[发明专利]改进的纳米纤网

说明书

本发明涉及包含纳米纤维的改进的非织造纤网及加固和稳定化 这类纤网的方法。

背景

“纳米纤网”是主要或甚至只包含数均直径小于一微米的纤维的 非织造纤网。由于其特别小的孔尺寸和高的表面积与体积比，故纳米 纤网已预期用作许多应用如高性能空气过滤、废水过滤、生物污染物 过滤膜、电池及其他储能设备的隔离物的基材。但对于这些应用，纳 米纤网的一个缺点在于其力学完整性差。

纳米纤维的数均直径小于1000nm，有时小到20nm。在该尺寸下， 即便其层化并形成为厚膜，所得结构的力学强度也不足以承受过滤应 用如流经其的正常液体或气流的宏观冲击或最终用途制造步骤中卷 绕和操作所需的更高强度。通过例如电纺或电喷制得的纳米纤网的固 体体积含量(密实度(solidity))也倾向于较低，通常低于约20％。

当在纵向(MD)上施加了张力时，例如当卷绕或后处理时，例如当 为某些产品应用而施加表面处理和层压时，无支承的纳米纤网也表现 出宽度的过度减小(“颈缩”)。当材料被解卷和再次卷绕时，不同的张 力可能导致不同的宽度并潜在地引起片材性质的改变。需要对外加张 力更稳定的材料。

当处理片材或当片材在辊或其他表面上移动时，电纺和电喷纳米 纤网的低表面稳定性也引起问题。纤维从片材上移出并收集在各种接 触表面例如手、辊、导板等上，且片材性质可能潜在地改变和/或工 艺装置被纤维所污染。需要具有更稳定表面的材料。

“初生”纳米纤网的开放结构通常产生密实度在20％-10％范围内 或甚至更低的结构。由于密实度低，此开放结构对流体流和/或离子 流的阻力低，这反过来可报道为总的孔体积百分数大或“多孔”。通常， 初生纳米纤网纤维间的最大孔径在约0.5-10微米范围内，甚至高达 20微米，平均流量孔径(mean flow pore size)介于约0.05到10微米之 间。

一些织物应用需要较小的孔径和因此较高的纤网密实度(接近或 甚至在40％-90％范围内)。这些织物对流体具有更高的过滤效率和通 常更好的整体阻隔性以及在电池隔离物隔离物及其他储能应用中的 抗“短路”性。其他应用在产生对湿气透过的低阻力的同时，需要低的 空气流量和低的液体流量且需要更高百分密实度的材料或小孔。常规 纳米纤网目前被排除出这些需要更高密实度的应用中，因为通常没有 足够的纳米纤网材料经改性为更小的孔径和更高的密实度。相反，可 以工业可接受的尺寸和基重生产的非织造纤网如熔喷纤网常用于这 类应用中。但熔喷纤网由直径通常在约2-10微米之间的大得多的纤 维组成，改性初生熔喷纤网以满足高过滤效率所必要的小孔径限制需 要甚至高达约80％的高密实度而导致通过这类改性熔喷纤网的流体 流率的显著降低。

“初生”纳米纤网也具有较高的表面曳力(drag)或摩擦，表面摩擦 系数高达约2.5。一些材料应用需要更光滑或更软的低摩擦手感。其 他应用需要光滑的外表面以便滤饼释放或降低液体流动阻力。对于将 用于这些应用中的材料，其需要增进低摩擦和高耐磨性的“光滑”表 面。

众所周知，纤网的物理性质可通过压延改进，压延是使片材通过 辊或板间的间隙以赋予片材光滑、有光泽的外观或改进选定物理性质 的方法。

通过纸或其他纤维材料的压延，人们努力进一步改进所形成的纸 的质量或提供标准质量水平以获得更高的运行速度或增大纸的生产 量。众所周知，纸或纤维的塑性或模塑倾向可通过提高纸或纤维的温 度和/或增塑剂含量而增加。当纸内所含聚合物的温度升到所谓的玻 璃化转变温度(T_g)或超过该温度时，力学性质包括塑性将发生相当大 的改变，其中所述玻璃化转变温度为材料可变得比低于该温度时更易 于模塑或成形或修整的点。

现有技术公开了使纤网纤维的变形仅局限于纤网的表面部分的 各种方法和装置。美国专利4,606,264提供了温度梯度压延的方法和 装置，其中纸等材料进入铁辊和软辊所形成的至少一个辊隙中。铁辊 至少被加热到纤网中的纤维开始变形的温度；对于纸来说，该温度为 约350°F。如其中所公开的，优选纤网通过两个连续的辊隙，一个用 来磨光纤网的一面，另一个用来磨光相反的面。