CN116832529A - 包括波形过滤层的过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括波形过滤层的过滤介质。过滤层可通过支撑层保持波形配置。在一些情况下，过滤层可具有特性(例如，平均流量孔径、基重等)的组合，这可以导致增强的过滤性能(例如，透气率下降减少)，特别是在高湿度环境中。过滤介质可用以形成用于多种应用的多种过滤元件。

Description

包括波形过滤层的过滤介质
本申请是名为“包括波形过滤层的过滤介质”、申请号为201680053585.0的中国专利申请的分案申请，专利申请201680053585.0是根据专利合作条约于2016年9月16日提交的国际申请(PCT/US2016/052070)进入中国国家阶段的国家申请。
技术领域
本发明涉及过滤，并且更具体地涉及一种包括波形过滤层的过滤介质。
背景技术
过滤介质可以用于在多种应用中除去污物。通常，过滤介质包括一个或更多个纤维网。纤维网提供允许流体(例如，空气)流过网的多孔结构。包含在流体中的污染物颗粒可被捕获在纤维网上。纤维网特性(例如，孔径、纤维尺寸、纤维组成、基重(basis weight)等)影响介质的过滤性能。虽然不同类型的过滤介质是可用的，但是需要改进。
发明内容
在一个方面中，提供了一种过滤介质。过滤介质包括纤维过滤层和支撑层，所述支撑层保持纤维过滤层为波形配置并且维持纤维过滤层的毗邻波的波峰和波谷分离。纤维过滤层的平均流量孔径为至少约11.5微米。过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率为至少约25％。
在另一个方面中，提供了一种过滤介质。过滤介质包括纤维过滤层和支撑层，所述支撑层保持纤维过滤层为波形配置并且维持纤维过滤层的毗邻波的波峰和波谷分离。波形配置的纤维过滤层是由具有平面配置和转变盐负载量(transition salt load)为至少约2.0gsm的纤维层形成的。过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率为至少约25％。
当结合附图考虑时，由本发明的多个非限制性实施方案的以下详细描述，本发明的其他方面和新特性将变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括矛盾和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。如果通过引用并入的两篇或更多篇文献包括相互矛盾和/或不一致的公开内容，则应以具有较晚生效日期的文献为准。
附图说明
图1A为过滤介质的一个实施方案的侧视图；
图1B为过滤介质的另一个实施方案的侧视图；
图1C为图1A的过滤介质的一个层的侧视图；
图2A为示出了多个纤维过滤层的阻力压力(resistance pressure)相对于盐负载量的图；
图2B为示出了多个纤维过滤层的转变盐负载量相对于平均流量孔径的图；
图2C为示出了多个纤维过滤层的滤饼压力斜率相对于平均流量孔径的图；
图3A为多个纤维过滤层的比穿透率自然对数(即，穿透率的自然对数除以基重)相对于平均流量孔径的图；
图3B为示出了多个纤维过滤层的基重相对于平均流量孔径的图；
图4为示出了在潮湿环境中多个过滤介质的表示为最大值的百分比的最大透气率减去最小透气率值的差的百分比相对于平均流量孔径的图。
具体实施方式
在本文中描述了一种包括波形过滤层的过滤介质。过滤层可通过支撑层保持波形配置。如下面进一步描述的，过滤层可具有特性(例如，平均流量孔径、基重等)的组合，这可以导致增强的过滤性能(例如，效率)，特别是在高湿度环境中。过滤介质可用以形成用于多种应用的多种过滤元件。
介质
一般地，提供了具有至少一个过滤(例如，纤维的)层的多种过滤介质，所述过滤层通过一个或更多个另外的支撑层(例如，纤维的)保持波形或曲线配置。由于波形配置，过滤介质具有增加的表面积，这可以导致改善的过滤特性。过滤介质可以包括多个层，并且层中的仅一些或全部可以是波形的。
图1A示出了过滤介质10的一个示例性实施方案，该过滤介质10具有至少一个过滤层和至少一个支撑层，该支撑层保持过滤层为波形配置以维持过滤层的毗邻波的波峰和波谷分离。在所示的实施方案中，过滤介质10包括纤维过滤层(例如，细纤维过滤层)12、设置在纤维过滤层12的相反侧上的第一下游支撑层14和第二上游支撑层16。支撑层14、16可以帮助维持纤维过滤层12和任选的任何另外的过滤层为波形配置。尽管示出了两个支撑层14、16，但是过滤介质10不必包括两个支撑层。在仅提供一个支撑层的情况下，支撑层可以设置在过滤层的上游或下游。
过滤介质10还可以任选包括位于过滤介质10的最上游和/或最下游侧上的一个或更多个外层或覆盖层。图1A示出了设置在过滤介质10的上游侧上的顶层18以例如起到上游容尘层的作用。顶层18还可以起到美观层的作用，这将在下面更详细地讨论。在所示的实施方案中层被布置成使得顶层18被设置在标记为I的空气进入侧上，第二支撑层16刚好在顶层18的下游，纤维过滤层12刚好设置在第二支撑层16的下游，并且第一支撑层14被设置在标记为O的空气流出侧上的第一层12的下游。空气流动的方向，即从空气进入I到空气流出O，由参考标记A标记的箭头表示。
外层或覆盖层可以替代地或另外地为设置在过滤介质10的下游侧上的底层以起到强化组件的作用，其向过滤介质10提供结构完整性以帮助维持波形配置。外层或覆盖层还可以起到提供耐磨性的作用。图1B示出了与图1B的过滤介质10相似的过滤介质10B的另一个实施方案。在该实施方案中，过滤介质10B不包括顶层，而是具有纤维过滤层12B、刚好设置在纤维过滤层12B下游的第一支撑层14B、刚好设置在空气进入侧I上的在纤维过滤层12B上游的第二支撑层16B以及刚好设置在空气离开侧O上的在第一支撑层14B下游的底层18B。此外，如图1A和图1B的示例性实施方案所示，外层或覆盖层可以具有与纤维过滤层和/或任何支撑层的形貌不同的形貌。例如，在打褶或非打褶配置中，外层或覆盖层可以是非波形的(例如，基本上平面的)，然而纤维过滤层和/或任何支撑层可以具有波形配置。本领域技术人员将理解多种其他配置是可能的，并且过滤介质可以包括任意数量的多种布置的层。
纤维过滤层
如上所示，在一个示例性实施方案中，过滤介质10包括至少一个纤维过滤层12，其可任选地是疏水的或亲水的。在一个示例性实施方案中，使用由细纤维形成的单个过滤层12，然而过滤介质10可以包括设置在下游支撑层和上游支撑层之间的任意数量的另外的过滤层，毗邻纤维过滤层12，或设置在过滤介质内的其他地方。尽管未示出，但是另外的过滤层可以与纤维过滤层12一样维持波形配置。在某些示例性实施方案中，过滤介质10可以包括设置在纤维过滤层12上游的一个或更多个另外的过滤层。另外的过滤层可以由细纤维形成，或可以由平均纤维直径大于形成纤维过滤层12的纤维的平均纤维直径的纤维形成。
纤维过滤层可被设计成具有特定的平均流量孔径。有利地，在一些实施方案中，与具有较小平均流量孔径的纤维过滤层相比，平均流量孔径为11.5微米或更大的纤维过滤层可具有增加的NaCl负载量、改善的高湿度性能和/或在NaCl负载后较小的透气率降低。在一些实施方案中，纤维过滤层的平均流量孔径为至少约11.5微米，至少约13微米，至少约15微米，至少约16微米，至少约20微米，至少约25微米，至少约30微米，至少约35微米或至少约40微米。在某些实施方案中，纤维过滤层的平均流量孔径小于或等于约45微米，小于或等于约40微米，小于或等于约35微米，小于或等于约30微米，小于或等于约25微米，小于或等于约20微米，小于或等于约16微米，小于或等于约15微米或者小于或等于约13微米。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约11.5微米至约45微米，约11.5微米至约25微米，约11.5微米至约16微米)。在一些实施方案中，其他范围也是可能的，包括小于11.5微米。
如本文所用的，平均流量孔径是指根据ASTM F316-03标准通过毛细管流动孔隙度仪(例如，由Porous Materials,Inc.制造的Model CFP-34RTF 8A-X-6)使用1,1,2,3,3,3-六氟丙烯低表面张力流体测量的平均流量孔径。纤维过滤层的平均流量孔径可通过选择层的平均纤维直径、基重和/或厚度来设计，如本领域普通技术人员已知的。在一些情况下，平均流量孔径可以通过调整在纤维过滤层制造(例如，使用熔喷技术)期间的加工参数(例如，气流量和/或温度)来设计。在一些实施方案中，过滤层的组合的平均流量孔径可在上述参考范围中的一个或更多个中。此外，在介质中存在多于一个过滤层的实施方案中，每个过滤层的平均流量孔径可为上述参考范围中的一个或更多个。
纤维过滤层的基重可以通过调整加工参数来设计，例如过滤层中包含的纤维数量。在一些实施方案中，纤维过滤层的基重可大于或等于约10g/m2(例如，大于或等于约12g/m2，大于或等于约14g/m2，大于或等于约15g/m2，大于或等于约16g/m2，大于或等于约18g/m2，大于或等于约20g/m2，大于或等于约25g/m2，大于或等于约30g/m2，或者大于或等于约35g/m2)。在一些情况下，纤维过滤层的基重可小于或等于约40g/m2(例如，小于或等于约40g/m2，小于或等于约35g/m2，小于或等于约30g/m2，小于或等于约25g/m2，小于或等于约20g/m2，小于或等于约18g/m2，小于或等于约16g/m2，小于或等于约15g/m2，小于或等于约14g/m2，或者小于或等于约12g/m2)。上述参考范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约10g/m2且小于或等于约40g/m2，或者大于或等于约14g/m2且小于或等于约20g/m2的基重)。其他范围也是可能的。在一些实施方案中，过滤层的组合的组合基重可在上述参考范围中的一个或更多个中。如本文所确定的，过滤层的基重根据Edana WSP 130.1标准测量。此外，在介质中存在多于一个过滤层的实施方案中，每个过滤层的基重可为上述参考范围中的一个或更多个。
可以调整基重和/或平均流量孔径，使得纤维过滤层具有期望的最小DEHS(二乙基-己基-癸二酸酯)颗粒过滤效率。在一些情况下，纤维过滤层的基重和/或纤维过滤层的平均流量孔径可以增加或减小，使得纤维过滤层具有特定的最小DEHS颗粒过滤效率(例如，至少约25％的最小DEHS颗粒过滤效率)。例如，在一些实施方案中，对于平均流量孔径为至少约11.5微米的纤维过滤层，可以调整(例如，增加)基重，使得纤维过滤层的最小DEHS颗粒过滤效率为至少约25％。在一些实施方案中，如实施方案1中进一步描述的，纤维过滤层的基重、平均流量孔径和效率之间的关系可表示为：
其中BW为纤维过滤层的基重(以克每平方米计)，MP为纤维过滤层的平均孔径(以微米计)，a和b为系数，并且E为纤维过滤层的最小DEHS颗粒过滤效率(表示为分数)。在一些实施方案中，a为2，b为6.5。在一些实施方案中，a为大于或等于2且小于或等于2.3的数，b为大于或等于6.5且小于或等于约8的数。例如，在另一些实施方案中，a为2、2.1、2.25或2.28，b为6.5、7、7.5或8。在一些情况下，对于给定的平均流量孔径，可选择参数(例如，基重)以获得特定的最小DEHS颗粒过滤效率(例如，至少约0.25(即，25％)或至少约0.35(即，35％)的最小DEHS颗粒过滤效率)。例如，在一些情况下，当a为2且b为6.5时，纤维过滤层具有特定的最小DEHS颗粒过滤效率(例如，至少约25％或至少约35％)和特定的平均流量孔径(例如，至少约11.5微米)，基重可被设计为至少约8.76g/m2。不希望受理论的束缚，上式表明纤维过滤层的基重、平均流量孔径和效率之间的关系，其可以用于设计在潮湿条件下提供期望性能(包括与某些传统纤维过滤层相比，在潮湿环境中更小的透气率下降)的纤维过滤层。下面将更详细地描述潮湿环境中的透气率。
本文所述的纤维过滤层和/或过滤介质(例如，具有至少约11.5微米的平均流量孔径)可具有宽范围的最小DEHS颗粒过滤效率。在一些实施方案中，纤维过滤层和/或过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率为约25％至约75％，约30％至75％，或约35％至约55％。在一些实施方案中，纤维过滤层和/或过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率大于或等于约25％，大于或等于约30％，大于或等于约35％，大于或等于约45％，大于或等于约55％，或者大于或等于约65％。其他最小DEHS颗粒过滤效率也是可能的。在一些实施方案中，纤维过滤层和/或过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率小于或等于75％，小于或等于65％，小于或等于55％，或者小于或等于到45％。在一些实施方案中，组合纤维过滤层的最小DEHS颗粒过滤效率可在上述参考范围中的一个或更多个中。在一些实施方案中，过滤介质的最小DEHS颗粒效率可大于纤维过滤层的最小DEHS颗粒效率，因为添加到介质的另外的层(例如，外层或覆盖层)可帮助捕获颗粒，从而增加整个过滤介质的最小DEHS颗粒。
在一些实施方案中，本文所述的纤维过滤层和/或过滤介质(例如，具有至少约11.5微米的平均流量孔径)可具有宽范围的平均DEHS颗粒过滤效率。在一些实施方案中，纤维过滤层和/或过滤介质的平均DEHS效率大于或等于约25％，大于或等于约30％，大于或等于约35％，大于或等于至约40％，大于或等于约45％，大于或等于约50％，大于或等于约55％，大于或等于约60％，大于或等于约65％，大于或等于约70％，大于或等于约75％，或者大于或等于约80％。其他效率也是可能的。在一些实施方案中，纤维过滤层和/或过滤介质的平均DEHS效率小于或等于99.9％，小于或等于99.8％，小于或等于99.7％，小于或等于99.5％，小于或等于99％，小于或等于98％，小于或等于95％，小于或等于90％，小于或等于85％，小于或等于80％，小于或等于70％，小于或等于60％，或者小于或等于50％。在一些实施方案中，过滤介质的平均DEHS颗粒效率可大于纤维过滤层的平均DEHS颗粒效率，因为添加到介质的另外的层(例如，外层或覆盖层)可帮助捕获颗粒，从而增加整个过滤介质的平均DEHS颗粒效率。
如本文所提及的，过滤层或过滤介质的最小和平均DEHS颗粒过滤效率是根据EN779-2012标准使用0.4微米或更大来测试。测试使用0.944m3/s的空气流量。测试通过初始测量样品的压降和DEHS颗粒效率开始。然后测试包括用标准测试粉尘(ANSI/ASHRAE52.2)以30g增量逐渐负载样品，以及在每个负载增量后测量压降和DEHS颗粒效率直至达到450Pa或更高的压降，此时测量完成。如本文所用的，最小DEHS颗粒过滤效率是指在整个测试中获得的最低DEHS颗粒效率。如本文所用的，平均DEHS颗粒过滤效率被确定为在整个测试中获得的DEHS颗粒效率的平均值(包括在标准测试粉尘负载前初始测量的DEHS颗粒效率和在所有负载水平下的DEHS颗粒效率，包括在450Pa或更高的最大测试压力下的颗粒DEHS效率)。
如本文所述，与某些传统纤维过滤层(例如，具有小于约11.5微米的平均流量孔径)相比，纤维过滤层(例如，具有大于约11.5微米的平均流量孔径)和/或过滤介质可有利地在高湿度环境中具有改善的性能(例如，透气率下降减少)。不希望受理论的束缚，改善的湿度性能通常可与纤维过滤层的增加的转变盐负载量相关。在一些情况下，转变盐负载量可使用NaCl(氯化钠)挑战(或NaCl负载)测量，其采用配备有氯化钠发生器的自动化过滤器测试单元(例如，来自TSI,Inc.的8130 CertiTestTM)。由盐颗粒发生器产生的平均颗粒尺寸为约0.3微米质量平均直径。该仪器即时测量过滤层和/或过滤介质上的压降和所得穿透率值。测试单元可以以连续模式运行，约每分钟一个压降/穿透率读数。将23mg NaCl/m3空气的浓度下的NaCl颗粒以5.3cm/s流量连续负载到100cm2样品上。样品连续负载，直至达到1％(或更低)穿透率。穿透率通常表示为百分比，被定义为如下：
穿透率＝C/C0
其中C为通过过滤器后的颗粒浓度，C0为通过过滤器前的颗粒浓度。
在一些实施方案中，纤维过滤层和/或过滤介质的转变盐负载量为至少约2.0gsm(克/平方米)。转变盐负载量可通过在平面纤维过滤层上或作为整体在过滤介质上进行如上所述的NaCl负载，并绘制阻力压力(以mm H2O计)作为NaCl负载量(gsm(即，克每平方米))的函数的图来确定。现在参照图2A，初始深度负载线(initial depth loading line)是通过对NaCl负载曲线(即，阻力压力相对于NaCl负载量)的初始十分钟区域(即，初始十个连续数据点)(其从在测试开始后一分钟时取的第一个读数开始)进行拟合简单线性回归线计算的。滤饼负载线(cake loading line)(参见图2A)是通过对NaCl负载曲线的十个连续数据点进行拟合简单线性回归线计算的，其中选择第一到第十个数据点使得纤维过滤层和/或过滤介质的穿透率小于1％，第十一个数据点(不包括在简单线性回归拟合中)大于或等于1％的穿透率(例如，通过在测量的穿透率下降到低于1％的点之前且包括其的十个数据点绘制)。本文所述的转变盐负载量被定义为在初始深度负载线与滤饼负载线的交点处纤维过滤层的每单位面积(以平方米计)的NaCl负载量(以克计)的值。
在一些实施方案中，平面纤维过滤介质的转变盐负载量为至少约2.0gsm，至少约2.5gsm，至少约3.0gsm，至少约3.5gsm，至少约4.0gsm或至少约5.0gsm。在一些实施方案中，转变盐负载量小于或等于约10.0gsm，小于或等于约5.0gsm，小于或等于约4.0gsm，小于或等于约3.5gsm，小于或等于约3.0gsm，或者小于或等于约2.5gsm。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约2.0gsm至约10.0gsm)。与传统过滤层和过滤介质相比，本文所述的纤维过滤层和过滤介质通常具有增加的转变盐负载量，这通常对于等量NaCl负载量，对应于较低的阻力压力。
本文所述的滤饼负载线的斜率可具有特定的值。在一些实施方案中，纤维过滤层的滤饼负载线的斜率可小于或等于约7.5mm H2O/gsm盐负载量，小于或等于约7mm H2O/gsm盐负载量，小于或等于至约6mm H2O/gsm盐负载量，小于或等于约5.5mm H2O/gsm盐负载量，小于或等于约5mm H2O/gsm盐负载量，小于或等于约4.5mm H2O/gsm盐负载量，小于或等于约4mm H2O/gsm盐负载量，或者小于或等于约3.5mm H2O/gsm盐负载量。在一些实施方案中，纤维过滤层的滤饼负载线的斜率可大于或等于0mm H2O/gsm盐负载量，大于或等于约1mm H2O/gsm盐负载量，大于或等于约2mm H2O/gsm盐负载量，大于或等于约3mm H2O/gsm盐负载量，大于或等于约4mm H2O/gsm盐负载量，大于或等于约4.5mm H2O/gsm盐负载量，大于或等于约5mm H2O/gsm盐负载量，大于或等于约5.5mm H2O/gsm盐负载量，或者大于或等于约6mm H2O/gsm盐负载量，或者大于或等于约7mm H2O/gsm盐负载量。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约0mm H2O/gsm盐负载量至约7mm H2O/gsm盐负载量，约1mm H2O/gsm盐负载量至约7mm H2O/gsm盐负载量，3mm H2O/gsm盐负载量至约6mm H2O/gsm盐负载量，约5mm H2O/gsm盐负载量至约6mm H2O/gsm盐负载量)。其他范围也是可能的。
有利地，在一些实施方案中，与某些传统纤维过滤层(例如，具有小于约11.5微米的平均流量孔径)和/或过滤介质相比，本文所述的纤维过滤层(例如，具有大于约11.5微米的平均流量孔径)和/或过滤介质在潮湿环境中可具有相对较低的透气率下降。在一些实施方案中，负载水分后透气率下降百分比小于或等于约50％，小于或等于约45％，小于或等于约44％，小于或等于约42％，小于或等于约40％，小于或等于约35％，小于或等于约30％，或者小于或等于约25％。在某些实施方案中，负载水分后透气率下降百分比为至少约25％，至少约35％，至少约40％，至少约42％，至少约44％或至少约45％。上述参考范围的组合也是可能的(例如，负载水分后透气率下降为约35％至50％，约42％至约45％，约42％至约50％)。其他范围也是可能的。
如本文所提及的，负载水分后的透气率是通过使用配备有氯化钠发生器的自动化过滤器测试单元(例如，来自TSI,Inc.的TSI 8130 CertiTestTM)用约0.3微米颗粒的NaCl气溶胶(23mg NaCl/m3空气)对100cm2样品进行负载30分钟后，进行湿度挑战确定的。将样品(例如，波形配置的包括纤维过滤层和支撑层的过滤介质)以14.1cm/秒的面速度负载30分钟。一旦负载NaCl，将样品放入连接至Frazier透气率机的样品保持器中，并封闭在包括蒸汽发生器以产生湿度的室中。将湿度计探针插入盒中以测量室内的温度和湿度。在测试开始时，室内的相对湿度为50％，并且通过在0.5"水柱的压降下取初始透气率读数，之后打开蒸汽发生器并每30秒取透气率和湿度读数进行测试。一旦湿度达到90％，就继续读数约12分钟，之后关闭蒸汽发生器。继续读数直至透气率稳定。负载水分后的透气率下降百分比是表示为最大值的百分比的最大透气率减去最小透气率值之差。
在一些情况下，纤维过滤层可具有特定的密实度。本文所用的“密实度”通常是指用纤维的平均密度乘以纤维过滤层的未压缩厚度去除纤维过滤层的基重(即，BW/(ρ*t))，其中BW为基重，ρ为密度，t为未压缩厚度)。如本文所用的未压缩厚度是指如通过在一系列不同负载量下用测微计测量纤维过滤层的厚度并外推以确定在零负载量下的厚度确定的纤维过滤层的厚度。在一些实施方案中，纤维过滤层的密实度为至少约1％，至少约2％，至少约2.5％，至少约5％，至少约10％，至少约13％，或在至少约15％。在某些实施方案中，纤维过滤层的密实度小于或等于约20％，小于或等于约15％，小于或等于约13％，小于或等于约10％，小于或等于约5％，小于或等于约4％，小于或等于约3.5％，小于或等于3％，小于或等于约2.5％，或者小于或等于约2％。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约1％至约20％，约2.5％至约13％，约5％至约20％)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，纤维过滤层可具有特定的表面积。在一些情况下，纤维过滤层的表面积可为约0.8平方米/克至约2.5平方米/克。例如，表面积可为约1.2平方米/克至约1.6平方米/克。表面积可以通过本领域已知的任何合适方法(包括例如BET气体吸附)确定。
纤维过滤层12可以由多种纤维形成，但在一个示例性实施方案中，纤维过滤层12是由这样的纤维形成的，其平均纤维直径小于或等于约10微米，小于或等于约8微米，小于约5微米，小于约4微米，小于约3微米，小于约2微米，小于约1.6微米，小于约1.2微米，小于约1微米，或小于约0.8微米。在某些实施方案中，纤维过滤层的平均纤维直径为至少约0.5微米，至少约0.8微米，至少约1微米，至少约1.2微米，至少约1.6微米，至少约2微米，至少约3微米，至少约4微米，至少约5微米，或至少约8微米。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约0.5微米至约10微米，约1微米至约5微米，约1.6微米至约3微米)。其他范围也是可能的。纤维的平均直径可以例如通过扫描电子显微术确定。
还可以使用多种材料来形成纤维，包括合成和非合成的材料。在一个示例性实施方案中，纤维过滤层12和任何另外的过滤层是由熔喷纤维形成的。某些合适的熔喷方法在共同拥有的美国专利号8,608,817中已经被描述，其通过引用整体并入本文。在一些实施方案中，纤维过滤层可通过湿法成网技术、气流成网技术、静电纺丝、纺粘、离心纺丝或梳理形成。作为非限制性实例，示例性材料包括聚烯烃，例如聚丙烯和聚乙烯；聚酯，例如聚对苯二甲酸丁二醇酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚酰胺，例如尼龙；聚碳酸酯；聚苯硫醚；聚苯乙烯；和聚氨酯。
纤维过滤层可包含适当百分比的合成纤维。例如，在一些实施方案中，过滤层中合成纤维的重量百分比可为过滤层中所有纤维的约50重量％至约100重量％。在一些实施方案中，过滤层中合成纤维的重量百分比可大于或等于约50重量％，大于或等于约60重量％，大于或等于约70重量％，大于或等于约80重量％，大于或等于约90重量％，或者大于或等于约95重量％。在一些实施方案中，过滤层中合成纤维的重量百分比可小于或等于约100重量％，小于或等于约95重量％，小于或等于约90重量％，小于或等于约80重量％，小于或等于约70重量％，或者小于或等于约50重量％。上述参考范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约90重量％且小于或等于约100重量％的重量百分比)。其他范围也是可能的。在一些实施方案中，过滤层包含100重量％的合成纤维。在一些实施方案中，过滤层包含相对于过滤层的整体重量(例如，包括任何树脂)的上述范围的合成纤维。在一些实施方案中，过滤层的组合的合成纤维的百分比可在上述参考范围中的一个或更多个中。此外，在介质中存在多于一个过滤层的实施方案中，每个过滤层的合成纤维百分比可为上述参考范围中的一个或更多个。在另一个实施方案中，上述参考范围的纤维可适用于整个过滤介质(其可包括多个过滤层)。过滤层和/或过滤介质的剩余纤维可为非合成纤维，例如玻璃纤维、玻璃棉纤维和/或纤维素浆纤维(例如，木浆纤维)。
在一些实施方案中，纤维过滤层12可包含玻璃纤维(例如，微玻璃纤维、短切玻璃纤维、或其组合)。玻璃纤维的类型和尺寸也可以改变，但在一个示例性实施方案中，纤维是微玻璃纤维，例如使用旋转或火焰拉细(attenuation)方法制造的平均纤维直径为约0.2μm至5μm的A型或E型玻璃纤维。微玻璃纤维和短切玻璃纤维是本领域普通技术人员已知的。本领域普通技术人员能够通过观察(例如，光学显微术、电子显微术)确定玻璃纤维是微玻璃的或短切的(chopped strand)。微玻璃纤维也可与短切玻璃纤维具有化学差异。在一些情况下，尽管不是必需的，短切玻璃纤维可包含比微玻璃纤维更大含量的钙或钠。例如，短切玻璃纤维可接近无碱，具有高钙氧化物和氧化铝含量。微玻璃纤维可包含10％至15％的碱(例如，钠、镁的氧化物)并且具有相对较低的熔化和加工温度。这些术语是指用于制造玻璃纤维的技术。这样的技术赋予玻璃纤维某些特性。通常，短切玻璃纤维是从套管尖端拉出并以类似于纺织品生产的方法切割成纤维。短切玻璃纤维以比微玻璃纤维更受控的方式生产，结果是，短切玻璃纤维在纤维直径和长度方面的变化通常比微玻璃纤维更小。微玻璃纤维是从套管尖端拉出并进一步经历火焰吹制或旋转纺丝过程。在一些情况下，细玻璃纤维可使用重熔方法制造。在这方面，微玻璃纤维可以是细或粗的。如本文所用的，细的微玻璃纤维的直径小于或等于1微米，粗的微玻璃纤维的直径大于或等于1微米。
微玻璃纤维可具有小的直径。例如，在一些实施方案中，微玻璃纤维的平均直径可小于或等于约10微米，小于或等于约9微米，小于或等于约7微米，小于或等于约5微米，小于或等于约3微米，或者小于或等于约1微米。在一些情况下，微玻璃纤维的平均纤维直径可大于或等于约0.1微米，大于或等于约0.3微米，大于或等于约1微米，大于或等于约3微米，或者大于或等于约7微米。上述参考范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约0.1微米且小于或等于约10微米，大于或等于约0.1微米且小于或等于约5微米，大于或等于约0.3微米且小于或等于约3微米)。平均纤维直径的其他值也是可能的。微玻璃纤维的平均直径分布通常是对数正态的。然而，可以理解，可以任何其他适当的平均直径分布(例如，高斯分布)提供微玻璃纤维。
在一些实施方案中，微玻璃纤维的平均长度可小于或等于约10mm，小于或等于约10mm，小于或等于约8mm，小于或等于约6mm，小于或等于约5mm，小于或等于约4mm，小于或等于约3mm，或者小于或等于约2mm。在某些实施方案中，微玻璃纤维的平均长度可大于或等于约1mm，大于或等于约2mm，大于或等于约4mm，大于或等于约5mm，大于或等于约6mm，或者大于或等于约8mm。上述参考范围的组合也是可能的(例如，微玻璃纤维的平均长度大于或等于约4mm且小于约6mm)。其他范围也是可能的。
通常，短切玻璃纤维的平均纤维直径可大于微玻璃纤维的直径。例如，在一些实施方案中，短切玻璃纤维的平均直径可大于或等于约5微米，大于或等于约7微米，大于或等于约9微米，大于或等于约11微米，或者大于或等于约20微米。在一些情况下，短切玻璃纤维的平均纤维直径可小于或等于约30微米，小于或等于约25微米，小于或等于约15微米，小于或等于约12微米，或者小于或等于约10微米。上述参考范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约5微米且小于或等于约12微米)。平均纤维直径的其他值也是可能的。短切的直径趋向于遵循正态分布。但是，可以理解，可以任何适当的平均直径分布(例如，高斯分布)提供短切玻璃纤维。
在一些实施方案中，短切玻璃纤维的长度可为约3mm至约25mm(例如，约6mm，或约12mm)。在一些实施方案中，短切玻璃纤维的平均长度可小于或等于约25mm，小于或等于约20mm，小于或等于约15mm，小于或等于约12mm，小于或等于约10mm，小于或等于约7mm，或者小于或等于约5mm。在某些实施方案中，短切玻璃纤维的平均长度可大于或等于约3mm，大于或等于约5mm，大于或等于约10mm，大于或等于约12mm，大于或等于约15mm，或者大于或等于约20mm。上述参考范围的组合也是可能的(例如，短切玻璃纤维的平均长度大于或等于约3mm且小于约25mm)。其他范围也是可能的。
应理解，上述尺寸不是限制性的，并且微玻璃纤维和/或短切纤维以及本文所述的其他纤维还可以具有其他尺寸。
在一些实施方案中，纤维过滤层中玻璃纤维的平均直径(例如，无论玻璃纤维是微玻璃、短切或其他类型的)可大于或等于约1.5微米，大于或等于约2微米，大于或等于约2.5微米，大于或等于约3微米，大于或等于约4.5微米，大于或等于约5微米，大于或等于约6微米，大于或等于约7微米，或者大于或等于约9微米。在一些情况下，纤维过滤层中玻璃纤维的平均纤维直径可小于或等于约10微米，小于或等于约9微米，小于或等于约7微米，小于或等于约6微米，小于或等于约5微米，小于或等于约4.5微米，小于或等于约3微米，小于或等于约2.5微米，或者小于或等于约2微米。上述参考范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1.5微米且小于或等于约10微米，大于或等于约2微米且小于或等于约9微米，大于或等于约2微米且小于或等于约5微米，大于或等于约2.5微米且小于或等于约4.5微米)。
在一些实施方案中，纤维过滤层中玻璃纤维的平均长度(例如，无论玻璃纤维是微玻璃、短切或其他类型的)可小于或等于约25mm，小于或等于约20mm，小于或等于约15mm，小于或等于约12mm，小于或等于约10mm，小于或等于约8mm，小于或等于约5mm，小于或等于约3mm，或者小于或等于约1mm。在某些实施方案中，纤维过滤层中玻璃纤维的平均长度可大于或等于约0.05mm，大于或等于约0.1mm，大于或等于约0.3mm，大于或等于约0.5mm，大于等于约1mm，大于或等于约5mm，大于或等于约10mm，大于或等于约15mm，大于或等于约20mm，大于或等于约30mm，或者大于或等于约40mm。上述参考范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约1mm且小于约25mm，大于或等于约0.3mm且小于约20mm，大于或等于约0.1mm且小于约12mm，大于或等于约0.2mm且小于约6mm，大于或等于约0.5mm且小于约3mm)。其他范围也是可能的。
所得纤维过滤层12以及任何另外的过滤层也可以根据期望应用的需要具有多种厚度、透气率、基重和过滤效率。
在一个示例性实施方案中，如在平面配置中测量的，纤维过滤层12的厚度为约6密耳至22密耳；例如约10密耳至约18密耳，或约12密耳至16密耳。如本文所提及的，厚度是根据Edana WSP 120.1标准在平面层上在约1盎司负载/平方英尺下确定的。此外，在介质中存在多于一个过滤层的实施方案中，每个过滤层的厚度可为上述参考范围中的一个或更多个。
纤维过滤层的透气率可为约30CFM至150CFM。例如，透气率可为至少约30CFM，至少约50CFM，至少约65CFM，至少约75CFM，至少约100CFM或至少约125CFM。在一些实施方案中，纤维过滤层的透气率可小于或等于约150CFM，小于或等于约125CFM，小于或等于约100CFM，小于或等于约75CFM，小于或等于约65CFM，或者小于或等于约50CFM。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约30CFM至150CFM，约65CFM至100CFM)。其他范围也是可能的。如本文所确定的，透气率是根据ASTM D737-04(2012)测量的。过滤层或过滤介质的透气率是流动阻力的反函数，可以用Frazier渗透率测试仪测量。Frazier渗透率测试仪测量在样品上在固定的压差下单位时间通过单位面积样品的空气体积。渗透率可以表示为在0.5英寸水差下的每分钟每平方英尺的立方英尺。
支撑层
同样如上所示，过滤介质10可以包括至少一个支撑层。在一个示例性实施方案中，过滤介质10包括设置在纤维过滤层12的空气流出侧O上的下游支撑层14，其有效保持纤维过滤层12为波形配置。过滤介质10还可以包括设置在纤维过滤层12的与下游支撑层14相反的空气进入侧I上的上游支撑层16。上游支撑层16同样可以帮助维持纤维过滤层12为波形配置。如上所示，本领域技术人员将理解，过滤介质10可以包括任意数量的层，并且其不必包括两个支撑层或顶层。在某些示例性实施方案中，过滤介质10可以由纤维过滤层12和单个毗邻的支撑层14或16形成。在另一些实施方案中，过滤介质可以包括任意数量的以多种配置布置的另外的层。层的具体数量和类型取决于过滤介质的预期用途。
支撑层14、16可以由多种纤维类型和尺寸形成。在一个示例性实施方案中，下游支撑层14由平均纤维直径大于或等于纤维过滤层12、上游支撑层16和顶层18的平均纤维直径的纤维形成，如果提供的话。在一些情况下，上游支撑层16由平均纤维直径小于或等于下游支撑层14的平均纤维直径，但大于纤维过滤层12和顶层18的平均纤维直径的纤维形成。在某些示例性实施方案中，下游支撑层14和/或上游支撑层16可以由平均纤维直径为约10μm至32μm或12μm至32μm的纤维形成。例如，下游支撑层和/或上游支撑层的平均纤维直径可为约18μm至22μm。在一些情况下，下游和/或上游支撑层可包含比传统支撑层相对更细的纤维。例如，在一些实施方案中，更细的下游支撑层和/或更细的上游支撑层可以由平均纤维直径为约9μm至18μm的纤维形成。例如，更细的下游支撑层和/或更细的上游支撑层的平均纤维直径可为约12μm至15μm。
支撑层(例如，下游支撑层、上游支撑层)的纤维的平均纤维长度可为例如约1.0英寸至约3.0英寸(例如，约1.5英寸至约2英寸)。在一些实施方案中，支撑层的纤维的平均纤维长度可小于或等于约3英寸，小于或等于约2.5英寸，小于或等于约2英寸，小于或等于约1.5英寸，或者小于或等于约1.1英寸。在一些实施方案中，支撑层的纤维的平均纤维长度可大于或等于约1英寸，大于或等于约1.5英寸，大于或等于约2.0英寸，或者大于或等于约2.5。上述参考范围的组合也是可能的(例如，纤维的平均纤维长度大于或等于约1.5英寸且小于约2英寸)。其他范围也是可能的。
还可以使用多种材料来形成支撑层14、16的纤维，包括合成和非合成的材料。在一个示例性实施方案中，支撑层14、16是由短纤维形成的，特别地由粘合纤维(binder fiber)和非粘合纤维(non-binder fiber)的组合形成。一种合适的纤维组合物是至少约20％的粘合纤维和余量的非粘合纤维的共混物。可以使用多种类型的粘合和非粘合纤维来形成本发明的介质。粘合纤维可以由任何这样的材料形成，其有效促进层之间的热粘合，并且因此具有比非粘合纤维的熔化温度更低的活化温度。粘合纤维可以是单组分纤维或大量双组分粘合纤维中的任一种。在一个实施方案中，粘合纤维可以是双组分纤维，并且每个组分可以具有不同的熔化温度。例如，粘合纤维可以包含芯和鞘，其中鞘的活化温度低于芯的熔化温度。这允许鞘在芯之前熔化，使得鞘与层中的其他纤维粘合，而芯维持其结构完整性。这可以是特别有利的，因为它产生了用于捕获滤液的更有粘着力的层。芯/鞘粘合纤维可以是同轴的或非同轴的，示例性的芯/鞘粘合纤维可以包括以下：聚酯芯/共聚酯鞘、聚酯芯/聚乙烯鞘、聚酯芯/聚丙烯鞘、聚丙烯芯/聚乙烯鞘、聚酰胺芯/聚乙烯鞘、及其组合。其他示例性双组分粘合纤维可以包括裂膜纤维纤维、并列纤维和/或“海岛型”纤维。
非粘合纤维可以是合成的和/或非合成的，在一个示例性实施方案中，非粘合纤维可以是约100％合成的。通常，对于针对潮湿、热、长期老化和微生物降解的抗性，合成纤维优选于非合成纤维。示例性的合成非粘合纤维可以包括聚酯、丙烯酸类、聚烯烃、尼龙、人造丝及其组合。替代地，用于形成介质的非粘合纤维可以包括非合成纤维，例如玻璃纤维、玻璃棉纤维、纤维素浆纤维(例如木浆纤维)、及其组合。
支撑层可包括适当百分比的合成纤维。例如，在一些实施方案中，支撑层中合成纤维的重量百分比可为支撑层中所有纤维的约80重量％至约100重量％。在一些实施方案中，支撑层中合成纤维的重量百分比可大于或等于约80重量％，大于或等于约90重量％，或者大于或等于约95重量％。在一些实施方案中，支撑层中合成纤维的重量百分比可小于或等于约100重量％，小于或等于约95重量％，小于或等于约90重量％，或者小于或等于约85重量％。上述参考范围的组合也是可能的(例如，大于或等于约80重量％且小于或等于约100重量％的重量百分比)。其他范围也是可能的。在一些实施方案中，支撑层包含100重量％的合成纤维。在一些实施方案中，支撑层包含相对于支撑层的整体重量(例如，包括任何树脂)的上述范围的合成纤维。此外，在介质中存在多于一个过滤层的实施方案中，每个过滤层和/或支撑层的合成纤维的百分比可为上述参考范围中的一个或更多个。在另一些实施方案中，上述参考范围的纤维可适用于整个过滤介质(其可包括多个过滤层)。过滤层和/或过滤介质的剩余纤维可为非合成纤维，例如玻璃纤维、玻璃棉纤维和/或纤维素浆纤维(例如，木浆纤维)。
支撑层14、16也可以使用本领域已知的多种技术形成，包括熔喷、湿法成网技术、气流成网技术、梳理、静电纺丝和纺粘。然而，在一个示例性实施方案中，支撑层14、16是梳理或气流成网的。所得层14、16也可以根据期望应用的需要具有多种厚度、透气率和基重。在一个示例性实施方案中，如在平面配置中测量的，下游支撑层14和上游支撑层16各自的厚度为约8密耳至30密耳(例如，约12密耳至20密耳)，基重为约10gsm至99gsm(例如，约22gsm至约99gsm，约33gsm至70gsm)并且平均流量孔径为约30微米至150微米(例如，约50微米至约120微米)。
例如，在一些实施方案中，支撑层各自的厚度为至少约8密耳，至少约10密耳，至少约12密耳，至少约15密耳，至少约20密耳，或者至少约25密耳。在某些实施方案中，支撑层的厚度可小于或等于约30密耳，小于或等于约25密耳，小于或等于约20密耳，小于或等于约15密耳，小于或等于约12密耳，或者小于或等于约10密耳。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约8密耳至约30密耳，约12密耳至约20密耳)。其他范围也是可能的。支撑层的厚度是如本文所述的根据Edana WSP 120.1标准在平面层上在约1盎司负载/平方英尺下确定的。
在某些实施方案中，支撑层各自的基重为至少约10gsm，至少约20gsm，至少约22gsm，至少约33gsm，至少约50gsm，至少约60gsm，至少约70gsm，至少约80gsm或至少约90gsm。在一些实施方案中，支撑层各自的基重小于或等于约99gsm，小于或等于约90gsm，小于或等于约80gsm，小于或等于约70gsm，小于或等于约60gsm，小于或等于约50gsm，小于或等于约33gsm，小于或等于约22gsm，或者小于或等于约22gsm。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约10gsm至约99gsm，约33gsm至约70gsm)。其他范围也是可能的。如本文所述，支撑层的基重是根据Edana WSP 130.1标准测量的。
在一些实施方案中，支撑层的平均流量孔径为至少约30微米，至少约40微米，至少约50微米，至少约75微米，至少约100微米，或至少约120微米。在某些实施方案中，支撑层的平均流量孔径小于或等于约150微米，小于或等于约120微米，小于或等于约100微米，小于或等于约75微米，小于或等于约50微米，或者小于或等于约40微米。上述参考范围的组合也是可能的(例如，约30微米至150微米，约50微米至约120微米)。其他范围也是可能的。平均流量孔径可以通过毛细管流动孔隙度仪确定，如上所述。
外层或覆盖层
如前所示，过滤介质10还可以任选包括设置在空气进入侧I和/或空气流出侧O上的一个或更多个外层或覆盖层。图1A示出了设置在过滤介质10的空气进入侧I上的顶层18。顶层18可以起到粉尘负载层作用和/或其可以起到美观层作用。在一个示例性实施方案中，顶层18是在使纤维过滤层12和支撑层14、16成波形后与过滤介质10配合的平面层。因此顶层18提供了在美观上令人满意的顶面。顶层18可以由多种纤维类型和尺寸形成，但在一个示例性实施方案中，顶层18由平均纤维直径小于紧接地设置在顶层18下游的上游支撑层16的平均纤维直径，但大于纤维过滤层12的平均纤维直径的纤维形成。在某些示例性实施例中，顶层18是由平均纤维直径为约5μm至20μm的纤维形成的。结果是，顶层18可以起到容尘层作用，而不影响过滤介质10的α值，如下面将更详细讨论的。
如图1B所示，过滤介质10B可以替代地或另外地包括设置在过滤介质10B的空气流出侧O上的底层18B。底层18B可以起到加强组件的作用，其向过滤器介质10B提供结构完整性以帮助维持波形配置。底层18B还可以起到提供耐磨性的作用。这在ASHRAE袋应用(其中最外层在使用期间受到磨损)中是特别期望的。底层18B可以具有与顶层18相似的配置，如上所讨论的。然而，在一个示例性实施方案中，底层18B是最粗的层，即，其由平均纤维直径大于形成过滤介质的所有其他层的纤维的平均纤维直径的纤维形成。一个示例性底层是纺粘层，然而可以使用具有多种配置的多种其他层。
还可以使用多种材料来形成外层或覆盖层的纤维，包括合成和非合成的材料。在一个示例性实施方案中，外层或覆盖层(例如，顶层18和/或底层18B)由短纤维形成，特别地由粘合纤维和非粘合纤维的组合形成。一种合适的纤维组合物是至少约20％的粘合纤维和余量的非粘合纤维的共混物。可以使用多种类型的粘合和非粘合纤维来形成本发明的介质，包括上面之前关于支撑层14、16所讨论的那些。
外层或覆盖层，例如，顶层18和/或任何底层，也可以使用本领域已知的多种技术来形成，包括熔喷、湿法成网技术、气流成网技术、梳理、静电纺丝和纺粘。然而，在一个示例性实施方案中，顶层18是气流成网层，并且底层18B是纺粘层。根据期望应用的需要，所得层还可以具有多种厚度、透气率和基重。在一个示例性实施方案中，如在平面配置中测量的，外层或覆盖层的厚度为约2密耳至50密耳，透气率为约100CFM至1200CFM并且基重为约10gsm至50gsm。
本领域技术人员将理解，尽管图1A示出了四层过滤介质，但是介质可以包括任意数量的多种配置的层。可以添加多种层以增强过滤，提供支撑，改变结构或用于多种其他目的。作为非限制性实例，过滤介质可以包括多种纺粘、湿法成网纤维素、干法成网合成非织造、湿法成网合成和湿法成网微玻璃层。
制造方法
层中的一些或全部可以使用多种制造技术形成为波形配置，但在一个示例性实施方案中，过滤层12(例如，细纤维)、任何另外的过滤层和支撑层14、16中的至少一者以期望的布置从空气进入侧到空气流出侧彼此毗邻地设置，并且组合的层在以不同速度行进的第一移动表面和第二移动表面之间传送，例如第二表面以比第一表面的速度更慢的速度行进。当层从第一移动表面行进到第二移动表面时，可以使用抽吸力(例如，真空力)来将层拉向第一移动表面，然后拉向第二移动表面。速度差异使层在通过第二移动表面时形成z方向波，从而在层中形成波峰和波谷。每个表面的速度可以改变以获得每英寸期望波数。表面之间的距离也可以改变以确定波峰和波谷的幅度，在一个示例性实施方案中，距离被调整为0.025"至4"。例如，波峰和波谷的幅度可为约0.1"至4.0"，例如约0.1"至1.0"，约0.1"至2.0"，或约3.0"至4.0"。对于某些应用，波峰和波谷的幅度可为约0.1"至1.0"，约0.1"至0.5"，或约0.1"至0.3"。不同层的特性也可以改变以获得期望的过滤介质配置。在一个示例性实施方案中，过滤介质每英寸具有约2至6个波，高度(整体厚度)为约0.025"至2"，然而这可以根据预期应用而显著改变，例如，在另一些实施方案中，过滤介质每英寸可具有约2至4个波，例如每英寸约3个波。介质的整体厚度可为约0.025"至4.0"，例如约0.1"至1.0"，约0.1"至2.0"，或约3.0"至4.0"。对于某些应用，介质的整体厚度可为约0.1"至0.5"，或约0.1"至0.3"。如图1A所示，单个波W从一个峰的中间延伸到毗邻峰的中间。(波形)过滤介质的厚度可以是如上所述的根据Edana WSP 120.1标准在约1盎司负载/1平方英寸压脚下确定的。
在图1A所示的实施方案中，当纤维过滤层12和支撑层14、16是波形的时，所得纤维过滤层12在其各表面上(即，空气进入侧I和空气流出侧O)具有多个波峰P和波谷T，如图1C所示。支撑层14、16延伸穿过波峰P并到波谷T，使得支撑层14、16也具有波形配置。本领域技术人员将理解，在纤维过滤层12的空气进入侧I上的波峰P在空气流出侧O上具有对应的波谷T。因此，下游支撑层14延伸到波谷T中，并且恰好相反地，同一波谷T是上游支撑层16延伸穿过的波峰P。由于下游支撑层14延伸到纤维过滤层12的空气流出侧O上的波谷T中，故下游粗层14维持空气流出侧O上的毗邻波峰P彼此相隔一定距离，并且维持空气流出侧O上的毗邻波谷T彼此相隔一定距离。上游支撑层16(如果提供的话)同样可以维持纤维过滤层12的空气进入侧I上的毗邻波峰P彼此相隔一定距离，并且可以维持纤维过滤层12的空气进入侧I上的毗邻波谷T彼此相隔一定距离。结果是，与平面配置的纤维过滤层的表面积相比，纤维过滤层12具有显著增加的表面积。在某些示例性实施方案中，与平面配置的相同层的表面积相比，波形配置的表面积增加了至少约50％，并且在一些情况下，多至120％。
在上游支撑层和/或下游支撑层保持纤维过滤层为波形配置的实施方案中，可以期望减少波谷中的自由体积(例如，未被任何纤维占据的体积)量。即，波谷中相对较高百分比的体积可被支撑层占据以给纤维层结构支撑。例如，波谷中至少95％或基本上所有的可用体积可用支撑层填充，支撑层的密实度可为约1％至90％，约1％至50％，约10％至50％，或约20％至50％。此外，如图1A的示例性实施方案所示，支撑层延伸穿过波峰并到波谷可以使得支撑层的穿过波峰与顶层18A接触的表面积与其穿过波谷的相似。类似地，支撑层的穿过波峰与底层18B接触的表面积(图1B)可与其穿过波谷的相似。例如，支撑层的穿过波峰与顶层或底层接触的表面积可与支撑层的穿过波谷与顶层或底层接触的表面积相差小于约70％，小于约50％，小于约30％，小于约20％，小于约10％，或小于约5％。
在某些示例性实施方案中，下游和/或上游支撑层14、16的纤维密度可以在波峰处比其在波谷中更大；在一些实施方案中，纤维质量在波峰处比其在波谷中更小。这可以是由下游和/或上游支撑层14、16相对于纤维过滤层12的粗糙度导致的。特别地，当层从第一移动表面移动到第二移动表面时，纤维过滤层12的相对细的性质使下游和/或上游支撑层14、16围绕纤维过滤层12中形成的波相适应。当支撑层14、16延伸穿过波峰P时，行进的距离小于各层14、16行进以填充波谷的距离。结果是，支撑层14、16在峰处压紧，因此与层行进通过以形成环形配置的波谷相比，在波峰处具有增加的纤维密度。
一旦层形成为波形配置，就可以通过使粘合纤维活化以产生纤维粘合来维持波形形状。可以使用多种技术来活化粘合纤维。例如，如果使用具有芯和鞘的双组分粘合纤维，则粘合纤维可以在施加热时被活化。如果使用单组分粘合纤维，则粘合纤维可以在施加热、蒸汽和/或一些其他形式的温水分时被活化。顶层18(图1A)和/或底层18B(图1B)还可以分别设置在上游支撑层16的顶部(图1A)或下游支撑层14B的底部(图1B)上，并例如通过粘合同时或随后与上游支撑层16或下游支撑层14B配合。本领域技术人员还将理解，除了使用粘合纤维之外，可以任选使用多种技术使层彼此配合。层也可以是单独结合的层，和/或它们可以在成波形之前彼此配合，包括结合。
在干燥材料之前还可以任选地向材料涂覆饱和剂(saturant)。多种饱和剂可以与本发明的介质一起使用，以促进在低于纤维的熔化温度的温度下形成层。示例性的饱和剂可以包括存在于水或有机溶剂中的酚醛树脂、密胺树脂、脲醛树脂、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚苯乙烯/丙烯酸酯、聚氯乙烯、聚乙烯/氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、及其组合和共聚物。
在一些实施方案中，所得介质还可以在以下特性中的至少一种以及任选所有以下特性上具有梯度：粘合和非粘合纤维组成、纤维直径、密实度、基重和饱和剂含量。例如，在一个实施方案中，介质可以在上游具有轻质、膨松、粗纤维、轻度粘合和轻度饱和的片上游以及较重、较致密、细纤维、强粘合和强饱和的片下游。这使得较粗颗粒得以在上游层被捕集，防止底层过早饱和。在另一些实施方案中，最上游的层可以比最下游的层更轻和/或更膨松。即，上游层可以具有低于下游层的密实度(例如，层中纤维的固体体积分数)和基重。此外，在过滤介质包含饱和剂的实施方案中，介质可以具有相对于最上游和最下游层中的饱和剂量的梯度。本领域技术人员将理解介质的层可以具有的各种特性。
还可以任选地向过滤介质或向介质的多个层赋予静电荷以形成驻极体纤维层。例如，可在与一个或更多个支撑层接合之前将电荷赋予纤维过滤层。在另一个实施方案中，将电荷赋予包括多于一个层(例如纤维过滤层和一个或更多个支撑层)的过滤介质。根据用于形成每个层的材料、电荷量和充电方法，电荷可保留在一个或更多个层中或在短时间后(例如，在数小时内)耗散。为了形成驻极体过滤介质，赋予聚合物网永久偶极子的各种技术是公知的。充电可以通过使用AC和/或DC电晕放电装置及其组合来产生。放电的具体特性通过电极形状、极性、间隙尺寸以及气体或气体混合物确定。充电还可以使用其他技术(包括基于摩擦的充电技术)来完成。
在一些实施方案中，纤维过滤层可被制成疏水的或亲水的。在一些情况下，与未负载的介质相比，过滤层的亲水性可改变负载NaCl的介质的压降的变化。在一些情况下，纤维过滤层可以是疏水的。在某些实施方案中，纤维过滤层可以是亲水的。本领域技术人员能够选择合适的用于使纤维过滤层疏水或亲水的方法，包括但不限于添加疏水性或亲水性涂层、包含添加剂(例如，在挤出纤维期间)和/或选择疏水性或亲水性纤维材料。在一些情况下，支撑层的纤维也可以选择性地被制成疏水的或亲水的。例如，这样的支撑层可以是梳理的或气流成网的，在加工之前向纤维施加局部整理剂(topical finishes)，和/或可以基于纤维的疏水或亲水特性选择纤维。
过滤介质在其形成为波形配置后还可以被打褶，下面将更详细讨论多种示例性配置。本领域技术人员将理解，可以使用实际上本领域中已知的任何打褶技术对波形过滤介质进行打褶。通常，通过在介质中形成多个平行痕线并沿每个痕线形成折叠使过滤介质打褶。
过滤介质特性
如上所述，所得过滤介质的特性可以根据预期用途改变。在一些实施方案中，纤维过滤层的平均流量孔径有效改善了过滤介质在相对高湿度环境中的性能(例如，透气率下降减少)。
在一些实施方案中，本文所述的过滤介质被分类为G1、G2、G3、G4、M5、M6、F7、F8或F9过滤介质。这些类别的针对0.4微米或更大DEHS颗粒的平均效率和最小效率范围列于表1中。如下所述，根据上述的EN779-2012标准，进行测试直至最大最终压降为250Pa或450Pa。
表1
根据期望应用的需要，所得介质还可以具有多种厚度、透气率、基重和初始效率。如本文所提及的，厚度是根据Edana WSP 120.1标准使用合适卡规确定的。如本文所提及的，基重是根据Edana WSP 130.1标准确定的。
例如，在一个实施方案中，如图1A所示，所得介质的厚度tm可以为约80密耳至250密耳(例如，约140密耳至180密耳)，波峰和波谷的幅度为约0.025"至4"(例如，在一些应用中约0.1"至1.0"，约0.1"至2.0"，或约3.0"至4.0"，在另一些应用中约0.1"至0.5"或约0.1"至0.3")，并且透气率为约30CFM至400CFM(例如，约50CFM至120CFM，或约70CFM至90CFM)。所得介质的基重还可以为约125gsm至250gsm(例如，约150gsm至250gsm或约135gsm至160gsm)，和/或在以5.3cm/秒面速度负载约60mg/100cm2的约0.3μm颗粒后的NaCl负载量小于约25mm H2O(例如，小于约20mm H2O)。
过滤元件
如前所述，本文所公开的过滤介质可以并入用于多种应用(包括液体和空气过滤应用二者)的多种过滤元件中。示例性的用途包括ASHRAE袋式过滤器、可打褶HVAC过滤器、燃气轮机袋式过滤器、液体袋式过滤器介质(liquid bag filter media)、尘袋式家用过滤器(dust bag house filter)、住宅炉过滤器、喷漆房过滤器、面罩(例如，手术用面罩和工业用面罩)、舱室空气过滤器、商用ASHRAE过滤器、呼吸器过滤器、汽车进气过滤器、汽车燃料过滤器、汽车润滑油过滤器、室内空气清洁器过滤器和真空清洁器排气过滤器。过滤元件可以具有多种配置，下面更详细讨论某些示例性过滤元件配置。作为非限制性实例，其他示例性过滤元件包括径向过滤元件，其包括设置在其中的圆柱形过滤介质、用于液体过滤的微米级管袋式过滤器(micron-rater vessel bag filter)(也被称为套筒式过滤器)、面罩等。
板式过滤器
在一个示例性实施方案中，过滤介质可以用于板式过滤器中。特别地，过滤介质可以包括围绕其设置的壳体。壳体可以具有多种配置，并且具体配置可以基于预期应用改变。壳体可以是围绕过滤介质的周边设置的框架的形式。框架可具有一般矩形配置，使得其包围一般矩形过滤介质10的所有四个侧面，然而具体形状可以改变。框架可以由多种材料形成，包括纸板、金属、聚合物等。在某些示例性实施方案中，框架的厚度可以为约12"或更小，或者约2"或更小。在另一个实施方案中，框架可以由过滤介质的边缘形成。特别地，过滤介质10'的周边可以被热密封以围绕其形成框架。板式过滤器还可以包括本领域已知的多个其他特征，例如用于相对于框架、间隔件等稳定过滤介质的稳定特征。
在使用中，板式过滤元件可以用于多种应用，包括商业和住宅HVAC过滤器(例如，炉过滤器)；汽车客舱空气过滤器；汽车进气过滤器；和喷漆房过滤器。过滤元件的具体特性可以基于预期用途改变，但在某些示例性实施方案中，过滤元件的MERV等级为7至20，并且可为例如大于约13，大于约15，大于约17或大于约19。过滤元件的压降可为约0.1"至5"H2O，例如约0.1"至1"H2O。
折叠式过滤器
波形过滤介质还可以被打褶，用于折叠式过滤器中。如前所讨论的，波形介质或其多个层可以通过形成彼此间隔预定距离的痕线并折叠介质来进行打褶。然而，本领域技术人员将理解，可以使用其他打褶技术。一旦介质被打褶，就可以将介质并入壳体。介质可以根据框架尺寸和预期用途具有任意数量的褶。在某些示例性实施方案中，过滤介质每英寸具有1至2个褶，并且褶高度为约0.75"至2"。然而，一些应用利用最高至12"高度的波峰。
为了便于打褶，过滤介质可以是自支撑的，即其可以具有允许打褶的刚度。在某些示例性实施方案中，根据Gurley刚度测试仪，过滤介质的最小刚度为约200mg以实现打褶。替代地或另外地，过滤介质可以包括多种加强元件(例如，稳定绑带、筛网背衬(screenbacking)等)。
在使用中，打褶的波形过滤元件可以用于多种应用，包括可打褶HVAC过滤器、住宅炉过滤器、舱室空气过滤器、商业ASHRAE过滤器、汽车进气过滤器、汽车燃料过滤器、汽车润滑油过滤器、室内空气清洁器过滤器和真空清洁器排气过滤器。过滤元件的具体特性可以基于预期用途改变，但在某些示例性实施方案中，过滤元件的MERV等级为7至20。例如，MERV等级可大于约13，大于约15，大于约17或大于约19。过滤元件的压降可为约0.1"至5"H2O，例如约0.1"至1"H2O。过滤介质在打褶前的厚度也可以小于约0.5"，打褶后的厚度为约2"或更小。但是，在某些应用中，打褶后的厚度可以最高至12"。
袋式过滤器/袋滤器
在又一个实施方案中，过滤介质可以并入用于加热、空气调节、通风、燃气轮机过滤和/或冷冻的袋式过滤器或袋滤器；及微米级液体过滤袋中。袋式过滤器或袋滤器可以如下形成：通过将两个过滤介质放置在一起(或将单个过滤介质对折)，并使三个侧面(或如果折叠的话，两个)彼此配合使得仅一个侧面保持打开，从而在过滤器内部形成袋。在一些实施方案中，可以将多个过滤袋连接到框架以形成过滤元件。每个袋可以被设置成使得开口端位于框架中，从而允许空气流入每个袋。框架可以包括延伸到并保持每个袋的矩形环。本领域技术人员将理解，框架实际上可以具有任意配置，并且可以使用本领域已知的多种配合技术来将袋耦接至框架。此外，框架可以包括任意数量的袋，但袋式过滤器通常包括6至10个袋。
过滤元件的具体特性可以基于预期用途改变，但在某些示例性实施方案中，过滤元件的MERV等级为约7至20(例如，13至20)。例如，MERV等级可大于约13，大于约15，大于约17或大于约19。过滤元件的压降可为约0.1"至5"H2O，例如约0.1"至1"H2O。过滤介质的厚度也可以为约2"或更小，或者约0.5"或更小，然而，厚度可以根据预期应用改变。
作为非限制性实例，标准8袋ASHRAE袋式过滤器通常具有在24"x24"框架中30"深的袋，产生80平方英尺的介质。具有相同尺寸但使用根据本发明的波形过滤介质的ASHRAE袋式过滤器将产生176平方英尺的介质。
面罩
在又一个实施方案中，过滤介质可以并入个人防护过滤装置中，例如面罩，其被设计成从可呼吸空气中除去污染物。在一个实施方案中，过滤介质用于形成设计用于工作场所的工业用面罩。面罩可包括例如外部结构支撑层、过滤层和内部结构支撑层，但是可以使用任何合适的层的组合。每个层可被充电或不充电。每个层可以是疏水或亲水的。结构支撑层可为在合适条件下(例如，在约105℃至110℃的温度下6秒至8秒)可热模制的非织造层。过滤层可由熔喷材料或玻璃纤维材料形成。在一组实施方案中，面罩的过滤面积为约170cm2，这在美国是标准的，或面积为约150cm2，这在世界其他地区可以是标准的。
在另一个实施方案中，过滤介质用于手术用面罩中。手术用面罩包括通常由医务人员穿戴的个人防护过滤装置，主要出于以下两个原因：防止病菌从医务人员转移到患者(反之亦然)，和保护医务人员免受危害性体液攻击。手术用面罩可包括例如外部结构支撑层、过滤层和内部结构支撑层，但是可以使用任何合适的层的组合。每个层可被充电或不充电。在一些实施方案中，结构支撑层是聚丙烯纺粘的，过滤层是由熔喷材料或玻璃纤维材料形成的。过滤介质可被折叠用以更大的覆盖面积，并且可包括例如200cm2至1000cm2的过滤面积。
以下非限制性实施例用于进一步说明本发明：
实施例1
该实施例说明根据本文所述的一些实施方案的平均流量孔径对过滤性能的重要性。
样品A至G是被设计成具有至少25％的最小DEHS效率的熔喷纤维过滤层样品(没有支撑层的平面配置)。测量样品的许多特性，并且结果示于表2中。
表2
按照上述方案对样品进行转变盐负载量测试。
图2A示出了从转变盐负载量测试获得的样品A和B的阻力(mm H2O)相对于NaCl负载量(gsm)的图。该图还示出了样品A和B的滤饼负载线和初始深度负载线。如上所述，转变盐负载量被定义为在初始深度负载线与滤饼负载线的交点处的每单位面积NaCl负载量(gsm)的值。样品A(具有10.43微米的平均流量孔径)的转变盐负载量为约1.2，样品B(具有16.38微米的平均流量孔径)的转变盐负载量为约3.6。
图2B示出了样品A至G的转变盐负载量作为平均流量孔径的函数的图。如所示的，平均流量孔径大于11.5微米的样品比平均流量孔径小于11.5微米的样品具有显著更高的转变盐负载量。更高的转变盐负载量通常与在高湿度条件以及标准条件下改善的过滤性能相关。
图2C示出了样品A至G的滤饼负载线的斜率相对于平均流量孔径的图。如所示的，平均流量孔径大于11.5微米的样品比平均流量孔径小于11.5微米的样品具有更低的滤饼负载线的斜率。更低的斜率可以导致更高的转变盐负载量，这通常与改善的高湿度过滤性能相关。
图2B至图2C证明了与在该效率下具有小于11.5微米平均流量孔径的纤维过滤层相比，具有至少25％的最小DEHS效率和至少约11.5微米的平均流量孔径的纤维过滤层具有显著增加的转变盐负载量。由于高转变盐负载量通常与改善的高湿度性能相关，故预期平均流量孔径为至少约11.5微米的纤维过滤层在高湿度环境中具有改善的过滤性能。
图3A为样品A至G的比穿透率自然对数(即，穿透率的自然对数除以基重)相对于平均流量孔径的图。图上示出的回归曲线证明了纤维过滤层平均流量孔径、纤维过滤层基重和穿透率之间的关系。因此，纤维过滤层平均流量孔径、纤维过滤层基重和效率也存在关系。例如，部分通过后者的关系，已经推导了以下等式，以确定获得目标最小DEHS效率所需的合适平均孔径和基重值。
其中BW为纤维过滤层的基重，MP为平均流量孔径，并且E为作为目标的纤维过滤层的最小DEHS效率。
图3B为样品A至G的基重(gsm)相对于平均流量孔径的图。上述关系用于定义满足35％的最小DEHS效率(以满足F7类别)的基重和平均流量孔径值的边界的曲线。具有在边界上或在边界上方的基重和平均流量孔径的组合的纤维过滤层的最小DEHS效率为35％或更大。平均流量孔径大于11.5微米且在边界上或在边界上方的纤维过滤层也具有改善的高湿度性能，如上所述。
实施例2
该实施例证明了在潮湿条件下过滤介质性能与平均流量孔径之间的相关性。
在潮湿环境中测试包括一定范围的平均孔径(约10微米至16.5微米)的过滤介质样品。过滤介质样品包括在两个支撑层之间的纤维过滤层，其中组合层处于波形配置。测试遵循上述方案以测量在负载水分后的透气率下降百分比。
如上述方案所述，在负载水分后的透气率下降百分比为表示为最大透气率值百分比的最大透气率(如在测试期间测量的)减去最小透气率(如在测试期间测量的)之差。图4示出了差值相对于平均流量孔径的图。如图所示，对于大于约11.5微米的平均流量孔径，平均差值为约44％或更小。对于小于11.5微米的平均流量孔径，平均差值为46％或更大。
该数据示出了包括平均流量孔径大于11.5微米的过滤介质比包括平均流量孔径小于11.5微米的过滤介质具有更小的最大透气率与最小透气率之差。
基于上述实施方案，本领域技术人员将进一步理解本发明的特征和优点。因此，除了由所附权利要求书指出的之外，本发明不受已经具体示出和描述的那些限制。本文引用的所有出版物和参考文献都明确地通过引用整体并入本文中。

Claims (22)

1.一种过滤介质，包括：
纤维过滤层和支撑层，所述支撑层保持所述纤维过滤层为波形配置并且维持所述纤维过滤层的毗邻波的波峰和波谷分离，其中所述纤维过滤层的平均流量孔径为至少约11.5微米；以及
其中所述过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率为至少约25％。
2.一种过滤介质，包括：
纤维过滤层和支撑层，所述支撑层保持所述纤维过滤层为波形配置并且维持所述纤维过滤层的毗邻波的波峰和波谷分离，其中具有所述波形配置的所述纤维过滤层由具有平面配置和至少约2.0gsm的转变盐负载量的纤维层形成；以及
其中所述过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率为至少约25％。
3.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层包含亲水性纤维。
4.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层包含疏水性纤维。
5.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中选择所述纤维过滤层的基重使得：
其中：
BW为所述纤维过滤层的基重；
MP为所述纤维过滤层的平均孔径；
E为所述纤维过滤层的表示为分数的最小DEHS效率；
a等于2；以及
b等于6.5。
6.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述支撑层包含平均纤维直径为约9微米至约18微米的纤维。
7.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述过滤介质包括平均纤维直径为约9微米至约18微米的第二支撑层。
8.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述过滤介质还包括设置在所述支撑层上的至少一个覆盖层。
9.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层包含平均纤维直径为约1微米至约5微米的纤维。
10.根据权利要求2所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的平均流量孔径为至少约11.5微米。
11.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的基重为大于或等于约10g/m2且小于或等于约40g/m2。
12.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的基重为大于或等于约13g/m2且小于或等于约20g/m2。
13.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的滤饼负载线的斜率为1mm H2O/gsm盐负载量每样品至约7mm H2O/gsm盐负载量每样品。
14.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的厚度为约6密耳至22密耳。
15.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中如根据ASTM F778-88测量的，所述纤维过滤层的透气率为约30CFM至150CFM。
16.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的表面积为至少约0.8克/平方米。
17.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的波峰和波谷的幅度为约0.1"至4.0"。
18.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述过滤介质在负载水分后的透气率下降百分比小于或等于约45％。
19.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述过滤介质在负载水分后的透气率下降百分比小于或等于约50％。
20.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述纤维过滤层的密实度为约1％至约20％。
21.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中所述过滤介质的最小DEHS颗粒过滤效率为至少约35％。
22.根据任一前述权利要求所述的过滤介质，其中具有所述波形配置的所述纤维过滤层由具有平面配置和至少约3.5gsm的转变盐负载量的纤维层形成。
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