专利名称：具有纳米纤维连接的多组分过滤介质的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及过滤介质，尤其涉及一种复合过滤介质，其包括由至少两种不同 聚合材料和静电纺丝的细纤维形成的过滤介质；并涉及其制造方法。
背景技术：
流体流如液流和气流(例如空气流)往往携带微粒，而微粒是往往被夹带在流体 流中的不受欢迎的污染物。通常使用过滤器来从该流体流中除去一些或所有微粒。包括使用静电纺丝法形成的细纤维的过滤介质同样是已知的。这样的现有技术包 括Filter Material Construction and Method :US 5, 672, 399 ；Cellulosic/Polyamide Composite，US 专利公开号 2007/0163217 ;Filtration Medias, Fine Fibers Under 100 Nanometers，美国临时专利申请第 60/989，218 号 integrated Nanofiber Filter Media, 美国临时专利申请第 61/047，459 号；Filter Media Having Bi-Component Nanofiber Layer，美国临时专利第61，047，455号，在此将这些文献的整体内容通过引用结合在此。如 这些参考文献中所示，纳米纤维通常铺设在精整过的预成型的过滤介质衬底上。
发明内容
本发明涉及一种复合过滤介质，其包括多组分的衬底介质，所述衬底介质引入了 与该介质整合的纳米纤维。该衬底介质的一个组分是低熔点的聚合组分，其所起的作用是 将该衬底介质的其它纤维组分粘结在一起，以及使纳米纤维与该衬底介质粘结。优选并且根据一些实施方式，这可以通过两个不同的步骤来进行，包括首先在加 热和/或加压下形成下面的衬底材料，以便使低熔点组分易于至少部分涂覆并将多组分衬 底的其它纤维结合在一起。更优选提供一种衬底介质，其包括共挤出的、由高熔点聚合物和 低熔点聚合物形成的双组分纤维。在通过低熔点组分熔融的初始结合衬底介质、或者通过 共挤出双组分纤维来形成多组分衬底介质之后，可以将纳米纤维整合到衬底介质中，如通 过沿着所述衬底介质的表面沉积层的方法。在这个方法中，使用低熔点组分不仅用来将这 些其它的衬底纤维结合在一起，而且还用于稳固地使纳米纤维粘附和附着到复合过滤介质 中，优选在不破坏的情况下不能将其除去，从而在实质上形成整个过滤介质的单个常规层。在结合以下附图后，根据以下的详细说明，本发明的其它方面、宗旨和优点将变得 更清晰可见。
并入说明书并且形成说明书一部分的
了本发明的若干方面，而且与说明 书一起用来说明本发明的原理。在附图中图1是根据本发明实施方式的复合过滤介质的示意剖视图；图2是根据本发明另一个实施方式的使用细纤维和衬底介质纤维的多次沉积的 复合过滤介质的示意剖视图3是实施根据本发明实施方式的整合纤维的复合过滤介质制造方法的系统的 示意图；图4是实施根据本发明另一个实施方式的整合纤维的复合过滤介质制造方法的 系统的示意图；图5是实施根据本发明又一个实施方式的整合纤维的复合过滤介质制造方法的 系统的示意图；图6是根据本发明实施方式的复合过滤介质在加热和加压处理之前以X 600的放 大倍率获得的扫描电子显微镜图像；图7是图6的复合过滤介质以X2，000放大倍率获得的扫描电子显微镜图像；图8是图6的复合过滤介质在热处理后以X600的放大倍率获得的扫描电子显微 镜图像；图9是图8的复合过滤介质以X2，000的放大倍率获得的扫描电子显微镜图像；图10是图8的复合过滤介质在加压处理之后以X600的放大倍率获得的扫描电 子显微镜图像；图11是根据本发明实施方式的同心的壳/芯式双组分纤维的示意图；图12是根据本发明实施方式的偏心的壳/芯式双组分纤维的示意图；图13是根据本发明实施方式的并列式双组分纤维的示意图；图14是根据本发明实施方式的盘形楔式双组分纤维的示意图；图15是根据本发明实施方式的空心的盘形楔式双组分纤维的示意图；图16是根据本发明实施方式的岛/海式双组分纤维的示意图；图17是根据本发明实施方式的非圆柱形的并列式双组分纤维的示意图；图18是根据本发明实施方式的非圆柱形的尖顶的双组分纤维的示意图；图19是实施根据本发明实施方式的整合纤维的复合过滤介质制造方法的系统的 示意图；和图20是实施根据本发明不同实施方式的整合纤维的复合过滤介质制造方法的系 统的示意图。虽然将要结合某些优选方案来说明本发明，但是没有意图将其限制到这些实施方 式中。相反地，本发明的意图是覆盖如包括在所附权利要求定义的本发明精神和范围内的 所有替换物、改变和等价物。
具体实施例方式以下内容将讨论复合过滤介质的具体实施方式
及其制造方法，该复合过滤介质包 括在多组分过滤介质上形成的细纤维，所述多组分过滤介质包括至少两种不同的材料，其 中至少一种材料是低熔点组分。图1是根据本发明实施方式的复合过滤介质10的示意剖视图。如图所示，复合过 滤介质10包括第一粗糙层12、第二纳米纤维层14、和第三粗糙层16。在该实施方式中，第 二纳米纤维层14包括夹在第一粗糙层12和第三粗糙层16之间的细纤维，如静电纺丝的细 纤维。第一层12和/或第三层16可以包括多组分的过滤介质，该过滤介质包括由至少两 个不同材料形成的纤维，其中至少一种材料是低熔点的组分。该低熔点的组分是低熔点聚合物如聚丙烯、聚乙烯、共聚聚酯或任何适合的具有低熔点温度的聚合物。其它组分可以包 括具有比低熔点组分高的熔点的聚合物、或其它适合的纤维材料如玻璃和/或纤维素。虽 然显示了纳米纤维夹在粗衬底中的夹层结构，但是第一层12和第三层16中之一是任选的， 以便使纳米纤维层14可以停留在该介质的出口或入口侧。例如，第一层12可以包括由共挤出的双组分纤维形成的过滤介质，所述双组分纤 维包括高熔点聚合组分和低熔点聚合组分。选择双组分过滤介质的高熔点聚合物组分和低 熔点聚合物组分，以使高熔点聚合物具有比低熔点聚合物更高的熔融温度。适合的高熔点 聚合物包括但是不局限于聚酯和聚酰胺。适合的低熔点聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、共聚聚 酯、或任何其它适合的具有比所选高熔点聚合物低的熔融温度的聚合物。在一个实施方式 中，该过滤介质的双组分纤维可以由聚酯和聚丙烯形成。在其它的实施方式中，所述过滤介 质的双组分纤维可以由两个不同类型的聚酯形成，其中一个具有比另一个高的熔点。不同类型的共挤出双组分纤维可以用来形成第一层12和/或第三层16的过滤介 质。在图11-18中示意说明了双组分纤维的一些例子。在图11中显示了同心的壳/芯式 双组分纤维140的示意图。该同心的壳/芯式双组分纤维140包括由高熔点聚合物形成的 芯142，和在芯周围的由低熔点聚合物形成的壳144。用这些纤维可以形成过滤介质，然后 将其加热以熔化壳，当冷却时其将过滤介质粘结在一起。该同心的壳/芯还可用于在低价 值而又更坚固的芯周围提供高价值(和/或低强度)的外层。在图12中显示了偏心的壳/芯式双组分纤维146，其包括芯148和壳150。该纤 维与同心的壳芯型纤维140相似，但是芯148偏离中心。当在松弛下加热时，这两种聚合物 组分不同的收缩率可以引起纤维卷曲形成螺旋状物。这使得另外的扁平纤维产生卷曲和胀 大。图13示意图说明了并列式双组分纤维152，其包括高熔点组分IM和低熔点组分 156。这是更进一步延伸的偏心的壳/芯纤维，其中两种聚合物占据纤维表面的一部分。在 选择适当的聚合物的情况下，这种纤维可以形成比偏心的壳/芯纤维146更高水平的潜在 卷曲。图14示意图说明了盘形楔式(pie wedge type)双组分纤维158。该盘形楔 纤维158包括多个由高熔点聚合物和低熔点聚合物形成的相邻的楔形物。每个高熔 点楔形物160在其两侧上都具有低熔点的楔形物162。通过机械搅拌(通常为水刺 (hydroentangling))来将这些纤维设计分成组分楔形物，在过滤介质中产生0. 1到0. 2旦 尼尔的微纤维。图15是空心的盘形楔式双组分纤维164的示意图，该双组分纤维164包括高熔点 楔形物166和低熔点楔形物168。该空心的盘形楔式双组分纤维164与盘形楔式双组分158 相似，但是空的中心170芯部防止该楔形物的内梢连接，由此使得分开更容易。图16是岛/海式双组分纤维172的示意图。这个纤维亦称“辣味香肠比萨饼 (pepperoni pizza) ”结构，其中高熔点组分174是辣味香肠，而低熔点组分176是乳酪。 这个纤维允许在低熔点或可溶性聚合物的基体之内布置许多细股的高熔点聚合物，低熔点 或可溶性聚合物基体随后熔化或溶解掉。这使得能够产生由非常细的微纤维制成的介质， 因为该纤维在“比萨饼”形态下比单个“辣味香肠”的形式更容易加工。切段纤维(staple fiber)可以由每个比萨饼上的37个辣味香肠构成，从而产生约0. 04旦尼尔(约2微米直径)或乃至更细的纤维。可以将双组分纤维形成不同形状。例如一些双组分纤维可以不具有带有圆形截面 的圆柱形形状，如上所述的双组分纤维。图17-18说明了具有不规则形状的双组分纤维的 一些例子。尽管这些纤维不具有圆形截面，但是每个具有在本发明上下文中的直径。具有 非圆形截面的纤维的直径从纤维的外周边起计算。图17是三叶形双组分纤维178、180的 示意图。每个三叶形纤维178、180包括高熔点组分186、188和低熔点组分190、192。按它 的直径182、184测量每个三叶形纤维178、180。图18是尖顶型双组分纤维194、196的示意图。纤维194是尖顶的三叶形双组分 纤维，其具有高熔点的中心198和低熔点的尖顶200。纤维196是尖顶的十字型双组分纤 维，其具有高熔点的中心202和低熔点的尖顶204。该双组分过滤介质的纤维是比构成第二层14的细纤维更粗糙的纤维。该双组分 过滤介质的纤维一般具有大于约1微米的平均纤维直径。更一般地，大于5微米和更加一般 地在约1微米和约40微米之间。包括第一层12的双组分过滤介质具有在约0. 2和2. Omm 之间、更优选0. 2到1. Omm的厚度。这样的双组分过滤介质可以为第二层14的细纤维提供 所需的优越的负载能力和结构支持。这样各种厚度的双组分过滤介质是市场上可买到的， 例如通过TN，Rogersville的HDK Industries, Inc.以型号名称L-76520销售的，或其它过 滤介质提供商。在多组分过滤介质之上形成第二层14的细纤维之前，可以将多组分过滤介质加 热到低熔点组分的熔融温度之上，该低熔点组分具有比其它组分低的熔融温度，从而使低 熔点组分熔化，并可以至少部分涂覆由具有较高熔融温度的其它材料形成的纤维。优选地， 如上所述，该多组分纤维介质由共挤出的双组分纤维形成，在形成细纤维层14之前可以将 其加热，其中该双组分纤维的低熔点组分熔化，并且将纤维的高熔点组分粘结在一起。或 者，可以在形成细纤维层14之后将多组分过滤介质加热，其中低熔点组分熔化，并使高熔 点组分粘结，以及使细纤维嵌入和粘结到多组分过滤介质内。在不同的实施方式中，可以将包括由高熔点聚合物形成的纤维层和由低熔点聚合 物形成的纤维层的双组分过滤介质加热到低熔点聚合物的熔融温度或该温度以上，其中低 熔点纤维熔化，并且通过芯吸(wicking)效应被吸收在高熔点纤维层上，由此至少部分涂 覆和粘结高熔点纤维。该低熔点纤维可以不保持纤维的形态，而是由于熔化而基本上变形 和/或基本上不存在纤维形态(例如残存少于50%的低熔点纤维，而且该材料部分涂覆并 且粘结聚酯纤维)。在该实施方式中，低熔点纤维层基本上比高熔点纤维层更薄，以便使低 熔点纤维组分可以熔化并且涂覆高熔点纤维，而不会堵塞高熔点纤维层的表面。在其它的实施方式中，第一粗糙层12可以是多组分过滤介质，其包括由两个以上 不同材料形成的纤维，其中至少一种聚合材料具有比其它材料更低的熔融温度，其可以被 熔化，以便至少部分涂覆其它纤维。保持纤维形态的纤维(即没有熔化的)可以由高熔点 聚合物形成。作为替换或除高熔点聚合物纤维之外，还可以使用玻璃纤维和/或纤维素纤 维。第二层14包括称为“纳米纤维”的细纤维。该细纤维具有非常细的纤维直径，可 以用静电纺丝或其它适合的方法形成。例如，静电纺丝的细纤维一般具有小于1微米、更一 般小于0. 5微米、优选在0. 01和0. 3微米之间的平均纤维直径。这样小直径的细纤维可以使更多纤维堆积在一起，不会显著增加整个过滤介质层的坚实性，由此，通过改善捕获穿过 第一层12的较小微粒的能力，就可提高过滤效率。第二层14的细纤维在第一层12的表面上形成，第一层表面涂覆有低熔点组分 (例如，在先前讨论的实施方式中双组分过滤介质的涂有聚丙烯的表面)。优选地，第一层 12包括如上所述的共挤出的双组分纤维，其中该双组分纤维的至少一些低熔点组分在第一 层12的表面上。因为细纤维在第一层12上形成，因此一些细纤维可以与第一层12表面上 的一些粗纤维缠在一起。然后当将复合过滤介质10加热到第一层12的低熔点组分的熔融 温度时，第一层12和第二层14进一步粘结，其中低熔点组分熔化，并且与第二层14的细纤 维粘结。例如，细纤维可以由聚酰胺6、通过静电纺丝形成在第一层12的聚丙烯涂覆的聚 酯纤维上。可以将这样的结构再加热到聚丙烯的熔融温度，其中涂在第一层12表面上的聚 丙烯熔化，并且与在相同表面上形成的细纤维粘结。尼龙(聚酰胺6)具有较高的熔点，在 聚丙烯熔化的情况下不会损坏。用于细纤维的其它材料可以被静电纺丝，并用于包括随后 将描述的材料。在该实施方式中，聚丙烯起粘结剂的作用，其永久地将第一层12和第二层 14连接在一起，从而在没有加热或不破坏纳米纤维的情况下不可能分层。在第一层12和第 二层14之间的粘结还可以涉及溶剂粘结和/或压力粘结。如图1所示，复合过滤介质10进一步包括任选的第三层16，其可以包括与第一层 12的过滤介质相似的多组分过滤介质，或任何具有一些过滤能力的常规过滤介质，或可以 包括纱布或其它的非过滤层。第三层16可以通过溶剂粘结、粘结剂粘结、压力粘结和/或 热粘结与第二层14粘结。优选地使用热粘结，而且第三层还包括类似的低熔点组分。如同 所构成的，在复合过滤介质10的层12、14和16结合形成复合过滤介质10后，这些层不会 被机械分离成单个层。复合过滤介质10最适合用于折叠的过滤器介质，因为在打褶和操作 过程期间可由第一层12和第三层16保护包括细纤维的第二层14。与常规的过滤介质相比，这种复合过滤介质10可以具有优越的粉尘负载能力和 过滤效率，因此最适合用于深度过滤介质，其具有由纳米纤维提供的效率改进。该深度过滤 介质是通过过滤介质的厚度来捕获微粒的过滤介质。在许多过滤介质应用中，特别是高流 速应用中可选择深度介质。典型的深度介质包括相对厚的纤维材料的缠绕集合。典型的常 规深度介质过滤器较深(从进口到出口端计算)，且基本上是恒定密度的介质。具体来说， 该深度介质的密度在其整个厚度上基本保持不变，但是密度可以有较小的波动，例如可由 于固定该介质等而通过压缩和/或拉伸边缘周围引起的。具有梯度密度的深度介质装置也 是已知的，其中介质密度根据设计的梯度而改变。可以在深度介质的厚度和体积之上提供 具有不同介质密度、孔隙率、效率和/或其它特性的不同区域。深度介质的特征往往在于它的孔隙率、密度和固含量百分数。例如，5%的固体介 质是指约5%的总体积包括固体(例如纤维材料)，而其余是填充空气或其它流体的空隙空 间。另外的通常使用的深度介质的特征是纤维直径。一般对于给定的％固体，较小直径的 纤维将使过滤介质变得能够更有效的捕获更小的微粒。可以将更多的小纤维堆积在一起而 不增加整体的给定的固体％，事实是较小的纤维比较大的纤维占据较少的体积。因为深度介质基本上在整个体积或厚度上负载微粒，因此在所述过滤器的使用期 限，与表面负载系统相比，深度介质装置可以负载更高重量和体积的微粒。然而，通常深度介质装置会有效率缺点。为了促进这样高的负载量，往往在使用时选择低固体的介质。这 会导致大的孔径尺寸，其具有允许一些微粒更轻易穿过的可能。梯度密度系统和/或增加 表面负载的介质层可以提供改善的效率特性。而根据本发明的复合过滤介质可以提供优越 的粉尘负载能力和过滤效率，其中由多组分的过滤介质层提供高负载能力，而细纤维层用 来改善复合过滤介质的效率。图2中说明了本发明的复合过滤介质的备选实施方式。在该实施方式中，复合过 滤介质20包括第一层22、第二层对、第三层沈、第四层观和第五层30。该实施方式与图1 的复合过滤介质10相似，其具有额外的多组分过滤介质层和细纤维层。也就是说，复合过 滤介质20的第一和第三层22 J6包括与复合过滤介质10的第一层12相似的多组分过滤 介质。第二和第四层对、观包括与复合过滤介质10的第二层14相似的细纤维。第五层30 与复合过滤介质10的第三层16相似，其可以包括多组分的过滤介质，或任何具有一些过滤 能力的常规过滤介质、或可以包括纱布或其它的非过滤层。第一层22和第三层沈可以包括相同的多组分过滤介质或不同的多组分过滤介 质。例如，第一层22和第三层沈可以包括过滤介质，该过滤介质包括与复合过滤介质10 的多组分过滤介质相似的共挤出双组分纤维。然而，与第三层沈的过滤效率相比，第一层 22的双组分过滤介质可以具有较小的固体密度，由此具有较小的过滤效率。类似地，第二 层M和第四层观可以包括由相同的聚合材料和相同固体密度形成的静电纺丝的细纤维， 或可以包括由不同聚合材料和不同固体密度形成的细纤维。例如，第二层M可以包括大约 0. 010g/m2的PA-6的静电纺丝的细纤维，而第四层观可以包括大约0. 013g/m2的PA-6的 静电纺丝的细纤维。该复合过滤介质的其它结构可以有益于不同的过滤应用，以最佳化粉 尘负载和过滤效率。此外，第五层30是任选的层，其可以是具有一些过滤能力的功能层，或 只是在打褶或操作期间保护第四层细纤维的保护层。在其它的实施方式中，复合过滤介质 可以包括以各种顺序设定的两层以上的多组分过滤介质和两层以上的细纤维。以上描述了根据本发明的复合过滤介质的不同实施方式，以下将描述形成本发明 复合过滤介质的方法。图3示意说明了根据本发明实施方式制造复合过滤介质的典型方法。系统40包 括多组分的过滤介质生产设备42、烘箱44、一组压力辊46、任选的冷却段48(其可以包括装 有空气调节器的冷却空气或仅仅环境下的生产驻留时间)、静电纺丝段50、烘箱52和一组 压力辊M。在系统40中，在设备42中形成多组分过滤介质M的网形物。多组分过滤介质M 的网形物在加工方向56上行进到烘箱44。在烘箱44中，多组分介质M被加热，以便使介 质的低熔点组分熔化，并且使其至少部分涂覆高熔点组分，由此将其粘结。然后在进入静电 纺丝段50之前，使多组分过滤介质M穿过一组压力辊46和冷却段48。在静电纺丝段50 中，细纤维58形成和沉积在多组分过滤介质M上。如果不进行冷却，可以使用来自烘箱44 的余热使低熔点组分保持在至少部分熔化的状态中，从而促进纳米纤维层的熔融粘结和整 合。因此，在一个实施方式中，下游的烘箱52是任选的。更优选地，具有细纤维60的多组分 过滤介质行进到第二段烘箱52中，其中，多组分过滤介质M的低熔点组分再熔化和嵌入， 由此粘结细纤维58。当复合过滤介质62穿过压力辊M时，可以进一步增强多组分过滤介 质层M和细纤维58之间的粘结。以下详细讨论系统40的每个部件。
在该实施方式中，多组分的过滤介质由双组分纤维形成，如图11-18的双组分纤 维。例如，可以使用聚酯和聚丙烯来共挤出同心的壳/芯式双组分纤维。在这个例子中，芯 包括聚酯，而壳包括聚丙烯。然后使用这样的双组分纤维形成过滤介质。在一个实施方式 中，可以使用切段纤维形态的双组分纤维，在设备42中通过常规的干法成网或气流成网法 形成多组分的过滤介质。在这个方法中使用的切段纤维相对较短且不连续，但是其对于使 用常规设备的操作而言足够长。可以通过斜槽进料将双组分纤维捆进料到设备42中，并在 梳理设备中将其分成单根纤维，然后将其气流成网以形成粗纤维网形物，从而形成多组分 的过滤介质M。因为该实施方式的多组分过滤介质M包括含有高熔点组分和低熔点组分 的双组分纤维，因此它也被称为双组分过滤介质。在一些实施方式中，粗纤维网形物被折叠 并且压延形成厚的双组分过滤介质M。在不同的实施方式中，可以单独形成包括聚酯纤维的网形物和包括聚丙烯纤维的 网形物，然后将它们层压到一起而形成双组分过滤介质M。在这样的实施方式中，低熔点的 网形物在双组分过滤介质M的下侧64，而高熔点的网形物在上侧62，从而可以随后在双组 分过滤介质M的低熔点涂覆一侧上形成细纤维。在该实施方式中，低熔点的网形物基本上 比高熔点网形物薄，从而当加热和熔化低熔点组分时不会使阻塞高熔点网形物的表面。在另外的实施方式中，多组分过滤介质可以在设备42中通过热熔高速空气喷制 法(melt blowing)形成。例如，可以挤出熔融的聚酯和熔融的聚丙烯，并且在加热的高速 气流下将牵引形成粗纤维。可以在运动的网上以网形物形态收集粗纤维，形成双组分过滤 介质54。还可以使用至少两种不同的聚合材料使多组分的过滤介质纺丝热压粘结(spun bonding)。在典型的纺丝热压粘结法中，使熔融的聚合材料穿过多个挤出孔口形成多纤维 丝的纺丝线(spinline)。将该多纤维丝的纺丝线牵引以增加其韧性，使其穿过急冷段，在急 冷段发生固化，并在支撑物如移动的网上将其聚集。该纺丝热压粘结法与热熔高速空气喷 制法相似，但是熔融喷射的纤维通常比纺丝热压粘结的纤维更细。在又一个实施方式中，多组分的过滤介质是湿法成网的。在湿法成网工艺中，将高 熔点纤维和低熔点纤维分散在输送带上，然后当纤维仍然是湿的时以均勻的网形物的形式 铺开该纤维。湿法成网操作一般使用1/4"至3/4"长的纤维，但是如果纤维是硬的或厚 的，则往往使用更长的。将由一个上述方法或任何其它适合的方法在设备42中形成的多组分过滤介质M 在加工方向56上输送到烘箱44。其中，多组分过滤介质M包括共挤出的双组分纤维，该双 组分纤维包括低熔点组分和高熔点组分，选择系统40的网形物运行速度和烘箱44的温度， 以便使多组分的过滤介质讨达到该低熔点组分的熔融温度。由此，在多组分过滤介质中的 低熔点组分熔化，并且通过芯吸效应而被吸收到高熔点纤维的表面，由此涂覆高熔点纤维。在系统40中，当多组分的过滤介质M穿过压力辊组46时，将其压延成期望的厚 度。然后在冷却段48中冷却压延的多组分过滤介质，其中低熔点组分固化。在静电纺丝段50中，在静电纺丝室66中静电纺丝细纤维58，并将其沉积在双组分 过滤介质M上。系统40的静电纺丝方法可以基本上与转让给本申请受让人的、在美国临 时申请号 60/989，218 的 Fine Fibers Under 100 Nanometers, And Methods 中所公开的静 电纺丝方法相似，在此将其整个内容结合在此。或者，可以利用喷嘴纱架(nozzle bank)或其它静电纺丝设备来形成细纤维。这样的备选静电纺丝设备或室66的一系列电极的改线 允许纤维以任何期望的方向沉积(例如，尽管显示了朝上，但是可以朝下、水平或对角线地 在承载粗纤维的传送带上)。静电纺丝法可产生小直径的合成纤维，其亦称为纳米纤维。静电纺丝的基本过程 涉及在强电场的存在下将静电荷引入聚合物熔体或溶液流中，如高电梯度。在静电纺丝室 66中向聚合流体中引入静电荷时，将会形成带电流体的射流。该带电的射流在静电场中加 速和变细，并被吸引到接地收集器上。在这个方法中，聚合物流体的粘弹力可稳定该射流， 形成小直径的细丝。可以通过设计静电纺丝室66和聚合溶液的配方来控制纤维的平均直 径。用于形成细纤维的聚合溶液可以包括各种聚合材料和溶剂。聚合材料的例子 包括聚氯乙烯(PVC)、聚烯烃、聚缩醛、聚酯、纤维素醚、聚亚烷基硫化物(polyalkylene sulfide)、聚亚芳基氧化物、聚砜、改性的聚砜聚合物和聚乙烯醇、聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙 烯腈、聚偏氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯。用于制造静电纺丝用聚合溶液的溶 剂可以包括乙酸、甲酸、间甲酚、三氟乙醇、六氟异丙醇、氯化溶剂类、醇、水、乙醇、异丙醇、 丙酮、和N-甲基吡咯烷酮、和甲醇。对于适当的用途，可根据聚合物在给定溶剂中足够的溶 解性来搭配溶剂和聚合物。例如，对于通常称为尼龙的聚酰胺可以选择甲酸。有关详细情 形可以参考上述关于静电纺丝细纤维的专利。在系统40中，在静电纺丝室66内的电极与真空收集器传送带68之间产生静电 场，该静电场由产生高电压差的高压电源提供。如图3所示，可以有多个静电纺丝室66，在 其中形成细纤维58。静电纺丝室66的电极处形成的细纤维58在由静电场提供的力的作用 下向真空收集器传送带68拉伸。真空收集器传送带68还保持和转移在加工方向56上的 多组分过滤介质M的网形物。如同构置的，多组分过滤介质M的网形物位于静电纺丝室 66和真空收集器传送带68之间，以便使细纤维58沉积在多组分的过滤介质M上。在一个实施方式中，多组分的过滤介质M包括共挤出的双组分纤维，该双组分纤 维包括高熔点组分和低熔点组分，其随后被加热以使低熔点组分熔化，并将高熔点组分粘 结在一起。当多组分过滤介质M的仅一侧上包括低熔点组分时，例如仅仅所述介质的一个 表面涂有低熔点组分时，将多组分过滤介质M置于静电纺丝室66和真空收集器传送带68 之间，以便使多组分过滤介质的涂有低熔点组分的表面面对静电纺丝室66。在该实施方式中，静电纺丝室66包含聚合溶液，该聚合溶液包括聚酰胺6 (PA-6)， 和由2/3乙酸和1/3甲酸组成的合适溶剂。在这样的溶剂中，甲酸起溶解PA-6的溶剂的作 用，而乙酸则控制该聚合溶液的导电率和表面张力。静电纺丝室66产生由PA-6形成的细 纤维，其被沉积在涂有低熔点组分的多组分过滤介质的表面上。当细纤维58沉积在双组分 过滤介质表面上时，一些细纤维58可能会与在双组分过滤介质表面上的纤维缠在一起。当 一些细纤维58与在双组分过滤介质表面上的纤维缠在一起时，由静电纺丝方法而残留在 细纤维内的一些溶剂可以实现在细纤维和多组分过滤介质M之间的溶剂粘结。为了进行 溶剂粘结，多组分过滤介质讨的纤维必须是溶解性的，或至少与细纤维中的溶剂反应。多组分过滤介质M与细纤维58之间的粘结可由烘箱52中的热粘结来增强。在 烘箱52中，将具有细纤维的多组分过滤介质至少加热到低熔点组分的玻璃转变温度或该 温度以上。在一些实施方式中，将具有细纤维的多组分过滤介质加热到低熔点组分的熔融温度或该温度以上，例如加热到聚丙烯的熔点，从而使涂在多组分过滤介质层的聚酯纤维 上的聚丙烯再熔化，并且与由PA-6形成的细纤维粘结。这里，PA-6细纤维和聚酯纤维不会 熔化，因为PA-6和聚酯具有比聚丙烯显著更高的熔融温度。具有最低熔融温度的聚丙烯熔 化，并且将聚酯纤维与相邻的PA-6粘结在一起。也就是说，聚丙烯的作用是作为多组分过 滤介质层与细纤维层之间的粘结剂，使它们形成复合过滤介质70。在系统40中，当复合过滤介质70之间的层通过一组压力辊M时，复合过滤介质 70的层之间的粘结力进一步通过压力粘结来增强。在烘箱52中已经被加热的复合过滤介 质70的温度显著高于低熔点组分的玻璃转变温度。因此，当由一组压力辊M施加压力时， 复合过滤介质70的低熔点组分被软化(可能部分甚至熔融)。虽然低熔点组分仍然是软 的，但是这样的压力粘结可以显著增强复合过滤介质70的层之间的粘结，从而使得如果不 撕裂就不能机械分开这些层。在通过这组压力辊M之后，复合过滤介质70卷绕在复卷机 72上，以便后续加工或单独在过滤应用中使用。图4示意说明了制造根据本发明实施方式的复合过滤介质的备选系统80。如系统 40，系统80包括多组分的过滤介质生产设备82、烘箱84、一组压力辊86、静电纺丝段90、烘 箱92和一组压力辊94。然而，不同于系统40，系统80不包括冷却段48。在系统80中，在 进入静电纺丝段90之前不冷却多组分过滤介质96。因此，在进入静电纺丝段90时，在高熔 融温度纤维上的低熔融温度聚合涂层可以不完全固化，并且保持柔软。这样，当形成细纤维 时，仍然柔软的低熔点聚合材料可以与细纤维粘结，由此增强在复合过滤介质98的层之间 的粘结。在如图19所示的实施方式中，在设备81中形成多组分过滤介质的第二层，并将其 与具有细纤维的多组分过滤介质96层压。在该实施方式中，在层压的网状物进入烘箱92之 前，将多组分过滤介质的第二层层压在介质96的细纤维一侧上。在烘箱92中，介质96的 低熔点组分和来自设备81的第二多组分过滤介质的低熔点组分熔化，并且镶嵌细纤维，由 此将这些层粘结在一起，形成复合过滤介质。这组压力辊94中的压力可进一步增强在复合 过滤介质的层之间的粘结。在图20所示实施方式中的系统80与图19的系统80相同，除了撤除烘箱84之外。 因而，在静电纺丝段90中形成细纤维之前不加热多组分的过滤介质96。例如，设备81和 82可以产生相同的包括共挤出双组分纤维的多组分过滤介质。在介质96之上形成细纤维 之后，在烘箱92中加热层压的网状物，其中在每个多组分过滤介质中的双组分纤维的低熔 点组分熔化，并将该多组分过滤介质的高熔点组分粘结在一起，以及使细纤维与每个多组 分的过滤介质层粘结。图5示意说明了根据本发明实施方式用于制造复合过滤介质的另一个系统100。 如系统80，系统100包括多组分的过滤介质生产设备102、烘箱104、一组压力辊106、静电 纺丝段110、烘箱112和一组压力辊114。另外，系统100包括在静电纺丝段110和烘箱112 之间的层压段116、118。在系统100中，当通过一组压力辊1 时，具有细纤维120的多组分过滤介质的网 状物与其它的过滤或保护层122、1M结合并且层压。例如，网状物120可以包括多组分的过 滤介质，如先前所说明的实施方式，该多组分过滤介质包括涂有聚丙烯的聚酯纤维和PA-6 细纤维。还可以将层122设置成与网状物120相同。也就是说，层122可以是图3所说明的复合过滤介质的成品卷，其包括与细纤维58结合的多组分过滤介质54(参见图幻。在系 统100中，将层122的细纤维一侧层压在网状物120的多组分过滤介质一侧上。层IM可 以包括没有任何细纤维的多组分过滤介质。当层压时，这些层与图2的复合过滤介质20相 似。然后在烘箱112中加热层120、122、124的层压网状物。在烘箱中，将层压网状物至 少加热到低熔点组分的玻璃转变温度，从而当在这组压力辊114中将其压制在一起时，每 个层120、122、IM软化的低熔点组分与相邻层的纤维粘结。更优选地，将层压网状物加热 到低熔点组分的熔融温度或以上，以便使低熔点组分熔化并且与相邻层粘结。例如，层122 中的聚丙烯熔化，并进一步将相邻的细纤维粘结到层122的聚酯纤维上。类似地，在网状物 120中的聚丙烯熔化，并与每个相邻的细纤维层粘结。此外，层IM中的聚丙烯熔化，并且与 网状物120的细纤维粘结。这可以参考图2更清楚地进行说明。层122可以包括复合过滤介质20的第一层 22和第二层24，网状物120可以包括复合过滤介质20的第三层沈和第四层观。最后，层 IM可以包括复合过滤介质20中的第五层30。在此结构中，第一层22中的聚丙烯熔化，并 且与第二层M的细纤维粘结。第三层沈中的聚丙烯熔化，并且与第二层M和第四层观的 细纤维粘结。最后，第五层30中的聚丙烯熔化，并且与第四层观的细纤维粘结。随着每个 层中的聚丙烯熔化并与相邻层粘结，由此形成了复合过滤介质20(或图5中的网状物130)。 通过用这组压力辊114中的压力粘结，可更进一步增强复合过滤介质130的层之间的粘结。 将完成的复合过滤介质130绕成卷，其随后可以被褶皱成折叠的过滤介质。实施例和测试结果在实验室中用在一侧结合有细纤维的多组分过滤介质制备试样。该多组分过滤介 质由HDK Industries, Inc提供，其被认为包括由聚酯和聚丙烯形成的双组分纤维。通过静电纺丝法、由包括PA-6和甲酸的聚合溶液形成细纤维，PA-6由Nylstar提 供，甲酸由FisherSci提供。表1中列出了用来形成试样用的细纤维所使用的静电纺丝的 工艺参数和设置。表 权利要求
1.一种复合过滤介质，其包括多组分过滤介质，该多组分过滤介质包括至少两种不同的材料，至少一种该材料是低 熔点组分；由该多组分过滤介质承载的细纤维，该细纤维由聚合材料形成，并且具有小于约1微 米的平均直径，其中由该低熔点组分将细纤维热粘结至多组分过滤介质。
2.权利要求1的复合过滤介质，其中该多组分过滤介质包括由低熔点组分粘结在一起 的第一纤维，第一纤维具有比低熔点组分高的熔点，并且该细纤维的聚合材料具有比低熔 点组分高的熔点。
3.权利要求2的复合过滤介质，其中第一纤维包括高熔点聚合物，并且其中第一纤维 至少部分涂有该低熔点组分。
4.权利要求3的复合过滤介质，其中第一纤维包括聚酯和聚酰胺中的一种，而低熔点 组分包括聚丙烯、聚乙烯、和共聚聚酯中的一种。
5.权利要求3的复合过滤介质，其中细纤维在与第一纤维的接触点被部分嵌入低熔点 组分的涂层中，并且，其中细纤维在具有基本上无低熔点组分的第一纤维的接触点之间具 有延伸。
6.权利要求1的复合过滤介质，其中细纤维是静电纺丝的纳米纤维，其具有小于约 500nm的平均纤维直径；并且，其中多组分介质的纤维的平均纤维直径为约1_40微米。
7.权利要求1的复合过滤介质，其中细纤维至少部分由聚酰胺形成，其中该细纤维与 多组分过滤介质粘结，该多组分过滤介质包括至少部分涂有聚丙烯的聚酯纤维，其中聚丙 烯作为聚酯纤维和细纤维之间的粘结剂。
8.权利要求7的复合过滤介质，其中多组分过滤介质具有以下特性(a)在约50和600CFM之间的弗雷泽透气性；(b)在约1和40微米之间的平均纤维直径；和(c)在约0.5和约15oz/yd2之间的基重。
9.权利要求8的复合过滤介质，其中当约0.013g/m2的细纤维与多组分过滤介质粘结 时，该多组分过滤介质的弗雷泽透气性减少约15% -约30%。
10.权利要求1的复合过滤介质，其中该多组分过滤介质具有在约0.1和2. Omm之间的 厚度，该多组分过滤介质在其整个厚度之上提供粉尘负载能力；该细纤维提供比多组分过 滤介质更高的过滤效率。
11.权利要求10的复合过滤介质，其还包括厚度在约0.1和2. Omm之间的第二层多组 分过滤介质，而细纤维被夹在这两层多组分过滤介质之间。
12.权利要求11的复合过滤介质，其中该细纤维被熔融粘结到这两层多组分过滤介质 上，并且永久固定在其上，以使在不破坏纳米纤维的环境下不会发生分层，由此与细纤维结 合的这两层提供了单个的整体结合的过滤介质层。
13.权利要求12的复合过滤介质，其中该复合过滤介质是折叠的过滤介质。
14.权利要求1的复合过滤介质，其中该多组分过滤介质包括含有低熔点组分和高熔 点组分的双组分纤维。
15.权利要求的复合过滤介质，其中该低熔点组分作用为细纤维和多组分过滤介质之 间的粘结剂。
16.一种形成复合过滤介质的方法，其包括以下步骤形成包括至少两种不同材料的多组分过滤介质，其包括至少一种低熔点聚合材料和至 少一种熔点比低熔点聚合材料高的纤维；将该多组分过滤介质加热到接近低熔点聚合材料的熔点或所述熔点以上；将较高熔点的纤维与低熔点聚合材料粘结在一起；将细纤维静电纺丝到该多组分过滤介质上，该细纤维具有小于1微米的平均纤维直 径；和将该细纤维粘结到低熔点聚合材料上。
17.权利要求16的方法，其中该低熔点聚合材料在加热多组分过滤介质期间熔化，并 且至少部分涂在较高熔点的纤维上。
18.权利要求16的方法，其中细纤维与低熔点聚合材料的粘结包括使该复合过滤介质 穿过一组压力辊，以便用低熔点聚合物材料作为粘结剂实现细纤维和多组分过滤介质之间 的压力粘结。
19.权利要求18的方法，其中细纤维与低熔点聚合材料的粘结还包括在通过这组压力 辊之前，将具有细纤维的多组分过滤介质至少加热到该低熔点聚合材料的玻璃转变温度， 以便使该低熔点的聚合材料至少软化、或甚至有些熔化，其作为使多组分过滤介质和细纤 维粘结成一个整体复合过滤介质层的粘结剂。
20.权利要求18的方法，其中细纤维与低熔点聚合材料的粘结仅仅在接触点连接细纤 维；并且该细纤维在没有低熔点聚合材料的接触点之间具有延伸。
21.权利要求16的方法，其中多组分过滤介质的形成包括共挤出高熔点聚合物和低熔 点聚合物以形成双组分纤维；其中该高熔点聚合物具有比低熔点聚合物更高的熔点。
全文摘要
一种复合过滤介质，其由静电纺丝的细纤维和多组分的衬底过滤介质形成，所述衬底过滤介质包括至少两种不同的材料，其中一种是低熔点的聚合材料，其中低熔点聚合材料作为粘结剂。
文档编号B01D39/16GK102137704SQ200980132308
公开日2011年7月27日 申请日期2009年7月13日 优先权日2008年7月18日
发明者L·李, T·B·格林 申请人:克拉考公司