專利名稱：復(fù)合過濾材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于過濾的復(fù)合物品，具體地說，本發(fā)明涉及在液體過濾設(shè)備中使用的一種層狀復(fù)合材料。
在本技術(shù)領(lǐng)域中周知紡織布、網(wǎng)狀物或毛氈之類的過濾材料，已用于如壓濾器、轉(zhuǎn)鼓式過濾機、運輸帶式過濾機等的工業(yè)液體過濾設(shè)備中，所使用的上述過濾材料，常常帶硅藻土、珍珠巖、纖維素纖維、石膏等預(yù)涂層，以便實現(xiàn)最佳的濾液凈化、減少濾布堵塞事故和提供允許較長操作周期的可再生的過濾介質(zhì)。
過濾材料所需具有的性能是粒狀物滯留在表面上(對深度)、高流速、良好的濾餅排出性能、抗堵塞、易清洗(對需要處理的預(yù)涂層介質(zhì))、最大的濾液凈化度和最小的濾餅雜質(zhì)。另外，過濾材料的強度、耐用性、對設(shè)備和工藝條件的尺寸穩(wěn)定性和對過程的化學(xué)穩(wěn)定性也是重要的。
不管怎樣，所使用的這些過濾材料帶或不帶-預(yù)涂層，常常在它們所要求的滿意的相對立的性質(zhì)方面會遭到困難。例如，當(dāng)不用預(yù)涂層時，為了從含細顆粒的料液中得到清濾液，濾布或濾氈必須相當(dāng)緊固和致密，這將損害濾速、濾餅的排出性能和耐堵塞性。而且，在過濾材料上捕集的粒狀物的清洗或除去時費時，費錢，且常常無效。當(dāng)所使用的過濾器借助使用預(yù)涂層使過濾速度、濾液清晰度、耐堵塞能力、操作持續(xù)時間和濾餅的排除顯著改善時，仍然可遇到其它的一些問題。在過濾材料上的助濾預(yù)涂層是一附加步驟，需要附加的材料、方法和設(shè)備。同樣，過濾的粒狀物可能與過濾器的過濾材料上的涂層材料(助濾材料)混合，或被其污染，這就導(dǎo)致在分離和回收它們發(fā)生困難并且費錢，或者為此要增加廢物處理操作。
為了克服這些問題中的某些問題，已經(jīng)開發(fā)出了表面過濾材料和技術(shù)。在某些情況下，表面過濾材料是與上述相同的改性了的，改變了它們表面孔隙率的材料，例如，通過熱處理或加壓整平表面。通常，包括層壓在支撐材料或底襯材料上的微孔過濾膜。表面過濾膜能提供高的過濾速度、良好的濾液清晰度、良好的濾餅排出和良好的耐堵塞能力。但是，它們較脆，而且可能被清洗所使用的方法或濾餅除去如刮削、液體沖洗或漂洗、流體流動的反脈沖或其它的物流的中斷方法等造成物理方面的損傷。因此，表面過濾材料的壽命常常較短，它的效率受要求延長其使用壽命的操作的限制。
表面過濾膜材料可以選自各種各樣的多孔塑料材料，包括聚烯烴類、聚氨酯類、聚酯類、聚酰胺類、含氟聚合物、和其它的合成聚合材料。膜可以層壓到載體材料上，以幫助它們經(jīng)受得住在使用和它們將被使用的有關(guān)設(shè)備和過程處理中的苛刻條件。支撐材料通常是紡織的毛氈或機織織物，通過本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的如粘合或多層的直接熱合等方法將膜層壓在它們上面。用于支撐材料的毛氈和織物可以是上面列舉的合成的有機聚合物，或玻璃纖維、陶瓷纖維等無機材料。
本發(fā)明提供了一種用于液體過濾的層狀復(fù)合材料，在長期使用中它具有高的過濾效率，優(yōu)良的濾餅排出性能，而且，耐損傷，因此就得到在處理和使用期間的優(yōu)良的耐用性。
本發(fā)明提供的一種復(fù)合過濾材料依次包括如下幾層(a)一合成聚合纖維的機織薄層的多孔支撐層，(b)一合成聚合物纖維的非機織薄層的多孔緩沖層，比支撐層更可延伸和可壓縮，和(c)一多孔的聚四氟乙烯膜的過濾層。
在一個優(yōu)選實施例中，支撐層粘合到緩沖層的一個表面上，而過濾層粘合到另一表面上。
在另一個優(yōu)選實施例中，過濾層粘合到緩沖層的一個表面上，而這樣形成的組合件相連接，并僅在各邊與支撐層密封。


圖1(a)是示意地描述水流耐用性壓力試驗的試驗裝置。
圖1(b)是描述水流耐用性壓力試驗的試驗周期。
過濾層是合成聚合物的多孔簿膜或多孔膜，它的孔徑一般為0.01-50μm，厚度為20-500μm，和孔容積為50-98%。多孔膜可以從多種聚合物中任一種來制備，例如，它是聚烯烴、聚碳酸酯、聚氨酸、聚氯乙烯、聚酯、聚酰胺和含氟聚合物。從它們的化學(xué)惰性，釋出性質(zhì)、和強度方面來考慮。含氟聚合物的多孔膜是優(yōu)選的，例如聚四氟乙烯(PTFE)、乙烯/四氟乙烯的共聚物(ETFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、四氟乙烯/六氟丙烯共聚物(FEP)和四氟乙烯/(全氟烴基)乙烯醚的共聚物(PFA)。最優(yōu)選的是聚四氟乙烯的多孔的擴張膜，它有相互連結(jié)的結(jié)點和細纖維的結(jié)構(gòu)，而且是按U.S.專利3，953，566制備。
憎水聚合物例如含氟聚合物，聚烯烴等的多孔膜，抗穿透并有水通過它們的通道，可以通過親水性處理，使它們在水溶液體系中可有效地用作過濾材料。通常的做法是在多孔膜的孔的內(nèi)表面涂覆親水劑，例如可以使用一種表面活性劑?？梢允褂玫钠渌倪m宜的親水劑在U.S.專利5，130，024中作過描述，本文結(jié)合參考。這種親水劑是通過含氟的烯化了的(ethyleni-cally)未飽和單體和含親水基團的非氟化乙烯基單體的共聚作用來制得親水共聚物。
緩沖層是合成聚合物纖維的多孔層，插入過濾層與支撐層之間，并一側(cè)與過濾層粘合，而在另一側(cè)與支撐層粘合。由于它的物理性能和附著到過濾層與支撐層的方法，緩沖層提高了從過濾層上排出濾餅的性能，減少了過濾層的損傷，因此，大大地增加了材料的有效工作壽命。例如，緩沖層的可壓縮性和伸長性在提供吸收，分配由機械的刮削、液體的沖洗或漂洗及在連續(xù)清洗或濾餅排出期間液體的反脈沖所產(chǎn)生的對過濾層的沖擊、振動和應(yīng)力的能力方面都是重要的。
緩沖層可以是合成聚合物纖維的毛氈布(feltCloth)，或優(yōu)選合成聚合纖維的非機織布。該纖維可選自許多聚合物中。包括聚乙烯、聚丙烯，或其它的聚烯烴，以及聚酰胺、聚酯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯或其它的含氟聚合物;只要它們可以生成所要求性質(zhì)的材料就行。纖維優(yōu)選聚烯烴，更優(yōu)選聚丙烯纖維。
緩沖層材料的名義孔徑應(yīng)在10-1000μm，優(yōu)選在50-500μm;而孔容積在30-98%，優(yōu)選50-98%。緩沖層材料的厚度應(yīng)為0.1-10mm，優(yōu)選0.1-3mm;而緩沖層的重量在10-500g/m2，優(yōu)選20-300g/m2，更優(yōu)選20-100g/m2。
給出的緩沖層材料的孔徑值，由于材料的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，僅是近似值。它們是通過材料表面的顯微鏡的檢驗和測量表面的纖維之間的距離而得到的。
在Z-方向上，即垂直于層的平面方向上，緩沖層材料必須有低于支撐層材料的彈性正割抗張模量和彈性正割抗壓模量。也就是說，通過施加力，拉伸或壓縮緩沖層材料得到它初始尺寸一百分?jǐn)?shù)比要求拉伸或壓縮支撐層材料得到它的初始尺寸的相同百分?jǐn)?shù)所施加力要小。為此，上述定義的有抗張和抗壓特性的材料與相比較的材料比較，被稱為是有較高的壓縮性和較高的拉伸性的材料。
緩沖層應(yīng)當(dāng)是明顯可壓縮的，即通過將1.0kg/cm2的壓縮載荷施加到它的表面上，其壓縮量為原來厚度的5-50%，優(yōu)選20-40%。在制備(機器-方向)的平面方向和在制備的橫軸方向(橫向)，緩沖層材料應(yīng)當(dāng)是明顯可拉伸的，即通過將1.0kg/cm2的拉伸應(yīng)力施加到1mm厚的試樣上，材料的伸展量為0.1-20%或更多，優(yōu)選它原來的長度2-10%。
支撐層材料是一多孔的高剛性的材料，比緩沖層材料更耐尺寸的變化。支撐層材料可以是機織的或非機織的合成聚合物纖維薄層，拉伸強度為20-800kg/3cm-寬度。這里所用的機織的薄層是指一般的紡織纖維和機織纖維形成相對的開孔結(jié)構(gòu)或網(wǎng)眼制造的材料。纖維可為單絲或多絲紗，纖維的直徑為1-2000μm，優(yōu)選10-800μm。支撐層的厚度為0.1-10mm，優(yōu)選0.5-3mm。支撐層材料可以從多種聚合物的任意一種來制造，包括如聚烯烴，聚碳酸酯、聚氯乙烯、聚酯、聚酰胺和含氟聚合物，根據(jù)應(yīng)用中所要求的強度，耐化學(xué)品性能和耐熱性來選擇。優(yōu)選的支撐層材料是聚烯烴纖維的機織薄層，更優(yōu)選聚丙烯纖維。
各層的迭合以形成本發(fā)明的復(fù)合材料是通過將層與層粘合起來的方式實現(xiàn)的，達到了良好的層間粘合，使由粘合位置堵死的表面積減至最小。層間粘合強度應(yīng)當(dāng)為100g/3cm-寬度或更高，是通過標(biāo)準(zhǔn)的剝離試驗方法測定的。粘接位置應(yīng)占表面積的50%或更少，優(yōu)選2-20%。
層與層的迭合可以使用本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)眾所周知的通用方法、設(shè)備和材料，例如可以使用粘合劑。適宜的粘合劑材料可以找到，但是不限于由熱塑性塑料、熱固性塑料或反應(yīng)固化聚合物(reactionCuringPolymers)組成的這些類。粘合劑可以施加到待迭合的材料的表面，例如，通過刷涂、涂覆、或噴涂的方法;而材料的連接使用標(biāo)準(zhǔn)的迭合設(shè)備。
層與層迭合的優(yōu)選方法使用熱熔融技術(shù)粘合各層，因此開發(fā)了第一和第二層間粘接位置。本文使用的第一粘接位置是所有三層都粘接在一起的粘接位置，而且是連續(xù)的經(jīng)過緩沖層材料。本文所使用的第二粘接位置是兩層僅在一表面區(qū)域粘合的粘接位置，例如在緩沖層材料的一個表面纖維與過濾層或支撐層相鄰表面接觸，而且不是連續(xù)的經(jīng)過緩沖層材料。鄰接第一粘接位置間的距離應(yīng)當(dāng)為5mm或更小，而第二粘接位置間的距離應(yīng)為1mm或更小，優(yōu)選0.2mm或更小。
第二粘接位置位于第一粘接位置之間的間隔或空隙中，只作用各自層的表面區(qū)域，因此，對緩沖層材料的可壓縮性和可拉伸性的影響很小，但是顯著地提高了復(fù)合過濾材料層間的粘接強度。第二粘接位置，由于它們的出現(xiàn)頻率和定位，在伸展和分散沖擊及將應(yīng)力傳遞給過濾膜并將其通入可壓縮與可拉伸的緩沖層材料方面也非常有效，這樣就緩沖和防止了對過濾層材料的損傷。同樣，第二粘接位置在緩沖層/支撐層介面伸展并分散沖擊且通過支撐層將應(yīng)力傳遞給緩沖層，由于緩沖層材料比支撐層材料更可壓緊和拉伸，就基本上防止了沖擊和應(yīng)力對過濾層的影響。
通過同時施加熱和壓力到待連接的材料上，實現(xiàn)了通過熱熔融使層與層迭合。這可以使用一般的設(shè)備，例如用熱板壓或通過已加熱金屬輥表面和硅橡膠輥表面間夾緊材料等。在選定的位置對材料施加較高的壓力以產(chǎn)生第一粘接位置，在該位置熔化的材料連續(xù)的通過緩沖層。這可以通過利用機織支撐層材料的特性來進行。例如，機織支撐層材料可以有織物圖案，在它的表面內(nèi)生成有規(guī)則的間隔的高斑點。當(dāng)已迭合的材料在壓板或輥之間加壓時，機織支撐層材料高斑點壓縮更可壓縮的緩沖層材料比在鄰接區(qū)域和連續(xù)通過緩沖層的熔合材料的第一粘接位置所形成的達更大的程度。同時，在施加較小壓力的第一粘接位置之間的區(qū)域中形成了第二粘接位置?？蛇x擇地，當(dāng)?shù)系闹螌硬牧嫌邢鄬ζ降谋砻娑鴽]有高的斑點時，可以使用有突出點或其它凸起區(qū)域的輥或壓板表面，以形成第一粘接位置。
上述的實施方案包括一復(fù)合過濾材料，其中每層的表面粘接相鄰層的表面上，在第二個實施方案中，過濾層與緩沖層迭合，并如上述粘接，這樣形成組件。該組件然后連接，并只在邊緣封合到支撐層上。該組件和支撐層可以連接，并在其邊緣用粘合劑或通過熱熔合密封，例如，火焰粘接;或本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)已知的其它方法。這個實施方案在支撐層和緩沖層之間提供了一個空間，該緩沖層甚至可用于分散空氣或液體回流所生成的壓力，以促進從過濾層的表面排出濾并。
試驗方法水流耐用性壓力試驗本試驗通過高壓水的脈沖流所引起的作用來迅速地測定過濾材料的耐用性。試驗設(shè)備示于圖1(a)且圖1(b)描述了試驗壓力的周期。
參看圖1(a)，一試驗樣品安裝在47mm的標(biāo)準(zhǔn)過濾器夾持器1上。過濾器夾持器的入口與一高壓泵2(型號LS-47HP，由Advantec公司制造)連接。水3由泵從容器4經(jīng)入口管5吸入。在選定的試驗壓力下，泵送的水通過試驗樣品。連接過濾器夾持器1的出口管是回流管6，它使水循環(huán)并返回容器4。
對間歇-流耐用性測試的樣品是這樣安裝在過濾器夾持器上，使過濾層在上游(高壓)側(cè)。泵以60秒的試驗周期的方式運行，在此周期內(nèi)，水流經(jīng)過樣品發(fā)生55秒。傳遞水壓力提高到2.45Mpa(25kg/cm2)，并維持30秒鐘，然后降低到0表壓，使無水流5秒。該試驗周期在圖1(b)示出。
試驗繼續(xù)進行直至120秒的周期完成，此后，樣品拆除檢查。由于泵產(chǎn)生的熱，使試驗水的溫度升高到40-60℃。
過濾試驗在本試驗中，過濾材料是用含2%(wt)TiO2的顆粒的名義直徑為0.45μm的含水懸浮液進行。
試驗設(shè)備是由5-板的實驗壓濾器組成，其中安裝了五個10cm×10cm的過濾材料樣品。一隔膜泵泵送試驗液體通過壓濾器。為除去濾餅和目測過濾材料過濾周期性地停止，在過濾開始后過濾速率和濾液清晰度也在短暫間隔里測定。濾液流速以60秒的周期收集濾液，間隔測量。濾液的濁度測量是按測定濾液清晰度的相同間隔進行。
例1本發(fā)明的層狀復(fù)合材料是按如下制備多孔膨脹了的聚四氟乙烯膜，名義孔徑0.2μm，厚度約40μm，孔容積約85%，用作過濾層材料。
聚丙烯紡粘型非織造布(型號D28，由Fukusuke公司制造)用作緩沖層。這種非織造布由聚丙烯長絲組成，該長絲芯子的熔點為約180℃，而表面層的熔點為約175℃，在接觸長絲的表面層外熔化-粘接。非織造聚丙烯布重約28g/m2，厚度約1mm，孔容積約為97%。
在機器方向和橫向用多纖維的聚丙烯紗紡織的機織織物用作支撐層。機織織物的厚度約1mm，空氣滲透率13cc/cm2/秒。機器方向的拉伸強度為310kg/3cm-寬;橫向拉伸強度為160kg/3cm-寬。
利用熱熔合法，通過將它們通入加熱的金屬輥表面和硅橡膠輥表面的夾，使層與層之間迭合在一起。過濾層的已膨脹的聚四氟乙烯膜接觸熱輥表面。已加熱輥的溫度為約180℃，線速約6米/分，夾的壓力為約294KPa(3kg/cm2)。在過濾層的粘接表面上相鄰的粘接點的距離平均約0.2mm，不超過0.5mm。
過濾層和緩沖層間的粘接強度約250g/3cm-寬，緩沖層與支撐層間的粘接強度為150g/3cm-寬。
對比例1一般的表面過濾材料中是將表面過濾膜直接迭合到支撐層上來制備，以便與上述例1中本發(fā)明的物品比較。
由例1的過濾層和支撐層材料組成的對比過濾材料是如例1描述的那樣迭合，形成在過濾層和支撐層之間沒有緩沖層的2-層表面過濾材料。
例1的過濾物品和對比例1的過濾物品都進行親水處理，以便用水溶液測試它們。例1的物品和對比例1的物品都用1%的親水共聚物(80mol%的聚乙烯醇/20mol%四氟乙烯)的溶劑混合物的溶液涂覆。該溶液混合物是由4份(重量)甲醇與1份乙醇組成的。
從例1與對比例1的物品材料得到如上述的流動壓力試驗。在試驗后，檢測材料表明例1的物品經(jīng)受住了試驗，沒任何損傷。而對比例1的物品的機織支撐層被迫凹陷，在試驗區(qū)(約17cm2)有50個以上的小洞，不適于過濾使用。然后，例1和對比例1的物品的材料進行上述的過濾試驗。起初，兩個試驗的濾液清晰度均在20ppm或更小的粒狀物范圍，且流速基本上相同。但是，到試驗完成50小時后，兩種材料間的濾液清晰度和濾液流速出現(xiàn)了顯著地差別。結(jié)果示于表1和2。
表1過濾速率(m3/m2/時)試驗時間(時)50100200400500例11.41.41.41.41.4對比例11.11.00.90.90.8表2清澈度(ppm)試驗時間(小時)50100200400500例11010101010對比例1100100110120130在表1和2中所示的每一時間間隔，過濾臨時停止，以排出濾餅。記錄每個時間中斷過濾，從兩種試驗材料的表面完全排出濾餅。而發(fā)現(xiàn)對比例1的材料表面受到了損傷。檢查對比例1的材料表面，發(fā)現(xiàn)在表面上有許多小洞，以及脫層的區(qū)域過濾層從支撐層上剝落下來。而且，表1和2中的數(shù)據(jù)表明，通過對比例材料的流速損失較大，且濾液的清晰度顯著降低。
對比例材料的過濾性能變壞認為是由材料所觀察到的損傷引起。通過表面上小洞的一些粒狀物也將通過支撐層，因此，使濾液的清晰度降低。同時，粒狀物將聚集在支撐層，并開始堵塞支撐層，由此使濾液的流速降低。
檢查例1的本發(fā)明的層狀復(fù)合過濾材料表明材料未受損傷。表1和2的數(shù)據(jù)清楚地表明處于試驗過程的材料的過濾性能沒有改變。
例2本發(fā)明的層狀復(fù)合材料制備如下多孔膨脹的聚四氟乙烯膜的厚度約30μm，孔容積為約90%，將其用作過濾層。
紡粘型非織造聚丙烯布如例1中所描述，用作緩沖層。
在機器方向和橫向都是用單絲聚丙烯纖維紡織的機織織物用作支撐層。該織物織成緞紋織造圖案，空氣的滲透率為75cc/cm2/秒。
過濾層和緩沖層的材料迭合在一起形成一個組件。層與層使用熱熔合法通過將它們通入加熱的金屬輥表面和硅橡膠輥表面之間的夾粘接在一起。過濾層膨脹的聚四氟乙烯膜與加熱輥表面接觸。加熱輥的溫度為約180℃，線速約3米/分，夾的壓力約294KPa(3kg/cm2)。在過濾層和緩沖層的粘接表面上粘接相鄰點間的距離平均為0.2mm，不超過0.5mm。過濾層和緩沖層間的粘接強度約150g/3cm-寬。然后將迭合的組件連接并通過火焰結(jié)合使邊緣與支撐層封合，這樣就形成了有一個大的區(qū)域的層狀復(fù)合過濾材料，而在緩沖層和支撐層間沒有層間粘接。
權(quán)利要求
1.一種依次包括多層的復(fù)合過濾材料(a)一合成聚合物纖維的機織薄層的多孔支撐層，(b)一合成聚合物纖維非機織薄層的多孔緩沖層，比上述支撐層具有更可拉伸性和更可壓縮性，(c)一多孔的聚四氟乙烯膜的過濾層，上述的支撐層(a)粘接到上述緩沖層(b)的一個表面上和上述過濾層(c)粘接到上述緩沖層的另一表面上。
2.按權(quán)利要求1的復(fù)合過濾材料，其中(ⅰ)機織支撐層的合成聚合纖維是聚丙烯纖維，(ⅱ)非機織緩沖層的合成聚合物纖維是聚丙烯纖維，和(ⅲ)多孔聚四氟乙烯膜是一多孔膨脹的聚四氟乙烯膜。
3.按權(quán)利要求1或2的復(fù)合過濾材料，其中過濾層(c)粘接到緩沖層(b)的一個表面形成一個組件，上述的組件只在邊緣與支撐層(a)連接和封合。
4.按權(quán)利要求1或2的復(fù)合過濾材料，其中各層通過熱熔化粘接。
5.按權(quán)利要求3的復(fù)合過濾材料，其中各層是通過熱熔化粘接。
6.按權(quán)利要求4的復(fù)合過濾材料，其中各層在第一粘結(jié)位置和第二粘結(jié)位置粘接。上述第一粘合位置彼此是分開的，其間距為5mm或更短，和上述第二粘結(jié)位置是在上述第一粘合位置之間的間隔內(nèi)，彼此也是分開的，其距離為1mm或更短。
全文摘要
過濾用的層狀復(fù)合材料，它有一過濾層、一緩沖層和一支撐層。緩沖層比支撐層更可壓縮和更可拉伸，并傳遞強度且使復(fù)合材料具耐用性。
文檔編號B32B5/24GK1101590SQ931148
公開日1995年4月19日 申請日期1993年10月12日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月22日
發(fā)明者Y·最上, A·森谷 申請人:日本戈爾-特克斯株式會社