專利名稱：含有全并駐點(diǎn)的支撐和過濾纖維的非織造熔噴流體過濾介質(zhì)、應(yīng)用的過濾筒及其制備方 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及流體過濾領(lǐng)域，更具體而言，本發(fā)明涉及熔噴流體過濾介質(zhì)。優(yōu)選的形式為過濾介質(zhì)可配置在圓筒形的過濾筒內(nèi)，其中將過濾介質(zhì)配置在鄰接的數(shù)個(gè)環(huán)形非織造熔噴過濾介質(zhì)層的至少一個(gè)內(nèi)。關(guān)于這一點(diǎn)，相鄰環(huán)形層可呈現(xiàn)梯度變化的孔徑/密度，以便在過濾筒的整個(gè)深度中(即所謂的“深度過濾筒”)獲得選擇性的流體過濾效率梯度。
背景技術(shù)：
人們已經(jīng)知道由大量非織造熔噴聚合物形成的深度過濾筒廣泛地用于流體過濾用途中。通常，這種熔噴過濾筒是通過將聚合物經(jīng)熔噴模上的孔擠壓以形成朝向旋轉(zhuǎn)成形心軸的纖維而形成的。在熔噴期間，一股惰性氣體(例如空氣)流作用于熔融纖維上，使纖維變細(xì)達(dá)到相當(dāng)小的直徑并且在成形心軸上無規(guī)分布變細(xì)的纖維。因此，在整個(gè)時(shí)間內(nèi)，在成形心軸上形成大量非織造無規(guī)攙和的固化纖維。因此，控制所形成的熔噴纖維相對(duì)于熔噴模的軸向移動(dòng)，將連續(xù)形成不定長度的圓筒形過濾筒。
在熔噴期間，人們已經(jīng)熟知可以改變關(guān)于熔噴模的一個(gè)或多個(gè)工藝條件，以便能獲得所生成熔噴纖維在纖維直徑和/或密度及其孔的尺寸的各種特性。例如在美國專利3,904,798和3,801,400中，(每篇內(nèi)容在本文中引作參考)公開了一種技術(shù)，其中(i)聚合物溫度，(ii)聚合物擠壓速度，(iii)成形心軸的旋轉(zhuǎn)速度，(iv)在熔噴模和成形心軸間的距離，和/或(v)與成形心軸相關(guān)的導(dǎo)輥的重量，上述的各種參數(shù)可以變化以得到相對(duì)于在先熔噴相鄰層漸變的熔噴纖維層密度。
美國專利4,594,202和US4,726,901(每篇內(nèi)容在本文中引作參考)公開了一種技術(shù)，其中各熔噴纖維的纖維直徑可控制地變化以獲得基本上恒定的空隙容積，以用于在過濾筒的整個(gè)徑向尺寸(深度)中每個(gè)纖維直徑的變化值而基本上沒有產(chǎn)生纖維與纖維的粘合。
在使用中，過濾筒必需能夠承受分布在其徑向厚度上的顯著壓力降(隨著從過濾流體中截留脫出顆粒的增加，壓力降也升高)。為了容許過濾筒在設(shè)計(jì)限度內(nèi)承受壓力降而過濾介質(zhì)不會(huì)塌陷，已有的傳統(tǒng)實(shí)施包括一由過濾介質(zhì)圍繞的單獨(dú)的多孔管芯(請(qǐng)參見美國專利3,933,557、4,032,688、4,112,159，每篇內(nèi)容在本文中引作參考)。
在本領(lǐng)域中，人們?cè)ㄗh生產(chǎn)含有大量非織造熔噴纖維的“空心”深度過濾筒，例如美國專利4,240,865(該內(nèi)容在本文中引作參考)公開了一種技術(shù)，其中通過改變施加到在成形心軸上的積聚纖維上的壓力來制造一空心的熔噴過濾筒，以便得到不同介質(zhì)密度的過濾器。因此，雖然通過改變從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域在這種積聚纖維上的壓力使得在各個(gè)層中的纖維直徑基本上恒定，而制得的過濾筒其最內(nèi)部區(qū)域具有足夠高的密度以用作一完整的“芯體”。
最近，美國專利5,340,479(該內(nèi)容在本文中引作參考)公開了一種由熔噴纖維形成的深度過濾筒，該熔噴纖維在過濾器的中心區(qū)域具有直徑足夠大的熱粘合到結(jié)構(gòu)中的支撐纖維絲，所述結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度足以支撐過濾器結(jié)構(gòu)的其余部分而不會(huì)塌陷。由此，這種較大直徑纖維的區(qū)域用作完整的“芯體”以支撐周圍的較小直徑的過濾纖維。
雖然上述的過濾筒具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是還需進(jìn)行一些改進(jìn)。例如如果提供一個(gè)熔噴的非織造過濾筒，特別希望提供具有整體支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)環(huán)形過濾區(qū)域。進(jìn)而希望，如果這種整體的支撐結(jié)構(gòu)是以連續(xù)生產(chǎn)的熔噴支撐纖維的形式，上述的支撐纖維在一個(gè)和多個(gè)環(huán)形過濾區(qū)域內(nèi)與同時(shí)熔噴過濾纖維是全并駐點(diǎn)的(integrally co-located)(即攙和的)，從而使得過濾特征和壓力降限定在選定的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)以滿足具體的最終使用用途。本發(fā)明可以滿足這種需要。
發(fā)明概述概括而言，本發(fā)明涉及一種由大量非織造熔噴支撐纖維和過濾纖維形成的過濾介質(zhì)，上述的支撐纖維和過濾纖維是彼此全并駐點(diǎn)的。支撐纖維與和其全并駐點(diǎn)的過濾纖維相比具有較大的平均直徑。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，過濾介質(zhì)配置在過濾元件的至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域中，例如可配置在圓筒形的過濾筒中，上述的過濾筒有一由過濾介質(zhì)圍繞著的軸向細(xì)長的中空通道。
因此，本發(fā)明的圓筒形過濾筒優(yōu)選具有至少一個(gè)環(huán)繞一中心軸向細(xì)長的中空通道的環(huán)形過濾區(qū)域，并且完全由并駐點(diǎn)的較大直徑的支撐纖維和較小直徑的過濾纖維形成。因此，本發(fā)明的一深度過濾筒可形成有一個(gè)或多個(gè)彼此成環(huán)形關(guān)系的附加過濾區(qū)域(附加過濾區(qū)域分別可提供有或不提供有全并駐點(diǎn)的支撐纖維)。因?yàn)椋鶕?jù)本發(fā)明生成了熔噴非織造纖維結(jié)構(gòu)，至少一個(gè)過濾區(qū)域具有與較小直徑的過濾纖維全并駐點(diǎn)的較大直徑的支撐纖維，由此提供一個(gè)過濾筒，該過濾筒具有寬范圍的“設(shè)計(jì)”物理特性(例如在過濾、容許的壓力降等方面)。
在詳細(xì)閱讀了本發(fā)明優(yōu)選示例性實(shí)施方案的描述之后，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。
附圖簡述下面參見附圖，其中在各個(gè)附圖中相同的代號(hào)表示相同的結(jié)構(gòu)元件，其中

圖1是生產(chǎn)本發(fā)明過濾筒的一個(gè)優(yōu)選熔噴系統(tǒng)的示意透視圖；圖2A是圖1所示的熔噴系統(tǒng)的端視示意圖；圖2B是可用于本發(fā)明的另一個(gè)熔噴系統(tǒng)的端視示意圖；圖3是生產(chǎn)本發(fā)明過濾筒的又一個(gè)熔噴系統(tǒng)的端視示意圖；圖4是局部透視示意圖，示出本發(fā)明的一個(gè)示例的圓筒形過濾筒；圖5是示出本發(fā)明在并駐點(diǎn)的支撐纖維和過濾纖維之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖；圖6A-6F是分別對(duì)應(yīng)于下列實(shí)施例獲得的本發(fā)明筒IC1-IC6的各顯微照片，示出熔噴的全并駐點(diǎn)的支撐纖維和過濾纖維之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系；圖7A-7C是分別對(duì)應(yīng)于按照實(shí)施例1試驗(yàn)的過濾筒的初始顆粒去除效率、堵塞數(shù)據(jù)和濁度率的圖表；圖8A-8C是分別對(duì)應(yīng)于按照實(shí)施例2試驗(yàn)的過濾筒的初始顆粒去除效率、堵塞數(shù)據(jù)和濁度率的圖表；圖9A-9C是分別對(duì)應(yīng)于按照實(shí)施例3試驗(yàn)的過濾筒的初始顆粒去除效率、堵塞數(shù)據(jù)和濁度率的圖表；圖10A-10C是分別對(duì)應(yīng)于按照實(shí)施例4試驗(yàn)的過濾筒的初始顆粒去除效率、堵塞數(shù)據(jù)和濁度率的圖表；
圖11A-11C是分別對(duì)應(yīng)于按照實(shí)施例5試驗(yàn)的過濾筒的初始顆粒去除效率、堵塞數(shù)據(jù)和濁度率的圖表；優(yōu)選實(shí)施方案詳述附圖1示意出按照本發(fā)明的特別適用于生產(chǎn)深度過濾筒FC的設(shè)備10的一種形式。參見圖1，設(shè)備10一般包括一由一定長度的多孔管12構(gòu)成的成形心軸(它最后形成過濾筒FC的芯)，該成形心軸由斜交驅(qū)動(dòng)輥14a-14C支承以便做軸向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(分別按箭頭Aa和Ar)。另一套輥?zhàn)?4a-14c(沒有示出)設(shè)置在下游和管12上的過濾介質(zhì)的外表面接觸。由分別對(duì)應(yīng)的擠壓機(jī)18a-18c供料的熔噴模16a-16c機(jī)組以平行于多孔管12的軸向運(yùn)動(dòng)(箭頭Aa)方向列成一行，以便順序地朝向多孔管12熔噴過濾纖維，從而分別形成過濾筒FC(參見圖4)的至少三個(gè)環(huán)形區(qū)域Z1-Z3。
熔噴模16a-16c在其內(nèi)和其自身上通常是每一個(gè)模都經(jīng)管路19供給有加壓流體流(例如加壓空氣)，該加壓流體流作用于由每個(gè)模排出的纖維熔融流上，從而使各纖維變細(xì)并將它們推向多孔管12。擠壓機(jī)18a-18b和/或與各自的模16a-16c有關(guān)的空氣流可以由計(jì)量泵20a-20c和流量控制計(jì)21a-21c單獨(dú)控制，上述計(jì)量泵和流量控制器可有效地連接于主控制器MC1。因而，擠壓機(jī)可以用溫度、聚合物流量等控制，同時(shí)空氣流也可由壓力、流量等控制，以便可以選擇任意個(gè)工藝條件以獲得所需直徑的熔噴纖維。這些工藝條件可由操作者設(shè)定在主控制器MCi中，其數(shù)值取決于所需待制造的過濾筒FC，從而使得各個(gè)環(huán)形區(qū)域Z1-Z3可以自動(dòng)地制造出來。
多孔管的軸向運(yùn)動(dòng)(以及由熔噴模16a-16c操作使得分別積聚在環(huán)形區(qū)域Z1-Z3上的熔噴纖維)由旋轉(zhuǎn)速度和驅(qū)動(dòng)輥14a-14c的斜交角度來控制。然而，最終來自模16a-16c的不定但預(yù)定長度的積聚熔噴纖維管狀部分的長度沿軸向延伸超出模16a-16c機(jī)組。接著人工或自動(dòng)地操作一種傳統(tǒng)的切割設(shè)備(例如裝備成往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械鋸MS)，以切斷延伸長度，從而形成過濾筒FC。在這種方法中，圖1所示的設(shè)備10連續(xù)地順序形成過濾筒FC。然后在后續(xù)的形成尺寸的工藝中(沒有示出)將過濾筒FC切割成最后的長度。
本發(fā)明的重要之處是設(shè)備10至少裝備一個(gè)附加的熔噴模22a，該模22a相對(duì)于圓錐形收集/輸送輥23徑向間隔的配置。類似于模16a-16c，一般結(jié)構(gòu)的模22a排出一組聚合物纖維熔融流，該流受到經(jīng)由管路25供至模22a的加壓流體(例如空氣)流的作用。將聚合物熔融流供給模22a的擠壓機(jī)24a的操作可以和與模22a有關(guān)的流體流一起分別由控制器27a和29a控制，以便得到與模16a所形成的過濾纖維的直徑相比相對(duì)較大直徑的支撐纖維?？刂破?7a、29a可以有效地連接到主控制器MC2，以便操作者輸入必要的工藝設(shè)定值，以獲得所需直徑的支撐纖維。
模22a相對(duì)于收集/輸送輥23以這樣的方式定位，即從模噴出的變細(xì)的支撐纖維射到輥23的旋轉(zhuǎn)外表面上并由該表面載帶，以便使其對(duì)著由模16a和/或16b射出的過濾纖維流并將其輸送到圖2A示出的成形過濾筒的表面上。因此，通過圖2A所示的方式定位模22a，從該模射出的支撐纖維流應(yīng)基本不受與從模16a和/或16b射出的過濾纖維流相關(guān)的細(xì)空氣流的影響，反之亦然。換言之，一方面從模22a射出、另一方面從模16a、16b射出的纖維流和與其有關(guān)的細(xì)空氣流借助于插入模22a和模16a、16b之間的收集/輸送輥23相互屏蔽或“遮擋”，以便對(duì)各個(gè)流實(shí)現(xiàn)適宜的工藝控制。
模22a和模16a的一種可選擇的布置如圖2B所示。參見圖2B，模22a和模16a基本上在同一平面，但處于收集/輸送輥23的相對(duì)側(cè)，即模22a和模16a彼此相對(duì)地沿軸向?qū)χ?。在這種布置中，輥23將可有利地用于防止從模16a射出的纖維流由從模23a射出的纖維流如圖2A所示借助于其流體流屏蔽定位而中斷。從而，根據(jù)本發(fā)明，模22a可以以相對(duì)于穿過收集/輸送輥23的水平平面在0°-90°之間成角度的定位。當(dāng)采用圖2A描述的實(shí)施方案時(shí)，模22a以相對(duì)于穿過收集/輸送輥23的水平平面約成45°定位是最優(yōu)選的。
在升高的溫度下從模22a射出纖維，使支撐纖維在整個(gè)輥23的旋轉(zhuǎn)部分保持充分的熔融狀態(tài)直到它們對(duì)著從模16a和/或16b射出的過濾纖維流。因而在這種方式中，處于充分熔融狀態(tài)的支撐纖維對(duì)著從模16a和/或16b射出的過濾纖維流，從而使至少一部分支撐纖維和過濾纖維在它們的交叉點(diǎn)處彼此熔融粘合。也就是說，由于支撐纖維保持充分的軟化狀態(tài)或熔融狀態(tài)，之后在輥23和過濾筒之間壓縮區(qū)域處形成的過濾纖維壓緊將引起至少一部分支撐纖維和過濾纖維在它們的各個(gè)交叉點(diǎn)處彼此熔融粘合，這種粘合達(dá)到這樣的程度，以至于這種支撐纖維和過濾纖維在冷卻時(shí)能夠均勻一致的熔合。這種至少一部分支撐纖維和過濾纖維的熔合是非常有利的，因?yàn)閾?jù)信這有利于過濾筒改善其承受穿過它們的徑向厚度的較大壓力降。如果需要，可以通過外部裝置例如用電阻加熱器和/或由圖1中示出的加熱器23a傳送到輥23的加熱流體(例如加熱空氣)來加熱收集/輸送輥23，以得到支撐纖維當(dāng)其對(duì)著過濾纖維時(shí)所需的至少部分熔融特征。
支撐纖維模22a可以選擇性地相對(duì)于過濾纖維模16a以圖3描述的方式定位。如圖所示，支撐纖維模22a以這樣的方式定位，使得由該處射出的支撐纖維由從模16a射出的過濾纖維流夾帶走。在這種選擇性的模布置中，模22a相對(duì)于模16a基本上成90°但位于其下游定位是最優(yōu)選的。以這種方式，從模22a射出的支撐纖維由從模16a射出的過濾纖維夾帶走并纏結(jié)在一起，以便在射到待形成的過濾筒上時(shí)形成含有支撐纖維和過濾纖維的非織造纏繞物質(zhì)。在這種情況下，支撐纖維和過濾纖維將熱粘合到如上述圖2A和2B描述的程度。
一種用上述圖1-3描述的設(shè)備形成的示例性深度過濾筒FC在圖4中示出。在圖4中描述的過濾筒FC含有三層環(huán)繞中心多孔管12的環(huán)形過濾區(qū)域Z1-Z3，這是因?yàn)樵谠O(shè)備10中使用了三個(gè)模16a-16c。然而也可使用多于三個(gè)或少于三個(gè)模16a-16c，這取決于具體過濾筒的設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，可以在模16c的下游設(shè)置一附加的模16d和與它有關(guān)的擠壓機(jī)18d以及控制器20d、21d，以形成第四層環(huán)形過濾區(qū)域。同樣可在實(shí)際中僅使用一或二個(gè)模、例如16a和/或16b以及和它們各自有關(guān)的擠壓機(jī)18a和18b，以便形成的過濾筒僅含有一個(gè)或二個(gè)相應(yīng)的環(huán)形區(qū)域。
同樣，相對(duì)于一個(gè)或多個(gè)模16b-16c(和如果有模16d)可以徑向間隔開設(shè)置一個(gè)或多個(gè)其它模(如在圖1中所示的模22b和與它有關(guān)的擠壓機(jī)24b和控制器27b，29b)，以便其它環(huán)形區(qū)域可以與由模22a和與它相關(guān)的擠壓機(jī)24a提供相類似的方式設(shè)置有相對(duì)較大直徑的支撐纖維。同樣，可以設(shè)置這些附加模22b，以便并駐例如不同聚合物的非支撐纖維，從而在一個(gè)和多個(gè)環(huán)形區(qū)域Z1，Z2和/或Z3獲得纖維的混合。然而，模22b如模22a一樣可從擠壓機(jī)24a供料，以形成相同聚合物的支撐纖維。在任意情況下，可選擇模22a和/或22b的工藝條件，以形成相對(duì)不同直徑的支撐纖維。因而，例如也可使用模22b以形成與由模22a形成的支撐纖維和由模16a形成的過濾纖維相比具有中間直徑的支撐纖維。
可以了解，在圖2A、2B和3中，描述了僅一個(gè)模22a和16a，但是有關(guān)上述圖的討論也可同樣適用于模22b和16b-16d等的相對(duì)定位。
在上述討論的設(shè)備10中，由于分別操作模16a和22a，最內(nèi)的環(huán)形區(qū)域Z1設(shè)有相對(duì)大直徑的支撐纖維和相對(duì)小直徑的的過濾纖維。然而以上也要注意的是，一個(gè)或多個(gè)另外的區(qū)域Z2-Z3也可設(shè)有這種相對(duì)大直徑的支撐纖維。在圖5中示出形成示例性區(qū)域Z1的纖維結(jié)構(gòu)圖示。
在區(qū)域Z1內(nèi)，相對(duì)小直徑的過濾纖維30和相對(duì)大直徑的支撐纖維是全并駐點(diǎn)的，也就是說，通過它們的各個(gè)模16a和22a熔噴過濾纖維30和支撐纖維32，使其射到中心管12上以便彼此摻混。用于說明書和所附權(quán)利要求書中的術(shù)語“全并駐點(diǎn)的”指的是輸送相對(duì)較小直徑的過濾纖維30和較大直徑的支撐纖維32是彼此緊緊纏繞著的。相對(duì)較小直徑的過濾纖維和較大直徑的支撐纖維可以加熱方式粘合到一定的程度。即簡言之，至少一部分過濾纖維可以加熱方式在它們各個(gè)交叉點(diǎn)處熔結(jié)到至少一部分支撐纖維上。
參看圖5，相對(duì)大直徑的支撐纖維32形成了由大量纏繞的過濾纖維30充滿的敞開區(qū)域或空隙的無規(guī)基質(zhì)。這種空隙無規(guī)基質(zhì)由支撐纖維32確定，它提供一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)以用來支撐過濾纖維30。人們推測，支撐纖維32基本上和過濾筒的過濾性能無關(guān)。而據(jù)信整體過濾效率基本上由占據(jù)支撐纖維網(wǎng)絡(luò)中空隙的過濾纖維物質(zhì)30來確定。然而，人們認(rèn)為，支撐纖維基本上用來支撐過濾纖維30，防止由于壓力升高所引起的塌陷，使得使用中它們的過濾效率得以延長。
優(yōu)選的，相對(duì)較小直徑的過濾纖維具有的平均直徑在約1-50μm之間，更優(yōu)選的在約1-40μm之間。相對(duì)大直徑的支撐纖維優(yōu)選具有的平均直徑在約60-500μm之間，更優(yōu)選在80-300μm之間。上述過濾纖維直徑是在過濾筒的單個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)的平均直徑。平均過濾纖維直徑大于約20μm的過濾筒區(qū)域可以不要求有支撐纖維。然而，如果在過濾筒區(qū)域內(nèi)存在相對(duì)大直徑的支撐纖維，則其優(yōu)選含有重量百分比約10-60％、較優(yōu)選約20-50％的纖維，這些纖維構(gòu)成其中使用支撐纖維的過濾區(qū)域。
實(shí)際上，任何能熔噴的聚合物都可用于形成本發(fā)明的過濾筒FC，這種聚合物例如可是聚烯烴(例如聚合物和聚乙烯、聚丙烯等的共聚物)，聚酰胺(例如尼龍-6，尼龍-6，6和其它尼龍)，聚酯(例如聚乙烯對(duì)苯二酸酯，聚丁烯對(duì)苯二酸酯，聚環(huán)己烯二亞甲基對(duì)苯二酸酯等)，乙縮醛，含氟聚合物(例如乙烯-氯三氟-乙烯)，聚苯硫醚，生物可降解聚合物〔例如聚(丙交酯)〕，液晶聚合物，回收聚合物，聚醚醚酮(PEEK)，聚苯乙烯，例如氯乙烯等亞乙烯基單體聚合物，乙烯基乙酸鹽，偏氯乙烯和丙烯腈及其混合物；特別優(yōu)選的是聚烯烴、聚酯和尼龍。
每個(gè)區(qū)域Z1-Z3可以由同一聚合物形成的過濾纖維構(gòu)成，或者也可由不同聚合物形成的過濾纖維構(gòu)成，以便實(shí)現(xiàn)過濾筒設(shè)計(jì)者的特定最終使用用途的目的。同樣的，過濾纖維30和支撐纖維32可以由相同的聚合物或不同的聚合物形成，或者根據(jù)需要可由不同熔流指數(shù)的相同聚合物形成。
參照下列非限制性實(shí)施例進(jìn)一步理解本發(fā)明。
實(shí)施例A.概況在下述的實(shí)施例中，本發(fā)明筒IC1-IC6的幾個(gè)過濾筒采用基本上如圖3示出形式的設(shè)備制造，但以下述方式作了改進(jìn)。過濾纖維從三個(gè)傳統(tǒng)的6英寸寬的熔噴模產(chǎn)生，每個(gè)模含有88個(gè)直徑為0.015英寸的聚合物小孔和可調(diào)整的空氣間隙。如圖1所示，模列成一行并平行于過濾筒的支撐芯，以形成含有三個(gè)過濾介質(zhì)環(huán)形區(qū)域的過濾筒。過濾纖維?？諝忾g隙設(shè)定為在內(nèi)、中和外區(qū)域模分別為0.025、0.030和0.035英寸。
每個(gè)模都由一個(gè)獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)計(jì)量泵供給熔融聚合物。由一臺(tái)直徑為3/4英寸的24/1L/D擠壓機(jī)(Killion Extruders Inc，Model KLB075)供給每個(gè)計(jì)量泵。將加熱的壓縮空氣供給三個(gè)模以散射纖維并將它們推向支撐芯。在實(shí)施例中可采用不同的空氣溫度，然而，在每個(gè)實(shí)施例中在三個(gè)模的每一個(gè)中空氣溫度都是一樣的。為每個(gè)模選擇的工藝?yán)缈諝饬髁?、聚合物溫度和聚合物流量都可以變化，以在相?yīng)的過濾介質(zhì)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)出所需直徑的過濾纖維。從模表面到支撐芯的距離(即由空氣流散射和輸送過濾纖維的整個(gè)距離)在所有實(shí)施例中被恒定地控制在16英寸。
支撐纖維由一單個(gè)的直徑為1英寸的、裝備有一適當(dāng)?shù)睦w維成形模的24/1L/D擠壓機(jī)(Rainville Company)產(chǎn)生。二個(gè)不同的用于形成支撐纖維的模設(shè)計(jì)在下面描述，擠壓機(jī)安裝在可移動(dòng)的基座上，其高度和角度可以調(diào)節(jié)，以滿足相對(duì)于過濾纖維流和筒體的模位置靈活性的需要。在實(shí)施例中，使用的各模的位置在下面描述，在所有的實(shí)例中，支撐纖維模的定位是這樣的，在過濾纖維模和筒之間將支撐纖維直接排入過濾纖維流中。支撐纖維模相對(duì)于過濾纖維流成大約90°并且高度在過濾纖維流以上大約9英寸距離。支撐纖維模也可這樣定位，使得支撐纖維在靠近過濾纖維模的出口處(即，在過濾纖維模的下游間隔約2英寸)進(jìn)入過濾纖維流。從與供給過濾纖維模相同的供給源將加熱的壓縮空氣供給支撐纖維模，從而，支撐纖維模在與過濾纖維模相同的空氣溫度下操作。從支撐纖維模排出的空氣用作散射支撐纖維并輸送這些纖維進(jìn)入過濾纖維流。然后由過濾纖維空氣流將支撐纖維吹到筒上。為了獲得所需直徑的支撐纖維，選擇的空氣流量、聚合物溫度和聚合物流量可以進(jìn)行工藝變化。
在以一般旋轉(zhuǎn)速度約250RPM旋轉(zhuǎn)的、以一般速度約為19英寸/分鐘軸向移動(dòng)的多孔支撐管上收集支撐纖維和過濾纖維。如果需要，一般在操作中上述的速度可以調(diào)節(jié)，以保持均勻的筒的外徑。
除非另有說明，由聚乙烯均聚物材料形成下列實(shí)施例的過濾纖維和支撐纖維，上述材料具有的供給熔融流量為38g/10分鐘、密度為0.904g/cm3(Amoco Chemical Company，Grade7956)。所使用的多孔支撐管是直徑為1.31英寸O.D×1.09英寸ID的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)注射模塑聚丙烯過濾芯。該實(shí)施例筒的尺寸為2.44英寸O.D×1.09英寸I.D×10英寸長。
本發(fā)明筒IC1-IC6的平均介質(zhì)空隙容積和透氣率按照下述確定平均介質(zhì)空隙容積在筒中的過濾介質(zhì)的平均空隙容積以百分比計(jì)，這種性能通過測量過濾介質(zhì)試樣的尺寸(內(nèi)徑，外徑和長)和重量并計(jì)算試樣的密度來確定，然后按照下式計(jì)算平均空隙容積
式中Dr是樹脂密度(＝0.904g/cm3)；Dm是介質(zhì)的密度。
透氣率完全未使用過的過濾筒的透氣率可以表示為在規(guī)定的空氣流量下的壓差，這種性能可通過使壓縮空氣流經(jīng)以2SCFM/10＂速度通過筒并同步測量穿過該筒的壓差(以英寸水柱計(jì)的AP)來確定。流動(dòng)方向是從里向外，即開始通過多孔支撐管，然后通過過濾介質(zhì)。
本發(fā)明筒IC1-IC6的平均介質(zhì)空隙容積、透氣率和其它的物理屬性在以下的物理參數(shù)表中示出。
B.過濾筒性能試驗(yàn)該實(shí)施例筒的過濾性能按照Memtec AmericaCorporation Technical Bulletin No.1903-T(1991)(全文在本文中引入作為參考)描述的方法計(jì)算，然后分析試驗(yàn)試樣，得到各種性能和參數(shù)如下初始顆粒去除效率每個(gè)試驗(yàn)過濾筒的初始顆粒去除效率按照進(jìn)口和出口流體試樣的顆粒尺寸分析來確定。使用電子顆粒計(jì)算器(CoulterElectronics，Inc.Model TAII)測量顆粒的尺寸和數(shù)量。用β系數(shù)表示效率，按下式計(jì)算βx=IxQx]]>式中X＝以微米計(jì)的顆粒尺寸(μm)；βx＝顆粒尺寸x時(shí)的β系數(shù)；Ix＝在進(jìn)口試樣中的尺寸為x的顆粒數(shù)量；以及Ox在出口試樣中的尺寸為x的顆粒數(shù)量。
初始顆粒去除效率表示為β系數(shù)與顆粒尺寸的函數(shù)曲線。
堵塞參數(shù)每個(gè)筒的堵塞性能通過監(jiān)測穿過該筒的壓差(AP)并每20分鐘記錄其結(jié)果來計(jì)算。堵塞參數(shù)表示為AP與操作時(shí)間的函數(shù)曲線。
濁度率每個(gè)筒的濁度率按照進(jìn)口和出口流體試樣的濁度測量每20分鐘確定。使用傳統(tǒng)的濁度計(jì)(Hach Chemical company，Model2100A)在濁度測量濁度單元內(nèi)(NTU)測量試樣的濁度。每20分鐘按下式計(jì)算濁度率
式中Ti是進(jìn)口濁度；以及To是出口濁度。
然后將濁度率結(jié)果與操作時(shí)間成函數(shù)曲線繪制。
實(shí)施例1對(duì)于該實(shí)施例1，支撐纖維模包括一排9個(gè)噴嘴，每個(gè)噴嘴設(shè)計(jì)相似，其類型公開在美國專利3,543,332(在本文中引作參考)中。每個(gè)噴嘴含有一單個(gè)的直徑為0.035英寸的聚合物孔和三個(gè)直徑為0.083英寸的空氣孔。9個(gè)噴嘴平行于該筒的軸線排成一排且間隔距離超過18英寸。支撐纖維模是這樣定位的，將支撐纖維排入過濾纖維流的整個(gè)寬度內(nèi)以實(shí)現(xiàn)在該筒的每個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)支撐纖維和過濾纖維混合。使用的系統(tǒng)空氣溫度為550°F。根據(jù)本發(fā)明(本發(fā)明筒，稱為ICI)每個(gè)模用以生產(chǎn)筒的工藝條件如下
為了評(píng)價(jià)支撐纖維的作用，按照上述條件制造完全由過濾纖維(稱為“CC1”的對(duì)照筒1)形成的筒，只是沒有使用支撐纖維模。然后在同樣的試驗(yàn)條件下并排對(duì)上述二個(gè)筒進(jìn)行性能試驗(yàn)，這種試驗(yàn)結(jié)果顯示在圖7A-7C中，而IC1纖維結(jié)構(gòu)的顯微照片示于圖6A。
實(shí)施例2該實(shí)施例2的支撐纖維模是傳統(tǒng)的6英寸寬熔噴模，它含有12個(gè)直徑為0.015英寸的聚合物孔和1個(gè)設(shè)定為0.050英寸的空氣間隙。支撐纖維模這樣定位，使得支撐纖維主要收集在過濾介質(zhì)的內(nèi)區(qū)域和過濾纖維中部區(qū)域的一小部分內(nèi)。空氣溫度是500°F，根據(jù)本發(fā)明(稱為“IC2”的本發(fā)明筒2)每個(gè)模生產(chǎn)筒所采用的工藝如下
為了評(píng)價(jià)支撐纖維的作用，按照上述條件制造完全由過濾纖維(稱為“CC2”的對(duì)照筒2)形成的筒。然后對(duì)上述二個(gè)筒進(jìn)行性能試驗(yàn)，這種試驗(yàn)結(jié)果顯示在圖8A-8C中，而IC2纖維結(jié)構(gòu)的顯微照片示于圖6B。
實(shí)施例3重復(fù)實(shí)施例2，不同的是支撐纖維模聚合物流量降低為27.4g/分鐘，從而降低了筒中支撐纖維的含量。對(duì)得到的筒(稱為“IC3”的本發(fā)明筒3)進(jìn)行性能試驗(yàn)，與不含任何支撐纖維但含有在相同條件下生產(chǎn)的過濾纖維的筒(稱為“CC3”的對(duì)照筒3)相比，其結(jié)果顯示在圖9A-9C中，IC3纖維結(jié)構(gòu)的顯微照片示于圖6C。
實(shí)施例4該實(shí)施例4的支撐纖維模定位成通過移動(dòng)支撐纖維模使其與內(nèi)過濾纖維模排成一行而僅僅在內(nèi)環(huán)形區(qū)域收集纖維。根據(jù)將生產(chǎn)的筒剖切開并分析，顯示出在中部區(qū)域收集的支撐纖維只有很少量。然而，人們認(rèn)為，在中部區(qū)域內(nèi)的支撐纖維的比例低于上述實(shí)施例。支撐纖維聚合物是聚丙烯材料，具有的熔融流量為每10分鐘12g(HimontUSA，Inc.，Grade PD626)。使用的壓縮空氣溫度為500°F，模的工藝條件如下
對(duì)得到的筒(稱為“IC4”的本發(fā)明筒4)進(jìn)行性能試驗(yàn)，與使用上述實(shí)施例2和3的過濾模纖維條件生產(chǎn)的且不含支撐纖維的筒(稱為“CC4”的對(duì)照筒4)對(duì)照。其結(jié)果顯示在圖10A-10C，而IC4的纖維結(jié)構(gòu)的顯微照片示于圖6D。
實(shí)施例5重復(fù)實(shí)施例2的工藝條件，不同的是支撐纖維模聚合物流量提高到95.4g/分鐘，從而提高了支撐纖維的含量。對(duì)得到的筒(稱為“ IC5”的本發(fā)明筒5)進(jìn)行性能試驗(yàn)，與根據(jù)實(shí)施例2生產(chǎn)的本發(fā)明的另一個(gè)筒(稱為“IC6”的本發(fā)明筒6)比較，以評(píng)價(jià)不同支撐纖維含量的作用。其結(jié)果顯示在圖11A-11C中，而IC5和IC6的纖維結(jié)構(gòu)的顯微照片分別示于圖6E和6F。
物理參數(shù)表
注1.-位置標(biāo)記筒的環(huán)形區(qū)域，在該區(qū)域中存在支撐纖維，即A11＝所有的區(qū)域，1＝內(nèi)區(qū)域，M＝中區(qū)域。
2.以英寸水柱@2SCFM表示的參數(shù)。
上述實(shí)施例1-4的性能試驗(yàn)結(jié)果表明本發(fā)明的筒與不含全并駐點(diǎn)支撐纖維和過濾纖維的過濾筒相比改進(jìn)了長期的過濾性能。雖然含有支撐纖維導(dǎo)致初始顆粒的去除效率稍稍下降，但是，由于通過提高濁度率和堵塞參數(shù)而在整個(gè)時(shí)間內(nèi)增大了壓差，所以本發(fā)明筒的去除效率提高了。壓差的逐漸升高是積聚在過濾介質(zhì)表面和內(nèi)部的顆粒導(dǎo)致的，越來越多的顆粒通過過濾器除去，因此它的效率提高了。
對(duì)照筒也顯示出伴隨著壓差的增大也提高了效率，但這僅達(dá)到一定程度。數(shù)據(jù)表明，對(duì)照筒壓差達(dá)到一個(gè)壓差值，即到達(dá)效率峰值后即趨于下降。這種效率的下降據(jù)信是由于過濾介質(zhì)變形造成的，由于該筒與過濾器外殼密封件脫離，這將導(dǎo)致保留的顆粒釋放和/或筒的旁通。
在每一個(gè)實(shí)施例1-4中，本發(fā)明筒的顆粒去除效率最終優(yōu)于對(duì)照筒，并且連續(xù)提高直至試驗(yàn)終止。人們認(rèn)為，本發(fā)明筒長期效率的改進(jìn)是由于支撐纖維使筒的強(qiáng)度得以提高造成的。支撐纖維顯示在壓差增大時(shí)能有效地保持過濾介質(zhì)的完整性，即能達(dá)到使保留的雜質(zhì)不會(huì)從該筒中釋放和/或不會(huì)發(fā)生旁通情況。其結(jié)果是過濾筒連續(xù)有效地從流體流中去除和截留顆粒的時(shí)間周期得以延長。這些優(yōu)點(diǎn)使操作性能得到改善并且降低了過濾筒使用者的操作費(fèi)用。
實(shí)施例5的試驗(yàn)結(jié)果顯示用不同的支撐纖維含量實(shí)現(xiàn)了相同的性能結(jié)果。
雖然已參照被認(rèn)為是最有用的和最優(yōu)選的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，應(yīng)該理解，本發(fā)明不局限于這些公開的實(shí)施方案，相反，期望覆蓋附屬權(quán)利要求書的精神和范圍所包括的各種改進(jìn)和等同設(shè)置。
權(quán)利要求
1.包括大量非織造并駐點(diǎn)的熔噴支撐纖維和過濾纖維的過濾介質(zhì)，所述支撐纖維與所述過濾纖維的直徑相比具有較大的平均直徑。
2.按照權(quán)利要求1的過濾介質(zhì)，其中所述支撐纖維具有的平均直徑在約60-500μm之間，并且過濾纖維具有的平均直徑在約1-50μm之間。
3.按照權(quán)利要求1的過濾介質(zhì)，其中所述較大直徑的支撐纖維確定一種在所述至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)的敞開區(qū)域的無規(guī)基質(zhì)；并且所述的過濾纖維與所述較大直徑的支撐纖維是全并駐點(diǎn)的，從而在由此確定敞開區(qū)域的所述無規(guī)基質(zhì)中自然配置。
4.按照權(quán)利要求3的過濾介質(zhì)，其中至少一些支撐纖維和過濾纖維彼此均勻一致的熔合。
5.按照權(quán)利要求1的過濾介質(zhì)，其中所述支撐纖維和過濾纖維是由相同的或不同的聚合物形成的。
6.按照權(quán)利要求5的過濾介質(zhì)，其中所述支撐纖維和/或所述過濾纖維是由下列聚合物形成的，該聚合物選自聚烯烴，聚酰胺，聚酯，乙縮醛，含氟聚合物，聚苯硫醚，生物可降解聚合物，液晶聚合物，聚醚醚酮，聚苯乙烯，亞乙烯基單體聚合物及其混合物。
7.按照權(quán)利要求1的過濾介質(zhì)，其中所述的支撐纖維含有重量百分比約為10-60％的所述過濾介質(zhì)。
8.一種流體過濾器，它含有權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的過濾介質(zhì)。
9.一種過濾筒，它含有一軸向細(xì)長的中心中空通道和一環(huán)繞所述通道的圓筒形過濾元件，所述的過濾元件包括大量非織造的熔噴支撐纖維和過濾纖維，其中所述支撐纖維和過濾纖維在所述過濾元件的至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)是全并駐點(diǎn)的，并且所述支撐纖維與所述過濾纖維相比具有較大的平均直徑。
10.按照權(quán)利要求9的過濾筒，其中所述較大直徑的支撐纖維確定一種在所述至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)的敞開區(qū)域的無規(guī)基質(zhì)；并且所述過濾纖維與所述較大直徑的支撐纖維是全并駐點(diǎn)的，從而使其在由此確定敞開區(qū)域的所述無規(guī)基質(zhì)中自然配置。
11.按照權(quán)利要求10的過濾筒，其中至少一些支撐纖維和過濾纖維彼此均勻一致的熔合。
12.按照權(quán)利要求10的過濾筒，它包括另一個(gè)含有大量熔噴非織造過濾纖維的環(huán)形區(qū)域，該過濾纖維與在上述至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)的過濾纖維相比呈現(xiàn)不同的過濾性能。
13.按照權(quán)利要求12的過濾筒，其中所述另一個(gè)環(huán)形區(qū)域也含有所述的支撐纖維。
14.按照權(quán)利要求13的過濾筒，其中所述至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域和另一個(gè)環(huán)形區(qū)域的支撐纖維具有相互不同的直徑。
15.按照權(quán)利要求9的過濾筒，其中所述支撐纖維和過濾纖維是由相同的或不同的聚合物形成的。
16.按照權(quán)利要求15的過濾筒，其中所述支撐纖維和/或所述過濾纖維是由選自下列的聚合物形成的，該聚合物選自聚烯烴，聚酰胺，聚酯，乙縮醛，含氟聚合物，聚苯硫醚，生物可降解聚合物，液晶聚合物，聚醚醚酮，聚苯乙烯，亞乙烯基單體聚合物及其混合物。
17.一種過濾筒，它包括至少一個(gè)由大量熔噴非織造纖維形成的環(huán)形區(qū)域，所述非織造纖維含有較大直徑的支撐纖維和較小直徑的過濾纖維，所述支撐纖維在所述的至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)確定敞開區(qū)域的一種無規(guī)基質(zhì)，所述的過濾纖維與較大直徑的支撐纖維是全并駐點(diǎn)的，以便在由此確定的敞開區(qū)域的所述無規(guī)基質(zhì)內(nèi)自然配置。
18.一種制備圓筒形過濾筒的方法，所述的過濾筒包括至少一個(gè)含有較大直徑支撐纖維的環(huán)形區(qū)域，該支撐纖維與較小直徑的過濾纖維是全并駐點(diǎn)的，該方法包括步驟如下(a)從一對(duì)徑向分開的熔噴模向一旋轉(zhuǎn)的成形心軸直接熔噴纖維，使得來自一個(gè)所述熔噴模的熔噴纖維在到達(dá)所述的成形心軸上時(shí)與來自另一個(gè)所述熔噴模的熔噴纖維是全并駐點(diǎn)的；(b)控制所述這對(duì)熔噴模，使得來自所述一個(gè)熔噴模的熔噴纖維與來自所述另一個(gè)熔噴模的熔噴纖維相比具有較大的直徑；和(c)使來自所述一個(gè)熔噴模和另一個(gè)熔噴模的全并駐點(diǎn)的熔噴纖維積聚在所述的成形心軸上，從而形成至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域。
19.按照權(quán)利要求18的方法，其中步驟(b)的實(shí)際操作使得來自所述一個(gè)模的較大直徑的熔噴纖維在所述至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域內(nèi)確定空隙空間無規(guī)網(wǎng)絡(luò)，并且使得較小直徑的熔噴纖維在該確定的空隙空間內(nèi)是全并駐點(diǎn)的。
20.一種制備過濾介質(zhì)的方法，所述的過濾介質(zhì)含有大量非織造熔噴全并駐點(diǎn)的支撐纖維和過濾纖維，該方法包括步驟如下(a)從一對(duì)熔噴模射出熔噴纖維；(b)控制這對(duì)熔噴模，使得來自所述一個(gè)熔噴模的熔噴纖維與來自另一個(gè)熔噴模的熔噴纖維相比具有較大的直徑；和(c)使得從所述一個(gè)模射出的所述較大直徑的纖維與從所述另一個(gè)模射出的較小直徑纖維接觸，從而形成非織造熔噴并駐點(diǎn)的所述支撐纖維和過濾纖維。
21.按照權(quán)利要求20的方法，其中步驟(a)包括以徑向間隔開的位置關(guān)系將所述一個(gè)模相對(duì)于另一個(gè)模定位。
22.按照權(quán)利要求21的方法，其中所述的一個(gè)模沿軸向相對(duì)于所述另一個(gè)模定位。
23.按照權(quán)利要求20的方法，其中所述的一個(gè)?？傮w相對(duì)于所述另一個(gè)模朝向一旋轉(zhuǎn)的成形心軸。
24.按照權(quán)利要求20的方法，其中所述一個(gè)模相對(duì)于水平面以約0-90°的角度定位。
25.按照權(quán)利要求23或24的方法，其中所述的纖維從所述一個(gè)模朝向收集/輸送輥的外表面噴射出，所述輥載帶來自這個(gè)模的所述纖維與從所述另一個(gè)模噴射出的纖維接觸。
26.按照權(quán)利要求25的方法，它包括加熱所述收集/輸送輥，以保持從所述一個(gè)模射出并以該輥外表面載帶的所述纖維處于足夠的熔融狀態(tài)，直到它與由所述另一個(gè)模射出的纖維接觸。
27.按照權(quán)利要求20的方法，其中所述另一個(gè)模朝向一成形心軸射出熔噴纖維；并且一個(gè)模位于所述另一個(gè)模的下游，以至于使從所述一個(gè)模射出的所述纖維被從所述另一個(gè)模射出的所述熔噴纖維夾帶，來自所述一個(gè)模和另一個(gè)模的所述夾帶纖維同時(shí)接觸所述成形心軸，從而形成非織造熔噴全并駐點(diǎn)的支撐纖維和過濾纖維。
28.按照權(quán)利要求18或20的方法，其中步驟(b)的實(shí)際操作使得所述支撐纖維具有的平均直徑在約60-500μm之間，并且所述過濾纖維具有的平均直徑約在約1-50μm之間。
29.按照權(quán)利要求18或20的方法，其中步驟(b)的實(shí)際操作使得存在的所述支撐纖維按重量計(jì)占10-60％。
30.一種制備過濾介質(zhì)的方法，它包括(i)從第一熔噴模朝向成形心軸射出第一熔噴纖維流；(ii)從第二熔噴模朝向一與所述成形心軸鄰接定位的收集/輸送表面射出第二熔噴纖維流，以至于所述第一熔噴纖維流與所述第二熔噴纖維流隔擋開；(iii)移動(dòng)所述的收集/輸送表面，使得所述第二熔噴纖維流與所述第一熔噴纖維流接觸并且被輸送到所述成形心軸上。
31.制備過濾介質(zhì)的設(shè)備，它包括(i) 成形心軸；(ii) 朝向成形心軸射出第一熔噴纖維流的第一熔噴模；(iii)鄰接于所述成形心軸定位的可旋轉(zhuǎn)收集/輸送輥；(iv) 朝向所述收集/輸送輥射出第二熔噴纖維流的第二熔噴模，所述的第二熔噴模相對(duì)于收集/輸送輥定位成使得所述收集/輸送輥基本上將所述第二熔噴纖維流與第一熔噴纖維流隔擋開，其中(v)所述收集/輸送輥輸送由所述第二熔噴模射出的第二熔噴纖維流，使其與由所述第一熔噴模射出的第一熔噴纖維流接觸，從而使第一和第二熔噴纖維流在成形心軸上彼此攙合。
32.如權(quán)利要求31的設(shè)備，其中多個(gè)所述第一熔噴模設(shè)置成基本上與所述成形心軸沿軸向?qū)R。
33.按照權(quán)利要求31的設(shè)備，其中設(shè)置多個(gè)第二熔噴模。
34.按照權(quán)利要求31的設(shè)備，它包括一控制器，以控制第一和第二熔噴模中的至少一個(gè)，以便獲得從其射出的不同直徑的熔噴纖維。
35.按照權(quán)利要求31的設(shè)備，其中所述的收集/輸送輥是錐形的。
36.按照權(quán)利要求31的設(shè)備，它包括一連接到所述收集/輸送輥的加熱器。
全文摘要
由彼此全并駐點(diǎn)的大量非織造熔噴支撐纖維和過濾纖維形成的過濾介質(zhì)。支撐纖維(32)與其全并駐點(diǎn)的過濾纖維(30)相比具有較大的直徑。優(yōu)選地,過濾介質(zhì)配置在一過濾元件的至少一個(gè)環(huán)形區(qū)域、例如一可置換的圓筒形過濾筒內(nèi),該過濾筒具有由過濾介質(zhì)環(huán)繞的一軸向細(xì)長的中心中空通道(12)。一按照本發(fā)明的深度過濾筒可形成有一個(gè)或多個(gè)成環(huán)形關(guān)系的附加區(qū)域(Z
文檔編號(hào)B01D27/04GK1188422SQ96194924
公開日1998年7月22日 申請(qǐng)日期1996年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月2日
發(fā)明者S·D·巴爾波扎, 小C·S·霍夫曼, C·V·科普, R·J·施米特, A·C·舒科斯基 申請(qǐng)人:梅姆特克美國有限公司