CN102989431B - 包括细纤维和反应、吸附或吸收颗粒的过滤网 - Google Patents
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Abstract
本发明的组件可以包括具有分散在细纤维层中的活性颗粒材料的细纤维层。流过本发明组件的流体可以具有分散或溶解在流体中的任何材料,与纳米纤维层中的活性颗粒起反应,被活性颗粒吸收或吸附。本发明的结构可以只是用作反应、吸收、或吸附层,而没有过滤特性,或者本发明的结构可以组装入过滤器,它能从运动流体中过滤出颗粒,同时与来自运动流体的材料起反应,吸收、或吸附来自运动流体的材料。
Description
本申请是以美国公司Donaldson Company,Inc.,以及美国公民AndrewJames Dallas,Jon Dennis Joriman,Dustin Zastera,JamesR.Giertz,中国公民LefeiDing,和土耳其公民Veli Engin Kalayci的名义作为PCT国际申请于2007年2月13日提出的,并且本申请要求申请日为2006年2月13的美国临时申请序列号60/773,067的优先权。
技术领域
本发明涉及纤维网或纤维结构。本发明的过滤器,元件或介质结构可用作反应、吸附或吸收层或用于过滤模式。所述结构包括收集纤维和反应、吸附或吸收颗粒,还用作活性颗粒,活性材料纤维,间隔或分离装置。所述颗粒可用作吸收剂,吸附剂或反应剂。
背景技术
聚合物纤维网可以通过挤压,熔融纺丝,干法工艺或湿法成形工艺等制成。过滤器结构的制造技术是多种多样的,以便获得可以从运动流体流中分离颗粒载荷的结构。所述过滤介质包括表面载荷介质和深度介质,其中,所述介质可以生产成多种几何结构。关于所述介质使用的原理披露于Kahlbaugh等,美国专利号5,082,476;5,238,474;5,364,456和5,672,399。在包括任意选择的过滤介质的任意过滤器结构中,过滤器必须除去特定的粒度,并且同时具有足够的使用寿命,以便在它的颗粒清除特性方面经济合理。使用寿命一般被认为是从安装到过滤器获得足够的颗粒载荷,使得通过过滤器的压力降大于预定水平的时间之间的时间。增大的压力降可能导致过滤器旁通,机械过滤器故障,流体不足或其他操作问题。
过滤效率是过滤介质的特征,与从运动流中除去的颗粒的部分相关。效率通常由下述一组测试协议来测量。
表面载荷过滤介质通常包括具有无纺结构的纤维的稠密垫,放置横跨运动流体流的通道。当运动流体流穿过成形的无纺纤维结构时,颗粒通常以一定效率在过滤器表面从所述流中被除去,并且保留在该表面上。与表面载荷结构相反,深度介质通常包括较厚结构的纤维(与表面载荷介质比较),它具有特定的密实度,孔隙度,层厚度和效率。深度介质,特别是梯度密度深度介质披露于Kahlbaugh等,美国专利号5,082,476;5,238,474和5,364,456。一般,深度介质通过阻挡过滤器层内运动流体流中的微粒载荷,在过滤作业中起作用。当颗粒冲击深度介质纤维结构时,颗粒保留在深度介质内,并且通常分布到并由内部纤维保留和贯穿过滤器空间。相反,表面载荷介质通常将颗粒积聚在表面层。
Groeger等,美国专利号5,486,410披露了纤维结构,通常由双组分,核/壳纤维制成,含有颗粒材料。颗粒包括保留在纤维结构中的固定功能材料。所述功能材料被设计与流体流相互作用并且对它进行改性。通常的材料包括硅石,沸石,氧化铝,分子筛等,可以或者与流体流中的材料起反应或者吸收流体流中的材料。Markell等,美国专利号5,328,758利用熔喷热塑性纤维网和网中的吸着材料来进行分离处理。Errede等,美国专利号4,460,642披露了PTFE的复合片材,它是水可膨胀的,并且含有亲水性吸收颗粒。该片材可用作创伤敷料,作为吸收和除去无水溶剂的材料,或作为分离层析材料。Kolpin等,美国专利号4,429,001披露了吸附剂片材,包括熔喷纤维,含有超强吸收聚合物颗粒。除臭或空气净化过滤器披露于,例如,Mitsutoshi等,JP7265640和Eiichiro等,JP10165731。
很多运动流体相,包括气相和液相,含有不希望的成分,悬浮、溶解、或以其他方式夹带在运动相中。所述不希望的成分可以是化学反应性的或可以通过利用吸收剂或吸附剂成为可吸收或可吸附。通常,这类物质形成相,完全可混合于流体中,并且不能被过滤,但可以只有通过化学反应吸收剂或吸附剂除去。所述材料的例子是酸性或碱性反应化合物。酸性化合物包括硫化氢,二氧化硫,而其他此类碱性成分包括氨,胺,四元化合物和其他物质。另外,反应气体如Cl2,SO2,氰化物,碳酰氯和其他物质可能造成危害。最后,多种其他化合物由于气味,颜色或其他不希望的特性而反对使用。如果可能,从流体相除去所有所述材料可能有助于很多最终用途。现有系统的活性层遇到与层中颗粒的机械不稳定性相关的问题。在很多结构中,颗粒不是机械固定在层中,并且可被容易地移走。在很多结构中,可用的活性材料量受到基片性质和可加载活性材料量的限制。
尽管过去已使用了表面载荷介质和深度介质,并且获得了一定水平的性能,行业中仍相当需要能够提供相对先前所获得的新的和不同性能特征的流体相处理和过滤介质。具体地讲,需要改进的效率,低压力降和极好的吸附、吸收、或反应特性,使结构具有高活性和可靠的机械稳定性。
发明内容
本发明的网,过滤器,或其他流通或流过结构可以包括基本连续的细纤维团或层,含有本发明的颗粒。颗粒形式的反应、吸收、或吸附纤维间隔或隔离装置可以与纤维团组合或者以其他方式分散在它里面。本发明的网包括纤维网或层,以及粘接到纤维的纤维隔离装置或纤维间隔装置,可以反应、吸收或吸附结构的形式使用。
一方面,所述网包括连续的纤维结构,具有连续的纤维相,和反应、吸收、或吸附活性颗粒,可以处理流体流。流体流可以是具有夹带材料的气体或液体。夹带材料可以溶于或不溶于运动流体中,并且可以是液体或固体杂质的颗粒。液体可以通过水溶液,非水流体,水,油,及其混合物来例示。
第二方面,类似的结构还可用作过滤器。活性颗粒包括颗粒相,分散于纤维。过滤器可用于过滤运动的流体,如气体流或液体流。过滤器可用于从液体流或从气体流中除去杂质。所述杂质可以是夹带的颗粒。流通或流动绕过结构可用于这样的结构,它不需要PTFE,拉伸膨胀的或其他相关多孔含氟聚合物成分,以便获得成功活性。
分散表示活性颗粒粘附于纤维,保留在网内的空隙空间内,或在凹穴中,所述凹穴部分穿透所述网,在网表面形成空间。一旦成形,包括含有本发明活性颗粒的细纤维层的介质可以与介质层组合。该形式可用于流过处理装置或用于流通过滤装置,具有吸附/吸收或反应特性。在流过或通过装置中,介质只是被设置成一形式,其中运动流体可以不受阻碍地经过任何过滤层,并且只是接触形成在靠近流体介质流动通道的细纤维层的吸收/吸附或反应物质。另外,含有活性颗粒的细纤维层和介质可以形成为流通过滤结构,它可以从运动流体中除去颗粒,同时在过滤模式,本发明的介质可以,在过滤模式,从运动流体中除去夹带的颗粒,并且同时吸收、吸附或与流体相中的不希望材料进行化学反应,所述材料可以是或可以不是颗粒形式。
术语过滤器是指实际用于处理运动流体的结构。"过滤器"通常包括外壳,具有入口和出口。术语"元件"通常是指用于过滤器组件的结构,包括介质层和其他部分,形成有用的结构稳定的装置,可被插入并从过滤器结构取出。本发明的元件或网包括介质层,它包括颗粒,分散在整个细纤维网。组合的细纤维和颗粒可以形成在基片层上,以形成过滤介质。
颗粒可以包括一定量的单一类型颗粒或不同颗粒的混合。例如,活性颗粒可以与惰性颗粒混合,用于所述层。惰性颗粒可以包括单个颗粒或可以是惰性颗粒的混合,在组成粒度,颗粒形态或某些其他颗粒方面不同。类似地,活性颗粒可以包括含有不同活性颗粒的颗粒混合物。例如,碳颗粒可以与沸石颗粒混合。另外,羧甲基纤维素颗粒可以与离子交换树脂颗粒在活性层混合。另外,所述活性颗粒可以具有混合的颗粒,即不同大小、形状或形态的颗粒可以在本发明的活性层结合。术语"夹带的颗粒"是指运动流体中的杂质,而术语"分散的颗粒"是指故意包含在本发明的纤维层中的颗粒。
本发明的元件可用于两种分离模式之一。所述模式被指定为"流通(flow-through)"或"流过(flow-by)"。在流通模式,运动流体、液体或气体以流动基本垂直于纤维层的平面的过滤模式通过细纤维层和基片。夹带的颗粒可能遇到并由元件除去,并且随着流体通过所述层与颗粒接触,所述颗粒可以与悬浮或溶解在流体中的吸收或吸附的化学材料反应。
在流过模式,流体通道大体平行于细纤维层或元件表面的平面。在流过模式,流体接触所述层的表面,并且基本不会流动通过元件。尽管根据黏度,流动速率,温度,元件结构,流体可以在某种程度上穿透所述层,并且可以从层向层流动,流体输送的主要模式是沿基本平行于所述层表面的方向绕过所述层。在所述模式下,液体可以接触所述层的表面,并且溶解和悬浮在流体中的化学材料可以与颗粒反应,或被所述颗粒吸收或吸附。
流通和流过元件可以多种形式使用。流通元件可用于传统过滤器结构,包括某些其他过滤器结构的滤芯板,元件为折叠或非折叠模式。类似地,流过介质可被包括在板和滤芯结构中。
使用流过材料的一种优选模式是成卷介质。成卷介质通过以下方法制备:通过如果需要对纤维层进行热处理首先形成细纤维和颗粒层,并然后卷绕元件成为具有2-50层的多层卷。所述卷的厚度,或层之间的间隔,确定流体通过结构的流动速率。流动速率可以通过将通道引入成卷介质来改进。所述通道可以在基片上预成型,在基片上纺丝有细纤维,或者所述通道可以在细纤维层形成在基片上并随后按需进行热处理之后形成在元件中。可以通过加工步骤包括机械形式或隔离物。所述形式或隔离物可将通道引入结构。成卷材料可以包括有至少一个隔离部分,以便在成卷结构的一个部分固有形成通道。另外,可以设置额外的隔离物,使得成卷结构的每一层具有至少一个通道部分。可以使用任意数量的隔离物。可以使用至少一个隔离物/每层,直到5,10或20个隔离物/每层。在隔离物层在元件中形成通道之后,隔离物可被移去。隔离物可以一种模式被移去,通过展开元件并从元件物理移去隔离物。不过,在另一种模式,隔离物可以只是利用溶剂从成卷组件洗去,其中隔离物(而不是基片细纤维或颗粒)是可溶的,因此除去了隔离物并留下流通通道结构。隔离物可被设置成实际上任何形状或结构,只要隔离物可以提供从所述卷第一端到所述卷第二端的通道,提供流体的流通通道。优选的,通道的尺寸在主要尺寸上大于约1mm,并且在主要尺寸上可以在约1-500mm的范围内。通道的外形可以是圆形,椭圆形,环形,矩形,正方形,三角形,或其他剖面外形。外形可以是规则的,或者可以是不规则和无定形的。另外,沿着通道,通道的剖面外形从一端到另一端可以变化。例如,在成卷结构的入口端,通道可以具有较大的截面积,而在相对端,截面积可能小于入口端。另外,入口端的截面积可能小于出口端。隔离物大小的任何其他变化可能增大流动的紊乱,导致改进的流体和颗粒之间接触。
本发明的过滤器或流通或流过结构独特地适合提供有用的特性。流通结构可用于吸收/吸附流动通过流通结构的运动流体相或与它化学反应。流通结构内的分散颗粒可以与运动的流体(液体或气体)起反应,或吸收/吸附流体流内的介入材料或与流体流内的介入材料起反应。流通结构可用作过滤器,并可用作可与流体流中的材料起反应、吸收或吸附流体流中的材料的结构。相应地,双重功能的流通结构可以除去不希望的颗粒,所述颗粒通常是流体流中的不可溶相。另外,流通结构还可以与流体流中的不溶性和可溶性成分起反应,吸收或吸附流体流中的不溶性和可溶性成分。
应用中尤其重要的流体流包括空气流,它可能含有污染物,如灰尘颗粒,水,溶剂残余物,油残余物,混合的水油残余物,有害气体诸如氯、苯、二氧化硫等。其他通常的液体运动相包括燃料,油,溶剂流等。所述流可以与本发明的流通结构接触,以便除去水,颗粒污染物,颜色形成物质,和微量可溶性杂质。在很多情况,所述流(气体流和液体流)可以被生物制品污染,包括朊病毒,病毒,细菌,孢子,DNA片段和其他潜在有害的生物制品或有害材料。
本发明的活性网或元件可以包括细纤维层,具有颗粒分散在纤维层内,以便吸收/吸附运动流体相夹带的材料或与运动流体相夹带的材料起反应。所述元件或网能够以多种形式与其他活性或反应物质结合。本发明的颗粒可以是与纤维分离的离散颗粒,或者所述颗粒可以粘附或附着在纤维的表面上。颗粒可以被嵌入纤维,并且可以部分或全部被纤维团包围。为了形成所述结构,颗粒可以在纺丝后与纤维结合,可以在纺丝期间在纤维干燥和凝固时添加至纤维,或者可以在纺丝前添加到纺丝溶液中,使得颗粒部分或全部嵌入纤维。
形成活性层的一种方法可以是通过将活性颗粒分散在含有水或非水相成分中,或者使活性颗粒形成在片材层中,或者使活性颗粒粘附至本发明的网或元件的一种或多种成分。本发明的任何活性颗粒可以整合入水或非水液相,用于上述目的。在形成非水材料时,非水溶剂,优选挥发性溶剂包括诸如低醇,醚,低沸点烃馏分,氯仿二氯甲烷,二甲亚砜(DMSO)及其他材料,可以通过将材料的活性颗粒与可溶性或可分散的结合材料结合来制备。所述溶液可应用于纤维颗粒片材状基片或其他材料,以便形成含有活性颗粒的层,可以该形式用于吸收/吸附运动流体相中夹带的材料,或与运动流体相中夹带的材料起反应。另外,本发明的活性颗粒可以分散在水溶液或结合材料的悬浮液中,可以类似地与纤维颗粒或网片状基片结合或涂在它上面,以便形成活性颗粒的活性层。另外,本发明的活性颗粒可以分散或悬浮在混合的含水有机相中,它将含水相与有机相结合。有机相可以包括其他溶剂或其他有机液体或可以包括含水聚合物相,如丙烯酸聚合物,PTFE聚合物。所述混合的相可以形成层,含有活性颗粒,并且另外可以包含交联成分,所述成分可以形成相邻聚合物之间的接合,进一步固化薄膜涂层。
可以利用热处理或热结合工艺,来形成不同的层,其中没有完全不同的纤维。热处理可以将单独纤维加热到单独纤维的熔融或熔点或以上的温度,并然后使纤维粘接,接合,或形成熔融的网络,膜或膜状结构。根据温度、压力和热处理的时间,热处理可以将纤维从只有表面接触的中等长度的纤维的随机分布的层转变成纤维更紧密关联的层。至少,纤维被加热,使得在纤维的相交处,纤维熔合以形成熔融的网络。通过额外的热压力,或热处理时间,纤维可以进一步熔化并且进一步接合成更密切关联的网。通过进一步的温度,时间和压力,纤维可以更完全熔化,并且散布成多孔膜状结构。热处理还可以改变颗粒的位置。在纤维只是被贯穿分布的情况,颗粒分布在细纤维各处。热处理可以将颗粒固定在结构中,其中,颗粒被表面结合到热处理的纤维网,或膜状结构;不过,同样取决于温度,加热时间和压力,颗粒可被结合在并贯穿多孔膜状结构。所述热处理或压延的结构可以具有的层厚度接近最初细纤维层,或得到的层比最初细纤维层薄。相应地,如果最初细纤维层的厚度在大约0.5-200微米的范围内,所得到的层具有的厚度可以在大约0.5-大约150微米的范围内或更小至通常达到100微米并有时达到50微米,取决于纤维纺丝量,颗粒含量,和热处理程度,包括加热,压力和时间。一种形式的所述热处理工艺是压延作业,它可以热利用。压延工艺使用辊,辊和压纹机,或压纹机,以形成热处理层。压纹机可以采用结合图案,可以产生规则的、中间的、或随机的图案。当使用图案时,图案可以占表面积的50%或更多。通常,结合的阵列占表面积的大约1-75%,通常为表面积的大约10-50%。
根据用于各层细纤维的性质和复合物的制造速度,压延工艺参数如时间,温度和压力可以变化,以获得可接受的结果。压延辊的温度可以在大约25-200℃的范围内。利用压延辊或辊的组合施加在层上的压力可以达到500psi,并且复合物通过热处理工位的速度可以在大约1-大约500英尺/分钟的范围内。热处理工位的操作参数必须进行调整,以便适当量的热量被输送到纤维,以获得合适的最终结构。热量不能过少,以便不能软化或熔化纤维的某些部分,并且不能使纤维完全熔化和分散在基片中。输送的总热量可易于调节,以便结合纤维,软化整个纤维,或完全使纤维形成为多孔膜。操作参数的所述微调是本领域技术人员已知的。
本发明的网或元件可以由多种不同层构成。所述层可以包括活性和非活性层。活性层通常包括细纤维网,具有颗粒分散在细纤维内或其他浸渍层含有吸附剂/吸收剂或反应颗粒或其他这样的结构。所述层可以制成本发明的可用元件,与保护层,空间层,活性层,非活性层,支撑层结合,并且所有可以被整合或封装入传统滤芯板或其他这样的保护结构。活性颗粒的优选形式包括吸附碳颗粒。
附图说明
图1A和1B示出本发明的元件的端视图,其中,所述元件包括活性介质层与非活性介质层结合,以提供流动通道,用于调控效率和活性。
图2是螺旋卷绕介质的端视图,所述介质具有化学过滤介质,与塑料网筛卷绕,用于间隔所述层。所述结构是流过结构,少有或没有过滤特性,但具有明显的反应吸附或反应能力。
图3是本发明结构的组件的剖视图。所述组件包括化学过滤介质和间隔层。化学过滤介质包括纳米纤维层,具有分散的活性颗粒在纳米纤维层内。间隔介质是一层,它在结构内提供足够的开放空间,以确保流体可以少有阻碍地流动通过结构。
图4A和B是用示意性表示装置,通过将颗粒沉积与电纺丝来自聚合物溶液的细纤维结合,可用于形成本发明的细纤维层。
图5和6是利用本发明的元件除去空气中甲苯测试污染物的测试装置和测试结果。
图7示出在加速穿透测试中设置在本发明细纤维基质网内的大表面积椰壳碳的性能。
具体实施方式
本发明的颗粒材料具有能够改进本发明的介质和层的活性特征和过滤特性的尺寸。所述材料可以由多种有用的材料制成,是惰性,反应性,吸收性,或吸附性的。所述材料可以对于通过网的运动相和夹带的颗粒载荷基本是惰性的,或者所述材料可以与流体、流体的溶解部分或流体中的颗粒载荷相互作用。某些或所有颗粒可以是惰性的。优选的颗粒是活性,反应性,吸收性或吸附性材料。对于本发明,术语"惰性"表示网中的材料或者基本不与流体或颗粒载荷起化学反应,或者基本不以任何明显的量将流体或颗粒负荷的部分物理吸收或吸附到颗粒上。在该"惰性"模式,颗粒只是改变纤维层的物理参数而介质包括一个或多个纤维层。利用多种添加技术,本发明的活性颗粒可被添加到本发明的元件的任意层。本发明的颗粒可以在纤维纺丝期间被结合入细纤维层,如在本申请其他地方所讨论的。另外,本发明的活性颗粒可被溶解或分散在含水或非水或混合的含水液体中,并且应用到本发明可用元件的任意层。
当利用与流体或颗粒载荷相互作用的活性颗粒时,除了改变介质或层的物理特性之外,所述颗粒还与运动流体或颗粒载荷的部分起反应或吸收或吸附运动流体或颗粒载荷的部分,以便改变通过所述网的材料。本文所披露技术的主要焦点是改进所述层的处理特性,以增强介质或层的物理结构的反应性/吸收/吸附能力或寿命,并且在需要时改进过滤性能。在很多所述应用中,会使用惰性颗粒和相互作用颗粒的组合。
本发明涉及聚合组合物,以细纤维的形式,如微纤维,纳米纤维,以纤维网的形式,或纤维垫,与颗粒一起用在独特改进的过滤器结构中。本发明的网包括基本连续的纤维相和分散在纤维团中的纤维间隔装置。在本发明的多个方面,纤维间隔装置可以包括所述网中的颗粒相。所述颗粒可以在所述网的表面上,表面制品上或贯穿网内形成的空隙空间中找到。所述网的纤维相可以形成基本单一的连续层,可以包含在多个分离限定的层中,或可以形成为无定形的纤维团,具有颗粒包含相任意贯穿所述网,形成包含空间围绕颗粒和内部网表面。颗粒的主要尺寸小于约5000微米。例如,颗粒的主要尺寸可以小于200微米,并且可以通常包括大约0.05-100微米或包括大约0.1-70微米。在基本连续的细纤维层,所述层的层厚度为大约0.0001-1cm,0.5-500微米,大约1-250微米,或大约2-200微米。在所述层中,分散在纤维中的是包括粒度为大约0.25-200微米,大约0.5-200微米,大约1-200微米,大约10-200,或大约25-200微米颗粒的装置。颗粒分散贯穿层中的纤维。颗粒的含量为大约0.1-50vol%,大约0.5-50vol%,大约1-50vol%,大约5-50vol%或大约10-50vol%。纤维的直径为大约0.001-大约2微米,0.001-大约1微米,0.001-大约0.5微米,或0.001-大约5微米,并且所述层的细纤维密实度为大约0.1-65%,大约0.5-50%;大约1-50%;大约1-30%和大约1-20%。颗粒在层中占所述层的含量为大约1-1000gm-m-2,大约5-200gm-m-2或大约10-100gm-m-2。
本发明还涉及膜或膜状层,具有由聚合材料以细纤维形式所得到的结构。所述膜通过对细纤维和颗粒进行热处理以形成多孔膜而形成。所述膜是基本连续的膜或薄膜状层,具有颗粒粘附在膜表面,嵌入膜中,或由膜聚合物体完全环绕。在本发明的膜中,颗粒的主要尺寸小于200微米,并且通常的尺寸为大约0.05-100微米或大约0.1-70微米。所述膜的厚度通常在大约0.5-大约5微米的范围内,孔度在大约0.1-5微米范围内,通常为大约1-2微米。优选膜的厚度小于约20微米,孔度为大约0.5-3微米。颗粒在膜结构中的含量为大约0.1-50vol%。最后,在膜中,颗粒在膜层中占所述膜的可用量达到大约10kg-m-2,通常为大约0.1-1,000gm-m-2,大约0.5-200gm-m-2或大约1-100gm-m-2。
颗粒可以采用多种规则的几何形状或无定形结构。所述形状可以包括无定形或随机形状,成团,球体,圆盘,椭圆形,长椭圆形,十字形状,杆状,空心杆或圆柱体,条状,三维十字形状具有多个颗粒形式伸入空间,空心球体,非规则形状,立方体,多个面,角和内部空间的实体棱柱。本发明的非球体颗粒的纵横比(颗粒的最小尺寸与主要或最大尺寸之比)可以在大约1:2-大约1:10的范围内,优选大约1:2-大约1:8。
本发明的颗粒可以由有机和无机材料及混合物制成。不与运动流体或夹带的颗粒相相互作用的颗粒包括有机或无机材料。有机颗粒可以用下述材料制成:聚苯乙烯或苯乙烯共聚物膨胀的或其他形式的材料,尼龙或尼龙共聚物,聚烯烃聚合物,包括聚乙烯,聚丙烯,乙烯,烯烃共聚物,丙烯烯烃共聚物,丙烯酸聚合物和共聚物包括聚甲基丙烯酸甲酯和聚丙烯腈。另外,颗粒可以包括纤维素材料和纤维素衍生物球。所述球可以由纤维素或由纤维素衍生物如甲基纤维素,乙基纤维素,羟甲基纤维素,羟乙基纤维素及其他材料制成。另外,颗粒可以包括硅藻土,沸石,滑石,粘土,硅酸盐,熔合的二氧化硅,玻璃球,陶瓷球,金属颗粒,金属氧化物等。本发明中打算使用的颗粒被表征为平均大小在大约0.01-5 10微米的范围内。尽管使用了亚微米活性颗粒,本发明可应用平均大小达到100微米的细粒。在任何情况,活性颗粒的平均大小会在颗粒平均大小的大约0.01-0.0001范围内。因此,活性颗粒的较大平均大小需要颗粒具有较大平均大小。颗粒包括碳颗粒,如活性碳,离子交换树脂/球,沸石颗粒,硅藻土,氧化铝颗粒如活性氧化铝,聚合物颗粒,包括例如苯乙烯单体,和吸收颗粒如商用超强吸收颗粒。特别合适的吸收/吸附颗粒是低密度、多孔颗粒,并且具有孔和穴,包括表面穴,直径范围从大约碳中的最小孔度是0.00035微米,为碳-碳距离,到100微米,并由较小孔相互连接。所述孔和穴有利于提供沉积的内表面,尤其是细粒的单层沉积,所述细粒具有的平均大小在大约0.01-10微米的范围内,并且随后可进入固定的细粒。1cm3的所述颗粒提供总共大约75-1,500m2的可用表面。碳颗粒可以锉削分开的活性碳的形式使用。所述活性碳可以与其他反应性吸收性或吸附性物质结合,所述物质可以混合或吸附到碳表面。可以使用其他形式的活性碳,包括碳纳米管,纳米颗粒,纳米线,纳米碳绳或较大格状或构造,其中单独的元件包括碳纳米管。所述纳米颗粒,如巴基球(buckyball),较小的纳米管(或其纳米管的部分),纳米绳等可以整合在纳米管的内部空间内或整合在纳米结构的碳原子晶格内。其他原子、分子或成分可以将结构或功能添加到纳米颗粒材料。
小分子,低聚物和聚合材料可用于本发明。小分子通常的分子量为小于大约500,通常由单个可识别分子单元构成,并且通常所述单元在分子结构中不重复。低聚物结构通常具有略大一些的分子量,但通常在结构中具有2-10个重复分子单元。聚合物单元通常具有明显更大的分子量,并且通常在聚合物结构中具有实际大于10个重复单元。低聚物和聚合物结构之间的差异并非总是明确的;不过,随着结构中重复单元数量的增加,材料在性质上会变得更趋向聚合。
颗粒可以是单分散或多分散的。在单分散颗粒中,大部分颗粒的直径或主要尺寸类似。例如,单分散颗粒的一个例子具有80%-90%的颗粒在大约0.8±0.5微米或大约1±0.25微米内。在多分散材料中,颗粒具有相当大部分的微粒具有不同的直径。多分散材料可以是两种单分散材料的混合物或具有相当大量的颗粒材料贯穿一大范围存在(例如)0.1-10或0.01-100微米。
球体或其他形状可以具有多种不同的物理形式,包括实心和空心形式。颗粒可以具有大体上球形或略微椭圆形的球形结构。球体可以是实心或者可以具有实质内部空穴空间。球体的壳厚度可以在大约0.05-大约500微米的范围内,而球体可以在大约0.5-大约5000微米的范围内。可以使用的其他圆形结构包括简单的螺旋管形结构,螺旋形或螺旋状结构,或互锁连接类型的链结构。
本发明的颗粒还可以包括反应性吸收或吸附纤维状结构,具有预定的长度和直径。所述纤维的纵横比通常为约1-约10:1,具有的纤维直径通常大于结构的细纤维直径。颗粒纤维与细纤维的直径比率通常为大约0.5-大约5000:1。可以使用多种其他规则的形状,包括圆柱形,空心圆柱形,十字形结构,三维十字形结构,I形梁结构,及其它等。颗粒还可以是不规则形状,使得颗粒具有相对明确的主要和次要尺寸,但是具有的外表面在性质上实质是不规则的。很多无定形的有机和无机颗粒可以具有不规则形状,但是可以具有可提供颗粒材料的间隔特性的尺寸。根据球体的物理形式和化学性质,球体的尺寸可以通过二次工艺,如超强吸收性,溶剂膨胀,热膨胀,孔隙度改变等来处理。从可得的微球体可被热处理,以便极大地膨胀微球体的体积。细纤维和微球体复合介质可以按照本发明生产,随后经二次处理-不局限于加热-,复合介质的结构可以可控方式进行微调,例如,对于的情况,根据所施加的热和温度水平,可以控制微球体的膨胀程度。例如,通过膨胀微球体,结构的厚度和松解度可以增加,并从而过滤特性可以希望的方式改变。应当理解,所述微球体的物理性质的变化应当由细纤维的弹性来适应,因为细纤维在微球体膨胀的情况会拉伸。根据微球体变化的可逆性,还可以形成膨松的结构,并然后使结构皱缩/收缩,以形成致密/紧凑的过滤结构。
所述网还可以用于过滤用途,因为表面介质或深度介质具有细纤维的连续网,由以颗粒形式存在的反应、吸收或吸附间隔或隔离装置改性,与介质中的纤维组合,提供品质因数,过滤效率,过滤渗透性,深度载荷和由最小压力降增加表征的延长的使用寿命。反应、吸收、或吸附间隔或隔离装置导致纤维网获得一结构,其中,纤维团或网部分具有降低的密实度,结构内分离的纤维或分离的网部分,和增加的纤维层厚度,而不需增加聚合物量或网中纤维的数量。纤维网的反应、吸附或吸收部分可以与通过纤维层的运动流体中的反应性化学物质起反应,或所述运动流体的化学成分可以被纤维层的吸收性或吸附性部分吸收或吸附。活性颗粒可以与惰性颗粒一起使用,只要颗粒的活性得以保持。所得到的结构获得改进的过滤特性,结合对增大压力降的承受能力,改进的品质因数,改进的渗透性,改进的效率,以及从通过纤维层的运动流体流中除去颗粒非反应性载荷和反应性气体或颗粒载荷的能力。本发明的细纤维可以是上述结构纤维的形式。细纤维可以由反应性纤维纺成。所述反应性纤维可以由具有反应性侧链如胺,磺酸,羧酸,或其他侧链的官能团的聚合物制成。所述侧链可以由聚合物本身衍生。例如,聚胺可以由高度官能化聚胺在取代基的聚合物侧链上留下酸和胺和平均官能度构成。类似地,形成的聚砜或聚丙烯酸材料可以具有活性或反应性酸基团。类似地,可以制备离子交换树脂材料,它在树脂颗粒内具有酸性,强酸性,碱性,或强碱性官能团,可以为本发明添加吸收或反应特性。所述材料可以溶解或悬浮,并且可以与本发明的传统纤维纺丝,或者可以单独纺成本发明的含有颗粒网。
所述网能够以这样的方式纺丝,使得活性颗粒或活性隔离装置分散到纤维中。优选的活性颗粒或间隔装置包括反应、吸收或吸附颗粒。所述颗粒可以分散在含有聚合物的溶液中。颗粒可以在形成期间添加至网或者在形成之后添加。在静电纺丝时,所述网由大量相互连接的纳米纤维或细纤维,与分散在纤维网内纤维网表面上的活性隔离或间隔装置或颗粒表征。在纤维网内,隔离颗粒在相互连接的纤维结构中形成空隙空间,降低密实度并增大运动流体流动。本发明还包括通过形成细纤维团,使隔离颗粒同时添加到纤维层或纺丝后将隔离颗粒添加到纤维层,来形成纤维网。在所述实施例中,颗粒布满整个纤维材料团。最后,本发明涉及将纺丝层形成全部完成的网或层,并随后在将网整合入有用制品之前,将活性颗粒添加到网表面。随后的处理包括层压,压延,压缩或其他工艺,可以将颗粒整合入并贯穿纤维网。在网形成时将颗粒同时添加到网或者在网形成之后将颗粒添加到网的一个优点,在当颗粒是溶剂可溶性颗粒时可以获得。将可溶颗粒溶解在溶液中会导致材料整合入纤维中,而不需保持颗粒为网中的独立相。在形成之后将颗粒添加到网中,保留了溶剂可溶性材料的颗粒形式。
材料网还可以具有梯度结构。在本文中,术语"梯度"表示网的某些组成(密度,密实度,纤维尺寸等)从网的一个表面到网的相对表面有变化。梯度可以由活性颗粒量的变化,活性和惰性颗粒的比例变化,或颗粒中的其他变化来表征。梯度还可以根据纤维重量或纤维数量的变化来表征。梯度通过在形成网时在网内连续形成或多或少的纤维或者或多或少的颗粒而形成。另外,间隔装置或颗粒的浓度可以具有梯度特征,其中,每单位体积颗粒材料的大小、重量或数量从网的一个表面到另一个表面显著增加或减少。本发明的介质能够以过滤器结构中单个细纤维网或系列细纤维网的形式使用。
术语"细纤维"表示纤维的纤维大小或直径为0.001-小于5微米或大约0.001-小于2微米,并且在某些情况,直径为0.001-0.5微米。多种方法可用于制造细纤维。Chung等,美国专利号6,743,273;Kahlbaugh等,美国专利号5,423,892;McLead,美国专利号3,878,014;Barris,美国专利号4,650,506;Prentice,美国专利号3,676,242;Lohkamp等,美国专利号3,841,953;和Butin等,美国专利号3,849,241;以上所有文献在此被结合入本文参考,这些文献披露了多种细纤维制造技术。本发明的细纤维通常是静电纺丝到基片上。基片可以是可渗透或不可渗透的材料。在过滤应用中,无纺过滤介质可用作基片。在其他应用中,纤维可以纺丝到不可渗透层上,并可以被取出用于下游加工。在所述应用中,纤维可以纺丝到金属桶或箔上。基片可以包括膨胀的PTFE层或层。所述层可用于多种应用中,可以提供过滤和来自活性颗粒的活性。
对于本专利申请,术语"吸附"表示将来自流体流的材料主动吸附并积聚在颗粒表面上的颗粒。术语"吸收"表示颗粒具有将来自流体流的材料积聚在颗粒的内部或空隙空间或空间中的能力。"化学反应性"表示颗粒具有与流体流中的材料起反应并且使颗粒特征和流体流中材料的化学特征发生化学变化的能力。在本申请中,"流体流"表示可能含有颗粒的气体流或液体流。颗粒可以或者从流体流中被过滤掉或者颗粒可以被本发明的颗粒材料吸附、吸收或与它起反应。术语"活性颗粒"在本文中使用时,是指吸收性、吸附性或反应性颗粒。术语"惰性颗粒"是指没有实质吸收、吸附或反应能力的颗粒。所述颗粒可用作隔离装置或用于占据空间。
对于本发明,术语"介质"包括一种结构,它包括纤维网,包括基本连续的细纤维团,以及分散在纤维中的本发明的隔离或间隔材料。在本文中,术语"介质"表示本发明的纤维网,包括细纤维和分散的颗粒结合本文披露的某些活性或惰性类型的基片。术语"元件"表示本发明的"介质"与其他部件的组合,包括(例如)圆柱体或平板结构形式的滤芯部件。在本文中,术语"网"包括基本连续或不间断的细纤维相与隔离颗粒相。连续网对于妨碍运动相中颗粒污染物载荷的通过是必要的。单个网,两个网或多个网可以组合以制成本发明的过滤介质。
″品质因数"可以被认为是收益成本比,其中效率是收益,而标准化压力降(ΔP)是成本(ΔP/介质速度)。"成本"是标准化的,以便可以由不同速度的测试运行比较品质因数。品质因数只是比较介质的指标。较大的品质因数值好于小的品质因数值。计算品质因数的公式如下:
品质因数=-Ln(渗透性)/(ΔP/介质面速度)
在上面列出的公式中,ΔP是跨介质的压力降,而公式中使用的单位是cm Hg;介质面速度的单位是cm/sec;Ln(渗透性)是渗透性的自然对数。并且渗透性定义如下:
渗透性=1-效率
报告品质因数的测量值的标准单位如下:
1/(cm Hg)/(cm/sec)或(cm/sec)/cm Hg
在很多应用中,尤其是涉及较大流动速率的应用,使用另一类型的过滤介质,有时一般称之为"深度"介质。通常的深度介质包括较厚缠绕的纤维材料。深度介质一般以它的孔隙度,密度或百分比固体含量来定义。例如,2-3%的密实度介质是这样设置的深度介质垫,使得大约2-3%的总体积包括纤维材料(固体),其余部分是空气或气体空间。
在本发明过滤器的基片上形成的细纤维层在颗粒分布、过滤性能和纤维分布上应当基本均匀。基本均匀,表示纤维对基片具有足够的覆盖率,贯穿所覆盖的基片具有至少某种可测量的过滤效率。本发明的介质可用于层压物,在过滤器结构中具有多个网。本发明的介质包括至少一个细纤维结构的网。在其上面可以形成细纤维和活性颗粒的基片可以是活性或非活性基片。所述基片可以将活性材料以涂层,颗粒,或纤维的形式整合入基片层,可以对总体结构添加吸附/吸收或反应特性。
纤维网的总厚度为纤维直径的大约1-100倍或大约1-300微米或大约5-200微米。所述纤维网可以包括大约5-95wt.-%纤维和大约95-5wt.-%活性颗粒或大约30-75wt.-%纤维和大约70-25wt.-%活性颗粒,占据所述层的大约0.1-50vol%或所述层的大约1-50vol%或2-50vol%。介质的整体密实度(包括活性或非活性颗粒的贡献)为大约0.1-大约50%,优选大约1-大约30%。不包括结构中颗粒贡献的所述网的密实度为大约10-大约80%。本发明的过滤介质可以获得的过滤效率为大约20-大约99.9999%,这按照本文所述的ASTM-1215-89进行测量,使用0.78μ单分散聚苯乙烯球形颗粒,速度为13.21fpm(4米/分钟)。当用于HEPA类型的应用时,在10.5fpm和0.3微米NaCl或DOP粒度下,过滤器的性能为大约99.97%的效率。对于这种类型效率测试的效率数字(0.3微米DOP,测试速度为10.5fpm),产生的效率在20-99.9999%的范围内。
品质因数M可以在10-105的范围内。本发明的过滤纤维网通常在Frazier渗透性试验中会表现出的渗透性为至少大约1米-分钟-1,优选大约5-大约50米-分钟-1。当用作非活性颗粒或隔离装置时,表征本发明纤维网颗粒相的颗粒是这样的颗粒,它或者对于运动相和夹带的污染物载荷呈惰性,或者对于运动流体或载荷具有某种特定的活性。
本发明的颗粒材料具有的尺寸能够改进介质的过滤特性和本发明结构的活性反应,吸收或吸附特征。材料可用多种有用的材料制成。材料可以或者对于通过纤维网的运动相和夹带的颗粒载荷基本呈惰性,或者材料可以与流体或颗粒载荷相互作用。在"惰性"模式,隔离颗粒只改变纤维层和包括一个或多个纤维层的介质的物理参数。当使用与流体或颗粒载荷相互作用的颗粒时,颗粒除了改变介质或层的物理特性之外,还可以与运动流体或颗粒载荷的部分起反应或吸收或吸附运动流体或颗粒载荷的部分,以便改变穿过纤维网的材料。本文所述技术的主要目的是改进介质或层的物理结构和吸收、反应或吸附特征,并且改进过滤性能。为了上述目的,可以使用活性或惰性颗粒。在某些应用中,基本惰性颗粒可与能够与运动相或颗粒载荷相互作用的颗粒结合使用。在所述应用中,可以使用惰性颗粒和相互作用颗粒的组合。所述活性颗粒和惰性颗粒的组合可以提供改进的过滤特性和吸收、或吸附特性。
优选的纤维隔离活性、吸附或吸收装置包括颗粒。所述颗粒,用于本发明的独特过滤器结构中,占据过滤器层或垫中的空间,降低纤维的有效密度,增加了流体通过过滤器的曲折路径,并且吸收、吸附流体或溶解或分散在流体中的材料或与它们起反应。另外,颗粒可以提供机械空间保持效果,同时另外与运动流体发生化学反应或吸附或吸收运动流体中的气体、液体或固体成分。本发明的活性层可以包括纳米纤维层和分散纳米纤维层中本发明的反应性、吸收性、或吸附颗粒。本发明的纳米纤维层的厚度通常在大约0.5-大约300微米,1-大约250微米或2-大约200微米的范围内,并且在层内包含占所述层大约0.1-大约50或10-大约50vol%的本发明惰性(如果有的话)和活性颗粒形式的颗粒。在这种情况下,本发明的活性颗粒可以某个量与惰性隔离颗粒结合。本发明的活性颗粒用作吸收、吸附流体流内的杂质或与它起反应,而惰性颗粒只在层内提供排除体积,以降低密实度,改进效率和其他过滤特性。
低压力降活性颗粒,化学反应,吸收,或吸附基片用于从空气流中除去气相杂质,是由吸收/吸附/反应介质的扁平片材卷,与隔离介质层叠或卷绕在一起,以形成具有开口的通道和吸收性/吸附性/反应性壁的吸附/反应性基片而形成。另外,隔离介质可以制成是吸收性/吸附性/反应性的,以便对最终化学装置的总体寿命/性能作出贡献。形成开口通道的隔离介质可以用筛网,聚合物球的单线,胶点,金属肋,波纹状金属丝/聚合物/纸筛网,波纹状金属/纸/聚合物片材,聚合物条,黏合剂条,金属条,陶瓷条,纸条,或者甚至由设置在介质表面的凹痕形成。通过由吸收性/吸附性/反应性材料涂敷它们或挤压/形成它们,这些隔离介质可被制成吸收性/吸附性/反应性的。污染的空气流主要沿由隔离介质形成的通道引导。空气与吸附性/反应性介质壁和/或隔离介质相接触,并随后被吸附或被起反应。通道的大小和形状由隔离介质的形状和大小控制。示例包括正方形,矩形,三角形,和不确定形状,可由聚合物/黏合剂的点阵图形形成。壁和隔离介质的化学性质可以特定以吸附酸性,碱性,以及有机和水蒸气,以及若干特定类的化合物,包括反应性羰基化合物,包括甲醛,乙醛和丙酮。
反应性材料可以多种形式或功能开始。这些形式包括反应性颗粒层连接至基片。反应性材料可以通过黏合剂或纤维固定在一起,以便封装,或只是固定,颗粒和/或其他纤维织物材料被附加,以将反应性材料固定在位,并使颗粒的脱落减到最小。反应性材料还可以夹在纤维织物层之间。所述纤维织物有助于在层之间产生通道或空间。这可以通过高松解度的纤维织物材料实现,所述材料会给予适当的间隔,以及将所有反应性颗粒固定在介质中的能力。反应性或吸附性颗粒可以固定在一起或散布在纤维。颗粒和纤维(还有纳米纤维)的组合得到一材料,它具有若干优点:增强的扩散;允许使用更小的颗粒,从而增加外表面积,并因此提高反应速率;增强的渗入反应层的渗透力;将颗粒和化学过滤组合成为单一层;以及将反应物直接应用于过滤用途,而不需要基片或载体(即浸渍的吸附剂)。
除了使用已被浸渍或涂有反应物质的颗粒之外,本领域技术人员显而易见的是,在形成纤维网和结构之后可以进行上述改性。在形成纤维网和结构之后对颗粒和纤维网赋予反应活性可以利用多种不同的涂层工艺实现。例如,喷雾涂层,浸渍涂层,气溶胶沉积,化学气相沉积,吻合涂层,和真空涂层。最后步骤可能涉及干燥工艺,可能包括或不包括热处理,气体净化,或真空方法。
特定方面:
本发明的第一方面涉及活性颗粒的成卷基片的使用,所述活性颗粒如来自KX Industries(商品名PLEXX)的活性碳,与尼龙筛网卷绕,以形成低压力降挥发性有机化学过滤器。扁平片材或成卷良好形式的类似活性碳基片可从其他供应商处获得,并且能够以类似的方式应用。材料需要能够保持形状和柔性,以能够形成不同过滤器元件,并且减少颗粒的脱落。本发明的另一方面涉及使用纳米纤维和活性颗粒,如活性碳粉末,同分散到空气流,或腔室,并且沉积在基片上,所述基片可以是任何薄的、柔性的多孔基片(例如,纤维织物,纸,网状织物等)。纳米纤维捕获,或固定,吸附性颗粒在薄层上,并因此减少颗粒的脱落。该基片层和纳米纤维/吸附层的整个组合随后与隔离层卷绕,提供非限制性通道,用于空气流动或传输。所述层可以包括颗粒的混合,所述颗粒各自与不同的化学物质起反应。例如,活性碳还可以包括浸渍剂,它特定用于酸性,碱性或反应性有机杂质。示例包括,用于除去胺和氨的柠檬酸,用于除去二氧化硫和其他酸性气体的氢氧化钾,和用于除去含有羰基化合物的2,4-二硝基苯肼。本发明的第三方面是使用纳米纤维和柠檬酸粉末,或小颗粒,同分散到空气流,或腔室,并且沉积在基片上,所述基片可以是任何薄的、柔性的多孔基片(例如,纤维织物,纸,网状织物等)。
本发明的另一方面涉及在本发明的元件中使用催化TiO2颗粒,纤维或层。所述催化层,当受到UV光照射时,可以在催化剂和落入运动相的材料之间引起化学反应,并且可以除去材料或者将所述材料从有毒或有害的材料转变成良性材料。具有某种比例的UV(小于350nm)和可见光辐射(约350-700nm)的环境光照通常可以是充分辐射能量源,为元件中的TiO2获得催化效果。如果环境条件不足以获得活性,元件可以利用单独的UV源。荧光UV源是已知的,并且可以用作单独的照射源,或可以整合入元件,以提供大量的UV辐射到TiO2上。
纳米纤维捕获,或固定反应性颗粒在薄层上,并因此减少颗粒的脱落。该基片层和纳米纤维/吸附层的整个组合随后与隔离层卷绕,提供非限制性通道,用于空气流动或传输。含有分散在层中的活性颗粒的细纤维层可以由多种聚合物种类制成。因为聚合物种类包括一系列聚合物材料,聚合物可以是单一聚合物种类或聚合物种类的混合或两种或两种以上聚合物种类的聚合物合金。纤维可以利用任何已知的细纤维制造技术制成,所述技术涉及在必要时将聚合物与其他聚合物或添加剂组合,并然后使用成型技术使聚合物成形为希望的细纤维聚合物。分别使用了混合比例为48%-52wt%的例1中的聚合物和例2中的聚合物。
本发明的另一方面是使用纳米纤维和离子交换树脂,或小颗粒,同分散到空气流,或腔室,并且沉积在基片上,所述基片可以是任何薄的、柔性的多孔基片(例如,纤维织物,纸,网状织物等)。纳米纤维捕获,或固定反应性颗粒在薄层中,并因此减少颗粒的脱落。该基片层和纳米纤维/吸附层的整个组合随后与隔离层卷绕,提供非限制性通道,用于空气流动或传输。
可用作本发明纤维聚合物组合物的聚合物材料包括加聚物和缩聚物材料,如聚烯烃,聚甲醛,聚酰胺,聚酯,纤维素醚和酯,聚亚烃化硫,聚芳撑氧,聚砜,改性的聚砜聚合物及其混合物。属于上述属类的优选材料包括聚乙烯,聚丙烯,聚(氯乙烯),聚甲基丙烯酸甲酯(和其他丙烯酸树脂),聚苯乙烯,及其共聚物(包括ABA型嵌段共聚物),聚(偏氟乙烯),聚(偏氯乙烯),交联和非交联形式的各种水解度(87%-99.5%)的聚乙烯醇。优选的加聚物倾向于玻璃状的(Tg大于室温)。对于聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯,聚苯乙烯聚合物组合物或合金或低结晶度的聚偏氟乙烯和聚乙烯醇材料来说,是这种情况。一类的聚酰胺缩聚物是尼龙材料。术语"尼龙"是属名,用于所有长链合成聚酰胺。通常,尼龙命名包括一系列数字,如在尼龙-6,6中,表示原材料是C6二胺和C6二酸(第一个数字表示C6二胺,而第二个数字表示C6二羧酸化合物)。尼龙可以由在存在少量水的情况下ε已内酰胺的缩聚作用制成。该反应形成尼龙-6(由环内酰胺制成-又被称作ε-氨基已酸),它是线性聚酰胺。另外,还涉及尼龙共聚物。共聚物可以通过将不同二胺化合物,不同二酸化合物和不同环内酰胺结构结合成反应混合物,然后形成在聚酰胺结构上具有随机定位的单体材料的尼龙,来制备。例如,尼龙6,6-6,10材料是用环己二胺和二酸的C6和C10混合物制造的尼龙。尼龙6,6-6,6,10是由ε氨基已酸,环己二胺和C6和C10二酸材料的混合物的共聚作用制造的尼龙。
嵌段共聚物也可用于本发明的方法中。对于所述共聚物,溶剂溶胀剂的选择是重要的。所选择的溶剂是这样的,使得两种嵌段均可溶解在溶剂中。一个例子是二氯甲烷溶剂中的ABA(苯乙烯-EP-苯乙烯)或AB(苯乙烯-EP)聚合物。如果一种成分不可溶于溶剂中,它会形成凝胶。所述嵌段共聚物的例子是类型的苯乙烯-b-丁二烯和苯乙烯-b-氢化丁二烯(乙烯丙烯),类型的ε-已内酰胺-b-环氧乙烷,聚酯-b-环氧乙烷和环氧乙烷和异氰酸酯的聚氨酯。
加聚物如聚偏氟乙烯,间规聚苯乙烯,偏二氟乙烯和六氟丙烯的共聚物,聚乙烯醇,聚醋酸乙烯酯,非晶形加聚物,如聚(丙烯腈)及其与丙烯酸和甲基丙烯酸酯的共聚物,聚苯乙烯,聚(氯乙烯)及其各种共聚物,聚(甲基丙烯酸甲酯)及其各种共聚物,可以相对容易地溶液纺丝,因为它们在低压和温度下可溶解。不过,高度结晶的聚合物,如聚乙烯和聚丙烯需要高温、高压溶剂,如果它们要进行溶液纺丝的话。因此,聚乙烯和聚丙烯的溶液纺丝是非常困难的。静电溶液纺丝是制备纳米纤维和微纤维的一种方法。
用于本发明该层的聚氨酯(PU)聚醚可以是脂族或芳族聚氨酯,这取决于所用的异氰酸酯,并且可以是聚醚型聚氨酯或聚酯聚氨酯。具有良好物理特性的聚醚氨基甲酸乙酯可以通过羟基封端的聚醚或聚酯中间体和具有脂族或芳族(MDI)二异氰酸酯的增链剂的熔融聚合来制备。羟基封端的聚醚具有环氧烷烃重复单元,包含2-10个碳原子,并且重量平均分子量为至少1000。增链剂是基本不分支的二醇,具有2-20个碳原子。增链剂的用量从0.5-小于2摩尔/每摩尔羟基封端的聚醚。优选的,聚醚聚氨酯是热塑性的并且具有的熔点为大约140℃-250℃或以上(例如,150℃-250℃),优选180℃或以上。
在第一种模式,本发明的聚氨酯聚合物可以只是通过将二-,三-或更高官能度的芳族或脂族异氰酸酯化合物与可以包括聚酯多元醇或聚醚多元醇的多元醇化合物结合来制备。多元醇中活性氢原子与异氰酸酯基团之间的反应以直截了当的方式形成了加成聚氨酯聚合物材料。OH:NCO比率通常为大约1:1,在完成的聚合物中留下很少或没有未反应的异氰酸酯。在任何未反应的异氰酸酯化合物中,利用异氰酸酯反应化合物可以清除反应性。在第二种模式,聚氨酯聚合物能够以逐步方式由异氰酸酯封端的预聚物材料合成。聚氨酯可以由异氰酸酯封端的聚醚或聚酯制成。异氰酸酯封端的多元醇预聚物可以用芳族或脂族二羟基化合物进行扩链。术语"异氰酸酯封端的聚醚或聚氨酯"一般是指预聚物,它包括多元醇,已经与二异氰酸酯化合物(即,包含至少两个异氰酸酯(-NCO)基团的化合物)起反应。在优选的形式中,预聚物的官能度为2.0或以上,平均分子量为大约250-10,000或600-5000,并且被制备成基本不含未反应的单体异氰酸酯化合物。术语"未反应的异氰酸酯化合物"是指含有游离单体的脂族或芳族异氰酸酯化合物,即,结合预聚物的制备用作原材料,并且在预聚物组合物中保持不反应的二异氰酸酯化合物。
本文中所用的术语"多元醇",一般是指聚合化合物,具有过于一个的羟基(-OH)基团,优选脂族聚合(聚醚或聚酯)化合物,它用羟基基团在每一端封端。扩链剂是双官能和/或三官能化合物,具有的分子量为62-500,优选脂族二醇具有2-14个碳原子,例如,乙二醇,1,6-己二醇,二乙二醇,二丙二醇,和,特别是1,4-丁二醇。不过,同样合适的是对苯二酸的二酯,乙二醇具有2-4个碳原子,例如,对苯二酸二-乙二醇或1,4-丁二醇,氢醌的羟基亚烷基醚,例如,l,4-二(B-羟乙基)-氢醌,(环)脂族二胺,例如,异佛乐酮-二胺,乙二胺,1,2-,1,3-丙烯-二胺,N-甲基-1,3-丙烯-二胺,N,N'-二甲基-乙烯-二胺,和芳族二胺,例如,2,4-和2,6-二苯乙烯-二胺,3,5-二乙基-2,4-和/或-2,6-二苯乙烯-二胺,和第一邻-二-,三-和/或四-烷基-取代的4,4'-二氨基二苯甲烷。还可以使用上述扩链剂的混合物。优选的多元醇是聚酯,聚醚,聚碳酸酯或其混合物。多种多元醇化合物可用于制备预聚物。在优选实施例中,多元醇可以包括聚合二醇,包括例如,聚醚二醇和聚酯二醇及其混合物或共聚物。优选的聚合二醇是聚醚二醇,更优选是聚烷撑醚二醇。示例的聚烷撑聚醚二醇包括,例如,聚乙烯醚二醇,聚丙烯醚二醇,聚四甲基醚二醇(PTMEG)和聚六亚甲基醚二醇及其混合物或共聚物。所述聚烷撑醚二醇中优选的是PTMEG。聚酯二醇中优选的是,例如,聚己二酸丁二醇酯二醇和聚己二酸乙二醇酯二醇及其混合物或共聚物。其他聚醚多元醇可以通过使在烷撑基中具有2-4个碳原子的一种或多种环氧烷烃与其内包含两个结合的活性氢原子的起始分子起反应来制备。下面提到的是环氧烷烃的例子:环氧乙烷,1,2-环氧丙烷,表氯醇和1,2-和2,3-环氧丁烷。优选使用环氧乙烷,环氧丙烷和1,2-环氧丙烷和环氧乙烷的混合物。环氧烷烃可以单独使用,交替连续或以混合物的形式使用。起始分子包括,例如:水,氨基醇,如N-烷基二乙醇胺,例如N-甲基-二乙醇胺,和二醇,如乙二醇,1,3-丙二醇,1,4-丁二醇和1,6-己二醇。还可以使用起始分子的混合物。合适的聚醚多元醇还是四氢呋喃的含有羟基基团的聚合产物。合适的聚酯多元醇可以由,例如,具有2-12个碳原子,优选4-6个碳原子的二羧酸,和多元醇制备。合适的二羧酸包括,例如:脂族二羧酸,如丁二酸,戊二酸,己二酸,辛二酸,壬二酸和癸二酸,以及芳族二羧酸,如邻苯二甲酸,间苯二甲酸和对苯二甲酸。二羧酸可以单独使用或以混合物形式使用,例如,以丁二酸,戊二酸和己二酸混合物的形式。制备聚酯多元醇,使用相应的二羧酸衍生物,如在醇基中具有1-4个碳原子的羧酸二酯,羧酸酐或羧酸氯化物,来取代二羧酸,可能是有利的。多元醇的例子是具有2-10,优选2-6个碳原子的二醇,如乙二醇,二乙二醇,1,4-丁二醇,1,5-戊二醇,1,6-己二醇,1,10-癸二醇,2,2-二甲基-l,3-丙二醇,1,3-丙二醇和二丙二醇。根据需要的特性,多元醇可以单独使用,或者可选地彼此混合使用。同样合适的是碳酸与上述二醇的酯,特别是具有4-6个碳原子的二醇,如1,4-丁二醇和/或1,6-己二醇,ω-羟基羧酸的缩聚产物,例如ω-羟基己酸,和优选内酯的聚合产物,例如,可选替代的ε-己内酯。上述优选用作聚酯多元醇乙二醇聚己二酸,1,4-丁二醇聚己二酸,乙二醇-1,4-丁二醇聚己二酸,1,6-己二醇新戊二醇聚己二酸,1,6-己二醇-1,4-丁二醇聚己二酸和聚己酸内酯。聚酯多元醇的分子量为600-5000。
用于获得聚合物或预聚物的多元醇的平均分子量数量在大约800-大约3500的范围内,以及其内所有的组合和亚组合。更优选的,多元醇的平均分子量数量在大约1500-大约2500的范围内,更优选的是数量平均分子量为大约2000。
预聚物中的多元醇可以用异氰酸酯化合物封端或可以完全与热塑性聚氨酯(TPU)反应。多种二异氰酸酯化合物可用于制备本发明的预聚物。一般来说,二异氰酸酯化合物可以是芳族或脂族,优选芳族二异氰酸酯化合物。包括在合适有机二异氰酸酯的是,例如,脂族,环脂族,芳脂族,杂环和芳族二异氰酸酯,如披露于,例如,Justus LiebigsAnnalen der Chemie,562,75–136页。合适的芳族二异氰酸酯化合物的例子包括二苯甲烷二异氰酸酯,二甲苯二异氰酸酯,甲苯二异氰酸酯,亚苯基二异氰酸酯,和萘二异氰酸酯及其混合物。合适的脂族二异氰酸酯化合物的例子包括二环己基甲烷二异氰酸酯和环己烷二异氰酸酯及其混合物。二异氰酸酯化合物中优选的是MDI,至少部分是由于它的一般商业可用性,和高度安全性,以及它的一般理想的与增链剂的反应性(下文将更全面地讨论)。除了上述示例的以外,其他二异氰酸酯化合物对于本领域普通技术人员来说在掌握了本发明后是显而易见的。下述是具体例子:脂族二异氰酸酯,如环己烷二异氰酸酯,环脂族二异氰酸酯,如异佛乐酮二异氰酸酯,1,4-环己烷二异氰酸酯,l-甲基-2,4-和-2,6-环己烷二异氰酸酯以及相应的同质异构混合物,4,4'-,2,4'-和2,2'-双环己基甲烷二异氰酸酯以及相应的同质异构混合物,和优选的芳族二异氰酸酯,如2,4-二苯乙烯二异氰酸酯,2,4-和2,6-二苯乙烯二异氰酸酯的混合物,4,4'-,2,4'-和2,2'-二苯基甲烷二异氰酸酯,2,4'-和4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物,氨基甲酸乙酯改性的液体4,4'-和/或2,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯,4,4'-二异氰酸二苯乙烷-(l,2)和1,5-亚萘基二异氰酸酯。优选使用1,6-环己烷二异氰酸酯,异佛乐酮二异氰酸酯,二甲基环己烷二异氰酸酯,二苯甲烷二异氰酸酯同质异构混合物,具有4,4'-二苯甲烷二异氰酸酯的含量大于96wt.%,尤其是4,4'-二苯甲烷二异氰酸酯和1,5-亚萘基二异氰酸酯。
为了制备TPU,链延长成分可选地在存在催化剂,辅助物质和/或添加剂的条件下起反应,用量是NCO基团对所有NCO-反应基团总和的当量比,特别是低分子量二醇/三醇和多元醇的OH基团,为0.9:1.0-1.2:1.0,优选0.95:1.0-1.10:1.0。合适的催化剂,尤其是加速二异氰酸酯的NCO基团和二醇成分的羟基基团之间的反应的催化剂,是现有技术已知的传统叔胺,例如,三乙胺,二甲基环己胺,N-甲基吗啡啉,N,N'-二甲基-哌嗪,2-(二甲氨基乙氧基)-乙醇,和二氮杂二环-(2,2,2)-辛烷等,以及尤其是有机金属化合物,如钛酸酯,铁化合物,锡化合物,例如,二乙酸锡,二异辛酸锡,二月桂酸锡或脂族羧酸的锡二烷基盐,如二乙酸二丁基锡,或二丁基二月桂酸锡等。催化剂通常的用量为0.0005-0.1份/100份多羟基化合物。除了催化剂之外,还可以将辅助物质和/或添加剂整合入链延长成分。可能提到的例子包括润滑剂,防结块剂,抑制剂,抗水解、光、热和变色的稳定剂,防火剂,着色剂,色素,无机和/或有机填料和增强剂。增强剂特别是纤维增强材料,例如,无机纤维,是按照现有技术制备的并且还能够以一定大小提供。
可以结合入PU的其他成分是热塑性材料,例如聚碳酸酯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物,尤其是ABS。其他弹性体,例如,橡胶,乙烯-乙酸乙烯聚合物,苯乙烯丁二烯共聚物和其他PU,同样可以使用。同样适合结合的是商用的增塑剂,例如,磷酸盐,邻苯二甲酸酯,己二酸,癸二酸酯。本发明的PU是连续生产的。可以使用已知的带式工艺或挤压工艺。成分可以同时,即一次注射,或连续,即通过预聚物工艺进行计量。在这种情况下,预聚物可以分批或连续导入挤压机的第一部分,或者它可以在设置在上游的单独预聚物装置中制备。优选使用挤压工艺,可选地结合预聚物反应器。
纤维可以通过传统方法制成,并且可以通过对聚氨酯PU或混合的聚醚氨基甲酸乙酯和添加剂进行熔融纺丝制成。熔融纺丝是公知的工艺,其中,聚合物通过受挤压熔化,通过纺丝头进入空气,通过冷却固化,并通过将纤维卷绕在收集装置上进行收集。通常,在聚合物温度为大约150℃-大约300℃下熔融纺丝纤维。
聚合材料已经被制作成无纺织物和纺织物,纤维和微纤维。聚合材料提供产品稳定性所需的物理特性。所述材料不应当在光照、潮湿、高温或其他不利环境影响下在尺寸上显著变化,发生分子量下降,变得少柔性或发生应力断裂,或物理损伤。本发明涉及改进的聚合材料,它可以在面对诸如环境光照的入射电磁辐射、热、潮湿和其他物理挑战时保持物理特性。
我们业已发现,以聚合物混合物、合金形式或交联化学结合的结构形成包括两种或两种以上聚合材料的聚合物组合物是相当有利的。我们相信,所述聚合物组合物通过改变聚合物属性,如改进聚合物链的柔性或链活动性,增加总体分子量和通过形成聚合材料的网络提供强化,来改进物理特性。
在这种构思的一种实施例中,两种相关或不相关的聚合材料可以混合,用于获得有利的特性。例如,高分子量聚氯乙烯可以与低分子量聚氯乙烯混合。类似地,高分子量尼龙材料可以与低分子量尼龙材料混合。另外,总聚合属类的不同物类可以混合。例如,高分子量苯乙烯材料可以与低分子量、高冲击强度聚苯乙烯混合。尼龙-6材料可以与尼龙共聚物,如尼龙-6,6-6,6,10共聚物混合。另外,具有低水解度的聚乙烯醇,如80%-87%水解的聚乙烯醇可以与水解度为98-99.9%和以上的完全或超强水解的聚乙烯醇混合。所有这些混合的材料可以利用合适的交联机理进行交联。尼龙可以利用可与酰胺键中的氮原子反应的交联剂交联。聚乙烯醇材料可以利用羟基反应性材料,如单醛,如甲醛,尿素,三聚氰胺-甲醛树脂及其相似物,硼酸和其他无机化合物,二醛,二酸,氨基甲酸乙酯,环氧树脂和其他已知的交联剂进行交联。交联技术是公知和理解的现象,其中,交联试剂反应并形成聚合物链之间的共价键,以显著改进分子量,耐化学性,总体强度和对机械降解的抗性。
我们业已发现,添加材料可以显著改进细纤维形式的聚合材料的特性。通过使用添加材料,可以明显改进对热,潮湿,冲击,机械应力和其他负面环境影响的耐受性。我们业已发现,在处理本发明的微纤维材料时,添加材料可以改进疏油特征,疏水特征,并且表现出有助于改进材料的化学稳定性。我们相信,微纤维形式的本发明的细纤维通过使用这些疏油和疏水添加剂得以改进,因为这些添加剂形成保护性涂层,烧蚀表面或渗透表面至某种深度,以改进聚合材料的性质。我们相信,所述材料的重要特征是存在强疏水性基团,它优选还具有疏油特征。强疏水性基团包括碳氟化合物基团,疏水性碳氢化合物表面活性剂或块和实质碳氢化合物低聚组合物。所述材料以组合物制造,具有部分分子倾向于与聚合材料相容,通常提供与聚合物的物理键或结合,而强疏水性或疏油性基团,由于添加剂与聚合物的结合,形成位于表面上的保护性表面层或与聚合物表面层形成合金或混合。对于具有10%添加剂含量的0.2-微米纤维,计算的表面厚度为大约如果添加剂已朝向表面移动的话。相信会发生移动,这是由于块体材料中疏油或疏水基团的不相容性质。的厚度似乎是保护性涂层的合理厚度。对于0.05-微米直径的纤维,的厚度对应20%的质量。对于2微米厚的纤维,的厚度对应2%的质量。优选添加材料的用量为大约2-25wt.%。可以与本发明的聚合材料结合使用的低聚物添加剂包括分子量为大约500-大约5000,优选大约500-大约3000的低聚物,包括氟化物,非离子表面活性剂和低分子量树脂或低聚物。可用的苯酚添加材料的示例包括Enzo-BPA,Enzo-BPA/苯酚,Enzo-TBP,Enzo-COP和其他相关的酚醛塑料,这些材料从Enzymol International Inc.,Columbus,Ohio获得。
现有很多种纤维过滤介质用于不同的用途。本发明所述的耐用纳米纤维和微纤维可以添加到任何介质中。本文所披露的纤维还可用于替代这些现有介质的纤维成分,获得改进性能(改进的效率和/或降低的压力降)的显著优点,这是由于它们具有小的直径,同时表现出更大的耐用性。
聚合物纳米纤维和微纤维是已知的,不过,它们的使用非常有限,这是因为它们对机械应力的脆弱性,以及由于它们非常高的表面积与体积之比,它们对化学降解的敏感性。本发明所述的纤维解决了上述局限性,并因此可应用于很多种过滤,纺织品,薄膜和其他多种用途。
本发明的介质结构包括具有第一表面的第一层可渗透粗纤维介质或基片。第一层细纤维介质固定至第一层可渗透粗纤维介质的第一表面。优选地,第一层可渗透粗纤维材料包括平均直径为至少10微米,通常并优选为大约12(或14)-30微米的纤维。同样优选地,第一层可渗透粗纤维材料包括基重不大于大约200g/m2,优选大约0.50-150g/m2,最优选至少8g/m2的介质。优选的,第一层可渗透粗纤维介质为至少0.0005英寸(12微米)厚,并通常和优选为大约0.001-0.030英寸(25-800微米)厚。本发明的元件,包括细纤维和分散的颗粒层,可以与本说明书其他部分所讨论的多种其他层结合。所述层可以制成本发明的扁平或共平面片材形式的层或可以是折叠的,波纹状的或形成构成本发明的低压力降流通元件所需的实际上任何其他截面形状。基片可以包括膨胀的聚PTFE层或Teflon层。基片还可以基本不含特氟纶(Teflon),膨胀的聚PTFE层,或拉伸的PTFE纤维或层。所述层可用于多种应用中,可以提供过滤和来自活性颗粒的活性。所述层还可以帮助限制颗粒进入元件。
在优选结构中,第一层可渗透粗纤维材料包括这样的材料,如果通过Frazier渗透性试验独立于结构的其余部分进行评估,所表现出的渗透性为至少1米/分钟,并通常和优选为大约2-900米/分钟。在本文中,当提到效率时,除非另有说明,效率是指按照ASTM-1215-89进行测量,使用0.78μ单分散聚苯乙烯球形颗粒,速度为20fpm(6.1米/分钟),如本文所述。
优选地,固定至可渗透粗纤维介质层的第一表面的细纤维材料层是一层纳米和微纤维介质,其中,纤维的平均纤维直径不大于大约2微米,一般并优选不大于大约1微米,并通常和优选的纤维直径小于0.5微米,并在大约0.05-0.5微米的范围内。另外,优选固定至第一层可渗透粗纤维材料的第一表面的第一层细纤维材料的总厚度不大于大约30微米,更优选不大于20微米,最优选不大于大约10微米,并且通常和优选是厚度为所述层的细纤维平均直径的大约1-8倍内(并更优选不大于5倍)。
静电纺丝工艺可以形成单位的微纤维或纳米纤维。用于形成纤维的合适装置在Barris,美国专利号4,650,506中示出。该装置包括容器,其中容纳有形成细纤维的聚合物溶液,泵和旋转型喷射装置或喷射器,聚合物溶液被泵送到该喷射器。喷射器一般由旋转接头,包括多个偏置孔的旋转部分和连接向前部分和旋转接头的轴组成。旋转接头通过空心轴将聚合物溶液导向向前部分。另外,旋转部分可以浸入聚合物的容器中,由容器和泵输送。旋转部分随后从容器获得聚合物溶液,并且当它在静电场旋转时,对准收集介质的静电场加速溶液的液滴,正如下文所讨论的。
面向喷射器,但与其间隔的是大体平面的栅格60,在它上面设置有收集介质(即基片或组合基片)。空气可以通过栅格抽吸。收集介质绕辊通过,所述辊靠近栅格的相对端设置。通过合适的静电电压源和连接并分别连接至栅格和喷射器在喷射器和栅格之间保持高电压静电势。
在使用时,聚合物溶液从容器被泵送到旋转接头或容器。向前部分旋转,而液体从孔排出,或者从容器中获得,并且从喷射器的外缘朝向位于栅格上的收集介质运动。具体地讲,栅格和喷射器之间的静电势对材料施加电荷,导致要从那里喷射的液体作为细纤维,被吸向栅格,它们到达那里并被收集在基片或效率层上。对于溶液中的聚合物,在纤维飞向栅格期间溶剂从纤维上蒸发;因此,纤维到达基片或效率层,而不需要大量溶剂。细纤维结合到栅格处首先遇到的基片纤维上。选择静电场强度,以确保随着聚合材料从喷射器向收集介质加速,加速度足以使材料形成非常细的微纤维或纳米纤维结构。加大或减慢收集介质的前进速度可以将或多或少的喷射纤维沉积在成形介质上,从而允许控制沉积在其上的每一层的厚度。旋转部分可以具有多种有利的位置。旋转部分可以设置在旋转平面上,使得该平面垂直于收集介质的表面或以任意角度设置。旋转介质可以设置平行于或略微从平行方向偏离。
片材状基片在工位展开。片材状基片随后被导向拼接工位,其中,多个长度的基片可被拼接,用于连续作业。连续长度的片材状基片被导向细纤维技术工位,它包括上述的纺丝技术,其中,纺丝装置形成细纤维,并且放置细纤维在片材状基片上的过滤层。细纤维层在片材状基片上在形成区形成之后,所述细纤维层和基片被导向热处理工位,以便进行合适的处理。片材状基片和细纤维层然后在效率监测仪中进行测试,并且必要时在啮合工位啮合。片材状基片和纤维层随后转向合适的卷绕工位,以便卷绕在合适的心轴上,供进一步处理。
本发明的元件当使用过滤模式时,应当具有最小的压力降,以便作为过滤器具有可接受的功能,并且获得活性颗粒的活性。所述压力降信息对于本发明过滤装置的类型是已知的。所述压力降参数定义本发明过滤元件的使用寿命。本发明的元件,当使用流通模式而没有居间过滤器层时,应当少有或没有对运动流流动通过元件的阻力(例如,小于0.1英寸或小于1-5英寸的水)。流动不应受约束,不过,流体在元件内的停留时间必须足以获得元件中所需的足够的接触和吸收/吸附/反应,以获得来自元件内活性颗粒的需要活性。根据活性颗粒,可用的停留时间可以从大约0.01到只要实现除去某些夹带材料所需要的时间。停留时间可以为0.02秒至长达5分钟,并且通常在大约0.01-60秒,0.01-1秒或少到0.02-0.5秒的范围内。所述装置的寿命由活性颗粒的载荷和装置中的残留活性量定义。一些少量的压力降可以被设计入元件中,以减缓流动,并且延长停留时间,而又不会明显阻碍流动。
本发明的介质,网,层或元件可以再生。就本发明反应颗粒来说,颗粒可以通过对颗粒进行化学处理来再生。就吸收性或吸附性颗粒来说,颗粒可以通过加热元件到一温度,该温度足以从颗粒表面或内部结构驱动吸收或吸附材料来生成。元件还可以被抽真空,使得降低压力的影响可以从吸附性颗粒的表面或从吸收性颗粒的内部除去挥发性材料。
反应物质可以通过首先从活性物质与流体相中进入材料的反应物中除去任何反应副产品来再生。在一个所述反应中,除去了副产品,保留在元件内的颗粒通过使活性材料的溶液或悬浮液通过元件来强化,导致包括细纤维层的内部结构积聚额外量的反应材料。
示例部分
例1
使用由生产的热塑性脂族聚氨酯化合物TECOPHILICSP-80A-150 TPU。聚合物是聚醚聚氨酯,通过将二环己基甲烷4,4'-二异氰酸酯与多元醇反应而制成。
聚合物例2
通过端基滴定分析尼龙6,6,6-6,10尼龙共聚物树脂(SVP-65 1)的共聚物的分子量(J.E.Walz和G.B.Taylor,确定尼龙的分子量,Anal.Chem.Vol.19,Number7,pp448-450(1947)。平均分子量数量为21,500和24,800之间。组合物通过三种成分的尼龙,尼龙6约45%,尼龙66约20%和尼龙610约25%的熔点温度的相图来估算。(286页,Nylon Plastics Handbook,Melvin Kohan ed.HanserPublisher,NewYork(1995))。报导的SVP 651树脂的物理特性如下:
聚合物例3
将前述聚合物例2中的共聚酰胺(尼龙6,6-6,6,10)与酚醛树脂混合,称之为Georgia Pacific5 137。
混合物的尼龙:酚醛树脂的比率及其熔点如下:
该新型纤维化学物的弹性优点来自聚合物与聚氨酯的混合。本发明使用的聚氨酯是聚合物Ex.1,从Noveon,Inc.获得,并被命名为TECOPHILICSP-80A-150热塑性聚氨酯。这是一种醇可溶性聚合物,并通过剧烈搅拌4小时在60℃下溶解在乙醇中。在四小时结束后,溶液被冷却到室温,通常冷却过夜。聚合物溶液的固体含量为大约13%wt,尽管建议也可以使用不同的聚合物固体含量是合理的。在冷却到室温后,在25℃下测量粘度,并且发现大约为340cP。该溶液在不同条件下成功地电纺丝。图1A和1B示出一系列扫描电子显微镜(SEM)图像,示出了初纺纤维连同某些官能性颗粒(SEM图像)。
在化学过滤领域,上述SEM图像1(图1)中示出的颗粒是活性碳颗粒,用于除去气相中的某些化学物。所述颗粒的吸附能力与它们的处理后条件有密切的关系。在电纺丝中,在电纺丝纤维形成和干燥时从电纺丝纤维离开的溶剂蒸气易于被碳颗粒吸附,因而限制了它们的总体能力。为了从活性碳颗粒"冲洗"溶剂分子,因此有必要在超过溶剂沸点的温度下对结构进行加热,在这里是温度78-79℃,持续较长的时间,以便使任何残余的溶剂离开碳颗粒。因此,所述纤维在上述所示示例中在后处理工艺期间应当能够承受上述极端温度。
为了改进所述纤维的耐温性,同时从它们的高弹性和粘着性中获益(希望粘接活性和/或非活性颗粒等),我们将基于聚氨酯的聚合物溶液与聚合物溶液聚合物示例2混合,其中聚合物示例2是基于聚酰胺的溶液。
最后,我们使用了聚合物示例1和聚合物示例2之间的混合比率为48/52%wt;所得到的溶液的粘度为大约210cP。混合通过在室温下只是剧烈搅拌混合物若干分钟来完成。混合物的电纺丝利用通常工艺完成。初纺纤维然后经过加热;在这里加热是在110℃下进行2分钟。
由该聚合物溶液混合物聚合物示例1和聚合物示例2电纺丝的纤维具有极好的温度稳定性和良好的弹性和粘着性,这些性能在溶液的任何成分,聚合物示例1和聚合物示例2中是不可能全部出现的。纤维的平均直径为聚合物示例2纤维的平均纤维直径的大约2-3倍(聚合物示例2的平均纤维直径在0.25微米的范围内)。
尽管该聚氨酯具有极好的弹性,优选它还具有耐温性。如果有需要高温处理的后续下游加工时,这是特别重要的。
聚合物溶液如下:在180°C下测定的聚合物具有的熔融指数为18.1g/10分钟。溶液粘度利用粘度计在25°C下测量为210cP。
Reemay2011聚酯基片用于沉积纳米纤维/活性碳颗粒复合物。基片非常开放,基片纤维平放,没有从网中突出的纤维,并且具有非常低的基重,25g/m2。可以有多种可选择的不同基片材料,适用于生产这种纳米纤维/活性碳复合物。
利用反絮凝离心机系统将活性碳颗粒分散到纳米纤维基质,其中,利用干燥颗粒进料机(螺旋进料机)将颗粒送入反絮凝离心机,用电子装置控制颗粒输出速率。
基片安装在连续带(图4a和4b)上,这样,利用具有有限纤维纺丝能力的试验装置生成复合物。
下述表总结了运行周期:
示例 | ||
0秒 | 开始电纺丝聚合物溶液 | |
20秒 | 开始颗粒沉积 | |
1260秒 | 排放的颗粒量为60克/颗粒沉积终止 |
1290秒 | 仅电纺丝纤维1260-1290秒/电纺丝终止 |
用于生成纳米纤维/活性碳颗粒复合物的运行周期的说明。
对复合物内碳的精确含量进行定量。为此,以相同的处理参数在相同的Reemay 2011基片上用相同的持续时间(1290秒)电纺丝相同的聚合物溶液。随后,通过切割相同的样品大小(直径4英寸),两个样品(一个具有颗粒而另一个没有颗粒)被称重,两者重量之间的差异为我们提供了给定表面积样品(1m2)上的活性碳载荷,我们计算出了复合物内部的活性碳含量为56.04g/m2。换句话说,从进料机排出的60g颗粒中,56g能够组成复合物,而4g以不同方式流失,包括沉积到用于偏转颗粒轨道的喷头的内表面。
总之,纳米纤维/活性碳颗粒复合物由91.4wt%的碳颗粒和8.6wt%的聚合纳米纤维组成。
通过在该干燥方法中应用颗粒,我们使用了复合物内的大部分颗粒,另外,应用的干燥方法使得我们不会堵塞颗粒表面区域到影响挑战气体扩散进入它们的程度。
有两种在纳米纤维基质中捕获活性碳颗粒的不同机制:
-在纳米纤维基质内机械缠绕颗粒,抑制颗粒在组合物内部自由移动。其结果是纳米纤维网络,作用像蜘蛛网,捕获并固定颗粒在其上。随着更多层的沉积,网络变成纳米纤维和颗粒的纳米纤维基质。
颗粒和纳米纤维之间的粘接,是纳米纤维的溶液纺丝的直接结果。因为纳米纤维是利用电纺丝工艺由聚合物溶液形成,随着纳米纤维落在目标上,它们可能保留极少量的溶剂在它们的结构中,并因此它们具有熔合到活性碳颗粒上的能力。因为纤维具有非常小的纤维直径,并且只有一些纳米纤维接触颗粒,用于化学吸附的活性碳的可用表面积非常大,足以以积极的方式影响介质的性能。
在230°F下进行热处理5分钟,因为在电纺丝几乎任何聚合物溶液期间,只有极少量的残留溶剂留在纳米纤维结构中。为了消除所有残留溶剂,所述残留溶剂可能影响活性碳颗粒的吸附能力,我们将复合物加热到超过用于制备聚合物溶液的溶剂的沸点。在这里,溶剂的沸点在760mmHg下为大约176°F。因此,在2300F下加热5分钟,确保了从纳米纤维和/或活性碳颗粒中彻底清除任何残留溶剂。
下面的表格列出了使用TSI 3160分级效率试验台进行的颗粒效率测试的结果,使用的邻苯二甲酸二辛酯颗粒的直径范围为0.02-0.4微米,面速度为10.5ft/min。效率、渗透率和阻力是测试的输出结果。该样品是在实验室烤箱中在230°F下被加热5分钟之后进行测试的。
碳载荷 g/m2 56.04
碳浓度 % 91.40
总纤维和碳复合物 g/m2 61.31
FOM(品质因数)是利用上述输出结果和测试的面速度通过以下公式计算的:
品质因数=-Ln(渗透率)/(ΔP/介质面速度)
FOM的测量结果的标准单位是l/(cm Hg)/(cm/sec)或(cm/sec)/cmHg。FOM越高,介质的质量越好;换句话说,更高的FOM表示对于相同压力降具有更高的效率,或者对于相同的效率具有较低的压力降。
从上述示出的表格可以看出,该样品的颗粒效率在90%高范围内。很明显,通过若干方式生成具有更高颗粒效率的复合物:
-增加总体复合物的厚度
-保持总体复合物的厚度相同,不过,添加由非常细(大约0.25微米)的纳米纤维制成的高效率层,涂在纳米纤维/活性碳颗粒复合物的底部和顶部。
第二种方法是优选的,只是因为它允许保持复合物的化学吸附特性相同,同时颗粒效率可以单独调整。
本发明的应用是净化流体流,包括液体流和气体流。本发明的过滤元件设置在适于具体应用的位置或环境,以便载有杂质的流体流可以通过或绕过元件,并且杂质可以被除去。适用应用的流体流包括液体或气体流,可以含有杂质,如粉尘颗粒,水,溶剂残余物,油残余物,混合的水油残余物,有害气体。运动液体流包括燃料,油,溶剂流等。所述流与本发明的流通或流过结构接触,以便除去液体或颗粒杂质,颜色形成物质,和可溶性杂质。要通过本发明的应用除去的杂质还包括生物制品,例如,朊病毒,病毒,细菌,孢子,核酸;其他潜在的有害生物制品或有害材料。
在各个方面,本发明可用于净化流体流,具有某些其他额外的液体过滤,包括燃料和润滑油,水过滤,任何用途中的空气流需要以相对低的气体浓度(<100ppm)进行空气中酸性、碱性和挥发性有机气体过滤。应用环境可能由停滞或流动的气体流组成,所述气体流是干的或含有大量水分。本发明的主要用途之一是具有轻量、低的压力降吸附介质,用于半导体应用,它需要将净化的空气提供给工艺,工具,测试或外壳。这可能包括需要净化的空气,氮或其他处理气体流的其他用途。吸附介质能够在无尘室内,半导体工业或亚加工系统,加工工具,以及通过单次通过、再循环、或静态过滤外壳除去气态杂质。另外,介质可以净化从一个位置流向另一个位置的空气。所述空气转移可以从亚加工到主加工,或从外部环境到喷射测试系统。
一方面,本发明的过滤元件可以设置在外壳的通风孔中,以便外壳的内部相对于外壳的外部保持明显较低的水分含量,因为吸附介质从外壳的内部除去水分。其内设置有过滤元件的外壳包括含有电子电路或装置的外壳,其中电子电路或装置包括,但不限于,有机发光二极管,硬盘驱动器,显示器,或它们的某种组合。例如,本发明的过滤元件可用作电子装置的水分吸收柔性显示器。柔性显示器包括发光显示器(包括利用发光二极管形成的显示器),与过滤元件组合,吸收其中使用柔性显示器的环境或外壳中的水分。
根据需要的性能量,该介质可用于不同用途,并且以不同形式,包括在相同层或有限空间的颗粒过滤和化学过滤,用于燃气轮机用途的组合颗粒过滤器和化学过滤器,作为气轮机系统唯一选项的化学过滤器,半导体工业的高流动用途,用于风扇组件,使用点,和全部的过滤器加工位置或实验室,需要"吸气"型过滤器的用途,无尘室内对半导体的使用点过滤,具有最小的空间和最大的效率,无尘室内对半导体应用的工具安装过滤器,具有最小的空间和最大的效率,用于无尘室用途的顶板格栅的高流动用途,需要减小的重量但类似效率的用途,需要降低的压力降但类似效率的用途,要求较少颗粒脱落的部位,或可以使用多层化学过滤器。呼吸器,防尘口罩,外科口罩和长衫,外科大褂,HEPA置换包括用于半导体加工设备和无尘室的过滤器,用于汽油、天然气或柴油动力发动机的空气过滤,空气压缩机的入口过滤,集尘设备的入口过滤,真空净化过滤器,从空气中除去酸性气体,干燥器的滤芯,CBRN保护材料,伤口护理,HVAC用途,驾驶室空气过滤,室内空气净化器,燃料过滤器,润滑油过滤器,滤油器,液体过滤器,燃料电池用途的空气过滤器,处理过滤器,绝缘材料,磁盘驱动器的过滤器,电子装置外壳的过滤器,色谱分离,生物分离都可以用本发明的材料制成。
通过交替叠放扁平片材化学过滤和间隔介质,可以在元件内形成流动通道。这些通道允许待过滤的气体流以这样的方式通过介质,以便进行需要的反应,同时保持比化学过滤介质自身允许更低的压力降。间隔介质可以进行化学处理,以便帮助过滤,或者可以是惰性的。
类似地,过滤元件中的流通通道可以通过将间隔介质和化学过滤介质共同围绕化学活性或惰性内芯卷绕而形成。这可以参见图3。
一旦制备了含有本发明的活性或惰性颗粒的细纤维层,所述层必须被机械组合到可用的活性或吸附或吸收结构。纳米纤维层通常纺在基片材料上,所述材料可以是纤维织物,纤维素基片,混合的合成纤维素基片或纯的纤维素基片。含有活性或惰性颗粒的纳米纤维层被电纺丝到所述基片上,所述基片然后可以卷成吸收结构。另外,所述层可以被切割成相似的部分,并且堆叠以形成吸收层。重要的是,纳米纤维层任何组件的内部结构具有足够的空气流动,以确保空气可以方便地通过组件。在这里,组件不用作过滤器,而纯粹作为吸收组件结构。在另一结构中,细纤维和反应或活性颗粒层可被组装入结构,所述结构过滤并反应,吸附,或吸收。所述不同的结构具有不同最终用途。前一种结构少有或没有过滤特性,并且可以只是利用流通机构从流体流,如空气流或液体流中除去反应性杂质物质。后一种结构可以除去颗粒,并且可以从流体诸如空气中除去化学物质,同时具有过滤作业。
在本发明的卷绕或层叠层的某些优选结构中,介质可被设置用于直通流动,或者是没有过滤特性的流动,或者是通过过滤器层的流动。在所述流体流动中,流体会沿一个方向进入通过第一流动面,并且沿相同方向从第二流动面排出。在过滤器结构内,流体可能不与用作过滤器的表面相互作用,或它可能与流体相互作用,可能接触获得过滤特性的表面。一般,优选的过滤器结构是卷绕结构,包括一层介质,绕中心点重复转动形成卷,以便过滤介质被卷起,卷绕或缠绕。一种优选可用的结构是波纹结构,其中材料具有槽纹结构。所述槽纹可以与表面片材构成和组合。一旦波纹介质与以表面片材形式的非波纹介质组合,所得到的结构可以卷绕并且形成可用的组件。当使用这种类型的介质结构时,槽纹在波纹结构上形成交替的波峰和波谷。在某些结构中,上槽纹形成槽纹腔,它可以在下游闭合,而槽纹腔具有上游端,闭合以形成其他行的槽纹。在所述结构中,开口和闭合的区域导致流体穿过至少一个波纹壁,以获得来自波纹层的过滤特性。在使用时,所述卷绕组件形式的波纹介质提供入口区域,用于流体流,如空气。空气从开口的上游端进入槽纹腔,未经过滤的流体流不允许通过闭合的下游端,但被强制通过波纹层或槽纹片材,以接触波纹层的纤维或活性颗粒,以便从流体流中过滤颗粒,或确保分散或溶解在流体流中的材料与活性颗粒起反应,被颗粒吸收或吸附。
用于穿透台系统的实验
在所有元件上进行有机气体穿透试验,甲苯污染度为50 ppm。图5示出了我们的穿透试验台设计的总体框图。进行了停留时间为0.12秒的穿透试验,以测试吸附甲苯的能力。所述示例的碳介质在柱(1.5英寸ID)内进行调整,直到相对湿度达到50%,而温度达到25°C。然后含有甲苯的空气(由容积生成系统产生)以30 Lpm的流速流过样品台,开始穿透试验。
杂质由认证过的气体标准物通过质量流量控制器(Aalborg;Orangeburg,NY;或Brooks/Emerson Process Management,Hatfield,PA)输送到试验空气流中。相对湿度利用流量-温度-湿度控制器(Miller-Nelson Research,Inc.;Monterey,CA)进行控制;型号HCS-401。将50%RH的相对湿度用于本文的研究。吸附床上游和下游的空气流的温度和相对湿度利用校准的温度和湿度传感器(Vaisala;Wobum,MA;型号HMP233)进行测量。吸附床的温度利用水套样品固定器和水浴被控制在25°C。上游和下游杂质浓度的检测利用JUM火焰离子化检测器(FID)监控。图6是试验过的所有细纤维截留元件的穿透曲线。对于某些有机气体,非浸渍和浸渍的活性碳具有极好的清除效率和寿命。
由于颗粒和纤维沉积彼此独立,我们可以制备出具有不同的颗粒与纤维比率的复合物。我们已经在过去制备了纳米纤维载荷量为8-15%wt的复合物,尽管对于上述用量不存在理论上的限制。因此,在所述结构上,活性碳载荷在92-85%wt的范围内。
通常,所述方法涉及将非常轻的一层纳米纤维沉积在纤维织物上,用于处理和一体性目的,随后施加纳米纤维/活性碳复合物,它构成了总体复合物的主体。在最后阶段,另一层仅有纳米纤维的层沉积在复合物的上面。仅有纳米纤维层在上表面和下表面上,有助于使颗粒脱落几乎为没有,我们在过去没有看到这方面的证据。它们还有助于提高复合物的颗粒效率。本发明的结构包括纳米纤维层,纳米纤维/碳复合物层,仅有纳米纤维层,和纤维织物。
颗粒效率是关键参数之一,它产生为这种类型的介质形成的边缘。下面是两种纳米纤维/活性碳复合物的颗粒效率数据,不同之处是它们的基重。利用TSI3160自动过滤器测试仪,使用不同大小的DOP颗粒在扁平片材样品上以10.5ft/min的表面速度操作,来记录测量结果。
该表格示出了具有不同厚度的两种纳米纤维复合物的颗粒效率。从上面的表格可以看出,通过改变复合物厚度,我们成功地改变了复合物的颗粒效率。通过改变在复合物上表面和下表面的纳米纤维层的量,而不影响中间的纳米纤维/碳复合物,来改变颗粒效率也是可能的。另外,可以在中间复合物内部引入一层或多层仅有纳米纤维的层,以试图使颗粒效率提高到需要的目标水平。其他结构可以包括纳米纤维层,纳米纤维/碳复合物层,仅有纳米纤维的层和纤维织物。
该纳米纤维复合物与上述类似,差别是在纳米纤维-碳复合物中间的仅有纳米纤维层,起着颗粒效率增强级的作用。尽管颗粒效率是本发明特有的一个方面,另一方面是从气相中化学吸附和除去杂质。为了理解不同水平的碳载荷的影响,用于测试颗粒效率的介质A和介质B也用于测试化学吸附能力。在这里,用甲苯挑战这些介质。结果显示,改变碳载荷的程度,影响了这些介质的穿透时间和总体能力,如图6所示。
应当指出,所述介质不是以折叠形式测试的,而是以螺旋卷绕的形式测试,因此,只是用于试图表示而不是用于呼吸器用途的实际性能时应当考虑曲线。
由于颗粒和纤维沉积是彼此独立的,我们可制备具有不同的颗粒与纤维比率的复合物。我们在过去已经制备了纳米纤维载荷为8-15%wt的复合物,尽管对上述用量没有理论上的限制。因此,在所述结构上,活性碳载荷在92-85%wt范围内。
通常,所述方法涉及将非常轻的一层纳米纤维沉积在纤维织物上,用于处理和一体性目的,然后添加纳米纤维/活性碳复合物,它构成了总体复合物的主体。在最后阶段,将另一层仅有纳米纤维的层沉积在复合物的上面。该仅有纳米纤维的层在上表面和下表面上,有助于使颗粒脱落几乎没有,我们在过去没有看到这方面的证据。它们还有助于提高复合物的颗粒效率。本发明的结构包括,纳米纤维层,纳米纤维/碳复合物层,仅有纳米纤维的层,和纤维织物。
颗粒效率是关键参数之一,它产生为这种类型的介质形成的边缘。下面是两种纳米纤维/活性碳复合物的颗粒效率数据,不同之处是它们的基重。利用TSI3160自动过滤器测试仪,使用不同大小的DOP颗粒,在扁平片材样品上以10.5ft/min的表面速度操作,来记录测量结果。
该表格示出了具有不同厚度的两种纳米纤维复合物的颗粒效率。
从上面的表格可以看出,通过改变复合物厚度,我们成功地改变了复合物的颗粒效率。通过改变在复合物上表面和下表面的纳米纤维层的数量,而不影响中间的纳米纤维/碳复合物,来改变颗粒效率也是可能的。另外,可以在中间复合物内部引入一层或多层仅有纳米纤维的层,以便使颗粒效率提高到需要的目标水平。其他结构可以包括纳米纤维层,纳米纤维/碳复合物层,仅有纳米纤维的层和纤维织物。
该纳米纤维复合物与上述类似,差别是在纳米纤维-碳复合物中间的仅有纳米纤维的层,起着颗粒效率增强级的作用。尽管颗粒效率是本发明所特有的一个方面,另一方面是从气相中化学吸附和除去杂质。为了理解不同水平的碳载荷的影响,用于测试颗粒效率的介质A和介质B也用于测试化学吸附能力。在这里,用甲苯挑战所述介质。结果显示,改变碳载荷的程度,影响了所述介质的穿透时间和总体能力,如图6所示。
应当指出,所述介质不是以折叠形式测试的,而是以螺旋卷绕的形式测试的,因此,只是用于试图表示而不是用于呼吸器用途的实际性能时考虑曲线。
图7示出了在甲苯的加速穿透试验中,设置在我们的细纤维基质网内的大表面积椰子壳碳的性能。尽管该材料的对50ppm甲苯的效率穿透曲线表明,它具有某些起始效率和寿命问题;我们认为,我们可以通过增大通道的总体长度以及新的设计来克服这些问题。
上述说明书,示例和数据提供了对本发明组合物的生产和用途的全面说明。由于在不超出本发明的构思和范围的前提下可以提出本发明的很多实施例,本发明的范围由所附权利要求书确定。
Claims (15)
1.一种网,所述网包括连续的纤维过滤结构,所述连续的纤维过滤结构具有连续的纤维相和活性颗粒,所述活性颗粒用于吸收流体流中的杂质、吸附流体流中的杂质、或与流体流中的杂质化学反应、和除去流体流中的杂质,纤维的直径为0.001微米到2微米,网的厚度为0.0001cm到1cm,并且密实度为0.1%到70%,其中,所述网包括1g/m2到1000g/m2的所述活性颗粒,所述活性颗粒以基本均匀的方式分散在纤维相中,其中没有活性颗粒的纤维相的密实度大于具有活性颗粒所形成的纤维相的密实度。
2.根据权利要求1所述的网,其中没有所述活性颗粒的网的密实度为1%到30%。
3.根据权利要求1所述的网,其中没有所述活性颗粒的网的密实度为1%到20%。
4.根据权利要求1所述的网,其中所述网被设置成处理流体流,所述流体流包括气体。
5.根据权利要求1所述的网,其中所述颗粒包括碳。
6.根据权利要求5所述的网,其中所述碳包括浸渍的活性碳。
7.根据权利要求1所述的网,其中所述杂质包括硫化氢。
8.根据权利要求1所述的网,其中所述杂质包括一种或多种胺类。
9.一种过滤介质,所述过滤介质包括:
(a)无纺过滤基片;和
(b)包括具有连续的纤维相的连续的纤维结构和活性颗粒的层,所述活性颗粒包括浸渍的活性碳,所述活性碳以基本均匀的方式分散在纤维相中并用于吸收流体流中的杂质、吸附流体流中的杂质、或与流体流中的杂质化学反应,和除去流体流中的杂质,纤维的直径为0.001微米到2微米,所述层的厚度为0.0001cm到1cm,并且密实度为0.1%到70%,其中,所述层包括1g/m2到1000g/m2的活性颗粒,并且其中没有活性颗粒的纤维相的密实度大于具有活性颗粒所形成的纤维相的密实度。
10.根据权利要求9所述的过滤介质,其中所述过滤介质的渗透率为2m/min到900m/min。
11.根据权利要求9所述的过滤介质,其中所述过滤介质的渗透率为1m/min到50m/min。
12.根据权利要求9所述的过滤介质,其中所述基片包括聚酯。
13.根据权利要求12所述的过滤介质,其中所述基片的厚度为0.2毫米。
14.根据权利要求9所述的过滤介质,其中所述碳是氢氧化物浸渍的碳。
15.一种包括连续的纤维结构的网,包括:
(a)连续的纤维相,纤维的直径为0.001微米到2微米;和
(b)活性颗粒,所述活性颗粒以基本均匀的方式分散在所述纤维相中并且用于吸收流体流中的杂质、吸附流体流中的杂质、或与流体流中的杂质化学反应、和除去流体流中的杂质,
其中没有活性颗粒的纤维相的密实度大于具有活性颗粒所形成的纤维相的密实度。
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