玻璃纤维上的带阳离子涂层的制作方法

专利名称：玻璃纤维上的带阳离子涂层的制作方法
技术领域：
本发明的背景本发明涉及滤器材料。更具体地说，本发明涉及电荷改性滤器。
电荷改性滤器在本工艺中是已知的。它们一般由微孔膜构成或包括使用玻璃纤维，玻璃纤维和纤维素纤维的掺合物，或纤维素纤维与硅质颗粒的掺合物这样的材料。电荷改性是通过用电荷改性剂和单独的交联剂涂敷薄膜或至少某些纤维来完成的，以保证涂层的耐久性。
虽然微孔膜一般能够有效过滤，可是通过该膜的流速通常要低于纤维滤器。而且，在过滤操作时，微孔膜要比纤维滤器具有较高的背压。因此，要求纤维滤器对于带电颗粒具有有效的过滤能力。还要求纤维滤器由玻璃纤维构成，不需要沉积步骤，交联剂，或纤维素纤维或硅质颗粒的存在。
本发明的概要本发明通过提供在其上涂有带阳离子涂层的玻璃纤维来解决上面讨论的某些困难和问题。该涂层包含一种已经被热交联的官能化阳离子聚合物。也就是说，该官能化阳离子聚合物在涂到玻璃纤维上以后已被热交联。作为实例，该官能化阳离子聚合物可以是表氯醇官能化的聚胺或表氯醇官能化的聚酰胺型胺类。
本发明进一步提供一种纤维滤器，它包括在其上具有带阳离子涂层的玻璃纤维。该涂层包含一种官能化阳离子聚合物，该聚合物已被热交联；换言之，该官能化阳离子聚合物在被涂于玻璃纤维上之后，已被热交联。再有，该官能化阳离子聚合物可以是表氯醇官能化聚胺或表氯醇官能化聚酰胺型胺类。
本发明还提供一种制备纤维滤器的方法。该方法包括提供一种包含玻璃纤维的纤维滤器，将可以热交联的官能化阳离子聚合物溶液在足以基本上用官能化阳离子聚合物涂敷纤维的条件下通过纤维滤器，和在足以使玻璃纤维上的该官能化阳离子聚合物交联的温度下加热处理所得涂过的纤维滤器足够时间。该官能化聚合物可以是表氯醇官能化聚胺或表氯醇官能化聚酰胺型胺类。
本发明提供超过先前已知材料的许多优点，第一，本发明的方法不需使用单独的或辅助的沉积剂或交联剂。第二，本发明的方法可用于滚筒上的连续操作。第三，不需要纤维素组分。当然，其他优点对于本工艺中的普通技术人员将是显而易见的。
本发明的详细描述如在这里所用的术语，关于玻璃纤维上的涂层“带阳离子的”和关于官能化聚合物的“阳离子的”意味着在涂层和聚合物中分别存在许多带正电的基团。因此，术语“带阳离子的”和“带正电的”是相同含意。这种带正电的基团典型地包括许多季铵基团，但并不限于它们。
术语“官能化的”用于这里意味着在阳离子聚合物中，除阳离子基团以外，存在着许多官能团，它们在经受加热时能够交联。因此，这些官能团是能够热交联的基团。这种官能团的实例包括环氧基，亚乙基氨基，和表硫基(episulfido)。这些官能团易于和通常存在于阳离子聚合物中的其它基团反应。这类其它基团通常具有至少一个亲核体，而且是以氨基，羟基和硫羟基为示例的。可以注意到，一个官能团与另外基团的反应还经常产生其它的能与官能团反应的基团。例如，环氧基与氨基反应导致β-羟氨基的生成。
因此，“官能化阳离子聚合物”这一术语意味着包括任何含有许多带正电基团和许多官能团的聚合物，所说的官能团通过加热可以交联。特别有用的这类聚合物的例子是表氯醇官能化聚胺和表氯醇官能化聚酰胺型胺类。这两类聚合物的示例是Kymene树脂，得自Hercules Inc.，Wilmington，Delaware。其它合适的材料包括阳离子改性淀粉，如RediBond，来自National Starch。
如在这里所用的，术语“热交联”意指官能化阳离子聚合物在足以使上述官能团交联的温度下已加热足够长的时间。加热温度一般在约50℃至约120℃之间变化。加热时间一般是温度和阳离子聚合物中存在的官能团的类型的函数。例如加热时间可在少于1分钟至约60分钟或更多之间变化。
术语ζ电势(也称动电势)用于这里意指与固相表面连接的固定液体层和液体底质中扩散层的活动部分之间的电势差。ζ电势可通过本工艺中普通技术人员已知的方法计算。作为实例，参见Robert J.Hunter，“Zeta Potential in Colloid Science”，Academic Press，New York，1981；特别注意第3章“ξ电势的计算”，和第4章“动电参数的测量”。在缺乏足够高的电解质浓度时，带正电的表面一般产生正ξ电势和带负电的表面一般产生负ξ电势。
如前面指出的，本发明提供一种玻璃纤维，其上有带阳离子的涂层。该涂层包含可被热交联的官能化阳离子聚合物，其中所说的官能化阳离子聚合物是在涂到玻璃纤维上之后已被热交换的。
特别有用的官能化阳离子聚合物的实例是表氯醇官能化聚胺和表氯醇官能化聚酰胺型胺类。这两类聚合物的示例是Kymene树脂，它得自Hercules Inc.，Wilmington，Delaware。其它合适的材料包括阳离子改性淀粉，如RediBond，得自National Starch。优选官能化阳离子聚合物是表氯醇官能化聚胺或表氯醇官能化聚酰胺型胺类。
本发明进一步提供一种包含玻璃纤维的纤维滤器，玻璃纤维上面有带阳离子的涂层。该涂层是上述可被热交联的官能化阳离子聚合物。
一般，该纤维滤器含有按滤器中存在的全部纤维重量计至少50％重量的玻璃纤维。在一些实施方案中，基本上100％的纤维会是玻璃纤维。然而，当有其他纤维存在时，它们通常将是纤维素纤维，由合成的热塑性聚合物制得的纤维，或它们的混合物。
纤维素纤维的来源，仅作为解释，包括木材，如软材和硬材；稻草和草，如稻、茅草、麦、黑麦和沙巴草(Sabai)；甘蔗和芦苇，如蔗渣；竹子；木质茎杆，如黄麻、亚麻、南非槿麻和大麻；韧皮纤维，如亚麻布和苎麻；叶子，如麻蕉和波罗麻；和种子，如棉花和棉籽绒。软材和硬材更通常用纤维素纤维来源；这种纤维可通过任何打(成)浆方法得到，如机械的、化学机械的、半化学的和化学的方法。
软材的实例包括，仅作为解释，长叶松，短叶松，火炬松，温地松，南方松，黑云杉，白云杉，短叶松，胶枞，花旗松，异叶铁杉，水杉和铅笔柏。硬材的实例包括，还是仅作为解释，山杨，桦木，山毛榉，栎树，槭树和橡胶树。
热塑性聚合物的实例包括，仅作为解释，封端的聚缩醛类，如聚甲醛，聚三氯乙醛，聚正戊醛，聚乙醛，和聚丙醛；丙烯酸类聚合物，如聚丙烯酰胺，聚丙烯酸，聚甲基丙烯酸，聚丙烯酸乙酯，和聚甲基丙烯酸甲酯；碳氟聚合物，如聚四氟乙烯，全氟化乙烯-丙烯共聚物，乙烯-四氟乙烯共聚物，聚三氟氯乙烯，乙烯-三氟氯乙烯共聚物，聚偏1，1-二氟乙烯，如聚氟乙烯；聚酰胺，如聚-6-氨基己酸或聚-ε-己内酰胺，聚己二酰己二胺，聚亚己基癸二酰胺，和取-11-氨基十一酸；聚芳酰胺，如聚亚氨基-1，3-亚苯基亚氨基间苯二酰或聚间亚苯基间苯二酰胺；聚(对亚苯基二甲基)，如聚(对苯二亚甲基)和聚(氯-对亚二甲苯基)；聚芳基醚，如聚(氧联-2，6-二甲基-1，4-亚苯基)或聚(对苯撑氧)(Poly(P-Phenyleneoxide))；聚芳基砜，如聚(氧联-1，4-亚苯基磺酰基-1，4-亚苯氧基-1，4-亚苯基-异亚丙基-1，4-亚苯基)和聚(磺酰基-1，4-亚苯氧基-1，4-亚苯基磺酰基-4，4’-亚联苯基)；聚碳酸酯，如聚双酚A)或聚(碳酰二氧基-1，4-亚苯基异亚丙基-1，4-亚苯基)；聚酯，如聚对苯二甲酸乙二酯，聚对苯二甲酸四亚甲酯，和聚对苯二甲酸亚环己基-1，4-二亚甲酯或聚(氧亚甲基-1，4-亚环己基亚甲氧基对苯二酰)；聚酰亚胺，如聚均苯四酰亚胺-1，4-亚苯；聚烯烃，如聚乙烯，聚丙烯，聚-1-丁烯，聚 2-丁烯，聚-1戊烯，聚-3-甲基-1-戊烯)，和聚-4-甲基-1-戊烯；烯类聚合物，如聚乙酸乙烯酯，聚偏1，1-二氯乙烯，和聚氯乙烯；二烯系聚合物，如1，2-聚-1，3-丁二烯，1，4-聚-1，3-丁二烯，聚异戊二烯，和聚氯丁二烯；聚苯乙烯；上述的共聚物，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物等。
当纤维滤器中存在除玻璃纤维之外的纤维时，它们最好是纤维素纤维，由热塑性聚烯烃制备的纤维，或它们的混合物。热塑性聚烯烃的实例包括聚乙烯，聚丙烯，聚(1-丁烯)，聚(2-丁烯)，聚(1-戊烯)，聚(2-戊烯)，聚(3-甲基-1-戊烯)，聚(4-甲基-1-戊烯)等。此外，这些术语意味着包括两种或多种由两种或多种不同的不饱和单体制备的聚烯烃和无规和嵌段共聚物的掺合物。由于它们的商业价值，最优选的聚烯烃是聚乙烯和聚丙烯。
本发明进一步提供一种制备纤维滤器的方法。该方法包括在足以基本上用官能化阳离子聚合物涂敷纤维的条件下将可以热交联的官能化阳离子聚合物的溶液通过包含玻璃纤维的纤维滤器，和在足以使玻璃纤维上的官能化阳离子聚合物交换的温度和时间范围加热处理所得到的涂布过的纤维滤器。
一般，该官能化阳离子聚合物的溶液将是一种按溶液的重量计含有大约0.1％至约10％重量官能化阳离子聚合物的水溶液。例如，该溶液可含有约0.1％至约5％重量的官能化阳离子聚合物。作为另一个实例，该溶液可含有约0.1％至约1％重量的官能化阳离子聚合物。
在一些实施方案中，该官能化阳离子聚合物的水溶液可含有少量在水中溶或可与水溶混的极性有机溶剂。如果存在的话，这些溶剂通常将构成低于50％体积的液相。例如这种溶剂可构成少于约20％体积的液相。这类溶剂的实例包括，仅作为解释，低级醇，如甲醇、乙醇、1-丙醇、异丙醇、1-丁醇、异丁醇和叔丁醇；酮，如丙酮、甲基·乙基酮，和二乙基甲酮；二噁烷；和N，N-二甲基甲酰胺。
取决于该官能化阳离子聚合物，调节该含聚合物的水溶液的pH可能是理想的和需要的。例如，表氯醇官能化聚胺或表氯醇官能化聚酰胺型胺类的水溶液优选具有碱性或微酸性的pH值。例如，这种溶液的pH范围可为约6至约10。利用本工艺普通技术人员熟知的方法很容易调节pH。例如，通过向聚合物中加入无机酸，如盐酸或硫酸的稀溶液，或碱性溶液，如氢氧化钠、氢氧化钾，或氢氧化铵的溶液，可调节pH。
该官能化阳离子聚合物的溶液可利用本工艺中普通技术人员已知的任何方法通过纤维滤器。例如，通过在滤器的一面减压，该面是施加溶液的一面的反面，使该溶液被“吸引”通过滤器。另外，通过施加压力可使溶液被压过滤器。
一旦滤器的纤维用该官能化阳离子聚合物涂布，该聚合物在足以使聚合物中的官能团交联的温度和时间范围内被施加的热交联。一般地温度可以在约50℃至约150℃之间变化。加热时间通常是温度和该阳离子聚合物中存在的官能团类型的函数。例如，加热时间可从约1-约60分钟或更多之间变化。
本发明用下面的实例进一步描述。然而这些实例不能以任何方式限制本发明的精神和范围。
实例1通过用100ml去离子水稀释2ml stock Kymene450溶液(20％重量固体)制备含0.4％重量表氯醇官能化聚酰胺型胺类(Kymene450，Hercules Inc.，Wilmington Delaware)的水溶液。该溶液的pH约为6，而不用再调节pH，因为Kymene450的有效pH范围为约5-9。将25ml这种稀释的Kymene450溶液倾倒至90mm直径的微纤玻璃滤器上(Whatman型GF/D，孔径2.7微米，WhatmanInternational Ltd.，Maidstone，England)，该滤器本身又放在一个粗多孔玻璃漏斗中。该漏斗安置在一个过滤烧瓶内，将该烧瓶抽真空，吸引溶液通过玻璃滤器20秒的时间，从而用聚合物涂布纤维。从漏斗上取下该滤器，并在烘箱中于85℃下加热1小时，以使玻璃滤器上存在的聚合物交联。在从烘箱取出后，用500ml蒸馏过的去离子水洗涤滤器，用过去经常应用的操作方法涂布纤维。然后，将洗涤过的、涂布过的滤器进行空气干燥。
对照0.5微米直径聚苯乙烯胶乳微粒(具有产生7.0μeg/g表面滴定值的羧酸官能团)在没有表面活性剂(Bangs Laboratory，Inc.，Fishers，Indiana)悬浮在100ml水中，在浓度为每毫升108颗粒下测试滤器浮获效率。自90mm盘上割下的两层2英寸(约5.1cm)直径滤盘被放置在两英寸(约5.1cm)直径的Nalgene可再用的过滤储器内(250ml，Nalgene#300-4000，Nalge Nunc International，Napervile，Illinois)。颗粒溶液靠重力通过该滤器。通过涂布过的玻璃纤维(其具有的组合定量为6盎司/码2或osy(约203g/m2或gsm)过滤该溶液，99.9％以上的颗粒被除去。
Whatman玻璃滤器的ζ电势在涂布前为-46毫伏，涂布后为16-36毫伏。固化膜的ζ电势是根据氯化钾溶液(10mM在蒸馏水中，在pH4.7和温度22℃)流通过数层固定在电动分析器(EAK，Brookhaven Instruments Corporation，Hotlsville，New York)上的膜架内和薄膜所产生的泳动电势的测量而确定的。试验方法和计算方法已由D.Fairhurst发表在“Particle Size DistributionII，Assessment and Characterization”(颗粒尺寸分布II，估价和表征)中，第22章，ACS Symposium Series 472，TheodoreProvder编。
实例2重复实例1的操作，除了为交联滤器上存在的聚合物所用的加热时间从1小时减至10分钟外。滤器俘获效率的测试如实例1所述进行，具有相同的结果。
实例3重复实例2的操作，除了为交联滤器上存在的聚合物所用的加热温度增加到100℃外。滤器俘获效率的测试如实例1所述进行，具有相同的结果。
实例4如实例1所述制备含0.4％重量表氯醇官能化的聚酰胺型胺类(Kymene450，Hercules Inc.，Wilmington Delaware)的水溶液。将25ml这种Kymene450溶液倾倒至90mm直径的微纤玻璃滤器上(LB-5211-A…O，得自Hollingsworth & Vose Company，EastWalpole，Massachusetts，含3-7％丙烯酸树脂粘合剂和0.5osy或约17gsm Reemay支持棉衬(supporting scrim))，其本身放置在一个粗多孔玻璃漏斗内。该漏斗安置在一个过滤烧瓶内，将该烧瓶抽真空，吸引溶液通过玻璃滤器20秒的时间，从而用聚合物涂布纤维。从滤斗上取下该滤器，并在烘箱中于85℃加热1小时，以使玻璃滤器上存在的聚合物交联。在从烘箱取出后，用1000毫升蒸馏过的去离子水洗涤滤器，用过去经常使用的方法涂布纤维。然后将洗涤过的、涂布过的滤器进行空气干燥。
将从90mm盘割下的单层2英寸(约5.1cm)直径的滤盘放在2英寸(约5.1cm)直径的Nalgene可再用的过滤储器(如实例1所述的)中。100毫升0.1％重量的氯化钠溶液靠重力通过该滤器。在该盐水洗涤后，对照实例1中所述200ml 0.5微米直径的聚苯乙烯胶乳微粒在无表面活性剂的情况下测试滤器俘获效率。通过混合100ml 0.2％重量氯化钠溶液与100ml 2×108颗粒/ml的颗粒溶液制备200ml(每毫升含108颗粒)的颗粒溶液。然后将所得溶液靠重力通过滤器。通过涂布后的玻璃滤器(其具有的定量为2.2osy(约75gsm))过滤该溶液，大于99.9％的颗粒被除去。
实例5
重复实例4的操作，除了所用的微纤玻璃滤器是LA-8141-O-A以外该滤器也得自Holling-Sworth & Vose Company，EastWalpole，Massachusetts，和也含有3-7％丙烯酸树脂粘合剂和0.5osy或约17gsm Reemay支持棉衬。如同实例4中那样，通过涂布过的玻璃滤器过滤溶液，大于99.9％的颗粒被除去，在此实例中，涂布过的玻璃滤器的定量为2.5osy(约85gsm)。
尽管本说明书已针对其特定实施方案做了详细描述，但本工艺中的技术人员将意识到，在理解前述内容的情况下，可以很容易地想象到对于这些实施方案的变化，改变和相等物。因此，本发明的范围应确定为权利要求和其任何相等物的范围。
权利要求
1. 一种玻璃纤维，其上具有带阳离子的涂层，该涂层含有一种官能化阳离子聚合物，此聚合物是被热交联的。
2. 权利要求1的玻璃纤维，其中官能化阳离子聚合物是表氯醇官能化聚胺。
3. 权利要求2的玻璃纤维，其中官能化阳离子聚合物是表氯醇官能化聚酰胺型胺类。
4. 一种纤维滤器，其含有玻璃纤维，该玻璃纤维上具有带阳离子的涂层，该涂层含有一种被热交联的官能化阳离子聚合物。
5. 权利要求4的纤维滤器，其中官能化阳离子聚合物是表氯醇官能化聚胺。
6. 权利要求5的纤维滤器，其中官能化阳离子聚合物是表氯醇官能化聚酰胺型胺类。
7. 一种制备纤维滤器的方法，该方法包括提供含有玻璃纤维的纤维滤器；使可热交联的官能化阳离子聚合物的溶液在足以基本上用官能化阳离子聚合物涂布纤维的条件下通过纤维滤器，和在足以使玻璃纤维上存在的官能化阳离子聚合物交联的温度和时间范围内加热处理所得到的涂布过的纤维滤器。
8. 权利要求7的方法，其中官能化阳离子聚合物是表氯醇官能化聚胺。
9. 权利要求8的方法，其中官能化阳离子聚合物是表氯醇官能化聚酰胺型胺类。
全文摘要
一种其上具有带阳离子涂层的玻璃纤维，该涂层包含可被热交联的官能化阳离子聚合物，其中官能化阳离子聚合物是在被涂布到玻璃纤维上之后已被热交联的。还提供一种纤维滤器，该滤器包含玻璃纤维，玻璃纤维上有带阳离子的涂层，该涂层包含可被热交联的官能化阳离子聚合物，其中官能化阳离子聚合物是在被涂布到玻璃纤维上之后已被热交联的。进一步提供制备纤维滤器的方法。该方法包括提供一种包含玻璃纤维的纤维滤器，在足以基本上将官能化阳离子聚合物涂布纤维的条件下把可被交联的官能化阳离子聚合物的溶液通过纤维滤器，和在足以使玻璃纤维上存在的官能化阳离子聚合物交联的纤维滤器。
文档编号C03C25/24GK1398241SQ9981454
公开日2003年2月19日 申请日期1999年12月15日 优先权日1998年12月18日
发明者卫宁 申请人:金伯利-克拉克环球有限公司