可用于过滤场合的挤制热塑性泡沫材料的制作方法

专利名称：可用于过滤场合的挤制热塑性泡沫材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过将气体或液体之一或两者连续经过具有异常渗透率的挤制、开孔热塑性泡沫材料来进行过滤的方法。
已有技术涉及可用于过滤场合的各种开孔泡沫材料。它们包括热固性和热塑性的泡沫材料。公开的热固性泡沫材料包括描述于美国专利3873281、4212737、4303533和4099943中的那些。公开的挤制热塑性泡沫材料包括描述于美国专利4384032和4427548以及GB1100727中的那些。公开的热塑性乳液聚合物泡沫材料包括描述于“过滤介质上的聚合物泡沫材料”，过滤和分离，Z.Blumgara,1995年3月，245-251页的那些。
开孔泡沫材料由于相对其它材料(最值得注意的是无纺纤维状材料)具有使用缺陷而工业上尚未广泛用于过滤场合。这些使用缺陷的性质随着泡沫材料结构的不同而不同。
开孔热固性泡沫材料工业上已用于某些过滤场合，但具有明显的使用局限。常规的开孔热固性泡沫材料具有网状结构(主要是泡孔支架(strut)，没有泡孔壁)，而且可制成120微米以上的平均泡孔尺寸。具有泡孔支架但没有泡孔壁的泡沫材料描述于聚合物泡沫材料和泡沫技术手册(Klempner和Frisch,Hanser Publishers,1991),23页，图2。这种市售泡沫材料对于0.3-0.5微米粒径具有较高的阻止率(70-90％)但效率低。这些泡沫材料有效地过滤大颗粒但不能有效地过滤小颗粒。这些泡沫材料通常建议用作大颗粒或草地石头的空气过滤器或户外设备或用作预过滤器。已经通过浸滤可溶性盐而制成市售微孔聚氨酯泡沫材料。泡孔尺寸据说低至27微米，但孔隙率仅最高80％。有限的孔隙率导致有限的渗透率和可能的较低寿命。
开孔乳液聚合物泡沫材料尚未发现在过滤场合中的显著商业价值。低密度开孔乳液聚合物泡沫材料通常具有网状(主要是泡孔支架，没有泡孔壁)微孔结构且可制成10微米或更低的非常小的泡孔尺寸。该网状微孔结构的开孔性质限制了可能的过滤效率和能力，因为小颗粒容易从中通过。它们还通常具有机械脆性，当将压降施加穿过它时，容易挠曲和/或压缩。
开孔挤制聚合物泡沫材料尚未发现在过滤场合中的显著商业价值。开孔挤制聚合物泡沫材料通常具有较刚性的基本上由泡孔支架和泡孔壁确定的微孔结构。比起效率相当的多孔的、无纺的纤维状材料，公开可用于过滤场合的已有技术挤制泡沫材料由于其较低的渗透率而具有较高的压降。已有技术泡沫材料即使具有较高的开孔含量，即，90-100％开孔，也通常在其泡孔壁内具有较小的孔和各处有限的孔入射(incidence)水平。因此，它们具有较低的渗透率。低渗透率意味着在给定泡沫材料厚度时的高压降。
需要有一种挤制、开孔热塑性泡沫材料，它具有较刚性的基本上由泡孔壁和泡孔支架两者确定的微孔结构且具有较高的液体和气体渗透率。还需要有一种泡沫材料，它在给定的所需效率、能力、和/或泡沫材料厚度下具有低压降。还需要泡沫材料在过滤0.3-0.5微米小颗粒时具有较高的效率。
本发明提供了一种制成适合过滤元件外壳内的过滤元件，该过滤元件包含一种挤制开孔热塑性泡沫材料，该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为50％或更高，平均泡孔尺寸为1.5毫米或更低，且渗透系数为6×10-13m2或更高，和可有可无的泡沫材料固位装置。
本发明提供了一种过滤方法，包括，将液体或气体通过一个制成适合过滤元件外壳内的过滤元件，该过滤元件包含一种挤制开孔热塑性泡沫材料，该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为50％或更高，平均泡孔尺寸为1.5毫米或更低，且渗透系数为6×10-13m2或更高，和可有可无的泡沫材料固位装置。
本发明还提供了一种过滤方法，包括，将液体或气体通过一种挤制开孔热塑性泡沫材料，该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为50％或更高，平均泡孔尺寸为1.5毫米或更低，且渗透系数为6×10-13m2或更高。


图1给出了可用于本发明的泡沫材料过滤器。该过滤器具有圆柱形状。
图2给出了可用于本发明的泡沫材料过滤器的另一实施方案。该过滤器为打褶的泡沫材料片材的形式。
图3给出了可用于本发明的液体或气体泡沫材料过滤器的另一实施方案。该过滤器部分穿孔。
本发明提供了一种制成适合过滤元件外壳内的过滤元件。过滤元件外壳是各种应用领域中熟知的，这些应用包括流体如气体和液体的过滤。本发明的过滤元件可以基本上是泡沫材料本身，或过滤元件可采用固位装置以固定该泡沫材料。固位装置可以是本领域熟知的任何材料，包括塑料、金属、木材、纸、等。
本发明的过滤元件和过滤方法采用某种挤制的、开孔热塑性泡沫材料，它对液体和气体都具有优异的过滤性能。比起具有基本上泡孔支架/泡孔壁结构的泡沫材料，该泡沫材料具有较大的渗透率。增强渗透率使得这种泡沫材料能够有效地用于常规的商业、住宅、和工业过滤。
该挤制开孔泡沫材料的空气渗透系数为6×10-13m2或更高，或1.44×10-12m2或更高，理想为3×10-12m2或更高，更理想为4.28×10-12m2或更高，优选8×10-12m2或更高，更优选1.6×10-11m2或更高，进一步优选1.6×10-11m2或更高。渗透率按照以下公式来确定Ke=QμL/AP其中A=面积(平方米(m2))Q=空气的体积流速(立方米/秒(m3/sec))P=压差(帕斯卡(Pa))L=泡沫材料的厚度(米(m))μ=空气的运动粘度(牛顿·秒/平方米(Ns/m2)Ke=渗透系数(平方米(m2))该公式描述于Derek B.Purchas的过滤介质手册，第1版，ElsevierScience Ltd.1996,488-89页。在本文涉及渗透率数值的描述中，应该理解，术语渗透率”和“渗透系数”有时可相互交换使用。
尽管不受任何特定理论局限，但可用于本发明的挤制泡沫材料的增强渗透率据信来自其独特的泡沫材料结构。该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的开孔微孔结构，其中该微孔结构确定了任何以下性质或其组合在泡孔壁内增强(较大)的孔入射率、在泡孔壁内增强(较大)的孔径、增强(较大)比例的一般与挤出方向垂直或水平的其中有孔的泡孔壁、以及较少比例的遗漏或基本遗漏的泡孔壁。已有技术挤制过滤泡沫材料缺少这些结构特征，以致于不能获得本文在用于本发明方法的泡沫材料时所公开的渗透率。这种增强渗透率可提高在效率、能力、压降、和泡沫材料厚度方面的设计灵活性。
可用于本发明的挤制泡沫材料相对网状已有技术泡沫材料具有较高的性能优点。本发明泡沫材料的基本上泡孔壁/泡孔支架结构提供了以致较弯曲的用于液体或气体横穿的孔路径，并提供了显著的能够容纳颗粒的袋、缝、和表面积。比起网状泡沫材料，这种微孔结构在效率、能力、压降、和泡沫材料厚度方面提供了较高的设计灵活性。
按照ASTM D2856-A，该泡沫材料的开孔含量为50％或更高，优选70％或更高，更优选90％或更高，最优选95％或更高。渗透率可随着开孔含量的增加而增加。
本发明在较宽的泡沫材料泡孔尺寸范围内有效。按照ASTMD3576-77，该泡沫材料的平均泡孔尺寸理想地为1.5毫米或更低，平均泡孔尺寸更理想地为1毫米或更低，平均泡孔尺寸优选为0.1毫米或更低，更优选0.01-1.0毫米(10-100微米)。按照ASTM D3576-77，一种有用的泡沫材料实施方案的平均泡孔尺寸为0.2-0.7毫米(200-700微米)。按照ASTM D3576-77，另一种有用的泡沫材料实施方案的平均泡孔尺寸为0.01-0.07毫米(10-70微米)。
该泡沫材料的中值(mean)流动孔径(m.f.p.d.)为0.1-50微米。m.f.p.d.的理想值根据所要过滤的微粒的尺寸、所要过滤的介质(液体或气体)、所需的效率水平、以及所需的压降值而变化。有用的m.f.p.d.范围包括0.1微米或更高、1微米或更高、10微米或更高、以及15微米或更高。平均泡孔尺寸与m.f.p.d.的区别在于，平均泡孔尺寸涉及泡沫材料中的平均泡孔大小，而m.f.p.d.涉及当一半总气流通过大于平均孔径的孔且一半通过低于平均孔径的孔时的平均孔径。该m.f.p.d.可使用具有全氟化合物C5-C18流体如FluoroinertFC-40(Sigma Chemical Corp.)的自动化孔隙仪，如PMI(PorousMaterials,Inc.)的Perm Porometer 200 PSI来确定。
其它实施方案的优选范围包括，3-8微米、8-20微米、以及20-50微米的m.f.p.d.范围。
具有较宽效率范围的泡沫材料在本发明中是可能的。特殊的效率值或范围取决于所需的商业用途。通常，效率范围为40％至基本上100％，且对于气流是中间的任何值。效率可通过两种方法之一(单程任务(challenge)测试)来确定。在ASTM 2986-71中，0.3微米DOP颗粒的单分散气溶胶经由气溶胶生成器而生成。将气溶胶以10fpm(5m/sec)的速率通过试样。利用过滤器每侧的颗粒计数器来测定透过率。
透过率P定义如下P=(下游的颗粒浓度/上游的颗粒浓度)效率E定义为1减去透过率，或E=1-P。
第一种方法包括，生成多分散气溶胶的浓缩物，然后利用粒度区别检测器来测定颗粒浓度。透过率和效率按照上述相同方式来测定。
用于这时数据的测试方法采用了NaCl和KCl溶液的多分散气溶胶。颗粒利用来自TSI Incorporated的AT300生成器而生成。HIAC/Royco5109颗粒计数器用于测定效率。效率是在一定范围的面速率下测定的。面速率是将体积流速除以过滤介质的横截面。在10英尺/分钟的相速率下记录这些值。
用于本发明的泡沫材料的理想效率包括40％或更高(对于0.3微米的粒径)、90％或更高(对于0.3微米的粒径)、99％或更高(对于0.3微米的粒径)。高效过滤器的优选效率为99.991％或更高(对于0.3微米的粒径)。一个实施方案的优选效率范围为40-70％或更高(对于0.3-0.5微米的粒径)。
按照ASTM D-1622-88，该泡沫材料的密度优选为16-250千克/立方米(kg/m3)，更优选25-100千克/立方米。
本发明的一个有用的实施方案采用了一种挤制泡沫材料，它具有一种基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为50％或更高(优选90％或更高)，且平均泡孔尺寸为0.1毫米(100微米)或更低。这种泡孔尺寸的泡沫材料是有用的，因为它们可过滤对已知挤制泡沫材料过滤器太小的粒径的气体和液体。发泡成较小泡孔尺寸可诱导形成较薄的泡孔壁，这样在入射水平和孔径方面更容易在其中形成孔。这种泡沫材料作为过滤器的应用迄今是本领域未知的。
本发明另一有用的实施方案采用了一种挤制泡沫材料，它具有一种基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为50％或更高，平均泡孔尺寸为0.1毫米(100微米)或更低，且中值流动孔径为10微米或更高。这种泡孔尺寸的泡沫材料是有用的，因为它们能够以中等效率值(对于空气，40-70％)和1.6×10-11m2或更高的渗透系数(对于空气)来过滤对0.3-0.5微米粒径的气体和液体。这种泡沫材料的应用迄今是本领域未知的。
下表1给出了可用于本发明方法的其它泡沫材料实施方案。显然，这些泡沫材料具有理想的物理性能和使用参数。#1泡沫材料一般对应于HEPA无纺纤维过滤器的使用性能。#2泡沫材料一般对应于常用于需要98％ASHRAE过滤器的场合的无纺纤维过滤器的使用性能。#3泡沫材料一般对应于常用于需要60-70％ASHRAE过滤器的场合的无纺纤维过滤器的使用性能。
表1其它泡沫材料实施方案
-M.F.P.D.=中值流动孔径-m2=平方米-效率是按照ASTM D2986-71，针对空气，在10英尺/分钟(0.05米/秒)的相速率下测定。
可用于本发明的泡沫材料的微孔结构显微照片包括美国专利申请09/086029(1998年6月11日递交)图1-5所示的那些。该泡沫材料具有本领域已知的物理构型，如片、厚板、褶、管、杆、或圆柱。理想的片状泡沫材料包括横截面厚度低于0.375英寸的那些。那些的厚板泡沫材料包括横截面厚度为0.375英寸(0.95厘米)或更高的那些。有用的片状泡沫材料可通过用刀或热(加热)线将挤制厚板泡沫材料削或切成两个或多个板层或片材而制成。理想地，将泡沫材料的皮层切、削、或刨平或以其它方式去除，最好暴露出该泡沫材料的开孔结构。
本发明可用于各种常规的住宅、工业、和农业液体/气体过滤场合。液体过滤场合包括水过滤器、工业和农业废物/废水和/或循环过滤器、化学品过滤器、油过滤器、和反冲过滤器。合适的气体过滤场合包括在加热炉和空气调节器中的空气吸入、工业空气循环和吹风机体系、住宅空气清新器、尘土收集和去除体系、烟雾和蒸气排放控制体系、压缩空气体系、和呼吸罩。有用的工业场合是制成柔性袋用作袋滤室的片状泡沫材料。该泡沫材料还可用作气体过滤材料的上游预过滤材料。
图1给出了用于气体或液体的圆柱状过滤器10。该圆柱体10具有一个由过滤器10一端延伸至另一端的通道12。如图所示，待过滤的液体或气体可在压力下由孔14进入圆柱体10。液体或气体还可在压力下由孔16进入圆柱体10，或可将孔16堵塞以便于从孔14通入液体或气体。通过进入通道12，该液体或气体轴向挤过圆柱状的泡沫材料介质18以进行过滤。如图1所示的圆柱状过滤器通常在商业上用于住宅、工业、和利于圆柱筒的场合中。这种圆柱状过滤器的一个实施方案具有约3英寸(7.62厘米)的外径(泡沫材料介质直径)和约1英寸(2.54厘米)的内径(通道直径)。
图2给出了具有片状泡沫材料介质22的打褶过滤器20，它沿着其长度方向连续折叠成褶24。气体或液体在压力下挤过过滤器20以进行过滤。打褶过滤器的另一实施方案是一种在褶内具有褶(未示)的过滤器。换句话说，该过滤器具有较大的主褶和在主褶内较小的次褶。打褶构型的应用可将气体或液体暴露于较大表面和体积的泡沫材料介质。打褶过滤器常用于家庭和工业加热炉的空气吸入。
图3给出了具有泡沫材料介质32的过滤器30，它具有许多或多个孔眼34，这些孔眼由气流或液流进入表面的相对面或表面36部分延伸到过滤器中。这些孔眼的存在能够降低贯穿泡沫材料介质的压降，但仍提供由较厚泡沫材料所具有的许多效率和能力优点。另外，泡沫材料(未示)可具有由气流或液流方向的面或表面部分延伸的孔眼。在那种情况下，这些孔眼可有效地增加气体或液体暴露的表面积，这样会提高过滤效率和能力。
过滤可在挤出方向或横向(垂直或水平)方向或在三个方向的组合方向上通过该挤制泡沫材料。
如果需要，该泡沫材料可制造和/或加工成具有梯度，即，该泡沫材料的微孔结构的m.f.p.d.由过滤器的一个表面变化至相对表面。例如，该泡沫材料可具有这样一种梯度，其中m.f.p.d.由较高变化至较低，反之亦然。液体或气体可经过高m.f.p.d.区至低m.f.p.d.区，这样较大颗粒就首先过滤掉且不易堵塞小孔；较小颗粒随后在低m.f.p.d.区过滤。
制造具有m.f.p.d.梯度的泡沫材料的优选方法是挤出在横截面上10毫米厚或更高的厚板泡沫材料。厚的挤制泡沫材料通常具有在物理性能，如密度、泡孔尺寸、和孔径方面根据横截面位置而变化的微孔结构。密度通常由中间区增加至皮区。泡孔尺寸和孔径通常由中间区下降至皮区。挤制泡沫材料可在给定泡沫材料区进行切或削，得到具有所需梯度微孔结构的泡沫材料部分。
如果需要，过滤效率和能力可通过本领域已知的任何方式赋予泡沫材料以静电而增强。静电剂可在制造泡沫材料时加入聚合物树脂中或沉积到泡沫材料的内表面上。泡沫材料的内表面还可暴露于电晕放电或等离子体处理。该泡沫材料还可在过滤时暴露于静电场。与处理方法无关，整个泡沫材料可以处理或仅处理其一个或多个表面或区域。
挤制热塑性泡沫材料一般通过将热塑性材料加热形成塑化或熔体聚合物材料，向其中加入发泡剂以形成可发泡凝胶，然后将该凝胶挤过模头以形成泡沫材料产品而制成。在与发泡剂混合之前，将聚合物材料加热至其玻璃化转变温度或熔点或以上。发泡剂可通过本领域已知的任何方式，例如使用挤出机、混合器、搅拌机等加入或混入熔体聚合物材料中。将发泡剂与熔体聚合物材料在足以防止熔体聚合物材料显著膨胀并一般将发泡剂均匀分散其中的高压下进行混合。视需要，将成核剂在塑化或熔化之前混入该聚合物熔体中或与聚合物材料干混。通常将可发泡凝胶冷却至较低温度以优化或达到所需的泡沫材料物理性能。该凝胶可在挤出机或其它混合设备或在单独的冷却器中冷却。然后将该凝胶挤过一个具有所需形状的模头，到达一个具有下降或较低压力的区域以形成泡沫材料产品。具有较低压力的区域的压力低于可发泡凝胶在挤过模头之前所保持的压力。该较低压力可以是超大气压或低于大气压(真空)，但优选为大气压水平。随着挤出物离开模头并膨胀，该泡沫材料视需要通过机械方式伸长以帮助形成孔和形成开孔。以下讨论伸长过程。
为了帮助挤出开孔热塑性泡沫材料，可有利地采用一种不同于在热塑性材料中使用的主聚合物的聚合物。采用少量不同于主聚合物的聚合物可促进提高开孔含量。例如，在制造聚苯乙烯泡沫材料时，可以采用少量的聚乙烯或乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。在制造聚乙烯泡沫材料时，可以采用少量的聚苯乙烯。关于优选的不同聚合物的有用教导参见美国专利申请08/880954。挤制开孔热塑性泡沫材料可按照本文的一般挤出方法来制造，并视需要进行附加步骤，即，将挤出物在离开时进行伸长并由挤出模头进行膨胀以形成泡沫材料。伸长可增加其中具有孔的泡孔壁的相对比例和/或增加已有孔的平均尺寸。关于伸长的深入教导参见1997年6月11日递交的美国专利申请60/049181和1998年6月11日递交的美国专利申请09/096029。
该泡沫材料可由任何可成型或吹制成具有足够渗透率的开孔泡沫材料的热塑性材料制成。有用的热塑性材料可包括天然或合成有机聚合物。合适的塑料可包括聚烯烃、聚氯乙烯、链烯基芳族聚合物、纤维素聚合物、聚碳酸酯、淀粉基聚合物、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、共聚物/聚合物共混物、和橡胶改性聚合物。合适的链烯基芳族聚合物包括聚苯乙烯、以及苯乙烯与其它可共聚单体的共聚物。
在某些非常理想的实施方案中，热塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的链烯基芳族单体单元，或该热塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的乙烯属单体单元，或该聚合物材料包含50％重量或更高的聚合形式的丙烯属单体单元，或该热塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的酯单体单元。
如果需要，该泡沫材料可由部分或基本上可生物降解的热塑性材料吹制。有用的聚合物包括纤维素聚合物、淀粉基聚合物、以及淀粉基聚合物与苯氧基醚聚合物的共混物。
特别有用的热塑性泡沫材料包含链烯基芳族聚合物材料。合适的链烯基芳族聚合物材料包括链烯基芳族均聚物、以及链烯基芳族化合物与可共聚烯属不饱和共聚单体的共聚物。链烯基芳族聚合物材料还可包括少量的非链烯基芳族聚合物。链烯基芳族聚合物材料可仅由一种或多种链烯基芳族均聚物、一种或多种链烯基芳族共聚物、或一种或多种链烯基芳族均聚物和共聚物的共混物、或任何前述物质与非链烯基芳族聚合物的共混物构成。与组成无关，该链烯基芳族聚合物材料包含大于50％，优选大于70％重量的链烯基芳族单体单元。最优选的是，该链烯基芳族聚合物材料完全由链烯基芳族单体单元组成。
合适的链烯基芳族聚合物包括衍生自链烯基芳族化合物如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙基苯乙烯、乙烯基苯、乙烯基甲苯、氯苯乙烯和溴苯乙烯的那些。优选的链烯基芳族聚合物为聚苯乙烯。少量的单烯属不饱和化合物如C2-6烃基酸和酯、离聚体衍生物、和C4-6二烯可与链烯基芳族化合物进行共聚。可共聚化合物的例子包括丙烯酸、甲基丙烯酸、乙基丙烯酸、马来酸、衣康酸、丙烯腈、马来酸酐、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸异丁酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯和丁二烯。有用的泡沫材料可包含显著量(即，大于95％重量)，最优选完全为聚苯乙烯。按照尺寸排阻色谱法，有用的泡沫材料可包含125000-300000重均分子量、135000-200000重均分子量、165000-200000重均分子量、以及135000-165000重均分子量的聚苯乙烯。
有用的挤制热塑性泡沫材料包括具有高开孔含量的挤制微孔链烯基芳族聚合物泡沫材料，其制备方法公开于WO96/34038。所公开的泡沫材料的平均泡孔尺寸为70微米或更低，且开孔含量为70％或更高。
在WO96/34038所公开的方法中，有用的发泡剂包括1,1-二氟乙烷(HFC-152a)、1,1,1-三氟乙烷(HFC-143a)、1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)、一氯二氟甲烷(HCFC-22)、二氧化碳(CO2)、和二氟甲烷(HFC-32)。优选的发泡剂为HFC-152a、HFC-134a、和二氧化碳。以上发泡剂占发泡剂总摩尔数的50摩尔％或更高，优选70摩尔％或更高。余量可由其它发泡剂补充。发泡剂的用量为0.06-0.17克分子/100克聚合物，优选0.08-0.14克分子/100克聚合物，最优选0.08-0.12克分子/100克聚合物。使用较少量的发泡剂可形成具有高开孔含量的泡沫材料。优选的发泡温度由118℃变化至160℃。最优选的发泡温度由118℃变化至130℃，尤其是对于较大尺寸泡沫材料的生产线。较小的生产线在运行时更热。成核剂的用量可以是0.01-5重量份/100重量份的聚合物树脂。优选范围为0.1-3重量份。
具有较大平均泡孔尺寸的另一挤制链烯基芳族泡沫材料及其制备方法参见WO96/00258。按照ASTM D2856-87，开孔含量为30％或更高。按照ASTM D-1622-88，所公开的泡沫材料的密度为1.5-6.0pcf(24-96kg/cm3)，优选密度为1.8-3.5 pcf(32-48kg/cm3)。按照ASTM D3576-77，本发明泡沫材料的平均泡孔尺寸为0.08毫米(mm)至1.2毫米，优选0.10-0.9毫米。
在制造WO96/00258的泡沫材料的方法中，较高于制造闭孔泡沫材料(按照ASTM D2856-87，低于10％的开孔)的发泡温度可以由118℃变化至145℃。发泡温度可按照成核剂的组成和浓度、发泡剂组成和浓度、聚合物材料的特性、以及挤出模头的设计而变化。本发明开孔泡沫材料的发泡温度高于由基本上相当的组成(包括聚合物材料、成核剂、添加剂、和发泡剂)在基本上相当的工艺中制成的具有基本上相当的密度和泡孔尺寸的相应闭孔泡沫材料(按照ASTM D2856-87，低于10％的开孔)3-5℃，优选10-15℃。优选的发泡温度高于链烯基芳族聚合物材料的玻璃化转变温度(按照ASTM D-3418)33℃或更高。最优选的发泡温度为135-140℃。加入聚合物熔体材料中以制备能够形成泡沫材料的凝胶的发泡剂的量为0.2-0.5克分子/千克聚合物，优选0.5-3.0克分子/千克聚合物，最优选0.7-2.0克分子/千克聚合物。可以使用如上描述的成核剂。为了制造具有在本发明中有效的泡孔尺寸和泡孔入射率的WO96/00258所述物理性能的泡沫材料，可能需要将不同聚合物加入链烯基芳族聚合物材料如熔体温度为70℃或更低的聚烯烃、乙烯/苯乙烯共聚体、以及苯乙烯/丁二烯共聚物或其它橡胶状均聚物或共聚物中。
有用的挤制开孔热塑性泡沫材料包括，由苯乙烯/乙烯共聚体、以及这些共聚体与链烯基芳族聚合物和美国专利5460818、WO96/14233和美国专利申请60/078091(1998年3月16日递交)中所述的乙烯聚合物的共混物制成的那些。这些共聚体特别适用于制造平均泡孔尺寸大于100微米的泡沫材料。
在制造挤制泡沫材料时，可以加入其它的添加剂，如无机填料、颜料、抗氧化剂、酸捕集剂、紫外线吸收剂、阻燃剂、加工助剂、和挤出助剂。
以下是本发明的实施例且并不用于限定。除非另有所指，所有百分数、份数或比例都是以重量计的。
实施例制备出可用于本发明的各种挤制热塑性泡沫材料，然后测试过滤能力。
这些泡沫材料在分别包括串联的挤出机、混合器、冷却器、和挤出模头的两个装置中制备。将聚合物和添加剂在挤出机中熔化并混合，然后以聚合物熔体的形式传送至混合器。将发泡剂加入混合器的熔体中，形成聚合物凝胶。将该凝胶传送经过一个冷却器，将其冷却至所需的发泡温度。随后将该凝胶经由挤出模头中的孔传送至大气压，以膨胀形成泡沫材料。发泡板位于该模头的出口处以限制垂直方向上的膨胀并帮助在水平和挤出方向上的膨胀。
采用135000重均分子量(按照尺寸排斥色谱法)的聚苯乙烯树脂。所用的其它聚合物为69％重量苯乙烯单体含量、低于5％苯乙烯均聚物(聚苯乙烯)、剩余的为乙烯单体含量(重量)的乙烯/苯乙烯共聚体(ESI)。添加剂包括作为成核剂的滑石、帮助形成开孔的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、以及作为挤出机润滑剂的硬脂酸钙(CaSt)。
表2给出了所用的聚合物、添加剂、和发泡剂、以及某些工艺条件。泡沫材料和过滤性能在表3中给出。该泡沫材料的密度按照ASTMD-1622-88来测定。ASTM D2856-A用于测定泡沫材料的开孔含量，而泡孔尺寸按照ASTM D3567-77来测定。中值流动孔径(m.f.p.d.)使用具有Fluoroinert FC-40化合物的来自Porous Materials,Inc.(PMI)的Perm Porometer 200 PSI来确定。测试步骤和设备讨论于PMI商品介绍以及在INDA-TEC 1996和FILTRATION 97(12.0页)中提交的论文。在该测试中，中值流动孔径理解为如下泡孔的孔径，其中气流总量的一半通过直径大于此泡孔的泡孔，且一半通过直径低于此泡孔的泡孔。
用于确定效率和通过泡沫材料过滤器的压降的测试步骤和设备描述于过滤和分离，1998年3月，118-122页。在该测试中用作过滤器的开孔泡沫材料为24”×24”且厚度范围为1.52-0.16”。该测试的取样时间为60秒。使用KCl的多分散气溶胶作为测试尘土。在10、20、30和40英尺/分钟的介质面速率下测定效率和压降。
表2
表3
-kPa=千帕-m2=平方米-kg/m3=千克/立方米-实施例2a取自表2实施例2泡沫材料的芯，实施例2b取自该泡沫材料的表皮附近-效率是基于0.3-0.5微米颗粒，其中过滤器面速率为10或20英尺/分钟(见表)(0.05米/秒)尽管本发明泡沫材料和方法的实施方案已具体详细地描述，但应该理解，本发明可根据制造工艺和制造商的要求进行各种变化，但仍明显地落入本文所提出的新教导和原则的范围内。
权利要求
1．一种制成适合过滤元件外壳内的过滤元件，该过滤元件包含一种挤制开孔热塑性泡沫材料，该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为约50％或更高，平均泡孔尺寸为约1.5毫米或更低，且渗透系数为约6×10-13m2或更高，和可有可无的泡沫材料固位装置。
2．根据权利要求1的过滤元件，其中所述泡沫材料的渗透系数为约1.44×10-12m2或更高。
3．根据权利要求2的过滤元件，其中所述泡沫材料的渗透系数为约3×10-12m2或更高。
4．根据权利要求3的过滤元件，其中所述泡沫材料的渗透系数为约4.28×10-12m2或更高。
5．根据权利要求4的过滤元件，其中所述泡沫材料的渗透系数为约8×10-12m2或更高。
6．根据权利要求5的过滤元件，其中所述泡沫材料的渗透系数为约1.6×10-11m2或更高。
7．根据权利要求6的过滤元件，其中所述泡沫材料的渗透系数为约4.18×10-11m2或更高。
8．根据权利要求1-7之一的过滤元件，其中所述泡沫材料的中值流动孔径为约0.1-50微米。
9．根据权利要求1-7之一的过滤元件，其中所述泡沫材料的中值流动孔径为约1微米或更高。
10．根据权利要求9的过滤元件，其中所述泡沫材料的中值流动孔径为约5微米或更高。
11．根据权利要求10的过滤元件，其中所述泡沫材料的中值流动孔径为约10微米或更高。
12．根据权利要求11的过滤元件，所述泡沫材料的中值流动孔径为约15微米或更高。
13．根据权利要求1-7之一的过滤元件，所述泡沫材料的中值流动孔径为约3-8微米。
14．根据权利要求1-7之一的过滤元件，所述泡沫材料的中值流动孔径为约8-20微米。
15．根据权利要求1-7之一的过滤元件，所述泡沫材料的中值流动孔径为约20-50微米。
16．根据权利要求1-15之一的过滤元件，其中所述热塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的链烯基芳族单体单元。
17．根据权利要求1-15之一的过滤元件，其中所述热塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的乙烯属单体单元。
18．根据权利要求1-15之一的过滤元件，其中所述热塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的丙烯属单体单元。
19．根据权利要求1-15之一的过滤元件，其中所述热塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的酯单体单元。
20．根据权利要求1-19之一的过滤元件，其中所述开孔含量为70％或更高。
21．根据权利要求20的过滤元件，其中所述开孔含量为90％或更高。
22．根据权利要求21的过滤元件，其中所述开孔含量为95％或更高。
23．根据权利要求1-22之一的过滤元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸为1微米或更低。
24．根据权利要求23的过滤元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸为0.1毫米或更低。
25．根据权利要求1-22之一的过滤元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸为0.01-1.0毫米。
26．根据权利要求25的过滤元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸为10-70微米，或其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸为200-700微米。
27．根据权利要求1-22之一的过滤元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸为100微米或更高。
28．根据权利要求1-27之一的过滤元件，其中所述泡沫材料对于0.3微米粒径的效率为40％或更高。
29．根据权利要求28的过滤元件，其中所述泡沫材料对于0.3微米粒径的效率为90％或更高。
30．根据权利要求29的过滤元件，其中所述泡沫材料对于0.3微米粒径的效率为99％或更高。
31．根据权利要求30的过滤元件，其中所述泡沫材料对于0.3微米粒径的效率为99.991％或更高。
32．根据权利要求1-27之一的过滤元件，其中所述泡沫材料对于0.3-0.5微米粒径的效率为40-70％。
33．根据权利要求1-32之一的过滤元件，其中所述泡沫材料的密度为16-250千克/立方米。
34．根据权利要求33的过滤元件，其中所述泡沫材料的密度为25-100千克/立方米。
35．一种过滤方法，它包括，将液体或气体通过一种挤制开孔热塑性泡沫材料，该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为50％或更高，平均泡孔尺寸为1.5毫米或更低，且渗透系数为6×10-13m2或更高。
36．一种过滤方法，它包括，将液体或气体通过一个制成适合过滤元件外壳内的过滤元件，该过滤元件包含一种挤制开孔热塑性泡沫材料，该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构，总开孔含量为50％或更高，平均泡孔尺寸为1.5毫米或更低，且渗透系数为6×10-13m2或更高，和可有可无的泡沫材料固位装置。
37．根据权利要求35-36之一的方法，其中将所述液体或气体基本上在挤出方向上通过该泡沫材料。
38．根据权利要求35-36之一的方法，其中将所述液体或气体基本上在挤出方向的横向上通过该泡沫材料。
全文摘要
本发明公开了一种制成适合过滤元件外壳内的过滤元件,该过滤元件包含一种挤制开孔热塑性泡沫材料,该泡沫材料具有基本上为泡孔壁和泡孔支架的结构,总开孔含量为50%或更高,平均泡孔尺寸为1.5毫米或更低,且渗透系数为6×10
文档编号B01D39/16GK1306452SQ99807624
公开日2001年8月1日 申请日期1999年7月2日 优先权日1998年7月29日
发明者D·G·布兰德 申请人:陶氏化学公司