CN101495210B - 带有单层单组分熔纺介质的褶皱过滤器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种褶皱过滤器，所述褶皱过滤器由单组分单层非织造幅材制成，所述非织造幅材由连续单组分的聚合物组成相同的部分结晶和部分非晶的取向熔纺纤维构成，这些取向熔纺纤维经粘结形成了格利刚度为至少100mg的连贯的并可进行处理的幅材，并且其还可在保持取向和纤维结构的同时被软化。所述织造幅材中形成若干行褶皱，并且所述幅材切割成期望的尺寸和形状以提供褶皱滤芯，所述褶皱滤芯包含自支承的多孔单组分单层纤维基体，该基体由在至少一些纤维交叉点处彼此粘结的纤维构成，并且在1.52米/秒的表面速度下具有至少15％的平均初始亚微米效率。所述滤芯在不需要位于过滤器介质层中的加固层、双组分纤维、粘结剂或其他增强层的情况下便具有抗变形能力。

Description

带有单层单组分熔纺介质的褶皱过滤器
本发明涉及褶皱过滤器。
背景技术
熔喷非织造纤维幅材用于包括过滤(例如，平整幅材及褶皱式过滤器)、绝缘、填料及纺织品替代物在内的多种目的。与非织造幅材或其制造有关的专利或专利申请包括：美国专利No.3,981,650(Page)、No.4,100,324(Anderson)、No.4,118,531(Hauser)、No.4,818,464(Lau)、No.4,931,355(Radwanski等人)、No.4,988,560(Meyer等人)、No.5,227,107(Dickenson等人)、No.5,273,565(Milligan等人)、No.5,382,400(Pike等人‘400)、No.5,679,042(Varona)、No.5,679,379(Fabbricante等人)、No.5,695,376(Datta等人)、No.5,707,468(Arnold等人)、No.5,721,180(Pike等人‘180)、No.5,877,098(Tanaka等人)、No.5,902,540(Kwok)、No.5,904,298(Kwok等人)、No.5,993,543(Bodaghi等人)、No.6,176,955 B1(Haynes等人)、No.6,183,670 B1(Torobin等人)、No.6,230,901 B1(Ogata等人)、No.6,319,865 B1(Mikami)、No.6,607,624 B2(Berrigan等人‘624)、No.6,667,254 B1(Thompson等人)、No.6,858,297 B1(Shah等人)以及No.6,916,752B2(Berrigan等人‘752)；欧洲专利No.EP 0 322 136 B1(明尼苏达州矿业制造公司(Minnesota Mining and Manufacturing Co.))；日本已公布的专利申请No.JP 2001-049560(日产汽车株式会社(Nissan Motor Co.Ltd))和JP 2002-180331(智索公司‘331(Chisso Corp.‘331))以及JP2002-348737(智索公司‘737(Chisso Corp.‘737))；以及美国专利公开No.US2004/0097155 A1(Olson等人)。与褶皱过滤器有关的专利或专利申请包括：美国专利No.4,547,950(Thompson)、No.5,240,479(Bachinski)、No.5,709,735(Midkiff等人)、No.5,820,645(Murphy，Jr.)、No.6,165,244(Choi)、No.6,521,011 B1(Sundet等人‘011)、No.6,740,137 B2(Kubokawa等人)和D449，100S(Sundet等人‘100)以及美国专利申请公开No.US 2003/0089090A1(Sundet等人‘090)、US 2003/0089091 A1(Sundet等人‘091)和US2005/0217226 A1(Sundet等人‘226)。
发明内容
用于制造褶皱过滤器的现有方法通常会涉及到某种程度地损害幅材或过滤器的性质。例如，当期望包含驻极体带电纤维的高效率过滤器时，一种方法是形成采用带静电的熔喷幅材作为主要过滤介质的多层式过滤器。熔喷纤维的分子通常为非取向性或为弱取向性，并且其刚度和强度通常不足以靠其自身来提供既具有高效率又具有足够强度的单层过滤介质。强度不足可表现为(例如)在转变的期间被损坏，或者在使用于高流体流速条件的期间发生褶皱变形或褶皱塌陷。可将一个或多个附加层添加至过滤器介质，以保护过滤器介质或加固总体过滤器构造。可在此种多层式过滤器中采用的附加层包括：人造短纤维幅材、熔纺幅材、稀松布(例如，玻璃纤维或短切纤维垫)及丝网。制造多层式过滤器会将附加成本和复杂性引入过滤器产品。支撑层会增大压降，而对效率无任何帮助。多个层的使用可使得循环利用废弃的过滤器或者旧过滤器难以进行或不切实际。
单层褶皱过滤器已在一些应用中得到运用。例如，通过金百利-克拉克公司(Kimberly Clark)的商标为ACCUAIRTM的单层双组分纺粘介质已制成了家庭式炉用过滤器。ACCUAIR介质的刚度不足以用作设计用于经受可能在商业或工业应用中出现的典型流速或压力的单层褶皱HVAC过滤器。以上所提及的Sundet等人的‘226专利申请描述了由单层熔喷纤维(例如，聚丙烯纤维、聚酯纤维或尼龙纤维)制成的褶皱炉用过滤器，这些纤维的大部分相对于褶皱的行方向以90°±20°排列。此外，玻璃纤维过滤介质也已用作了单层褶皱过滤器，但玻璃纤维不带电，可能具有高的压降，会脱落玻璃纤维，并且可能难以形成一些形状。
我们现发现了能形成具有如下有用组合的褶皱过滤器的单组分单层幅材：褶皱可成形性、褶皱形成时的刚度、低压降和有效的粒子捕集。
本发明在一个方面提供一种制备褶皱过滤器的方法，所述方法包括：
a)在足以形成由聚合物组成相同的部分结晶和部分非晶的取向熔纺纤维构成的幅材的热条件下，通过熔纺、收集、加热和淬火单组分聚合物纤维来形成由该连续的单组分聚合物纤维构成的单组分单层非织造幅材，该单组分聚合物纤维经粘结形成了格利刚度至少为100mg的连贯的并可进行处理的幅材，并且其还可在保持取向和纤维结构的同时被软化；
b)在该非织造幅材中形成若干行褶皱；并且
c)将该褶皱幅材切割成所需的尺寸和形状以形成褶皱滤芯，该褶皱滤芯包括自支承的多孔单组分单层纤维基体，所述基体由在至少一些纤维交叉点处彼此粘结的纤维构成，并在1.52米/秒的表面速度下具有至少15％的平均初始亚微米效率。
本发明在另一方面提供一种褶皱过滤器，其包括自支承的多孔单组分单层纤维基体，该基体由聚合物组成相同的部分结晶和部分非晶的取向熔纺聚合物纤维构成，这些取向熔纺聚合物纤维在纤维交叉处的一些点相互粘结，该基体形成为若干行折叠或波状褶皱，并在1.52米/秒的表面速度下具有至少15％的平均初始亚微米效率。
本发明所公开的褶皱过滤器具有多个有益和独特的性质。例如，所完成的褶皱过滤器可制备成仅由单个层构成，但包含了部分结晶和部分非晶的取向聚合物纤维的混合物，并且具有改善的可成形性，并且在褶皱形成之后过滤性能损失减小。此类褶皱过滤器提供了若干重要的功效--通过消除层合工艺和设备以及通过减少中间材料的数量，从而降低了产品的复杂性和浪费。通过使用幅材直接成形制造设备，可非常经济地制备本发明公开的幅材和基体，在该制造设备中，通过一个基本上直接操作便可将形成纤维的聚合物材料转变成幅材。此外，如果这些基体纤维都具有相同的聚合物组成并且未采用外来粘结材料，则可完全地循环利用该基体。
从以下详细说明中，本发明的这些方面和其他方面将显而易见。然而，在任何情况下，以上内容概要都不应被理解为是对所要求保护的主题的限制，该主题仅受所附权利要求书的限定，并在审查期间可以对其进行修正。
附图说明
图1为褶皱过滤介质的透视图；
图2为用于使用熔纺和淬火强制流加热器来制备可形成褶皱的单组分单层幅材的示例性方法的示意性侧视图；
图3为图2中所示设备的热处理部件的透视图；以及
图4为图3的设备的示意性放大和扩展视图。
在附图的多张图中，相同的参考符号表示相同的元件。图示中的元件未按比例绘制。
具体实施方式
术语“多孔”是指可透气。
术语“单组分”当用于纤维或纤维集合时，是指在其整个横截面上具有大致相同组成的纤维；单组分包括共混物(即，聚合物合金)或含有添加剂的材料，其中均匀组成的连续相在整个纤维横截面上并在纤维长度范围内延伸。
术语“相同聚合物组成”是指具有大致相同的重复分子单元的聚合物，但其可在分子量、熔融指数、制造方法、商业形式等方面有所不同。
术语“粘结”当用于纤维或纤维集合时，是指牢固地粘附在一起。当对幅材进行普通的处理时，经粘结的纤维通常不会分离。
术语“非织造幅材”是指通过纤维的缠结或点粘结来表征的纤维幅材。
术语“单层基体”当用于非织造纤维幅材时，是指在其整个横截面内具有相似纤维的大体均匀的分布。
术语“尺寸”当用于纤维时是指具有圆形横截面的纤维的纤维直径，或是指跨越具有非圆形横截面的纤维所能构造的最长横截面弦线的长度。
术语“连续”当用于纤维或纤维集合时，是指具有大致无限长宽比(即，例如，至少约为10,000或更大的长度-尺寸比)的纤维。
术语“有效纤维直径”当用于纤维集合时，是指针对任何横截面形状(如圆形横截面或非圆形横截面)的纤维幅材根据如下文献中阐述的方法所确定的数值：“气载尘埃和粒子的分离”(Davies，C.N.，TheSeparation of Airborne Dust and Particles，Institution of MechanicalEngineers，London，Proceedings 1B，1952)。
术语“将长丝拉细成纤维”是指将一段长丝转变成一段长度较长而尺寸较小的纤维。
术语“熔纺”当用于非织造幅材时，是指通过如下过程形成的幅材：将低粘度熔体挤出穿过多个孔口以形成长丝，靠空气或其他流体使长丝淬火以至少使长丝表面固化，使这些至少部分固化的长丝与空气或其他流体接触以将长丝拉细成纤维并收集一层经拉细的纤维。
术语“熔纺纤维”是指从模头流出并运行穿过某一加工工位的纤维，在该加工工位中，纤维经过定型拉延并且纤维内的聚合物分子被定型取向成与纤维的纵向轴线对准。这些纤维大致地连续，并且充分地缠结以致于通常无法从一团这种纤维中取出一条完整的熔纺纤维。
术语“取向的”当用于聚合物纤维或此类纤维的集合时，是指由于纤维穿过了诸如拉细室或机械拉延机等设备，这些纤维的聚合物分子的至少若干部分沿纤维长度方向排列。纤维中取向的存在可通过包括双折射测量、宽角度X射线衍射在内的多种手段来检测。
用于聚合物或聚合物纤维的术语“标称熔点”是指在如下情况下二次热、总热流差示扫描量热(DSC)曲线在聚合物或纤维的熔融区域中的最大峰值：该熔融区域中仅存在一个最大值；以及存在一个以上最大值，该一个以上最大值指示着一个以上熔点(例如，由于存在两种不同的结晶相)来作为发生最高幅值熔融峰值的温度。
术语“自生粘结”是指高温下纤维之间的粘结，该种粘结在烘箱中或通过通风粘合器获得而无需施加(例如)点粘结或压延中的实在接触压力。
术语“微纤维”是指具有10μm或更小的中等尺寸(使用显微镜方法来确定)的纤维；“超细纤维”是指具有2μm或更小的中等尺寸的微纤维；并且“亚微米微纤维”是指具有1μm或更小的中等尺寸的微纤维。当本文中提及一批、一组、一阵列某一特定种类的微纤维时，例如，提及“一阵列亚微米微纤维”时，其是指该阵列中微纤维的全体，或单批微纤维的全体，而不仅仅是指该阵列或该批次中为亚微米尺寸的部分。
术语“带电”当用于纤维集合时，是指在暴露于20雷格吸收剂量的X射线(1mm，经铍过滤，80KVp)之后，当在7cm/sec的表面速度下评估邻苯二酸二辛酯的渗透百分比(％DOP)时，表现出至少50％的品质因子QF(下文论述)损失的纤维。
术语“自支承”当用于单层基体时是指：尽管包含此种基体的褶皱滤芯可包括用于强化滤芯所选部分的顶端稳定层(例如，平面丝线表面层)或周边增强层(例如，边缘粘结剂或过滤器边框)，但该基体不包括丝线、网状物或其他加固材料的邻接增强层。
图1以透视图的形式示出示例性褶皱过滤器1，该示例性褶皱过滤器由本发明所公开的已形成为若干行间隔褶皱4的单组分单层幅材2制成。本领域的技术人员应了解，过滤器1可按原样使用，或者可按照如下方式来使用：可稳定或增强(例如，通过展开的平面金属表面层、热熔粘结剂的增强细纹、粘合剂粘结的增强条或其他的选择性增强支撑件)过滤器1的所选部分以及任选地将其安装在适合的边框(例如，金属或纸板边框)中，以提供用于在(例如)HVAC系统中使用的可更换式过滤器。褶皱幅材2形成了本身具有增大刚度的多孔单层基体，该增大的刚度可帮助形成褶皱4并且在褶皱形成之后可帮助褶皱4抵抗在高过滤器表面速度下的变形。除了单组分单层幅材2以外，有关过滤器1构造的其他细节应为本领域的技术人员所熟悉。
本发明所公开的单组分单层幅材在褶皱形成之前具有的格利刚度为至少约100mg，并且在褶皱形成之前可具有的格利刚度为至少约200mg或至少约300mg。该幅材可具有多种有效纤维直径和基重，例如，约8至约40μm的有效纤维直径(EFD)以及约50至约300克/米2或者约65至约250克/米2的基重。当在13.8cm/sec的表面速度下使用DOP攻击来进行评估时，该平整幅材优选地具有的初始过滤品质因子QF为至少约0.3，并且更为优选地至少约0.4。在形成褶皱之后，本发明所公开的单组分单层基体在1.52米/秒(300ft/min)的表面速度下具有至少约15％的平均初始亚微米效率，并且可具有至少约25％，或至少约50％的平均初始亚微米效率。
本发明所公开的单组分单层幅材包含聚合物组成相同的部分结晶和部分非晶的取向纤维。部分结晶的取向纤维还可称为半结晶取向纤维。半结晶聚合物的等级有清楚的定义并且为人所熟知，这与不具有可检测晶序的非晶聚合物大不相同。结晶度的存在通过差示扫描量热法、X射线衍射、密度和其他方法便可容易地检测到。常规的取向半结晶聚合物纤维可视为具有两种不同的分子区域或相：第一种相，其特征在于相对较大地存在高有序或应变诱发的结晶域；第二种相，其特征在于相对较大地存在低晶序(例如，链未伸展)的域以及非晶域，但后者可具有程度并不足以形成结晶度的某种序或取向。这两种不同的相无需具有清晰的界限，并且可彼此存在于混合物中，并具有不同种类的性质。这些不同的性质包括不同的熔融或软化特性：特征在于较大地存在高有序结晶域的第一种相的熔融温度(例如，链延长结晶域的熔点)高于第二种相熔融或软化的温度(例如，经低序结晶域的熔点修改的非晶域的玻璃态转变温度)。为在本文中便于描述，第一种相在本文中称为“微晶特征相”，这是因为其熔融特性受到高有序微晶的存在的较强影响，从而使得该种相的熔点高于其在不具有微晶情况下所具有的熔点；第二种相称为“非晶特征相”，这是因为其受到非晶分子域或受到散布着低序微晶域的非晶物质的影响在低温下软化。取向半结晶聚合物纤维的粘结特性受到这两种不同分子相的存在的影响。当在常规的粘结操作中加热这些半结晶聚合物纤维时，该加热操作具有增大纤维结晶度的效应，例如，由于分子物质吸积到现有结晶结构上或者有序的非晶部分的进一步排序。非晶特征相中低序结晶材料的存在促使这种结晶生长，并且促使其成为附加的低序结晶物质。低序结晶度增大的结果就是在粘结操作期间限制纤维的软化和可流动性。
我们对取向半结晶聚合物纤维实施受控加热和淬火操作，其中这些纤维和所描述的相在形态上得到改良以使得纤维具有新的性质和用途。在该加热和淬火操作中，纤维先是在相当高的温度(经常高达或高于制成这些纤维的聚合物材料的标称熔点)下加热达一段短暂的受控时间。通常，该加热的温度和持续时间足以使纤维中的非晶特征相熔融或软化，而微晶特征相仍保持未熔融(我们之所以使用术语“熔融或软化”是因为非晶特征相的非晶部分通常被视为在其玻璃态转变温度下软化，而结晶部分是在其熔点下熔融；我们优先选择其中对幅材进行加热以致使组分纤维中的非晶特征相中的结晶物质熔融的热处理。)在所述加热步骤之后，立即并快速地冷却这些加热的纤维以使其淬火和凝固成经改良或净化的形态形式。
本文使用的术语“形态改良”按最广义的理解是指单纯地改变取向半结晶聚合物纤维的形态；但我们是理解我们所处理的纤维的改良形态结构的含义的(我们不希望受限于本文中我们所理解的叙述，这通常涉及到一些理论上的考虑)。关于非晶特征相，该相中易于发生不期望(妨碍软化)的结晶生长的分子物质量不如在处理之前那么多。这种改变的形态特征的一个证据是如下的事实：虽然在粘结操作中被实施加热的常规取向半结晶聚合物纤维会经历不期望的结晶度增大(如上所述，由于吸积至现有低序结晶结构上或有序非晶部分的进一步排序，从而限制纤维的可软化性和可粘结性)，但相比于常规的未经处理的纤维，我们所处理的纤维保持着程度大很多的可软化性和可粘结性；这些经处理的纤维经常可在低于纤维标称熔点的温度下粘结。我们察觉到，该非晶特征相经历了一种形态结构的清洁或减少，该形态结构于热粘结操作期间在常规未经处理的纤维中原本会导致不期望的结晶度增大；例如，形态形式的多样性或分布减少了，形态结构简化了，并且发生了某种离析使得形态结构变成更为可辨认的非晶特征相和微晶特征相。我们所处理的纤维具有一种“可重复软化”的能力，这意味着这些纤维，并且尤其是这些纤维中的非晶特征相，当其在低于会导致整个纤维熔融的温度区域中经受升温和降温循环时，这些纤维在某种程度上将经历软化与再次固化的重复循环。实际上，当能够加热我们处理的幅材(由于加热和淬火处理，该幅材已经大体上表现出了某种程度的粘结)以导致进一步的自生粘结时，就表明了这种可重复的软化性。软化与再固化的循环可能不能无限地持续，但通常足以使纤维先经热粘结以便这些纤维构成的幅材为连贯的并可对其进行处理，如果期望的话则可再次加热来实施压延或其他期望的操作，并且可再次加热来实施三维整形以形成非平面形状(例如，以形成褶皱滤芯)。因此，我们可在加热和淬火操作中对单组分单层幅材进行形态改良，以便该幅材能够在低于纤维标称熔点的温度下进行自生粘结，将该幅材形成为褶皱，并将该幅材置于可有效地将该幅材持久地转变(即，整形)成褶皱滤芯的成形温度下；该褶皱滤芯包括自支承的多孔单组分单层纤维基体，该基体由在一些纤维交叉点处彼此粘结的纤维构成并具有如上所述的平均初始亚微米效率。优选地，这种整形可在低于纤维聚合物材料的标称熔点至少10℃的温度下实施，例如，在低于标称熔点15℃或甚至30℃的温度下实施。即使低的整形温度是可行的，但出于其他原因，可将该幅材置于较高的温度，以便(例如)压缩该幅材或对纤维进行退火或热定型。
鉴于非晶特征相在实现纤维粘结中所起的作用(例如，提供纤维软化和粘结的物质)，我们有时将非晶特征相称为“粘结”相。
纤维的微晶特征相具有其自身的不同作用，即增强纤维的基础纤维结构。微晶特征相通常可在粘结或类似操作期间保持未熔融，这是因为其熔点高于非晶特征相的熔点/软化点，并且因此其保持为在整个纤维内延伸并支撑纤维结构和纤维尺寸的完好基体。因此，尽管在自生粘结操作中加热该幅材会致使纤维接合在一起(通过经历某种流动而变成纤维交叉点处的紧密接触或聚结)，但是在交叉处与粘结处之间、在纤维的长度范围内仍保持着基础的分立纤维结构；优选地，在该操作期间所形成的交叉处或粘结处之间、在纤维的长度范围内，纤维的横截面保持不变。类似地，尽管对我们所处理的幅材进行压延可致使纤维通过压延操作的压力和热而得到重新配置(由此，致使纤维持久地保持在压延期间挤压在其上的形状，并使得该幅材的厚度更加均匀)，但这些纤维通常仍保持为分立的纤维，因此保持着所需的幅材多孔性、过滤和绝缘性。
鉴于所描述的微晶特征相的增强作用，我们有时称之为“增强”相或“固持”相。微晶特征相也被认为在处理期间经历了形态改良，例如，以改变高序结晶结构的量。
图2至图4示出可用来制备优选单组分单层幅材的方法。关于该方法以及通过该方法制备的非织造幅材的另外细节示出于如下专利申请中：于2006年7月31日提交的名称为“包括可软化半结晶聚合物纤维的粘结非织造纤维幅材以及用于制备此类幅材的设备和方法”(BONDED NONWOVEN FIBROUS WEBS COMPRISINGSOFTENABLE ORIENTED SEMICRYSTALLINE POLYMERICFIBERS AND APPARATUS AND METHODS FOR PREPARING SUCHWEBS)的美国专利申请No.11/461,201。简言之，当应用于本发明时，该优选技术涉及对包含非晶特征相的取向半结晶熔纺纤维的收集幅材实施受控加热和淬火操作，该受控加热和淬火操作包括：强制使该幅材穿过加热至高得足以软化纤维非晶特征相的温度(其通常大于此类纤维材料开始熔融的温度)的流体，长达一段短至不会使整个纤维熔融(即，致使这些纤维失去其分立的纤维性)的时间；优选地，该加热时间短至不会致使纤维横截面发生显著的变形；及b)通过强制使该幅材穿过具有足以使软化纤维固化(即，使热处理期间软化的纤维的非晶特征相固化)的热容量的流体，立即淬火该幅材。优选地，穿过该幅材的流体是气体流，并且优选地其为空气。在此背景中，“强制”使流体或气体流穿过幅材是指除普通室内压力外还对流体施加附加力来推进流体穿过该幅材。在一个优选的实施例中，本发明所公开的淬火步骤包括：在一个输送机上使该幅材穿过一个装置(如随后论述，可称之为淬火流加热器)，该装置与位于幅材另一侧的抽气装置(其用于帮助将加热气体抽过该幅材)一同提供在压力下流出加热器并接触该幅材一侧的集中加热气体流(通常为空气流)；通常，该加热流为刀状或幕帘状(例如，从细长或矩形狭槽发出)，在该幅材的整个宽度上延伸，并且均匀(即具有均匀的温度和流速以便以有效均匀程度来加热该幅材中的纤维)。在一些方面，该加热流类似于来自“通风粘结器”或“热空气刀”的加热流，但可对其进行调节流速的特殊控制，从而致使加热气体均匀地并以受控速率分布在该幅材的整个宽度上，以便完全地、均匀地并且快速地加热熔纺纤维至有效的高温和软化熔纺纤维。加热之后，立即实施强制淬火以将纤维快速度凝固成净化形态形式(“立即”是指作为相同操作的一部分，即，没有在下个加工步骤之前将幅材卷绕成卷时发生的储存间断时间)。在一个优选的实施例中，将气体设备自加热气体流沿幅材纵向布置，以便在幅材经加热之后迅速地将冷却气体或其他流体(例如，周围空气)抽过该幅材，由此快速地淬火纤维。加热的长度受到(例如)如下因素的控制：沿着幅材运行路径的加热区域长度；以及幅材穿过加热区域移动至冷却区域以致使非晶特征相发生预期熔融/软化而不熔融整个纤维的速度。
参照图2，将纤维形成材料带到挤出头10--在该说明性设备中，这是通过将聚合物纤维形成材料引入料斗11，在挤出机12中熔融材料，并通过泵13将熔融材料泵送进入挤出头10来实现的。呈球粒或其他粒子形式的固体聚合物材料最常被使用并熔化至液体可泵送状态。
挤出头10可为常规的喷丝头或纺丝组合件，其通常包括布置成规则图案(例如，直线式行)的多个孔口。纤维形成液体的长丝15从挤出头挤出并输送至加工室或拉细装置16。该拉细装置可为(例如)可移动壁式拉细装置，如美国专利6,607,624B2(Berrigan等人)中所示的拉细装置。挤出的长丝15在到达拉细装置16之前运行的距离17随着挤出长丝15所可能置于的条件而可有所不同。空气或其他气体的淬火流18可导向至挤出长丝以降低挤出长丝15的温度。作为另外一种选择，可加热空气流或其他气体流以便于纤维的拉延。可存在一种或多种空气流或其他流体流--例如，第一空气流18a，其横向地吹到长丝流，这可去除在挤出期间释放的不期望的气体物质或烟；以及第二淬火空气流18b，其实现大部分的所需的温度降低。可使用甚至更多的淬火流。例如，流18b自身可包括一种以上的流以实现所期望水平的淬火。取决于所使用的方法或所需的成品形式，淬火空气可足以使挤出的长丝15在其到达拉细装置16之前固化。在其他情况中，挤出的长丝当其进入拉细装置时仍然处于软化或熔融状态。作为另外一种选择，不使用任何淬火流；在此种情况下，挤出头10与拉细装置16之间的周围空气或其他流体可成为挤出的长丝在其进入拉细装置之前发生任何变化的介质。
长丝15穿过拉细装置16并且然后离开，到达其被收集为纤维团20的收集装置19上。在该拉细装置中，长丝变长而直径减小，并且长丝中聚合物分子变为有取向，并且纤维内的聚合物分子的至少多个部分变为与纤维的纵向轴线对准。在半结晶聚合物的情况下，该取向通常足以形成应变诱发的结晶度，这大大地强化了所获得的纤维。
收集装置19通常为多孔的，并且抽气装置114可定位在收集装置下方以帮助纤维沉积在收集装置上。为获得不同的效果，拉细装置出口与收集装置之间的距离21可有所不同。此外，在收集之前，可对挤出的长丝或纤维实施多个图2中未图示的附加加工步骤，例如，进一步拉延、喷涂等。如下文更加详细地描述，在收集之后，通常对收集团20进行加热和淬火；但如果期望的话，可将该团卷绕成储存卷以便稍后的加热和淬火。通常，一旦团20经加热和淬火，则可将其输送至其他设备，例如，压延机、压花工位、层合机、切割机等等；或者可使其穿过主动辊22并卷绕成储存卷23。
在形成该幅材的优选方法中，纤维团20由收集装置19载送穿过图2至图4中所示的加热和淬火操作。为方便起见，我们经常将尤其是图3和图4中所绘示的设备称为淬火流加热器，或更简单地称为淬火加热器。首先，收集团20在安装于收集装置19上方的受控加热装置100下方经过。示例性加热装置100包括壳体101，该壳体划分为上部充气室102和下部充气室103。该上部充气室和下部充气室由板104分开，该板穿有一系列通常尺寸和间距均匀的孔105。气体(通常为空气)通过开口106从导管107送入上部充气室102，并且板104用作流分布装置以致使送入上部充气室的空气在穿过该板进入下部充气室103时分布得相当均匀。其他有用的流分布装置包括：翅片、阻流板、歧管、气坝、筛网或烧结板，即，使空气分布均匀的装置。
在该说明性加热装置100中，下部充气室103的底壁108形成有细长的矩形狭槽109，来自下部充气室的幕帘状加热空气流110穿过该细长矩形槽喷到团20上，该团在位于加热装置100下方的收集装置19上运行(团20和收集装置19在图3中示出为一部分已经截去)。抽气装置114优选地延伸为足以位于加热装置100的狭槽109的下方(并且如下文论述，沿幅材纵向延伸超过加热流110达距离118并且延伸穿过标记区域120)。因此，加热空气在充气室内处于充气室103中的内部压力下，并且在狭槽109处，其进一步处于抽气装置114的排气真空下。为进一步控制排气力，穿孔板111可定位在收集装置19的下方以施加一种背压或限流装置，该背压或限流装置有助于将加热空气流110以期望的均匀度分散在收集团20的宽度上或加热区域上并抑制其流注穿透收集纤维团中可能存在的低密度部分。其他有用的限流装置包括筛网或烧结板。
在不同的区域中，板111中开口的数量、尺寸和密度可有所不同，以实现所需的控制。大量的空气穿过该纤维形成设备，并且在纤维到达收集装置的区域115时，必须将该空气处理掉。在区域116中，充分的空气穿过该幅材和收集装置以将该幅材固持在不同加工空气流下方的适合位置处。在位于热处理区域117和淬火区域118下方的板内需要充分的开口度，以允许处理空气穿过该幅材，而同时保持着充分的阻力，以确保空气更为均匀地分布。
选择穿过团20的加热空气的量和温度以导致纤维形态的适当修改。具体来讲，将该量和温度选为使得纤维得到加热以：a)致使纤维横截面内重要的分子部分(例如，纤维的非晶特征相)熔融/软化，但b)不会致使另一重要的相(例如，微晶特征相)完全熔融。我们之所以使用术语“熔融/软化”是因为非晶聚合物物质通常是软化而非熔融，而微晶物质(其可在某种程度上存在于非晶特征相中)通常是熔融。在不提及到相的情况下，这也可简单地叙述为“加热以致使纤维内的低序微晶熔融”。这些纤维整体保持未熔融，例如，这些纤维通常保持着其在处理之前所具有的相同纤维形状和尺寸。微晶特征相中相当大的部分被认为在热处理之后保持着先前存在的结晶结构。结晶结构可能添加到了现有的结晶结构，或在高序纤维的情况下，结晶结构可能被去除而形成可区分的非晶特征相和微晶特征相。
为在整个收集团20中实现预期的纤维形态改变，应在该团的整个加热区域上控制温度-时间条件。当穿过该幅材的加热空气流110的温度在所处理团的整个宽度上处于5℃的范围内(并且优选地处于2或甚至1℃的范围内)，我们获得了最佳的结果；为了方便地控制操作，加热空气的温度经常在加热空气进入壳体101的进入点处测量，但其也可邻近于收集幅材用热电偶进行测量。另外，操作该加热设备以通过(例如)快速地循环打开和关闭加热器来随着时间维持该流的稳定温度，以避免过热或加热不足。
为进一步控制加热和完成形成收集团20中纤维的期望形态，在施加加热空气流110之后立即对该团实施淬火。当团20离开受控热空气流110时，通常可通过将周围空气抽到团20上并抽过团20来获得此种淬火。图4中的数字120表示其中周围空气由抽气装置抽过幅材的区域。抽气装置114沿着收集装置延伸超过加热装置100达距离118，以确保在区域120内的整个团20的完全冷却和淬火。可抽取壳体101基部下方的空气(例如，附图中图4上所标记的区域120a内的空气)，以使得其在该幅材离开热空气流110之后直接到达该幅材。淬火所需的结果是从该幅材和纤维快速地散热，并且由此限制随后将发生于纤维中的结晶或分子排序的程度和性质。通常，本发明所公开的加热和淬火操作是在幅材通过输送机移动穿过该操作时实施，并且淬火是在该操作末尾处将该幅材卷绕成储存卷之前实施。处理的时间取决于幅材移动穿过某个操作的速度，但通常整个加热和淬火操作的实施时间在1分钟内或更短，并且优选地不到15秒。通过从熔融/软化状态快速地淬火至固化状态，该非晶特征相被认为凝固成了更为净化的结晶形式，纤维中可干扰软化或可重复软化的分子物质减少了。有利地，该团由温度低于标称熔点至少50℃的气体来冷却；此外，有利地，淬火气体或其他流体施加的时间约为至少1秒钟，有利地，施加时间至少两倍或三倍于加热流接触该幅材的时间。在任何情况下，淬火气体或其他流体都具有足以快速固化纤维的热容量。其他可使用的流体包括喷洒到纤维上的水(例如，用于加热纤维的加热水或蒸汽)以及用于淬火纤维的相对较冷的水。
通过对来自经处理幅材的代表性纤维进行DSC测试，通常可确认是否成功地实现了所需的热处理和非晶特征相形态；并且可根据从DSC测试得知的信息来调节处理条件，如以上提及的专利申请No.11/461,201中更加详细地论述。有利地，对加热空气以及淬火的运用进行控制，以便提供其性质可促进形成适合褶皱基体的幅材。如果采用了不足的加热，则该幅材可难以形成褶皱。如果采用了过度加热或不充分的淬火，则该幅材可熔融或变得较脆并且还可能无法带足够的电荷。
本发明所公开的非织造幅材可具有随机的纤维布置以及大体各向同性的平面内物理性质(例如，拉伸强度)，或如果期望的话可具有经对准的纤维构造(例如，如上述Shah等人的美国专利No.6,858,297中描述的其中纤维沿机器方向排列的构造)以及各向异性的平面内物理性质。
本发明所公开的方法中可使用多种聚合物纤维形成材料。该聚合物本质上可为任何能够提供非织造幅材的热塑性纤维形成材料。对于将带电的幅材，该聚合物本质上可为任何可维持满意的驻极体性质或电荷分离的热塑性纤维形成材料。用于可带电幅材的优选纤维形成材料为在室温(22℃)下体积电阻率为1014欧姆-厘米或更大的非导电树脂。优选地，体积电阻率为约1016欧姆-厘米或更大。可根据标准化测试ASTM D 257-93来测量聚合物纤维形成材料的电阻率。此外，用于在可带电幅材中使用的聚合物纤维形成材料优选基本上不含诸如抗静电剂之类的组分，这些组分可显著地增大导电率或换句话讲干扰了纤维接受并保持静电电荷的能力。可用于可带电幅材的一些聚合物实例包括：包含聚烯烃(例如聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚(4-甲基-1-戊烯)的热塑性聚合物和环烯烃共聚物以及此类聚合物的组合。其他可使用但可能难以带电或可能快速丢失电荷的聚合物包括：聚碳酸酯、嵌段共聚物(例如，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯和苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚氨酯)以及其他应为本领域的技术人员所熟悉的聚合物。这些纤维优选由聚-4-甲基-1-戊烯或聚丙烯制备成。最优选地，这些纤维由聚丙烯均聚物制备，这是因为其尤其能够在潮湿环境下保持电荷的能力。
可以多种方式将电荷赋予给本发明所公开的非织造幅材。这可通过(例如)以下方式进行：使该幅材与水接触，如Angadjivand等人的美国专利No.5,496,507中所公开；电晕处理，如Klasse等人的美国专利No.4,588,537中所公开；水带电，如(例如)Rousseau等人的美国专利No.5,908,598中所公开；等离子处理，如Jones等人的美国专利No.6,562,112B2和David等人的美国专利申请公布No.US2003/0134515A1中所公开；或其组合。
可向聚合物添加添加剂以增强该幅材的过滤性能、驻极体带电能力、机械性质、老化性质、着色、表面性质或其他所关注的特性。代表性添加剂包括：填料、成核剂(例如，可从美利肯化学公司(MillikenChemical)商购获得的MILLADTM 3988二亚苄基山梨醇)、驻极体带电增强添加剂(如三硬酯基三聚氰胺和各种光稳定剂，例如汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals)的CHIMASSORBTM119和CHIMASSORB 944的光稳定剂)、固化引发剂、硬化剂(例如，聚-4-甲基-1-戊烯)、表面活性剂和表面处理剂(例如，用于在油雾环境中改善过滤性能的氟原子处理剂，如Jones等人的美国专利No.6,398,847B1、No.6,397,458B1和No.6,409,806B1中所描述)。这些添加剂的类型和量应为本领域的技术人员所熟悉。例如，驻极体带电增强添加剂通常存在的量少于约5重量％并且更通常少于约2重量％。
可使用例如以下专利申请中所描述的那些方法和组分来使本发明所公开的非织造幅材形成为褶皱过滤器：以上提及的Kubokawa等人的专利申请No.6,740,137 B2和以上提及的Sundet等人的‘226专利申请。褶皱的形成通常将辅助以热的使用，以使纤维在至少一些纤维交叉点处彼此粘结(或进一步粘结)。褶皱的形成可使用将为本领域的技术人员所熟悉的其他方法或组分来实施或扩充。尽管未要求提供自支承式滤芯，但如果需要，本发明所公开的褶皱过滤器可包括除本发明公开的单层基体以外的一个或多个附加元件或层。可通过添加顶端稳定层(例如，平面丝线表面层或热熔粘结剂的细纹)或周边增强层(例如，边缘粘结剂或过滤器边框)来稳定或增强滤芯的所选部分。滤芯中可包括一个或多个附加层(例如，包含吸附性粒子的多孔层)以捕集所关注的蒸汽。
可能期望在褶皱形成之前监测平整幅材的性质，例如，基重、幅材厚度、密实度、EFD、格利刚度、泰伯刚度、DOP渗透百分比、初始NaCl渗透百分比、压降或品质因子QF。在褶皱形成之后，对诸如平均初始亚微米效率或压降等褶皱幅材性质进行监测可是有益的。
除非另外指明，EFD可采用如下文献中阐述的方法使用85升/分钟的空气流速(对应于13.8cm/sec的表面速度)来确定：“气载尘埃和粒子的分离”(The Separation of Airborne Dust and Particles，Institution of Mechanical Engineers，London，Proceedings 1B，1952)。
格利硬度可使用格利精密仪器公司(Gurley Precision Instruments)的4171E GURLEYTM型抗弯测试机来确定。从这些幅材冲切下若干3.8cm×5.1cm的矩形样品，其中样品的长边与幅材横向(cross-web)方向排列。将这些样品加载到抗弯测试机中，其中样品的长边位于幅材的固持夹具中。这些样品沿两个方向折曲，即，测试臂挤压第一主要样品表面，然后挤压第二主要样品表面，并且将这两次测量的平均值记录为以微克为单位的刚度。该测试被看作是破坏性测试，并且如果需要进行进一步的测量，则需要采用新的样品。
泰伯刚度可使用商标为TABER的150-B型刚度测试机(其可从泰伯工业公司(Taber Industries)商购获得)来确定。使用锋利的剃刀刀片(目的是防止纤维熔合)小心地从这些幅材解剖下3.8cm×3.8cm的正方形截面，并使用3至4个样品以及15°的样品挠曲来进行评估以确定其在机器方向和横向方向上的刚度。
渗透百分比、压降和过滤品质因子QF可由如下方式确定：使用包含NaCl或DOP粒子的攻击性气溶胶，以85升/分钟的流速(除非另外指明)递送该攻击性气溶胶，并使用TSITM8130型高速自动化过滤器测试机(其可从TSI公司商购获得)来进行评估。对于NaCl测试，粒子可从2％的NaCl溶液产生以提供包含直径约为0.075μm并且气载浓度约为16-23mg/m3的粒子的气溶胶，并且该自动化过滤器测试机可在加热器和粒子中和器都工作时进行操作。对于DOP测试，该气溶胶可包含直径约为0.185μm并且浓度约为100mg/m3的粒子，并且该自动化过滤器测试机可在加热器和粒子中和器都关闭时进行操作。可在过滤器入口和出口处采用经校准的光度计以测量粒子浓度以及穿过该过滤器的粒子渗透百分比。可采用MKS压力换能器(其可从MKS仪器公司商购获得)以测量穿过过滤器的压降(ΔP，毫米H2O)。可使用如下公式来计算QF：
Figure G2007800287137D00201
可针对所选的攻击性气溶胶进行测量或计算的参数包括：初始粒子渗透率、初始压降、初始品质因子QF、最大粒子渗透率、最大渗透率下的压降以及在最大渗透率下加载的粒子毫克数(对过滤器进行攻击直到最大渗透率时的总重量)。初始品质因子QF值通常提供了关于总体性能的可靠指标，其中较高的初始QF值指示较佳的过滤性能，并且较低的初始QF值指示降低的过滤性能。
可通过将带边框的过滤器安装到测试管道中并对过滤器实施氯化钾粒子(其经过干燥并呈电荷中性)测试来确定平均初始亚微米效率。可采用300ft/min(1.52米/秒)的测试表面速度。可使用光学粒子计数器在一系列的十二个粒子尺寸范围或通道上测量受测过滤器上游和下游的粒子浓度。每个通道中的粒子尺寸范围取自ASHRAE标准52.2(“按照粒子尺寸来测试通用通风空气净化设备去除效率的测试方法”)。可使用如下公式来确定每个通道的捕集效率：
Figure G2007800287137D00202
可将四个亚微米通道(即，粒径为0.3至0.4μm、0.4至0.55μm、0.55至0.7μm及0.7至1.0μm)中的每个的捕集效率值进行平均来获得一个“平均初始亚微米效率”值。测试速度、效率和压降结果通常都全部记录下来。
在如下说明性实例中，对本发明进行进一步的说明，其中除非另外指明，所有份数和百分比都按重量计。
实例1
使用如图2至图4中所示的设备，使用可从道达尔石化公司(TotalPetrochemicals)商购获得的商标为FINATM3868的熔融流动速率指数为37的聚丙烯来形成单组分单层幅材。挤出头10有16排孔口，32个孔口成一排，总共512个孔口。这些孔口布置成正方形图案(这意味着孔口在横向和径向上排列，并且在横向上和纵向上等间距)，其中间距为0.25英寸(6.4毫米)。将聚合物以0.6克/孔/分钟送至挤出头，其中将聚合物加热至250℃(482°F)的温度。供应两个淬火空气流(图2中的18b；不采用流18a)来作为：上部流，其来自高度为12英寸(305mm)的淬火箱，表面速度近似为5ft/min(1.5米/分钟)并且温度为45°F(7.2℃)；以及下部流，其来自高度为12英寸(305mm)的淬火箱，表面速度近似为5ft/min(1.5米/分钟)并且温度为室温。采用如美国专利No.6,607,624B2(Berrigan等人)中所示的可移动壁式拉细装置，使用0.030英寸(0.76mm)的气刀间隙(Berrigan等人中的30)，将空气以13psig(0.09MPa)的压力送至气刀，拉细装置顶部间隙宽度为0.21英寸(5.3mm)，拉细装置底部间隙宽度为0.18英寸(4.6mm)，并且拉细装置侧边长6英寸(152mm)(Berrigan等人中的36)。从挤出头10至拉细装置16的距离(图2中的17)为36英寸(91cm)，并且从拉细装置16至收集带19的距离(图2中的21)为23英寸(58cm)。熔纺纤维流沉积在宽度约为25英寸(约64cm)的收集带19上。收集带19由20-网孔的不锈钢制成，并且以19英寸/分钟(5.8米/分钟)的速率移动。
收集带19下方的真空估计为介于1-3英寸水柱(约250-750Pa)的范围内。板111的区域115具有交错间隔的直径为0.062英寸(1.6mm)的开口，从而获得23％的敞开面积；固持在幅材下方的区域116具有交错间隔的直径为0.062英寸(1.6mm)的开口，从而获得30％的敞开面积；并且加热/粘结区域117和淬火区域118具有交错间隔的直径为0.156英寸(4.0mm)的开口，从而获得63％的敞开面积。空气以足以在狭槽109(其尺寸为0.75英寸×26英寸(1.9cm×66cm))处产生500ft3/min(约14.2m3/min)的空气的速率供应穿过导管107。板108的底部与收集装置19上的收集幅材20的距离为约0.6英寸(1.5cm)。穿过淬火流加热器的狭槽109的空气温度为160℃(320°F)，该温度测量于加热空气进入壳体101的入口点处。
离开淬火区域120的幅材被粘结为具有足够的完整性，以自支承并可使用普通方法和设备进行处理；该幅材可通过普通的卷绕装置卷绕成储存卷或可经历多种操作(例如褶皱和组装)而成为过滤装置(例如，褶皱过滤器板)。对该幅材进行电晕充电，并且进行评估，以确定如下表格1A中所示的数个物理性质。就DOP渗透百分比和压降测量而言，所记录的13.8cm/sec表面速度对应于8.28m/min的表面速度，并且就所采用样品尺寸而言，所记录的13.8cm/sec表面速度则对应于85升/分钟的流速。
表格1A
  基重，gsm   85
  密实度，％   9.6
  厚度，mm   0.97
  EFD，μm   19
  泰伯刚度，泰伯单位   3.2
  格利刚度，mg   320
  13.8cm/sec表面速度下的压降，毫米水柱   1.35
  13.8cm/sec表面速度下的DOP渗透率，％   70
  品质因子QF，mm-1H2O(DOP)   0.26
使用Karl Rabofsky America Corp公司的RABOFSKYTM打褶机使带电的平整幅材形成褶皱，该打褶机配备有用于稳定褶皱的加热压板。
实例1的褶皱过滤器是通过将展开的丝线筛网胶粘至过滤器两侧的褶皱顶端而形成的。该过滤器加有由两个部分组成的硬纸板边框，该硬纸板边框具有1.1英寸(28mm)的折叠在滤芯两侧的过滤器周边上的瓣片。过滤器尺寸为19.7×22.7×0.8英寸(50×57.7×2cm)，其中3.5个褶皱/英寸(1.38个褶皱/厘米)并且褶皱高度为0.8125英寸(2.06cm)。使用ASHRAE标准52.2来评估该过滤器以确定最大效率记录值(MERV)。下面的表格1B中列举的是评估结果以及使用以类似方式形成褶皱的过滤器来获得的结果，该过滤器由2.1盎司/码2(33.9gsm)的ACCUAIRTM介质(其可从金佰利克拉克公司(KimberlyClark Corp)商购获得并在供应时经过电晕处理)形成。该评估在300英尺/分钟(1.52m/sec)的速度下进行直到最终的压降为1.0英寸(1.52m/sec)(25.4mm)H2O柱。
表格1B
 实例1的过滤器  ACCUAIR过滤器
  压降，毫米水柱   4.9   4.62
  复合材料E1的最小效率，％   46   41
  复合材料E2的最小效率，％   83   80
  复合材料E3的最小效率，％   91   91
  MERV   12   12
  25.4毫米水柱压降下的重量增加，g   35.5   26.1
表1B中的数据示出，相比于由ACCUAIR介质制成的过滤器，实例1的过滤器在1.0英寸(25.4mm)水柱的压降下提供了更佳的效率和容纳容量。
此外，实例1的介质还用于通过将展开的丝线筛网胶粘至过滤器两侧的褶皱顶端来制备褶皱滤芯。该过滤器加有由两个部分组成的硬纸板边框，该硬纸板边框具有1.1英寸(28mm)的折叠在滤芯两侧的过滤器周边上的瓣片。过滤器的敞开面积近似约为17.5×22.5英寸(44.5×57.2cm)。在300ft/min(1.52m/sec)的表面速度下测试滤芯的初始压降和初始分级效率。初始压降为0.19英寸(4.8mm)水柱。各个粒子尺寸范围的结果示于如下的表1C中。
表格1C
  尺寸范围，μm   初始分级效率，％
  0.3-0.4   37
  0.4-0.55   40
  0.55-0.7   49
  0.7-1.0   60
  1.0-1.3   74
  1.3-1.6   81
  1.6-2.2   86
  2.2-3.0   91
  3.0-4.0   92
  4.0-5.5   90
  5.5-7.0   93
  7.0-10.0   89
图1C中的结果示出该过滤器的平均初始亚微米效率为47％。
实例2
使用实例1中的通用方法(除了以下另外指明的以外)，使用FINA3868聚丙烯来形成单组分单层幅材。挤出头10具有18排孔口，每排36个孔口；该18排孔口分成两块，每块9排，在模头中部由0.63英寸(16mm)的间隙分开，总共648个孔口。这些孔口布置成0.25英寸(6.4mm)间距的交错图案。将聚合物以1.0克/孔/分钟送至挤出头。供应两个淬火空气流(图2中的18b；不采用流18a)来作为：上部流，其来自高度为16英寸(406mm)的淬火箱，表面速度近似为83ft/min(0.42米/分钟)并且温度为40°F(4.4℃)；以及下部流，其来自高度为7.75英寸(197mm)的淬火箱，表面速度近似为28ft/min(0.14m/min)并且温度为室温。采用如Berrigan等人专利中所示的可移动壁式拉细装置，使用0.050英寸(1.27mm)的气刀间隙，将空气以24psig(0.17MPa)的压力送至气刀，拉细装置顶部间隙宽度为0.19英寸(4.8mm)，并且拉细装置底部间隙宽度为0.185英寸(4.7mm)。从挤出头10至拉细装置16的距离为31英寸(78.7cm)，并且从拉细装置16至收集带19的距离为27英寸(68.6cm)。熔纺纤维流沉积在宽度约为20英寸(约51cm)的收集带19上。收集带19以52ft/min(约15.8米/分钟)的速率移动。
空气以足以在狭槽109(其尺寸为1.5英寸×22英寸(3.8cm×55.9cm))处产生400ft3/min(约11.4m3/min)的空气的速率供应穿过导管107。板108的底部与收集装置19上的收集幅材20的距离为约3/4至1英寸(1.9-2.54cm)。穿过淬火流加热器的狭槽109的空气温度为155℃(311°F)，该温度测量于加热空气进入壳体101的入口点处。
离开淬火区域120的幅材被粘结为具有足够的完整性，以自支承并可使用普通方法和设备进行处理；该幅材可通过普通的卷绕装置卷绕成储存卷或可经历多种操作(例如褶皱和组装)而成为过滤装置(例如，褶皱过滤器板)。对该幅材进行电晕充电，然后根据美国专利No.5,496,507(Angadjivand等人)中教导的技术用去离子水进行水带电，让其干燥。对该带电的幅材进行评估，以确定如下表格2A中示出为试验编号2-1的平整幅材的性质。
此外，还对由类似工艺条件制成的第二带电幅材进行评估，以确定其在表格2A中示出为试验编号2-2的平整幅材的性质。试验编号2-2包括：以26psig(0.18MPa)的压力送至气刀的空气；73ft/min(0.37m/sec)的上部淬火箱表面速度；152℃(306°F)的淬火流加热器的空气温度；足以产生300ft3/min(约8.5米3/分钟)空气的淬火流加热器速率；及245℃(473°F)的挤出头温度。
表2A
  性质   试验编号2-1   试验编号2-2
  基重，gsm   99   97
  密实度，％   11.4   -
  厚度，mm   0.97   -
  EFD，μm   18   -
  格利刚度，mg   913   620
  13.8cm/sec表面速度下的压降，毫米水柱   2.0   2.1
  13.8cm/sec表面速度下的DOP渗透率，％   40.1   33.0
  品质因子，QF，毫米-1水柱(DOP)   0.45   0.54
将试验编号2-1的幅材形成为褶皱高度为20mm并且褶皱间距为4.6mm的褶皱滤芯。通过将展开的丝线筛网胶粘至过滤器两侧的褶皱顶端来稳定这些褶皱。该过滤器加有一体式硬纸板边框，该硬纸板边框具有0.5英寸(12.7mm)的折叠在滤芯两侧的过滤器周边上的瓣片。过滤器的敞开面积近似约为7.4×12.0英寸(188×305mm)。在300ft/min(1.52m/sec)的表面速度下测试滤芯的初始压降和初始分级效率。初始压降为0.23英寸(5.8mm)水柱。各个粒子尺寸范围的结果示出于如下的表2B中。
表2B
  尺寸范围，μm   初始分级效率，％
  0.3-0.4   55.4
  0.4-0.55   64.6
  0.55-0.7   72.1
  0.7-1.0   79.0
  1.0-1.3   84.5
  1.3-1.6   88.2
  1.6-2.2   92.3
  2.2-3.0   95.6
  3.0-4.0   97.9
  4.0-5.5   98.9
  5.5-7.0   99.5
  7.0-10.0   99.9
图2B中的结果示出该过滤器的平均初始亚微米效率为67.8％。
实例3
使用实例2中的通用方法(除了以下另外指明的外)，用可从道尔顿石化公司(Total Petrochemicals)商购获得的FINA 3860聚丙烯来形成单组分单层幅材，该FINA 3860具有为70的熔融流动速率指数并添加了0.75重量％的来自汽巴精化公司(Ciba Specialty Chemicals)的CHIMASSORB 944阻胺光稳定剂。将聚合物以0.20克/孔/分钟送至挤出头，其中将聚合物加热至235℃的温度。上部淬火空气流具有45°F(7.2℃)的温度，并且下部淬火空气流具有近似约为31ft/min(0.16m/sec)的表面速度。采用如Berrigan等人专利中所示的可移动壁式拉细装置，使用0.030英寸(0.76mm)的气刀间隙，将空气以12psig(0.08MPa)的压力送至气刀，并且拉细装置顶部间隙宽度为0.20英寸(5.1mm)。熔纺纤维流沉积在宽度约21英寸(约53cm)的收集带19上。收集带19以6ft/min(约1.8米/分钟)的速率移动。收集带19下方的真空估计介于6-12英寸水柱(约1.5-3.0KPa)的范围。
空气以足以在狭槽109处产生500ft3/min(约14.2m3/min)的空气的速率供应穿过导管107。穿过淬火流加热器的狭槽109的空气温度为164℃(327°F)，该温度测量于加热空气进入壳体101的入口点处。
离开淬火区域120的幅材被粘结为具有足够的完整性，以自支承并可使用普通方法和设备进行处理；该幅材可通过普通的卷绕装置卷绕成储存卷或可经历多种操作(例如褶皱和组装)而成为过滤装置(例如，褶皱过滤器板)。根据美国专利No.5,496,507(Angadjivand等人)中教导的技术用去离子水对该幅材进行水带电，让其干燥。对该带电的幅材进行评估，以确定示出于如下表3A中的平整幅材性质：
表3A
  基重，gsm   152
  密实度，％   15.2
  厚度，mm   1.11
  EFD，μm   11
  格利刚度，mg   4557
  13.8cm/sec表面速度下的压降，毫米水柱   10
  13.8cm/sec表面速度下的DOP渗透率，％   2.7
  品质因子，QF，毫米-1水柱(DOP)   0.34
将该幅材形成为褶皱高度20mm并且褶皱间距为4.6mm的褶皱滤芯。通过将展开的丝线筛网胶粘至过滤器两侧的褶皱顶端来稳定这些褶皱，并使用实例2的方法给这些褶皱加上一体式的硬纸板边框。在300ft/min(1.52m/sec)的表面速度下测试滤芯的初始压降和初始分级效率。初始压降为0.754英寸(19.2mm)水柱。各个粒子尺寸范围的结果示出于如下的表3B中。
表3B
  尺寸范围，μm   初始分级效率，％
  0.3-0.4   88.6
  0.4-0.55   91.3
  0.55-0.7   92.7
  0.7-1.0   94.1
  1.0-1.3   95.1
  1.3-1.6   96.0
  1.6-2.2   96.8
  2.2-3.0   97.4
  3.0-4.0   97.9
  4.0-5.5   98.4
  5.5-7.0   98.6
  7.0-10.0   98.8
图3B中的结果示出该过滤器的平均初始亚微米效率为91.7％。
已描述了本发明的多个实施例。然而，应当理解，可在不脱离本发明的情况下做出多种修改形式。因此，其他实施例均在所附权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种用于制备褶皱过滤器的方法，包括：
a)在足以形成由聚合物组成相同的部分结晶和部分非晶的取向熔纺纤维构成的幅材的热条件下，通过熔纺、收集、加热和淬火单组分聚合物纤维来形成由连续单组分聚合物纤维构成的单组分单层非织造幅材，所述单组分聚合物纤维经粘结形成格利刚度至少为100mg连贯的且可进行处理的幅材，并且其还可在保持取向和纤维结构的同时被软化；
b)在所述非织造幅材中形成若干行褶皱；以及
c)将具有在步骤b)中形成的褶皱的非织造幅材切割成所需尺寸和形状以形成褶皱滤芯，所述褶皱滤芯包括自支承的多孔单组分单层纤维基体，所述基体由在至少一些纤维交叉点处彼此粘结的纤维构成，并且在1.52米/秒的面速度下具有至少15％的平均初始亚微米效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述纤维自生粘结。
3.根据权利要求1所述的方法，其包括通过将所述幅材加热至低于所述纤维标称熔点至少10℃的温度来形成所述褶皱。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述幅材的基重为65克/米2至250克/米2。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述幅材的有效纤维直径为8μm至40μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述幅材的格利刚度为至少200mg。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述幅材的格利刚度为至少300mg。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述聚合物为聚丙烯。
9.根据权利要求1所述的方法，其中当暴露于包含直径0.185μm、气载浓度100mg/m3的粒子的DOP攻击性气溶胶时，所述幅材的初始过滤品质因子QF为至少0.3，其中所述DOP攻击性气溶胶以13.8cm/sec的面速度流动。
10.根据权利要求1所述的方法，其中当暴露于包含直径0.185μm、气载浓度100mg/m3的粒子的DOP攻击性气溶胶时，所述幅材的初始过滤品质因子QF为至少0.4，其中所述DOP攻击性气溶胶以13.8cm/sec的面速度流动。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述褶皱滤芯的平均初始亚微米效率为至少25％。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述褶皱滤芯的平均初始亚微米效率为至少50％。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述幅材带电。
14.根据权利要求13所述的方法，包括对所述幅材进行水带电。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括压延所述幅材。
16.一种褶皱过滤器，包括自支承的多孔单组分单层基体，所述自支承的多孔单组分单层基体由聚合物组成相同的部分结晶和部分非晶的取向熔纺聚合物纤维构成，所述聚合物组成相同的部分结晶和部分非晶的取向熔纺聚合物纤维在至少一些纤维交叉点处彼此粘结，所述基体形成为若干行折叠或波状褶皱，并在1.52米/秒的面速度下具有至少15％的平均初始亚微米效率。
17.根据权利要求16所述的褶皱过滤器，其中所述纤维自生粘结。
18.根据权利要求16所述的褶皱过滤器，其中所述聚合物是聚丙烯。
19.根据权利要求16所述的褶皱过滤器，其中所述基体的基重为65克/米2至250克/米2。
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