具有纳米纤维连接的多组分过滤介质 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。
附图说明
并入说明书并且形成说明书一部分的附图说明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 ；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 ×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 ×2,000 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 ×600 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 ×2,000 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 ×600 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 154 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 2.0mm 之间、 更优选 0.2 到 1.0mm 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 24、 第三层 26、 第四层 28 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、 26 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 24、 28 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 26 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 26 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 26 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 24 和第四层 28 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 24 可以包括大约 2 0.010g/m 的 PA-6 的静电纺丝的细纤维， 而第四层 28 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 54。
在系统 40 中， 在设备 42 中形成多组分过滤介质 54 的网形物。多组分过滤介质 54 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 54 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 54 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 54 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 54 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 54 时， 可以进一步增强多组分过滤介 质层 54 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 54。因为该实施方式的多组分过滤介质 54 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 54。
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 54。 在这样的实施方式中， 低熔点的 网形物在双组分过滤介质 54 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 54 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匀的网形物的形式 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 54 在加工方向 56 上输送到烘箱 44。 其中， 多组分过滤介质 54 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 54 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 54 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 54 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 54 的网形物。如同构置的， 多组分过滤介质 54 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 54 上。
在一个实施方式中， 多组分的过滤介质 54 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 54 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 54 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 54 之间的溶剂粘结。为了进行 溶剂粘结， 多组分过滤介质 54 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 54 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 54 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 54 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 54 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 126 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、 124 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 3)。 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 124 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、 124 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 124 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 26 和第四层 28。最后， 层 124 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 24 的细纤维粘结。 第三层 26 中的聚丙烯熔化， 并且与第二层 24 和第四层 28 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 28 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1
参数 静电纺丝装置， 带式纺丝装置 聚合溶液配方 聚合溶液进料量 电压 相对湿度 纺纱距离 设置 0.02 英寸的带厚度 在甲酸中 12％ wt 的 PA-6 9.0ml/hr 30kV 正压， 29.5kV 负压 51％ 5.5 英寸13102137704 A CN 102137710说明书约 0.013g/m211/12 页在双组分介质上的细纤维密度
在 静 电 纺 丝 装 置 中 在 双 组 分 介 质 上 形 成 细 纤 维 之 后， 在烘箱中在大约 330 ℉ -360 ℉下将该样品介质加热约 20 秒， 并且用重 8.65kg(19.1lbs) 的一组金属辊将其 压在上辊之上。在热处理和加压处理试样之前和之后获取扫描电子显微镜 (SEM) 图像。
图 6 是在加热和加压处理之前以 ×600 的放大倍率所获试样的 SEM 图像。图 7 是 以 ×2000 放大倍率获得的相同样品。这些 SEM 图像作为与在加热和加压处理之后的相同 试样的 SEM 图像相比的基准图像， 以便研究在每个处理之后双组分介质和细纤维之间的粘 结。
图 8-9 是图 6-7 的试样在 330 ℉ -360 ℉下将试样加热 20 秒之后的 SEM 图像。图 9 以 ×2,000 的放大倍率所示， 双组分过滤介质的低熔点组分熔化， 并且与 PA-6 细纤维粘 结。图 10 是在已经将该试样加热并且穿过一组压力辊而压制几次之后的 SEM 图像。图 10 的 SEM 图像表明， 穿过用以增强在细纤维和双组分过滤介质之间的粘结的加压处理， 细纤 维在很大程度上未受损伤。图 6-10 中的 SEM 图像展示了样品来自于操作的一些损伤， 这可 以在如先前描述的实施方式中在连续作业线中解决。
对各试样进行弗雷泽透气性的测量， 结果在表 2 中列出。
表2
本申请中引用的所有文献， 包括出版物、 专利申请和和专利都被以相同的程度通 过引用结合在本申请中， 即如同每篇文献被分别专门地将其全部内容通过引用而结合在本 申请中。
在说明本发明的语境中 ( 尤其是在以下权利要求书的语境中 )， 所用术语 “一” 和 “该” 以及类似的表达方式都被认为覆盖了单数和复数形式， 除非在此另外指出， 或由于与
上下文存在明显的矛盾。术语 “包括” 、 “具有” 、 “包含” 和 “含有” 被认为是开放式的 ( 即表 示 “包括但不局限于” )， 除非另外指出。文中提到的数值范围仅仅是一种简洁方式来表示 每个相应数值可以落在该范围内， 除非另外指出 ； 并且各个具体数值就像在说明书中分别 单独列举了一样。 这里描述的各种方法可以以任何适宜的次序执行， 除非在此另外指出， 或 相反地与上下文存在明显的矛盾。使用这里提供的任何以及全部例子或示例性语言 ( 比如 “例如” )， 只是用于更好地解释本发明， 而不是对本发明的范围构成限制， 除非另有声明。如 果不是在权利要求中提出， 则说明书中的语言都应被解读为并非实施本发明必不可少的。
在此描述了本发明的优选实施方式， 包括本发明人所知的实现本发明的最佳实施 模式。本领域技术人员在阅读了本说明书后容易对这些优选实施方式做出各种修改。发明 人预期， 技术人员能够适宜地采用这些修改， 并且发明人认为， 本发明能够以除了这里具体 描述的方式之外的方式实现。因此， 本发明包括在所适用的法律允许范围内对权利要求书 中提出主题的全部修改和等同替换。另外， 上面描述的各个元件之间的任何可行组合都被 认为涵盖在本发明的范围内， 除非在此另外指出或， 相反地与上下文存在明显的矛盾。