CN102917769A - 具有多层结构的过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明描述过滤介质。该过滤介质可以包括多个层。在一些实施方案中，该过滤介质包括附着于另一层的纳米纤维层。在一些实施方案中，纳米纤维层所附着的层由多种纤维类型(例如，使结构具有不同透气率和/或压降的纤维)形成。在一些实施方案中，纳米纤维层附着于单相层或多相层。在一些实施方案中，纳米纤维层是由熔喷工艺制造的。过滤介质可以被设计成具有有利性能，这些有利性能包括(在一些情况下)高的尘粒捕获效率和/或高的容尘量。

Description

具有多层结构的过滤介质
技术领域
本公开内容总体上涉及过滤，更具体地涉及过滤介质、相关的系统、部件和方法。
背景技术
过滤元件可以在多种应用中用于除去污染物。这样的元件可以包括能够由纤维网形成的过滤介质。纤维网提供允许流体(例如，气体、液体)流过介质的多孔结构。包含在流体内的污染颗粒(例如，尘粒、煤烟颗粒)可以被捕集在纤维网上。取决于应用，过滤介质可以被设计成具有不同的性能特征。
容尘量(dust holding capacity)是在特定条件下在过滤介质上捕获的灰尘的量的度量。灰尘捕获效率是与经过过滤器之前的灰尘浓度相比而言的经过过滤器后的灰尘浓度的度量。在一些应用中，期望过滤介质具有高的容尘量和/或高的灰尘捕获效率。
发明内容
本文所提出的各方面与过滤介质相关。
一方面，提供一种过滤介质。该过滤介质包括第一层，第一层包括：第一相，第一相包括第一多根纤维和不同于第一多根纤维的第二多根纤维；以及第二相，该第二相包括第三多根纤维和不同于第三多根纤维的第四多根纤维，第三多根纤维与第一或第二多根纤维相同或者不同并且第四多根纤维与第一或第二多根纤维相同或者不同，其中，第一多根纤维的透气率大于第二多根纤维的透气率并且第三多根纤维的透气率大于第四多根纤维的透气率。过滤介质还包括附接至第一层的第二层，其中第二层是纳米纤维层。
另一方面，提供一种过滤介质。该过滤介质包括：包括多根纤维素纤维的第一层；以及附接至第一层的第二层，其中第二层是纳米纤维层，并且其中所述过滤介质具有至少200g/m2的容尘量和至少80％的初始效率。
再一方面，提供一种制造过滤介质的方法。该方法包括形成第一层，形成第一层包括：形成包括第一多根纤维和不同于第一多根纤维的第二多根纤维的第一相；以及形成包括第三多根纤维和不同于第三多根纤维的第四多根纤维的第二相，第三多根纤维与第一或第二多根纤维相同或者不同并且第四多根纤维与第一或第二多根纤维相同或者不同，其中，第一多根纤维的透气率大于第二多根纤维的透气率并且第三多根纤维的透气率大于第四多根纤维的透气率。该方法还包括：形成纳米纤维层；以及将第一层和纳米纤维层粘附在一起以形成纤维复合物。
其他方面、实施方案、特征将由以下描述而变得明显。通过引用并入本文的每篇参考文献均以其全部内容并入本文。在所并入的参考文献与本说明书之间存在冲突或矛盾的情况下，以本说明书为准。
附图说明
无意将附图按比例绘制。在附图中，在各幅图中示出的相同或几乎相同的每个部件用相似的附图标记来表示。出于清楚的目的，在每幅图中可能不对每个部件都进行标记。在附图中：
图1描绘出具有第一层和第二层的过滤介质的实施方案；
图2示出具有第一层和第二层的过滤介质的实施方案，其中第一层包括多个相；
图3示出具有第一层、第二层和中间层的过滤介质的实施方案；
图4示出具有第一层、中间层和第二层的过滤介质的实施方案，其中第一层包括多个相；
图5是被配置成在过滤介质的制造中使用的系统的示意图；
图6描绘出具有第一层、第二层和中间层的波纹状过滤介质的实施方案；
图7示出所提供的实例的性能特征图；
图8示出所提供的实例的另一性能特征图；以及
图9示出所提供的实例的又一性能特征图。
详细描述
对过滤介质进行描述。如以下所进一步描述的，过滤介质可以包括多个层。在一些实施方案中，过滤介质包括粘附至另一层的纳米纤维层。在一些实施方案中，纳米纤维层所粘附至的层由多种纤维类型(例如，使结构具有不同的透气率和/或压降的纤维)形成。在一些情况下，过滤介质可以被设计成具有包括高的尘粒捕获效率和/或高的容尘量的有利性能。
例如，图1和图2描绘出具有第一层20和第二层30的过滤介质10的示例性实施方案。在一些实施方案中，第一层20包括许多不同种类的纤维，而第二层30是纳米纤维层。在一些实施方案中，当流体流经介质时，层20位于层30的上游。在其他实施方案中，当流体流经介质时，层20位于层30的下游。在一些情况下，如以下所进一步描述的，第一层20可以包括单相，例如疏松相(open phase)或致密相(tight phase)。在其他情况下，如图2所示，第一层20可以是具有第一相22(例如，疏松相)和第二相24(例如，致密相)的多相层。在一些实施方案中，第一相22可以是致密相而第二相24可以是疏松相。可以理解到，在第一层20中可以结合任意数量的相。
应当理解，在本文中使用的术语“过滤介质”是单数形式或复数形式。当述及单一的过滤介质时，术语“过滤介质(filter media)”可以与术语“单过滤介质(filter medium)”互换。
此外，图3和图4描绘出具有布置在第一层20与第二层30之间的中间层40的过滤介质10的示例性实施方案。在一些实施方案中，如图3所示，中间层40可以是粘合剂，其在以下进一步描述。如图4中所描绘的，在其他实施方案中，中间层40可以包括在这样的布置中，在该布置中在具有第一相22和第二相24的第一层20与第二层30之间布置有中间层40。
I.单相或多相层结构
如所讨论的，具有包含多种纤维类型的层20的过滤介质10可以包括一个或更多个相，所述相使得在那些相内具有不同的透气率和/或压降特性。在一些实施方案(例如图2中所示出的实施方案)中，过滤介质10可以具有与第二相24相比透气率较大和/或压降较小的第一相22。在一些情况下，可以将具有较大的透气率和/或较小的压降的相称为疏松相，而可以将具有较小的透气率和/或较大的压降的相称为致密相。
在一个实例中，过滤介质10可以包括基本上设置在致密相24上方的疏松相22。例如在形成有疏松相和致密相的过滤介质中，疏松相和致密相的位置可以取决于具体实施方案。疏松相可以被布置在致密相上方，反之亦然。从而，疏松相可以被布置在相对于致密相的上游，致密相也可以布置在相对于疏松相的上游。但是应当理解，过滤介质10的第一层20可以具有任意数量的疏松相和/或致密相。实际上，第一层20可以包括两个或更多个疏松相和/或致密相。如本文中所描述的，过滤介质中的层可以包括一个或更多个相(例如，疏松相或致密相)。在层包括多于一个相的实施方案中，如以下所进一步描述的，每个相可以具有不同的纤维类型和/或不同的特性。在一些实施方案中，同样如下所述，相可以在造纸机上层合在一起或同时形成。
在一些实施方案中，与具有包含单相结构的第一层的过滤介质相比，具有包含多个相(例如，疏松相和致密相)的第一层的过滤介质可以呈现出改善的容尘量和/或灰尘捕获效率。然而，可替代地，在一些情况下，单相层相比多相层可以表现出改善的容尘量和/或灰尘捕获效率。
应当理解，第一层20可以作为过滤介质独立地使用。然而，本文所提出的某些实施方案将第一层20结合到具有其他部件的过滤介质10中。
适当的多相层已在于2009年6月19日提交的名称为“Multi-PhaseFilter Medium”的共同拥有的美国专利申请12/488,033中有所描述，其全部内容通过引用并入到本文中。
A.疏松相
过滤介质中的疏松相可以包括第一多根纤维和第二多根纤维，尽管在一些实施方案中，仅使用第一多根纤维来形成疏松相。
在一些实施方案中，第一多根纤维的透气率大于第二多根纤维的透气率。例如，第一多根纤维可以具有从约50立方英尺每分钟(“CFM”)至约350CFM(例如，从约100CFM至约200CFM)的透气率，而第二多根纤维可以具有从约5CFM至约50CFM(例如，从约8CFM至约37CFM或者从约15CFM至约25CFM)的透气率。如本文中所使用的，纤维的透气率是根据ISO9237通过对专门由这些纤维生产的并且具有100g/m2的纸张定量(basis weight)的手抄纸进行测量来确定的。
在一些实施方案中，第一多根纤维具有的压降小于第二多根纤维的压降。例如，第一多根纤维可以具有从约5帕斯卡(“Pa”)至约300Pa(例如，从约10Pa至约250Pa或者从约20Pa至约100Pa)的压降，而第二多根纤维可以具有从约300Pa至约1,000Pa(例如，从约350Pa至约500Pa)的压降。如本文中所使用的，纤维的压降是根据ASTM F778-88通过使用在专门由这些纤维生产的并且具有100g/m2的纸张定量的手抄纸上具有40cm/s的迎面速度(face velocity)的气体来确定的。
在一些实施方案中，第一多根纤维具有的平均纤维长度大于第二多根纤维的平均纤维长度。例如，第一多根纤维可以具有从约1.5mm至约6mm(例如，从约2.5mm至约4.5mm)的平均纤维长度，而第二多根纤维可以具有从约0.5mm至约2mm(例如，从约0.7mm至约1.5mm)的平均纤维长度。
通常，可以用于形成第一和第二多根纤维的材料能够根据期望变化。在一些实施方案中，第一多根纤维由软木纤维、棉纤维、玻璃纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇粘接剂纤维和/或人造纤维制成。示例性软木纤维包括由丝光处理的南方松(“丝光处理的南方松纤维或HPZ纤维”)、北方的漂白软木牛皮(例如，从Roubur Flash获得的纤维(“Roubur Flash纤维”))、南方的漂白软木牛皮(例如，从布伦兹维克松获得的纤维(“布伦兹维克松纤维”))或经化学处理的机械纸浆(“CTMP纤维”)中获得的纤维。例如，HPZ纤维可以从美国田纳西州孟菲斯的Buckeye Technologies公司获得；Robur Flash纤维可以从瑞典斯德哥尔摩的Rottneros AB公司获得；以及布伦兹维克松可以从美国乔治亚洲亚特兰大的Georgia-Pacific公司获得。
在一些实施方案中，第二多根纤维由硬木纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维制成。示例性的硬木纤维包括由桉树获得的纤维(“桉树纤维”)。桉树纤维可商业获得自例如：(1)Suzano Group，Suzano，巴西(“Suzano纤维”)；(2)Group Portucel Soporcel，Cacia，葡萄牙(“Cacia纤维”)；(3)Tembec公司，Temiscaming，魁北克，加拿大(“Tarascon纤维”)；(4)Kartonimex Intercell，杜塞尔道夫，德国(“Acacia纤维”)；(5)Mead-Westvaco，康涅狄格州Stamford(“Westvaco纤维”)；和(6)Georgia-Pacific，佐治亚州亚特兰大(“LeafRiver纤维”)。通常，与硬木纤维相比，软木纤维具有相对较大的透气率、小的压降和大的平均纤维长度。
在一些实施方案中，疏松相可以包括软木纤维与硬木纤维的混合物。在某些实施方案中，疏松相可以包括仅一种类型的均匀地分布在疏松相内的纤维(如，软木纤维)。
在一些实施方案中，疏松相可以包括具有不同特性(例如，不同的透气率和/或压降)的纤维的混合物。具有不同特性的纤维可以由一种材料(例如，通过使用不同工艺条件)或不同材料制成。
在一些实施方案中，第一多根纤维可以由与用于形成第二多根纤维的材料相同的材料形成。在这样的实施方案中，第一和第二多根纤维可以通过使用不同的制备方法或者相同制备方法下的不同条件来制备，使得它们具有不同的特性(例如，不同的透气率或压降)。在某些实施方案中，第一多根纤维和第二多根纤维可以由相同材料形成并且也可以具有相同的特性。在一些实施方案中，第一多根纤维可以由与用于形成第二多根纤维的材料不同的材料形成。
通常，第一多根纤维与第二多根纤维的重量比可以根据过滤介质的期望性能来变化。例如，过滤介质中的疏松相可以包括的具有较大的透气率和/或较小的压降的纤维的量大于具有较小的透气率和/或较大的压降的纤维的量。在一些实施方案中，上述的第一与第二多根纤维的重量比可以在从约50∶50到约97∶3(例如，从约50∶50到约70∶30或者从约60∶40到约70∶30)的范围内。如本文中所使用的，第一多根纤维或第二多根纤维的重量指的是在用于制备疏松相的组分(例如，纸浆)中每组纤维的初始重量。在某些实施方案中，过滤介质中的疏松相可以包括的具有较大的透气率和/或较小的压降的纤维的量等于或小于具有较小的透气率和/或较大的压降的纤维的量。
在一些实施方案中，疏松相除了包括第一多根纤维和第二多根纤维外还可以包括一组或更多组多根纤维。附加的纤维组中的每一组可以具有与第一多根纤维或第二多根纤维不同的特性(例如，透气率和/或压降)，和/或可以由与用于制备第一多根纤维或第二多根纤维的材料不同的材料来制备。在一些实施方案中，附加的纤维组可以由与用于制备第一和第二多根纤维中之一的材料相同的材料来制备，但它们仍然具有与第一或第二多根纤维的特性不同的特性。
R.致密相
过滤介质中的致密相可以包括第三多根纤维和第四多根纤维。
在一些实施方案中，第三多根纤维可以具有与上述的第一多根纤维或第二多根纤维相同的特性(例如，透气率和/或压降)和/或由与上述的第一或第二多根纤维相同类型的材料制成，和/或第四多根纤维可以具有与上述的第一多根纤维或第二多根纤维相同的特性和/或由与上述的第一或第二多根纤维相同类型的材料制成。
在一些实施方案中，第三多根纤维可以具有与第一或第二多根纤维不同的一种或更多种特性(例如，透气率和/或压降)，和/或由与第一或第二多根纤维的材料为不同类型的材料制成，并且/或者第四多根纤维可以具有与第一或第二多根纤维不同的一种或更多种特性，和/或由与第一或第二多根纤维的材料为不同类型的材料制成。
在一些实施方案中，致密相可以包括软木纤维和硬木纤维的混合物。在某些实施方案中，致密相可以包括在致密相内均匀分布的仅一种类型的纤维(例如，硬木纤维)。
在一些实施方案中，致密相可以包括具有不同特性(例如，透气率和/或压降)的纤维的混合物。具有不同特性的纤维可以由一种材料(例如，通过使用不同的工艺条件)或不同材料制成。
在一些实施方案中，第三多根纤维由软木纤维、棉纤维、玻璃纤维、聚酯纤维、聚乙烯醇粘接剂纤维和/或人造纤维制成。示例性的软木纤维包括丝光处理的南方松纤维或HPZ纤维、北方的漂白软木牛皮纤维(例如，Robur Flash纤维)、南方的漂白软木牛皮(例如，布伦兹维克松纤维)或CTMP纤维。
在一些实施方案中，第四多根纤维由硬木纤维、聚乙烯纤维或聚丙烯纤维制成。示例性的硬木纤维包括桉树纤维(例如，Suzano纤维、Cacia纤维、Tarascon纤维、Acacia纤维、Westvaco纤维、LeafRiver纤维)。
在一些实施方案中，第三多根纤维可以由与用于形成第四多根纤维的材料相同的材料形成。在这样的实施方案中，第三和第四多根纤维可以通过使用不同的制备方法或者相同制备方法下的不同条件来制备，使得它们具有不同的特性(例如，不同的透气率或压降)。在某些实施方案中，第三和第四多根纤维可以由相同的材料形成并且也具有相同的特性。在一些实施方案中，第三多根纤维可以由与用于形成第四多根纤维的材料不同的材料形成。
通常，第三与第四多根纤维的重量比可以取决于过滤介质的期望性能或者其预期的用途而变化。过滤介质中的致密相可以包括的具有较高的透气率和/或较小的压降的纤维的量小于具有较小的透气率和/或较大的压降的纤维的量。例如，上述的第三与第四多根纤维的重量比可以分布在从约3∶97到约50∶50(例如，从约25∶75到约50∶50或者从约70∶30到约50∶50)的范围内。如本文中所使用的，第三或第四多根纤维的重量指的是在用于制备致密相的组分(例如，纸浆)中每组纤维的初始重量。在一些实施方案中，过滤介质中的致密段可以包括的具有较高的透气率和/或较小的压降的纤维的量大于或等于具有较小的透气率和/或较大的压降的纤维的量。
在一些实施方案中，致密相可以包括除第三多根纤维和第四多根纤维之外的一组或更多组多根纤维。附加的纤维组中的每组纤维可以具有与第三或第四多根纤维不同的特性(例如，透气率和/或压降)，和/或可以由与用于制备第三或第四多根纤维的材料不同的材料来制备。在一些实施方案中，附加的纤维组可以由与用于形成第三和第四多根纤维中之一的材料相同的材料来制备，但它们仍然具有与第三或第四多根纤维的特征不同的特性。
通常，过滤介质中的疏松相与致密相的重量比可以根据期望变化。例如，疏松相与致密相的定量比可以分布在从约10∶90到约90∶10(例如，从约30∶70到约70∶30、从约40∶60到约60∶40或者从约30∶70到约90∶10)的范围内。在特定实施方案中，疏松相与致密相的定量比是约30∶70或更大(例如，约40∶60或更大、约50∶50或更大、或者60∶40或更大)。如本文中所使用的，疏松相或致密相的定量指的是单位面积(例如，每平方米)上的相的重量。例如，疏松相或致密相的定量可以具有克每平方米的单位。
C.单相或多相层的附加特征
如上所述，过滤介质10可以包括为单相或多相、具有疏松相、致密相或者疏松相与致密相两者的第一层20。
过滤介质10的第一层20可以包括任意期望百分比的软木纤维。例如，第一层20可以包括第一层的重量组成的至少约50％、至少约60％或至少约80％重量百分比的软木纤维。
类似地，过滤介质10的第一层20可以包括任意期望百分比的硬木纤维。例如，第一层20可以包括第一层的重量组成的少于约50％、少于约30％、少于约20％、少于约10％或0％重量百分比的硬木纤维。
此外，在一些实施方案中，在过滤介质10的第一层20中可以包括附加的纤维。例如，附加的纤维可以包括第一层的重量组成的0％、大于5％、大于10％、大于20％或者大于30％的重量百分比的第一层中合成纤维(例如，聚酯、聚丙烯)。
在一些实施方案中，包括在过滤介质10的第一层20中的合成纤维可以具有在约0.5至约6.0之间、在约0.5至约1.5之间、在约1.5至约3.0之间或者在约3.0至约6.0之间的旦数。在一些实施方案中，合成纤维具有至少约1.5或至少约3.0的旦数。
任意特定旦数的附加纤维可以以任意期望的量包括在过滤介质10的第一层20中。在一些实施方案中，第一层20可以包括占第一层的重量组成的0％、大于5％、大于10％、大于20％或者大于30％的重量百分比的在第一层中旦数为至少1.5的合成纤维。在其他实施方案中，第一层20可以包括占第一层的重量组分的0％、大于10％、大于20％或者大于30％的重量百分比的在第一层中旦数为至少3.0的合成纤维。
通常，过滤介质10的第一层20的厚度可以根据期望变化。例如，第一层20可以具有从100微米至2,000微米(例如，从200微米至1,600微米或者从400微米至1,200微米)的厚度。厚度可以根据标准TAPPI T441来确定。
过滤介质10的第一层20可以具有任意适当的定量。例如，第一层20可以具有至少约10g/m2和/或至多约500g/m2(例如，在约25g/m2至约230g/m2之间或者在约80g/m2至约150g/m2之间)的定量。如本文中所使用的，第一层20的定量指的是单位面积上(例如，每平方米)的介质的重量。用于定量的常用单位是g/m2。
过滤介质10的第一层20的透气率通常可以根据期望选择。例如，第一层20的透气率可以在约1CFM至约300CFM之间(例如，在约1CFM至约250CFM之间、在约2CFM至约250CFM之间、在约2CFM至约300CFM之间、在约30CFM至约120CFM之间、或者在约100CFM至约200CFM之间)变化。如本文中所使用的，过滤介质的透气率根据ISO 9237来确定。
过滤介质10的第一层20的平均孔径可以根据期望变化。例如，第一层20可以具有至少约3微米和/或至多1,000微米(例如，在约30微米至400微米之间)的平均孔径。在一些实施方案中，具有单相(例如，疏松相)的第一层20的平均孔径可以在约50微米至约200微米之间或者在约75微米至约150微米之间。在其他实施方案中，第一层20的疏松相部分的平均孔径可以在约100微米至约400微米之间或者在约150微米至约200微米之间。在第一层20具有多于一个相的其他实施方案中，过滤介质的致密相部分的平均孔径可以在约30微米至约200微米之间或者在约50微米至约125微米之间。如本文中所使用的，平均孔径指的是根据在ASTM F316-03中的描述、通过使用库尔特仪(Coulter Porometer)所测量的中流量平均孔径(mean flow pore size)。
通常，可以使用Palas平板试验(flat sheet test)对过滤介质的性能进行评估。这样的试验基于以下参数：用具有20cm/s的迎面速度的200mg/cm3浓度的微灰尘粒(0.1μm至80μm)冲击过滤介质的100cm2的表面积一分钟。使用Palas MFP2000分级效率光电探测器(fractionalefficiency photodetector)测量灰尘捕获效率。灰尘捕获效率为[(1-[C/C0])＊100％]，其中C是经过过滤器之后的尘粒浓度，C0是经过滤器之前的微粒浓度。一分钟之后测量灰尘捕获效率，该灰尘捕获效率在本文中被称为初始灰尘捕获效率。当跨介质的压降达到1,800Pa时测量容尘量，其为在暴露于微尘之前过滤介质的重量与暴露于微尘之后过滤介质的重量之差。
过滤介质10的第一层20可以呈现出捕获灰尘的有利能力。例如，根据上述的Palas平板试验进行测量，第一层20可以具有至少约25％(例如，至少约40％、至少约60％)和/或至多约70％的初始灰尘捕获效率。
过滤介质10的第一层20也可以具有良好的容尘性能。例如，根据Palas平板试验，第一层20可以具有至少约30g/m2(例如，至少约100g/m2、至少约200g/m2或至少约300g/m2)和/或至多约400g/m2(例如，至多约350g/m2、至多约300g/m2、至多约250g/m2至多约200g/m2)的容尘量(DHC)。如本文中所使用的，DHC是捕获的灰尘的重量除以Palas试验板的试验面积所得到的。作为另一实例，第一层20可以具有至少约0.001g/g(例如，至少约0.004g/g)和/或至多约1.0g/g(例如，至多约0.9g/g)的特定容尘量。如本文中所使用的，特定容尘量可以通过将捕获的灰尘的重量除以Palas试验板的单位重量(例如，每克)来计算。可替代地，特定容尘量可以通过将捕获的灰尘的重量除以Palas试验板的单位厚度(例如，每毫米)来计算。在这样的可替代情况下，特定容尘量将以g/mm的单位来表示。
在一些实施方案中，过滤介质10的第一层20使有利的灰尘捕获性能与容尘性能两者相结合。例如，第一层20可以具有至少约25％(例如，至少约40％、至少约60％)的初始灰尘捕获效率以及至少约30g/m2(例如，至少约100g/m2、至少约200g/m2或者至少约300g/m2)的容尘量。
在一些实施方案中，上述的第一、第二、第三和第四多根纤维中的至少一者由有机聚合材料(例如，软木纤维、棉纤维、硬木纤维或者合成有机聚合物(例如，聚酯或人造纤维))制成。在特定实施方案中，第一、第二、第三和第四多根纤维中多于一者(例如，两者、三者或者全部)是由有机聚合材料制成的。在一些实施方案中，上述的第一、第二、第三和第四多根纤维中的至少一组多根纤维是由纤维素制成的。
在一些实施方案中，过滤介质10的第一层20还可以包含粘接剂。通常，在第一层20中包含粘接剂可以显著地增加其强度(例如，根据ISO1942-2测量的拉伸强度或者根据DIN 53113测量的密廉式破裂强度(Mullen Burst strength))。粘接剂可以包括聚合材料，例如聚醋酸乙烯酯、环氧树脂、聚酯、聚乙烯醇、丙烯酸树脂(例如，苯乙烯-丙烯酸树脂)或者酚醛树脂。在一些实施方案中，粘接剂可以占第一层的重量组成的至少约2％和/或至多约50％(例如，至多约35％、至多约25％、至多约15％或至多约5％)。在一些实施方案中，在第一层中存在的粘接剂可以处于第一层的重量组成的约10％至约50％之间或者约15％至约30％之间。通常，粘接剂可以在存在或者不存在交联剂的情况下存在于第一层中(例如，密胺、四氮六甲元或环氧固化剂)或其他添加剂(例如，聚硅氧烷、碳氟化合物或催化剂(例如，氯化铵))。
在一些情况下，具有多相结构的过滤介质包括第一相与第二相之间的界面。在一些实施方案中，当以连续的湿法工艺(wet laid process，例如，以连续的基于液体的涂布工艺)制备多相结构时，界面可以采取包括彼此混合的第一、第二、第三和第四多根纤维中各自的至少一部分的过渡相的形式。不希望受理论限制，据信由于第一相和第二相中的纤维之间的相互作用，所以通过这样的工艺制备的界面基本上是非线性的。此外，由于在湿法工艺中通常不使用粘合剂，所以通常界面处基本上没有任何粘合剂。包括基本上没有粘合剂的界面的第一和第二相可以通过例如每个相中的纤维之间的物理相互作用或者通过不涉及使用粘合剂以接合相的其他适当方法来进行接合。在一些情况下，包括基本上没有粘合剂的界面的第一相和第二相不通过层合进行接合。
在一些实施方案中，如上所述，过滤介质的第一层除了包括第一相和第二相外还可以包括一个或更多个相。附加的相可以与第一相或第二相相同或不同。例如，具有三相的多相层可以具有疏松和/或致密相的任意组合。
D.制造多相层的方法
用于结合在过滤介质中的多相层可以通过任意适当的方法来制备。
在一些实施方案中，多相层可以通过湿法工艺如下进行制备：首先，可以将溶液(例如，水溶液如水)中包含第一和第二多根纤维的第一分散体(例如，纸浆)施加到造纸机(例如，长网造纸机(fourdrinier)或真空圆网抄纸机(rotoformer))中的线式传送机(wire conveyor)上以形成由线式传送机支承的第一相。随后将溶液(例如，水溶液如水)中包含第三和第四多根纤维的第二分散体(例如，另一纸浆)施加到第一相上。在上述工艺过程期间对纤维的第一和第二分散体连续地施加真空以从纤维移除溶剂，由此产生包含第一相和第二相的制品。在一些实施方案中，在第二相与第一相相接触的几乎同时或其后不久施加真空。
随后对如此形成的制品进行干燥，并且如果必要，通过使用已知的方法对该制品进行进一步处理(例如，砑光)以形成多相层。在一些实施方案中，多相层中的第一相和第二相不具有如常规的多相层(例如，其中一个子层层合到另一个子层上)所示出的宏观相分离，但是替代地包含取决于所使用的纤维或者形成工艺(例如，所施加的真空量)而发生微观相变的界面。
在一些实施方案中，在造纸机上制造多相层期间或者其后均可以将聚合材料注入到多相层中。例如，在如上所述的制造过程期间，在形成包含第一相和第二相的制品并且对其进行干燥之后，在水基乳液或基于有机溶剂的溶液中的聚合材料可以粘附至施料辊并且随后在受控的压力下通过使用施胶机或凹版浸渍机(gravure saturator)将其施加至制品。注入到多相层中的聚合材料的量通常取决于多相层的粘度、固体含量和吸收率。作为另一实例，形成多相层之后，可以通过在刚提及的方法之后使用逆辊涂料器和/或通过使用浸渍和挤压的方法(例如，通过将干燥的多相层浸渍到聚合物乳液或溶液中，并且随后通过使用辊隙来挤压出多余的聚合物)来注入聚合材料。还可以通过本领域中其它已知的方法(例如，溅射法或泡沫法)将聚合材料施加至多相层。
II.具有纳米纤维层的过滤介质
如上所述，过滤介质10的第二层30可以是纳米纤维层30。例如，纳米纤维层30可以粘附至第一层20。在本文所描述的多方面中，第一层20可以是单相或多相层。在一些实施方案中，纳米纤维层可以由熔喷工艺形成。在基于2008年11月7日提交的、名称为“Meltblown FilterMedium”的美国专利申请12/266,892的美国专利公开US2009/0120048中对适当的熔喷层进行了描述，其全部内容通过引用并入到本文中。
在其他实施方案中，纳米纤维层可以通过其他适当的工艺(例如，熔纺、熔体电纺和/或液体电纺工艺)来形成。
A.纳米纤维层
在一些实施方案中，纳米纤维层30可以由平均直径为至多1.5微米(例如，从0.1微米至1.5微米、从0.2微米至1.5微米、从0.3微米至1.5微米、从0.3微米至1.4微米、从0.4微米至1.3微米、从0.1微米至0.5微米、从0.1微米至0.2微米、从0.1微米至0.3微米、从0.5微米至1.5微米、从0.5微米至1.0微米、从0.2微米至0.8微米、从0.2微米至0.5微米、从0.3微米至0.5微米、从0.4微米至0.5微米、从0.4微米至0.6微米、从0.4微米至0.8微米、从0.6微米至0.9微米、从0.2微米至0.4微米、从0.2微米至0.3微米、从0.3微米至0.4微米)的纤维形成。
在一些实施方案中，如使用扫描电子显微镜所测量的，由熔喷工艺制造的纳米纤维层可以由具有至多1.5微米(例如，至多1.4微米、至多1.3微米、至多1.2微米、至多1.1微米、至多1微米)和/或至少0.2微米(例如，至少0.3微米、至少0.4微米、至少0.5微米)的平均直径的纤维形成。作为一个实例，在一些实施方案中，熔喷层由具有从0.2微米至1.5微米(例如，从0.3微米至1.5微米、从0.3微米至1.4微米、从0.4微米至1.3微米)的平均直径的纤维形成。作为另一实例，在某些实施方案中，熔喷层由具有从0.2微米至1.5微米(例如，从0.5微米至1.5微米、从0.5微米至1.0微米、从0.2微米至0.8微米、从0.2微米至0.5微米、从0.3微米至0.5微米、从0.4微米至0.5微米、从0.4微米至0.6微米、从0.4微米至0.8微米、从0.2微米至0.4微米、从0.2微米至0.3微米、从0.3微米至0.4微米)的平均直径的纤维形成。在一些情况下，熔喷材料中至少5％(例如，至少10％、至少25％、至少50％、至少60％、至少75％)的纤维沿着与第二层的表面基本垂直的方向延伸至少0.3微米的距离。
熔喷层可以由具有一定平均长度的纤维形成。例如，在一些实施方案中，熔喷层可以由具有从约0.1英寸至约1,000英寸或者在约1英寸与约100英寸之间的平均长度的纤维形成。
熔喷层中的纤维可以具有一定平均长径比(aspect ratio)。例如，在一些实施方案中，熔喷层中的纤维可以具有在约5至约1,000,000之间或者在约10至约100,000之间的平均长径比。
熔喷材料可以由一种或更多种聚合物(例如，热塑性聚合物)形成。示例性的聚合物包括：聚烯烃(例如，聚丙烯)、聚酯(例如，聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚萘二甲酸丁二醇酯)、聚酰胺(例如，尼龙)、聚碳酸酯、聚苯硫醚、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸丁二醇酯以及聚氨酯(例如，热塑性聚氨酯)。可选地，聚合物可以包含氟原子。这样的聚合物的实例包括聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE)。
熔喷层通常可以具有任意的适当厚度。在一些实施方案中，熔喷层为至少5微米(例如，至少10微米、至少20微米、至少30微米)厚和/或至多500微米(例如，至多400微米、至多200微米、至多150微米)厚。例如，熔喷层可以是从5微米至500微米(例如，从5微米至250微米、从10微米至200微米、从20微米至150微米、从30微米至500微米、从50微米至100微米)厚。可以在横截面视图中使用扫描电子显微镜来确定熔喷层的厚度。
熔喷层的定量通常可以根据期望选择。在一些实施方案中，熔喷层的定量是至少1g/m2(例如，至少10g/m2、至少25g/m2)和/或至多100g/m2(至多90g/m2、至多75g/m2)。例如，在某些实施方案中，熔喷层具有从1g/m2至100g/m2(例如，从10g/m2至90g/m2、从25g/m2至75g/m2、从2g/m2至20g/m2、从4g/m2至12g/m2)的定量。
熔喷层的平均孔径可以根据期望变化。例如，熔喷层可以具有在约5微米至约50微米之间、在约10微米至约30微米之间或者在约10微米至约20微米之间的平均孔径。如本文中所使用的，平均孔径指的是根据在ASTM F316-03中所描述的、通过使用库尔特仪所测量的中流量平均孔径。
熔喷层的透气率也可以根据期望变化。在一些实施方案中，熔喷层具有至多500CFM(例如，至多250CFM、至多200CFM)和/或至少20CFM(例如，至少50CFM、至少100CFM)的透气率。例如，在一些实施方案中，熔喷层的透气率可以从20CFM至500CFM(例如，从50CFM至250CFM、从100CFM至200CFM)。在一些实施方案中，熔喷层的透气率可以基于第一层(例如，单相或多相)的渗透率适当地进行调整以满足复合物性能。
B.中间层
1.粘合剂
在一些实施方案中，中间层40包括粘附至第一层和纳米纤维层(例如，熔喷层)的粘合剂(例如，热熔型粘合剂、压敏粘合剂、热塑性粘合剂、热固型粘合剂)。通常，粘合剂是聚合物。聚合物的实例包括乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯、无定形聚烯烃)、聚酰胺(例如，尼龙)、环氧树脂、氰基丙烯酸酯、聚氨酯(例如，湿固化聚氨酯)以及聚酯。在一些实施方案中，粘合剂是乙烯醋酸乙烯酯共聚物。商业可用的材料的实例包括从商标为HM 4379、M 2751和H3199下的波士胶(Bostik)(渥瓦托萨，威斯康星州)以及从商标为H312下的Heartland(德国镇，威斯康星州)可用的无定形聚烯烃粘合剂。商业可用的材料的实例也包括从商标为HM4199、HM4156和Vitel 4361B下的Bostik(渥瓦托萨，威斯康星州)可用的共聚酯。商业可用的材料的实例还包括从商标为HM 4289LV和HM4229下的Bostik(渥瓦托萨，威斯康星州)可用的聚酰胺。
在一些实施方案中，中间层由直径小于4微米且几何标准偏差为1.4的纤维的网形成。
粘合剂层的厚度通常可以根据期望选择。在一些实施方案中，粘合剂层的厚度为至少5微米(例如，至少10微米、至少25微米)和/或至多100微米(例如，至多75微米，至多50微米)。例如，根据通过扫描电子显微镜所确定的，粘合剂层的厚度可以是从5微米至100微米(例如，从5微米至75微米、从5微米至50微米)。
通常，粘合剂层的定量可以根据期望选择。在一些实施方案中，粘合剂层具有至多20g/m2(至多10g/m2、至多8g/m2、至多5g/m2)和/或至少0.5g/m2(例如，至少1g/m2、至少2g/m2)的定量。例如，在一些实施方案中，粘合剂层具有从1g/m2至20g/m2(例如，3g/m2至10g/m2、0.5g/m2至10g/m2、从1g/m2至8g/m2、从2g/m2至5g/m2)的定量。
尽管在许多情况下，粘合剂层是连续的，但是在一些实施方案中，粘合剂层可以是不连续的。例如，粘合剂可以是其内具有孔的材料的形式(例如，网孔的形式)。另外地或可替代地，粘合剂可以是材料的补片(例如，点)的形式。通常，当考虑过滤介质的预期用途时，在第一层与纳米纤维(例如，熔喷)层之间的粘合剂的量足以在多层之间提供适当的粘附力。例如，在一些实施方案中，粘合剂以在第一层与纳米纤维(例如，熔喷)层之间的面积的至少70％(例如，至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％、至少99％、100％)存在。
通常，选择粘合剂使得第一层与纳米纤维(例如，熔喷)层之间的平均剥离强度为至少0.5盎司每英寸宽度(例如，至少1盎司每英寸宽度或者至少1.5盎司每英寸宽度)。在一些实施方案中，粘合剂被选择成使得第一层与纳米纤维(例如，熔喷)层之间的平均剥离强度为至多4盎司每英寸宽度。如本文中所使用的，第一层/粘合剂/第二层构造的“平均剥离强度”如下来确定。试验是ASTM D903的改进版本，使用Thwing-AlbertIntellect II拉伸试验机进行。样本被切成2英寸乘7英寸的条，并且沿着机器方向进行剥离。来自Intertape公司(蒙特利尔，魁北克，加拿大)的TUFFLEX(TF415085447)胶带被施加至样品的涂层表面的长度以稳固地结合至顶层，从而能够分离层压材料。半英寸的预剥离用于开始分层。试验机十字头和顶部气动夹具从静止的底部气动夹具以每分钟12英寸的速度移动。当十字头和顶部气动夹具从起始位置移动了4英寸时试验完成。最大剥离强度和最小剥离强度以通过称重传感器所测量的负载为函数进行记录。平均剥离强度根据在整个试验期间通过称重传感器所测量的负载进行计算。所有的剥离强度均通过除以2而被分成两半以报告每英寸宽度的剥离强度。
通常，粘合剂可以被选择成具有用于以下制造工艺的适当施工时间(open time)。例如，粘合剂的施工时间应当充足使得在其被施加至一层(例如，第一层或熔喷层)的时间与粘合剂接触另一层(例如，第一层或熔喷层)的时间之间粘合剂不会变得没有粘性。在一些实施方案中，粘合剂具有至少15秒(例如，至少20秒、至少30秒、至少40秒)的施工时间。在特定实施方案中，粘合剂层可以具有至多60秒的施工时间。如本文中所使用的，粘合剂的施工时间是根据ASTM D4497、使用1/16英寸宽的粘合剂珠粒确定的。
2.纤维织品(scrim)
在一些实施方案中，纤维织品包括在过滤介质中。在一些情况下，纤维织品位于纳米纤维层30上方。在一些实施方案中，过滤介质包括第一层20、中间层40、纳米纤维层30以及布置在纳米纤维层30之上的纤维织品。
纤维织品可以是例如由聚合物形成的。聚合物的实例包括聚酯、聚酰胺以及聚烯烃。可选地，纤维织品由纺粘的非织造材料或梳理成网的非织造材料形成。在一些实施方案中，纤维织品由纺粘聚丙烯形成。
通常，纤维织品的厚度可以根据期望选择。在某些实施方案中，纤维织品为至少50微米(例如，至少100微米、至少200微米)厚，和/或至多1000微米(例如，900微米、750微米)厚。例如，纤维织品的厚度可以从50微米至1000微米(例如，从100微米至900微米、从250微米至750微米)厚。根据本文中所指的，纤维织品的厚度根据TAPPI T411来确定。
通常，纤维织品的定量可以根据期望选择。在一些实施方案中，纤维织品具有至多100g/m2(至多90g/m2、至多75g/m2)，和/或至少5g/m2(例如，至少10g/m2、至少20g/m2)的定量。例如，在一些实施方案中，纤维织品可以具有从5g/m2至100g/m2(例如，从5g/m2至90g/m2、从5g/m2至75g/m2)的定量。
III.具有单相或多相以及纳米纤维层的过滤介质
A.性能特征
具有第一层和粘附在第一层上的纳米纤维层的过滤介质可以呈现出包括提高的容尘特征(例如，捕获效率和容尘量)在内的有利性能。
根据Palas平板试验，在一些实施方案中，具有粘附至第一层(例如，单相或多相)的纳米纤维层的过滤介质的容尘量可以大于约10g/m2、大于约20g/m2、大于约50g/m2、大于约200g/m2、大于约300g/m2、大于约350g/m2、大于约400g/m2、或者大于约450g/m2。在一些实施方案中，经受Palas平板试验的过滤介质可以呈现出至多约500g/m2的容尘量。
应当理解，在本文中描述的过滤介质可以呈现出任意的以上提及的容尘量与以下特征的组合。
可以使用上述的Palas平板试验来表征初始灰尘捕获效率特征化。在一些实施方案中，具有粘附至第一层(例如，单相或多相)的纳米纤维层的过滤介质的初始尘粒捕获效率可以大于约25％、大于约40％、大于约70％、大于约80％、大于约90％、或者大于约99％。在一些实施方案中，这样的过滤介质的初始尘粒捕获效率可以是至多99.5％。
也可以使用Palas平板试验将初始压降特性化。在一些实施方案中，具有粘附至第一层的纳米纤维层的过滤介质的初始压降可以大于约10Pa、大于约15Pa、大于约20Pa或者大于约30Pa。在一些实施方案中，这样的过滤介质的初始压降可以是至多约300Pa或至多约500Pa。
根据Palas平板试验，将经历一定的时段直到压降达到1,800Pa为止。在一些实施方案中，用于具有第一层和纳米纤维层的过滤介质的时段可以是至少约60分钟、至少约70分钟、至少约80分钟(例如，约83分钟)。
具有粘附至第一层的纳米纤维层的过滤介质可以产生透气率以及机械性能的特定值。例如，使用上述的透气率试验，这样的过滤介质的透气率可以大于约1CFM，大于约2CFM、大于约10CFM、大于约30CFM、大于约50CFM、大于约75CFM、或者大于约100CFM。在一些实施方案中，过滤介质可以呈现出至多约120CFM、至多约200CFM或者至多约250CFM的透气率。
在一些实施方案中，具有第一层和纳米纤维层的过滤介质可以呈现出基于密廉式破裂测试(Mullen Burst test)的机械强度。根据DIN 53113，针对这样的过滤介质的密廉式破裂测试值可以是至多约80kPa、至多约90kPa或者至多约100kPa。在一些实施方案中，根据上述标准，针对所描述的过滤介质的密廉式破裂试验值可以大于约10kPa、大于约15kPa或者大于约20kPa。
B.结构特征
可以测量具有粘附至第一层(例如，单相或多相层)的纳米纤维层的过滤介质的各种结构性能。
具有第一层和纳米纤维层的过滤介质可以具有任意的适当定量。例如，具有粘附至第一层的纳米纤维层的过滤介质可以具有在约10g/m2至约500g/m2之间、在约25g/m2至约230g/m2之间、在约30g/m2至约250g/m2之间、在约50g/m2至约200g/m2之间、在约80g/m2至约150g/m2之间、或者在约90g/m2至约160g/m2之间的定量。
具有第一层和纳米纤维层的过滤介质的厚度可以根据期望变化。例如，根据TAPPI T411，具有粘附至第一层的纳米纤维层的过滤介质可以具有在约100微米至2mm之间、在约200微米至1.6mm之间、在约300微米至约2.0mm之间、在约400微米至1.2mm之间、在约500微米至约1.7mm之间或者在约700微米至约1.5mm之间的厚度。
具有第一层和纳米纤维层的过滤介质的平均孔径可以根据期望变化。例如，具有粘附至第一层上的纳米纤维层的过滤介质可以具有在约5微米至约50微米之间、在10微米至约30微米之间或者在约10微米至约20微米之间的平均孔径。
C.制造方法
可以以任意的适当方式来制造纳米纤维层并将其粘附至单相或多相层上。在一些实施方案中，纳米纤维层可以被布置在相对于单相或多相层的下游，或可以被布置在相对于单相或多相层的上游。
如以上所讨论的，对于一些实施方案，纳米纤维层可以由熔喷工艺生成。例如，可以使用在名称为“Meltblown Filter Medium”的美国专利公开2009/0120048中描述的熔喷工艺和制造方法。图5示出可以用于形成具有粘合剂层的单过滤介质的系统200的实施方案。系统200包括第一辊对辊系统210和第二辊对辊系统220。
系统210包括随着辊旋转来移动连续带214的辊212a、212b、212c以及212d。系统212还包括挤出机216。随着辊212a至212d旋转，一种或更多种聚合物(例如，可选地具有一种或更多种添加剂)被抽真空到挤出机216中，从挤出机的开始工作到结束期间对聚合物进行加热(例如，缓慢地加热)，使得一种或更多种聚合物更容易流动。加热后的一种或更多种聚合物被进料到控制一种或更多种聚合物的通过量(1b/hr)的熔融泵中。随后一种或更多种聚合物经过具有一系列孔的模头尖端。在一些实施方案中，每孔聚合物的通过量可以对纤维直径具有相对强烈的影响。随着聚合物从模头尖端出来，加热的高速空气在模头尖端的两侧上撞击聚合物。
模头的孔径大小以及每英寸的孔径数量大致上可以根据期望选择。在一些实施方案中，模头可以具有每英寸为0.0125″孔的35个孔。在特定实施方案中，模头可以具有每英寸为0.007″孔的70个孔。可选地，可以使用其他模头。
形成为纳米纤维层的熔喷材料可以通过上升的温度被软化(例如，熔融)。作为一个实例，在一些实施方案中，材料被加热到至少350°F(例如，至少375°F、至少400°F)和/或至多600°F(例如，至多550°F、至多500°F)的温度。例如，材料可以被加热到从350°F至600°F(例如，从375°F至550°F、从400°F至500°F)的温度。
一方面，工艺空气在形成纤维的模头尖端的任一侧上被加热。加热后的空气(通常与模头尖端的温度相同)撞击纤维并且帮助纤维变细以形成最终的纤维尺寸。在一些实施方案中，随着空气体积增加，纤维的直径可能减小。可以适当地选择工艺空气的体积。在一些实施方案中，工艺空气的体积为至少2500磅/小时-米(例如，至少2750磅/小时-米、至少3000磅/小时-米)和/或至多4000磅/小时-米(例如，至多3750磅/小时-米、至多3500磅/小时-米)。例如，工艺气体的体积可以从2500磅/小时-米至4000磅/小时-米(例如，从2750磅/小时-米至3750磅/小时-米、从3000磅/小时-米至3500磅/小时-米)。
通过真空装置218创建的真空可以根据期望选择。在一些实施方案中，真空为至少10英寸水柱(例如，至少12英寸水柱、至少14英寸水柱)和/或至多26英寸水柱(例如，至多23英寸水柱、至多20英寸水柱)。例如，真空可以是从10英寸水柱至26英寸水柱(例如，从12英寸水柱至23英寸水柱、从14英寸水柱至20英寸水柱)。
系统220包括随着辊旋转来移动第一层(例如，单相或多相)的辊222a、222b、222c以及222d。在辊222a和222b之间，系统220包括向第一层施加粘合剂的站226。在邻近辊222b和212a的区域中，粘合剂接触熔喷层，并且当熔喷层粘附至粘合剂时从带214移除熔喷层以形成复合过滤介质。在一些情况下，第一层/粘合剂/熔喷层复合物随后经过充电单元228。
可以理解到的是由不同于熔喷工艺的工艺形成的纳米纤维层可以被布置在通过辊212a至212d移动的带214上。在没有使用熔喷工艺来形成纳米纤维层的这种情况下，挤出机216是不必要的。因而，一旦通过站226将粘合剂施加至第一层，在邻近辊222b和212a的区域中，粘合剂接触纳米纤维层，并且当纳米纤维层粘附至粘合剂时从带214移除纳米纤维层以形成复合过滤介质。类似于以上所描述的，第一层/粘合剂层/纳米纤维层复合物随后可以经过充电单元228。
站226通常可以根据期望选择。在一些实施方案中(例如，当期望具有粘合剂的相对高的覆盖范围时)，站226可以是计量式粘合系统。计量式粘合系统可以被构造成施加相对高地扩散并且均匀的粘合剂的量。在某些实施方案中，站226是每英寸布置有12个喷嘴的粘合剂施加系统，其提供分散粘合道，在道的中心点之间具有两毫米的间隙，并且每个喷嘴具有0.06英寸直径的喷丝孔。
用于运载纳米纤维层的带214可以由允许在带上形成纳米纤维层、并且当纳米纤维层接触粘合剂层时还允许从带移除纳米纤维层的任意材料制成。可以制成带的材料的实例包括聚合物(例如，聚酯、聚酰胺)、金属和/或合金(例如，不锈钢、铝)。
带214移动的速度可以根据期望选择以形成纳米纤维层。在一些实施方案中，带214可以以至少10英尺/分钟(例如，至少20英尺/分钟、至少30英尺/分钟)和/或至多300英尺/分钟(例如，至多200英尺/分钟、至多100英尺/分钟)的速度进行移动。例如，带214可以以从10英尺/分钟至300英尺/分钟(例如，从20英尺/分钟至200英尺/分钟，从30英尺/分钟至100英尺/分钟)的速度进行移动。
通常，可以使用任意的带构造。例如，在一些实施方案中，带具有开放结构，例如网状结构。在一些实施方案中，开放结构可以导致纳米纤维材料在吹出的空气的作用力下具有与从纳米纤维材料到带的结构互补的结构。
根据以上所讨论的针对由熔喷材料形成纳米纤维层的其他工艺，可以将温度选择成将待形成为纳米纤维层的材料适当地软化(例如，熔融)。类似地，工艺空气的体积、真空强度以及带移动的速度均可以适当地选择。
在使用粘合剂层的特定实施方案中，制造方法可以涉及将粘合剂层施加至第一层，并且随后随着第一层和粘合剂层两者通过传送辊时，粘合剂层接合至形成在集料带上的纳米纤维层。因此，在过滤介质中，第一层和纳米纤维层两者均粘附至粘合剂层。如上所述，第一层可以是单相或多相(例如，双相)层。
在一些实施方案中，具有粘合剂层的过滤介质的制造涉及连续(例如，辊对辊)工艺。该工艺可以例如涉及使用多辊对辊系统。作为一个实例，一个辊对辊系统可以用于形成纳米纤维层，而另一个辊对辊系统可以用于将粘合剂层粘附至第一层。在这样的系统中，辊对辊系统可以被构造成使得当粘合剂层和纳米纤维层变得彼此粘附时，粘合剂层以连续的方式接触纳米纤维层。
辊对辊系统可以包括随着辊旋转来移动第一层的辊。系统可以在辊之间包括将粘合剂施加至第一层的站。在邻近辊的区域中，当纳米纤维层经过传送辊或类似器件时，粘合剂接触纳米纤维层，并且纳米纤维层被从带移除且粘附至粘合剂。
可以通过经由在辊212a和222b处形成的辊隙所生成的拉力将第一层进料经过粘合剂站。通过使邻近辊222b的第一层与邻近辊212a的纳米纤维层接触，带214与第一层的速度同步化(例如，使得第一层以与带大致相同的速度移动)。辊212a与222b之间的压力通常根据所期望的过滤介质的意图用途进行选择。例如，在波纹状过滤介质的实施方案中，辊212a与222b之间的压力可以被选择成实现良好的波纹深度和一致性。在一些实施方案中，辊212a与222b之间的压力为从20磅每线性英寸至40磅每线性英寸(例如，从25磅每线性英寸至35磅每线性英寸、从28磅每线性英寸至32磅每线性英寸、从29磅每线性英寸至31磅每线性英寸、30磅每线性英寸)。
当被施加至第一层时，粘合剂的温度可以被选择成使得当粘合剂与纳米纤维层相接触时具有适当的粘性水平。在粘合剂是热熔粘合剂的实施方案中，这可以涉及到在将粘合剂施加至第一层之前对粘合剂进行加热。例如，在被施加至第一层之前，粘合剂可以被加热到至少350°F(例如，至少370°F、至少380°F)和/或至多450°F(例如，至多430°F、至多420°F)。例如，材料可以被加热到从350°F至450°F(例如，从370°F至430°F、从380°F至420°F)的温度。
在一些实施方案中，一旦形成后，第一层/粘合剂/纳米纤维层复合物经过充电单元。充电单元用于对复合物(通常，具体地是纳米纤维层)进行充电，这可以使过滤介质具有提高的微粒捕获性能。
通常，多种技术中的任意技术均可以用于对第一层/粘合剂/纳米纤维层复合物进行充电以形成驻极体网。实例包括AC和/或DC电晕放电以及基于摩擦的充电技术。在一些实施方案中，复合物经受至少1kV/cm(例如，至少5kV/cm、至少10kV/cm)和/或至多30kV/cm(例如，至多25kV/cm、至多20kV/cm)的放电。例如，在特定实施方案中，复合物经受从1kV/cm至30kV/cm(例如，从5kV/cm至25kV/cm、从10kV/cm至20kV/cm)的放电。
在一些实施方案中，类似于以上针对粘合剂的描述，具有纤维织品层的过滤介质的制造可以涉及连续(例如，辊对辊)工艺。该工艺可以例如涉及使用多辊对辊系统。作为一个实例，一个辊对辊系统可以用于在纤维制品上形成纳米纤维层，而另一辊对辊系统可以用于运载第一层。
在这样的系统中，辊对辊系统可以被构造成使得纳米纤维层/纤维织品复合物以连续的方式接触第一层以形成三层复合物(或者包括粘合剂的四层)，并且随后这三层被结合在一起。
在一个实施方案中，系统可以包括移动连续带的辊，并且随着辊旋转纤维织品被施加至带。形成纳米纤维层的材料(例如，颗粒形式的聚合物)可以在辊旋转时通过加热的挤出机被引入。材料被软化(例如，熔融)并且迫使以长丝形式通过模头。长丝在真空的影响下朝向纤维织品移动，例如，在带相对于模头的相反侧上。在一些实施方案中，真空使长丝伸长并且强迫它们紧靠着纤维织品的表面以提供布置在纤维织品上的纳米纤维层。
从带移除纤维织品/纳米纤维层复合物，并且第一层通常通过布置(例如，溅射)在第一层上的粘合剂而被布置在纤维织品上。在纳米纤维由熔喷工艺形成的情况下，这涉及将纤维织品带到带上并且随后将熔喷纤维直接吹到纤维织品上。可以在吹熔喷材料之前对纤维织品施加粘合剂，并且/或者熔喷纤维的力和热量可以用于将这两层粘附在一起。随后这三层结合在一起。在该过程期间，这三层可以可选地层合在一起。在一些实施方案中，层可以超声焊接在一起(例如，超声点焊在一起)。在一些实施方案中，通过在铝振动喇叭(vibrating horn)与刻纹接触辊之间施加超声能量可以将纳米纤维层、纤维织品和第一层进行接合。
D.波纹
在一些实施方案中，过滤介质可以是波纹状的。可选地，波纹状过滤介质也可以打褶。任意适当的方法均可以用于对所描述的过滤介质进行波纹化和/或打褶。
图6示出包括第一层20、中间层40(例如，粘合剂)以及纳米纤维层30的过滤介质10。在一些实施方案中，第一层20包括单相或多相。过滤介质10具有由距离“c”描绘的波纹通道宽度的重复波纹图案，该距离“c”是从重复波纹图案的一个峰到其最邻近的峰的距离。通常，过滤介质10可以具有任意期望的波纹通道宽度。在一些实施方案中，波纹通道宽度“c”为至少150密耳(例如，至少160密耳、从167密耳至173密耳、至少225密耳、至少250密耳、从247密耳至253密耳、从150密耳至335密耳)。
在一些实施方案中，过滤介质10具有由距离“d1”表示的波纹宽度，该距离“d1”是从重复波纹图案的层30的峰到层30的谷的距离。在一些实施方案中，波纹深度“d1”为至少8密耳(例如，至少10密耳、至少12密耳、至少14密耳、至少16密耳)和/或至多25密耳(例如，至多20密耳)。
在某些实施方案中，过滤介质10具有由距离“d2”表示的波纹深度，该距离“d2”是从重复波纹图案的第一层20的峰到第一层20的谷的距离。在一些实施方案中，波纹宽度“d2”为至少8密耳(例如，至少10密耳、至少12密耳、至少14密耳、至少16密耳)和/或至多25密耳(例如，至多20密耳)。
在一些实施方案中，过滤介质10具有至少25％(例如，至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％)的保留波纹。如本文中所称的，过滤介质10的“保留波纹”通过将波纹深度“d1”除以从重复波纹图案的第一层20侧的峰到第一层20侧的谷的距离(在将层40施加至第一层20之前所测量的)，并且将该值乘以100％来确定。不希望受理论限制，据信保留波纹可以由在本文中所公开的其由第一层20形成在与层30分离的金属丝上并且随后这些层彼此粘附的工艺来产生。在一些情况下，选择适当的压力可以提高保留波纹，只要所选择的压力足够的高以实现期望的粘合同时足够的低以实现有利的保留波纹属性。
在过滤介质10是波纹状的并且采用辊对辊系统的实施方案中，如上所述，为了使第一层20与纳米纤维层30(例如，通过熔喷工艺形成的)彼此粘附，可以选择辊之间的压力以实现针对过滤介质10的有利的波纹深度和一致性。在一些实施方案中，辊之间的压力可以在约20磅每线性英寸至约40磅每线性英寸之间(例如，在约25磅每线性英寸至约35磅每线性英寸之间、在约28磅每线性英寸至约32磅每线性英寸之间、在约29磅每线性英寸至约31磅每线性英寸之间以及约30磅每线性英寸)。
IV.过滤组合件和系统
用于过滤应用的过滤组合件可以包括多种过滤介质和/或过滤元件中的任意一种。过滤元件可以包括上述的过滤介质。过滤元件的实例包括气体燃气轮机过滤元件、灰尘采集元件、重型空气过滤元件、自动空气过滤元件、用于大排量的汽油发动机(例如，越野车(SUV)、敞篷小型载货卡车、卡车)的空气过滤元件、HVAC空气过滤元件、高效微粒空气(HEPA)的空气过滤元件、真空包过滤元件、燃料过滤元件以及油过滤元件(例如，润滑油过滤元件或重型润滑油过滤元件)。
过滤元件可以被结合到相应的过滤系统(燃气轮机过滤系统、重型空气过滤系统、自动空气过滤系统、HVAC空气过滤系统、HEPA过滤系统、真空包过滤系统、燃料过滤系统以及油过滤系统)中。真空包过滤系统通常在家用真空吸尘器中使用。在这样的实施方案中，过滤介质可以可选地通过将纸涂有熔喷材料来制备。在特定实施方案中，可以使用湿法或干法产品(例如，木材、聚合物、玻璃)来制备过滤介质。干法产品可以在例如HVAC、HEPA、汽车空气和客舱空气应用中使用。过滤介质可以可选地被打褶成为多种构造(例如，平板、圆柱)中的任一种。
过滤元件也可以是任意适当的形式，例如放射状过滤元件、平板过滤元件或者通道流过滤元件。放射状过滤元件可以包括被限制在两个圆柱状开口金属丝网内的打褶过滤介质。在使用期间，流体可以从外部穿过打褶介质进入到放射状元件的内部。
当过滤元件是重型空气过滤元件时，单种过滤介质中的疏松相和致密相中的每个相可以例如包括软木纤维(例如，Robur Flash纤维)和硬木纤维(例如，Suzano纤维)的混合物。疏松相与致密相的重量比可以是约30∶70或更大。疏松相中的软木纤维与硬木纤维的重量比可以是例如约85∶15，而致密相中的软木纤维与硬木纤维的重量比可以是例如约49∶51。
当过滤元件是自动空气过滤元件时，单种过滤介质中的疏松相和致密相中的每个相可以例如包括软木纤维和硬木纤维(例如，Suzano纤维)的混合物。疏松相与致密相的重量比可以是约50∶50。疏松相中的软木纤维与硬木纤维的重量比可以是约93∶7，而致密相中的软木纤维与硬木纤维的重量比可以是约63∶35。疏松相和致密相中的每个相可以由两种不同类型的软木纤维(例如，Robur Flash纤维和HPZ纤维)制成。疏松相中两种不同类型的软木纤维的重量比可以是约83∶10(例如，约83％的丝光处理的南方松和约10％的Robur Flash纤维)。致密相中两种不同类型的软木纤维的重量比可以是约40∶25(例如，约40％的HPZ纤维和约25％的Robur Flash纤维)。
当过滤元件是燃料过滤元件时，单种过滤介质中的疏松相和致密相中的每个相可以包括软木纤维与硬木纤维的混合物。疏松相与致密相的重量比可以是约50∶50。疏松相中的软木纤维与硬木纤维的重量比可以是约60∶40，而致密相中的软木纤维与硬木纤维的重量比可以是约6∶94。疏松相可以由以约40∶20的重量比的两种不同类型的软木纤维(例如，约40％的HPZ纤维和约20％的Robur Flash纤维)以及一种类型的硬木纤维(例如，约40％的Suzano纤维)制成。致密相可以由以约48∶36∶10的重量比的三种不同类型的硬木纤维(例如，约48％的Suzano纤维、约36％的Tarascon纤维以及约10％的Acacia纤维)以及一种类型的软木纤维(例如，约6％的HPZ纤维)制成。
具有第一和第二相的过滤介质的相对于气体流经过滤元件/过滤系统的方向通常可以根据期望选择。在一些实施方案中，第二相沿着气体流经过滤介质的方向位于第一相的上游。在特定实施方案中，第二相沿着气体流经过滤元件的方向位于第一相的下游。作为一个实例，当气体过滤元件是燃气轮机过滤元件或重型气体过滤元件时，第二相可以沿着气体流经过滤元件的方向位于第一相的上游。作为另一实例，当期望提高的深层过滤时，第二相可以沿着空气流经过滤元件的方向位于第一相的下游。
具有附接至第一层的纳米纤维层的过滤介质的相对于气体流经过滤组合件/过滤系统的方向通常可以根据期望选择。在一些实施方案中，纳米纤维层沿着气体流经过滤组合件/系统的方向位于第一层的上游。在特定实施方案中，纳米纤维层沿着气体流经过滤组合件/系统的方向位于第一层的下游。作为一个实例，在气体过滤系统是燃气轮机过滤系统或重型气体过滤系统的一些实施方案中，纳米纤维层可以沿着气体流经过滤组合件/系统的方向位于第一层的上游。作为另一实例，在期望提高的深层过滤的一些实施方案中，纳米纤维层可以沿着空气流经过滤组合件/系统的方向位于第一层的下游。
V.实施例
以下的实施例仅是示例性的而并不意图为限制性的。
使用上述用于形成相的方法、由20％至30％的聚合物、Robur Flash纤维以及HPZ XS纤维制造单相层和双相层。用于制造单相层和双相层的纤维板中的树脂粘接剂达到饱和，使得树脂粘接剂占板重量的25％。表1中提供有单相层和双相层的总的构成，并且以下示出的表2中可以找出层的结构特征。
表1.单相层和双相层纤维配比
Figure BDA00002473450900281
表2.单相层和双相层的结构属性
纳米纤维层(0.076mm厚，透气率207CFM)粘附至单相层和双相层中的每一层。纳米纤维层是使用熔喷工艺制造的聚对苯二甲酸丁二醇酯层。所测量的纳米纤维层具有8g/m2的定量、207CFM的透气率、在粘合之前在2.65psi(磅每平方英寸)下3密耳的厚度、以及7微米的中流量平均孔径。纳米纤维层被布置在相对于单相层和多相层中的每一层的下游。随后使用之前描述的辊对辊系统以共聚酯使纳米纤维层粘附至单相层和双相层中的每一层。
在纳米纤维层的粘附前后的纳米纤维层、单相层以及双向层的定量值是根据ASTM F778-88进行测量的。在纳米纤维层的粘附前后的纳米纤维层、单相层以及双向层的卡规值是根据TAPPI T441在1N/cm2的压强下进行测量的。在纳米纤维层的粘附前后的纳米纤维层、单相层以及双向层的透气率值是根据ISO 9237进行测量的。在纳米纤维层的粘附前后的纳米纤维层、单相层以及双向层的孔径值是通过将由压力计根据吹动空气经过浸入在异丙醇中的样本所测量的压强与标准孔径相关联的方法进行测量的。在纳米纤维层的粘附前后的纳米纤维层、单相层以及双向层的密廉式破裂强度值是根据DIN 53113测量的。
Palas平板试验用于测量在其上添加有纳米纤维层之前和之后的单相层和双向层过滤介质的容尘量、捕获效率以及压降。在图7、图8和图9中可以发现试验结果。图7描绘出用于上述实施例的介质的尘粒捕获效率随时间的变化。图8描绘出跨越上述实施例的介质的压降随时间的变化。图9描绘出用于上述实施例的介质的容尘量。
如图7所示，观察到在粘附之后的单相和双相层上纳米纤维层提供在80％至90％之间的总效率。认为增加的效率很大程度上是受存在的纳米纤维层的影响。在粘附纳米纤维层之前，单相和双相层材料具有约45％的效率。
此外，如图8所描绘的，具有粘附至单相或双相层的纳米纤维层的过滤介质复合物呈现出采用超过100分钟后达到1,800Pa的压降的容尘量性能。例如，具有粘附至单相或双相层的纳米纤维层的过滤介质呈现出的运行时间是没有粘附纳米纤维层的类似复合物的运行时间的几乎双倍，这表明当添加有纳米纤维层时显著延长的过滤寿命。
图9描绘出上述过滤介质的容尘量。单相层呈现出280g/m2的DHC。具有粘附在其上的纳米纤维层的单相层呈现出261g/m2的DHC。双相层I呈现出280g/m2的DHC。具有粘附在其上的纳米纤维层的双相层I呈现出267g/m2的DHC。双相层II呈现出312g/m2的DHC。具有粘附在其上的纳米纤维层的双相层II呈现出286g/m2的DHC。
已经如此描述了本发明的至少一个实施方案的若干方面，将理解到本领域的技术人员容易进行各种替换、修正和改进。这样的替换、修正和改进旨在作为是本公开内容的部分，并且旨在包含于本发明的精神和范围内。因而，之前的描述和附图仅作为示例。

Claims (26)

1.一种过滤介质，包括：
第一层，所述第一层包括：
第一相，所述第一相包括第一多根纤维和不同于所述第一多根纤维的第二多根纤维；以及
第二相，所述第二相包括第三多根纤维和不同于所述第三多根纤维的第四多根纤维，所述第三多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同或者不同，所述第四多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同或者不同，其中所述第一多根纤维的透气率大于所述第二多根纤维的透气率，所述第三多根纤维的透气率大于所述第四多根纤维的透气率；以及
附接至所述第一层的第二层，其中所述第二层是纳米纤维层。
2.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一相与所述第二相之间的定量比的范围是约10∶90至约90∶10。
3.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一层和所述第二层通过粘合剂材料附接。
4.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一层包括旦数为至少3.0的聚酯。
5.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一层包括按重量计至少50％的软木和按重量计至少10％的聚酯。
6.根据权利要求5所述的过滤介质，其中所述第一层包括按重量计约80％的软木和按重量计约20％的聚酯。
7.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第二层包括熔喷材料。
8.根据权利要求7所述的过滤介质，其中所述熔喷材料包括聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维、聚丙烯纤维、尼龙或热塑性聚氨酯中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的过滤介质，还包括按重量计为所述过滤介质的约10％至约50％的树脂含量。
10.根据权利要求9所述的过滤介质，其中所述树脂含量按所述过滤介质的重量计为约15％至约30％。
11.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述过滤介质的容尘量为至少200g/m2并且初始效率为至少80％。
12.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述过滤介质的渗透率为至少75CFM。
13.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述过滤介质的初始压降为至少30Pa。
14.根据权利要求1所述的过滤介质，其中在所述过滤介质的平板试验中，所述过滤介质达到1,800Pa的压降时经历的时间为至少80分钟。
15.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述过滤介质的密廉式破裂强度的范围是约10kPa至约100kPa。
16.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一多根纤维、所述第二多根纤维、所述第三多根纤维和所述第四多根纤维中的至少一者由有机聚合材料制成。
17.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第三多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同，所述第四多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同。
18.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第三多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维不同，所述第四多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维不同。
19.一种包括根据权利要求1所述的过滤介质的过滤元件。
20.一种过滤介质，包括：
第一层，所述第一层包括多根纤维素纤维；以及
第二层，所述第二层附接至所述第一层，其中所述第二层是纳米纤维层，以及
其中所述过滤介质的容尘量为至少200g/m2并且初始效率为至少80％。
21.根据权利要求20所述的过滤介质，其中所述第一层包括：第一相，所述第一相包括第一多根纤维和不同于所述第一多根纤维的第二多根纤维；以及第二相，所述第二相包括第三多根纤维和不同于所述第三多根纤维的第四多根纤维，所述第三多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同或者不同，并且所述第四多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同或者不同，其中所述第一多根纤维的透气率大于所述第二多根纤维的透气率，并且所述第三多根纤维的透气率大于所述第四多根纤维的透气率。
22.根据权利要求21所述的过滤介质，其中所述第一层包括旦数为至少3.0的合成纤维。
23.根据权利要求21所述的过滤介质，其中所述第二层包括熔喷材料。
24.一种包括根据权利要求21所述的过滤介质的过滤元件。
25.一种制造过滤介质的方法，所述方法包括：
形成第一层，包括：
形成包括第一多根纤维和不同于所述第一多根纤维的第二多根纤维的第一相；以及
形成包括第三多根纤维和不同于所述第三多根纤维的第四多根纤维的第二相，所述第三多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同或者不同，并且所述第四多根纤维与所述第一多根纤维或所述第二多根纤维相同或者不同，其中所述第一多根纤维的透气率大于所述第二多根纤维的透气率，并且所述第三多根纤维的透气率大于所述第四多根纤维的透气率；
形成纳米纤维层；以及
将所述第一层和所述纳米纤维层粘附在一起以形成纤维复合物。
26.根据权利要求25所述的方法，其中使用熔喷工艺形成所述纳米纤维层。
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