具有消毒、低压降和减少的滤饼形成的高过滤性过滤器制造技术

公开了一种用于当气溶胶从上游侧渗透穿过到达下游侧时过滤气溶胶的高过滤性过滤器，该高过滤性过滤器具有跨过滤器的低压降和减少的滤饼形成。过滤器(100)包括多个模块层(110)和多个分离器(120)。单个模块层是带静电的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维垫。具有带电纳米纤维的带静电的PVDF纳米纤维垫配置成更好地捕获气溶胶。该多个模块层和该多个分离器交替地堆叠并彼此连接。单个模块层中的每一个具有适当的纤维基重，由此气溶胶由带电纳米纤维捕获并且跨过滤器的整个宽度从上游侧(41)到下游侧(42)均匀地分布。纳米维的纤维基重选择去减少表皮的形成而导致滤饼层产生在过滤器上。过滤器还携带抗菌和抗病毒纳米粒以对过滤器中的被截留气溶胶所携带的细菌、病毒和有害微生物进行消毒。生物进行消毒。生物进行消毒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有消毒、低压降和减少的滤饼形成的高过滤性过滤器


[0001]本公开内容总体上涉及一种高过滤性过滤器。特别地，本公开内容涉及一种可以显著地减少或限制滤饼(cake)形成的高过滤性过滤器，该高过滤性过滤器具有有效消毒和跨过滤器的低压降。

技术介绍

[0002]自世界范围内爆发冠状病毒疾病2019(COVID
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19)以来，针对空气传播病毒的个人防护(比如面罩和呼吸机)的需求一直很高。不仅对于医护人员，一些国家还建议或强制要求在公共场所(比如在公共交通上、在密闭或拥挤环境中)使用面罩，以阻止病毒在COVID
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19大流行或流感高峰季期间传播。
[0003]COVID
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19病毒的尺寸是60至140nm，在其球形病毒衣壳或包膜上涂覆有纳米刺突，其中，刺突高度为9至12nm。COVID
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19属于冠状病毒家族，其家族成员SARS和MERS近年来也对全球健康构成严重威胁。SARS病毒的尺寸是70至92nm，其中，病毒衣壳被至少15个刺突包裹。MERS病毒具有尺寸为118至136nm的球形形状并且在其表面上具有16至21nm刺突。其他流感病毒具有大约120nm的多数尺寸并且还具有刺突。特别地，流感中的一种(甲型流感)具有100nm的尺寸。
[0004]所有这些病毒都可以雾化，因为它们可以附着到来自感染者的细气溶胶(固体颗粒或飞沫)或在附着到表面(地板、墙壁和用过的面罩和个人防护服等)之后重新悬浮。冠状病毒更好地配备有突出的刺突以在传播期间更好地锚固到它们的载体上并且更好地锚固到它们的宿主细胞。一旦在空中传播，它们就有可能在飞行期间转移到周围气溶胶。气溶胶越小，携带病毒的气溶胶悬浮在空气中或在空中传播的时间越长，因此病毒可以传播的距离越长。气溶胶可以是固体颗粒或呼吸道飞沫。众所周知，呼吸、说话、唱歌、咳嗽和打喷嚏也可能产生大量10μm以下的气溶胶。COVID
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19病毒可以附着到感染者的呼吸道飞沫，并且在自由飞行期间并在低相对湿度下，呼吸道飞沫可能由于蒸发而减小到原来尺寸的1/10或飞沫核(无液体)。因此，气溶胶可以很好地达到亚微米尺寸(≤1μm)或甚至纳米气溶胶尺寸(≤0.1μm)。进一步地，携带附着到表面(墙壁、地板、外套、用过的个人防护设备(PPE)，比如面罩、呼吸器和防护服)的病毒的气溶胶一旦被搅动便可以重新悬浮在空气中。例如，2020年2月至3月在一家医院的医疗人员PPE更衣室以及医疗人员站发现了携带COVID
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19RNA的尺寸为0.01至1μm的气溶胶。特别地，在两个PPE更衣室发现了携带COVID
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19RNA的0.25至1μm的高剂量亚微米气溶胶。这些全部都归因于由于这些地区的活动导致的气溶胶重新悬浮。可以在社区爆发期间使用的公共设施(比如电梯、公共交通等)中发现类似的情况。尤其在该地区通风不良且人员拥挤时是这样。携带COVID
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19的微小气溶胶的重新悬浮，再加上发现COVID
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19在室温下在未被处理(未经消毒)表面(钢材、用过的面罩的表面等)上相当稳定高达2至7天。
[0005]对于COVID
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19病毒，最小尺寸是大约60nm。如图1A中所示出的，当病毒附着到较小载体气溶胶时，组合尺寸仍是大约60nm或更大。类似地在图1B中所示出的，当病毒附着到更
大载体气溶胶时，组合尺寸可以是100nm或更大。过滤器的有效性很大程度上取决于限制气溶胶通过过滤器的能力。
[0006]在过滤来自空气的气溶胶时，干净的过滤器首先将气溶胶捕获在过滤器中，这被称为“深度过滤”。对于包含大量亚微米气溶胶的空气，捕获机制是借助扩散进行的。当进行随机运动的小气溶胶由于其小尺寸并且尤其是在升高温度下偏离流动的流线时，小气溶胶可能撞击过滤器的随机定向的纳米纤维并且在纤维的迎风或背风面被捕获。扩散捕获与尺寸小于大约200nm的气溶胶有关。气溶胶越小，扩散机制越大，因为小尺寸气溶胶可以具有高度的随机运动。
[0007]另一重要的气溶胶捕获机制是拦截，其中，气溶胶通过流动的流线被带到过滤器中的纤维并且被捕获。通常，气溶胶在纤维的迎风面被捕获。这个机制对于大于大约200nm的气溶胶效果良好。气溶胶越大，拦截效应越显著。
[0008]第三气溶胶捕获机制是静电的，这对具有静电电荷的气溶胶和/或纤维起作用。当中性带电气溶胶靠近带电纤维时，在气溶胶上引发电偶极矩。与带相反电荷的纤维相互作用的偶极的电荷引起气溶胶捕获。这个机制对于大于100nm的气溶胶效果良好。气溶胶尺寸越大，静电捕获量就越大。这是因为感应的正电荷与负电荷之间的距离远得多，这降低了感应电荷重组在一起的机会。而且，偶极矩(是感应电荷乘以感应电荷的距离间隔)要大得多。因此，针对较大气溶胶引起的大偶极矩有利于更强的静电捕获。所有三个机制共同作用以增强亚微米气溶胶的过滤。
[0009]非织造材料已成为用于产生具有不同直径和形态的合成纤维以用于空气过滤的可靠材料。来自熔喷工艺的微纤维可以产生直径为1μm至20μm的微纤维。它们通常用作非织造过滤器介质。替代性地，从电纺产生的直径为100nm至600nm的纳米纤维可以用作更好的过滤器介质以用于通过扩散和拦截来过滤小气溶胶，尤其是纳米气溶胶。
[0010]在向过滤器的连续气溶胶装载下，存在的一种趋势是模块层的上游侧更多地装载有气溶胶，因为首先在那里被捕获的气溶胶成为进一步增强对进入气溶胶的更多捕获的人工纤维。这还为过滤器的上游侧产生“表皮”层，其中，大多数气溶胶被截留；因此，跨“表皮”层的压降在深度过滤下占过滤器的压降的大部分。另一方面，过滤器的下游侧具有逐渐减少的气溶胶装载。随着连续气溶胶装载，最终，上游表皮层因截留进入的气溶胶而变堵塞以致于被截留气溶胶不再停留在过滤器中，而是延伸到过滤器上面从而在过滤器表面上面形成滤饼层。由气溶胶形成的滤饼层的厚度随着更多气溶胶被截留而增加。最终，滤饼成为有效过滤器介质，并且最初过滤器成为生长滤饼层的支撑。
[0011]随着更多气溶胶进入，过滤器的过滤效率保持增加，并且跨过滤器的压降保持以加速速率上升。尽管这样，但过滤器下游的大部分未被充分地利用并且几乎未截留气溶胶。不论过滤器有多厚，其余过滤器厚度都变得多余。而且，如果过滤器纤维配备有用于过滤携带病毒的气溶胶的消毒剂，则一旦滤饼形成在过滤器表面上过滤器的大部分就变得无用，因为所有气溶胶被截留在生长的滤饼中并且它们无法与过滤器中的消毒剂接触。
[0012]相应地，本领域需要可以显著地减少或限制滤饼形成的高过滤性过滤器。因此，过滤器可以使用更长的时间段同时维持跨过滤器的低压降而不会显著降低过滤效率。特别地，一旦纤维涂覆有被截留气溶胶并且气溶胶通常在纤维表面上不均匀地分布并且还跨过滤器从过滤器的上游到下游不均匀地分布，带电纤维通常就变得无用。尽管使用厚过滤器，
但气溶胶被不均匀地截留在表皮层中，这使过滤器下游的大部分未被利用。本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于当气溶胶从上游侧渗透到下游侧时过滤所述气溶胶的高过滤性过滤器，所述高过滤性过滤器具有跨所述过滤器的低压降和减少的滤饼形成，所述过滤器包括：多个模块层，其中单个模块层是带静电的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维垫；和多个分离器，其中：具有带电纳米纤维的带静电的PVDF纳米纤维垫配置成促进捕获气溶胶；所述多个模块层和所述多个分离器交替地堆叠并彼此连接；并且单个模块层中的每一个具有取决于纤维直径的纤维基重，由此所述气溶胶由所述带电纳米纤维捕获并且跨所述过滤器的整个宽度从所述上游侧到所述下游侧均匀地分布，并且所述纤维基重减少在所述过滤器中的每一个单个模块层的上游侧上的滤饼层的形成。2.如权利要求1所述的过滤器，其中，所述单个模块层具有大于50％的效率和大于0.1/Pa的质量因数。3.如权利要求2所述的过滤器，其中，针对特定纤维直径的纤维基重选择成实现大于50％的效率和大于0.1/Pa的质量因数。4.如权利要求1所述的过滤器，其中，所述带电纳米纤维整合有抗菌和抗病毒纳米粒以用于对所捕获的气溶胶进行消毒以实现有效消毒。5.如权利要求4所述的过滤器，其中，所述抗菌和抗病毒纳米粒是金属氧化物、天然消毒材料和化学消毒剂。6.如权利要求5所述的过滤器，其中，所述抗菌和抗病毒纳米粒选自由以下各项组成的群组：AgO、ZnO、CuO、TiO2、SnO2、Al2O3、Fe3O4、壳聚糖、氯化物、过氧羧酸和无机过氧酸、甲醛、戊二醛、邻苯二甲醛、或其任何组合。7.如权利要求5所述的过滤器，其中，所述抗菌和抗病毒纳米粒的大小尺寸在所述带电纳米纤维的平均直径的0.1倍与1倍之间的范围内。8.如权利要求1至权利要求7中任一项所述的过滤器，其中，单个分离器包括用于所述分离器的附加大孔以对从所述上游侧穿过所述多个模块层到达所述下游侧的气溶胶的气流进行重新定立方向。9.如权利要求1至权利要求7中任一项所述的过滤器，其中，单个分离器是抗静电的并且与所述多个模块层具有良好粘附性。10.如权利要求1至权利要求7中任一项所述的过滤器，其中：所述较大直径带电纳米纤维的纤维直径是在350nm至650nm之间的范围内；并且所述单个模块层具有在0.4gsm至0.99gsm之间的范围内的大纤维基重，从而能够维持不小于0.1/Pa的质量因数和不小于90％的效率。11.如权利要求1至权利要求7中任一项所述的过滤器，其中：所述较小直径带电纳米纤维的纤维直径是在50nm至350nm之间的范围内；并且所述单个模块层具有在0.05gsm至0.3gsm之间的范围内的小纤维基重，从而能够维持不小于0...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁焕方，
申请(专利权)人：香港理工大学，
类型：发明
国别省市：