双层气体过滤器及用于制造其的系统和方法与流程

本说明书一般涉及具有至少两层的气体过滤器，其中至少一层掺入纳米颗粒，以及用于制造这种气体过滤器的系统和方法。

背景技术：

1、由于纤维材料的纤维尺寸细，它们特别适用于在过滤装置中捕获污染物。过滤介质的纤维以微米为单位进行测量，并且可以通过纺粘、熔喷、静电纺丝或其他技术形成。当流体流过过滤介质时，细纤维将污染物捕获并截留在过滤介质中。

2、掺入纤维材料的两种主要类型的过滤装置包括表面过滤器和深度过滤器。表面过滤器(例如膜层或膜)作为在污染物进入介质结构之前将其捕获的屏障。这些表面过滤器通常具有亚微米孔径和窄孔径分布。表面过滤器往往具有相对高的颗粒捕获效率。然而，它们也具有相对高的压降和低的容尘量。高压降导致通过过滤器的空气流量减少。低容尘量显著降低了过滤器的寿命。因此，表面过滤器在空气过滤行业中的应用有限。

3、深度过滤器通常用于空气过滤装置，具有中等至高效率、低压降和相对高的容尘量。传统的住宅和商业空气过滤器，例如hepa过滤器，通常根据过滤器捕获约0.3至10微米颗粒的能力进行评级。该评级称为最低效率报告值或merv，由美国采暖、制冷与空调工程师学会(ashrae)制定。merv等级范围为1-16，值越高，表示捕获特定类型颗粒的效率越高。

4、污染物的尺寸范围广泛。然而，小于1微米的污染物是对人体最有害的颗粒，并且相对难以过滤。例如，传统的机械空气过滤器通常报告纤维过滤材料的merv等级为约8-10。因此，这些过滤介质通常不捕获亚微米颗粒，例如病毒和其他有害病原体。

5、过滤行业集中于两种不同的捕获这些亚微米颗粒的方法：静电力和利用过滤介质中的纳米颗粒。通过使用摩擦电方法、电晕放电、水力充电、静电纤维纺丝或其他已知方法对纤维材料内的纤维进行静电充电而形成静电过滤器。静电过滤器在捕获亚微米颗粒方面最有效，在捕获1至3微米的颗粒方面相当有效，在捕获3至10微米的较大颗粒方面效果最差。静电纤维通常用于许多过滤应用，例如面罩和高效过滤器，以过滤亚微米污染物，例如病毒等。

6、静电过滤器的一个缺点是静电荷随时间和过滤器的使用而衰减。因此，过滤器的效率降低相对较快，从而缩短其寿命。例如，初始merv等级为13的静电过滤器在静电力衰减后可能失去至少2-3个merv等级点。这损害了过滤器的完整性，并可能部分或完全抑制其捕获亚微米颗粒的能力。

7、另一种捕获亚微米污染物的方法是将纳米颗粒与纤维结合使用。过滤系统可以采用过滤介质，包括直径以微米计的相对大的纤维和相对较小的纳米颗粒。纳米颗粒通过减小介质内的整体纤维尺寸来增加介质内用于捕获颗粒的表面积。纳米颗粒也倾向于相互塌陷，增加过滤介质内的堆积密度。已显示，即使在微纤维材料上形成的层中仅有少量纳米尺寸的纤维，也能改善材料的过滤特性。

8、将纳米颗粒掺入过滤介质的最常见方法是通过电纺丝将连续纳米纤维薄层施加在非制造基材上。纳米颗粒通常平行或垂直于本体过滤介质层的表面延伸，除了粗过滤介质提供的较大颗粒的过滤外，还提供小颗粒的高效过滤。例如，美国专利号6,743,273公开了过滤介质，其中连续纳米纤维层沉积在基材的表面上。美国专利号10,799,820还公开了空气过滤介质，其包含过滤介质表面上的连续纳米纤维层。

9、虽然现有的掺入纳米颗粒的过滤介质已经提高了这些过滤器的相对效率，但这些过滤器在某些应用中的商业潜力受到限制，因为纳米颗粒通常分散在非织造材料的表面上。过滤器表面上相对较薄的纳米颗粒层仅提供有限的颗粒过滤，并且具有相对较低的容尘量。

10、虽然已经进行了许多将纳米材料掺入过滤介质以提高整体过滤效率的尝试，但这些尝试仅限于所谓的“湿法成网(wetlaid)”方法。这些湿法成网方法涉及将短切纳米纤维掺入液体浆料中，以借助表面活性剂分离缠结的纳米纤维。例如，美国专利号10,252,201公开了由湿法成网方法形成的由短切纳米纤维和短切粗纤维混合物制成的过滤介质。类似地，美国专利申请号2021/0023813公开了生产复合结构的方法，该复合结构由连续纤维非织造基材和不连续纤维(例如碳纳米纤维)组成。该方法包括将连续纤维非织造基材拉过不连续纤维的浆料，其中纳米材料嵌入非织造基材中。

11、虽然这些结构已显示出效率提高，但它们还存在其他问题，例如当介质处于正常使用条件下时，寿命和/或效率降低。此外，这些湿法成网方法尚未成功地将纳米颗粒均匀地掺入整个非织造材料中，这导致纳米颗粒在材料内结块，从而进一步降低其效率和整体容尘量。

12、因此，我们需要改进气体过滤器以及用于制备这种过滤器的系统和方法。特别期望将纳米颗粒掺入整个气体过滤器的至少一部分中，从而改进过滤器的性能特征。

技术实现思路

1、以下呈现了所要求保护的主题的简要概述，以提供对所要求保护的主题的一些方面的基本理解。本
技术实现要素：
不是对所要求保护的主题的全面概述。它既不旨在确定所要求保护的主题的关键或重要要素，也不旨在描述所要求保护的主题的范围。其唯一目的是以简化形式呈现所要求保护的主题的一些概念，作为后面呈现的更详细描述的序言。

2、提供了过滤介质和过滤器，例如空气过滤器、面罩、燃气轮机和压缩机进气过滤器、板式过滤器等，其包括至少两层和以一定深度分散在至少一层内的多个纳米颗粒。还提供了用于制造此类过滤器的系统、装置和方法。

3、在一方面，气体过滤器包含纤维的第一层、粘合至第一层的纤维的第二层和掺入第一层的多个纳米颗粒。纳米颗粒增加了过滤器内的总表面积，这提高了其过滤效率，并允许捕获亚微米污染物，而不显著损害其他因素，例如通过过滤器的压降(即空气流量)。此外，本文公开的过滤器能够承受严格的调节，这使过滤器在其整个使用寿命期间均能达到相同水平的过滤性能。

4、气体过滤器的第一层限定第一表面和与第一表面相对的第二表面。纳米颗粒被布置通过第一表面并进入第一层的第一和第二表面之间的内部结构。在某些实施方案中，纳米颗粒“以一定深度”分散在第一层内。如本文所用，术语“以一定深度”意指纳米颗粒分散越过层的第一表面，使得至少一些纳米颗粒被布置在层或过滤介质的第一和第二相对表面之间的内部结构中。在某些实施方案中，纳米颗粒分散基本上遍及从第一表面到相对的第二表面的整个介质。在其他实施方案中，纳米颗粒分散在从第一表面到第一和第二表面之间的位置的一部分介质中。在其他实施方案中，纳米颗粒从基材的第一表面到相对的第二表面以密度梯度布置。纳米颗粒的密度在第一表面或第二表面处可以较大。

5、气体过滤器的第二层可以粘合至第一层的第一表面或第二表面。在某些实施方案中，在第二层中也掺入多个纳米颗粒。纳米颗粒可以分散遍及第二层的内部结构。纳米颗粒可以从第二层的一个表面到另一个表面以密度梯度布置。在该实施方案中，纳米颗粒在分散表面(即，纳米颗粒分散进入其中的表面)的密度将大于第二层的相对表面的密度。

6、第一层和第二层可以彼此粘合，使得它们的分散表面彼此面对(即，其中较大密度的纳米颗粒位于气体过滤器的内侧)。可选地，第一层和第二层可以彼此粘合，使得它们的分散表面彼此背对，使得较大密度的纳米颗粒位于气体过滤器的外侧。在又另一个实施方案中，分散表面交替，使得一个层的较大密度的纳米颗粒位于气体过滤器的内侧，而另一个层的较大密度的纳米颗粒位于气体过滤器的外侧。

7、在另一方面，气体过滤器的第一层的线密度可以大于约3旦尼尔。空气过滤器中的纤维的线密度通常为约3旦尼尔或更小，以确保纤维足够小以捕获穿过过滤器的污染物。申请人已出乎意料地发现，通过使用分散在过滤介质中的纳米颗粒，纤维可以具有更大的线密度，例如，大于3旦尼尔。这是因为纳米颗粒提供了显著的过滤能力。在一些情况下，纤维的线密度可以大于3旦尼尔、5旦尼尔或更大、6旦尼尔或更大或大到7-10旦尼尔。

8、申请人还发现，在一些应用中，线密度大于传统过滤器中使用的线密度的纤维(例如，大于约3旦尼尔)在过滤介质内提供更多的开放空间或孔隙，这允许更大密度的纳米颗粒分散在其中。虽然这可能与本领域技术人员的直觉相反，但申请人发现，将具有更大线密度的纤维掺入纳米颗粒实际上提高了过滤器的整体效率。

9、在某些实施方案中，过滤介质可以包括至少两种不同的纤维厚度或线密度，以在同一过滤介质内提供至少两个不同的过滤层。例如，在一些情况下，过滤器的第一层将包括纳米颗粒和线密度大于3旦尼尔(例如，5旦尼尔或更大或6旦尼尔或更大)的纤维。过滤介质的第二层将包含线密度为3旦尼尔或更小的纤维。这种双层过滤介质创建了第一过滤层和第二过滤层，该第一过滤层主要使用在较大厚度的纤维内具有高密度的纳米颗粒来过滤污染物；该第二过滤层主要使用具有较低线密度的纤维来过滤污染物，但这两个部分可以均包含分散遍及纤维的纳米颗粒。在某些实施方案中，过滤器可以包括三个或更多个单独的部分或层，每个部分内具有不同的旦尼尔纤维范围。

10、第一层和第二层可以包括任何基材，例如片材、层、膜、开孔膜、网、网状物或其他介质。在某些实施方案中，基材将包含具有相互交错的单独纤维或线的结构的纤维材料。合适的纤维材料的实例包括但不限于熔喷、纺粘、粘合梳理、气流成网、共成型、液压缠结等的纤维、层或幅材。在其他实施方案中，设想了针织物或编织物作为基材。

11、在一些实施方案中，过滤器包括粘合至过滤介质的一个或多个支撑层。支撑层和/或过滤介质可以包括以一定深度分散在层内的纳米颗粒。在一些实施方案中，提供了聚合物层、膜层或膜，其包括一个或多个孔，用于气体或液体从其中流过，其中纳米颗粒以一定深度布置在聚合物层内。

12、在另一方面，用于制造双层过滤器的系统包括：进料器，用于将纤维的第一层从上游端推进到下游端；和在上游端与下游端之间的分散装置，用于使纳米颗粒分散进入第一层的第一表面，使得纳米颗粒至少穿过第一层的第一表面。该系统还包括用于将第一层粘合至纤维的第二层的装置。

13、在某些实施方案中，该系统包括第二进料器，用于推进纤维的第二层。第一和第二进料器可以包含例如卷绕装置，其将层通过系统进样至连接点，然后在该连接点处将两层粘合在一起。可以通过本领域已知的任何合适方法(例如，相互层合)将层粘合在一起。在某些实施方案中，进料器可以还包含在两个卷绕机之间延伸的支撑表面，用于在基材向下游移动通过系统时支撑纤维层。在其他实施方案中，基材直接从退绕机退绕到卷绕机，而无需其他支撑表面。

14、在某些实施方案中，该系统包括第二分散装置，用于使纳米颗粒分散进入第二层的第一表面，使得纳米颗粒至少穿过第二层的第一表面。第一和第二进料器可以被配置成使得第一层的第一表面粘合至第二层的第一表面。在其他实施方案中，第一和第二进料器被配置成使得与第一层的第一表面相对的第一层的第二表面至与第二层的第一表面相对的第二层的第二表面。可选地，第一和第二进料器被配置成使得第一层的第一表面粘合至与第二层的第一表面相对的第二层的第二表面。

15、该系统可以还包括纤维化装置，用于将纳米颗粒分离和/或隔离在流体或气体介质内。如本文所用，术语“纤维化”意指将纳米颗粒簇、团块或其他组转化(例如，打开、分离、隔离和/或个体化)成至少一个尺寸小于1微米的单个纳米颗粒。在一个实施方案中，纳米颗粒被分离或隔离在合适的气态介质(例如空气、氦、氮、氧、二氧化碳等)中，并经由气流、气溶胶、蒸发器、喷雾或其他合适的输送机制分散到产品、基材或纤维流中。将单个纳米颗粒分离和/或隔离在气态介质中，然后将其分散到基材或气流中，使纳米颗粒更均匀地分布遍及气体过滤器的层。

16、第二装置可以还包括与第一和/或第二喷嘴相对地布置在基材下方的负压源或真空源，以增加纳米颗粒的穿透深度和均匀性。负压源可以是任何合适的抽吸装置，其使纳米颗粒通过基材，例如抽吸泵等。

17、该系统可以还包括涂覆装置，用于将粘合剂分散到第一层和/或第二层中的纤维上。粘合剂可以包含各种常规材料，包括天然基材料，例如淀粉、糊精、瓜尔胶等，或合成树脂，例如eva、pva、pvoh、sbr、聚乙交酯等。在一些实施方案中，基材包括其自身的粘合剂组合物。在这些实施方案中，粘合剂或粘合材料可以添加或可以不添加到基材中。在一个这样的实施方案中，基材包含生物组分纤维，其中组分中的一个包含至少部分围绕内芯的外鞘。

18、第二装置可以还包括干燥器，例如ir烤箱等，其布置在进料器的下游端附近，用于加热纳米颗粒和纤维，以将纳米颗粒粘合至基材内的纤维。

19、在另一方面，用于制造双层过滤器的方法包括提供各自包含纤维的第一层和第二层；使纳米颗粒分散进入第一层的第一表面，使得纳米颗粒至少穿过第一层的第一表面；以及将第一层粘合至第二层以形成过滤介质。

20、在某些实施方案中，该方法还包括使纳米颗粒分散进入第二层的第一表面，使得纳米颗粒至少穿过第二层的第一表面。第一层的第一表面可以粘合至第二层的第一表面或第二表面。可选地，第一层的第二表面可以粘合至第二层的第一表面或第二表面。

21、纳米颗粒可以被分离或隔离在流体或气体介质内，然后分散基本上遍及气体过滤器的第一层和/或第二层。在一些实施方案中，纳米颗粒可以在第一层和/或第二层内形成梯度，使得纳米颗粒的密度从一个表面到另一个表面减小。

22、可以向第一层和/或第二层内的纤维施加粘合剂，以将纳米颗粒保留在层内。粘合剂可以包含各种常规材料，包括天然基材料，例如淀粉、糊精、瓜尔胶等，或合成树脂，例如eva、pva、pvoh、sbr、聚乙交酯等。在一些实施方案中，基材包括其自身的粘合剂组合物。在这些实施方案中，粘合剂或粘合材料可以添加或可以不添加到基材中。在一个这样的实施方案中，基材包含生物组分纤维，其中组分中的一个包含至少部分围绕内芯的外鞘。

23、本文中对本说明书的各种实施方案所满足的期望目的的叙述并不旨在暗示或表示这些目的中的任何一个或全部作为基本特征(单独或共同地)存在于本说明书的最一般的实施方案或其任何更具体的实施方案中。