在试样已 被夹持后，测试压力才增大。根据测试标准数字式地预选测试压力。其由仪器自动控制和维 持。由于是真实微分测量，测试压力得以精确测量，甚至在高空气流速下。使用可变的孔测 量通过试样的空气流。试样的透气性由穿过该孔的压降确定，并且以所选的度量单位数字 式地显示，用于直接读取。高稳定性、精确的压力传感器提供极佳的测试精确性和测试结果 的再现性。
[0092]在此测量中，向适当夹住的介质样品施加124.5N/m2的压力差，对所产生的空气流 速以费雷泽透气率度量，并以Cm3/min/Cm2为单位报告。通过将费雷兹透气率乘以基重并除 以34而将费雷泽透气率归一化为34g/m 2的基重，并以Cm3/min/Cm2为单位报告。高弗雷泽透 气率对应于高气流渗透性而低弗雷泽透气率对应于低气流渗透性。
[0093] 通量阻隔性是在不损耗气流或液流的情况下对小颗粒的过滤效率的度量。该特性 被定义为弗雷泽透气率(m3/m 2min)除以中流量孔径(微米）。
[0094] 静电荷(E.S.)，其使用smco FMX-003静电场计进行测量。FMX-003测量距离为1〃 的+/-22kV(22,000V)内的静电电压。
[0095] 中流量孔径根据ASTM Designation E 1294-89，"Standard Test Method for Pore Size Characteristics of Membrane Filters Using Automated Liquid Porosimeter(使用自动液体孔度计的膜过滤器的孔径特征标准测试方法)"进行测量。将不 同尺寸（8、20或30mm直径）的各个样品用如上所述的低表面张力流体润湿并放置于夹持器 中，施加空气压差并将流体从样品中除去。润湿流量等于干燥流量(无润湿溶剂下的流量） 的二分之一处的压差用于计算中流量孔尺寸，所述计算采用提供的软件进行。中流量孔径 以Mi为单位报告。
[0096] 泡点根据 A S T M F316,u Standard Test Methods for Pore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean Flow Pore Test (通过泡点和中流量孔测试的膜过滤器的孔径特征标准测试方法)"进行测量。将各个样品 (8、20或30mm直径）用如上所述的低表面张力流体润湿。将样品放置于夹持器中后，施加压 差(空气)并将流体从样品除去。泡点是向样品片材施加压缩空气压力后的第一开口孔，并 且使用供应商提供的软件进行计算。
[0097] 如下确定细颗粒平板负载测试。ASHRAE粉尘和ISO细尘通常用作过滤器以及过滤 介质容尘量测试中的测试气溶胶。然而，这两种粉尘的粒度(大于15微米的质量平均粒径） 并不反映高效空气过滤器在现场应用中处理的粉尘粒度，尤其是当预过滤器用于去除较大 颗粒时。我们在具有预过滤器的空气处理系统中进行的现场测量表明，大于3微米的颗粒很 少，粒度范围介于0.3至10微米之间，按质量计约60 %的颗粒的粒度范围介于0.3至0.5微米 之间。因此，使用ASHRAE和ISO细小测试气溶胶的现有容尘测试不能准确预测过滤介质在现 实生活情况下的容尘量。为了解决该问题，开发了细小颗粒粉尘承载测试，其使用质量平均 直径为0.26微米的测试气溶胶。
[0098] 使用圆形开口直径为11.3cm(面积= 100cm2)的自动过滤器测试仪(TSI型号8130) 在平纸片介质上进行细小颗粒灰尘承载测试。使用2重量％氯化钠水溶液生成质量平均直 径为0.26微米的细小气溶胶，将其用在负载测试中。空气流量为40升/分钟，对应于6.67cm/ s的面速度。根据设备制造商的规定，气溶胶浓度为约16mg/m3。在测试开始时测量过滤效率 和初始压降，在测试结束时测量最终压降。通过用最终压降减去初始压降来计算压降增长。 [0099] 过滤效率测量，其使用圆形开口直径为11.3cm(面积= 100cm2)的自动过滤器测试 仪(TSI型号No.8130)在平板介质上进行。使用2重量％氯化钠水溶液生成质量平均直径为 0.26微米的细小气溶胶。空气流量为40升/分钟，对应于6.67cm/s的面速度。测试开始时测 量过滤效率和初始压降并记录。
[0100] 过滤效率(FE)和压降（dP)如下进行测量。使用TSI 3160过滤测试仪（3160型自动 过滤测试仪)测量相对于粒径的过滤效率和渗透率。通过使用雾化器和静电分类器产生颗 粒而实现具有已知粒径的富有挑战性的过滤器和/或过滤介质。使用拖拽式凝聚颗粒计数 器实现上游和下游颗粒的检测。使用〇. 3微米的颗粒在10.5ft/min下进行测量。
[0101] 效率指数(EI)定义为-log(l-FE/100)
[0102]阻力是指使用EN 1822(1998)中所述的测试方法所测得的阻力（压降）。空气阻力 以所谓的"水位"或"mm WG"度量。
[0103] 实施例
[0104] 由连续纤维组成的纳米纤维网介质以相似于使用美国专利8,277,711的离心熔体 纺丝方法的方式制备。本发明中的实施例通过以下制备:结合温度、熔体供料速率和盘转速 的操作变化，以产生成膜不稳定、相对较厚的膜向外移动伴随从中心至边缘的径向条带化， 并且膜在厚度上出现波浪状。纳米纤维从薄膜的较薄区域形成，粗纤维从膜的厚区域形成， 微纤维从其间的膜区域形成。平放到纤维网介质上的纤维方法是W0 2013/096672的方法。
[0105] 在实施例中，使用图1所示的设备，通过纺丝盘制得空气过滤介质。实施例中使用 的聚合物是40%的高分子量(Mw)PP均聚物Finplas 3825和60%的低分子量(Mw)PP均聚物 E-M PP3546G的聚丙烯(PP)共混物。PP3546G的Mw = 28,400g/mol，熔体流动速率=1800g/ 10min(230°C/2.16kg)，并且260°C下的零剪切粘度为4.00Pa ? S，购自Exxon-Mobile。 Finplas 3825的Mw=176,000g/mol，熔体流动速率= 30g/10min(230°C/2.16kg)，并且260 °C下的零剪切粘度为 186.35Pa*S，购自TOTAL Petrochemicals USA。
[0106] 除非另外指明，来自商业材料的对比例按收到的原样使用。
[0107] 实施例1
[0108] 由连续纤维组成的聚丙烯(PP)介质使用美国专利8,277,711中的离心熔体纺丝方 法、使用具有152.4mm直径的纺丝盘制备。使用具有齿轮栗的PRISM挤出机通过熔体输送管 线将聚合物熔体输送到旋转纺丝盘中。挤出温度设为240°C。来自熔体输送管线的纺丝熔体 的温度设为300°C，熔体供料速率为10克/分钟。对于纺丝盘的空气加热器的温度设定点为 290°C。将纺丝盘的旋转速度设为恒定的10，000rpm。使用W0 2013/096672的方法将纤维沉 降在带式收集器上而形成PP纤维网，该文献据此以引用方式并入。通过经设计的气流场和 加电荷布置的组合来控制纤维的纤维网沉降。气流场的操作参数是拉伸区空气、成型空气 和施加穿过空心转轴和防扭转轮毂的中央空气的空气温度和空气流速。在收集器带上和在 围绕纺丝盘的电晕环上存在双高压充电。纤维网沉降在纺丝盘下方一定距离处。纺丝外壳 温度为40°C且湿度为11 %，具有收集器带上+70kV和0.23mA、在电晕环上-11.5kV和0.58mA 的双高压充电。将拉伸区气流设为220°C和8.0SCFM。将成型空气流设为80°C和12.0SCFM。将 通过空心转轴和防扭转轮轴的中心空气流设为25°C和1.5SCFM。纳米纤维网沉降在带式收 集器上，沉降距离为12.7cm，带以152.4cm/min移动。
[0109] 使用扫描电镜（SEM)从图像测量纤维直径。测得纤维具有的纤维直径为总纤维的 均值= 598nm，并且中值= 389nm。存在83.88%纳米纤维，其均值=426]1111，并且中值= 374nm，存在13.89%的微纤维，其均值=1.539圓，并且中值=1.337_，存在2.2%的粗纤 维，其均值=5.149_，并且中值=5.16_。
[0110] 剩余在初生纤维网上的静电荷为-12.2kV。实施例1-1、实施例1-2和实施例1-3在 后处理之后制得，例如修剪和纤维网卷的重新卷绕，剩余在空气过滤介质上的静电荷为-9.71^、-9.81^和-101^。 介质结构的详细数据和过滤性质示于表1和表2中。
[0112] 实施例2
[0113]使用相同的PP共混物，在与实施例1相似的条件下制得实施例2，变化如下。来自熔 体输送管线的纺丝熔体的温度设为300°C，熔体供料速率为5克/分钟。对于纺丝盘的空气加 热器的温度设定点为290°C。纳米纤维网沉降在带式收集器上，沉降距离为12.7cm，带以 45.72cm/min移动。纺丝外壳温度为24°C且湿度为11 %，具有收集器带上+70kV和0.21mA、在 电晕环上-11.7kV和0.49mA的双高压充电。将拉伸区空气流设为200 °C和8.0SCFM。将成型空 气流设为80 °C和12.0SCFM。将通过空心转轴和防扭转轮轴的中心空气流设为25 °C和 1.5SCFM。
[0114]使用扫描电镜（SEM)从图像测量纤维直径。测得纤维具有的纤维直径为总纤维的 均值= 940nm，并且中值= 553nm。存在74.4%纳米纤维，其均值=477]1111，并且中值=40〇11111， 存在22 %的微纤维，其均值=1.577M1，并且中值=1.50wii，存在3.6 %的粗纤维，其均值= 6.407M1，并且中值= 5.05wii。剩余在初生纤维网上的静电荷为-12.2kV。实施例2-1、实施例 2-2和实施例2-3在后处理之后制得，例如修剪和纤维网卷的重新卷绕，剩余在过滤介质上 的静电荷为-〇. 8kV、-0.5kV和-0.4kV。介质结构的详细数据和过滤性质示于表1和表2中。
[0115] 实施例3
[0116] 使用相同的PP共混物，在与实施例1相似的条件下制得实施例3，变化如下。将来自 熔体输送管线的纺丝熔体的温度设为300 °C，熔体供料速率为5克/分钟。对于纺丝盘的空气 加热器的温度设定点为290°C。纳米纤维网沉降在带式收集器上，沉降距离为12.7cm，带以 150cm/min移动。纺丝外壳温度为44°C且湿度为13%，具有收集器带上+70kV和0.21mA、在电 晕环上-11.7kV和0.49mA的双高压充电。将拉伸区空气流设为200°C和8.0SCFM。将成型空气 流设为80°C和12.0SCFM。将通过空心转轴和防扭转轮轴的中心空气流设为25°C和1.5SCFM。
[0117] 使用扫描电镜（SEM)从图像测量纤维直径。测得纤维具有的纤维直径为总纤维的 均值= 510nm，并且中值= 340nm。存在89.31 %纳米纤维，其均值= 350nm，并且中值= 310nm，存在10 ? 33 %的微纤维，其均值=1 ? 7 lwn，并且中值=1 ? 65_，存在0 ? 37 %的粗纤维， 其均值=5.17_，并且中值=5.09_。
[0118] 剩余在初生纤维网上的静电荷为-15.8kV。实施例3-1、实施例3-2和实施例3-3在 后处理之后制得，例如修剪和纤维网卷的重新卷绕，剩余在过滤介质上的静电荷为-12.81^、-11.51^和-10.41^。介质结构的详细数据和过滤性质示于表1和表2中。
[0119] 比较例1
[0120]比较例1是使用熔吹设备，根据美国专利申请2008/0023888的方法制得的熔吹聚 丙烯介质。使用三个熔吹模头。
[0121]模头#1:具有100个孔/英寸的微熔吹模头，具有直径为0.12mm的纺丝孔(洞)和60: 1的长径比。
[0122] 模头#2:具有100个孔/英寸的微熔吹模头，具有直径为0.12mm的纺丝孔(洞)和150 :1的长径比。
[0123] 模头#3:具有200个孔/英寸的微熔吹模头，具有直径为0.06mm的纺丝孔(洞)和30: 1的长径比。
[0124] PP聚合物的熔体温度为245°C，模块压力为620psi，空气间隙为0.048cm，空气加热 器设为287°C，并且实际喷吹空气为223°C。纤维在16.5cm的形成距离处沉积在稀松布上。
[0125] 比较例1-1由Exxon MTS 1500PP，在0.3克/孔/分钟下制得。收集约25gsm的平均直 径为1136nm的PP纤维作为纤维网样品。
[0126] 比较例1-2由PP MFR= 1800，从模头#3，在0.66克/孔/分钟下制得。约4gsm的平均 直径为320nm的PP纤维沉积在16gsm纺粘的PP稀松布上而制得19.22gsm的纤维网。
[0127] 比较例1-3由PP MFR=1500,从模头#3,在0.71克/孔/分钟下制得。约25gsm的平均 直径为320nm的PP纤维沉积在8gsm纺粘的PP稀松布上而制得19.22gsm的纤维网。
[0128] 比较例1-4由PP MFR = 1800，从模头#2，在0.83克/孔/分钟下制得。约lgsm的平均 直径为320nm的PP纤维沉积在17gsm纺粘的PP稀松布上而制得17.38gsm的纤维网。
[0129] 在这些样品上没有静电荷。纤维网的其它详细数据示于表1和表2中。
[0130] 比较例2
[0131] 比较例2是溶液电吹法尼龙介质，按W0 2003/080905中所述，通过电吹法将24%的 聚酰胺_6,6甲酸溶液纺丝以形成纳米纤维网而得到。比较例2-1具有约350nm的数均纤维直 径。比较例2-2具有约400nm的数均纤维直径。比较例2-3具有约600nm的数均纤维直径。
[0132] 在该样品上没有残余的静电荷。纤维网性质的其它详细数据示于表2中。
[0133] 比较例3和4
[0134] 比较例3和4是得自3M的市售过滤器Max. Allergen的熔吹聚丙烯介质。比较例3是 经过放电的。比较例4是原样使用的。
[0135] 比较例5
[0136] 比较例5是带电的熔吹纳米纤维空气过滤介质。
[0137] 单层驻极体纳米纤维网可通过美国专利8,277,711的少量喷嘴的离心熔体纺丝方 法，以及如上所述的改进操作条件制得，并且可使用W0 2013/096672的方法将所得纳米纤 维沉降在带式收集器上以形成纤维网介质。通过单个方法作为单一来源可制得单层纳米纤 维网，其包括缠结的纤维网络，主要为纳米纤维，少部分的微纤维和一些粗纤维。所得纳米 纤维网具有约i 〇〇〇nm或小于i 〇〇〇nm的总纤维的数均平均纤维直径。存在至少65 %的纳米纤 维，其平均直径和中值直径小于500nm。存在最多30%的微纤维，剩余为粗纤维。协助纤维沉 降为非织造纤维网的优化的静电充电使得所得的纤维网为驻极体。纤维网中的静电为约至 少-8. OkV，并且甚至在纺丝后8月内的卷对卷后处理，例如修剪、重新卷绕和压延之后，纤维 网中剩余至少-3.0kV。
[0138] 本发明的单层聚合物驻极体非织造纤维网已作为空气过滤介质进行测试。
[0139] 本发明中的实施例相比由电吹法纤维网、熔吹纳米纤维网和熔吹微纤维非织造纤 维网制得的不带电的比较例相比，具有更佳的过滤效率和更低的阻力。图3示出了根据本发 明的具有更高电荷和更小的纤维直径的实施例相对于从带电的熔吹纳米纤维网制得的不 带电的比较例，具有更佳的过滤效率和更低的阻力。
[0140] 表1:介质性质
[0143] 表2:介质性质
【主权项】
1. 一种空气过滤介质，其包括单层聚合物驻极体纳米纤维网，所述网包括单一来源的 无规缠结的纤维网络，所述纤维网络具有至多-20kv的静电荷、约70%至约99.99%的过滤 效率范围、以及对于0.3微米直径的颗粒而言小于约2.5mm wg的空气阻力。2. 根据权利要求1所述的空气过滤介质，其中所述纳米纤维网包括： (a) 按数量计所述纳米纤维网中至少约65%的纤维是数均直径小于约1000 nm的纳米纤 维； (b) 按数量计所述纳米纤维网中最多约30%的纤维是数均直径为约Ι.Ομπι至约3.0μπι的 微纤维；以及 (c) 按数量计所述纳米纤维网中最多约5%的纤维是数均直径大于约3.Ομπι的粗纤维。3. 根据权利要求1所述的空气过滤介质，其中所述纳米纤维网具有至少约70%的孔隙 率、最多约15μηι的中流量孔径和125Pa下约870cm 3/cm2/min至约6000cm3/cm2/min的费雷泽 透气率。4. 根据权利要求1所述的空气过滤介质，其中所述纳米纤维网具有约5至约100g/m2的基 重。5. 根据权利要求1所述的空气过滤介质，其中所述纳米纤维网具有约10g/m2至约60g/m2 的基重。6. 根据权利要求5所述的空气过滤介质，其中所述纳米纤维网具有约10g/m2至约20g/m2 的基重。7. 根据权利要求1所述的空气过滤介质，其中所述纳米纤维网包括选自以下的聚合物： 聚丙烯和聚丙烯-聚丙烯共混物，其中所述共混物中的聚丙烯是不同的。8. 根据权利要求1所述的空气过滤介质，其中所述纳米纤维网通过离心熔体纺丝方法 制得。
【文档编号】B01D39/16GK105899275SQ201480057494
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年10月21日
【发明人】T.黄, H.S.林, W-S.庸
【申请人】纳幕尔杜邦公司