CN1364095A - 过滤介质和包括过滤介质的制品 - Google Patents

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D·G·米德基夫
J·J·拉斯格
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Abstract

提供一种耐用熔喷过滤材料,包括其纤维平均直径小于8微米的第一层细聚酯纤维和有大量超过12微米的纤维的第二层聚酯粗视纤维。该粗视纤维层形成一开放结构,细纤维层与粗视纤维层的基重比在2∶1到10∶1之间。

Description

过滤介质和包括过滤介质的制品
发明领域
本发明涉及过滤介质和包括过滤介质的过滤器。
发明背景
聚酯无纺织物、特别是熔喷无纺织物被使用在各种过滤和/或阻挡层那样的应用场合。举例说，聚酯无纺纤维网被用于过滤袋和真空除尘器的过滤器中，例如见Bosses的美国专利No.5,080,702、Fiumano等人的美国专利No.5,205,938和Pall等人的美国专利No.5,586,997。在这方面，还有把纸/熔喷层压制品用于过滤的，例如见Raabe等人的美国专利5,437,910。此外，聚酯无纺纤维网还被用来过滤生物流体，例如见Pall等人的美国专利No.5,652,050。
如所公知，熔喷无纺纤维网在某些使用或应用场合其纤维强度和/或韧性不够。在这方面，公知把一种或多种耐用织物层压到熔喷无纺纤维网上，以生成整个性能提高的层压结构。举例说，Brock等人的美国专利No.4,041,203、Connors的美国专利No.5,445,110和Midkiff的美国专利No.5,667,562说明了一种耐用纺粘/熔喷无纺层压结构，该结构既有熔喷织物的过滤或阻挡特性，又有纺粘织物的高强度和耐用性。Brock等人的专利所述耐用纺粘/熔喷/纺粘无纺层压制品特别适用于需要提高层压制品强度和耐磨性的各种应用场合，例如用作消毒包装材料。尽管许多无纺聚酯织物具有很高强度和耐用性，但由于熔喷工艺没有充分拉伸纤维以大大提高聚合物的晶化，因此熔喷聚酯无纺织物的强度和耐用性不高。因此在现有技术中同样得知，为提高熔喷聚酯材料的强度和耐用性，把另一耐用织物、例如纺粘纤维网或其他合适的支撑织物层压到熔喷聚酯材料上。举例说，可用包括高强度聚酯细丝的耐用织物、例如日本专利申请No.Hei 7-207566所述耐用织物层压到熔喷聚酯无纺纤维网上。这些聚酯细丝有提高了的强度，因为它们单独经过拉伸步骤，这些拉伸步骤对聚合物进行定向、从而提高纤维和用该纤维制成的织物的强度和韧性。熔喷纤维网和拉伸的纤维可用热量点粘合在一起。此外，可以看出，使用一个或多个支撑层会大大提高层压制品的总成本，因为支撑材料需要另外的将各材料合在一起的处理步骤和一个粘接步骤。此外，过滤级材料和高强度材料的生成都需要单独和独特的生产设备，因此资本成本大大提高。
尽管存在强度和耐用性都很高的多层层压制品，但把各层永久粘合在一起的方法常常会降低过滤器效率和寿命。举例说，常常把纺粘和熔喷无纺纤维网热点粘合在一起。粘合区为高度熔合区，因此待过滤流体即使能渗透，也渗透不多。因此，粘合区使过滤器有效面积减小和过滤介质上的压力降提高。此外，粘合剂和其他粘合方法的使用同样对过滤器效率和/或寿命有负面影响。因此，如此提高耐磨性和/或层压制品整体性常常是以牺牲织物的整体渗透率和/或过滤效率为代价。因此，证明很难达到如此提高了的过滤介质材料的特性，而又不牺牲其他所需性能。
因此，存在一种需要能有一种强度和/或耐用性提高的过滤介质。此外，存在一种需要能较以前更高效和低成本地制造这一过滤介质。此外，存在一种需要这一过滤介质能承受苛刻的改造和使用条件。
本发明概述
上述需要由本发明过滤介质实现，现有技术中遇到的问题由本发明过滤介质克服，该过滤介质包括其纤维平均直径小于约8微米的第一层微纤维和其纤维直径超过约15微米的第二层粗视纤维。粗视纤维层自生粘合到微纤维层上，从而该多层过滤介质的强度和/或耐磨性因粗视纤维层而提高。最好是，这些纤维包括聚酯之类热塑缩聚物。在另一方面，第一层微纤维可包括其纤维平均直径小于约8微米的熔喷纤维，第二层可包括大量直径约为12～80微米的熔喷纤维。在一个方面，该微纤维层的基重可约为12克/平方米(g/m2)～350g/m2，该粗视纤维层的基重可小于约100g/m2。在本发明又一方面，该多层材料可层压在纸过滤材料上。
附图的简要说明
图1为局部剖视的本发明两层材料的局部侧视立体图。
图2为本发明三层材料的侧视剖面图。
图3为本发明纸/无纺层压制品的侧视剖面图。
图4为使用本发明过滤材料的一过滤组件的示意图。
定义
在本文中，术语“包括”为包括一切的或无终止的，并不排除其他未提到的元件、组成部件或方法步骤。
在本文中，术语“无纺”织物或纤维网指一种网有着各纤维或细丝插入其中的结构，但没有针织或纺织物那样明显的形式。无纺织物可用许多工艺制成，例如熔喷工艺、纺粘工艺、氢化交络、悬浮、粗梳纤维网工艺等。
在本文中，术语“机器方向”或“MD”指织物在其生成方向上的长度。术语“机器横向”或“CD”指织物的宽度，即一般与MD垂直的方向。
在本文中，术语“流体”指所有流体，包括气体和液体。
在本文中，术语“液体”指液体，一般与组成无关，包括溶液、乳液、悬浮液等。
在本文中，术语“聚合物”一般包括但不限于均聚物、共聚物如嵌段、接枝、无规和交替共聚物、三元共聚物等及其混合物和改良物。此外，除非特别指明，术语“聚合物”包括分子的所有可能空间构型。这些构型包括但不限于全同立构、间同立构和无规对称。此外，还应看到指出，在提到某一单体单元的聚合物时，除了该单体，还包括另外一个或多个成分。
在本文中，术语“自生粘合”指纤维离散部分和/或表面之间的粘合，与机械紧固件或外部添加剂如粘合剂、焊料等无关。
对优选实施例的说明
如图1所示，过滤器10包括至少两层，由细纤维或微纤维构成的第一层12和由更大的纤维或粗视纤维构成的第二层14。第一层最好较厚，其平均孔径小，具有良好的过滤和/或阻挡性。该过滤材料一般做成片状并便于卷起收藏。因此，该过滤材料其后可按需要改造，修整成专门满足最终用户需要的过滤器。但该过滤材料也可用一列式方法剪裁成所需尺寸和/或形状。本发明过滤介质提供一种熔喷无纺纤维网，它具有良好的耐磨性，但不显著降低其强度和/或过滤性能。
该第一层最好包括细纤维或微纤维的无纺纤维网，其纤维平均直径小于约8微米、最好约为0.5～6微米，更好约为3～5微米。该第一层的基重至少为约12g/m2，最好约为17～175g/m2，更好约为34～100g/m2。细纤维可用各种公知方法制造。该第一层最好包括熔喷细纤维的无纺纤维网。熔喷纤维的制造方法一般是在熔融细线或细丝进入拉细熔融热塑材料细丝以减少其直径的会聚高速气流的同时挤压熔融热塑材料穿过多个模具毛细管。然后，由高速气流携带的熔融纤维沉积在一收集面上，形成无规放置的熔喷纤维。熔喷工艺例如可参见V.A.Wendt、E.L.Boon和C.D.Fluharty的海军研究实验室报告No.4364“超细有机纤维的制作”(Manufature of Super-fine OrganicFiber)；K.D.Lawrence、R.T.Lukas和J.A.Young的海军研究实验室报告No.5265“一种改进的超细热塑纤维制作装置”(An ImprovedDevice for the Formation of Super-fine Thermoplastic Filer)；Butin等人的美国专利No.3,849,241；Anderson等人的美国专利No.4,100,324；Weber等人的美国专利No.3,959,421；Haynes等人的美国专利No.5,652,048和Lau等人的美国专利No.4,526,733。可用单个熔喷模具或连续的熔喷纤维模具组件在一移动成形面上相继沉积各纤维而形成该熔喷纤维层。因此，尽管使用术语“层”，但一层事实上可包括若干合在一起生成所需厚度和/或基重的次层。
形成第一细纤维层和第二粗视纤维层的合适热塑聚合物举例说包括缩聚物(例如聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯和聚芳酯)、聚二烯类、聚氨基甲酸酯、聚醚、聚丙烯酸酯等。过滤介质最好包括热塑聚酯如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)等。PBT和PET聚合物可从许多销售商购得，例如一种PBT可从Ticona Corporation购得，其商标为CELANEX 2008热塑聚酯。PTT聚合物可从Shell Chemical Company购得，其商标为CORTERRA POLYMERS。具体聚合物的选择决定于过滤器的用处和本领域已知的其他因素。此外，尽管细纤维层和粗视纤维层可各自使用不同聚合物，但最好粗视纤维层所使用的聚合物与细纤维层所使用的聚合物大致类似和/或相同。
粗视纤维层所包括的更大的纤维的数量和大小足以生成强度比第一细纤维层高的开放结构。粗视纤维层最好包括大量超过约15微米、最好超过约25微米的纤维。在这方面，值得注意，粗纤维可由多根平均直径为约10～35微米、最好为约12～25微米的细纤维构成，其中，各纤维“拧成绳状”或沿长度方向粘合成单根大的纤维或细丝。在计算纤维平均大小时，沿长度方向粘合的纤维算作单根纤维。粗视纤维层的基重小于约100g/m2，最好为约10～70g/m2，更好为约15～35g/m2。在另一方面，第一细纤维层与第二粗视纤维层的基重比最好为约2∶1～10∶1，在一优选实施例中该基重比为约3.3∶1。
第二粗视纤维层可用熔喷工艺制成，粗视纤维可在半熔状态下直接沉积到细纤维网上，从而粗视纤维直接、自生地粘合到细纤维网上。粗视纤维沉积时所具有的潜热足以更有效互相粘合并与先前沉积的细纤维粘合，从而生成强度和/或耐磨性提高的过滤介质。可用现有熔喷设备通过恰当平衡聚合物通过量、模具顶端孔的直径、成形高度(即从模具顶端到成形面的距离)、熔融温度和/或拉伸气流温度生成如此大的粗的纤维。举例说，可调节一系列熔融纤维组件的最后一个组件，使得该最后一个组件在新形成的细纤维无纺纤维网上生成、沉积一层粗视纤维。在生成更大的热塑聚酯纤维时，减小主气流温度和/或降低成形高度即可生成粗纤维。只有增加连续熔融组件的数量以生成更粗的粗纤维，就可按需要增加粗视纤维层的厚度或基重。值得注意，也可只改变其他参数或与上述参数一起改变其他参数以形成粗视纤维层和/或纤维网。这类更大的、粗纤维的制作方法的详情见Lamers等人的美国专利No.4,659,609和Adam的美国专利No.5,639,541，上述参考材料的内容综合于此作为参考。最好是，粗视纤维层与细纤维层共同扩张地沉积并直接粘合在细纤维层上。在这方面，值得注意，粗视纤维未受显著拉伸和/或定向。但是，由于粗视纤维在半熔状态下沉积在细纤维上而与细纤维和其他粗纤维形成良好粘合，因此形成一种复合结构，其强度提高，在处理、改造和/或使用时不起球。此外，尽管一层的形成使得不规则性、聚合小球和/或小丸增加，但该粗视纤维层形成一开放结构，该结构未显著降低过滤效率和/或生成磨脱纤维屑或在过滤应用中有害于使用的其它微粒。在另一方面，可在细纤维层上沉积不止一层粗视纤维层。举例说，如图2所示，可在第一纤维层12的两面上形成粗视纤维层14、16，以形成包括位于第二粗视纤维层14与第三粗视纤维层16之间的第一细纤维层12的过滤材料。在这方面，一包括第一细纤维层和第二粗视纤维层的两层层压制品可从一供料卷筒退绕后在一熔喷模具下方引导，使细纤维层面向上。从而，一层粗视纤维直接沉积、粘合在细纤维层的暴露面上，形成自生粘合的三层层压制品。
本发明多层无纺织物为自生粘合，无需另外粘合。但是，各层沉积后也可进一步粘合，以提高该多层结构的整体性和/或给予该多层结构刚性。每当要进一步粘合时，所采用的粘合图案最好最少地占用的材料表面积，因为过滤效率一般随粘合面积的增加而降低。因此，用粘合图案粘合的片材的表面积应不大于约10％，最好为织物表面积的0.5％～约5％。该多层层压制品可用连续或大致连续的缝和/或不连续的粘合区粘合。该多层过滤介质材料最好为点粘合。在本文中，“点粘合”或“点连接”指在许多离散粘合小点上粘合一层或多层织物。例如，热点粘合一般是使待粘合的一层或多层在两热辊如一有雕刻图案的辊子与一支承辊之间通过。该雕刻辊上的图案使得整个织物并不在其整个表面上粘合，该支承辊通常是平的。为实现各种功能和/或美观，已开发出许多粘合图案，但采用何种图案对本发明来说并不重要。例示性粘合图案见Hansen等人的美国专利No.3,855,046、Uitenbroek等人的美国外观设计专利No.356,688和Levy等人的美国专利No.5,620,779。这些和其他粘合图案可按需要修改，以获得所需粘合面积和频率。
本发明熔喷过滤层压制品非常适用于过滤流体，包括过滤液体。该过滤材料最常用于一包括该过滤介质、一框架和壳体的过滤器组件的一部分。在本文中，术语“框架”在其最广泛意义上使用，不受限制地包括边框、网状支撑、盒和其他各种形式的过滤器元件。该过滤介质通常用一框架固定和/或支撑。该框架常常与该壳体滑动啮合。该框架设计成可卸下地啮合在该壳体元件中，从而便于需要时更换该框架及其过滤介质。例如，框架和/或壳体适于将该框架手动地旋转螺钉紧固、螺栓紧固、卡住、滑入或其他方法固定在适当位置上。举例说，如图4所示，过滤器组件40可包括一在箭头方向上引导流体和相关滤液的通道42以及还包括一过滤壳体44，使得框架46和过滤材料48可滑动、固定在通道42和流路的横向上。
该无纺过滤材料可单独使用，也可结合其他材料用作一层压结构的一部分，举例说，该无纺织物可与其他过滤材料如纸、膜片、棉絮、无纺织物、纺织物、多孔状泡沫体和/或其他过滤和/或加固过滤材料层压在一起。纸过滤材料有各种等级和形式。例如，过滤纸可包括含有酚醛树脂的纤维素基纸。通过选择树脂粘合剂的数量和类型、纤维素纤维大小或供给、工艺参数和其他本领域已知的因素，即可按需要改变该过滤纸的过滤效率。该另外过滤材料可用一种或多种本领域已知的方法固定连接在无纺过滤介质上。最好用粘合剂把过滤纸层压到无纺过滤材料上。在这方面，可在无纺材料上喷以粘合剂后把过滤纸与无纺材料叠置、压紧，从而永久粘合在一起。由于把粘合剂应用在无纺织物上，因此纸过滤材料的过滤效率下降不多，因为只有纤维表面上的粘合剂接触纸过滤材料，从而过滤效率的损耗最小。也可把粘合剂喷在过滤纸上后把过滤纸的该处理过的一面与无纺织物永久粘合在一起。在本发明的一特殊方面，取决于过滤纸的等级，该无纺织物/纸层压制品对于10μ粒子的过滤效率至少为约98％，在另一方面，对于2μ粒子过滤效率至少为约98％。
如图3所示，过滤介质20包括粗视纤维层24与过滤纸26之间的细纤维层22。在一特殊例子中，过滤纸用粘合剂层压到65g/m2的包括PBT熔喷纤维的细纤维层上，使得过滤纸直接粘合到细纤维层的一面上，然后把粗视纤维层粘合到细纤维层的第二或相反的一面上。粗视纤维层最好同样包括PBT聚合物，其基重可为约20g/m2。这种结构的过滤材料特别适合比方说在柴油机和船只中用作聚结过滤器。在燃料可通过该层压制品的同时，该层压制品阻止水和粒子的通过。聚酯的无纺织物大致防止水和大粒子通过该介质。纸过滤介质进一步过滤掉燃料中的更细小的粒子。聚结过滤介质一般使用在位于液烃泵上游或下游的一框架和壳体中。
此外，本发明过滤材料也可选择地包括各种内部添加剂和/或一般经过处理，以增加或提高该无纺织物的性能。这些添加剂和/或处理是为本领域已知的，例如包括防醇处理、抗静电处理、润湿化学品(即提高或造成表面亲水性的成分)、抗氧化剂、稳定剂、阻燃剂、消毒剂、抗菌剂、防霉剂、杀菌剂、杀病毒剂、清洁剂、去污剂等。
测试
Mullen破裂：该方法测量纺织织物在受到膨胀力即经一橡胶膜片在与织物平面成直角方向上作用的液压时的抗破裂性。Mullen破裂或破裂强度按照TAPPI Official Standard T 403 os-76的说明书执行，只是所使用的试样大小为5"×5"，每一样本测试10个试样。
Frazier透气性：该测试确定一定面积大小和压力下一试样中的气流流率。每给定面积和压力的气流流率越高，该材料越开放，从而更多流体可流过该材料。透气性数据用TEXTEST FX 3300透气性测试仪获得。
例子
例1：制作由两层构成的88g/m2熔喷纤维网；该熔喷纤维网包括68g/m2的第一熔喷细纤维层和20g/m2的第二熔喷粗纤维层、细纤维和粗纤维都包括可从Ticona Corporation购得、固有粘度为0.65dl/g、牌号为CELANEX 2008热塑聚酯的PBT。细纤维层用501°F主气流温度、9.3psi主气流压力和46英尺/分的线速制成，而粗纤维层用489°F主气流温度、2.1psi主气流压力和125英尺/分钟的线速制成。细纤维层中纤维的平均大小为约3～5微米，而粗纤维层中纤维的平均大小为约20微米，包括由大量沿长度方向粘合的纤维集合而成的大的细丝。该粗纤维层包括许多大的纤维。熔喷粗纤维与细纤维层共同扩张地沉积后直接粘合在细纤维层上。所得熔喷纤维网的耐磨性提高，而Mullen抗破裂性为23磅/平方英寸(psi)(正对膜片的线材一面)，
Figure A0081072300111
英寸水的透气性为46立方英尺/分钟/平方英尺。
尽管不同的专利和其他参考材料综合于此作为参考，如所包括材料与本说明书有差异，则以本说明书为准。此外，尽管以上结合实施例详细说明了本发明，但本领域普通技术人员显然可在本发明精神和范围内作出种种更改、修正和其他变动。因此所有这些修正、更改和其他变动都为权利要求所包括。

Claims (20)

1、一种过滤器，包括：
一框架，该框架上固定连接有一无纺过滤材料；
所述无纺过滤材料包括(i)其纤维平均大小小于约8微米的第一层热塑缩聚聚合物微纤维和(ii)包括超过12微米的热塑缩聚聚合物纤维的第二层，其中，所述第二层自生粘合到所述第一层上。
2、按权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述第二层包括熔喷纤维，其基重小于约100g/m2。
3、按权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述第二层包括沿长度方向粘合的纤维。
4、按权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述第一层微纤维包括基重在17g/m2到300g/m2之间的熔喷纤维；所述细纤维的平均直径在约0.5微米到6微米之间。
5、按权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述第一和第二层包括热塑聚酯。
6、按权利要求5所述的过滤器，其特征在于，第一层与第二层的基重比在2∶1和10∶1之间。
7、按权利要求5所述的过滤器，其特征在于，所述第一层和第二层包括聚对苯二甲酸丁二酯。
8、按权利要求5所述的过滤器，其特征在于，所述第二层的基重小于70g/m2。
9、按权利要求1所述的过滤器，其特征在于，还包括一张层压到该无纺过滤材料上的过滤纸。
10、按权利要求9所述的过滤器，其特征在于，该过滤纸层压到该无纺过滤材料的第一层上。
11、按权利要求8所述的过滤器，其特征在于，还包括一张层压到该无纺过滤材料上的过滤纸。
12、按权利要求11所述的过滤器，其特征在于，该过滤纸层压到该无纺过滤材料的第一层上。
13、按权利要求1所述的过滤器，其特征在于，所述第一和第二层无纺过滤材料都包括熔喷热塑聚酯纤维；第二层的基重小于34g/m2；第一层的基重在34g/m2到约175g/m2之间。
14、按权利要求13所述的过滤器，其特征在于，所述聚酯包括聚对苯二甲酸丁二酯。
15、按权利要求14所述的过滤器，其特征在于，还包括一张层压到该无纺过滤材料上的过滤纸。
16、按权利要求15所述的过滤器，其特征在于，所述过滤纸层压到该无纺过滤材料的第一层上。
17、按权利要求2所述的过滤器，其特征在于，所述无纺过滤材料包括第三层，该第三层包括纤维超过约12微米的热塑聚合物熔喷纤维；所述第二层自生粘合到所述第一层上。
18、按权利要求17所述的过滤器，其特征在于，所述第二和第三层的基重都小于34g/m2。
19、按权利要求18所述的过滤器，其特征在于，所述第一层的基重在约34g/m2到150g/m2之间；所述第一、第二和第三层包括聚酯纤维。
20、按权利要求19所述的过滤器，其特征在于，一张过滤纸层压到该无纺过滤材料上。
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