非织造材料及含有非织造材料的产品的制作方法

本说明书一般涉及包括纤维和纳米颗粒的非织造材料以及含有此类非织造材料的产品，包括过滤介质和过滤器。

背景技术：

1、非织造材料通常包含相互交织的单根纤维或线的结构，但不像针织物或编织物那样呈图案状。此类非织造材料用于许多应用，例如家用清洁产品、屋顶和地板产品、汽车内饰和车顶内衬、可重复使用的袋子、墙面覆盖物、过滤装置、绝缘材料等。

2、由于非织造材料的纤维尺寸细，它们特别适用于捕获过滤装置中的污染物。过滤介质的纤维以微米为单位进行测量，并且可通过纺粘、熔喷、静电纺丝或其他技术形成。当流体流过过滤介质时，细纤维捕获并截留其中的污染物。

3、掺入非织造材料的两种主要类型的过滤装置包括表面过滤器和深度过滤器。表面过滤器(例如膜层或膜)作为在污染物进入介质结构之前将其捕获的屏障。这些表面过滤器通常具有亚微米孔径和窄孔径分布。表面过滤器往往具有相对高的颗粒捕获效率。然而，它们也具有相对高的压降和低的容尘量。高压降导致通过过滤器的空气流量减少。低容尘量显著降低了过滤器的寿命。因此，表面过滤器在空气过滤行业中的应用数量有限。

4、深度过滤器通常用于空气过滤装置，具有中等效率至高效率、低压降和相对高的容尘量。传统的住宅和商业空气过滤器，例如hepa过滤器，通常根据过滤器捕获约0.3至10微米颗粒的能力进行评级。该评级称为最低效率报告值或merv，由美国采暖、制冷与空调工程师学会(ashrae)制定。merv等级范围为1-16，值越高，表示捕获特定类型颗粒的效率越高。

5、污染物的尺寸范围广泛。然而，小于1微米的污染物是对人体最有害的颗粒，并且相对难以过滤。例如，传统的机械空气过滤器通常报告非织造过滤材料的merv等级为约8-10。因此，这些过滤介质通常不捕获亚微米颗粒，例如病毒和其他有害病原体。

6、过滤行业集中于两种不同的捕获这些亚微米颗粒的方法：静电力和利用过滤介质中的纳米颗粒。通过使用摩擦电方法、电晕放电、水力充电、静电纤维纺丝或其他已知方法对非织造材料内的纤维进行静电充电而形成静电过滤器。静电过滤器在捕获亚微米颗粒方面最有效，在捕获1至3微米的颗粒方面相当有效，并且在捕获3至10微米的较大颗粒方面效果极低。静电纤维通常用于许多过滤应用，例如面罩和高效过滤器，以过滤亚微米污染物，例如病毒等。

7、静电过滤器的一个缺点是静电荷随时间和过滤器的使用而衰减。因此，过滤器的效率降低相对较快，从而缩短其寿命。例如，初始merv等级为13的静电过滤器在静电力衰减后可能失去至少2-3个merv等级点。这损害了过滤器的完整性，并可能部分或完全抑制其捕获亚微米颗粒的能力。

8、另一种捕获亚微米污染物的方法是将纳米颗粒与纤维结合使用。过滤系统可以采用过滤介质，包括直径以微米测量的相对大的纤维和相对较小的纳米颗粒。纳米颗粒通过减小介质内的整体纤维尺寸来增加介质内用于捕获颗粒的表面积。纳米颗粒也倾向于相互塌陷，增加过滤介质内的堆积密度。已显示，即使在微纤维材料上形成的层中仅有少量纳米尺寸的纤维，也能改善材料的过滤特性。

9、将纳米颗粒掺入过滤介质的最常见方法是通过电纺丝将连续纳米纤维薄层施加在非制造基材上。纳米颗粒通常平行或垂直于本体过滤介质层的表面延伸，除了粗过滤介质提供的较大颗粒的过滤外，还提供小颗粒的高效过滤。例如，美国专利号6,743,273公开了过滤介质，其中连续纳米纤维层沉积在基材的表面上。美国专利号10,799,820还公开了空气过滤介质，其包含过滤介质表面上的连续纳米纤维层。

10、虽然现有的掺入纳米颗粒的过滤介质已经提高了这些过滤器的相对效率，但这些过滤器在某些应用中的商业潜力受到限制，因为纳米颗粒通常分散在非织造材料的表面上。过滤器表面上相对较薄的纳米颗粒层仅提供有限的颗粒过滤，并且具有相对较低的容尘量。

11、虽然已经进行了许多将纳米材料掺入过滤介质以提高整体过滤效率的尝试，但这些尝试仅限于所谓的“湿法成网(wetlaid)”方法。这些湿法成网方法涉及将短切纳米纤维掺入液体浆料中，以借助表面活性剂分离缠结的纳米纤维。例如，美国专利号10,252,201公开了由湿法成网形成的短切纳米纤维和短切粗纤维混合物制成的过滤介质。类似地，美国专利申请号2021/0023813公开了生产复合结构的方法，该复合结构由连续纤维非织造基材和不连续纤维(例如碳纳米纤维)组成。该方法包括通过将连续纤维非织造基材拉过不连续纤维的浆料，其中纳米材料嵌入非织造基材中。

12、虽然这些结构已显示出效率提高，但它们还存在其他问题，例如当介质处于正常使用条件下时，寿命和/或效率降低。此外，这些湿法成网方法尚未成功地将纳米颗粒均匀地掺入整个非织造材料中，这导致纳米颗粒在材料内结块，从而进一步降低其效率和整体容尘量。

13、因此，需要改进的非织造材料和包含此类材料的产品。特别期望在不损害过滤器的其他重要特性(例如寿命、容尘量和通过过滤器的压降或气流)的情况下，提高过滤器捕获污染物(特别是亚微米污染物)的效率。

技术实现思路

1、以下呈现了所要求保护的主题的简要概述，以提供对所要求保护的主题的一些方面的基本理解。本技术实现要素：不是对所要求保护的主题的全面概述。它既不旨在确定所要求保护的主题的关键或重要要素，也不旨在描述所要求保护的主题的范围。其唯一目的是以简化形式呈现所要求保护的主题的一些概念，作为后面呈现的更详细描述的序言。

2、提供了非织造材料和包含非织造材料的产品，其包括包含纤维的基材和掺入基材的至少一部分中的纳米颗粒。本文讨论的非织造材料可以包括任何基材，例如片材、层、膜、开孔膜、网、网状物或其他介质，其包含相互交错的单根纤维或线的结构。合适的非织造材料的实例包括但不限于熔喷、纺粘、粘合梳理、气流成网、共成型、液压缠结等的纤维、层或网。在其他实施方案中，设想针织物或编织物为基材。

3、在一个方面，非织造材料包括基材和纳米颗粒，该基材包含纤维并且具有第一表面和相对的第二表面，该纳米颗粒被布置在基材内的至少第一表面和第二表面之间，使得该纳米颗粒的面密度从第一表面向第二表面减小，或者与该基材的中间部分相比，布置在两个表面上的纳米颗粒的面密度更高。由在基材的至少一部分中的纳米颗粒形成的密度梯度改善了材料在许多不同应用中的性能特征。例如，纳米颗粒增加了基材内的总表面积，这可以提高其过滤效率，并允许捕获亚微米污染物，而不显著损害其他因素，例如通过过滤器的压降(即空气流量)。

4、在某些实施方案中，位于第一表面处的纳米颗粒的密度与分散在两个表面之间的基材的中心部分内的纳米颗粒的密度的差异小于50％。在一些实施方案中，该差异小于25％，优选小于10％。在某些实施方案中，分散在基材的中心部分内的单个纳米颗粒的量或数量是分散在第一表面处或第一表面附近的单个纳米颗粒的量的至少约50％，优选至少约75％，并且更优选至少约90％。

5、在一些实施方案中，纳米颗粒可以从第一表面和第二表面添加到基材中。在这些实施方案中，第一表面和第二表面处的面密度或“添加量”可以基本上彼此相等，或者它们可以根据应用而不同。在这些实施方案中，存在于基材中间的面密度或“添加量”低于外表面处的面密度或“添加量”。例如，基材中间的面密度可以是外表面处的面密度的约75％，或者可以是约50％、40％或25％。

6、在某些实施方案中，纳米颗粒可以包含约0.1克/m2至约20克/m2，优选至少约2.0克/m2的添加量。具体的添加量或面密度可能取决于应用。例如，申请人已发现，更高的面密度或添加量将提高非织造材料过滤污染物的效率。

7、在某些实施方案中，纳米颗粒“以一定深度”分散在基材内。如本文所用，术语“以一定深度”意指纳米颗粒分散越过基材的第一表面，使得至少一些纳米颗粒被布置在基材或介质内部结构中第一和第二相对表面之间。在某些实施方案中，纳米颗粒分散遍及从第一表面到相对的第二表面的基本上整个介质。在其他实施方案中，纳米颗粒分散在从第一表面到第一和第二表面之间的位置的一部分介质内。

8、在一些实施方案中，纳米颗粒相对于支撑纤维在空间中呈三维分布，这可以增加非织造材料内的纤维表面积和微体积。三维分布还可以防止非织造材料特定部分的完全堵塞，这在过滤介质中特别有用，因为它允许流体(例如，空气和其他气体)穿过过滤器，从而降低过滤器上的总压降。

9、在某些实施方案中，基材具有从第一表面到第二表面的厚度，其中纳米颗粒以从第一表面到第二表面宽度的至少70％布置在基材内。在实例中，纳米颗粒以从第一表面到第二表面厚度的至少90％布置在基材内。

10、在某些实施方案中，在流体内隔离纳米颗粒并使其通过基材的第一表面分散。例如，流体可以是气态介质，例如空气、氦、氮、氧、二氧化碳等。纳米颗粒可以通过气流、气溶胶、蒸发器、喷雾或其他合适的输送机制从该气态介质中进行分散。

11、纳米颗粒可以包括任何合适的材料，例如玻璃、生物可溶性玻璃、陶瓷材料、丙烯酸、碳、金属(例如氧化铝)、聚合物(例如尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯等)、聚氯乙烯(pvc)、聚烯烃、聚缩醛、聚酯、纤维素醚、聚亚烷基硫醚、聚(亚芳基氧化物)、聚砜、改性聚砜聚合物和聚乙烯醇、聚酰胺、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氟乙烯及其任何组合。

12、基材的纤维可以通过任何方法生产，包括但不限于气流成网法、喷丝头、凝胶纺丝、熔融纺丝、湿法纺丝、干法纺丝、海岛型短纤维或纺粘、分段式饼状短纤维或纺粘等。预期的纤维的横截面可以具有多种形状，包括但不限于圆形、芸豆形、狗骨形、三叶形、杠铃形、领结形、星形、y形等。

13、纤维可以是人造纤维或天然纤维。适合用于纤维的材料包括但不限于聚丙烯、聚酯(pet)、pen聚酯、pct聚酯、聚丙烯、pbt聚酯、共聚酰胺、聚乙烯、高密度聚乙烯(“hdpe”)、lldpe、交联聚乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯酸酯、聚丙烯腈、聚富马腈、聚苯乙烯、苯乙烯马来酸酐、聚甲基戊烯、环烯烃共聚物或氟化聚合物、聚四氟乙烯、全氟乙烯和六氟丙烯或与pvdf的共聚物(如p(vdf-trfe))或三元共聚物(如p(vdf-trfe-cfe))、丙烯、聚酰亚胺、聚醚酮、纤维素酯、尼龙和聚酰胺、聚甲基丙烯酸、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚甲醛、聚磺酸酯、丙烯酸、苯乙烯化丙烯酸、预氧化丙烯酸、氟化丙烯酸、乙酸乙烯酯、乙烯基丙烯酸、乙烯乙酸乙烯酯、苯乙烯-丁二烯、乙烯/氯乙烯、乙酸乙烯酯共聚物、乳胶、聚酯共聚物、羧化苯乙烯丙烯酸或乙酸乙烯酯、环氧树脂、丙烯酸共聚物、酚醛树脂、聚氨酯、纤维素、苯乙烯或其任何组合。设想了其他常规纤维材料。

14、纤维可以包括不同尺寸的纤维，纤维的直径通常在约1至1000微米的范围内，长度在约半英寸至三英寸的范围内。纤维可以被配置为梯度密度介质，其中孔径从过滤器的上表面(上游)到下表面(下游)减小，以提高捕获效率和容尘量。这种配置还允许将不同数量的纳米颗粒分散到不同深度的过滤介质中。例如，过滤介质的上游侧可以具有最大的纤维尺寸，以允许更多的空隙空间和更大的纳米颗粒密度，而过滤介质的下游侧具有较小尺寸的纤维，以提供较低的纳米颗粒密度。可选地，可以反转该结构以在过滤介质的下游部分提供更高密度的纳米颗粒。

15、在一些实施方案中，基材可以包含“高蓬松度”非织造材料，该非织造材料包含纺粘或热风粘合的梳理非织造纤维。如本文所用，术语“高蓬松度”是指空隙空间的体积大于总固体的体积。在热风粘合的梳理非织造纤维中，基材的蓬松度可以通过本领域技术人员已知的各种方式控制。

16、在某些实施方案中，纤维的线密度可以大于约3旦尼尔。空气过滤器中的纤维的线密度通常为约3旦尼尔或更小，以确保纤维足够小以捕获穿过过滤器的污染物。申请人已出乎意料地发现，通过使用分散在过滤介质中的纳米颗粒，纤维可以具有更大的线密度，例如，大于3旦尼尔。这是因为纳米颗粒提供了显著的过滤能力。在一些情况下，纤维的线密度可以大于3旦尼尔、为5旦尼尔或更大、为6旦尼尔或更大或大到7-10旦尼尔。

17、在某些实施方案中，纤维是具有芯和鞘的生物组分纤维。在实施方案中，芯与鞘不同心。在其他实施方案中，芯与鞘同心。

18、在某些实施方案中，非织造材料(即纤维和/或纳米颗粒)可以带静电，使得例如可以通过机械和静电过滤捕获污染物。纤维和纳米颗粒之间的粘合还可以通过对纳米颗粒、纤维或两者进行静电充电来增强。例如，在某些实施方案中，纤维带静电，使得机械过滤可以通过纳米颗粒实现，而静电过滤可以通过驻极体基材实现。静电或驻极体基材可以是通过梳理和针刺制成的高蓬松度摩擦电过滤介质。在实施方案中的一个中，优选地纳米颗粒在针刺之前沉积到基材中，然后将静电纤维和纳米颗粒针刺在一起。

19、在某些实施方案中，非织造产品还包含在基材内的粘合剂，将纳米颗粒保持在基材中。例如，粘合剂可以包含选自由淀粉、糊精、瓜尔胶、pvoh和合成树脂组成的组的材料。在实施例中，粘合剂是聚合物胶粘剂。

20、在另一个方面，提供了非织造材料，其包括包含直径大于1微米的纤维的基材，以及布置在基材内部结构内的多个纳米颗粒。邻近或靠近第一表面布置的纳米颗粒的数量大于邻近或靠近第二表面布置的纳米颗粒的数量。

21、在某些实施方案中，纳米颗粒的面积密度从第一表面向第二表面减小。基材中的纤维具有以克每平方米(gsm)为单位的第一面积密度，并且纳米颗粒具有以gsm为单位的第二面积密度。第一面积密度与第二面积密度的比率小于或等于约100。在某些实施方案中，该比率小于或等于约67。在进一步的实施方案中，该比率小于或等于约33.5。在实施方案中，该比率小于或等于约22.3。

22、本文中对本说明书的各种实施方案所满足的期望目的的叙述并不意味着或表示这些目的中的任何一个或全部作为基本特征单独或集体存在于本说明书的最一般的实施方案或其任何更具体的实施方案中。