[发明专利]具有高表面积纤维的改进的复合过滤介质

说明书

相关申请的交叉参考

本申请是2006年11月3日提交的美国专利申请序列号11/592370 的部分继续申请，在此特意通过参考引入。

技术领域

本发明一般地涉及显示出增加的耐久性、吸收度和其他所需性能 的复合材料。更具体地，本发明涉及含具有高表面积性能以供增加吸 收的翼形纤维(winged-fiber)层的复合介质。

背景技术

本领域公知熔喷复合材料适合与过滤技术一起使用和多种应用。 熔喷是使用高速空气或其他合适的力使长丝变细，由聚合物或树脂直 接生产纤维网或层的方法。熔喷纤维最常见地由聚丙烯构造，所述聚 丙烯容易地由熔喷工艺形成且容易地荷静电，形成荷电介质。熔喷产 生直径范围通常为2微米-5微米的微纤维，尽管通过改变工艺参数， 例如熔喷机的聚合物通过量和通过使用较高的熔体流动聚合物，这种 微纤维的直径可以小至0.5微米。生产具有极小直径的熔喷纤维的能 力尤其可用于精细过滤应用。尽管熔喷纤维证明有效地用于过滤，但 它们具有数个缺点。大多数熔喷纤维弱且容易撕裂，从而要求需要层 叠和层铺许多熔喷纤维层或结合载体或稀松布(scrim)使用熔喷纤维 层，以最大化其强度和过滤性能。结果是比较重且比较昂贵的熔喷复 合材料。

熔喷纤维的替代品是玻璃微纤维，它因在过滤应用中使用也是本 领域公知的。玻璃微纤维依赖于其微细的直径以增加过滤性能。此外， 玻璃微纤维长度较短且是已知的皮肤刺激剂，因此在加工成非织造织 物的过程中它产生问题并具有局限性。

熔喷纤维的另一替代品是电纺纱(electrospun)纤维。电纺纱纤 维因其在过滤应用中使用也是公知的。电纺纱纤维常常在0.1-1.0 微米范围内且依赖于它们微细的直径来增加过滤性能。电纺纱是非常 缓慢的工艺，因此现实中仅仅可小量地使用。由于这些纤维还相当脆 和弱，因此它们常常与提供强度和褶裥率(pleatability)的其他非织 造织物层结合使用。

通过挤出热塑性树脂，并形成将制成各种非织造复合介质或层压 体，例如纺粘-熔喷-纺粘(SMS)复合材料或纺粘-熔喷-褶裥复合材料等 的纤维网或层，从而制备常规的复合材料。在这种结构中，熔喷层充 当芯过滤元件，和纺粘层增强整个组合物。然而，尽管具有这些复合 材料，但仍然需要具有高效纤维层的改进的复合介质，它不要求额外 的载体且可充当独立的过滤器。另外，需要结合高效纤维层与熔喷层 或另一非翼形纤维层。此外，需要采用具有高表面积性能的新型翼形 纤维层形成的具有增加的耐久性、强度、吸收和过滤能力的改进的复 合介质。

能吸收并过滤液体或颗粒的纤维是本领域已知的。纤维表面常常 通过化学或物理方法处理，以提高其保持液体或颗粒的能力。例如， 为了增加纤维的表面积，糙化表面产生沟槽和通道。用影响流体流动 的疏水或亲水化学物处理本领域已知的一些吸收剂纤维。

用于吸收的一种这样的纤维是最初由Eastman Chemical Company 开发且商购于Fiber Innovation Technologies的4DG纤维。参考附 图1，它是4DG纤维(也称为表面毛细纤维)的截面视图。图1中的现 有技术纤维公开了从其脊柱(spine)的一侧向外突出以确定第一组沟 槽的至少三条臂的一组，和从其脊柱的第二侧向外突出以确定第二组 沟槽的至少三条臂的第二组。现有技术纤维中的臂和沟槽具有不规则 的几何形状，以便产生足够深且窄以便流体借助毛细作用沿着纤维长 度输送的沟槽。另外，图1的现有技术的纤维具有较大的旦数，这限 制了其在要求纳米纤维的一些应用中的使用。

4DG纤维通过提供具有特定截面几何形状的纤维来寻求增加沟槽 的深度。然而，4DG纤维和具有较小结构的其他纤维存在数个缺点。 许多这样的纤维不可能纺丝成直径小于约50-60微米的纤维，从而限 制其潜在的应用。采用4DG纤维可实现的最小旦数为约3。此外，由 于在纤维臂之间具有大的沟槽，因此在纺丝工艺过程中臂常常断裂。 这种纤维具有有限数量的臂和沟槽，从而导致相对低的表面与体积比， 这将限制可吸收的液体量。最后，由于4DG纤维的尺寸和几何形状导 致在织物形成过程中臂可容易地联锁，从而导致致密和压缩的材料， 这将降低其过滤和吸收性能。