CN1232335C - 用来过滤空气流以除去气流中夹带的颗粒物质的空气过滤装置 - Google Patents

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Abstract

用于工业空气净化器的过滤装置包括阻挡介质,它们通常是折叠的,用细纤维附着物来处理。该介质在高温(大于140)操作环境中特别有利。

Description

用来过滤空气流以除去气流中 夹带的颗粒物质的空气过滤装置
本申请是于2001年8月10日以Donaldson股份有限公司(一家美国公司)的名义提交的PCT国际专利申请,指定除美国以外的所有国家,并要求2000年9月5日提交的美国序列号No.60/230,138和2001年5月31日提交的美国序列号No.09/871,575的优先权。
                             技术领域
本发明涉及过滤装置及其过滤方法。更具体地说,本发明涉及用于从气流,例如空气流中过滤颗粒物质的装置。本发明还涉及用于按照要求从这种气流中除去颗粒物质的方法。
本发明是本发明的受让人明尼苏达州Minneapolis的Donaldson股份有限公司不断开发的成果。本公开内容涉及与美国专利B2 4,720,292、Des 416,308、5,613,992、4,020,783和5,112,372的主题部分相关的连续的技术开发。上述各专利也归明尼苏达州Minneapolis的Donaldson股份有限公司所有,各专利的全部内容参考结合于此。
本发明还涉及聚合物材料,这些聚合物材料可制成对热、湿气、反应性物质和机械应力等具有改善的环境稳定性。这些材料可用来形成具有改善的稳定性和强度的细纤维,如微米纤维和纳米纤维材料。随着纤维尺寸的减小,材料的耐久性日益成为一个问题。这些细纤维可用于各种用途。在一个用途中,过滤器的结构可使用该细纤维技术来制备。本发明涉及聚合物、聚合物组合物、纤维、过滤器、过滤器结构体和过滤方法。本发明的应用特别涉及从流体流,例如从气流和液(例如,非水和水)流中过滤颗粒。描述的技术涉及在过滤介质中具有一层或多层细纤维的结构。组合物及纤维的尺寸要结合其性能和耐久性来进行选择。
背景技术
在气体中悬浮颗粒物质的情况会在许多工业领域中碰到。在一些工业中,颗粒物质是有价值的产品,例如要回收的淀粉。对其它工业,如金属加工业而言,颗粒物质可作为粉尘简易地从空气中除去。用来净化载有颗粒物质的空气或气流的系统包括具有置于外壳中的过滤部件的空气过滤装置。该过滤部件可以是适宜的织物或折叠纸的袋或滤袋。净化通过周期性地向过滤部件的内部脉冲输送一短股压缩空气来完成,以使空气流反向通过过滤部件。这些空气过滤装置公开于,例如美国专利No.4,218,227和4,395,269中,将这些专利参考结合于此。
文丘里部件有时用来将一股压缩空气导入过滤部件中,并随着空气离开过滤部件恢复压能。通常,文丘里部件的进口端位于过滤室的外部或者伸入过滤部件的内部。例如,美国专利No.4,218,227公开了安装文丘里管,而文丘里部件置于与过滤部件相对的过滤室的隔板一侧上。美国专利No.3,942,962公开了具有伸到过滤部件内部中的文丘里管进口部分的文丘里部件。
本发明涉及具有改善性能的聚合物组合物,它可用于各种用途,包括形成纤维、微米纤维、纳米纤维、纤维织物、纤维垫、可渗透的结构如膜、涂层或膜。本发明的聚合物材料是具有一定物理性能的组合物,这些性能使呈各种物理形状或形式的聚合物材料具有抗湿气、热量、空气流、化学品和机械应力或冲击的降解作用。
在制造非织造细纤维过滤介质的过程中,使用了各种材料包括玻璃纤维、金属、陶瓷以及各种聚合物组合物。各种技术已经用于制造小直径微米纤维和纳米纤维。一种方法包括使熔融的或在随后要蒸发的溶液中的物质通过细毛细管或孔。纤维也可通过使用一般用来生产合成纤维如尼龙的“喷丝头”来形成。也已知静电抽丝的方法。这些技术包括使用皮下注射针、喷嘴、毛细管或活动发射器。这些结构提供聚合物的液体溶液,该溶液随后被高压静电场吸引到收集区内。随着物质从发射器中拉出并加速通过静电区,纤维变得非常细并且可通过溶剂蒸发形成纤维结构。因为对于过滤介质预期有要求更高的用途,所以需要性能显著提高的材料来承受100-250°F直到300°F的高温、10%-90%直至100%RH的高湿度、气体和液体的高流量,以及过滤微米及亚微米颗粒(约0.01至10微米以上),并从流体流中除去磨损性和非磨损性以及反应性和非反应性颗粒。
因此,实质上需要能提供用来过滤具有高温、高湿、高流量和所述微米及亚微米颗粒物质流的性能提高的聚合物材料、微米及纳米纤维材料和过滤器结构体。业已开发了用来除去颗粒的各种空气过滤器或气体过滤装置。可是,一般而言,总是试图不断改进。
                             发明内容
本文中提供了用于空气过滤装置的设计及用途的一般技术。这些技术包括优选的过滤介质。一般而言,优选的介质涉及空气过滤器中使用阻挡介质,一般是折叠介质,并且细纤维是有利的。过滤介质至少包括在机械稳定的过滤器结构体中微米或纳米纤维织物层与基底材料的结合。当流体如气体或液体通过过滤介质时,这些层一同提供了极好的过滤性、较高的颗粒捕获性能、以及在最低流量限制下的效率。基底可设置在流体流的上游、下游或内层中。近年来,关于使用用于过滤的过滤介质的各种工业方法受到了极大的关注,例如,从流体如气体或液体中除去不需要的颗粒。普通的过滤方法从流体,包括空气流或其它气体流中或者从液体流如液压液、润滑油、燃料油、水流或其它流体中除去颗粒。这些过滤方法对微米纤维和基底材料的机械强度、化学和物理稳定性有要求。该过滤介质可置于宽范围的温度条件、湿度、机械振动和冲击、以及流体流中夹带的反应性和非反应性、磨损性和非磨损性颗粒中。此外,过滤介质经常需要将过滤介质暴露在反向压力脉冲(流体流的短时间反向用以除去颗粒的表面覆盖层)作用下的自净能力或者能从过滤介质表面除去夹带的颗粒的其它净化机构。在脉冲净化之后,该反向净化能导致显著改善即减小压力降。颗粒的捕获效率一般不能在脉冲净化之后改善,但是脉冲净化会减小压力降,从而节省用于过滤操作的能量。该过滤介质可使用振动清洁法来清洁,其中,振动介质使集合在表面上的颗粒变松。为了使这些过滤器运行,可将它们拆除,置于水或非水清洁组合物中清洗。该介质通常通过抽出细纤维,然后在多孔基底上形成微米纤维的连结织物来制造。在抽丝过程中,纤维之间可形成物理结合,使纤维垫子连结为完整的层。然后,该材料可构成所需的过滤器形式,如筒、平盘、罐、板、袋和盒。在这些结构中,介质可充分地打褶、辊压或以其它方式设置于支撑结构上。
本发明提供了性能改善的聚合物材料。该聚合物具有改善的物理及化学稳定性。该聚合物细纤维(0.0001-10微米、0.005-5微米、或者0.01-0.5微米)可制成有用的产品形式。纳米纤维是直径小于200纳米(约0.2微米)的纤维。微米纤维是直径大于0.2微米,但是不超过10微米的纤维。该细纤维可制成改进的多层微滤介质结构的形式。本发明的细纤维层包含无规分布的细纤维,它们能结合形成连结织物。过滤的进行很大程度上是细纤维阻碍了颗粒通过的结果。附着细纤维的基底提供了刚性、强度、折叠性等结构性能。细纤维连结网络具有重要的特征,如呈微米纤维或纳米纤维形式的细纤维之间较小的空隙。这些纤维之间的空隙一般约为0.01-25微米或者通常是约0.1-10微米。在选择了合适基底的情况下,包含细纤维层和纤维素层的过滤产物较薄。对总的细纤维加基底过滤介质,细纤维加上的厚度小于1微米。在使用中,过滤器可防止所带颗粒通过细纤维层,并且能获得截留颗粒的相当大表面负载。这些包含粉尘或其它附带颗粒的颗粒很快地在细纤维表面上形成尘块,并维持较高的除去颗粒的起始效率及总体效率。即使对于颗粒尺寸约0.01-1微米的较细的污染物,包含细纤维的过滤介质也有非常高的粉尘容量。
本文中公开的聚合物材料具有显著改善对不利作用,如热量、湿度、高流量、反向脉冲净化、操作磨损、亚微米颗粒、使用时过滤器净化以及其它要求条件的耐受性。改善的微米纤维和纳米纤维的性能是形成微米纤维或纳米纤维的聚合物材料性能改善的结果。此外,在磨损性颗粒和没有松散纤维或原纤维的平滑外表面存在条件下,使用本发明的改善的聚合物材料的过滤介质提供了一些有利的特征,包括较高的效率、较低的流动限制、高耐久性(对于有关的应力或对于有关的环境)。过滤材料的总体结构提供了总体较薄的介质,它能提高每单位体积介质面积、降低通过介质时的速度、改善介质效率、以及降低流动限制。
本发明的一种较佳方式是包含第一聚合物和第二、但是不同的聚合物(聚合物的类型、分子量或物理性质不同)的聚合物混合物,它在升高的温度下进行调节或处理。聚合物混合物可反应形成单一化学物质或者可通过退火过程用物理方法混合成混合的组合物。退火是指物理变化,像结晶度、应力弛豫或取向的变化。较佳的材料是化学反应成单一聚合物质,使差示扫描量热计分析揭示其为单一聚合物材料。该材料与较佳的添加剂材料组合时能在微米纤维上形成添加剂的表面涂层,从而提供了与高温、高湿或困难的操作条件的相关的疏油性、疏水性或其它相关的改善的稳定性。该类材料的细纤维的直径可为2微米至小于0.01微米。这些微米纤维可具有包含添加剂材料独立层或者添加剂材料外涂层的平滑表面,该添加剂材料在聚合物表面上部分增溶或形成合金,或者同时两种情况都有。混合聚合体系中使用的较佳的材料包括:尼龙6、尼龙66、尼龙6-10、尼龙(6-66-610)共聚物和其它线型的通常是脂肪族尼龙组合物。用端基滴定法分析了一种较佳的尼龙共聚物树脂(SVP-651)的分子量(J.E.Walz和G.B.Taylor著“尼龙分子量的测定”,化学分析Vol.19,Number 7,第448-450页(1947))。其数均分子量(Wn)为21,500-24,800。组成通过约45%的尼龙6、约20%的尼龙66和约25%的尼龙610等三种组分尼龙的熔融温度的相图来估算(Melvin Kohan等人编“尼龙塑料手册”第286页,Hanser出版社,纽约(1995)  )。
报道的SVP 651树脂的物理性能是:
性能 ASTM法 单位 典型值
比重 D-792 - 1.08
吸水性(浸24小时) D-570 2.5
硬度 D-240 Shore D 65
熔点 DSC ℃(°F) 154(309)
拉伸屈服强度 D-638 MPa(kpsi) 50(7.3)
断裂伸长率 D-638 350
弯曲模量 D-790 MPa(kpsi) 180(26)
体积电阻系数 D-257 ohm-cm 1012
水解度为87-99.9+%的聚乙烯醇可用于这些聚合物体系中。它们较好是交联的。它们最好是交联的,并与大量的疏油和疏水添加剂材料结合。
本发明的另一个较佳的方式涉及用添加剂组合物结合单一聚合物材料,以改善纤维的寿命或操作性能。用于本发明的这一方面的较佳聚合物包括:尼龙聚合物、聚偏二氯乙烯聚合物、聚偏二氟乙烯聚合物、聚乙烯醇聚合物,特别是当这些所列材料与强疏油和疏水添加剂结合时,结果可形成带有在细纤维表面上形成涂层的添加剂材料的微米纤维或纳米纤维。再者,类似聚合物的混合物,如类似尼龙的混合物、类似聚氯乙烯的聚合物、聚偏二氯乙烯聚合物的混合物可用于本发明中。此外,本发明也可考虑不同聚合物的混合物或合金。在这方面,聚合物的相容混合物可用来形成本发明的微米纤维材料。可使用例如氟表面活性剂、非离子表面活性剂、低分子量树脂(例如分子量低于约3000的叔丁基苯酚树脂)的添加剂组合物。该树脂以在没有亚甲基桥联基团的条件下在苯酚环之间的低聚键合为特征。羟基和叔丁基的位置可无规位于环的周围。苯酚环之间的键合总是紧邻羟基发生,不是无规的。类似地,聚合物材料可与由双酚A形成的醇可溶的非线型聚合树脂结合。该材料与上述叔丁基苯酚树脂类似,因为它是在不存在桥联基团如亚烷基或亚甲基的条件下,使用低聚键合直接将芳环互相连接而形成的。
本发明的特别好的材料包含直径约为0.001-2微米的微纤维材料。最好的纤维尺寸在0.05-0.5微米之间。这些具有较佳尺寸的纤维提供了极好的过滤活性、易于逆向脉冲净化以及其它方面的优点。本发明的较佳聚合物体系具有粘着特性,使之在与纤维质基底接触时,以足够的强度粘着在基底上,从而牢固地结合在所述基底上并且可以抵抗逆向脉冲净化技术和其它机械应力的脱层作用。在这种方式中,所述聚合物材料必须一直粘着在基底上,同时能经受基本上相当于除了逆向经过过滤结构以外的常规过滤条件的脉冲净化输入。当纤维与基底接触或者用热或压力后处理基底上的纤维时,这种粘着可由纤维成形的溶剂作用产生。但是,聚合物特性,例如类似于氢键的特殊化学相互作用、Tg以上或者以下发生的聚合物和基底之间的接触、以及包含添加剂的聚合物配方,看上去在决定粘着时起重要的作用。在粘着时用溶剂或水蒸汽增塑的聚合物可以提高其粘着力。
本发明的一个重要方面是利用该微米纤维或者纳米纤维材料形成过滤结构。在这种结构中,本发明的细纤维材料形成并粘着在过滤基底上。可以使用天然纤维和合成纤维基底,如纺粘织物、合成纤维的非织造物以及由纤维素材料、合成和玻璃纤维的混和物制成的非织造物;非织造和织造的玻璃纤维织物;塑性网状材料如挤出和冲孔材料;有机聚合物的UF和MF薄膜。然后将片状基底或者纤维素非织造织物制成过滤结构,将其置于包括空气流或者液流的流体中用于除去流体中悬浮或者夹带的颗粒。所述过滤材料的形状和结构要合乎设计工程师的要求。过滤部件形成之后的一个重要参数是其对热量、湿度或者两者的耐受性。本发明的过滤介质的一个方面是对过滤介质耐受长时间浸没在温水中的能力的测试。浸没测试可以提供关于细纤维耐受湿热环境以及耐受在含有大量强清洁表面活性剂和强碱性材料的水溶液中的净化过滤部件的能力的有价值信息。较佳地,本发明细纤维材料可以耐受浸没在热水中,而保留至少50%的在基底表面上形成的细纤维。保留至少50%的细纤维可以维持相当大的纤维效率,而不损失过滤能力,或不增加背压。最好的是保留至少75%。
                             附图说明
图1显示一个典型的用来制造本发明的细纤维的静电发射器驱动设备。
图2显示图1所示的细纤维成形工艺中的设备,用来将细纤维引到过滤器基底上。
图3是支撑材料的典型内部结构的图,图中有微小的即2和5微米颗粒物质作为对比,还分别显示细纤维材料。
图4-11是与实施例13有关的分析ESCA能谱。
图12示出实施例5的本发明的0.23和0.45微米纤维材料的稳定性。
图13-16示出与未改性的尼龙共聚物溶剂可溶聚酰胺相比,实施例5和6材料的改善的温度及湿度稳定性。
图17-20证明了两种共聚物(尼龙均聚物和尼龙共聚物)的混合物经热处理并与添加剂混合后,就形成一种单组分材料,它不显示两种分离的聚合物材料的可区别特征,但是显示出交联或者以其它方式化学结合的单相。
图21是本发明的包括过滤部件的空气过滤系统的一个实施方式的局部断开侧视图。
图22是本发明的包括过滤部件和文丘里部件的空气过滤系统的另一个实施方式的局部断开侧视图。
图23是用于图21和22的系统中的过滤部件的透视图。
图24是沿图23的线24-24的图23的过滤部件的截面示意图。
图25是密封在图21或22所示的系统中的图23和24的过滤部件的放大的截面示意图。
图26是具有安装在其上的文丘里部件,并用于图22的系统中的过滤部件的一个实施方式的局部截面图。
图27是脉冲喷射净化系统和文丘里部件的平面图。
                           具体实施方式
包含本发明的含有微米或纳米纤维层的细纤维可以是纤维并具有约0.001-2微米、最好是0.05-0.5微米的直径。一般的细纤维过滤层的厚度约为基重约为0.01-240微克/cm2的纤维直径的1-100倍。
流体如空气和气流中经常携带有颗粒物质。需要除去流体中的一些或者所有的颗粒物质。例如,进入机动车厢的空气流,电脑磁盘驱动器中的空气,HVAC空气,清洁室换气以及使用过滤袋、阻挡织布、织造材料的用途、进入机动车或发电设备的发动机的空气,导入燃气轮机的气流,和进入各种燃烧炉中的气流,所有这些空气流中经常包含颗粒物质。车厢空气过滤器是为了使乘客舒适和/或美观而除去颗粒物质。至于进入发动机、燃气轮机和燃烧炉中的空气和气流,需要除去颗粒物质是因为颗粒会对包括各种机构的内部工件产生实质性的损害。在其它情况下,来自工业过程或者发动机的生产气或者排出气中可含有颗粒物质。在能够或者应该将这些气体经各种下游设备排入大气之前,需要充分除去这些流体中的颗粒物质。
考虑以下过滤介质的类型:表面负载介质和深度介质,可以对空气过滤器设计的一些基本原理和问题有一般的认识,对各种这些类型的介质已经作了很好的研究并已经广泛地使用。例如,在美国专利No.5,082,476、5,238,474和5,364,456中说明了和它们有关的某些原理。将这三个专利的全部公开内容参考结合于此。
过滤器的“寿命”通常根据选定的通过过滤器的限制压力降来限定。通过过滤器的压力增加限定在应用或设计的限定水平下的寿命。由于这种压力增加是负载的结果,对相同效率的系统来说,较长的寿命一般直接与较高的能力相关。效率是介质捕获颗粒而不是通过颗粒的倾向。明显地,通常过滤介质从气流中除去颗粒的效率越高,过滤介质一般就越快地接近“寿命”压力差(假定其它变量保持恒定)。在该应用中,术语“为过滤目的而不改变”是指由于选定的用途需要,维持足够的效率以从流体流中除去颗粒。在本发明的过滤器基底上形成的细纤维层应该在过滤性能与纤维位置方面基本上均匀。关于基本上均匀,我们指纤维对基底充分地覆盖以具有至少一些遍及覆盖的基底的可测定的过滤效率。充分过滤可用上面添加纤维的各种变化方式产生。因此,细纤维层可在纤维覆盖层、基重、层厚度或上面添加纤维的其它测定值上改变,并依然较好地保持在本发明的范围内。即使上面添加较少的细纤维也能增加总的过滤器结构体的效率。
以非织造及织造的织物、纤维和微米纤维来制造聚合物材料。该聚合材料提供了产品稳定性所需的物理性能。这些材料不应在尺寸上有很大的变化,经受分子量减小,挠性变差或者在阳光、湿气、高温或其它不利的环境作用下承受应力开裂或物理损坏。本发明涉及改善的聚合材料,它能在遭受电磁辐射如环境光、热、湿气以及其它物理损害时保持物理性能。
可用于本发明的聚合组合物的聚合物材料包括加成聚合物和缩合聚合物材料,如聚烯烃、聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚和酯、聚亚烷基硫醚、聚芳醚、聚砜、改性聚砜聚合物以及它们的混合物。在这些种类中的较佳材料包括聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(以及其它丙烯酸树脂)、聚苯乙烯、以及它们的共聚物(包括ABA型嵌段共聚物)、聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯、交联和非交联形式的有各种水解度(87-99.5%)的聚乙烯醇。较佳的加成聚合物往往是玻璃状的(Tg大于室温)。这种情况是针对聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯聚合物组合物或合金,或者对聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇,结晶度较低。一类聚酰胺缩聚物是尼龙材料。术语“尼龙”是所有长链合成聚酰胺的统称。一般地,尼龙命名包括一系列数字,如在尼龙-6,6中,数字表示起始材料是C6二胺和C6二酸(第一个数字表示C6二胺,第二个数字表示C6二羧酸化合物)。另一类尼龙通过在少量水存在下ε-己内酰胺的缩聚来制得。该反应形成尼龙-6(由环内酰胺-也称为ε-氨基己酸制得),它是线型聚酰胺。此外,还考虑尼龙共聚物。共聚物可通过在反应混合物中混合各种二胺化合物、各种二酸化合物和各种环内酰胺结构,然后在聚酰胺结构中形成具有无规分布的单体材料的尼龙来制得。例如,尼龙6,6-6,10材料是由己二胺以及C6和C10混合的二酸制得的。尼龙6-6,6-6,10是由ε-氨基己酸、己二胺以及C6和C10的二酸材料的共聚合制得的尼龙。
嵌段共聚物也使用在本发明方法中。使用这些共聚物,溶剂溶胀剂的选择很重要。选定的溶剂要使两段都溶解在该溶剂中。一个例子是二氯甲烷溶剂中的ABA(苯乙烯-EP-苯乙烯)或AB(苯乙烯-EP)聚合物。如果有一种组分不溶于该溶剂,它将形成凝胶。这些嵌段共聚物的例子是Kraton型苯乙烯-b-丁二烯和苯乙烯-b-氢化丁二烯(乙烯丙烯)、Pebax型ε-己内酰胺-b-环氧乙烷、Sympatex聚酯-b-环氧乙烷以及环氧乙烷和异氰酸酯的聚氨酯。
加成聚合物如聚偏二氟乙烯、间同立构聚苯乙烯、偏二氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯,无定形加成聚合物如聚丙烯腈及其与丙烯酸和甲基丙烯酸酯的共聚物、聚苯乙烯、聚氯乙烯及其各种共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯及其各种共聚物,可较简便地进行溶液抽丝,因为它们在低压和低温下可溶。但是,如果高结晶聚合物如聚乙烯和聚丙烯要进行溶液抽丝,它们需要高温、高压溶剂。因此,聚乙烯和聚丙烯的溶液抽丝非常困难。静电溶液抽丝是一种制得纳米纤维和微米纤维的方法。
我们还发现在聚合物混合物、合金形式或交联的化学键合结构中形成包含两种或多种聚合材料的聚合组合物的显著优点。我们相信该聚合物组合物通过改变聚合物性能如改善聚合物链挠性或链移动性、增加总的分子量以及通过形成聚合材料的网状结构而增强来改善物理性能。
在该方面的一个实施方式中,可混合两种相关的材料使性能更好。例如,高分子量的聚氯乙烯可与低分子量的聚氯乙烯混合。类似地,高分子量的尼龙材料可用低分子量的尼龙材料混合。此外,可混合不同类的普通聚合物种类。例如,高分子量的苯乙烯材料可用低分子量的高耐冲击聚苯乙烯混合。尼龙-6材料可用尼龙共聚物如尼龙-6、6,6、6,10共聚物混合。此外,具有较低水解度的聚乙烯醇如87%水解的聚乙烯醇可用水解度为98-99.9%及更高的完全或过量水解的聚乙烯醇混合。混合物中的所有这些材料可使用适宜的交联剂交联。尼龙可使用与酰胺键中的氮原子反应的交联剂交联。聚乙烯醇材料可使用羟基反应性材料比如单醛,如甲醛、脲、密胺-甲醛树脂及类似物质、硼酸以及其它无机化合物、二醛、二酸、氨基甲酸酯、环氧化物及其它已知的交联剂来交联。交联技术为人熟知和了解,其中,交联剂反应并在聚合物链之间形成共价键以显著地提高分子量、耐化学性、总强度和耐机械降解性。
我们发现这些添加剂材料能显著地提高呈细纤维形式的聚合物材料的性能。这些添加剂材料的存在,能显著地提高对热、湿、机械应力以及其它负面环境影响的耐受性。我们还发现在加工本发明的微米纤维材料时,这些添加剂材料能改善疏油性、疏水性,并能显示有助于提高材料的化学稳定性。我们相信呈微米纤维形式的本发明的细纤维可通过这些疏油和疏水添加剂的存在而改善,因为这些添加剂形成保护性涂层、烧蚀表面或者渗入表面一定的深度以改善聚合材料的性能。我们相信这些材料的重要特性是最好还具有疏油特性的强疏水基团的存在。强疏水基团包括氟碳基团、疏水烃表面活性剂或嵌段物,以及大量的烃低聚物组合物。这些材料制成一部分分子往往与一般能形成物理结合的聚合物相容或与该聚合物缔合的组合物,而强疏水或疏油基团由于添加剂与该聚合物缔合,形成位于表面上的保护性表层或者变得与聚合物表层熔合或混合。对具有10%添加剂含量的0.2微米纤维而言,如果添加剂向该表面迁移,则表面厚度计算得约50。由于主体材料中疏油或疏水基团的不相容的性质,相信会产生迁移。50厚度看起来是保护性涂层理想的适当厚度。对0.05微米直径的纤维而言,50厚度与20质量%相对应。对2微米厚的纤维而言,50厚度与2质量%相对应。较佳地,添加剂质以约2-25重量%的量使用。可与本发明的聚合物材料结合使用的低聚物添加剂包括分子量约500-5000、最好是约500-3000的低聚物,包括含氟化学物质、非离子表面活性剂和低分子量的树脂或低聚物。用于本发明的含氟有机湿润剂是由通式Rf-G表示的有机分子,式中,Rf是含氟脂肪族基团,G是含有至少一个亲水基团如阳离子、阴离子、非离子或两性基团的基团。优选非离子材料。Rf是含有至少两个碳原子的氟化的、单价的、脂肪族有机基团。较佳地,它是饱和的全氟脂肪族单价有机基团。但是,氢或氯原子可作为主链上的取代基存在。虽然含有大量碳原子的基团可充分地起作用,但是优选含有不超过20个碳原子的化合物,因为与具有较短的主链的可能的基团相比,大的基团通常表示较低的氟利用效率。较佳地,Rf含有约2-8个碳原子。
用于本发明使用的含氟有机试剂的阳离子基团可以包括胺或者季铵阳离子基团,它们可不含氧(例如-NH2)或含有氧(例如氧化胺)。这些胺和季铵阳离子亲水基团可具有如下通式:-NH2、-(NH3)X、-(NH(R2)2)X、-(NH(R2)3)X或-N(R2)2→O,式中,x是阴离子反离子,如卤离子、氢氧根、硫酸根、硫酸氢根或羧酸根,R2是H或C1-18烷基,且各个R2可以与其它R2基团相同或不同。较佳地,R2是H或C1-16烷基,X是卤离子、氢氧根或硫酸氢根。
用于本发明使用的含氟有机湿润剂的阴离子基团包括通过电离变成阴离子基的基团。这些阴离子基团可具有以下通式:-COOM、-SO3M、-OSO3M、-PO3HM、-OPO3M2或-OPO3HM,式中,M是H、金属离子、(NR1 4)+或(SR1 4)+,R1各自独立地为H或者取代的或未取代的C1-C6烷基。较佳地,M是Na+或K+。本发明使用的含氟有机湿润剂的较佳阴离子基团具有通式-COOM或-SO3M。阴离子含氟有机湿润剂的基团包括一般由具有侧接的氟碳基团附于其上的烯键式不饱和羧酸单酸和二酸单体制得的阴离子聚合材料。这些材料包括得自3M公司的称为FC-430和FC-431的表面活性剂。
用于本发明使用的含氟有机湿润剂的两性基团包括含有至少一个上述阳离子基团以及至少一个上述阴离子基团的基团。
用于本发明使用的含氟有机湿润剂的非离子基团包括亲水的,但是在正常农业使用条件的pH下不电离的基团。非离子基团可具有以下通式:-O(CH2CH2)xOH(式中x大于1)、-SO2NH2、-SO2NHCH2CH2OH、-SO2N(CH2CH2H)2、-CONH2、-CONHCH2CH2OH或-CON(CH2CH2OH)2。这些材料的例子包括具有以下结构的材料:
              F(CF2CF2)n-CH2CH2O-(CH2CH2O)m-H
式中,n为2-8,m为0-20。
其它含氟有机湿润剂包括描述在美国专利No.2,764,602、2,764,603、3,147,064和4,069,158中的那些阳离子含氟化学物质。这些两性含氟有机湿润剂包括描述在美国专利No.2,764,602、4,042,522、4,069,158、4,069,244、4,090,967、4,161,590和4,161,602中的那些两性含氟化学物质。这些阴离子含氟有机湿润剂包括描述在美国专利No.2,803,656、3,255,131、3,450,755和4,090,967中的那些阴离子含氟化学物质。
这些材料的例子是duPont Zonyl FSN和duPont Zonyl FSO非离子表面活性剂。可用于本发明聚合物的另一方面添加剂包括低分子量氟碳丙烯酸酯材料,如具有以下一般结构的3M公司的Scotchgard材料:
                        CF3(CX2)n-丙烯酸酯
式中,X是-F或-CF3,n为1-7。
此外,包括低级醇乙氧基化物、脂肪酸乙氧基化物、壬基酚乙氧基化物等的非离子烃表面活性剂也可用作本发明的添加剂材料。这些材料的例子包括TritonX-100和Triton N-101。
用作本发明组合物中的添加剂材料的有用的材料是叔丁基苯酚低聚物。这些材料可以是分子量较低的芳香族酚树脂。这些树脂是通过酶催化氧化偶联制得的酚聚合物。亚甲桥的不存在导致了特殊的化学和物理稳定性。这些酚树脂可用各种胺和环氧化物交联,并与各种聚合物材料相容。这些材料通常由以下结构式列出,其特征在于,酚材料的重复单元中不存在具有酚和芳香族基团的亚甲基桥联基团,:
式中,n为2-20。这些酚材料的例子包括得自Ohio州Columbus的EnzymolInternational公司的Enzo-BPA、Enzo-BPA/苯酚、Enzo-TBP、Enzo-COP以及其它相关的酚。
应该明白,对于各种用途,有相当广的种类的纤维过滤介质存在。本发明描述的耐久性纳米和微米纤维可加在任何介质上。本发明描述的纤维还可用来替换这些现有介质的纤维组件,给出改善的性能(改善效率和/或减小压降)的显著的优点,因为它们的直径较小,同时显示更好的耐久性。
虽然已知纳米纤维和微米纤维,但是它们的使用很受限制,因为它们在机械应力下易碎裂,并且由于它们的表面积与体积的比例非常高,故易受化学降解。本发明描述的纤维克服了这些限制,因此,可使用于各种过滤、织物、膜以及其它多种用途。
                        某些附图的详细说明
单元中的微米纤维或者纳米纤维可由静电抽丝法形成。在图1中示出了用于形成纤维的合适装置。该装置包括其中装有形成细纤维的聚合物溶液的储槽80、泵81以及将聚合物溶液泵出的旋转型发射装置或发射器40。发射器40通常由旋转接头41、包含许多偏置孔44以及用于连接面向前部件和旋转接头的轴43的旋转部件42。旋转接头41用于将聚合物溶液通过中空轴43引到面向前面部件42中。孔44沿着所述面向前部件42的周边间隔分布。或者,旋转部件42可以浸没在由储槽80和泵81进料的聚合物储槽中。然后,旋转部件42从储槽中获得聚合物溶液,并且当它在静电场中旋转时,溶液液滴就会如下所述被静电场加速,飞向收集介质70上。
面对发射器40但与之隔开一段距离的是基本平的栅格60,其上固定有收集介质70(即基底或结合基底)。空气可从栅格中抽出。收集介质70绕着邻近栅格60两端的滚筒71和72移动。使用适当的静电电压源61以及分别连接于栅格60和发射器40的连线62和63,在发射器40和栅格60之间保持高的静电电势。
在使用中,将聚合物溶液从储槽80抽入旋转接头41或者储槽中。面向前部件42旋转,此时液体离开孔44或者从储槽中抽出,并从发射器的外缘向位于栅格60上的收集介质70移动。具体地说,栅格60和发射器40之间的静电电势使物料带上电荷,导致液体作为细纤维从中发射出来,拉向栅格60并收集在基底12或高效层14上。对于溶液形成的聚合物,在他们飞向栅格60时,纤维上的溶剂蒸发掉;因此,纤维达到基底12或高效层14。粘结在基底纤维上的细纤维首先碰到栅格60。选择静电场强度以确保当聚合物材料从发射器向收集介质70加速时,该加速度足以使聚合物原料形成很细的微米纤维或者纳米纤维结构。提高或降低收集介质的行进速度,可以在形成介质上沉积更多或者更少的发射纤维,由此控制介质上沉积的各层的厚度。旋转部件42可具有各种有益的位置。旋转部件42可以置于与收集介质70的表面垂直的旋转面上,或者以任意角度定位。旋转介质可以平行定位,或者稍微偏离平行方向定位。
图2是用于在片状基底或者介质上形成一层细纤维的装置和方法的一般示意图。在图2中,片状基底在工位20处退卷。然后,片状基底20a被导向拼接工位21,在这里为进行连续操作将许多段基底拼接起来。连续长度的片状基底再导向包括图1的抽丝工艺的细纤维工艺工位22,该抽丝装置形成细纤维并将细纤维铺置在片状基底上形成过滤层。在形成区域22中的片状基底上形成细纤维层之后,将细纤维层和基底导向热处理工位23进行适当的处理。然后在高效监控器24(参见美国专利No.5,203,201,为说明方法和监控,特别地将其参考结合于此)中测试片状基底和细纤维层,并且如果需要的话,在夹持工位25处夹持。然后,将片状基底和纤维层导向适当的卷绕工位,将其卷绕在适当的锭子上,供进一步的处理26和27。
图3是显示直径约为2和5微米的普通的粉尘颗粒与在普通纤维素介质和普通细纤维结构中孔隙尺寸对比关系的扫描电子显微图。在图3A中,显示了在孔隙明显大于普通颗粒直径的纤维素介质33中的2微米颗粒31和5微米颗粒32。与之形成鲜明对比的是,在图3B中,2微米颗粒31近似等于或大于在纤维织物35中纤维之间一般的孔隙,而5微米颗粒32大于细纤维织物35中的所有孔隙。
上文中对本发明聚合物材料的各个方面进行了一般性描述、包括微米纤维和纳米纤维的本发明的细纤维材料以及得自本发明细纤维材料的有用的过滤结构的构造,提供了对本发明操作的普通技术原理的了解。以下具体的例举材料是可用于形成本发明的细纤维材料的材料的例子,且以下材料公开了最好的方式。以下例举的材料用下述特征和工艺条件来制造。小于10微米的较小直径纤维的静电抽丝通过使用得自强电场的静电力用作拉力,将聚合物喷射流拉伸成细丝来得到。可在静电抽丝过程中使用聚合物熔体,可是,小于1微米的纤维最好由聚合溶液制得。随着聚合物拉成较小的直径,溶剂蒸发并有助于纤维尺寸减小。溶剂的选择由于几个原因很严格。如果溶剂干燥太快,则纤维会变得平坦且直径较大。如果溶剂干燥太慢,则溶剂将再溶解形成的纤维。因此,干燥速度与纤维成形的匹配是很严格的。在较高的制造速度下,大量的废气流有助于预防可燃气氛,并减少火灾的危险。不燃的溶剂是适用的。在生产环境中,生产设备需要偶尔进行清洁。安全的低毒性溶剂将工人接触有害化学品的情况减至最小。静电抽丝可在每发射器的流量为1.5ml/分钟、目标距离为8英寸、发射器电压为88kV、发射器转速为200rpm,以及相对湿度为45%的条件下进行。
聚合物系统的选择对给定的用途很重要。对脉冲净化用途而言,极薄层的微米纤维有助于将压力损失减至最小并提供外表面用来捕获和释放颗粒。优选直径小于2微米、最好是小于0.3微米的一薄层纤维。微米纤维或纳米纤维与它们沉积于其上的基底之间的良好的粘着很重要。当过滤器由基底与一薄层微米纤维和纳米纤维的复合物制成时,该复合物对于自净化应用是极好的过滤介质。重复反脉冲净化该表面,可更新过滤介质。由于在表面上施加着较大的力,对基底的粘着较差的细纤维会在从过滤器的内部经基底通向微米纤维的反脉冲作用下脱层。因此,微米纤维之间的良好的粘附以及基底纤维与静电抽丝纤维之间的良好粘着对成功的应用很关键。
满足上述需要的产品可使用由不同的聚合物材料制成的纤维来得到。具有良好粘着性能的细小纤维可由这些聚合物,如聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇,及包含各种尼龙,如尼龙6、尼龙4,6、尼龙6,6、尼龙6,10的聚合物和共聚物以及它们的共聚物制得。极好的纤维可由PVDF制得,但是要制成足够细小的纤维直径需要氯化的溶剂。尼龙6、尼龙66和尼龙6,10可进行静电抽丝。但是,溶剂如蚁酸、间甲酚、三氟乙醇、六氟异丙醇难以控制或者非常昂贵。优选的溶剂包括水、乙醇、异丙醇、丙酮和N-甲基吡咯烷酮,因为它们的毒性低。对与这些溶剂体系相容的聚合物进行了广泛的研究。我们发现,由PVC、PVDC、聚苯乙烯、聚丙烯腈、PMMA、PVDF制得的纤维需要额外的粘着方式以达到结构性能。我们还发现,当聚合物溶解在水、乙醇、异丙醇、丙酮、甲醇以及它们的混合物中并且成功地制成纤维时,它们对基底具有极好的粘合性,由此制成极好的过滤介质适用于自净化应用。当过滤介质用于非常高的粉尘浓度时,通过空气反脉冲或扭转的自净化是有用的。得自醇可溶聚酰胺和聚乙烯醇的纤维已成功地用于这些用途中。醇可溶聚酰胺的例子包括得自Henkel公司的Macromelt 6238、6239和6900,得自duPont公司的Elvamide 8061和8063以及得自Shakespeare Monofilament公司的SVP 637和651。另一类醇可溶性聚酰胺是类型8尼龙、烷氧基烷基改性的尼龙66(参照纽约Hanser出版社1995年出版的Melvin Kohan等人编“尼龙塑料手册”第447页)。聚乙烯醇的例子包括得自日本Kuraray公司的PVA-217、224以及得自空气产品和化学品公司的Vinol540。
我们发现,过滤器可能置于极限环境条件下。在沙特阿拉伯沙漠中的过滤器可能置于150°F或者更高的温度下。安装在印度尼西亚或者美国Gulf Coast的过滤器可能置于90%RH以上的高湿以及100°F的高温下。或者,它们还可能置于雨中。我们已经发现,在移动装置如轿车、卡车、公共汽车、拖拉机以及施工设备的罩盖下使用的过滤器可能置于高温(+200°F)、高相对湿度以及其它化学环境中。我们已经开发了评价恶劣条件下微米纤维系统的耐受性的试验方法。将所述过滤介质样品浸泡在热水(140°F)中5分钟或者置于高湿度、高温以及空气流中。
参照图21,一般图示了110的空气过滤系统或装置。图示的系统110显示在并排装置中有三个单元或组件构成在一起。该装置可以是,例如安装成6英尺×10英尺×10英尺空间的尺寸。
图21中的系统110包括用来吸收脏的或污染的空气(例如具有颗粒物质)的进口或导管111。出口或导管112设置为从过滤装置110中排出清洁的或过滤的空气。系统110的内部可通过检修门113进入。
依然参照图21,图示了一个断开的侧壁板117以显示该装置的各种部件的排列。在本实施方式中,空气进口111设置在上壁板116中,使得进入的载有粉尘的空气或其它污染的流体向下引入脏空气室122中。这样使该装置能利用重力将粉尘通过装置110移向收集区114中。脏空气室122由门113、上壁板116、两对对立的侧壁板117(从上壁板向下延伸)、阶梯壁结构129、以及一对倾斜表面123、124来确定。倾斜表面123、124部分地确定了装置底部的收集区或集尘斗114。
封接在沿各个侧壁板117的结构框部件上的是安装的具有阶梯形设计的隔板壁或管板结构128,其上安装了装置110的隔开的过滤部件132。管板结构128密封在所有的壁上以密封脏空气室122使之与清洁空气室160隔开。安装在阶梯形管板结构128上的过滤部件132位于在脏空气室122中,以通常与上表面板116的水平面倾斜成一锐角的向下的方向分级或隔开,且部分地相互覆盖。在该方法中,规定分布间距133在过滤装置110的最上部。随着脏空气从进口120进入装置110,它在过滤之前被接收到分布间距133中。
描述的单独的过滤部件132包括形成为各自具有末端的圆筒形管部件132的折叠介质135。除了下述较佳介质结构以外,各部件132的结构以及如何支撑管板结构128与美国专利No.4,395,269和5,562,746的过滤部件类似,将上述各专利参考结合于此。该过滤部件的详细结构以及该过滤介质如何制成稳定的圆筒形并用端盖限定描述在美国专利No.4,171,963(Schuler)中,将其参考结合于此。
现在参照图23和24,示出了一个过滤部件132的透视图和截面图。一般来说,过滤部件132包括第一和第二对置端盖133、134,和在它们之间的管状、最好是圆筒状过滤介质135的结构。介质结构135确定了开口过滤器内部138,在使用中,它也相当于清洁空气导管或压力通风系统。过滤介质135的管状结构固定或连结在端盖133、134上,并且在许多情况下,其模塑在端盖133、134的聚氨酯材料中。在所示的过滤部件132中,还有内支撑管或衬里136以及外支撑管或衬里137。衬里136、137各自有助于提供结构完整性或对介质135的支撑。
图25示出了一个所示的具体过滤部件132如何靠在管板128上密封的例子。具体地说,第一端盖133包括轴向延伸的垫片140。垫片140通过连接部件靠在管板128上压紧,如美国专利No.5,803,941所述,以形成与管板128的密封141。
再次参照图21,在所示装置中,过滤部件132成对排列,呈衔接的关系。最邻近管板128的各过滤部件132封接在管板128上,而最邻近阶梯板129的各部件132用连接部件封接在阶梯板129上。此外,互相邻接并相互衔接堆叠的各过滤部件132封接在各自端盖之间的邻近的过滤部件132上。
图22示出了空气过滤系统110′的另一实施方式。图22的装置类似于图21的装置,包括进口111′、出口112′、检修门113′、以及侧板116′、117′。此外,还有脏空气室122′、清洁空气室160′、以及管板128′。管板128′将脏侧122′与清洁侧160′隔开。安装在空气过滤系统110′中并靠在管板128′上的是过滤部件132′。图22的系统110′与图21的系统110之间的一个区别是存在文丘里部件170,如下述。图26示意性地描述了可操作地安装在管板128′内并紧靠在它密封的一个过滤部件132′。在端盖133′上的垫片部件140′靠着在管板128′上压紧,以与管板128′形成密封141′。
用来净化各个过滤部件132、132′的系统也设置在清洁空气室160、160′中。参照图22,该系统包括许多脉冲型阀门165和喷嘴或吹管197。阀门165和吹管197直接与管板结构128′的出口134(图26)成一直线排列,以将股压缩空气导入一对过滤部件132、132′的开口内部138中。脉冲型阀门(或反脉冲阀门)的类型、吹管、管的排列以提供压缩空气、以及对它们的控制和操作在现有技术中已知。
现在参照图26和27,所示的文丘里部件170包括进口喇叭型部分(或文丘里进口部分)174,以及喉管部分176。在所述实施方式中,还有扩散管部分(或文丘里出口部分)172。喉管部分176插在扩散管部分172与文丘里进口部分174之间并与它们相互连接。当空气过滤并以正常的过滤空气流模式(即没有反脉冲)从脏空气室122′通过过滤部件132′时,其通过扩散管172离开文丘里部件170进入清洁空气室160′中。所示的扩散管部分172具有发散(或扩口),实质上是直壁177以便于正常过滤条件下压力的恢复。喉管部分176可在朝向其内部的方向上凹陷,如美国专利5,562,746所述;或者,在图26所示的一个例子中,其轮廓可以从基线106到出口部分172直径逐渐减小,如美国专利6,090,173所述。
文丘里部件170位于与过滤部件132有关的管板结构128′上,使得文丘里进口部分174位于清洁空气室160′中。
依然参照图26,可以看到文丘里部件170通过连接基线106和管板128′的适宜的紧固件181固定在管板128′上。文丘里部件170的其它详细情况描述在美国专利No.5,562,746和6,090,173中,分别参考结合于此。
在图27中,示意性地示出了脉冲喷射系统的喷嘴或吹管197与文丘里部件170之间的间距182。随着空气通过吹管197离开,一股非对称的空气完全湍流并表现为无壁的剪切流。对这类空气流,速度剖面随着这股空气离开吹管197扩大并如所示在路径183处对着进入空气流移动。文丘里部件170允许来自路径183的该股空气按以下方式进入过滤部件132、132′的内部138、138′中:使得穿过端盖133、134之间的过滤介质135、135′的整个长度的气压不均匀分布。
文丘里部件170的吹管197和基线106之间的间距182一般小于25英寸,并且大于10英寸。在某些装置中,间距约为22-23英寸。在其它装置中,间距为20-21英寸,或者更小。这些类型的装置产生了基本上沿过滤部件135、135′的延伸部分的整个长度的净化正压差。
在操作中,空气或其它载有颗粒的气流通过空气进口120、120′进入脏空气室122、122′和过滤部件132、132′中。颗粒物质通过过滤介质135、135′从空气流中除去。如下所述,使用较佳的介质结构以得到优良的性能。净化空气流入开口过滤器内部138、138′中,并进入清洁空气室160、160′中。如果存在文丘里部件170,清洁空气在离开开口过滤器内部138、138′及进入清洁空气室160、160′时流过文丘里部件170。净化空气通过出口112、112′离开空气净化器110、110′。
在过滤之后,过滤部件132、132′覆盖了粉尘或其它颗粒物质。各过滤部件132、132′通过各自的阀门165和从其中排出一定量的压缩空气使之进入开口过滤器内部138、138′中的吹管197来脉冲喷射净化。如果存在文丘里部件170,压缩空气导入文丘里部件170的扩散管部分172中。过滤时,喷射流通入开口过滤器内部138中并以与空气流正常流动方向相反的方向通过介质135、135′。该股脉冲的空气敲掉过滤介质135、135′外部的粉尘块及其它颗粒,并利用重力使之进入集尘斗114中。
                          较佳的介质结构
在高温、高湿环境(即温度高于120°F、经常是140-300°F,湿度高于30%RH,经常是高于50-90%RH)下使用图21和22中所述类型的空气净化器系统时,已经发现用于介质135、135′的某些介质结构是有利的。一般来说,有关的该类介质是包括至少部分地被一层细纤维覆盖的基底的折叠过滤介质复合物。较佳地,该基底包含纤维素介质,它用细纤维的分布或涂布来处理。
细纤维过滤器的结构包括一个两层或多层的结构,此过滤器含有一个或多个与一层或多层合成的、纤维素的或混合的织物结合或者被它们隔开的细纤维层。另一个较好的特点是包括基质中的细纤维或其它纤维的混合物的结构。
我们认为过滤器结构体中的纤维和微米纤维层的重要特性是与耐温度性、防潮或防湿性以及耐溶剂性相关的,特别是当微米纤维在升高的温度下与湿气、水分或溶剂接触时。此外,本发明材料的第二个重要性质是与材料与基底结构的粘着性相关的。微米纤维层的粘着是纤维材料的一个重要性质,能制成该材料而使微米纤维层从基底上脱层,微米纤维层和基底可加工成包括有褶的卷压过的过滤结构和其它结构而没有显著的脱层。我们发现该制造方法的加热步骤中,温度升高到在或接近但是恰低于一种聚合物材料的熔融温度,一般是低于最低熔融温度的温度,能显著改善纤维相互之间以及对基底的粘着。在熔融温度或者高于熔融温度时,细纤维会丧失其纤维结构。控制加热速率也很关键。如果纤维长时间置于其结晶温度下,它也可能丧失纤维结构。仔细的热处理也会由于外部添加剂层形成而使聚合物性能改善,因为添加剂材料会迁移到表面上并露出纤维表面上的疏水或疏油基团。
性能的判断标准是该材料根据最终用途能在各种操作温度,例如140°F、160°F、270°F、300°F下1小时或3小时而保持完整,同时保留30%、50%、80%或90%的过滤效率。另一个性能的判断标准是该材料根据最终用途能在各种操作温度,例如140°F、160°F、270°F、300°F下1小时或3小时而保持完整,同时根据最终用途在过滤层中保留30%、50%、80%或90%的有效细纤维。在这些温度并在低湿、高湿和水饱和的空气下的保留性能很重要。本发明的微米纤维和纤维材料被认为是防潮的,该材料能经受在温度高于160°F的浸泡,而能维持效率超过约5分钟。类似地,本发明微米纤维材料和过滤材料的耐溶剂性得自能在70°F与溶剂如乙醇、烃、液压液或芳香族溶剂接触超过约5分钟的时间而保持完整的同时保留50%效率的材料。
本发明的细纤维材料可用于各种过滤器中,包括用于除尘燃气轮机和发动机的进气或吸气系统的脉冲净化和非脉冲净化的过滤器;燃气轮机的进气或吸气系统、重型发动机进气或吸气系统、轻型车辆发动机进气或吸气系统;车厢空气;越野车车厢空气、磁盘驱动器空气、影印机调色剂去除;用于商业或住宅过滤用途的HVAC过滤器。
纸过滤部件是广泛使用的表面负载型介质的形式。通常,纸部件包括与载有颗粒物质的气流垂直取向的纤维素、合成或其它纤维的致密垫子。纸通常构造成可渗气流,并且还具有足够细的孔径和适宜的孔隙率,以阻止大于选定尺寸的颗粒通过。当气体(液体)通过滤纸时,滤纸迎着气流的面经扩散和拦截来捕获及保留来自气(液)流中的选定尺寸的颗粒。颗粒在滤纸的该面上收集为粉尘块。一定时间后,该粉尘块也起过滤器作用,可增加过滤效率。这有时称为“时效”,即效率提高大于起始效率。
上述的简易过滤装置容易产生至少两类问题。首先是较为简单的缺陷,例如纸破裂,会导致系统失效。其次是颗粒物质会迅速在过滤器面对气流的面上堆积,形成薄的粉尘块或粉尘层,增加压力降。已经使用了各种方法来增加表面负载的过滤系统,如滤纸的寿命。一种方法是提供折叠结构的介质,使得与气流接触的介质的表面积比平面非折叠结构的介质大。虽然这样增加了过滤器的寿命,但是仍然受到很大的限制。为此,表面负载的介质主要应用于通过过滤介质的速度较低,通常不超过约20-30英尺/分钟,一般约10英尺/分钟或更低的情况。文中的术语“速度”是通过介质的平均速度(即体积流量/介质面积)。
一般来说,随着通过折叠纸介质的气流速度增加,过滤器的寿命按速度的平方递减。这样,当折叠滤纸的表面负载过滤系统作为用于需要较大流量的气体的系统的颗粒过滤器时,需要过滤介质有较大的表面积。例如,一般的公路行驶的柴油机卡车的圆筒形折叠滤纸元件的直径约为9-15英寸、长约12-24英寸,折叠深度约1-2英寸。这样,介质的过滤表面积(一个面上)一般为30-300平方英尺。
在许多用途,特别是那些涉及较高流量的用途中,使用有时通常称为“深度”介质的另一类型的过滤介质。一般的深度介质包括较厚缠结的纤维材料。深度介质通常用其孔隙率、密度或固含量的百分数来说明。例如,一个固含量为2-3%的介质是纤维的深度介质垫,其总体积的大约2-3%是纤维材料(固体),其余是空气或气体空间。
说明深度介质的另一个有用的参数是纤维直径。如果固体百分数保持不变,但是纤维直径(尺寸)减小,则孔或纤维间的间隔减小;即纤维变得更有效,将更有效地捕捉较小的颗粒。
一个普通的常规深度介质过滤器是深的、密度相对恒定(或均匀)的介质,即深度介质的固含量在整个厚度上保持基本恒定的系统。本文中的“基本恒定”是指密度仅有较小的不均匀,即便有,也只能在整个介质的深度上存在。这种不均匀,例如可由过滤介质所处的容器对外部接合表面轻微的压缩造成。
已经开发了梯度密度深度介质的装置。一些这样的装置描述于美国专利No.4,082,476、5,238,474和5,364,456中。通常,深介质装置可设计为提供基本上在其整个体积或深度“负载”颗粒材料。这样,与表面负载系统相比,当达到全部的过滤器寿命时,这些装置就能设计为负载更大量的颗粒材料。可是,由于通常这些装置所牺牲的是效率,所以为大量负载需要较低固含量的介质。如上述专利中的那些梯度密度系统已设计为能提供较大效率和较长的寿命。在某些情况下,利用表面负载介质作为这些装置中的“精加工”过滤器。
本发明的过滤介质结构包括第一层可渗透的粗纤维介质或具有第一表面的基底。第一层细纤维介质固定在第一层可渗透的粗纤维介质的第一表面上。较佳的是,第一层可渗透的粗纤维材料包含平均直径至少10微米,一般且最好是约12(或14)-30微米的纤维。同时,较佳的是,第一层可渗透的粗纤维材料包含基重不超过约200g/m2、较好是约0.50-150g/m2、最好是至少8g/m2的介质。较佳的是,第一层可渗透的粗纤维介质的厚度至少为0.005英寸(12微米)、一般最好是约0.001-0.030英寸(25-800微米)。
在较佳的装置中,第一层可渗透的粗纤维材料包含一种材料,如果使用Frazier渗透率测试方法对与结构的其余部分开的该材料进行测试,该材料将显示至少1m/分钟、一般最好是约2-900m/分钟的渗透率。本文中当提到效率时,除非另有说明,是指如本文中所述根据ASTM-1215-89用0.78μ单分散性聚苯乙烯球粒在20fpm(6.1m/分钟)速度下测定的效率。
较佳地,固定在可渗透的粗纤维介质层的第一表面上的细纤维材料层是一层纳米及微米纤维介质,其中,纤维的平均直径不超过约2微米、通常较好是不超过约1微米,并且一般最好是纤维直径小于0.5微米并在约0.05-0.5微米的范围内。同时,较佳地,固定在第一层可渗透纤维材料的第一表面上的第一层细纤维材料的总厚度不超过约30微米、更好是不超过20微米、最好是不超过约10微米,并且一般最好是该层细纤维平均直径的约1-8倍(更好是不超过5倍)。
本发明的某些较佳装置包括通常在总的过滤器结构体中所述的过滤介质。使用的一些较佳装置包括以圆筒形、具有一般纵向延伸的折叠的折叠形构造,即沿与圆筒体的纵轴同一方向折叠的介质。对这些装置而言,介质可嵌入常规过滤器的两个端盖中。视需要,这些装置可包括用于普通的常规目的的上游衬里和下游衬里。
在有些用途中,本发明的介质可与其它类型的介质,例如常规介质一起使用,以提高总的过滤性能或寿命。例如,本发明的介质可层压在常规介质上,以堆叠排列使用;或者可插入(整体特征)包括常规介质的一个或多个区域的介质结构中。本发明的介质可用在常规介质的上游,为的是较好的负载;和/或用在常规介质的下游作为高效的精加工过滤器。
本发明的某些装置还可用在液体过滤系统中,即是其中要过滤掉的颗粒材料用液体来承载。同时,本发明的某些装置可用在烟雾收集器中,例如用来从空气中过滤细烟雾的装置中。
本发明提供了过滤的方法。这些方法通常包括使用上述介质较好地进行过滤。从以下描述和实施例可以看出,本发明的介质可特别地设计和构造,以便有利地在较有为效的系统中提供较长的寿命。
各专利中披露的各种过滤装置公开了与过滤材料一同使用的过滤器结构体的各个方面并对其提出权利要求。Engel等人的美国专利No.4,720,292公开了用于具有一般圆筒形过滤元件设计的过滤装置的径向密封设计,该过滤元件被具有圆筒形的、径向向内的表面的较软而类似橡胶的端盖密封。Kahlbaugh等人的美国专利No.5,082,476公开了使用深度介质的过滤器设计,该深度介质包含泡沫材料基底和与本发明的微米纤维材料结合的折叠形元件。Stifeman等人的美国专利No.5,104,537涉及用于过滤液体的介质的过滤器结构体。液体夹带进入过滤器外壳中,通过过滤器的外部进入内部环形芯中,然后返回结构中有效使用。这些过滤器对过滤液压液非常有用。Engel等人的美国专利No.5,613,992显示了典型的柴油机进气过滤结构。该结构从外壳的外部得到可能夹带或不夹带湿气的空气。空气通过过滤器而湿气可通向外壳底部并从外壳排出。Gillingham等人的美国专利No.5,820,646公开了Z过滤器结构体,它使用包括闭塞的通道的特殊折叠形过滤器设计,需要流体通过“Z”形通道中至少一层过滤介质以得到适宜的过滤性能。形成折叠状Z形样式的过滤介质可含有本发明的细纤维介质。Glen等人的美国专利No.5,853,442公开了具有可含本发明细纤维结构的过滤元件的袋滤捕尘室结构。Berkhoel等人的美国专利No.5,954,849显示了一种集尘器结构,它用来处理一般是载有大量粉尘的空气,从气流中过滤掉粉尘,该气流中含有大量粉尘是由于工件加工产生的。最后,Gillingham的美国专利No.425,189公开了使用Z过滤器结构体的板式过滤器。
                             实验
使用以下静电抽丝过程条件生产以下材料。使用旋转发射器系统或者毛细管针系统抽丝制得以下材料。这两种系统均可生产基本相同的纤维材料。所述流速方每发射器每分钟1.5毫升,靶距为8英寸,发射器电压为88千伏,相对湿度为45%,旋转发射器的转速为35转/分。
实施例1:纤维尺寸的影响
用端基滴定法(J.E.Walz和G.B.Taylor著“尼龙分子量的测定”,分析化学Vol.19,Number 7,第448-450页(1947))分析由尼龙6、66、610尼龙共聚物树脂(SVP-651)制备的细纤维试样的分子量。数均分子量为21,500-24,800。组合物通过约45%的尼龙6、约20%的尼龙66和约25%的尼龙610等三种组分尼龙的熔融温度相图(Melvin Kohan等人编“尼龙塑料手册”第286页,Hanser出版社,纽约(1995))来估算。报道的SVP 651树脂的物理性能为:
    性能     ASTM法     单位     典型值
比重     D-792     -     1.08
吸水性(浸24小时)     D-570     %     2.5
硬度     D-240     Shore D     65
熔点     DSC     ℃(°F)     154(309)
屈服拉伸强度     D-638     MPa(kpsi)     50(7.3)
断裂伸长率     D-638     %     350
弯曲模量     D-790     MPa(kpsi)     180(26)
体积电阻系数     D-257     ohm-cm     1012
用来生产直径为0.23和0.45微米的纤维。将试样浸在室温的水中,风干并测定其效率。较粗的纤维需要较长的时间降解,且降解程度较低,如图12中的曲线所示。虽然不希望受到特定理论的限制,但是看上去具有较高的表面/体积比的较细纤维更容易由于环境的影响而降解。可是,较粗的纤维不能用作有效的过滤介质。
实施例2:尼龙纤维与酚醛树脂和环氧树脂的交联
为了提高纤维的耐化学性,试验了尼龙纤维的化学交联。用称为Georgia Pacific5137的酚醛树脂混合前述的共聚酰胺(尼龙6、66、610)并抽成纤维。尼龙与酚醛树脂之比及它们的混合物的熔融温度表示如下:
    组成     熔融温度(°F)
    聚酰胺∶酚醛树脂=100∶0     150
    聚酰胺∶酚醛树脂=80∶20     110
    聚酰胺∶酚醛树脂=65∶35     94
    聚酰胺∶酚醛树脂=50∶50     65
我们从这些混合物中生产出了可比较的纤维。50∶50的混合物不能通过加热来交联,因为会破坏纤维结构。在90°以下加热65∶35的混合物12小时提高了所得纤维的耐化学性,抑制其在醇中的溶解。可使用聚酰胺与环氧树脂的混合物,如得自Shell的Epon 828和Epi-Rez 510。
实施例3:通过含氟添加剂(Scotchgard )防水剂的表面改性
在抽丝之前向聚酰胺中加入了得自3M公司的醇可混溶ScotchgardFC-430和431。加入量为固体的10%。Scotchgard的加入不妨碍纤维的形成。THC台示出了类似Scotchgard的高分子量防水剂整理不能提高防水性。如制造厂家所建议的,将加入的Scotchgard试样在300°F加热了10分钟。
实施例4:用偶联剂的改性
聚合物膜由聚酰胺和得自Kenrich Petrochemicals有限公司的钛酸酯偶联剂来浇注成形。钛酸酯偶联剂包括:异丙基三异硬脂酰钛酸酯(KRTTS)、新戊基(己二烯基)氧三(二辛基)磷酸钛酸酯(LICA 12)、新戊基(己二烯基)氧三(N-乙二氨基)乙基锆酸酯(NZ44)。将浇注成形的膜浸在沸水中。不使用偶联剂的对比试样立即丧失了强度,而加入了偶联剂的试样维持其外形直至10分钟。这些加入偶联剂的试样抽成了纤维(0.2微米的纤维)。
实施例5:用低分子量的对叔丁基苯酚聚合物的改性
分子量为400-1100的对叔丁基苯酚的低聚物购自Ohio州Columbus的Enzymol International公司。这些低分子量的聚合物可溶解在低级醇,如乙醇、异丙醇和丁醇中。将这些聚合物加入前述共聚酰胺中并静电抽丝成0.2微米的纤维,没有不利的后果。有些聚合物和添加剂会阻碍静电抽丝过程。与实施例2中所述的常规的酚醛树脂不同,我们发现这组聚合物不会影响纤维成形过程。
我们发现这组添加剂防止了细纤维受湿环境的影响,如曲线所示。图13-16示出了低聚物在140°F、100%的湿度下提供了非常好的保护,但是在160°F时的性能不是非常好。我们加入了所使用聚合物5-15%的这种添加剂。发现它们对保护纤维在140°F置于高湿度下是同样有效的。我们还发现当纤维在150℃经受一小段时间后,它们的性能增加。
表1示出了所处的温度和时间对含有10%添加剂的聚酰胺纤维的影响。
       表1.140°F浸泡之后保留的效率(%)
温度     加热时间
    1分钟     3分钟     10分钟
150℃     98.9     98.8     98.5
    98.8     98.9     98.8
130℃     95.4     98.7     99.8
    96.7     98.6     99.6
110℃     82.8     90.5     91.7
    86.2     90.9     85.7
这是个令人吃惊的结果。我们看到使用这一类添加剂使防水性有了很大的改善。为了明白这组添加剂是如何起作用的,我们使用称为ESCA的表面分析技术分析了细纤维垫子。是在明尼苏达大学用ESCA分析了表1所示的10%添加剂试样,其结果示于表2。
        表2.表面组成(聚合物与添加剂之比)
温度     加热时间
    1分钟     3分钟     10分钟
    150℃     40∶60     40∶60     50∶50
    130℃     60∶40     56∶44     62∶82
    110℃     63∶37     64∶36     59∶41
    不加热     77∶23
刚开始,发现添加剂的表面浓度是本体浓度的两倍以上似乎没有什么意义。可是,我们认为这可通过添加剂的分子量来解释。约为600的添加剂的分子量远小于形成主纤维的聚合物的分子量。由于它们的尺寸较小,它们可随着蒸发溶剂分子而运动。这样,就可得到添加剂的较高表面浓度。进一步的处理增加了保护性添加剂的表面浓度。可是,在150℃下10分钟并不能使浓度增加。这样就可以表明,由于长链聚合物有时间在周围运动,会发生共聚酰胺与低聚物分子这两种组分的混合。该分析告诉我们的是适当地选择后处理的时间和温度能提高性能,而处理太长的时间会有反面的影响。
我们使用称为Time of Flight SIMS的技术进一步检查了加入了这些添加剂的微米纤维的表面。这个技术是用电子轰击物体,并观察有什么来自于表面。不含添加剂的试样示出了在用电子轰击时有有机氮物质出来。这表明聚酰胺物质发生了断裂。该结果也显示了少量杂质,如钠和硅氧烷的存在。含有添加剂但不进行热处理的试样(表面上的添加剂浓度为23%)示出了叔丁基碎片主要物质,并观察到聚酰胺的小而清晰的峰。同时还观察到相应于叔丁基苯酚的质量差为148amu的高质量峰。对在150℃处理了10分钟的试样(通过ESCA分析得知表面添加剂浓度为50%),检查显示,叔丁基碎片是主要的,并有微弱(如果有的话)的聚酰胺峰。没有显示与整个叔丁基苯酚及其聚合物相关的峰。检查还示出了与C2H3O碎片相关的峰。
ToF SIMS分析显示,裸露的聚酰胺纤维在受到离子冲击时会从暴露的聚合物链上放出断裂的氮碎片和表面上的污染物。加入了添加剂但不进行热处理,则覆盖不完全,表明添加剂在表面有些部分上没有覆盖。叔丁基低聚物在表面上疏松地结合。当离子束撞击此表面时,整个分子会连同不稳定的叔丁基碎片一起放出。若加入了添加剂而又进行了热处理,就促使了表面上完全覆盖。另外,分子紧密地排列使得仅有不稳定的碎片如叔丁基,以及可能的CH=CH-OH放出,而叔丁基苯酚的整个分子不放出。ESCA和ToF SIMS是在表面的不同深度处检查的。ESCA在最深至100埃的较深表面处检查,而ToF SIMS仅在10埃深度处检查。这些分析一致。
实施例6:有表面涂层的共聚物的开发
开发类型8的尼龙原本是为了制备用于涂料和粘合剂用途的可溶可交联树脂。该类聚合物是在酸存在的条件下聚酰胺66与甲醛和醇反应制得的(参照Cairns,T.L.;Foster,H.D.;Larcher,A.W.;Schneider,A.K.;Schreiber,R.S.著J.Am.Chem.Soc.1949,71,651)。该类聚合物可以静电抽丝及交联。可是,该聚合物形成纤维劣于共聚酰胺,且交联不易进行。
为了制备类型8的尼龙,按下述比例向10加仑的高压反应器加料:
尼龙66(duPont Zytel)101        10磅
甲醇                           15.1磅
水                             2.0磅
甲醛                           12.0磅
然后,在压力下用氮气吹扫该反应器并加热至至少135℃。当达到所需的温度后,加入少量酸作为催化剂。酸催化剂包括:三氟乙酸、蚁酸、甲苯磺酸、马来酸、马来酸酐、邻苯二甲酸、邻苯二甲酸酐、磷酸、柠檬酸以及它们的混合物。也可使用Nafion聚合物作为催化剂。加入催化剂之后,反应进行30分钟。在此阶段形成了粘性均聚物溶液。在规定的反应时间之后,将高压容器内的物料转移到含有甲醇、水和碱如氢氧化铵或氢氧化钠的浴中使反应速止。在溶液充分淬冷后,将其在去离子水中沉淀,形成松散的颗粒。然后,将聚合物颗粒离心分离,再真空干燥。该聚合物在甲醇、乙醇、丙醇、丁醇以及它们与水不同比例的混合物中可以溶解,也可溶解在不同醇的混合物中。
将这样形成的烷氧基烷基改性类型8的聚酰胺溶解在乙醇/水的混合物中。此聚合物溶液用描述于Barris美国专利No.4,650,516的方法进行静电抽丝。聚合物溶液的粘度会随时间增加。通常已知聚合物粘度对决定纤维尺寸有重要的影响。这样就难以控制工业规模连续生产的过程。此外,在相同的条件下,类型8聚酰胺不能像共聚酰胺一样有效地形成微米纤维。可是,当溶液制备时添加了酸催化剂,如甲苯磺酸、马来酸酐、三氟甲烷磺酸、柠檬酸、抗坏血酸等,并且在纤维成形之后对纤维垫子进行仔细地热处理,所得的纤维具有非常好的耐化学性(图13)。在交联阶段必须仔细,不要破坏纤维结构。
在类型8聚酰胺(聚酰胺B)与醇可溶共聚酰胺混合时,我们发现了一个令人吃惊的结果。用醇可溶共聚酰胺如SVP 637或651(聚酰胺A)、Elvamide 8061替代30重量%的烷氧基烷基改性的聚酰胺66,发现了协同效应。混合物形成纤维比任一个单独组分更有效。浸在乙醇中并且测定过滤效率显示了大于98%的保留过滤效率,THC台试验示出了与单独的类型8聚酰胺类似的结果。这种类型的混合物表明,我们能得到共聚酰胺的有效形成纤维和极好的过滤特性的优点,以及交联的类型8聚酰胺的极好耐化学性的优点。醇浸泡试验强烈地表明了非可交联共聚酰胺参与了交联,得以保持了98%的过滤效率。
在聚合物A和B的混合物加热至250℃(完全交联)之后,它们的DSC(参见图17-20)变得与单独的聚合物A的DSC难以区分,没有可区别的熔融温度。这强烈地表明了聚合物A和B的混合物此时是通过聚合物B与聚合物A交联形成的完整的聚合物。这是全新的一类聚酰胺。
类似地,聚对苯二甲酸乙二酯与聚对苯二甲酸丁二酯的熔融混合物具有类似的性质。在温度高于各组分的熔融温度下进行熔融操作的过程中,发生酯基团交换并形成PET和PBT的共聚物。而且,我们的交联温度低于任一单独组分的熔融温度。不会预计到该基团交换在该低温下发生。因此,通过类型A和类型B的聚酰胺的溶液混合以及在低于各组分的熔点的温度下交联,我们确信发现了一类新的聚酰胺。
当我们加入10重量%的叔丁基苯酚低聚物(添加剂7)并在交联所需的温度下进行加热处理时,我们发现了更好的结果。我们认为是叔丁基苯酚低聚物的羟基官能团参与了与类型8的尼龙的官能团的反应。我们发现此组分体系提供了较好的纤维成形,改善了耐高温和高湿性以及对细纤维层表面的疏水性。
我们制备了聚合物A和聚合物B的混合物试样(试样6A)以及另一个聚合物A、聚合物B和添加剂7的混合物试样(试样6B)。然后,我们用静电抽丝法形成了纤维,将纤维垫子置于300°F下10分钟并用ESCA表面分析测定了表面组成。
下表示出了试样6A和6B的ESCA分析。
组成(%) 试样6A  试样6B
聚合物A 30  30
聚合物B 70  70
添加剂7 0  10
表面组成 W/O加热  W/加热  W/O加热  W/加热
聚合物A和B(%) 100  100  68.9  43.0
添加剂7 0  0  31.1  57.0
除了氢浓度不能提供外,ESCA能提供有关表面组成的信息。它提供了碳、氮和氧的信息。由于添加剂7不含氮,我们可通过比较氮的浓度来估计含氮的聚酰胺与不含氮的添加剂的比例。其它的定性信息可通过检测535-527eV之间结合能的O 1s能谱来得到。C=O键的结合能为531eV左右,C-O键的结合能为533eV。通过比较这两个峰的峰高,可估计带主要的C=O的聚酰胺以及仅带C-O基团的添加剂的相对浓度。聚合物B因改性而具有C-O键,并且在交联时C-O键的浓度会下降。ESCA证实该反应确实地发生了,因为显示出C-O键的相对减少(图4是没有进行热处理的聚合物A和聚合物B的混合物纤维,图5是进行了热处理的聚合物A和聚合物B的混合物纤维)。当表面上存在添加剂7的分子时,可期望有更多的C-O键。情况确是如此,由图6和7可见(图6是聚合物A、聚合物B和添加剂7抽成的混合物纤维,图7是聚合物A、聚合物B和添加剂7进行了热处理的混合物纤维)。图6示出了实施例7的C-O键的浓度有提高。这个结果与基于图8-11的XPS多路谱的表面浓度一致。
叔丁基低聚物分子移向细纤维的表面并形成约50疏水涂层。类型8的尼龙具有官能团如-CH2OH和-CH2OCH3,我们期望它们会与叔丁基苯酚的-OH官能团反应。这样,就可以期望在纤维表面上看到较少的低聚物分子。结果发现我们的假设不正确,且共聚物的表面具有一个薄的涂层。
试样6A、6B和描述于第5节的重复试样在100%RH条件下置于160°F的THC台上。在前节中,试样置于140°F和100%RH下。在这些条件下,叔丁基苯酚防止了三元共聚物共聚酰胺降解。可是,如果温度升高到160°F和100%RH,则叔丁基苯酚低聚物保护下面的三元共聚物共聚酰胺的能力不佳。我们在160°F和100%RH比较了这些试样。
表:置于160°F和100%RH下之后保留的细纤维效率
    试样     1小时后     2小时后     3小时后
    试样6A     82.6     82.6     85.9
    试样6B     82.4     88.4     91.6
    试样5     10.1
此表表明试样6B有助于预防高温和高湿的影响。
当我们将水滴置于纤维垫子上时,会显示更为惊人的差别。当我们将DI水滴置于试样6A的表面上时,水滴立即在纤维垫子上铺展并且还润湿基底纸。另一方面,将水滴置于试样6B的表面上时,该水滴形成水珠在垫子表面上不铺展。通过加入对叔丁基苯酚的低聚物,我们将试样16的表面改性为疏水性。该类产品可用作水雾消除器,因为水滴不会通过试样6B的细纤维表面层。
将试样6A、6B和第5节的重复试样置于温度设定为310°F的烘箱中。下表表明,试样6A和6b都保持完整,而第5节的试样毁坏严重。
表:置于310°F后保留的细纤维效率
    试样     6小时之后     77小时之后
    试样6A     100%     100%
    试样6B     100%     100%
    试样5     34%     33%
虽然向聚合物A单独添加低聚物改善了细纤维层的耐高温性,而添加剂7的加入对置于高温并没有什么效果。
我们己清楚地表明,三元共聚物共聚酰胺、烷氧基烷基改性的尼龙66和叔丁基苯酚低聚物的混合物能提供在恶劣的环境下保护细纤维的优质产品,同时在制造三元共聚物共聚酰胺和叔丁基苯酚低聚物的混合物或者三元共聚物共聚酰胺和烷氧基烷基改性的尼龙66的混合物时能提高生产率。这些两种组分的混合物比单组分体系也有改进。
实施例7:聚酰胺和双酚A聚合物的相容混合物
一类新的聚合物可通过酚环的氧化偶合来制备(Pecora,A;Cyrus,W.的美国专利4,900,671(1990)和Pecora,A;Cyrus,W.;Johnson,M.的美国专利5,153,298(1992))。其中,特别引起兴趣的由购自Enzymol公司的双酚A制得的聚合物。双酚A的大豆过氧化酶催化的氧化可从双酚A中两个-OH基团的任一侧开始。与线型的双酚A系聚碳酸酯不同,该类双酚A聚合物形成超支化聚合物。由于该类聚合物的超支化性质,它们能降低聚合物混合物的粘度。
我们发现该类双酚A聚合物可以是与聚酰胺混合的溶液。报道的尼龙的Hansen溶解度参数为18.6(“溶解度参数和其它内聚参数手册”第317页,A.Barton等人编,Florida州Boca Raton的CRC出版社1985年出版)。如果计算溶解度参数(“溶解度参数手册”第61页),则计算的溶解度参数值为28.0。由于溶解度参数各不相同,预期它们不会相互混溶。可是,我们发现它们非常容易混溶并提供了意外的性能。
在乙醇溶液中制得50∶50的分子量3,000的双酚A树脂与共聚酰胺的混合物。在乙醇溶液中的总浓度为10%。单独用共聚酰胺会产生直径0.2微米的纤维。而该混合物形成约1微米的纤维的膨松层。分子量7,000的双酚A与共聚酰胺在一起时不稳定,容易沉淀。
50∶50混合物的DSC上看不出熔融温度。共聚酰胺的熔融温度在150℃左右,双酚A树脂是Tg约100的玻璃态聚合物。而这两种物质的混合物没有明显的熔化现象。当纤维垫置于100℃下时,该纤维垫消失。该混合物可制成极好的过滤介质,该过滤介质的上限使用温度不是非常高,但是需要低压降。该聚合物体系不能以适当的方式进行交联。
实施例8:双酚A作为混合物中的溶剂和固体的双重作用
双酚A聚合物混合物的一个令人吃惊的特征是呈溶液形式的双酚A聚合物起类似溶剂的作用,而呈固体形式的聚合物则起固体作用。我们发现双酚A的这个双重作用是真正独特的。
制得以下制剂:
烷氧基烷基改性的PA 66:聚合物B    180g
双酚A树脂(分子量3,000):聚合物C   108g
190级别乙醇                       827g
丙酮                              218g
DI水                              167g
催化剂                            9.3g
Brookfield粘度计测得该混合物的粘度为32.6厘泊。总的聚合物浓度为19.2%。含19.2%聚合物B的混合物的溶液,其粘度超过200厘泊。在类似的溶剂中的单有12%聚合物B的粘度在60厘泊左右。这是双酚A树脂起类似溶剂作用的明显例子,因为总溶液的粘度低于预期的值。所得的纤维直径为0.157微米。如果聚合物B单独参与纤维成形,则预期的纤维尺寸应小于0.1微米。换句话说,聚合物C也参与纤维成形。我们不知道一个组分有如此惊人双重作用的任何其它例子。在试样浸入乙醇中之后,测定过滤效率和纤维尺寸。在醇浸泡后,保留了85.6%的过滤效率且纤维尺寸不变。这表明聚合物C参与了交联,起到类似聚合物固体的作用。
另一个聚合物溶液按以下配方制备:
烷氧基烷基改性的PA 66:聚合物B        225g
双酚A树脂(分子量3,000):聚合物C       135g
190级别乙醇                           778g
丙酮                                  205g
DI水                                  15.7g
催化剂                                11.6g
该混合物的粘度为90.2厘泊。对24%的固体而言,这是一个非常低的粘度值。再者,这表明在溶液中聚合物C起类似溶剂的作用。可是,当该溶液静电抽丝成纤维后,纤维直径为0.438微米。单有聚合物B的15%溶液应产生约0.2微米的纤维。在终态时,聚合物C起到扩大纤维尺寸的作用。再者,本实施表明,该类支化聚合物在溶液中用作溶剂,而在终态用作固体。在浸入乙醇溶液后,保留77.9%的过滤效率且纤维尺寸不变。
实施例9:交联聚酰胺/双酚A聚合物混合物的开发
将树脂、醇和水混合,在60℃搅拌2小时制备三种不同的试样。将溶液冷却至室温并向其中加入催化剂,再搅拌该混合物15分钟。随后,测定溶液的粘度并将其抽成纤维。
下表示出了下列试样:
    配方(g)     试样9A     试样9B     试样9C
    聚合物B     8.4     12.6     14.7
    聚合物A     3.6     5.4     6.3
    聚合物C     7.2     10.8     12.6
    190级别乙醇     89.3     82.7     79.5
    异丙醇     23.5     21.8     21.0
    DI水     18.0     16.7     15.9
    催化剂     .45     0.58     0.79
    粘度(cP)     22.5     73.5     134.2
    纤维尺寸(微米)     0.14     0.258     0.496
我们发现此混合物可有效地产生纤维,与聚合物A的配方相比,产生的纤维质量多于约50%。另外,所得的聚合物微米纤维更耐化学性。在醇中浸泡后,即使本身可交联的聚合物仅为固体组合物的44%,由这些纤维制得的过滤器保留大于90%的过滤效率并保持纤维直径不变。该共聚酰胺、烷氧基烷基改性的尼龙66和双酚A的三元共聚物组合物生成了优良的纤维成形性能和耐化学性的材料。
实施例10:尼龙66和尼龙46的烷氧基烷基改性的共聚物
在一个10加仑的高压反应器中,进行以下反应,并分析所得的聚合物。在达到反应温度后,加入催化剂并反应15分钟。随后,将聚合物溶液淬冷、沉淀、清洗并干燥。
    反应器进料(LB) 试验10A 试验10B 试验10C 试验10D 试验10E
尼龙4,6(duPont Zytel 101)     10     5     5     5     5
尼龙6,6(DSM Stanyl 300)     0     5     5     5     5
甲醛     8     10     8     10     8
DI水     0.2     0.2     2     0.2     2
甲醇     22     20     20     20     20
反应温度(℃)     140     140     140     150     150
Tg(℃)     56.7     38.8     37.7     38.5     31.8
Tm(℃)     241.1     162.3     184.9     175.4     189.5
取代程度
烷氧基(重量%)     11.9     11.7     7.1     11.1     8.4
羟甲基(重量%)     0.14     0.13     0.14     0.26     0.24
用尼龙46和尼龙66制得的聚合物的DSC显示了宽的单一熔融温度,它低于改性的尼龙46(241℃)或改性的尼龙66(210℃)的熔融温度。这表明在反应过程中,两种组分会沿聚合物链无规分布。这样,我们认为已经得到了用烷氧基烷基改性的尼龙46和尼龙66的无规共聚物。这些聚合物可溶解在醇和醇与水的混合物中。
性能   ASTM     尼龙6.6   尼龙4.6
Tm     265℃   295℃
拉伸强度   D638     13.700   8.500
断裂伸长率   D638     15-80   60
拉伸屈服强度   D638     8000-12,000
弯曲强度   D790     17,8000   11.500
拉伸模量×103psi   D638     230-550   250
缺口悬臂梁式冲击ft-lb/英寸   D256A     0.55-1.0   17
在弯曲负载264psi下的挠曲温度   D648     158   194
这两种尼龙都是高结晶的并且不溶于普通的醇中。
来源:现代塑料大全1998
实施例11:共聚酰胺和烷氧基烷基改性尼龙46/66共聚物的共聚体的开发以及静申 抽丝纤维的形成
使用上述方法将聚合物10B和10D(见下表)的试样制成纤维。单独用烷氧基烷基改性的尼龙46/66(聚合物D)成功地进行了静电抽丝。聚合物D与聚合物A的混合可产生下述额外的益处:更有效的纤维成形以及能制成更粗纤维而不牺牲聚合物D的交联性,如下表所示:
    聚合物10B     聚合物10D
    单独     W/30%     单独    W/30%
    聚合物A    聚合物A
纤维尺寸(微米)     0.183     0.464     0.19    0.3
纤维质量比     1     3     1    2
过滤效率的保留(%)     87     90     92    90
纤维的质量比通过纤维的总长度乘以截面积来计算。过滤效率的保留通过将纤维试样浸入乙醇中来测定。醇中浸泡后纤维尺寸不变。
实施例12:交联的静电抽丝的PVA
PVA粉末购自Aldrich Chemicals公司。这种粉末溶解在水或者甲醇和水的50/50混合物中。在静电抽丝之前,使其与交联剂和甲苯磺酸催化剂混合。在置于THC台之前,将所得的纤维垫置于150℃的烘炉中交联10分钟。
   试样12A    试样12B   试样12C   试样12D
PVA水解度    98-99    87-89   87-89   87-89
分子量    31,500-50,000    31,500-50,000   31.500-50,000   31,500-50,000
PVA浓度(%)    10    10   10   10
溶剂    水    混合物   混合物(c)   混合物(d)
其它聚合物    无    无   丙烯酸   三聚氰胺树脂385
其它聚合物/PVA(%)    0    0   30   30
1小时后THC台上保留的纤维(%)    0(a)    0(a,b)   95(b)   20(b)
3小时后THC台上保留的纤维(%)   90(a)
(a):温度160°F,湿度100%
(b):温度140°F,湿度100%
(c):分子量2000
(d):得自Cytec公司的三聚氰胺甲醛树脂
实施例13
使用常规的纤维素空气过滤介质作为基底。该基底的基重为67磅/3000平方英尺,在0.5英寸水压降下的Frazier渗透率为16英尺/分钟,厚度为0.012英寸,LEFS效率为41.6%。使用所述方法将实施例1的公称纤维直径为0.2微米的细纤维层加到基底表面上。所得复合物的LEFS效率为63.7%,在100%相对湿度下将只是基底的试样置于140F的空气1小时后,让试样冷却并干燥,其LEFS效率为36.5%。在100%相对湿度下将复合物置于140F的空气1小时后,让试样冷却并干燥,则其LEFS效率为39.7%。使用所述数学公式计算,得到1小时之后保留的细纤维层的效率为13%,保留的有效的细纤维数目为11%。
实施例14
使用常规的纤维素空气过滤介质作为基底。该基底的基重为67磅/3000平方英尺,在0.5英寸水压降下的Frazier渗透率为16英尺/分钟,厚度为0.012英寸,LEFS效率为41.6%。使用所述方法将实施例5的公称纤维直径为0.2微米的细纤维层加到表面上。所得复合物的LEFS效率为96.0%。在100%相对湿度下将只是基底的试样置于160F的空气中3小时后,让试样冷却并干燥,其LEFS效率为35.3%。在100%相对湿度下将复合物置于160F的空气3小时后,让试样冷却及干燥,则其LEFS效率为68.0%。使用所述数学公式计算,得到3小时之后保留的细纤维层的效率为58%,保留的有效的细纤维数目为29%。
实施例15
使用常规的纤维素空气过滤介质作为基底。该基底的基重为67磅/3000平方英尺,在0.5英寸水压降下的Frazier渗透率为16英尺/分钟,厚度为0.012英寸,LEFS效率为41.6%。使用所述方法将实施例6所述的公称纤维直径为0.2微米的聚合物A和聚合物B的混合物的细纤维层加到表面上。所得复合物的LEFS效率为92.9%。在100%相对湿度下将只是基底的试样置于160F的空气中3小时后,让试样冷却及干燥,其LEFS效率为35.3%。在100%相对湿度下将复合物置于160F的空气中3小时后,让试样冷却及干燥,则其LEFS效率为86.0%。使用所述数学公式计算,得到3小时之后保留的细纤维层的效率为96%,保留的有效的细纤维数目为89%。
实施例16
使用常规的纤维素空气过滤介质作为基底。该基底的基重为67磅/3000平方英尺,在0.5英寸水压降下的Frazier渗透率为16英尺/分钟,厚度为0.012英寸,LEFS效率为41.6%。使用所述方法将实施例6所述的公称纤维直径为0.2微米的聚合物A、聚合物B和叔丁基苯酚低聚物的混合物的细纤维层加到表面上。所得的复合物的LEFS效率为90.4%。在100%相对湿度下将只是基底的试样置于160F的空气中3小时后,让试样冷却及干燥,其LEFS效率为35.3%。在100%相对湿度下将复合物置于160F的空气中3小时后,让试样冷却及干燥,则其LEFS效率为87.3%。使用所述数学公式计算,得到3小时之后保留的细纤维层的效率为97%,保留的有效的细纤维数目为92%。
实施例17
使用常规的纤维素空气过滤介质作为基底。该基底的基重为67磅/3000平方英尺,在0.5英寸水压降下的Frazier渗透率为16英尺/分钟,厚度为0.012英寸,LEFS效率为41.6%。使用所述方法将实施例12的公称纤维直径为0.2微米的用聚丙烯酸交联的PVA的细纤维层加到表面上。所得的复合物的LEFS效率为92.9%。在100%相对湿度下将只是基底的试样置于160F的空气中2小时后,让试样冷却及干燥,其LEFS效率为35.3%。在100%相对湿度下将复合物置于160F的空气中2小时后,让试样冷却及干燥,则其LEFS效率为83.1%。使用所述数学公式计算,得到2小时之后保留的细纤维层的效率为89%,保留的有效的细纤维数目为76%。
实施例18
用实施例1-17所述的方法制得以下过滤介质。
过滤介质的例子
      基底   基底渗透率(Frazier)   基底基重(磅/3000平方英尺)     基底厚度(英寸)     基底效率(LEFS)     复合物效率(LEFS)
在单独的基底上的单一细纤维层(气流从任一个方向流过介质) (+/-10%) (+/-10%) (+/-25%) (+/-5%) (+/-5%)
纤维素空气过滤介质   58     67     0.012     11%     50%
纤维素空气过滤介质   16     67     0.012     43%     58%
纤维素空气过滤介质   58     67     0.012     11%     65%
纤维素空气过滤介质   16     67     0.012     43%     70%
纤维素空气过滤介质   22     52     0.010     17%     70%
纤维素空气过滤介质   16     67     0.012     43%     72%
纤维素/具有防潮树脂的合成混合物   14     70     0.012     30%     70%
阻燃纤维素空气过滤介质   17     77     0.012     31%     58%
阻燃纤维素空气过滤介质   17     77     0.012     31%     72%
阻燃合成空气过滤介质   27     83     0.012     77%
纺粘Remay(聚酯)   1200     15     0.007     5%     55%
合成/纤维素空气过滤介质   260     76     0.015     6%     17%
合成/玻璃空气过滤介质   31     70     0.012     55%     77%
合成/玻璃空气过滤介质   31     70     0.012     50%     90%
合成(Lutrador聚酯)   300     25     0.008     3%     65%
合成(Lutrador聚酯)     0.016     90%
介质的使用形式有:平面、波纹、折叠、波纹和折叠、平板、折叠的平板、折叠的圆形过滤器、以及其它过滤器结构体和构形。
                           试验方法
热水浸泡试验
使用过滤效率作为在结构中有效地保留功能的细纤维数目的度量,这要比其它可行的方法如SEM检测具有一些优点。
-过滤测定是对几平方英寸的介质作出评价,这比SEM显微镜照片只能观察微小区域(通常小于0.0001平方英寸)能得出更好的平均值。
-过滤测定能确定在结构中保留过滤作用的纤维数目。那些虽保留,但是成群结合或以其它方式在改变的结构中存在的纤维只是显示在测得的效率和功能中。
尽管如此,在过滤效率不易测得的纤维结构中,仍可使用其它方法来测定保留的纤维百分数并相对于50%保留标准评价。
说明:
本试验是表示过滤介质耐湿性的加速试验。本试验使用LEFS试验台来测定浸入水中的过滤介质的性能变化。水温是关键性的参数,根据研究的介质的耐久性历程将试验时间减至最少的要求和试验区分介质类型的能力来选择水温。一般的水温为70°F、140°F或160°F。
步骤:
从介质上割下一个4″直径的试样。使用0.8μm的乳胶球作为在20FPM条件下操作的LEFS(关于LEFS试验的描述,参见ASTM标准F1215-89)台中的试验污染物,计算试样的颗粒捕获效率。然后,将试样浸入(一般是140°F)蒸馏水中5分钟。将试样置于干燥架上让其在室温下干燥(一般是过夜)。在试样干燥以后,使用与初始计算相同的条件在LEFS台上再测试效率。对细纤维支撑用的基底(但没有细纤维在其上面)重复先前的步骤。
由上述结果可以计算仅由于细纤维而导致的效率部分以及由于水的破坏而导致的效率损失。确定了由于细纤维而导致的效率损失后,可计算保留的效率的量。
计算:
细纤维层效率:Ei=起始的复合物效率;
              Es=起始的基底效率;
              Fe=细纤维层
              Fe=1-EXP(Ln(1-Ei)-Ln(1-Ex))
细纤维层保留的效率:Fi=起始的细纤维层效率;
                    Fx=浸后的细纤维层效率;
                    Fr=保留的细纤维
                    Fr=Fx/Fi
具有有效功能的保留细纤维的百分数也可由下式计算:
                   %=log(1-Fx)/log(1-Fi)
合格/不合格标准:效率的保留百分数>50%
在大多数工业脉冲净化过滤器的用途中,如果细纤维效率保留了至少50%,则该过滤器可胜任工作。
THC台(温度、湿度)
说明:
这个试验台的目的是评价在动态流动条件下细纤维介质对升高的温度和高湿度作用的耐受性。此试验用来模拟工业过滤用途、燃气轮机进气用途、或者重型引擎进气环境中任何一种极端的操作条件。将试样取出、干燥并且每隔一段时间进行LEFS测试。此系统主要用于模拟湿热条件,但是也可用于模拟热/冷而干的条件。
温度    -31至390°F
湿度    0-100%RH(100%RH下的最高温度为160°F,在此
        条件下的最长连续时间为16小时)
流速    1-35FPM
步骤:
从介质上割下一块4″直径的试样。
使用0.8μm乳胶球作为在20FPM条件下操作的LEFS台中的试验污染物,用来测试试样的颗粒捕获效率。然后,将试样插入THC介质卡盘中。
试验时间可从几分钟到几天,依试验条件而定。
将试样置于干燥架上,在室温下干燥(一般是过夜)。在试样干燥以后,使用与初始试验相同的条件在LEFS台上再测试效率。
对细纤维支撑基底(上面没有细纤维)重复先前的步骤进行测试。
由上述测试结果可计算仅由于细纤维而导致的效率部分以及由于醇的破坏而导致的效率损失。
一旦确定了细纤维的效率损失,可计算保留的效率的量。
 合格/不合格标准:效率的保留百分数>50%。
在大多数工业脉冲净化过滤器的用途中,如果细纤维效率保留了至少50%,则该过滤器可胜任工作。
醇(乙醇)浸泡试验
说明:
本试验使用LEFS试验台测定浸在室温的乙醇中的过滤介质性能的变化。
步骤:
从介质上割下一块4 ″直径的试样。使用0.8μm的乳胶球作为在20FPM条件下操作的LEFS台中的试验污染物,测试试样的颗粒捕捉效率。然后,将试样浸入醇中1分钟。
将试样置于干燥架上,在室温下干燥(一般是过夜)。在试样干燥以后,使用与初始试验相同的条件在LEFS台上再测试效率。对细纤维支撑基底(上面没有细纤维)重复先前的步骤进行测试。由上述测试结果可计算仅由于细纤维而导致的效率部分以及由于醇的破坏而导致的效率损失。一旦确定了细纤维的效率损失,可计算保留的效率的量。
合格/不合格标准:效率的保留百分数>50%。
上述说明、实施例和数据对本发明进行了阐述。但是,对所述本发明可作许多变化和实施方式。本发明包括在本文后附的权利要求书中。

Claims (53)

1.一种空气过滤装置,它包含:
(a)一个外壳,它包括空气进口、空气出口、将所述外壳分隔成过滤室和清洁空气室的隔板壁;所述隔板壁有第一空气流孔;
(b)第一过滤器结构体位于空气流与所述隔板壁中的第一空气流孔的连通处;所述过滤器结构体包括确定过滤器结构体内部清洁空气室的折叠过滤介质复合件的延伸部分;
(i)所述第一过滤器结构体以与所述隔板壁的第一空气流孔空气流连通的所述过滤器内部的清洁空气室进行定位;
(ii)所述折叠过滤介质复合件包括一基底,当根据ASTM-1215-89用0.78μ单分散性聚苯乙烯球粒在20fpm(6.1m/分钟)的速度、2-900m/分钟的渗透率、不超过200g/m2的基重以及25-800微米的厚度的条件下测定时,所述基底的效率大于11%;所述基底至少部分地被一层细纤维覆盖,所述细纤维层的厚度为细纤维直径的1-8倍;
(A)所述纤维的直径为0.01-0.5微米,使之在相对湿度100%、140°F空气的试验条件下放置16小时后,有多于30%的纤维保持不变供过滤之用;
(c)一个脉冲喷射净化系统,它将冲量的空气导入所述过滤器结构体的内部清洁空气室中。
2.根据权利要求1所述的空气过滤装置,其特征在于:所述细纤维包含聚合物。
3.根据权利要求2所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚合物包含缩聚物。
4.根据权利要求2所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚合物包含加成聚合物。
5.根据权利要求4所述的空气过滤装置,其特征在于:所述加成聚合物包含聚卤乙烯聚合物。
6.根据权利要求4所述的空气过滤装置,其特征在于:所述加成聚合物包含聚偏二卤乙烯聚合物。
7.根据权利要求6所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚偏二卤乙烯包含聚偏二氯乙烯。
8.根据权利要求6所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚偏二卤乙烯包含聚偏二氟乙烯。
9.根据权利要求2所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚合物包含聚乙烯醇。
10.根据权利要求9所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚乙烯醇是用1-40重量%的交联剂交联的。
11.根据权利要求10所述的空气过滤装置,其特征在于:所述交联的聚乙烯醇是使用分子量为1000-3000的聚丙烯酸交联的。
12.根据权利要求10所述的空气过滤装置,其特征在于:所述交联的聚乙烯醇是使用分子量为1000-3000的密胺—甲醛树脂交联的。
13.根据权利要求2所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚合物包含除了由环内酰胺和C6-10二胺单体或C6-10二酸单体形成的共聚物以外的缩聚物和树脂添加剂,该树脂添加剂包含分子量500-3000并具有芳香族特性的低聚物,所述添加剂混溶在缩聚物中,在细纤维上形成保护性涂层。
14.根据权利要求2所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚合物包含除了由环内酰胺和C6-10二胺单体或C6-10二酸单体形成的共聚物以外的缩聚物和树脂添加剂,该树脂添加剂包含分子量500-3000并具有烷基酚芳香族特性的低聚物,所述添加剂混溶在缩聚物中,在细纤维上形成保护性涂层。
15.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚合物是一种溶液组分,该溶液包含大比例的含水醇溶剂和3-30重量%的聚合物组合物。
16.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含聚对苯二甲酸亚烷基酯。
17.根据权利要求16所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含聚萘二甲酸亚烷基酯。
18.根据权利要求16所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含聚对苯二甲酸乙二酯。
19.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含尼龙聚合物,该尼龙聚合物是具有衍生自环内酰胺的重复单元的均聚物。
20.根据权利要求19所述的空气过滤装置,其特征在于:所述尼龙聚合物与分子量或单体组成不同的第二尼龙聚合物组合。
21.根据权利要求19所述的空气过滤装置,其特征在于:所述尼龙聚合物与包含烷氧基烷基改性的聚酰胺的第二尼龙聚合物组合。
22.根据权利要求20所述的空气过滤装置,其特征在于:所述第二尼龙聚合物包含尼龙共聚物。
23.根据权利要求20所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚合物经处理,形成差示扫描量热计测得为单相材料的单一聚合物组合物。
24.根据权利要求23所述的空气过滤装置,其特征在于:所述共聚物和第二聚合物经热处理。
25.根据权利要求24所述的空气过滤装置,其特征在于:所述共聚物和第二聚合物在低于共聚物的低熔点的温度经热处理。
26.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述添加剂是包含叔丁基苯酚的低聚物。
27.根据权利要求26所述的空气过滤装置,其特征在于:所述添加剂包括含下式单元的低聚物:
Figure C018168280005C1
28.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述树脂包括含双酚A的低聚物。
29.根据权利要求28所述的空气过滤装置,其特征在于:所述添加剂包括含下式单元的低聚物:
30.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述树脂包括含二羟基联苯的低聚物。
31.根据权利要求30所述的空气过滤装置,其特征在于:所述添加剂包括含下式单元的低聚物:
32.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述添加剂包含树脂添加剂和含氟聚合物的混合物。
33.根据权利要求3所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含聚氨酯聚合物。
34.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含聚氨酯聚合物和聚酰胺聚合物的混合物。
35.根据权利要求34所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚酰胺聚合物包含尼龙。
36.根据权利要求35所述的空气过滤装置,其特征在于:所述尼龙包含尼龙均聚物、尼龙共聚物或它们的混合物。
37.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含芳香族聚酰胺。
38.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含二胺单体与聚间苯二甲酰间苯二胺的反应产物。
39.根据权利要求34所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚酰胺是二胺与聚对苯二甲酰对苯二胺的反应产物。
40.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含聚苯并咪唑。
41.根据权利要求14所述的空气过滤装置,其特征在于:所述缩聚物包含聚丙烯酸酯。
42.根据权利要求41所述的空气过滤装置,其特征在于:所述聚丙烯酸酯聚合物包含双酚A与混合的苯二甲酸的缩聚反应产物。
43.根据权利要求1所述的空气过滤装置,其特征在于,它还包括:
第一文丘里部件,它安装在所述隔板壁的第一空气流孔中并伸入所述第一过滤器结构体内部的清洁空气室中;所述脉冲喷射净化系统包括第一吹管,它将冲量的空气从所述清洁空气室导入所述第一文丘里部件中并朝向第一过滤器结构体。
44.根据权利要求1所述的空气过滤装置,其特征在于:所述第一过滤器结构体包括具有中心孔的第一端盖;所述过滤介质的延伸部分埋置在所述第一端盖中。
45.根据权利要求1所述的空气过滤装置,其特征在于:所述第一过滤器结构体包括轴向排列的第一和第二过滤部件;所述折叠过滤介质复合件的延伸部分包含所述第一过滤部件中的介质的第一延伸部分和所述第二过滤部件中的介质的第二延伸部分。
46.根据权利要求1所述的空气过滤装置,其特征在于:所述隔板壁有第二空气流孔;该装置还包括:
位于空气流与所述隔板壁中的第二空气流孔的连通处的第二过滤器结构体;所述第二过滤器结构体包括确定第二过滤器结构体内部清洁空气室的折叠过滤介质复合件的延伸部分;
所述第二过滤器结构体以与所述隔板壁的第二空气流孔空气流连通的所述第二过滤器内部的清洁空气室进行定位;
所述第二过滤器结构体的折叠过滤介质复合件包括至少部分被一层细纤维覆盖的基底。
47.根据权利要求1所述的空气过滤装置,其特征在于:所述隔板壁有第二空气流孔;该装置还包括:
(a’)位于空气流与所述隔板壁中的第二空气流孔的连通处的第二过滤器结构体;所述第二过滤器结构体包括确定第二过滤器结构体内部清洁空气室的折叠过滤介质复合件的延伸部分;
(i’)所述第二过滤器结构体以与所述隔板壁的第二空气流孔空气流连通的所述第二过滤器内部的清洁空气室进行定位;
(ii’)所述第二过滤器结构体的折叠过滤介质复合件包括至少部分被一层细纤维覆盖的基底;
(b’)第二文丘里部件,它安装在所述隔板壁的第二空气流孔中并伸入所述第二过滤器结构体内部的清洁空气室中;
(c’)第二吹管,它将冲量的空气从所述清洁空气室导入所述第二文丘里部件中并朝向第二过滤器结构体。
48.一种过滤空气的方法,所述空气的温度至少为140°F,该方法包括:
(a)将空气通过外壳的进口导入过滤室中;所述外壳包括将过滤室和清洁空气室隔开的隔板壁;所述隔板壁有第一空气流孔;
(b)在空气导入过滤室之后,将空气通过第一过滤器结构体的折叠过滤介质复合件的延伸部分导入过滤器结构体内部的清洁空气室中;第一过滤器结构体位于空气流与隔板壁中的第一空气流孔的连通处;折叠过滤介质复合件的延伸部分确定过滤器结构体内部的清洁空气室;
(i)第一过滤器结构体以与隔板壁的第一空气流孔空气流连通的过滤器内部的清洁空气室进行定位;
(ii)所述介质复合件包括一基底,当根据ASTM-1215-89用0.78μ单分散性聚苯乙烯球粒在20fpm(6.1m/分钟)的速度、2-900m/分钟的渗透率、不超过200g/m2的基重以及25-800微米的厚度的条件下测定时,所述基底的效率大于11%;所述基底至少部分地被一层直径0.1-0.5微米的细纤维覆盖,所述细纤维层的厚度为细纤维直径的1-8倍,使得纤维在相对湿度100%、140°F空气的试验条件下放置16小时后,有大于30%的纤维保持不变用于过滤;
(c)在空气通过第一过滤器结构体的折叠过滤介质复合件的延伸部分导入过滤器结构体内部的清洁空气室之后,将空气导入清洁空气室并使之离开外壳。
49.根据权利要求48所述的方法,其特征在于:它还包括将冲量的空气导入过滤器结构体内部的清洁空气室中,从而至少部分除去收集在折叠过滤介质复合件上的颗粒。
50.根据权利要求49所述的方法,其特征在于:所述引导冲量的空气进入过滤器结构体内部的清洁空气室中以至少部分除去收集在折叠过滤介质复合件上的颗粒的步骤包括,将冲量的空气导入伸入第一过滤器结构体内部清洁空气室的第一文丘里部件中。
51.根据权利要求48所述的方法,其特征在于:所述外壳隔板壁包括许多过滤器结构体的折叠过滤介质复合件的许多延伸部分,其中,折叠过滤介质复合件的各个延伸部分确定各自过滤器结构体内部的清洁空气室。
52.根据权利要求48所述的方法,其特征在于:它还包括将冲量的空气导入各个过滤器结构体内部的清洁空气室中,至少部分除去收集在各个折叠过滤介质复合件上的颗粒。
53.根据权利要求49所述的方法,其特征在于:所述将冲量的空气导入各个过滤器结构体内部的清洁空气室中以至少部分除去收集在各个折叠过滤介质复合件上的颗粒的步骤包括,将冲量的空气导入许多伸入各自过滤器结构体内部的清洁空气室的各个文丘里部件中。
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