由用于过滤移除病原体的无粘着剂薄织物支撑的杀生物剂负载静电纺丝纳米纤维的制作方法[0001]发明背景 在飞机中，饮用水系统总体上用于以淡水来供应机舱出水口设施(例如，厕所中的洗手盆和机载厨房中的水槽)。这类饮用水系统可使用水过滤介质(例如，保留病原体的过滤介质)结合含有杀生物剂的纳米纤维织物来杀灭水或空气中所包含的病原体(参见美国专利申请 US 2011/0297609 Al)。[0002]然而，在饮用水系统使用经由粘着剂层来结合至过滤介质的含有杀生物剂的纳米纤维织物以便灭病时，已经发现不管并入多么薄的纳米纤维织物和粘着剂层，通常都会导致水流速的显著降低和水压降的增加。因此，存在对于研发可用于航空领域的饮用水系统的新型过滤系统的需求。需要这类过滤系统在使用时提供有效杀菌效果，同时实现低压降和高流速。[0003]发明概述 本发明提供新颖类型的过滤介质，其在使用时提供有效杀菌效果，同时实现较低水压降和较高水流速。具体来说，本发明的过滤介质包括微生物杀灭膜，这种膜含有负载杀生物剂(例如，杀生物纳米颗粒)的静电纺丝纳米纤维织物。本发明的过滤介质无粘着剂层(即，不含有粘着剂层)并且含有至少一个热结合层(也称为热结合剂)。[0004]在一个实施方案中，杀生物剂是杀生物纳米颗粒(如银纳米颗粒)。在一个单独实施方案中，静电纺丝纳米纤维织物是热塑性织物，其可为聚氨酯织物包括高温聚氨酯弹性体织物、醋酸纤维素织物或聚酰胺织物或其组合。[0005]在另一个实施方案中，本文使用的热结合剂包括纺粘型非织造聚合物织物，如聚酯织物、聚丙烯织物、聚氨酯织物、聚酰亚胺织物和聚氨酯织物，或其组合。在某些情况下，纺粘型非织造聚合物织物是聚酯织物，如Reemay?纺粘直聚酯非织造织物(例如，Reemay?2004 和 Reemay? 2250)。[0006]本发明的另一个方面提供含有本发明的过滤介质的水纯化滤筒。
[0007]本发明还提供含有本发明的水纯化滤筒的便携式供水系统。
[0008]在使用时，根据本发明的过滤介质提供优势，如较高水流速和较低水压降。过滤介质还高效用于实现良好杀菌效果。因此，本发明的过滤介质可用作同时用于飞机饮用水系统的污垢/化学物过滤筒的附加部件，以满足在不减慢水流速和增加水压降的情况下杀菌的需求。
[0009]附图简述
图1展示通过将纳米纤维织物静电纺丝至Reemay?纺粘非织造织物上来产生N/R层状结构(或薄膜)的过程。
[0010]图2-1和2-2展现产生N/R/P层状结构的过程:2_1)示出通过将N/R薄膜热层叠于保留病原体的介质上来制造N/R/P层状结构的过程；和2-2)示出通过将N/R薄膜热粘合于保留病原体的介质上来制造N/R/P层状结构的过程，其中Reemay?纺粘非织造织物预粘合至保留病原体的介质；所得组装物在两种情况下在两侧用Reemay?纺粘非织造织物覆盖以用于保护。
[0011]图3展示通过热层叠两个N/R薄膜来制造N/R/N/R层状结构的过程，并且所得组装物在顶部用Reemay?纺粘非织造织物封端以用于保护。
[0012]图4展示通过经由Reemay?纺粘非织造织物将N/R薄膜与保持污垢/化学物的过滤介质和保留病原体的过滤介质热层叠来产生D/R/N/R/P N/R层状结构的过程，并且所得组装物在顶部用Reemay?纺粘非织造织物覆盖以用于保护。
[0013]图5展示具有杀生物N/R织物的多匝滚筒的结构，其在内部并入污垢/化学物保留过滤筒。
[0014]图6展示具有杀生物N/R织物的多匝滚筒的结构，其在外部并入污垢/化学物保留过滤筒。
[0015]发明详述
含有杀生物剂的静电纺丝纳米纤维织物可结合至保留病原体的水过滤介质如NanoCeram-PAC?介质以杀灭它接触的病原体(参见US 2011/0297609)。然而，在不使用粘着剂膏或层的情况下使纳米纤维织物结合至过滤介质是一个挑战。当使用时，粘着剂膏或层可阻塞纳米纤维孔和杀生物部位，或将来自粘着剂的化学污染物引入水系统中。
[0016]本发明涉及杀生物剂负载静电纺丝非织造聚合物纳米纤维织物用于提供饮用水系统的具有增强病原体杀灭功效的过滤介质的用途，所述织物直接热结合至保留病原体的过滤介质或经由热结合剂来结合至保留病原体的过滤介质。或者，本发明提供包括多个纳米纤维织物的过滤介质，这些织物结合在一起以提供病原体杀灭功效。预期静电纺丝非织造聚合物纳米纤维织物是非常薄的织物。
[0017]因此，本发明提供包括微生物杀灭膜的过滤介质。微生物杀灭膜包括静电纺丝纳米纤维织物，这些织物预负载有杀生物剂。在某些实施方案中，杀生物剂是杀生物纳米颗粒。本发明的过滤介质还包括至少一种热结合剂。根据本发明，过滤介质不含有粘着剂层或粘着剂膏。
[0018]本文使用的术语“杀生物剂”是指可通过化学或生物手段来阻止任何有害生物体、使得这些生物体无害，或对于这些生物体发挥控制作用的化学物质或微生物。杀生物剂可添加至液体以保护其抵御生物侵染和生长。
[0019]根据本发明，杀生物剂可为各种杀生物化学品。可实体上保留于纤维中或化学结合至纤维的所有已知杀生物化学品可用于本发明，其包括杀生物纳米颗粒、杀生物剂添加齐U，或由杀生物剂聚合物制成的材料。例示杀生物化学品为但是不限于钠二氯-S-三嗪三酮(二水合物或无水；“二氯”)、三氯-S-三嗪三酮(“三氯”)、卤化乙内酰脲化合物、季铵化合物、铜和其合金(例如，黄铜、青铜、铜镍合金、铜-镍-锌等)，和银和其衍生物。在本发明的一个实施方案中，杀生物剂呈纳米颗粒形式。本发明还涵盖使用可转化成纳米颗粒的化学前体。
[0020]根据本发明的某些实施方案，杀生物剂预负载至静电纺丝纳米纤维织物中。杀生物纳米颗粒可为例如银纳米颗粒，或与硅烷季胺化学结合的二氧化硅纳米颗粒。在一个实施方案中，本文使用的杀生物纳米颗粒是银纳米颗粒。在一个单独实施方案中，本文使用的杀生物剂是化学前体，如硝酸银。虽然水溶性化学物，硝酸银可在热还原/分解后或经由光还原来转化成银纳米颗粒。这类转化可原位执行。
[0021]根据本发明，静电纺丝纳米纤维织物可为热塑性织物，包括如聚氨酯织物(例如，高温聚氨酯弹性体织物)、醋酸纤维素织物和聚酰胺织物或其组合。在一个实施方案中，静电纺丝纳米纤维织物是高温聚氨酯弹性体织物。
[0022]本发明的热结合剂可由纺粘型非织造聚合物织物制成。可使用各种纺粘型非织造聚合物织物，包括如聚酯织物、聚丙烯织物、聚氨酯织物、聚酰亚胺织物和聚氨酯织物或其组合。
[0023]举例来说，本文使用的纺粘型非织造聚合物织物是聚酯织物。在某些实施方案中，本文使用的聚酯织物是直的聚酯织物。可用于本发明的例示纺粘型非织造聚合物织物包括，例如，Reemay?纺粘聚酯织物。
[0024]Reemay?纺粘聚酯是随机排列、高度分散以及在细丝结处粘合的连续细丝聚酯纤维的片状结构。Reemay?的化学和热性质基本上是聚酯纤维的那些性质，并且这些纤维的纺粘结构提供物理性质的组合，包括如较高拉伸强度和撕裂强度、非脱散边缘、极好尺寸稳定性、无介质迁移、良好耐化学性和受控捕获效率和渗透率。Reemay?织物用于各种行业如覆盖物(例如，花园铺面)或支撑材料。
[0025]Reemay?纺粘聚酯织物包括直的或卷曲聚酯纤维，其给予织物不同过滤和其它一般性能性质。据信卷曲纤维提供柔软性、一致性和更大孔隙率，而直的纤维产生硬度、更紧密的结构，和更精细的捕获效率。
[0026]在本发明的某些实施方案中，本文使用的Reemay?纺粘聚酯织物是直的聚酯织物。例示Reemay?纺粘聚酯织物包括如Reemay?纺粘聚酯非织造物2004(或“Reemay?2004”),和Reemay?纺粘聚酯非织造物2250 (或“Reema/2250”)。
[0027]根据本发明，过滤介质可进一步包括保留病原体的过滤介质、保持污垢的过滤介质或保持化学物的过滤介质或其组合。
[0028]在本发明中，过滤介质的微生物杀灭膜呈含有静电纺丝纳米纤维织物和至少一种热结合剂的层状结构，其中静电纺丝纳米纤维织物热结合至热结合剂。本文使用的静电纺丝纳米纤维织物负载有杀生物纳米颗粒。在某些实施方案中，热结合剂由纺粘型非织造聚合物织物制成。
[0029]上述的微生物杀灭膜可经由相同或不同热结合剂来进一步热结合至保留病原体的介质。
[0030]本发明的过滤介质可含有两个或更多个微生物杀灭膜。在这些情况下，微生物杀灭膜在结构或组成方面可相同或不同。在某些实施方案中，微生物杀灭膜经由热结合剂来彼此热结合。
[0031]或者，本发明的微生物杀灭膜可含有呈层状结构的静电纺丝纳米纤维织物和两个热结合剂，其中静电纺丝纳米纤维织物在不同表面处热结合至热结合剂。本文使用的热结合剂可由相同或不同纺粘型非织造聚合物织物制成。
[0032]在一个实施方案中，本发明的过滤介质含有如以上描绘的微生物杀灭膜并且进一步包括保留病原体的介质和保持污垢/化学物的过滤介质。微生物杀灭膜在不同表面处经由热结合剂来热结合至保留病原体的介质和保持污垢/化学物的过滤介质。
[0033]根据本发明，微生物杀灭膜(含有杀生物剂负载织物)可在丝网滚筒上卷起多匝，然后安置在保持污垢/化学物的过滤介质(或滤筒)内部。或者，本发明的微生物杀灭膜可在保持污垢/化学物的过滤介质(或滤筒)外部卷起。卷起形式的具体设计取决于具体便携式供水系统中的水流动方向。
[0034]此外，卷起的杀生物剂负载织物可含有多个本发明微生物杀灭膜。取决于水流动方向，卷起的杀生物剂负载织物可安置在保持污垢/化学物的过滤介质(或滤筒)内部，或保持污垢/化学物的过滤介质(或滤筒)外部。
[0035]本发明还提供含有本发明的过滤介质的水纯化滤筒。
[0036]还提供含有本发明的水纯化滤筒的便携式供水系统。总体上，便携式供水系统包括部件，如储水罐、泵、供水线、水纯化装置(如水纯化滤筒)。关于便携式水系统和其功能的详述,请参考US 2011/0297609。
[0037]根据本发明的各种配置呈现于附图中，其中纳米纤维织物预负载杀生物剂。在这些附图中，Reemay?2250作为用于热结合层(热结合剂)的纺粘型非织造聚合物织物的实例来提供。本发明涵盖使用其它类型的纺粘型非织造聚合物织物作为热结合层和使用其它类型杀生物剂。
[0038]图1展示Reemay?纺粘非织造织物上的含有杀生物剂的静电纺丝纳米纤维的层状结构。层状结构称为N/R。与使Reema/2250预层叠于衬底上相比，如所展示的过程允许纳米纤维具有与Reemay?2250纤维更好的联结。在前一种情况下，纳米纤维更深地渗入Reemay?织物的大孔中。
[0039]如在本领域中已知，静电纺丝总体上使用电荷来从液体中抽取极细(通常微米或纳米尺度)纤维。静电纺丝共有电喷雾和纤维的常规溶液干法纺丝的特性(A.Ziabicki,Fundamentals of fiber format1n，John Wiley and Sons, London, 1976， ISBN0-471-98220-2)。此过程是非侵入性的并且不需要使用凝聚化学或高温来从溶液中产生固态细线。进一步，从熔化前体中静电纺丝也已经在本领域中实施，确保没有溶剂可夹带至最终产物中。
[0040]执行静电纺丝的系统总体上包括连接至高电压直流电源的喷丝头、注射泵，和接地集电极。可适用静电纺丝过程的设计取决于许多因素，包括如纤维的分子量、分子量分布和架构(例如，分支、线性等)、溶液性质(例如，粘度、电导率和表面张力)、电势、流速和浓度、毛细管丝网与收集丝网之间的距离、周围参数(例如，腔室中的温度、湿度和风速)，和目标丝网(集电极)的运动(参见，例如http://en.wikipedia.0rg/wiki/Electrospinning)。
[0041]Son 等人(M已cromol.Rapid Commun.2004, 25, 1632-1637)提供用于制备具有银纳米颗粒的抗微生物精细纤维的静电纺丝方法。具有银纳米颗粒的精细纤维通过直接静电纺丝含有硝酸银的醋酸纤维素溶液，随后光还原来制备。
[0042]纳米纤维预负载杀生物剂,如,纳米银颗粒或可通过热或UV来还原成纳米银的纳米银颗粒前体，例如，硝酸银。可使用的其它杀生物剂包括，如，纳米-二氧化硅颗粒，其与杀生物剂硅烷季胺化学结合。
[0043]图2-1展示热结合至保留病原体的介质,如，NanoCeram?或NanoCerm-PAC?介质的N/R薄膜。此过程允许纳米纤维具有与保留病原体的介质的更紧密接触，因为纳米纤维更深地渗入N/R薄膜中的纺粘非织造织物的孔中。
[0044]在其中纳米纤维织物需要较低热粘合温度的情况下，Reemay?2250首先在较高温度下预结合至保留病原体的介质。然后，独立式含有杀生物剂的静电纺丝纳米纤维织物结合至Reemay?2250织物。然后所得组装物在两侧用Reemay?2250覆盖(图2_2)。
[0045]图3展示热结合在一起的两个N/R薄膜。如果需要更好杀菌和过滤性能，超过两个层的N/R层可结合在一起。在展示于图2-1和2-2中的过程中，多个N/R薄膜可取代单一 N/R薄膜。
[0046]图4展示经由Reemay?织物与保持污垢/化学物的过滤介质和保留病原体的过滤介质热层叠的N/R薄膜。此组装物称为D/R/N/R/P。并入污垢/化学物介质可防止N/R病原体杀灭薄膜和保留病原体的介质过早失去其功效，污垢或化学物阻断表面通常会导致过早失去其功效。
[0047]图5展示杀生物纳米纤维织物(例如，N/R薄膜)可在刚性丝网滚筒上卷起多匝以形成多个层以便提供增强的病原体杀灭效率。杀生物剂织物使用负载杀生物剂的极薄纳米纤维，以使得多个层的纳米纤维垫的总厚度仍然较薄。使用这类卷起的结构使匝数得到平衡以避免导致水流速显著降低或水压降显著增加。在此图中，水流方向从过滤介质环的中心向外。
[0048]图6与图5很相似。在这种情况下，杀生物织物在污垢和化学物保留过滤环上卷起。水流引导方向向内朝向中心。
[0049]进一步，Reemay?2250织物可在相对低温，例如，100— 130°C下伴以适当压力来热结合至膜或其它Reemay?织物。应认识到在这类低温下，大多数织物或介质未热损坏。
[0050]本发明相关杀生物剂负载纳米纤维织物的新颖用途，这些织物与热粘合层结合在一起以提供杀灭病原体的杀菌过滤介质。通过使用薄纳米纤维织物，可获得较高水流速和较低水压降。进一步，杀生物纳米纤维织物可形成多层过滤介质或与其它过滤介质膜如NanoCeram-PAC?连接以便在使用时获得较高流速和较低压降。
[0051]虽然本申请着重于水过滤系统，但是据信本发明的过滤介质对于空气过滤系统或其它类型的液体过滤系统同样良好地起作用。
[0052]因此，本发明提供用于空气或液体过滤的更有效杀菌过滤介质，在使用时提供所需性质，如较低压降和较高流速。具体来说，本发明的薄静电纺丝非织造聚合物纳米纤维织物预负载杀生物剂，直接热结合至保留病原体的过滤介质或经由热结合剂来结合至保留病原体的过滤介质，提供增强的病原体杀灭功效。或者，含有多个滚筒的杀生剂负载纳米纤维织物的过滤介质也提供良好病原体杀灭性质。
[0053]更进一步，本发明涉及制备用于饮用水系统或空气过滤系统的过滤介质的方法。此方法包括将杀生物剂负载纳米纤维织物与热结合层，任选地进一步与保留病原体的介质来热结合。热结合步骤可经由过程来进行，所述过程包括如热压延、带压延、经由空气热粘合、超声波粘合、辐射热粘合、热层压机、通过热来进行的真空装袋，和具有压力和热的高压釜，或其组合。具体来说，本发明的热结合步骤被设计成避免包含于纳米纤维织物和/或热结合层中的熔化纤维或将其减少到最低限度。
[0054]举例来说，高压釜方法可通过包括以下步骤的过程来执行:
1).安放织物和膜；
2).将织物和膜在支撑扁平金属上装袋；
3).将袋子抽真空； 4).将组装物放置于高压釜中；
5).施加压力和热一段时间；
6).将组装物冷却至环境温度并且释放真空；
7).核查以确保热粘合完成。
[0055]因为本发明的过滤介质不使用粘着剂来使介质层结合，所以它避免与使用粘着剂相关的问题，所述粘着剂通常阻塞介质孔和杀生物剂部位，导致饮用液体系统中的较低液体流速和较高压降。
[0056]通过引用来并入
本文引用的所有专利/专利申请和参考文献的整个内容全部通过引用来明确并入本文中。
[0057]等效方案
本领域技术人员认识到或仅仅使用例行实验即能够确定本文所述的具体程序的许多等效方案。这类等效方案被认为在本发明的范围内并且由以下权利要求书涵盖。