[发明专利]作为空气过滤介质的驻极体纳米纤维网

说明书

本申请要求2013年10月21日提交的美国临时申请61/893,316的优先权，该申请全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及驻极体纳米纤维网，其包括单一来源的无规缠结的具有一定纤维直径范围的纤维网络，其获得改善的过滤性质，特别用于空气过滤。

背景技术

由纳米纤维获得的增大的表面与体积比率已对广泛的应用有显著的影响。具体地，对于过滤器性能，其基于产生最高的流速同时捕集和截留最细的颗粒，而不堵塞过滤器，纳米纤维具有改善的截留和惯性撞击有效性。

实际上，纳米纤维介质本身是柔软且脆弱的，并且不能单独用作空气过滤器。纳米纤维目前仅可涂覆在刚性基材上以形成可容易操作的复合体。该基材通常来说是非织造微纤维介质。纳米纤维涂层可通过静电纺纱法或熔吹方法进行生产，电纺丝纤维的直径通常小于熔吹纤维的直径。静电纺纱的纳米纤维通常在低速率下生产，对于许多应用而言成本过高，并且熔喷的纳米纤维相对于标准过滤介质而言是相对昂贵的。即使是可在高速率下生产的海岛型纳米纤维也是以高成本生产的，因为它们需要可移除的“海”和移除“海”的方法步骤。无规地平放纤维的熔喷纳米纤维方法或熔融膜原纤化方法对于大多数最终用途应用而言在充分高的生产量下提供不了充分的均匀度。

非织造纤维网已被公开用于空气过滤介质。美国专利申请2006/0137317和US 8,282,712公开了一种过滤介质，其由双层稀松布-纳米纤维(SN)结构组成，用于空气过滤器。SN结构具有至少一个其纤维具有小 于1μm直径的纳米纤维层和至少一个上游的稀松布层。该介质对于粉尘颗粒具有充分的保持能力，使得在使用过程中通过该介质的有效性损失和压力损失最低。该介质具有良好的通量/阻隔特性(即高有效性和低压降)。然而，在过滤器应对非常小的尘粒挑战的某些工业HVAC应用中，容尘量低于期望值，这种情况会在HVAC系统被设计和构造为在高效率最终过滤器前具有较低效率的预过滤器时发生。在SN结构中，稀松布通常由纤维直径为14至30微米的非织造纤维网制成，其能够预过滤掉粒度大于约5微米的颗粒。剩余的颗粒将到达薄纳米纤维层，并且快速填满各个孔并堵塞过滤器。因此，过滤阻力快速增大，从而缩短过滤器寿命。已尝试了通过增大稀松布的基重和厚度来提高容尘量。

美国专利6,521,321公开了通过在梯度结构介质(例如SNSNSN)中替代地层合至少6至7个粗纤维和细纤维的纤维网以提高空气过滤器的使用寿命的尝试。所需的层合数使得该方法在经济上无吸引力。

美国专利7,125,434公开了使用深梯度密度的过滤器用于过滤生物药物流体的尝试，该过滤器由三个材料区域组成。该过滤器具有至少1.27cm的深度，并被设计用于液体过滤。厚度对于折叠式空气过滤用途是有限制的。

另一方面，带电荷的非织造纤维网常被用作呼吸器中的过滤器以防止穿戴者吸入空气传播的污染物。电荷增强了非织造纤维网捕集悬浮在流体中的颗粒的能力。非织造纤维网在流体通过纤维网时捕集颗粒。带电荷的介电颗粒常被称为“驻极体”，并且近年来已研发多种技术用于制造这些产品。经静电处理的熔吹过滤介质，如美国专利4,874,659和4,178,157中所述的，初始时表现良好，但使用中迅速失去过滤效率，这是由于当介质开始捕集颗粒时粉尘填塞，并且静电荷由此变为绝缘。此外，由于颗粒的有效捕集基于电荷，该过滤器的性能很大程度上受空气湿度的影响，造成电荷耗散。纤维驻极体纤维网已通过使纤维或纤维网带电，用电晕放电装置有意地使它们后处理带电(美国专利4,588,537、6,365,088和6,969,484)、摩擦带电(当高速不带电气体或液体射流通过介电膜表面时出现)(美国专利5,280,406)或向纤维网添加特定添加剂以改善驻极体性能而进行生产。

美国专利8,277,711公开了少量喷嘴的离心熔体纺丝方法。使用WO 2013/096672的方法，所得纳米纤维被沉降在带式收集器上而形成纤维网介质。该技术使得纳米纤维网在高得多的产量和低得多的生产成本下进行大量生产成为可能。

需要改善驻极体纳米纤维网，使其具有更高的空气过滤效率和更低的空气阻力。

发明内容

本发明涉及空气过滤介质，其包括单层聚合物驻极体纳米纤维网，该纤维网包括单一来源的无规缠结的纤维网络，该纤维网络具有至多-20kV的静电荷、约70％至约99.99％的过滤效率范围、以及对于0.3微米直径的颗粒而言小于约2.5mm wg的空气阻力。