折叠排列网过滤器的制作方法

专利名称：折叠排列网过滤器的制作方法
技术领域：
本发明涉及在成网方向上具有纤维排列的折叠过滤器。
背景技术：
熔喷非织造纤维网具有多种用途，包括过滤(例如，平网和折叠过滤器)、绝缘、填充和纺织替代品。有关熔喷非织造纤维网的参考文献包括美国专利3,959,421(Weber等)、4,622,259(McAmish等)、5,075,068(Milligan等)、5,141,699(Meyer等)、5,405,559(Shambaugh)、5,652,048(Hayness等)、5,665,278(Allen等)、5,667,749(Lau等)、5,772,948(Chenoweth)和5,811,178(Adam等)。有关折叠过滤器的参考文献包括美国专利4,547,950(Thompson)、5,240,479(Bachinski)、5,709,735(Midkiff等)、5,820,645(Murphy，Jr.)、6,521,011B1(Sundet等，‘011专利)和D449，100S(Sundet等，‘100专利)，以及美国专利申请公开US2003/0089090A1(Sundet等，‘090专利)和US 2003/0089091 A1(Sundet等，‘091专利)。

发明内容
制造非织造网通常涉及将纤维沉积于移动的收集器的表面。或许部分地作为这种移动的结果，所收集成的网显示出轻度的纵向上的纤维排列，并在纵向和横向上显示出程度较小的某些各向异性的物理特性(例如，拉伸强度)。不过非织造网制造者常常力争使得制品具有均衡且基本上各向同性的物理特性。
我们已经发现，通过形成在机器方向具有比普通纤维排列大得多的纤维排列的非织造网，并使所形成的非织造网成形为具有基本上垂直于纵向的褶的折叠过滤介质，我们能获得具有改善的机械性能或改善的过滤性能的过滤器。一个方面，本发明提供具有折叠的褶行的过滤元件，包括热塑性纤维制成的非织造过滤网，其中大部分纤维相对于行的方向成90°±20°排列。
另一个方面，本发明提供一种用于形成折叠过滤元件的方法，包括在非织造过滤网中形成褶行以及将折叠过滤元件切成所需大小和形状，该非织造过滤网包括热塑性纤维，其中大部分纤维相对于行的方向成90°±20°排列。
通过以下的详细说明，本发明的这些和其他方面将更为明了。不过，决不应把以上概括内容解释为对于所要求主题的限制，该主题仅仅由所附加的权利要求限定，并且在专利的申请和审查过程中可以进行修改。


图1是熔喷设备的示意侧视图，该设备用于制造具有基本上在纵向排列的纤维的非织造网。
图2是用于图1所示设备中的真空收集器的俯视图。
图3至图6是表示纤维排列的雷达测绘图。
图7是折叠过滤介质的轴侧图。
图8是部分剖开的轴侧图，图示安装在框架中折叠过滤器。
图9是表示过滤器压力降对比于空气速度的曲线。
图10是用于制造所披露的折叠过滤器的设备的示意图解。
不同附图中相同的附图标记表示相同的组成部分。附图中的各组成部分并未按比例绘制。
具体实施例方式
用语“非织造网”是指特征在于纤维的缠结或点粘结的纤维网。
用语“过滤网”是指这样的多孔网，其能够在不超过大约50mmH2O的初始压力降下，从以0.5m/秒的表面速度流动的空气流中，至少除去平均粒径大于10μm的粒子。
用语“将长丝拉伸成细纤维”是指，将一段长丝转化为长度更长且直径更小的纤维片段。
词“熔喷”是指这样的方法，通过贯穿多个喷口将形成纤维的材料挤出以形成长丝，同时使长丝接触空气或其他拉伸用流体以使长丝成为细纤维，然后收集拉伸的纤维形成非织造网。
用语“熔喷网”是指利用熔喷工艺制成的非织造网。
用语“非织造模具”是指在熔喷工艺中使用的模具。
用语“熔喷纤维”和“吹制微纤维”是指利用熔喷工艺制成的纤维。
关于熔喷网或用于熔喷网成形的熔喷设备所使用的用语“纵向”是指制网构造的面内方向。
关于熔喷设备或熔喷网所使用的用语“横向”是指垂直于纵向的面内方向。
关于折叠过滤元件所使用的用语“行的方向”是指这样的方向，该方向基本上平行于过滤元件(带有大致尖锐边缘的平行褶痕的折叠结构)中的褶脊和谷，以及指这样的方向，该方向基本上平行于过滤元件(具有基本上平滑的平行波浪形状的波纹结构)中的褶顶部和底部区域。
关于网所使用的用语“自支撑”是指这样的网，其具有足够粘结度和强度，以便能够起皱和进行处理而没有实质性的撕裂或破损，而关于折叠过滤器所使用时是指这样的过滤器，其褶具有足够的刚度，从而在受到通常在强制空气通风系统中所遇到的空气压力的作用时，不会倒塌或过度弯曲。
可使用多种聚合物来制造所披露的定向排列纤维网。代表性的聚合物为可挤出且能够利用熔喷设备加工的热塑性材料，包括聚烯烃，如聚乙烯、聚丙烯或聚丁烯；聚酰胺；聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯；以及本领域技术人员熟知的其他材料。聚烯烃是特别优选的。
如果需要，可将多种吸附剂添加到非织造网中。代表性的吸附剂颗粒在授予Braun的美国专利3,971,373、授予Kolpin等的美国专利4,429,001以及授予Springett等的美国专利6,102,039中有所披露。活性碳和氧化铝是特别优选的吸附剂颗粒。尽管在实践中为了处理气体混合物更优选的是制造在各个单层中采用单独吸附剂颗粒的多层折叠过滤器，但是，也可使用吸附剂颗粒的混合物，例如用于吸附气体混合物。
可使用多种第一和第二流体流制造所披露的纤维网。对于两种目的来说空气是特别便利的流体。本申请的其他部分将讨论空气的使用，根据上下文的需要有时称作“第一空气”或“第二冷却空气”。本领域技术人员可以通过适当修改下面所述的操作参数而容易地使用其他流体(例如，二氧化碳、氮气或水)。
图1表示熔喷设备10的示意侧视图。熔融的聚合物经过入口14进入熔喷模具12，并穿过模具腔16。模具末端18中的小喷口(图1中未示出)致使熔融的聚合物在离开模具12时形成长丝22。通过入口20提供的第一空气冲击在长丝22上，并将其拉伸成细纤维24。纤维24落在平的收集器26上，并形成非织造网28，由合适的收紧设备(图1中未示出)，可在成网方向(即，纵向)30上将非织造网从收集器26拖走。将第二冷却空气提供至横过网28宽度而排列的管32，第二冷却空气在到达收集器26的路程上冲击到长丝或纤维上，致使纤维在纵向和逆纵向上来回摆动。与没有提供第二冷却空气的情况相比，在所制成的网28中的收集纤维基本上更多地在纵向上排列。与不使用第二冷却空气时相比，网的纵向和横向机械特性(例如，其纵向和横向刚度以及拉伸强度)也呈现出更大的各向异性。
利用高速摄影从侧面(或横向)看，纤维24以“画笔涂抹”方式铺在收集器26上。在收集器上测量，摆动可具有非常大的纵向振幅，例如，大于模具到收集器距离(“DCD”)的四分之一，且在某些情况下超过一半的DCD。几种工作条件对于获得这种画笔式沉积是特别理想的。例如，摆动可以规则地出现，可以在到达收集器的路程中增大幅度，且对于一个完整周期具有的波长可以小于从第二冷却空气出口至收集器的距离。优选地，从第二冷却空气出口到收集器的距离不太长。在某些情况下，在到达收集器的路程上，纤维可在它们的最高纵向位移处呈现出鞭抽状的动作，并可以暂时朝着熔喷模具运动，而不是总朝着收集器运动。随着这种鞭抽状的动作出现，有时可看见明显的纤维断裂。
我们已经能够利用镊子从收集起来的网上梳理出具有离散长度(例如，在大约1与大约10cm之间，伴随有偶然的更短或更长的纤维)的纤维绒毛。通常，很难使任何纤维(或任何这种长度的纤维)离开常规非织造网，因为纤维通常通过纤维与纤维的粘结或通过纤维间的缠结约束在网中。
可以这样将网28折叠或进一步处理。优选地使用热处理(例如，退火)来使网变硬。不过热处理会使得更难从网上梳理出纤维绒毛，因为纤维会倾向于断裂且网可能具有更强的纤维间粘结或缠结。优选的退火时间和温度取决于多种因素，这些因素包括所使用的聚合物纤维。作为一般性指导，推荐退火时间和温度为大约100℃直到聚合物熔点，持续时间少于大约10分钟。
任选地，可通过喷口34抽真空帮助巩固网28。不过，过度密实化(例如，利用压光工艺)会破坏网的过滤能力。可通过如授予Angadjivand等的美国专利5,496,507所披露的将纤维与水接触使其带电、授予Klasse等的美国专利4,588,537所披露的电晕处理、例如授予Rousseau等的美国专利5,908,598等所披露的水化充电(hydrocharging)或授予Brown的美国专利4,798,850所披露的摩擦充电，来把电荷赋予纤维。也可以将添加剂包括在纤维中以提高网的过滤性能、机械性能、老化特性、表面特性或其他感兴趣的特征。代表性的添加剂包括填料、成核剂(例如，MILLADTM3988二亚苄基山梨糖醇，可从Milliken Chemical购得)、紫外光稳定剂(例如，CHIMASSORBTM944受阻胺光稳定剂，可从Ciba Specialty Chemicals购得)、固化引发剂、硬化剂(例如，聚4-甲基-1-戊烯)、表面活性剂和表面处理(例如，授予Jones等的美国专利6,398,847B1、6,397,458B1和6,409,806B1所披露的氟原子处理，以提高在油雾环境中过滤性能)。这些添加剂的类型和添加量对于本领域技术人员而言是已知的。
完成的网可具有多种有效纤维直径(“EFD”)尺寸、基础重量和密实度(聚合物体积相对于网体积的比例)值。较好的EFD为大约8μm至大约25μm，优选的为大约10μm至大约25μm。优选的基础重量为大约50至100g/m2。优选的密实度值为大约5％至大约15％。
所披露的网具有基本纵向(运动方向或成网方向)纤维排列。作为由聚丙烯网制成的折叠过滤器的一般性指导，较佳地，大约55％至大约90％的纤维相对于行的方向成90°±20°排列，且更优选地为大约70％至大约85％。对于由其他聚合材料制成的网，数值可以更低或更高。例如，作为由聚对苯二甲酸乙二醇酯网制成的折叠过滤器的一般性指导，较佳地，大约51％至大约80％的纤维相对于行的方向成90°±20°排列，优选地为大约60％至大约80％。作为由尼龙网制成的折叠过滤器的一般性指导，优选的大约51％至大约70％的纤维相对于行的方向成90°±20°排列。可以形成很高排列的网，例如，至少80％的收集纤维相对于行的方向成90°±20°排列的网。
所披露的网具有一或多种各向异性的机械特性。在使用50mm的标准长度时，一类优选网在横贯行的方向上的面内拉伸强度与行的方向上的拉伸强度之比为至少2∶1，更优选的是至少3∶1。另一类优选网在横贯行的方向上的面内Taber刚度与行的方向上的Taber刚度之比为至少2∶1，更优选为至少大约2.2∶1。
可能在不提供所披露排列纤维网的条件下，或在提供不适于过滤的不结实网的条件下，构建所披露的熔喷设备并运行该设备。例如，如果不采用足够的第二冷却空气，那么上述摆动不会出现且纤维不会基本上在纵向排列。过高的冷却速度会产生纤维间粘结和缠结较少且过滤性能提高的膨松网，但机械性能如刚度和可折叠的能力严重削弱。因此一般优选的是采用质量流量比或体积在一定范围内的第二冷却空气。作为利用聚丙烯和冷却到周围环境温度以下的第二空气成网的例子，对于每克挤出的聚合物，第二冷却空气为大约500至大约2000克的比值是优选的，而第二冷却空气出口速度可为大约15至大约60m/秒。基于一些因素，如所采用的熔喷模具和聚合物、目标基础重量、目标网密实度和纤维排列目标程度以及机械特性各向异性目标程度，可能需要以经验为主地调整这些范围。还可以采用第二冷却空气脉动，但这并不是必需的。与之相比，更佳的是，简单地将第二冷却空气流向上或向下调整，使收集成网能够具有理想最终特性的稳定状态值。
图2表示收集器26的示意俯视图。模具12靠近收集器26的前缘放置，但能够顺网下行移动到位置36这样的位置，以便改变网28的特性。这种位置调换可以例如提供具有减小的Taber刚度的网。如果采用常规的圆柱形收集器表面而不是平的收集器，那么常常会更难获得其纤维基本上对齐纵向排列的网，并且网会具有更低的Taber刚度。DCD长度过大或从第二冷却空气出口至收集器的距离过大，也可能例如通过在到达收集器的路程上引起太多的摆动、过度的纤维牵伸或过度的纤维断裂而造成伤害。
有关利用如图1和图2所示的设备实现熔喷的方式的更多详情对于本领域技术人员而言是熟知的。
如果需要，可利用多种技术进一步使非织造过滤介质刚性化。例如，可采用粘合剂来使过滤介质层叠于一起，例如美国专利5,240,479(Bachinski)中所披露。过滤介质还可利用例如美国专利5,709,735(Midkiff等)所披露的复合纤维来制成。有关非织造过滤介质的更多详情也可在共同未决的同此案日期提交的标题为“排列纤维网(ALIGNED FIBER WEB)”的美国专利申请序列号(代理案号58214US002)中找到，其内容引用方式并入本文。
图7表示具有成行的褶102的折叠过滤介质100。这些行在横向上排列，并且网100中基本上是排列的纤维相对于行的方向成90°±20°排列，即，相对于纵向成±20°。图8图示折叠过滤介质100和安装在框架112中以提供过滤器114的网形金属支撑件110。可以认为，折叠介质100的增大的刚度和横贯行的方向的基本纵向纤维排列两者，都能增加在高的过滤器表面速度下折叠介质100抗褶变形的能力。
图10表示用于制造所披露的折叠过滤器的设备120。排列过滤介质122通常设置在连续卷筒124上。可以在切割站126处将介质122切成想要的宽度。任选地，介质122可以在加热站128处预热，以执行退火，或在进入或通过设备120的同时使网122更柔软。在所述的实施例中，加热站128是红外加热器。
在一个折叠过滤器实施例中，在站134处将增强件130施加到介质122的背面132上。针对背面132(或者以下讨论的前面164)仅仅是为了进行说明而不代表完成的折叠过滤器所需要的气流方向。例如，增强件130可以定位在气流的上游或下游。可以在不同的位置上施加增强件130，例如以一个或多个定向在纵向136上的连续条带的方式，以在垂直于纵向136的方向上定向的离散增强件的方式，或者对于本领域技术人员而言熟知的其他配置方式。增强件130可以利用多种技术结合到介质122上，如粘合剂粘结、热接合、溶剂结合或超声波结合。在该实施例中，站134位于刻痕旋转折叠机138的上游，在褶折叠站140进行折叠之前，该折叠机在介质122和增强件130上刻痕。任选地，可提供红外加热器142以使褶144热定形。褶144保留在存储器146中，然后前行至褶定距装置148，该装置使褶144保留理想的褶间距。褶的形成和褶的定距可以通过多种方法来实现，如美国专利4,798,575(Siversson‘575)，4,976,677(Siversson‘677)和5,389,175(Wenz)中所披露的那样。
所形成的折叠过滤介质100在褶定距装置148中扩展出理想的褶间距。任选地，一个或多个细长且平的增强带162可在站168处沿着过滤器的前面164施加到褶顶端以保持该褶间距。增强带162可通过多种技术结合到褶顶端，如粘合剂粘结、热接合、溶剂结合或超声波结合，并能向褶144提供附加的尺寸稳定性。折叠过滤介质100和任选的增强带162能够被切成所需大小和形状。折叠过滤介质100可用于过滤应用，配或不配框架结构，或者插入常设的或可再用的框架中。
在另一实施例中，可使用基本上跨越整个前面164延伸的薄纱162。薄纱162可结合到褶顶端以向折叠过滤介质100提供附加的尺寸稳定性。
在另一实施例中，在站168处，一个或多个细长且平的增强带166可任选地结合到折叠过滤介质100的背面132上。在另一实施例中，增强带166可位于增强件130之上，并与增强带162相对以形成Sundet等的‘011专利中图6所示的托带结构。
在形成没有周围框架的折叠过滤介质100的实施例中，折叠过滤器172在切割站186后面离开系统120。
在有框架的过滤器实施例中，连续的框架材料带180可施加到折叠过滤介质100的平行于纵向136的侧边。在站187处，可将粘合剂如热熔性粘合剂施加到由框架材料180形成的U形沟槽的第一凸缘上。在站188处可施加用于使褶144的末端密封的粘合剂。在站190处，可将粘合剂施加到U形沟槽的第二凸缘上。在站194处框架材料180可弯曲成U形结构。U形沟槽的末端可部分地延伸到折叠过滤介质100的前面164和背面132上。可以在站186处，将包括折叠过滤介质100和附属框架材料180无端网状物的组合件切成所需长度。折叠过滤介质100和增强带162也可以在施加框架材料180之前切成一定的大小。
折叠过滤介质100和侧面框架构件192可以在站191处旋转90°，以便能够在站198处施加端部框架构件196，并能形成有框架的折叠过滤器174。也可以通过把构件192、196构造成分别位于折叠过滤介质100的第一和第二表面132、164上方，并具有重叠的周边部分的两个盒结构，而形成有框架的折叠过滤器174，如美国专利5,782,944(Justice)所披露的那样。在另一实施例中，框架构件192、196可构造为，在有框架的折叠过滤器174周围折叠起来的一侧冲切框架。
折叠过滤器172、174通常封在合适的封装中。对于典型的HVAC应用，褶间距通常为每25.4厘米(1英寸)有大约3至大约6个褶。褶的深度和过滤器厚度通常为大约25厘米至大约102厘米(1英寸至4英寸)。过滤器长度和宽度通常为大约30.5厘米×30.5厘米(12英寸×12英寸)至大约50.8厘米×122厘米(20英寸×48英寸)。
有关折叠过滤器制造的更多详情可以在上面提及的Sundet等的‘011专利和Sundet等的‘100专利中找到，或者对于本领域技术人员而言是已知的。
所披露的折叠过滤器可使用在多种应用中，包括通风(例如，炉和净化室过滤器)、污染控制(例如，集尘室过滤器)、液体处理(例如，水过滤器)、个人防护(例如，具有动力气源的防护服)以及本领域技术人员熟知的其他应用。
现在将参考下面的非限制性例子来描述本发明，其中，除非另有标明，所有的部分和百分比都是按重量记。所进行的几次测量如下有效纤维直径根据Davies，C.N.，“气载尘埃与粒子的分离”，机械工程协会(Institution of Mechanical Engineers)，伦敦，会议录1B，1952所阐明的方法，来估测有效的几何纤维直径。
光学/直观网特性利用配备有电荷耦合装置照相机的蔡斯仪器的解剖显微镜，来对整个直观的网外观进行评价，该照相机具有8mm×14mm的放大窗口。
Taber刚度网的刚度利用Model 150-B TABERTM的刚度测试仪(可从TaberIndustries购得)来测定。利用锋利的刀片从网上小心地切下3.8cm×3.8cm的方形切片以防止纤维熔化，并利用3至4个样本和15°的样本偏斜对其评测以确定它们在纵向和横向上的刚度。
应力-应变应力-应变(或载荷对比伸长)可利用Model 5544 INSTRONTM万能测试机(可从Instron Corp.购得)来测量。利用锋利的刀片从网上切下2.5cm×6.3cm的矩形切片，并利用6至10个样本、50mm的爪初始间距和3cm/min的拉伸速度，对其评测以确定最大的力和在最大力作用下的伸长。
过滤质量因数利用TSITMModel 8130高速自动化过滤器测试仪(可从TSI Inc.购得)，以42.5L/min的速度流动的邻苯二甲酸二辛酯(“DOP”)测验气溶胶，确定过滤质量因数(QF)。在过滤器入口和出口处，采用校准的光度计来测量DOP浓度和透过过滤器的DOP％。采用MKS压力传感器(可从MKS instruments购得)来测量穿过过滤器的压力降(ΔP，mmH2O)。利用等式 来计算QF。QF值能够以不同时间周期之后的QF对比DOP测验总质量的绘曲图的形式而报告出来。不过，初始的QF值通常可靠地指示了整体性能，具有较高的初始QF值表明了较好的过滤性能，而具有较低的初始QF值表明了降低的过滤性能。优选地，初始过滤质量因数QF为至少0.6(使用粒度范围在10nm至700nm之间、以7cm/秒的表面速度行进的100ppm邻苯二甲酸二辛酯颗粒)，更优选的为至少大约0.8，且最优选的是至少大约1。
过滤性能过滤性能根据ASHRAE标准52.2，“通过颗粒大小来测试普通通风空气净化装置排除效率的方法(Method of Testing GeneralVentilation Air-Cleaning Devices for Removal Efficiency by ParticleSize)”来评定。ASHRAE标准评估包含散布在气流中的实验室产生的氯化钾颗粒的测试气溶胶的过滤性。颗粒计数器在过滤器的上游和下游测量和统计12个粒度范围内的颗粒。能够以不同粒度范围内颗粒的最小复合效率值的形式，对结果进行报告。过滤器受到25.4mmH2O的最终压力降的载荷作用，最小复合效率值对应于最小颗粒保持百分率(对于所考虑的粒度范围，该百分率为下游颗粒计数/上游颗粒计数×100)。还可以研究出一组处于增量灰尘承载等级下的颗粒大小排除效率性能曲线，并可以与初始净化性能曲线一起用来形成表示每一种粒度范围内最低性能的复合曲线。复合曲线上的点是按平均计算的，平均值用来确定过滤器的最低效率报告值。
实例1-3和比较例1聚丙烯网通过增加如图1所布置的第二空气冷却系统和平床收集器，对常规的20.5cm宽熔喷设备进行改进。在常规的喷制微纤维工艺过程中，不使用第二冷却空气，并且将网收集到圆形表面如多孔鼓上。改进后的设备用来制造熔喷聚丙烯网，其纤维在纵向高程度排列。第二空气冷却系统采用两个相对的水平放置的76cm宽×51cm高的空气出口，该空气出口设置在熔喷模具末端以下大约6cm处，配送出以不同速度(或部分速度不同)流过空气出口的12-13℃的冷却气体。平床收集器使用位于床下的真空收集系统。熔喷模具定位在收集器前缘上方。FINATM型3960聚丙烯(可从Fina Oil and Chemical Co.购得)在以265℃下工作的挤出机中熔融，并以9.1kg/hr的速度送料到熔喷模具中。利用电阻加热器加热模具并保持大约265℃，并被供应有300℃的以4.2m3/min的速度流动的初始空气。调整DCD以提供在32.5L/min的流速下具有0.5mmH2O压力降的网。对于利用第二冷却空气制备的网，DCD为近似20cm。对于没有用第二冷却空气制备的网，DCD为近似34cm。调整收集器真空度以提供密实度为8-9％的网。对于利用出口速度为50或35m/秒的第二冷却空气所制备的网，收集器真空度为3250N/m2，对于利用出口速度为17m/秒的第二冷却空气所制备的网，收集器真空度为5000N/m2，而对于不用第二冷却空气所制备的网则为零。所收集成的网具有80g/m2的基础重量和19μm的EFD。对网进行如授予Klasse等的美国专利4,588,537所述的电晕处理、如授予Rousseau等的美国专利5,908,598所述的水化充电，并对其进行评测以确定它们的机械性能和过滤质量因数QF。还在126℃对网进行5分钟的热处理并重新评测，以确定它们的机械特性。
以下在表1中列出是针对每一种网的实例号或比较例号、第二空气速度和质量流量比、纤维计数和纤维排列数据、以及过滤质量因数QF。以下在表2中列出的是针对每一种网的纵向(“MD”)和横向(“TD”)Taber刚度和拉伸强度值，以及MD的Taber刚度和拉伸强度相对于TD的比值。以下在表3中列出的是针对热处理网的MD和TD Taber刚度和拉伸强度值，以及MD的Taber刚度和拉伸强度相对于TD的比值。
表1

表2

表3(热处理)

如表1所示，利用第二冷却空气制成的网所具有的纵向纤维排列明显好于不用第二冷却空气所制成的网。这在图3至图6中有进一步图解说明，这些图是分别表示实例1-3和比较例1中的纤维的数目和取向(相对于0°纵向的角度)的极坐标“雷达”图。因为定向为相对于纵向成0°的纤维也可说成是定向成180°，所以绘图具有关于原点反射的对称瓣。例如图3表示12个纤维定向为相对纵向成0°，9个纤维定向成-10°，8个纤维定向成+10°，6个纤维定向成-20°，等等。图3至图5表示所披露的网所具有的纵向排列明显好于图6中所绘制的不用第二冷却空气制备的网。在另一比较例中，评定Lau等的‘749专利中所示的图4的网，以确定它的纤维取向和纤维计数，并发现仅有50％的纤维排列在纵向的±20°以内。
图3至图5大致反映出置于网的非收集器侧上的润湿流体的行为。如果一滴合适的润湿流体(优选地已染色以助于观察)这样布置，使得它倾向于以形成基本上对应于雷达图瓣形状的椭圆形图案扩散到网中，从而方便地指示出纤维取向和成网的初始方向。当润湿流体置于比较例1的网上时，它或多或少倾向于均匀向外扩散形成扩展的圆形图案。
表1还表示随着第二冷却空气体积的增加，过滤质量因数QF也增大然后稍稍减小。
用第二空气制备的网具有可见的基本上在纵向排列的条纹，有总体上柔和的光泽和略微起毛的表面，并且很少有或没有在常规喷制微纤维网中所发现的小结。可以利用镊子从网上拉起长度近似为2至5cm的纤维。不用第二冷却空气制备的网外观上类似于在圆形收集器上收集而成的标准喷制微纤维网。可以利用镊子从这些网上除掉一些相对较短(小于1cm)的单独纤维，但是会有很大的困难。
如表2所示，利用了第二冷却空气制成的网所具有的各向异性Taber刚度明显大于不使用第二冷却空气制成的网。利用更大量的第二冷却空气制成的网所具有的各向异性拉伸强度明显大于不使用第二冷却空气制成的网。
如表3所示，可以用热处理来提高网的刚度和拉伸强度。可以对数个这样的网进行上述处理，而不会使网的总体机械性能各向异性发生实质性改变，该机械各向异性利用MD∶TD性能比来测得。
实例4-6EFD更小的网采用实例1的基本方法，利用初始空气(以3.4m3/min的速度流动，300℃)和第二冷却空气以及收集器，抽真空来制备熔喷聚丙烯网，该收集器真空被调整成提供具有80g/m2的基础重量、8-9％的密实度以及有效纤维直径比实例1中获得的更小的收集而成的网。以下在表4中列出的是对于所制成的网的实例号、第二空气速度和质量流量比、有效纤维直径和纤维计数以及纤维排列数据。
表4

如表4所示，具有基本纵向纤维排列的网可以以多种有效纤维直径制成。
实例7-10和比较例2和3PET和尼龙网采用实例1的基本方法，使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)和尼龙(ULTRAMIDTMBS-400N nylon，可从BASF Corp.购得)，利用以2.9m3/min的速度流动的350℃的初始空气，以及可选的第二冷却空气来制备非织造网。12.7cm的DCD用来制备PET网，而16.5cm的DCD用来制备尼龙网。收集成的PET网具有85g/m2的基础重量、5-6％的密实度和16μm的EFD。收集成的尼龙网具有70g/m2的基础重量、5-6％的密实度和17-18μm的EFD。以下在表5中列出的是对于所制成的网的实例号或比较例号、第二空气速度和质量流量比、所使用的聚合物以及纤维计数和纤维排列数据。
表5

如表5所示，可利用多种聚合物制成具有大致纵向纤维排列的网。
实例11添加剂通过添加1.5％的添加剂聚4-甲基-1-戊烯来重复实例2。这使过滤质量因数QF从没有添加剂时的1.5增大到有添加剂时的1.7。
实例12添加剂通过添加1.5％的添加剂聚4-甲基-1-戊烯和添加0.5％的CHIMASSORB 944受阻胺光稳定剂，来重复实例11。对网进行水化充电但不进行电晕处理。过滤质量因数QF为2.5，超过使用由常规未被处理过的聚丙烯喷制微纤维(不用第二冷却空气所制成)制成的网时所获得的过滤质量因数的两倍。
实例13和比较例4评测QF随时间的变化采用实例1的基本方法，使用以及不用第二冷却空气(以1770的第二冷却空气∶聚合物的质量流量比流动)、电晕处理、水化充电来制备熔喷聚丙烯网，并对其进行评测以确定它们的过滤质量因数QF。网具有85g/m2的基础重量、19-21μm的EFD、以及42.5L/min下的0.4-0.5mmH2O的压力降。以下在表6中列出的是针对使用(实例13)和不使用(比较例4)第二冷却空气而制成的网在多种累积DOP接触程度之后的QF因数。
表6

如表6所示，与制备中不使用第二冷却空气并具有较少纤维排列的网相比，使用第二冷却空气制成并具有大致纵向纤维排列的网提供了明显更佳的过滤性能。
实例14和15以及比较例5-7折叠的炉过滤器经电晕处理和水化充电的实例2的网，经电晕处理和水化充电的比较例1的网，以及ACCUAIRTM经电晕处理的纺粘聚乙烯/聚丙烯捻合纤维网(71g/m2的基础重量、～20μm的EFD，可从KimberlyClark Corp.购得)样品，将上述网的样品形成为50.8cm×63.5cm×2.1cm高的过滤元件，这些过滤元件具有如图7所示的折叠介质100的褶102。褶102这样布置，使得褶为横向排列，沿着长度方向有87个褶(13.8个褶/10cm)。折叠介质100被夹在网形金属支撑件(如支撑件110)之间并粘结到其间，然后将其安装在纸板框架(如图8所示的框架112)中，以形成过滤器114(为有框架的过滤器状)。根据ASHRAE标准52.2，“通过颗粒大小来测试普通通风空气净化装置的排除效率(Method of Testing General Ventilation Air-CleaningDevices for Removal Efficiency by Particle Size)”、在1.5m/秒的表面速度下评测所得到的过滤器的过滤性能。以下在表7中报告的结果表示针对粒度范围在0.3μm至1μm、1μm至3μm和3μm至10μm的颗粒的最小复合效率值。表7也报告了在完成评测后的总过滤器重量增加(由过滤器捕获的总颗粒重量)。较高的最小复合效率和总过滤器重量增加值对应于较好的过滤效果、较长的使用寿命或既有较好的过滤性能又有较长的使用寿命。
表7

如表7所示，与不使用第二冷却空气制成且具有较少纤维排列的其他类似熔喷非织造网(比较例5和比较例6)相比，利用第二冷却空气制成并具有大致纵向纤维排列并且经过电晕处理或电晕处理及水化充电的熔喷非织造网(实例14和实例15)，在1mmH2O压力降下，提供了好得多的最小复合效率。与可购得的纺粘非织造网(比较例7)相比，实例14和实例15的网还具有可与之相比的或更好的最小复合效率。实例14和实例15的网具有比比较例5-7的网更好的粒子捕捉能力(如其更高的总过滤器重量增加值所证明的)。
实例16-18以及比较例8折叠的炉过滤器压力降对比表面速度评测利用实例14和实例15的基本方法，熔喷排列纤维聚丙烯网经过电晕处理和水化充电，但没有经过热处理。该网具有1.7MD Taber刚度值，并在下文被定为实例16的网。利用电晕处理、水化充电和热处理，制备刚度更高的网。该网具有2.2MD Taber刚度值，并在以下被定为实例17的网。通过添加1.5％的添加剂聚4-甲基-1-戊烯、电晕处理、水化充电和热处理来制备刚度更高的网。该网具有3.7MDTaber刚度值，并在以下被定为实例18的网。实例16至实例18的网和ACCUAIR经电晕处理的纺粘聚乙烯/聚丙烯捻合纤维网(具有2.1MD的Taber刚度值，并在以下被定为比较例8的网)样品，形成为30cm×27cm×2.1cm高的过滤元件，这些过滤元件具有如图7所示的折叠介质100的褶102。过滤器沿着长度方向为13.8个褶/10cm，并被夹在网形金属支撑件(如图8所示的支撑件110)之间且粘结到其间。在一系列试验中，每一个这种过滤器安装在PLEXGLASTM塑料框架中，这种框架的透明侧板使得可以拍摄到褶边缘。框架侧板接触过滤介质边缘但允许褶移动。框架安装在真空工作台的顶上，并暴露于来自指向下方的箱状风扇。通过把由50∶50的SAE细微测试灰尘和滑石粉混合物形成的合成灰尘喷洒到气流中，直到过滤器压力降达到在大致1.5m/秒的表面速度下大约0.35英寸(0.9cm)水柱，使过滤器承受载荷。这模拟了基本上天然的加载水平。以下在表8中列出的是过滤器说明、MD Taber刚度值和总过滤器重量增加值。
表8

然后将过滤器安装在装配有风速计的管道中，并暴露于空气，该空气以足够的速度流动，从而使得压力降在大约0.2英寸(0.5cm)水柱和1.2英寸(3cm)水柱之间。在0.35英寸(0.9cm)压力降下，实例16(1.7MD Taber刚度)的过滤器开始表现出明显的褶变形，表现为过滤器空气入口侧的褶挤在一起。在0.5英寸(1.3cm)压力降下，实例17(2.2MD Taber刚度)和比较例8的过滤器开始表现出明显的褶变形。即使在1.2英寸(3cm)的压力降下，实例18(3.7MD Taber刚度)的过滤器也没有出现明显的变形。图9表示，对于实例16(曲线116)、实例17(曲线117)、实例18(曲线118)和比较例8(曲线119)的过滤器压力降(以英寸水柱表示)对比风速计读数(以额定单位表示)的曲线图。如图9所示，实例18的过滤器表现出随着气流增大压力降线性增大，而其他被测试的过滤器表现出非线性的反应，这表明随着气流增大，褶发生了变形。
对于本领域技术人员而言，可进行多种修改和替换，而不脱离本发明的精神和范围。本文中例举的内容仅为示例说明之用，本发明并不受其限制。
权利要求
1.一种过滤元件，包括具有折叠而成的褶行并包含热塑性纤维的非织造过滤网，其中大部分纤维相对于行的方向成90°±20°排列。
2.根据权利要求1所述的过滤元件，其中大约55％至大约90％的纤维相对于行的方向成90°±20°排列。
3.根据权利要求1所述的过滤元件，其中大约70％至大约85％的收集纤维相对于行的方向成90°±20°排列。
4.根据权利要求1所述的过滤元件，其中可以从网上拉出长度为大约2-5cm的纤维。
5.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述纤维的平均有效纤维直径为大约8μm至大约25μm。
6.根据权利要求1所述的过滤元件，其中采用50mm标准长度时，网在横贯所述行的方向上的面内拉伸强度与行的方向上的拉伸强度之比为至少2∶1。
7.根据权利要求1所述的过滤元件，其中采用50mm标准长度时，网在横贯所述行的方向上的面内拉伸强度与行的方向上的拉伸强度之比为至少4∶1。
8.根据权利要求1所述的过滤元件，其中网在横贯所述行的方向上的面内Taber刚度与行的方向上的Taber刚度之比为至少2∶1。
9.根据权利要求1所述的过滤元件，其中网在横贯所述行的方向上的面内Taber刚度与行的方向上的Taber刚度之比为至少2.2∶1。
10.根据权利要求1所述的过滤元件，其中网的主表面呈现出条纹，该条纹对应于各纤维基本上横贯所述行的方向排列。
11.根据权利要求1所述的过滤元件，其中置于网上的润湿流体优先横贯所述行的方向进行毛细作用扩散。
12.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述网经过退火。
13.根据权利要求1所述的过滤元件，其中所述网经过电晕处理或水化充电。
14.一种制造折叠过滤元件的方法，该方法包括在包含热塑性纤维的非织造过滤网中形成褶行，其中大部分纤维相对于行的方向成90°±20°排列；以及，将折叠过滤元件切成所需大小和形状。
15.根据权利要求14所述的方法，其中大约55％至大约90％的纤维相对于行的方向成90°±20°排列。
16.根据权利要求14所述的方法，其中大约70％至大约85％的收集纤维相对于行的方向成90°±20°排列。
17.根据权利要求14所述的方法，其中可以从所述网上拉出长度为大约2-5cm的纤维。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述纤维的平均有效纤维直径为大约8μm至大约25μm。
19.根据权利要求14所述的方法，其中采用50mm标准长度时，所述网在横贯所述行的方向上的面内拉伸强度与行的方向上的拉伸强度之比为至少2∶1。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，使用100ppm的邻苯二甲酸二辛酯颗粒，所用的邻苯二甲酸二辛酯颗粒的粒度范围在10nm和700nm之间，并以7cm/秒的表面速度行进，在这样的条件下，所述网的过滤质量因数QF为至少大约0.6。
21.根据权利要求14所述的方法，其中采用50mm标准长度时，网在横贯所述行的方向上的面内拉伸强度与行的方向上的拉伸强度之比为至少4∶1。
22.根据权利要求14所述的方法，其中在横贯所述行的方向上的面内Taber刚度与行的方向上的Taber刚度之比为至少2∶1。
23.根据权利要求14所述的方法，其中在横贯所述行的方向上的面内Taber刚度与行的方向上的Taber刚度之比为至少2.2∶1。
24.根据权利要求14所述的方法，其中网的主表面呈现出条纹，该条纹对应于各纤维基本上横贯所述行的方向的排列。
25.根据权利要求14所述的方法，其中置于所述网上的润湿流体优先横贯所述行的方向进行毛细作用扩散。
26.根据权利要求14所述的方法，其中所述网经过退火。
27.根据权利要求14所述的方法，其中所述网经过电晕处理或水化充电。
28.根据权利要求20所述的方法，其中，使用100ppm的邻苯二甲酸二辛酯颗粒，所用的邻苯二甲酸二辛酯颗粒的粒度范围在10nm和700nm之间，并以7cm/秒的表面速度行进，在这样的条件下，所述网的过滤质量因数QF为至少大约0.6。
全文摘要
一种过滤元件，具有折叠褶行并包括包含热塑性纤维的非织造过滤网，其中大部分纤维相对于行的方向成90°± 20°排列。可通过在这种非织造网中形成褶行并将网切成所需大小和形状，制成该过滤元件。该过滤元件能提供改善的机械和过滤性能。
文档编号B01D39/16GK1960792SQ200580010705
公开日2007年5月9日 申请日期2005年3月8日 优先权日2004年4月5日
发明者道格拉斯·C·松诺兹, 拉胡尔·R·沙阿, 约翰·M·布兰德纳, 吴天纵 申请人:3M创新有限公司