CN1066977C - 有纤维涂层的滤芯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种滤芯包括内在稳定的多孔载体和较细孔的纤维涂层。根据第一方面，纤维涂层具有长度大于载体孔径的第一纤维，和明显较短的第二纤维。根据第二方面，少于30%的细粒颗粒分布于纤维涂层中。为制备此滤芯，利用空气流以干态涂敷纤维，在此操作之前和/或之后涂覆粘合剂。或者，将纤维分布在液体中涂覆，粘合剂可任选地包含在此液体中。根据另一方面，将由细粒颗粒组成的涂层涂于纤维涂层上。
Description
本发明涉及一种滤芯(filter element)，其有内在稳定的多孔载体，在载体的用于过滤流体的集流表面上有载体的纤维涂层，纤维涂层的孔小于载体的孔，纤维涂层部分地通过纤维/纤维结合和部分地通过纤维/载体结合而结合于载体上。
在已知的此类滤芯(WO 87/01610)中，纤维涂层由长度显著地大于载体的平均孔径的纤维和分布于纤维涂层中并与纤维结合的细粒颗粒组成。然而，在与此发明相关的工作过程中，发现：这种滤芯仅在纤维涂层相当厚的情况下才可产生高的细过滤能力；而这增加了待过滤介质流过滤芯时的压力损失。
基于此问题，本发明的目的是要提供一种上述同样类型的滤芯，其特征在于这种滤芯能很好地兼顾所需的特殊细过滤能力和待过滤介质流过滤芯的压力损失两个参数间的平衡。此外，本发明提供了这种滤芯的制备方法。
以下描述对此目的的几个解决办法。
根据本发明的第一方面，滤芯的特征在于纤维涂层具有长度大于载体平均孔径的第一纤维，和长度明显小于第一纤维长度的第二纤维，以产生纤维涂层的细孔隙度。
这实现了用较短的第二纤维填充或覆盖第一纤维之间的间隙的原则。
第一纤维的长度一般明显大于载体平均孔径，特别是其为载体平均孔径的两倍多。第二纤维的长度一般小于载体平均孔径，特别是小于载体平均孔径的一半。优选纤维涂层的第二纤维含量多于第一纤维(以重量份数测量)，第二纤维与第一纤维的重量比特别优选大于2∶1。第一纤维和第二纤维优选为由相同材料制备的纤维和/或直径近似相同的纤维。通常，少于10％(重)的纤维涂层为第一纤维足以。
根据本发明的第二方面，滤芯的特征在于：分布于纤维涂层中的细粒颗粒，按纤维和细粒颗粒的总重量计，其含量小于30％(重)，优选小于20％(重)，更优选小于10％(重)，最优选0-3％(重)。
这与相关的现有技术(WO 87/01610)相反，其中分布于纤维涂层中的细粒颗粒的比例显著降低，在极端的情况下甚至为零或接近零。这样所需细过滤能力主要由纤维提供，而不是由分布于纤维涂层中的细粒颗粒提供。在本发明的第二方面中，所述的第一纤维和所述的第二纤维不是必须存在的，但也可以存在。
本发明可用由许多种材料制备的滤芯实现。载体可以是塑料或合成树脂材料、陶瓷材料和金属材料。为生产多孔载体，一种有效的方法是可将所述材料的颗粒烧结在一起，或通过其它结合方式例如用粘合剂使之相互连接。纤维的材料，优选陶瓷纤维，特别是来自硅酸铝的纤维。然而，也可使用其它纤维，例如玻璃纤维、天然纤维、合成有机纤维等。纤维/纤维结合和纤维/载体结合有很多可能的方式，如烧结，使用胶粘剂或粘合剂等。
第一纤维优选作为第一纤维涂层涂覆，第二纤维作为第二涂层涂覆其上。在此情况下，第二纤维通常部分地渗入第一纤维涂层的第一纤维之间的间隙中，从而在完成后第一和第二纤维涂层之间不再有明显的界限。另外也可在一个步骤中涂覆混合在一起的第一纤维和第二纤维。
优选涂覆多层纤维涂层使在离开载体的方向上孔隙度的细度增加。上一段提到的有第一纤维涂层和第二纤维涂层的纤维涂层也实现了这种滤芯的设计。然而，现在所讨论的设计的可能性，目的在于将至少一个有较细孔隙度的另一纤维涂层涂于第一纤维涂层(有第一和第二纤维，或者在同一涂层中或者在两个连续涂覆的涂层中)。这优选使用比第一纤维涂层中的纤维短和/或细的纤维，任选地也可使用由不同材料制备的纤维。至少另一纤维涂层一般不再需要有第一纤维和第二纤维；位于下面的第一纤维涂层是用于涂覆至少另一纤维涂层的理想基质。
在本发明的优选实施方案中，在纤维涂层外侧，滤芯具有由细粒颗粒组成的涂层。优选这些颗粒如此小以致该涂层基本上决定滤芯的细过滤能力。细粒颗粒的可选范围广泛；如它们可以是塑料颗粒或无机颗粒。特别优选的选择将在下面具体描述。细粒颗粒可以通过上述用于使形成载体颗粒的结合和纤维涂层的纤维/纤维结合或纤维/载体结合的方式相互结合或结合于纤维涂层上。
应指出，一方面，在纤维涂层上涂覆由细粒颗粒组成的涂层是本发明的第一和/或第二方面的优选改进。另一方面，它也构成一个独立的发明，在不存在第一纤维和第二纤维和/或不降低分布于纤维涂层中细粒颗粒的比例的情况下也可有利地实现。
本发明的另一主题是一种滤芯的制备方法，所述滤芯有内在稳定的多孔载体，在载体的用于过滤流体的集流表面上有载体的纤维涂层，纤维涂层的孔小于载体的孔，纤维涂层部分地通过纤维/纤维结合和部分地通过纤维/载体结合而结合于载体上，其特征在于优选利用空气流将用于形成纤维涂层的纤维在于态涂于载体的集流表面，在涂覆纤维前已预先在集流表面上涂覆粘合剂，和/或在至少部分纤维涂覆之后涂覆粘合剂于集流表面，以产生纤维/纤维结合和纤维/载体结合。
如果在涂覆纤维之前涂覆粘合剂，涂覆的纤维将借助粘合剂粘于载体上。另一方面，由于纤维趋向于相互间粘着，因而即使没有粘合剂，它们也会最终粘附于载体上，随后再涂覆粘合剂也是可能的。
本发明的另一主题是一种滤芯的制备方法，所述滤芯有内在稳定的多孔载体，在载体的用于过滤流体的集流表面上有载体的纤维涂层，纤维涂层的孔小于载体的孔，纤维涂层部分地通过纤维/纤维结合和部分地通过纤维/载体结合而结合于载体上，其特征在于将用于形成纤维涂层的纤维分散或悬浮于液体中，涂于载体的集流表面，在涂覆纤维前已预先在集流表面上涂覆粘合剂，和/或在至少部分纤维涂覆之后涂覆粘合剂于集流表面，和/或将其包含在载液中，以产生纤维/纤维结合和纤维/载体结合。
与以上概括的方法相反，事实上如此以湿态涂覆纤维在很多情况下特别有效。特别适用于涂覆纤维在液体中的分散系或悬浮液的简单方法是将其喷涂、刷涂或辊涂于载体上，或将载体浸入分散系或悬浮液中。
应指出，根据本发明，术语“粘合剂”应在广义上理解。它包括使纤维相互粘合并粘着于载体、其牢固程度足以操作所述滤芯的所有材料，特别是狭义上的粘合剂、能产生所述结合的塑料或合成树脂、有机或无机粘合剂如钠水玻璃。显然应指出本发明的方法也可用其它的纤维/纤维和纤维/载体结合机理，特别是烧结。显然，粘合剂或胶粘剂的用量应使得其不密闭纤维之间功能性的必要的孔或流动通路。
如上所述，优选涂覆多层纤维涂层以使在离开载体的方向上孔隙度增加，一般连续涂覆。每层纤维涂层均可通过所述的本发明的方法之一涂覆。
本发明的再另一个主题是一种滤芯的制备方法，所述滤芯有内在稳定的多孔载体，在载体的用于过滤流体的集流表面上有载体的纤维涂层，纤维涂层的孔小于载体，纤维涂层部分地通过纤维/纤维结合和部分地通过纤维/载体结合而结合于载体上，其特征在于将由细粒颗粒组成的涂层涂于纤维涂层上。
关于这种由细粒颗粒组成的涂层的详情已在前面提供。
在本发明的另一实施方案中，涂覆了由细粒颗粒组成的涂层，涂层的颗粒是通过选用了所要求的滤芯从流体流中滤出。例如，如果要用本发明的滤芯除去碎石厂操作过程中产生的岩石粉尘，制备本发明的滤芯时则可用例如已通过任何过滤器滤出的此岩石粉尘制备细粒颗粒涂层。
在本发明的另一实施方案中，用通过载体离开载体的集流表面的抽吸空气流涂覆纤维和/或细粒颗粒。抽吸空气流将纤维和/或细粒颗粒特异地导引至它们将形成纤维涂层的位置。
使用抽吸空气流提供了以下优选的可能性：可检测通过载体后抽吸空气流中所夹带外来物质颗粒的浓度和/或尺寸，并根据此检测结束涂覆纤维和/或细粒颗粒，特别是当通过载体后所含外来物质颗粒的浓度和/或尺寸降至某一临界值以下时。从而可实际按尺寸制备有分离效率或分离精度的滤芯，例如根据滤芯将要完成的过滤任务。如果检测通过载体后外来物质颗粒的浓度，也可与流入滤芯之前所测的夹带外来物质颗粒的浓度相比较。
一个特别有利的可能性是如果涂覆了由细粒颗粒组成的涂层时，进行所述的所夹带外来物质颗粒的浓度和/或尺寸的检测，而所用的颗粒是从一种流体流中由所选用的滤芯中滤出的。这将以完美的方式导致滤芯有可测量的分离精度(其所要求的分离精度可以可靠地达到，但不是不必要地高)的滤芯，从而避免生产压力损失过高的滤芯。如果用作细粒颗粒涂层的颗粒是用一种选用的滤芯的中从流体流中滤出的，则优选检测所夹带的外来物质颗粒的浓度和/或尺寸(例如检测每立方米过滤的空气中所残留的尺寸在1微米以下的外来物质颗粒少于x毫克)，因为当在涂层正好具有必要的厚度时已停止了涂层的涂覆。
应指出，上一段中所概括的原理在细粒颗粒涂层涂于纤维涂层之外的情况下具有重要性，无论在此细粒颗粒涂层之下载体上是否存在纤维涂层均可实现此原理。
此外，除了检测通过载体后所夹带的外来物质颗粒的浓度和/或尺寸外，还可检测抽吸空气流在形成涂层过程中通过滤芯时的压力损失。此压力损失是对涂覆工艺进展程度、或是否已产生有足以用于所讨论情况的过滤效率的纤维涂层的间接测量。
在涂覆纤维之前，可向载体的集流表面涂覆优选由炭黑颗粒组成的抗静电的涂层。特别地，抗静电颗粒可作为分散流或悬浮液涂覆。抗静电颗粒的结合与前面所述的纤维的结合相同。
应指出所述的本发明方法一方面可主要地用于制备如上所述的本发明滤芯，但也可用于在滤芯载体上制备其它的纤维涂层。
本发明的滤芯主要用于气体和空气的细过滤，特别是在专业化生产车间中生产机器时和工艺过程中用于空气除尘，但它们也可用于过滤液体。如果选择合适的材料，也可过滤热气如燃烧废气和热的液体。
本发明滤芯载体的平均孔径通常为10-100微米，纤维直径通常为0.5-8微米。应指出，本发明纤维涂层的形成使得有可能利用相对较大平均孔径的载体，因为载体的开孔能可靠地桥接在集流表面上，而同时可形成非常细孔径的涂层，如开头所概述的。从而可使用流动阻力非常低的载体本发明的滤芯易于制备。按照要求该滤芯几乎完全滤出超过5微米，优选超过2微米，最优选超过0.5微米的外来物质颗粒。
应指出，上述本发明的第一方面和上述本发明的第二方面可相互组合。另外应指出权利要求11的方法可以但不必须与权利要求8或9的方法组合。
以下参考附图中用示意图示出的具体实例更详细地解释本发明，其中：
图1以剖面图示出滤芯剖面的详情，切面与滤芯的集流表面相交成直角；
图2示出图1的部分滤芯按箭头Ⅱ的方向看的平面图，表示已涂覆第一纤维但在涂覆第二纤维和颗粒涂层之前的状态。
如图所示，滤芯2包括载体4，在载体的用于过滤流体的集流表面上有纤维涂层6，在图1中右侧。载体4由聚乙烯颗粒8组成，颗粒8被烧结在一起，形成平均孔径为例如30微米的多孔载体4。也可用现有技术中已知的方法，通过混合超高分子的聚乙烯颗粒和中等分子的聚乙烯颗粒制备载体4。在烧结方法中，较低分子的聚乙烯颗粒开始熔化至较高程度，为高分子聚乙烯颗粒8形成连接骨架，其也通过烧结方法相互连接。
纤维涂层6的第一纤维10的长度明显大于载体4的平均孔径。有此长度的第一纤维10在载体4的集流侧桥接载体4的开孔。此外，如图所示，存在长度明显较短的第二纤维12，其填充第一纤维10之间的自由空间，形成纤维涂层，其厚度取决于滤芯2所要求的过滤功能。纤维10、12借助粘合剂相互结合并结合于集流侧的外面的聚乙烯颗粒8上，粘合剂在图中无法表示因为在完成的滤芯状态下其体积很小。在许多实例中仅提及一个，即可使用商购的粘合剂MOWILITH(注册商标Hoechst AG)，为一种乙酸乙烯酯、乙烯和氯乙烯的共聚物的水分散液。要涂于载体4上的悬浮液可有以下组成：
20％(重)纤维或颗粒
6％(重)MOWILITH
74％(重)水
在纤维涂层6中，分布有少量的细粒颗粒14。
由细粒颗粒16例如岩石粉尘组成的涂层涂于纤维涂层6的外侧。颗粒16同样用粘合剂相互结合并与纤维涂层6结合。
如果纤维10、12和/或颗粒16以分散或悬浮于液体中涂覆，则优选用分散粘合剂，其也加入此液体中。
图2示出涂覆第一纤维10之后但在涂覆第二纤维12之前滤芯2的纤维涂层状态。当随后涂覆第二纤维12时，它们填充图2中可见的第一纤维10之间的空间，而形成图1中所示的纤维涂层6。
如果存在由细粒颗粒16组成的涂层，由第一纤维10和第二纤维12组成纤维涂层6不是必须的。
Claims (14)
1．一种滤芯(2)，包括内在稳定的多孔载体(4)，在载体的用于过滤流体的集流表面上有载体(4)的纤维涂层(6)，纤维涂层(6)的孔小于载体(4)的孔，纤维涂层(6)部分地通过纤维/纤维结合和部分地通过纤维/载体结合结合于载体(4)上，其特征在于，纤维涂层(6)具有第一纤维(10)和第二纤维(12)，其中第一纤维(10)的长度大于载体(4)平均孔径的二倍，第二纤维(12)的小于载体(4)平均孔径的一半，以产生纤维涂层(6)的细孔隙度。
2．如权利要求1的滤芯，其特征在于，第一纤维(10)作为第一纤维涂层涂覆，第二纤维(12)作为第二纤维涂层涂于其上。
3．如权利要求1或2的滤芯，其特征在于涂覆多层纤维涂层，其孔隙度的细度在离开载体(4)的方向增加。
4．如权利要求1或2的滤芯，其特征在于由粘合剂实现纤维/纤维结合和纤维/载体结合。
5．如权利要求1或2的滤芯，其特征在于由细粒颗粒(16)组成的涂层涂于纤维涂层(6)的外侧。
6．如权利要求1或2的滤芯，其特征在于载体(4)由烧结的塑料颗粒(8)形成。
7．一种滤芯(2)的制备方法，所述滤芯(2)有内在稳定的多孔载体(4)，在载体的用于过滤流体的集流表面上有载体(4)的纤维涂层(6)，纤维涂层(6)的孔小于载体(4)的孔，纤维涂层(6)部分地通过纤维/纤维结合和部分地通过纤维/载体结合结合于载体(4)上，其特征在于优选利用空气流将用于形成纤维涂层(6)的纤维(10，12)在干态涂于载体(4)的集流表面，其中粘合剂已预先涂覆于集流表面上。
8．如权利要求7的方法，其特征在于涂覆由第一纤维(10)组成的第一纤维涂层，并在其上涂覆由第二纤维(12)组成的第二纤维涂层，所述第二纤维(12)的长度显然小于所述第一纤维(10)的长度。
9．如权利要求7或8的方法，其特征在于涂覆多层纤维涂层，其孔隙度的细度在离开载体(4)的方向增加。
10．如权利要求7或8的方法，其特征在于将一层由细粒颗粒(16)组成的涂层涂于纤维涂层(6)上。
11．如权利要求10的方法，其特征在于涂覆了所述的由细粒颗粒(16)组成的涂层，所用的颗粒是用所选用的滤芯(2)从流体流中滤出的。
12．如权利要求7或8的方法，其特征在于当涂覆纤维(10，12)和/或细粒颗粒(16)时，产生通过载体(4)离开载体(4)的集流表面的抽吸空气流。
13．如权利要求12的方法，其特征在于在抽吸空气流中检测通过载体(4)之后的所夹带颗粒的浓度和/或尺寸，并根据此检测结果停止涂覆纤维(10，12)和/或细粒颗粒(16)。
14．如权利要求7或8的方法，其特征在于在涂覆纤维(10，12)之前，向载体(4)的集流表面涂覆优选由炭黑颗粒组成的抗静电涂层。
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