CN102164644A - 具有改进性能的空气套式的聚结器介质 - Google Patents

Abstract

所披露的是用于聚结两相混合物的聚结介质，即连续相和分散的液相。所述介质包括具有带有粗糙峰的表面的聚合的基体材料，并且所述介质对于亲水性/疏水性是异质的。所述介质被配置用于在连续相中聚结分散的液相，其中异质表面的优势是对于分散的液相不润湿。所述介质被配置用于捕获分散的液相的小液滴，其中空气层被困在异质表面上并且粗糙峰的顶端延伸穿过受困层并接触小液滴。

Description

具有改进性能的空气套式的聚结器介质

相关申请的交叉引用

根据美国法典第35编第119(e)款，本申请要求在2008年9月3日提交的第61/093,831号美国临时申请的利益，第61/093,831号美国临时申请的内容通过全部引用合并于本文。

技术领域

本发明的领域涉及聚结介质、聚结系统和用于聚结两相混合物的方法，两相即连续相和分散相。特别地，所述领域涉及聚结介质、聚结系统和为了从混合物中收集和去除分散相而聚结分散相液滴的方法。

背景技术

在某些方面，此披露的信息描述了聚结器介质。聚结器介质拥有与介质表面邻近的薄的空气膜或空气层，以从固体介质表面充分地分离分散相(油或水)并且促进从介质聚结和排出分散相。薄的空气膜是表面粗糙、表面异质性、接触角和润湿性特征的结果，在操作条件下维持从固体表面分离分散相。

聚结器用于分离两不互溶的流体，诸如从气流中去除油雾或从燃料中去除小水滴。在曲轴箱通风运用中，需要很高的小液滴去除效率以保护环境(在开放的曲轴箱通风应用中)和保护涡轮增压器(在封闭的曲轴箱通风应用中)。此外，低限制或压降是所期望的：(1)为了避免在曲轴箱中的超压的增长形成(buildup)；(2)为了减少旁通阀的开启和产生的小液滴去除的降低，和(3)为了延长聚结器的服务间隔时间。通常，在去除效率、压降和寿命之间存在权衡取舍(tradeoff)。获得更合意的权衡取舍是所期望的，即获得更合意的高效率、低压降和过滤器寿命增加的总水平。

聚结器被广泛用于从气态的或液态的连续相中去除不可互溶的小液滴，诸如在曲轴箱通风过滤、燃料水分离和油-水分离中。现有技术聚结器设计包含了通过利用分级捕获(即，减少聚结介质中的纤维直径、气孔大小和/或多孔性)或通过利用厚纵深的聚结器(thick depth coalescers)来加强小液滴捕获和聚结的原则。经常，为了增长聚结器的寿命，现有技术聚结介质在内层上游可有更加开放的层，为了增大被排放的液滴的大小，现有技术聚结介质在内层下游可有更加开放的层。润湿性也被认为是影响聚结器的性能(例如，见第6,767,459号美国专利和第2007-0131235号、第2007-0062887号美国公布的专利申请)。美国专利第5,443,724号披露，为了改善聚结器性能，介质应当具有大于水的表面能(即，介质应当优先地被聚结的小液滴和连续相润湿)。第4,081,373号美国专利披露，为了从燃料中去除水，聚结介质应当是疏水的。第2006-0242933号美国公布的专利申请披露了一种油-雾聚结器，在这种油-雾聚结器中过滤介质是疏油的，因此使流动的雾能够聚结形成小液滴并从过滤介质中排出。该公布的申请也披露了第二介质层，可选择地，也许是疏水的。

用于从连续相中聚结分散相的改进的聚结器介质是所期望的。这里，描述了空气套式的聚结器介质，空气套式的聚结器介质展现出所期望的关于分散相的排出、减少的压降和增加的分散相的去除的属性。

发明内容

所披露的是具有独特的表面属性的聚结器介质和生产聚结器介质的方法。与现有的聚结器介质相比，为了促进从聚结器聚结和排出分散相，所披露的聚结器介质产生与介质表面邻近的薄的空气膜或空气层，以从基体介质表面物理地和充分地分离分散相(油或水)。现有的聚结器依赖所捕获的分散相和聚结器介质表面之间的紧密的接触。对于曲轴箱通风应用，分散相可为浓缩的碳氢化合物、油、水或这些的混合物。

所披露的聚结介质可利用于聚结两相的混合物，即连续相和分散相。为了从混合物中收集和去除分散相，所披露的介质可利用于聚结器、系统和方法。连续相可包括连续气相和连续液相。分散相可包括分散液相。

所披露的聚结器、聚结系统和方法可利用于聚结任何合适的混合物。合适的混合物包括连续相和分散相。在某些具体实施方式中，连续相是气体并且分散相是液体。例如，所披露的系统和方法可被配置用于，或被利用于从气流中聚结碳氢化合物液体的小液滴(例如碳氢化合物燃料，生物柴油燃料或润滑的、液压的或传动油)、水或这些的混合物。

在某些具体实施方式中，所披露的聚结介质可被配置以用在聚结器、聚结系统或聚结方法中。所披露的聚结器、聚结系统和聚结方法可包括或利用所披露的聚结介质，聚结介质用于在连续相中从分散相的混合物中聚结分散相。可选择地，聚结器、聚结系统和聚结方法可包括或利用另外的介质。例如，所披露的聚结器、聚结系统和聚结方法可进一步包括或可进一步利用用于去除浓缩的碳氢化合物、油、水或这些的混合物的另外的介质，其中另外的介质被置于聚结介质的上游或下游。

所披露的聚结介质可利用在用于从连续相中去除分散相的聚结器、聚结系统和聚结方法中。在某些具体实施方式中，聚结介质可利用在用于去除分散相的聚结器、系统和方法中，分散相包含浓缩的碳氢化合物、油、水或这些的混合物。优选地，聚结介质可利用在聚结器、系统或方法，以去除至少大约93％的分散相(更优选地至少大约95％的分散相，甚至更优选地至少大约97％的分散相，最优选地至少大约99％的分散相)。在聚结器、聚结系统和聚结方法的某些具体实施方式中，连续相是气体并且分散相是液体(例如碳氢化合物液体、水或这些的混合物)。

在某些具体实施方式中，聚结器或聚结系统，如本文所考虑的，可包括容纳在壳体中的所披露的聚结介质。壳体可包括被安排为接纳混合物的上游进口、被安排为在聚结之后排放混合物的第一下游出口，和可选择的被安排为排放所聚结的分散相的第二下游出口。

所披露的介质可利用在曲轴箱过滤器中。优选地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于85％的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。更优选地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于90％的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。甚至更优选地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于95％的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。理想地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于99％的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。

附图说明

图1是如本文所考虑的空气套式的聚结器介质的原理示意图。

图2是利用介质A、B、C、D、E、F和G的浸泡试验的原理示意图。

图3图解示出相对于时间的介质A和介质B的油雾去除效率。

图4示出在介质相上的分散液滴的接触角θ的测定方法。

图5示出对于涤纶聚结器介质的θ的测定。

图6示出对于涤纶聚结器介质的χ的测定。

图7示出α的测定.(1)介质在水平位置的初始位置，(2)倾斜为角α的介质，液滴在介质上最初开始移动。

图8示出用于测定滞后的动态接触角的测量。

图9示出油滴在介质B上的前进接触角和后退接触角。

图10示出两种不同的聚结器介质的表面异质性。

具体实施方式

为了促进理解本发明的原理的目的，现在将涉及在附图中示出的具体实施方式，并且用特定的语言描述相同内容。不过，应当理解成并没有本发明的范围的限制因此被意指，本发明涉及的领域的技术人员通常会想到在示出的设备上的任何改动和进一步的修改，以及被考虑过的本文所示的发明的原理的此类的进一步应用，。

本文所披露的聚结介质可利用于在连续相中从分散相的混合物聚结分散相的小液滴。本文所考虑的混合物可包括分散在气体中的疏水液体的混合物(例如，碳氢化合物液体)和分散在气体中的水性液体(例如，水)。在某些具体实施方式中，连续相可为碳氢化合物液体并且分散相可为水。在其它的具体实施方式中，连续相可为水并且分散相可为碳氢化合物液体。正如本文所考虑的，碳氢化合物液体主要包括碳氢化合物材料，碳氢化合物材料可包括不同的碳氢化合物多种材料的混合物，但是进一步可包括非碳氢化合物材料(例如，多达大约1％、5％、10％或20％的可包括水的非碳氢化合物材料)。

本文所披露的聚结介质可利用于本领域所披露的聚结器、聚结元件、聚结过滤器、聚结装置、聚结组件、聚结系统和聚结方法。(例如，见美国专利第7,416,657、7,326,266、7,297,279、7,235,177、7,198,718、6,907,997、6,811,693、6,740,358、6,730,236、6,605,224、6,517,615、6,422,396、6,419,721、6,332,987、6,302,932、6,149,408、6,083,380、6,056,128、5,874,008、5,861,087、5,800,597、5,762,810、5,750,024、5,656,173、5,643,431、5,616,244、5,575,896、5,565,078、5,500,132、5,480,547、5,480,547、5,468,385、5,454,945、5,454,937、5,439,588、5,417,848、5,401,404、5,242,604、5,174,907、5,156,745、5,112,498、5,080,802、5,068,035、5,037,454、5,006,260、4,888,117、4,790,947、4,759,782、4,643,834、4,640,781、4,304,671、4,251,369、4,213,863、4,199,447、4,083,778、4,078,965、4,052,316、4,039,441、3,960,719、3,951,814号和美国公布的申请第2007-0289915、2007-0107399、2007-0062887、2007-0062886和2007-0039865号；这些专利和专利申请的内容通过全部引用合并于本文。)本文所披露的聚结介质可利用本领域已知的方法制造，并且可包括本领域所披露的另外的特征。(例如，见美国专利6,767,459、5,443,724和4,081,373；以及美国公布的专利申请第2007-0131235、2007-0062887和2006-0242933号；这些专利和专利申请的内容通过全部引用合并于本文。)

图1在原理上示出该发明、空气套式的聚结器介质和将使用的术语。空气套式的聚结器介质组成过滤介质，过滤介质用于从连续相中分离分散相小液滴。基体介质包含聚合纤维，诸如涤纶、尼龙、碳氟聚合物或其他聚合物。从基体介质的表面延伸出的是粗糙峰(asperities)或突出物。典型地，这些粗糙峰是经表面修饰工艺产生的有机链或有机结构，诸如涂覆、等离子体处理，或相关的工艺，或从纤维自身的生产中产生。在纳米级水平，这些粗糙峰在基体纤维上产生粗糙化的表面。该粗糙化的表面，与表面的分散相不润湿区域一起，导致凹(depression)、谷(valleys)或沿介质表面的穴(pocket)，保持和困住基体介质和所捕获分散相之间的空气。在表面所困住的该空气维持基体介质和分散相之间的空间分离，这对本发明的功能很重要。在基体介质和停留在粗糙峰顶端的分散相之间产生的空间内部是气体的薄层，典型地是空气的薄层。介质的表面可为异质的，介质的表面包括基体介质表面和粗糙峰的表面两者，基体介质表面和粗糙峰的表面与环境接触。表面异质性涉及邻近的纳米级表面块的存在，纳米级表面块化学上不同并且就它们的关于分散相的润湿性而言不同。为了加强聚结器的性能，优选的是一部分表面由对于分散相的不润湿的区域构成。

基于如本文所述的在浸泡试验中的性能，空气套式的聚结器介质能区别于其它的聚结器介质。在空气中，介质的样品试片(coupon)(例如，5cm×2.5cm宽的试片)放在含有液体(例如，碳氢化合物液体，诸如用于曲轴箱通风应用的发动机润滑油)的容器，诸如烧杯中。然后通过放重物在样品上，将试样浸入，直至空气气泡停止从其上浮。轻按或压浸没的介质可用于加速该过程。然后移开重物并且观察到样品的有关的浮性。当介质的密度大于液体的密度时，按惯例，非空气套式的聚结器介质会维持浸入，而空气套式的聚结器介质会漂浮，典型地，只有一小部分保留在液体表面之下。

在七种不同的聚结器介质的样品上实施浸泡试验，介质A、B、C、D、E、F和G。(见图2)。分散相液体是发动机润滑油(Citgo

500机油，SAE10W30)。介质A是通过熔吹(meltblowing)形成的涤纶介质。介质的密度是1.313g/cm³。介质B、D、E、F和G是和介质A一样的基体介质，但接受了多种类型的等离子体处理。在美国专利第6,429,671和6,419,871号中描述了相关的等离子体处理。介质C和介质A一样，但用含有聚二甲硅氧烷的进行过化学上的处理。在浸泡试验中，介质A、E、F和G被油分散相快速地润湿并且沉到烧杯底部，表示它们不是空气套式的聚结器介质。(见图2)。在浸没时，介质B和D基本上保留了所有的它们的空气；并且在移开所加的重物时，介质B和D快速上浮至油的表面。它们几乎全部漂浮在油的表面之上。(见图2。)与介质B和D相似，在浸没时，介质C保留了大量的它们的空气；在移开所加的重物的时，介质C上浮至至油的表面。虽然它大部分漂浮在油的表面之上，它显现出浮得比介质B和D稍微少。(见图2。)介质B、C和D的表现是空气套式的聚结器介质的特性，由于困于这些处理过的介质的粗糙的、相对不润湿的表面的空气的存在，空气套式的聚结器介质在浸没后保留浮性。介质A、E、F和G的表现是非空气套式的聚结器介质的特性。介质C与介质B和D相比，具有更不好的所生成的空气套，但是它们的浮性证明所有三者拥有如在本申请所描述的空气套。为了对此确认，在真空下用该系统(烧杯、油、介质)重复介质B、C和D的实验。在每个例子中，当空气套被真空从介质脱去后，介质不再漂浮，并且反而沉至烧杯的底部。

暴露于液体的空气套式的聚结器介质的表面结构，被设计或修饰以产生空气套。介质呈现于所捕获的和/或所聚结的分散相的小液滴的表面结构是包含空气膜或空气层的复合表面。粗糙峰使实际存在的聚结器介质的固体表面粗糙化。粗糙峰的顶端突出穿过空气膜或空气层。粗糙峰的侧面和基体对于分散相来说基本上不润湿，虽然粗糙峰可是异质的，具有相对于分散相的不润湿和润湿区域的纳米级块。收集在此复合表面的分散相的小液滴，是松散地被保持并且自由地排出，这减少了穿过聚结器的压降。排出的容易性在实验上能用sine α作为特征，在此α是在介质表面的小液滴自发地移动的介质表面倾斜的最小角度。下列方程式被设计用于计算碳氟化合物涂覆的防雪织物和防冰织物的sine α：

$\sin \mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{Rk}\sin \mathrm{\χ}(\cos \mathrm{\χ}+1)}{g(R\cos \mathrm{\θ}+1)}\sqrt[3]{\frac{{3\mathrm{\π}}^2}{m^2\mathrm{\ρ}(2-3\cos \mathrm{\χ}+{\cos }^3\mathrm{\χ})}}$

在此R＝粗糙度系数

k＝常数

θ＝平面介质(没有粗糙峰)的接触角

χ＝具有粗糙峰的粗糙表面的接触角

g＝重力加速度

m＝小液滴的质量

ρ＝小液滴的比重

(见Kulinich等，《真空》(Vacuum)79(2005)：255-264)。在该方程式中，R是粗糙峰的侧面的面积与它们的突出的面积之比。常数k与表面和液体之间的相互作用能量有关。接触角θ是没有粗糙峰(平面)的介质的有效的接触角。对于异质表面，它能被视为表面的润湿区域和不润湿区域所贡献的加权平均面积。接触角χ是分散相在粗糙介质(包括粗糙峰)的化学上异质的复合表面上的平衡接触角，复合表面包括受困的空气。

以前方程式用在服装和衣服工业。然而，在此，已认识到该方程式能适用于聚结器介质，诸如用于曲轴箱通风应用。进一步，为了促进从聚结器排出分散相并且减少它们的压降，已认识到最小化α是所期望的。一般，该方程式证明增大R是所期望的，即粗糙峰相对于它们基体(在此它们与基体材料接触)的相对高度(或突出的距离)；并且该方程式证明增大θ和χ两者是所期望的。通过增大基体材料和分散相之间的空气膜的厚度和完整性，最大化这些特性使聚结器的性能优化。根据过滤原理，最大化这些特性不会影响初始污染物去除，因为介质纤维直径、多孔性和厚度保持固定。然而，恰当地最大化所述特性，使得介质变成空气套式，产生从基体介质表面分离分散相的空气层。因此，分散相能只微弱地依附于空气套式的介质，并且排出是便利的。

在表1中证明了与用于曲轴箱通风应用的传统介质相比，空气套式的介质用于由先前所描述的介质A、B和D制成的聚结器元件的优点。为了测定新元件的压降(ΔP)，并且为了测定0.3μm油雾滴穿透介质的能力，使用TSI 8127自动过滤器测试仪(TSI 8127 Automated Filter Tester)试验使用各种聚结器介质的新元件。在用油浸透元件以模拟用过的过滤器后，测定元件的压降和元件的油雾去除效率，然后用超细的油雾考验元件。报告了介质的过滤净度(gravimetric efficiency)。正如从表1可以看出，新元件的压降和对于全部三个介质的穿透度是相似的，正如过滤原理所预料，因为就纤维直径、多孔性和深度特征而言，全部三个介质在物理上相似。然而，对于使用空气套式的介质，介质B和D的聚结器，与非空气套式的参照介质A相比，浸透的元件去除效率更高并且压降更低。表1显示了实验室试验的结果。用介质A和介质B制成的聚结器元件作为曲轴箱通风过滤器在发动机上进一步试验，发动机在测功器上运转30小时。在图3中显示了作为时间的函数的过滤净度。经过30小时的操作，介质A给出83.4％的平均效率，而介质B给出96.7％的平均效率。在关于油雾去除的实验室试验和发动机上试验中，空气套式的介质展现出比相比较的非空气套式的聚结器介质更高的去除作用。过滤理论没有预料到空气套式的介质的这种出乎意料的优点。

就期望的范围而言，空气套式的聚结器介质的表面特性可被更准确地确定，该期望的范围是关于：θ、χ、标准的sine α、介质的接触角滞后；和/或最小的表面面积比率。现在讨论这些范围和所期望的值

存在多种计算、估计和测量θ和χ的理论的和实验的方法。在图4-6中，示出了用于定义接触角的意思和规则。三相接触角被定义为顶点在连续相、分散相和介质相的交叉的角，其一条射线从顶点平行于介质表面延伸，另一条射线在顶点处与分散相的表面切向地延伸。(见图4。)经过分散相测量该角。在此提及，如在先前的方程式中所示，存在两个不同的接触角θ和χ。

通过测量在单个纤维的小液滴的接触角能估计接触角θ，或者通过以没有粗糙峰的平面的方式获取介质样品能估计接触角θ。(见图4或5)。图5示出被喷到涤纶过滤器介质的直径20.6μm的纤维的油滴。从附于纤维的小液滴的显微照片中测定接触角θ。然而，能通过多种方法测定接触角θ，包括为在纤维上的小液滴拍照，使用测角仪，斜板法(tilted plate method)或力平衡法(force balancemethods)诸如白金板法(Wilhelmy plate method)。在缺乏从平面介质获得的数据时，对于θ，这是非常有用的近似值，θ反映纤维的表面异质性。

相似地，通过测量在一块过滤器介质上的分散相液滴的接触角能估计χ，如在图6中所示。图4显示在一块无纺涤纶过滤器介质上的水滴。通过使用一块介质，对照于单个纤维，很好地表现了介质的总体属性，包括粗糙峰。

通过将分散相的液滴放于水平的聚结器介质样品上，并且逐渐地改变倾斜度或仰角，直到液滴开始移动，能直接测定角α，如在图7中所示。介质样品应当相对地光滑(即，纤维应当被初始地排成水平的而且基本上无一从水平的表面突出)。应当测定放于介质上的液滴的质量。角α是聚结器介质的特征，并且是θ，χ和R及液滴质量、液滴密度和k的函数。对于曲轴箱通风应用，标准的sineα，(即，sinαm^2/3p^1/3g)应当小于油和水两者的临界值。

在介质A和B上实施了实验，以测定它们的标准sineα和空气保存属性。图8显示了如上文所描述的介质A和介质B的表面异质性和粗糙度的证据。介质A(图8A)是对于油的χ＝0°和θ＝34°±19°的非空气套式的介质。介质B(图8B)是对于油的χ＝116°和θ＝57°±12°的空气套式的介质。对于介质A，油滴被汲吸进介质，并且在任何倾斜角观察到油滴无排出，并且500油完全汲吸进介质，挤出空气。对于介质B，水滴和油滴两者都不汲吸进介质。对于油，重0.0213g的液滴在48°的平均角α开始移动。因此，这种介质的标准sine α是54g/s²。对于水滴，角α大约是78°并且标准sine α是82g/s²。介质A和介质B的结果的对比显示，如果对于分散相，标准的sine α小于72g/s²并且汲吸没有发生，介质是空气套式的。基于所述结果，空气套式的介质优选拥有下列特征：

A.χ大于60°，并且理想地大于90°；和θ大于45°，并且理想地大于90°；

B.当分散相是油时，标准的sineα小于72g/s²；和当分散相是水时，标准的sineα小于84g/s²；以及

C.在介质上实施浸泡试验时，介质漂浮。

接触角滞后也能被用于确定空气套式的聚结器介质。接触角滞后可被定义为，动态的介质接触角，前进接触角和后退接触角，之间的差异。较高的接触角滞后是增大的表面粗糙度和/或表面异质性的标示。如在图9中所示，通过测定在倾斜角为20°的介质表面上的前进接触角和后退接触角来进行动态的接触角测量。对于使用油滴的介质A、介质B、介质E和介质F，以这种方式进行动态的接触角测量。结果在图8中显示并且在表2中总结，结果显示，与介质A、介质E和介质F的小于90°的前进接触角和后退接触角相比，空气套式的介质B展现出两者都大于90°的前进接触角和后退接触角。而且，介质B展现出比非空气套式的介质A、E和F更大的滞后。空气套式的介质在滞后上的增大是由于在表面粗糙度和异质性上的增大。这，加上介质的相对于油滴的更好的不润湿的特征，如介质B的前进接触角、后退接触角和静态接触角所示，导致空气套围绕介质。这显示空气套式的聚结器介质展现出前进接触角和后退接触角大于90°和滞后，滞后大于5°，优选大于10°。

在图10中示出了两种不同聚结器介质的表面异质性的作用。对比介质A和介质B的关于它们聚结油滴的能力。介质B空气套式的介质展现了较高的聚结属性。

可通过计算介质A和介质B的理论表面积并且与测量的表面积对比，如通过BET表面积测定法测定，来确认粗糙峰的重要性；粗糙峰从基体介质纤维延伸以产生带有谷、穴(pocket)、凹(depression)和腔的粗糙化的表面，在此困住空气。使用下列方程式计算介质理论上的每单位质量的表面积A_T：

$A_T=\frac{2}{\mathrm{R\ρ}}$

这里R＝平均的纤维半径，以及

ρ＝纤维材料的密度

对于介质A和介质B，理论上的每单位质量的表面积是0.305m²/g。所测量的介质A的表面积是0.751m²/g，同时所测量的介质B的表面积是0.846m²/g。因此，介质A的表面积比率是2.46并且介质B的表面积比率是2.77，这确认空气套式的介质拥有比常规介质更大的表面粗糙度，并且表示对于空气套式的介质，表面积比率超过2.65是所期望的。

在所披露的聚结器介质的某些具体实施方式中，选择基体材料、粗糙峰、表面异质性和对于分散相的介质的纯分散相不润湿的表现的联合来产生在表面上带有被保留的空气套的聚结器介质。聚结器介质展现出改进的分散相的排出效果，减少的压降和增加的去除作用。本文所披露的空气套式的聚结器介质可包括过滤器介质，典型地用无纺的聚合纤维制成，具有用许多粗糙峰作为特征的表面，粗糙峰产生带有谷、凹、穴和腔的粗糙化的表面，对于分散相，聚结器介质的表面倾向于不被润湿，但可为异质的。所披露的空气套式的聚结器介质在浸泡试验中典型地漂浮。更具体地，空气套式的聚结器介质展现出至少下列的属性联合的一种：

1.θ大于45°并且理想地大于90°，以及χ大于60°并且理想地大于90°；

2.θ大于90°，以及接触角滞后大于5°并且理想地大于10°；

3.χ大于90°，以及接触角滞后大于5°并且理想地大于10°；

4.θ大于90°，以及表面积比率大于2.65；

5.χ大于90°，以及表面积比率大于2.65；

6.当分散相是油时，标准的sine α小于72g/s²；以及

7.当分散相是水时，标准的sine α小于84g/s²。

以多种方式可获得所期望的属性。基体材料是典型地聚合性的(例如，涤纶、尼龙、丙纶、聚亚苯基硫醚、聚氨酯、碳氟化合物或其它能形成无纺纤维或其它多孔结构的聚合材料)。基体材料可包括热塑性的聚合物。在美国公开的第2007/0107399和20070131235号申请中所描述的方法披露了生产带有基体结构的介质的方法，带有基体结构的介质适合于制作本文所描述的空气套式的聚结器介质，美国公开的第2007/0107399和20070131235号申请通过全部引用合并于本文。获得合适的用于制作本文所披露的空气套式的聚结器介质的介质和介质结构的其它方法包括，但不限于，湿铺(wet laying)、熔吹(melt blowing)、熔纺(melt spinning)、电纺(electro-spinning)和电吹(electro-blowing)。

存在产生本文所披露的空气套式的聚结器介质的所期望的表面属性的多种方法。下列是为实现所期望的空气套式的聚结器介质的表面粗糙度和润湿属性的方法的不完全清单：

(1)用恰当的添加剂涂覆介质的表面，诸如碳氟化合物、硅酮、硅氧烷及其类似物；

(2)用溶解在非极性溶剂的碳氟表面活性剂处理介质，然后去除溶剂；

(3)将添加剂结合于用于生产介质的基体聚合物；

(4)化学刻蚀基体介质的表面和化学刻蚀用碳氟化合物涂覆的基体介质的表面；

(5)用纳米颗粒涂覆基体介质的表面并且用恰当的添加剂处理得到的介质以赋予对于分散相的不润湿的特征(例如，碳氟化合物或硅氟烷)；

(6)真空处理或空气等离子体处理基体介质，例如，用披露于美国专利第6,419,871号和美国公布的申请第2005/0006303A1号的方法，它们的内容通过全部引用合并于本文；

(7)用喷或用别的方法将纳米颗粒涂于基体材料。

诸如为了曲轴箱通风过滤，燃料、水分离，和油-水分离，聚结器广泛地用于从气态的连续相或液态的连续相去除不互溶的小液滴。认识到对于分散相的润湿性影响聚结器的性能。特别地，在介质中，在不同位置的不同润湿性特征可影响性能。(见美国专利第6767459号和美国公布的申请第20070131235A1和20070062887A1号，它们的内容通过全部引用合并于本文)。

根据某些具体实施方式，过滤介质包括用聚合物材料制成的基底，其中基底包括具有粗糙性和/或微突出(micro-protrusions)的表面。微突出可为涂于表面的颗粒，从表面突出的聚合物纤维的人工制品，由涂层沉积成的突出，或通过本领域所熟知的任何方法实行的任何其它类型的突出。突出应当足够小并且紧密地间隔以致来自分散相的小液滴应当被期待在接触在下面的基底之前去接触多个突出，并且在某些具体实施方式中，来自分散相的均分的小液滴完全可不接触在下面的基底。在某些具体实施方式中，分散相包括浓缩的碳氢化合物、油和/或水。

表面进一步优选包括润湿性块样式，其中润湿性块样式具有纳米级可变性和润湿性特征以致表面区域的优势是对分散相不润湿。在某些具体实施方式中，正如从宏观的水平所观察到的表面，包括大于50％的总区域对分散相不润湿。然而，表面的局部区域对于分散相可为润湿的或大部分可为润湿的。本文所用的术语纳米级可变性不一定表示纳米的级别(m^-9)，而是表示相对于典型地预期撞击在表面上的平均小液滴尺寸小的级别。例如，如果将撞击在过滤器介质上的平均小液滴尺寸典型地被预料为直径大约4×10^-5米，润湿性块样式的可变性应当在比每个4×10^-5米小很多的距离内平均变化。

根据在介质表面的分散相的液滴的接触角θ可定义润湿性。例如，在不润湿的介质的表面上的分散相的液滴的接触角θ典型地大于90°并且理想地大于120°。在没有强烈地润湿或不润湿的介质表面上的分散相的液滴的接触角θ典型地大于60°并且小于120°。在润湿的介质表面上的分散相的液滴的接触角θ典型地小于90°并且优选小于60°。相对于液态的分散相的介质表面的疏水性或亲水性(或者作为选择地，介质的表面的疏油性或亲油性)影响介质表面的润湿性。例如，亲水性(或疏油性)表面将是相对地不能被疏水性(或亲油性)液体润湿。同样地，疏水性(或亲油性)表面将相对地不能被亲水性(或疏油性)液体润湿。

在某些具体实施方式中，分散相可包括夹带的油滴和/或碳氢化合物滴，诸如在曲轴箱的蒸汽中所发现的。在某些具体实施方式中，分散相可包括水，和/或作为雾化液体的材料的任何类型。本申请可施行于包括将从主相分离的稀相的任何液体，其中稀相是液体和/或在进入和穿过过滤介质时变成液体的相。在某些具体实施方式中，可期望进行分散相的润湿性特征的优先理解，然而本申请的某些方面在某些具体实施方式中是有益的，甚至其中分散相的润湿性是未知的、所知甚少的、未很好地理解的，和/或润湿性在按照本申请构建的过滤器介质的操作过程中遭受变化。

在某些具体实施方式中，聚合物材料包含多种聚合纤维，聚合纤维选自由涤纶、尼龙、碳氟化合物、丙纶、聚亚苯基硫醚、聚氨酯和芳纶组成的多种聚合纤维中的至少一种。在某些具体实施方式中，基底通过方法，诸如湿铺、熔吹、熔纺、电纺、电吹及本领域所熟知的其它聚合的基底构成方法，来构建。

在某些具体实施方式中，微突出与分散相的液滴协作以在分散相的小液滴和表面之间形成干涉层。在某些具体实施方式中，微突出在分散相小液滴和介质的表面之间困住气体层。

在某些具体实施方式中，形成润湿性块样式和微突出以致停留在表面的分散相的液滴从表面形成第一接触角χ，其中χ包含大于大约60°的值。在某些具体实施方式中，更强的润湿性块样式(例如，更大百分比的大块表面积是不润湿的，和/或润湿性块尺寸是更小的)增大了角χ，并且专业人员能试验χ和调整润湿性块样式以实现所期望的χ。在某些具体实施方式中，微突出的密度可被增加以增大角χ，并且专业人员能调整微突出密度以实现所期望的角χ。在某些具体实施方式中，χ值大于大约90°。

在某些具体实施方式中，聚合物材料包括聚合物纤维，并且形成润湿性块样式以致停留在聚合纤维中的一种上的分散相的小液滴形成第二接触角θ，其中θ包含大于大约45°的值。在某些具体实施方式中，更强的润湿性块样式增大了角θ，并且专业人员能试验角θ并且调整湿润性块样式以实现所期望的θ。在某些具体实施方式中，θ是大于大约90°的值。

在某些具体实施方式中，可期望分散相的小液滴容易地流经基底。在某些具体实施方式中，过滤介质展现出比排出能力临界值更低的标准的sine α值。标准的sine α值，在某些具体实施方式中，定量地描述了小液滴在重力或其它诱导力下流经介质的能力。在某些具体实施方式中，标准的sine α(sinα_norm)被定义为在此sine α被定义为

在此R是粗糙度系数，k是常数，χ是第一接触角，θ是第二接触角，g是重力加速度，m是代表性小液滴的质量，并且ρ是代表性小液滴的密度。在某些具体实施方式中，分散相是水并且其中sinα_norm比大约84g/s²更小。在某些具体实施方式中，分散相包含油并且其中sinα_norm小于大约72g/s²。

在某些具体实施方式中，基底漂浮在液态的分散相的表面。在某些具体实施方式中，基底由于受困的或被夹带的气体层(例如，空气、曲轴箱气体及类似物)而漂浮，但是当被暴露于部分真空时，至少部分地下沉。在某些具体实施方式中，基底下沉至与无受困的空气一致的深度——并不是基底完全淹没的意思，除了在基底具有比有浮力的液体更大的密度情况中。

在某些具体实施方式中，通过真空或空气等离子体处理形成微突出，和/或纳米颗粒涂于表面形成微突出。在某些具体实施方式中，通过包括由用包括不润湿的材料(例如，碳氟化合物)的气体进行真空或空气等离子体处理，将不润湿材料化学添加到聚合材料，用不润湿的材料进行表面涂覆，和通过用包含溶解于溶剂的不润湿材料的溶液处理基底并且去除溶剂，来形成润湿性块样式。在某些具体实施方式中，不润湿的材料包括碳氟化合物、硅氧烷和/或包括对于分散相的不润湿试剂的表面活性剂。在某些具体实施方式中，通过相似的制造步骤乃至在单个制造步骤(例如，在单个制造步骤中形成润湿性块样式和微突出的碳氟化合物微粒的沉积)中，形成微突出和润湿性块样式。

在某些具体实施方式中，基底是用于聚结曲轴箱过滤器的滤芯(filteringelement)的一部分，包括开放的曲轴箱过滤器和/或封闭的曲轴箱过滤器。

在某些具体实施方式中，方法包括制造如本文所描述的过滤介质。在某些具体实施方式中，过滤介质至少是用于发动机的曲轴箱过滤器的一部分。在某些具体实施方式中，曲轴箱过滤器展现出相对于分散相大于大约85％的的效率(即，至少大约85％的分散相质量被去除)，并且展现出在少于大约5英寸水的饱和态下最终的压降。在某些具体实施方式中，曲轴箱过滤器的效率能高得多——例如在中间-90％或更高的范围。

当在附图和前面的描述中已详细地示出和描述了本发明时，同样被认为在特征方面是说明性的而不是约束性的，只显示和描述了优选的具体实施方式的理解，和在本发明的精神范围内的所有的变化和修改的理解，是期望被保护的。应当理解，当使用词语时，诸如在上面的说明书中使用的优选、优选地、优选的或更优选的，表示如此描述的特征可能是更被期望的，它尽管可能不是必要的，而且缺乏所述词语的具体实施方式可被考虑为在本发明的范围之中，在跟随的权利要求所限定的范围之中。在阅读权利要求时，意指当使用词语诸如“一”(a)、“一”(an)、“至少一个”或“至少一部分”时，无意图限制权利要求至只有一项，除非在权利要求中特别地相反地声明。当使用用语“至少一部分”和/或“一部分”时，该项目能包括部分和/或全部项目除非特别地相反地声明。

如本文所使用的，“大约”、“大概”、“充分”和“显著地”，将被本领域普通技术人员理解，并且将在它们被使用的上下文中起某些程度的变化。如果存在对给出所用术语的上下文时本领域普通技术人员不清楚的术语的使用，“大约”和“大概”将意谓特定术语的加或减≤10％，并且“充分”和“显著地”将意谓特定术语的加或减＞10％。

在前面的描述中，为了简明，清楚和理解的目的使用了一些术语。因为这些术语是用于描述性目的并打算被广义地解释，所以不含有由此超过现有技术需要的不必要的限制。这里所描述的不同配置，系统，和方法步骤可以单独使用或者结合其他配置，系统和方法步骤使用。预期不同等同物，替换物和修改物是可能的。

本文对大量的非专利文献做了引证。所引证的文献通过全部引用合并于本文。倘若术语在说明书的定义相比术语在所引证的文献的定义之间存在不一致，该术语应当基于本说明书的定义解释。

Claims (38)

1.一种聚结介质，用于聚结两不互溶的相，即连续相和分散的液相的混合物，其特征在于，其中所述介质被配置用于捕获所述分散相的小液滴并使所述小液滴聚结地长成为更大的液滴，所述更大的液滴长成足够的大小，借此它们从所述介质释放，所述介质包含具有包含粗糙峰的异质表面的聚合的基体材料，其中所述异质表面的优势是对于所述的分散的液相不润湿，所述介质被配置用于捕获所述的分散的液相的小液滴，其中空气层被困在所述的异质表面，以及所述粗糙峰的顶端延伸穿过所述的受困层并且接触所述小液滴。

2.如权利要求1所述的介质，其中所述连续相是连续的气相，所述空气层包含所述的连续的气相，并且所述的分散的液相主要包含碳氢化合物液体。

3.如权利要求1所述的介质，其中所述的聚合的基体材料包含选自由涤纶、尼龙、碳氟化合物、丙纶、聚亚苯基硫醚、聚氨酯、芳纶及其混合物组成的群组中的多种聚合纤维。

4.如权利要求1所述的介质，其中所述介质被配置以致停留在所述的异质表面上的所述分散相的液滴从所述表面形成第一接触角χ，其中χ包含大于大约60°的值。

5.如权利要求4所述的介质，其中χ包含大于大约90°的值。

6.如权利要求1所述的介质，其中所述介质被配置以致停留在所述的异质表面上的所述分散相的小液滴形成第二接触角θ，其中θ包含大于大约45°的值。

7.如权利要求1所述的介质，其中θ包含大于大约90°的值。

8.如权利要求1所述的介质，其中所述介质展现了小于油的临界值的标准sine α值。

9.如权利要求8所述的介质，其中所述标准sineα被定义为

${\sin \mathrm{\α}}_{\mathrm{norm}}={\sin \mathrm{\αm}}^{\frac{2}{3}}{\mathrm{\ρ}}^{\frac{1}{3}}g,$ 其中sin α被定义为

$\sin \mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{Rk}\sin \mathrm{\χ}(\cos \mathrm{\χ}+1)}{g(R\cos \mathrm{\θ}+1)}\sqrt[3]{\frac{{3\mathrm{\π}}^2}{m^2\mathrm{\ρ}(2-3\cos \mathrm{\χ}+{\cos }^3\mathrm{\χ})}},$

其中R是粗糙度系数，k是常数，χ是第一接触角，θ是第二接触角，g是重力加速度，m是代表性小液滴的质量，并且ρ是代表性小液滴的密度。

10.如权利要求8所述的介质，其中所述的sinα_norm小于大约72g/s²。

11.如权利要求8所述的介质，其中通过将分散相的液滴放在所述聚结介质的水平的样品上，并且所述介质的倾斜度或提升的角度逐渐地改变直到所述液滴开始移动来测定α。

12.如权利要求1所述的介质，其中所述介质漂浮在所述分散相中。

13.如权利要求11所述的介质，其中当暴露于至少部分真空时，所述介质至少部分地沉在所述分散相中。

14.如权利要求1所述的介质，其中通过选自由真空等离子体处理、空气等离子体处理、涂纳米颗粒到表面、化学刻蚀及其结合组成的多种方法中的方法形成所述粗糙峰。

15.如权利要求1所述的介质，其中通过使所述的聚合的基体材料经受一种方法处理而形成所述异质表面，所述方法选自由用包括不润湿的材料的气体进行真空等离子体处理，用包括不润湿的材料的气体进行空气等离子体处理，将不润湿的材料化学添加至所述的基体聚合材料，用不润湿的材料对所述的基体聚合材料进行表面涂覆，和用包含溶解于溶剂中的不润湿的材料的溶液处理所述的基体聚合材料并且去除所述溶剂，及其结合组成的群组。

16.如权利要求1所述的介质，其中所述基体聚合材料对于所述的液态的分散相是相对地不润湿的。

17.如权利要求1所述的介质，其中所述介质包含选自由碳氟化合物、硅氧烷、表面活性剂组成的群组中的至少一种材料，所述表面活性剂包含在所述异质表面对于所述分散相的不润湿的试剂。

18.如权利要求1所述的介质，其中所述介质被配置用于发动机用的曲轴箱聚结过滤器中。

19.如权利要求1所述的介质，其中θ大于45°。

20.如权利要求1所述的介质，其中θ大于90°并且接触角滞后大于5°。

21.如权利要求1所述的介质，其中χ大于90°并且接触角滞后大于5°。

22.如权利要求1所述的介质，其中θ大于90°并且表面积比率大于2.65。

23.如权利要求1所述的介质，其中χ大于90°并且表面积比率大于2.65。

24.如权利要求1所述的介质，其中标准sine α小于72g/s²。

25.如权利要求1所述的聚结介质，其中所述连续相是连续的气相，所述受困的空气层包含所述连续的气相，并且所述分散的液相主要包含水。

26.如权利要求25所述的介质，其中所述介质展现出小于水的临界值的标准sine α值。

27.如权利要求25所述的介质，其中标准sineα小于84g/s²。

28.如权利要求1所述的聚结介质，其中所述连续相是连续的液相，并且所述分散的液相主要包含碳氢化合物材料。

29.如权利要求1所述的聚结介质，其中所述连续相是连续的液相，并且所述分散的液相主要包含水。

30.一种用于制造如权利要求1所述的聚结介质的方法，其特征在于，所述方法包含：(a)提供具有包含粗糙峰的异质表面的所述的聚合的基体材料，其中所述异质表面的优势是亲水的；和(b)将具有包含粗糙峰的异质表面的所述的聚合的基体材料浸泡在主要包含碳氢化合物材料的液体中，其中空气层被困在所述的异质表面并且所述粗糙峰的顶端延伸穿过所述的受困层并且接触所述液体。

31.如权利要求30所述的方法，其中通过使所述的聚合的基体材料经受一种方法处理制备具有包含粗糙峰的异质表面的所述的聚合的基体材料，所述方法选自由用包括亲水材料的气体进行真空等离子体处理，用包括亲水材料的气体进行空气等离子体处理，将亲水材料化学添加至所述的基体聚合材料，用亲水材料对所述的基体聚合材料进行表面涂覆，和用包含溶解于溶剂的亲水的材料的溶液处理所述的基体聚合材料并且去除所述溶剂，及其结合组成的群组。

32.如权利要求30所述的方法，进一步包含制造作为曲轴箱滤芯的所述过滤介质，以致所述的曲轴箱滤芯展现出相对所述分散相大于85％的效率，并且展现出少于大约5英寸水的最终饱和压降。

33.一种聚结元件，其特征在于，包含根据权利要求1所述的聚结介质。

34.如权利要求33所述的聚结元件，其中所述聚结元件容纳于壳体中，所述壳体具有被安排为接纳所述混合物的上游进口和在所述分散相聚结后被安排为排放所述混合物的下游出口。

35.一种聚结系统，其特征在于，包含根据权利要求33所述的聚结元件。

36.一种去除分散于连续的气相中的包含碳氢化合物液体、水、或其混合物的分散相的方法，其特征在于，所述方法包含使所述连续相经过权利要求1所述的聚结介质，其中所述系统从所述连续相中去除至少大约93％的所述分散相。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述方法从所述连续相中去除至少大约96％的所述分散相。

38.根据权利要求36所述的方法，其中所述方法从所述连续相中去除至少大约99％的所述分散相。

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