專利名稱：包括納米纖維的顆粒過濾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米纖維、用于靜電紡絲(electrospinning )的方法和 裝置、用來沉積納米纖維的方法和裝置、及由沉積納米纖維形成的過 濾器和其它物品。
背景技術(shù)：
過濾工業(yè)傳統(tǒng)地使用常規(guī)介質(zhì)，如作為巻繞商品提供的玻璃、棉 花或聚合物纖維，來制造顆?？諝膺^濾器。纖維介質(zhì)可以由諸如濕法 造紙、熔噴法紡絲或編織紗之類的無紡過程制成。材料然后被輸送到 設(shè)備上，在該處，介質(zhì)被切斷、折疊、支撐、粘結(jié)到過濾器框架上、及測(cè)試泄漏。對(duì)于巻繞商品的性質(zhì)的各種測(cè)量包括每單位面積的重量、 孔隙度、等等。
多孔過濾介質(zhì)可以折疊或粘結(jié)成袋，以增大在各個(gè)過濾器單元內(nèi) 的介質(zhì)面積而減小壓力降。常常添加絲網(wǎng)和其它支撐件，以防止當(dāng)收 集灰塵時(shí)由于流經(jīng)過濾器的空氣的力將介質(zhì)壓潰。依據(jù)過濾器的預(yù)期 用途，過濾器可以用適當(dāng)?shù)臏y(cè)試氣溶膠在額定或標(biāo)準(zhǔn)空氣流量下測(cè)試
壓降和顆粒收集效率。(例如，ASHRAE 52.2、 MIL-STD-282、 IEST RP畫CC 007.1、 NIOSH APRS誦STP畫0051畫00、及NIOSH APRS-0057-00
可以用來測(cè)試過濾器)
理論上，在過濾器中纖維直徑的減小具有使過濾系統(tǒng)性能改進(jìn)的 潛力。對(duì)于高效率過濾，玻璃纖維濕法造紙被廣泛使用，這些紙具有 在200 nm至5000 nm尺寸范圍中的纖維直徑，其中為了耐久性和過 濾性能的考慮而著意地對(duì)各種纖維尺寸加以混合。
用來生產(chǎn)較小纖維直徑的一種技術(shù)，即因此用來產(chǎn)生改進(jìn)的過濾 介質(zhì)的潛力的技術(shù)，是用聚合物進(jìn)行靜電紡絲以制成亞微米或納米纖 維。靜電紡絲，如當(dāng)前實(shí)踐的那樣，使用恒定電壓來驅(qū)動(dòng)紡絲過程， 該紡絲過程在此定義為靜電場(chǎng)靜電紡絲。
然而，比500 nm小的靜電紡絲的納米纖維一般都較為脆弱、難 以生產(chǎn)并且難以處理。 一種常規(guī)方法是將納米纖維沉積到常規(guī)多孔過 濾介質(zhì)上，以制出成層(layered)納米纖維過濾介質(zhì)。如下專利描述 了構(gòu)造用于各種用途的含納米纖維的過濾器的常規(guī)方式美國(guó)專利 No.7，008，465; No.6,994，742; No.6，974，4卯；No.6，955，775; No.6,924，028; No.6，875，256; No.6，875，249; No.6，800，117; No.6，746，517; No.6，743，273; No.6，740,142 ; No.6，716,274 ; 及No.6，673，136 、 美國(guó)專利申請(qǐng) No.10/757，924和No.l0/676，185;這些專利的每一個(gè)的全部?jī)?nèi)容通過參 考全部包括在這里。
由沉積到常規(guī)多孔過濾介質(zhì)上的納米纖維制成的常規(guī)的成層納米 纖維過濾器存在一些固有局限。這些過濾器的支撐介質(zhì)通常是易彎的， 足以允許在組裝步驟期間折疊或操作。這樣一種易彎基體介質(zhì)由于空氣壓力降力會(huì)彎曲或伸展，并且會(huì)折斷或脫開納米纖維。常規(guī)介質(zhì)的 支撐層會(huì)大大地影響整個(gè)結(jié)構(gòu)的壓力降。
理想的顆粒過濾器是以最小壓力降給出最高顆粒收集效率(最低 顆粒透過率)的過濾器。用來比較不同厚度的過濾器的一種標(biāo)準(zhǔn)是過
濾器質(zhì)量因數(shù)或品質(zhì)因數(shù)(Figure of Merit, FoM )。 FoM的值越大， 過濾器性能越好(Hinds, 1982)。用于這個(gè)參數(shù)的一種表達(dá)式如下 FoM=-Log/ ( Pt) /AP (1)
其中Pt是特定氣溶膠顆粒直徑的分?jǐn)?shù)透過率(效率-(l-Pt))， 并且AP是與過濾器的正面速度率(specific face velocity)(體積空氣 流量除以過濾器橫截面面積)相對(duì)應(yīng)的壓力降。如這里使用的那樣， 品質(zhì)因數(shù)由-Log/(Pt)/AP給出，其中Pt是特定氣溶膠顆粒直徑的分 數(shù)透過率，并且AP是與5.3cm/s的正面速度和0.3微米的顆粒尺寸相 對(duì)應(yīng)的穿過過濾介質(zhì)的壓降。
典型地，在5.33 cm/s的正面速度和0.3 jum顆粒直徑下測(cè)量，高 效率顆?？諝?High Efficiency Particulate Air， HEPA )玻璃纖維介質(zhì) 的FoM為12 kPa"。上述條件是用于HEPA介質(zhì)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)條件(即， IEST-RP-CC021.1 )。
以上描述的成層納米纖維常規(guī)多孔過濾介質(zhì)的FoM受到粗糙基 體的較大纖維直徑的限制，這些較大纖維直徑產(chǎn)生比較低的FoM。成 層納米纖維常規(guī)多孔過濾介質(zhì)復(fù)合物的FoM取決于納米纖維和常規(guī) 介質(zhì)的層的相對(duì)量和它們各自的FoM。換句話說，盡管各個(gè)納米纖維 層具有比常規(guī)多孔過濾介質(zhì)基體高的FoM，但合成FoM因?yàn)樵诔Ｒ?guī) 方法中使用的材料的相對(duì)量，較接近常規(guī)多孔過濾介質(zhì)基體的值。因 此，在當(dāng)前現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)下，常規(guī)成層納米纖維過濾介質(zhì)不會(huì)提供具 有比常規(guī)玻璃纖維介質(zhì)明顯更大的FoM的過濾器。
描述各種背景材料和過濾器測(cè)試過程的參考資料包括
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發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供一種過濾裝置，該過濾裝置包括 過濾介質(zhì)，該過濾介質(zhì)具有直徑小于l微米的多根納米纖維，這些納 米纖維在有突然變化的電場(chǎng)的情況下形成纖維墊。過濾裝置包括支撐
件，該支撐件連結(jié)到過濾介質(zhì)上，并且具有用于使流體從中流動(dòng)穿過 的開口。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供一種過濾裝置，該過濾裝置包括 支撐件，該支撐件具有用于使流體從中流動(dòng)穿過的開口。過濾裝置包 括過濾介質(zhì)，該過濾介質(zhì)具有連結(jié)到支撐件上的多根纖維。過濾介質(zhì)
具有大于20kPa"的品質(zhì)因數(shù)，其中品質(zhì)因數(shù)由-Log (Pt) /AP給出， 其中Pt是特定氣溶膠顆粒直徑的分?jǐn)?shù)透過率，并且AP是與5.3 cm/s 的正面速度和0.3孩t米的顆粒尺寸相對(duì)應(yīng)的跨過過濾介質(zhì)的壓降。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用來制造過濾材料的裝置。 裝置包括靜電紡絲元件，構(gòu)造成從靜電紡絲元件的末端靜電紡絲多 根纖維；收集器，與靜電紡絲元件相對(duì)，構(gòu)造成在收集器的表面上收 集靜電紡絲纖維；及電場(chǎng)調(diào)制裝置，構(gòu)造成在纖維的靜電紡絲期間突 然改變?cè)谑占魈幍碾妶?chǎng)至少一次。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供一種用來形成過濾材料的方法。 方法包括提供支撐件，該支撐件具有用于使流體從中流動(dòng)穿過的開 口；跨過開口的全部進(jìn)行納米纖維的靜電紡絲；及在纖維的靜電紡絲 期間突然改變?cè)谑占魈幍碾妶?chǎng)至少一次。


對(duì)于本發(fā)明和其所具有的多種優(yōu)點(diǎn)的更完整的理解將被容易地得 到，因?yàn)樗鼈儺?dāng)聯(lián)系附圖考慮并參考如下詳細(xì)描述時(shí)將變得更好理解， 在附圖中
圖1A是流程圖，示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、用來生產(chǎn)納米 纖維基過濾器的方法；
圖1B是根據(jù)本發(fā)明的納米纖維基過濾器一個(gè)實(shí)施例的示意圖；圖2A是示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、用于受控環(huán)境 中的靜電紡絲的設(shè)備；圖2B是示意圖，示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的、用來控制納米 纖維的沉積的被稱為動(dòng)態(tài)場(chǎng)靜電紡絲的裝置的細(xì)節(jié)；圖3是動(dòng)態(tài)場(chǎng)靜電紡絲裝置的電氣原理圖；圖4是顯微照片，顯示使用在本發(fā)明中描述的技術(shù)得到的納米纖 維形態(tài)的類型；圖5是用于由將常規(guī)過濾介質(zhì)與使用本發(fā)明的實(shí)施例制成的過濾 介質(zhì)相比較的顆粒分?jǐn)?shù)透過率的數(shù)據(jù)，該顆粒分?jǐn)?shù)透過率作為壓降的 函數(shù)；圖6是支撐絲網(wǎng)(次級(jí)電極)時(shí)間改變電位和流過與支撐絲網(wǎng)相 關(guān)聯(lián)的電壓限制裝置(VLD)的對(duì)應(yīng)電流的數(shù)據(jù)，表明動(dòng)態(tài)場(chǎng)靜電紡 絲的一個(gè)元素；圖7是用于由將常規(guī)過濾介質(zhì)與使用本發(fā)明的實(shí)施例制成的過濾 介質(zhì)相比較的顆粒透過率的數(shù)據(jù)，該顆粒透過率作為壓降的函數(shù)，以 便證明最大透過顆粒尺寸的改進(jìn)；圖8是示意圖，描繪本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，使用 多個(gè)納米纖維/絲網(wǎng)堆疊；圖9是根據(jù)本發(fā)明 一個(gè)實(shí)施例的成形過濾單元和用來制成成形過濾單元的裝置的示意圖；圖IOA和IOB是示意圖，描繪根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的過濾器框 架和絲網(wǎng)的俯視圖和側(cè) f見圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的過濾器制造裝置的示意圖，該過濾器制造裝置具有轉(zhuǎn)動(dòng)頭；圖12是用圖IO的裝置制成的過濾器的單元的示意圖；并且 圖13是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的納米纖維過濾器裝置的示意圖，該過濾器裝置具有包括常規(guī)過濾介質(zhì)的粗糙預(yù)過濾器。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明用于制造納米纖維墊，這些納米纖維墊可例如用于，但不 限于過濾用途。本發(fā)明可應(yīng)用于寬廣范圍的其它領(lǐng)域，如單絲、紗、 無紡材料及薄膜。在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中具備過濾器性能的顯著改進(jìn)，如由FoM指示的那樣。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)場(chǎng)靜電紡絲技術(shù)用來生產(chǎn)這里定 義的和/或在用途中使用的各種物品，包括絲、紗、無紡材料以及薄膜。 利用動(dòng)態(tài)場(chǎng)靜電紡絲的本發(fā)明特別適用于利用納米纖維基材料的過濾 領(lǐng)域，特別是納米纖維基過濾器。與支撐納米纖維的無紡過濾介質(zhì)的 使用缺少相結(jié)合的生成納米纖維墊的形態(tài)影響生成過濾器的FoM。由 本發(fā)明提供的其它方面包括(l)具有以改進(jìn)的過濾FoM表現(xiàn)的較低 壓降和/或較好過濾效率的過濾器、過濾裝置、或過濾材料，(2)最大 透過顆粒尺寸的減小，(3)用來制造過濾器、過濾裝置、或過濾材料 的方法，及(4 )在納米纖維墊的制造期間用于改進(jìn)過程監(jiān)視和控制的 方法?，F(xiàn)在參照附圖，其中類似的附圖標(biāo)記貫穿幾個(gè)視圖指示相同或?qū)?應(yīng)的部分，圖1A是流程圖，示出根據(jù)本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的、用 來生產(chǎn)納米纖維基過濾材料的方法。此外，圖1B是根據(jù)本發(fā)明一個(gè) 實(shí)施例的、用于納米纖維基過濾器的示意圖，在該過濾器中，支撐絲 網(wǎng)7將多根納米纖維12支撐到均勻深度。為了清楚起見，只表示少數(shù) 個(gè)纖維層，并且如表示的那樣，纖維被良好地定向。本發(fā)明可利用較 厚纖維墊(即，較多層)，并且盡管存在定向纖維的技術(shù)，但纖維的定 向不是必需的，如在圖4中表示的那樣。如圖1A中所示，在100處， 為物理支撐提供支撐絲網(wǎng)。在102處，具有200 nm或更小的平均纖 維直徑(AFD)的納米纖維被靜電紡絲到支撐絲網(wǎng)上。在103處，過 濾墊性能由多種方法測(cè)量，所述方法包括壓降、氣溶膠透過及激光光 散射，以允許對(duì)過程的監(jiān)視和控制。在102處，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，納米纖維在如下條件下被 靜電紡絲外殼允許通過諸如靜電紡絲環(huán)境的C02沖洗、相對(duì)濕度的 控制、及溶劑蒸汽壓的控制之類的方面的靜電紡絲環(huán)境的控制。21在本發(fā)明中在100、 102、及103處使用的過程的進(jìn)一步細(xì)節(jié)下面 在公開的各個(gè)實(shí)施例中描述。使用本發(fā)明的幾個(gè)方面形成靜電紡絲的納米纖維過濾器的一個(gè)例 子在圖2A和2B中描繪。納米纖維過濾器的制造，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例中，在封閉的且環(huán)境受控的腔室1中進(jìn)行。具有粗支撐絲網(wǎng)7(次 級(jí)電極)的電氣絕緣過濾器框架6被設(shè)置在過濾器組件支架41-43上。 完成電路的是接地電極43，該接地電極43由導(dǎo)電管28接地。起到用 于靜電紡絲材料的支撐作用的絲網(wǎng)7具有宏觀(macroscopic)開口， 這些宏觀開口在一個(gè)非限制例子中是約1.4 mm乘1.4 mm，并且對(duì)于 跨過過濾器的壓力降影響最小，還為納米纖維提供結(jié)構(gòu)支撐。在這個(gè) 例子中的絲網(wǎng)由具有O.l mm直徑的金屬絲制成。二氧化碳C02處理 氣體26被引入到腔室1中，使用千燥C02和加濕C02將腔室的濕度 控制到在20%與40%RH之間。來自儲(chǔ)箱3的聚合物溶液(例如，在 溶劑二甲基乙酰胺中的21 wt。/。聚砜)流到靜電紡絲噴射器/噴嘴2， 該靜電紡絲噴射器/噴嘴2連接到高壓電源5上。在噴嘴2的端部處存 在的電場(chǎng)從噴嘴抽取聚合物溶液，形成聚合物溶液的纖維。在噴射器2 (由電源5供電)與地之間的電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)-它驅(qū)動(dòng)纖維 沉積，部分由過濾器框架支架41-43的設(shè)計(jì)控制。此外，支撐絲網(wǎng)7 的電位由電場(chǎng)脈動(dòng)裝置9(即，限壓器或放電裝置或電場(chǎng)施加裝置) 來控制。電氣脈動(dòng)裝置9構(gòu)造成，在纖維的靜電紡絲期間使在收集器 處的電場(chǎng)脈動(dòng)至少一次(或頻繁地)，以使在靜電紡絲纖維上累積的電 荷放電。靜電紡絲電路的電氣原理圖表示在圖3中。靜電紡絲纖維8將電 荷攜帶到絲網(wǎng)(即，次級(jí)電極7)，該絲網(wǎng)由限壓裝置9頻繁地向接地 初級(jí)電極43放電，該限壓裝置9在這個(gè)例子中起到電場(chǎng)脈動(dòng)裝置的作 用。在圖3中的電路利用動(dòng)態(tài)場(chǎng)靜電紡絲，其中在圖6中表示的時(shí)間 變化電壓呈現(xiàn)在次級(jí)電極或收集器7上。在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的生 成電場(chǎng)在紡絲纖維的方向上被定向，并且動(dòng)態(tài)地修改電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，由 此根據(jù)本發(fā)明，與常規(guī)使用的靜態(tài)場(chǎng)靜電紡絲相比，產(chǎn)生改進(jìn)的纖維和墊性能(如由墊的FoM測(cè)得的那樣)，在該靜態(tài)場(chǎng)靜電紡絲中，收 集器7例如被接地(如下面討論的那樣)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，C02氣體夾套26A流過噴射器2。聚 合物纖維8的射流被形成，該射流向過濾器組件和支架行進(jìn)。靜電紡 絲到粗絲網(wǎng)7上的聚諷PSu纖維典型地具有小于200 nm的平均纖維 直徑。由納米纖維形成的過濾墊12可以是約3 nm厚，因此包含在5-20 量級(jí)上的納米纖維層。處理氣體的至少部分在沉積過程期間流經(jīng)過濾 塾。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，跨過形成的納米纖維過濾器的壓降可 在制造期間使用壓差表32實(shí)時(shí)地監(jiān)視。多個(gè)因素影響生成過濾器性 能。這些因素中的一些因素是得到適當(dāng)小的納米纖維尺寸；適當(dāng)?shù)?納米纖維墊形態(tài)；及過濾器框架+納米纖維墊結(jié)構(gòu)，它將剛性提供給 生成的復(fù)合物，從而支撐結(jié)構(gòu)不限制壓降。紡絲適當(dāng)?shù)募{米纖維作為生產(chǎn)細(xì)聚合物纖維的技術(shù)的靜態(tài)場(chǎng)靜電紡絲是公知的。在其 最簡(jiǎn)單的方式中，帶有流動(dòng)聚合物溶液的空心噴嘴連接到高壓(交流 或直流)電源上，該高壓電源典型地被控制在恒定電壓下。電壓梯度 將流體從噴嘴(或紡絲頭)拉成流體絲。當(dāng)聚合物溶液變干燥時(shí)，在 聚合物表面上的電荷相互排斥，拉伸纖維并引起導(dǎo)致纖維直徑的顯著 減小的抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)。纖維作為墊被收集在接地電極表面上。該過程是復(fù) 雜的，在充電纖維的自排斥與施加外部電場(chǎng)之間有對(duì)抗力。寬范圍的聚合物已經(jīng)被靜電紡絲，這些聚合物的少數(shù)例子包括聚 碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、及聚砜。比如，聚砜(Psu)， Mw~35，000 g/mol，可由在A^V-二曱基乙酰胺(DMAc)中的21 wt。/。溶液被紡絲， 并且聚碳酸酯，Mw 60，000 g/mo1，可由在四氫吹喃(THF)和TV，iV-二甲基曱酰胺(DMF)的50/50溶液中的15wt。/。的聚合物溶液被紡絲。美國(guó)專利申請(qǐng)公報(bào)No. ( 2005/0224999 )，其全部?jī)?nèi)容通過參考包 括在這里，描述了通過在紡絲噴嘴或噴射器周圍引入例如二氧化碳(C02)促進(jìn)靜電紡絲過程的電負(fù)性氣體的使用。諸如CO、 CF4、 N20、 CC14、 CC13F、 CCl2F2及其它離化氣體之類的氣體可被引入到在26A 和/或26B處的靜電紡絲環(huán)境中。電負(fù)性處理氣體穩(wěn)定由聚合物射流在 它離開針時(shí)形成的泰勒錐(Taylor cone )，減少在針處的電暈放電，及 減小纖維直徑。此外，在受控環(huán)境中的紡絲保證纖維較少被污染，改 進(jìn)安全性，并能添加另一維的控制參數(shù)，這些控制參數(shù)可被用來微調(diào) 纖維形成。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電負(fù)性氣體26A隨著受控氣體環(huán)境的 使用與紡絲針同軸地流動(dòng)。典型地，氣體軍用來提供同軸氣體流動(dòng)。 在本發(fā)明中使用的典型氣體罩可處于環(huán)形形狀，該環(huán)形形狀具有約 0.48 cm的外半徑和約0.40 cm的內(nèi)半徑。各種幾何形狀和尺寸是可能 的；像例如具有六邊形內(nèi)側(cè)的圓形外側(cè)是一種另外的幾何形狀。在環(huán) 形幾何形狀中，從其中發(fā)射氣體的環(huán)形出口端到靜電紡絲元件末端的 距離的范圍可從平齊(0cm)至8cm;典型距離是4至5 cm左右， 并且對(duì)于下文中的詳細(xì)例子，距離是4.7cm。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，靜電紡絲條件的控制已經(jīng)產(chǎn)生具有 100 nm和更小平均纖維直徑AFD的聚合物納米纖維。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，小 于200 nm的納米纖維當(dāng)與本發(fā)明的其它元素組合時(shí)，改進(jìn)所生成纖 維的過濾性能。在本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例中，在聚合物溶液中的添加劑可使纖維尺 寸和質(zhì)量顯著不同。添加痕量的鹽或表面活性劑提高溶液導(dǎo)電性，并 因此增加在靜電紡絲元件的末端處的電荷累積，導(dǎo)致較大拉伸力施加 到形成纖維上，因此導(dǎo)致較小直徑的纖維。表面活性劑也減小聚合物 的表面張力，允許紡絲甚至更小的纖維。鋰鹽(例如，氯化鋰或三氟 曱磺酸鋰)或諸如氯化四丁銨(TBAC)之類的表面活性劑適用于本 發(fā)明。從0.01至3 wt。/。的鋰鹽濃度適用于本發(fā)明。在0.06與0.4 wt% 之間的TBAC濃度是示范性的，盡管其它濃度是適用的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在靜電紡絲溶液中的聚合物濃度影響 靜電紡絲纖維的質(zhì)量。對(duì)于PSu的分子量從17wt。/。至30wt。/。的濃度適用于本發(fā)明，21 wt。/。左右典型地是理想的。在本發(fā)明的一個(gè)公開示范中，使用由Solvay Advanced Polymers 制成的Udel P3500 LCD PSu。分子量在22,000至36,000 g/mol的范圍 中。分子量被理解為在構(gòu)成聚合物溶液時(shí)的重要成分。P3500 LCD包 括少量環(huán)狀二聚物，并且適用于這里描述的用途的多種用途。然而， 本發(fā)明僅以這種聚合物和其特性作為示例，并非局限于這種具體聚合 物。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，從0.15 mm至0.59 mm內(nèi)徑(ID)的 不銹鋼擠壓末端適用于本發(fā)明。也可以使用較大和較小直徑。在本發(fā) 明的另 一個(gè)實(shí)施例中，具有從0.076 mm至0.31 mm的ID的Teflon 毛細(xì)管適用于本發(fā)明。也可以使用較大和較小直徑。兩種類型的噴嘴 都可生產(chǎn)很小纖維。對(duì)于兩種噴嘴，與高電壓降相結(jié)合的聚合物溶液 的低流量(例如，0.05ml/hr)典型地導(dǎo)致最小纖維直徑(例如，AFD 小于100 nm )。在兩種情況下，對(duì)于17.8 cm至25,4 cm間P承(即，在 噴射器2與絲網(wǎng)7之間的距離)，電壓被設(shè)置到22 kV至30 kV。注意， 每靜電紡絲間隙的電壓是確定拉動(dòng)強(qiáng)度的一個(gè)參數(shù)；這個(gè)間隙也確定 行進(jìn)時(shí)間，因而部分地確定纖維拉伸時(shí)間。除不銹鋼和Teflon 擠壓末端之外，在本發(fā)明中，可使用其它材 料(條件是材料與被靜電紡絲的物質(zhì)不起反應(yīng)，該物質(zhì)包括在靜電紡 絲過程中使用的任何溶劑)，像例如聚合物、玻璃、陶瓷、或金屬擠壓 末端。對(duì)于不同的紡絲噴嘴也存在C02流量(26A,在纖維方向上在紡 絲噴嘴周圍以及越過紡絲噴嘴的氣體夾套流動(dòng))的影響。當(dāng)使用不銹 鋼針時(shí)，較大氣體流量(例如，從81pm增大到13 1pm)典型地導(dǎo)致 具有較小直徑的改進(jìn)纖維。相反，當(dāng)使用聚四氟乙烯(即，Teflon ) 毛細(xì)管時(shí)，纖維質(zhì)量隨著將C02流量從8 1pm增大到13 1pm而典型地 降低?？赡苁?，存在最佳的C02流量，其中該最佳值對(duì)于TeflonTM毛 細(xì)管比對(duì)于不銹鋼針低。供TeflonTM毛細(xì)管使用的最佳值是約8 1pm， 而用于不銹鋼毛細(xì)管的最佳值的流量較高。25盡管對(duì)于不銹鋼噴嘴在13 1pm而非81pm下得到較小纖維，但較山m ,、云客tt -，1 Ut _E《 A頃工t o— &t 4& AA厶Ji業(yè)fct 始.太 舌備'在八W2旦"、叮'j W 丌j j jtou 一|平h'j-r，個(gè)'|平y(tǒng) & 。 肌疋TAo 體13 1pm下形成的PSu納米纖維墊表現(xiàn)得不如在8 1pm下生產(chǎn)的那些 好。用于這里給出的電負(fù)性氣體流量的值(在這種情況下為co2)僅 是例子，給定這里公開的影響生成納米纖維過濾墊的因素(例如，靜 電紡絲噴嘴、聚合物構(gòu)成、支撐絲網(wǎng)、及靜電紡絲條件)的組合，可 以使用其它氣體流量。本發(fā)明的其它實(shí)施例使用從O至30 lpm的夾套 氣體26A流量。另外，處理氣體26的總流量可以是從0至300 lpm 或以上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，靜電紡絲腔室的相對(duì)濕度RH影響纖 維形態(tài)。例如，當(dāng)使用在DMAc中的21wt%PSu (Mw~35,000 g/mol) 時(shí)，高的RH (例如，>65%)導(dǎo)致具有非常少缺陷和光滑表面但較大 直徑的纖維。在纖維中的缺陷一般被看見的是從長(zhǎng)的長(zhǎng)度的光滑圓纖 維的偏差。缺陷因而是在纖維上的小珠、在軸向方向上纖維直徑的變 化、等等。在纖維紡絲技術(shù)方面的從業(yè)人員會(huì)對(duì)此有所了解。低的RH (例如，<13%)導(dǎo)致較小纖維但較多缺陷。適度低的RH(例如，40% 至20%)典型地產(chǎn)生具有較少缺陷的小纖維尺寸。各種控制腔室RH的機(jī)理在本發(fā)明中都是適用的，這些機(jī)理例如 設(shè)置吸收或(例如，硫酸鉤)或放出水分(例如，水凝膠)的材料、 在腔室中操作小型加濕器、及在引入到靜電紡絲腔室之前將水分添加 到處理氣體流26中。例如，通過使得c02穿過去離子(DI)水起泡、 并且然后將該加濕的c02氣體引入到腔室中，得到積極結(jié)果。在本發(fā) 明的一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)氣體流(例如， 一個(gè)是加濕的而一個(gè)是干燥 的)用來得到用于腔室和/或用于流過靜電紡絲噴嘴的氣體夾套的所需 RH。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，RH和靜電紡絲條件用來改變作為 時(shí)間函數(shù)的纖維直徑，因而提供納米纖維墊的形成，該納米纖維墊在 墊的厚度方向上的纖維直徑是變化的。制備納米纖維的本發(fā)明各種實(shí)施例使用在TV, 二甲基乙酰胺(DMAC)中的21 wt% PSu (Mw~35，000 g/mol)溶液，該溶液具有 0.2 wt.。/。的表面活性劑TBAC，該表面活性劑TBAC降低表面張力， 并且升高溶液的離子導(dǎo)電性和介電常數(shù)。以上提到的聚合物溶液從 30G( ID 0.1524 mm )不銹鋼針按聚合物溶液到不銹鋼針的0.05 ml/hr 的流量^皮紡絲，在4十與收集器之間i爻置25.4 cm的間隙，1'吏用29.5 kV 直流的施加電位，使用6.5 L/min的C02氣體夾套流量，并且RH被 控制成在22至38%的范圍中。通過SEM的檢查指示82±35 nm的平 均纖維直徑(AFD)，最小纖維在30至40 nm范圍中。圖4是這些PSu 纖維的掃描電子顯微照片(SEM)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，包括21 wt。/。聚合物和0.2 wt% TBAC 的PSu溶液從0.1524 mm ID Teflon毛細(xì)管按0.05 ml/hr的流量被紡 絲，C02流量為81pm，間隙為25.4cm，并且電位為121 kV/m。這種 條件得到81±49 nm的AFD。 AFD的巨大變化顯示纖維尺寸的離散性， 這些纖維尺寸包括小于50 nm的一些非常小的纖維。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，從在具有0.06 wt%TBAC的四氫呋 喃(THF)和N，N-二曱基甲酰胺(DMF)的50/50溶液中的15 wt% 的聚合物溶液紡絲聚碳酸酯PC。關(guān)于25.4 cm的間隙和25 kV的施加 電位使用30G不銹鋼針、0.5 ml/hr的聚合物溶液流量、及8 1pm的 C02流量，以得到小于200 nm的纖維。通過SEM的檢查顯示150±31 nm的AFD，最小纖維在100 nm左右。
在本發(fā)明中得到的纖維直徑是聚合物分子量、聚合物基本結(jié)構(gòu)、 溶劑(一種或多種)、在溶劑體系中的聚合物濃度、添加劑和它們的濃 度、施加的靜電紡絲電位、在紡絲噴嘴與地之間的間隙、紡絲噴嘴的 尺寸和形狀、聚合物溶液流量、流過針的處理氣體的流量和成分、處 理氣體的RH、及溶劑的分壓的函數(shù)。以上給出的例子被發(fā)現(xiàn)為適于 得到能滿足納米纖維過濾器的制造的纖維，但不是限制性的。
本發(fā)明的其它實(shí)施例可使用不同的聚合物溶劑體系和因此不同的 靜電紡絲條件，以得到適當(dāng)?shù)募{米纖維。此外，相同的聚合物溶劑體 系可與不同的靜電紡絲條件相組合，以產(chǎn)生改進(jìn)纖維或與所選擇的用途相匹配的纖維。例如，流過針的C02氣體夾套可包含溶劑蒸汽，以 便降低在針末端處形成的聚合物射流中的溶劑的蒸發(fā)速率，因而增加 聚合物纖維的拉伸時(shí)間。經(jīng)溫度、壓力、及溶劑混合物的控制，也可 改變?nèi)軇┑姆謮?。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由在氣氛中的相對(duì)濃度
所確定的溶劑濃度^f皮控制到在0與100°/。之間。
本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例是關(guān)于靜電紡絲環(huán)境的控制，并且聚合物 溶劑體系的選擇提供靜電紡絲纖維，該靜電紡絲纖維在其中納米纖維 不完全脫去溶劑的狀態(tài)下沉積到絲網(wǎng)上或纖維本身上。相應(yīng)地，纖維 然后可粘結(jié)到絲網(wǎng)上和/或彼此粘結(jié)，形成一體的絲網(wǎng)/纖維過濾結(jié)構(gòu)。
由本發(fā)明生產(chǎn)的納米纖維包括但不限于丙烯腈/丁二烯共聚物、纖
維素、纖維素醋酸酯、脫乙酰殼多糖、膠原、DNA、血纖維蛋白原、 纖維結(jié)合素、尼龍、聚(丙烯酸)、聚(氯苯乙烯)、聚(二甲基硅氧 烷)、聚(醚亞胺)、聚(醚砜)、聚(丙烯酸乙酯)、聚(乙基醋酸乙 烯酯)、聚(乙基共醋酸乙烯酯)、聚(氧化乙烯)、聚(對(duì)苯二甲酸乙 酯)、聚(乳酸共乙醇酸)、聚(甲基丙烯酸)鹽、聚(甲基丙烯酸酯)、 聚(甲基苯乙烯)、聚(苯乙烯磺酸)鹽、聚(苯乙烯磺酰氟)、聚(苯 乙烯共丙烯腈)、聚(苯乙烯共丁二烯)、聚(苯乙烯共二乙烯基苯)、 聚(醋酸乙烯酯)、聚(乙烯醇)、聚(氯乙烯)、聚(偏氟乙烯)、聚 丙烯酰胺、聚丙烯腈、聚酰胺、聚苯胺、聚苯并咪唑、聚己酸內(nèi)酯、 聚碳酸酯、聚(二曱基硅氧烷共聚氧化乙烯)、聚(醚酮醚)、聚乙烯、 聚乙烯亞胺、聚酰亞胺、聚異戊二烯、聚交酯、聚丙烯、聚苯乙烯、 聚砜、聚氨基曱酸乙酯、聚(乙烯吡咯烷酮)、聚(2-曱基丙烯酸羥乙 酯)(PHEMA)、明膠、蛋白質(zhì)、SEBS共聚物、絲(天然或合成得到 的)、及苯乙烯/異戊二烯共聚物。
另外，也可生產(chǎn)聚合物混合物，只要兩種或更多種聚合物在共用 溶劑或混合溶劑體系中是可溶解的。以下給出幾個(gè)例子聚(偏氟乙 烯)-混合-聚(曱基丙烯酸酯)、聚苯乙烯-混合-聚(乙烯基.甲基醚)、 聚(曱基丙烯酸酯)-混合-聚(氧化乙烯)、聚(羥丙基丙烯酸甲酯) -混合聚(乙烯吡咯烷酮)、聚(羥丁酸)-混合-聚(氧化乙烯)、蛋白質(zhì)混合-聚氧化乙烯、聚交酯-混合-聚乙烯吡咯烷酮、聚苯乙烯-混合-聚酯、聚酯-混合-聚(曱基丙烯酸羥乙酯)、聚(氧化乙烯)-混合聚(甲 基丙烯酸酯)、聚(羥基苯乙烯)-混合-聚(氧化乙烯)。
本發(fā)明的其它實(shí)施例包括聚合物的使用，這些聚合物是pH和/或 熱敏感的，從而納米纖維墊以后可凈皮改性，響應(yīng)環(huán)境的變化，或容易 地被溶解。聚合物的例子包括已知名為Eudragit聚合物的商品化pH 敏感聚合物、以及N-異丙基丙烯酰胺(NIPAM)和N-甲基丙烯酰-L-亮氨酸(MALEU)或(N，N-二甲氨)曱基丙烯酸乙酯(DMAEMA) 的共聚物。類似手段是使用聚合物，這些聚合物易于被酶降解，如由 Chitosanase降解的脫乙酰殼多糖和由a-纖維素酶降解的纖維素。聚合 物體系的組合可用來對(duì)于具體用途調(diào)諧納米纖維過濾墊性能。
盡管本發(fā)明的一種方法包括外罩1和處理氣體26的使用，但可 選擇實(shí)施例包括敞開通氣系統(tǒng)(例如，煙罩)代替外罩1。在又一個(gè) 實(shí)施例中，可省略處理氣體26。
過濾器支撐絲網(wǎng)
除得到具有很少缺陷和纖維直徑尺寸的密集分布的納米纖維外， 支撐件7的構(gòu)造和支撐表面的制備也影響所生成的纖維墊和生成的過 濾器的性能。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，宏觀絲網(wǎng)為納米纖維提供適 當(dāng)支撐，以承受在過濾期間施加到過濾墊上的力。支撐絲網(wǎng)對(duì)于生成 的過濾器的壓降影響最小。本發(fā)明的粗絲網(wǎng)方面是將常規(guī)過濾介質(zhì)用 作納米纖維支撐的可選擇手段。
形成有絲網(wǎng)的過濾器適用于本發(fā)明，這些絲網(wǎng)包含使用銅、黃銅、 鎳、不銹鋼、及鋁金屬的1.27cm、 0.635 cm、或0.159 cm (即，分別 為美國(guó)工程標(biāo)準(zhǔn)尺寸:1/2"、 1/4"及1/16")開口 。具有開口約1.2 mmxl.6 mm的鋁窗紗也是可接受的支撐。金屬絲網(wǎng)的表面，特別是對(duì)于鋁絲 網(wǎng)，經(jīng)受清洗以除去污物和油脂，接著通過在稀釋硫酸(按體積在DI 水中的10至20。/。H2SO4)中洗滌絲網(wǎng)以除去耐受氧化物和雜質(zhì)。這種 清洗改進(jìn)納米纖維分散和粘著。任何數(shù)量的金屬或金屬合金-具有各種形狀(正方形、矩形、圓形、菱形、橢圓形以及非標(biāo)形狀)的開口、
具有尺寸范圍在從約12.7 mm 向下到1000倍AFD的開口 ，可用在本 發(fā)明中。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，經(jīng)在靜電紡絲之前直接將粘合劑涂敷
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主ij絲)Mj工，ift7 j;又itL5Pii;^ f堆/^丁久3導(dǎo)2鬥四布d7有。布ib勺、們升3^輅疋'i哭 干粘合劑，該慢干粘合劑允許當(dāng)靜電紡絲纖維被沉積時(shí)是發(fā)粘的(即， 粘性的)。可選擇地，在另一個(gè)實(shí)施例中，絲網(wǎng)的網(wǎng)絲(或元件)可涂 有非常薄的聚合物層，該聚合物具有與在絲網(wǎng)上沉積的聚合物纖維相 互作用(范德華力、氫鍵、偶極子、靜電吸引、等等)的表面官能團(tuán)。 一個(gè)示范體系是在鎳絲網(wǎng)上的聚(縮水甘油基丙烯酸曱酯)(PGMA) 的薄涂層，使聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)的納米纖維沉積在涂 敷絲網(wǎng)上。本發(fā)明的一個(gè)可選擇實(shí)施例使用可交聯(lián)體系，該可交聯(lián)體 系在沉積纖維之后被聚合。例子包括與戊二醛交聯(lián)的脫乙酰殼多糖納 米纖維和與硼砂交聯(lián)的聚乙基醋酸乙烯酯；而且，也能夠在諸如可熟 化粘合劑的Norland直鏈之類的粘合劑上進(jìn)行納米纖維的沉積，該可 熟化粘合劑基于巰基酯化合物。這些表面涂層增加納米纖維對(duì)于支撐 件的粘合力和粘著力。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，金屬絲網(wǎng)用泡沫金屬代替，如ERG，s DuocelTM泡沫金屬；例如，具有20個(gè)微孔每英寸(PPI;可選擇地， 1.27mm的平均微孔尺寸)的鋁Duocel。泡沫也可用銅、鎳、及各種 其它金屬以及聚合物材料制成。范圍從10 PPI( 2.5 mm微孔)至40 PPI (0.064 mm微孔)的孔隙度對(duì)于本發(fā)明是可接受的。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，鋁零件(或氧化的其它金屬)被處理 以防止氧化鋁(金屬氧化物)的形成，例如使用稱作"無電鎳，，的過程 或用金來進(jìn)行電鍍。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，支撐絲網(wǎng)包括導(dǎo)電的塑料。例如， 聚酯或尼龍網(wǎng)屏(或粗無紡聚合物絲網(wǎng))涂有諸如金、鈀、或各種金 屬合金之類的導(dǎo)電面層。涂敷過程可由任何數(shù)量的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)，這 些現(xiàn)有技術(shù)包括真空沉積(例如，濺射涂敷、蒸發(fā)沉積、及化學(xué)蒸汽
30沉積)、和塑料的鍍鉻。可選擇地，絲網(wǎng)可包括導(dǎo)電塑料，該導(dǎo)電塑料
經(jīng)嵌入導(dǎo)電顆粒(碳納米管、金屬等等)；或者使塑料絲網(wǎng)導(dǎo)電、半導(dǎo) 電、或靜電耗散的任何方法，而獲得其導(dǎo)電性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用是導(dǎo)電的或使得導(dǎo)電的(例如， 濺射涂敷等等，如以上提到的那樣)無紡支撐。無紡支撐將形成對(duì)于 壓降的較大影響，但在一定用途中是可接受的。這個(gè)實(shí)施例類似于現(xiàn) 有技術(shù)，但不同之處在于首先使用導(dǎo)電無紡布，并且第二、并且是 最重要的，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)不同地控制支撐件的電場(chǎng)和電位的結(jié)構(gòu)， 如在本發(fā)明的下文中詳細(xì)說明的那樣。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，利用高FoM納米纖維墊的便利性能(以 后描述)，本發(fā)明的納米纖維被沉積在常規(guī)過濾介質(zhì)的基體上，該常規(guī) 過濾介質(zhì)在紡絲期間由金屬絲網(wǎng)支撐。如此產(chǎn)生的成層納米纖維常規(guī) 過濾介質(zhì)之后可從絲網(wǎng)除去并被折疊，粘結(jié)成袋，并且用在用來制造 各種過濾器產(chǎn)品的相關(guān)常規(guī)制造技術(shù)中。這個(gè)實(shí)施例類似于現(xiàn)有技術(shù)， 但允許電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的控制，并且相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)不同地控制支撐絲網(wǎng)的 電位，以制成具有大于20 kPa"的FoM的介質(zhì)，如在本文中以后詳細(xì) 說明的那樣。另外，由于靜電紡絲的本質(zhì)，纖維可直接紡絲到折疊過 濾器或其它過濾器產(chǎn)品(例如袋式過濾器)上，提供對(duì)于低效率過濾 器的增強(qiáng)。 一個(gè)這樣的例子將一層納米纖維涂敷到折疊的普通通氣過 濾器上，這會(huì)改進(jìn)過敏原(花粉、內(nèi)毒素、等等)或生物毒素(內(nèi)毒 素、示蹤劑(spoor )、感染劑、等等)的去除。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，聚合物可以選擇成溶解在水、pH和/ 或調(diào)節(jié)緩沖溶液中，通過加熱到室溫以上而降解，或由酶降解，以在 其中納米纖維墊被用于取樣的情況下，便于用于以后分析的顆?；蛏?物氣溶膠的回收。
過游器#道和射|#維^多,悉
如以上提到的那樣，評(píng)價(jià)過濾器性能和比較不同過濾器的一種途 徑是使用品質(zhì)因數(shù)(FoM)來比較。FoM是過濾器的基本度量，它允許不同厚度的過濾器的比較被對(duì)比；FoM越大，過濾器越好。
基本上，F(xiàn)oM是采用個(gè)別纖維氣動(dòng)阻力加以標(biāo)準(zhǔn)化的個(gè)別纖維收 集效率的比值。理解FoM的簡(jiǎn)單途徑(但不必是唯一途徑)如下如 果人們得到兩個(gè)相同的過濾器，并且將它們串聯(lián)地設(shè)置，則系統(tǒng)的效 率增加，但壓降也增大，因?yàn)楹穸燃颖?。因此，F(xiàn)oM保持恒定。纖維 過濾器和FoM的特別有意思方面是，商品化纖維過濾介質(zhì)的大部分都 具有類似FoM。圖5表明這種現(xiàn)象，部分地表示，來自各種商品化玻 璃纖維過濾器的分?jǐn)?shù)透過率相對(duì)于壓降的數(shù)據(jù)(敞開菱形)都沿對(duì)角 線下降；這條線是FoM。對(duì)于0.3 nm顆粒在5.33 cm/s的正面速度下 約12±2 kPa"的FoM描述在寬效率范圍上幾乎所有纖維玻璃纖維介質(zhì) 的性能。
理論上，F(xiàn)oM取決于過濾器的纖維直徑和填充密度。對(duì)于0.09 的填充密度和10 nm (可能是對(duì)于實(shí)際纖維紡絲的下限)的纖維直徑， 對(duì)于0.3 jam顆粒在5.3 cm/s下計(jì)算FoM是720 kPa"。這些計(jì)算基于 由Payet等(1992年)和Thomas等(1992年)才艮告的用于壓降和顆 粒收集的公式，這些信息都作為參考包括于此。
盡管作為纖維直徑函數(shù)的過濾器FoM的建模預(yù)期的是，過濾器性 能借助于減小纖維直徑而顯著改進(jìn)，但這種改進(jìn)尚未實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有著 作中，過濾器通過將納米纖維靜電紡絲到接地支撐件或位于接地表面 上的基體(例如，低效率纖維素過濾介質(zhì))上而形成。然而未觀察到 FoM的巨大提高，就是說，對(duì)于0.3 ium顆粒在5.33 cm/s下要得到小 于12 kPa4的FoM。因此，使用靜電紡絲的納米纖維得到具有優(yōu)于現(xiàn) 有技術(shù)的改進(jìn)的高效率過濾器不是簡(jiǎn)單明了的，并且至今尚未實(shí)現(xiàn)。
通過將納米纖維靜電紡絲到接地支撐件上制成的過濾器在圖5中 表示成半填充的六邊形。在本發(fā)明的研發(fā)期間得到的這些結(jié)果代表了 借助于現(xiàn)有技術(shù)可能獲得的結(jié)果。對(duì)于由ASTM標(biāo)準(zhǔn)F1215-89(或相 關(guān)過濾器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn))測(cè)試的高效率納米纖維過濾器的文獻(xiàn)值，盡管在 文獻(xiàn)中不易給出，但與在圖5中描繪的值相差不大或者更差(即，對(duì) 于0.3 )Lim顆粒在5.3 cm/s下FoM 12 kPa"的典型值)。生產(chǎn)具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)性能的納米纖維過濾器典型地涉及
小于200 nm纖維和適當(dāng)過濾墊形態(tài)(例如，廣泛區(qū)域的均勻性和具 有平均纖維直徑變化的纖維，該直徑變化與平均纖維直徑相差不大)。 得到適用于高FoM過濾器的過濾墊形態(tài)涉及諸如納米纖維過濾層厚 度、纖維的填充密度、平均纖維直徑、及纖維直徑的范圍和數(shù)目之類 的因素。以上描述的、用來得到小于200 nm纖維的靜電紡絲技術(shù)與 支撐絲網(wǎng)的選擇相組合是本發(fā)明的改進(jìn)納米纖維過濾器的一部分，該 支撐絲網(wǎng)對(duì)于壓降的影響最小(與由納米纖維墊造成的影響相比)。
過濾器FoM也可部分地受在元件界面處的泄漏、跨過整個(gè)支撐絲 網(wǎng)的墊均勻性、及墊形態(tài)(纖維填充密度、纖維直徑、等等)的影響。 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，過濾器(或過濾介質(zhì))的制造可以涉及將 粗絲網(wǎng)7連結(jié)到支撐框架6上。 一個(gè)問題是連結(jié)方案的選擇，該連結(jié) 方案要防止由于納米纖維的不適當(dāng)沉積而在絲網(wǎng)/框架界面處形成泄 漏。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用粘合劑。在這個(gè)實(shí)施例中，在與 對(duì)于在平常支撐絲網(wǎng)上的納米纖維沉積使用的相類似的條件下，沉積 纖維，但粘合劑的存在改進(jìn)納米纖維墊對(duì)于框架的密封。在另一個(gè)實(shí) 施例中，界面被密封或者用粘合劑進(jìn)一步密封，該粘合劑與聚合物納 米纖維相容(粘合到聚合物納米纖維、絲網(wǎng)、及框架上，而不溶解納 米纖維)，從而不會(huì)對(duì)納米纖維/粘合劑界面造成減弱。
各種粘合劑，如硅橡膠、環(huán)氧樹脂、及作為密封裝置的高壓絕緣 帶，已經(jīng)用在本發(fā)明中。粘合劑介電強(qiáng)度和粘合劑表面性能(表面化 學(xué)官能團(tuán)和電荷)的組合確定靜電紡絲的納米纖維與粘合劑如何相互 作用。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，聚苯乙烯和PSu纖維容易沉積在普通環(huán)氧樹脂粘合 劑上，而它們較不可能沉積在普通硅粘合劑上，如Electric Products Inc.的Plumber的GoopTM和Dow Corning的RTVTM。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，對(duì) 于Plumber的Goop和3M高壓絕緣帶，纖維沉積的量最小。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，涂敷環(huán)氧樹脂(例如，LoctiteTM環(huán)氧 樹脂膠)，以保證在支撐絲網(wǎng)和框架的界面處的PSu納米纖維的良好 覆蓋。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，這種相同的環(huán)氧樹脂在靜電紡絲
33PSu之后被使用，以密封泄漏和薄弱點(diǎn)。使用與PSu不同的聚合物的 其它實(shí)施例要求粘合劑的選擇能夠保持粘合劑/聚合物納米纖維相容 性。
在本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例中，選擇粘合劑以使在過濾器幾何形狀 的一定區(qū)域中的纖維沉積最少。例如，絲網(wǎng)形狀和電壓電位以及粘合 劑的組合可用來創(chuàng)建納米纖維的復(fù)雜兩維或三維圖案，這些粘合劑具 有低或高纖維沉積性能。
盡管各個(gè)實(shí)施例包括連結(jié)到框架上的支撐絲網(wǎng)，但本發(fā)明的其它 實(shí)施例不要求支撐絲網(wǎng)的框架。
浮動(dòng)和接地支撐絲網(wǎng)(例如，在圖2B和圖3中的元件7)都被用 在本發(fā)明的研發(fā)中。關(guān)于電氣浮動(dòng)絲網(wǎng)，初始沉積的纖維比直接在接 地絲網(wǎng)上沉積的那些具有更均勻的分散。然而，隨著纖維沉積在絲網(wǎng) 上，絲網(wǎng)電位隨時(shí)間迅速升高，因而減小在靜電紡絲針(噴嘴2)與 目標(biāo)(支撐絲網(wǎng)7)之間的電位差，該電位差驅(qū)動(dòng)所述工藝過程。事 實(shí)上，在絲網(wǎng)上的電壓電位可升高到使靜電紡絲過程停止的點(diǎn)。
相應(yīng)地，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，提供電壓放電裝置或限壓裝 置(VLD)，該裝置調(diào)節(jié)作為時(shí)間函數(shù)的絲網(wǎng)電位。這些裝置是以上 提到的電場(chǎng)脈動(dòng)裝置的例子。用來控制絲網(wǎng)/形成納米纖維墊的電壓的 方法包括例如火花隙裝置或電壓放電管。 一旦絲網(wǎng)/墊到達(dá)限制值，就 除去電荷。VLD因而防止靜電紡絲過程的停止。
本發(fā)明的VLD的一個(gè)實(shí)施例是火花隙裝置，即在圖2B中和在圖 3中的元件9，該元件9通過在其中纖維將沉積的支撐絲網(wǎng)的平面下方 對(duì)過量的支撐絲網(wǎng)加以折疊而形成。在網(wǎng)絲的末端與在它們下面的接 地板41之間的距離約為3.5 mm。放電發(fā)生的電壓是電介質(zhì)擊穿電壓， 該電介質(zhì)擊穿電壓由間隙距離(例如，3.5mm)和在靜電紡絲腔室中 氣體的電介質(zhì)擊穿電壓而控制。氣體的電介質(zhì)擊穿電壓由氣體成分和 環(huán)境條件(即，RH和溫度)確定。
支撐絲網(wǎng)電位隨時(shí)間變化，如由VLD9和靜電紡絲條件確定的那 樣。這個(gè)時(shí)間變化電位在高FoM過濾器的生產(chǎn)中是有益的。圖6提供
34作為時(shí)間函數(shù)的支撐絲網(wǎng)電位和放電電流/VLD電流的例子。絲網(wǎng)電
位使用高阻抗探針測(cè)量；測(cè)量跨過在接地板系統(tǒng)與大地之間串聯(lián)定位
的電阻器的放電電流。對(duì)于施加的29.5 kV紡絲電位，絲網(wǎng)7電位的 算術(shù)平均值是約5.7 kV,并且放電的頻率是5.3土1.0 Hz，波峰電壓是 10 kV左右。圖6中例示了時(shí)間改變絲網(wǎng)電位和其平均值，但不限于 這些值。其它頻率和電位適用于本發(fā)明。實(shí)際上，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例中，在存在對(duì)地周期放電的情況下，沉積納米纖維的層。在本發(fā) 明的另一個(gè)實(shí)施例中，在存在施加電場(chǎng)脈動(dòng)的情況下，沉積納米纖維 的層。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，突然變化波形產(chǎn)生具有改進(jìn)過濾性能 的纖維墊，如由得到的生成FoM值測(cè)得的那樣。用于改進(jìn)性能的準(zhǔn)確 機(jī)理或機(jī)理體系現(xiàn)在尚不確定。改進(jìn)的可能來源可能包括纖維密度的 變化、過濾墊三維結(jié)構(gòu)的變化、改進(jìn)的纖維形狀、及在支撐結(jié)構(gòu)(例 如，絲網(wǎng))上纖維的改進(jìn)分布。
它實(shí)施例中，、;用于制造納米纖維、，納米纖;纟;、線、納米纖維無紡材料:
以及用于超越形成過濾介質(zhì)和裝置的各種用途的其它納米纖維結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明不限于在圖6中表示的準(zhǔn)確突然轉(zhuǎn)變。無論如何，在圖6 中的轉(zhuǎn)變表示一個(gè)說明性的例子。突然放電事件似乎典型地需用16 ms放電10kV。然而，這些數(shù)量即使對(duì)于在圖6中表示的轉(zhuǎn)變也不是 固定的。類似地，回到10kV的充電時(shí)間是200 ms左右，但也根據(jù)周 期的不同地變化。
在本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例中，施加波形或充電事件(例如高到15,000 V或50。/。的施加電壓)可需用從100毫秒至1秒，200 ms是典型的。 到接近零電場(chǎng)電位的放電事件或突然轉(zhuǎn)變可迅速地發(fā)生，例如需用2 ms至80ms， 16ms是典型的。根據(jù)生產(chǎn)用于各種納米纖維用途的纖 維墊的本發(fā)明的各種實(shí)施例，在圖6中表示的值和波形當(dāng)作可使用的 代表性突然轉(zhuǎn)變。
用來用VLD控制絲網(wǎng)電位的多種方法在本發(fā)明中是可能的。火
35花隙裝置可被使用，該火花隙裝置不是在圖2B中所示的支撐件的一 體部分，而是簡(jiǎn)單地連接到過濾器絲網(wǎng)上。這個(gè)間隙可使用測(cè)微器之 類的裝置小心地控制。間隙也可被動(dòng)態(tài)地控制，就是說，絲網(wǎng)的時(shí)間 變化電位被監(jiān)視并且間隙尺寸被調(diào)節(jié)，以主動(dòng)地將絲網(wǎng)電位工況控制 到希望值。VLD可以是設(shè)置限定電壓或時(shí)間變化波形的任何數(shù)量的裝 置，如氣體放電管(例如，SRC的限壓氣體放電管)、小型氖燈、開 關(guān)、或主動(dòng)地或被動(dòng)地調(diào)節(jié)作為時(shí)間函數(shù)的絲網(wǎng)電壓的其它電子元件 或系統(tǒng)。
本發(fā)明的實(shí)施例包括VLD和靜電紡絲條件，從而頻率的范圍可 高到1000 Hz,并且平均絲網(wǎng)/墊電位的范圍可從0 V至15 000 V或施 加到靜電紡絲噴嘴上的電壓的0至50%。本發(fā)明的其它實(shí)施例可應(yīng)用 在這些數(shù)值和頻率下的類似電壓波形。
除支撐絲網(wǎng)7的電位之外，電場(chǎng)的形狀(或結(jié)構(gòu))對(duì)于纖維形成 過程也是重要的。盡管絲網(wǎng)7保持在調(diào)整電壓電位下，但接地金屬電 極的存在、位置、及形狀是重要的。盡管已經(jīng)使用圓形或圓柱形元件， 但其它幾何形狀是可形的。
在一個(gè)實(shí)施例中，接地板41被定位在絲網(wǎng)7下面的設(shè)置距離處， 以便提供得到在絲網(wǎng)上纖維的適當(dāng)靜電紡絲和沉積所需要的足夠電位 差和電場(chǎng)形狀。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第二接地板43被定位在 支撐框架6下面，使金屬接地板的某一量超越框架6的側(cè)面延伸。這 進(jìn)一步幫助保持適當(dāng)?shù)撵o電紡絲電位和電場(chǎng)形狀，以促進(jìn)纖維到絲網(wǎng) 上的沉積，包括到過濾器框架6的頂部邊緣上。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，絲網(wǎng)7到內(nèi)部接地板41的距離是5 mm，火花隙9的距離是3.5mm，下部接地板43的外邊緣到過濾器框 架6的側(cè)面的距離是7 mm，并且從43到41的距離是69 mm，這些 為良好的納米纖維和墊形態(tài)而提供。其它實(shí)施例包括在43與41之間 的距離被減小，或者甚至43被取消。在相關(guān)實(shí)施例中，距離被保持， 但可以使用可除去墊片，從而形成非常薄的過濾器結(jié)構(gòu)(框架+絲網(wǎng)+ 納米纖維墊《lcm;以及框架+絲網(wǎng)+納米纖維塾^0.5 cm)。元件42的高度典型地是恒定的，并且墊片代替框架6。就是說，框架6分兩部 分，在靜電紡絲期間使用的墊片和支撐絲網(wǎng)7的實(shí)際框架很薄?？蛇x 擇地，框架6和元件42可制得較短。在絲網(wǎng)7與接地板41之間的距 離的范圍可從0.5 mm至10 mm，火花隙的范圍可從接近0 mm至10 mm，及從6的側(cè)面到43的外邊緣的距離可從0至10 cm變化。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，使用氣體放電管或其它VLD，從而 間隙距離不被規(guī)定/使用；然而，過濾器組件和接地板如以上剛描述的 那樣。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，沒有使用限壓裝置-絲網(wǎng)7被接地，但 接地板系統(tǒng)41-43是相同的。這種構(gòu)造為非常高效率過濾器(即，顆 粒透過率Pt〈l(T6)而提供，但該過濾器具有減小的FoM。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)電、半導(dǎo)電、或絕緣無紡材料支撐 件被設(shè)置在具有限壓裝置和接地板系統(tǒng)的系統(tǒng)的頂部上，從而以與以 上關(guān)于絲網(wǎng)的實(shí)施例大都相同的方式，無紡材料的電位被調(diào)制，并且 電場(chǎng)被成形/保持。在一種變形中，無紡介質(zhì)被支撐在導(dǎo)電金屬絲網(wǎng)上。 生成分層介質(zhì)可從金屬絲網(wǎng)除去，并且被用在提供復(fù)合過濾器的常規(guī) 過濾器制造過程中，在該復(fù)合過濾器中，納米纖維層提供高效率顆粒 捕獲，而常規(guī)過濾器介質(zhì)提供針對(duì)比一微米大的顆粒的補(bǔ)充過濾介質(zhì)。 HEPA過濾器也可用作補(bǔ)充過濾介質(zhì)。
一種可選擇手段是使納米纖維在無紡材料的上游側(cè)上，讓無紡材 料來簡(jiǎn)單地提供結(jié)構(gòu)支撐。選擇性地，可以形成雙面介質(zhì)，即納米纖 維/無紡材料/納米纖維。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，RH也影響沉積的納米纖維墊形態(tài)(以上已經(jīng)提到的 是對(duì)于纖維形態(tài)的影響)。較高RH導(dǎo)致纖維被沉積成與絲網(wǎng)的網(wǎng)絲較 強(qiáng)對(duì)準(zhǔn)，而較低濕度產(chǎn)生跨過絲網(wǎng)開口的更均勻纖維分散。對(duì)于已經(jīng) 提到的PSu例子，在38%至22%的范圍中的RH往往會(huì)產(chǎn)生較好的 纖維形態(tài)。RH控制技術(shù)與以上在形成納米纖維的討論中提到的相同。
納米纖維墊均勻性的進(jìn)一步改進(jìn)通過在纖維沉積期間移動(dòng)靜電紡 絲噴嘴2和/或過濾器框架組件6而得到。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，過濾器框架6被設(shè)置成與紡絲射流偏心，并且框架在纖維沉積期間轉(zhuǎn) 動(dòng)。例如，8.89cmOD過濾器框架和紡絲噴嘴被軸向定位，但使紡絲 噴嘴與中心偏移2.22 cm。過濾器框架然后每7分鐘順時(shí)針被轉(zhuǎn)動(dòng)90 度，從每30秒至每10分鐘的其它時(shí)間間隔被用在本發(fā)明的其它實(shí)施 例中?？蛇x擇地，自動(dòng)系統(tǒng)可連續(xù)地或周期地轉(zhuǎn)動(dòng)過濾器框架。對(duì)于 其中使用除圓形之外的形狀的實(shí)施例，框架和/或紡絲射流在跨過過濾 器絲網(wǎng)的x-y樣式柵格中重復(fù)地平移，直到結(jié)束。其它實(shí)施例，與過 濾器幾何形狀無關(guān)，包括使用在x、 y、及z方向上的運(yùn)動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)和 傾斜的噴射器和絲網(wǎng)相對(duì)于彼此的運(yùn)動(dòng)，以便得到所需要的絲網(wǎng)覆蓋。 納米纖維墊的厚度可從約0.25 nm ( 250 nm )至500 |um變化，或 者如果需要?jiǎng)t可超越，其中大多數(shù)過濾器具有在2至5微米范圍中的 平均墊厚度。平均墊厚度數(shù)值代表在過濾器中全部納米纖維墊的平均 厚度?？蛇x擇地，墊厚度可定義為納米纖維的層，使厚度包括從4至 4000層，其中4至400、或5至100、或5至15層在各個(gè)實(shí)施例中是 典型的。
確定靜電紡絲的時(shí)間長(zhǎng)短，以便得到希望的纖維墊厚度、壓降、 及/或過濾器效率，主要經(jīng)正在形成的過濾器的壓降的實(shí)時(shí)監(jiān)視而進(jìn) 行。處理氣體26在靜電紡絲期間流經(jīng)正在形成的過濾器墊并且流出近 憂僅有的主動(dòng)排氣裝置28。壓差表32測(cè)量在流經(jīng)正在形成的過濾器 的處理氣體的正面速度下跨過過濾器的總壓降。在這個(gè)測(cè)量壓降、與 當(dāng)在具體正面速度(例如，5.3 cm/s)下對(duì)制成的過濾器進(jìn)行測(cè)試/使 用時(shí)觀察到的壓降之間有直接關(guān)系。在由壓差表32測(cè)量的壓力與墊厚 度和密度之間也有關(guān)系。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，壓降用來確定 為了得到具有高于20kPa"的FoM的過濾器，靜電紡絲所需的時(shí)間長(zhǎng) 短。
在另一個(gè)實(shí)施例中，給定在靜電紡絲持續(xù)(時(shí)間)與纖維墊密度 和厚度之間的直接關(guān)系，時(shí)間單獨(dú)用來確定何時(shí)停止靜電紡絲。
斧〃；
38標(biāo)準(zhǔn)鋁窗紗用乙醇清洗，用DI水沖洗，用丙酮清洗，用DI水沖 洗，干燥，及然后用稀(14vol.%)硫酸清洗，用DI水徹底沖洗，及 然后用清潔、干燥的氮?dú)飧稍?。清潔絲網(wǎng)的8.89 cm直徑圓被連結(jié)到 7.62IDPVC管的7.7cm長(zhǎng)的工件上，使絲網(wǎng)的邊緣的一些折合到下 方(9)。絲網(wǎng)用Locktite9環(huán)氧樹脂膠連結(jié)到PVC框架上。絲網(wǎng)7和 框架6組件被設(shè)置在靜電紡絲外罩1內(nèi)的接地板系統(tǒng)28、 41-43上。 在7與41之間的距離是約8mm，火花隙裝置9具有約5mm的間隙。 6的側(cè)面到43的外邊緣是7mm (確定下部接地板43的面積，該下部 接地板43幫助在噴射器2與過濾器組件之間成形和保持電場(chǎng))。千燥 和濕潤(rùn)(經(jīng)通過DI水起泡)C02 26的混合物用來得到在26至38% 范圍中的RH。
在具有0.2 wt.%TBAC的DMAC中的21 wt% PSu (由Solvay Advanced Polymers制造的Udel P3500 LCD )被用作聚合物溶液。在 0.05 ml/hr的流量、25.4 cm的間隙、29.5 kV直流的施加電位、及8 L/min的C02氣體夾套流量的情況下，這種聚合物溶液從30G (ID-0.152 mm )不銹鋼針紡絲。
過濾器框架組件在總共50分鐘內(nèi)每7分鐘被順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。完 成過濾器的生成壓降在5.3 cm/s的正面速度下是53.9 Pa。在清潔、干 燥存儲(chǔ)區(qū)域中的兩個(gè)星期的時(shí)效之后，過濾器對(duì)于0.3 lum顆粒在5.3 cm/s下具有約85 kPa-1的FoM。
辦2:
使用與例1相同的鋁絲網(wǎng)和過濾器框架構(gòu)造，但使用3.5 mm的 火花隙9，同時(shí)絲網(wǎng)7至41距離為5 mm。 RH凈皮調(diào)整到在33至26% 的范圍中。條件和構(gòu)造的其余部分與例l相同。過濾器在總共45分鐘 內(nèi)每5分鐘被轉(zhuǎn)動(dòng)45。，以產(chǎn)生具有48.8 Pa的壓降和1.7xl0-5的透過 率Pt的過濾器，就是說約98 kPa"的FoM。
^^辦
例三與第一例類似，不同之處是，支撐絲網(wǎng)被設(shè)置成與41緊密接觸，因而提供接地絲網(wǎng)，而不是使用限壓裝置。在用于接地板系統(tǒng)的
尺寸的其余部分相同的情況下，使用16.83 cm的噴嘴到絲網(wǎng)間隙。關(guān) 于相同尺寸的不銹鋼針和施加的紡絲電壓，使用相同的聚合溶液。過 濾器的靜電紡絲進(jìn)行約34分鐘。生成過濾器具有448 Pa的壓降。顆 粒透過率Pt難以測(cè)量，但估計(jì)小于5xl(T7，這產(chǎn)生約14kPa"的FoM 估計(jì)。盡管通過接地絲網(wǎng)形成的過濾器結(jié)構(gòu)沒有提供高FoM過濾器， 但它對(duì)于與HEPA過濾器相差不大的壓降提供非常高效率(比HEPA 好)的過濾器。
具有改進(jìn)性能的過濾器
本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中允許過濾器具有多根納米纖維布置在支撐 絲網(wǎng)上，以形成對(duì)于小于200 nm的納米纖維的平均纖維直徑具有大 于20 kPa"的品質(zhì)因數(shù)的過濾介質(zhì)。本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中允許實(shí)現(xiàn) 對(duì)于小于100 nm的納米纖維的平均纖維直徑具有大于40 kPa"的 FoM的過濾器。
相對(duì)于當(dāng)前玻璃纖維HEPA過濾器介質(zhì)得到的另一種改進(jìn)是最大 透過顆粒尺寸的直徑的減小。最大透過點(diǎn)是其中過濾器最小效率(最 多顆粒獲得通過)的尺寸范圍。對(duì)于常規(guī)玻璃纖維HEPA介質(zhì)，這個(gè) 尺寸在0.1至0.3 |am的范圍中，而對(duì)于我們的具有AFD為82 urn 左 右的納米纖維過濾器，最大透過尺寸是0.07nm左右，如圖7中所示。
本發(fā)明不限于0.07 )nm的最大透過尺寸；該數(shù)據(jù)僅證明，通過本 發(fā)明的實(shí)踐得到優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的改進(jìn)。重要的是要注意，示出的HEPA 過濾器具有約330 Pa的壓降(在5.3 cm/s的正面速度下)，而納米纖 維過濾器具有約48 Pa的壓降。與HEPA過濾器具有相同最大顆粒透 過率的納米纖維過濾器具有86 Pa的壓降，而沒有最大透過顆粒尺寸 的變化。
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如以上提到的那樣，過濾器墊和厚度和均勻性影響所生成的過濾
40器的性能。由圖1，步驟103包括靜電紡絲過程的控制。不均勻過濾 器墊密度產(chǎn)生這樣的區(qū)域，這些區(qū)域攜帶的氣體流動(dòng)比它們的氣體流 動(dòng)的份額多，并且具有的過濾效率比平均過濾效率低。納米纖維墊密 度、厚度、及均勻性以及過濾器效率的監(jiān)視使用一些另外革新是可能 的。
光散射技術(shù)在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中用來測(cè)量墊密度和均勻性。 盡管平均纖維直徑(AFD)在本發(fā)明的一些實(shí)施例中是100 nm或更 小，但有在200至250 nm尺寸范圍中的少量纖維。具有650 nm左右 波長(zhǎng)的紅光激光器已經(jīng)證明，散射來自墊的足夠光以探測(cè)墊厚度的差 別。來自代表性數(shù)目的纖維的散射，相對(duì)來自總數(shù)目纖維的散射，在 本發(fā)明的一些實(shí)施例中是有利的。
然而，在其中纖維直徑和數(shù)量對(duì)于紅光激光器太小、或者要求更 多散射信息的情況下，那么較短波長(zhǎng)激光器現(xiàn)在容易得到，如藍(lán)光405 nm激光器。這種藍(lán)光激光器具有約101nm的衍射極限，這即使對(duì)于 用來制造過濾器墊的最小納米纖維也在AFD的一個(gè)(j內(nèi)。在本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例中，來自纖維墊的光散射被用來確定用于靜電紡絲的停止 點(diǎn)。其它實(shí)施例提供過濾器的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量保證(QA )和墊均勻性的監(jiān)視。
在本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例中，激光光散射和自動(dòng)系統(tǒng)鏈接在微處 理器控制系統(tǒng)中，該自動(dòng)系統(tǒng)使紡絲噴嘴和過濾器框架相對(duì)于彼此移 動(dòng)。纖維的沉積被實(shí)時(shí)地監(jiān)視和控制，以便實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的納米纖維墊均 勻性并得到正確的墊厚度和密度。本發(fā)明的其它實(shí)施例包括將這種控 制系統(tǒng)與實(shí)時(shí)壓降測(cè)試和氣溶膠測(cè)試(下面討論)相結(jié)合。
處理監(jiān)視過濾器效率和確定停止點(diǎn)或進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)QA的本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例，是使用試驗(yàn)氣溶膠測(cè)量過濾器性能。在圖2B中的出口 28可連接到氣溶膠儀器30上，該氣溶膠儀器30能夠分析輸出氣體的 成分。在進(jìn)口 26B處引入的氣體可以包括試驗(yàn)氣溶膠顆粒，以測(cè)試所 形成的過濾器的效率。關(guān)于在圖2B中表示的布置，包括靜電紡絲纖 維的過濾器的生產(chǎn)使其性能被在線監(jiān)視，即通過用氣溶膠儀器30實(shí)時(shí) 分析在過濾器正被構(gòu)造的同時(shí)由它除去的氣溶膠顆粒的量。因而，在
41本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，制造商可設(shè)置用于顆粒量的閾值(例如，作 為顆粒的百分比)，這些顆粒應(yīng)該由過濾器從環(huán)境除去，并且當(dāng)實(shí)現(xiàn)該 閾值時(shí)停止纖維的靜電紡絲。這種方式的過濾器的生產(chǎn)是高效的，因 為過濾器形成中，材料和時(shí)間都沒有浪費(fèi)。過濾器生產(chǎn)過程的這種實(shí) 時(shí)監(jiān)視將僅極少量地用試驗(yàn)顆粒污染過濾器。
在涉及用氣溶膠測(cè)試正在形成的過濾器的本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例
中，等動(dòng)力探針-它連接到氣溶膠儀器30上，在過濾器的下側(cè)區(qū)域上 掃描，因而提供過濾器的局部測(cè)試，以便找到泄漏或薄弱點(diǎn)。等動(dòng)力 探針，如在現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣，涉及將在探針內(nèi)的空氣速度與環(huán) 境空氣速度相匹配，由此使來自顆粒慣性的顆粒尺寸依賴取樣誤差 (particle size dependent sampling errors )最小化。在其中測(cè)量小顆粒 (例如，小于200nm)的情形下，來自顆粒慣性的取樣誤差通常很小， 并且可以使用不等動(dòng)力取樣(流動(dòng)速度不相同)。在本發(fā)明的一些實(shí)施 例中，可使用不等動(dòng)力探針。類似于光散射實(shí)施例，控制系統(tǒng)基于掃 描探針/氣溶膠儀器的試驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)于正在形成的過濾器墊定向靜電 紡絲噴嘴的位置。
逸##的迎源器承炎'和溝造
盡管起先采用扁平7.62 cm圓形過濾器來例示，但本發(fā)明的其它 實(shí)施例包括各種尺寸的正方形、矩形、管形、及奇異或新穎成形過濾 器框架，用于寬泛范圍的納米纖維墊用途。對(duì)于過濾器裝置的尺寸(橫 截面面積)幾乎沒有限制，范圍從非常小(定尺寸在lcm直徑量級(jí)上 的鼻孔)到非常大(在2英尺乘2英尺和更大量級(jí)上的建筑物和清潔 室過濾器)。
圖8表示本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，具有延長(zhǎng)深度 的過濾器由多個(gè)納米纖維/絲網(wǎng)堆疊形成。如在圖8中表示的那樣，在 支撐絲網(wǎng)7上的多層或多級(jí)靜電紡絲的納米纖維墊12 (分別形成的) 可彼此上下堆疊，以提供多級(jí)過濾或冗余過濾。在相關(guān)實(shí)施例中，制 造堆疊過濾器每一級(jí)使用的聚合物成分和/或AFD是變化的。該構(gòu)思的一個(gè)使用例子包括了關(guān)于每一級(jí)的過濾器效率的變化，從而第一級(jí) 是粗過濾器，而最后一級(jí)是高效率的。在這個(gè)實(shí)施例的另一個(gè)例子中， 諸級(jí)具有不同的功能，例如，第一級(jí)除去顆粒，而以后的各級(jí)包含具 有反應(yīng)性、吸收性、及/或催化性能的纖維，用來除去或中和有毒或有 害化學(xué)品(例如，沙林氣體)。
圖9表示與在圖2A中類似的布置，但在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中 的絲網(wǎng)支撐件20具有產(chǎn)品裝置的形狀；像例如用來過濾吸入空氣的呼 吸器。例如，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，絲網(wǎng)支撐件20可具有呼吸器 筒過濾器的形狀(例如，"禮帽"形狀)?？稍O(shè)想各種形狀，這些形狀由 于靜電紡絲的納米纖維墊與使用的支撐墊相一致的能力可被生產(chǎn)。對(duì) 于生產(chǎn)成形過濾器墊的實(shí)施例，絲網(wǎng)和噴射器除轉(zhuǎn)動(dòng)和傾斜之外在x、 y、及z方向上相對(duì)于彼此被移動(dòng)(例如，將絲網(wǎng)和過濾器夾持系統(tǒng)設(shè) 置在萬向支架上)。
常規(guī)介質(zhì)的高壓降典型地通過增大在過濾器裝置的特定橫截面面 積中存在的過濾器介質(zhì)的表面面積而得以減輕。介質(zhì)被折疊以得到擴(kuò) 展面積過濾器。關(guān)于本發(fā)明，用于生產(chǎn)擴(kuò)展面積過濾器的多種手段是 可能的。在用來生產(chǎn)擴(kuò)展面積過濾器的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，制造 在支撐絲網(wǎng)上的納米纖維過濾器介質(zhì)，然后將納米纖維墊/絲網(wǎng)組裝成 "V"形結(jié)構(gòu)。在又一個(gè)實(shí)施例中，擴(kuò)展面積結(jié)構(gòu)由支撐絲網(wǎng)形成，并 且納米纖維然后被直接紡絲到這種擴(kuò)展面積結(jié)構(gòu)上。
由多個(gè)單元構(gòu)成的過濾器，如在圖10、 11、及12中表示的那樣 使纖維靜電紡絲成每個(gè)單元，是關(guān)于生產(chǎn)擴(kuò)展面積過濾器的又一個(gè)實(shí) 施例。如在圖10B中從側(cè)視圖看到那樣，絲網(wǎng)307限定單元322,在 該單元322中可容易地對(duì)納米纖維進(jìn)行靜電紡絲。
圖11表示在外罩1中設(shè)置的圖10A-10B的框架6。圖11還示意 性地示出用來操作本發(fā)明的靜電紡絲系統(tǒng)的控制系統(tǒng)。具體地說，控 制器(未示出)從例如顆粒探測(cè)器30和壓差表32的各種試驗(yàn)裝置接 收輸入，以便在靜電紡絲纖維的收集器的上方在橫向方向上控制噴射 器302的平移、和/或控制噴射器302駐留在每個(gè)單元307中的時(shí)間量。外罩1還容納噴射器302，該噴射器302具有的功能類似于圖2A的噴 射器2的功能，但形狀不同。盡管為了較完整解釋的目的將控制器10 描繪在圖10中，但控制器10可用來例如控制在圖2A中噴射器2的 橫向和/或豎向位置。
噴射器302可以例如是在美國(guó)申請(qǐng)No.10/819，916中公開的轉(zhuǎn)動(dòng) 頭，該申請(qǐng)包括的全部?jī)?nèi)容通過參考包括在里?？蛇x擇地，噴射器可 具有在所有方向上提供纖維的多個(gè)噴嘴；或者，使用轉(zhuǎn)動(dòng)和多個(gè)噴嘴 的組合。噴射器302可以能夠(i)如由箭頭A表示的那樣轉(zhuǎn)動(dòng)；和 (ii)沿方向B移動(dòng)。而且，噴射器302能夠沿豎直方向在外軍1中移 動(dòng)。噴射器302連接到電源5上，并且框架6選擇性地接地。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動(dòng)噴射器302被插入在每個(gè)單元322 中，以將纖維312靜電紡絲到絲網(wǎng)307上。在纖維312形成在單元上 之后，噴射器302借助于一移動(dòng)機(jī)構(gòu)(未示出)移動(dòng)到下個(gè)單元。這 種移動(dòng)可以由微處理器自動(dòng)地控制。絲網(wǎng)307可以是導(dǎo)電的。單元可 以具有由絲網(wǎng)片形成的底部。框架6對(duì)于空氣可以是可透過的，并且 可以由例如木材、金屬或塑料制成。框架和絲網(wǎng)的若干區(qū)域可以涂有 粘合劑，如將由本領(lǐng)域的技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到的那樣，以有助于靜電紡絲 纖維的粘結(jié)。噴射器302的多樣性可以用來增大產(chǎn)量。過濾器的正面 可以包括紡絲有纖維或納米纖維的圓形管狀空腔的陣列。
圖12表示單個(gè)單元322，在該單元322中插入靜電紡絲元件302。 纖維312中的一些纖維將不到達(dá)絲網(wǎng)7的側(cè)壁，而將形成纖維層，該 纖維層將形成單元322的底部。相同的過程可能發(fā)生在單元322的頂 部處，因而形成纖維312的封閉空腔。在某些情況下，對(duì)于單元的底 部可能需要無轉(zhuǎn)動(dòng)噴射器。
迎濾器》裁'
在過濾技術(shù)中， 一個(gè)普遍問題是，過濾器蒙受灰塵或者變臟，導(dǎo) 致跨過過濾器的壓降變得太大。過濾器然后必須被更換或清理。本發(fā) 明的一些實(shí)施例通過提供用于灰塵的預(yù)過濾器來解決這個(gè)問題。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中(見圖13)，包括常規(guī)介質(zhì)210的預(yù)過 濾器可以在空氣流動(dòng)的方向上布置在靜電紡絲纖維12的前面。常規(guī)介 質(zhì)提供第一層粗過濾，除去灰塵和大顆粒或潛在污物(foulants)，而 納米纖維基介質(zhì)提供高效率過濾(通過除去較小尺寸顆粒)。例如，扣 接的一次性粗灰塵過濾器被設(shè)置在納米纖維過濾器的前面；當(dāng)粗過濾 器被大顆粒堵塞時(shí)，它容易被更換，而納米纖維過濾器提供對(duì)小顆粒 的連續(xù)高效率過濾。這種布置會(huì)延長(zhǎng)納米纖維過濾器的壽命，并且提 供高/^Af過濾系統(tǒng)。
本發(fā)'效時(shí)吝^^才法
現(xiàn)在返回在圖1A中的過程的一般討論，圖1A表明根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例的、用來形成纖維墊的方法。在100處，提供支撐件，該 支撐件具有穿過其流體流動(dòng)的開口。在102處，纖維跨過宏觀開口的 全部被靜電紡絲，以形成提供過濾介質(zhì)的多個(gè)層，在該過濾介質(zhì)中， 進(jìn)入層的顆粒從流體流動(dòng)中濾除。具有小于200 nm的平均纖維直徑 的納米纖維，如在圖1A和4中示出的那樣，特別適于高FoM過濾。 在本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，在102處，電場(chǎng)在收集器處在纖維的 靜電紡絲期間被脈動(dòng)至少一次，以使在靜電紡絲纖維上累積的電荷被 放電。脈動(dòng)可來自以上描述的各電壓放電裝置中的一種電壓放電裝置， 或者可以從外部施加脈動(dòng)。例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，時(shí)間變 化波形(類似于在圖6中表示的波形)可施加在支撐件上。諸如方波 和鋸齒波之類的波形對(duì)于本發(fā)明也是適宜的。
在100處，支撐件可以是導(dǎo)電絲網(wǎng)。粘合劑可涂敷到支撐件的周 界上，以密封周界，使得顆粒不會(huì)旁路通過過濾器。導(dǎo)電絲網(wǎng)可被處 理或涂敷，以提高納米纖維對(duì)于絲網(wǎng)的粘合力。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例中的支撐件被結(jié)合到過濾器中。
像這樣，本發(fā)明的過濾介質(zhì)可包括多種支撐介質(zhì)，這些支撐介質(zhì) 的范圍從具有宏觀開口的剛性結(jié)構(gòu)到高效率顆?？諝?HEPA)過濾 器介質(zhì)。像這樣，本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中允許通過將納米纖維直接靜
45電紡絲到現(xiàn)有較低效率介質(zhì)上而形成高性能過濾器，所述現(xiàn)有較低效
率介質(zhì)例如具有范圍從3-12的最小效率報(bào)告值(MERV)的常規(guī)民用 和商用建筑物過濾器。
MERV額定值，對(duì)于一般通風(fēng)過濾器而言，可以采用ASHRAE Standard 52.2( 1999年)中描述的方式進(jìn)行確定。氯化鉀氣溶膠(KCl) 試驗(yàn)(challenge)用來在很寬的顆粒直徑范圍上獲得顆粒尺寸依賴效 率。當(dāng)測(cè)試過濾器時(shí)，壓降和過濾效率是兩個(gè)主要指標(biāo)。壓降的確定 隨氣體流量而變化，而在額定流量下的過濾器效率的測(cè)量隨著顆粒直 徑而變化，顆粒直徑的范圍是0.3至10|um。作為顆粒直徑函數(shù)的初始 效率用KCl氣溶膠和光學(xué)顆粒計(jì)數(shù)器(Optical Particle Counter, OPC)確定。效率用如下步驟確定。測(cè)量清潔過濾器的效率。然后， 進(jìn)行借助于ASHRAE粉塵的調(diào)節(jié)步驟，以對(duì)暴露于顆粒的大氣在永 久填充過濾器上的效果以及所導(dǎo)致的效率減小進(jìn)行模擬。重復(fù)用KCl 氣溶膠和OPC測(cè)量作為顆粒直徑函數(shù)的效率。過濾器然后按4種不 同的增量用ASHRAE粉塵加載，接著使用KCl氣溶膠和OPC測(cè)量作 為顆粒直徑函數(shù)的效率。最后粉塵加載將使過濾器的壓降與配制造商 聲明的壓降極限相匹配。最小效率報(bào)告值(MERV)通過首先計(jì)算在 三個(gè)顆粒尺寸范圍0.3至1、 1.0至3.0及3.0至lO.Ojam中觀察到的最 小效率的平均值被確定。在ASHRAE ( 1999年)中的標(biāo)準(zhǔn)表格用來 查閱與最小效率相對(duì)應(yīng)的MERV。
在本發(fā)明的其它用途中，納米纖維被靜電紡絲到過濾器介質(zhì)上， 該過濾器介質(zhì)在制造折疊過濾器和其它工程過濾器單元時(shí)使用。這樣 一種手段例如是形成改進(jìn)過濾器的一種實(shí)用方式，在該改進(jìn)過濾器中， 納米纖維涂敷過濾器介質(zhì)然后被折疊和形成常規(guī)成形HEPA過濾器單 元，該過濾器單元用來安裝在標(biāo)準(zhǔn)空氣處理機(jī)中。在另一個(gè)例子中， HEPA介質(zhì)可涂有納米纖維，以生產(chǎn)具有以前達(dá)不到效率 (>99.9999%)、并且壓降易于控制的過濾器。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，用于本發(fā)明的纖維墊沉積的支撐件 可從所沉積的纖維墊上除去或溶解，允許纖維墊轉(zhuǎn)變成另一種過濾介質(zhì)，像例如常規(guī)過濾器介質(zhì)、泡沫塑料、泡沫金屬、半導(dǎo)電泡沫、紡
織材料、無紡材料、塑料網(wǎng)屏、及高效率顆?？諝?HEPA)過濾器。
絲網(wǎng)典型地是導(dǎo)電的，但當(dāng)在靜電紡絲期間與導(dǎo)電框架一道使用 時(shí)可以是絕緣的。支撐件可具有錐形支撐、圓形支撐、平面形支撐、 球形支撐、或圓柱形支撐。支撐件可成形為模具，以與例如呼吸器筒 相配合。支撐件可包括彼此相鄰布置的多個(gè)蜂窩框架。像這樣，在每 個(gè)框架中的靜電紡絲提供用來得到較大面積過濾器的機(jī)構(gòu)，該過濾器 中的每個(gè)框架都具有適當(dāng)顆粒捕獲和過濾能力。
在102處，靜電紡絲可形成納米纖維層，使在一個(gè)層中的納米纖 維的相應(yīng)納米纖維整體連結(jié)到在相鄰層中的其它納米纖維上。靜電紡 絲可靜電紡絲溶液，該溶液包括溶解在溶液中的聚合物，例如在一些 實(shí)施例中在溶液中具有1至50 wt。/o的濃度并且在其它實(shí)施例中在溶 液中具有17至30wt。/。的濃度。靜電紡絲也可用熔融聚合物進(jìn)行。聚 合物可具有20,000至2，000，000 g/mol的分子量。選擇性的聚合物濃度 和聚合物重量可與適當(dāng)溶劑混合，并且被用于靜電紡絲過程。
靜電紡絲的納米纖維依據(jù)以上所示的、采用的具體靜電紡絲條件， 可具有小于500 nm、或小于200 nm、或小于100 nm的平均纖維直徑。 在靜電紡絲過程中，可靜電紡絲具有第一平均纖維直徑的第一納米纖 維；并且此后，在第一納米纖維上靜電紡絲笫二納米纖維，該第二納 米纖維具有比第一平均直徑小的第二平均纖維直徑。以這種方式，得 到納米纖維過濾器墊的逐漸變細(xì)的絲網(wǎng)。在靜電紡絲過程中，可靜電 紡絲具有第一平均纖維直徑的第一納米纖維；并且此后，在第一納米 纖維上靜電紡絲第二納米纖維，該第二納米纖維具有比第一平均直徑 大的第二平均纖維直徑。以這種方式，得到納米纖維過濾器墊的逐漸 變大的絲網(wǎng)。在102處，靜電紡絲過程可形成在4至4000 (或10至 100)個(gè)之間的納米纖維層。
而且，所生成的纖維墊(有或沒有支撐件)可設(shè)有與纖維墊或支 撐件相鄰布置的過濾介質(zhì)?；A(chǔ)過濾提供顆粒的粗過濾(例如，大于 l微米的顆粒的過濾)?？蛇x擇地，本發(fā)明的方法可組裝多個(gè)支撐件，
47使多個(gè)支撐件中的各個(gè)支撐件包括納米纖維層，由此提供多級(jí)過濾。
在102處，用于靜電紡絲的受控氣氛可通過控制在氣氛中的濕度 和溶劑濃度被提供。濕度可控制到小于100%的相對(duì)濕度，或者在一 些實(shí)施例中控制在5%和65%之間，或者在其它實(shí)施例中控制在15 和40%之間。溶劑濃度可小于飽和量控制到在外罩中的氣氛的10與 80%之間，并且更具體地在20與45%之間的相對(duì)濃度(例如，分壓)。 在102處的靜電紡絲過程中，可靜電紡絲pH敏感聚合物物質(zhì)，由此 在一些情況下在顆粒捕獲之后允許靜電紡絲纖維溶解。在102處的靜 電紡絲過程中，可靜電紡絲熱敏聚合物物質(zhì)或酶敏感聚合物物質(zhì)，在 一些情況下在顆粒捕獲之后也允許靜電紡絲纖維溶解。
在102處的靜電紡絲過程中，可提供添加劑，該添加劑包括鹽或 對(duì)于待靜電紡絲的物質(zhì)的表面活性劑中的至少一種。添加劑可在0.01 至10%或更高的濃度下供給，并且在各個(gè)實(shí)施例中在0.06至0.2 wt% 的濃度下。在102處，纖維沉積的均勻性通過使靜電紡絲元件(即， 紡絲頭)和支撐件總體上相對(duì)于彼此運(yùn)動(dòng)而得以改進(jìn)。
在103處，靜電紡絲過程可探測(cè)通過被測(cè)試過濾器一部分的氣體 或氣溶膠的量，并且響應(yīng)探測(cè)的結(jié)果，移動(dòng)靜電紡絲元件或提供在靜 電紡絲元件與收集器之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。以上提到的光散射技術(shù)也可用 于墊均勻性的探測(cè)。
此外，為了納米纖維的靜電紡絲這里表明的動(dòng)態(tài)靜電紡絲可用于 纖維的靜電紡絲和用于液體的靜電噴射(即，電場(chǎng)抽取)，以由電場(chǎng)抽 取物質(zhì)形成液滴、固體顆粒殘余物及/或電離成分。
岸它,^頓'
由以上描述的方法的任一種和全部制備的生成納米纖維墊，可從 支撐件除去，以用于其它過濾或非過濾用途。例如，多個(gè)納米纖維層 可從支撐件除去；并且此后，連結(jié)到常規(guī)過濾器介質(zhì)、泡沫塑料、泡 沫金屬、半導(dǎo)電泡沫、紡織材料、無紡材料、塑料網(wǎng)屏、及高效率顆 ?？諝?HEPA)過濾器上?？蛇x擇地，所除去的納米纖維墊可用在
48其中以前已經(jīng)應(yīng)用過納米纖維材料的領(lǐng)域中，像例如催化作用、蓄電 池隔板、繃帶、用于細(xì)胞生長(zhǎng)的支撐件、及氣體傳感器等等，這里提 及的僅是其中的少數(shù)用途。
本發(fā)明的納米纖維墊材料的應(yīng)用將因循與下面在參考資料中描述 的那些技術(shù)相類似的技術(shù)，但使用這里公開的靜電紡絲技術(shù)，以生產(chǎn) 本發(fā)明的纖維墊。
這些非過濾用途的各種例子下面給出。
在催化作用用途中，本發(fā)明的納米纖維塾材料的靜電紡絲過程將 使用包括催化金屬顆粒(例如，納米顆粒金屬和金屬氧化物納米顆粒) 的聚合物，這些催化金屬顆粒提供催化作用的機(jī)制，與由例如以前通
過參考包括在這里的、Demir， M. M.， M. A. Gulgun等的"Palladium nanoparticles by electrospinning from Poly ( acrylonitrile-co-acrylic acid )國(guó)PdC12 solutions. Relations between preparation conditions, particle size， and catalytic activity (通過由聚(丙烯腈-共-丙烯酸) 孑(1<:12溶液靜電紡絲的鈀納米顆粒。在制備條件、顆粒尺寸、及催化 活性之間的關(guān)系)"描述的相類似。而且，如在美國(guó)No.ll/130，269中 描述的那樣，這些納米顆?？稍陟o電紡絲期間并入纖維墊的纖維中。 可選擇地，這些顆粒可在纖維墊的形成期間添加到纖維上(不包含靜 電紡絲的顆粒)，或者在纖維墊的形成之后添加。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，顆粒在靜電紡絲之后可應(yīng)用于纖維墊。 在這個(gè)實(shí)施例中，提供包含顆粒的溶液，并且將納米纖維墊浸入在溶 液中。溶液的選擇使得納米纖維墊不被溶解，但使在納米纖維墊中存 在的聚合物略微膨脹。在網(wǎng)格中的纖維的這種膨脹使在纖維之間的空 隙膨脹，因而打開網(wǎng)格空隙，以允許顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)入其間。因而，顆粒 由于布朗運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)到纖維表面。纖維墊可以浸在溶液中10分鐘至 72小時(shí)的時(shí)段，并且可以用恒定溶劑流動(dòng)沖洗20-30秒，以保證任何 松散地連結(jié)的表面顆粒被除去。纖維墊然后可以設(shè)置到支撐件上，并 且允許在使用之前完全干燥。
由于納米纖維的小直徑和對(duì)于流體流動(dòng)的低阻力，本發(fā)明的納米
49基催化劑材料之上的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛糜诖呋磻?yīng)的適用表面面積可增大而超過現(xiàn)有技術(shù)中的相應(yīng)面積。包括了納米顆粒金屬和金屬氧化物納米顆粒的納米纖維，可生產(chǎn)出用于工業(yè)和生物過程的有價(jià)值的催化材料。
類似地，在蓄電池隔板用途中，本發(fā)明的納米纖維墊材料的靜電紡絲過程將使用不與電池溶液起反應(yīng)的聚合物。由于納米纖維的小直徑和對(duì)于流體流動(dòng)的低阻力，納米纖維墊提供了超越于傳統(tǒng)蓄電池隔板介質(zhì)和現(xiàn)有技術(shù)納米纖維基蓄電池隔板材料之上的優(yōu)點(diǎn)，所述現(xiàn)有
技術(shù)與由例如以前通過參考包括在這里的、Choi， S. W.， S. M. Jo等的
An electrospun poly ( vinylidene fluoride ) nanofibrous membrane
and its battery applications (靜電紡絲聚(偏氟乙烯)納米纖維薄膜和其電池用途)"描述的相類似，因?yàn)橛糜陔娊夥磻?yīng)的溶液可更容易地穿過本發(fā)明的纖維墊從陽極轉(zhuǎn)移到陰極。
類似地，在繃帶用途中，本發(fā)明的納米纖維墊材料的靜電紡絲過程將使用生物相容或生物可降解聚合物，以提供允許氣體的自由交換的納米纖維墊。而且，類似于由例如以前通過參考包括在這里的、Katti，
D. S.， K. W. Robinson等的"Bioresorbable nanofiber-based systems forwound healing and drug delivery: Optimization of fabrication
parameters(用于傷口愈合和藥物輸送的生物可吸收納米纖維基系統(tǒng)構(gòu)造參數(shù)的優(yōu)化)"所描述的，納米纖維墊可抑制微生物進(jìn)入傷口表面。本發(fā)明的纖維墊因此可用作有效繃帶，特別是當(dāng)諸如止血藥和受控藥物輸送之類的添加功能性被結(jié)合到結(jié)構(gòu)中時(shí)。而且，如在美國(guó)No.ll/130，269中描述的那樣，納米顆粒如以上描述的那樣可在纖維墊形成期間或在纖維墊形成之后，結(jié)合進(jìn)入纖維墊的纖維中。這樣的納米顆粒可以是設(shè)計(jì)成當(dāng)纖維墊隨著時(shí)間過程而溶解時(shí)釋放藥物的藥物
類似地，在用于組織工程的支架(scaffolding for tissueengineering)時(shí)，本發(fā)明的納米纖維墊材料的靜電紡絲過程將使用生物可降解的聚合物，以提供用來培養(yǎng)在結(jié)構(gòu)內(nèi)的細(xì)胞的納米纖維墊，
所述結(jié)構(gòu)類似于由例如以前通過參考包括在這里的、Murugan， R.和S. Ramakrishna的"Nano-featured scaffolds for tissue engineering: Areview of spinning methodologies (用于組織工程的納米特征支架紡絲形態(tài)的回顧)"描述的。 一旦細(xì)胞已經(jīng)增殖，纖維墊支架就通過手術(shù)植入到體中。納米纖維的高表面面積促進(jìn)細(xì)胞連結(jié)，并且構(gòu)造的高孔隙度允許氣體和營(yíng)養(yǎng)物的交換。
類似地，在藥物或生物活性材料輸送用途中，本發(fā)明的納米纖維墊材料的靜電紡絲過程將使用水溶聚合物，以提供包括以上提到的顆粒(現(xiàn)在包含更為廣義的生物活性物質(zhì))、被用來提供生物活性物質(zhì)的受控輸送的納米纖維墊，類似于由例如以前通過參考包括在這里的、Jia， H. F" G. Y. Zhu等的"Enzyme -carrying polymeric nanofibersprepared via electrospinning for use as unique biocatalysts (經(jīng)靜電紡絲制備的、用作獨(dú)特生物催化劑的酶攜帶聚合物納米纖維)"描述的。藥品，特別是在水中少量溶解的那些藥品，可使用納米纖維輸送。藥物混合物或者溶解或者作為細(xì)小顆粒分布在聚合物納米纖維母材中。在生理?xiàng)l件下，生物活性劑或者擴(kuò)散地或者經(jīng)納米纖維母材的生物降解被釋放，如在各種背景參考資料中描述的那樣。而且，如在美國(guó)序列號(hào)No.ll/130，269中描述的那樣，納米顆粒生物活性材料如以上描述的那樣可在纖維墊形成期間或在纖維墊形成之后，結(jié)合進(jìn)入纖維墊的纖維中。這樣的納米顆?？梢允窃O(shè)計(jì)成當(dāng)纖維墊隨著時(shí)間過程而溶解時(shí)釋放藥物的藥物顆粒。
類似地，在納米纖維基復(fù)合物用途中，本發(fā)明的納米纖維墊材料的靜電紡絲過程將使用諸如以前描述的那些之類的聚合物，這些聚合物包括碳和無機(jī)納米纖維，這些碳和無機(jī)納米纖維可用作在塑料配方中的增強(qiáng)摻雜物，以改進(jìn)塑料的強(qiáng)度和耐久性，類似于由例如以前通過參考包括在這里的、Chronakis， I. S. ( 2005年)的"Novelnanocomposites and nanoceramics based on polymer nanofibers usingelectrospinning process-A review (基于1吏用靜電紡絲過禾呈的聚合物納米纖維的新穎納米復(fù)合物和納米陶瓷-回顧)"描述的。
類似地，在抗菌納米纖維墊用途中，本發(fā)明的納米纖維墊材料的靜電紡絲過程將使用諸如以前描述的那些之類的聚合物，這些聚合物另外包括諸如二氧化鈦之類的光催化化合物，類似于由例如以前通過
參考包括在這里的、Kenawy， E. R.和Y. R. Abdel-Fattah的"Antimicrobial properties of modified and electrospun poly ( vinylphenol)(改性和靜電紡絲聚(乙烯酚)的抗生物性能)"描述的。光催化化合物的顆?？扇缫陨嫌懻摰哪菢樱ㄟ^在纖維墊的形成期間或在纖維墊的形成之后添加這些光催化化合物顆粒，而被包括。在這種用途中纖維墊對(duì)于光的暴露產(chǎn)生自由基物種，該自由基物種是殺生物的。該用途也可通過將諸如銀之類的納米顆粒分散在納米纖維中而得以實(shí)現(xiàn)。在這種用途中，即使在纖維墊內(nèi)部，靜電紡絲的納米纖維對(duì)于允許自由基產(chǎn)生的光也基本是透明的。
類似地，在紡織品用途中，由本技術(shù)制成的靜電紡絲的納米纖維將被沉積在常規(guī)紡織物上，或者作為一種成分而結(jié)合進(jìn)入在多層織物構(gòu)造中。在紡織品中包括作為部件的納米纖維墊，將增進(jìn)紡織材料的顆粒過濾有效性。納米纖維層不僅用作在這樣一種構(gòu)造中的最有效過濾層，而且也不影響材料的"可呼吸性"，因?yàn)榧{米纖維墊允許空氣和水分穿過紡織品而通行。這個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域不僅從保護(hù)個(gè)人的皮膚使之不會(huì)暴露于顆粒(包括納米顆粒)的環(huán)境觀點(diǎn)出發(fā)是具有重要性的，而且在軍事用途中也具有重要性，其中需要控制對(duì)于攜帶生物活性材料或化學(xué)試劑的顆粒的皮膚暴露。
類似地，在傳感器用途中，本發(fā)明的納米纖維墊材料的靜電紡絲過程將使用諸如以前描述的那些之類的聚合物，這些聚合物提供在氣體傳感器用途中使用的大表面面積的納米纖維，類似于由例如以前通過參考包括在這里的、Aussawasathien D.， J. H. Dong等(2005年)的"Electrospun polymer nanofiber sensors (靜電紡絲聚合物納米纖維傳感器)"描述的那些。
在這些非過濾用途中，纖維墊被連結(jié)到支撐件上，或者與其是能脫開的。關(guān)于過濾用途，支撐件可以是用于纖維墊生產(chǎn)的支撐件，或者可以是能脫開支撐件，該能脫開支撐件允許例如在繃帶用途中從受傷部位除去支撐件。
根據(jù)以上教導(dǎo)，可以對(duì)本發(fā)明做出多種修改和變更。因此應(yīng)當(dāng)理解的是，在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，可以采用在這里具體描述的方式之外的方式來實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1. 一種過濾裝置，包括過濾介質(zhì)，所述過濾介質(zhì)包括具有小于1微米的直徑的多根納米纖維，這些納米纖維在有突然變化電場(chǎng)的情況下形成纖維墊；以及支撐件，所述支撐件連結(jié)到所述過濾介質(zhì)上，并且具有用于使流體從中流動(dòng)穿過的開口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述納米纖維是在有產(chǎn)生 突然變化電場(chǎng)的周期性對(duì)地放電的情況下形成的。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述納米纖維是在有產(chǎn)生 突然變化電場(chǎng)的施加電場(chǎng)波形的情況下形成的。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述支撐件包括 形成所述開口的導(dǎo)電支撐件。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述支撐件包括 過濾器、泡沫塑料、泡沫金屬、半導(dǎo)電泡沫、紡織材料、無紡材料、塑料網(wǎng)屏、紡織品、及高效率顆?？諝?HEPA)過濾介質(zhì)中的 至少一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，過濾器具有在3與12之 間的最小效率報(bào)告值(MERV)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述支撐件具有錐形形狀、 彎曲形狀、圓形形狀、平面形狀、球形形狀、圓柱形形狀及其組合中 的至少一種形狀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述支撐件包括彼此相鄰 布置的多個(gè)蜂窩框架。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述多個(gè)蜂窩框架包括圓 柱形單元。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，在沿所述多根納米纖維 的各根納米纖維上的多個(gè)點(diǎn)處，所述納米纖維整體地相互連結(jié)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述納米纖維具有小于(500 nm的平均纖維直徑。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述納米纖維具有小于 200 nm的平均纖維直徑。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述納米纖維具有小于 100 nm的平均纖維直徑。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述過濾介質(zhì)包括在有 突然變化電場(chǎng)的情況下形成的所述納米纖維的多層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多層包括在4至4000 個(gè)之間的所述納米纖維的層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述多層包括在10至100 個(gè)之間的所述納米纖維的層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的裝置，其中，所述多層包括在0.25與 500 iim之間的厚度。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述過濾介質(zhì)具有品質(zhì) 因數(shù)FoM二Log (Pt) /AP，其中Pt是0.3微米的氣溶膠顆粒直徑的分?jǐn)?shù)透過率，并且AP是 與5.3 cm/s的正面速度相對(duì)應(yīng)的跨過所述過濾介質(zhì)的過濾介質(zhì)壓降， 并且所述品質(zhì)因數(shù)大于20kPa"。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述支撐件具有支撐件 壓降，該支撐件壓降不大于所述過濾介質(zhì)壓降的10-50%。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，其中，所述質(zhì)因數(shù)大于50 kPa1。
21. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述納米纖維包括pH 降解材料、酶降解材料以及熱降解材料中的至少一種。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括密封劑，布置在所述支撐件的周界上，用以將所述纖維密封到所 述支撐件上。
23. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述支撐件包括補(bǔ)充過濾介質(zhì)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中，所述補(bǔ)充過濾介質(zhì)包括 過濾器，在有突然變化電場(chǎng)的情況下，所述多根納米纖維沉積在該過 濾器上。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中，所述補(bǔ)充過濾層為直徑 大于 一微米的顆粒提供過濾。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括多個(gè)支撐件，所述多個(gè)支撐件的各支撐件包括相應(yīng)納米纖維層， 以提供多級(jí)過濾。
27. —種過濾裝置，包括支撐件，所述支撐件具有用于使流體從中流動(dòng)穿過的開口； 過濾介質(zhì)，所述過濾介質(zhì)包括連結(jié)到所述支撐件上的多根纖維；并且所述過濾介質(zhì)具有品質(zhì)因數(shù)FoM^Log (Pt) /AP，其中Pt是0.3微米的氣溶膠顆粒直徑的分?jǐn)?shù)透過率，并且AP是與5.3 cm/s的正面速度相對(duì)應(yīng)的跨過所述過濾介質(zhì)的過濾介質(zhì)壓降，并且所述品質(zhì)因數(shù)大于20 kPa"。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述支撐件具有支撐件 壓降，該支撐件壓降不大于所述過濾介質(zhì)壓降的10-50%。
29. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的裝置，其中，所述品質(zhì)因數(shù)大于50 kPa人
30. —種過濾裝置，包括支撐件，所述支撐件具有宏觀尺寸和用于使流體從中流動(dòng)穿過的 開口；過濾介質(zhì)，所述過濾介質(zhì)包括沉積到所述支撐件上的多根納米纖維；并且所述多根納米纖維的一部分粘結(jié)到所述支撐件上，以將所述過濾 介質(zhì)固定到所述支撐件上。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，還包括 粘合劑，將所述過濾介質(zhì)接合到所述支撐件上。
32. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中，所述多根納米纖維的所 述部分被整體連結(jié)到所述支撐件上。
33. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，還包括密封劑，布置在所述支撐件的周界上，用以將所述纖維密封到所 述支撐件上。
34. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的裝置，其中，所述多根納米纖維包括 在0.25與500 |um之間的厚度。
35. —種纖維介質(zhì)，包括多根納米纖維，所述多根納米纖維具有小于l微米的直徑，在有 突然變化電場(chǎng)的情況下形成纖維墊；并且所述纖維墊包括過濾器、催化材料源、蓄電池隔板、繃帶、組織 支架、生物活性材料源、抗微生物材料源、紡織品以及傳感器中的至 少一種。
36. 根據(jù)權(quán)利要求35所述的介質(zhì)，還包括 連結(jié)到所述纖維墊上的支撐件。
37. 根據(jù)權(quán)利要求36所述的介質(zhì)，其中，所述支撐件與所述纖維 墊是能脫開的。
38. —種用來制造過濾材料的裝置，包括靜電紡絲元件，所述靜電紡絲元件構(gòu)造成從所述靜電紡絲元件的 末端靜電紡絲多根纖維；收集器，所述收集器與所述靜電紡絲元件相對(duì)，并且構(gòu)造成在所 述收集器的表面上收集靜電紡絲纖維；以及電場(chǎng)調(diào)制裝置，所述電場(chǎng)調(diào)制裝置構(gòu)造成在所述纖維的靜電紡絲 期間突然時(shí)間改變?cè)谒鍪占魈幍碾妶?chǎng)至少一次。
39. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，還包括外罩，所述外罩構(gòu)造成將所述靜電紡絲元件封閉在受控氣氛中。
40. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，還包括控制裝置，構(gòu)造成控制在所述外罩中的濕度或溶劑濃度中的至少 —個(gè)《
41. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其中，所述控制裝置構(gòu)造成將 所述濕度控制成在5與65%之間的相對(duì)濕度。
42. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其中，所述控制裝置構(gòu)造成將 所述濕度控制成在15與40%之間的相對(duì)濕度。
43. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其中，所述控制裝置構(gòu)造成將 所述溶劑濃度控制成相對(duì)于在所述外罩中的氣氛的相對(duì)濃度在10與 80%之間。
44. 根據(jù)權(quán)利要求40所述的裝置，其中，所述控制裝置構(gòu)造成將 所述溶劑濃度控制成相對(duì)于在所述外罩中的氣氛的相對(duì)濃度在20與 45%之間。
45. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，還包括 氣溶膠測(cè)試裝置，所述氣溶膠測(cè)試裝置構(gòu)造成探測(cè)通過被測(cè)試的所述過濾器的一部分的氣體或氣溶膠的量。
46. 根據(jù)權(quán)利要求45所述的裝置，還包括移動(dòng)裝置，所述移動(dòng)裝置構(gòu)造成響應(yīng)所述氣溶膠測(cè)試裝置的結(jié)果， 在所述靜電紡絲元件與所述收集器之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
47. 根據(jù)權(quán)利要求46所述的裝置，其中，所述移動(dòng)裝置構(gòu)造成相 對(duì)于所述收集器的所述表面控制所述靜電紡絲元件的所述末端的位 置。
48. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，還包括光散射裝置，所述光散射裝置構(gòu)造成探測(cè)跨過所述收集器的所述 表面的所述靜電紡絲纖維的厚度變化。
49. 根據(jù)權(quán)利要求48所述的裝置，還包括移動(dòng)裝置，所述移動(dòng)裝置構(gòu)造成響應(yīng)所述光散射裝置的結(jié)果，在 所述靜電紡絲元件與所述收集器之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
50. 根據(jù)權(quán)利要求49所述的裝置，其中，所述移動(dòng)裝置構(gòu)造成相 對(duì)于所述收集器的所述表面控制所述靜電紡絲元件的所述末端的位置。
51. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，還包括第一接地層，所述第一接地層布置在所述收集器下方，并且提供 用于所述電場(chǎng)脈動(dòng)裝置的接地基準(zhǔn)。
52. 根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，還包括第二接地層，所述第二接地層布置在所述第一接地層下方，并且 超越所述第 一接地層的邊界延伸。
53. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中，所述靜電紡絲元件的所 述末端包括聚合物、陶瓷、玻璃或金屬中的至少一種。
54. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中，所述靜電紡絲元件的所 述末端包括聚四氟乙烯或不銹鋼中的至少一種。
55. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中，所述靜電紡絲元件的所 述末端包括轉(zhuǎn)動(dòng)末端。
56. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中，所述電場(chǎng)調(diào)制裝置包括 限壓裝置，該限壓裝置將在所述靜電紡絲纖維上的電荷跨過火花隙對(duì) 地方丈電至少一次。
57. 根據(jù)權(quán)利要求38所述的裝置，其中，所述電場(chǎng)調(diào)制裝置包括 電場(chǎng)施加裝置，該電場(chǎng)施加裝置構(gòu)造成將電場(chǎng)施加到所述收集器上， 并且此后將施加到所述收集器上的電壓減小到地電位至少一次。
58. —種用來形成過濾材料的方法，包括設(shè)置支撐件，該支撐件具有用于使流體從中流動(dòng)穿過的開口； 跨過開口的全部進(jìn)行納米纖維的靜電紡絲，以形成多個(gè)納米纖維層，作為在所述支撐件上的過濾介質(zhì)；及在所述納米纖維的靜電紡絲期間，突然改變?cè)谒鲋渭幍碾妶?chǎng)至少一次。
59. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，改變包括 在所述靜電紡絲期間，使所述支撐件對(duì)地周期地放電。
60. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，改變包括 將電場(chǎng)施加到所述支撐件上，并且此后將所述施加電場(chǎng)減小到地電位至少一次。
61. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，設(shè)置支撐件包括 設(shè)置導(dǎo)電支撐件。
62. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括將密封劑涂敷到所述支撐件的周界上，以密封所述周界從而防止 顆粒旁通經(jīng)過濾器。
63. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，設(shè)置支撐件包括 采用下列工藝中的至少一種以提高納米纖維對(duì)于所述支撐件的粘合力處理所述支撐件的表面、以及涂敷所述支撐件的表面。
64. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，設(shè)置支撐件包括 為所述支撐件設(shè)置錐形支撐件、彎曲形支撐件、圓形支撐件、平面形支撐件、球形支撐件、圓柱形支撐件以及其組合中的至少一種。
65. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，設(shè)置支撐件包括 為所述支撐件設(shè)置彼此相鄰布置的多個(gè)蜂窩框架。
66. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 形成所述納米纖維層，使在一個(gè)層中的多根納米纖維的各根納米纖維整體地連結(jié)在在相鄰層中的其它納米纖維上。
67. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 用溶液進(jìn)行靜電紡絲，所述溶液包括溶解在所述溶液中的聚合物。
68. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 用熔融聚合物進(jìn)行靜電紡絲。
69. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 靜電紡絲以形成納米纖維，所述納米纖維具有小于500 nm的平均纖維直徑。
70. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 靜電紡絲以形成納米纖維，所述納米纖維具有小于200 nm的平均纖維直徑。
71. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 靜電紡絲以形成納米纖維，所述納米纖維具有小于100 nm的平均纖維直徑。
72. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 靜電紡絲以形成具有第一平均纖維直徑的第一納米纖維；以及 在所述第一納米纖維上靜電紡絲以形成第二納米纖維，該第二納米纖維具有比所述第一平均直徑小的第二平均纖維直徑。
73. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 靜電紡絲以形成具有第一平均纖維直徑的第一納米纖維；并且 在所述第一納米纖維上靜電紡絲以形成第二納米纖維，該第二納米纖維具有比所述第一平均直徑大的第二平均纖維直徑。
74. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 在所述支撐件上形成在4至4000個(gè)層之間的納米纖維。
75. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 在所述支撐件上形成在10至100個(gè)層之間的納米纖維。
76. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括'. 將在所述支撐件上的所述納米纖維形成到0.25與500 iim之間的厚度。
77. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括 從所述支撐件脫開所述多個(gè)納米纖維層；以及 將所脫開的層連結(jié)到過濾器、泡沫塑料、泡沫金屬、半導(dǎo)電泡沫、紡織材料、無紡材料、塑料網(wǎng)屏、紡織品、及高效率顆?？諝?HEPA) 過濾介質(zhì)中的至少一種上。
78. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括 將所述多個(gè)納米纖維層連結(jié)到補(bǔ)充過濾介質(zhì)上。
79. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括 組裝多個(gè)所述支撐件，使所述多個(gè)支撐件的每個(gè)支撐件包括相應(yīng)納米纖維層，由此提供多級(jí)過濾。
80. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 為靜電紡絲提供受控氣氛。
81. 根據(jù)權(quán)利要求80所述的方法，還包括控制在所述氣氛中的濕度或溶劑濃度中的至少 一個(gè)。
82. 根據(jù)權(quán)利要求81所述的方法，其中，所述控制包括 將所述濕度控制到在5與65%之間的相對(duì)濕度。
83. 根據(jù)權(quán)利要求81所述的方法，其中，所述控制包括 將所述濕度控制到在15與40%之間的相對(duì)濕度。
84. 根據(jù)權(quán)利要求81所述的方法，其中，所述控制包括 將所述溶劑濃度控制成相對(duì)于所述氣氛的相對(duì)濃度在10與80%之間。
85. 根據(jù)權(quán)利要求81所述的方法，其中，所述控制包括 將所述溶劑濃度控制成相對(duì)于所述氣氛的相對(duì)濃度在20與45%之間。
86. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中，靜電紡絲包括 靜電紡絲pH降解材料、酶降解材料以及熱降解材料中的至少一種。
87. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括探測(cè)通過被測(cè)試的所述過濾器的一部分的氣體或氣溶膠的量。
88. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括使用光散射探測(cè)跨過所述收集器的所述表面的所述靜電紡絲纖維 的厚度變化。
89. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括響應(yīng)對(duì)于在所述過濾介質(zhì)中的局部非均勻性的探測(cè)，使得所述靜 電紡絲元件與所述支撐件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以改進(jìn)所形成的過濾介 質(zhì)的均勻性。
90. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括提供添加劑，該添加劑包括鹽和用于待靜電紡絲的物質(zhì)的表面活 性劑中的至少一種。
91. 根據(jù)權(quán)利要求90所述的方法，其中，提供添加劑包括 在0.06至0.2 wt.。/。的濃度下供給所述添加劑。
92. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括在靜電紡絲期間轉(zhuǎn)動(dòng)靜電紡絲元件和所述支撐件中的至少一個(gè)。
93. 根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，還包括 在靜電紡絲期間，提供穿過在所述支撐件上的納米纖維過濾介質(zhì)的處理氣體流。
94. 根據(jù)權(quán)利要求93所述的方法，還包括 在靜電紡絲期間，監(jiān)視跨過所述過濾介質(zhì)的壓降。
95. —種用來將材料沉積在收集器上的方法，包括 采用電場(chǎng)從噴射器抽取物質(zhì)；在從所述噴射器抽取所述物質(zhì)之后，在所述收集器上收集所述物 質(zhì)；以及在采用電場(chǎng)抽取所述物質(zhì)期間，突然改變?cè)谒鍪占魈幍碾妶?chǎng) 至少一次。
96. 根據(jù)權(quán)利要求95所述的方法，其中，采用電場(chǎng)抽取包括靜電 紡絲纖維或靜電噴射顆粒中的至少一種。
97. 根據(jù)權(quán)利要求95所迷的方法，其中，靜電噴射顆粒包括 用采用電場(chǎng)抽取的所述物質(zhì)形成液滴、固體顆粒殘余物及電離成分中的至少一種。
98. 根據(jù)權(quán)利要求95所述的方法，其中，突然改變包括 利用電壓放電裝置將電荷從收集器耗散到地。
全文摘要
過濾裝置，包括過濾介質(zhì)，具有直徑小于1微米的多根納米纖維，在有突然變化的電場(chǎng)的情況下形成纖維墊。過濾裝置包括支撐件，該支撐件連結(jié)到過濾介質(zhì)上，并具有用于使流體流動(dòng)穿過的開口。用來制造過濾材料的裝置包括靜電紡絲元件，構(gòu)造成從靜電紡絲元件的末端靜電紡絲多根纖維；收集器，與靜電紡絲元件相對(duì)，構(gòu)造成在收集器的表面上收集靜電紡絲纖維；及電場(chǎng)調(diào)制裝置，構(gòu)造成在纖維的靜電紡絲期間突然改變?cè)谑占魈幍碾妶?chǎng)至少一次。用來形成過濾材料的方法包括設(shè)置支撐件，該支撐件具有用于使流體流動(dòng)穿過的開口；跨過開口的全部進(jìn)行納米纖維的靜電紡絲；以及在纖維的靜電紡絲期間突然改變?cè)谑占魈幍碾妶?chǎng)至少一次。
文檔編號(hào)B03C3/155GK101534954SQ200780042131
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月13日
發(fā)明者A·L·安德雷蒂, D·S·恩索爾, H·J·沃爾斯, T·A·沃克 申請(qǐng)人:研究三角協(xié)會(huì)