本說明書總體上涉及一種用于連續(xù)生產(chǎn)包含纖維和納米顆粒的材料的系統(tǒng)和方法以及包含這種材料的制品。

背景技術(shù)：

1、由于其細(xì)小的纖維尺寸，纖維材料對于在過濾裝置中捕獲污染物特別有用。過濾介質(zhì)的纖維以微米計(jì)量，并且可以通過紡粘、熔噴、靜電紡絲或其它技術(shù)形成。當(dāng)流體流過過濾介質(zhì)時，細(xì)纖維捕獲并截留過濾介質(zhì)中的污染物。

2、結(jié)合有纖維材料的兩種主要的過濾裝置包括表面過濾器和深度過濾器。諸如膜層(membrane)或膜(film)等表面過濾器作為污染物的屏障，該污染物在進(jìn)入介質(zhì)結(jié)構(gòu)之前被捕獲。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較高的顆粒捕獲效率。但是，它們也具有較高的壓降和低粉塵負(fù)載能力。高壓降導(dǎo)致通過過濾器的氣流減少。低粉塵負(fù)載能力顯著降低過濾器的壽命。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中，具有中等效率至高效率、低壓降和較高粉塵負(fù)載能力。諸如hepa過濾器等常規(guī)的家用和商用空氣過濾器通常根據(jù)過濾器捕獲大約0.3至10微米顆粒的能力來評級。這種評級被稱為最低效率報(bào)告值(minimum?efficiencyreporting?value)或merv，是由美國采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(american?society?ofheating,refrigerating?and?air?conditioning?engineers,ashrae)制定的。merv等級的范圍為1-16，數(shù)值越高，表明捕集特定類型的顆粒的效率就越高。

4、污染物的尺寸范圍很廣。但是，小于1微米的污染物是對人體最有害的顆粒，并且較難以濾除。例如，常規(guī)的機(jī)械空氣過濾器通常將纖維過濾材料的merv等級報(bào)告為大約8-10。因此，這些過濾介質(zhì)通常不能捕獲亞微米顆粒，例如病毒和其它有害病原體。

5、過濾行業(yè)關(guān)注兩種不同的捕獲這些亞微米顆粒的方法：靜電力和過濾介質(zhì)中的納米顆粒的利用。靜電過濾器是通過使用摩擦帶電方法、電暈放電、充氫、靜電纖維紡絲或其它已知方法對纖維材料內(nèi)的纖維進(jìn)行靜電充電而形成的。靜電過濾器在捕獲亞微米顆粒方面最有效，在捕獲1至3微米尺寸的顆粒方面相當(dāng)有效，在捕獲3至10微米的較大顆粒方面最低效。靜電纖維通常在諸如面罩和高效過濾器等許多過濾應(yīng)用中用于過濾亞微米污染物，例如病毒和其它污染物。

6、靜電過濾器的一個缺點(diǎn)是靜電荷會隨著時間和過濾器的使用而衰減。因此，過濾器的效率下降較快，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會損失至少2-3點(diǎn)的merv等級。這損害過濾器的完整性，并且可能部分地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)可以采用包含直徑以微米計(jì)的較大纖維和相對較小的納米顆粒的過濾介質(zhì)。納米顆粒通過減小介質(zhì)中的總纖維尺寸來增加介質(zhì)中用于捕獲顆粒的表面積。納米顆粒還傾向于彼此擠壓，從而提高過濾介質(zhì)內(nèi)的堆積密度。已經(jīng)表明，即使在微纖維材料上形成一層少量納米尺寸的纖維，也能改善材料的過濾特性。

8、將納米顆粒結(jié)合到過濾介質(zhì)中的最常見方法是通過靜電紡絲在非織造基材上施加連續(xù)納米纖維的薄層。納米顆粒通常平行或垂直于主體過濾介質(zhì)層的表面延伸，并且除了由粗過濾介質(zhì)提供的對較大顆粒的過濾之外，還提供對小顆粒的高效過濾。例如，第6,743,273號美國專利公開了一種過濾介質(zhì)，其中在基材的表面上沉積連續(xù)的納米纖維層。第10,799,820號美國專利也公開了一種空氣過濾介質(zhì)，該空氣過濾介質(zhì)包含過濾介質(zhì)表面上的連續(xù)納米纖維層。

9、雖然現(xiàn)有的結(jié)合有納米顆粒的過濾介質(zhì)提高了這些過濾器的相對效率，但是這些過濾器的商業(yè)潛力在某些應(yīng)用中受到限制，因?yàn)榧{米顆粒通常分散到纖維材料的表面上。過濾器表面上的納米顆粒的較薄的層僅提供有限的顆粒過濾，并且具有較低的粉塵保持能力。

10、雖然已經(jīng)有許多嘗試將納米材料結(jié)合到過濾介質(zhì)中以提高總體過濾效率，但是這些嘗試局限于所謂的“濕法成網(wǎng)”方法。這些濕法成網(wǎng)方法涉及將短切納米纖維結(jié)合到液體漿料中，以在表面活性劑的幫助下分離纏結(jié)的納米纖維。例如，第10,252,201號美國專利公開了一種由通過濕法成網(wǎng)方法形成的短切納米纖維和短切粗纖維的混合物制成的過濾介質(zhì)。類似地，第2021/0023813號美國專利申請公開了一種制造復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的方法，該復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由帶有不連續(xù)纖維(例如碳納米纖維)的連續(xù)纖維非織造基材組成。該方法包括將連續(xù)纖維非織造基材在不連續(xù)纖維的漿料中拉過，其中納米材料嵌入到非織造基材中。

11、雖然這些結(jié)構(gòu)已經(jīng)表現(xiàn)出提高的效率，但是它們存在其它問題，例如當(dāng)介質(zhì)處于正常使用條件下時壽命和/或效率降低。此外，這些濕法成網(wǎng)方法未能成功地將納米顆粒均勻地結(jié)合到整個非織造材料中，這導(dǎo)致納米顆粒在材料中聚結(jié)，從而進(jìn)一步降低其效率和總體集塵能力。

12、因此，需要一種用于連續(xù)制造纖維材料和包含這種材料的制品(例如過濾器)的改進(jìn)系統(tǒng)和方法。尤其希望在整個材料中結(jié)合納米顆粒，從而改善制品的性能特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、以下給出所要求保護(hù)的主題的簡明概述，以提供對所要求保護(hù)的主題的某些方面的基本理解。這種概述不是所要求保護(hù)的主題的廣泛概述。它并非旨在確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵或決定性元素或界定所要求保護(hù)的主題的范圍。其唯一目的是以簡明的形式呈現(xiàn)所要求保護(hù)的主題的一些概念，作為稍后呈現(xiàn)的更詳細(xì)說明的前序。

2、本公開提供了一種用于連續(xù)制造纖維材料和包含這種材料的制品的系統(tǒng)和方法。該材料可以包括基材，例如片、層、膜、有孔膜、網(wǎng)、絲網(wǎng)或其它介質(zhì)。該制品包含纖維，并且包含粘結(jié)到纖維上并結(jié)合到制品的至少一部分中的納米顆粒。

3、在一個方面中，一種系統(tǒng)包括用于將包含纖維材料的基材從上游端連續(xù)推進(jìn)到下游端的輸送機(jī)、以及用于將納米纖維組饋送到流體介質(zhì)中的進(jìn)料器。纖維化裝置耦接至進(jìn)料器，并且被配置成將納米纖維組轉(zhuǎn)化成單個納米顆粒。分散裝置耦接至纖維化裝置，用于將納米顆粒分散到基材中以形成材料。該系統(tǒng)連續(xù)制造材料，以形成具有改善的品質(zhì)、產(chǎn)量和降低的成本和時間的制品。此外，該系統(tǒng)可以是可擴(kuò)展的，并且能夠以較少的變動制造制品。

4、在實(shí)施方式中，該系統(tǒng)被配置成將納米顆粒以大約0.1克/平方米至大約20克/平方米、優(yōu)選至少大約2.0克/平方米的比率或添加量連續(xù)分散到基材中。這提供了在材料內(nèi)具有更大的納米顆粒面密度(克/平方米(gsm))或“添加量”的纖維材料。術(shù)語“添加量”在本文中用于表示材料、纖維或顆粒在材料薄層、片或膜中的面密度(gsm)。

5、在某些實(shí)施方式中，所述制品是過濾介質(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。在連續(xù)過程中向過濾器中提供更大添加量的納米顆粒增加過濾介質(zhì)內(nèi)的總表面積，這提高其過濾效率，并允許捕獲亞微米污染物，而不會顯著損害其它因素，例如通過過濾器的壓降(即，氣流量)。此外，用本文中說明的連續(xù)過程制造的過濾器能夠經(jīng)受嚴(yán)格的調(diào)節(jié)，這允許過濾器在其整個壽命期內(nèi)達(dá)到相同水平的過濾性能。

6、在某些實(shí)施方式中，納米顆?！吧钊氲亍钡胤稚⒃诨闹?。如本文中所用的術(shù)語“深入”指納米顆粒的分散范圍超過基材的第一表面，使得至少一些納米顆粒在基材或介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中位于第一表面和第二相對表面之間。在某些實(shí)施方式中，納米顆粒分散在從第一表面到相對的第二表面的基本上整個介質(zhì)中。在其它實(shí)施方式中，納米顆粒從第一表面穿過介質(zhì)的一部分分散到第一表面與第二表面之間的位置。在其它實(shí)施方式中，納米顆粒是以從基材的第一表面到相對的第二表面的密度梯度布置的。納米顆粒的密度可以在第一表面或第二表面處較大。

7、該系統(tǒng)還可以包括負(fù)壓源或真空源，該負(fù)壓源或真空源在基材下方與分散裝置相對地布置，以增加納米顆粒的穿透深度和均勻性。該負(fù)壓源可以是抽吸納米顆粒使其穿過基材的任何適當(dāng)抽吸裝置，例如抽吸泵或類似裝置。

8、在某些實(shí)施方式中，該材料可以包括非織造材料。在本文中論述的非織造材料可以包括任何基材，例如片、層、膜、有孔膜、網(wǎng)、網(wǎng)片或其它介質(zhì)，該介質(zhì)包含彼此交織的單獨(dú)纖維或線狀物的結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)姆强椩觳牧系睦影ǖ幌抻诮?jīng)過熔噴、紡粘、粘合梳理、氣流成網(wǎng)、共成型和水力纏結(jié)等處理的纖維、層或網(wǎng)。在其他實(shí)施方式中，設(shè)想采用針織或機(jī)織織物作為基材。

9、纖維化裝置被配置成將納米顆粒的簇(clusters)、束(clumps)或其它組轉(zhuǎn)化(例如打開、分開和/或分離)成具有至少一個小于1微米的尺寸的單個納米顆粒。單個納米顆粒可以在任何合適的流體介質(zhì)中產(chǎn)生。在某些實(shí)施方式中，該流體介質(zhì)是氣體介質(zhì)，例如空氣、氦氣、氮?dú)?、氧氣、二氧化碳和水蒸氣等。在氣體介質(zhì)中使單個納米顆粒分離，然后將它們分散到纖維流中，使得納米顆粒更均勻地分布在整個纖維材料和/或制品中。

10、在某些實(shí)施方式中，該進(jìn)料器包括被配置成以一定的速率將納米纖維簇、束或其它組輸送到纖維化裝置中的料斗或類似裝置，該速率使得納米纖維組被轉(zhuǎn)化成單個納米顆粒，這些納米顆粒被以至少大約2.0克/平方米的添加量分散到基材上。所述納米纖維組可以是任何適當(dāng)?shù)某叽纾⑶铱梢员舜死p結(jié)或不纏結(jié)。

11、纖維化裝置可以包括耦接至料斗的泵和耦接至泵的壓縮空氣源或其它合適的流體源。該壓縮空氣源提供動力流體以使納米纖維在整個系統(tǒng)中循環(huán)，并最終向外進(jìn)入適當(dāng)?shù)姆稚⒀b置。該泵可以包括任何適當(dāng)?shù)谋?，例如容積泵、離心泵和軸流泵等。在一個實(shí)施方式中，該泵包括噴射器，該噴射器被配置成產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，以將納米纖維的小簇從分離器中抽出，并通過通道抽入泵中。

12、所述泵被配置成以足夠的速度和/或動量推動納米纖維組通過氣體介質(zhì)壓靠在纖維化裝置內(nèi)的一個或更多個表面或與氣體介質(zhì)一起壓靠所述表面，以打開納米纖維組和/或?qū)⒓{米纖維組分離成具有至少一個小于1微米的尺寸的單個納米顆粒。申請人發(fā)現(xiàn)，通過以足夠的速度將納米纖維組推進(jìn)到適當(dāng)?shù)谋砻嬷幸援a(chǎn)生必要的動能來將這些納米纖維簇中的至少一些納米纖維簇破碎和分離成單個納米顆粒，能夠在氣體介質(zhì)中從納米纖維組中分離出單個納米顆粒。在某些實(shí)施方式中，納米顆粒的速度是大約500英尺/分鐘(fpm)至大約10000fpm，優(yōu)選是大約2000fpm至大約6000fpm。

13、所述系統(tǒng)還可以包括能量源，例如第二泵等，該能量源耦接至第一泵，并被配置成以足夠的速度將納米纖維的小簇從第一泵推向表面，以破碎納米纖維并將至少一些納米纖維的小簇轉(zhuǎn)化為單個納米顆粒。該表面可以是阻礙納米纖維流過通道的任何表面，例如接合點(diǎn)處的通道內(nèi)壁，或者是在內(nèi)壁的方向上的其它變化，例如曲面或垂直面等。替代地，所述通道可以包括在流體路徑中布置在通道內(nèi)或者突出到通道內(nèi)的壁或其它表面。在一個實(shí)施方式中，所述通道延伸至大致t形的接頭，該接頭包括從接頭延伸的兩個獨(dú)立通道。第二泵被配置成以足以分裂至少一些納米纖維的速度將納米纖維推進(jìn)到t形接頭的壁中。

14、在某些實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)還包括一個或更多個用于分離已被從尚未完全破碎的納米纖維組中分離出來的單個納米顆粒的反應(yīng)器。該反應(yīng)器包括耦接至通道的殼體，并具有內(nèi)部腔室和負(fù)壓源，該負(fù)壓源被配置成將較小的納米纖維簇從單個納米顆粒吸走。

15、在實(shí)施方式中，每個反應(yīng)器包括基本上位于中心的桿或圓筒和一個或更多個位于內(nèi)部腔室的一端并基本上圍繞中心桿的入口。該入口耦接至通道，使得納米纖維簇和單個納米顆粒被通過入口吸入腔室中。中心桿在與入口相對的一端包括開口。該開口耦接至中心桿內(nèi)的內(nèi)部通道，并且具有耦接至噴嘴或其它分散裝置的出口。這允許納米顆粒通過入口進(jìn)入反應(yīng)器，然后進(jìn)入中心桿，并到達(dá)分散裝置。

16、所述入口可以處于相對于中心桿成一定角度的取向，使得納米纖維和納米顆粒以相對于反應(yīng)器的外表面的一個橫向角度進(jìn)入內(nèi)部腔室。在一個優(yōu)選實(shí)施方式中，至少一個或更多個入口的取向使得當(dāng)納米纖維和納米顆粒進(jìn)入反應(yīng)器時它們沿著基本上與中心桿相切的方向移動。在它們進(jìn)入桿周圍的環(huán)形腔室后，納米纖維和納米顆粒的速度矢量(速度和方向)在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生渦流，使它們從一端到另一端圍繞中心桿渦旋。由于單個納米顆粒比仍聚集在一起的纏結(jié)納米纖維輕得多，因此單個納米顆粒被吸入中心桿的入口中。當(dāng)納米纖維簇通過反應(yīng)器時，腔室內(nèi)的渦流也可以進(jìn)一步破碎(例如打開、分離和/或個體化)納米纖維簇。

17、反應(yīng)器還可以包括一個或更多個位于入口的相對端的出口。尚未破碎的較大和較重的納米纖維簇被通過這些出口抽出。因此，分離和個體化的納米顆粒被吸入噴嘴中，而納米纖維簇被通過出口抽出。這些出口可以耦接至第一泵或第二泵，或者耦接至系統(tǒng)內(nèi)的另外的泵，這些另外的泵被設(shè)計(jì)成進(jìn)一步破碎納米纖維簇，并使它們再循環(huán)回到反應(yīng)器中。

18、所述系統(tǒng)還可以包括用于將粘結(jié)劑分散到基材中的纖維上的涂布裝置。該粘結(jié)劑可以包含多種常規(guī)材料，包括天然材料(例如淀粉、糊精、瓜爾膠等)或者合成樹脂(例如eva、pva、pvoh、sbr和聚乙交酯等)。在一些實(shí)施方式中，基材包含其自身的粘結(jié)劑組合物。在這些實(shí)施方式中，可以向基材上添加或不添加粘結(jié)劑或粘結(jié)材料。在一個這樣的實(shí)施方式中，基材包含生物組分纖維，其中組分之一包括至少部分地包圍內(nèi)芯的外鞘。

19、所述涂布裝置可以包括將粘結(jié)劑分散到整個基材中的任何適當(dāng)裝置。在一個實(shí)施方式中，所述涂布裝置包括噴涂裝置，該噴涂裝置具有鄰近進(jìn)料器的上游端和噴嘴的出口。該噴涂器可以位于纖維化裝置的下游，從而能夠在納米顆粒沉積后噴涂粘結(jié)劑。在其它實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)可以包括兩個噴涂器：一個噴涂器位于纖維化裝置的上游，第二個噴涂器位于纖維化系統(tǒng)的下游，用于在沉積納米顆粒后用第二粘結(jié)劑涂布基材。

20、第二裝置還可以包括烘干器，例如紅外烘箱等，該烘干器布置在進(jìn)料器的下游端附近，用于加熱納米顆粒和纖維，以將納米顆粒粘結(jié)到基材內(nèi)的纖維上。

21、在另一個方面中，一種連續(xù)制造纖維材料的過程包括將包含纖維材料的基材從上游端連續(xù)推進(jìn)到下游端、以及將納米纖維組饋送到流體介質(zhì)中。納米纖維組在流體介質(zhì)中被轉(zhuǎn)化成納米顆粒，然后被分散到上游端與下游端之間的基材中，從而形成纖維材料。

22、在某些實(shí)施方式中，納米顆粒被以大約0.1克/平方米至大約20克/平方米、優(yōu)選至少大約2.0克/平方米的比率或添加量分散到基材中?；目梢砸源蠹s0.05到1.0米/秒的速度前進(jìn)。

23、在某些實(shí)施方式中，納米纖維組和納米顆粒在流體介質(zhì)中被以大約500至大約10000英尺/分鐘(fpm)、優(yōu)選大約2000fpm至大約6000fpm的速度推進(jìn)。

24、納米顆粒被分散到基材的第一表面上，使得納米顆粒至少穿透基材的第一表面。在某些實(shí)施方式中，將納米顆粒噴射或分散到基材的第一表面上，并在基材的與第一表面相對的第二表面上施加吸力，以抽吸單個納米顆粒使其穿過基材。在一些實(shí)施方式中，納米顆粒在基材內(nèi)透過表面分散在至少大約25％厚度或至少大約50％厚度范圍內(nèi)。納米顆?？梢越Y(jié)合到從第一表面到相對的第二表面的基本上整個基材中。納米顆粒可以形成從基材的外表面到中間部分或相對的第二表面的密度梯度。

25、所述過程還可以包括將粘合劑施加到基材內(nèi)的纖維材料上。例如，可以在納米顆粒分散在基材中之前和/或之后將粘合劑噴涂到基材上。粘合劑阻止納米顆粒直接穿過基材，并且當(dāng)納米顆粒結(jié)合至粘合劑時，能夠提高納米顆粒在基材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的均勻性和穿透性。

26、在某些實(shí)施方式中，納米纖維組被吸入壓縮空氣流中，并被推向表面，以將納米纖維簇的至少一部分破碎成單個納米顆粒。該表面例如可以是接合點(diǎn)處的通道的內(nèi)壁，或者沿內(nèi)壁方向的其它變化，例如曲面或垂直面等。在一個實(shí)施方式中，納米纖維被推進(jìn)至基本上為t形的接頭，該接頭包括從其延伸的兩個單獨(dú)通道。

27、在某些實(shí)施方式中，所述方法還包括分離已被從尚未完全破碎的納米纖維束中分離出來的單個納米顆粒。在這些實(shí)施方式中，顆粒(納米纖維團(tuán)和單個納米顆粒)被驅(qū)入一個或更多個反應(yīng)器的內(nèi)部腔室中。顆粒在反應(yīng)器中被分離，從而納米顆粒進(jìn)入噴嘴，而剩余的納米纖維團(tuán)離開反應(yīng)器，以在系統(tǒng)中再循環(huán)。在優(yōu)選實(shí)施方式中，顆粒被與中心桿成角度地推進(jìn)到反應(yīng)器中，使得納米纖維和納米顆粒的速度矢量(速度和方向)在反應(yīng)器中產(chǎn)生渦流，使它們圍繞中心桿從一端到另一端渦旋。由于單個納米顆粒比仍聚集在一起的纏結(jié)納米纖維輕得多，因此單個納米顆粒被吸入中心桿的入口中。當(dāng)納米纖維簇通過反應(yīng)器時，腔室內(nèi)的渦流可以進(jìn)一步破碎(例如打開、分離和/或個體化)納米纖維簇。

28、在本文中對由本說明書的各種實(shí)施方式滿足的期望目的進(jìn)行的敘述并非意味著暗示或啟示這些目的中的任何一個或全部作為基本特征單獨(dú)或共同存在于本說明書的最一般的實(shí)施方式中或其任何更具體的實(shí)施方式中。