DE112017002064T5

DE112017002064T5 - Nanofaser-filtermedien für hochleistungsanwendungen

Info

Publication number: DE112017002064T5
Application number: DE112017002064.6T
Authority: DE
Inventors: Eric A. Janikowski; Mark P. Adams; Huanling Liu; Himani Deshpande; Scott W. Schwartz; Barry Mark Verdegan; Aiden Kim; Anna Balazy; Nathan Shafer
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2016-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-12-27
Also published as: CN109069956A; US11633682B2; WO2017184615A1; US20190160405A1

Abstract

Ein Verbundmaterial-Filtermedium mit mindestens einer an eine Trägerschicht gebundenen Nanofaserschicht wird offenbart, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht gegebenenfalls eine Vielzahl von Nanofasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser kleiner als oder gleich 0,5 µm aufweist, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Dicke von etwa 1-100 µm aufweist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/324.179 , eingereicht am 18. April 2016, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf in Filtrationssystemen zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren oder dergleichen verwendete Filtermedien.
HINTERGRUND
Im Bereich von Filtrationssystemen zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren gibt es einen steigenden Bedarf an Filtern, die eine hohe Partikelentfernung, geringe Einschränkung und eine lange Lebensdauer im Einsatz bereitstellen. Dies ist am deutlichsten für die Motorluft- und Dieselkraftstofffiltration. Um diese konkurrierenden Anforderungen zu erfüllen, sind Verbesserungen im Filterdesign und in den Filtermedien erforderlich. Insbesondere ist es wünschenswert, die Menge an Medienoberflächenbereich zu maximieren, die in ein definiertes Filtervolumen gepackt werden kann, während Kosten minimiert werden. Dies kann erreicht werden, indem die Medien dünner gemacht werden und/oder indem die stromaufwärtige Fläche der Medien strukturiert wird. Beide Ansätze steigern die relative Menge des zur Verunreinigungsentfernung verfügbaren Medienoberflächenbereichs, die in ein gegebenes Volumen gepackt werden kann. Die Herausforderung bei dünnen Medien besteht jedoch darin, dass sie auf Oberflächenfiltration beruht, die keine optimale Staubhaltekapazität und Filterlebensdauer bereitstellt.
KURZDARSTELLUNG
Eine neue Art von Filtermedien kann diese widersprüchlichen Konstruktionsbeschränkungen und Herausforderungen überwinden, während sie dennoch Kundenanforderungen nach hoher Partikelentfernung, geringer Einschränkung und einer langen Lebensdauer im Einsatz genügt. Dementsprechend betrifft ein erster Satz von Ausführungsformen ein Verbundmaterial-Filtermedium, umfassend mindestens eine Nanofaserschicht, die mit einer Substratschicht verbunden ist, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Vielzahl von Nanofasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser von kleiner als oder gleich 0,5 µm aufweist, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Dicke von etwa 1-100 µm aufweist.
In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern eine geometrische Standardabweichung des Nanofaserdurchmessers von mehr als 1,4 auf. In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern einen geometrischen mittleren Durchmesser von 0,1-0,5 µm und eine geometrische Standardabweichung des Nanofaserdurchmessers von 1,5-2,0 auf. In einigen Ausführungsformen weist die mindestens eine Nanofaserschicht eine Dicke im Bereich von 1-50 µm auf. In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 0,7 g/m² bis 3 g/m² auf. In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 3 g/m² bis 10 g/m² auf.
In einigen Ausführungsformen umfasst die mindestens eine Nanofaserschicht ferner Polymermassen, die einen Bereichsäquivalenzdurchmesser von größer als 1 µm aufweisen und 1-25 % des Medienoberflächenbereichs bedecken. In einigen Ausführungsformen bedecken die Polymermassen 2-5 % des Medienoberflächenbereichs. In einigen Ausführungsformen sind die Polymermassen in die Nanofaserschicht eingearbeitet. In einigen Ausführungsformen sind die Polymermassen an einer Grenzfläche zwischen der mindestens einen Nanofaserschicht und der Substratschicht lokalisiert, um zu helfen, die mindestens eine Nanofaserschicht an der Substratschicht zu befestigen. In einigen Ausführungsformen stellen die Polymermassen Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereit und erzeugen eine dreidimensionale Oberfläche für die mindestens eine Nanofaserschicht. In einigen Ausführungsformen sind die Polymermassen aus dem gleichen Polymer wie die Vielzahl von Nanofasern hergestellt. In einigen Ausführungsformen weisen die Polymermassen einen Durchmesser von mindestens der Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht auf und stellen Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereit. In einigen Ausführungsformen weisen die Polymermassen Bereichsäquivalenzdurchmesser im Bereich von 5 µm bis 130 µm auf.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Substratschicht grobe Fasern mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von größer als 1 µm. In einigen Ausführungsformen umfassen die groben Fasern mindestens eines von Cellulose, Polyester und Polyamid. In einigen Ausführungsformen befindet sich die mindestens eine Nanofaserschicht stromaufwärts der Substratschicht, und wobei das Verbundmaterial-Filtermedium frei von einer zusätzlichen Schicht stromaufwärts der mindestens einen Nanofaserschicht ist. In einigen Ausführungsformen ist das Verbundmaterial-Filtermedium ein hybrider Oberflächen-Tiefenfilter. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 4 µm bis 25 µm. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 1 µm bis 5 µm.
Ein weiterer Satz von Ausführungsformen betrifft ein Verbundmaterial-Filtermedium, umfassend mindestens eine Nanofaserschicht, die mit einer Substratschicht verbunden ist, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Vielzahl von Nanofasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser von kleiner als oder gleich 0,5 µm und eine Vielzahl von Polymermassen mit einem Bereichsäquivalenzdurchmesser im Bereich von 5 µm bis 130 µm umfasst.
In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern eine geometrische Standardabweichung des Nanofaserdurchmessers von mehr als 1,4 auf. In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern einen geometrischen mittleren Durchmesser von 0,1-0,5 µm auf und die Vielzahl von Polymermassen weist einen Bereichsäquivalenzdurchmesser im Bereich zwischen 40 µm bis 100 µm auf. In einigen Ausführungsformen weist die mindestens eine Nanofaserschicht eine Dicke im Bereich von 1-50 µm auf. In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 0,7 g/m² bis 3 g/m² auf. In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 3 g/m² bis 10 g/m² auf. In einigen Ausführungsformen bedeckt die Vielzahl von Polymermassen 1-25 % des Medienoberflächenbereichs. In einigen Ausführungsformen bedeckt die Vielzahl von Polymermassen 2-5 % des Medienoberflächenbereichs. In einigen Ausführungsformen ist die Vielzahl von Polymermassen in der mindestens einen Nanofaserschicht eingearbeitet. In einigen Ausführungsformen ist die Vielzahl von Polymermassen an einer Grenzfläche zwischen der mindestens einen Nanofaserschicht und der Substratschicht lokalisiert, um dabei zu helfen, die mindestens eine Nanofaserschicht an der Substratschicht zu befestigen. In einigen Ausführungsformen stellt die Vielzahl von Polymermassen Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereit und erzeugt eine dreidimensionale Oberfläche für die mindestens eine Nanofaserschicht In einigen Ausführungsformen weist die Vielzahl von Polymermassen einen Durchmesser von mindestens der Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht auf und stellt Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereit. In einigen Ausführungsformen ist die Vielzahl von Polymermassen aus dem gleichen Polymer wie die Vielzahl von Nanofasern hergestellt. In einigen Ausführungsformen umfasst die Substratschicht grobe Fasern mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von größer als 1 µm. In einigen Ausführungsformen umfassen die groben Fasern mindestens eines von Cellulose, Polyester und Polyamid. In einigen Ausführungsformen befindet sich die mindestens eine Nanofaserschicht stromaufwärts der Substratschicht, und wobei das Verbundmaterial-Filtermedium frei von einer zusätzlichen Schicht stromaufwärts der mindestens einen Nanofaserschicht ist. In einigen Ausführungsformen ist das Verbundmaterial-Filtermedium ein hybrider Oberflächen-Tiefenfilter. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 4 µm bis 25 µm. In einigen Ausführungsformen liegt eine Dicke des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 1 µm bis 5 µm.
Ein weiterer Satz von Ausführungsformen betrifft ein Verbundmaterial-Filtermedium, umfassend mindestens eine an eine Substratschicht gebundene Nanofaserschicht, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Vielzahl von Nanofasern mit einem Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 0,7 g/m² bis 10 g/m² umfasst, wobei die Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht im Bereich von 1-100 µm liegt, und wobei eine lineare Beziehung zwischen der Dicke von der mindestens einen Nanofaserschicht als eine Funktion des Nanofaserbasisgewichts existiert.
In einigen Ausführungsformen wird die lineare Beziehung zwischen der Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht als eine Funktion des Nanofaserbasisgewichts als y = 5,6221x-3,092 beschrieben, wobei x = das Nanofaserbasisgewicht in g/m² und y = die Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht in µm.
Ein weiterer Satz von Ausführungsformen betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Partikeln aus Luft, umfassend Durchleiten von Luft durch die Verbundmaterial-Filtermedien der vorliegenden Offenbarung in einer Luftströmungsrichtung derart, dass sich die Nanofaserschicht stromaufwärts der Substratschicht befindet.
Ein weiterer Satz von Ausführungsformen betrifft ein Verfahren zum Entfernen von Partikeln aus einer Flüssigkeit, umfassend Durchleiten der Flüssigkeit durch die Verbundmaterial-Filtermedien der vorliegenden Offenbarung.
Diese und andere Merkmale, zusammen mit der Organisation und Art ihres Betriebs, werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in Verbindung mit den Begleitzeichnungen, ersichtlich.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Nanofaser-Verbundmaterial-Filtermediums.
2 zeigt REM-Mikrofotografien von repräsentativen Nanofaser-Filtermedien bei 250X. (A) Medium A, (B) Medium B, (C) Medium C, (D) Medium D, (E) Medium E, (F) Medium F, (G) Medium G, (H) Medium H.
3 zeigt REM-Mikrofotografien von repräsentativen Nanofaser-Filtermedien bei 1000X. (A) Medium A, (B) Medium B, (C) Medium C, (D) Medium D, (E) Medium E, (F) Medium F, (G) Medium G, (H) Medium H.
4 zeigt REM-Mikrofotografien der Medien A, B, E und F bei 250X, aus einem Winkel von 45° betrachtet.
5 zeigt REM-Mikrofotografien der Medien A, B, E und F bei 1000X aus einem Winkel von 45° betrachtet.
6 zeigt REM-Mikrofotografien der Medien I, J und K bei 250X und 1000X.
7 zeigt Nanofaserschichtdicken, aufgetragen als eine Funktion des Nanofaserbasisgewichts, für die Medien A, B, C, D, E, F, G, H, I, J und K.
8 zeigt die anfängliche Entfernungseffizienz bei 0,3 µm für die Medien A, E und F.
9 zeigt die Salzdurchdringung und die Filterlebensdauer für die Medien A, E, F und G.
10 zeigt die fraktionale Effizienz für die Medien A, B, F und G.
11 zeigt die Rußentfernungseffizienz bei 90 nm für die Medien A, E, F und G.
12 zeigt das Beta-Verhältnis als eine Funktion der Partikelgröße für die Medien H, I, J und K.
13 zeigt die Beta-Verhältnis-Ergebnisse bei 4 µm (c) als eine Funktion der Nanofaserschichtdicke für die Medien H, I, J und K.
14 zeigt ein beispielhaftes zylindrisches Luftfilterelement, das Filtermedien der vorliegenden Offenbarung umfassen kann.
15 zeigt ein beispielhaftes Spin-on-Kraftstofffilterelement, das Filtermedien der vorliegenden Offenbarung umfassen kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun im Detail auf einige spezifische Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen, die von den Erfindern zum Ausführen der Erfindung in Betracht gezogen werden. Während die Erfindung in Verbindung mit diesen spezifischen Ausführungsformen beschrieben wird, ist es selbstverständlich, dass es nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf die beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegenteil, es ist beabsichtigt, Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abzudecken, wie sie im Geist und Schutzumfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, eingeschlossen sein können.
In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Spezielle Beispiel-Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können ohne einige oder alle dieser spezifischen Details implementiert werden. In anderen Fällen wurden wohlbekannte Prozessoperationen nicht im Detail beschrieben, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig zu verschleiern.
Verschiedene Techniken und Mechanismen der vorliegenden Erfindung werden aus Gründen der Klarheit manchmal in Singularform beschrieben. Es sollte jedoch beachtet werden, dass einige Ausführungsformen mehrere Iterationen einer Technik oder mehrere Instantiierungen eines Mechanismus beinhalten, wenn nicht anderweitig angegeben.
In der vorliegenden Offenbarung wird ein Verbundmaterial-Filtermedium mit einer relativ dünnen (und/oder mit niedrigem Basisgewicht) Schicht aus Nanofasern gefertigt, die eine große geometrische Standardabweichung für den Filterdurchmesser aufweist und deren Struktur gegebenenfalls durch große Polymermassen gestützt wird. Herkömmliche Nanofasern, die für die Luftfiltration verwendet werden, weisen eine sehr dünne Nanofaser mit geringem Basisgewicht auf, die im Wesentlichen abgeflacht ist, mit enger geometrischer Standardabweichung und wenigen Polymermassen, falls vorhanden.
Die hierin offenbarten Medien können auch für Flüssigkeitsfiltration (z. B. Kraftstofffiltration) verwendet werden und weisen eine große geometrische Standardabweichung für Filterdurchmesser und dreidimensionale, durch große Polymermassen gestützte, Struktur auf, können aber dicker als die bei der Luftfiltration verwendete Nanofaserschicht sein, um die Anforderungen an die Entfernung und Filterlebensdauer (d. h. Kapazität) der Verbraucher zu erfüllen.
Die Entwicklung von verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialien für Luft- und Flüssigkeitsfiltrationsprozesse wurde durch einen Bedarf angetrieben, eine höhere Leistung bei den niedrigst möglichen Kosten zu erhalten.
Der Begriff „Nanofaser“ wurde verwendet, um Fasern zu bezeichnen, die kleiner als oder gleich 0,5 µm sind. Diese Definition gibt den Durchmesser von Fasern wieder, die durch Elektrospinnen. Elektroblasen, Schmelzblasen und verwandten Verfahren zur Herstellung von „Nanofaser“ produziert werden. Es versteht sich allgemein, dass die Verunreinigungsentfernungseffizienz und der Druckabfall beide zunehmen, wenn der Faserdurchmesser abnimmt. Dies ist ein unerwünschter Kompromiss für den Druck beim Entfernen. Wenn Nanofasern verwendet werden ist jedoch die Effizienz höher und der Druckabfall geringer als erwartet, d. h. der Kompromiss zwischen Effizienz und Druckabfall ist günstiger.
Luftfiltration
Bei der Luftfiltration beginnt Schlupfströmung aufzutreten, wenn die Knudsen-Zahl (d. h. das Verhältnis des mittleren freien Gasweges zum Radius der Faser) 0,1 übersteigt. Dies resultiert in einem verringerten Druckabfall relativ zu kontinuierlichen Strömungsbedingungen, und eine gesteigerte Partikelentfernungseffizienz wird beobachtet. Die Knudsen-Zahl kann verwendet werden, um die Nanofaser hinsichtlich eines Durchmessers funktional zu definieren. Da der mittlere freie Gasweg etwa 0,066 µm beträgt, beginnen Schlupfströmung und ihre entsprechenden Vorteile für die Filtration bei Faserdurchmessern kleiner als etwa 1,3 µm aufzutreten, und die resultierenden Vorteile werden zunehmend wichtig, wenn sich der geometrische mittlere Faserdurchmesser 0,5 µm oder kleiner nähert. Somit werden klare Vorteile für Medien mit geometrischem mittleren Faserdurchmesser kleiner als etwa 0,5 µm beobachtet.
Verbundmaterial-Filtermedien.
Verschiedene hierin beschriebene Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verbundmaterial-Filtermedium (beispielsweise genutzt in dem zylindrischen Beispiel-Luftfilterelement von 14 oder dem beispielhaften Spin-on-Kraftstofffilterelement von 15), umfassend mindestens eine Nanofaserschicht und eine Substratschicht. Die Nanofaserschicht ist zwischen etwa 1 und etwa 100 Mikrometer dick und ist aus Polymernanofasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser von ≤ 0,5 Mikrometer zusammengesetzt und kann einen geometrischen Standardabweichungsdurchmesser > 1,4 aufweisen. Die Substratschicht ist aus Fasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser von größer als 1 Mikrometer zusammengesetzt. Darüber hinaus kann die Nanofaserschicht gegebenenfalls große Massen mit Bereichsäquivalenzdurchmessern ähnlich der oder größer als die Dicke der nominalen Nanofaserschicht aufweisen, innerhalb der Struktur der Nanofaserschicht eingestreut und 2 bis 25 % des sichtbaren Oberflächenbereichs der Medien bedeckend. Wenn zusätzliche Schichten auf der Nanofaserschicht (d. h. einer Mikrofaserschicht) positioniert sind, kann es sein, dass die Massen nicht länger sichtbar sind, es sei denn, die zusätzlichen Schichten werden neu zugeordnet. Weiterhin können die Massen polymerisch sein und aus dem gleichen Polymer wie die Nanofasern hergestellt sein, können in die Struktur der Nanofaserschicht während der Nanofaserschichtproduktion eingearbeitet werden und können Ankerpunkte für die Nanofasern bereitstellen.
In einigen Ausführungsformen ist ein Verbundmaterial-Filtermedium, das allgemein bei 100 in 1 gezeigt ist, mit mindestens zwei Schichten unterschiedlicher Arten von Filtermedien bereitgestellt - einer Nanofaserschicht 110 und einer Substratschicht 120. Die Nanofaserschicht 110 dient als die Filtrationsschicht und beeinflusst stark die Partikelentfernung, den Druckabfall, die Staubhaltekapazität und die Lebensdauer.
Die Substratschicht 120 stützt die Nanofaserschicht, stellt strukturelle Integrität und Formbarkeit bereit und kann sich auch auf Partikelentfernung, Druckabfall, Staubhaltevermögen und/oder Lebensdauer auswirken. Typischerweise ist die Nanofaserschicht 110 stromaufwärts der Substratschicht 120 lokalisiert, obschon in einigen Ausführungsformen die Nanofaserschicht 110 stromabwärts von der Substratschicht 120 lokalisiert sein kann. Das Verbundmaterial-Filtermedium 100 ist schematisch in 1 dargestellt, die die Nanofaserschicht 110, die Substratschicht 120 und optionale Polymermassen 130 in der Nanofaserschicht 110 zeigt. Der Einfachheit halber sind einzelne Fasern nicht dargestellt. Die Nanofaserschicht 110 umfasst oder besteht aus Polymernanofasern, wobei die optionalen Polymermassen 130 durchgehend eingestreut sind. Wie gezeigt, können sich die Polymermassen 130 von der nominalen Oberfläche der Nanofaserschicht 110 aus nach oben erstrecken oder davon vorstehen. Die Polymermassen 130 stellen erhöhte Anker- und Anbringungspunkte für Nanofasern bereit, erlauben ihnen, sich lokal bei einer nach oben gerichteten Neigung hinsichtlich der nominalen Nanofaserschichtoberfläche zu erstrecken und somit texturierte Oberflächen, gesteigerten Medienoberflächenbereich und variable Tiefen der Nanofaserschichten 110 bereitzustellen. Wenn Polymermassen 130 an der Grenzfläche zwischen der Nanofaserschicht 110 und Substratschicht 120 lokalisiert sind, können sie auch helfen, die Nanofaserschicht 110 an der Substratschicht 120 anzubringen und zu befestigen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verbundmaterial-Medium eine Nanofaserschicht mit breiter Fasergrößenverteilung, die an ein Substrat gebunden ist. Die Nanofaserschicht umfasst Polymerfasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser von kleiner als oder gleich 0,5 µm (z. B. 0,1-0,4 µm), (in einigen Ausfiihrungsformen) einer geometrischen Standardabweichung größer als 1,4, einer Nanofaserschichtdicke zwischen etwa 1 und etwa 50 µm und gegebenenfalls Polymermassen mit Durchmessern größer als 1 µm (z. B. 1-100 µm), die 1 bis 25 % der Mediumfläche bedecken.
Nanofaserschicht
Tabellen 1A und 1B fassen Charakteristika der Nanofaserschicht von Verbundmaterial-Filtermedien gemäß verschiedenen Ausführungsformen (1A, verbesserte Nanofaser-Verbundmaterialmedien) und herkömmlicheren Filtermedien (1B, Nanofaser-Verbundmaterialmedien des Stands der Technik) zusammen. 2, 3, 4, 5 und 6 zeigen REM-Mikrofotografien verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sowie herkömmliche Medien bei unterschiedlichen Vergrößerungen und aus unterschiedlichen Perspektiven.
Medien A, B, C und D sind durchgehend Beispiele der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere sind Medien A, B, C und D Entwicklungsmedien, die verschiedene Beispiele und Ausführungsformen der verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmedien demonstrieren. Medien E, F und G sind repräsentative Beispiele von herkömmlichen Nanofaser-Verbundmaterialmedien für Luftanwendungen. Insbesondere sind Medien E, F und G Beispiele der dünneren herkömmlichen Nanofaser-Verbundmaterialmedien, die auf dem Markt erhältlich waren oder sind.
Medien A, B, C, D, E, F und G sind verwandte Filtermedien, die für Motorluftfilter-Anwendungen verwendet werden können, die eine Nanofaserschicht besitzen, die von einem Cellulosesubstrat ohne zusätzliche Schichten von Medien stromaufwärts der Nanofaserschicht gestützt wird. Die Substratschichten der Medien sind ähnlich, aber nicht notwendigerweise identisch. Die minimale Spezifikation für die gravimetrische Effizienz für die Substratschicht, allein für die Medien A, B, C, D und E, ist 99,9 %, was anerkennt, dass es eine Variabilität zwischen vielen Filtermedien gibt Die Substratschichten der Medien A, C und E und ihre Leistung sind nahezu identisch, jeder beobachtete Unterschied in der Leistung kann somit der Nanofaserschicht zugeschrieben werden. Für verbesserte Nanofaser-Verbundmaterialmedien ist das Vorhandensein einer stromaufwärtigen Schicht optional. Medien E, F und G fehlen die Erhebung oder Dicke des verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmediums. Dieses Fehlen an Dicke ist charakteristisch für herkömmliche Nanofaser-Verbundmaterialmedien, die für die Luftfiltration verwendet werden, die auf Oberflächenfiltration beruhen, um die Bildung eines Staubkuchens zu initiieren.
Die Substratschicht, die die Nanofaserschicht stützt, Festigkeit bereitstellt und das Verarbeiten während des Plissierens und der Produktion des Filterelements erleichtert, kann eine Cellulose sein, aber eine andere offenere (mittlere Strömungsporengröße und/oder Frasier-Luftdurchlässigkeit größer als die Nanofaserschicht) poröse Schicht kann verwendet werden. Für Luftfiltrationsanwendungen ist es vorteilhaft, dass das Substrat eine Frasier-Permeabilität von weniger als 4247 l/min (weniger als 150 cfm) besitzt. Die Leistung des Nanofaser-Verbundmaterialmediums, wenn die Frasierdurchlässigkeit des Substrats größer als diese Werte ist, verschlechtert sich, d. h. die Entfernung kann verringert werden, das Medium kann Lecks entwickeln oder es kann schwierig sein, es zu verarbeiten.

2 und 3 zeigen REM-Mikrofotografien des Mediums bei 250X und 1000X, von oben betrachtet (Nanofaserschichtseite). 4 und 5 zeigen jeweils REM-Mikrofotografien der Medien A, B, E und F bei 250X und 1000X, betrachtet von der Seite bei einem Winkel von 45°. Tabelle 1A

		Verbesserte Nanofaser-Verbundmaterialmedien
Eigenschaft	Einheiten	A	B	C	D	J	L
		Abw. *	Abw. *	Abw. *	Abw. *	Abw. *	Abw. *
Geometrischer mittlerer Faserdurchmesser	µm	0,19	0,19	0,28	0,33	0,231	0,22
Geometrische Standardabweichung-Nanofaserdurchmesser		1,7	1,68	1,5	1,45	1,303	1,39
Nanofaserbasisgewicht	g/m²	0,9	0,9	1	2	3	5
Dicke der Nanofaserschicht	µm	2,9	2,5	2,1	2.7	8,7	21
Größter beobachteter Durchmesser der Polymermasse	µm	77	76	37	126	137	128
Medienoberflächenbereichsbedeckung durch Polymermassen	%	10,2%	8,7%	2,5%	16.7%	7,5 %	6,6%
*Abw. bezicht sich auf Entwicklungsfiltermedien

Tabelle 1B

		Nanofaser-Verbundmaterialmedien des Standes der Technik
Eigenschaft	Einheiten	E	F	G		I	K
		Cummins Filtration Nano Force® pre-2017	Donaldson Ultra-Web®	Baldwind Pro Tura®	Cummins Filtration Nano Net® 5 Mikromet. er	Donaldson Ultra-Web® HD	Cummins Filtration Nano Net® 2 Mikromete r
Geometrischer mittlerer Faserdurchmesser	µm	0,09	0,14	0,06	0,64	0,13	0,31
Geometrische Standardabweichung-Nanofaserdurchmesser		1,39	1,33	1,38	1,49	1,57	1,47
Nanofaserbasisgewicht	g/m²	<0,1	<0,1	< 0,1	30	0,13	20
Dicke der Nanofaserschicht	µm	0,45	0,32	0,41	160	0,69	120
Größter beobachteter Durchmesser der Polymermasse	µm	20	31	13	77		193
Medienoberflächenbereichsbedeckung durch Polymermassen	%	<1%	1,9%	<1%	3,7%	<1%	5,5 %
*Abw. bezieht sich auf Entwicklungsfiltermedien

Das Basisgewicht der Nanofaserschicht ist in den vorstehenden Tabellen 1A und 1B bereitgestellt. 7 zeigt Nanofaserschichtdicken aufgetragen als eine Funktion des Nanofaserbasisgewichts für Medien A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K und L. Eine nahezu lineare Beziehung zwischen Basisgewicht und Dicke wird beobachtet; somit kann das Basisgewicht der Nanofaserschicht als ein Ersatz für die Dicke der Nanofaserschicht verwendet werden und ist in einigen Ausführungsformen bequemer zu messen. Das Basisgewicht der Nanofaserschicht kann durch mehrere Verfahren bestimmt werden. Zum Beispiel, wenn die Nanofaserschicht als eine separate Folie gebildet wird, kann ihr Basisgewicht unter Verwendung von TAPPI T410 om-13, dem „Grammgewicht von Papier und Pappe (Gewicht pro Flächeneinheit)“ bestimmt werden. Ein weiteres Verfahren besteht darin, ein REM zu verwenden, um den Abschnitt des von Nanofasern bedeckten Mediumflächenbereichs zu bestimmen und deren Durchmesser zu bestimmen. Diese Information in Verbindung mit einer Kenntnis der Dichte des Nanofaserpolymers kann verwendet werden, um das Basisgewicht der Nanofaserschicht zu bestimmen. Andere Verfahren können ebenfalls verwendet werden. Die Medien E, F und G weisen alle eine Nanofaserschichtdicke von kleiner als 1 µm und ein Nanofaserbasisgewicht kleiner als 0,9 g/m² vor, während Medien A, B, C, D, H, I, J, K und L alle eine Nanofaserschichtdicke größer als oder gleich 1µm und ein Nanofaserbasisgewicht größer als 0,7 g/m² und insbesondere größer oder gleich als 0,9 g/m² vorweisen.
Unter Bezugnahme auf 1 ist die Nanofaserschicht 110 an der Substratschicht 120 angebracht, typischerweise auf ihrer stromaufwärts liegenden Fläche hinsichtlich des Fluidstroms, und umfasst mindestens eine Art von Polymerfaser (z. B. Nylon 6). Andere Polymere für die Nanofaserschicht beinhalten Polyacrylnitrat (PAN), Polycaprolacton, Polyvinylpyrrolidon (PVP), Polyethylenoxid (PEO), Polyvinylalkohol (PVA), Polyolefin, Polyacetal, Polyamid, Polyester, Celluloseether und -ester, Polyalkylensulfid, Polyarylenoxid, Polysulfon, modifizierte Polysulfonpolymere, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid), Polymethylmethacrylat (und andere Acrylharze), Polystyrol, Poly(vinylidenfluorid), Poly(vinylidenchlorid), Polyvinylalkohol, langkettige synthetische Polyamide, Hexafluorpropylen, Polyvinylacetat, Polyvinylacetat, Copolymere davon und Mischungen davon. Unter Bezugnahme auf Tabellen 1A und 1B beträgt der geometrische mittlere Nanofaserdurchmesser der Nanofaserschicht weniger als 1µm. Für die verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmedien beträgt der geometrische mittlere Nanofaserdurchmesser der Nanofaserschicht idealerweise zwischen 0,05 und 0,5 µm und vorzugsweise zwischen einschließlich 0,1 und 0,5 µm. Im Gegensatz zu herkömmlichen Nanofasern kann die Nanofaserdurchmesserverteilung breit sein, wie aus ihrer geometrischen Standardabweichung hervorgeht. Die Standardabweichung des geometrischen Faserdurchmessers ist in speziellen Ausführungsformen größer als 1,4 und mehr bevorzugt zwischen 1,5 und 2,0. Herkömmliche Oberflächenfiltrationsnanofasermedien, wie bei der Luftfiltration verwendet, weisen engere Nanofaserdurchmesserverteilungen mit geometrischen Standardabweichungen von weniger als 1,4 vor. Um die Entfernung zu maximieren und den Druckabfall zu minimieren, streben herkömmliche Medien danach, die relative Anzahl grober Fasern zu verringern und ihre Durchmesserverteilung zu verengen. Die engere Durchmesserverteilung herkömmlicher Medien kann teilweise ein Nebenprodukt des Elektrospinnprozesses sein, der verwendet wird, um die Nanofaser zu produzieren. Dieser Prozess ist zum Beispiel in US-Patent Nr. 9.220.998 beschrieben, dessen Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. In verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen wird Tiefenfiltration statt Oberflächenfiltration verwendet, um diese nachteiligen Kompromisse zu mindern, während die Staubhaltekapazität und die Lebensdauer des Filters verbessert werden, somit ist eine breitere Durchmesserverteilung erforderlich. Die Nanofaser mit solchen Charakteristika wie durch die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen erforderlich können in einer Vielfalt von Wegen, z. B. Schmelzblasen oder Elektroblasen produziert werden. Schmelzblasen ist zum Beispiel in US-Patent Nr. 8.986.432 beschrieben, dessen Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Elektroblasen ist zum Beispiel in US-Patent Nr. 7.927.540 beschrieben, dessen Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Nanofaser-Luftfiltrationsmedien nutzen die Filtermedien der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen Tiefenfiltration und verhalten sich weniger wie ein Siebkorb oder Sieb. Unter Bezugnahme auf Tabellen 1A und 1B ist die Nanofaserschicht der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen zwischen einschließlich etwa 1 und etwa 100 µm dick, und idealerweise zwischen etwa 1 und etwa 50 µm dick, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 30 µm in der Dicke. Die Dicke einer Nanofaserschicht in Verbundmaterial-Filtermedien kann auf eine Anzahl an Wegen bestimmt werden, wie durch Mittel des Betrachtens eines Querschnitts der Medien mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) oder durch Messen der Dicke der Nanofaser vor der Anbringung an der Substratschicht gemäß TAPPI T 411 (Standard der technischen Vereinigung für die Zellstoff- und Papierindustrie T 411 om-97 Dicke (Messschieber) von Papier, Papierkarton und kombiniertem Karton). Das TAPPI-Verfahren kann jedoch ungeeignet sein und unterschätzt die Nanofaserschichtdicke, wenn ein Druck von 50 kPa aufgebracht wird, wenn die Messung ausgeführt wird. Für dünne Nanofaserschichten, weniger als 100 µm dick, können die vorgenannten Verfahren schwierig sein, und daher kann die Nanofaserdicke unter Verwendung eines REMs zum Betrachten der oberen Oberfläche der Nanofaserschicht, wie in 3 gezeigt, und Messen und Summieren der Faserdurchmesser jeder Nanofaser, ausgehend von der Oberseite der Nanofaserschicht und Fortsetzen zur oberen Oberfläche der Substratschicht, geschätzt werden. Dieser Prozess kann mehrere Male an unterschiedlicher Stelle auf dem Medium wiederholt werden, um eine durchschnittliche Dicke zu erhalten. Alternativ kann eine Probe des Filtermediums in Epoxid eingebettet werden. Cyanacrylathaftstoff oder ein anderes Benetzungsmittel mit niedriger Viskosität kann verwendet werden, um das vollständige Einkapseln des Nanofasermediums zu unterstützen. Das eingebettete Medium kann dann geschnitten, poliert und im Querschnitt mittels REM betrachtet werden, um die Dicke der Nanofaserschicht zu bestimmen. Alternativ kann die Dicke der Nanofaserschicht aus dem Nanofaserbasisgewicht unter Verwendung der in 7 gegebenen Gleichung geschätzt werden. In Bereichen des Filtermediums, denen Polymermassen fehlen, ist die Nanofaserschicht der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen typischerweise zwischen einschließlich etwa 1 und etwa 50 µm dick, und idealerweise zwischen etwa 1 und etwa 15 µm dick, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 5 µm in der Dicke. An Stellen nahe den Polymermassen kann sich die Dicke etwa 100 µm annähern. Dies ist ausreichend dick für Tiefenfiltration, jedoch dünn genug, um die Menge an Medienoberflächenbereich zu maximieren, die in ein definiertes Filtervolumen gepackt werden kann, um die Filterlebensdauer weiter zu steigern.
Das Steigern der Dicke der Nanofaserschicht allein kann möglicherweise nicht in Tiefenfiltration resultieren. Die Kombination der Dicke mit der breiten Nanofaserdurchmesserverteilung resultiert in einer voluminösen, porösen Faserstruktur, deren gesamte Tiefe bei der Entfernung von Verunreinigungen genutzt wird. Im Gegensatz dazu beruhen herkömmliche Luftfiltrationsmedien mit ihrer engen Nanofaserdurchmesserverteilung und Dicke im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 0,2 µm auf Oberflächenfiltration, um Verunreinigung zu entfernen. Die Dicke der Nanofaserschicht in dieser Erfindung liegt im Gegensatz zu den Medien des Standes der Technik in der gleichen Größenordnung wie die Größe der zu entfernenden Verunreinigung, d. h. 1 bis 100 Mikrometer, spezifischer 1 bis 50 Mikrometer und noch spezifischer 1 bis 15 Mikrometer. Es ist nicht eingängig, dass eine Nanofaserschicht mit einer Dicke, die ungefähr gleich der Partikelgröße von Verunreinigungen ist, als ein hybrider Filter der Oberflächen-Tiefen-Art mit den begleitenden Vorteilen von beiden funktionieren könnte.
Polymermassen
Um die Leistung des Filtermediums weiter zu optimieren, enthält die Nanofaserschicht gegebenenfalls Polymermassen, die aus Klumpen von Nanofaser- und Polymerkügelchen gebildet sind. Dies ist schematisch in 1 und in den REM-Bildern von 2 (Medien A, B, C und D), 3 (Medien A, B, C und D), 4 (Medien A und B), 5 (Medien A und B) und 6 (Medien I, J und K) gezeigt. Diese Massen werden mit der Nanofaserschicht während ihrer Herstellung gebildet und können als Knoten oder Klumpen entlang einer Nanofaser und in den Medien erscheinen. Diese Massen stellen Ankerpunkte für Nanofasern in der Nanofaserschicht und an das Substrat bereit. Als solche können sie das Medium verstärken, zusätzliche Erhebung an die Nanofaserschicht bereitstellen, Tiefenfiltration erleichternd, der Oberfläche Textur bereitstellen, den Medienoberflächenbereich steigernd, und lokalisierte Bereiche größerer Tiefe als das umgebenden Medium liefern. Diese Massen produzieren für die Nanofaserschichtfläche eine dreidimensionale Oberfläche mit Spitzen und Tälern, die den Oberflächenbereich des Mediums im Mikromaßstab effektiv steigern, wie in 4 und 5 gezeigt. Unter Bezugnahme auf 4 und 5 ist es bemerkenswert, dass für herkömmliches Medium E die groben Substratfasern tatsächlich durch die sehr dünnen Nanofasern hervorstehen, während die Medien A und B der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen Polymermassen vorweisen, die Nanofasern verankern, die von der nominalen Nanofaseroberfläche vorstehen. Diese Massen können annähernd kugelförmige, sphäroide, ellipsoide, stumpfellipsoide oder abgeflachte Versionen davon sein oder können von unregelmäßiger Gestalt sein. Der Bereichsäquivalenzdurchmesser dieser Massen ist idealerweise größer als 1 µm und vorzugsweise größer als 5 µm. Es wird bevorzugt, dass der Durchmesser dieser Massen größer als oder gleich der entsprechenden Tiefe der umgebenden Nanofaserschicht ist, wo keine solchen Polymermassen vorhanden sind. Unter Bezugnahme auf die Tabellen 1A und 1B liegen die größten dieser Massen typischerweise im 35 bis 130 µm Bereichsäquivalenzdurchmesserbereich, und es ist üblich für diese Massen, in Bereichsäquivalenzdurchmesserbereich dem von 40 bis 100 µm zu liegen. Der größte beobachtete Durchmesser der Polymermasse bezieht sich auf den Bereichsäquivalenzdurchmesser der größten Polymermasse, die beobachtet wurde. Die Größen dieser Massen sind derart, dass ihre stromaufwärtigen Merkmale von der Oberfläche der umgebenden Nanofaser aufsteigen können. Nanofasern, die an diesen stromaufwärtigen Merkmalen verankert sind, resultieren in lokalisierten Bereichen, die häufig dicker sind als die umgebenden Nanofaserschichten, wo diese Massen fehlen. Die Massen erstrecken sich typischerweise auch in einer Abwärtsrichtung in Richtung des Substrats. Sie können mit dem Substrat in Kontakt kommen und die Haftung der beiden Schichten aneinander erleichtern. Es ist auch bemerkenswert, dass, während ähnlich geformte oder bemessene Massen in herkömmlichen Medien wie Medien E, F und G beobachtet werden können, diese herkömmlichen Medienmassen von geringer Anzahl sind und sich von den verbesserten Nanofaser-Verbundmaterial-Filtermedien dadurch unterscheiden, dass sie auf der Oberfläche der Nanofasern ruhen. Die Polymermassen verschiedener hierin beschriebener Ausführungsformen werden andererseits während der Nanofaserproduktion eingearbeitet oder produziert und sind in die Gesamtstruktur der Nanofaserschicht eingearbeitet. Dementsprechend betrifft ein Aspekt der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen ein Verbundmaterial-Filtermedium mit einer Nanofaserschicht mit breiter Faserdurchmesserverteilung und enthält Polymermassen mit einem Bereichsäquivalenzdurchmesser ähnlich zu oder größer als die Dicke der nominalen Nanofaserschicht, wo solche Polymermassen fehlen.
In einigen Ausführungsformen wird die Gesamtmenge der Polymermassen in den Medien gesteuert. Wenn zu reichlich vorhanden, gibt es unzureichend Nanofasern, um die gewünschte Partikelentfernungseffizienz bereitzustellen. Das Medium kann sogar übermäßig restriktiv werden. Wenn zu wenig vorhanden, kann die Staubhaltekapazität und die Entfernungseffizienz leiden. Die relative Menge der Polymermassen kann durch Messen des Prozentsatzes des durch die Massen bedeckten Medienoberflächenbereichs quantifiziert werden, wenn mit einem REM betrachtet, vorzugsweise bei einer Vergrößerung zwischen 50X und 500X, und idealerweise bei einer Vergrößerung zwischen 100X und 300X. Die Polymermassen der Nanofaserschicht können zwischen 2 und 25 % des sichtbaren Oberflächenbereichs und idealerweise zwischen 2 und 10 %, vorzugsweise zwischen 5 und 10 % bedecken.
Substratschicht
Die Substratschicht umfasst oder besteht aus gröberer Faser als die Nanofaserschicht, mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser größer als 1 µm. Vorzugsweise ist der geometrische Faserdurchmesser der Substratschicht größer als 5 µm und idealerweise größer als 10 µm. Typischerweise sind die Fasern Cellulose, Polymer, Glas oder umfassen mindestens eines von Cellulose, Polyester und Polyamid. Substratfasern können unter Verwendung von Phenolharz miteinander verbunden werden, aber Acryl- oder andere Harzsysteme können ebenfalls verwendet werden, oder die Fasern können thermisch, durch Ultraschall oder anderweitig miteinander verbunden werden. Funktionell stützt das Substrat die Nanofaserschicht und erlaubt den Verbundmaterialmedien, gebildet zu werden und die gewünschte Gestalt während der Produktion, des Transports und der Verwendung beizubehalten. Die Nanofaser kann an das Substrat gebunden werden oder kann bei ihrer Bildung direkt auf ein Substrat aufgebracht werden. Typischerweise binden die Nanofasern sich an das und haften an dem Substrat, während sie erstarren.
Filtrationsleistung
Tabelle 2 stellt einen der unerwarteten Vorteile der Verwendung der dünnen Tiefenfiltrations-Nanofasermedien der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen dar. Tabelle 2 vergleicht die Staubhaltekapazität von vier Filtermedien, Medium A, Medium D, Medium E und Medium F. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung von ISO 5011: 2014 erhalten: Einlassluft-Reinigungsgerät für Verbrennungsmotoren und Kompressoren - Leistungstesten, aber unter Verwendung des angeführten Teststaubes. Es zeigt, dass die Medien A und D der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen größere Staubhaltekapazität als die herkömmlichen Medien E und F vorweisen, wenn sie mit PTI 0-3 Mikrometer Teststaub oder mit ISO Feinem Teststaub konfrontiert werden. ISO Feiner Teststaub ist in ISO 12103-1:1997 Straßenfahrzeug - Teststaub zur Filterbewertung spezifiziert. PTI 0-3 Mikrometer Teststaub ist ein verwandter feinerer Teststaub, dessen Partikelgrößenverteilung auf 3 Mikrometer verkürzt ist und einen herausfordernderen Test bereitstellt. Wie gezeigt, ist die optimierte Staubhaltekapazität der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen mit diesem feineren Staub am auffälligsten. In einer Ausführungsform weist das Verbundmaterial-Filtermedium eine Staubkapazität von mindestens 58 g/m², mindestens 60 g/m² oder mindestens 61 g/m² auf, wenn es mit PTI (Powder Technology inc.) 0-3 Mikrometer Teststaub konfrontiert wird In einer Ausführungsform weist das Verbundmaterial-Filtermedium eine Staubkapazität von mindestens 195 g/m², mindestens 197 g/m² oder mindestens 200 g/m² auf, wenn es mit dem ISO Fein-Test konfrontiert wird. Tabelle 2. Staubkapazitätsleistung von beispielhaften Nanofaser-Verbundmaterial-Filtermedien

Filtermedium PTI 0-3 Teststaub ISO Fein-Teststaub

g/m² g/m²

A 61,0 197,4

D 61,0 202,7

E 56,7 193,1

F 56,9 188,9
Luftfilter-Testdaten
8 vergleicht die anfängliche Entfernungseffizienz für 0,3 µm-Partikel, die am meisten eindringende Partikelgröße für die Luftfiltration, für die Medien A, E und F. Die Medien wurden unter Verwendung der NIOSH-Prozedur Nr. RCT-APR-STP-0051, 0052, 0053, 0054, 0055, 0056 Rev. 1.1, Bestimmung von Partikelfilterdurchdringung zum Testen gegen flüssige Aerosole für negativen Druck, Standardtestprozedur für luftreinigende Respiratoren (STP) (Determination of Particulate Filter Penetration to Test Against Liquid Aerosols for Negative Pressure, Air-Purifying Respirators Standard Testing Procedure (STP))‟, National Institute for Occupational Safety and Health (Pittsburgh, PA, 2005), mit einem TSI 8130 automatischen Filtertester und 0,3 µm-Öltropfen als Verunreinigung getestet. Medium A ist eine Ausführungsform der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen, während Medien E und F herkömmliche Medien sind. 8 zeigt eine verbesserte anfängliche Entfernung bei dieser herausforderndsten Partikelgröße für Medium A, im Vergleich zu jenen für Medien E und F. Dies steht im Gegensatz zu den Erwartungen, da Medium A einen größeren Faserdurchmesser als Medien E und F besitzt. Diese Ergebnisse beweisen, dass die verbesserten Filtermedien der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen Tiefenfiltration zusätzlich zu der in herkömmlichen Medien verwendeten Oberflächenfiltration verwenden, was eine unerwartete Verbesserung bei der Entfernung der sehr feinen 0,3 µm-Partikel bietet. In einer Ausführungsform weist das Verbundmaterial-Filtermedium eine anfängliche Entfernungseffizienz für 0,3 µm-Partikel von mindestens 50 %, mindestens 53 % oder mindestens 55 % auf.
Die dünneren Medien E und F weisen mehr als 7 % geringere Entfernung als Medium A auf, obwohl ihre Faserdurchmesser kleiner sind. Dies demonstriert die Vorteile dickerer Medien mit breiter Nanofasergrößenverteilung, um die Entfernung zu verbessern. Bei der Motorlufteinlassfiltration sind herkömmliche Medien entworfen, um einen Staubkuchen aufzubauen und zu stützen, der einen Großteil der Verunreinigungsentfernung bereitstellt. In dem Standardverfahren zum Bewerten der Leistung von Motorlufteinlassfiltern, SAE J726, werden die Filterlebensdauer und der Druckabfall durch die Bildungsrate und Charakteristika des Staubkuchens gesteuert. Eine dünne Nanofaserschicht, wie in den Medien E, F und G, fungiert als ein Filter der Oberflächenart und ist insofern erwünscht, als sie die anfängliche Entfernungseffizienz optimieren und das Aufbauen eines Staubkuchens unterstützen kann. Im Gegensatz dazu nutzt das verbesserte Nanofaserverbundmaterialmedium zusätzlich Tiefenfiltration, um sowohl die Verunreinigungsentfernung als auch die Staubhaltekapazität zu optimieren.
9 vergleicht die Salzpenetration als eine Funktion der Zeit für die Medien A, E, F und G, wobei E, F und G herkömmliche Medien sind und Medium A eine Ausführungsform der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen ist. Die Medien wurden unter Verwendung der NIOSH-Prozedur Nr. RCT-APR-STP-0051, 0052, 0053, 0054, 0055, 0056 Rev. 1.1, „Bestimmung von Partikelfilterdurchdringung zum Testen gegen flüssige Aerosole für negativen Druck, Standardtestprozedur für luftreinigende Respiratoren (STP) (Determination of Particulate Filter Penetration to Test Against Liquid Aerosols for Negative Pressure, Air-Purifying Respirators Standard Testing Procedure (STP))“, National Institute for Occupational Safety and Health (Pittsburgh, PA, 2005), mit einem TSI 8130 automatischen Filtertester und NaCl als die Verunreinigung getestet. Medium A stellt eine geringere Penetration (bessere Entfernung) sowohl anfänglich als auch während seiner gesamten Lebensdauer im Vergleich zu den herkömmlichen Medien E, F und G bereit. Die Leistung ist daher nicht ausschließlich anfänglich überlegen, sondern über die gesamte Lebensdauer des Filters hinweg. Dies ist das Ergebnis ihrer breiteren Nanofaserdurchmesserverteilung, dreidimensionalen Struktur und Dicke, die es den Medien ermöglichen, Tiefenfiltration zu nutzen, während sie relativ dünn bleiben.
10 vergleicht die fraktionale Effizienz der Medien A, B, F und G als eine Funktion der Partikelgröße. Die Medien wurden gemäß einer modifizierten ISO/TS 19713-1:2010 (Straßenfahrzeuge-Einlassluft-Reinigungsausstattung für Verbrennungsmotoren und Kompressoren - Teil 1: Testen des fraktionalen Wirkungsgrades mit feinen Partikeln), die unter Verwendung von Powder Technologies Inc. (PTI) 0-20 µm Teststaub anstelle von KCl-Salz als Verunreinigung zum Messen des fraktionalen Wirkungsgrades modifiziert wurde, getestet. Die Medien der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen, Medien A und B, weisen im Vergleich zu herkömmlichen Medien F und G eine signifikant höhere fraktionale Effizienz bei allen Größen, insbesondere bei Partikelgrößen kleiner als etwa 2 µm, vor.
Die Medien A und B weisen bei allen Größen höhere Entfernung als dünnere Nanofaser-Verbundmaterialmedien F und G des Standes der Technik vor, obwohl sie feinere Fasern nutzen. Somit wird unterhalb einer kritischen Schwellendicke der volle Vorteil feinerer Fasern nicht vollständig genutzt. Die Fähigkeit, eine hohe Entfernung mit gröberer Nanofaser, eine breitere Nanofaserdurchmesserverteilung und Polymermassen zu erreichen, ist vorteilhaft, weil sie Designflexibilität bereitstellt. Gröbere Nanofasern tendieren dazu, strukturell stärker zu sein, was zusätzliche Unterstützung für die dreidimensionale Struktur des Filtermediums bereitstellt. Dies resultiert in Kombination mit der breiteren Größenverteilung in einer verringerten Penetration über die Lebensdauer des Filters und einem besseren Schutz für einen Motor.
11 zeigt Rußentfernungseffizienz bei 90 nm für Medien A, E, F und G. Das verbesserte Nanofaser-Verbundmaterialmedium A weist deutlich bessere Rußentfernungsfähigkeiten als dünnere herkömmliche Verbundmaterialmedien E, F und G vor, die einen kleineren Faserdurchmesser aufweisen und von denen anderweitig erwartet würde, eine bessere Entfernung vorzuweisen.
Die Kombination von Nanofasern mit größerer geometrischer Standardabweichung von Faserdurchmesser und -dicke innerhalb des definierten Bereichs resultiert in einer unerwartet höheren Kapazität mit geringerer durch den Filter durchkommenden Verschmutzung über seine Lebensdauer als Medien des Stands der Technik. Dies wird weiter verstärkt, wenn Polymermassen in den Medien zusätzliche dreidimensionale Unterstützung ihrer Gesamtstruktur bereitstellen.
Die Luftfiltrationsdaten von 8 bis 11 demonstrieren unerwartete Vorteile für die verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmedien hinsichtlich der Staubpenetration über die Lebensdauer des Filters (Filtermedien) und der Kapazität im Vergleich zu herkömmlichen Nanofasermedien. Dies ist das Ergebnis der Kombination seines geometrischen Nanofaserdurchmessers und der Standardabweichung und der Nanofaserschichtdicke und wird durch die Polymermassen innerhalb der Struktur des Mediums weiter optimiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Nanofaser-Verbundmaterialmedien nutzt das verbesserte Nanofaser-Verbundmedium die dreidimensionale Struktur der Nanofaserschicht, um die Entfernung und Kapazität zu steigern und die Penetration über die Lebensdauer des Filtermediums zu verringern. Herkömmliche Nanofaser-Verbundmaterialmedien, die sich stärker auf die Oberflächenfiltration verlassen, nutzen die Schlupfströmungsbedingungen nicht vollständig aus. Die dreidimensionale Struktur des verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmediums wird durch eine breite Nanofaserdurchmesserverteilung erzeugt und aufrechterhalten, die durch das Vorhandensein von Polymermassen innerhalb ihrer Struktur weiter verstärkt werden kann. Um dies auszunutzen, benötigt die Nanofaserschicht eine minimale Dicke von etwa 1 µm oder ein Nanofaserbasisgewicht größer als etwa 0,7 bis etwa 0,9 g/m². Für Dicken größer als etwa 100 µm und idealerweise größer als annäherungsweise 50 µm (Nanofaserbasisgewicht größer als etwa 9 bis etwa 20 g/m²) verringern sich die Vorteile dieser optimisierten Struktur bei der Luftfiltration.
Vorteile von verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmedien bei der Luftfiltration
Motorluftfilter nutzen Oberflächenfiltration, um die Bildung eines Staubkuchens zu induzieren. Der Staubkuchen dient als primäres Filtrationsmedium, z. B. während SAE J726 Luftfiltertests. Nanofasern erleichtern die Kuchenbildung und steigern die Entfernung mit einem geringeren Druckabfallnachteil als gröbere Fasern, ihre praktische Verwendung in der Luftfiltration ist aber weitgehend auf Oberflächenfiltration beschränkt. Während Produktions- und Nach-Produktionsprozessen tendieren Nanofasern dazu, zu kollabieren und zu komprimieren, so dass die für Tiefenfiltration bevorzugte voluminöse dreidimensionale Struktur nicht erreicht wird. Verschiedene Mechanismen zum Einarbeiten von partikelförmigen Abstandshaltern in Nanofasern wurden mit begrenztem Erfolg verwendet, um dies anzugehen. Jedoch fügen diese Mechanismen dem Fertigungsverfahren Kosten und Komplexität hinzu und weisen das Potential auf, stromabwärts gespült zu werden und die gereinigte, gefilterte Luft zu verunreinigen. Die vorliegende Offenbarung beschreibt, dass die dreidimensionale Struktur von Nanofasermedien durch die Verwendung von Nanofasern mit breiter Faserdurchmesserverteilung und/oder durch Einarbeiten von Polymermassen in die Nanofaserstruktur stabilisiert werden kann, um Anbringungspunkte und Oberflächentextur bereitzustellen. Dies ermöglicht es Nanofasern, als Tiefenmedien mit gesteigerter Staubhaltekapazität verwendet zu werden. Ein Dickenbereich für die Nanofasern, wie definiert, stellt im Vergleich zu herkömmlichen Medien unerwartet eine größere Kapazität und verringerte Penetration über die Lebensdauer des Filters bereit.
Flüssigkeitsfiltration
Die hierin offenbarten Verbundmaterial-Filtermedien können auch für Flüssigkeitsfiltrationsprozesse verwendet werden. Spezifisch für Flüssigkeitsanwendungen ist es wünschenswert für die Substratschicht, eine Frasier-Permeabilität von weniger als 1699 l/min (weniger als 60 cfm) zu besitzen. Die Medien H, I, J und K sind Beispiele für Nanofaser-Verbundmaterialmedien, die für eine Flüssigkeitsfiltration (z. B. Kraftstofffiltration) verwendet werden können. Die Medien J und K sind Entwicklungsmedien, die verschiedene Beispiele und Ausführungsformen der verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmedien demonstrieren. Die Medien H und I sind repräsentative Beispiele für herkömmliche Nanofaser-Verbundmaterialmedien. Insbesondere sind die Medien H und I Beispiele von dickeren herkömmlichen Nanofaser-Verbundmaterialmedien, die auf dem Markt erhältlich waren oder sind. Es ist bemerkenswert, dass Medium H allgemein als Nanofaser-Filtermedium bezeichnet wird, aber einen geometrischen mittleren Faserdurchmesser von 0,64 µm aufweist. Dies ist größer als das, was als Nanofaser für die Zwecke dieser Offenbarung angesehen wird, und ist zu groß, um die erforderliche hohe Effizienz in den verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmedien bereitzustellen.
Die Medien H, I, J und K besitzen alle feine Schichten aus Polyesterschmelzblasfasern stromaufwärts der Nanofaserschicht, um die Staubhaltekapazität zu steigern, wie in US 8.440.083 , US 7.887.704 oder US 8.678.202 beschrieben. Medien J und K sind Beispiele der verbesserten Nanofaserverbundmedien, aber Medium J ist dünner und weist ein niedrigeres Nanofaserbasisgewicht als Medium K auf. Die Medien H und I sind dickere herkömmliche Nanofaserverbundmedien für Kraftstoffanwendungen. Die Nanofaserschichten der Medien J und K werden auf die gleiche Art von Cellulosesubstrat und für die Medien H und K auf ein Polyestersubstrat aufgebracht.
Das Basisgewicht der Nanofaserschicht ist in obenstehenden Tabellen 1A und 1B bereitgestellt und 7 zeigt Nanofaserschichtdicken aufgetragen als eine Funktion des Nanofaserbasisgewichts für die Medien A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K und L. Die Medien H, I, J und K weisen alle Nanofaserflächendicken größer als oder gleich 1 µm und ein Nanofaserbasisgewicht größer als 0,7 g/m² und insbesondere größer als oder gleich 0,9 g/m² vor.
Das Steigern der Dicke der Nanofaserschicht allein resultiert möglicherweise nicht in Tiefenfiltration, da die inhärente strukturelle Schwäche der Nanofaser verursachen kann, dass sie sich selbst komprimieren und kollabieren. Die Kombination der Dicke mit der breiten Nanofaserdurchmesserverteilung resultiert in einer voluminösen, porösen Faserstruktur, deren gesamte Tiefe bei der Entfernung von Verunreinigungen genutzt werden kann. Bei der Flüssigkeitsfiltration wird die Tiefenfiltration bevorzugt, um eine hohe Verunreinigungsentfernung und eine lange Lebensdauer mit diesen viskoseren Fluiden sicherzustellen. Bestimmte Nanofaser-Flüssigkeitsfiltrationsmedien weisen eine Dicke größer als etwa 100 µm vor, obschon US 8.360.251 und US 8.517.185 minimale Nanofaserschichtdicken von etwa 10 und etwa 100 µm offenbaren, wenn sie in Kombination mit zusätzlichen stromaufwärtigen Schichten von Filtermedien verwendet werden, und US 9.199.185 offenbart eine minimale Nanofaserschichtdicke von etwa 50 µm für Koaleszenzanwendungen. Verschiedene hierin bereitgestellte Ausführungsformen unterscheiden sich von diesen auf mehrerlei Weisen.
Ferner werden die Verbundmaterial-Filtermedien gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durch direktes Aufbringen von Nanofasern in einem viskoelastischen Zustand auf das Substrat gebildet, während Nanofaser-Flüssigkeitsfiltrationsmedien nach dem Stand der Technik durch Zusammensetzen von zwei oder mehr Schichten von Filtermedien gebildet werden. Dies resultiert in einer dünneren Nanofaserschicht von 1 bis 100 Mikrometer und idealerweise von 1 bis 50 Mikrometer Dicke, im Vergleich zu herkömmlichen Nanofaser-Filtermedien für Flüssigkeitsanwendungen.
Vorteile von verbesserten Nanofaser-Verbundmaterialmedien in der Flüssigkeitsfiltration (Kraftstofffiltration)
Die Leistungsvorteile verbesserter Nanofaser-Verbundmaterialmedien relativ zu anderen Nanofaser-Verbundmaterialmedien in Flüssigkeitsfilteranwendungen, wie Dieselkraftstofffiltration, wurden unter Verwendung der Medien H, I, J und K demonstriert, deren physikalische Eigenschaften in Tabelle 1A und 1B beschrieben sind. Die Leistung der Medien H, I, J und K wurde unter Verwendung des ISO 4548-12 Multipass-Filtertests und ISO-Medium-Teststaubes, wie in 12 gezeigt, gemessen. Die Diskussion wird sich weitgehend auf die Ergebnisse des Beta-Verhältnisses für feine Partikel im Größenbereich von 4-10 µm (c) konzentrieren, da die Nanofaserschicht die Entfernung von Verunreinigungen weitgehend bestimmt, insbesondere bei kleineren Partikelgrößen.
12 zeigt das zeitgewichtete Beta-Verhältnis als eine Funktion der Partikelgröße. Das Beta-Verhältnis ist als das Verhältnis der Anzahlkonzentration von Partikeln, die größer als die angegebene Größe stromaufwärts eines Filters sind, zu der stromabwärtigen Anzahlkonzentration, die größer als die gleiche Größe sind, definiert. Medium I wies die höchsten Niveaus an Verunreinigungsentfernung vor, gefolgt von verbessertem Nanofaser-Verbundmaterialmedium K. Diese beiden Medien weisen einen ähnlichen Faserdurchmesser auf, aber die Nanofaserschicht von Medium I ist nahezu 6x größer als die von Medium K. Medien H und J wiesen bei den kleineren Größen ähnliche geringere Beta-Verhältnisse vor, obwohl das verbesserte Nanofaser-Verbundmaterialmedium J 10× dünner ist als Medium H. Da das verbesserte Medium dünner ist, werden die damit verbundenen Kosten verringert und/oder mehr Medium kann in ein gegebenes Volumen gepackt werden. Dies sind wichtige Überlegungen, während die Anforderungen von anspruchsvollen Flüssigkeitsfiltrationsanwendungen, einschließlich der Kraftstofffiltration für herkömmliche Hochdruck-Schienen-Dieselmotoren (enlg. High pressure common rail diesel engines) und Hochdruck-Hydraulikanwendungen, erfüllt werden.
13 demonstriert die Bedeutung der Nanofaserschichtdicke bei der Entfernung. Die Beta-Verhältnis-Ergebnisse bei 4 µm (c) sind gezeigt. Wenn die Beta-Verhältnis-Daten für die Medien I, J und K, die einen ähnlichen Faserdurchmesser aufweisen, als Funktion der Nanofaserschichtdicke aufgetragen werden, steigt das Beta-Verhältnis mit der Dicke über 1-2 µm erheblich an und nähert sich einem Plateau über etwa 100 µm. Für eine Dicke von weniger als 1-2 µm legen die Daten nahe, dass der Vorteil für die Kraftstofffiltration unbedeutend ist. Für Dicken größer als etwa 100 µm werden inkrementelle Zunahmen des Beta-Verhältnisses durch gesteigerte Kosten und eine verringerte Anzahl von Falten ausgeglichen, die in ein gegebenes Volumen gepackt werden können. Die Daten deuten darauf hin, dass der ideale Dickenbereich zwischen etwa 1 und etwa 100 µm (Nanofaserbasisgewicht zwischen etwa 0,7 und etwa 20 g/m²) und insbesondere zwischen etwa 5 und etwa 100 µm (Nanofaserbasisgewicht zwischen etwa 1,4 und etwa 20 g/m²) und noch mehr besonders zwischen etwa 15 und etwa 50 µm (Nanofaserbasisgewicht zwischen etwa 3 und etwa 10 g/m²) liegt. Bei geringerer Dicke ist die Entfernung deutlich geringer und nähert sich der des Basismediums. Bei größerer Dicke ist der Vorteil im Vergleich zu der gesteigerten Menge an erforderlichem Medium vernachlässigbar. Andere Faktoren als die Dicke, wie der Faserdurchmesser, beeinflussen die Entfernung ebenfalls, wie durch Medium H gezeigt. Medien I, J und K weisen Faserdurchmesser von etwa dem halben Durchmesser des Mediums H auf, weisen dennoch bessere Gesamtleistung vor. Medium K ist 8x dünner als Medium H, weist aber dennoch ein nahezu eine Größenordnung höheres Beta-Verhältnis auf. Medium J weist ein etwas höheres Beta-Verhältnis als Medium H vor, ist jedoch 18x dünner.
Um diese Vorteile zu erreichen, muss die dreidimensionale Struktur der Nanofaserschicht geschützt werden, um die Tiefenfiltration zu erleichtern. Breitere Nanofaserdurchmesserverteilung, wie gemessen durch die geometrische Standardabweichung für den Durchmesser, hilft, dies zu erreichen. Existierende Technologien schweigen angesichts der Bedeutung des Aufweisens einer breiten Nanofaserdurchmesserverteilung oder Polymermassen, um eine voluminöse Struktur zu schaffen, die eine hybride Oberflächen-Tiefenfiltration erleichtert. Das Vorliegen von Polymermassen in der Nanofaserschicht stellt weitere Festigkeit für die Nanofaserstruktur, Ankerpunkte für Fasern und eine texturierte Oberfläche für die Nanofaserschicht bereit. Für die Medienverarbeitung und Elementkonstruktion wird die dünne Nanofaserschicht auf ein steifes, offenes Substrat aufgebracht, wie harzbeschichtete Cellulose oder gewebtes Netz, wie zuvor beschrieben. In einigen Ausführungsformen gehen der dünnen Nanofaserschicht stromaufwärtige Schichten gröberer Fasern voran, wie polymere schmelzgeblasene Fasern, um die Nanofaserschicht während der Verarbeitung zu schützen und die Filterlebensdauer zu optimieren.
Außerdem sind die Vorteile der hierin beschriebenen Ausführungsformen nicht auf die Luftfiltration beschränkt. Bei der Kraftstofffiltration ist eine Tiefenfiltration erforderlich, um die anspruchsvollen Anforderungen an die Verunreinigungsentfernung und die Filterlebensdauer für Dieselkraftstoff-Filtrationsanwendungen zu erfüllen. Tiefen-Nanofaser-Verbundmaterialmedien wurden verwendet, um diese strengen Anforderungen zu erfüllen, aber es ist wünschenswert, diese hohen Entfernungsniveaus mit signifikant dünneren Nanofaserschichten zu erreichen, um eine potentiell längere Filterlebensdauer und/oder verringerte Kosten zu erhalten. Mit einer Nanofaserschichtdicke, die sich den Abmessungen von Verunreinigungspartikeln (1-100 µm) annähert, können die Vorteile sowohl der Oberflächen- als auch Tiefenfiltration realisiert werden. Bei geringerer Dicke beginnt sich das Medium wie ein Oberflächenfilter zu verhalten und verstopft schnell. Bei höheren Dicken treten zusätzliche Verbesserungen bei der Entfernung und Kapazität mit hohen Kosten mit marginalem Vorteil auf. Unerwarteterweise können die akzeptablen Leistungsniveaus durch Verringern der Dicke der Nanofaserschicht, wie in dieser Offenbarung beschrieben, erhalten werden.
Die Eigenschaften hierin beschriebener Verbundmaterialmedien stellen eine optimierte Filterleistung bereit, wenn sie als flache Medienflächengebilde getestet werden. Die optimierte Leistung kann noch offensichtlicher sein, wenn die Verbundmaterialmedien in Filtermedienpackungen, Filterelementen und Filteranordnungen verwendet werden. Dieser zusätzliche Vorteil ist für herkömmliche plissierte Filter oder Kartuschen sowie für fortschrittlichere Filterkonstruktionen und Faltpackungen, wie tetraedrische Faltstrukturen, „geriffelten“ Faltpackungen oder andere Filter, die gefaltete Medienpackungen oder -strukturen verwenden, offensichtlich. Tetraedrisch gefaltete Strukturen sind zum Beispiel in US-Patent Nr. 8.397.920 beschrieben, dessen Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Geriffelte Faltpackungen sind zum Beispiel in US-Patent Nr. 9.084.957 beschrieben, dessen Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Beispiele zusätzlicher Filterelemente, die die hierin beschriebenen Verbundmaterialmedien enthalten können, beinhalten jene, die in US-Patenten Nr. 6.902.598, 6.149.700 und 6.375.700 beschrieben sind, deren Inhalte hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die Verwendung der Medien ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Die hierin verwendeten Einzahlbegriffe „ein/eine“ und „der/die/das“ schließen auch die Pluralformen ein, sofern der Kontext dies nicht ausdrücklich anderweitig vorgibt. Daher, wenn zum Beispiel eine Verbindung erwähnt wird, kann dies mehrere Verbindungen beinhalten, sofern der Kontext dies nicht ausdrücklich anderweitig vorgibt.
Wie hierin verwendet, werden Begriffe wie „etwa“ verwendet, um kleine Variationen zu beschreiben und zu erklären. Wenn in Verbindung mit einem Ereignis oder einem Umstand verwendet, können sich die Begriffe auf Fälle, in denen das präzise Ereignis oder der Umstand eintritt, sowie auf Fälle, in denen das Ereignis oder der Umstand in weitgehender Annäherung eintritt, beziehen. Wenn zum Beispiel in Verbindung mit einem numerischen Wert verwendet, können sich die Begriffe auf eine Reihe von Variationen von weniger als oder gleich ±10 % des numerischen Werts, wie weniger als oder gleich ±5 %, weniger als oder gleich ±4 %, weniger als oder gleich ±3 %, weniger als oder gleich ±2 %, weniger als oder gleich ±1 % beziehen.
Zusätzlich werden manchmal Mengen, Verhältnisse und andere Zahlenwerte hierin manchmal in einem Bereichsformat dargelegt. Es versteht sich, dass ein solches Bereichsformat der Zweckmäßigkeit und Kürze wegen verwendet wird und flexibel, einschließlich der Zahlenwerte, die ausdrücklich als Grenzwerte des Bereichs spezifiziert wurden, aber auch einschließlich aller individuellen von diesem Bereich umfasster Zahlenwerte oder Teilbereiche, die innerhalb des Bereichs ausdrücklich spezifiziert wurden, verstanden werden sollte. Ein Verhältnis im Bereich von zum Beispiel etwa 1 bis etwa 200 sollte einschließlich der ausdrücklich vorgetragenen Grenzwerte von etwa 1 und etwa 200, aber auch einschließlich der individuellen Verhältnisse wie etwa 2, etwa 3 und etwa 4, und Teilbereiche wie etwa 10 bis etwa 50, etwa 20 bis etwa 100 und so weiter, verstanden werden.
Aus der vorangehenden Beschreibung wird dem Fachmann ohne Weiteres ersichtlich sein, dass verschiedene Ersetzungen und Modifikationen an der hierin offenbarten Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang und Geist der Erfindung abzuweichen. Die hierin veranschaulichend beschriebene Erfindung kann auf geeignete Weise in Abwesenheit von einem Element oder Elementen, einer Beschränkung oder Beschränkungen, die hierin nicht konkret offenbart ist, praktiziert werden. Die genutzten Begriffe und Ausdrücke werden als Beschreibung und nicht als Einschränkung verwendet, und es wird nicht beabsichtigt, dass bei der Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten oder beschriebenen Merkmale oder Teile davon ausgeschlossen werden, sondern es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung möglich sind. Daher sei klargestellt, dass, obschon die vorliegende Erfindung durch spezifische Ausführungsformen und optionale Merkmale dargestellt worden ist, durch Fachleute auf dem Gebiet auf Modifikationen und/oder Variationen der hierin offenbarten Konzepte zurückgegriffen werden können, und dass solche Modifikationen und Variationen als im Schutzumfang der Erfindung liegend betrachtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62324179 [0001]
US 9220998 [0033]
US 8986432 [0033]
US 7927540 [0033]
US 8440083 [0050]
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US 8678202 [0050]
US 8360251 [0052]
US 8517185 [0052]
US 9199185 [0052]
US 8397920 [0059]
US 9084957 [0059]
US 6902598 [0059]
US 6375700 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 5011: 2014 [0039]
ISO 12103-1:1997 [0039]

Claims

Verbundmaterial-Filtermedium, umfassend mindestens eine Nanofaserschicht, die mit einer Substratschicht verbunden ist, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Vielzahl von Nanofasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser von kleiner als oder gleich 0,5 µm umfasst, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Dicke von etwa 1-100 µm aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Nanofasern eine geometrische Standardabweichung des Nanofaserdurchmessers von größer als 1,4 aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl von Nanofasern einen geometrischen mittleren Durchmesser von 0,1-0,5 µm und eine geometrische Standardabweichung des Nanofaserdurchmessers von 1,5-2,0 aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Dicke im Bereich von 1-50 µm aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 0,7 g/m² bis 3 g/m² aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 3 g/m² bis 10 g/m² aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht ferner Polymermassen mit einem Bereichsäquivalenzdurchmesser von größer als 1 µm umfasst und 1-25 % des Medienoberflächenbereichs bedeckt.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 7, wobei die Polymermassen 2-5 % des Medienoberflächenbereichs bedecken.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 7, wobei die Polymermassen in die Nanofaserschicht eingearbeitet sind.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 9, wobei die Polymermassen an einer Grenzfläche zwischen der mindestens einen Nanofaserschicht und der Substratschicht lokalisiert sind, um zu helfen, die mindestens eine Nanofaserschicht an der Substratschicht zu befestigen.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 7, wobei die Polymermassen Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereitstellen und eine dreidimensionale Oberfläche für die mindestens eine Nanofaserschicht erzeugen.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 7, wobei die Polymermassen aus dem gleichen Polymer wie die Vielzahl von Nanofasern hergestellt sind.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 7, wobei die Polymermassen einen Durchmesser von mindestens der Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht aufweisen und Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereitstellen.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 7, wobei die Polymermassen Bereichsäquivalenzdurchmesser im Bereich von 5 µm bis 130 µm aufweisen.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die Substratschicht grobe Fasern mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von größer als 1 µm umfasst.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 15, wobei die groben Fasern mindestens eines von Cellulose, Polyester, Polyamid und Glas umfassen.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht stromaufwärts der Substratschicht liegt und wobei das Verbundfiltermedium frei von einer zusätzlichen Schicht stromaufwärts der mindestens einen Nanofaserschicht ist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 1, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium ein hybrider Oberflächen-Tiefenfilter ist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 18, wobei eine Dicke der Nanofaserschicht des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 4 µm bis 25 µm liegt.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 18, wobei eine Dicke der Nanofaserschicht des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 1 µm bis 5 µm liegt.
Verbundmaterial-Filtermedium, umfassend mindestens eine an eine Substratschicht gebundene Nanofaserschicht, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Vielzahl von Nanofasern mit einem geometrischen mittleren Durchmesser kleiner als oder gleich 0,5 µm und eine Vielzahl von Polymermassen mit einem Bereichsäquivalenzdurchmesser im Bereich zwischen 5 µm bis 130 µm umfasst.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Nanofasern eine geometrische Standardabweichung des Nanofaserdurchmessers von größer als 1,4 aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Nanofasern einen geometrischen mittleren Durchmesser von 0,1-0,5 µm aufweist und die Vielzahl von Polymermassen einen Bereichsäquivalenzdurchmesser im Bereich zwischen 40 µm bis 100 µm aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Dicke im Bereich von 1-50 µm aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 0,7 g/m² bis 3 g/m² aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Nanofasern ein Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 3 g/m² bis 10 g/m² aufweist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Polymermassen 1-25 % des Medienoberflächenbereichs bedeckt.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 27, wobei die Vielzahl von Polymermassen 2-5 % des Medienoberflächenbereichs bedeckt.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Polymermassen in der mindestens einen Nanofaserschicht eingearbeitet ist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 29, wobei die Vielzahl von Polymermassen an einer Grenzfläche zwischen der mindestens einen Nanofaserschicht und der Substratschicht lokalisiert ist, um zu helfen, die mindestens eine Nanofaserschicht an der Substratschicht zu befestigen.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Polymermassen Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereitstellt und eine dreidimensionale Oberfläche für die mindestens eine Nanofaserschicht erzeugt.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Polymermassen einen Durchmesser von mindestens der Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht aufweist und Ankerpunkte für die Vielzahl von Nanofasern bereitstellt
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Vielzahl von Polymermassen aus dem gleichen Polymer wie die Vielzahl von Nanofasern hergestellt ist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei die Substratschicht grobe Fasern mit einem geometrischen mittleren Faserdurchmesser von größer als 1 µm umfasst.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 34, wobei die groben Fasern mindestens eines von Cellulose, Polyester und Polyamid umfassen.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei sich die mindestens eine Nanofaserschicht stromaufwärts der Substratschicht befindet und wobei das Verbundmaterial-Filtermedium frei von einer zusätzlichen sich stromaufwärts der mindestens einen Nanofaserschicht befindenden Schicht ist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 21, wobei das Verbundmaterial-Filtermedium ein hybrider Oberflächen-Tiefenfilter ist.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 37, wobei eine Dicke der Nanofaserschicht des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 4 µm bis 25 µm liegt.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 37, wobei eine Dicke der Nanofaserschicht des hybriden Oberflächen-Tiefenfilters im Bereich von 1 µm bis 5 µm liegt.
Verbundmaterial-Filtermedium, umfassend mindestens eine an eine Substratschicht gebundene Nanofaserschicht, wobei die mindestens eine Nanofaserschicht eine Vielzahl von Nanofasern mit einem Nanofaserbasisgewicht im Bereich von 0,7 g/m² bis 20 g/m² umfasst, wobei die Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht im Bereich von 1-100 µm liegt und wobei eine lineare Beziehung zwischen der Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht als eine Funktion des Nanofaserbasisgewichts existiert.
Verbundmaterial-Filtermedium nach Anspruch 40, wobei die lineare Beziehung zwischen der Dicke der wenigstens einen Nanofaserschicht als eine Funktion des Nanofaserbasisgewichts als y = 5,6221x-3,092 beschrieben wird, wobei x = das Nanofaserbasisgewicht in g/m² und y = die Dicke der mindestens einen Nanofaserschicht in µm.
Verfahren zum Entfernen von Partikeln aus Luft, umfassend Durchleiten von Luft durch das Verbundmaterial-Filtermedium nach einem der Ansprüche 1-5, 7-18, 20-25, 37-37 und 39-41 in einer Luftströmungsrichtung, sodass die Nanofaserschicht sich stromaufwärts der Substratschicht befindet.
Verfahren zum Entfernen von Partikeln aus einer Flüssigkeit, umfassend Durchleiten der Flüssigkeit durch das Verbundmaterial-Filtermedium nach einem der Ansprüche 1-4, 6-19, 21-24, 26-3 8, 40 und 41.