专利名称：湿法粘结并热粘合的多孔结构的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及一种制造湿法粘结(wet-felted)并且热粘合的多孔结构的方法，该多孔结构可用作过滤材料。本发明还涉及该方法制得的纤维粘结多孔结构。
2.相关领域的背景技术诸如过滤器之类的粘结的多孔结构通常通过“堆积(accretion)”方法制备。在堆积方法中，混合被堆积材料的均相浴或浆液，并利用真空成型方法由浆液中的材料制备成型介质。在一个经常使用的真空成型方法中，将带孔的芯轴浸入所述浴或者浆液中，然后在芯轴上形成真空，使材料层堆积在芯轴的外表面上，以形成成型介质。从所述浴或者浆液中抽出芯轴，并干燥所述成型介质。也可根据预期的用途而将成型介质致密化或者切割成所需形状。
在一些关于堆积方法的在先申请中，浆液在水中与纤维、热塑性或热固性粘合材料的混合物进行混合。也可以在浆液中加入其它的材料以赋予成型介质所需的过滤特性。可以通过使用真空芯轴以在芯轴上形成成型多孔介质的方法，来实现浆液中材料的堆积。在某些申请中，在真空芯轴上放置一个过滤器芯，并且堆积过程产生覆盖在该过滤器芯上的成型介质。
在堆积步骤完成之后，通过将该成型介质加热至高于粘合材料的熔点温度或者固化温度的温度，而干燥和粘合所述成型介质。这一方法干燥了成型介质，并通过熔化或者固化粘合剂而粘合了基本介质和湿强度剂。当成型介质冷却后，粘合材料固化并粘合了所述成型介质。
虽然这一方法的很多变化形式在此之前业已公开，但在各个方法中，成型介质的干燥和粘合都是通过在一个步骤中将堆积的成型材料加热到高于粘合剂熔点的温度而实现的。例如，Matchett的美国专利4,032,457中描述了一个多相过滤器，该过滤器通过将纤维与树脂粘合剂和活性颗粒混合而形成不同组成的浆液来制备。Matchett描述的过滤器是这样制备的将带孔芯轴浸入浆液中，在芯轴上形成真空状态以使浆液中的材料堆积在芯轴上，并且在随后的不同组成的浆液中重复上述步骤以形成多相介质。成型之后，在一个步骤中将成型介质加热到高于粘合剂熔点的温度，从而干燥和粘合所述多相介质。
在Howery等人的美国专利4,620,932中，描述了一个用亲水性的三元聚合材料使基础基质材料饱和而制备的过滤器。基础材料的饱和是通过喷雾、深层涂敷或者将基础基质浸入亲水性的三元聚合材料中而实现的。然后，先将所述饱和的材料在160～250华氏度的温度下干燥，以除去材料中40～60％的湿气，再在较低的100～160华氏度温度下进行第二阶段的干燥，和在第三阶段的65～90华氏度温度下进行最后的干燥。因此，Howery描述了一种方法，其中先将材料加热到高温，再在随后多个较低温度的步骤中完成干燥。
基础纤维材料和粘合材料的组合也用于制备无纺布和其它材料。例如，Heinrich等人的美国专利5,393,601描述了一种将芳族聚酰胺纤维与热塑性芳族聚酰胺熔融粘合剂混合而制备的非织造材料。熔融粘合剂的熔点低于芳族聚酰胺的熔点。芳族聚酰胺纤维和熔融粘合剂在水中混合后，将该水相悬浮液置于筛盘之上，分离其中的水，并将余下的纤维加热到高于熔融粘合剂熔点的温度，从而干燥并粘合所述纤维。
在所有现有技术方法中，成型介质开始都是在一个步骤中加热到高于粘合剂熔点的温度。将干燥和粘合在单一步骤中完成的方法有时将导致成型介质中纤维粘合不均匀。当成型介质用作过滤介质时，不均匀的粘合十分不利，因为粘合不均匀将导致过滤性能和质量的下降。
因此，本发明提供了一种新颖的制备湿法粘结并热粘合的多孔介质的方法，其改善了过滤器质量和性能，从而克服了现有技术中存在的缺陷和不利影响。
发明概述一方面，本发明提供了一种改进的制备湿法粘结和热粘合的多孔介质的方法，而且另一方面，本发明还提供了上述方法制备的改进的湿法粘结和热粘合的多孔介质。本发明包括这样一种方法，其中基本介质、湿强度剂和粘合剂在液体，通常是水中混合，以形成浆液。也可以在浆液中加入其它的材料以赋予多孔介质所需的特性。采用真空成型方法以使在浆液中的材料堆积成成型介质。然后在两步方法中干燥和粘合所述成型介质。
首先在低于粘合剂的熔化或者固化温度的温度下干燥成型介质。也可以在真空状态下实施干燥以有利于迅速干燥。干燥步骤持续足够的时间，以充分除去成型介质中所有的水分。
在成型介质干燥以后，通过将其加热到高于粘合剂的熔化或者固化温度的温度，使成型介质粘结。该第二阶段的加热可以在真空条件下进行，使加热的气体穿过多孔介质。如果采用了真空条件，粘合步骤的真空压力可以不同于干燥步骤的真空压力。在第二阶段的加热中，粘合剂熔化或者固化以粘合成型介质。当粘合步骤完成以后，将成型介质冷却，粘合剂再次固化。冷却后，成型介质可以切割成任何所需的形状或者尺寸。
本发明的一个优点在于可以更好地控制粘合步骤，这使得成型介质的粘合更加均匀，从而相对于先前已知方法所制备的介质而言，提高了成型介质的质量和过滤性能。
本领域技术人员很容易即可认识到，通过采用不同的基本介质或湿强度剂，或者通过在浆液中加入其它的组分以获得所需的特性，可以根据需要来改变成型介质的特性。结合下面的附图描述与优选实施方案的详细描述，本发明的其它优点将更加显而易见。
附图简述参阅如下附图将使本发明所属领域的普通技术人员更容易理解本发明的方法如何实现
图1的流程图描述了本发明的湿法粘结并热粘合的多孔结构的形成方法。
图2是在被包覆的聚丙烯核上形成的湿法粘结并热粘合的多孔结构的透视图，其中的一部分已被移走。
优选实施方案的详述本发明涉及一种新颖的制备可用作过滤器的纤维粘结多孔结构的方法。本发明也涉及该方法制备得到的纤维粘结多孔结构。
现参阅图1的流程图，该图中以同样的参考数字来表示纤维粘结多孔结构制备方法中相似的步骤。在该方法的步骤20中，制备了浆液，该浆液由至少一种基本介质、湿强度剂和粘合剂组成，通常还包含作为浆液媒质的水。基本介质可包括天然或者合成纤维，例如纤维素、羊毛、聚烯烃、聚酯、聚丙烯、丙烯酸酯、尼龙，或者任何其它本领域技术人员所知的适宜材料。这些纤维的混合物也可以用作基本介质。这些纤维可以以其普通的形式存在，或者它们也可以被纤化。基本介质中也可以使用普通纤维和原纤化纤维的组合。
湿法粘结过滤器基质需要一种湿强度剂以保持其形状。在本发明中，采用原纤化纤维作为湿强度剂。用于给过滤器提供湿强度的原纤化纤维的量取决于原纤化纤维的长度、直径和细化程度。为提供足够的湿强性，通常需要约10％到25％重量的原纤化纤维。然而本发明并不局限于这一点，原纤化纤维的其它含量也可以使用。实际上，原纤化纤维也可作为多孔结构的主要组分，并起到基本介质和湿强度剂的双重功能。
选择热塑性或者热固性粘合材料，使该材料的熔化温度(对热塑性材料而言)或者固化温度(对热固性材料而言)低于基本介质和湿强度剂中使用的纤维的熔化温度。例如，熔点低于基本介质和湿强度剂所使用纤维的熔点的热塑性聚合纤维或者粉末可以用作粘合材料。这里以及在权利要求书中采用的术语“粘合温度”是指粘合材料的熔化或者固化温度。
使用真空成型方法来由浆液中的材料形成成型介质。如步骤25所示，通常采用的真空成型方法需要将带孔的芯轴浸入浆液中并在芯轴上抽真空，以使浆液中的材料围绕着芯轴堆积，从而获得成型介质。为制备过滤器，可在将芯轴浸入浆液之前，将由聚丙烯、尼龙、聚碳酸酯、聚酯、金属或者某些其它本领域技术人员所知的适宜材料制成的过滤器芯置于芯轴上。该过滤器芯可以覆盖上一层织造或者非织造的衬材，例如聚酯、聚烯烃、丙烯酸酯、纤维素类材料，或者这些材料的混合物。过滤器芯的覆盖可以采用将一片衬材包裹到该芯上的方法，采用预切割套管的方法，采用将纤维薄层湿法粘结在过滤器芯上的方法，或者采用任何其它本领域技术人员所知的适宜方法。浆液中的材料能够在过滤器芯上堆积，以在过滤器芯上形成成型介质。在步骤30中，将芯轴和成型介质从浆液中移出。
在步骤35中，成型介质在第一阶段，在低于粘合剂粘合温度的温度下干燥。也可以在室温下缓慢干燥介质，或者在真空状态下使受热气体穿过成型介质进行干燥，其中典型的受热气体为空气。在尽可能高的真空压力下实施该干燥步骤将有利于迅速干燥，并因此提高产量。持续成型介质的干燥过程，直到除去成型介质中基本上所有的水分。
完成成型介质的干燥后，在该制备方法的步骤40中，将成型介质加热到高于热塑性粘合剂的熔化温度或者热固性粘合剂的固化温度的温度来实施第二阶段的加热。在这里以及权利要求书中称此温度为粘合温度。因此，成型介质第二阶段加热的温度高于干燥温度。也可以在真空状态下使受热气体穿过成型介质以实施第二阶段的加热，其中典型的受热气体为空气。第二阶段加热使用的真空压力可以低于干燥步骤使用的真空压力。在第二阶段的加热中，粘合剂熔化或者固化，并且所述粘合材料粘合了成型介质中的原纤化纤维。
在步骤45中，将已干燥和粘合的成型介质冷却，典型的方法是使冷却气体，例如室温的空气，穿过该成型介质。如果需要，也可以在非真空条件下室温冷却成型介质。在冷却过程中，粘合剂再次固化将原纤化纤维粘合在一起。然后，如步骤50所示，冷却后的介质可以切割或者修剪成所需的形状。
在本发明的一个实施方案中，将约60％粉炭、约20％聚乙烯纤维和约20％聚丙烯纤维混合，并分散在约1％的水中形成浆液。在本发明的该实施方案中，粉炭可以是Calgon Carbon，WPH1000级，或类似材料，聚乙烯纤维可以是Fybrel E9990或类似材料，聚丙烯纤维可以是Fybrel Y600或类似材料。聚乙烯纤维作为粘合材料，其熔点为约135摄氏度。将浆液的温度保持在约40摄氏度。在该实施方案中使用温水，因为水粘度的降低可使成型介质堆积得更紧密。较冷的水可以被用以获得更开放的多孔结构。
现在参阅图2，该图中以相同的参考数字表示依据本发明方法制备的过滤器装置的相似结构部分。过滤器装置(14)包括一层由聚酯或聚丙烯制成的非织造衬材(10)，该衬材包裹在多孔聚丙烯芯(11)外。被包裹的聚丙烯芯位于真空芯轴外并浸入浆液中。抽吸形成大约20英寸Hg柱的真空压力，以在聚丙烯芯(11)外包裹的非织造衬材(10)上堆积炭和纤维的成型介质(12)。
在约100～120摄氏度的温度下干燥成型介质(12)，这一温度低于聚乙烯粘合材料的熔化温度。干燥在尽可能高的真空度下进行，介于约30～34英寸水柱之间，以有利于在粘合剂不熔的条件下进行干燥。干燥外径3英寸、内径1英寸的成型介质通常需要2小时。
粘合步骤在138摄氏度、真空度约6～10英寸水柱的条件下进行。根据加热效率和使用的材料的比热，粘合温度要维持约5分钟到约20分钟。成型介质(12)不应加热到过高的温度，也不应在高于熔化温度的情况下加热过长时间。过长的时间或者过高的温度，可能由于聚乙烯粘合剂的熔融流动而导致成型介质的孔堵塞。
在粘合步骤完成后，必须先将成型介质冷却再进行修剪和切割。可使室温空气穿过成型介质约15～20分钟，以完成冷却过程。当成型介质已经充分冷却下来以后，就可以根据需要对其进行切割和修剪。
在本发明的另外一个实施方案中，为了获得具备所需特性的过滤器，可以改变用以形成多孔介质的材料。用于制备粘结的多孔结构的原纤化纤维可以是纤维素、羊毛、聚烯烃、聚酯、丙烯酸酯、芳族聚酰胺、醋酸纤维素，或者能以原纤化纤维形式提供的任何其它材料。用于制备粘结的多孔结构的粘合剂可以是热塑性纤维、热塑性粉末、热固性树脂或者能够用于热粘合纤维以形成粘结的多孔结构的任何其它材料。
可以往浆液中添加其它的材料以赋予过滤器所需的特性。当在浆液中添加这些材料时，它们将被结合到堆积的多孔结构中。例如，活性炭、木炭、硅藻土、珍珠岩、活性氧化铝、沸石、离子交换树脂、沙、粘土、二氧化硅、金属颗粒或者金属纤维可以被加入浆液中以提高过滤器性能，或者赋予过滤器所需的特性。无论如何，可加入浆液中而且结合到堆积的多孔介质内以赋予最终产品所需特性的材料并不局限于上述的实例。
在这里给出的教导的基础上，对于本领域普通技术人员显而易见的是，在所附的权利要求书所限定的本发明的范围和精神内，对本发明的如上所述实施方案以及其它的实施方案都存在许多变化和修正的方式。例如，干燥和粘合温度、时间或者压力都可以根据所使用的材料而与上述不同。而且，如果成型介质的最初干燥首先在低于粘合材料的熔化温度下完成，并且粘合步骤然后在高于粘合剂的熔点的温度下完成，这一方法也可以通过连续改变干燥和粘合的温度和压力来进行。因此，优选实施方案的详细描述应被认为是示例性的而非限制性的。
权利要求
1.一种制备纤维粘结多孔结构的方法，该方法包括下述步骤(a)制备含有基本介质、湿强度剂和粘合剂的浆液；(b)将浆液真空成型，以制备成型介质；(c)将所述成型介质在低于粘合剂粘合温度的温度下干燥，直到除去成型介质中基本上所有的水分；(d)通过将所述成型介质加热到高于粘合剂粘合温度的温度，而粘合所述成型介质；和(e)在室温下冷却所述成型介质。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括下述步骤(f)通过使第一种气体穿过成型介质来干燥成型介质，直到除去成型介质中基本上所有的水分，所述第一种气体的温度低于粘合剂的粘合温度；(g)通过使第二种气体穿过成型介质来粘合成型介质，所述的第二种气体的温度高于粘合剂的粘合温度；和(h)通过使第三种气体穿过成型介质来冷却所述成型介质，直到成型介质冷却，所述第三种气体的温度为室温。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述的第一种气体、所述的第二种气体和所述的第三种气体是空气。
4.根据权利要求1所述的方法，其还包括通过对成型介质施压，使成型介质致密化的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其中制备浆液的步骤包括下述步骤(f)往浆液中加入至少一种选自纤维素、木材、聚烯烃、聚酯、丙烯酸酯、芳族聚酰胺或者醋酸纤维素的纤维；和(g)往浆液中加入至少一种选自活性炭、木炭、硅藻土、珍珠岩、活性氧化铝、沸石、离子交换树脂、沙、粘土、二氧化硅、金属颗粒或者金属纤维的物质。
6.根据权利要求5所述的方法，其还包括往浆液中加入由选自纤维素、木材、聚烯烃、聚酯、丙烯酸酯、芳族聚酰胺或者醋酸纤维素的至少一种的原纤化纤维组成的湿强度剂的步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其还包括往浆液中加入由热塑性纤维组成的粘合剂的步骤。
8.根据权利要求6所述的方法，其还包括往浆液中加入由热塑性粉末组成的粘合剂的步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，其还包括往浆液中加入由热固性树脂组成的粘合剂的步骤。
10.根据权利要求1所述的方法，其中的真空成型步骤包括下述步骤(f)以至少一层衬材覆盖带孔的芯；(g)将被覆盖的带孔的芯置于紧邻真空芯轴处；和(h)将浆液真空成型在被覆盖的带孔的芯上，以形成成型介质。
11.根据权利要求10所述的方法，其还包括供应非编织衬材的步骤，所述非编织衬材由选自聚酯、聚烯烃、丙烯酸酯或者纤维素的至少之一组成。
12.根据权利要求10所述的方法，其还包括供应编织衬材的步骤，所述编织衬材由选自聚酯、聚烯烃、丙烯酸酯或者纤维素的至少之一组成。
13.一种制备纤维粘结多孔结构的方法，该方法包括如下步骤(a)提供约60％重量的粉炭，约20％重量的聚乙烯纤维和约20％重量的聚丙烯纤维；(b)将粉炭、聚乙烯纤维和聚丙烯纤维分散在约40摄氏度的水中，制备约1％重量水的浆液；(c)在带孔的芯上包裹一层衬材；(d)将被包裹的带孔的芯置于邻近真空芯轴处；(e)在约20英寸汞柱真空压力的条件下，将所述的浆液应用于被包裹的带孔的芯上以获得成型介质；(f)在约30～34英寸水柱的真空度条件下，使约100～120摄氏度的空气穿过成型介质来干燥所述成型介质，直到除去成型介质中基本上所有的水分；(g)在约6～10英寸水柱的真空度条件下，使温度约1 38摄氏度的空气穿过成型介质约20分钟，来粘合所述成型介质；和(h)使室温下的空气借助真空穿过成型介质来冷却所述成型介质，直到成型介质冷却。
14.根据权利要求13所述的方法，其还包括施压于成型介质，使成型介质致密化的步骤。
15.根据权利要求13所述的方法，其还包括下述步骤(i)供应由聚酯组成的非编织衬材；和(ii)供应由聚丙烯组成的带孔的芯。
16.根据权利要求1所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
17.根据权利要求2所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
18.根据权利要求3所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
19.根据权利要求4所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
20.根据权利要求5所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
21.根据权利要求6所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
22.根据权利要求7所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
23.根据权利要求8所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
24.根据权利要求9所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
25.根据权利要求10所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
26.根据权利要求11所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
27.根据权利要求12所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
28.根据权利要求13所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
29.根据权利要求14所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
30.根据权利要求15所述的方法制备的纤维粘结多孔结构。
全文摘要
本发明提供了一种制备湿法粘结并热粘合的多孔结构的方法，用以生产过滤器中使用的、具有改善的过滤性能的成型多孔介质。该方法包括如下步骤将天然或者合成纤维组成的基本介质、原纤化纤维组成的湿强度剂以及粘合剂形成浆液；将该浆液真空成型以制得成型介质；用温度低于粘合剂熔化温度的气体干燥成型介质；用温度高于粘合剂熔化温度的气体粘合成型介质；和冷却所述具有导致改善的过滤性能的改进的粘合的成型多孔介质。
文档编号D04H1/54GK1498160SQ02807171
公开日2004年5月19日 申请日期2002年2月26日 优先权日2001年2月26日
发明者W-C·陈, K·L·K·费伊, M·希梅尔, K 费伊, W-C 陈, 范 申请人:库诺公司