专利名称：过滤器，过滤介质及其制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及一种过滤介质，更具体地涉及一种用于可再生过滤应用中的过滤介质和过滤器。
背景技术：
许多种类的聚合物和不同尺寸的纤维一般被用来制造过滤介质。至少一种已知的过滤介质生产者在普通的纸质过滤介质的表面上使用纳米纤维来提高其性能。这些纳米纤维的直径一般都小于1000纳米或者1.0微米。纳米技术，也就是制作非常细的纤维的技术，已为人所知并且应用了多年了。例如，一般用一种静电纺纱工艺来制造纳米纤维。尺寸大于一微米的纤维，大部分的，尺寸大于10微米的纤维，最经常应用在产业的可再生的过滤应用中。除了静电纺纱，制造过滤用的直径小于10微米(一般4-8微米)细纤维唯一常用的方法是“熔融喷丝”。尽管熔融喷丝的费用已经相当低廉了，由熔融喷丝纳米尺寸纤维制造的过滤介质仍然没有完全商业化。因此，静电纺纱仍然是生产用于过滤的极细纤维的唯一已知方法。然而，静电纺纱技术的高昂成本已经成为这项技术在过滤领域被更广泛认可的障碍。
然而，至少一种已知的过滤介质，包括一种独立的，标准褶皱纤维素基的过滤纸(大约每3,000ft2，70至85lb或者每278.7sq.m.，31.75至38.56kg.)，一种褶皱合成过滤纸，和/或一种标准褶皱纤维素基过滤纸(大约每3,000ft270至85lb.或者每278.7m231.75至38.56kg.)，该过滤纸组合有一种带静电合成熔化层(5-15g/m2纤维层，平均纤维尺寸大概是4到8微米)。然而，在重要的精密过滤领域已知的过滤介质被限制应用，在这些领域中，过滤介质暴露在清洁气流的反向脉冲下以获得较好的性能和寿命。例如，当一灰尘块形成并嵌入到介质的孔隙或深层里时，这样的过滤介质实质上就是在进行深度过滤。特别地，当熔融喷丝介质使用表面过滤技术时，赋予过滤介质高的过滤效率和性能的静电压力在清洁时限制了灰尘块的去除。结果，灰尘块可能会导致跨过采用这种过虑介质的过滤装置的不希望的压降。
至少另一种已知的过滤构造包括穿过纤维素基褶皱滤纸的表面的合成细纤维层。所述细纤维层由静电纺纱工艺制成，将大约100纳米到最大500纳米这样的纳米尺寸纤维涂敷到纤维素或者合成衬底的一个表面上。所涂敷的纳米纤维非常细并且具有相对较小的表面空隙结构和轻的重量(一般小于1.0g/m2)。在应用中，一个灰尘块在涂敷的纳米纤维的表面形成，而不是渗入到已知的滤纸或合成衬底的深度或大孔中。然而，这样的纳米纤维过滤器的易碎性通常限制了他们在可再生过滤领域中的应用。此外，采用纳米尺寸纤维和其他非织造介质制造过滤介质的缺点是使用已知工艺生产的每单位时间细纤维的数量较低。
发明内容
一方面，提供了一种复合过滤介质，包括由非织造多孔合成材料、纤维素或它们的组合制成的褶皱衬底。所述过滤介质还包括固定或粘结到衬底上的散装熔融纺丝纳米纤维层。至少约85％的细纤维的直径小于1000纳米。
另一方面，提供一种过滤装置，其包括具有入口和出口的过滤器壳体。所述过滤装置还包括装在滤筒中的打褶过滤介质，布置在内网和外网之间。所述过滤介质具有衬底，其包括非织造多孔合成材料，纤维素或它们的组合。所述过滤介质还包括固定或粘结在所述衬底上的熔融纺丝细纤维层。至少约85％的细纤维的直径小于1000纳米。所述过滤器被构造成使得从入口进入的气体在离开出口之前必须通过打褶的过滤介质。
图1是示范过滤介质结构的侧面剖视图；图2说明制造本发明的过滤介质的结构的示范性过程；图3是说明纳米纤维样本尺寸的显微照片；图4是示例性地显示纳米纤维层的侧面剖视图的显微照片；图5是示例性地显示过滤器结构的切角透视图；图6示例性的显示了壳体被去掉后的过滤器结构；图7是一个用扫描电子显微镜拍摄的截面显微照片，显示了当灰尘嵌入到滤纸的空隙结构中时，现有技术80/20滤纸介质上的一个灰尘块；以及图8是一个用扫描电子显微镜拍摄的截面显微照片，显示了本发明提供的配置，灰尘块保留在纳米纤维层的表面，因此没有嵌入到衬底空隙结构中。
具体实施例方式
应该注意到，本发明的结构提供了一种经济的过滤介质及由其制成的过滤器，以及这个过滤器和过滤介质，促进有效表面过滤并且可以在应用过程中不会过早失效或极度高压降地进行有效清洁。此外，在这里描述的熔融纺丝工艺不需要那些会带来环境和安全问题的溶剂，不通过利用介质的静电充入来获得高效的过滤性能。
本发明的一些结构利用了一种已知的、例如在美国专利号4536361，6183670和/或6315806(″Torobin工艺″)中描述的步骤来制造非常细的纤维。这些纤维然后应用到织物或纸张等具备特别选择特性的衬底上，衬底和纤维然后被轧光(CALENDARED)或热致密化以制造一种非常经济的、可与静电纺纱媲美的过滤介质，但是具有增强耐用性和气流性能并且工作压力下降较少的优势。所述“Torobin”工艺通过在织物或纸(或其他适当的过滤介质)上布置纤维以便于提高过滤介质的性能，并且通过使用轧光或热致密化步骤加固纤维以使得过滤介质和纤维更加耐用。非常细的纤维因而以生产速度大量生产，然后应用于过滤支撑介质的一个表面上。这种纤维促进提高该过滤介质的性能，该工序又促进提高了这些纤维的耐用性。本发明提供了过滤器的耐用性，使得它们广泛适合于可再生过滤器，所述过滤器易清洁并且可持续使用。当过滤器的压差数值达到特定水平的时候，通过在过滤器上施加反向脉动来进行或完成清洁。
在一些配置中使压力降易于尽可能多地下降，并且附着在过滤器表面的灰尘可以被清除掉而不必与灰尘一起释放纳米纤维。
在一些配置中，特别地，参照图1，复合双层过滤介质10包括褶皱纤维素基的滤纸衬底12和极细纤维层14，纤维层14使用了通过散装纳米纤维熔融纺丝工序制成的纳米尺寸纤维。(这里用的，纳米尺寸纤维是直径小于大约1.0微米或者1000纳米的纤维。)过滤介质10提供改善功能特性和比应用在不同工业过滤领域中的已知可比的和现有的产品更好的商业优点。在一些配置中，介质10打褶并安装入滤筒中供工业应用，例如燃气轮机进口滤清器、激光切割、细粉末涂敷应用等等。
更特别地，本发明的一些实施例包含复合过滤介质10，所述复合过滤介质10包括具有已知过滤效率的褶皱纤维素滤纸衬底12，一种已知的气流容量具有(主要地或单独地)由纳米尺寸纤维敷在纸板的表面而形成的极细层14。一些配置提供了打褶的复合过滤介质10，一些配置提供了安装入滤筒中的打褶的复合过滤介质。这些滤筒在燃气涡轮机、激光切割仪器、和其它的不同的工业过滤应用中是很有用的。这些过滤器特别适合下述应用中过滤器暴露于生产过程中的反向空气脉冲清洁循环。
在本发明的一些配置中，特别地参照图2，极细纤维层14以高的生产速度直接地敷于褶皱纤维素衬底12，例如，在衬底12的供给辊20和过滤介质10的卷取辊22之间。衬底12在一些配置中被褶皱，但并不是在所有的配置中。熔融纺丝器24，类似于在2001年11月13日授予TOROBIN等人的美国专利号码6,315,806中描述的那样，利用通过导管28供给的熔融聚合物流体和通过导管26供给的纤维化气流，涂敷熔融喷出的纤维30于介质10上。
敷在层14上的纳米纤维30然后经过热机械加工过程进行致密化，诸如轧光和/或热层压，例如经由滚子32和34。这些致密化固定或粘合细纤维30到支撑衬底12上，提高了介质10的耐用性和使用寿命。在一些配置中，因致密化导致的褶皱深度损失通过以下措施来控制，减少和/或最小化选择适当的轧辊类型、选择和/或控制这些辊施加的压力和温度以及线速度。
在本发明的一些配置中，纤维层14包括85-90％的0.5到0.9纳米范围的纳米尺寸纤维。大约10-15％的纳米尺寸纤维的直径大概在1微米到5微米之间。在一些配置中，至少有85％在极细纤维层14中应用的细纤维30直径小于大约1000纳米。在一些配置中，至少有90％在极细纤维层14中应用的细纤维直径小于大约1000纳米。在一些配置中，在极细纤维层14中应用的细纤维至少有95％，直径小于大约1000纳米。在一些配置中，在极细纤维层14中应用的细纤维至少有90％直径小于大约1000纳米。在一些配置中，基本上100％在极细纤维层14中应用的细纤维直径都小于大约1000纳米。
使用的细纤维30包括聚丙烯或者基本上或全部是聚丙烯。其他适合做细纤维的聚合物包括PET，PBT，其它的聚酯类聚合体，尼龙或者其他相关的聚合物，PPS，和其他热塑性聚合物，包括其他已经应用到工业过滤领域的聚合纤维。
图3是说明纳米纤维30样本尺寸的显微照片。图4是示例性地显示微纤维层14的侧面剖视图的显微照片。
本发明提供的一些配置的过滤效率比得上那些已知的需要提供增强气流(换言之，低压降)的过滤介质。本发明的一些配置中使用的滤纸衬底12选择或者制造成具有标准透气性为在0.5”DP时大约是45至55cfm(在1.27厘米压差下为1.274至1.557米3/分钟)。已知在过滤应用中被用作滤纸纤维素纸具有透气性为在0.5”DP时大约是20至30cfm(在1.27厘米压差下为0.5663至0.8495米3/分钟)。
在本发明的一些配置中，通过控制纳米纤维层14的涂敷重量可以方便地提高过滤效率而不必显著减少气流。目标重量在2到5g/m2被发现是特别有效。当细纤维层14被轧光或致密化，这样的重量允许在最终的透气性中大约在0.5”DP时下降12至18cfm(在1.27厘米压差下为0.3398米3/分钟)。所获得的复合介质10的最终透气性大约比已知的可比产品高30cfm(0.8495米3/分钟)和/或大约50％。
由于具有较低的压差(DP)，在许多应用中，本发明的一些配置提供的过滤器允许增加空气流量或通过速率。并且，还可以节约成本，因为在达到实质上一样的过滤能力的情况下需要较少的过滤介质，和/或需要较少的能量来清洁过滤器。
以下图表提供在平片材介质10上测试的效率和压降的比较示意图，包括本发明提供的和典型现有技术提供的过滤介质。
本发明附加的配置在其他纤维素基和/或合成物基的(例如，100％合成物基)非织造衬底12涂敷细纤维层14。在一些配置中，衬底12是光滑和/或平展的，没有褶皱，衬底12在致密化期间或预打褶期间被弄出褶皱或凹痕。这些配置中的一些允许增加致密化，其可以进一步提高加工和/或工艺质量，和/或提高对生产过程的控制。
因此，本发明的一些配置提供一种过滤介质10，其包括衬底12和固定或粘合到该衬底上的散装熔融纺丝纳米纤维30的层14。衬底12包括非织造合成材料或纤维素，或它们的组合。在一些配置中，纤维素与附加的加强纤维组合，其可以是，例如，玻璃纤维。另外，根据这些配置，至少85％，90％，或者95％的细纤维的直径都小于1000纳米。细纤维30包括热塑塑料，例如，聚丙烯，PET，PBT，多酯聚合物，尼龙，PPS，或者其他热塑性聚合物，或者他们的组合。
为得到用于一些应用中的过滤介质10的合适的透气性，衬底12选择为使得其纤维被制造具有标准透气性(固定粘结的熔融纺丝纳米纤维之前)在0.5”DP时大约是45至55cfm(1.274至1.557米3/分钟在1.27厘米压差)。另外，涂敷到衬底12上的纳米纤维10的层14具有2至5g/m2的基准重量。
在本发明的一些配置中，衬底12包括一种褶皱纤维基过滤纸，其具有的标准透气性在0.5”DP处为45至55cfm之间(在1.27cmDP时处于1.274至1.557m3/min之间)。在一些这些配置中，纳米纤维30包括聚丙烯，并且纳米纤维的层基本重量大约处于2-5g/m2。
参照图5，本发明的一些配置中，提供一个过滤装置100。过滤装置100具有过滤器壳体101，其具有入口104和出口106(图中未显示出)。滤筒102里面，具有打褶的过滤介质10，其包括衬底12和固定或粘结到所述衬底12上纳米纤维30的层14(如图1和2)。打褶的过滤介质10占据了内滤网104(如图5在褶皱过滤器介质10的切割部分所示)到外滤网103之间的空间，滤网104例如是筒形网。滤网104具有闭合的底部，过滤装置100构造为使得进入入口104的气体在出口106排出之前必须通过滤网104、打褶过滤介质10和外滤网103。例如，可以在围绕口104和106的褶皱上提供环状密封。
图6是本发明的过滤装置去除掉过滤器壳体后的照片。表面(floor)上的灰尘是由于在该过滤装置上进行过试验的缘故。
衬底12包括非织造多孔合成材料，或纤维素，或这些材料的组合。根据本发明的配置，至少85％，90％，或者95％的纳米纤维30的直径都小于1000纳米。在一些配置中，过虑介质10被轧光。并且，在一些配置中，衬底12包括纤维素过滤纸，纳米纤维包括聚丙烯，PET，PBT，多酯聚合物，尼龙，PPS，或者其他热塑性聚合物，或者这些材料的组合。在一些配置中，衬底12具有标准透气性，在0.5”DP时大约是45至55cfm(在1.27厘米压差下1.274至1.557米3/分钟)，纳米纤维30包括聚丙烯，纳米纤维层14具有2至5g/m2的基准重量。由于本发明提供的过滤介质10的应用，过滤器100通过反向脉冲气流穿过而可以重复利用，并且高度耐用，并且在使用的时候提供了跨过过滤器的较低的压降。
下列图表表示该纳米纤维层在减少通过过滤器的压降的功能效率，所述压降是由于过滤器上的灰尘堆积导致的。这些结果是在实验室条件下对实际过滤器作出的测试。测试该纳米纤维过滤器和标准80/20过滤器进行对比，以检测该纳米纤维层在管理或者控制积尘块方面的效果和达到表面过滤与深层过滤相比的效果。过滤器在能挑战所述过滤介质并且代表困难的工作环境的条件下进行测试。更进一步地，在试验中，过滤器用反向气流脉冲进行清洁。
过滤测试产生的压降
通过100小时的测试，过滤器被暂停或者清洁了350到400次。数据显示本发明提供的具有纳米纤维层的过滤器比标准80/20等价产品具有低的DP(压降)升高。
过虑介质的透气性结果-过滤测试后
上述试验结果显示，纳米纤维层在细纤维层表面俘获灰尘，因此提供对过滤介质的更有效清洁，其依次显示了过滤器在较低的压差下进行工作。对标准介质和作为“新”的并在试验后的纳米纤维介质的透气性进行读数。上述透气性实验结果显示，当灰尘出现在过滤介质上时，大约80％的透气性都损失掉了。相反，发现纳米纤维过滤介质只有平均50％的透气性损失。这些差异是明显的，并且支持了在第一个图表中发现的较低的区别压降结果。
图7和8是截面扫描电镜显微照片，显示上述图表资料的可视证据。图7显示了用现有技术、标准80/20纸质介质实验后的灰尘块，灰尘嵌入到了滤纸的空隙结构里，在图8里，灰尘块停留在纳米纤维层的表面，而没有嵌入到衬底空隙结构里。
在本发明的一些配置中，过滤介质10被轧光以将纳米纤维30粘结到层14上，然后过滤介质10被打褶成一个褶皱复合过滤介质10。在褶皱介质中，甚至在打褶期间或打褶后，对具有纳米纤维层14的衬底12进行的轧光允许粘合的纳米纤维继续固定在衬底12上。更特别地在一些配置中，利用热机械致密化工艺来将细纳米纤维层粘合到纤维素衬底上，使得细纤维层紧紧粘固到滤纸上并且在使用中耐用。
在一些配置中应用的热致密化工艺使得当将细纤维层粘固到纤维素基衬底上时，使该细纤维层耐用且有效。在一些配置中，热致密化工艺是在线上进行的，成为实施细纤维的一个步骤。
所述热致密化步骤利用加热和加压的组合使细聚丙烯和聚合物纤维软化。然后，通过摩擦或者热塑粘合，将细纤维粘结到纸质衬底的纤维素基纤维上。粘固使用的温度和压力控制在一范围内，针对不同的纤维和衬底类型根据经验选取所述范围。相对较小的纳米纤维，导致了具有较差的热绝缘性及因此具有较差的热保温性的纤维。因此，该工艺温度过高或者暴露在热源下时间过长，细纤维可能被热恶化，并且熔化和松散纤维结构，或者出现一定程度的聚合体交联，纤维可能不会粘固到纤维素衬底上。另一方面，如果温度过低或者暴露在热源下时间过短，则粘合效果可能很差，细纤维层可能不耐用。
为了获得优化的过滤性能、透气性和表征整个过滤介质的压降，对于在衬底表面上形成细纤维层，热致密化步骤是很重要的。当细纤维层被热塑粘合到衬底上时，该细纤维网被自然地增压以获得一层更细，或者更多二维细纤维层，和更小更紧的多孔结构并且也减少了气体流量性能。应用的细纤维层的基本重量可以显著地影响最终的透气性。
在一些配置中获得持久粘固的细纤维层所要求工艺温度范围是受限的。粘固聚丙烯的最好的温度在190至200度F之间，粘固聚合物纤维最好的温度在225至240度F。
获得适合的热致密化步骤有两种方法可以使用a)在例如热光滑钢辊和冷却合成的带底部夹的两个辊之间的排列过程，在这个过程中，加热和加压同时进行，以良好粘合赋予纳米纤维层耐久性，然而，需要控制进行粘合使用的压力，以避免对整个介质厚度的不利影响，最终避免了破坏过滤器的空气流量性能，因为如果施加过大的压力基础介质的褶皱深度会发生损失。对纤维的加热和粘固在同一点发生。依据温度，辊的尺寸和其他变化工艺，所述工艺配置，加工速度可能达到20ft/min。
b)在一些配置中，使用通气烘箱，细纤维网通过导带被拖拽经过烘箱。在烘箱里面或者外面的几个关键位置上，一个适当的夹点设置在两个加热辊之间。这些工序配置类似于轧辊但是允许该网在粘合前进行加热。这样，可以获得较高的速度。另外，因为可以在粘合点单独供热，所用压力较小。加压小，基础介质的变形和褶皱的损失就会减少。在本步骤中，已经发现超过200ft/min的工序速度是可能的。
以上描述的过滤介质为促进有效表面过滤提供了一种经济又可靠的方法。在不增加过早失效和过多压降的前提下，所述过滤介质就可以被有效清洁。结果，改进的过滤介质以一种经济可靠的方式提高了由其制成的过滤器的使用寿命。
过滤介质和过滤装置在上述具体实施例中进行了详细描述。所述过滤介质也不限于在这里具体实施例所限定的，而是，每种过滤介质和各种各样的过滤装置的部件可以单独使用，可以与其他过滤介质和这里表述的过滤组件分开使用。
尽管本发明已经以不同的具体实施例进行了描述，但本领域的普通技术人员应该了解，本发明可以在发明精神和权利要求范围内进行改进。
权利要求
1.一种复合过滤介质(10)，包括衬底(12)，包括选自非织造多孔合成材料、纤维素或它们的组合的材料；和一层散装熔融纺丝纳米纤维(30)，其接合到所述衬底上，其中至少约85％的纳米纤维的直径小于1000纳米。
2.根据权利要求1所述的过虑介质(10)，其中所述纳米纤维(30)是通过热机械过程被压到所述衬底(12)上的。
3.根据权利要求1所述的过滤介质(10)，其中所述细纤维(30)包含至少以下一种材料聚丙烯，PET，PBT，多酯聚合物，尼龙，PPS，和其他热塑性聚合物，以及它们的组合。
4.根据权利要求1所述的过滤介质(10)，其中所述细纤维包括一种聚丙烯和PBT。
5.根据权利要求1所述的过滤介质(10)，其中所述细纤维(30)层具有约2至10g/m2之间的重量。
6.根据权利要求1所述的过滤介质(10)，其中所述衬底(12)具有约60至340g/m2之间的基本重量。
7.根据权利要求1所述的过滤介质(10)，其中所述衬底(12)是打褶的。
8.一种过滤装置(100)，包括过滤器壳体(101)，其包括入口和出口(106)。打褶的过滤介质(10)，配置在所述滤筒(102)里，所述过滤介质包括的衬底，该衬底包括一种选自包括非织造多孔合成材料，纤维素，和它们的组合的材料。一层散装熔融纺丝纳米纤维(30)，其接合到所述衬底(12)上，其中至少约85％的纳米纤维的直径小于1000纳米。
9.根据权利要求8所述的过滤装置(100)，其中所述衬底(12)包括纤维素，所述细纤维(30)包含至少以下一种材料聚丙烯，PET，PBT，多酯聚合物，尼龙，PPS，和其他热塑性聚合物，以及它们的组合。
10.根据权利要求8所述的过滤装置(100)，其中所述细纤维(30)包括聚丙烯和PBT中的一种。
全文摘要
一种复合过滤介质(10)包括由非织造多孔合成材料、纤维素或它们的组合制成的一褶皱衬底(12)。所述过滤介质还包括一固定或粘结到衬底上的整体熔融纺丝纳米纤维层(30)。至少约85％的细纤维的直径小于1000纳米。
文档编号B01D39/16GK1973951SQ200610160588
公开日2007年6月6日 申请日期2006年10月13日 优先权日2005年10月14日
发明者A·史密思斯 申请人:通用电气公司