CN111356513A - 小直径的管状多孔纤维过滤器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了小直径的管状多孔纤维过滤器。这些管状多孔纤维过滤器具有许多用途，包括但不限于用于从液体或空气中去除5微米或更小的颗粒的过滤介质。

Description

小直径的管状多孔纤维过滤器
技术领域
本公开提供了具有相对小的直径的管状多孔纤维过滤器，其坚固并且具有改进的过滤性质。
背景技术
管状纤维过滤器可广泛用于过滤。示例包括包裹在中心芯周围的无纺纤维片或用于滤水器滤芯的熔纺纤维过滤器。然而，这些过滤器具有通常大于一英寸的直径，和/或对于从0.1微米至约10微米的颗粒尺寸的微过滤具有不足的过滤效率和流速性能。需要具有相对小直径的改进的管状多孔纤维过滤器，其提供强度和改进的过滤性质。
发明内容
本公开解决了这种未满足的需求，并且提供了具有相对小直径的管状多孔纤维过滤器，其提供了强度和改进的过滤性能。这些管状多孔纤维过滤器在从液体或空气过滤小的微米尺寸的颗粒方面是自支撑、坚固和高效的。这些过滤器可以由双组分纤维、单组分纤维或双组分纤维和单组分纤维的组合制成。
附图说明
图1.管状多孔纤维过滤器在纵向截面中的示意表示。
图2.管状多孔纤维过滤器在交叉流过滤中的使用的示意表示。
图3.管状多孔纤维过滤器在真空过滤中的使用的示意表示。
图3A.图3的管状多孔纤维过滤器的横截面图。
图4.具有沿着过滤器的长度的纤维定向的管状多孔纤维过滤器的侧面透视图。
图5A.管状多孔纤维过滤器的侧面透视图，该管状多孔纤维过滤器沿着内部表面(内径)具有较大的孔尺寸，并且在外部表面(外径)上具有较小的孔尺寸。
图5B.管状多孔纤维过滤器的侧面透视图，该管状多孔纤维过滤器沿着内部表面(内径)具有较小的孔尺寸，并且在外部表面(外径)上具有较大的孔尺寸。
图6.管状多孔纤维过滤器的侧面透视图，其示出了进入管的一侧并且从管的内径的端部中的一个端部离开的流。
图7.管状多孔纤维过滤器的侧面透视图，其示出了在管的端部中的一个端部处进入管的内径并且从管的多个侧面离开的流。
具体实施方式
本公开提供了小直径的管状多孔纤维过滤器。在本申请中，“小直径”意指管状过滤器具有小于约1英寸(25.4mm)的外径(OD)。在一个特定示例中，OD可以略大于1/2英寸(例如，约12.7mm至约13.5mm)。在一个特定示例中，OD可以等于或小于约1/2英寸(12.7mm)。在另一示例中，OD可以等于或小于1/4英寸(6.35mm)。在另一示例中，OD可以等于或小于1/8英寸(3.2mm)。在又一示例中，管状多孔纤维过滤器具有在约2mm至小于约25mm之间的OD。
管状多孔纤维的内径(ID)可以是小于OD的任何合适的值。例如，在不同的实施例中，管状多孔纤维过滤器的内径(ID)可以等于或大于约0.5mm(但小于OD)。在一个特定示例中，ID可以大于0.5mm。在另一示例中，ID可以等于或大于1mm。在又一示例中，ID可以等于或大于2mm。在又一示例中，ID可以等于或大于5mm。在又一示例中，ID可以等于或大于10mm。在又一示例中，ID可以等于或大于15mm。
内径相对于外径同心地定位。管的内径空间的外边缘与外径之间的距离在任何点处都相同。这导致整个管状过滤器的基本一致的壁厚度。管状多孔纤维过滤器的壁厚度可以在约mm至约15mm的范围内。在一个特定示例中，壁厚度可以等于或大于1mm。在另一示例中，壁厚度可以等于或大于2mm。在又一示例中，壁厚度可以等于或大于3mm。在又一示例中，壁厚度可以等于或大于5mm。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以与无缝结构同质。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以是自支撑的。
使用ASTM D638方法，本公开的管状多孔纤维过滤器沿着过滤器的长轴可以具有大于约50000PSI的拉伸强度。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以是坚固的，具有至少约每平方英寸50磅(PSI)的爆裂(burst)强度。在一个特定示例中，爆裂强度可以是至少100PSI。在另一示例中，爆裂强度可以是至少200PSI。在又一示例中，爆裂强度可以是至少500PSI。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以具有允许其在大于约20PSI的压力下被反冲洗的强度。在另一示例中，管状多孔纤维过滤器可以具有允许其在大于30PSI的压力下被反冲洗的强度。在又一示例中，管状多孔纤维过滤器可以具有允许其在大于50PSI的压力下被反冲洗的强度。
在各种实施例中，本公开的管状多孔纤维过滤器不包含结合剂。附加地，过滤器中的纤维可以在间隔开的位置处被热融合在一起。
在不同的实施例中，本公开的管状多孔纤维过滤器中的纤维具有小于约20微米的平均直径。在一个特定示例中，纤维具有小于约15微米的平均直径。在另一示例中，纤维具有小于约10微米的平均直径。在又一示例中，纤维具有小于约8微米的平均直径。在更进一步的示例中，纤维具有小于约5微米的平均直径。然而，平均纤维直径通常大于0.1微米、大于0.2微米或大于0.5微米。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以包括具有不同直径的纤维，并且不同直径的纤维可以具有不同的比率。例如，过滤器可以包含多于一种的纤维。一种纤维可以具有10微米的直径，而另一种纤维可以具有5微米的直径。另外，这两种纤维可以以各种比率(重量％)存在。各种比率的非限制性示例包括但不限于80％对20％、70％对30％、60％对40％、或50％对50％。
图4图示了管状多孔纤维过滤器10的一个示例，该管状多孔纤维过滤器10具有沿着过滤器10的长度12的纤维定向。在该示例中，纤维通常沿着该长度对齐并且在长度方向上延伸。例如，纤维可以大体上沿着过滤器的长轴平行地定向。如本文另外所述，纤维可以是双组分纤维。
本公开的管状多孔纤维过滤器20可以具有梯度结构。图5A和图5B图示了一个示例。在由图5A示出的示例中，过滤器20在外部表面14处可以具有比在内部表面16处小的孔尺寸。这通过在外部表面处的更密或直径更小的纤维示意性地示出。例如，沿着外部表面14的孔尺寸可以是约1微米至约50微米。沿着内部表面16的孔尺寸可以大约10％或20％或50％或100％。在由图5B示出的示例中，过滤器在内部表面16处可以具有比在外部表面14处小的孔尺寸。这通过在内部表面处的更密或直径更小的纤维示意性地示出。例如，沿着内部表面16的孔尺寸可以是约1微米至约50微米。沿着外部表面14的孔尺寸可以大约10％或20％或50％或100％。在液体过滤应用中，当表面过滤性质是优选时，液体流将在从较小孔尺寸表面到较大孔尺寸表面的方向上。这由图6图示。
在一个备选实施例中，所有纤维可以在整个结构上具有相同或相似的纤维密度或直径。这由图4示意性地图示。这可以被称为均匀的纤维分布。
在图6中，流30从过滤器的外侧移动到过滤器的内侧。流30经由内部表面16离开过滤器的端部中的一个端部。这可以被称为外侧-内侧过滤或“压差”过滤。这可以通过从外侧增加正压力或从内侧抽真空来实现。当深过滤性质是优选时，液体流将在从较大的孔尺寸表面到较小的孔尺寸表面的方向上。这由图7图示。在图7中，流30从过滤器的内侧移动到过滤器的外侧。流30在过滤器的端部32中的一个端部处进入并且经由外部表面14离开。这可以被称为内侧-外侧过滤或“交叉流”过滤。该公开的设计将为管状过滤器提供改进的过滤效率和寿命。较小的表面和较大的表面之间的孔尺寸差异可能是10％、20％、50％或100％。例如，内部表面和外部表面的孔尺寸可以独立地从1微米变化至50微米，或独立地从2微米变化至20微米。
本公开的管状多孔纤维过滤器中的纤维可以是双组分纤维、单组分纤维或双组分纤维和单组分纤维的组合。
在一个实施例中，用于制作本公开的管状多孔纤维过滤器的纤维可以是双组分纤维。这些双组分纤维包括但不限于：聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)、聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PE/PET)、聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PP/PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯聚丙烯/(PET/PP)、共聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(co-PET/PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙(PET/尼龙)、尼龙/聚对苯二甲酸乙二醇酯(尼龙/PET)、乙烯-乙烯醇/聚对苯二甲酸乙二醇酯(EVOH/PET)、尼龙/尼龙、EVOH/尼龙和PET/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PET/PBT)。双组分纤维可以具有不同的横截面结构，诸如芯/鞘、并排、倾斜、海岛状和橘瓣型(segmented pie)。双组分纤维也可以具有不同的形状，诸如圆形、三叶形和十字形结构。
在一个实施例中，双组分纤维可以具有芯/鞘结构。在一个特定示例中，鞘可以具有比芯高的熔点。在一个备选示例中，芯可以具有比鞘高的熔点。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以具有其中过滤器中的纤维主要沿着管状过滤器的长轴定向的结构。
在各种实施例中，本公开的管状多孔纤维过滤器具有其中过滤器中的空隙空间小于约70％的结构。在其他的一些示例中，基于以下计算，空隙空间可以小于约60％、小于约50％、小于约40％或小于约30％。空隙体积或孔隙率(％)＝[(1-(主体密度))/(材料或纤维密度)]x 100。
其中：主体密度(g/cc)＝部件的重量(g)/部件的体积(cc)；
纤维密度(g/cc)＝[(聚合物-1的密度)x(聚合物-1的Wt.％)+(聚合物-2的密度)x(聚合物-2的Wt.％)]/100。
在不同的实施例中，管状多孔纤维过滤器中的空隙空间可以小于约60％。在其他的一些示例中，基于汞侵入测试(ASTM D4404)，空隙空间可以小于约50％、小于约40％或小于约30％。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以以大于95％的效率滤除5微米尺寸的颗粒。在一个特定示例中，过滤水平可以大于98％。在更进一步的示例中，过滤水平可以大于99％。
在其他的一些示例中，本公开的管状多孔纤维过滤器可以以上述效率等级滤除约3微米尺寸的颗粒。在进一步的示例中，本公开的管状多孔纤维过滤器可以以上述效率等级滤除2微米尺寸的颗粒。在更进一步的示例中，本公开的管状多孔纤维过滤器可以以上述效率等级滤除1微米尺寸的颗粒。在更进一步的示例中，本公开的管状多孔纤维过滤器可以以上述效率等级滤除0.5微米尺寸的颗粒。
本公开的管状多孔纤维过滤器对于水可以具有如下的流量：在30psi的压力，至少500加仑每平方英尺每天(GFD)；在30PSI的压力，至少1000GFD；或在30PSI压力，至少2000GFD。本公开的管状多孔纤维过滤器可以用在正压过滤中。过滤选项包括交叉流过滤或基于负压的过滤，诸如基于真空的过滤。
在一个实施例中，本公开的管状多孔纤维过滤器可以用在其中液体从管的内侧流到管的外侧的过滤应用中。在另一实施例中，本公开的管状多孔纤维过滤器可以用在其中液体从管的外侧流到管的内侧的过滤应用中。
所公开的管状多孔纤维过滤器可以通过聚合物挤出来产生。将纯净的聚合物通过模具被挤出，在模具中以已知的间距和直径存在已知数目的孔。处于固定温度和固定速度的热空气引起挤出的聚合物纤维的延伸。工艺空气温度的示例在200℃至320℃之间变化，并且空气速度在100cfm和500cfm之间。纤维被收集在以固定且已知速度移动的带上。挤出的聚合物纤维通过固定尺寸的模具而成型，无需使用润滑剂或其他工艺助剂。多孔纤维过滤器被切成所需的长度。例如，过滤器的长度可以是2英寸至50英寸、3英寸至45英寸或4英寸至40英寸。当然，应当理解，其他长度可以被使用并且被认为在本公开的范围内。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以被进一步涂覆有聚合物膜。在US 7833615和US8349400中描述了涂层膜和将聚合物膜涂覆到本公开的管状多孔纤维过滤器上的过程。聚合物膜涂层可以在管状纤维过滤器的内部表面处、外部表面处或者在内部表面和外部表面两者处。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以用在生物过程中。非限制性示例包括以下项中的下游过程：生物制药生产；食品加工，诸如牛奶、葡萄酒或果汁加工；水过滤，诸如废水处理、石油生产和游泳池过滤。
本公开的管状多孔纤维过滤器可以用作用于当前的基于膜的超滤、纳滤和反渗透(RO)设备的预过滤器，以减少膜的积垢。
以下示例将用于进一步说明本公开，然而同时不构成其任何限制。相反，应当清楚地理解，在不脱离本公开的精神的情况下，可以采用各种实施例、其修改和等同形式，在阅读本文的描述之后，各种实施例、其修改和等同形式可以对本领域技术人员进行暗示。
示例1
多孔管状纤维过滤器
多孔管状纤维过滤器由双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/聚丙烯(PP)纤维制成。PET是每个纤维的鞘，而PP处于芯处。在双组分纤维中，PET的重量百分比(wt.％)是30％，并且PP的wt.％是70％。过滤器如上所述的那样被制成。
表1
Figure BDA0002403267270000071
Figure BDA0002403267270000081
孔尺寸(μm)和孔体积(％)是基于ASTM D4404-10的汞侵入法。
表2
附加的多孔管状纤维过滤器由或者可以由双组分聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)/聚丙烯(PP)纤维、以与表1中的那些相同的方式制成。
Figure BDA0002403267270000082
上面引用的所有专利、出版物和摘要均通过引用以其整体并入本文。应当理解，前述内容仅涉及本公开的优选实施例，并且在不脱离如所附权利要求所限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在其中进行多种修改或变更。

Claims (15)

1.一种自支撑的管状多孔纤维过滤器，包括双组分纤维，其中所述双组分纤维沿着所述过滤器的长轴大体上平行地定向。
2.根据权利要求1所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器具有在约2mm至小于约25mm之间的外径。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器对于过滤液体溶液中的5微米尺寸的颗粒具有至少95％的过滤效率。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器对于过滤液体溶液中的3微米尺寸的颗粒具有至少95％的过滤效率。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器对于过滤液体溶液中的2微米尺寸的颗粒具有至少95％的过滤效率。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器对于过滤液体溶液中的1微米尺寸的颗粒具有至少95％的过滤效率。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器对于过滤液体溶液中的0.5微米尺寸的颗粒具有至少95％的过滤效率。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述双组分纤维选自由以下构成的组：聚乙烯/聚丙烯(PE/PP)、聚乙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PE/PET)、聚丙烯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(PP/PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯聚丙烯/(PET/PP)、共聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯(co-PET/PET)、聚对苯二甲酸乙二醇酯/尼龙(PET/尼龙)、尼龙/聚对苯二甲酸乙二醇酯(尼龙/PET)、乙烯-乙烯醇/聚对苯二甲酸乙二醇酯(EVOH/PET)、尼龙/尼龙、EVOH/尼龙、和PET/聚对苯二甲酸丁二醇酯(PET/PBT)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器具有内部表面和外部表面，其中所述内部表面包括比所述外部表面的孔尺寸大的孔尺寸。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器具有内部表面和外部表面，其中所述内部表面包括比所述外部表面的孔尺寸小的孔尺寸。
11.根据权利要求9或10中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，包括在约10％至约100％之间的孔尺寸差异。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器，其中所述过滤器包括具有大体上均匀的纤维分布的纤维。
13.一种管状多孔纤维过滤器在交叉流过滤设备中或在真空过滤设备中的用途，所述管状多孔纤维过滤器是根据前述权利要求中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器。
14.一种交叉流过滤设备，包括根据权利要求1至12中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器。
15.一种真空过滤设备，包括根据权利要求1至12中的任一项所述的管状多孔纤维过滤器。
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