CN1750862A - 过滤元件及制造该过滤元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种过滤元件，其在废弃处理时不会引起环境污染，易于制造，具有改善的压力损失，并可以低成本生产。该过滤元件的特征在于其包括：过滤元件基体和填充在该基体表面的孔隙中的超高分子量聚乙烯细颗粒；所述过滤元件基体包括通过加热/烧结合成树脂粉粒、无纺织物或毡而获得的可渗透的多孔模制品；所述超高分子量聚乙烯细颗粒是初级粒子的聚集体，且在初级粒子连接处的空隙为1～5μm，其平均分子量为3,000,000～11,000,000，堆积比重为0.15～0.29。

Description

过滤元件及制造该过滤元件的方法
技术领域
本发明涉及过滤元件(filter element)和制造该过滤元件的方法，所述过滤元件用于分离和收集固体颗粒并将其从流体中除去。
背景技术
在专利文献1(JP-A No.61-502381)中披露了一种从气态或液态介质中分离固体颗粒的过滤元件，该过滤元件可作为仅向外排放空气的过滤元件和仅向外排放液体的过滤元件，所述空气通过从含有空调机微细尘粒的空气或者从含有内燃机微细固体颗粒的废气中除去微细固体颗粒而得到净化，所述液体通过从含有微细固体颗粒的液体如油和废水中除去微细固体颗粒而得到净化。
通过最初形成微细的初级过滤层而无需像袋滤器那样不得不依赖形成用于粘附尘粒的过滤层，通过在模具中填充由中等分子量聚乙烯和大分子量聚乙烯的混合物组成的粒状聚乙烯，将粒状聚乙烯加热和烧结以模塑成刚性过滤基体(filter base)，并使用诸如局部热处理的方法用聚四氟乙烯(PTFE)细粉粒组成的填料填充过滤基体稍大的孔隙(pore)，过滤元件可以除去包含在介质中的欲滤去的微细固体颗粒。此外，聚四氟乙烯具有憎水憎油特性，因此通过反洗(back washing)去除附着的尘粒(聚集的微细固体颗粒等)过滤器能够恢复过滤能力。
但是，如上所述，具有通过以下方法获得的结构的过滤元件经过一定时间会由于过滤基体的热劣化或反洗引起的脉冲疲劳(pulse fatigue)劣化而劣化，所述方法为：加热和烧结由中等分子量聚乙烯和大分子量聚乙烯的混合物组成的粒状聚乙烯以模塑成过滤基体，并用聚四氟乙烯细粉粒组成的填料填充所述过滤基体的孔隙以形成微细过滤层。当用聚四氟乙烯细粉粒填充的过滤基体因堵塞劣化并废弃燃烧时，该过滤基体不会燃烧，因为填充在基体表面的聚四氟乙烯细粉粒暴露在高热量下并分解为有害的低分子量有机氟化物气体如四氟乙烯、六氟丙烯和全氟环丁烯，从而对环境有不利影响。因此唯一的办法只能是将其埋在地下，仅使污染转移到地下。此外，聚四氟乙烯的比重很大，为2.2，而且非常憎水，因此悬浮分散其细粉粒的悬浮体是不稳定的，当用聚四氟乙烯细粉粒填充过滤基体的孔隙时，对于有聚四氟乙烯细粉粒分散在其中的涂覆溶液，难以获得仅包含水介质的水基悬浮液，需要添加乙醇等。另外，在刷涂或喷涂时，悬浮液在进行涂覆的同时需要搅拌，从而可以避免涂层不均匀。
此外，使用聚四氟乙烯细粉粒作为填料的过滤元件，需要进一步改善压力损失(也称为“压降”)和减少生产成本。
[专利文献1]JP 61-502381
本发明的目的是提供一种过滤元件和用于制造其的方法，该过滤元件在废弃物处理时不产生污染，通过简单制备用于填充过滤基体的涂覆溶液孔隙可以很容易地进行生产，能够改善压力损失并降低生产成本。
发明内容
本发明人进行了广泛和深入的研究，结果发现通过采用如下结构可以克服上述现有技术中的缺点，并因此完成了此项发明。即，本发明描述如下：
(1)一种用于从含有固体颗粒的流体中分离固体颗粒的过滤元件，其中平均分子量为3,000,000～11,000,000、堆积比重为0.15～0.29的超高分子量聚乙烯细粉粒是初级粒子的聚集体，被成型为在初级粒子连接的部分有1～5μm的空隙(void)，并被填充在过滤元件基体表面的孔隙中，所述过滤元件基体由加热和烧结合成树脂粉粒、无纺织物或毡而获得的开孔的多孔模塑体(open-cell porous molded body)制得。
(2)根据上述(1)的过滤元件，其中超高分子量聚乙烯细粉粒的平均粒度为3～150μm。
(3)根据上述(1)的耐热的过滤元件，其中通过用抗氧化剂浸渍(impregnate)超高分子量聚乙烯细粉粒而赋予过滤元件耐热性。
(4)一种制备用于从含有固体颗粒的液体中分离固体颗粒的过滤元件的方法，其中平均分子量为3,000,000～11,000,000、堆积比重为0.15～0.29的超高分子量聚乙烯细粉粒是初级粒子的聚集体，被成型为在初级粒子连接的部分有1～5μm的空隙，被涂布有含水悬浮物，并被填充在过滤元件基体表面的孔隙中，所述含水悬浮物和至少一种可分散在水中的粘结剂一起分散在水中，所述过滤元件基体由加热和烧结合成树脂粉粒、无纺织物或毡而获得的开孔的多孔模塑体制得。
本发明的过滤元件即使在废弃燃烧时也不产生有害气体如四氟乙烯、六氟丙烯和全氟环丁烯等。
在本发明的过滤元件中，使用超高分子量的聚乙烯细粉粒可以很容易地制备稳定的涂覆溶液。
在本发明的过滤元件中通过采用超高分子量细粉粒，涂覆溶液无须使用酒精或类似物质，从而使制备方法简化。
在涂覆聚四氟乙烯时，由于涂覆方法不同，使得涂层或厚或薄，薄膜厚度显著不均匀。对于厚膜是优选，因为会增加过滤元件的初始压力损失。即，安装和驱动(driving)需要更多的能量，而过滤元件也可能被反洗时的脉冲气体破坏。对于薄膜，会发生粉粒泄漏或进行内部过滤而非表面过滤，从而引起驱动开始后压力损失等持续增加，由此减少了产品的寿命周期。由于具有适当的空隙和涂层而无粉粒泄漏，超高分子量聚乙烯细粉粒可以降低压力损失，所述超高分子量聚乙烯细粉粒是初级粒子的聚集体，并被成型为在初级粒子连接的部分有1～5μm的空隙。还可以根据涂覆方法减小厚度的不均匀。在收集超细粉粒时，可以二次涂覆聚四氟乙烯以获得良好的收集能力，但由于压力损失的初始值高，需要超额的驱动能量。同样情况下，使用超高分子量聚乙烯细粉粒，能在降低压力损失的同时保持高的收集能力，因此可以用低驱动能进行操作。
超高分子量聚乙烯细粉粒每千克的单位成本并不昂贵，只是聚四氟乙烯的一半或更低，因此可以降低成本。
通过使用超高分子量聚乙烯细粉粒，在生产过程中使用后的残留涂覆溶液的废物处置可以通过燃烧丢弃，而不必埋在地下。在一些情况下，从环境保护的角度考虑可以将其作为原料用于回收热量。因此，处理费用也可以降低。
在下文中将参考适当的附图，详细描述本发明的过滤元件及用于制备其的方法的实施方案。
在本发明中，用于构造作为过滤元件基体的开孔的多孔模塑体的合成树脂粉粒材料的实例包括不含卤素的热塑性树脂，如聚乙烯、聚丙烯、乙烯和丙烯的共聚物，所述过滤元件基体是通过将材料装入模具并进行加热和烧结而制成的。用于构造作为过滤元件基体的开孔的多孔模塑体的合成树脂纤维材料的实例也包括不含卤素的合成树脂如聚丙烯和聚酯，所述过滤元件基体是通过加热并模塑无纺织物或毡制成的。
此外，由于根据成品过滤元件欲过滤的细固体颗粒的尺寸，优选在后续步骤中填充在开孔的多孔模塑体(过滤元件基体)孔隙中的细粉粒的平均粒度为3～50μm，因此由上述合成树脂模塑的开孔的多孔模塑体上的孔隙大小优选为5～500μm。
基于100重量份的开孔的多孔模塑体，优选开孔的多孔模塑体含有0.1～3重量份，且优选0.5～1重量份的抗氧化剂。
通过包含该范围的抗氧化剂，构造本发明的过滤元件基体的开孔的多孔模塑体的耐热性得到提高。例如，当模塑体的合成树脂材料是聚乙烯时，能够在70℃～130℃，特别是90℃～110℃的高温环境下连续使用。当抗氧化剂的含量过少时，耐热性不能充分提高，而当抗氧化剂的含量过多时，成本会上升。
抗氧化剂的实例包括苯酚类抗氧化剂，芳胺类抗氧化剂，硫类抗氧化剂，磷类抗氧化剂等。这些抗氧化剂可以单独使用或者两种或两种以上结合使用。
抗氧化剂的具体实例，例如，对于苯酚类抗氧化剂，包括受阻酚、高分子量受阻酚、高分子量多环受阻酚、单酯类高分子量受阻酚、四酯类高分子量受阻酚、双酯类高分子量受阻酚等，对于芳胺类抗氧化剂，包括芳烷基化的二苯胺、苯二胺类抗氧化剂、二氢喹啉类抗氧化剂等。此外，硫类抗氧化剂的实例包括四酯类高分子量过氧化物分解剂、硫醚类过氧化物分解剂等，而磷类抗氧化剂的实例包括亚磷酸酯、亚磷酸三(一壬基苯基，二壬基苯基)酯(tris(monononylphenyl，dinonylphenyl)phosphite)、TNP(亚磷酸三(壬基苯酯))、烷基烯丙基亚磷酸酯、亚磷酸三烷基酯、亚磷酸烯丙酯等。
在抗氧化剂中，苯酚类高分子量受阻酚是特别优选的。
此外，苯酚类抗氧化剂具有特别能阻止自由基型分解劣化(deterioration)的效果，所述自由基型分解劣化是产生由热氧化劣化引起合成树脂脆化的主要因素。芳胺类抗氧化剂由于其长的氧化吸附诱导期而具有出色的抗氧化性能。硫类抗氧化剂通过分解为惰性化合物阻止合成树脂的脆化和变色。特别是，当硫类抗氧化剂与苯酚类抗氧化剂结合使用时，防氧化性由于协同作用得到显著提高。磷类抗氧化剂具有阻止变色，改善稳定处理，使树脂内残留的催化剂失活，以及防止氧化劣化的效果；例如，对于苯酚类抗氧化剂引起的变色问题或硫类抗氧化剂引起的异味问题，使用亚磷酸酯作为替代物可使问题迎刃而解。
填充于开孔的多孔模塑体的孔隙内的超高分子量聚乙烯细粉粒是初级粒子的聚集体，成型为在初级粒子连接的部分有1～5μm的空隙，其平均分子量为3,000,000～11,000,000而堆积比重为0.15～0.29。优选超高分子量聚乙烯细粉粒的平均粒度为3～150μm。该超高分子量聚乙烯细粉粒可以以一串葡萄或花椰菜的形状为例，如图5通过电子显微镜所显示的。
超高分子量聚乙烯细粉粒的初级粒子的尺寸为3～10μm。
制备超高分子量聚乙烯细粉粒的方法没有特别的限制，但优选使用聚合技术的Ziegler法或类似方法。
此外，优选通过用上述抗氧化剂浸渍超高分子量聚乙烯细粉粒而赋予过滤元件耐热性。
在下文中将说明制备本发明的过滤元件的方法。
首先，通过加热和烧结合成树脂粉粒、无纺织物或毡，模塑开孔的多孔模塑体。
对于通过加热和烧结合成树脂粉粒模塑开孔的多孔模塑体的步骤，例如，可以以下步骤为例：通过向模具中填充合成树脂粉粒并加热该模具使得合成树脂粉粒在其表面部分地相互粘附从而形成具有一体化(integrated)结构的开孔的多孔模塑体。所述模具，例如，由耐热铝合金制成，使模具的内表面适合开孔的多孔模塑体的形状。另外，此时通常用振动进行填充。但是，对振动的振幅和频率没有特别限定。
填充了合成树脂粉粒的模具，例如，在加热炉中加热，加热温度高于合成树脂(其为合成树脂粉粒的主要成分)的熔点，优选比该熔点高50℃。此外，在一定温度范围内进行加热，其中在该温度范围内合成树脂粉粒大体上能流动但在加热时仍能保持形状。该温度范围根据合成树脂的类型而不同。具体地，对于聚乙烯，该温度随分子量而不同，分子量越高，即粘度数越高，即使在很高的温度下加热也难以产生流动，因此合成树脂粉粒能够保持其形状。
但是，加热温度优选设定在250℃或更低，更优选为240℃或更低。在超过250℃的温度下加热时，合成树脂粉粒发生高的氧化劣化，因此难以形成开孔的多孔模塑体。
加热时间根据合成树脂粉粒的粘度数和加热温度而不同，适当设定以便形成良好的开孔的多孔模塑体。通常，进行热处理1～6小时，优选1.5～3小时。
在加热预定时间以后，将模具从加热炉中取出并充分冷却，然后从模具中取出模塑制品。借此，通过使合成树脂粉粒熔融并在其表面部分粘附可以获得了一体化的开孔的多孔模塑体，该模塑体具有足够的强度和合适的孔隙度。此外，模塑的过滤元件基体具有柔韧性和强的抗外力性。
当模塑开孔的多孔模塑体时，通过在合成树脂粉粒含有抗氧化剂的方式将抗氧化剂加入开孔的多孔模塑体中。
为了在合成树脂粉粒中含有抗氧化剂，首先进行的步骤是在合成树脂粉粒中分散预定量的抗氧化剂。该步骤可以使用任意用于干混树脂与添加剂的常规混合器，如转鼓式混合器、Henschel混合器、犁铧(plowshare)混合器和Redige混合器。在该步骤中，得到了包含合成树脂粉粒和分散于其中的抗氧化剂的混合物。此处抗氧化剂与合成树脂粉粒的混合可以通过溶解在低沸点的有机溶剂如四氢呋喃、甲乙酮、甲基异丁基酮和丙酮中进行。混合后除去溶剂。
随后进行的步骤是将分散在合成树脂粉粒中的抗氧化剂渗透进入合成树脂粉粒。在该步骤中，将混合物加热至一定温度，所述温度高于使抗氧化剂液化的熔点，但在使合成树脂粉粒能够基本保持其形状的范围内，优选温度高于抗氧化剂的熔点而低于合成树脂粉粒的熔点。将混合物在一定温度下保持15～120分钟，更优选保持30～120分钟，由此抗氧化剂渗透进入合成树脂粉粒。加热使抗氧化剂渗透进入合成树脂粉粒，例如，可以在模具中填充合成树脂粉粒之前在加热炉中进行加热，或者在模具中填充合成树脂粉粒之后在加热炉中进行加热。
然后，进行的步骤是在前面得到的开孔的多孔模塑体的表面形成超高分子量聚乙烯细粉粒涂层，即，进行表面处理步骤。
上述获得的开孔的多孔模塑体本身可以作为过滤元件。但是，如图1所示的本发明的过滤元件的表面，开孔的多孔模塑体是形成骨架的合成树脂粉粒A的聚集体，且在开孔的多孔模塑体内部存在大量50～500μm的较大的空隙B，这样当用作过滤器时，细粉状的尘粒C会漏出。为了防止漏出，在开孔的多孔模塑体的表面形成细颗粒层，即空隙为1～5μm的超高分子量聚乙烯细粉粒的涂层D，由此提高了过滤效率。
作为形成超高分子量聚乙烯细粉粒涂层的方法，例如，在开孔的多孔模塑体的表面喷洒和涂布悬浮液之后进行加热的步骤，所述悬浮液是水和合成树脂的混合物，该合成树脂如聚乙酸乙烯酯用作超高分子量聚乙烯细粉粒的粘结剂。在喷洒和涂布悬浮液之后，用于使超高分子量聚乙烯细粉粒通过粘结剂固定在开孔的多孔模塑体表面的加热温度优选为40℃～60℃，加热时间优选为90～150分钟。
通过向超高分子量聚乙烯细粉粒添加抗氧化剂，可以提高过滤元件的耐热性。作为向超高分子量聚乙烯细粉粒添加抗氧化剂的步骤，例如，可以提到向所述合成树脂粉粒添加抗氧化剂的相同方法。
通过上述步骤制备的本发明的过滤元件具有如图6的电子显微照片中所示的表面，具有如图7的电子显微照片中所示的表面部分的截面结构，并且超高分子量聚乙烯细粉粒形成的空隙为1～5μm。
另一方面，使用聚四氟乙烯作为填料的过滤元件具有如图8的电子显微照片中所示的表面，具有如图9的电子显微照片中所示的表面部分的截面结构，且在表面形成的空隙非常小。
具有上述的表面结构的本发明的过滤元件，压力损失较小且初始泄漏较少。
安装本发明的过滤元件24的尘粒收集器的结构示意的实例如图2所示。尘粒收集器10具有密封箱12，其中用上部顶板14作为隔离壁将其分为下部尘粒室16和上部清洁空气室18。安装在箱12中部的是与下部尘粒室16连通的含尘空气供应口20，而安装在箱12上部的是与上部清洁空气室18连通的清洁空气排出口22。此外，在上部顶板14的下表面上，在其间的预定空间安装中空平板状(hollow planar-shaped)的过滤元件24。安装在箱12下部的是用于排出废弃粉状尘粒的料斗26，和粉状尘粒的尘粒出口28。
如图3的简化外观图所示，在过滤元件24的上部形成大的径向部分32，这个大的径向部分32呈膨胀状以容纳框架(frame)34。容纳在大的径向部分32中的框架34的每个端部与大的径向部分32一起用固定螺栓固定在上部顶板14上。另外，填料38安插在上部顶板14和框架34之间。
此外，如图4所示的透视图是图3中的过滤元件24的P-P截面图，过滤元件24的内部由多个上部敞口的空室24a构成，元件的尘粒粘附表面呈皱折的板状或风箱状，由此增大粘附表面积。
从供应口20提供到箱12的尘粒室16的含尘空气经过过滤元件24的中空状过滤器并流入内侧。在此处粉状尘粒通过粘附和沉积作用收集在过滤元件24的表面，流入过滤元件24内侧的清洁空气穿过框架34的通道并进入箱12的上部清洁空气室18，在其中将清洁空气从空气排出口22导至预定位置。
当粉状尘粒粘附和沉积在过滤元件24的表面时，气体通道被堵塞从而压力损失增加。因此，各过滤元件24要依次定期进行反洗以从过滤元件24表面除去粘附和沉积的粉状尘粒。也就是说，使用计时器等设置固定的期限，随后，打开反洗阀(未示出)，从而用于反洗的脉冲空气分别从相应的分散管扩散开来。借此，脉冲空气从各过滤元件24的内侧倒流(backflow)，并以未散开的堆积物的形式抖去粘附和沉积的粉状尘粒。抖落的尘粒通过料斗26由尘粒出口28收集。
本发明的过滤元件24可以制成圆柱体、盒，或横截面呈波纹状以增大表面积的盒的形状。
附图说明
图1是本发明过滤元件表面的示意图。
图2是安装了本发明过滤元件的尘粒收集器的结构示意图。
图3是本发明过滤元件的外观示意图。
图4是图3所示的过滤元件的P-P截面透视图。
图5示出本发明超高分子量聚乙烯细粉粒的形状的电子显微照片。
图6示出本发明过滤元件的表面的电子显微照片。
图7示出本发明过滤元件的表面部分截面结构的电子显微照片。
图8示出使用聚四氟乙烯细粉粒作为填料的过滤元件的表面的电子显微照片。
图9示出使用聚四氟乙烯细粉粒作为填料的过滤元件的表面截面结构的电子显微照片。
图10是本发明的过滤元件和比较例的过滤元件中压力损失测试结果的曲线图。
图11是本发明的过滤元件和比较例的过滤元件中初始泄漏中含尘浓度测试结果的曲线图。
附图标记
A   合成树脂粉粒
B   空隙
C   尘粒
D   超高分子量聚乙烯细粉粒(涂层)
10  尘粒收集器
12  箱
24  过滤元件
具体实施方式
下文中，将借助实施例详细说明本发明，该实施例不试图以任何方式限制本发明。
实施例1
将密度为0.95g/ml，熔融指数为0.1g/10min，平均粒度为300μm的高密度聚乙烯树脂粉粒填充在模具中，在230℃下加热2小时并烧结，获得厚度为62mm，宽度为500mm以及高度为500mm的开孔的多孔模塑体，如图3所示。用激光显微镜测量过滤元件基体表面上的孔隙大小，得到的平均孔隙大小为85μm。
将包含20.6重量份超高分子量聚乙烯细粉粒，4.5重量份聚乙酸乙烯酯和74.9重量份离子交换水的组分在匀拌器(homomixer)中在5,000rpm下均匀搅拌10min，所述超高分子量聚乙烯是初级粒子的聚集体，被成型为在初级粒子连接的部分有1～5μm的空隙，其平均分子量为4,500,000，原料密度为0.93g/ml，平均粒度为30μm，堆积比重为0.25或更低。将由此获得的涂覆溶液涂布在过滤元件基体的表面上。然后，在50℃的电炉中保持2小时，加速聚乙酸乙烯酯的粘附作用。由此，将超高分子量聚乙烯细粉粒填充并固定在过滤元件基体表面的孔隙中，从而完成本发明的过滤元件。
比较例1
以与实施例1相同的方式完成比较例的过滤元件，除了使用平均粒度为3.6μm，堆积比重为0.28g/ml的聚四氟乙烯粉粒代替上述的超高分子量聚乙烯细粉粒，将所述聚四氟乙烯粉粒填充并固定在过滤元件基体表面的孔隙中。
当测试本发明的过滤元件和比较例的过滤元件的透气性时[采用JISL 1096：1999(Fabric)，题目为“通用纤维测试法(General Fabric TestingMethod)”8.27，Air Permeability，8.27.1，方法A(易碎型方法)]，很明显本发明的过滤元件具有良好的透气性，如表1所示。
表1：透气性测定结果
  空气渗透率cm3/cm2.sec 涂覆前后的百分率
  涂覆前   涂覆后
  比较例的过滤元件   4.65   1.35   29％
  本发明的过滤元件   4.65   2.63   57％
测试本发明的过滤元件和比较例的过滤元件的压力损失(过滤速率：1m/min，用于反洗的脉冲空气：0.49MPa/120秒，含尘浓度：5g/m3(碳酸钙D50＝10.4μm))，结果如图10所示。
在和上述相同的条件下，测试本发明的过滤元件和比较例的过滤元件的初始泄漏的尘粒浓度，结果如图11所示。
从图10和图11的结果看到，显然本发明的过滤元件的压力损失稳定在很低的数值，没有持续上升，初始泄漏与比较例的过滤元件没有大的不同，但具有高的收集能力。
工业适用性
根据本发明，可以提供一种过滤元件，其在废弃处理时不产生污染，通过简单制备用于填充过滤器基体孔隙的涂覆溶液可以容易地进行生产，并能够改善压力损失和降低生产成本。

Claims (4)

1.一种过滤元件，用于从含有固体颗粒的流体中分离所述固体颗粒，其中平均分子量为3,000,000～11,000,000、堆积比重为0.15～0.29的超高分子量聚乙烯细粉粒是初级粒子的聚集体，被成型为在初级粒子连接的部分有1～5μm的空隙，并被填充在过滤元件基体表面的孔隙中，所述过滤元件基体由加热和烧结合成树脂粉粒、无纺织物或毡而获得的开孔的多孔模塑体制得。
2.根据权利要求1的过滤元件，其中超高分子量聚乙烯细粉粒的平均粒度为3～150μm。
3.根据权利要求1的耐热的过滤元件，其中通过用抗氧化剂浸渍超高分子量聚乙烯细粉粒而赋予过滤元件耐热性。
4.一种制备用于从含有固体颗粒的液体中分离所述固体颗粒的过滤元件的方法，其中平均分子量为3,000,000～11,000,000、堆积比重为0.15～0.29的超高分子量聚乙烯细粉粒是初级粒子的聚集体，被成型为在初级粒子连接的部分有1～5μm的空隙，被涂布有含水悬浮物，并被填充在过滤元件基体表面的孔隙中，所述含水悬浮物和至少一种可分散在水中的粘结剂一起分散在水中，所述过滤元件基体由加热和烧结合成树脂粉粒、无纺织物或毡获得的开孔的多孔模塑体制得。
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