Нетканый материал, включающий ультрамелкие или наноразмерные порошки

Нетканый материал, включающий ультрамелкие или наноразмерные порошки

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Это заявка является частично продолжающейся заявкой на патент США №11/531107, озаглавленной "Электростатический воздушный фильтр", поданной 12 сентября 2006 г., которая испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №60/716218, озаглавленной "Электростатический воздушный фильтр", поданной 12 сентября 2005 г. Эта заявка также испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США №60/744043, озаглавленной "Композиция алюмооксидного нановолокна, импрегнированного металлом", поданной 31 марта 2006 г.

ЗАЯВЛЕНИЕ О ПРАВАХ ГОСУДАРСТВА

Изобретение создано в результате выполнения научно-исследовательского проекта по контракту FA8650-0-0.5-Ms5822, заключенному с ВВС США. В связи с этим правительство имеет бесспорные права на это изобретение.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к наночастицам, и в частности, к применению нанопорошков в нетканом фильтрующем материале без использования адгезивов, к применению в нетканых фильтрующих конструкциях, для улавливания загрязняющих веществ из воды, воздуха и газа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время происходит быстрое развитие нанотехнологии и применения наноразмерных частиц. В частности, разрабатываются нанопорошки для применения в качестве абразивов (например, карбиды вольфрама) и поглотителей ультрафиолетового излучения (например, оксиды титана и цинка). Кроме того, проявляется большой интерес к созданию наноструктур, обладающих биологическим действием, то есть к нанобиотехнологии, и к инвестициям в эти разработки. Мелкие частицы, и особенно ультрамелкие и наночастицы, имеют преимущество и неожиданные сорбционные свойства по сравнению с крупными частицами. Такая повышенная реакционная способность является следствием значительно более высокой площади поверхности и более активных свойств поверхностей. Нанесение нанопорошков на подложки, такие как мембраны, или на волокна часто связано с необходимостью их наилучшего применения в предполагаемой области. Поэтому для осуществления производства нанокомпозитов с помощью высокоскоростных методов желательно, чтобы наночастицы были зафиксированы в нетканом волокнистом конструкционном материале.

Наночастицы слишком малы для фиксации в обычных тканях, так как наночастицы склонны к образованию агломератов, которые вызывают сгущение жидкости, препятствуют прохождению наночастиц в ткань, используемую в качестве носителя, что приводит к потере наночастиц. Это делает невозможным производить содержащий наночастицы материал с помощью традиционной высокоскоростной недорогой технологии, например технологии производства бумаги. Несмотря на то, что для прикрепления наночастиц к волокнистым структурам в материале можно использовать связующие, эти связующие легко обволакивают наночастицы, в результате частично или полностью дезактивируя наночастицы и в значительной степени ослабляя их ожидаемое действие.

Известный уровень техники предлагает много типов материалов, которые удаляют, отфильтровывают или улавливают загрязняющие вещества из газовых потоков. Эти фильтры будучи достаточно эффективными при применении в областях, для которых они были специально разработаны, не обеспечивают соответствующего уровня эффективности при применении в областях, которые предъявляют к фильтрам более высокие требования. В настоящее время требуется фильтрующий материал, который бы обеспечивал более высокую эффективность фильтрации, более высокую грязеемкость, более низкий перепад давления, более низкую стоимость, более высокий срок службы, повышенную устойчивость к химическому воздействию, отсутствие партикуляции (то есть высвобождения частиц фильтрующего материала в поток фильтрата) и механическую прочность, выдерживающую колебания давления. Более мелкие частицы сорбента обеспечивают более высокую эффективность адсорбции, но их использование приводит к росту перепада давления на фильтре.

Для очистки жидкостей и газов используют гранулированные катализаторы. На их реакционную способность сильно влияет площадь внешней поверхности катализатора, находящейся в контакте с потоком жидкости или газа. Наноразмерные катализаторы из платины и других благородных металлов обычно диспергируют на адсорбирующий материал, который может включать керамические шарики, сотовые керамические структуры, и на более крупные гранулы, такие как активированный уголь и активированный оксид алюминия.

Активированный уголь является хорошо известной сорбирующей частицей. Он имеет диаметр микропор примерно от 0,2 до 20 нм. Активированный уголь используют в качестве сорбирующей частицы в силу того, что его малые размеры пор обеспечивают соответствующую большую площадь поверхности на единицу массы с соответствующим большим числом активных центров сорбции на частице. Вместе с тем, размеры пор значительно влияют на скорости диффузии жидких веществ через гранулу. Обычно скорости диффузии жидких веществ в сорбирующем материале определяют с помощью средней длины свободного пробега молекул жидкости, которую поглощают с помощью такого сорбирующего материала. Чем меньше поры в таком сорбенте, тем более протяженной является средняя длина свободного пробега, и тем более медленными являются скорости диффузии. Поэтому малые поры в активированном угле отрицательно влияют на проникновение жидких веществ в сильно извилистые каналы пористости малого размера. Уменьшение размера частицы существенно снижает длину пробега, в силу чего снижается время, требующееся любому сорбируемому веществу для достижения центров адсорбции внутри структуры. Это приводит к большей эффективности фильтрации при удалении загрязняющего вещества из потока.

Известно применение гранулированного активированного угля (ГАУ) для очистки воды, включая питьевую воду, и во многих областях промышленности, включая фармацевтическую промышленность и производство напитков. В случае питьевой воды ГАУ используют для абсорбции растворимых органических веществ (многие из которых являются токсичными или канцерогенными) и хлора. В случае очистки воздуха ГАУ применяют для контроля запахов и содержания газообразных и парообразных загрязняющих веществ в больницах, лабораториях, ресторанах, в помещениях для содержания животных, библиотеках, аэропортах, зданиях делового назначения и респираторном оборудовании. ГАУ часто включают в материал для удаления летучих органических соединений из воздушных потоков. Недостатком этого подхода является то, что для обеспечения очень низкого перепада давления эти фильтры имеют большие пустоты между частицами. В результате, общеизвестно, что эти фильтры являются неэффективными при улавливании мелких частиц, а также летучих загрязняющих веществ. Если размер пор этих фильтров значительно уменьшить с целью улавливания большой доли (по расчету) частиц в воздухе при пропускании его через фильтр, то тогда фильтр имел бы слишком высокий перепад давления (то есть характеризовался слишком высоким сопротивлением потоку), для того чтобы быть использованным в системе принудительного воздушного отопления. Кроме того, фильтры, имеющие очень маленькие размеры пор, легко и быстро забиваются вследствие накопления мусора на поверхностях со стороны входа потока, что приводит к быстрому снижению способности фильтров пропускать воздух без необходимости приложения чрезмерно высокого градиента давления на фильтре. ГАУ часто применяют в качестве насыпных гранул в фильтрующем слое. Однако угольные слои неудобно применять в конструкциях фильтров, так как насыпные частицы могут перемещаться, вызывая образование сквозных протоков в слое и забивание слоя.

В качестве фильтров широко применяют волокнистый конструкционный материал. По сравнению со слоем гранул, таким как ГАУ, волокнистая структура позволяет свести к минимуму образование сквозных протоков, позволяет значительно разнообразить конструкции фильтра, и она может быть получена с помощью недорогих технологий, таких, которые применяют при производстве бумаги.

Общеизвестно, что порошкообразный активированный уголь (ПАУ) характеризуется значительно более высокой скоростью адсорбции по сравнению с ГАУ, имея при этом более высокую площадь внешней поверхности и приблизительно равноценные йодные числа. Однако из известного уровня техники известно, что введение ПАУ в матрицу нетканого материала является затруднительным, так как требуются адгезивы для прикрепления его к волокнистой матрице, что приводит к тому, что, по меньшей мере, часть частиц становится неэффективной для фильтрации, так как часть поверхности частиц загрязняется адгезивом. Для того чтобы свести к минимуму это загрязнение, часто используют более крупные частицы для минимизации точки контакта между адгезивом и частицами ПАУ. Например, известно применение ПАУ с размером частиц больше чем примерно 100 микрон для очистки газов. Чаще всего применение ПАУ ограничивается использованием для обесцвечивания жидкостей. В технике известно импрегнирование активированного угля различными соединениями, включая катализаторы и хемосорбенты, которые удаляют или модифицируют загрязняющие вещества, плохо сорбируемые углем за счет физической сорбции. Например, материал ASC Whetlerite состоит из активированного угля, импрегнированного солями меди, хрома и серебра, которые абсорбируют и разрушают химические боевые отравляющие вещества, такие как хлорцианы, синильная кислота и арсин. Медь и хром (в виде комплексов с триэтилендиамином (TEDA)) действуют как хемосорбенты для хлорцианов и синильной кислоты, в то время как серебро катализирует превращение арсина в оксид. В других примерах для повышения способности активированного угля адсорбировать аммиак его импрегнируют лимонной кислотой, или для удаления сероводорода его импрегнируют гидроксидами, такими как гидроксид натрия, или другими щелочами. В ядерной промышленности известно импрегнирование фильтров, включающих несколько слоев активированного угля, йодидом калия (KI) с целью обмена с изотопами радиоактивного йода в случае его аварийного сброса в воздух.

Срок службы катализатора ограничивают яды, которые откладываются на поверхности гранулы или порошка. Порошкообразный катализатор менее подвержен отравлению в силу того, что он имеет более высокое отношение площади поверхности к объему, чем катализатор в виде гранул. Кроме того, нетканый материал, используемый в качестве носителя для порошкообразного катализатора, обеспечивает более высокую реакционную способность, меньшую глубину слоя и эластичную структуру, дающую свободу действий при конструировании. Поэтому есть необходимость в связывании порошкообразного катализатора с волокнистой структурой без использования связующих и с прочностью, достаточной для сведения до минимума потерь катализаторов с потоком жидкости или газа.

Эффективность фильтрации снижается в результате уплотнения и образования сквозных протоков в слое сорбентов, что происходит при истирании гранул сорбента друг о друга. Нетканый фильтр, в котором сорбент диспергирован и заключен внутри структуры без использования связующих, мог бы иметь повышенную фильтрующую способность. На основе вышеизложенного у заказчиков и потребителей в промышленности имеется потребность в подобной нетканой волокнистой структуре, которая удерживает ультрамелкие частицы и частицы наноразмеров. Желательно, чтобы материал, включающий нетканую фильтрующую структуру, имел высокую эффективность по улавливанию мелких частиц, растворенных в воде загрязняющих веществ, и летучих загрязняющих веществ в воздухе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на удовлетворение этих потребностей. В одном варианте осуществления настоящим изобретением является новый фильтр для улавливания твердых частиц или фильтрующий материал для газообразной среды, который удовлетворяет потребности в высокоэффективном фильтре с высокой емкостью для улавливания твердых частиц, улавливающем болезнетворные микроорганизмы и другие твердые частицы из воздушных или газовых потоков, включая аэролизированные жидкостью твердые частицы, и также характеризующемся при этом низким перепадом давления.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение удовлетворяет потребность в нетканом волокнистом материале, в котором удерживаются ультрамелкие или наночастицы без необходимости использования связующих или адгезивов.

Соответственно, целью является осуществление настоящего изобретения для обеспечения эффективности фильтрации, которая, по меньшей мере, была бы такой же высокой как у фильтров НЕРА, и которая была бы устойчива к забиванию жидким аэрозолем.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка материала, который задерживает аэролизованные бактерии и вирусы.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка воздушного фильтра, который имеет высокую пористость и поэтому является, более устойчивым к адсорбции водяных туманов, чем традиционный фильтрующий материал.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка материала, который имеет, по меньшей мере, такую же высокую эффективность фильтрации, как и у традиционных фильтров ULPA или Super ULPA.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который характеризуется более низким перепадом давления, чем тот, который возникает на традиционных фильтрах.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который имеет больший размер пор и более высокую пористость, чем в фильтрах НЕРА, тем самым обеспечивая более высокую емкость по каплям воды до момента захлебывания.

Еще одной целью в примере варианта осуществления изобретения является разработка фильтрующего материала, который является энергосберегающим.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который имеет более продолжительный срок службы фильтра по сравнению с традиционными фильтрами.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который характеризуется низкими эксплуатационными расходами.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который задерживает опасные отходы и требует минимальных связанных с этим затрат.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка фильтрующего материала, который является достаточно прочным при сгибании.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка способа получения фильтра или фильтрующего материала для очистки газообразной среды, эффективность фильтрации которого, по меньшей мере, такая же высокая, как и у традиционных фильтров НЕРА, и который устойчив к забиванию жидким аэрозолем.

Еще одной целью в примере варианта осуществления настоящего изобретения является разработка способа применения фильтра или фильтрующего материала для удаления частиц и аэрозолей из газовой среды.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканой волокнистой матрицы, в которой формируют наноструктуры при низких производственных затратах.

Кроме того, целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканого материала, который позволяет удалять растворимые и летучие органические соединения и галогены из жидких и газовых потоков при высокой эффективности, высокой емкости и при низком перепаде давления.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка хемосорбционного материала, который также задерживает твердые частицы, включая микробные патогены, из жидкой среды.

Кроме того, целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение порошкообразных, наноразмерных катализаторов, включая фотокатализаторы, катализаторы окисления, или порошкообразного активированного угля, импрегнированного катализаторами, в нетканый материал путем прикрепления катализаторов или порошкообразного активированного угля к нетканой основе.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка нетканого материала, содержащего ультрамелкий или наноразмерный порошок, который для сведения к минимуму пылеобразования удерживается на материале.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение в нетканый материал тонко измельченных или наноразмерных ионообменных смол и макропористых полимеров.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является введение в нетканый материал биологически активных компонентов, таких как ДНК или РНК.

Еще одной целью в варианте осуществления настоящего изобретения является разработка способа введения в нетканый материал наноразмерных пигментов, цветных реагирующих химических веществ и тонкодисперсных абразивов.

В целом, настоящим изобретением является фильтр или волокнистая структура для текучих сред, которые включают нановолокна из оксида алюминия, адсорбирующие частицы из текучей среды и множество вторых волокон, расположенных в матрице с нановолокнами из оксида алюминия для создания асимметричных пор. В одном примере вторые волокна представляют собой волокна, чей минимальный размер является большим, чем минимальный размер нановолокон из оксида алюминия, примерно на один порядок величины. Вторые волокна вводят вместе с нановолокнами из оксида алюминия с целью обеспечения основы для создания пор или обеспечения внутри их или на них больших межволоконных пространств для диспергирования нановолокон из оксида алюминия. В примерах размер асимметричных пор составляет приблизительно более чем 5 мм. В одном варианте осуществления, для улучшения удаления загрязняющих веществ из жидкой среды, на нановолокна из оксида алюминия наносят множество мелких, ультрамелких или наноразмерных частиц.

Предпочтительно указанные частицы выбирают из группы, состоящей из сорбента, ионообменной смолы, катализатора, оксида металла.

Предпочтительно указанные частицы сорбента выбирают из группы, состоящей из порошкообразного активированного угля, благородного металла, макромолекулярного органического вещества, биологического соединения и противомикробного агента.

Предпочтительно указанные частицы оксида металла выбирают из группы, состоящей из коллоидального диоксида кремния, коллоидального оксида алюминия, нанооксида цинка и нанооксида титана.

Предпочтительно указанным катализатором является катализатор окисления.

Предпочтительно указанный оксид металла имеет субмикронный размер.

Крупные волокна обеспечивают или формируют более крупные поры, в которые, или на которые, диспергируют нановолокна из оксида алюминия. Однако крупные волокна имеют меньшую площадь поверхности на единицу объема или массы, и поэтому количество диспергированного на них, или в поры, нанооксида алюминия значительно уменьшается. Поэтому в другом варианте осуществления вторые волокна представляют собой комбинацию крупных и мелких волокон. Введение мелких волокон обеспечивает дополнительную площадь поверхности, в результате чего больше нановолокон из оксида алюминия может быть загружено внутрь материала, или на материал.

Не углубляясь в теорию, тем не менее, можно утверждать, что ультрамелкие и наноразмерные частицы с диаметрами меньше, чем средний размер пор фильтрующего материала, задерживаются на нановолокнах из оксида алюминия за счет электроадгезионных сил. Частицы большие, чем размер пор материала, удерживаются в основном за счет механического захвата. В волокнистой структуре не используют никаких связующих, которые бы обволакивали или же снижали чувствительность частиц, нанесенных на нановолокна из оксида алюминия.

В другом варианте осуществления изобретение относится к способам получения фильтрующего материала или волокнистой структуры.

В другом варианте осуществления изобретение относится к способам применения фильтрующего материала из нанооксида алюминия или волокнистой структуры для удаления токсичных загрязняющих веществ и других твердых частиц из жидких потоков.

Эти и другие подробности, цели и преимущества настоящего изобретения станут более понятными или очевидными из следующих описаний, примеров и фигур, иллюстрирующих варианты его осуществлений.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

На фиг.1 приведена графическая зависимость скоростей потока воздуха через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия и фильтр НЕРА от перепада давления на фильтрах.

На фиг.2 приведена графическая зависимость мутности от пропущенного объема в процессе фильтрации латексных сфер размером 0,2 мкм, суспендированных в воде, через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия и фильтр НЕРА.

На фиг.3 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра НЕРА при непрерывной фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.4 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра НЕРА при непрерывной фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.5 приведена графическая зависимость скорости потока воздуха через заявляемые фильтры из нанооксида алюминия, предварительно обработанные латексными сферами размером 0,5 и 1 мкм, от перепада давления.

На фиг.6 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, в сравнении с фильтром из нанооксида алюминия, не подвергнутого предварительной обработке, и фильтром НЕРА при фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.7 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, предварительно обработанных латексными шариками, в сравнении с фильтром из нанооксида алюминия, не подвергнутого предварительной обработке, и фильтром НЕРА.

На фиг.8 приведена графическая зависимость проницаемости заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра НЕРА при фильтрации через них аэрозолей NaCl с размером частиц 0,3 мкм.

На фиг.9 приведена графическая зависимость сопротивления воздуха для заявляемых фильтров из нанооксида алюминия и фильтра НЕРА при исследовании их емкости по аэрозоли NaCl.

На фиг.10 приведена графическая зависимость эффективности заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, выраженной в процентах, от размера аэролизованных капель KCl.

На фиг.11 приведена графическая зависимость противомикробного действия заявляемых фильтров из нанооксида алюминия, импрегнированных серебром, на размножение бактерий от времени экспозиции.

На фиг.12 схематически изображена система, используемая для испытания заявляемых фильтров из нанооксида алюминия для обезвреживания аэрозолей, содержащих передаваемые через воду бактерии.

На фиг.13 приведена графическая диаграмма зависимости между перепадом давления и размером пор от диаметра волокна.

На фиг.14 приводится сравнение перепада давления заявляемого фильтрующего материала из нанооксида алюминия и фильтра pre-НЕРА.

На фиг.15 приведена электронная микрофотография в проходящем свете волокна из нанооксида алюминия на микростекловолокне, покрытого наносферами из диоксида кремния.

На фиг.16 приведена графическая зависимость адсорбции растворенного йода на заявляемых нановолокнах из оксида алюминия в сравнении с адсорбцией на выпускаемом в промышленности материале, содержащем активированный уголь.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определения

Для того чтобы как следует понять раскрытие заявляемого изобретения, в следующем параграфе даются определения используемым в описании конкретным терминам. При определении авторами изобретения следующих терминов они ни коем образом не имели намерения отрицать общепринятые и привычные значения этих терминов.

Используемый здесь термин "электростатический" относится к какому-либо материалу, имеющему электрические заряды, или к электрическим зарядам.

Используемый здесь термин "отношение размеров" означает отношение длины волокна к диаметру поперечного сечения волокна.

Используемый здесь термин "нанооксид алюминия" обозначает волокна с отношением размеров примерно более 5, где наименьший размер составляет примерно менее чем 50 нм. Поперечное сечение волокна может быть по форме или круглым (цилиндрическое волокно), или прямоугольным (пластинчатым). Волокна представляют собой оксид алюминия с различными содержаниями связанной воды, которые в результате являются композициями главным образом А1ООН с различными количествами Al(ОН)₃ с возможными примесями гамма и альфа оксида алюминия.

Используемый здесь термин "лиосел" относится к волокну из фибриллированной целлюлозы, осажденной из органического раствора, в котором не происходит замещение гидроксильных групп и не образуется промежуточных химических соединений (Courtaulds, Ltd.).

Термин "High Efficiency Particle Air" (НЕРА) относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать >99,97% частиц размером 0,3 мкм.

Термин "Ultra Low Penetration Air" (ULPA) относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать >99,99% частиц конкретного размера при конкретной скорости среды.

Термин "Super ULPA" относится к марке фильтрующего материала, который способен задерживать >99,9999% частиц конкретного размера при конкретной скорости среды.

Используемый здесь термин "адсорбент" означает любой материал, способный адсорбировать примеси на своей поверхности главным образом в результате физической адсорбции.

Термин "абсорбент" означает любой материал, способный захватывать вещество в свою внутреннюю структуру.

Термин "снижение загрязнения" означает снижение содержания примеси в текучей среде, в которой примесь задерживают, удаляют или превращают в химически или биологически неактивное вещество с целью повышения полезности текучей среды, например в результате превращения текучей среды в более безопасную для использования человеком или более подходящую для применений в промышленности.

Термин "NanoCeram" относится к смесям нановолокон из оксида алюминия и крупных волокон, в которых крупные волокна служат в качестве основы для нановолокон из оксида алюминия для создания структуры с асимметричными порами.

Термин "тонкодисперсный порошок" означает порошок, имеющий средний размер частиц значительно меньше 100 меш, и, предпочтительно, меньше 325 меш (44 мкм).

Термин "ультрамелкая частица" означает частицу, имеющую средний размер от 0,1 до 10 мкм.

Термин "наночастица" означает частицу, имеющую средний размер менее 0,1 мкм, включая, но этим не ограничивая, нуклеиновые кислоты (например, ДНК и РНК), белки, плохорастворимые или труднолетучие лекарственные средства, высокомолекулярные частицы, функционализованные полимеры, лиганды с введенной в них функциональностью и углеродные трубки.

Термин "микроорганизм" означает живой организм, который может быть суспендирован в текучей среде, включая, но этим не ограничивая, бактерии, вирусы, грибки, простейшие и их репродуктивные формы, включающие защитные оболочки и споры.

Термин "бумага" или "бумагоподобный" обычно означает плоский, волокнистый слой или коврик из материала, полученный с помощью способа мокрого формования.

Термин "частица" означает твердое вещество или микроинкапсулированную жидкость, имеющие размер в интервале от коллоидного до макроскопического, вне зависимости от формы.

Термин "сорбент" означает частицу любого порошка, которая способна удалять загрязняющие вещества из потока жидкости или газа, включая катализаторы, которые способны превращать загрязняющие вещества в другую менее опасную форму. Термин "сорбент" также включает порошкообразный катализатор или катализатор, который наносят на твердый порошкообразный или гранулированный носитель, такой как активированный уголь.

Термин "структура для медицинского применения" означает нетканый материал, пригодный для применения в медицине, например для защиты от инфекции, в качестве раневой повязки и других подобных применений.

Описание вариантов осуществления изобретения

В одном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает фильтрующий материал для удаления частиц, включающих жидкие и особенно аэролизованные водой частицы, из текучей среды, которую пропускают через материал с целью уменьшения в ней содержания загрязняющих веществ. В примерах частицами являются патогены, такие как бактерии, вирусы, плесень, грибки, милдью, органическое вещество, неорганическое вещество, микроорганизмы, углеродистые частицы, туманы из используемых при металлообработке жидкостей, красочные туманы, пестициды, чернильные туманы или кислотные туманы. В примерах поток жидкости или газа имеет аэролизованные жидкостью частицы, такие как аэролизованные водой частицы. В одном примере фильтрующим материалом является нетканый электростатический материал. Фильтрующий материал включает нановолокна из оксида алюминия, смешанные с вторыми волокнами. В одном примере нанооксид алюминия не является сферическим. Вторые волокна располагают в матрице с целью создания асимметрических пор. В одном примере тонкодисперсный порошок металлического алюминия взаимодействует с вторыми волокнами с образованием электростатического материала. Реакцию осуществляют путем добавления аммиака к смеси алюминия и второго волокна. Смесь нагревают до температуры кипения воды. В другом примере тригидроксид алюминия нагревают в условиях высокой температуры и давления в присутствии вторых волокон с образованием электростатического материала. Реакцию проводят при температуре около 175°С и давлении около 5 бар в течение приблизительно тридцати минут.

Вторыми волокнами может быть любое волокно, которое достаточно устойчиво к изгибанию, включая микростекло, целлюлозу или фибриллированную целлюлозу. В одном примере вторые волокна имеют меньший из размеров, который больше, чем меньший из размеров нановолокон из оксида алюминия, по меньшей мере, на один порядок величины. В примерах для воздушного или газового фильтра средний размер пор находится в интервале от 4 до примерно 48 мкм. Предпочтительно, чтобы средний размер пор был больше, чем примерно 10 мкм. Более предпочтительно, чтобы средний размер пор составлял не более чем около 20 мкм. Обычно, размер пор связан с диаметром вторых волокон. Поэтому множество вторых волокон, имеющих небольшой диаметр, будет создавать множество асимметрических пор, имеющих малый размер, в то время как множество вторых волокон, имеющих диаметр большего размера, будет создавать множество асимметрических пор, имеющих относительно более крупный размер. См., например, таблицу 1 и фиг.13. Однако по мере увеличения диаметра второго волокна снижается отношение площади поверхности к единице объема, и в результате меньшее количество нановолокон из оксида алюминия диспергируется на вторых волокнах и/или в порах. Поэтому в предпочтительном примере множество вторых волокон представляет собой комбинацию множества крупных и множества мелких волокон. Мелкие волокна могут все иметь практически одинаковый средний диаметр или часть мелких волокон может иметь различные диаметры. Введение мелких волокон приводит к соответствующему уменьшению размера пор. См., например, таблицу 1 и фиг.13.

Размер пор определяет перепад давления на фильтрующем материале. В предпочтительном примере перепад давления составляет менее чем примерно 35 мм H₂O для готового композитного фильтра или фильтровальной установки при скорости потока около 3,2 м/мин.

В одном примере заявляемый фильтрующий материал дополнительно включает частицы сорбента, предпочтительно, коллоидные частицы, которые добавляют в фильтрующий материал. С целью обеспечения более быстрой адсорбции, чем в случае более крупных гранулированных углей, при абсорбции летучих органических соединений, нервно-паралитических отравляющих веществ или иприта добавляют активированный уголь в виде тонкодисперсного порошка (например, мелких частиц с размером около 1 мкм и средним размером около 28 мкм).

В одном примере заявляемый фильтрующий материал дополнительно включает связующее. Связующее может иметь волокнистую форму (Invista T104), или может быть смолой, такой как Rhoplex HA-16 фирмы Rohm and Haas. Введение связующего повышает прочность и/или способность к сгибанию волокнистого материала, хотя для связывания частиц в структуре связующее не требуется.

В одном примере фильтрующий материал может дополнительно включать противомикробное средство, которое смешивают с множеством волокон из нанооксида алюминия и вторых волокон. В процессе производства с целью использования фильтрующего материала в качестве противомикробного средства, после того как приготавливают суспензию и перед тем как смесь просеивают на сите добавляют противомикробное средство и адсорбируют его на нановолокнах из оксида алюминия. В одном примере противомикробным средством является серебро. В других примерах такие ионы как ионы меди и цинка, или те или другие, обеспечивают синергетический эффект с серебром в качестве противомикробного средства, в еще одном примере такие ионы как ионы меди и цинка действуют сами по себе в качестве противомикробного средства.

В одном примере настоящего изобретения фильтрующий материал является электрически заряженным, в результате чего нановолокна из оксида алюминия захватывают частицы, такие как патогены и другие вещества. В одном примере фильтрующим материалом является гомогенный нетканый фильтр.

В одном примере фильтрующий материал предварительно обрабатывают или предварительно кондиционируют путем пропускания через него множества частиц. Частицы могут иметь диаметры в интервале от 0,3 до примерно 1,5 мкм. Введение этих частиц блокирует, по меньшей мере, часть из самых крупных пор из множества асимметрических пор с целью снижения начального проскока через фильтрующий материал. Кроме того, предварительное кондиционирование помогает создать или получить характеристику НЕРА или ULPA в течение всего времени использования фильтра. В одном примере множеством частиц является множество латексных сфер, хотя множество частиц может быть изготовлено из любого вещества, которое способно блокировать, по меньшей мере, часть самых крупных пор.

В одном примере заявляемый фильтрующий материал из нанооксида алюминия имеет эффективность улавливания, по меньшей мере, такую же, как и НЕРА. В другом примере заявляемый фильтрующий материал имеет эффективность улавливания, по меньшей мере, такую же высокую, как и ULPA.

В другом варианте осуществления заявляемым изобретением является способ получения фильтра для текучей среды из нанооксида алюминия. Способ получения включает стадии формования нановолокна из оксида алюминия в присутствии множества вторых волокон. Вторые волокна располагают для образования множества асимметрических пор. В одном примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия формуют в один гомогенный слой. В другом примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия формуют в более чем один слой. В еще одном примере фильтрующий материал из нанооксида алюминия гофрируют.

Фильтрующий материал может быть использован в фильтрационной системе. При использовании через фильтрующий материал пропускают поток воздуха или газа и удаляют из него твердые частицы в результате улавливания частиц в фильтрующем материале. В одном примере текучая среда включает суспензию капель воды. Примеры применения фильтра включают, но этим не ограничивая, исп