对于传染性气载微生物具有防护能力的抗致病性空气过滤介质和空气处理装置.pdf

本发明提供了一种含纤维底物的抗致病性空气过滤介质，其中的纤维被含有聚合物的涂层涂覆。所述涂层提供了破坏气载病原体的环境。所述过滤介质尤其可用于建筑的空气处理体系，该体系既过滤空气又消除病原体。所述过滤介质还可用于产生一种新型的防毒面具，其不仅提供了对于化学战试剂的防护，而且提供了对于生物病原体的防护。

1.  一种抗致病性空气过滤介质，其包含
a)含大量掺混纤维的纤维底物，和
b)环绕大部分所述大量纤维的每一个的含聚合物网络的抗致病性涂层。

2.  权利要求1的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络可以耐受酸性、碱性、氧化性或强加溶性物质。

3.  权利要求1的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络选自无规交联聚合物、共价交联线性聚合物、通过离子键或氢键相互作用交联的线性聚合物的流延混合物、交联的聚硅氧烷聚合物和杂化无机-有机溶胶凝胶材料。

4.  权利要求1的空气过滤介质，其中聚合物网络是抗致病性的。

5.  权利要求4的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络选自交联聚(苯乙烯磺酸)(游离酸或盐)、交联聚丙烯酸(游离酸或盐)、交联聚(甲基丙烯酸)、交联聚(乙烯基吡啶)季铵盐和交联聚乙烯亚胺季铵盐及其共聚物。

6.  权利要求4的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络是无规交联聚合物。

7.  权利要求4的空气过滤介质，其中聚合物网络带有酸性官能团。

8.  权利要求7的空气过滤介质，其中聚合物网络是交联的4-苯乙烯磺酸。

9.  权利要求8的空气过滤介质，其中聚合物网络是用二乙烯基苯交联的4-苯乙烯磺酸。

10.  权利要求4的空气过滤介质，其中聚合网络含季铵官能团。

11.  权利要求10的空气过滤介质，其中聚合物网络是交联的聚乙烯亚胺季铵盐。

12.  权利要求10的空气过滤介质，其中聚合物网络是交联的聚(乙烯基吡啶)季铵盐。

13.  权利要求1的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络是成胶聚合物，且涂层中还含有非挥发性抗致病性液体。

14.  权利要求12的抗致病性空气过滤介质，其中成胶聚合物选自共价交联的线性聚合物和通过离子键或氢键相互作用交联的线性聚合物。

15.  权利要求14的抗致病性空气过滤介质，其中成胶聚合物选自多糖、多糖衍生物、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(甲基丙烯酸羟乙酯)、在任何位置具有2个-约12个乙氧基重复单元的聚甲基丙烯酸乙二醇酯、聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚(苯乙烯磺酸钠)的混合物、聚(乙二醇)和聚(乙烯基吡咯烷酮)的混合物以及羧甲基纤维素和羟乙基纤维素的混合物。

16.  权利要求15的抗致病性空气过滤介质，其中多糖衍生物选自甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基-2-羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素和羧甲基纤维素。

17.  权利要求14的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络是通过离子键或氢键而交联的线性聚合物的混合物。

18.  权利要求17的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络选自聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚(苯乙烯磺酸钠)的混合物、聚(乙二醇)和聚(乙烯基吡咯烷酮)的混合物、羧甲基纤维素和羟乙基纤维素的混合物、瓜尔胶、黄原酸胶和藻酸。

19.  权利要求1的抗致病性空气过滤介质，其中聚合物网络是共价交联的线性聚合物。

20.  权利要求19的空气过滤介质，其中线性聚合物是羟甲基纤维素。

21.  权利要求20的空气过滤介质，其中用选自三聚氰胺甲醛树脂、脲甲醛树脂和二羟甲基脲的交联剂交联羟甲基纤维素。

22.  权利要求21的空气过滤介质，其中交联剂是脲甲醛树脂。

23.  权利要求13的空气过滤介质，其中聚合物网络是无规交联聚合物。

24.  权利要求23的空气过滤介质，其中聚合物网络选自交联的聚(甲基丙烯酸羟乙酯)、聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚甲基丙烯酸乙二醇酯。

25.  权利要求13的空气过滤介质，其中抗致病性液体选自酸、碱和氧化剂在非挥发性稀释剂中的溶液；非挥发性稀释剂中的金属胶悬体；以及载有表面活性剂的非挥发性油。

26.  权利要求25的空气过滤介质，其中非挥发性抗致病性液体是载有表面活性剂的油，其含有植物油和非离子表面活性剂。

27.  权利要求25的空气过滤介质，其中非挥发性抗致病性液体是金属胶悬体。

28.  一种用于过滤空气的含有权利要求1的空气过滤介质的装置。

29.  权利要求28的装置，其选自加热、通风和空气调节体系过滤器和防毒面具。

30.  权利要求28的装置，其具有多个权利要求1的空气过滤介质。

31.  权利要求30的装置，其选自加热、通风和空气调节体系过滤器和防毒面具。

32.  一种生产抗致病性空气过滤介质的方法，包括：
a)用预聚物溶液湿润含大量掺混纤维的纤维底物，和
b)在溶液湿润的纤维中固化预聚物，以形成围绕纤维的聚合物网络。

33.  权利要求32的方法，其中湿润是将纤维底物浸渍于预聚物溶液浴中，并从浸浴中取出纤维底物。

34.  权利要求33的方法，其中湿润还包括在从浸浴中取出纤维底物后，通过选自以下的技术将纤维部分干燥：加热纤维底物、从纤维底物中沥出预聚物溶液、用吸附材料沾吸纤维底物或上述方法的结合。

35.  权利要求32的方法，其中湿润是通过向纤维底物喷洒预聚物溶液而进行的。

36.  权利要求35的方法，其中湿润包括通过选自以下的技术将纤维部分干燥：加热纤维底物、从纤维底物中沥出预聚物溶液、用吸附材料沾吸纤维底物或上述方法的结合。

37.  权利要求32的方法，其中聚合物网络是抗致病性的。

38.  权利要求37的方法，其中预聚物是4-苯乙烯磺酸和交联剂的混合物。

39.  权利要求38的方法，其中交联剂是二乙烯基苯。

40.  权利要求39的方法，其中用苯乙烯磺酸、二乙烯基苯和自由基引发剂在甘油和水的混合物中的溶液湿润纤维底物。

41.  权利要求37的方法，其中预聚物是乙烯基吡啶和交联剂的混合物，并且所述方法还包括使纤维底物与烷基溴接触，以将聚合物网络上的吡啶侧基转化为季铵盐的后续步骤。

42.  权利要求41的方法，其中纤维底物与乙烯基吡啶、二乙烯基苯和自由基引发剂在甘油和水的混合物中的溶液接触。

43.  权利要求37的方法，其中预聚物是乙烯基吡啶的季铵盐和交联剂的混合物。

44.  权利要求32的方法，其中聚合物网络是成胶聚合物。

45.  权利要求44的方法，还包括底物纤维与选自下述的抗致病性液体接触：酸、碱或氧化剂在至少一种非挥发性稀释剂中的溶液；至少一种非挥发性稀释剂中的金属胶悬体；以及载有表面活性剂的非挥发性油。

46.  权利要求44的方法，其中抗致病性液体选自银胶悬体和铜胶悬体。

47.  权利要求44的方法，其中预聚物溶液还包含金属胶体，并且其中固化预聚物会在成胶聚合物中夹带抗致病性有效量的金属胶体。

48.  权利要求44的方法，其中预聚物溶液还包含表面活性剂和非挥发性油。

49.  权利要求48的方法，其中纤维底物与含甲基丙烯酸甲酯、二丙烯酸1，4-丁二醇酯、自由基引发剂、非离子表面活性剂和植物油的溶液接触。

50.  一种通过权利要求32的方法制备的空气过滤介质。

51.  一种含权利要求50的空气过滤介质的装置。

52.  权利要求50的装置，其选自加热、通风和空气调节体系空气过滤器和防毒面具。

对于传染性气载微生物具有防护能力的 抗致病性空气过滤介质和空气处理装置
相关申请的交叉参者
本申请要求2001年10月19日提交的US临时申请No.60/345137的优先权。
发明领域
本发明涉及抗致病性空气过滤介质和使用空气过滤器的空气处理体系和专用装置。
发明背景
现代的加热、通风和空气调节(HVAC)体系将大部分调节后的空气循环，使得能效改善。但不幸的是，空气循环使得病原体在人群聚集的封闭区域，象家庭、办公楼和医院中浓缩。这加重了在所述封闭区域中生活和工作的人的免疫系统的负担，并增加了感染气载传染病的危险。
对于微生物来说，空气处理设备也是一个庇护所。风管中很黑，并且屏蔽了在室外环境中能够抑制许多类型细菌生长的外界UV光。在体系进行冷却操作的同时发生的冷凝所提供的水分维持了微生物的生长。沉积在管道和空气过滤器表面上的灰尘颗粒为微生物提供了养分。所述养分在每日处理数千立方英尺含尘空气的空气过滤器上尤其丰富。现已认清，用于HVAC体系的颗粒过滤器是气载细菌的增殖器，并且至少是结核病、军团菌病和narcosomal infection在保健设备中传播的部分原因。高效颗粒性空气(“HEPA”)空气过滤器的发展并未消除这一问题。与常规过滤器相比，HEPA过滤器能够捕获更小的颗粒，象一些气载微生物，并将其固定，但它们不能捕获所有的气载微生物，并且未装备杀死其捕获的微生物的设备。人们已经尝试研发微生物增殖趋势降低的HVAC体系，重点放在发展高效、耐用的抗微生物空气过滤器。
1962年公开的美国专利3017329描述了一种杀细菌和杀真菌的过滤器，据称其降低了过滤器放出由细菌或真菌群产生的令人不快的臭气或者可生存的病菌和孢子的可能性。该过滤器含有常规非织造过滤介质，所述介质带有通过喷射或浸浴而施加的杀细菌和杀真菌活性剂的涂层。活性剂选自pH中性并且对哺乳动物毒性很大的有机银化合物和有机锡化合物。活性剂也可以在常规生产过滤器的工艺过程中施加于非织造纤维，在所述工艺中，将非织造纤维浸渍在含有粘合剂和任选的阻燃剂的水浴中。将处理后的纤维加热，除去水、固化粘合剂并且根据’329专利，将杀菌剂固定在过滤介质上。
美国专利3116969描述了一种具有烷基芳基氯化季铵防腐化合物的过滤器，所述化合物是通过含吸湿剂、增稠剂和成膜剂的粘性组合物固定在过滤器纤维上的。
美国专利3820308描述了一种带有湿性含油涂层的杀菌性空气过滤器，所述涂层含有季铵盐作为杀菌剂。
Dever，M.等人，Tappi Journal 1997，80(3)，157，报道了通过将抗菌剂掺入熔体喷射聚丙烯空气过滤器的纤维而实现抗菌效力的研究成果。分别测试了三种不同的杀菌剂。将每种试剂都与聚丙烯相混合，随后将其熔体喷射，形成抗菌过滤介质。在过滤介质中，只有两种抗菌剂在操作后可通过FTIR检测。对照常规革兰氏阳性和革兰氏阴性的细菌菌株测试掺杂后的过滤介质。含两种可检测试剂的过滤介质具有抗菌特性，但试剂作为成核剂起作用，也影响了聚丙烯的物理性质。因此，与由未掺杂聚丙烯制成的过滤器相比，聚丙烯掺杂导致过滤器的收集效率降低且纤维较厚。
Foard，K.K.和Hanley，J.T.，ASHRAE Trans.2001，107，156，报道了用三种不同抗菌剂中的一种处理后的过滤器抗菌效力的现场测试结果。在现场测试中，在未经处理的有灰尘的过滤介质上观察到微生物生长，在处理过的对照部分上也观察到生长。已知的抗菌过滤器处理在其使用条件下产生的作用很少。
Kanazawa，A.等人，J.Applied Polymer Sci.1994，54，1305描述了一种通过将抗菌氯化鏻部分共价地固定在纤维素底物上而制备的抗菌过滤介质。过滤器是通过三烷基-(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)氯化鏻与纤维素的羟基反应而制成的。研究人员发现，亚磷上的烷基链长度影响了过滤器的效力，但不影响填充密度。根据其测量，在得到的过滤器中，氯化鏻的密度过量于预期的单层密度，由此表明，鏻盐被堆积。更为亲脂的鏻盐，即那些烷基链更长的鏻盐趋向于具有更高的细菌捕获能力。
Okamoto，M.Proceeding of the Institute of EnvironmentalSciences and Technology，1998，122论述了银沸石作为抗菌剂在空气处理过滤器中地用途。根据研究人员的结论，银沸石通过特殊的粘合剂连接至过滤器的一侧。
美国专利公开2001/0045398描述了一种通过将材料与预定尺寸的颗粒的悬浮液接触，并将悬浮液推动通过材料，使得颗粒夹带于材料的孔隙中而制备出颗粒固定在其孔隙中的非织造多孔材料的方法。处理后的材料据称可用作抗菌阻挡层。
根据其英文摘要，国际公开WO00/64264描述了一种用于过滤器的杀菌有机聚合材料，其由含骨架和键连于其上的聚合性侧基的聚合物基质制成，所述侧基含有由N-烷基-N-乙烯基烷基酰胺和固定于聚合材料的三碘离子衍生的单元。
国际公开WO02/058812描述了一种含定时释放抗菌剂微胶囊的过滤介质。微胶囊含有悬浮于粘性溶剂中的试剂，其从微胶囊的多孔外壳中缓慢扩散出来。可以使用粘性基质，诸如阿拉伯树胶，将微胶囊粘附在纤维底物上。
其它除去传染性气载微生物的方法已经得以发展。一种方法是使用将受污染空气吸入封闭腔室的装置，空气在腔室中渗过液体，这样微生物被封闭到液体中。该装置有一些缺点。必须将受污染空气与液体完全混合，以便病原体被捕获和消除。这种设计并不能很好地适合于HVAC体系的高流速，并且安装和操作不便且不实用。
另一种方法使用了静电沉淀为含微生物的空气流消毒，其中静电沉淀与美国专利5993738中所述的光催化氧化结合。该类型的体系为空气流中的颗粒物质充电，并使用一个反向接地收集板收集带电颗粒，其中光催化剂和UV光破坏了收集板上聚集的病原体。但是，最广泛用于市场或住宅的抗菌过滤器体系是使用紫外光结合过滤器。例如，在美国专利5523075中描述了一种具有一系列紫外灯的过滤罐，其产生特定波长的UV光以破坏气载细菌。这些过滤体系的一个缺点在于其驱动UV灯的能量需求大，因此非常昂贵。例如，医院中的市售HVAC和一些家用空气净化器(例如，Sharper Image生产的Ionic Breeze)使用了这种过滤技术。
抗菌空气过滤器仍有进一步改善的需要。本发明的一个目的在于提供一种抗致病性空气过滤介质，用于空气处理体系，象通常在商用和住宅的封闭空间，诸如家庭、医院、工厂、办公楼等中使用的HVAC。当然，本发明的过滤介质还可用于对抗由战斗人员或恐怖分子有意释放的微生物。防毒面具通常提供抵御化学试剂的保护，但不能对抗生物性病原体，诸如炭疽、天花等。本发明的过滤介质在掺入防毒面具的可替换过滤吸收盒时能够提供这样的保护。美国专利6435184提供了常规防毒面具结构的说明，此处引作参考。
发明概述
一方面，本发明提供了一种抗致病性空气过滤介质，其包含：含有大量掺杂纤维和分别环绕着大部分所述大量纤维的抗致病性涂层的纤维底物，所述涂层含有聚合物网络。聚合物网络可以是无规交联聚合物、共价交联线性聚物、通过离子键或氢键的相互作用而交联的线性聚合物的流延混合物(cast mixture)、交联的聚硅氧烷聚合物或杂化无机-有机溶胶材料。
聚合物网络可以是抗致病性的，因为其含有的侧官能团或在聚合物骨架中含有的官能团破坏了微生物的生物活性。所述基团包括酸性基团，诸如磺酸基；季铵基，诸如烷基吡啶鎓基；以及氧化官能团，诸如吡咯烷酮-碘络合物。
在另一实施方案中，聚合物网络不必是抗致病性的，但在使用条件下，应能够在至少一种非挥发性液体稀释剂中与含活性剂的液体形成凝胶。所述液体包括酸、碱和氧化剂的溶液、金属胶悬体、载有表面活性剂的油和抗菌药物的溶液。
另一方面，本发明提供了制备本发明的空气过滤介质，以及用于含有本发明的空气过滤介质的空气过滤器的空气过滤器和吸收盒的方法。
发明详述
本发明提供了一种抗致病性的空气过滤介质。在本公开文本中使用的术语“病原体”是指任何致病的微生物，包括病毒、细菌、藻类、真菌、酵母和霉菌。本发明的抗致病性空气过滤介质破坏了在过滤介质中携带的病原体的生物活性。生物活性的破坏可以杀死有机体或抑制其增殖。
本发明的空气过滤介质包含纤维底物和环绕着大部分底物纤维的抗致病性涂层。优选抗致病性涂层围绕不少于80％的纤维。
抗致病性涂层包含聚合物网络。由涂层，以及在一些实施方案中，由涂层的聚合物网络为空气过滤介质带来了其稳定的抗菌性质。抗致病性涂层利用了病原体对苛刻的化学环境，诸如极端pH条件和氧化条件的敏感性。在过去，很难将这样的特性赋予在空气过滤器中使用的纤维介质。液体酸和碱，诸如盐酸、硫酸的水溶液，以及液体有机胺类难以固定在纤维底物上。液体强氧化剂和强加溶物质，诸如载有表面活性剂的油也是这样。如上所述，将空气鼓泡通过液体的装置难以引入并置于高容积空气处理体系中。固体碱和氧化剂，诸如碱金属和碱土金属氢氧化物难以附着在纤维底物上。
聚合物网络不显著影响底物纤维的物理性质，诸如拉伸强度、弹性和抗变形性。
纤维底物是任何由掺杂纤维制成的多孔天然或合成材料。纤维底物可以是织造的或非织造的。适合用作纤维底物的示例性天然材料包括棉、羊毛和纤维素。适合用作纤维底物的示例性合成材料包括聚烯烃丝，诸如聚丙烯、聚乙烯等；玻璃丝(即玻璃纤维)、聚酯、乙酸纤维素、聚苯乙烯、乙烯树脂、尼龙、人造丝丙烯酸系、丙烯腈和可以纺制成纤维的高效工程塑料。尤其优选用于形成纤维底物的合成材料是市售产物：Teflon^和Teflaire^(PTFE)、SoloFlo^(HDPE)、Sontara^和Dacron^(聚酯)和Xavan^(以上全部是DuPont ChemicalCo.的产品)以及Airex^(玻璃纤维和聚酯)。优选的纤维底物与空气接触的表面积大，同时产生的空气阻力小，致使操作的过程中产生的压降低。由天然和合成纤维纺织并形成非织造纤维垫的技术是现有技术公知的。非织造材料的纤维可以使用粘合剂固定在一起。
网状聚合物基本上可以是能够耐受酸性、碱性、氧化性或强加溶性物质而不分解的任何聚合物。网状聚合物一般是(1)无规交联的聚合物，诸如通过单体与二-或多-官能交联剂的共聚形成的聚合物，(2)共价交联的线性聚合物，(3)通过离子键或氢键的相线作用交联的线性聚合物的混合物形成的网络，(4)交联的聚硅氧烷聚合物，或(5)杂化无机-有机溶胶材料。示例性无规交联聚合物包括交联的聚(苯乙烯磺酸)(游离酸或盐)、交联的聚丙烯酸(游离酸或盐)、聚(乙烯基吡啶)季铵盐、交联的聚乙烯亚胺季铵盐和交联的聚(羟乙基甲基丙烯酸盐)(“聚HEMA”)。示例性共价交联线性聚合物包括交联的羧甲基纤维素和其它交联的纤维素醚(游离酸或盐)。通过离子键或氢键的相互作用交联的线性聚合物的示例性混合物包括聚(乙烯基吡咯烷酮)与聚(苯乙烯磺酸钠)的混合物，和聚(乙二醇)与聚(乙烯基吡咯烷酮)的混合物，和羧甲基纤维素与羟乙基纤维素的混合物，以及诸如瓜尔胶、黄原酸胶和藻酸钠的天然成胶聚合物。示例性聚硅氧烷包括聚(二甲基硅氧烷)。示例性杂化无机-有机材料包括由四乙氧基硅烷(TEOS)和双(三乙氧基甲硅烷基)烷烃，诸如双(三乙氧基甲硅烷基)甲烷的混合物经溶胶工艺形成的网络。
本发明的空气过滤介质以两种实施方案提供。实施方案的区别在于将抗致病性特征赋予涂层。
在一个实施方案中，网状聚合物是抗致病性的。交联的聚(苯乙烯磺酸)(游离酸或盐)、交联的聚(丙烯酸)(游离酸或盐)、交联的聚(甲基丙烯酸)、交联的聚(乙烯基吡啶)季铵盐和交联的聚乙烯亚胺季铵盐是抗致病性网状聚合物的例子。
在另一实施方案中，网状聚合物是在使用条件下与抗致病性液体形成胶体的成胶聚合物。交联的聚HEMA、交联的羧甲基纤维素和其它的交联纤维素醚(游离酸或盐)、聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚(苯乙烯磺酸钠)的流延混合物、聚(乙二醇)和聚(乙烯基吡咯烷酮)的流延混合物、羧甲基纤维素和羟乙基纤维素的流延混合物、瓜尔胶、黄原酸胶、藻酸钠和聚(二甲基硅氧烷)是成胶聚合物的例子。
空气过滤介质是通过在纤维底物的存在下固化预聚物而制成的。术语“固化”是指将单体和交联剂的混合物聚合、将线性聚合物或低聚物共价交联以及将聚合物链之间形成稳定的离子键或氢键的相互作用的线性聚合物的混合物部分解溶剂化。此处使用的术语“预聚物”是指：单体(进行迭加以形成聚合物的相同结构的小分子)和交联剂的混合物；可以被共价交联的线性聚合物；通过离子键或氢键的相互作用而交联的线性聚合物的混合物；能够反应形成交联聚合物的不同的低聚物，诸如聚(二甲基硅氧烷)预聚物。
根据固化条件和底物，例如，如果底物具有不饱和位点并且通过加聚反应，围绕纤维形成网状聚合物，则聚合物网络可以被共价键连至纤维底物。但是，不受任何理论约束，据信聚合物网络是通过围绕纤维形成基本上连续的外膜而附着于底物纤维上的，所述外膜在网络内部的共价键、离子键或氢键的相互作用没有裂解的情况下不能分离。
在制备本发明空气过滤介质的新颖方法中，纤维底物在预聚物溶剂中与预聚物的溶液接触，并优选用该溶液饱和。所述接触可以通过在溶液中浸渍底物、通过将溶液喷洒在底物上或使纤维底物的纤维湿润的其它方法而进行。
优选在预聚物溶液中浸渍纤维底物。在浸渍后，从预聚物溶液中取出纤维底物。在湿润后，从底物中将过量预聚物溶液沥出几分钟-几小时，或者用吸附材料沾吸纤维底物，以除去过量预聚物溶液。随后在适合产生特定聚合物的条件下固化残留在纤维表面上的预聚物。
当固化涉及加热时，固化温度不应高至使反应物分解的程度。固化所需时间取决于固化温度，或者，如果通过照射进行固化，则取决于照射强度。因此，固化时间可以变化很大。
用于预聚物溶液的溶剂一般可以是水或任何有机溶剂。优选的溶剂是水、甘油、聚(乙二醇)和硅油，尤其优选水和甘油的混合物。
除预聚物之外，预聚物溶液还含有交联剂，除非预聚物是二-或多-官能的，那么其无需使用额外的试剂即可交联。聚合物化学领域的技术人员知道有许多交联剂，并且可以根据准备与之进行反应的聚合物上的官能团或反应性中间体对其进行选择。在以下形成网状聚合物的优选方法的说明中提供了交联剂的例子。
预聚物溶液还可以含有粘度改进剂。粘度改进剂可用于在抽取或沾吸后控制溶液在底物上的残留量，从而影响涂层的厚度。一个特别优选的溶剂体系是约二份水和一份甘油，其粘度使其可以有利地使用而无需额外的粘度改进剂。粘度改进剂的选择和使用是本领域已知的。
除了上述溶液组分之外，溶液还可以含有不抑制固化的任何添加剂，诸如表面活性剂和其它加入以改善溶剂中其它组分的溶解度的物质。
下面转而描述赋予空气过滤介质抗菌特性的装置。在具有抗致病性聚合物网络的实施方案中，聚合物网络上的化学官能团确定了病原体与空气过滤介质进行接触时将其破坏的化学条件。所述官能团可以是酸性、碱性、氧化性或具有损坏病原体细胞膜的清洁性能。
具有抗致病性化学官能团的涂层聚合物的非限制性例子是聚(4-苯乙烯磺酸)、聚(丙烯酸)、聚(甲基丙烯酸)、聚(4-乙烯基吡啶)季铵盐和聚乙烯亚胺季铵盐，以及聚(乙烯基吡咯烷酮)碘络合物，它们全部可以以无规交联聚合物形式在底物纤维上形成。
无规交联聚合物可以通过聚合单体和二-或多-官能交联剂的混合物而形成。交联剂的例子包括二乙烯基苯(DVB)，其优选与聚(苯乙烯磺酸)单体及其盐一起使用。其它优选与丙烯酸和甲基丙烯酸单体一起使用的示例性交联剂是二丙烯酸1，4-丁二醇酯、三乙醇胺二甲基丙烯酸酯、三乙醇胺三甲基丙烯酸酯、三(异丁烯酰基氧甲基)丙烷、甲基丙烯酸烯丙酯、酒石酸二甲基丙烯酸酯、N，N’-亚甲基-双丙烯酰胺、亚己基双(异丁烯酰基氧乙烯基)氨基甲酸酯、2-羟基丙撑二甲基丙烯酸酯和2，3-二羟基四亚甲基二甲基丙烯酸酯、二丙烯酸1，3-丁二醇酯、二(三羟甲基丙烷)四丙烯酸酯、二丙烯酸聚(乙二醇)酯、三羟甲基丙烷乙氧基化物、二甲基丙烯酸聚(丙二醇)酯、双酚A二甲基丙烯酸酯和丙烯酸1，4-丁二醇酯，尤其优选丙烯酸1，4-丁二醇酯。优选与胺官能化单体一起使用的其它示例性交联剂是双环氧化物、封端异氰酸酯和表氯醇。
使用聚(苯乙烯磺酸)进一步阐述无规交联聚合物的抗致病性聚合物网络的形成。交联聚(4-苯乙烯磺酸)的抗致病性涂层可以通过4-苯乙烯磺酸单体和交联剂的自由基加聚反应施加。可以使用紫外光照射(有或没有化学引发剂)引发，或在有化学引发剂的情况下使用热引发而引发聚合。可以使用常规的化学引发剂，诸如偶氮化合物，象2，2’-偶氮异丁腈(“AIBN”)、1，1’-偶氮二(环己腈)和4，4’-偶氮双(4-氰基戊酸)；过氧化物，象过氧化二叔丁基过氧化物、过氧化月桂酰、过氧化苯甲酰、过辛酸异丁酯、过辛酸叔丁酯、正丁基-4，4’-双(叔丁基过氧)戊酸酯、Percadox^等；以及无机过氧化物，诸如过硫酸铵、过硫酸钾、过硫酸钠和羟甲基亚磺酸，尤其优选过硫酸钾。
溶液中4-苯乙烯磺酸的浓度优选为约1wt.％-约25wt.％，更优选约5wt.％。相对于4-苯乙烯磺酸，二乙烯基苯优选以约0.05摩尔％-约15摩尔％，更优选约1摩尔％-约5摩尔％的量存在。优选的溶剂是水和甘油的混合物，优选的比例是约2-1。该溶剂混合物显示出制备4-苯乙烯磺酸涂层的最佳粘度。4-苯乙烯磺酸预聚物溶液的pH应小于3，优选小于2，最优选小于1。乳化剂，象十二烷基硫酸钠也可以以溶解交联剂的量加入。但溶液不需要高度浓缩。如实施例1所示，约5wt.％4-苯乙烯磺酸的溶液得到的酸官能度的强度足以将抗致病性特性赋予空气过滤介质。
用预聚物溶液湿润纤维底物并任选部分干燥。随后，将底物加热和/或用UV灯照射，以引发聚合。在使用AIBN的情况下，当于85℃下进行热引发时，空气过滤介质在数小时内充分固化。
作为上述在底物纤维上形成4-苯乙烯磺酸聚合物网络的步骤的另一种方式，可以通过聚合苯乙烯和二乙烯基苯以形成交联聚苯乙烯的聚合物网络，并随后通过，例如用三氧化硫处理涂覆的纤维底物以将聚合物网络磺化，而形成聚合物网络。
可以使用类似的步骤制备在网状聚合物上具有其它抗致病性官能团的抗致病性空气过滤介质。例如，如实施例3的进一步阐述，根据上述步骤，用双(乙烯)交联剂聚合4-乙烯基吡啶。随后将得到的交联聚(乙烯基吡啶)转化为聚(乙烯基吡啶)季铵盐。通过将涂覆后的纤维底物浸渍在烷基溴，优选C₄-C₂₄烷基溴，更优选C₆-C₁₂烷基溴，如尤其优选的月桂基溴的溶液中，可以形成聚(乙烯基吡啶)季铵盐。烷基溴将吡啶基转化为对微生物有毒的溴化吡啶鎓盐。
用于形成聚(4-乙烯基吡啶)季铵盐聚合物网络的另一方法是聚合4-乙烯基吡啶季铵盐，无需使涂覆后的纤维底物与烷基溴的溶液接触。
聚乙烯亚胺的聚合物网络可以由市售的低聚预聚物制备。BASF销售的商品名为Lupasol^和Lugalvan^的小分子量支化聚乙烯亚胺适合用作预聚物。在底物与基层(basic layer)接触之前，如果需要，预聚物溶液的pH应当通过向任一溶液中加入适合的强碱，诸如氢氧化钠而调节为大于10，优选大于11，最优选大于12。当以乙烯亚胺低聚物为原料时，优选的交联剂是表氯醇，二环氧化物，诸如双酚A二环氧甘油醚。其它优选的交联剂是环氧树脂，尤其是环氧当量是400-3000，优选600-2000，最优选500-1000的固体环氧树脂。另外优选的其它交联剂是酐，诸如4，4’-氧联二邻苯二甲酸酐。
在本发明空气过滤介质的另一实施方案中，网状聚合物是在使用条件下与抗致病性液体形成胶体的成胶聚合物。适合的成胶聚合物包括淀粉、纤维素、瓜尔胶、黄原酸胶、藻酸和其它的多糖和树胶，及其衍生物，诸如甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基-2-羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素(“HPMC”)和羧甲基纤维素、聚(乙烯基吡咯烷酮)、聚(甲基丙烯酸羟乙酯)和在任何位置具有2个-约12个乙氧基重复单元的聚甲基丙烯酸乙二醇酯、以及聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚(苯乙烯磺酸钠)的混合物、聚(乙二醇)和聚(乙烯基吡咯烷酮)的混合物以及羧甲基纤维素和羟乙基纤维素的混合物。
聚(乙烯基吡咯烷酮)和亲水性甲基丙烯酸酯聚合物的涂层可以通过在二官能或多官能交联剂(诸如前述聚合4-苯乙烯磺酸时提到的那些)存在下进行自由基加聚反应而施加。尤其优选的交联剂是双甲基丙烯酸酯和双甲基丙烯酰胺，诸如三乙醇胺二甲基丙烯酸酯、三乙醇胺三甲基丙烯酸酯、三(异丁烯酰基氧甲基)丙烷、酒石酸二甲基丙烯酸酯、N，N’-亚甲基-双丙烯酰胺、亚己基双(异丁烯酰基氧乙烯基)氨基甲酸酯、2-羟基丙撑二甲基丙烯酸酯和2，30二羟基四亚甲基二甲基丙烯酸酯。
一些成胶聚合物的涂层可以通过将聚合物的溶液或分散液在纤维底物上流延而施加。可以流延以围绕纤维形成聚合物网络的预聚物包括淀粉、纤维素、瓜尔胶、黄原酸胶、藻酸和其它的多糖和树胶，及其衍生物，诸如甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素、甲基-2-羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素(“HPMC”)和羧甲基纤维素、聚(乙烯基吡咯烷酮)和聚(苯乙烯磺酸钠)的混合物、聚(乙二醇)和聚(乙烯基吡咯烷酮)的混合物。
成胶聚合物网络可以通过将这些预聚物溶于挥发性溶剂(象水或低级醇)以及非挥发性溶剂(象甘油、聚(二甲基硅氧烷)、聚乙二醇和聚丙二醇)的混合物中，由这些预聚物流延形成。将纤维底物浸渍于溶液中以涂覆纤维，并随后干燥以除去挥发性溶剂。聚合物涂层残留在纤维上，且非挥发性溶剂组分将聚合物塑化。
成胶聚合物的涂层还可以通过在纤维底物的存在下交联线性多糖聚合物而施加。例如，HPMC可如下被交联以围绕底物纤维形成聚合物网络。将从DuPont购买的商标名Methocel^的线性HPMC预聚物与封端异氰酸酯一起溶于水中。例如通过将纤维底物浸渍于溶液，取出并沾吸除去过量溶液而使其湿润，随后于85℃加热2小时，使聚合物干燥并交联。接着，将纤维底物浸渍于氢氧化钠的水溶液中，以提供碱性的抗致病性环境。下面描述交联线性多糖聚合物，羧甲基纤维素的另一种方法。
含用于交联的衍生的二甲基硅氧烷低聚物和催化剂的聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物混合物可以从Dow Corning Co.购买到注册商标为Dow Corning Resins^、Silastic^和Sylgard^。可以改变本领域已知的用于将硅氧烷预聚物固化为硅氧烷聚合物凝胶的技术，在纤维底物上形成硅氧烷聚合物涂层。用预聚物混合物湿润纤维底物，随后通过将湿润的底物暴露于本领域已知的用于固化硅氧烷聚合物的条件下而固化。
抗致病性液体可以是任何抗致病性物质的溶液、胶悬体或分散液。可被保留在成胶聚合物网络中的抗致病性液体的例子是酸、碱和氧化剂的溶液；金属胶悬体、载有表面活性剂的油和抗菌药物的溶液。
当凝胶涂层暴露于HVAC体系中的稳定空气流时，抗致病性液体的挥发性成分，诸如水，将蒸发。通过使用挥发性小得多的稀释剂，诸如甘油，成胶聚合物将持续膨胀。甘油是优选的稀释剂。它具有吸湿性以及非挥发性，并因此易于从空气中获取水分，这有助于成胶聚合物保持膨胀条件。其它适用于这一目的的非挥发性稀释剂是油类、聚(二甲基硅氧烷)、聚乙二醇和聚丙二醇。
可以通过将用成胶聚合物网络涂覆的纤维底物与活性剂和非挥发性稀释剂的溶液接触，使酸、碱和氧化剂(象漂白剂或有机过氧化物)固定在空气过滤介质上。
对于酸性环境，可以使用强无机酸，诸如硫酸、盐酸、硝酸或磷酸制备活性溶液。
对于碱性环境，可以使用强碱，诸如氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂或氢氧化钙，优选氢氧化钠制备活性溶液。
还可以使用氧化剂，诸如次氯酸钠、次氯酸钙、次氯酸镁、碘、PVP-碘、高锰酸钾、三氯氰尿酸和二氯氰尿酸钠、过氧化氢和有机过氧化物，诸如二叔丁基过氧化物制备活性溶液。优选的氧化剂是次氯酸钙。
活性溶液还可以是载有表面活性剂的油。当病原体接触底物的表面时，它们牢固地附着于表面，而表面活性剂分子把被吸附的病原体包裹并消除。优选用于结合载有表面活性剂的油的聚合物是聚(甲基丙烯酸甲酯)和交联的纤维素醚。适合的表面活性剂包括非离子表面活性剂，例如Triton^和Tween^。适合的油包括植物油，诸如豆油、玉米油和葵花油。
可以在交联剂，诸如上述优选用于聚合丙烯酸的那些交联剂存在下，通过甲基丙烯酸甲酯的自由基加聚反应，围绕底物纤维形成聚(甲基丙烯酸甲酯)的涂层。
带有交联纤维素醚涂层的纤维底物可以如下制造。由从HerculesChemical Co.获得的注册商标Natrosol^的羟甲基纤维素和交联剂制备预聚物溶液。优选的交联剂是三聚氰胺甲醛树脂、脲甲醛树脂，诸如从Hercules Chemical Co.获得的Kymene^，以及二羟甲基脲。尤其优选的交联剂是与氯化铵催化剂(相对于Kymene^为10wt.％)结合使用的Kymene^917。用预聚物溶液浸渍纤维底物，随后取出，或用其喷洒纤维底物。随后在80℃干燥并固化纤维底物2小时。得到的带成胶聚合物涂层的纤维底物接下来与载有表面活性剂的油接触，制成抗致病性空气过滤介质。或将油和表面活性剂加入预聚物溶液。
以金属胶悬体为例进一步描述带有成胶聚合物涂层的抗致病性过滤器。某些金属胶悬体，尤其是银和铜，更具体说是银，对于广谱细菌表现出抗致病性活性。可以在与纤维底物接触并固化之前，将具有抗致病性活性的金属胶体，优选银和铜，最优选银加入预聚物溶液，从而一步结合到过滤器中。或者，在空气过滤介质与金属胶体接触之前形成成胶聚合物涂层。在该两步法中，涂层优选是通过，诸如在与金属胶体接触之前进行加热而脱溶剂的。随后通过接触，具有脱溶剂涂层的纤维底物吸收胶体。
金属胶体可以通过各种方法掺入预聚物溶液中。一种方法是，制备金属胶体，然后加入预聚物溶液中。金属胶体可以通过本领域技术人员已知的化学、电化学和照射方法还原金属盐而制备。例如，可以使用硼氢化钠(化学)、电势(电化学)或使用可见光(照射)将银盐还原为金属银。金属胶体通常由平均直径为10-500纳米的颗粒组成。可以向还原介质中加入钝化剂，以控制颗粒尺寸并覆盖颗粒表面，使颗粒的聚集最小化。常用的钝化剂包括牛血清蛋白、酪蛋白和牛奶蛋白(例如奶粉)。优选钝化剂含有与预聚物溶液的组分反应的官能团。更优选钝化剂被物理夹带在胶体颗粒内部，以有助于胶体颗粒在涂层内部的截留。
上述成胶聚合物在纤维底物上形成涂层的一般步骤可以用于使用成胶聚合物同时涂覆底物，同时将金属胶悬体夹带在涂层中。任选使用湿润剂，象WetAid NRW^，制备羧甲基纤维素和聚丙烯酸的预聚物溶液。优选的预聚物溶液含有约2％-约6wt.％，更优选约4wt％的羧甲基纤维素；约2-约10wt％，更优选约5wt％分子量约100000-125000a.u.的聚丙烯酸；以及约0.05-约0.5wt％作为湿润剂的水和甘油的约2∶1混合物。此外，向预聚物溶液中加入约3-约10wt％，更优选约6wt％的金属胶体。任选预先向金属胶体中加入象Kathon CG-ICp^的钝化剂，以有助于分散金属颗粒。在充分混合并得到均匀的分散液之后，将纤维底物浸渍于分散液中。在取出后，采用常规步骤，将处理过的底物干燥并固化。
还可以在预聚物溶液中直接制备金属胶体。银或铜的可溶性金属盐与预聚物溶液的一种至所有组分混合，随后暴露于诱发胶体形成的还原性条件下。这个方法所提供的潜在优点在于预聚物溶液的一种至全部组分的粘性溶液防止了初生胶体颗粒的聚集。此外，预聚物溶液的一种或多种组分可以起胶体颗粒的钝化剂的作用。
本发明的胶体涂覆实施方案所具有的优点在于比HEPA底物效率和成本低的纤维底物可以实现与那些HEPA过滤器通过缩小孔径、降低颗粒回弹性以及增加颗粒撞击而达到的效果相当的收集效率。当受污染空气通过空气过滤介质的孔时，病原体通过碰撞或扩散与承载活性层的底物表面相遇。撞击在空气过滤器上的病原体的被保留部分表示为过滤器的收集效率。过滤器的收集效率取决于空气过滤介质的孔径和厚度以及病原体的尺寸。具有成胶聚合物网络涂层的抗致病性过滤器趋向于增强纤维底物的收集效率，其涉及两种不同的机理。首先，胶体涂层将增加纤维的厚度并随即减小孔径。孔径减小的程度由聚合物的量、交联程度和预聚物溶液中溶剂的选择控制。其次，胶体涂层一般更易附着于比常规用于制造空气过滤器的纤维底物表面小的颗粒。抗致病性聚合物网络的涂层对于底物收集效率的影响将根据对预聚物和预聚物溶液溶剂体系的选择而变化。预聚物溶剂体系影响了过滤器的收集效率，这是因为其粘度影响了从预聚物溶液中取出纤维底物后或喷洒后附着于过滤器的预聚物的量。
空气过滤器的抗致病性效果与空气过滤器上夹带的病原体的死亡速率有关。过滤器的抗致病性效果取决于特定病原体对涂层的抗致病性组分的敏感度及其负载量。本发明的一个优点在于活性剂均匀分布在过滤器上。
抗致病性试剂可以抑制病原体的增殖，而不会在低负载量下将其杀死。尽管本发明涉及有效抑制病原微生物增殖的空气过滤介质、空气过滤器和过滤器吸收盒，但根据本发明制成的空气过滤器和过滤器吸收盒在与之接触的，例如那些对酸、碱或氧化条件敏感的病原体被过滤器捕获24小时后，优选导致其中75％或更多死亡。
通过结合使用分别具有不同抗致病性环境的过滤介质，可以实现对广谱气载病原体的防护。用于捕获和消除多种微生物的机制可以以紧密组合的形式同时提供。根据本发明制成的分别发挥不同抗致病性机制的多种空气过滤介质可以堆叠在单一装置中，诸如用于HVAC体系的过滤器或用于防毒面具的可替换吸收盒。此外，本发明的抗致病性空气过滤器可以以串连形式与常规空气过滤器一起使用。本发明的空气过滤器可以位于常规过滤器的上游，起预过滤器的作用，或位于常规过滤器的下游，作为用于抗致病性过滤器的预过滤器。因此，本发明还提供了含有堆叠排布形式的一层或多层空气过滤介质的装置。
在空气过滤器纤维上施用成胶聚合物层提供了将非物理或化学吸附在过滤介质上的助剂，诸如阻燃化学物质、吸附臭气的化合物以及化学中和剂保留下来的机会。采用这种方式，成胶聚合物涂层可以用作这些物质的粘合剂。
除了其抗致病性活性之外，一些实施方案中的涂层将会中和某些有毒气体，而无需加入额外的化学中和剂。根据本发明制成的碱、酸和氧化涂层使一些化学试剂失活。例如，用碱溶液处理过的成胶聚合物网络可以中和酸性气体，诸如氰化物、氯化氢、光气和硫化氢。此外，还可以如实施例6的进一步阐述，将化学吸收剂，象活性炭掺入涂层中，以增强涂层抵御化学试剂的活性。凝胶涂层中的其它活性试剂和抗致病性聚合物对于其它有毒气体的反应性对于加工和处理有毒化学品领域的技术人员是显而易见的。
尽管本发明已经根据某些特定的实施方案进行了描述，但本领域技术人员显然可以进行各种改变而不背离本发明的主旨和范围。通过以下实施例进一步阐述本发明。
实施例
实施例1
使用酸性聚合物涂覆纤维底物
制备以下组分的水溶液：30wt％甘油、5wt％苯乙烯磺酸、0.1wt％二乙烯基苯、0.13wt％ 2，2’-偶氮二异丁腈、0.02wt％过硫酸钾和0.5wt％十二烷基硫酸钠。将玻璃纤维垫浸入上述溶液、填塞干燥(padded dry)，随后于85℃固化2小时。
实施例2
使用载有表面活性剂的乳液涂覆纤维底物
制备以下组分的水溶液：30wt％甘油、5wt％甲基丙烯酸甲酯、0.1wt％二丙烯酸1，4-丁二醇酯、0.13wt％ 2，2’-偶氮二异丁腈、0.02wt％过硫酸钾，以及1wt ％ Triton X-100和10wt％豆油。将非织造聚乙烯垫浸入上述溶液、填塞干燥，随后于85℃固化2小时。
实施例3
使用碱性聚合物涂覆纤维底物并衍生，形成抗致病性季铵凝胶涂层
制备以下组分的水溶液：30wt％甘油、5wt％乙烯基吡啶、0.25wt％二乙烯基苯、0.13wt％ 2，2’-偶氮二异丁腈、0.02wt％过硫酸钾和0.5wt％十二烷基硫酸钠。将聚酯垫浸入上述溶液、填塞干燥，随后于85℃固化2小时。随后将垫浸入月桂基溴的水溶液中。
实施例4
使用碱性凝胶层涂覆纤维底物
制备以下组分的水溶液：30wt％甘油、5wt％聚乙烯亚胺和0.25wt％甘油丙氧基化的三缩水甘油醚。将聚酯垫浸入上述溶液、沾吸干燥(blotted dry)并于100℃固化6小时。随后将聚酯垫浸入含30wt％甘油的pH为12或更高的氢氧化钠水溶液中、从溶液中取出、沾吸干燥并于50℃干燥2小时。
实施例5
同时在纤维底物上形成成胶聚合物涂层并在涂层中夹带金属胶体
使用4wt％羧甲基纤维素(Aqualon 7L2；Aqualon，HerculesChemical Co.的子公司)、5wt％聚丙烯酸(MW＝100000-125000；Polacryl)、0.1wt ％ WetAid NRW湿润剂(BFGoodrich，Charlotte，NC)、0.05wt ％ Kathon CG-ICP防腐剂(Rohm and Haas，La Porte，TX)和6wt％胶体银颗粒制备水溶液。将聚酯垫浸入上述溶液、沾吸并于195干燥5分钟，以及于335固化30秒。
实施例6
同时在纤维底物上形成成胶聚合物涂层并在涂层中夹带活性炭
制备类似于实施例5的制剂，用活性炭粉末(8重量％)代替金属胶体。颗粒尺寸约40μm的碳从Fluka Chemical(Milwaukee，WI)获得。将聚酯垫浸入各溶液、填塞并于195°F干燥5分钟，以及于335°F固化30秒。
实施例7
形成氧化凝胶涂层
制备以下组分的水溶液：20wt％四乙氧基硅烷、20wt％双(三乙氧基甲硅烷基)甲烷、10wt％甘油和0.05wt％的柠檬酸。将玻璃纤维垫浸入上述溶液、沾吸并通过蒸汽加热固化6小时。随后将垫浸入2wt％次氯酸钠和0.5wt％氰尿酸的水溶液中。