MX2012009878A

MX2012009878A - Filtro tubular de profundidad, no plegado, que tiene medio de filtracion de fibra fina.

Info

Publication number: MX2012009878A
Application number: MX2012009878A
Authority: MX
Inventors: John A Krogue; Thomas B Green; Lei Li
Original assignee: Clarcor Inc
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-09-12
Also published as: BR112012021548A2; RU2012141037A; CA2791312A1; SG183299A1; CA2790415A1; WO2011106540A2; CN102858439A; WO2011106534A2; EP2539054A2; AU2011220740B2; WO2011106537A2; EP2539056A2; BR112012021535A8; SG184784A1; AU2011220740A1; AU2011220737B2; MX349758B; WO2011106534A3; JP2013521105A; WO2011106540A3

Abstract

Se provee un elemento de filtro de profundidad, no plegado, en la forma de un anillo tubular de medio de filtro de profundidad. Se emplean múltiples envolturas de lienzos, algunos incluyen fibras finas. El elemento de filtro de profundidad tiene aplicaciones particulares en aplicaciones de filtración de líquidos.

Description

FILTRO TUBULAR DE PROFUNDIDAD, NO PLEGADO, QUE TIENE MEDIO DE FILTRACIÓN DE FIBRA FINA Campo de la invención La presente invención se refiere en general a filtros de profundidad y, más en particular, se refiere a anillos tubulares no plegados de medio de profundidad y a los medios de filtración empleados en esos filtros de profundidad.

Antecedentes de la invención Las corrientes de fluido, tales como los flujos de líquido y los flujos gaseosos (por ejemplo, los flujos de aire) frecuentemente llevan partículas sólidas y gotas de líquido indeseables, que con frecuencia son contaminantes indeseables arrastrados en la corriente de fluido. Comúnmente se emplean filtros para eliminar algunas partículas, o todas ellas, de la corriente de fluido. Con frecuencia los filtros se caracterizan como filtros de profundidad, en los que las partículas se filtran por toda la profundidad del medio de filtro, o como filtros de superficie, mediante los cuales las partículas son atrapadas a lo largo de la superficie del medio de filtro.

El medio de filtro que incluye fibras finas formadas usando un proceso de hilatura electrostática, también es conocido. Dicha técnica anterior incluye Filter Material Construction and Method, patente estadounidense No. 5,672,399; Cellulosic/Polyamide Composite publicación de patente estadounidense No. 2007/0163217; Filtratton Medias, Fine Fibers Under 100 Nanometers, and Methods, publicación de patente estadounidense No. 2009/0199717; Integrated Nanofiber Filter Media, publicación de patente estadounidense No. 2009/0266759; Filter Media Having Bi-Component Nanofiber Layer, solicitud provisional de patente estadounidense No. 61,047,455; Expanded Composite Filter Media Including Nanofiber Matrix and Method, solicitud provisional de patente de los Estados Unidos No. 61/308,488, y Compressed Nanofiber Composite Media, solicitud provisional de patente de los Estados Unidos No. 61/330,462; cuyas descripciones completas quedan incorporadas aquí por medio de esta referencia a ellas.

Con frecuencia se han empleado tales fibras finas en aplicaciones de carga de superficie. Hay una publicación que propone el uso de medio de profundidad en gradiente, en la forma de una sola hoja plegada de medio de filtro, que comprende capas alternativas de gasa y nanofibras, tal como en la patente estadounidense No. 6,521,321 de Kahlbaugh y coinventores. Si bien la patente '321 de Kahlbaugh sugiere la posibilidad de una aplicación a la filtración de líquidos, reconoce por medio de ejemplos y en la descripción que está enfocada primariamente a la filtración de aire o de gas (por ejemplo, el aire de cabina, el aire para motor, el humo de tabaco). Además, la filtración a profundidad aparece limitada a la profundidad de la propia hoja, como se discute con frecuencia en asociación con una configuración plegada. Adicionalmente, se cree que las fibras previamente finas (y particularmente las fibras electrohiladas) no han sido aplicadas en general a aplicaciones en líquido, debido a que el momentum de los líquidos y la viscosidad tienen a empujar las partículas a través de dicha capa de fibra fina. Más bien se cree que dichas fibras finas han sido empleadas típicamente en aplicaciones de filtración de aire.

Breve descripción de la invención La invención provee mejoras relacionadas con filtros de profundidad, no plegados, en los que se puede configurar las fibras en un anillo tubular de medio de profundidad. Con las técnicas discutidas aquí, con relación a la disposición y el cubrimiento de las fibras finas, ciertas modalidades, aunque no exclusivamente limitadas a ello, tienen aplicación particular en filtración de líquidos.

De acuerdo con un aspecto de la invención, un elemento de filtro comprende un anillo tubular no plegado, de un medio de profundidad, que tiene un espesor de medio de por lo menos alrededor de 1/4 de centímetro). El medio de profundidad comprende fibras portadoras y fibras finas. Las fibras portadoras tienen un tamaño promedio de más de alrededor de 600 nanómetros y las fibras finas tienen un tamaño promedio de menos de 800 nanómetros, llevadas por las fibras portadoras. Está provista una cierta relación o proporción entre las fibras portadoras y las fibras finas; donde las fibras finas tienen un tamaño que es por lo menos 4 veces menor que el de las fibras portadoras.

Por ejemplo, las fibras electrosopladas o electrohiladas pueden proveer las fibras finas. Sin embargo, cuanto más pequeñas sean las fibras finas, se prefieren más y tienen beneficios; y es un aspecto de la invención el uso de fibras finas electrohiladas que tengan diámetros de menos de 500 nanómetros y, más preferible, menos de 250 nanómetros (y, muy preferible, menos de 100 nanómetros).

En muchas modalidades y de acuerdo con otro aspecto de la invención, se usan múltiples cubiertas que se traslapan al menos parcialmente, de un lienzo que emplea fibras finas. Por ejemplo, el primer elemento puede comprender un primer lienzo de medio de filtro, donde el primer lienzo de medio de filtro comprende por lo menos un sustrato y por lo menos una capa de las fibras finas depositada sobre él. Se envuelve el lienzo al menos parcialmente alrededor de sí mismo para crear capas múltiples del primer lienzo de medio de filtro en toda la profundidad del medio de profundidad.

Un lienzo particular, útil en las modalidades de cubierta es una estructura compuesta de varias capas. El primer lienzo de medio de filtro puede comprender un medio mixto de una pluralidad de capas de gasa y una pluralidad de capas de fibra fina, hechas de fibras finas laminadas entre sí en el primer lienzo de medio de filtro. Están espaciadas las capas seleccionadas de fibra fina y separadas dentro del primer lienzo de medio de filtro por la gasa. El propio lienzo de medio de filtro puede tener un elevado nivel de cubrimiento de fibras finas electrohiladas, que tienen un tamaño promedio de menos de 500 nanómetros, de por lo menos alrededor de 5000 km/m2 y, de preferencia mayor, de acuerdo con varias modalidades.

Con base en las pruebas, el primer medio de filtro tiene una eficiencia de filtración sustancialmente comparable con, o mejor que, la de los medios de filtración de micro-vidrio, para una aplicación de filtración preseleccionada. Así, puede servir como un sustituto de los medios de filtro de micro-vidrio y eliminar totalmente el micro-vidrio de una estructura de filtración, al mismo tiempo que provee una eficiencia elevada con requerimientos adecuados de flujo/duración en la aplicación.

Otro aspecto preferido es la provisión de un cubrimiento lineal elevado de nanofibras, en términos de kilómetros por metro cuadrado, que se puede obtener tanto en una cubierta o lienzo individual, cuanto colectivamente en toda la profundidad del elemento (midiéndose los metros cuadrados al diámetro promedio). Por ejemplo, el medio de profundidad puede tener un cubrimiento de fibras finas llevado por toda la profundidad, de por lo menos 0.1 g/m2 y por lo menos alrededor de 10,000 km/m2; más preferible, un cubrimiento de fibras finas llevado por toda la profundidad de por lo menos 0.5 g/m2 y por lo menos alrededor de 50,000 km/m2 y, muy preferible, una cobertura de fibras finas llevadas por toda la profundidad, de por lo menos 1.0 g/m2 y por lo menos alrededor de 100,000 km/m2.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, que puede incorporar los aspectos anteriores, un elemento de filtro comprende un anillo tubular no plegado de un medio de profundidad que tiene un espesor de medio de por lo menos alrededor de un cuarto de centímetro. El medio de profundidad comprende fibras portadoras y fibras finas. Las fibras portadoras tienen un tamaño promedio de por lo menos alrededor de 3 mieras, y fibras finas que tienen un tamaño promedio de menos de 800 nanómetros, llevadas por las fibras portadoras.

Otros aspectos de la invención están dirigidos a los métodos. Por ejemplo, un método para formar un elemento de filtro puede comprender electrohilar fibras finas que tengan un tamaño promedio de menos de 800 nanómetros, a partir de una solución que comprende un polímero y un solvente, bajo el efecto de un diferencial de voltaje; depositar las fibras finas sobre un sustrato de fibras portadoras; teniendo las fibras portadoras un tamaño promedio de por lo menos 3 mieras; y envolver el sustrato de fibras portadoras y las fibras finas en un medio de profundidad que tiene un espesor de por lo menos medio centímetro. El método puede emplear, alternativamente, fibras portadoras menores, como se discutió antes, con una relación de tamaño de 4:1 o mayor, entre las fibras finas y las portadoras.

Otros aspectos, objetivos y ventajas de la invención se harán más evidentes de la descripción detallada siguiente, cuando se tome conjuntamente con los dibujos anexos.

Breve descripción de los dibujos Los dibujos anexos, incorporados en la memoria descriptiva y que forman parte de ella, ilustran varios aspectos de la presente invención y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la invención. En los dibujos: La figura 1 es una vista en perspectiva, en sección parcial, de la modalidad preferida de la invención, que ilustra un elemento de filtro multi-traslapado, hecho en una máquina envolvedora de cuatro estaciones, que utiliza cuatro rodillos de tela no tejida seleccionada, y donde por lo menos uno de los rodillos emplea un medio de filtro que tiene fibras finas.

La figura 1A es una vista en perspectiva de un elemento de filtro que emplea el medio de filtro de la figura 1, con un núcleo soportador opcional y tapas extremas empleaos para una aplicación de filtración.

La figura 2 es una vista en sección, que ilustra el elemento de filtro sin núcleo, multi-traslapado de la figura 1, que está siendo formado en un mandril hueco.

La figura 3 es una vista esquemática desde arriba, de tres estaciones de la máquina usada para fabricar el elemento de filtro de la figura 1.

La figura 4 es una sección parcialmente esquemática del elemento de filtro multi-traslapado, que muestra esquemáticamente que la envoltura interna emplea un lienzo que tiene dentro del lienzo múltiples sustratos sucesivos y capas de fibra fina.

La figura 4A es una vista ampliada de una sección de la figura 4, tomada siguiendo el círculo punteado de la figura 4, que ilustra mejor el lienzo que tiene dentro del lienzo múltiples capas sucesivas de sustrato y de fibra fina; siendo el espesor relativo y la disposición esquemáticas, sólo para fines demostrativos, en oposición a estar a escala; y estando exagerada la proximidad de las tiras para mostrar los espacios entre las tiras (aun cuando, en la práctica, las tiras y las envolturas adyacentes se tocan entre sí).

La figura 5 ilustra una modalidad de un elemento de filtro multi-traslapado, similar al de la figura 1, tampoco a escala, pero que emplea adicionalmente una capa intermedia junto con la envoltura más interna.

La figura 6 es una ilustración esquemática que muestra cómo se pueden envolver las capas intermedias de la figura 5.

La figura 7 es una modalidad alternativa del elemento de filtro de profundidad que emplea fibras finas, mostrado en perspectiva y en sección, que emplea una envoltura de espiral (y no helicoidal) con un lienzo de medio de filtro a toda la longitud del lienzo del medio de filtro (anchura igual a la longitud axial del elemento de filtro).

La figura 8 es otra modalidad alternativa de un sistema/proceso de fabricación mostrado en forma esquemática para formar un elemento de filtro de profundidad empleando fibras finas.

La figura 8A es una vista en sección, parcialmente esquemática, que muestra la forma del elemento de filtro de profundidad hecho mediante el sistema/proceso de fabricación de la figura 8.

La figura 9 es una vista esquemática en sección (por ejemplo, el espesor relativo ilustrado no está a escala) de un medio de filtro que incluye múltiples capas de gasa compactadas apretadamente, que llevan fibras finas de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La figura 10 es una vista esquemática en sección del medio de filtro de la figura 9, en un estado precomprimido, que es comprimido al estado comprimido mediante un juego de rodillos.

La figura 11 es una ilustración esquemática de un sistema para formar un medio de filtro de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La figura 12(A) es una imagen de microscopio electrónico de exploración, que muestra fibras de doble componente y las fibras finas de un medio mixto producido usando el sistema de la figura 11, tomada a un nivel de amplificación de 300 veces.

La figura 12(B) es una imagen de microscopio electrónico de exploración, que muestra fibras de doble componente y las fibras finas de un medio mixto producido usando el sistema de la figura 11, tomada a un nivel de amplificación de 1000 veces.

La figura 12(C) es una imagen de microscopio electrónico de exploración, que muestra la unión entre las fibras de doble componente y las fibras finas de un medio mixto producido usando el sistema de la figura 11, tomada a un nivel de amplificación de 2000 veces.

La figura 12(D) es una imagen de microscopio electrónico de exploración, que muestra la unión entre las fibras de doble componente y las fibras finas de un medio mixto producido usando el sistema de la figura 11, tomada a un nivel de amplificación de 10,000 veces.

La figura 13 es una ilustración esquemática de un sistema para formar un medio de filtro de acuerdo con una modalidad diferente de la presente invención.

La figura 14 es'una ilustración esquemática de un sistema para formar un medio de filtro de acuerdo con otra modalidad más de la presente invención.

La figura 15 es una vista esquemática en sección de un medio de filtro que incluye múltiples capas de gasa, comprimidas apretadamente y fibras finas de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La figura 16 muestra los resultados de la prueba de eficiencia de muestras de prueba de un primer medio de filtro de capas múltiples.

La figura 17 muestra los resultados de la prueba de eficiencia de muestras de prueba de un segundo medio de filtro de capas múltiples.

La figura 18 muestra los resultados de la prueba de eficiencia de muestras de prueba de un tercer medio de filtro de capas múltiples.

La figura 19 es una vista esquemática en sección de un medio de filtro de acuerdo con una modalidad diferente de la presente invención.

La figura 20 muestra los resultados de la prueba de eficiencia de muestras de prueba de un cuarto medio de filtro de capas múltiples.

La figura 21 es una vista esquemática en sección de un medio de filtro de acuerdo con otra modalidad más de la presente invención.

La figura 22 muestra los resultados de la prueba de eficiencia de muestras de prueba de un quinto medio de filtro de capas múltiples.

Las figuras 23(A)-(H) son ilustraciones esquemáticas de fibras de doble componente de un sustrato de acuerdo con varias modalidades de la presente invención.

La figura 24 muestra los resultados de la prueba de eficiencia de muestras de prueba de un filtro de profundidad tubular estándar.

Las figuras 25 y 26 muestran los resultados de la prueba de eficiencia de un filtro de profundidad tubular que incluye muestras de prueba de intercalados de capas múltiples de fibra fina.

Si bien se describirá la invención con relación a ciertas modalidades preferidas, no se pretende limitarla a esas modalidades, Por el contrario, se tiene la intención de cubrir todas las alternativas, las modificaciones y los equivalentes que estén incluidos dentro del espíritu y el alcance de la invención, como se define en las reivindicaciones que vienen al final.

Descripción detallada de la invención En las secciones que siguen, se describirán primero diferentes modalidades de medios de profundidad. Posteriormente se describirán los lienzos que contienen fibra fina, que son útiles en muchas de las modalidades, y se dan ejemplos. Posteriormente se discutirán algunos ejemplos particulares de medio de profundidad tubular no plegado.

El filtro de profundidad tubular, no plegado Con referencia a la figura 1 de los dibujos, se ilustra un elemento 10 de filtro sin núcleo, multi-traslapado, y construido de acuerdo con una modalidad de la invención. Como se describirá aquí, el elemento de filtro 10 tiene integrada en él una combinación de fibras, que incluye fibras portadoras que tienen un tamaño promedio mayor que alrededor de 3 mieras y, por otra parte, fibras finas que tienen un tamaño menor que alrededor de 800 nanómetros (más preferible, menos de 500 nanómetros; todavía más preferible, menos de 250 nanómetros y, muy preferible, menos de 100 nanómetros).

El elemento de filtro 10 incluye una primera tira 12 de tela no tejida, multi-traslapada; una segunda tira 13 de tela no tejida, multi-traslapada; una tercera tira 14 de tela no tejida, multi-traslapada, y una cuarta tira 15 de tela no tejida, multi-traslapada. Como se usa aquí, algunas veces se llamará a la tira un lienzo, y viceversa. En este caso, se provee una tira de anchura parcial (anchura parcial con respecto a la longitud axial del elemento de filtro), de manera que cada tira puede ser enrollada helicoidalmente en esta modalidad. Cada tira de tela 12-15 está enrollada en espiral o helicoidalmente, en capas que se traslapan para formar bandas que se traslapan 16, 17, 18, 19, respectivamente. Colectivamente, estas bandas forman un anillo tubular 20 no plegado, de un medio de profundidad que tiene un espesor total T de medio de por lo menos alrededor de un cuarto de centímetro.

La superficie radialmente interior de la banda 16 de más adentro forma la periferia de un espacio anular que se extiende axialmente (que se puede usar para recoger el fluido limpio y facilitar el flujo axial del fluido limpiado). Este espacio interior hueco se extiende desde un extremo del elemento de filtro hasta el extremo opuesto del elemento de filtro 10. En los dibujos, está exagerado el espesor de la tela (así como el de las capas de fibra fina, cuando se ilustran) para fines demostrativos. Sin embargo, el anillo tubular de medio de profundidad tiene típicamente por lo menos un cuarto de centímetro de espesor (espesor radial) y, más típicamente, entre medio centímetro y 5 cm (más típicamente, entre 1 y 3 cm) de espesor, como consecuencia de las vueltas. Se puede ver que cada tira 12-15 se traslapa a sí misma al menos parcialmente una vez para formar el espesor dado de banda, a una escala generalmente de entre 2 a 8 espesores de vuelta por uno de las tiras de tela dadas. Adicionalmente, otras modalidades similares del elemento de filtro 10 emplean por lo menos un espesor de tira de tela y, más típicamente, entre 2 y 6 tiras de tela. De esa manera, se pueden formar los elementos de filtro empleando la técnica de envoltura helicoidal, de entre 2 y 48 tiras de grueso (más típicamente, entre 6 y 32 lienzos de grueso).

En esta primera modalidad de la figura 1, y con referencia adicional a las figuras 4, 4A y 9, se selecciona un lienzo 100 de medio de filtro preformado, de múltiples capas laminadas, y se lo emplea para uso como la tira de tela 13 de más adentro. En otra modalidad, se selecciona el lienzo 100 de medio de filtro de capas múltiples y se lo emplea para uso como la segunda tira de tela 14 de más adentro, y también como la tira de tela 13 de más adentro. En contraste, las tiras de tela 15, 16, corriente arriba, pueden no emplear fibras finas, sino una estructura más abierta para crear un medio de gradiente en la totalidad del espesor T completo.

Por ejemplo, se pueden componer las tiras 15, 16 de tela no tejida corriente arriba, de fibras poliméricas seleccionadas, tales como poliéster y polipropileno, que sirvan a la vez como fibras de base y como fibras de unión. Las fibras de base tienen puntos de fusión más altos que las fibras de unión, que se denominan también aquí como medio de doble componente o medio de componentes múltiples. El papel de las fibras de base es producir estructuras de poros pequeños en el elemento de filtro 11 sin núcleo. El papel de la fibra de unión o material de unión, es unir las fibras de base a un elemento de filtro rígido, que no requiera de un núcleo separado. Las fibras de unión, o aglutinantes, pueden consistir de una fibra pura o de una que tenga una cubierta exterior de menor punto de fusión y un núcleo interior de mayor punto de fusión. Si la fibra de unión o aglutinante es del tipo puro, entonces se licuará totalmente en presencia de suficiente calor. Si la fibra aglutinante tiene una cubierta exterior y un núcleo interior, entonces se la somete a temperaturas que licúen únicamente la cubierta exterior, en presencia de calor, dejando el núcleo interior para ayudar a la fibra de base a producir las estructuras de poro pequeño. Por lo tanto, el papel de la fibra aglutinante es licuar totalmente o en parte, en presencia de calor; hacer penetrar su fracción líquida sobre las fibras de base para formar un punto de unión entre las fibras de base, uniendo de esa manera entre sí las fibras de base cuando se enfríen. El material aglutinante puede tener una forma diferente de la fibrosas.

Aunque está incorporado en la figura 1 un medio de profundidad con gradiente, con el lienzo 100 de medio de filtro de capas múltiples, se contempla que el lienzo 100 de medio de filtro de capas múltiples pueda ser empleado en diferentes ubicaciones corriente arriba o corriente abajo, y pueda seleccionarse para uso en cualquiera de las tiras 12-15.

Una modalidad de un método y un aparato para formar dicho elemento de filtro 10 puede verse con referencia a las figuras 2 y 3 de la solicitud de patente, y puede ser de acuerdo con las descripciones de la patente estadounidense No. 5,827,430 de Perry, Jr. y coinventores, y/o la publicación de patente estadounidense No. 2008/012864 de Cloud y coinventores, cuyas descripciones completas quedan incorporadas aquí en su totalidad por medio de esta referencia. En la figura 2 de los dibujos, el número 22 designa un mandril cilindrico hueco, con una superficie exterior anular y una superficie interior anular; la superficie interior anular forma la periferia de un canal cilindrico 23, a través del cual fluye un medio de cambio de calor líquido o gaseoso (no mostrado). La banda 16 de tira 12 de tela no tejida multi-traslapada está mostrada traslapada por la banda 17 de la tira 13 de tela no tejida multi-traslapada la cual, a su vez, está traslapada por la banda 18 de la tira 14 de tela no tejida multi-traslapada, que está traslapada entonces por la banda 19 de la tira 15 de tela no tejida multi-traslapada.

Como se muestra en la figura 3 de los dibujos, están mostradas únicamente tres etapas de la máquina envolvedora de etapas múltiples, mostrada con mayor detalle en las patentes de las referencias anteriores. En la figura 3, se muestra una primera banda de compresión 25 que envuelve, de una manera multi-traslapada, la primera tira 12 de tela no tejida alrededor del mandril hueco 22. Una segunda banda de compresión 26 está mostrada envolviendo, de una manera multi-traslapada, la segunda tira 13 de tela no tejida, alrededor de la tira 12 de tela no tejida multi-traslapada. Una tercera banda de compresión 27 está mostrada envolviendo, de una manera multi-traslapada, la tercera tira 14 de tela no tejida, alrededor de la tira 13 de tela no tejida multi-traslapada. Un primer dispositivo calentador, de preferencia de calentadores infrarrojos 28, está mostrado en una posición para aplicar calor, simultáneamente con la compresión de la banda de compresión 25, a la tira 12 de tela no tejida multi-traslapada. Un segundo dispositivo calentador, de calentadores infrarrojos 29, está mostrado en una posición para aplicar calor, simultáneamente con la compresión de la banda de compresión 26, a la tira 13 de tela no tejida multi-traslapada. Un tercer dispositivo calentador de calentadores infrarrojos 30, está mostrado en una posición para aplicar calor, simultáneamente con la compresión de la banda de compresión 27, a la tira 14 de tela no tejida, multi-traslapada.

Una vez que el elemento de filtro 10 está formado a un anillo tubular de medio de profundidad 20, se puede cortar de él segmentos de longitud axial, y luego configurarlos con tapas extremas opuestas, abierta y cerrada 32, 34, unidas selladoramente a extremos opuestos del anillo tubular, como se muestra en la figura 1A. La tapa 32 de extremo abierto tiene una abertura 35 que sirve como portillo de salida para el fluido limpiado. Uno o más sellos, tales como empaques 36 de anillo toroidal pueden estar dispuestos sobre la tapa extrema 32, para sellar con una cabeza de montaje de un sistema de fluido. Adicionalmente, se puede emplear un núcleo perforado 38 a lo largo del interior del medio.

Con relación ahora a la figura 4 y a la figura 4A, se puede ver que la disposición resultante de la envoltura helicoidal presenta una estructura y una disposición únicas en virtud de la laminación de múltiples capas del lienzo 10 de filtro de capas múltiples. Si bien otros detalles de ese lienzo 100 serán discutidos posteriormente, se apreciará que el lienzo de filtro 100, de capas múltiples, provee una estructura de flujo dentro de la tira individual 12 que emplea el lienzo de filtro 100. En particular, con la disposición de envoltura helicoidal, las tiras están canteadas con relación al eje longitudinal 40 del elemento de filtro 10. Como consecuencia, las capas individuales 42 de fibra fina (por ejemplo, que corresponden a 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142 de la figura 9), están dispuestas en una alineación canteada y no paralelas al eje 40, de manera que el fluido puede fluir a través del lienzo 12, a lo largo de las capas individuales de fibra fina. En particular, el sustrato más abierto y poroso 44 (por ejemplo, que corresponde a 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 de la figura 9) también está dispuesto en una alineación canteada y no paralela al eje 40; y de esa manera, puede actuar como una capa de drenado o como una capa de flujo de fluido, dentro de la tira 12.

Consecuentemente, puede haber trayectorias de microflujo canteadas a través de la tira 12, a través de las capas de sustrato 44 más abiertas y porosas. Las partículas pueden ser atrapadas durante este proceso por las capas 42 de fibras finas, más eficientes. Adicionalmente, entre las envolturas adyacentes de la tira 12, puede haber un flujo a través de las tiras y entre ellas, lo que se puede denominar como trayectorias de macroflujo entre las tiras, aun cuando, en la práctica, las envolturas adyacentes de una tira están en contacto y tocándose. Además del potencial para fluir a lo largo de las trayectorias canteadas de microflujo o de macroflujo, también hay una cantidad importante de flujo radialmente a través del material de la propia tira que pasa a través de capas sucesivas de fibra fina y de sustrato 44, 42, donde se pueden atrapar las partículas. Sin embargo, se debe apreciar que, en caso de que la capa 42 de fibras finas se tapone con partículas, hay una trayectoria de flujo canteado abierta a través de la tira, a lo largo de las capas 44 de sustrato poroso. Como consecuencia, y mientras que muchos filtros tienden a mejorar la eficiencia con el tiempo, puede ser que la presente disposición eventualmente disminuya en eficiencia con el tiempo, cuando la carga de partículas provoque más flujo a lo largo de las trayectorias de flujo canteadas a través de las capas de sustrato 44, en oposición a radialmente a través del medio (y de las capas de fibra fina 42).

Con referencia ahora a las figuras 5 y 6, está ilustrada esquemáticamente en sección otra modalidad más del elemento de filtro 50. El elemento de filtro 50 es un elemento de filtro similarmente enrollado helicoidalmente, como la primera modalidad, y por lo tanto, se usan números de referencia similares pero, adicionalmente, emplea una tira intermedia 52, que queda encima de la tira 12, que emplea el lienzo 100 de filtro de capas múltiples (ver la figura 9) con capas 42 de fibra fina. La disposición y las variaciones de una capa intermedia también pueden estar de acuerdo con cualquiera de los ejemplos de la publicación de patente estadounidense No. 2008/0128364 de Cloud y coinventores, que había sido incorporada previamente por medio de una referencia. Si bien se muestra en esa modalidad, que una intermedia tiene una sola banda, se pueden emplear como intermedias múltiples bandas 16-19 (tal como en una primera modalidad mostrada en la figura 1). Una o más de esas bandas puede incluir por lo menos una de las tiras que tienen fibras finas (la intermedia también puede incluir, opcionalmente, fibras finas).

En esta modalidad, se envuelve una tira 562 intermedia, de menor eficiencia, junto con la tira 12, que emplea el lienzo 100 de filtro de capas múltiples. Típicamente, en esta disposición, una de las tiras tendrá una porosidad de flujo mayor y la otra tira una eficiencia mayor y una estructura menos porosa, lo que da por resultado un mayor flujo horizontal/diagonal. Como consecuencia, en esta modalidad, puede haber más flujo a lo largo de la trayectoria canteada a través de la tira 52 intermedia, en comparación con la tira de eficiencia 12, que emplea el lienzo de filtro 100 de capas múltiples.

Con relación a la figura 7, se ¡lustra otra modalidad de un elemento de filtro 60 que emplea una envoltura en espiral, que emplea por lo menos un lienzo de longitud completa, que está enrollado en espiral alrededor del eje y, en esta modalidad, dos lienzos 62, 64 (también se pueden envolver conjuntamente más lienzos). Por lo menos uno de los lienzos y, en este caso, el lienzo 62, tiene fibras finas integradas en él (por ejemplo, el lienzo 62 puede estar formado del lienzo 100 de la figura 9). También se ilustra que el otro lienzo 64 puede no tener fibras finas, pero puede servir como una capa separadora. Cada uno de los lienzos se extiende paralelo al eje 66 de filtro, al contrario de las modalidades previas. Por lo general, en esta modalidad, el fluido puede ser capaz de fluir a lo largo de una trayectoria en espiral pero, más típicamente (especialmente cuando se emplean muchas envolturas) se fuerza el fluido a desplazarse radialmente hacia dentro a través de los medios de filtro de las tiras 62, 64. En todo caso, esto forma un medio de profundidad, ya que se emplean capas múltiples. Adicionalmente, una tira de menor eficiencia puede tener más envolturas y ser más larga, de manera que continúe envolviéndose en espiral alrededor del elemento, aun después que se termina el lienzo 62 de mayor eficiencia.

Con referencia ahora a las figuras 8 y 8A se ilustra esquemáticamente otra modalidad que muestra la creación de un elemento 70 de medio de profundidad, que emplea fibras finas. En esta modalidad están dispuestas múltiples estaciones de cabezas 72 de soplado en fusión y múltiples módulos de electrohilatura. Las cabezas 72 de soplado en fusión bombean polímero fundido a través de un dado que tiene orificios y se sopla a una velocidad y una distancia dadas, para crear fibras que tengan un diámetro seleccionado. Frecuentemente las cabezas de soplado en fusión producen fibras de más de 1 miera, pero también pueden crear fibras finas, de menos de 1 mieras y hasta de alrededor de 600 a 700 nanómetros, si se las somete a campos eléctricos. De esa manera se pueden crear fibras finas así como gruesas mediante soplado en fusión, que se pueden usar en cualquiera de las modalidades de la presente. Típicamente, las fibras finas de una modalidad están caracterizadas porque son por lo menos cuatro veces más pequeñas que las fibras sopladas en fusión. Cada una de las estaciones 72a-c y 74A-C del módulo de soplado en fusión y electrohilatura puede producir diferentes tamaños de fibras, según se desee. A fin de diferenciarlas, se pretende que fibras sopladas en fusión y fibras electrohiladas sean términos más específicos que fibras finas, que se pretende que sea una denominación genérica.

En esta modalidad se mueve giratoria y axialmente un núcleo perforado 76 a lo largo de una flecha 78 a fin de depositar capas de fibras sopladas en fusión 80a-c y fibras electrohiladas 82a-c sobre el núcleo 76. Para facilitar un potencial de voltaje eléctrico, se emplean barras de fijación electrostática 84 para mantener una carga y un diferencial. Se puede emplear un equipo de electrohilatura, tal como las cadenas sinfín que están descritas en la solicitud provisional de los Estados Unidos No. 60/989,218, titulada Filtration Medias, Fine Fibers Under 100 Nanometers, and Methods; pero con la hebra sinfín extendiéndose debajo de la flecha de soporte 78 y paralela a ella, durante el proceso. De este proceso se crea un elemento de filtro que tiene capas sucesivas de fibras 80a-80c sopladas en fusión y fibras electrohiladas 82a-82c, como se ilustra en la figura 8A.

El medio de filtro mixto, de capas múltiples Con referencia ahora a las figuras 9 y 10, se ilustra el lienzo 100 de filtro de capas múltiples que emplea capas múltiples de fibras finas, como se usa en muchas de las modalidades previas, junto con las maneras alternativas de formar ese lienzo de capas múltiples. Se apreciará que las modalidades que usan tiras del lienzo 100 pueden tener menos (o más) capas de fibras finas depositadas sobre ellas. En algunas modalidades, algunas tiras (tales como para la figura 1) pueden tener una sola capa de fibra fina, mientras que en otras , más preferible, se depositan múltiples capas de fibra fina y están contenidas dentro de una tira. En cualquier caso, se puede denominar un "medio mixto". En algunas modalidades, se laminan juntas una pluralidad de capas de gasa y una pluralidad de capas de fibra fina, a un solo lienzo de medio de filtro, estando espaciadas las capas de fibra fina seleccionadas y separadas dentro del primer lienzo de medio de filtro, por la gasa. De preferencia, en situaciones de envoltura, las fibras finas estarán protegidas y emparedadas entre capas de fibras de sustrato o portadoras.

Antes de pasar a los detalles del medio 100 de filtro de capas múltiples, se desarrollará cierta lexicografía para ayudar a entender la presente invención. Cuando se usa aquí, se quiere que el término "sustrato" tenga el significado amplio y se pretende que incluya cualquier estructura sobre la que son llevadas o depositadas las fibras finas. "Sustrato" puede incluir medios de filtro convencionales, formados, tales como gasas y otros similares, que pueden ser desenrollados de rollos de medio. Esos medios de filtro tienen un enredamiento de fibra que típicamente está unido o asegurado mecánicamente, químicamente, con adhesivo y/o de otras maneras, y que por lo tanto tienen una resistencia que no puede ser rota fácilmente con las manos (por ejemplo, un lienzo de un pie cuadrado (0.092 m2) resiste típicamente hasta una aplicación de tensión de 5 libras (2.265 kg) de fuerza) y tiene propiedades de filtración. "Sustrato" también puede incluir enredamientos más flojos de fibras, que pueden no estar unidos entre sí ni asegurados entre sí (por ejemplo, un lienzo de 1 pie cuadrado (0.092 m2) puede ser separado cuando se aplica una tensión de 5 libras (2.265 kg) de fuerza). Una "gasa", como se usa aquí, se refiere a un enredamiento de fibra tejida o no tejida, donde las fibras están unidas y comprimidas a un medio de forma plana.

Hay unas pocas maneras de poder caracterizar el cubrimiento de las nanofibras. Una primera manera de caracterizar el cubrimiento de las nanofibras es el peso de base. Sin embargo, el peso de base depende en parte de la densidad específica del material de la nanofibra, así como del tamaño seleccionado (por ejemplo, también se denomina de manera intercambiable como diámetro de fibra y/o espesor de la fibra) de la nanofibra. Otra medida útil para caracterizar el cubrimiento de la nanofibra es la distancia lineal calculada del cubrimiento de la nanofibra, que se puede expresar en términos de kilómetro por metro cuadrado (km/m2), que es útil ya que esta medida del cubrimiento elimina la variabilidad debida al diámetro de la fibra fina y la variabilidad debida a las diferencias en la densidad específica entre los diversos materiales que pueden ser empleados.

En muchas modalidades de ejemplo discutidas aquí, se emplearon fibras finas que tenían un diámetro promedio de fibra de 0.08 miera (80 nanómetros). Sin embargo, se apreciará que una fibra del doble de tamaño (por ejemplo, una fibra fina de un tamaño de 160 nanómetros), con base en un simple cálculo de área (? x r2) tendrá cuatro veces el peso, y una fibra del cuádruplo del tamaño tendrá entonces 16 veces el peso. Un exceso de aplicación de fibras finas puede conducir a una película plástica, que no es muy permeable ni porosa; por lo tanto, no es adecuada para un medio de filtro. Es conveniente usar fibras finas menores ya que se puede obtener un nivel mayor de cubrimiento lineal. Considerando que los diámetros mayores de las fibras finas tendrán tendencia a ocupar mayor espacio hueco, generalmente, o como regla, es conveniente que el régimen de aplicación de las fibras finas, sobre la base de kilómetros, sea menor a medida que aumenta el diámetro de las fibras finas. Sin embargo, el cubrimiento, con base en el peso, puede aumentar a medida que aumenta el diámetro de las fibras, debido a la cuadruplicación de la masa para la duplicación del diámetro. Como regla general, el peso de base puede aumentar de 2 a 2.5 veces para una duplicación en el diámetro de la fibra (alrededor de 4 a 6 veces para una cuadruplicación del diámetro de la fibra), y para los propósitos de facilidad, se empleará la duplicación. Así, si se emplea un criterio de 0.15 g/m2 para un diámetro promedio de 80 nm, entonces, para una fibra de 160 nm, se usaría un cubrimiento de 0.30 g/m2 y para una fibra de 320 nm, un cubrimiento de 0.6 g/m2. Son utilizables las modalidades de la presente para un rango de fibras finas de menos de 1 miera, típicamente, menos de 500 nm y, más preferible, fibras menores de menos de 150 nm. Sin embargo, pueden hacerse ajustes de cubrimiento de acuerdo con los principios anteriores, en las modalidades de la presente.

En la presente, los términos "primero", "segundo" o "tercero", en referencia a la composición mixta o las capas de un medio de filtro, no necesariamente se refiere a una localización específica. Una "primera capa" no se pretende que signifique una verdadera primera capa, ni se pretende que sea indicación de una localización corriente arriba o corriente abajo con relación a otra capa ("corriente arriba" o "corriente abajo" puede usarse para ese propósito). Más bien, términos tales como "primero" y "segundo" se usan para propósitos basados en antecedentes.

La figura 9 es una visa esquemática en sección de un medio de filtro 100 de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Es esquemática en el sentido de que, en la realidad, la capa de fibras finas no tiene virtualmente espesor; pero para la ilustración y la comprensión, está ilustrado un espesor en la figura 1 y en otras ilustraciones esquemáticas. El medio de filtro 100 está configurado para capturar sólidos en una corriente líquida, tal como combustibles de hidrocarburo, agua y lubricante. En las modalidades preferidas, el medio de filtro 100 incluye por lo menos dos fibras diferentes, por ejemplo, nanofibras electrohiladas y un substrato de fibras más gruesas, que lleva las nanofibras. Como tal, el medio de filtro 100 también se denomina un medio de filtro mixto, un medio de composición mixta o algún otro término similar, en esta solicitud. Aunque el medio de filtro 100 es particularmente bien adecuado para aplicaciones de filtración de partículas en líquidos, con ejemplos/modalidades que tienen un impacto de filtración de partículas importante ahora en aplicaciones de líquidos, el medio de filtro 100 puede ser usado en otras aplicaciones de filtración de fluidos.

En la modalidad mostrada en la figura 9, el medio de filtro 100 comprende 10 capas de substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, cada una de las cuales lleva fibras finas 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, y un medio 122 encima de las fibras finas 142. El substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 y el medio 122, están formados de fibras que tienen un diámetro promedio de fibra típicamente mayor que el de las fibras finas. Las capas de substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, las fibras finas 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142 y el medio 122, están laminados y comprimidos apretadamente entre sí para incrementar el área de superficie de la fibra por volumen, y para proveer una rigidez/integridad estructural suficientes para filtrar las partículas de una corriente de líquido, tal como un combustible diesel. Si bien se muestra esta modalidad con la capa de medio 122, esta capa de medio es opcional y, por tanto, el medio de filtro 100 de acuerdo con otras modalidades puede no incluir esa capa de medio 122.

Se puede formar el medio de filtro de la figura 9 usando el proceso mostrado en la figura 10. La figura 10 ilustra el medio de filtro 100 en estado precomprimido 144 y en un estado comprimido 146. Como se muestra, el medio de filtro en estado precomprimido 144 tiene un espesor inicial t' (también denominado aquí espesor original). El medio de filtro 100, en estado precomprimido 144 es comprimido al estado comprimido 146 utilizando un juego de rodillos 148, 150, donde el espesor inicial t' se reduce a un espesor final t.

En algunas modalidades, el medio de filtro 100, en estado precomprimido 144, es calentado antes de la compresión. En ciertas modalidades preferidas, las fibras del substrato se relajan y reorientan para incrementar la distancia promedio entre las fibras durante el calentamiento (tal como una gasa que se ha comprimido por lo menos parcialmente durante el proceso de producción de la gasa). De esa manera, las capas de substrato se expanden y aumentan de volumen, donde el espesor de cada una de las capas de substrato aumenta. Además, conforme las fibras próximas a la superficie del substrato se relajan y reorientan, las fibras finas que son llevadas por esas fibras se mueven y reorientan con las fibras. De esa manera se extienden las fibras finas, son empujadas y tiradas con las fibras mayores. Se cree que esto puede crear una matriz tridimensional para las fibras finas, en oposición a ser meramente lisa o plana (tal matriz tridimensional de fibras finas todavía puede considerarse que es, y puede ser denominada aquí como, una "capa", aun si está integrada en la superficie del substrato).

En esas modalidades, el espesor inicial t' del estado precomprimido 144 puede aumentar por lo menos 1.5 veces, 2 veces, tres veces o incluso más, mediante calentamiento. En esas modalidades, el espesor final t del medio de filtro 100, después de la compresión subsiguiente del medio de filtro 100 abultado, puede ser menor que, o igual a, o mayor que, el espesor inicial t', dependiendo de la cantidad de expansión durante el calentamiento y de la cantidad de reducción durante la compresión. En otras modalidades, el medio de filtro 100 en estado precomprimido 144 puede ser calentado y comprimido simultáneamente por medio de un juego de rodillos de calandria calientes. En esas modalidades, puede no haber ninguna expansión o un incremento muy ligero en el espesor inicial t' antes de la reducción de espesor al espesor final t. En otras modalidades diferentes, el medio de filtro comprimido 100, que tiene el espesor final t puede ser calentado posterior a la compresión, donde se puede incrementar el espesor t. En algunas modalidades, se puede calentar el medio de filtro 100 más de una vez. Por ejemplo, se puede comprimir el medio de filtro 100 mediante un juego de rodillos dispuesto en un horno, de manera que se caliente el medio de filtro 100 inmediatamente antes de ser comprimido, mientras se lo está comprimiendo e inmediatamente después de ser comprimido. En todo caso, se ha obtenido que el procesamiento de la deposición posterior en el medio de las fibras finas que reacomoda las fibras finas en una matriz pluridimensional, sea ventajoso. La expansión y/o la compresión son ejemplos de dicho procesamiento. Dicho procesamiento puede producir una porosidad mayor y se lo puede utilizar para obtener un flujo mejor y/o para facilitar un cubrimiento más pesado de la deposición de fibras finas.

En una modalidad, el espesor final t puede estar entre alrededor del 50 por ciento y el 300 por ciento del espesor inicial t', de preferencia, entre alrededor de 70 por ciento y 200 por ciento del espesor inicial t'; y más preferible, entre el 80 por ciento y el 150 por ciento del espesor inicial t'. Cuando el medio de filtro 100 en estado precomprimido 144 es presionado al estado comprimido final 144, las fibras finas 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142 quedan más integradas con las fibras gruesas de las capas de substrato adyacentes 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, y forman la matriz tridimensional de fibras finas dentro del medio de filtro 100. Si bien el medio de filtro 100, en esta modalidad, incluye 10 capas de substrato que llevan fibras finas, otras modalidades pueden incluir más o menos capas de substrato que lleven fibras finas. Por ejemplo, un medio de filtro puede incluir una sola capa de substrato que lleva un cubrimiento suficientemente pesado de fibras finas (por ejemplo, por lo menos alrededor de 0.3 g/m2).

Las capas de substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 pueden ser formadas de cualquier material poroso adecuado. Cada una de las capas de substrato puede ser formada de un mismo tipo de material poroso o de tipos diferentes de material poroso. En una modalidad, cada una de las capas del substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, comprende un medio de filtro formado. El medio de filtro formado comprende fibras que están unidas entre sí. Por ejemplo, las fibras del medio de filtro formado pueden estar unidas entre sí mediante unión con solvente, unión térmica y/o unión por presión. El medio de filtro formado puede llevar fibras finas y proveer un soporte estructural. También se denomina el medio de filtro formado como medio de filtro substrato, substrato de medio de filtro, substrato, medio de filtro u otros términos similares, en la presente solicitud.

Alternativamente, el substrato puede comprender uno o más velos de fibras que están enredadas flojamente entre sí en un estado pegajoso, altamente abultado o abullonado, y pueden no estar unidas entre sí como en el caso de un medio de filtro formado. De esa manera, el velo de fibras gruesas puede ser llevado aparte fácilmente con poco esfuerzo manual, y tiene poca integridad estructural, de manera que no se considera un medio de filtro formado, en el sentido convencional. Las fibras del velo de fibras tienen típicamente un diámetro promedio de fibra mayor que el diámetro promedio de fibra de las fibras finas. De esa manera, también se denomina el velo de fibras como un velo de fibras gruesas u otros términos similares, en esta solicitud. Un medio de filtro mixto, que incluye fibras finas, integrado con dicho velo de fibras gruesas, está descrito en "Medio de filtro con nanofibras integradas", publicación de la solicitud de patente estadounidense No. 2009/0266759, la cual fue cedida a la cesionaria de la presente solicitud, y cuya descripción completa queda incorporada aquí mediante esta referencia a ella.

De preferencia el substrato está formado de un medio de filtro de componentes múltiples. Cuando se usa aquí, el término "medio de filtro de componentes múltiples", "medio de componentes múltiples", "medio de fibra de componentes múltiples" y otros términos similares, pueden ser usados intercambiablemente para referirse a los medios de filtro que incluyen por lo menos dos materiales diferentes. Por ejemplo, un medio de filtro de componentes múltiples puede comprender fibras formadas de un primer material y fibras formadas de un segundo material; donde el primer material y el segundo material son materiales diferentes.

Alternativamente, un medio de filtro de componentes múltiples puede estar formado de fibras que incluyen por lo menos dos diferentes materiales, tales como fibras que incluyen un núcleo formado de un primer material y una vaina formada de un segundo material, como se describe con detalle más adelante. Un medio de filtro de componentes múltiples, que incluye dos materiales diferentes, se denomina aquí "medio de filtro de doble componente", "medio de doble componente" y otros términos similares.

En una modalidad preferida, cada una de las capas de substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 comprende una gasa formada de fibras de doble componente, que incluyen dos materiales diferentes que tienen diferentes puntos de fusión. Un medio de filtro mixto, que comprende fibras finas y un substrato formado de dichas fibras de componentes múltiples, está descrito en "Medio de filtro de componentes múltiples con conexión de nanofibras", solicitud de patente del TCP No. PCT/US09/50392, la cual está cedida a la cesionaria de la presente solicitud; y cuya descripción completa queda incorporada aquí mediante la referencia a ella.

En esta modalidad, un componente de las fibras de doble componente de la gasa tiene un punto de fusión menor que el otro componente. El componente de bajo punto de fusión puede ser cualquier polímero adecuado, tal como polipropileno, polietileno o poliéster. El otro componente puede ser un polímero que tenga un punto de fusión más alto que el componente de bajo punto de fusión, u otros materiales de fibra adecuados, tal como vidrio y/o celulosa. Las fibras de doble componente están unidas entre sí y/o comprimidas entre sí para formar una gasa o un medio de filtro de substrato que tiene un cierto espesor.

Las fibras de doble componente de la gasa usada como sustrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, pueden incluir un componente de polímero de elevado punto de fusión y un componente de polímero de bajo punto de fusión. Por ejemplo, el componente doble puede comprender un poliéster de elevado punto de fusión y un poliéster de bajo punto de fusión, en el que uno tiene una temperatura de fusión más alta que el otro. Las figuras 23(A)-(H) ilustran esquemáticamente fibras de doble componente, de acuerdo con varias modalidades. Por ejemplo, la figura 23(A) muestra un doble componente del tipo concéntrico de vaina/núcleo, en el que un núcleo está formado de un componente polimérico de elevado punto de fusión, y una vaina está formada de un componente polimérico de bajo punto de fusión.

El componente polimérico de elevado punto de fusión está formado de un polímero que tiene una temperatura de fusión mayor que el componente polimérico de bajo punto de fusión. Los polímeros de elevado punto de fusión, adecuados, incluyen, pero sin limitación a ellos, poliéster y poliamida. Los polímeros de bajo punto de fusión, adecuados, incluyen: polipropileno, polietileno, copoliéster, o cualesquiera otros polímeros adecuados que tengan una temperatura de fusión menor que el polímero de elevado punto de fusión seleccionado. Por ejemplo, se pueden formar las fibras de doble componente de un núcleo de poliéster y una vaina de polipropileno. En esta modalidad, las fibras de doble componente están formadas de dos tipos diferentes de poliésteres: uno, que tiene un punto de fusión más alto que el otro.

Con referencia ahora nuevamente a la figura 9, las fibras de los sustratos están formadas para que tengan un diámetro de fibra promedio mayor que el de las fibras finas. En una modalidad, las fibras de los sustratos tienen un diámetro promedio de fibra que es por lo menos cuatro veces el de las fibras finas. En otra modalidad, las fibras de los sustratos pueden tener un diámetro promedio de fibra de más de alrededor de 0.6 miera; de preferencia, de más de alrededor de 3 mieras y, más preferible, mayor que 5 mieras. En una modalidad, el diámetro promedio de las fibras de doble componente del substrato está entre alrededor de 1 miera y alrededor de 40 mieras y, más típicamente, entre alrededor de 10 y 40 mieras.

Se comprimen y/o se calientan las fibras gruesas, por ejemplo, mediante un juego de rodillos de calandria y/o de un horno, para formar el substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120; donde cualesquiera capas de sustrato tienen un espesor de entre alrededor de 0.05 y 1.0 mm; de preferencia entre alrededor de 0.1 y 0.5 mm. Ese sustrato puede proveer un soporte estructural necesario para las fibras finas. Las gasas de doble componente de diversos espesores, adecuadas para uso como cualquiera de las capas de sustrato, pueden ser obtenidas en el comercio de varios proveedores, tales como HDK Industries, Inc., de Rogersville, TN, o de otros proveedores de medios de filtro. Así, se puede seleccionar el sustrato de esos medios de doble componente, accesibles del anaquel.

En una modalidad, cada capa del substrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120 y el medio 122 comprenden una gasa formada de las fibras cortas de doble componente, que tienen un núcleo de poliéster de elevado punto de fusión y una vaina de poliéster de bajo punto de fusión. Las fibras cortas de doble componente son comprimidas entre sí para formar la gasa, donde las fibras cortas de doble componente están unidas entre sí por medios químicos, mecánicos y/o térmicos. Por ejemplo, se calientan las fibras cortas de doble componente hasta o cerca de la temperatura de fusión del poliéster de bajo punto de fusión y se comprimen entre sí; donde la vaina formada del poliéster de bajo punto de fusión se funde o ablanda y actúa como un agente de unión para unir entre sí las fibras.

Las fibras finas 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 152 pueden ser depositadas directamente sobre el substrato correspondiente 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, a medida que se forman. Alternativamente, se pueden preparar separadamente las fibras finas, como un velo de fibras finas, y luego se pueden laminar con el sustrato. Aunque las fibras finas pueden comprender fibras que tienen diversos diámetros de fibra, se prefiere que las finas sean nanofibras que tengan un diámetro de fibra muy fino. Se pueden formar tales fibras finas por electrohilatura o por otros procesos adecuados. En una modalidad, las fibras finas son nanofibras electrohiladas que tienen un diámetro promedio de fibra de menos de alrededor de 1 miera, de preferencia menos de 0.5 miera y, más preferible, entre 0.01 y 0.3 mieras. Los ejemplos de la presente han empleado un diámetro promedio menor, de 0.08 miera (80 nm). Tales fibras finas de diámetro pequeño pueden aportar la capacidad de empacar más fibras juntas en un volumen dado, para proveer un área de superficie de fibra incrementada, lo que puede incrementar la eficiencia de la filtración al mismo tiempo que disminuye la caída de presión de un medio de filtro.

Se pueden formar las fibras finas mediante diversos materiales poliméricos adecuados. Para evitar la destrucción de las fibras finas durante el calentamiento y/o la compresión del medio de filtro 100, típicamente se forman las fibras finas de un material que tiene una temperatura de fusión mayor que por lo menos el componente de bajo punto de fusión de las fibras de doble componente del substrato. En modalidades preferidas, se forman las fibras finas de una poliamida. Otros polímeros adecuados incluyen, pero sin limitación a ellos: cloruro de polivinilo (PVC), poliolefina, poliacetal, poliéster, éter de celulosa, sulfuro de polialquileno, óxido de poliarileno, polisulfona, polímeros de polisulfona modificada, y alcohol polivinílico, poliamida, poliestireno, poliacrilonitrilo, cloruro de polivinilideno, metacrilato de polimetMo, fluoruro de polivinilideno. Los solventes para formar la solución polimérica para hilatura electrostática pueden incluir: ácido acético, ácido fórmico, m-cresol, trifluoroetanol, hexafluoroisopropanol, solventes clorados, alcoholes, agua, etanol, isopropanol, acetona, y N-metilpirrolidona y metanol.

En una modalidad, se forman las fibras finas de nylon-6 (poliamida-6, denominada también aquí "PA-6") mediante electrohilatura; donde se depositan las fibras finas electrohiladas directamente sobre el substrato. En esta modalidad, se generan electrostáticamente las fibras finas 124 a partir de una solución que contiene nylon-6 y se depositan sobre la superficie del sustrato 102. De manera similar se pueden generar las fibras finas 126 y depositarlas sobre la capa de sustrato 104, y así sucesivamente. Las capas de sustrato 102, 104, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, revestidas con las nanofibras electrohiladas 124, 126, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, son laminadas entonces entre sí con el medio 122, de manera que cada capa de las fibras finas esté emparedada entre el sustrato adyacente y/el medio adyacente 122, para crear el medio de filtro 100 en estado precomprimido 144, como se muestra en la figura 10. Como se discutió antes, el medio de filtro 100 en estado precomprimido 144 es comprimido luego para formar el medio de filtro 100 en su estado comprimido final 146, como se muestra en las figuras 1 y 2. En las modalidades preferidas, se calienta el medio de filtro 100 antes de, durante y/o después de la compresión. Por ejemplo, se calienta el medio de filtro 100 en estado precomprimido 144 antes de que pase a través del juego de rodillos 148, 150. Adicionalmente, se puede calentar el juego de rodillos 148, 150 para calentar adicionalmente el medio de filtro 100 durante la compresión.

La unión entre las fibras finas y las fibras más gruesas adyacentes, de los sustratos y/o el medio 122, puede incluir unión por solvente, unión a presión y/o unión térmica. Por ejemplo, cuando las fibras finas son generadas electrostáticamente a partir de una solución polimérica que contiene un solvente, el solvente que queda sobre la superficie de las fibras finas puede llevar a cabo una unión por solvente, cuando las fibras entran en contacto con las fibras gruesas del sustrato. Adicionalmente, el componente de bajo punto de fusión de las fibras de componente doble del sustrato, puede ser usado para acrecentar la unión entre las fibras finas y las fibras gruesas adyacentes del sustrato. En esa modalidad, se calienta el medio de filtro 100 hasta el punto de fusión del componente de bajo punto de fusión, o cerca de él, y se comprime; donde el componente de bajo punto de fusión de las fibras gruesas de componente doble se funden o ablandan, lo que permite que las fibras finas adyacentes se embeban en el componente de bajo punto de fusión, cuando son comprimidas entre sí; incrementando de esa manera la unión entre las fibras gruesas y las fibras finas (mediante la unión por presión y la unión térmica). En una modalidad preferida, la adhesión entre las fibras finas y el sustrato sobre el que fueron depositadas las fibras finas, es mayor que la que existe entre las fibras finas y el otro sustrato adyacente. Por ejemplo, la adhesión entre las fibras finas 124 y el sustrato 102 es mayor que la adhesión entre las fibras finas 124 y el sustrato 104. De esa manera, cuando se fuerza una deslaminación, las fibras finas 124 se deslaminarán del sustrato 104 y permanecerán sobre el sustrato 102. Así pues cuando se fuerza, el medio de filtro 100 de esa modalidad se puede separar a diez capas de sustratos que llevan fibras finas (102/124, 104/126, 106/128 108/130, 110/132, 112/134, 114/136, 116/138, 118/140, 120/142) y el medio 122.

En una modalidad, cada una de las capas del sustrato está formada de una gasa de fibra de doble componente, que tiene un diámetro promedio de fibra de entre alrededor de 1 y 40 mieras, y un peso de base de entre alrededor de 0.5 y 15 oz/yd2 (16.95 g/m2 y 508.5 g/m2), donde cada capa de las fibras finas 124, 125, 128, 130, 132, 134, 136, 138, 140, 142 tiene un peso de base de entre alrededor de 0.03 g/m2 y 0.5 g/m2, lo que da un cubrimiento de base de la fibra fina, en total, de entre 0.3 g/m2 y 5 g/m2. El cubrimiento de fibra fina del medio de filtro 100, para aplicaciones de filtración de partículas de un líquido, es significativamente mayor que el cubrimiento de la fibra fina de los medios para filtración de gas o de aire. Se selecciona un peso de base deseado de las fibras finas en cada capa de sustrato, de acuerdo con un diámetro promedio de las fibras finas y una eficiencia deseada y una capacidad deseada del medio de filtro. Se puede obtener una eficiencia y una capacidad deseadas del medio de filtro 100 ajustando el diámetro de fibra fina, el cubrimiento de la fibra fina sobre cada substrato, el número de capas de fibra fina, la cantidad de abultamiento y la compresión.

Aunque se puede caracterizar el cubrimiento de fibra fina en términos de un peso de base, el peso de base depende del peso específico del polímero o los polímeros, y del diámetro de las fibras finas. Así pues, es sumamente útil caracterizar el cubrimiento de la fibra fina en términos del cubrimiento lineal por área (km/m2), ya que esto elimina la variabilidad asociada con el peso específico y el diámetro fino. Así pues, el cubrimiento lineal mide verdaderamente tanto la cantidad de fibra tendida, cuanto la cantidad de fibra. En este sentido, los rangos de cubrimiento lineal de la fibra fina, preferidos, son de más de 5000 km/m2 para las fibras finas de cubrimiento más pesado; más preferible, mayor que 10,000 km/m2 y, muy preferible, entre 20,000 km/m2 y 60,000 km/m2. Los cubrimientos de fibra fina en varios términos, incluyendo el peso de base y el cubrimiento lineal para las fibras finas que tienen un diámetro promedio de fibra de alrededor de 0.08 mieras (80 nm), de acuerdo con las modalidades de la presente invención, están mostrados a continuación en la tabla 1. Las fibras finas de estas modalidades están formadas de PA-6, que tiene una densidad de 1.084 g/cm3, mediante un proceso de electrohilatura. Como se muestra a continuación, la tabla 1 incluye un cubrimiento en masa de la fibra fina de 0.03 a 0.225 g/m2.

Tabla 1: Cubrimiento de nanofibras Método para formar el medio de filtro mixto de capas múltiples La figura 11 ilustra esquemáticamente un proceso representativo para formar un medio de filtro de acuerdo con una modalidad de procesamiento de la presente invención. Si bien esa modalidad incluye pasos de proceso para formar el medio de filtro 100 de la figura 9, el proceso puede producir medios de filtro de acuerdo con las otras modalidades de la presente invención, con modificaciones mínimas. Un sistema 200, mostrado en la figura 11, incluye un sistema 201 corriente arriba para formar un medio mixto que incluye un substrato y fibras finas depositadas sobre él, y un sistema 203 corriente abajo, para laminar, abultar y comprimir múltiples capas de medio mixto a fin de formar el medio de filtro mixto de varias capas, para aplicaciones de filtración de partículas en líquidos.

El sistema corriente arriba 201 incluye una estación de desenrollamiento 202, una estación de electrohilatura 204, un horno opcional 206, un juego opcional de rodillos 207 y una estación de rebobinado 208. En esta modalidad, un rollo de gasa 210, que se usa aquí como una capa de sustrato, se desenrolla desde la estación de desenrollamiento 202. La gasa 212 desenrollada del rollo de gasa 210, viaja en una dirección de la máquina 214 hacia la estación de electrohilatura 204. En la estación de electrohilatura 204 se forman las fibras finas 216 y se depositan sobre una superficie de la gasa 212 para formar un medio mixto 218 que comprende la gasa que lleva las fibras finas 216. Se puede calentar y comprimir el medio mixto 218 en el horno opcional 206 y en el juego de rodillos opcional 207, antes de enrollarlo en un rollo de medio mixto 230, en la estación de rebobinado 208, para la adhesión mejorada entre las fibras finas y el sustrato.

Se puede formar la gasa en un proceso corriente arriba del sistema 200 (cualquier parte de un proceso continuo en línea o un proceso interrumpido en línea) o se puede comprar en forma de rollo de un proveedor, tal como HDK u otro proveedor de medio adecuado, tal como H&V o Ahlstrom, u otros similares. Se puede formar la gasa de diversos materiales adecuados, tales como las fibras de doble componente de las figuras 3 a 10, que están discutidas arriba. Por ejemplo, se puede formar la gasa de fibras cortas de doble componente, con núcleo de poliéster de elevado punto de fusión y vaina de poliéster de bajo punto de fusión, que se comprimen y/o se calientan para formar el rollo de gasa 210 que tiene un espesor y una solidez deseados. Alternativamente, la capa de sustrato puede ser otro medio de un solo componente, que puede estar comprimido y mantenido en su lugar mediante una unión con solvente, una unión térmica u otras similares.

En el caso de las fibras de doble componente, por ejemplo, las fibras concéntricas de doble componente, del tipo de vaina/núcleo, pueden coextruirse usando un poliéster de elevado punto de fusión como núcleo, y un poliéster de bajo punto de fusión como vaina. Tales fibras de doble componente pueden ser usadas entonces para formar una gasa o un medio de filtro. En una modalidad, se usan las fibras de doble componente como fibras cortas, para formar un medio de filtro de varios componentes o una gasa por medio de tendido en seco convencional o por medio de un proceso de tendido con aire. Las fibras cortas usadas en este proceso son relativamente cortas y discontinuas, pero suficientemente largas para ser manejadas por un equipo convencional. Se pueden alimentar balas de las fibras de doble componente a través de una tolva, alimentadas y separadas a fibras individuales en un dispositivo cardador, que se tienden luego con aire a un velo de fibras (que por sí mismo, para los propósitos de la presente descripción, puede ser usado como substrato). Luego se comprime el velo de fibras usando un juego de rodillos de calandria para formar el rollo de gasa 210 (que también puede ser usado como sustrato). Se puede calentar opcionalmente el velo de las fibras antes de entrar en el juego de los rodillos de calandria. Puesto que la gasa 210 de esta modalidad comprende fibras de doble componente, que incluyen un componente de elevado punto de fusión y un componente de bajo punto de fusión, también se denomina medio de filtro de componente doble. En algunas modalidades, el velo de las fibras se dobla antes de calandriarlo, para formar un medio de filtro más grueso, de componente doble.

En una modalidad diferente, se puede formar un velo que comprende fibras de polímero de elevado punto de fusión, tales como fibras de poliéster, y un velo que comprende fibras de polímero de bajo punto de fusión, tales como fibras de polipropileno, se pueden separar y laminar juntas para formar el rollo de medio de filtro o gasa de doble componente. En dicha modalidad, las fibras finas 216 son depositadas sobre el lado de bajo punto de fusión de la gasa 212. En esta modalidad, el velo de bajo punto de fusión es sustancialmente más delgado que el velo de elevado punto de fusión, de manera que el componente de bajo punto de fusión no ocluya la superficie del velo de alta fusión cuando se calienta y se funde.

En otra modalidad, se puede formar la gasa de fibra de doble componente por medio de un proceso de soplado en fusión. Por ejemplo, se puede extruir el poliéster fundido y el polipropileno fundido y estirar con aire caliente a alta velocidad, para formar las fibras gruesas. Se pueden recoger las fibras como un velo sobre un tamiz en movimiento, para formar una gasa 210 de doble componente.

El medio de filtro o gasa de fibra de doble componente, también puede ser unido por hilatura, usando por lo menos dos diferentes materiales poliméricos. En un proceso de unión por hilatura, típico, un material polimérico fundido pasa a través de una pluralidad de orificios de extrusión para formar una línea de hilatura de filamentos múltiples. Se estira la línea de hilatura de filamentos múltiples a fin de incrementar su tenacidad y se hace pasar a través de una zona de enfriamiento, en la que ocurre la solidificación, y se recoge sobre un soporte, tal como un tamiz en movimiento. El proceso de unión por hilatura es similar al proceso de soplado en fusión, pero usualmente las fibras sopladas en fusión son más finas que las fibras unidas por hilatura.

En otra modalidad más, se tiende en húmedo el medio de filtro de componentes múltiples. En un proceso de tendido en húmedo se dispersan las fibras de elevado punto de fusión y las fibras de bajo punto de fusión sobre una banda transportadora, y se esparcen las fibras formando un velo uniforme, mientras todavía están húmedas. Las operaciones de tendido en húmedo usan típicamente fibras de 1/4" a 3/4" (6.35 mm a 19.05 mm) de largo; pero algunas veces más largas, si la fibra es rígida o gruesa. Las fibras discutidas arriba, de acuerdo con varias modalidades, son comprimidas para formar una gasa 210 o un medio de filtro que tiene un espesor deseado.

Con referencia de nuevo a la figura 11, la gasa 212 entra en la estación de electrohilatura 204, en la que se forman las fibras finas 216 y se depositan sobre una superficie de la gasa 212. En la estación 204 de electrohilatura las fibras finas 216 son electrohiladas desde celdas de electrohilatura 22 y depositadas sobre el velo de la gasa 212. El proceso de electrohilatura del sistema 200 puede se sustancialmente similar al proceso de electrohilatura descrito en "Fibras finas de menos de 100 nanómetros, y Métodos", publicación de solicitud de patente de los Estados Unidos No. US 2009/90199717, cedida a la causahabiente de la presente solicitud; y cuya descripción completa ha sido incorporada aquí por medio de esta referencia a ella. Alternativamente, se pueden utilizar bancos de boquillas u otro equipo de electrohilatura para formar las fibras finas. Dichos dispositivos de electrohilatura alternativos o el cambio de ruta de los electrodos de cadena de las celdas 222, pueden permitir que se depositen las fibras en cualquier orientación deseada (por ejemplo, se muestra de manera ascendente, si bien también se pueden hilar hacia abajo las fibras, en sentido horizontal o en diagonal, sobre un transportador que lleva fibras más gruesas).

El proceso de electrohilatura produce fibras sintéticas de diámetro pequeño, que se conocen también como nanofibras. El proceso básico del hilado electrostático implica la introducción de una carga electrostática a una corriente de polímero fundido o en solución, en presencia de un campo eléctrico fuerte, tal como un gradiente de alto voltaje. La introducción de la carga electrostática al fluido polimérico en las celdas 222 de electrohilado, da por resultado la formación de un chorro de fluido cargado. El chollo cargado se acelera y se adelgaza en el campo electrostático, es atraído hacia un colector puesto a tierra. En ese proceso las fuerzas viscoelásticas de los fluidos poliméricos estabilizan el chorro, formando filamentos de diámetro pequeño. Se puede controlar el diámetro promedio de las fibras mediante el diseño de las células 222 de electrohilatura, y la formulación de soluciones poliméricas.

Las soluciones poliméricas usadas para formar las fibras finas pueden comprender diversos materiales poliméricos y solventes. Los ejemplos de los materiales poliméricos incluyen: cloruro de polivin ilo (PVC), poliolefina, poliacetal, poliéster, éter de celulosa, sulfuro de polialquileno, óxido de poliarileno, polisulfona, polímeros de polisulfona modificados y alcohol polivinílico; poliamida, poliestireno, poliacrilonitrilo, cloruro de polivinilideno, metacrilato de polimetilo, fluoruro de polivinilideno. Los solventes para formar la solución polimérica para la hilatura electrostática pueden incluir: ácido acético, ácido fórmico, m-cresol, trifluoroetanol, hexafluoroisopropanol, solventes clorados, alcoholes, agua, etanol, isopropanol, acetona y N-metilpirrolidona y metanol. Se pueden concordar el solvente y el polímero para uso apropiado, con base en suficiente solubilidad del polímero en un solvente dado y/o una mezcla de solventes determinada (en ambos casos se denominan "solvente"). Por ejemplo, se puede seleccionar el ácido fórmico para el nylon-6. Se puede hacer referencia a las patentes mencionadas más atrás para los detalles sobre la electrohilatura de fibras finas.

En la estación de electrohilatura 204, se genera un campo electrostático entre los electrodos de las celdas de electrohilatura 222 y un trasportador 224 colector al vacío, provisto de una alimentación de alto voltaje que genera un diferencial de alto voltaje. Como se muestra en la figura 11, puede haber múltiples celdas 222 de electrohilatura, en las que se formen las fibras finas 216. Las fibras finas 216 formadas en los electrodos de las celdas de electrohilatura 222 son estiradas hacia el transportador 224 del colector al vacío, por la fuerza provista por el campo electrostático. El transportador 224 colector al vacío también sostiene y transfiere la gasa 212 en la dirección de la máquina 214. Como se configura, la gasa 212 está situada entre las celdas de electrohilatura 222 y el trasportador 224 colector al vacío, de manera que las fibras finas 216 sean depositadas sobre la gasa 212. En las modalidades en las que la gasa 212 es un medio de filtro de componentes dobles, que Incluye un componente de bajo punto de fusión en una superficie y un componente de elevado punto de fusión en la otra superficie, la gasa 212 de varios componentes está situada entre las celdas de electrohilatura 222 y el trasportador 224 colector de vacío, de manera que la superficie del componente de bajo punto de fusión, de la gasa de componentes múltiples enfrente las celdas 222 de electrohilatura.

En una modalidad preferida, las celdas 222 de electrohilatura contienen una solución polimérica que comprende poliamida-6 (PA-6) y un solvente adecuado que consiste de 2/3 de ácido acético y 1/3 de ácido fórmico. En ese solvente, tanto el ácido acético cuanto el ácido fórmico actúan como agentes disolventes para disolver la PA-6, y el ácido acético controla la conductividad y la tensión superficial de la solución polimérica. Las celdas 222 de electrohilatura generan fibras formadas de PA-6, que son depositadas sobre una superficie de la gasa 212. Conforme se depositan las fibras finas 216 sobre la superficie de la gasa 212, algunas fibras finas 216 se enredan con las fibras gruesas de la gasa, próximas a la superficie que mira hacia las celdas 222 de electrohilatura. Cuando algunas fibras finas 216 se enredan con algunas fibras gruesas, el solvente que queda en las fibras finas 216, procedentes del proceso de electrohilatura pueden efectuar una unión por solvente entre las fibras finas 216 y las fibras gruesas de la gasa 212.

En otras modalidades, las fibras finas pueden ser formadas mediante otros procesos adecuados, tales como mediante un proceso de soplado en fusión. Por ejemplo, las fibras finas que tienen un diámetro promedio de fibra de alrededor de 0.6 a 0.7 mieras, pueden formarse mediante un soplado en fusión bajo la influencia de campos eléctricos. En tales modalidades, las fibras gruesas para un substrato son preparadas para que tengan un diámetro promedio de fibra de por lo menos 4 veces mayor que el de las fibras finas. Para los fines de diferenciación, las fibras sopladas en fusión y las nanofibras de electrohilado se pretende que , en términos más específicos, sean fibras finas, que se destinan a ser genéricas.

La unión entre las fibras de doble componente de la gasa 212 y las fibras finas 216 se puede acrecentar mediante la unión térmica y la unión a presión, por medio del horno opcional 206 y el juego opcional de rodillos de calandria 207. Conforme de saliente el medio mixto 218 en el horno 206, el componente polimérico de bajo punto de fusión de las fibras de doble componente se ablanda o se funde, y permite que las fibras finas 216 se embeban en el componente polimérico de bajo punto de fusión. Así pues, durante el tratamiento térmico, se calienta el medio de filtro mixto 218 a por lo menos por encima de la temperatura de transición del componente de bajo punto de fusión y, más preferible, a o cerca de la temperatura de fusión del componente de bajo punto de fusión. Por ejemplo, se calienta el medio mixto 28 a por lo menos por encima de la temperatura de transición de vidrio del componente de bajo punto de fusión y, más preferible, a o cerca de, la temperatura de fusión del componente de bajo punto de fusión. Por ejemplo, el medio mixto 218 es calentado a o cerca del punto de fusión del poliéster de bajo punto de fusión, de manera que la capa exterior del poliéster de bajo punto de fusión, de las fibras de doble componente se funda y se una con las fibras finas 216 formadas de PA-6. En tales modalidades, las fibras 216 finas de PA-6 y el núcleo de poliéster de elevado punto de fusión de las fibras de doble componente no se funden, puesto que PA-6 y el poliéster de elevado punto de fusión tienen una temperatura de fusión significativamente mayor que la del poliéster de bajo punto de fusión. El poliéster de bajo punto de fusión, que tiene la temperatura más baja de fusión, funde y se ablanda, y las fibras finas adyacentes de PA-6 216 son embebidas en el poliéster de bajo punto de fusión ablandado o fundido, uniéndose de esa manera las fibras finas 216 y la gasa 212 entre sí. De esa manera, el poliéster de bajo punto de fusión actúa como agente de unión entre la gasa 212 de fibra de doble componente y las fibras finas 216. La unión entre las fibras finas 216 y la gasa 212 puede acrecentarse adicionalmente por medio de unión a presión, por medio del juego de rodillos 207. Conforme el medio mixto pasa a través de los rodillos 207 las fibras finas 216 y la gasa 212 son comprimidas entre sí; donde las fibras finas son embebidas adicionalmente en las fibras de la gasa 212. Adicionalmente, la compresión reduce los huecos en el medio mixto para formar un medio mixto 220 con una solidez incrementada.

Las figuras 12(A)-12(D) son imágenes de microscopio electrónico de exploración (SEM) de las fibras de doble componente de la gasa 212 y las fibras finas 216, próximas a la superficie de la gasa 212, tomadas a diversos niveles de amplificación. Como se muestra en las imágenes de SEM, tomada a los niveles de amplificación de 300 veces y mil veces, de las figuras 12(A) y 12(B), las fibras finas 216, depositadas sobre el velo de gasa 212, forman una estructura de fibras parecida a telaraña entre las fibras de doble componente más gruesas, que están localizadas próximas a la superficie de la gasa 212. Las imágenes de SEM tomadas a amplificaciones mayores (figura 12(C) a 2.000 veces y figura 12(D) a 10,000 veces) muestran la unión entre las fibras finas 216 y las fibras de doble componente. Como se muestra claramente en la figura 12(D), las fibras finas 216 están embebidas en la superficie del poliéster de bajo punto de fusión, de las fibras de componente doble.

El rollo de medio mixto 230, que incluye la gasa 212 de doble componente y las fibras finas 216, se lamina con otros medios mixtos 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248 y un medio 250, en el sistema 203 corriente abajo. Cada uno de los rollos de medio mixto 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248 y un rollo del medio 250, se desenrollan desde las estaciones de desenrollamiento 252, 254, 256, 258, 260, 262, 264, 266, 268, 270, 272, y se laminan entre sí mediante un juego de rodillos 274. El juego de rodillos puede ser de rodillos de calandria para aplicar una presión importante a fin de laminar y reducir significativamente el espesor de las capas de los medios mixtos. Alternativamente, el juego de rodillos 274 puede aplicar una presión pequeña para laminar y reducir el espesor de las capas laminadas, junto lo suficiente para ajustar a través de un horno 276. En tal modalidad, las capas laminadas 280 se calientan en el horno 276 y se comprimen por medio de un juego de rodillos de calandria 282, donde las capas laminadas 280 son comprimidas entre sí, a un estado comprimido que tiene un espesor y una solidez deseados.

En esta modalidad, cada rollo del medio mixto 232, 234, 236, 238, 24o, 242, 244, 246, 248 se prepara de manera similar al rollo del medio mixto 230. Por lo tanto, cada uno de los rollos del medio mixto 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248 incluye un substrato formado de una gasa de doble componente 2484, 286, 288, 290, 292, 204, 206, 208, 300, y nanofibras electrohiladas 302, 204, 206, 208, 310, 312, 314, 316, 318, llevadas por la gasa de fibra de doble componente 284, 286, 288, 290, 292, 294, 296, 298, 300.

En una modalidad, cada uno de los substratos 212, 284, 286, 288, 290, 292, 294, 296, 298, 300 y el medio 250, están formados de la gasa de la misma fibra de doble componente, que tiene un espesor de entre alrededor de 0.05 mm y 1.0 mm. Cada capa de las fibras finas 216, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318, está formada electrohilando una solución de polímero PA-6 para producir un cubrimiento de fibra fina de entre alrededor de 0.03 g/m2 y 0.5 g/m2 En otras modalidades, se pueden formar los sustratos de diferentes tipos de medio de filtro o gasa, y cada una de la capa de fibras finas puede tener diferente cubrimiento de fibra fina.

Se calienta el medio mixto 280 en el horno 276 a una temperatura de fusión, o cerca de ella, del componente poliéster de bajo punto de fusión de la gasa de fibra de doble componente. Durante el calentamiento se pueden relajar y expandir los substratos en su espesor. Así, el medio mixto abultado 281 puede tener un espesor que sea por lo menos 1.5 veces, 2 veces, 3 veces o incluso más, el espesor del medio mixto 280, antes de ser calentado en el horno 276. El medio mixto abultado 281 es comprimido entonces por medio del juego de rodillos de calandria 282, al estado comprimido 320. Se comprime el medio mixto, de mantera que el espesor del medio mixto 280 se reduzca entre alrededor de 50 por ciento y 300 por ciento; de preferencia, entre alrededor de 70 por ciento y 200 por ciento; más preferible, entre alrededor de 80 por ciento y 150 por ciento del espesor original del medio mixto 280, antes del calentamiento ((espesor total de 10 capas de gasa que tienen 10 capas de fibra fina + el espesor del medio - el espesor del medio mixto en estado comprimido 320) / (espesor total de 10 capas de gasa que tienen 10 capas de fibra fina + el espesor del medio).). La reducción de espesor puede depender de la cantidad de abultamiento durante el calentamiento. Así, cuando es grande el abultamiento por calentamiento, el espesor final del medio mixto, después de la compresión, puede ser mayor que el espesor inicial del medio mixto antes del calentamiento. El medio mixto en estado comprimido 320 es enrollado entonces en un rollo de medio de filtro 324.

En esta modalidad, los rollos del medio mixto 230, 232, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246, 248 y el medio 250 se laminan entre sí, de manera que cada una de las capas de fibra fina 216, 302, 304, 306, 308, 310, 312, 314, 316, 318 esté emparedada entre una capa de substrato adyacente y/o medio. Sin embargo, en otras modalidades, las capas de medio mixto se pueden laminar, de manera que algunas de las capas de fibra fina se enfrenten entre sí para formar uniones entre la fibra fina a fibra fina o del substrato a substrato, dentro del medio final mixto 320. Por ejemplo, se puede usar el sistema 200 para formar el medio de filtro 500 de la figura 15. En esa modalidad, cada una de las primeras cinco estaciones de desenrollamiento 252, 254, 256, 258, 260, desenrolla un rollo de medio mixto, de manera que las nanofibras estén enfrentadas hacia arriba, como se muestra en la figura 11. Sin embargo, la estación de desenrollamiento 262 desenrolla un medio mixto de manera que las nanofibras estén mirando hacia abajo. De esta manera, las fibras finas de las primeras cuatro capas de sustrato 514, 516, 518, 520 están emparedadas entre los sustratos 502, 504, 506, 508, 510, como se muestra en la figura 15. Sin embargo, las fibras finas 522 en el substrato 510 y las fibras finas 524 del sustrato 512, se enfrentan entre sí, formando la unión de fibra fina con fibra fina.

La figura 13 ilustra esquemáticamente un sistema y un proceso para formar un medio de filtro de acuerdo con una modalidad diferente de la presente invención. Un sistema 400 incluye generalmente una estación de desenrollamiento 402, una estación de electrohilatura 404, una estación dobladora 406, un juego de rodillos 408, un horno 410 y un juego de rodillos de calandria 412, y una estación de rebobinado 414.

En esta modalidad, se desenrolla un rollo de sustrato 416 desde la estación 402 de desenrollamiento, y se transfiere a la estación 404 de electrohilatura, donde se forman la fibras finas y se depositan sobre una superficie del sustrato 416. La estación 404 de electrohilatura y el proceso son similares a la estación de electrohilatura 204 y el proceso descritos más atrás. En esta modalidad, el sustrato 416 es una gasa formada de fibras de doble componente, que incluyen un núcleo de poliéster de elevado punto de fusión y una vaina de poliéster de bajo punto de fusión. Las fibras finas 418 son formadas de PA-6.

El medio mixto 420 que comprende el sustrato 416 y las fibras finas 418, se pliega en la estación dobladora o plegadora 406. El medio mixto 420 puede ser plegado a 2 hasta 20 pliegues de espesor, dependiendo de las características deseadas del medio final. Como se muestra, el plegamiento crea superficies laminadas de fibra fina a fibra fina y superficies laminadas de sustrato a sustrato. La estación plegadora 406, en esta modalidad, está mostrada doblando o plegando el medio mixto 420 en una dirección en línea, de manera que los pliegues estén apuntando hacia el juego de los rodillos 408. Sin embargo, en otras modalidades, el medio mixto 402 puede ser plegado de manera que los pliegues estén apuntando hacia la estación de electrohilatura 404, o plegados en direcciones transversales a la línea. El medio mixto plegado 422 es comprimido entonces a un espesor apropiado para que pase a través de un horno 410. Cuando se calienta el medio mixto 424, la vaina de poliéster de bajo punto de fusión se funde o ablanda para efectuar la unión térmica entre las capas. Después que sale del horno 410, el medio mixto 424 pasa a través del juego de rodillos de calandria 412.

Los rodillos de calandria 412 están espaciados entre sí, de acuerdo con un espesor final deseado del medio. El medio mixto 424 es presionado a un estado comprimido que tiene un espesor deseado, cuando pasa a través del juego de rodillos de calandria 412.

Además, se laminan las capas de medio 426, 428 sobre cada superficie del medio 430, y se enrollan a un rollo en la estación de rebobinado 414. En la figura 13 está mostrada una vista expandida en sección de un medio de filtro 432 que incluye el medio 430, las capas de medio 426, 428. Como se muestra, el medio 430 incluye capas múltiples de sustrato 416 y múltiples capas de fibras finas 418, en una orientación sesgada del proceso de plegamiento. Las capas de medio 426, 428 pueden ser formadas de cualquier medio adecuado pero, en esta modalidad, las capas de medio 426, 428 están formadas de la misma gasa de fibra de doble componente usada para el substrato 416.

La figura 14 muestra otra modalidad más, diferente, de un sistema y un proceso para formar un medio. Un sistema 600 es similar al sistema 400, pero las fibras finas, en esta modalidad, no son depositadas sobre un sustrato. Más bien, las fibras finas son formadas y depositadas sobre un velo de fibras gruesas, enredadas flojamente. El sistema 600 incluye generalmente una tolva 602, un dispositivo cardador 603, una estación de electrohilatura 604, una estación plegadora 606, un juego de rodillos 608, un horno 610, y un juego de rodillos de calandria 612, y una estación de rebobinado 614.

En el sistema 600, el velo de fibras gruesas 616 es formado de fibras cortas, usando un proceso de tendido en seco o tendido en aire. Las fibras cortas de esta modalidad son fibras de doble componente que comprenden un núcleo de poliéster de elevado punto de fusión y una vaina de poliéster de bajo punto de fusión. Las fibras cortas de doble componente son relativamente cortas y discontinuas, pero suficientemente largas para ser manejadas mediante equipos convencionales. Se alimentan balas de fibras cortas a través de la tolva de alimentación 602. En el dispositivo cardador 603, las fibras cortas de doble componente son separadas a fibras individuales y tendidas con aire para formar el velo de fibras gruesas 616. En este punto, el velo de fibras gruesas 616 puede ser enredado flojamente entre sí en un estado pegajoso sumamente abultado, y puede no ser unido entre sí. El velo de fibra gruesa 616 puede ser llevado fácilmente aparte, con muy poco esfuerzo manual y tiene poca integridad estructural en este punto, de manera que no se considera un medio de filtro ni un sustrato, en el sentido convencional.

El velo de fibra gruesa 616 se transfiera a una banda transportadora 617, hacia la estación 604 de electrohilatura, donde las fibras finas 618 están formadas y depositadas sobre una superficie del velo de fibra gruesa 616. Conforme las fibras finas 618 son depositadas sobre el velo de fibra gruesa 616, las fibras 618 son integradas con las fibras gruesas del velo de fibra gruesa 616, mucho más que en la modalidad previa con el substrato 416, ya que el velo de fibra gruesa 616 es mucho más poroso y menos denso, para permitir una integración más profunda de las fibras finas 616.

El velo de fibra gruesa 616, integrado con las fibras finas 618, se pliega luego a 10-30 pliegues en la estación plegadora 606 y se comprime por medio del juego de rodillos 608, que se calienta en el horno 610 y se vuelve a comprimir por medio del juego de rodillos de calandria 612, como se hizo con el sistema 400. Luego se lamina el medio 630 con una capa de medio 626 y una capa porosa 628 para formar un medio de filtro 632. Las fibras de doble componente gruesas y las fibras finas del medio 630 de esta modalidad, están mucho más integradas. Así, una vista en sección del medio 630 no muestra múltiples capas, sino más bien aparece más parecido a un único medio integrado 630. El medio 630 tiene un cubrimiento de fibra fina suficiente y una integridad estructural para capturas materiales en partículas desde una corriente de líquido, tal como una corriente de combustible de hidrocarburo.

Ejemplos y resultados de prueba del medio de filtro de capas múltiples La figura 15 es una vista esquemática en sección de un medio de filtro 500 de acuerdo con una modalidad diferente de la presente invención. El medio de filtro 500 está construido de manera similar al medio de filtro 100, pero incluye seis capas de sustrato: 502, 504, 506, 508, 510, 512, , cada una de las cuales lleva las fibras finas 514, 416, 518, 520, 522, 524, en lugar de las diez capaz de sustrato que llevan las fibras finas. Adicionalmente, la capa de medio mixto más corriente arriba, que comprende la capa de sustrato 512 y las fibras finas 524, está invertida, de manera que las fibras finas 524 miren hacia las fibras finas 522 que forman una interfaz de fibra fina con fibra fina. Como se muestra, el sustrato 512 provee una superficie 526 corriente arriba del medio de filtro 500, así que las fibras finas no están expuestas y están protegidas.

Se prepararon las muestras de prueba del medio de filtro 500 en un laboratorio. Se preparan muestras de prueba de todas las modalidades descritas aquí, para que tengan un área de muestra de 0.1 pie2 (0.0092 m2). Se usó una gasa de fibra de doble componente que comprende un núcleo de poliéster de elevado punto de fusión y una vaina de poliéster de bajo punto de fusión, que tiene un peso de base de 35.0 GSY, para cada una de las capas de sustrato 502,504, 506, 508, 510, 512. Se formaron las fibras finas por medio de un proceso de electrohilatura a partir de una solución polimérica que comprende PA-6, y se depositó sobre cada una de las capas de sustrato. Sobre el sustrato 512 se formaron y depositaron alrededor de 0.05 g/m2 de las nanofibras de PA-6 524, que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de fibras finas provee un cubrimiento lineal de fibras finas de alrededor de 9176 km/m2 (5,702 millas/m2). Sobre el sustrato 510 se formaron y depositaron alrededor de 0.15 g/m2 de las nanofibras 522 de PA-6 que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 27,530 km/m2 (17,106 millas/m2). En cada una de las capas de sustrato 502, 504, 506, 508, se formó y depositó alrededor de 0.255 g/m2 de las nanofibras de PA-6 514, 516, 518, 520, que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 41,290 km/m2 (25,659 millas/m2) en cada sustrato. Así, el medio de filtro 500 incluye un peso de base total de fibra fina de alrededor de 1.1 g/m2, lo que provee alrededor de 201,866 km/m2 (125,444 millas/m2) de cubrimiento lineal de fibra.

Las seis capas de sustrato que llevan las fibras finas fueron dispuestas como se muestra en la figura 15, de manera que la capa de sustrato 512 forme la superficie corriente arriba 526 y la capa de sustrato 502 forme la superficie corriente abajo 528. Se calentaron las seis capas de medio mixto y se comprimieron mediante un rodillo de calandria, como se describió en las modalidades previas, para formar el medio 500 de filtro mixto.

Las muestras de prueba del medio de filtro 500 fueron preparadas y probadas en cuanto a su eficiencia y su capacidad de retención de polvo, de acuerdo con la norma internacional ISO 16889, para el método de varios pasos para evaluar el funcionamiento de la filtración. Se efectuaron todas las pruebas usando un fluido hidráulico Mil-H-5606, que tiene una viscosidad, a la temperatura de prueba, de 15 mm2/s, cargado con polvo de prueba ISOMTD.

En la primera prueba se usó el fluido de prueba que tiene una concentración de contaminante corriente arriba de base de 5.00 mg/L, a un régimen de flujo de 0.26 GPM. La figura 16 muestra las cuentas de partículas por mL y la proporción de filtración a 10 por ciento, 20 por ciento, 30 por ciento, 40 por ciento, 60 por ciento, 70 por ciento, 80, por ciento y 100 por ciento de intervalos de tiempo durante el periodo de prueba de seis horas. Cuando se convirtieron los resultados de prueba a una apreciación de limpieza de fluido de acuerdo con ISO 4406:99, código de limpieza (R4/R6/R14), la apreciación de limpieza, a intervalo de tiempo de 10 por ciento es //5/0, a 100 por ciento es 13/11/7, y en promedio, es 6/4/0.

En la segunda prueba, se usó el fluido de prueba que tiene una concentración de base de contaminante corriente arriba de 15.00 mg/L, a un régimen de flujo de 0.26 GPM. La figura 17 muestra las cuentas de partículas por mL y los resultados de la prueba de proporción de filtración. La apreciación de limpieza a intervalo de tiempo de 10 por ciento es 7/6/0; a 100 por ciento es 19/18/14, y el promedio es 12/11/7.

Se prepararon las muestras de prueba del medio de filtro 500 para la tercera prueba en un laboratorio, de manera similar a las muestras de prueba para la primera prueba y la segunda prueba. Sin embargo, el peso de base de la fibra fina de cada capa de substrato se cambió. En cada uno de los sustratos 510 y 512, se formó y depositó alrededor de 0.05 g/m2 de las nanofibras de PA-6 522, 524, que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel del peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 9176 km/m2 (5,702 millas/m2) en cada sustrato.

En el sustrato 508, se formó y se depositó alrededor de 0.075 g/m2 de las nanofibras 520 de PA-6 que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel del peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 13,760 km/m2 (8,553 millas/m2). En el sustrato 506 se formó y depositó alrededor de 0.09 g/m2 de las nanofibras de PA-6518 que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 16,420 km/m2 (10,263 millas/m2). En el sustrato 504, se formó y depositó alrededor de 0.15 g/m2 de las nanofibras de PA-6516 que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 27,530 km/m2 (17,106 millas/m2). En el sustrato 502 se formó y depositó alrededor de 0.255 g/m2 de las nanofibras de PA-6514, que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 41,290 km/m2 (25,659 millas/m2). Así, el medio de filtro 500 incluye un peso total de base de fibra fina de alrededor de 0.64 g/m2, que provee alrededor de 117,452 km/m2 (72,985 millas/m2) de cubrimiento lineal de fibra.

En la tercera prueba, se usó el fluido de prueba que tenía una concentración de base de contaminante, corriente arriba, de 15.00 mg/L, a un régimen de flujo de 0.26 GPM. La figura 18 muestra las cuentas de partículas por ml_ y os resultados de la prueba de proporción de filtración. La apreciación de limpieza, a intervalos de 10 por ciento de tiempo, es de 11/9/4, al 100 por ciento es de 17/16/11, y en promedio es de 16/15/10.

La figura 19 es una vista esquemática en sección de un medio de filtro 600, de acuerdo con una modalidad diferente de la presente invención. El medio de filtro 600 está construido de manera similar al medio de filtro 500 de la figura 15; sin embargo, el medio de filtro 600 incluye cinco capas de sustrato 602, 604, 606, 608, 610, y cinco capas de fibra fina 612, 614, 616, 618, 620. Las muestras de prueba del medio de filtro 600 para la cuarta prueba fueron preparadas en un laboratorio de manera similar a las muestras de prueba previas. Para estas muestras de prueba se formaron alrededor de 0.15 g/m2 de las nanofibras de PA-6 612,614, 616, 618, 620 que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 miera y se depositaron sobre cada una de las capas de sustrato 602, 604, 606, 608, 610. Este nivel del peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 27,5630 km/m2 (17,106 millas/m2) en cada sustrato. Así, el medio de filtro 600 incluye un peso total de base de fibra fina de alrededor de 0.75 g/m2, lo que provee alrededor de 137,650 km/m2 (85,530 millas/m2) de cubrimiento lineal de fibra.

En la cuarta prueba, se usó el fluido de prueba que tenía una concentración de base de contaminante corriente arriba de 15.00 mg/L, a un régimen de flujo de 0.26 GPM. La figura 20 muestra las cuentas de partícula por mL y los resultados de la prueba de proporción de filtración. La apreciación de limpieza a intervalo de tiempo de 10 por ciento es 10/8/0; a 100 por ciento es 16/13/11, y en promedio es de 14/12/8.

La figura 21 es una vista esquemática en sección de un medio de filtro 700 de acuerdo con otra modalidad más de la presente invención. El medio de filtro 700 está construido de manera similar al medio de filtro 500 de la figura 15; sin embargo, el medio de filtro 700 incluye tres capas de sustrato 702, 704, 706 y tres capas de fibra fina 708, 710, 712. Las muestras de prueba del medio de filtro 700 para la quinta prueba fueron preparados en un laboratorio, de manera similar a las muestras de prueba previas. Para estas muestras de prueba se formaron alrededor de 0.075 g/m2 de las nanofibras de PA-6 712 que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.8 mieras, y se depositaron sobre el sustrato 706. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 13,760 km/m2 (8,553 millas/m2). Sobre el sustrato 704, se formó y se depositó alrededor de 0.09 g/m2 de las nanofibras de PA-6710, que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de la fibra fina de alrededor de 16,520 km/m2 (10,263 millas/m2). Sobre el sustrato 702, se formó y se depositó alrededor de 0.15 g/m2 de las nanofibras de PA-6 708, que tienen un diámetro promedio de fibra de 0.08 miera. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 27,530 km/m2 (17.106 millas/m2). Así, el medio de filtro 700 incluye un peso total de base de la fibra fina de alrededor de 0.315 g/m2, que provee alrededor de 57,810 km/m2 (35,922 millas/m2) de cubrimiento lineal de la fibra.

En la quinta prueba, se usó el fluido de prueba que tiene una concentración de base de contaminante corriente arriba de 5.00 mg/L, a un régimen de flujo de 0.26 GPM. La figura 22 muestra cuentas de partícula por mL y los resultados de la prueba de proporción de filtración. La apreciación de limpieza a intervalo de tiempo de 10 por ciento es 11/10/5; a 100 por ciento es 11/9/4, y en promedio es 9/8/0.

Ejemplos y resultados de prueba de filtros tubulares de profundidad Se prepararon filtros tubulares de profundidad, tales como los mostrados en las figuras 1-1(A), que incluían lienzos de medio de filtro de capas múltiples, de fibra fina, como los mostrados en las figuras 15, 19, 21, y se probaron en cuanto a eficiencia y retención de polvo, de acuerdo con la norma internacional ISO 16889 para el método de varios pasos para evaluar el desempeño de la filtración. Se efectuaron todas las pruebas usando un fluido hidráulico Mil-H-5606, que tiene una viscosidad a la temperatura ambiente de 15 mm2/s, cargado con polvo de prueba ISOMTD. Los filtros tubulares de profundidad que incluyen lienzos de medio de filtro de capas múltiples, de fibra fina, de acuerdo con las modalidades de la presente invención, tuvieron resultados en la prueba de eficiencia, mejores que los del filtro tubular de profundidad estándar (marca de banco).

Se preparó el filtro tubular de profundidad estándar de manera similar al método descrito y mostrado en las figuras 3 y 6, usando una máquina devanadora de 4 estaciones. La estación 2 alimenta una capa intermedia de lienzo de microfibra de vidrio sobre un lienzo de poliéster para formar el filtro estándar tubular de profundidad. Se usó un fluido de prueba que tenía una concentración de base de contaminante corriente arriba de 5.00 mg/L, a una velocidad de flujo de 2.4 GPM. La figura 24 muestra cuentas de partícula por mL y los resultados de la prueba de relación de filtración. La apreciación de limpieza a intervalo de tiempo de 10 por ciento es 15/14/9, al 100 por ciento es 16/14/10, y el promedio es 16/15/9.

Se preparó un medio de filtro tubular de profundidad que incluye medios de capas múltiples de fibra fina, usando la máquina devanadora de 4 estaciones, similar al medio tubular de profundidad estándar. En esta modalidad se usó un medio de filtro de capas múltiples, de fibra fina, de la figura 19, como reemplazo para la estación 2, en lugar del lienzo de microfibras de vidrio y se usó un medio de filtro de capas múltiples, de fibra fina, de la figura 21, como intermedio para la estación 3, en lugar del lienzo de PEM.

Para la estación 2 se formó un medio de reemplazo de fibra fina, de alrededor de 0.225 g/m2 de las nanofibras 612, 614 de PA-6, que tenían un diámetro promedio de fibra de 0.08 miera, y se depositaron sobre cada una de las capas de sustrato 602, 604. Este niel de peso de base de fibras finas provee un cubrimiento lineal de fibras finas de alrededor de 41,290 km/m2 sobre cada sustrato. En el sustrato 606 se formó y se depositó alrededor de 0.015 g/m2 de nanofibras 616 de PA-6, que tenían un diámetro promedio de fibra de 0.08 miera. Este nivel de peso de base de la fibra fina da un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 27,530 km/m2. Sobre cada una de las capas de sustrato 608, 610, se formó y se depositó alrededor de 0.075 g/m2 de las nanofibras 618, 620 de PA-6, que tenían un diámetro promedio de fibra de 0.08 miera. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 13,760 km/m2 sobre cada sustrato. Así, el medio de filtro 600 incluye un peso total de base de la fibra fina de alrededor de 0.75 g/m2, lo que da alrededor de 137,630 km/m2 de cubrimiento lineal de fibra.

Para el medio de reemplazo de fibra fina de la estación 3, se formó alrededor de 0.09 g/m2 de las nanofibras 708 que tenían un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras, y se depositó sobre la capa de sustrato 702. Este nivel de peso de base de la fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 16,520 km/m2. Se formó y depositó sobre el sustrato 704 alrededor de 0.075 g/m2 de nanofibras 710 de PA-6 que tenían un diámetro promedio de fibra de 0.08 mieras. Este nivel de peso de base de fibra fina da un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 13,760 km/m2. Se formaron y depositaron sobre el sustrato 706 alrededor de 0.05 g/m2 de las nanofibras 712 de PA-6 que tenían un diámetro promedio de fibra de 0.08 miera. Este nivel de peso de base de fibra fina provee un cubrimiento lineal de fibra fina de alrededor de 9176 km/m2. Así pues, el medio de filtro 700 incluye un peso de base total de fibra fina de alrededor de 0.215 g/m2, lo que da alrededor de 39,456 km/m2 de cubrimiento lineal.

Las primeras muestras de prueba del filtro tubular de profundidad que incluye las intermedias de capas múltiples de fibra fina, fueron probadas usando el fluido de prueba que tiene una concentración de base de contaminante corriente arriba de 5.00 mg/L, a una velocidad de flujo de 3.0 GPM. La figura 252 muestra las cuentas de partícula por mL y los resultados de la prueba de proporción de filtración. La consideración de limpieza a intervalo de tiempo de 10 por ciento es 10/7/0; a 100 por ciento es 16/15/7, y el promedio es 14/12/4.

Se probaron segundas muestras de prueba del filtro tubular de profundidad que incluye intermedias de capa múltiple de fibra fina de esta modalidad, usando el fluido de prueba que tiene una concentración de base de contaminante corriente arriba de 5.00 mg/L, a una velocidad de flujo de 1.0 GPM. La figura 26 muestra cuentas de partícula por mL y los resultados de la prueba de proporción de filtración. La consideración de limpieza a intervalo de tiempo de 10 por ciento es 8/6/0; al 100 por ciento es 16/14/5, y el promedio es 13/11/0.

Todas las referencias, incluyendo las publicaciones, las solicitudes de patente y las patentes citadas aquí, quedan por ello incorporadas por medio de la referencia, en la misma medida que si cada referencia individual y específicamente indicada, estuviera incorporada no por la referencia sino en su totalidad aquí.

El uso de los términos "un" y "una" y "el" y "la" y los referentes similares en el contexto de la descripción de la invención (especialmente en el contexto de las reivindicaciones que vienen después) debe tomarse cubriendo tanto el singular como el plural, a menos que se indique de otra manera aquí, o que esté en contradicción clara con el contexto. Los términos "que comprende", "que tiene", "que incluye" y "que contiene" deben ser considerados como términos de extremo abierto (es decir, con el significado de "que incluye, pero sin limitación a ello") a menos que se haga notar lo contrario. La mención de escalas de valores en la presente está destinada meramente a servir como un método abreviado de referirse individualmente a cada valor separado que caiga dentro de la escala, a menos que se indique de otra manera aquí; y cada valor separado queda incorporado en la memoria descriptiva como si se hubiera mencionado individualmente aquí. Todos los métodos descritos aquí pueden ser efectuados en cualquier orden adecuado, a menos que se indique de otra manera aquí, o que estén en contradicción clara con el contexto. El uso de cualquiera y todos los ejemplos, o el lenguaje ejemplar (por ejemplo, "tal como") provisto aquí, está destinado meramente a iluminar mejor la invención, y no impone limitaciones al alcance de la invención, a menos que se reivindique lo contrario. Ninguna expresión en la memoria descriptiva debe considerarse que indica algún elemento no reivindicado, que sea esencial para la práctica de la invención.

Las modalidades preferidas de esta invención están descritas aquí, incluyendo el mejor modo conocido por los inventores para poner en práctica la invención. Las variaciones de esas modalidades preferidas pueden ser aparentes para quien tenga experiencia ordinaria en la materia, cuando lea la descripción precedente. Los inventores esperan que los técnicos expertos empleen dichas variaciones que sean apropiadas, y los inventores pretenden que la invención pueda ser practicada de otra manera que la descrita específicamente aquí. Conscientemente, esta invención incluye todas las modificaciones y los equivalentes del asunto mencionado en las reivindicaciones anexas, conforme lo permita la ley aplicable. Además, cualquier combinación de los elementos descritos en lo que antecede, en todas sus posibles variaciones, queda comprendida por la invención, a menos que se indique específicamente de otra manera, o a menos que esté claramente en contradicción con el contexto.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un elemento de filtro que comprende: un anillo tubular no plegado de medio de profundidad, que tiene un espesor de medio de por lo menos alrededor de un cuarto de centímetro; comprendiendo el medio de profundidad fibras portadoras y fibras finas; las fibras portadoras tienen un tamaño promedio de más de alrededor de 600 nanómetros; y las fibras finas tienen un tamaño promedio de menos de 800 nanómetros, llevadas por las fibras portadoras; y donde las fibras finas tienen un tamaño que es por lo menos cuatro veces menor que el de las fibras portadoras.

2. Elk elemento de filtro de la reivindicación 1, en el que el elemento de filtro comprende un primer lienzo de medio de filtro; donde el primer lienzo de medio de filtro comprende por lo menos un sustrato y por lo menos una capa de las fibras finas depositadas sobre él; el lienzo está enrollado al menos parcialmente sobre sí mismo para crear capas múltiples del primer lienzo de medio de filtro en toda la profundidad del medio de profundidad.

3. El elemento de filtro de la reivindicación 2, en el que el primer lienzo de medio de filtro comprende un medio mixto de una pluralidad de lienzos de gasa y una pluralidad de lienzos de fibra fina, de fibras finas laminadas entre sí en el primer lienzo de medio de filtro; estando espaciadas capas seleccionadas de fibra fina y separadas dentro del primer lienzo de medio de filtro, por medio de la gasa.

4. El elemento de filtro de la reivindicación 2, en el que el lienzo de medio de filtro tiene un nivel de cubrimiento de fibras finas que tienen un tamaño promedio de menos de 500 nanómetros, de por lo menos alrededor de 5000 km/m2.

5. El elemento de filtro de la reivindicación 2, en el que el primer medio de filtro tiene una eficiencia de filtración sustancialmente comparable con, o mejor que, el medio de filtración de micro-vidrio, para una aplicación de filtración preseleccionada.

6. El elemento de filtro de la reivindicación 2, que comprende además un segundo lienzo de medio de filtro que comprende un medio de filtro que comprende fibras con un tamaño promedio de más de 1 miera; estando enrollado el segundo medio de filtro por lo menos parcialmente alrededor de sí mismo para crear capas múltiples del segundo lienzo de medio de filtro por toda la profundidad del medio de filtro.

7. El elemento de filtro de la reivindicación 6, en el que el primer lienzo de medio de filtro está dispuesto corriente abajo y radialmente hacia dentro del segundo lienzo de medio de filtro

8. El elemento de filtro de la reivindicación 7, en el que el elemento de filtro comprende un tercer lienzo de medio de filtro; donde el tercer lienzo de medio de filtro comprende por lo menos un sustrato y por lo menos una capa de las fibras finas depositadas sobre él; estando enrollado el lienzo por lo menos parcialmente alrededor de sí mismo para crear múltiples capas del lienzo de medio de filtro en toda la profundidad del medio de filtro; donde el tercer lienzo de medio de filtro está dispuesto corriente abajo y radialmente hacia adentro del segundo lienzo de medio de filtro.

9. El elemento de filtro de la reivindicación 2, en el que el primer lienzo de medio de filtro incluye una cara corriente arriba y una cara corriente abajo; donde el lienzo de medio de filtro tiene una concentración mayor de fibras finas cerca de la cara corriente abajo, en comparación con la cara corriente arriba.

10. El elemento de filtro de la reivindicación 9, en el que el primer lienzo de medio de filtro comprende múltiples deposiciones de fibras finas en toda la profundidad del primer lienzo de medio de filtro, desde la cara corriente arriba hasta la cara corriente abajo; siendo las deposiciones mayores cerca de la cara corriente abajo para crear un gradiente que aumenta de las fibras finas, desde la cara corriente arriba a la cara corriente abajo.

11. El elemento de filtro de la reivindicación 2, en el que el primer lienzo de medio de filtro es una tira de longitud parcial que se extiende sustancialmente más corta que una longitud axial total del elemento de filtro; estando enrollada helicoidalmente la tira de longitud parcial alrededor de un eje central, definido por el elemento de filtro con la tira de longitud parcial traslapándose parcialmente a sí misma entre 1 y 8 veces; de manera que una anchura de sección transversal de la tira esté alineada en diagonal con relación al eje central.

12. El elemento de filtro de la reivindicación 2, en el que el primer lienzo de medio de filtro es una tira de longitud total que se extiende aproximadamente a toda la longitud axial del elemento de filtro; estando enrollada en espiral la tira de longitud total alrededor de un eje central definido por el elemento de filtro.

13. El elemento de filtro de la reivindicación 1, en el que el medio de profundidad comprende capas alternas de fibras sopladas en fusión y fibras finas depositadas sobre las fibras sopladas en fusión; donde las fibras sopladas en fusión sirven como fibras portadoras.

14. El elemento de filtro de la reivindicación 1, en el que las fibras finas están electrohiladas y tienen un tamaño promedio de menos de 500 nanómetros.

15. El elemento de filtro de la reivindicación 14, en el que el medio de profundidad tiene un cubrimiento de fibras finas llevadas a través de la profundidad, de por lo menos 0.1 g/m2, y por lo menos alrededor de 10,000 km/m2.

16. El elemento de filtro de la reivindicación 14, en el que el medio de profundidad plegado tiene un cubrimiento de fibras finas llevadas en toda la profundidad, de por lo menos 0.5 g/m2 y por lo menos alrededor de 50,000 km/m2

17. El elemento de filtro de la reivindicación 14, en el que el medio de profundidad plegado tiene un cubrimiento de fibras finas llevadas en toda a profundidad de por lo menos 1.0 g/m2 y por lo menos alrededor de 100,000 km/m2.

18. El elemento de filtro de la reivindicación 1, en el que el elemento de filtro es un filtro para líquido; estando configurado el medio de profundidad no plegado para filtrar un líquido.

19. El elemento de filtro de la reivindicación 1, en el que las fibras finas están electrohiladas y tienen un tamaño promedio de menos de 250 nanómetros.

20. El elemento de filtro de la reivindicación 1, en el que las fibras finas están electrohiladas y tienen un tamaño promedio de menos de 100 nanómetros.

21.- Un elemento de filtro que comprende: un anillo tubular no plegado de un medio de profundidad que tiene un espesor de medio de por lo menos alrededor de un cuarto de centímetro; comprendiendo el medio de profundidad fibras portadoras y fibras finas; las fibras portadoras tienen un tamaño promedio de por lo menos alrededor de 3 mieras; y las fibras finas tienen un tamaño promedio de menos de 800 nanómetros, llevadas por las fibras portadoras.

22. El elemento de filtro de la reivindicación 21, en el que el elemento de filtro comprende un primer lienzo de medio de filtro, donde el primer lienzo de medio de filtro comprende por lo menos un sustrato y por lo menos una capa de las fibras finas depositada sobre él; estando enrollado el lienzo al menos parcialmente alrededor de sí mismo para crear múltiples capas del primer lienzo de medio de filtro en toda la profundidad del medio de profundidad.

23. El elemento de filtro de la reivindicación 22, en el que el primer lienzo de medio de filtro comprende un medio mixto de una pluralidad de capas de gasa y una pluralidad de capas de fibra fina, de fibras finas laminadas entre sí en el primer lienzo de medio de filtro; estando espaciadas capas de fibra fina seleccionadas y separadas dentro del primer lienzo de medio de filtro, por medio de la gasa.

24. El elemento de filtro de la reivindicación 22, en el que el lienzo de medio de filtro tiene un nivel de cubrimiento de fibras finas que tienen un tamaño promedio de 500 nanómetros, de por lo menos alrededor de 5000 km/m2.

25. El elemento de filtro de la reivindicación 22, en el que el primer medio de filtro tiene una eficiencia de filtración sustancialmente comparable con, o mejor que, un medio de filtración de micro-vidrio, para una aplicación de filtración preseleccionada.

26. El elemento de filtro de la reivindicación 22, que comprende además un segundo lienzo de medio de filtro que comprende un medio de filtro que comprende fibras con un tamaño promedio de más de 1 miera; estando enrollado el segundo lienzo de filtro por lo menos parcialmente alrededor de sí mismo para crear múltiples capas del segundo lienzo de medio de filtro en toda la profundidad del medio de profundidad.

27. El elemento de filtro de la reivindicación 26, en el que el primer lienzo de medio de filtro está dispuesto corriente abajo y radialmente hacia adentro del segundo lienzo de medio de filtro.

28. El elemento de filtro de la reivindicación 27, en el que el elemento de filtro comprende un tercer lienzo de medio de filtro; donde el tercer lienzo de medio de filtro comprende por lo menos un sustrato y por lo menos una capa de las fibras finas depositadas sobre él; estando enrollado el lienzo por lo menos parcialmente alrededor de sí mismo para crear múltiples capas del tercer lienzo de medio de filtro en toda la profundidad del medio de profundidad; donde el tercer lienzo de medio de filtro está dispuesto corriente abajo y radialmente hacia adentro del segundo lienzo de medio de filtro.

29. El elemento de filtro de la reivindicación 22, en el que el primer lienzo de medio de filtro incluye una cara corriente arriba y una cara corriente abajo; donde el lienzo de medio de filtro tiene una concentración mayor de fibras finas cerca de la cara corriente abajo, en comparación con la cara corriente arriba.

30. El elemento de filtro de la reivindicación 29, en el que el primer lienzo de medio de filtro comprende múltiples deposiciones de fibras finas en toda la profundidad del primer lienzo de medio de filtro, desde la cara corriente arriba a la cara corriente abajo; siendo más pesadas las deposiciones cerca de la cara corriente abajo para crear un gradiente que va en aumento de las fibras finas desde la cara corriente arriba a la cara corriente abajo.

31. El elemento de filtro de la reivindicación 22, en el que el primer lienzo de medio de filtro es una tira de longitud parcial que se extiende sustancialmente más corta que la longitud axial completa del elemento de filtro; la tira de longitud parcial está enrollada helicoidalmente alrededor de un eje central definido por el elemento de filtro con la tira de longitud parcial traslapándose parcialmente a sí misma entre 1 y 8 veces, de manera que una anchura de sección transversal de la tira esté alineada en diagonal con relación al eje central.

32. El elemento de filtro de la reivindicación 22, en el que el primer lienzo de medio de filtro es una tira de longitud total que se extiende aproximadamente en una longitud axial total del elemento de filtro; estando la tira de longitud total enrollada en espiral alrededor del eje central definido por el elemento de filtro.

33. El elemento de filtro de la reivindicación 21, en el que el medio de profundidad comprende capas alternativas de fibras sopladas en fusión y fibras finas depositadas sobre las fibras sopladas en fusión; donde las fibras sopladas en fusión sirven como fibras portadoras.

34. El elemento de filtro de la reivindicación 21, en el que las fibras finas son electrohiladas y tienen un tamaño promedio de menos de 500 nanómetros.

35. El elemento de filtro de la reivindicación 34, en el que el medio de profundidad tiene un cubrimiento de fibras finas llevadas a través de toda la profundidad, de por lo menos 0.1 g/m2, y por lo menos alrededor de 10,000 km/m2.

36. El elemento de filtro de la reivindicación 34, en el que el medio de profundidad plegado tiene un cubrimiento de fibras finas llevadas en toda la profundidad de por lo menos 0.5 g/m2 y por lo menos alrededor de 50,000 km/m2.

37. El elemento de filtro de la reivindicación 34,, en el que el medio de profundidad plegado tiene un cubrimiento de fibras finas llevadas en toda la profundidad de por lo menos 1.0 g/m2 y por lo menos alrededor de 100,000 km/m2.

38. El elemento de filtro de la reivindicación 21, en el que el elemento de filtro es un filtro para líquido; estando configurado el medio de profundidad no plegado para filtrar un líquido.

39. El elemento de filtro de la reivindicación 21, en el que las fibras finas son electrohiladas y tienen un tamaño promedio de menos de 250 nanómetros.

40. El elemento de filtro de la reivindicación 21, en el que las fibras finas son electrohiladas y tienen un tamaño promedio de menos de 100 nanómetros.

41. Un método para formar un elemento de filtro, que comprende: electrohilar fibras finas que tienen un tamaño promedio de menos de 800 nanómetros, desde una solución que comprende un polímero y un solvente, bajo el efecto de un diferencial de voltaje; depositar las fibras finas sobre un sustrato de fibras portadoras; teniendo las fibras portadoras un tamaño promedio de por lo menos 3 mieras; y enrollar el sustrato de fibras portadoras y las fibras finas a un medio de profundidad que tiene un espesor de por lo menos medio centímetro.

42. El método de la reivindicación 41, que comprende además laminar capas sucesivas de sustrato y fibras finas a un lienzo de medio de filtro que tiene múltiples capas de fibras finas y de sustrato; y efectuar posteriormente el enrollamiento, enrollando el lienzo de medio de filtro a un anillo tubular no plegado, de medio de profundidad que tiene un espesor de medio de por lo menos alrededor de un cuarto de centímetro.

43. El método de la reivindicación 42, que comprende: emplear un sustrato de componentes múltiples que tiene un componente de mayor punto de fusión y un componente de menor punto de fusión; que comprende además reacomodar las fibras finas depositadas sobre el sustrato aplicando calor para relajar el sustrato de componentes múltiples.

44. El método de la reivindicación 41, que comprende además emparedar por lo menos una capa de fibras finas entre las capas protectoras de sustrato corriente arriba y corriente abajo, para proteger las fibras finas durante el enrollamiento; donde el enrollamiento es posterior a la deposición.