相关申请
本申请要求于2015年8月22日提交的美国临时专利申请no.62/208,659的优先权，其通过引用并入到本文中。
本公开一般涉及自净过滤器，并且更具体地涉及用于烃类流体过滤的自净过滤介质和过滤元件，其显示出较高的过滤效率、较高的容尘量和较长的使用寿命。
背景技术：
用于过滤烃类流体(例如汽油和柴油)以及液压油和润滑油的过滤元件通常具有包含在密封壳体内的过滤介质。壳体具有至少一个进料口和至少一个排料口，进料口和排料口均与过滤介质流体连通，使得流入进料口的烃类流体在通过排料口离开壳体之前通过过滤介质。在过滤过程期间，通过在压力下迫使流体通过过滤介质而将固体颗粒从烃类流体中去除，使得固体颗粒被收集在过滤介质内或其上游表面上，这可能会造成穿过滤介质的压力出现不期望的降低。上游表面是流体在流过过滤介质之前接触的第一表面。为了保持通过过滤介质的压力和流动，所收集到的固体颗粒因此需要被去除，优选地无需去除或更换过滤介质并且无需中断流体流动通过过滤介质。实现高效去除固体颗粒的过滤介质通常包括玻璃纤维。
自净过滤器是一种自动地从过滤介质中去除固体颗粒而无需物理接触过滤介质的过滤器。有几种类型的自净过滤器已经用于各种类型的过滤。这些过滤器通常使用监视器和控制器，监视器和控制器操作诸如可移动抽吸构件之类的事物，以从过滤器构件内去除固体颗粒或喷射空气脉冲以使固体颗粒离开过滤介质的上游表面，并且然后将固体颗粒从过滤器冲出。这些类型的自净过滤器结构复杂、价格昂贵且对于烃类流体过滤应用是无效的。
因此，需要改进用于烃类流体过滤应用的自净过滤介质和过滤元件，自净过滤介质和过滤元件具有较高的过滤效率、较高的容尘量和较长的使用寿命。
技术实现要素：
上述目的以及其他目的通过自净过滤介质来实现，自净过滤介质由在支撑层的上游侧的聚醚砜(pes)纳米纤维层构成，支撑层与纳米纤维层相对并流体接触。支撑层可以是适用于烃类流体过滤应用的任何材料，该材料包括纤维素非织造基底、合成纤维或其混合物。如本文所公开的自净过滤介质的特征在于以下有利的过滤特性：(i)由tappit489om-92测量的刚度至少为7000mg；(ii)通过astm316-03测量的孔隙尺寸为约5至约30μm；(iii)当自净过滤介质作为过滤元件根据用于燃料过滤的iso19438以及根据用于油过滤的iso4548-12进行测试时，其对于4微米颗粒具有至少6mg/cm2的容尘量(优选至少8mg/cm2的容尘量)和大于90％的过滤效率(优选大于94％的过滤效率)，以及更加优选地，在包括玻璃纤维的实施例中，当自净过滤介质作为过滤元件根据用于燃料过滤的iso19438以及根据用于油过滤的iso4548-12进行测试时，对于4微米颗粒具有至少10mg/cm2的容尘量和大于99％的过滤效率；(iv)当根据iso16332测试平面层时，燃料-水分离效率为至少99％；以及(v)当作为过滤元件使用中级试验粉尘和70kpa的压降根据iso19438用燃料进行测试时，以及作为过滤元件使用中级试验粉尘和70kpa的压降根据iso4548-12用油进行测试时，寿命为至少1:30hr(90分钟)，优选地1:50hr(110分钟)。
在使用中，固体颗粒在自净过滤介质的上游表面上形成块状物，但自净过滤介质的上游表面上的pes纳米纤维层的低污垢表面特性导致块状物脱离该介质或自净该介质。当使用燃料或油进行测试时，自净过滤介质显示出较高的初始过滤效率和持久的过滤效率，以及如本文所公开的，自净过滤介质在燃料和油过滤中的使用寿命延长至不具有纳米纤维层的介质的使用寿命的大约两倍。
根据本公开的一个方面，在烃类流体过滤应用中使用的自净过滤介质包括在自净过滤介质的上游侧的第一层和在该过滤介质的下游侧的第二层。第一层包含直径为50-1000nm(0.05-1微米)的聚醚砜纳米纤维，该直径优选为300-700nm，以及更优选地为300-500nm，所述聚醚砜纳米纤维直接静电纺丝到第二层上以达到至少1gsm的基重，优选地1-5gsm的基重，以及更优选地2-3gsm的基重。第二层包含由纤维素纤维和优选的玻璃超细纤维构成的湿法非织造布。
在本公开的另一方面，用于烃类流体过滤的过滤元件包括如上所述的自净过滤介质。
在本文的另一方面中，提供了从烃类流体中过滤固体颗粒的方法，该方法包括以下步骤：使烃类流体通过具有自净过滤介质的过滤元件，该自净过滤介质包括在自净过滤介质的上游侧的第一层，该第一层包括包含直径为50-1000nm(0.05-1微米)且基重大于1gsm的聚醚砜纳米纤维；以及包括在自净过滤介质下游侧的第二层，该第二层包括非织造基底；在第一层的表面上收集烃类流体中的作为块状物的颗粒；以及当第一层的表面上已经积聚了足够的颗粒时，块状物从第一层的表面上脱落，使得可以在过滤元件的底部收集块状物。
本公开中的不同实施例的其他目的、特征和优点将参照附图在以下详细的描述中进行解释。
附图说明
图1是以五个步骤显示自净效果的自净过滤器的示图。
图2是用于将纳米纤维层静电纺丝到基底上的设备的示图。
具体实施方式
在下面的详细描述和附图图1-图2中，参考烃类流体过滤器描述了自净过滤介质10不同的实施例，以说明本文中的一般原理。本领域技术人员将认识到，本公开可以在其他类似的应用或环境中实施和/或以说明性实施例的其他类似或等同的变型来实施。例如，所公开的自净过滤介质10可用于从油中分离水和从燃料中分离水。应当注意的是，本公开所属领域的普通技术人员通常所知的那些方法、步骤、组件或者功能在本文中没有详细地描述。
如在本文中使用的，数值在上下文中的术语“约”是指可以修改具体值+/-10％。关于范围的端点，修饰语“约”优选意指下端点可以减少10％，并且上端点可以增加10％。还可以设想的是，本申请中公开的每个数值或范围可以是绝对的，即可以删除修饰语“约”。
参考图1，示出了将自净过滤介质10定位在如本文所述的具有容纳在密封壳体内的过滤介质这种类型的过滤元件12(例如烃类流体过滤器)中。过滤元件12在过滤工艺的各个步骤或阶段以局部示意图示出。图1左侧的步骤1示出了自净过滤介质10，其中流体16(例如烃类流体)中的颗粒14沿箭头a的方向朝向自净过滤介质10的上游表面18流动。在步骤2及步骤3中，颗粒14逐渐收集在自净过滤介质10的上游表面18上并积聚以形成颗粒块状物20。在步骤4及步骤5中，颗粒块状物20最终达到足够的重量，在足够的重量下，颗粒块状物20将从自净过滤介质10的上游表面18上脱落，并且在重力作用下沉降到过滤元件12的底部区域22处，在该底部区域处，可以将颗粒块状物20从过滤元件12去除。这种自净或表面过滤的过程提高了效率并延长了自净过滤介质10和过滤元件12的使用寿命。
自净过滤介质10包括在支撑层28的上游侧26上由聚醚砜(pes)纳米纤维构成的纳米纤维层24，支撑层28与纳米纤维层24相对且流体接触，并且自净过滤介质10具有在约100至250gsm范围内的基重。在自净过滤介质10的任一侧上不需要任何其它层来实现期望的较高的过滤效率、较高的容尘量和较长的操作寿命特性。如果自净过滤介质10需要用于某些应用的附加结构，则可以在支撑层28的下游表面上设置附加的结构层，例如适合于过滤应用的金属丝网或其他结构材料。在其他应用中，可能期望在流体16通过自净过滤介质10过滤16之前，使用预过滤器来捕获流体16中的较大颗粒。这样的预过滤器应当定位在距纳米纤维层24的上游表面18的上游一段距离处(并且不与上游表面18接触)，以便不干扰本文所公开的自净特性。
自净过滤介质10可以以平坦状结构(如图中所示)组装到过滤元件12中，或者自净过滤介质10可以在组装到过滤元件12中之前被打褶或波纹化。将波纹(与“凹槽”或“凹部”可互换使用)沿纵向添加到(优选地被树脂饱和)介质上，从而在完成的过滤元件中为褶皱介质提供支撑。
支撑层28可以是适用于烃类流体过滤应用的任何支撑材料，该支撑材料可涂覆有纳米纤维，并且该支撑材料优选为纤维素、合成纤维或其混合物的非织造基底，该非织造基底具有约75至200gsm范围的基底重量，并且更优选该非织造基底具有在约100至175gsm的范围的基底重量。如本文所用，术语“非织造”意指通过摩擦力、结合力或粘附力而结合的方向性地或随机定向的纤维的制造片材或纤维网，并且包括例如纺粘型织物和湿法非织造布。纤维可以是短纤维或连续的或原位形成的纤维，以及可以是天然或人造材料。纤维素纤维包含天然存在的纤维素材料，例如北方漂白软木牛皮浆(nbsk)、南方漂白软木牛皮浆(sbsk)和阔叶木浆，例如桉木浆。合成纤维是人造纤维，包括但不限于热塑性纤维(如聚醚砜、聚酯、pet、聚酰胺、聚偏二氟乙烯)、玻璃纤维和再生纤维素。优选地，合成纤维在150℃或更高的高温下尺寸稳定。
在优选的实施例中，支撑层28是使用常规造纸设备湿法铺设的非织造基底，并且，支撑层28基于支撑层28的总重量包含按重量约80-100％的纤维素纤维和按重量0-20％的玻璃纤维。在特别适用于过滤汽油的一些实施例中，支撑层28基本上不包含玻璃纤维(0％)，并且在特别适用于过滤柴油的其他实施例中，支撑层28包含按重量高达20％的玻璃纤维，优选按重量15-20％的玻璃纤维。纤维素纤维基于支撑层28的总重量可以包括按重量约25-75％的软木纤维和/或按重量约75-25％的硬木纤维。示例性的软木纤维包括由丝光处理的南方松木(如丝光南方松树纤维或“hpz纤维”)或南方漂白软木牛皮浆(如不伦瑞克松(brunswickpine))所得到的纤维。示例性硬木纤维包括从桉木所得到的纤维。
将树脂施加至支撑层28大约10-25％，更优选地大约15-20％的重量上，并除去溶剂。可在本文公开的自净过滤介质10的不同实施例中应用的树脂包括酚醛树脂、丙烯酸树脂和环氧树脂。可以通过本领域已知的任何方式将树脂施加到或涂覆到支撑层28的一侧或两侧上。自净过滤介质10的物理性能可以在被树脂饱和并干燥(sd)之后以及被树脂饱和并干燥和固化(sdc)之后进行评价。干燥步骤去除溶剂而不使树脂交联。
纳米纤维层24包括直接静电纺丝至支撑层28的上游侧26的至少0.5gsm重量的、优选至少1.0gsm的，更优选为1至5gsm重量范围的纳米纤维，更优选为1.5至3.0gsm重量范围的，以及更优选为2至3gsm的纳米纤维。在自净过滤介质10是波纹状的实施例中，在将纳米纤维层24直接纺织到波纹状支撑层28上之前，自净过滤介质10的支撑层28就是波纹状的。纳米纤维是直径小于1微米(μm)或者1000纳米(nm)，特别是50-1000nm(0.05-1.0μm)的纤维。自净过滤介质10中的纳米纤维优选包括直径为300-700nm的聚醚砜(pes)，更优选包括直径为300-500nm的聚醚砜。纳米纤维形成静电纺丝材料的组合物优选地包括聚醚砜和粘合剂，所述粘合剂可以作为易混合化合物与聚醚砜共混(即在进行静电纺丝之前混合在一起)或者同时进行静电纺丝，使得在形成纳米纤维的同时施加粘合剂。粘合剂是有助于将纳米纤维层24的纳米纤维保持在支撑层28上的化学化合物，例如二异氰酸酯。基于纳米纤维形成的静电纺丝材料的组合物的总重量，粘合剂的使用量为按重量约1至5％，并且pes的使用量为按重量约95至约99％。在自净过滤介质的优选实施例中，不需要附加的粘合剂来促进纳米纤维层24与支撑层28的粘附。在其他实施例中，尤其在纳米纤维层24的基重大于5gsm的那些实施例中，可以将附加的粘合剂直接施加到支撑层28上。
聚醚砜是以硫为主要成分的琥珀色透明无定形热塑性塑料。它在-50℃至220℃的温度范围内具有很好的尺寸稳定性和良好的机械性能，因此其可以承受通常将基底加热至180-190℃的打褶工艺。聚醚砜还具有良好的耐化学性，使得其可用于即将暴露于溶剂和化学品(如汽油、石油、醇类、发动机油和变速器油)的应用中，并为自净过滤介质10提供具有疏水性质的上游表面18，该具有疏水性质的上游表面18可用于在燃料/水和油/水分离应用中的水的去除，因为其允许水在上游表面18上更多地形成水珠状。
图2示出了用于将纳米纤维32的喷嘴型溶剂直接静电纺丝到支撑层28上以形成本文所公开的自净过滤介质10的装置30的示意图。在该静电纺丝工艺中，从高电压dc电源34向溶液中的聚合物施加高电压以产生纳米纤维32和纳米纤维层24。泵36将聚合物溶液装载到喷丝头38中，并将高电压施加到喷丝头38内的聚合物溶液。电荷积聚在悬浮在喷丝头38的末端40处的溶液液滴上。由于电荷克服了溶液的表面张力，液滴伸长并形成泰勒锥42。最后，溶液作为射流从泰勒锥42的尖端排出，溶液穿过空气到达已经电气接地的支撑层28。溶剂在行进的同时蒸发，留下纳米纤维32。纳米纤维32具有高的长径比，高的长径比提供了每单位质量非常大的表面积。使用上述静电纺丝工艺在约1.7米的产品宽度下可以以约15-20米/分钟的速度生产纳米纤维32。
如本文所公开的自净过滤介质10的特征在于以下有利的过滤特性：(i)由tappit489om-92测量的刚度至少为7000mg；(ii)通过astm316-03测量的孔隙尺寸为约5至约30μm；(iii)当自净过滤介质作为过滤元件根据用于燃料过滤的iso19438以及根据用于油过滤的iso4548-12进行测试时，对于4微米颗粒具有至少6mg/cm2的容尘量(优选至少8mg/cm2的容尘量)和大于90％的过滤效率(优选大于94％的过滤效率)，以及更加优选地，在包括玻璃纤维的实施例中，当自净过滤介质作为过滤元件根据用于燃料过滤的iso19438以及根据用于油过滤的iso4548-12进行测试时，对于4微米颗粒具有至少10mg/cm2的容尘量和大于99％的过滤效率；(iv)当根据iso16332测试平面层时，燃料-水分离效率为至少99％；以及(v)使用中级试验粉尘和70kpa的压降根据iso19438用燃料进行测试时，以及使用中级试验粉尘和70kpa的压降根据iso4548-12用油进行测试时，寿命为至少1:30hr(90分钟)，优选地1:50hr(110分钟)。
示例
以下对比示例说明了自净过滤介质10的改进性能。示例1、示例2a和示例2b配制为不含任何玻璃纤维，而示例3-示例6配制为具有玻璃纤维。
示例1：支撑层28是包含28.5％北方漂白软木牛皮浆(nbsk)和71.4％桉木浆的100％纤维素湿法非织造布，其具有105gsm基重、0.36mm(4密耳)平面层厚度。支撑层28由17％酚醛树脂(例如来自kangnamchemicalco.ltd的kc2540r)和0.2％湿强度添加剂饱和，使得饱和后的支撑层28的基重(sd)为约128gsm以及基重(sdc)为约123gsm。该支撑层28中的纤维的重量是支撑层28的重量的83％。在这个示例中，没有纳米纤维层24。
示例2a和示例2b：在这两个示例中，支撑层28与示例1中的相同，但是这些示例性自净过滤介质10具有直接在支撑层28上进行静电纺丝的聚醚砜(pes)纳米纤维的纳米纤维层24。pes纳米纤维层24具有约2.5gsm的基重，使得自净过滤介质10具有130gsm的总基重(sd)和125gsm的基重(sdc)。示例2a中的纳米纤维具有在约500-700nm范围内的直径，并且示例2b中的纳米纤维具有在约300-500nm范围内的直径。因此，示例2a的平面层厚度为约0.38mm(15密耳)，并且示例2b中的平面层厚度为约0.39mm。这些自净过滤介质10中的纤维的重量是自净过滤介质10的重量的83％。在纳米纤维层24和支撑层28之间没有附加的粘合剂。
示例3：支撑层28是湿法非织造布，其包括43％nbsk纸浆、12.4％南方漂白软牛皮浆(sbsk)纸浆、29％混合硬木纸浆(57％橡木/43％阿拉伯树胶)和15.6％玻璃纤维(例如来自劳沙的c-04-fi)，并且具有155gsm的基重、0.58mm(23密耳)的平面层厚度。支撑层28由16％酚醛树脂(例如来自kangnamchemicalco.ltd的kc2540r)、重量为树脂重量的2.3％且为自净过滤介质10重量的0.4％的h2o驱避剂、以及重量为支撑层28重量的3％的湿强度添加剂来饱和。饱和后的干燥的(sd)支撑层28的基重为188gsm，饱和后的干燥和固化的(sdc)支撑层28的基重为180gsm。该支撑层28中的纤维重量约为支撑层28重量的84.4％。在此示例中，不存在纳米纤维层24。
示例4：该示例中的支撑层28与示例3中的相同，但其具有直接在支撑层28上静电纺丝的聚醚砜(pes)纳米纤维的纳米纤维层28。纳米纤维层24中的纳米纤维具有在500-700nm的范围内的直径。pes纳米纤维层24具有约2.5gsm的基重，使得该示例中的自净过滤介质10具有190gsm的总基重(sd)、182gsm的总基重(sdc)和0.58毫米(23密耳)的厚度。该自净过滤介质10中的纤维重量约为自净过滤介质10重量的84.4％。在这个示例中，纳米纤维层24和支撑层28之间没有附加的粘合剂。
示例5：在本示例中，支撑层28是湿法非织造布，其包括34.4％混合软木浆、50％混合硬木浆和15.6％玻璃纤维(例如来自劳沙的c-04-fi)，并具有168gsm的基重和0.56mm的平面层厚度。支撑层28由18％酚醛树脂(例如来自kangnamchemicalco.ltd的kc2540r)、重量为树脂重量的2.3％的h2o驱避剂、以及重量为支撑层28重量的3％的湿强度添加剂来饱和。饱和后的干燥(sd)的支撑层28的基重为208gsm，并且饱和后的干燥和固化(sdc)的支撑层28的基重为200gsm。该支撑层28中的纤维重量约为支撑层28的重量的84.4％。在此示例中，不存在纳米纤维层24。
示例6：该示例中的支撑层28与示例5中的相同，但其具有直接在支撑层28上静电纺丝的聚醚砜(pes)纳米纤维的纳米纤维层24。纳米纤维层中的纳米纤维具有在300-500nm范围内的直径。pes纳米纤维层24具有约2.5gsm的基重，使得这个示例的自净过滤介质10具有210gsm的总基重(sd)、201gsm的总基重(sdc)和0.54mm的厚度。该自净过滤介质10中的纤维重量约为自净过滤介质10重量的84.4％。在这个示例中，纳米纤维层24和支撑层28之间没有附加的粘合剂。
表i和表ii显示了与没有上游纳米纤维层24(示例1、示例3和示例5)的支撑层28相比，示例性自净过滤介质10(示例2a、2b、4和6)的特性：
表i
表ii
测试方法：
表i和表ii中所述的特性是根据以下测试方法确定的。
基重：基重是根据tappi标准t410om-02测量的，并以每平方米的克数(gsm)表示。
卡尺值或厚度：自净过滤介质10的卡尺值或厚度根据tappi标准t411om-05使用thwingalbert89-100厚度测试仪测定。
波纹深度是介质的平面层的卡尺值与介质形成波纹之后的平面层的厚度之间的差值。
透气性：自净过滤介质10的透气性或“透气量”是使用textestag(型号fx3300)根据tappi标准t251cm-85(多孔纸、织物和纸浆手抄纸的透气性)以0.5英寸(2.7mm)的水位差进行测量，并以每分钟每平方英尺样本面积的立方英尺空气流量(cfm/sf)来表示，有时称为cfm。透气量也可以称为孔隙度、frazier或textest。
胀破强度：湿的和干的胀破强度是根据tappi标准t403om-22(“纸的破裂强度”)进行测量，并以kgf/cm2表示。
刚度：根据tappit489om-92使用gurley抗弯测试仪mod4171d(gurley精密仪器)对自净过滤介质10的刚度进行判定。
孔隙尺寸：使用孔隙度仪g3系列(康塔仪器)根据astm316-03(2011)使用泡点法测定自净过滤介质10中孔隙的尺寸。
容尘量/效率：根据用于燃料过滤的iso19438使用多道测试台(bonavistab23-04)系统，可以获得自净过滤介质10的容尘量和颗粒去除效率。iso19438规定了多道过滤测试，多道过滤测试具有连续的污染物注入并使用在线颗粒计数法，用于评价使内燃机的燃料过滤器受到恒定流速的测试液体时的性能。测试过程确定了过滤器的污染物容量、其微粒去除特性和压差。根据用于润滑油过滤的iso4548-12使用多道系统测定针对自净过滤介质10的液压油的容尘量和颗粒去除效率。iso4548-12建立了测量用于内燃机的全流式润滑油过滤器性能的标准测试程序，并指定了具有连续的污染物注入的多道过滤测试并使用在线颗粒计数法，用于评价用于内燃机的全流式润滑油过滤器的性能。测试过程确定了过滤器的污染物容量、其微粒去除特性和压差。对于燃料和油的微粒去除，将自净过滤介质10作为过滤元件以2l/min的测试流量、250ml/min颗粒注入流量、25mg/l(iso中级测试粉尘)的bugl(基本上游重力水平)、70kpa的压降以及1003cm2(58褶×2、高13mm、宽66.5mm)的过滤器测试面积进行测试。
燃料过滤器水分离效率使用根据iso16332的多道水分离测试台(gmnfwtb-20-6)系统进行分析，并以90分钟内的平均水分离效率来表示。iso/ts16332：2006指定了使用离线水浓度测量方法进行连续注水的燃料/水分离测试，用于评价燃料过滤器从燃料中分离出精细或粗分散的未溶解的水的能力。这是对平面层以0.52l/min的水滴(60μm的d50)来完成的。自净过滤介质10与用于烃类流体过滤应用的未处理介质相比，显示出改进的颗粒过滤和更长的使用寿命。与未经处理的介质相比，自净过滤介质10也显示了容尘量的显著增加，并表现出用于燃料系统的良好的燃料水分离。具有直接静静电纺丝到没有玻璃纤维的支撑层28上的pes纳米纤维层24的自净过滤介质10(示例2a和示例2b)具有与包含玻璃纤维的过滤介质类似的效率，并且该自净过滤介质10的容尘量大约是支撑层28本身的容尘量的两倍。
基于用于实施本公开中的原理的各种实施例的以上描述，当然可以设计出许多其他修改和变体。例如，并且没有限制地，可以对树脂、支撑层28的基重和组成以及添加到支撑层28上的树脂的量进行修改。旨在于将所有这些修改和变体应该认为是在如所附权利要求所限定的本公开的精神和范围内。