本說明書通常涉及用于制造纖維材料和含有纖維材料的產(chǎn)品的系統(tǒng)和方法，并且更具體地，涉及用于將納米顆粒保留在纖維材料內(nèi)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、由于纖維材料的纖維尺寸細(xì)，它們特別適用于在過濾裝置中捕獲污染物。過濾介質(zhì)的纖維以微米為單位進(jìn)行測量，并且通過紡粘、熔噴、靜電紡絲或其他技術(shù)形成。當(dāng)流體流過過濾介質(zhì)時(shí)，細(xì)纖維捕獲并截留其中的污染物。

2、摻入纖維材料的兩種主要類型的過濾裝置包括表面過濾器和深度過濾器。表面過濾器(例如膜或薄膜)作為污染物進(jìn)入介質(zhì)結(jié)構(gòu)之前被捕獲的屏障。這些表面過濾器通常具有亞微米孔徑和窄孔徑分布。表面過濾器往往具有相對高的顆粒捕獲效率。然而，它們也具有相對高的壓降和低的容塵量。高壓降導(dǎo)致通過過濾器的空氣流量減少。低容塵量顯著降低了過濾器的壽命。因此，表面過濾器在空氣過濾行業(yè)中的應(yīng)用數(shù)量有限。

3、深度過濾器通常用于空氣過濾裝置，具有中等至高效率、低壓降和相對高的容塵量。傳統(tǒng)的住宅和商業(yè)空氣過濾器，例如hepa過濾器，通常根據(jù)過濾器捕獲約0.3至10微米顆粒的能力進(jìn)行評級。該評級稱為最低效率報(bào)告值或merv，由美國采暖、制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(ashrae)制定。merv等級范圍為1-16，值越高，表示捕獲特定類型顆粒的效率越高。

4、污染物的尺寸范圍廣泛。然而，小于1微米的污染物是對人體最有害的顆粒，并且相對難以過濾。例如，傳統(tǒng)的機(jī)械空氣過濾器通常報(bào)告纖維過濾材料的merv等級為約8-10。因此，這些過濾介質(zhì)通常不捕獲亞微米顆粒，例如病毒和其他有害病原體。

5、過濾行業(yè)集中于兩種不同的捕獲這些亞微米顆粒的方法：靜電力和利用過濾介質(zhì)中的納米顆粒。通過使用摩擦電方法、電暈放電、水力充電、靜電纖維紡絲或其他已知方法對纖維材料內(nèi)的纖維進(jìn)行靜電充電而形成靜電過濾器。靜電過濾器在捕獲亞微米顆粒方面最有效，在捕獲1至3微米的顆粒方面相當(dāng)有效，在捕獲3至10微米的較大顆粒方面效果最差。靜電纖維通常用于許多過濾應(yīng)用，例如面罩和高效過濾器，以過濾亞微米污染物，例如病毒等。

6、靜電過濾器的一個(gè)缺點(diǎn)是靜電荷隨時(shí)間和過濾器的使用而衰減。因此，過濾器的效率降低相對較快，從而縮短其壽命。例如，初始merv等級為13的靜電過濾器在靜電力衰減后可能失去至少2-3個(gè)merv等級點(diǎn)。這損害了過濾器的完整性，并可能部分或完全抑制其捕獲亞微米顆粒的能力。

7、另一種捕獲亞微米污染物的方法是將納米顆粒與纖維結(jié)合使用。過濾系統(tǒng)可以采用過濾介質(zhì)，包括直徑以微米計(jì)的相對大的纖維和相對較小的納米顆粒。納米顆粒通過減小介質(zhì)內(nèi)的整體纖維尺寸來增加介質(zhì)內(nèi)用于捕獲顆粒的表面積。納米顆粒也傾向于相互塌陷，增加過濾介質(zhì)內(nèi)的堆積密度。已顯示，即使在微纖維材料上形成的層中僅有少量納米尺寸的纖維，也能改善材料的過濾特性。

8、將納米顆粒摻入過濾介質(zhì)的最常見方法是通過電紡絲將連續(xù)納米纖維薄層施加在非制造基材上。納米顆粒通常平行或垂直于本體過濾介質(zhì)層的表面延伸，除了粗過濾介質(zhì)提供的較大顆粒的過濾外，還提供小顆粒的高效過濾。例如，美國專利號6,743,273公開了過濾介質(zhì)，其中連續(xù)納米纖維層沉積在基材的表面上。美國專利號10,799,820還公開了空氣過濾介質(zhì)，其包含過濾介質(zhì)表面上的連續(xù)納米纖維層。

9、雖然現(xiàn)有的摻入納米顆粒的過濾介質(zhì)已經(jīng)提高了這些過濾器的相對效率，但這些過濾器在某些應(yīng)用中的商業(yè)潛力受到限制，因?yàn)榧{米顆粒通常分散在非織造材料的表面上。過濾器表面上相對較薄的納米顆粒層僅提供有限的顆粒過濾，并且具有相對較低的容塵量。

10、雖然已經(jīng)進(jìn)行了許多將納米材料摻入過濾介質(zhì)以提高整體過濾效率的嘗試，但這些嘗試僅限于所謂的“濕法成網(wǎng)(wetlaid)”方法。這些濕法成網(wǎng)方法涉及將短切納米纖維摻入液體漿料中，以借助表面活性劑分離纏結(jié)的納米纖維。例如，美國專利號10,252,201公開了由濕法成網(wǎng)方法形成的由短切納米纖維和短切粗纖維混合物制成的過濾介質(zhì)。類似地，美國專利申請?zhí)?021/0023813公開了生產(chǎn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法，該復(fù)合結(jié)構(gòu)由連續(xù)纖維非織造基材和不連續(xù)纖維(例如碳納米纖維)組成。該方法包括將連續(xù)纖維非織造基材拉過不連續(xù)纖維的漿料，其中納米材料嵌入非織造基材中。

11、雖然這些結(jié)構(gòu)已顯示出效率提高，但它們還存在其他問題，例如當(dāng)介質(zhì)處于正常使用條件下時(shí)，壽命和/或效率降低。此外，這些濕法成網(wǎng)方法尚未成功地將納米顆粒均勻地?fù)饺胝麄€(gè)非織造材料中，這導(dǎo)致納米顆粒在材料內(nèi)結(jié)塊，從而還降低其效率和整體容塵量。

12、因此，需要用于生產(chǎn)含有纖維材料的產(chǎn)品(例如過濾器)的改進(jìn)系統(tǒng)和方法。特別期望將納米顆粒摻入并保留在整個(gè)纖維材料中，從而改進(jìn)過濾器的性能特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、以下呈現(xiàn)了所要求保護(hù)的主題的簡要概述，以對所要求保護(hù)的主題的一些方面提供基本理解。本
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
不是對所要求保護(hù)的主題的全面概述。它既不旨在確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或重要要素，也不旨在描述所要求保護(hù)的主題的范圍。其唯一目的是以簡化形式呈現(xiàn)所要求保護(hù)的主題的一些概念，作為后面呈現(xiàn)的更詳細(xì)描述的序言。

2、提供了用于生產(chǎn)纖維材料和包含纖維材料的產(chǎn)品的系統(tǒng)、裝置和方法。纖維材料可以包括基材，例如片材、層、膜、開孔膜、網(wǎng)、網(wǎng)狀物或其他介質(zhì)?；陌w維，并且包括摻入并保留在基材的至少一部分內(nèi)的納米顆粒。

3、在一個(gè)方面，用于生產(chǎn)纖維材料的系統(tǒng)包含用于將纖維基材從上游端推進(jìn)到下游端的進(jìn)料器和用于將粘合劑分散到基材上以用粘合劑覆蓋纖維的至少一部分的第一分散裝置。該系統(tǒng)還包括第二分散裝置，其用于將納米顆粒穿過基材的第一表面分散，以使得納米顆粒被布置在基材的第一表面和第二表面之間。粘合劑促進(jìn)纖維和納米顆粒之間的粘合，從而將納米顆粒保留在基材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。此外，促進(jìn)這種粘合提供了納米顆粒在整個(gè)基材中的更均勻分布，從而改善材料的性能特征。例如，在過濾器應(yīng)用中，納米顆粒的更均勻分布提高過濾介質(zhì)的效率，同時(shí)降低壓力損失。

4、粘合劑可以使用噴嘴、浸涂、超聲波噴涂、浸涂、旋涂、凹版涂覆、輕觸輥涂覆、絲網(wǎng)涂覆、粉末涂覆、靜電、濺射涂覆或類似涂覆技術(shù)進(jìn)行分散。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一分散裝置包含噴涂機(jī)，其被配置成將粘合劑“深入”分散到基材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中。如本文所用，術(shù)語“深度/深入/深處(in?depth)”意指粘合劑超出基材的第一表面分散，以使得至少一些粘合劑被布置在基材或介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中第一表面和第二相對表面之間。這有助于納米顆粒保留在基材內(nèi)部的深處。

5、在某些實(shí)施方案中，粘合劑和/或納米顆粒分散遍及從第一表面到相對的第二表面的基本上整個(gè)介質(zhì)。在其他實(shí)施方案中，粘合劑和/或納米顆粒通過介質(zhì)的一部分從第一表面分散到第一表面和第二表面之間的位置。在其他實(shí)施方案中，粘合劑和/或納米顆粒以密度梯度從基材的第一表面到相對的第二表面布置。粘合劑和/或納米顆粒的密度在第一表面或第二表面處可以更大。

6、在某些實(shí)施方案中，產(chǎn)品是過濾介質(zhì)和過濾器，例如空氣過濾器、面罩、燃?xì)廨啓C(jī)和壓縮機(jī)進(jìn)氣過濾器和板式過濾器等。納米顆粒增加了過濾介質(zhì)內(nèi)的總表面積，這提高了其過濾效率，并允許捕獲亞微米污染物，而不顯著損害其他因素，例如通過過濾器的壓降(即空氣流量)。此外，使用本文所述的系統(tǒng)和方法產(chǎn)生的過濾器能夠承受嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，這使過濾器在其整個(gè)使用壽命期間均能達(dá)到相同的過濾性能水平。

7、分散到基材中的粘合劑的量可以通過調(diào)節(jié)噴涂機(jī)的噴嘴尺寸或控制粘合劑通過噴嘴的流速來控制。在一個(gè)實(shí)施方案中，噴嘴含有一個(gè)或多個(gè)開口，這些開口被配置成使粘合劑形成尺寸為約20至30微米的液滴。

8、粘合劑可以包含各種常規(guī)材料，包括天然基材料，例如淀粉、糊精或瓜爾膠等，或合成樹脂，例如eva、pva、pvoh、sbr、聚乙交酯及其組合。在某些實(shí)施方案中，使用溶劑基膠粘劑，其中在溶劑蒸發(fā)時(shí)發(fā)生粘合。粘合劑或粘合材料優(yōu)選以相對較小的量存在，以將單個(gè)納米顆粒粘合至整個(gè)基材的纖維。

9、在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，粘合劑或粘合材料包含糊精。在又另一個(gè)實(shí)施方案中，粘合劑包含各種物質(zhì)(例如水、2-己氧基乙醇、異丙醇胺、十二烷基苯磺酸鈉、月桂胺氧化物和氫氧化銨)的組合物。在又另一個(gè)實(shí)施方案中，粘合劑至少包含pvoh。粘合劑可以是溶液、乳液、懸浮液、熱熔體、可固化的、純的(neat)和/或組合。

10、在一些實(shí)施方案中，該系統(tǒng)還包括能量源，用于使粘合劑交聯(lián)。粘合劑可以例如包含在基材上涂覆膠粘劑之后發(fā)生交聯(lián)的膠粘樹脂。粘合性(耐水性/耐溶劑性)可以通過膠粘制劑中的溶劑蒸發(fā)時(shí)的自交聯(lián)或干燥過程中的熱活化來促進(jìn)。對于某些膠粘劑，能量源可以包括高能波長的電磁輻射源，包括但不限于rf、uv或電子束。

11、在一些實(shí)施方案中，粘合劑或粘合材料可以包括表面活性劑，以降低粘合劑的表面或界面張力，從而增加其分散性和潤濕性，并使粘合劑更容易穿透到基材的深處。與本文公開的膠粘劑一起使用的合適表面活性劑包括非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、陽離子表面活性劑和兩性表面活性劑，例如硬脂酸鈉、4-(5-十二烷基)苯磺酸鹽、十二烷基苯磺酸鈉潤濕劑、多庫酯(二辛基磺化琥珀酸鈉)、烷基醚磷酸鹽、苯扎氯銨(bac)和全氟辛烷磺酸鹽(pfos)等。

12、在一些實(shí)施方案中，噴涂機(jī)位于納米顆粒分散裝置的上游，使得在沉積納米顆粒之前將粘合劑噴涂到基材中。在其他實(shí)施方案中，噴涂機(jī)位于納米顆粒分散裝置的下游，使得在納米顆粒沉積之后噴涂粘合劑。在其他實(shí)施方案中，系統(tǒng)可以包含兩個(gè)噴涂機(jī)；一個(gè)位于納米顆粒分散裝置的上游，并且第二噴涂機(jī)位于下游，以在沉積納米顆粒之后用第二粘合劑涂覆基材。

13、在一些實(shí)施方案中，每個(gè)噴涂機(jī)具有多于一個(gè)噴嘴頭。例如，噴嘴頭可以串聯(lián)布置，以獲得更好的均勻性或增加纖維噴涂寬度。任選地，噴嘴頭可以并列放置，即橫跨基材的寬度，以確保粘合劑涂覆在基材的整個(gè)寬度上。

14、在優(yōu)選的實(shí)施方案中，負(fù)壓源或真空源(未示出)被布置在基材下方，與噴涂機(jī)相對，以增加粘合劑的穿透深度和均勻性。負(fù)壓源可以是將粘合劑抽吸穿過基材的任何合適的抽吸裝置，例如抽吸泵等。

15、該系統(tǒng)可以還包含位于噴嘴下游的加熱和/或干燥裝置，以促進(jìn)纖維和納米顆粒之間的粘合。

16、在某些實(shí)施方案中，纖維材料(即纖維和/或納米顆粒)可以帶靜電，以使得例如可以通過機(jī)械和靜電過濾捕獲污染物。纖維和納米顆粒之間的粘合還可以通過對納米顆粒、纖維或兩者進(jìn)行靜電充電來增強(qiáng)。

17、在某些實(shí)施方案中，該系統(tǒng)還包括纖維化裝置，其耦接到第二分散裝置，用于將納米顆粒從流體介質(zhì)內(nèi)的納米纖維組或束中分離和/或隔離，然后將納米顆粒分散到基材上，以形成含有纖維和納米顆粒的產(chǎn)品。如本文所用，術(shù)語“纖維化”意指將納米顆粒簇、束或其他組轉(zhuǎn)化(例如，打開、分離、隔離和/或個(gè)體化)成至少一個(gè)尺寸小于1微米的單個(gè)納米顆粒。在某些實(shí)施方案中，納米顆粒可以在任何合適的氣態(tài)介質(zhì)(例如空氣、氦氣、氮?dú)?、氧氣和二氧化碳?中分離或隔離，并通過氣流、氣溶膠、蒸發(fā)器、噴霧或其他合適的輸送機(jī)制分散到產(chǎn)品、基材或纖維流中。在氣態(tài)介質(zhì)中分離和/或隔離單個(gè)納米顆粒，然后將其分散到基材或氣流中，使納米顆粒更均勻地分布在整個(gè)產(chǎn)品中。

18、在一個(gè)特定方面，纖維化裝置包含氣體源(例如壓縮空氣或其他合適的氣體)和用于將納米纖維組從分離器通過通道拉入裝置的泵。壓縮空氣源提供動力流體，以使納米纖維在整個(gè)纖維化裝置中循環(huán)，并最終向外進(jìn)入噴嘴。泵可以包括任何合適的泵，例如正排量泵(positive-displacement)、離心泵和軸流泵等。在一個(gè)實(shí)施方案中，泵包含噴射器，其被配置成生成足夠的負(fù)壓以將納米纖維組從分離器中抽出并通過通道進(jìn)入泵中。

19、該系統(tǒng)可以還包括能量源，例如第二泵或第二噴射器等，該能量源耦接到第一噴射器并被配置成將納米纖維從第一噴射器以足夠的速度推向表面以破碎納米纖維并將至少一些納米纖維組轉(zhuǎn)化成單個(gè)納米顆粒。申請人已發(fā)現(xiàn)，以約500英尺/分鐘(fpm)至約10,000fpm、優(yōu)選約2,000fpm至約6,000fpm的速度將納米纖維推進(jìn)合適的表面足以將這些納米纖維中的至少一些破碎成單個(gè)納米顆粒。

20、該表面可以是任何阻礙納米纖維流過通道的表面，例如連接點(diǎn)處的通道內(nèi)壁，或沿內(nèi)壁方向的其他變化，例如曲面或垂直表面等。任選地，通道可以包括布置在通道內(nèi)或在流體路徑中突出到通道中的壁或其他表面。在一個(gè)實(shí)施方案中，通道延伸到大致t形的接頭，該接頭包括從接頭延伸的兩個(gè)獨(dú)立通道。第二噴射器被配置成以足以使至少一些納米纖維分離的速度將納米纖維推入t形接頭的壁中。

21、在某些實(shí)施方案中，纖維化裝置還包含一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器，用于分離已經(jīng)從尚未完全破碎的納米纖維組中隔離的單個(gè)納米顆粒。反應(yīng)器包含與通道耦接的外殼，并且具有內(nèi)腔和負(fù)壓源，該負(fù)壓源被配置成將納米纖維組從單個(gè)納米顆粒中吸走。

22、在實(shí)施方案中，反應(yīng)器各自包含延伸通過內(nèi)腔的棒或管以及位于內(nèi)腔一端并基本上圍繞管的一個(gè)或多個(gè)入口，在一些實(shí)施方案中，入口可以基本上延伸通過內(nèi)腔的中心。入口與通道耦接，使得納米纖維簇和單個(gè)納米顆粒通過入口被吸入腔室。中心管在與入口相對的一端包含開口。開口與管內(nèi)的內(nèi)部通道耦接，并且具有與噴嘴或其他分散裝置耦接的出口。這允許納米顆粒通過入口進(jìn)入反應(yīng)器，然后進(jìn)入管并進(jìn)入分散裝置。

23、反應(yīng)器可以還包含位于入口的相對端的一個(gè)或多個(gè)出口。尚未破碎的較大和較重的納米纖維簇通過這些出口被吸出。因此，隔離和個(gè)體化的納米顆粒被吸入噴嘴，并且納米纖維簇通過出口被吸出。這些出口可以耦接至第一泵或第二泵，或耦接至纖維化裝置內(nèi)的另外的泵，這些泵被設(shè)計(jì)用于進(jìn)一步破碎納米纖維簇并將其重新循環(huán)回反應(yīng)器。

24、在另一個(gè)方面，用于生產(chǎn)纖維材料的方法包括提供具有第一表面和與第一表面相對的第二表面的纖維基材，并用粘合劑涂覆基材。納米顆粒分散通過基材的第一表面，使得納米顆粒至少在基材的第一表面和與第一表面相對的第二表面之間被保留。粘合劑促進(jìn)納米顆粒和纖維之間的粘合，確保它們在基材的整個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中基本上均勻地分布。

25、在實(shí)施方案中，將粘合劑噴涂到基材上，使得粘合劑穿透基材的第一表面至其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施方案中，將負(fù)壓施加到基材與第一表面相對的第二表面，以增強(qiáng)粘合劑通過其中的穿透。

26、在某些實(shí)施方案中，粘合劑和/或納米顆粒分散遍及從第一表面到相對的第二表面的基本上整個(gè)介質(zhì)。在其他實(shí)施方案中，粘合劑和/或納米顆粒通過介質(zhì)的一部分從第一表面分散到第一表面和第二表面之間的位置。在其他實(shí)施方案中，粘合劑和/或納米顆粒以密度梯度從基材的第一表面到相對的第二表面布置。粘合劑和/或納米顆粒的密度在第一表面或第二表面處可以更大。

27、在某些實(shí)施方案中，控制噴灑到基材上的粘合劑的體積，以確保整個(gè)基材中存在最佳量的粘合劑以保留納米纖維。在一個(gè)此類實(shí)施方案中，粘合劑通過噴嘴的一個(gè)或多個(gè)開口噴灑。開口可以具有配置成生成直徑為約20至30微米的粘合劑的液滴的尺寸。

28、粘合劑已分散到基材中之后可以發(fā)生交聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施方案中，粘合劑可以例如包含在基材上涂覆膠粘劑之后發(fā)生交聯(lián)的膠粘樹脂。粘合性(耐水性/耐溶劑性)可以通過膠粘制劑中的溶劑蒸發(fā)時(shí)的自交聯(lián)或干燥過程中的熱活化來促進(jìn)。

29、粘合劑可以包含各種常規(guī)材料，包括天然基材料，例如淀粉、糊精或瓜爾膠等，或合成樹脂，例如eva、pva、pvoh、sbr和聚乙交酯等。在某些實(shí)施方案中，使用溶劑基膠粘劑，其中在溶劑蒸發(fā)時(shí)發(fā)生粘合。表面活性劑可以在粘合劑分散到基材中之前或之后與粘合劑混合。

30、納米顆粒已分散到基材中之后，可以用第二膠粘劑涂覆基材。

31、可以使用摩擦帶電方法、電暈放電、靜電纖維紡絲、水力充電、充電棒或其他已知方法對基材、納米顆?；騼烧哌M(jìn)行靜電充電。納米顆?？梢栽诜稚⒌交纳现霸诤线m的流體介質(zhì)(例如空氣、氦氣、氮?dú)?、氧氣、二氧化碳和水蒸氣?中被隔離。

32、在另一個(gè)方面，用于生產(chǎn)纖維材料的方法包括提供具有第一表面和與第一表面相對的第二表面的纖維基材，其中纖維包括粘合組合物。納米顆粒分散穿過基材的第一表面，使得納米顆粒至少在基材的第一表面和第二表面之間與粘合劑組合物粘合。

33、在一個(gè)這樣的實(shí)施方案中，基材包含生物組分纖維，其中組分中的一個(gè)包含至少部分包圍內(nèi)芯的外鞘。鞘可以包含與納米顆粒粘合的材料。例如，鞘可以包含在加熱和/或干燥時(shí)變粘和/或流動的材料。在加熱/干燥步驟(如下所討論)期間，將纖維的鞘部分加熱至其熔點(diǎn)，直至其變粘和/或流動以將納米顆粒粘合至基材。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，粘合和干燥同時(shí)進(jìn)行。

34、生物組分纖維的芯可以是與鞘同心的或者是非同心的。后一種實(shí)施方案增加生物組分纖維的整體蓬松度。當(dāng)然，其他配置也是可能的。例如，芯可以包含除了圓形之外的形狀，例如狗骨形、正方形、三角形或菱形等。任選地，纖維可以包含多個(gè)芯，或者它可以分成三個(gè)、四個(gè)或更多個(gè)象限。

35、本文中對本說明書的各種實(shí)施方案所滿足的期望目的的敘述并不旨在暗示或表示這些目的中的任何一個(gè)或全部作為基本特征(單獨(dú)或共同地)存在于本說明書的最一般的實(shí)施方案或其任何更具體的實(shí)施方案中。