包括納米纖維層的選擇性水蒸汽輸送膜及其制作方法
【專利摘要】一種水蒸汽輸送膜包括置于一個(gè)大孔支撐層上的一個(gè)納米纖維層，該納米纖維層涂覆有一種水可滲透性聚合物。一種用于制作水蒸汽輸送膜的方法包括：在一個(gè)大孔支撐層上形成一個(gè)納米纖維層，并且將一種水可滲透性聚合物涂布到該納米纖維層上。這種水可滲透性聚合物可以涂布成使得該納米纖維層基本上或部分地填充有該水可滲透性聚合物，或使得該涂層在該納米纖維層的一個(gè)表面上形成一個(gè)基本上連續(xù)的層。在該方法的一些實(shí)施例中，該納米纖維層是通過(guò)在該多孔支撐層的至少一側(cè)上對(duì)至少一種聚合物進(jìn)行電紡絲來(lái)形成的。在某些實(shí)施例中，這個(gè)支撐層是可成形的，并且該方法進(jìn)一步包括從該水蒸汽輸送膜成形一種三維結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)壓縮模制、打褶或起皺。
【專利說(shuō)明】包括納米纖維層的選擇性水蒸汽輸送膜及其制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)涉及了 2011年6月7日提交的標(biāo)題為“包括納米纖維層的選擇性水蒸汽輸送膜及其制作方法”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序號(hào)61/494，122并且要求來(lái)自其的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，該臨時(shí)專利申請(qǐng)?zhí)卮送ㄟ^(guò)引用以其全部?jī)?nèi)容結(jié)合。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及包括一個(gè)納米纖維層和選擇性涂層的水蒸汽輸送膜。這類膜特別適合用于在全熱交換器(enthalpy exchanger)和涉及在氣體流之間水分和可任選地?zé)崃拷粨Q的其他應(yīng)用中使用，其中很少或沒(méi)有氣體流穿過(guò)該膜進(jìn)行混合。
進(jìn)旦
[0003]熱回收通風(fēng)設(shè)備(HRV)是一種機(jī)械裝置，該裝置將一種熱交換器與一種通風(fēng)系統(tǒng)相結(jié)合用于提供受控的通風(fēng)到建筑物中。熱交換器使用排出的空氣來(lái)加熱或冷卻進(jìn)入的新鮮空氣。同樣在兩種空氣流之間交換水分的裝置一般被稱為能量回收通風(fēng)設(shè)備(ERV)，有時(shí)還被稱為全熱回收通風(fēng)設(shè)備或全熱交換器。
[0004]為了使建筑物具有良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，它們需要渾濁的室內(nèi)空氣與新鮮的室外空氣的交換。出于這個(gè)目的ERV可以得以使用并與一種從正被帶入建筑物的通風(fēng)空氣中去除過(guò)量的濕度或增加濕度到其中的方法結(jié)合。除了改善建筑物中的室內(nèi)空氣品質(zhì)外，ERV的安裝將產(chǎn)生節(jié)能。例如，在炎熱和潮濕的氣候下，當(dāng)冷卻的空氣從建筑物排出時(shí)，可用的能量被浪費(fèi)了。在ERV中，排出的空氣可以用于冷卻從外部被帶入的較熱的空氣，從而降低空氣調(diào)節(jié)器的能量消耗負(fù)荷和與空氣調(diào)節(jié)相關(guān)的能量。在適當(dāng)設(shè)計(jì)的情況下，可以降低空氣調(diào)節(jié)器的尺寸。如果建筑物傾向于過(guò)度潮濕，ERV可以降低濕度水平，從而降低引起疾病、缺勤以及損失生產(chǎn)力的霉菌、細(xì)菌、病毒、以及真菌的可能性。另一方面，在寒冷干燥的氣候下，當(dāng)熱空氣從建筑物排出時(shí)，能量被浪費(fèi)了，加上會(huì)存在進(jìn)入的空氣流過(guò)于干燥的另外的問(wèn)題。除了將熱量從排出的空氣轉(zhuǎn)移到進(jìn)入的空氣，ERV可以用于從排出的氣流中對(duì)水蒸汽進(jìn)行再循環(huán)，從而提高濕度水平，由此減少皮膚刺激、干燥、以及由干燥空氣引起的呼吸癥狀。
[0005]ERV系統(tǒng)中轉(zhuǎn)移這些空氣流之間熱量和濕度的一個(gè)關(guān)鍵部件被稱為ERV芯。兩種最常見(jiàn)類型的ERV是基于平面膜板式裝置的那些和基于旋轉(zhuǎn)全熱輪(enthalpy wheel)裝置的那些。平面板式ERV芯包括多個(gè)水可滲透性膜層。這兩種空氣流被引導(dǎo)穿過(guò)ERV芯的多個(gè)交替層或到其多個(gè)相反的側(cè)上，并且熱量和濕度經(jīng)由膜進(jìn)行轉(zhuǎn)移。全熱輪ERV(還被稱為能量輪)典型地具有一個(gè)涂覆有干燥劑的圓柱形或盤形的蜂巢芯。電動(dòng)機(jī)使該圓柱體旋轉(zhuǎn)，從而在進(jìn)氣與排出空氣流之間轉(zhuǎn)移熱量和濕度。ERV系統(tǒng)典型地還包括一個(gè)外殼、用于使這些空氣流移動(dòng)的多個(gè)泵或風(fēng)扇、管道、還有多個(gè)過(guò)濾器、控制電子器件以及其他部件。
[0006]因?yàn)榭諝獗慌懦鲋饕糜趶慕ㄖ镏腥コ郎啙岬暮臀廴镜目諝?，所以?yōu)選排出的流應(yīng)該不能在這兩種氣流穿過(guò)ERV時(shí)與膜的相反側(cè)上的進(jìn)入氣流相混合。然而，在許多情況下，由于ERV中的密封件或接頭處的滲漏和/或由于這些氣體穿過(guò)該膜材料而存在交叉污染(多個(gè)流之間的滲漏)。
[0007]優(yōu)選在ERV芯中所使用的膜是薄的以便允許熱量在這兩種氣流之間充分交換，這是由這些流之間的溫度梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)的。該膜還是水可滲透性的以便允許水分穿過(guò)該材料，這是由這兩種氣流之間的蒸汽壓力差或水濃度梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)的。更薄的膜將傾向于具有更高的熱量和水分輸送速率。理想地，該膜還是對(duì)空氣和污染物氣體來(lái)說(shuō)不可滲透的，以便防止這兩種氣流穿過(guò)該膜進(jìn)行混合和交叉。
[0008]已經(jīng)使用或建議用于ERV應(yīng)用的膜包括:纖維素薄膜；涂覆或浸潰有一種親水聚合物或一種親水聚合物-干燥劑混合物的纖維素纖維或玻璃纖維紙或多孔聚合物薄膜；經(jīng)由界面聚合制造的薄膜復(fù)合材料；由非織造支撐層上的吹塑薄膜(blown film)制成的層壓膜；包括結(jié)合到一種多孔支撐物上的一種離聚物薄膜的層壓膜；以及磺化的和羧酸化的離聚物薄膜。其他材料涉及將一個(gè)水可滲透性涂層涂布到微孔襯底上。然而，所有這些材料都具有缺點(diǎn)。例如，纖維素薄膜在潤(rùn)濕條件下在機(jī)械上和尺寸上是不穩(wěn)定的，傾向于經(jīng)受冷凍/融化破裂，并且典型地是相當(dāng)厚的(例如，大于10微米)，這導(dǎo)致較低的水滲透率。在液體水存在的情況下，水溶性組分傾向于洗掉涂覆有親水聚合物和/或聚合物-干燥劑混合物的紙或聚合物薄膜。當(dāng)將一種干燥劑添加到該涂層中時(shí)，這會(huì)需要多個(gè)高干燥劑負(fù)荷(>80%)以及厚的涂覆層以便阻斷氣體輸送；這可以減少水輸送。纖維素薄膜和涂覆的紙還傾向于是可燃的并且經(jīng)受微生物生長(zhǎng)。在通過(guò)界面聚合制造的薄膜復(fù)合材料的情況下，為了減少涂層洗掉的問(wèn)題，使單體在一種多孔聚合物襯底的表面上反應(yīng)以制成一種化學(xué)結(jié)合的水可滲透性涂層。這類膜傾向于是昂貴的并且它們的制作涉及有機(jī)溶劑和其他苛性化學(xué)品的使用。此外，可以結(jié)合的添加劑的類型受到所涉及的化學(xué)作用的限制。通過(guò)將一種流延離聚物薄膜結(jié)合到一種多孔支撐物上制成的層壓膜、或?qū)訅旱揭环N非織造物上的吹塑薄膜(例如，聚醚-嵌段酰胺(PEBA))，由于這兩種層的不同尺寸特性(例如，溶脹和熱膨脹)和在它們之間形成一種強(qiáng)結(jié)合的難度而傾向于層離。并且，這類層壓膜的水輸送性能傾向于是有限的，因?yàn)殡x聚物或吹塑薄膜必須是足夠厚的(例如，大于5微米)，以使得它可以被加工成一種連續(xù)的、無(wú)小孔的薄膜并且然后進(jìn)行處理以便制造該層壓材料。
[0009]一種用于全熱交換器和其他應(yīng)用(涉及氣體流之間的水分和任選地?zé)崃康慕粨Q)的膜(其中很少或沒(méi)有氣體流穿過(guò)該膜進(jìn)行混合)的令人希望的特性總體上包括以下項(xiàng):
[0010]□高的水滲透(蒸汽和液體)；
[0011]□高的吸水率；
[0012]□低的或零空氣和污染物氣體滲透；
[0013]□不可燃的；
[0014]□對(duì)微生物生長(zhǎng)的抗性；
[0015]□在干燥時(shí)或在潮濕時(shí)有利的機(jī)械強(qiáng)度和特性，以使得該膜是易于處理的，不會(huì)容易撕裂，優(yōu)選將接受并且保持褶皺，并且是足夠剛性的以經(jīng)受壓力差，這樣該膜不會(huì)過(guò)度偏轉(zhuǎn)；
[0016]□在液體水存在的情況下良好的尺寸穩(wěn)定性并且是可洗的，出于維護(hù)目的允許清洗而不會(huì)破壞或損害ERV芯的功能性；
[0017]□在所要求的操作條件下長(zhǎng)的壽命，而沒(méi)有膜組分的有害浸出或損失，并且沒(méi)有水蒸汽輸送性能的顯著退化或增加的污染物交叉；[0018]□在液體水冷凝存在的情況下對(duì)冷凍-熔化循環(huán)的耐受性，而沒(méi)有性能的顯著降低；
[0019]□低成本；
[0020]□可成形性，意指該膜可以被成形為三維結(jié)構(gòu)并且將保持其所成形的形狀。
[0021]經(jīng)常，以上表現(xiàn)出相沖突的要求。例如,具有低的空氣滲透性的材料傾向于也具有低的水滲透性；聚合物薄膜提供優(yōu)異的運(yùn)用，但傾向于是相當(dāng)可燃的；并且特制聚合物和高度工程化的薄膜復(fù)合材料以及類似材料傾向于是非常昂貴的。
[0022]一些用于這些裝置的最有希望的現(xiàn)有技術(shù)的膜是涂覆有一個(gè)水可滲透性聚合物薄層的、多孔的、負(fù)載有干燥劑的聚合物襯底，例如如特此通過(guò)引用而進(jìn)行結(jié)合的W02010/132983中所描述的。該襯底給該膜提供結(jié)構(gòu)剛度，而同時(shí)該薄的功能性聚合物層提供著水蒸汽輸送選擇性。利用這類襯底允許一個(gè)薄的水可滲透性聚合物層(例如，該涂層的厚度可以是小于5微米，并且優(yōu)選小于I微米)的涂布，該聚合物層改善了這些材料的水蒸汽滲透性能，盡管仍然存在著對(duì)水輸送穿過(guò)該涂覆層的一些阻力。該襯底的厚度典型地是在50至200微米的范圍中，并且測(cè)試表明這類膜中多于50%的水蒸汽輸送阻力是來(lái)自該襯底。這與該多孔襯底的性質(zhì)有關(guān)，該多孔襯底傾向于具有曲折的孔隙和閉端(dead-ended)的孔隙，從而導(dǎo)致對(duì)水輸送的增加的阻力。
[0023]用于增加ERV和其他裝置的全熱交換效率的關(guān)鍵方式之一是通過(guò)減少襯底材料的水蒸汽輸送阻力。同時(shí)，重要的是不增加該選擇性層的厚度。增加性能的另外一種的方式是改進(jìn)該選擇性聚合物層的水滲透率。然而，許多更高滲透性的聚合物對(duì)于這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)是成本高昂的。襯底層代表當(dāng)前材料中成本和輸送阻力中的一大部分。如果可以將這個(gè)層除去，那么膜的成本將會(huì)大大減少，而同時(shí)水蒸汽輸送性能將會(huì)增加。例如，在用于ERV應(yīng)用的一種當(dāng)代的膜材料中，微孔襯底層的成本是該膜成本的80%以上。如果可以從該膜中消除該微孔襯底，那么可能存在著使用更昂貴的、但滲透性更高的涂覆材料和添加劑的經(jīng)濟(jì)合理性。
[0024]可成形的膜在膜組件的組裝和制作中是有利的?？梢员恍纬蔀樽灾问降娜S結(jié)構(gòu)的工程化的復(fù)合膜材料將允許基于膜的裝置的增加的性能和減少的成本。
[0025]在此所描述的這些水蒸汽輸送膜可以提供高的水滲透率和高的選擇性(低的氣體交叉率(crossover)),從而使得它們特別適合用于ERV應(yīng)用和涉及氣體流之間的水分和可任選地?zé)崃康慕粨Q的其他應(yīng)用。此外，展示了具有類似滲透和選擇特性的膜，這些膜也可以被成形為三維結(jié)構(gòu)。
發(fā)明概述
[0026]一種水蒸汽輸送膜包括置于一個(gè)多孔支撐層上的一個(gè)納米纖維層，其中該納米纖維層涂覆有一種水可滲透性聚合物。該納米纖維層可以基本上或部分地填充有該水可滲透性聚合物，或該涂層可以在該納米纖維層的一個(gè)表面上形成一個(gè)基本上連續(xù)的層。
[0027]—種用于制作水蒸汽輸送膜的方法包括:
[0028](a)在一個(gè)多孔支撐層上形成一個(gè)納米纖維層；并且
[0029](b)將一種水可滲透性聚合物涂布到該納米纖維層上。
[0030]這種水可滲透性聚合物可以被涂布成使得該納米纖維層基本上或部分地填充有該水可滲透性聚合物，或使得該涂層在該納米纖維層的一個(gè)表面上形成一個(gè)基本上連續(xù)的層。在該方法的一些實(shí)施例中，該納米纖維層是通過(guò)在該多孔支撐層的至少一側(cè)上對(duì)至少一種聚合物進(jìn)行電紡絲來(lái)形成的。在該方法的一些實(shí)施例中，這個(gè)支撐層是可成形的，并且該方法可以進(jìn)一步包括從該膜來(lái)成形一種三維結(jié)構(gòu)，例如，通過(guò)壓縮模制、打褶或起皺。
[0031]在以上所描述的水蒸汽輸送膜或用于制作水蒸汽輸送膜的方法的一些實(shí)施例中，該水可滲透性聚合物可以是交聯(lián)的。在某些實(shí)施例中，該水可滲透性聚合物是非離子的，在某些實(shí)施例中它是離聚物的。在某些實(shí)施例中，該水可滲透性聚合物包括一種交聯(lián)的聚氨酯-聚醚聚合物或一種全氟化的磺酸聚合物。
[0032]在以上所描述的水蒸汽輸送膜或用于制作水蒸汽輸送膜的方法的一些實(shí)施例中，該納米纖維層可以包含聚丙烯腈纖維。
[0033]在以上所描述的水蒸汽輸送膜或用于制作水蒸汽輸送膜的方法的一些實(shí)施例中，該水可滲透性聚合物將該納米纖維層粘合到該多孔支撐層上。
[0034]在以上所描述的水蒸汽輸送膜或用于制作水蒸汽輸送膜的方法的優(yōu)選實(shí)施例中，該支撐層是大孔的。在以上所描述的水蒸汽輸送膜或用于制作水蒸汽輸送膜的方法的優(yōu)選實(shí)施例中，該支撐層是可成形的。
[0035]在以上所描述的水蒸汽輸送膜或用于制作水蒸汽輸送膜的方法的優(yōu)選實(shí)施例中，該水蒸汽輸送膜是基本上空氣不可滲透的。
[0036]在以上所描述的水蒸汽輸送膜或用于制作水蒸汽輸送膜的方法的一些實(shí)施例中，該支撐層被省去。
[0037]如在此所描述的水蒸汽輸送膜是在全熱交換裝置和水蒸汽輸送應(yīng)用中特別有用的。例如，它們可以用于能量回收通風(fēng)設(shè)備中。因此，還提供一種能量回收通風(fēng)設(shè)備芯，該芯包括一種水蒸汽輸送膜，該膜包括一個(gè)納米纖維層，其中該納米纖維層涂覆有一種水可滲透性聚合物。優(yōu)選地，該納米纖維層被置于一個(gè)多孔支撐層上。
[0038]本發(fā)明的這些水蒸汽輸送膜優(yōu)于已知的水蒸汽輸送膜之處在于:通過(guò)利用一個(gè)納米纖維層來(lái)支撐一個(gè)功能性涂層，可以產(chǎn)生一種低成本的、高度水蒸汽可滲透的和選擇性的膜來(lái)用于氣體到氣體水分和/或熱量的轉(zhuǎn)移應(yīng)用。在組合的熱量和水分輸送應(yīng)用中，一種薄的膜將是有益的。還可以在多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生這些層，這些支撐結(jié)構(gòu)可以是可成形的，從而允許改進(jìn)的交換器幾何結(jié)構(gòu)和更高的性能。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0039]圖1A是展示了可以用于制備納米纖維層的納米纖維紡絲設(shè)備和工藝的實(shí)例的簡(jiǎn)圖。
[0040]圖1B是展示了可以用于制備一個(gè)有支撐的、涂覆的納米纖維層的一種納米纖維紡絲和卷對(duì)卷涂覆設(shè)備和工藝的一個(gè)實(shí)例的簡(jiǎn)圖。
[0041]圖2A至圖2D展示了包括納米纖維層和水蒸汽可滲透性聚合物涂層而無(wú)支撐層的一種水蒸汽輸送膜的實(shí)施例。
[0042]圖3A至圖3F展示了包括納米纖維層、水蒸汽可滲透性聚合物、以及大孔支撐層的一種水蒸汽輸送膜的實(shí)施例。
[0043]圖4是電紡絲的聚丙烯腈納米纖維層的表面的電子顯微照片。
[0044]圖5是涂覆的納米纖維膜的截面的電子顯微照片。
[0045]圖6是涂覆的聚丙烯腈納米纖維層的表面的電子顯微照片，該層已經(jīng)部分地填充有交聯(lián)的聚醚-聚氨酯聚合物。
[0046]圖7是涂覆的聚丙烯腈納米纖維層的表面的電子顯微照片，該層基本上填充有交聯(lián)的聚醚-聚氨酯聚合物。
[0047]圖8A是在鋁網(wǎng)支撐層上的聚醚-聚氨酯涂覆的聚丙烯腈納米纖維層的光學(xué)顯微照片。
[0048]圖8B是圖8A的膜的起皺的樣品的照片。
[0049]圖9是由一種選擇性水蒸汽可滲透性膜制成的一個(gè)成形的(壓縮模制的)全熱交換器板的照片，該膜包括在聚酯紡粘非織造織物支撐層上的一個(gè)涂覆的納米纖維層。
[0050]圖10是一個(gè)交叉流動(dòng)ERV芯的經(jīng)簡(jiǎn)化的等距視圖。
[0051]圖11是展示了一個(gè)ERV系統(tǒng)的用途的簡(jiǎn)化圖。
發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)i兌明
[0052]在本方法中，改進(jìn)的水蒸汽輸送膜包括一個(gè)納米纖維層，該納米纖維層涂覆有一種水蒸汽可滲透性聚合物。
[0053]如在此所使用的“涂覆的”總體上是指該納米纖維層的纖維具有置于它們之上的水蒸汽可滲透性聚合物?！巴扛驳摹卑ㄒ韵虑闆r:其中該納米纖維層填充(完全浸潰)或部分填充有該水蒸汽可滲透性聚合物，和/或其中在該納米纖維層的一個(gè)或兩個(gè)表面上存在著該水蒸汽可滲透性聚合物的一個(gè)層或薄膜。該水蒸汽可滲透性聚合物在此還被稱為“功能性涂層”或“功能性聚合物”。
[0054]該功能性涂層允許該膜對(duì)氣體和污染物是基本上不可滲透的，而對(duì)水和水蒸汽保持高度可滲透性。這種特性被稱為選擇性。在此所描述的這些膜對(duì)水蒸汽的選擇性是大于對(duì)其他氣體和污染物的。在某些實(shí)施例中，該納米纖維層被支撐在一個(gè)大孔支撐層上，例如以便增加處理和加工該膜的容易性。在某些實(shí)施例中，該功能性涂層除了賦予選擇性和高水蒸汽滲透率之外，還可以充當(dāng)一種粘合劑以便將該納米纖維層粘附到該支撐層上。該支撐層還可以是可成形的，例如，以使得使該膜可以起皺、打褶或成形為一系列通道或其他三維結(jié)構(gòu)。該膜可以進(jìn)一步包含添加劑以便對(duì)該膜賦予令人希望的功能性，如阻燃性、抗微生物活性、或改進(jìn)的水和水蒸汽吸收。
[0055]在本方法中，該納米纖維層充當(dāng)一個(gè)框架以便支撐該功能性涂層。隨著纖維直徑接近10至IOOOnm的納米尺度，襯底中的水蒸汽輸送阻力可以實(shí)質(zhì)上降低。在本說(shuō)明書(shū)中，納米纖維材料被定義為具有小于約IOOOnm的纖維直徑的材料。由于這些纖維的小的直徑，該納米纖維層具有非常高的孔隙率。該納米纖維層的有效孔隙大小一般是在該納米纖維層的制作過(guò)程中納米纖維材料的沉積程度的函數(shù)。該納米纖維層具有高的水蒸汽滲透率，因?yàn)樗哂懈叩目紫堵什⑶規(guī)缀跛羞@些孔隙都是通孔，具有很少的閉端和低曲折度。這意味著水蒸汽將經(jīng)由這些纖維之間的開(kāi)放的空氣空間而擴(kuò)散穿過(guò)該納米纖維層，其中一個(gè)相對(duì)無(wú)阻擋的直線路徑穿過(guò)該層的厚度且與這些纖維有很少的相互作用。因此，水蒸汽的擴(kuò)散分子在垂直于該納米纖維層的平面的軸線上行進(jìn)的路徑長(zhǎng)度是在該層的厚度范圍內(nèi)。這導(dǎo)致對(duì)擴(kuò)散種類的輸送的阻力降低，因?yàn)榉肿訉⒕哂写┻^(guò)該納米纖維層的直接和無(wú)阻礙的路徑，并且因此更高的水蒸汽滲透率。該納米纖維層可以固有地或通過(guò)結(jié)合添加劑來(lái)對(duì)該膜賦予令人希望的特性。這些特性可以包括但不限于，增加的吸附、微生物抗性、或阻燃性。使用一個(gè)納米纖維層用于膜制作的另外一個(gè)的優(yōu)點(diǎn)是該層包含按重量計(jì)非常少的聚合物，并且因此材料成本將是很低的。相比之下，在已知的水蒸汽輸送膜中用于支撐一個(gè)功能性涂層的多孔或微孔層代表了膜的材料成本中的一大部分。
[0056]總之，基于納米纖維的膜的使用具有大大降低對(duì)最終膜材料中的水蒸汽輸送的阻力的潛力，從而引起裝置性能和建筑物的總體能量效率的顯著增加。這些納米纖維膜中增加的性能還將改進(jìn)在冷凍條件下的ERV性能。在冷凍條件過(guò)程中，增加的水蒸汽輸送性能允許更多來(lái)自排出的流的水蒸汽穿過(guò)該膜，這減少所存在的冷凝的量并且降低霜和冰在這些交換器通道中形成的可能性。就壽命而論，纖維襯底提供優(yōu)于當(dāng)代微孔襯底的優(yōu)點(diǎn)之處在于:它們將不會(huì)遭受孔隙塌陷和應(yīng)力誘導(dǎo)的破裂。一般厚度小于100微米的膜在全熱交換器中將具有高的熱量輸送速率。薄于200微米的膜是優(yōu)選的并且更優(yōu)選小于100微米。
[0057]納米纖維層已經(jīng)被結(jié)合到用于透氣(breathabIe )性能的衣物、防護(hù)衣物、超濾、水凈化、化學(xué)吸收以及其他應(yīng)用的已知(現(xiàn)有技術(shù))的膜中。總體上來(lái)說(shuō)，至少一個(gè)支撐層用于支撐一個(gè)或多個(gè)納米纖維層，并且在一些情況下使用其他添加劑。大多數(shù)之前所描述的結(jié)合了納米纖維的膜是多孔的并且將輸送水蒸汽，但這些膜對(duì)于水蒸汽的選擇性并不超過(guò)其他氣體，并且因此不適合用于選擇性水蒸汽輸送應(yīng)用如ERV裝置。將納米纖維層結(jié)合到多層“三明治狀的”結(jié)構(gòu)中的膜(其中不同的涂層涂布在這些材料的表面上)也已經(jīng)用于超濾和水純化應(yīng)用。
[0058]總體上來(lái)說(shuō)，用于水過(guò)濾應(yīng)用的膜不適合用于水蒸汽輸送應(yīng)用。水過(guò)濾膜被設(shè)計(jì)成在相對(duì)高的壓下與液體水相接觸。污垢經(jīng)常是水過(guò)濾中的關(guān)注點(diǎn)，但在水蒸汽輸送應(yīng)用中典型地很少有關(guān)注。水過(guò)濾膜總體上具有厚的和致密的支撐結(jié)構(gòu)(與蒸汽輸送膜相比)以便抵抗在水過(guò)濾過(guò)程中經(jīng)歷的、橫過(guò)該膜的、較高的壓差。取決于過(guò)濾的類型，水過(guò)濾膜還總體上被設(shè)計(jì)成或者親水性的亦或疏水性的；這在蒸汽輸送應(yīng)用中可能不是完全令人希望的。因?yàn)樗^(guò)濾膜與液體水相接觸，所以當(dāng)在氣體到氣體水蒸汽輸送應(yīng)用中使用時(shí)，它們傾向于或者具有低選擇性、低滲透率、亦或具有二者。
[0059]涉及使用具有一個(gè)選擇性水蒸汽可滲透性聚合物涂層的一個(gè)納米纖維層的本方法可以允許一個(gè)選擇性水蒸汽可滲透性層形成在一個(gè)大孔支撐層之上。在此大孔是指具有大于約10微米的平均孔隙大小至大于IOmm的平均孔隙大小的材料。常規(guī)地，制作基于這些大孔材料的膜的一個(gè)難度是在這些材料的表面上形成一個(gè)薄的水可滲透性選擇性層是非常難的。在孔隙大于幾微米的情況下，這些孔隙傾向于被聚合物溶液填充而不是支撐一個(gè)薄的表面薄膜。因?yàn)檫@些大孔材料是至少與該材料的孔隙大小一樣厚(并且典型地厚得多)，所以如果這些孔隙填充有該聚合物，那么選擇性和可滲透性聚合物層將是相對(duì)厚的。這將導(dǎo)致低的滲透率。用于制作基于大孔支撐材料的選擇性膜的另一種方式是通過(guò)將一種選擇性水蒸汽可滲透性聚合物薄膜層壓到該支撐物上。然而，不太容易制造出厚度低于5至15微米的、無(wú)缺陷的、整體的且均勻的聚合物薄膜。這意味著與在一種微孔材料的表面上流延的一種薄膜相比，該選擇性-可滲透性層將仍然是相當(dāng)厚的。由于這些薄膜的厚度所致的對(duì)水蒸汽輸送的阻力將導(dǎo)致水蒸汽輸送應(yīng)用方面性能不良。
[0060]一種用于在大孔支撐層上產(chǎn)生一個(gè)薄的選擇性水蒸汽可滲透性聚合物層的新穎方法是如通過(guò)利用一個(gè)納米纖維層作為一個(gè)框架來(lái)支撐在此所描述的水蒸汽可滲透性聚合物。一個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)是如果該水蒸汽可滲透性聚合物是從溶液來(lái)流延的以便填充或部分地填充該納米纖維層(而不是保持作為僅僅一個(gè)表面薄膜)，那么它可以同時(shí)將該納米纖維層粘附到該支撐層上。
[0061]用于制作一個(gè)薄的選擇性水可滲透性層的這樣一種方法可以用于多種多樣的大孔支撐材料上?？沙尚蔚闹尾牧献鳛橹螌涌梢允橇钊讼Ｍ?。這種類型的可成形性可以產(chǎn)生選擇性水蒸汽可滲透性膜，由于支撐物的選擇，這些膜可以形成為自支撐式三維結(jié)構(gòu)。所成形的膜在制作膜組件時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛锌赡軓慕M件設(shè)計(jì)中除去多個(gè)部件，如單獨(dú)制作的流場(chǎng)、支撐肋等。這樣可以減少材料成本和制造的復(fù)雜性。此外，使用該膜來(lái)形成流動(dòng)通道(即，其中這些通道壁是由該可滲透性膜制成的)可以顯著增加該組件中膜的有效表面積，這可以進(jìn)而增加每單位體積的性能并且減少成本。該涂覆的納米纖維層實(shí)質(zhì)上是一種纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。這賦予增加的強(qiáng)度到該選擇性層之中。當(dāng)與一個(gè)可成形的大孔支撐層相組合時(shí)，這可以允許該選擇性水蒸汽可滲透性層與該支撐物一起形成，而不會(huì)破壞或損害該選擇性層。在一些成形操作過(guò)程中，該選擇性層在成形過(guò)程中被拉長(zhǎng)或拉伸。這可以使該選擇性層變得更薄，并且可以進(jìn)一步增加該膜的水蒸汽輸送性能。
納米纖維層
[0062]可以經(jīng)由各種已知的技術(shù)來(lái)產(chǎn)生該納米纖維層，這些技術(shù)包括但不限于，拉延、化學(xué)氣相沉積、模板合成、自組裝、相分離、電紡絲、以及力紡絲(force spinning)。電紡絲和力紡絲對(duì)于工業(yè)規(guī)模擴(kuò)大具有最大潛力，但本發(fā)明的這些膜可以結(jié)合經(jīng)由任何適合的納米纖維制作工藝產(chǎn)生的納米纖維材料。
[0063]電紡絲涉及使用高壓電場(chǎng)將一種聚合物溶液拉延成細(xì)的纖維。在圖1A中所展示的一個(gè)典型設(shè)置中，將一種聚合物溶液15置于一個(gè)注射器10中并且將一個(gè)電極20連接到金屬針尖端25上。在針尖端25與一個(gè)接地收集器30之間維持一個(gè)空氣間隙。當(dāng)施加足夠電壓以克服該聚合物溶液的表面張力和粘滯力時(shí)，將該溶液作為一個(gè)噴射流35從針尖端25朝向收集器30拉延。隨著聚合物噴射流35被拉延，溶劑從纖維蒸發(fā)，纖維表面變得帶電，并且排斥力引起該噴射流抖動(dòng)(whip),從而進(jìn)一步將該纖維拉延到一個(gè)更細(xì)的直徑。通過(guò)這種方法有可能獲得在10至1000納米范圍中的連續(xù)纖維。
[0064]電紡絲工藝是高度復(fù)雜的，并且在電紡絲納米纖維的受控制合成中涉及多個(gè)變量。變量包括:聚合物-溶劑-溶液變量；該聚合物的濃度、傳導(dǎo)性、粘度、表面張力、溶劑揮發(fā)性、介電常數(shù)、分子量以及結(jié)構(gòu)。工藝變量包括:紡絲距離、噴絲頭針的幾何形狀、溶液進(jìn)料速率、環(huán)境溫度和濕度、電壓、以及收集器幾何形狀。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以有效地操控這些變量以便制造具有受控制的幾何形狀和直徑的聚合物納米纖維。
[0065]已經(jīng)描述了用于產(chǎn)生納米纖維襯底的片材或連續(xù)的卷的不同方法。這包括多針和多道(multiple pass)系統(tǒng)，或在聚合物溶液的一個(gè)浴中潤(rùn)濕的一個(gè)旋轉(zhuǎn)電極。經(jīng)常令人希望的是制作用于支撐層上的膜的納米纖維層，以用于改進(jìn)強(qiáng)度和易于處理。
[0066]可以將一個(gè)納米纖維層直接地電紡絲到一個(gè)大孔支撐層上。該納米纖維層的厚度將例如由纖維直徑、沉積時(shí)間、以及電紡絲設(shè)置的幾何形狀來(lái)決定。在電紡絲過(guò)程中，聚合物紡絲溶液中的溶劑隨著纖維形成而蒸發(fā)。這一點(diǎn)是有利的，因?yàn)檫@些纖維層在沉積在該支撐層上時(shí)將是干燥的或幾乎干燥的。因此，進(jìn)一步的干燥可能是不必要的，但是可以通過(guò)對(duì)流加熱和干燥、紅外干燥、真空干燥或其它干燥和固化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)完全干燥或固化。
[0067]可以對(duì)能夠溶解到溶液中的大多數(shù)商業(yè)聚合物進(jìn)行電紡絲，并且這些聚合物已經(jīng)在文獻(xiàn)中進(jìn)行了報(bào)道。因此，納米纖維層可以由多種多樣的聚合物制成，這些聚合物包括但不限于:聚乙烯醇(PVA);乙烯-乙烯醇(EVA);纖維素材料，如α-纖維素、乙酸纖維素(CA)、羧甲基纖維素(CMC)、以及乙基纖維素(EC);生物聚合物，如殼聚糖、膠原、葡聚糖、以及明膠；聚酰胺，如尼龍_6、尼龍-12、以及聚丙烯酰胺；聚丙烯酸(PAA);聚丙烯腈(PAN)；聚己酸內(nèi)酯(PCL);聚氧化乙烯(PEO);聚酯，如聚(對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)(PET)以及聚(丁二酸丁二醇酯)(PBS);聚酸，如聚(乳酸-乙醇酸)共聚物(PLGA)、聚乳酸(PLA)、以及聚-L-丙交酯(PLLA);丙烯酸樹(shù)脂類，如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA);聚砜(PSU);聚(醚酰亞胺)(PEI);聚酰亞胺(PI);聚苯并咪唑(PBI);聚苯乙烯(PS);聚氨酯(PU)以及聚氨酯共聚物；乙烯基聚合物，如聚(氯乙烯)(PVA)和聚(氟乙烯)(PVDF);以及聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)0
[0068]結(jié)合在本發(fā)明的選擇性水蒸汽輸送膜中的納米纖維層優(yōu)選地是不溶于水的，以使得該膜是可洗的并且能夠耐受最終用途應(yīng)用中的冷凝。水溶性的納米纖維聚合物可以被交聯(lián)成使得該納米纖維層不溶于水。可以通過(guò)各種已知的方法(包括UV輻射或加熱)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)，并且可以通過(guò)引發(fā)劑添加劑來(lái)加速交聯(lián)。交聯(lián)還可以直接通過(guò)使用反應(yīng)性交聯(lián)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)。交聯(lián)機(jī)制將取決于用于該納米纖維層的聚合物?？赡芟Ｍ氖鞘褂靡环N不溶于水的聚合物以便除去交聯(lián)的需要。然而，這將意味著必須利用一種非水性溶劑系統(tǒng)來(lái)形成該納米纖維層。非水性溶劑經(jīng)常是可燃的、有毒的或兩者，從而增加制造的復(fù)雜性?？赡苄枰軇┗厥眨瑥亩黾幽さ闹圃斐杀?。
[0069]用于該納米纖維層的聚合物的選擇將取決于對(duì)選擇性水蒸汽可滲透性聚合物涂層和所使用的任何支撐材料的選擇。取決于該功能性涂層和有待制作的膜的所希望的構(gòu)造，該納米纖維層可以是疏水性的或親水性的。例如，使用一個(gè)部分親水性的納米纖維層和一種水性功能性涂覆溶液總體上將產(chǎn)生一個(gè)填充的納米纖維層。另一方面，涂布到疏水性納米纖維層上的一種水性功能性涂覆溶液將不會(huì)潤(rùn)濕該納米纖維層或被拉延到該納米纖維層中，并且總體上將產(chǎn)生一個(gè)表面涂覆的納米纖維層。
[0070]利用具有納米尺寸的纖維一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，隨著纖維直徑減少，表面與纖維中的本體原子的比率顯著增加。已知表面原子是更具活性的，并且因此納米范圍中的纖維可以展示改進(jìn)的反應(yīng)特性、抗微生物特性、阻燃特性、和/或吸附特性。此外，與微米纖維層相比，減少的纖維直徑極大地增加納米纖維層的表面積，這在某些表面活性應(yīng)用中可能是有益的。
[0071]可以將具有有益特性的添加劑結(jié)合到本發(fā)明的膜的納米纖維層之中。因?yàn)檫@個(gè)層將具有高的表面面積，所以還可以增加添加劑的活性區(qū)域。因此，膜的抗微生物特性、阻燃特性、或吸收特性可以通過(guò)將添加劑結(jié)合到該納米纖維層中而極大地改進(jìn)。
[0072]在本發(fā)明的膜的一些實(shí)施例中，該納米纖維層可以包含一種或多種不同類型的聚合物或可以由相同聚合物但具有不同添加劑的溶液制成?？梢詫?duì)具有令人希望的特性的、共混的聚合物溶液進(jìn)行電紡絲以便形成兩種或更多種聚合物的納米纖維。并且，兩種或更多種聚合物溶液可以用多個(gè)獨(dú)立的針進(jìn)行電紡絲并且同時(shí)沉積到一個(gè)收集器上以便在同一層中產(chǎn)生具有兩種或更多種纏結(jié)的納米纖維聚合物的一個(gè)網(wǎng)狀物。這種多紡絲噴嘴方法可以通過(guò)控制來(lái)自不同溶液的纖維的沉積而允許添加劑受控地分布在納米纖維層中。
[0073]還可以在其他納米纖維層之上產(chǎn)生納米纖維層，其中每個(gè)層是一種不同的聚合物，或每個(gè)層具有不同的纖維直徑或幾何形狀或結(jié)合不同的添加劑。這在以下方面可能是有用的:產(chǎn)生具有增加的或減少的孔隙大小或孔隙率的結(jié)構(gòu)，或產(chǎn)生具有不同親水特點(diǎn)和疏水特點(diǎn)的層。
[0074]在本發(fā)明的膜的優(yōu)選實(shí)施例中，經(jīng)由電紡絲或另一種適合的納米纖維形成方法將納米纖維層直接沉積到一個(gè)大孔支撐層上。這個(gè)過(guò)程可以是連續(xù)的，從而允許制作有支撐的納米纖維材料的卷。這個(gè)過(guò)程還可以是一個(gè)連續(xù)膜制作線的一部分，其中在形成有支撐的納米纖維層之后涂布一個(gè)功能性涂層。
涂覆層
[0075]涂布到納米纖維層上的選擇性水蒸汽可滲透性聚合物涂層充當(dāng)氣體混合和污染物輸送的一個(gè)屏障。該功能性涂層是高度水蒸汽可滲透性的并且對(duì)水蒸汽是高度選擇性的，但是液體水的吸收和滲透也是令人希望的。該功能性涂層典型地作為一種溶液進(jìn)行涂布。如在此所用，特別是在提及該功能性涂層時(shí)，“溶液”包括該功能性聚合物的分散液和懸浮液、以及溶液。功能性涂覆溶液還可以包含令人希望的添加劑，如抗微生物劑、阻燃劑、以及干燥劑。
[0076]通過(guò)從膜的潤(rùn)濕側(cè)到膜的干燥側(cè)的濃度梯度而擴(kuò)散穿過(guò)該功能性聚合物來(lái)驅(qū)動(dòng)水輸送。令人希望的是降低功能性涂層的厚度，以便增加穿過(guò)該膜的水輸送速率，然而這必須在不會(huì)過(guò)度損害功能性涂層充當(dāng)氣體混合的屏障的能力的情況下進(jìn)行。
[0077]功能性涂層針對(duì)水蒸汽的滲透性還將取決于水蒸汽在聚合物中的溶解度和擴(kuò)散率，如在膜科學(xué)文獻(xiàn)中通常所描述:滲透性=擴(kuò)散率X溶解度。因此，滲透性取決于功能性聚合物的性質(zhì)，該性質(zhì)包括聚合物鏈堆填(packing)和取向、聚合物鏈中的官能團(tuán)、極性、結(jié)晶度、聚合物添加劑、交聯(lián)密度、填充劑的存在、以及聚合物在水存在的情況下塑化的程度。溶解度取決于功能性聚合物和被吸收到該聚合物層中的種類的化學(xué)性質(zhì)，例如由于某些聚合物的化學(xué)性質(zhì)，它們將有利地吸入一種極性分子，如水。對(duì)水和水蒸汽來(lái)說(shuō)，水溶性聚合物將因此具有高溶解度，并且水蒸汽吸收到聚合物中在熱力學(xué)上將是有利的。交聯(lián)這些聚合物將在一定程度上降低溶解度，然而交聯(lián)允許聚合物在一種可溶性種類存在的情況下在某種程度上溶脹而不會(huì)溶解該聚合物。某些聚合物的高水平的溶脹將導(dǎo)致穿過(guò)聚合物結(jié)構(gòu)的液體通道的形成。如果水是溶質(zhì)，這經(jīng)常由于聚合物經(jīng)受內(nèi)部相分離而自發(fā)完成，因?yàn)闊崃W(xué)力引起聚合物內(nèi)的親水基團(tuán)的對(duì)齊。固體聚合物層中的這些‘水性通道’的存在對(duì)聚合物中的擴(kuò)散輸送具有深厚影響，因?yàn)榇┻^(guò)液相的輸送比穿過(guò)該固相的輸送大出數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)?？傮w上來(lái)說(shuō)，彈性體聚合物比非晶態(tài)聚合物在運(yùn)動(dòng)上更少受約束，非晶態(tài)聚合物它們本身比結(jié)晶聚合物更少受約束。這與該聚合物中的自由體積有關(guān)，因?yàn)榫酆衔锓肿油ㄟ^(guò)遷移到聚合物基質(zhì)內(nèi)的孔中而在固體內(nèi)移動(dòng)?？傮w上來(lái)說(shuō)，聚合物鏈在涂覆材料內(nèi)的可移動(dòng)的越多，該材料中的擴(kuò)散輸送速率就越大。因此，擴(kuò)散在鏈?zhǔn)强梢苿?dòng)的聚合物中極大得到增力口。對(duì)水和水蒸汽的高吸收與水蒸汽在聚合物基質(zhì)中的快速擴(kuò)散的組合產(chǎn)生了具有高滲透率的功能性聚合物。這些聚合物將是本發(fā)明的令人希望的功能性涂覆材料。
[0078]功能性聚合物涂層優(yōu)選地是柔性的以便允許最終膜的更容易處理、打褶、以及加工從而形成ERV芯或其他這類裝置。因此，彈性體聚合物或非晶態(tài)聚合物、非結(jié)晶聚合物是優(yōu)選的，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ侨嵝缘摹?br> [0079]在干燥和固化之后，功能性涂層應(yīng)是不溶于水的，因?yàn)槔淠龑⒌湫偷卦谧罱K用途應(yīng)用的裝置中發(fā)生。在ERV應(yīng)用中，因?yàn)槟ひ恢迸c進(jìn)入和離開(kāi)建筑物的空氣相交界(interfacing),將令人希望的是能夠周期性地清洗該膜。[0080]可以使用的不同功能性涂層包括，例如，纖維素及其衍生物，如羧甲基纖維素、乙基纖維素、乙酸纖維素；聚醚，如聚氧化乙烯、聚乙二醇、聚苯醚；乙烯醇，如聚乙烯醇；以及丙烯酸樹(shù)脂類，如聚丙烯酸酯和聚丙烯酰胺。然而，這些功能性涂層中的一些可能難致使不溶于水，具有不良選擇性，或?qū)τ贓RV應(yīng)用的不充分的滲透性。
[0081]熱塑性彈性體(TPE)是候選的涂覆材料，因?yàn)橐恍┻@類材料提供高滲透率(如以上所討論的)并且可以作為與水可滲透性聚合物的共聚物來(lái)產(chǎn)生以便產(chǎn)生具有高水蒸汽輸送速率和結(jié)構(gòu)整體性的聚合物。廣泛范圍的獨(dú)特TPE聚合物是可獲得的，它們具有尤其針對(duì)水蒸汽輸送而制成的不同等級(jí)。家族包括熱塑性聚氨酯、熱塑性聚酯、熱塑性聚酰胺、以及苯乙烯嵌段共聚物。這些聚合物是可商購(gòu)的，例如Estane(路博潤(rùn)公司(Lubrizol))、PEBAX(阿科瑪公司(Arkema))、Arnitel (帝斯曼公司(DSM))、Hytrel (杜邦公司(DuPont))、以及Kraton (殼牌公司(Shell))。這些聚合物典型地是熔融加工的并且可按片材形式作為‘透氣薄膜’可獲得。這些材料的水蒸汽滲透率對(duì)于一些應(yīng)用來(lái)說(shuō)是足夠的，然而，膜成形的較低限制(典型地5到15微米)傾向于導(dǎo)致在高水蒸汽輸送應(yīng)用如ERV應(yīng)用中低于所要求的水蒸汽輸送性能。
[0082]聚氨酯分散液如聚氨酯-聚醚共聚物是可以作為水溶液涂布并且然后交聯(lián)的適合的柔性、耐用的水可滲透性涂層。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)以下是適合的:含有針對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的聚氨酯主鏈‘硬’片段和針對(duì)水滲透性和水輸送功能性的聚氧化乙烯(PEO) ‘軟’片段側(cè)鏈的非離子型聚氨酯-聚醚聚合物(如例如在名稱PERMAX230下從路博潤(rùn)公司可獲得的那些)。因?yàn)樵摼酆衔锸撬苄缘?，所以需要一定程度的交?lián)來(lái)使該聚合物是充分地不溶性的。對(duì)于這些涂層來(lái)說(shuō)，交聯(lián)總體上將在聚合物鏈的聚氨酯片段中的羧基基團(tuán)上發(fā)生。這種交聯(lián)機(jī)制使該聚合物涂層在液體水中溶解性較低，而聚合物的軟(PEO)區(qū)段的水輸送特性被適當(dāng)?shù)乇Ａ簟Ｓ糜谶@些聚合物的適合的交聯(lián)劑包括氮丙啶、三聚氰胺、異氰酸酯、以及碳二亞胺。
[0083]可以將尤其設(shè)計(jì)用于水蒸汽輸送的聚合物樹(shù)脂(例如，PEBAXMV3000、PEBAX1074以及1657)溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲胁⑶胰缓笸坎嫉郊{米纖維層上作為功能性涂層。這些聚合物是更難以溶解的，但是一旦它們被流延就具有增加的不溶于水的益處。
[0084]某些離聚物的聚合物如羧酸化的或磺化的聚合物展示了高的水蒸汽輸送速率，這是由于這些聚合物在液體水或水蒸汽存在的情況下溶脹并且形成‘水性通道’的能力。可商購(gòu)的磺化聚合物，如磺化聚苯乙烯(sPS)、全氟化磺酸(PFSA)、磺化聚醚醚酮(sPEEK)、磺化聚醚砜(sPES)以及磺化苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(sSEBS)，傾向于具有非常高的水蒸汽輸送并且對(duì)于水蒸汽可以是高度選擇性的。這些聚合物傾向于顯示出溶脹現(xiàn)象、在聚合物中形成水性通道以及高的水滲透率。過(guò)度溶脹將降低聚合物的尺寸穩(wěn)定性并且當(dāng)暴露于液體水時(shí)可能導(dǎo)致從膜制造的材料和裝置的耐久性問(wèn)題?？梢酝ㄟ^(guò)聚合物的磺化程度和結(jié)構(gòu)性質(zhì)來(lái)控制溶脹的程度。還可以通過(guò)物理地將聚合物約束在一個(gè)多孔框架之上或之內(nèi)來(lái)減少溶脹。納米纖維層具有高的表面積，并且將提供用于保持可溶脹聚合物的優(yōu)異襯底。因此，水蒸汽輸送離聚物的聚合物可以用作涂布到本發(fā)明的膜中的納米纖維層上的功能性涂層。然而，這些材料傾向于具有比其他功能性聚合物更高的成本，并且這些材料的使用對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。
[0085]水蒸汽可滲透性聚合物涂層還可以是不同聚合物的一種混合物，例如一種高度可滲透的、高成本的聚合物與一種更低成本、更低滲透性聚合物共混可以在該涂層中賦予增加的滲透性，而基本上不會(huì)增加成本。一個(gè)非限制性實(shí)例將是通過(guò)將一小部分的昂貴的磺化聚合物與低成本的水可滲透性聚醚-聚氨酯進(jìn)行共混來(lái)制作一種選擇性高的水蒸汽可滲透性涂層。
涂層的添加劑
[0086]可以針對(duì)具體最終用途的應(yīng)用通過(guò)將一種或多種添加劑結(jié)合到功能性聚合物涂層之中來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)最終膜的特性，該功能性聚合物涂層被涂布到納米纖維層上。實(shí)例包括:
[0087](a)通過(guò)使用阻燃劑來(lái)改進(jìn)的阻燃性；和/或
[0088](b)通過(guò)使用殺微生物劑以便抵抗霉菌、細(xì)菌和/或真菌的生長(zhǎng)來(lái)改進(jìn)的微生物抗性；和/或
[0089](C)通過(guò)使用干燥劑和/或其他聚合物來(lái)增加的水吸收和滲透；和/或
[0090](d)氣味、V0C、或其他污染物的吸附或掩蔽。
[0091]可以將阻燃劑添加劑添加到功能性涂層以便改進(jìn)最終膜的阻燃性。如果納米纖維層和/或支撐層(如果存在)是不阻燃的，在這種情況下，涂層可以包含足夠的添加劑以便使得最終膜是阻燃的，這一點(diǎn)是特別重要的。出于這個(gè)目的，不同類型的添加劑是適合的。這些包括:膨脹型材料(intumescents),如可膨脹的石墨和膦酸酯；三水合招；金屬氫氧化物，如氫氧化鋁和氫氧化鎂；銻化合物，如三氧化銻、五氧化銻以及亞銻酸鈉；硼化合物，如硼酸、硼砂、硼酸鋅；其他金屬化合物，如鑰化合物、鈦化合物、鋯化合物、鋅化合物如錫酸鋅、羥基錫酸鋅；磷化合物，如紅磷和多磷酸銨；三聚氰胺；以及胍。理想地，阻燃劑添加劑在功能性涂覆溶液中是不可溶的，并且可以容易地分散于溶液中。還希望添加劑是無(wú)毒的，并且在低負(fù)荷下是有效的。
[0092]在此描述的這些膜的優(yōu)選實(shí)施例中所使用的納米纖維層、功能性涂層、以及任選的支撐層總體上不促進(jìn)、并且在一些情況下抵抗霉菌和細(xì)菌的生長(zhǎng)(與纖維素和其他之前所使用的襯底和涂層不同)。將殺微生物劑添加到該涂層中可以進(jìn)一步阻止全熱交換器或其他裝置中的霉菌、真菌、以及細(xì)菌的生長(zhǎng)。對(duì)于是一個(gè)空氣處理系統(tǒng)的一部分的全熱交換器來(lái)說(shuō)，這些材料可以用于一種黑暗、潮濕、并且溫暖的環(huán)境中，這種環(huán)境對(duì)于霉菌和細(xì)菌生長(zhǎng)是有利的。即使所使用的這些膜材料不能夠被降解，這些添加劑的添加也可以是有益的。用于這個(gè)目的的適合的添加劑包括Microbank\ Bioban (溴硝丙二醇)、Dowicide(2-苯基苯酹)、Filmguard (3-碘丙炔基丁基氨基甲酸酯)、Amical (二碘甲基-對(duì)-甲苯基砜)、以及Canguard (I, 2-苯并異噻唑啉-3-酮)。
[0093]在一些情況下，可能希望將干燥劑添加到功能性涂層中以便增加材料的水?dāng)y載能力。優(yōu)選地，選擇并且按以下這些量來(lái)使用添加到該涂層中的這些干燥劑:這些量使得它們不會(huì)不利地增加穿過(guò)膜的氣體滲透并且不會(huì)隨時(shí)間的推移溶解于水中。適合的干燥劑可以包括:氯化鋰、二氧化硅、分子篩、沸石、氧化鋁、氯化鈣、以及硫酸鈣，但是這些中的一些將傾向于是水溶性的。
[0094]如以上的添加劑可以具有吸收和阻斷空氣流中的氣味和其他污染物的益處。
[0095]可以將水溶性聚合物添加到功能性涂層中作為粘度調(diào)節(jié)劑和薄膜成形劑以便改進(jìn)涂層的稠度并且增加制造的容易性?？梢詫⒈砻婊钚詣┨砑拥皆摴δ苄酝繉又幸员愀倪M(jìn)涂層在襯底上的展布或減少加工過(guò)程中涂覆溶液的發(fā)泡。
支撐層
[0096]如以上所提及的，本發(fā)明的這些膜優(yōu)選進(jìn)一步包括一個(gè)支撐層，例如，以便提供結(jié)構(gòu)剛度并且使膜更容易處理和使用。由于納米纖維層是典型地十分細(xì)且脆，所以有益的是具有一個(gè)支撐層，可以在該支撐層上制作該納米纖維層，以容易在納米纖維紡絲過(guò)程與涂覆過(guò)程之間進(jìn)行處理。一旦涂布該功能性涂層，該膜可以受益于由該支撐層提供的增加的結(jié)構(gòu)整體性。該支撐層對(duì)于將該膜下游加工和結(jié)合到裝置和全熱交換器中也許是重要的。例如，該支撐層可以改進(jìn)該膜的能夠被打裙、棍軋、成形、焊接、膠帶粘合(taped)、封裝(potted)或以不同制造工藝處理的容易性。該支撐層還可以給予膜足夠的強(qiáng)度和/或剛度以便在一個(gè)裝置中在所要求的操作條件下使用。例如，該膜可能必須在所施加的壓差下在升高的溫度下在肋條或通道之間支撐它們本身而無(wú)過(guò)度變形。該支撐層可以允許該膜以某種方式熱、振動(dòng)或超聲波焊接或接合到它本身或其他部件中。
[0097]該支撐層優(yōu)選提供令人希望的機(jī)械特性，而不會(huì)對(duì)水蒸汽輸送賦予任何顯著增加的阻力。出于這個(gè)原因，具有高孔隙率的大孔材料優(yōu)選作為支撐層。選擇支撐材料以使得它與膜系統(tǒng)的其余部分在物理上和化學(xué)上是相容的。在一些應(yīng)用中，希望支撐材料是不可燃的和/或抵抗霉菌、細(xì)菌、或其他微生物的生長(zhǎng)。
[0098]該支撐層可以是任何適合的多孔材料，包括但不限于:非織造物、織造物、聚合物網(wǎng)、金屬網(wǎng)、過(guò)濾器、纖維材料、燒結(jié)碳、燒結(jié)金屬、燒結(jié)塑料、以及泡沫。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由聚合物纖維制成的非織造材料特別適合用于ERV應(yīng)用。這些材料是廣泛可獲得的、相對(duì)便宜的、并且由廣泛范圍的聚合物制造的。金屬網(wǎng)結(jié)構(gòu)也可以用作支撐層，其具有在膜制作之前或之后易于打褶、起皺、或以另外的方式成形的增加的益處。
膜的制作
[0099]在涂覆程序中，將功能性聚合物的一種溶液流延到納米纖維層上，在此之后使溶劑蒸發(fā)，從而在該納米纖維層上留下一個(gè)固體聚合物涂層。如果該聚合物溶液對(duì)該納米纖維層具有親和力，那么該納米纖維層可能被填充有該聚合物溶液，并且當(dāng)溶劑蒸發(fā)時(shí)，將存在功能性聚合物填充或部分填充該納米纖維層中的孔隙。填充的程度將取決于該溶液的多個(gè)變量，這些變量包括(例如)該溶液中的聚合物的濃度和類型、溶劑、以及該溶液的表面張力。填充的程度還將取決于該納米纖維層的多種特性，包括孔隙大小、纖維直徑、以及納米纖維聚合物的表面能。填充的程度還將取決于涂布方法，和沉積在該納米纖維層上的功能性涂覆溶液的體積。為了增加最終膜的水滲透率，優(yōu)選地所施加的功能性聚合物的量應(yīng)僅是足夠高的以便滿足應(yīng)用的選擇性要求。
[0100]用于形成本發(fā)明的膜的方法在以下進(jìn)行更詳細(xì)的描述。在某些實(shí)施例中，可以使用多步驟工藝，而其他實(shí)施例可能涉及在一個(gè)連續(xù)工藝中制作。
[0101]可以通過(guò)桿、刮刀或類似裝置將一種功能性聚合物溶液直接涂布到納米纖維層或有支撐的納米纖維層上。其他適合的涂布方法包括:浸涂、邁爾桿(Mayer rod)、刮刀上棍涂覆(blade over roller coating)、直接照相凹版印刷術(shù)、間接照相凹版印刷(offsetgravure)、吻合涂覆(kiss coating)、狹縫式涂覆、以及噴涂。然后使該涂覆的膜典型地穿過(guò)一個(gè)干燥器或烘箱以便去除過(guò)量的溶劑并且使該涂層粘附到納米纖維表面上。例如，可以通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)干燥，通過(guò)對(duì)流進(jìn)行加熱的空氣干燥、通過(guò)使用紅外加熱器、或兩者的組合。干燥器中的高溫可以引發(fā)或加快聚合物涂層的交聯(lián)。取決于涂覆聚合物的類型，可以使用其他交聯(lián)技術(shù)。這些膜的產(chǎn)生可以在卷對(duì)卷設(shè)備上在一個(gè)連續(xù)過(guò)程中完成，從而允許高容量、低成本的制造。
[0102]圖1B是一個(gè)簡(jiǎn)圖，展示了可以用于制備一個(gè)有支撐的、涂覆的納米纖維層的一種卷對(duì)卷設(shè)備和工藝的一個(gè)實(shí)例。三排注射器設(shè)備115 (與參照?qǐng)D1A所描述的那些類似)用于在一個(gè)大孔支撐層140上電紡絲并且沉積一個(gè)納米纖維層，該大孔支撐層在輥145a與145b之間被張拉并且移動(dòng)，在輥150之下穿過(guò)。一個(gè)接地收集器130定位在大孔支撐層140的下面、直接在注射器設(shè)備115的正下方。一旦該納米纖維層已經(jīng)在該支撐層上形成，就使用一種適合的輥涂或替代涂覆設(shè)備155涂布一種功能性涂覆溶液，并且然后去除溶劑并且在被收集在輥145b上之前使用烘箱、加熱器、或干燥器160來(lái)干燥該膜。
[0103]取決于涂覆方法和該納米纖維層、支撐層以及該功能性涂覆溶液的化學(xué)特性，可以在涂覆過(guò)程中將該納米纖維層和支撐層潤(rùn)濕。在這種情況下，該涂層可以起作用將這些層粘合在一起，從而形成最終膜。然而，為了維持該膜中的高水蒸汽滲透率，低涂層利用是所要求的，但不會(huì)太低以至于損害膜的選擇性。納米纖維尺寸、納米纖維層厚度、密度、孔隙大小、孔隙率、以及涂層制齊U、涂布方法、以及均勻性和厚度之間的平衡可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)，從而產(chǎn)生具有高滲透率和高選擇性的膜的制作。
[0104]一個(gè)優(yōu)選的膜實(shí)施例可以通過(guò)在一個(gè)大孔支撐層的表面上對(duì)具有小于500nm直徑纖維的一個(gè)低負(fù)荷的纖維層進(jìn)行紡絲來(lái)制成。這個(gè)纖維層將具有低重量、低厚度、以及高孔隙率。隨后使用具有高水蒸汽滲透性的功能性聚合物的一種溶液來(lái)涂覆該納米纖維層，該溶液將潤(rùn)濕該納米纖維層和該大孔支撐層。機(jī)械地去除過(guò)量涂層，并且使溶劑從該涂層中蒸發(fā)。結(jié)果是一種有支撐的納米纖維膜，該納米纖維膜通過(guò)該功能性涂層粘合在一起。這種膜對(duì)水和水蒸汽將是高度可滲透的，并且對(duì)空氣、氣體、顆粒、以及污染物是實(shí)質(zhì)上不可滲透的。
[0105]在某些實(shí)施例中，該功能性涂覆溶液可能是與該納米纖維層不相容的并且將不會(huì)潤(rùn)濕該納米纖維層。在這種情況下，可以將一個(gè)薄的涂層流延到該納米纖維層的表面上。這樣就具有高滲透率(由于該薄的選擇性涂覆層的低阻力)的潛力的優(yōu)點(diǎn)，但具有未將該納米纖維層粘合到該支撐層的缺點(diǎn)。在這種情況下，該納米纖維層優(yōu)選應(yīng)能夠粘附到該支撐層上。這可以通過(guò)在該支撐層上對(duì)該納米纖維層進(jìn)行紡絲之前用一種粘合劑、粘附促進(jìn)劑、涂層、電暈處理來(lái)對(duì)該支撐層進(jìn)行涂底(priming)或類似地處理該支撐層而得到增強(qiáng)。最終的膜還可以通過(guò)加熱、壓延，層壓、或類似工藝進(jìn)行后處理以便幫助將這些部件粘合在一起。
[0106]在包括兩個(gè)納米纖維層的一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)第一納米纖維層未被該功能性涂層潤(rùn)濕，并且一個(gè)第二納米纖維層被該涂層潤(rùn)濕。這樣允許一個(gè)納米纖維層相對(duì)于另一個(gè)優(yōu)先涂覆，或一個(gè)納米纖維層與該支撐層優(yōu)先粘合。
[0107]當(dāng)將多種納米纖維聚合物一起紡絲在一個(gè)層中時(shí)，該功能涂層可以僅潤(rùn)濕這些納米纖維聚合物中的一種，并且這樣可以允許根據(jù)這些不同的納米纖維的比例來(lái)控制涂覆的程度。
[0108]在另一個(gè)實(shí)施方案中，可以用一種低濃度涂覆溶液(高溶劑含量)或粘合溶液來(lái)涂覆該納米纖維層，以便將該納米纖維層粘附到該支撐層上，并且對(duì)該納米纖維層進(jìn)行涂底以用于涂布一個(gè)功能性涂層。這個(gè)涂底過(guò)程實(shí)質(zhì)上涂覆該支撐層和納米纖維層，從而將它們粘附在一起。這還可以增強(qiáng)該功能性涂覆層與該納米纖維層的粘附。
[0109]制作膜的另外一種方法是在將該功能性涂層流延到該納米纖維層的表面上之前用一種液體填充該納米纖維層，并且然后蒸發(fā)或去除這種或這些溶劑。這樣可以允許將一個(gè)連續(xù)的功能性涂層沉積到該納米纖維層的表面上，而基本上不會(huì)填充該納米纖維層。這樣可以具有以下優(yōu)點(diǎn):減少該功能性涂覆層的厚度并且因此增加其水蒸汽滲透率(permeance)。然而，最終的膜可能需要通過(guò)如之前所描述的預(yù)處理或后處理過(guò)程來(lái)粘合在一起。
[0110]一種制作膜的方法的另一個(gè)實(shí)施例膜與以上方法類似，不同之處在于納米纖維層填充有具有低濃度功能性聚合物的一種第一涂覆溶液。該聚合物和溶劑可以與第二涂覆溶液相同，但必須潤(rùn)濕該納米纖維層和該支撐層。然后使用該第二功能性聚合物溶液來(lái)涂覆該液體填充的納米纖維膜，該第二功能性聚合物溶液具有更高濃度的聚合物，并且因此具有更高的粘度和密度。由于該納米纖維層填充有該第一低濃度溶液，該功能性聚合物將基本上不會(huì)填充該納米纖維層。然后干燥該膜以便去除溶劑。這同時(shí)將該支撐層粘合到該納米纖維層上，并且在該納米纖維層的表面上產(chǎn)生一個(gè)薄的選擇性水蒸汽可滲透性涂層。
[0111]如以上所描述，用于選擇性水蒸汽輸送的本發(fā)明的膜包括一個(gè)納米纖維層和水蒸汽可滲透性聚合物涂層。該膜還可以包括一個(gè)或多個(gè)支撐層和一個(gè)或多個(gè)另外的納米纖維層，該一個(gè)或多個(gè)另外的納米纖維層在每個(gè)層中具有不同的表面涂覆或填充程度。這樣，可以按不同的方式結(jié)合并且安排該膜的這些部件。潛在膜配置的非限制性實(shí)例在以下進(jìn)行描述。
[0112]圖A到圖D展示了包括一個(gè)納米纖維層和一種水蒸汽可滲透性聚合物而無(wú)一個(gè)支撐層的水蒸汽輸送膜的不同示例性實(shí)施例。圖2A示出完全填充有一種選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物的一個(gè)納米纖維層(201)。該納米纖維層充當(dāng)用于保持該選擇性的可滲透性聚合物的一個(gè)框架，并且該功能性聚合物還充當(dāng)一種粘合劑，從而將這些納米纖維粘附在一起并且增加該復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度。圖2B示出一個(gè)部分填充的納米纖維層(211);該功能性聚合物將這些納米纖維粘合在一起，增加了材料的強(qiáng)度，并且可以對(duì)膜賦予足夠的選擇性，而同時(shí)維持高的水滲透率。圖2C示出一個(gè)納米纖維層(222)，該納米纖維層已經(jīng)涂覆有選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物的一個(gè)薄的表面層(221)。納米纖維層222將幾乎不對(duì)水蒸汽輸送具有阻力，同時(shí)支撐選擇性涂覆層221。圖2D示出一個(gè)部分填充的納米纖維層(232)，該納米纖維層具有選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物的一個(gè)薄的表面層(231)。部分填充的納米纖維層232包含一種粘合聚合物，該粘合聚合物增加了該膜的機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度，而不顯著增加對(duì)該納米纖維層中的水蒸汽輸送的阻力。涂覆層231是薄的并且對(duì)水蒸汽是高度可滲透的，但是是有選擇性的，從而不允許輸送氣體和其他污染物。
[0113]圖3A到圖3F展示包括一個(gè)納米纖維層、一種水蒸汽可滲透性聚合物、以及一個(gè)支撐層的水蒸汽輸送膜的不同示例性實(shí)施例。圖3A示出具有置于其一個(gè)表面上的一個(gè)納米纖維層(302)的支撐層(303)。納米纖維層302已經(jīng)涂覆有選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物的一個(gè)薄的表面層(301)。圖3B示出支撐一個(gè)納米纖維層的支撐層(312)，該納米纖維層已經(jīng)填充有一種選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物(311)。圖3C示出一個(gè)支撐層(323)，該支撐層支撐了一個(gè)未填充的第一納米纖維層(322)，以及一個(gè)填充有選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物的第二納米纖維層(321)。該第一納米纖維層可以包含一種粘合劑用于將這些纖維保持在一起并且將它結(jié)合到支撐層323上。圖3D示出一個(gè)支撐層(334)，該支撐層支撐了一個(gè)第一納米纖維層(333)和一個(gè)第二納米纖維層(332)。該第二納米纖維層已經(jīng)涂覆有選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物的一個(gè)薄的表面層(331)。該第一和/或第二納米纖維層可以包含一種粘合劑用于將這些纖維保持在一起并且將它們結(jié)合到一個(gè)或多個(gè)相鄰層上。圖3E示出支撐了一個(gè)納米纖維層(341)的一個(gè)支撐層(342)，其中這兩個(gè)層均部分地填充有一種選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物。圖3F示出支撐了一個(gè)納米纖維層(352)的一個(gè)支撐層(353 )，其中這兩個(gè)層均部分地填充有一種選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物。部分填充的納米纖維層352已經(jīng)涂覆有選擇性的水蒸汽可滲透性聚合物的一個(gè)薄的表面層(351)。使用一個(gè)支撐層總體上是優(yōu)選的，因?yàn)榧{米纖維層傾向于是脆弱的，并且一個(gè)支撐層有助于下游工藝和最終用途應(yīng)用中的處理和制造。該支撐層還可以允許該膜在制作之后成形或打褶。該支撐層對(duì)水蒸汽輸送具有非常低的阻力，并且優(yōu)選地是一種大孔開(kāi)放式結(jié)構(gòu)。
實(shí)驗(yàn)實(shí)例
實(shí)例1:與已知的微孔襯底相比的有支撐的納米纖維層
[0114]將不同的微孔襯底與未涂覆的、有支撐的納米纖維層進(jìn)行比較。
從西爾格德有限公司(Celgard LLC)在名稱Celgard2500下獲得一種微孔聚丙烯襯底；厚度是25微米，平均孔隙大小是0.204X0.054微米(平均尺寸約0.13微米)，并且孔隙率是55%。一種微孔二氧化硅-聚乙烯膜是從恩泰克國(guó)際公司(ENTEK International)獲得；厚度是191微米，平均孔隙大小是0.065微米，并且孔隙率是63%。
[0115]一種非織造支撐層，即，聚酯非織造物(Reemay2004/2006)，1盎司/平方碼(oz/sq.yd.)是從博維公司(Fiberweb)獲得的。聚丙烯腈(PAN)是從科學(xué)聚合物產(chǎn)品公司(Scientific Polymer Products)獲得,平均分子量為 150000g/mol。PAN在二甲基甲酸胺(DMF)中的10%重量的溶液是在70°C下在攪拌下產(chǎn)生。將該P(yáng)AN溶液放置在具有十八規(guī)格皮下注射針的一個(gè)IOmL注射器中，該針1.5英寸長(zhǎng)、針尖斜面去除。該注射器安裝在距離一個(gè)旋轉(zhuǎn)接地收集器15cm處，該非織造支撐層附加到該接地收集器上。一個(gè)電極被放置在該針的尖上。將17.5kV電勢(shì)施加到該針尖〗而，從而引起聚合物從該注射器朝向該收集器嗔出。一個(gè)注射器泵用于維持聚合物溶液基本上恒定地供應(yīng)到該針尖端，速率是大約0.02mL/分鐘。收集器靶是在0.5m/min的速率下旋轉(zhuǎn)的一個(gè)轉(zhuǎn)鼓。該轉(zhuǎn)鼓的直徑是10cm，并且用該非織造支撐層覆蓋的寬度是32cm。該注射器在15cm的基本恒定的距離處在3cm/min的速率下在轉(zhuǎn)鼓的寬度上來(lái)回移動(dòng)。具有三種不同納米纖維負(fù)荷的有支撐的納米纖維層的樣品是通過(guò)紡絲I小時(shí)(#1A)、3小時(shí)(#1B)、以及5小時(shí)(#1C)來(lái)產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)干燥樣品進(jìn)行稱重并且將它們浸泡在一種潤(rùn)濕流體中來(lái)測(cè)定每個(gè)樣品的孔隙率。測(cè)量每個(gè)樣品的空氣滲透和水蒸汽滲透。在SEM下對(duì)這些樣品進(jìn)行評(píng)估以便測(cè)定平均孔隙大小和纖維直徑。平均纖維直徑是483nm。在圖4中示出了電紡絲纖維的掃描電子顯微照片。
表1
【權(quán)利要求】
1.一種水蒸汽輸送膜，包括置于多孔支撐層上的一個(gè)納米纖維層，其中該納米纖維層涂覆有一種水可滲透性聚合物。
2.如權(quán)利要求1所述的水蒸汽輸送膜，其中該納米纖維層至少部分地填充有該水可滲透性聚合物。
3.如權(quán)利要求1所述的水蒸汽輸送膜，其中該納米纖維層基本上填充有該水可滲透性聚合物。
4.如權(quán)利要求1所述的水蒸汽輸送膜，其中該水可滲透性聚合物在該納米纖維層的一個(gè)表面上形成一個(gè)基本上連續(xù)的薄膜。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該支撐層是大孔的。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該支撐層是可成形的。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該支撐層是一種金屬網(wǎng)。
8.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該支撐層是一種非織造物。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該水蒸汽輸送膜是起皺的、成形的或打褶的。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng) 所述的水蒸汽輸送膜，其中該水可滲透性聚合物是交聯(lián)的。
11.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該水可滲透性聚合物是非離子的。
12.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該水可滲透性聚合物是離聚物的。
13.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該水可滲透性聚合物包括一種交聯(lián)的聚氨酯-聚醚聚合物。
14.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該水可滲透性聚合物包括一種全氟化的磺酸聚合物。
15.如權(quán)利要求1至14中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該水蒸汽輸送膜是基本上空氣不可滲透的。
16.如權(quán)利要求1至15中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜，其中該納米纖維層包含聚丙烯腈纖維。
17.—種用于制作水蒸汽輸送膜的方法,該方法包括: (a)在一個(gè)多孔支撐層上形成一個(gè)納米纖維層；并且 (b)將一種水可滲透性聚合物涂布到該納米纖維層上。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中該納米纖維層是通過(guò)在該多孔支撐層的至少一側(cè)上對(duì)至少一種聚合物進(jìn)行電紡絲來(lái)形成。
19.如權(quán)利要求17至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物至少部分地填充該納米纖維層。
20.如權(quán)利要求17至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物基本上填充該納米纖維層。
21.如權(quán)利要求17至18中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物在該納米纖維層的一個(gè)表面上形成一個(gè)基本上連續(xù)的薄膜。
22.如權(quán)利要求17至21中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物將該納米纖維層粘合到該多孔支撐層上。
23.如權(quán)利要求17至22中任一項(xiàng)所述的方法，其中該多孔支撐層是大孔的。
24.如權(quán)利要求17至23中任一項(xiàng)所述的方法，其中該多孔支撐層是可成形的。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括在步驟(a)和(b)之后對(duì)該膜進(jìn)行壓縮模制。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，進(jìn)一步包括在步驟(a)和(b)之后使該膜打褶或起皺。
27.如權(quán)利要求17至26中任一項(xiàng)所述的方法，其中該多孔支撐層是一種金屬網(wǎng)。
28.如權(quán)利要求17至26中任一項(xiàng)所述的方法，其中該多孔支撐層是一種非織造物。
29.如權(quán)利要求17至28中任一項(xiàng)所述的方法，其中通過(guò)以下方式將該水可滲透性聚合物涂布到該納米纖維層上:將一種包含該水可滲透性聚合物和一種溶劑的溶液涂布到該有支撐的納米纖維層上，交聯(lián)該水可滲透性聚合物，并且然后干燥以便去除該溶劑。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中該溶液是一種水溶液。
31.如權(quán)利要求29至30中任一項(xiàng)所述的方法，其中該溶液進(jìn)一步包括用于交聯(lián)該水可滲透性聚合物的一種交聯(lián)劑。
32.如權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物是非離子的。
33.如權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物是離聚物的。
34.如權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物包括一種交聯(lián)的聚氨酯-聚醚聚合物。
35.如權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的方法，其中該水可滲透性聚合物包含一種全氟化的磺酸聚合物。
36.如權(quán)利要求17至31中任一項(xiàng)所述的方法，其中該納米纖維層包含聚丙烯腈纖維。
37.一種通過(guò)以下方式制成的水蒸汽輸送膜: (a)在一個(gè)多孔支撐層上形成一個(gè)納米纖維層；并且 (b)將一種水可滲透性聚合物涂布到該納米纖維層上。
38.如權(quán)利要求37所述的水蒸汽輸送膜，其中該水蒸汽輸送膜是基本上空氣不可滲透的。
39.一種能量回收通風(fēng)設(shè)備芯，包括一種水蒸汽輸送膜，該水蒸汽輸送膜包括置于一個(gè)多孔支撐層上的一個(gè)納米纖維層，其中該納米纖維層涂覆有一種水可滲透性聚合物。
40.如權(quán)利要求39所述的能量回收通風(fēng)設(shè)備芯，其中該多孔支撐層是可成形的并且該水蒸汽輸送膜是起皺的或打褶的。
41.一種能量回收通風(fēng)設(shè)備芯，包括根據(jù)權(quán)利要求1至16或權(quán)利要求37至38中任一項(xiàng)所述的水蒸汽輸送膜。
【文檔編號(hào)】B01D61/00GK103747854SQ201280034277
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月7日
【發(fā)明者】瑞安·尼古拉斯·赫伊津, 弗蘭克·K·科 申請(qǐng)人:迪博因特技術(shù)公司