结合小颗粒热塑性粘合剂的块状产品以及其制造方法
【专利说明】结合小颗粒热塑性粘合剂的块状产品以及其制造方法 领域
[0001] 本文中的实施例总体上涉及块状产品，并且更具体而言涉及使用小颗粒热塑性粘 合剂形成的块状产品，例如活性碳块，并且涉及其形成方法。 引g
[0002] 碳块是具有许多不同的商业用途的过滤介质，包括在消费性和工业性滤水池的生 产中。某些碳块产品是包括活性碳、至少一种粘合剂、以及任选地其他添加剂的复合物，这 些物质压缩并且熔合成总体上连贯的多孔结构。
[0003] 在某些情况下，碳块过滤器产品可以成型为具有从中穿过的空心孔（也可以是圆 形的）的直圆柱体以形成管。在某些应用中，水或其他流体的流体总体上能够以径向方向 被引导穿过该管的壁（向外亦或向内）。流体穿过这种多孔的碳块过滤器产品可以产生在 该流体中一种或多种颗粒和化学污染物的减少。
[0004] 碳块可以通过将活性碳粉末和粉末聚乙烯塑料粘合剂通过压缩转移模制、挤出或 某些其他方法转化成固体多孔的整体结构而形成。在此种情况下，将活性碳粉末和粉末聚 乙烯塑料粘合剂的混合物压缩、加热并且然后冷却以使得该聚乙烯颗粒将该混合物熔合成 不饱和的碳整体结构。在此种不饱和结构中，该粘合剂不会完全填充或浸透到该碳块的孔 中，并且因此保留了开孔。
[0005] 碳块的这些开孔有助于流体流动穿过该碳块。以此方式，该碳块可以通过拦截在 该流体内的微粒污染物而对穿过它的流体流进行过滤。这可以通过由碳块直接拦截微粒污 染物或者通过将微粒污染物吸附到碳块的表面上而进行。
[0006] 该碳块还可以例如通过参与该碳块的活性碳表面上的化学反应，通过吸附，或通 过进行与活性碳上的带电荷或极性的位点的离子交换作用而拦截化学污染物。
[0007] 传统地，已经使用聚烯烃聚合物粘合剂，例如聚乙烯来生产碳块结构。例如，某些 碳块结构已经使用超高分子量聚乙烯（"UHMWPE"）粘合剂，或低密度聚乙烯（"LDPE"）粘 合剂生产。已经使用聚（乙烯乙酸乙酯）（P(EVA)) "）粘合剂生产其他碳块结构。然而， 使用这些聚合物粘合剂形成的碳块结构易于经受不良的工作温度、不良的化学耐受性以及 低强度的影响，并且可能是较昂贵的。 附图简要说明
[0008] 附带于此的附图是用于展示本披露内容的不同系统、装置和方法的不同实例并且 并非旨在以任何方式限制所传授的内容的范围。在附图中：
[0009] 图1是根据一个实施例的碳块过滤器的示意图；并且
[0010] 图2是根据一个实施例用于形成碳块的方法的流程图。 不同实施方案说明
[0011] 在此处一个或多个实施例可以是针对碳块，该碳块包含聚合物粘合剂，该聚合物 粘合剂被选择为给予该碳块结构一种或多种改进的物理特性以及改进的化学特性。此类实 施例还可以允许在工业应用中使用碳块，在这些应用中可能遇到溶剂、升高的温度以及提 高的压力。
[0012] 某些实施例可以包含聚合物，该聚合物可以直接合成为聚合物粉末而无需物理研 磨和磨蚀（这可能是极其昂贵的）。此种聚合物粉末可以比通过常规研磨（并且甚至通过 低温研磨）典型地可能的那些远远更小。
[0013] 在某些实施方案中，该聚合物粉末是热塑性塑料，该热塑性塑料具有至少中等的 熔体流动指数，以及小于20微米、小于15微米、小于12微米、小于10微米、或甚至约5微 米（或更小）的平均颗粒尺寸。平均颗粒尺寸是在一种聚合物悬浮液中使用Mastersizei^ 3000(来自马尔文公司（Malvern))激光颗粒尺寸分析仪测量的。优选的热塑性聚合物包括 但不限于：聚（偏二氟乙烯）粘合剂、尼龙-11和尼龙-12或其他具有此种小颗粒尺寸的奇 数聚酰胺。
[0014] 根据某些实施例，碳块可以包括支持活性碳颗粒网络的聚（偏二氟乙烯） ("PVDF"）粘合剂，例如Kynar?氟聚合物树脂。如在此使用的，术语聚（偏二氟乙烯）粘合 剂和PVDF粘合剂应理解为是指包含以下项中的一种或多种的粘合剂：聚（偏二氟乙烯）、 与聚（偏二氟乙烯）相关的聚合物、以及包含至少70重量百分比的偏二氟乙烯单元的共聚 物。
[0015] 不像基于聚乙烯的粘合剂，PVDF粘合剂总体而言是耐受广泛范围的溶剂的，并且 可以在高于120摄氏度的温度下安全地使用。此外，PVDF粘合剂能够以非常小的平均颗粒 尺寸获得，包括小于20微米的颗粒尺寸。在某些情况下，PVDF粘合剂能以小于10微米的 尺寸可得，并且在某些情况下甚至以约5微米（或更小）的尺寸可得。
[0016] 在某些应用（例如高压过滤）中，碳块应该具有高压缩强度以经受在过滤过程中 产生的力。
[0017] 为了满足这种要求，传统的碳块产品通常包含显著浓度的聚合型黏合剂。例如，使 用LDPE粘合剂制造的碳块典型地包括大于16% (按重量计）的粘合剂，而使用UHMffPE粘 合剂制造的碳块典型地包含大于25% (按重量计）的粘合剂。
[0018] 相比之下，本发明人已经出人意料地发现了使用某些PVDF粘合剂制造的碳块能 够借助仅3 %至14 %，优选地12 %或更小，优选地10 %或更小，并且优选地5 %至8 %的粘 合剂（按重量计）具有高压缩强度。
[0019] 因此与传统的技术相比可以使用（按重量计）显著更少的PVDF粘合剂（在某些 情况下少了 2-5倍的粘合剂）。这种减小的粘合剂量可以抵消某些通常与PVDF粘合剂相关 的更高的成本的至少一部分（例如，与聚乙烯粘合剂的成本相比）。
[0020] 此外，制造高压缩强度碳块要求的PVDF粘合剂的体积量可以甚至更小（如与所要 求的聚乙烯粘合剂的体积相比），因为PVDF的绝对密度（约1. 78克/立方厘米）是LDPE (约 0. 91至0. 94克/立方厘米）和UffMffPE (0. 93至0. 97克/立方厘米）的绝对密度的几乎两 倍。因此，与聚乙烯粘合剂相比，高压缩强度的炭块可以要求少4至10倍（按体积计）的 PVDF粘合剂。
[0021] 碳块中的粘合剂的相对体积有助于许多性能特征，包括：孔隙率、渗透性、碳表面 积垢、以及碳块内部活性碳的量。这些特征中每一种总体上随着粘合剂相对体积的减少而 改进。因此，使用所要求的小体积PVDF粘合剂制造的碳块可以显示出以下项中的至少一 项： (i) 基本上开放的并且不含粘合剂的孔，从而产生优异的孔隙率和渗透性； (ii) 在加工过程中由熔融聚合物引起的碳表面积垢的减少；以及（iii)被粘合剂替换 的活性炭减少，从而产生在碳块内增加的活性碳量。
[0022] 相对应地，使用PVDF粘合剂制造的碳块可以具有超过使用常规（例如聚乙烯）粘 合剂制造的碳块的优异的过滤性能。这种改进的孔隙率和渗透性可以提供更多的用于流体 穿过碳块的通道。更多的通道，结合降低的碳表面积垢以及增加的活性碳的量可以导致对 穿过该碳块的流体中的污染物的用于拦截、吸附以及化学反应的更多位点。
[0023] 使用PVDF粘合剂制造的碳块的性能还可以允许更小（例如，更薄）的碳块与使用 常规的粘合剂制造的更大的常规碳块相比表现地一样好。此种更小的碳块可以提供另外的 成本节省，因为它可以要求更少的活性碳即可生产。更小的碳块还可以是更希望的，因为它 可以重量更小并且可以在安装时占据更小的空间。
[0024] 在某些实施方案中，使用适当等级的PVDF粘合剂可以使用高速挤出机，或通过使 用压缩模制技术生产碳块产品。制造碳块总体上涉及将粘合剂（以粉末形式）与活性碳粉 末混合。通常将这两种粉末充分混合以生产基本上均匀的混合物。然后将这些混合的粉末 例如使用压缩转移模制或挤出而熔合到一起。
[0025] 总体而言，与具有更大平均颗粒尺寸的混合物相比，具有更小平均颗粒尺寸的粉 末的混合物可以产生更均匀的混合物。例如，大颗粒的充分混合的混合物通常是比细小颗 粒的类似混合的混合物较不均匀的。即，大颗粒的混合物的小尺寸的样品更可能包含与该 混合物作为整体的组成显著不同的组成。
[0026] 此外，在随着充分混合的混合物中粉末的相对体积的减小，该混合物的均质性也 可能减小，除非这一种粉末的平均颗粒尺寸减小。为了说明这一点，考虑了三种标记为A、B 和C的示例性混合物的均质性： 表1 :示例性混合物的均质性
[0027] 在混合物A、B和C每一个中，保持粉末2颗粒的体积、平均颗粒尺寸和量不变。与 混合物A相比，混合物B包含小500倍体积的粉末1颗粒（因为仅仅存在两个颗粒，而不是 1000)。结果，充分混合的混合物B的均质性将比充分混合的混合物A的均质性更小。即， 与混合物A相比，混合物B的小尺寸的样品远更可能包含与该混合物作为整体的组成显著 不同的组成。
[0028] 相比之下，混合物C包含与混合物B中相同体积的粉末1，但是这些颗粒小1000倍 并且因此在数目上大了 1000倍。结果，充分混合的混合物C的均质性将比充分混合的混合 物B的均质性远远更大。即，与混合物C相比，混合物B的小尺寸的样品远更可能包含与该 混合物作为整体的组成显著不同的组成。
[0029] 这个实例说明了由减小混合物中粉末的平均体积产生的均质性的损失可以通过 减小那种粉末的平均颗粒尺寸补偿。
[0030] 如以上讨论的，包含PVDF粘合剂的碳块可以包含与常规的粘合剂（例如UHMffPE 或LDPE粘合剂）相比按体积计少4至10倍的粘合剂。因此，为了有助于均匀的混合物，与 常规的粘合剂的颗粒尺寸相比，可以为粉末PVDF粘合剂提供更小的平均颗粒尺寸（即，小 4至10倍的尺寸）。
[0031 ] 常规的粘合剂（例如UHMffPE或LDPE粘合剂）通常可以通过研磨或磨蚀制造为粉 末，从而产生较粗糙的粉末。相比之下，粉末PVDF粘合剂的平均颗粒直径可以小于20微米， 小于10微米，或甚至约5微米（或更小）。
[0032] 此种小颗粒尺寸不可以通过常规技术，例如研磨或磨蚀或甚至低温研磨很容易地 实现。因此，在某些情况下，粉末PVDF粘合剂可以直接合成而无需物理研磨和磨蚀。
[0033] 通过直接合成，粉末PVDF粘合剂通常以精细和超细粉末可得。直接合成的粉末 PVDF粘合剂还作为超纯粉末可得，通常基本上不含有毒的可提取的污染物。
[0034] 直接合成可能是昂贵的并且可能促进了小尺寸的粉末PVDF粘合剂的高成本。所 幸是，因为根据此处的传授内容碳块能够以非常少量的PVDF粘合剂制造，这种更高的成本 可以不是太成问题的。
[0035] 现在转向图1，其中展示了根据一个实施例的碳块过滤器10的示意图。在这个实 施例中，碳块过滤器10成型为直圆柱体12,具有总体上从中穿过的空心孔14。在这个实施 例中，该空心孔14是圆形的，使得该圆柱形成了管。应理解的是在某些实施例中碳块过滤 器12可以具有其他合适的形状。
[0036] 在某些应用（例如过滤应用）中，水或其他的流体总体上能够以径向方向被引导 穿过该圆柱12的壁