CN103260720B - 用于热气体过滤的改善的介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了对气体过滤具有改善的过滤性能的织物，其包含非织造芳族聚酰胺垫。所述垫具有至少9.7盎司/平方码(330克/平方米)的基重并且其特征在于孔尺寸分布，其中以通过ASTM F316-03测试方法测量的给定范围内的孔数量对孔尺寸进行作图。在一个优选的实施例中，具有介于10和26微米之间尺寸的孔的百分比大于50％而具有大于50微米尺寸的孔的百分比小于0.5％。

Description

用于热气体过滤的改善的介质
背景技术
随着颗粒物排放的环境标准变得更加严格，织物滤器的使用已有显著增长。使用织物滤器是因为它们高效、易用并且在很多情况下是控制这类排放的最低廉方法。滤袋的织物是极端重要的，这是因为在相同环境下一种织物可能比另一种织物更好的地发挥功能。具有改善的过滤能力的新型滤器织物结构是期望的目标。本发明是针对滤器织物和在现有织物和滤器上给定的压降下具有改善效率的滤器。
发明内容
本发明提供了对热气体过滤具有改善的过滤性能的织物。所述织物包含高温纤维(诸如芳族聚酰胺或聚芳硫醚纤维)的非织造垫，所述垫具有至少9.0盎司/平方码(305克/平方米-gsm)的基重。所述垫的特征在于孔尺寸分布，其中以通过ASTM F316-03测量的给定范围内的流的百分比对孔尺寸进行作图。具有介于10和26微米之间尺寸的孔的百分比大于50％而具有大于50微米尺寸的孔的百分比小于0.5％。
本发明还涉及包含所述织物的滤器组件。
附图说明
图1是根据本发明的滤袋的一个实施例的图示。
具体实施方式
定义
术语“非织造材料”是指包括多根无规分布的纤维的纤维网。纤维通常可以彼此粘结，或者可以不粘结。纤维可以是短纤维或连续纤维。纤维可包含一种材料或多种材料，也可以是不同纤维的组合或者是分别由不同材料构成的类似纤维的组合。
术语“射流喷网”和“水刺”在本文中是同义的。如本文所用，当应用于垫、织物或纤维网时术语“射流喷网”是指由一个或多个类型的优选的非连续纤维组成的材料纤维网，其中所述纤维经水刺而实现无粘结材料的机械粘结或热粘结。如本文所用，术语“水刺”或“进行水刺”是指一种方法，其中由一个或多个类型的纤维或细丝组成的材料纤维网经受高速度的水射流，使纤维缠绕来实现机械粘结。公开于美国专利3,508,308和3,797,074中的射流喷网法是本领域已知的可用于制造非织造织物和毡的方法例子。
“针刺法”是指形成机械结合纤维的一种方法，该纤维通常是用梳理机或其它设备制备的。该方法用针织机将疏松的纤维网转变成密合的非织造织物。各种类型的针织机在本领域中是熟知的，其作用是穿过纤维网对纤维进行机械定向，从而紧固非织造纤维网。该工艺称为针刺。设置于板上的带倒钩的针将纤维戳入棉絮，然后退回，纤维留在棉絮中。所述针以非对齐的方式排列。通过改变每分钟的针刺次数、每架织机的针数、棉絮的前进速度、针的穿刺程度以及棉絮的重量，可以在很大范围内选择纤维密度。通过操作针织机可以生产图案化的或不带图案的产品。
公开于美国专利2,910,763和3,684,284中的射流喷网法是本领域已知的可用于制造非织造织物和毡的方法例子。
优选实施例说明
本发明提供了对热气体过滤具有改善的过滤性能的织物。所述织物包含高温纤维(诸如芳族聚酰胺或聚芳硫醚纤维)的非织造垫，所述垫具有至少9.0盎司/平方码(305克/平方米-gsm)的基重。所述垫的特征在于孔尺寸分布，其中以通过ASTM F316-03测试方法测量的给定范围内的流的百分比对孔尺寸进行作图。具有介于10和26微米之间尺寸的孔的百分比大于50％而具有大于50微米尺寸的孔的百分比小于0.5％。
本发明还涉及包含所述织物的滤器组件。在尘饼或表面过滤应用中，据发现引入本发明的过滤织物和滤器提供了高过滤效率(低漏尘率)和低压降。本发明的目的在于提供具有相对均匀的孔尺寸分布以及最低量的大孔的织物。预计更为均匀的孔将产生更为均匀的饼负载和气流，这导致了更低的跨滤器压降。通过降低大孔的量，可将通过大孔进行的尘埃泄漏(当尘饼已经积累在较小孔上时)的不良影响降至最低。最终结果是在整个饼过滤循环中更高的过滤效率和更低的漏尘率。
所述纤维垫可通过常规方法形成。例如，在一个实施例中，可用诸如松棉机的装置将得自纤维捆的卷曲短纤维团开松，然后由任何可行的方法诸如气力输送共混。随后可使用如前所述的常规方法将所述纤维转化成为非织造纤维或毡。通常情况下这涉及通过使用诸如梳理机的装置来形成纤维网，然而也可使用其他方法，诸如纤维气流成网或湿法成网。如果需要，然后可经由传送装置将纤维网送至诸如交叉铺网机的装置中，以通过将单独的纤维网以Z字形结构层放在彼此上方而形成交叉错叠结构。
在一个优选的实施例中，所述垫通过对纤维进行水刺而形成。为产生水刺(射流喷网)结构以用于诸如热空气过滤应用这样的技术应用，必须获得至少330g/m2的基重。常规水刺机通常获得小于135g/m2的织物。近年以来进一步发展了喷水混合设备从而在该机器上实现了更重的过滤介质基重。
压实最终的非织造结构所需的大体积纤维纤维细毡的制备可与两种工艺相同(针刺和/或射流喷网)。还可使用纤维气流成网系统而非交叉铺网机，其中在压实前制备了单纤维网来加重使最终棉絮的纤维方向各向同性。因此，针刺法和水刺法之间的关键区别在于压实步骤。在针刺成毡中通过使用多刺金属针而进行压实，而水刺法使用通过数以千计的细微水射流而产生的水帘来压实棉絮。
可用于本发明的间位芳族聚酰胺纤维包括对位定向的合成芳族聚酰胺。聚合物必须具有形成纤维的分子量以便成型为纤维。所述聚合物可包括主要为芳族的聚酰胺均聚物、共聚物、以及它们的混合物，其中至少85％的酰胺(--CONH--)连接基与两个芳环直接相连。所述环可以是未取代的或取代的。当两个环或基团沿着分子链相对于彼此间位取向时，所述聚合物为间位芳族聚酰胺。共聚物优选具有不大于10％的其他二胺替代用于形成所述聚合物的原有二胺，或具有不大于10％的其他二甲酰氯替代用于形成所述聚合物的原有二甲酰氯。添加剂可与所述芳族聚酰胺一起使用；并且已发现，按重量计最多达13％的其他聚合材料可与芳族聚酰胺共混或键合。优选的间位芳族聚酰胺为聚(间苯二甲酰间苯二胺)(MPD-I)及其共聚物。一种这类间位芳族聚酰胺纤维是可获自E.I.du Pont de Nemours andCompany of Wilmington，Del.的Nomex.RTM.芳族聚酰胺纤维，然而，可以从Teijin Ltd.of Tokyo，Japan以商标Tejinconex.RTM.获得多种类型的间位芳族聚酰胺纤维；New Star.RTM.间位芳族聚酰胺，可获自Yantai SpandexCo.Ltd，of Shandong Province，China；以及Chinfunex.RTM.芳族聚酰胺1313，可获自Guangdong Charming Chemical Co.Ltd.，of Xinhui inGuangdong，China。间位芳族聚酰胺纤维本性阻燃并且可利用任何数目的工艺由干纺丝或湿纺丝纺成；然而，美国专利3,063,966；3,227,793；3,287,324；3,414,645；和5,667,743示例出了用于制备可用于本发明中的芳族聚酰胺纤维的可用方法。
可用于本发明的对位芳族聚酰胺纤维包括芳族聚酰胺聚合物，即，长链合成聚酰胺，其中85％或更多的酰胺键定向连接于两个芳香环。这些芳族聚酰胺是众所周知的并且可便利地商购自，例如，Wilmington，Del.的DuPont公司，其以商标KEVLAR经销一种这类产品。另一种芳族聚酰胺可以以商标TWARON获自Teijin Group的Twaron BV分公司。
间位芳族聚酰胺纤维和对位芳族聚酰胺纤维的共混物也可用于本发明。
可用于本发明的聚芳硫醚(PAS)包括含有亚芳基硫醚单元的直链、支化或交联聚合物。聚芳硫醚聚合物及其合成在本领域中是已知的，另外此类聚合物也可商购获得。
可用于本发明的示例性聚芳硫醚包含聚亚芳基硫醚，其包含下式的重复单元：-[(Ar1)n-X]m-[(Ar2)i-Y]j-(Ar3)k-Z]l-[(Ar4)o-W]p-其中Ar1、Ar2、Ar3和Ar4是相同的或不同的，并且为具有6至18个碳原子的亚芳基单元；W、X、Y和Z是相同的或不同的并为选自以下基团的二价连接基：-SO2-、-S-、-SO-、-CO-、-O-、-COO-或1至6个碳原子的亚烷基或次烷基，并且其中至少一个连接基为-S-；并且n、m、i、j、k、l、o和p独立地为0或1、2、3或4，前提条件是，它们的总和不小于2。亚芳基单元Ar1、Ar2、Ar3和Ar4可选择性地被取代或未取代。有利的亚芳基体系为亚苯基、亚联苯基、亚萘基、蒽和菲。聚芳硫醚通常包含至少30摩尔％，具体地讲至少50摩尔％，并且更具体地讲至少70摩尔％的亚芳基硫醚(-S-)单元。优选地，聚芳硫醚聚合物包含至少85摩尔％的直接连接到两个芳环上的硫醚键。有利的是，聚芳硫醚聚合物为聚苯硫醚(PPS)，其在本文中定义为包含亚苯基硫醚结构-(C6H4-S)n-(其中n为1或更大的整数)作为其组分。
可优选使用具有一种亚芳基作为主要组分的聚芳硫醚聚合物。然而，根据可加工性和耐热性，也可使用包含两种或更多种亚芳基的共聚物。包含对亚苯基硫醚重复单元作为主要组分的PPS树脂是尤其优选的，因为它具有优异的可加工性，并且在工业上是易于获得的。此外，还可使用聚亚芳基酮硫醚、聚亚芳基酮酮硫醚、聚芳硫醚砜等。
可行共聚物的具体例子包括具有对亚苯基硫醚重复单元和间亚苯基硫醚重复单元的无规或嵌段共聚物、具有亚苯基硫醚重复单元和亚芳基酮硫醚重复单元的无规或嵌段共聚物、具有亚苯基硫醚重复单元和亚芳基酮酮硫醚重复单元的无规或嵌段共聚物、和具有亚苯基硫醚重复单元和亚芳基砜硫醚重复单元的无规或嵌段共聚物。
聚芳硫醚可任选包含对其所期望特性无不利影响的其他组分。可用作附加组分的示例性材料将无限制地包括抗微生物剂、颜料、抗氧化剂、表面活性剂、蜡、流动促进剂、颗粒、以及加入以增强聚合物可加工性的其他材料。这些和其他添加剂可以常规量使用。
图1示出了本发明的滤袋的一个实施例。滤袋1具有封闭端2、开放端3和管状部分4。在所示的实施例中，所述滤袋还具有与所述袋开放端相连的弹簧钢金属扣环5。该袋的管状部分4由重叠的过滤毡构成，形成用三重线迹7缝合的接缝6。在该实施例中，所述袋的封闭端也可由过滤毡构成，所述过滤毡在8处与用于所述管状部分的毡末端缝合。尽管图1代表一个优选的实施例，但是也可利用袋式过滤器的其它可能的构造、取向和部件，例如在授予Wittemeier等人的美国专利3,524,304；授予Hixenbaugh的美国专利4,056,374；授予Peterson的美国专利4,310,336；授予Reier的美国专利4,481,022；授予Tafara的美国专利4,490,253；和/或授予Tafara的美国专利4,585,833中公开的那些。
在一些实施例中，如图1)中所示，所述滤袋的封闭端2为与所述管状部分相缝合的过滤毡盘片。在某些其它实施例中，所述封闭端由某些其它材料制成，例如在某些情况下可能需要金属封闭端。在其它实施例中，所述封闭端可以不同于缝合的某些其它方式进行封闭例如超声、粘合或热接合或密封。在另一个实施例中，用于所述袋管状部分的所述毡可折在一起或折叠，然后密封，以形成封闭端。
在一些实施例中，所述袋的开放端3可具有金属构件以将所述袋连结到窝眼盘。在某些其它实施例中，规定所述袋开放端的尺寸，使得将所述袋在特别设计的窝眼盘上滑动时，可获得紧密的贴合性。
在本发明的一些实施例中，用于管状部分4并且任选地用于封闭端2的过滤材料是非织造织物或毡。所述非织造织物或毡可通过常规非织造片材形成方法制成，包括制备气流成网非织造材料、湿法成网非织造材料或由粗梳设备制成的非织造材料的方法；这样形成的片材可通过水刺、水绣(hydrolacing)、针刺或其它可产生非织造片的方法并入织物中。美国专利3,508,308和美国专利3,797,074中公开的射流喷网方法；以及美国专利2,910,763和美国专利3,684,284中公开的针刺法是制造非织造织物和毡时非常有用的本领域中所熟知常规方法的例子。
在一些优选的实施例中，所述非织造毡是针刺毡。在一些其它优选的实施例中，所述非织造毡是射流喷网毡。所述毡的基重通常大于9盎司/平方码(305gsm)，并且在优选的实施例中其大于12盎司/平方码(405gsm)。在一些实施例中，本发明的管状部分4并且任选地本发明滤袋的封闭端2是单层过滤材料。在某些其它实施例中，所述管状部分由在袋脉冲期间提供稳定性的稀松布或补强布支承的过滤材料制得。在某些优选的实施例中，所述非织造毡包括用与所述毡中短纤维相容的纤维制得的支承性稀松织物。可使用标准梳理和交叉卷绕设备，将短纤维转变成基重为约9盎司/平方码或更高(305克/平方米)的交叉错叠细毡来制得一类此毡。如果需要，然后可在例如标准针刺机上将所述细毡粗缝或微微加固。然后可将这些细毡中的两片或更多片放置在基重为约1至4盎司/平方码(34至135克/平方米)，优选地约2盎司/平方码(70克/平方米)的稀松织物的任一面上，并且将三层在两面上针刺若干次，以制得过滤毡。在某些优选的实施例中，稀松织物包含聚苯硫醚纤维、间位芳族聚酰胺纤维，或它们的混合物。
在图1所示的一个优选的实施例中，所述过滤材料重叠形成具有接缝6的过滤材料圆柱体，然后用高温丝扣缝合，诸如具有3至6股间位芳族聚酰胺纤维、含氟聚合物纤维、玻璃纤维或它们组合或共混物的丝线。在其它实施例中，所述重叠接缝可通过超声、粘合剂、热或所有这些接缝方法的某些组合来密封。
测试方法
孔尺寸分布
过滤材料的孔尺寸分布根据ASTM F316-03“Standard Test Methods forPore Size Characteristics of Membrane Filters by Bubble Point and Mean FlowPore Test.”来测量。尽管这一标准指明用于膜过滤器，但该技术已被非织造工业使用了许多年。所使用的设备是PMI制造的毛细管流动孔尺寸分析仪，型号CFP-2100AE。所述滤器样品直径为1.91cm并且所使用的润湿用流体是来自PMI的Galwick。使用干起/湿起(dry up/wet up)运行模式来获得干流曲线和湿流曲线。通过该仪器所报告的曲线来计算泡点、平均流孔(MFP)径和孔尺寸分布。以通过指明尺寸范围内的孔的流百分比来报告孔尺寸分布，并将结果以柱形图加以总结。对于各个样品进行三组(3)测试并且对结果进行平均并加以报告。
过滤性能测试-VDI测试
对于干净且未经使用的过滤介质，根据2004年10月出版的VDI3926第1部分“Standard Test for the Evaluation of Cleanable Filter Media”测试过滤性能。简而言之，将直径15cm的织物样品置于样品夹持器中并且进行指明的过滤、清理和老化循环。在所述老化循环中，针对该性能测试期的最后五个(5)循环测量并报告了诸如漏尘率、平均压降和脉冲循环时间这样的关键性能参数。
为在特定时期的现场使用后测定从袋式过滤器中收取的使用后过滤介质的性能，使用与VDI3926测试方法中相同的装置开发了“特别VDI测试”。从使用后滤袋上切下直径15cm的织物样品并且置于样品夹持器中。随后在实验室测试装置上对“现场老化(field-aged)”织物样品进行30轮正常过滤循环。针对最后五个(5)循环测量并报告了诸如漏尘率、压降和脉冲循环时间这样的关键性能参数。这一测试通过在实验室中模拟现场使用条件而为所述织物在现场将如何表现提供了有用的数据。
实例
实例1：间位芳族聚酰胺纤维的射流喷网过滤结构
间位芳族聚酰胺的射流喷网织物通过在常规的开棉进料系统中加工250kg的间位芳族聚酰胺纤维(DuPont450型)并且气力输送至底部和顶部棉梳。在进入水刺设备前将所述棉梳网编成所需重量。所述水刺设备配备有7组水射流喷头，其各自具有最高达200巴的压力范围。所述水刺法在约5m/分钟的速度下进行并且制成的纤维具有381克/平方米的基重。
实例2：共混的间位和对位芳族聚酰胺纤维的射流喷网过滤结构
根据实例1中描述的工序制备射流喷网过滤结构，例外在于所述纤维为75重量％的间位芳族聚酰胺和25重量％的对位芳族聚酰胺纤维的共混物。所制成的织物具有333克/平方米的基重。
比较例3-4：
比较例3是由间位芳族聚酰胺纤维制成的针刺毡。其具有460g/m2的基重。比较例4是由75重量％的间位芳族聚酰胺和25重量％的对位芳族聚酰胺纤维的共混物制成的针刺毡。所述织物基重为450g/m2。
根据先行描述的工序测量实例2和比较例3-4的孔尺寸分布。结果示于表1中。实例2的射流喷网结构给出了更为均匀的孔尺寸分布，其65％的群体为10微米至26微米，并且无小于2微米或大于46微米的群体。而对于比较例3和4而言，介于10微米至26微米之间的群体分别为49.7％和49.4％，并且大于50微米的群体分别为1.8％和0.5％。
表1：芳族聚酰胺过滤介质的孔尺寸分布
这四(4)个实例的VDI测试结果在表2中示出。为比较不同基重下的漏尘率的结果，必须为各个样品计算过滤质量效率。通过将漏尘率除以5g/m3的上游尘埃浓度来计算渗透比例。由于过滤的对数性质，通过将负log(渗透比例)除以织物基重来计算过滤质量效率。我们的结果表明，对于不同基重的相同结构而言，过滤质量效率保持恒定。当前结果显示，对于相同的纤维组合物，实例1和2给出了比比较例3和4更高的过滤质量效率。
表2：芳族聚酰胺过滤介质的VDI测试结果
实例1 实例2 比较例3 比较例4
基重，g/m2 381 333 460 505
漏尘率，mg/m3 0.37 0.23 0.45 0.11
渗透比例 0.000074 0.000046 0.000090 0.000022
过滤质量效率 0.0108 0.0130 0.0088 0.0092
压降，Pa 218 283 157 294
脉冲循环时间，s 247 223 272 110
实例5：聚苯硫醚纤维的射流喷网过滤结构
根据实例1中描述的工序制备射流喷网过滤结构，例外在于所述纤维为聚苯硫醚的共混物。所制成的织物具有430克/平方米的基重。
比较例6：
比较例6是由PPS纤维制成并且承载在PPS稀松布上的针刺毡。总基重为550g/m2。
比较例7：
比较例7是承载在比较例6中所述的针刺毡上的PTFE膜。对于孔尺寸分布测量，使用承载在由间位芳族聚酰胺纤维制成的针刺毡上的PTFE膜进行了替换。据预计，这一类型的过滤介质的PSD主要在于膜，因此结果应非常类似。
使用上述工序测量这三(3)组样品的孔尺寸分布并且结果示于表3。实例5的射流喷网样品给出了非常均匀的孔尺寸分布，其具有60.1％的介于10微米至26微米之间孔尺寸范围群体，并且0％大于34微米。比较例6中的针刺样品较不均匀，48.9％的群体介于10微米和26微米之间，并且3.8％的群体大于50微米。比较例7中的PTFE膜具有80.1％的群体小于2微米孔尺寸，但是具有浅而极广的第二孔结构，其可大至50微米。这一现象常见于膜材料，并且其可能由该膜与基质层压加工中的缺陷所导致。根据下文显示，据认为宽广的孔尺寸分布对于过滤性能是有害的。
表3：PPS过滤介质的孔尺寸分布
通过实例5和比较例6和7中所述的过滤介质制成滤袋。将所述袋安装于煤火锅炉电厂的袋式过滤器中并且进行正常的现场运行。在2.5个月和11个月后从现场取回袋以用于所述“特别VDI测试”评估。结果示于表4中。与比较例7中的PTFE膜相比，实例5中的射流喷网织物给出了更低的漏尘率(即，更高的过滤效率)和更低的压降。这是出人意料的结果，因为具有更高的过滤效率的织物通常给出更高的压降。此外，所述射流喷网织物给出了更高的脉冲循环时间，其降低了脉冲循环的次数和能耗以及对该滤袋的物理损坏。比较例6中的针刺样品给出了远为更高的漏尘率，尽管压降更低。
所述射流喷网织物的出色过滤性能可归因于均匀的孔尺寸分布，其导致了均匀的尘饼形成和气流。即使尘饼已经在较小的孔中形成，具有大孔的结构将持续遭受尘埃泄漏。本发明已经证明，该泄漏对于实现高过滤效率和低压降非常有害。
表4：经现场使用后PPS过滤介质的特别VDI测试结果

Claims (5)

1.对热气体过滤具有改善的过滤性能的织物，包含非织造纤维垫，所述垫具有至少9.0盎司/平方码或305.20克/平方米的基重，其中所述垫的特征在于孔尺寸分布，其中以通过ASTM F316-03测试方法测量的给定范围内的孔数量对孔尺寸进行作图，并且具有介于10和26微米之间尺寸的孔的百分比大于50％而具有大于50微米尺寸的孔的百分比小于0.5％。
2.根据权利要求1所述的织物，其中所述具有介于10和26微米之间尺寸的孔的百分比大于50％而所述具有大于50微米尺寸的孔的百分比小于0.5％。
3.根据权利要求1所述的织物，其中所述垫是由射流喷网短纤维形成的。
4.根据权利要求1所述的织物，其中所述垫包含芳族聚酰胺的纤维或聚芳硫醚的纤维、或两者。
5.具有管状部分、一个封闭端和一个开放端的袋式过滤器，所述管状部分具有非织造垫，其中所述垫的特征在于孔尺寸分布，其中以通过ASTM F316-03测试方法测量的给定范围内的孔数量对孔尺寸进行作图，并且具有介于10和26微米之间尺寸的孔的百分比大于50％而具有大于50微米尺寸的孔的百分比小于0.5％。
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