CN101352632A - 复合的过滤介质和制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了复合的过滤介质结构(10)。在示例性实施例中，复合的过滤介质结构含有波纹形的基础衬底(12)，波纹形的基础衬底(12)包含由干敷工艺制成的无纺的合成织物，在制造工艺期间干敷工艺使所述基础衬底变成波纹形。复合的过滤介质结构还含有纳米薄膜(20)，后者通过静电喷吹纺丝工艺沉积在基础衬底的至少一个侧面上。
Description
技术领域
本发明通常涉及复合的非织造过滤介质，并且特别是涉及波纹形的干敷的非织造过滤介质，后者具有用纳米纤维基薄膜处理过的表面。
背景技术
本发明要求得到2007年3月5日申请的临时专利申请系列NO.60/893,008的利益，它全部被结合于本文作参考。
一些已知的过滤介质复合结构含有湿敷纸制作工艺来生成衬底，和含有静电纺丝工艺来把轻重量的纳米纤维覆盖层沉积在过滤介质衬底的一个或两个侧面。一般介质衬底的单位重量为每平方米100-120克(g/m2)，而纳米层的单位重量为0.5g/m2或更小。
已知晓：轻重量的纳米纤维层在高机械应力应用中是易损伤的，特别是因为上述纳米纤维层是由直径小于500纳米(nm)的纤维制成的。在纳米纤维层被损伤之后，灰尘会进入基础介质并造成过滤器的工作压差的上升。再者，已知的介质衬底还有机械应力极限，并在高的灰尘负荷下容易变形。
发明内容
一方面，提供了复合的过滤介质结构。复合的过滤介质结构含有波纹形的基础衬底，后者包含通过干敷工艺制成的非织造合成织物，所述干敷工艺在制成工艺期间使基础衬底变成波纹形。复合的过滤介质结构还含有纳米纤维薄膜，后者通过静电喷吹纺丝工艺被沉积在基础衬底的至少一个侧面上。
另一方面，提供了制作复合的过滤介质的方法。所述方法包括：提供含有合成纤维和粘结剂的非织造物垫；加热非织造物垫至约90℃-约240℃，以软化粘结剂并把合成纤维粘结在一起来生成非织造物；使所述织物穿过相对的成型紧压罗拉以使非织造物成波纹形；以及通过静电喷吹纺丝聚合物溶液来涂敷纳米纤维层，以在非织造物的至少一个侧面上生成许多纳米纤维来制成复合的过滤介质。
另一方面，提供了过滤元件。过滤元件含有：第一端盖，第二端盖和复合的过滤介质结构。复合的过滤介质结构包含：波纹形的基础衬底，后者含有由干敷工艺制成的非织造合成织物，干敷工艺在制成工艺期间使基础衬底变成波纹形；以及纳米纤维薄膜，后者通过静电喷吹纺丝工艺而沉积在基础衬底的至少一个侧面上。
附图说明
图1是复合的过滤介质的示例性实施例的断面示图；
图2是含有图1所示的过滤介质的过滤芯的侧面示图；
图3是图2所示的过滤芯的一部分的放大立体示图；
图4是含有图2所示的过滤芯的过滤组件的立体示图；以及
图5是根据示例性实施例的过滤芯与已知的过滤芯相比较时，过滤芯的压差对时间的线图。
具体实施方式
下面详细描述了过滤组件的复合的过滤介质。复合的过滤介质含有合成的非织造物的波纹形介质衬底，合成的非织造物是由干敷工艺制成的。在另外的实施例中，非织造物可由干及湿敷短合成纤维及天然纤维而制成。纳米薄膜层通过静电喷吹工艺被沉积在介质衬底的至少一个侧面上。复合的过滤介质比已知的过滤介质更耐久并造成了生成更低的压降，因为在过滤及反向清洁操作期间由施加在过滤介质上的力造成的过滤介质的偏转更少。还有，纳米薄膜层比已知的过滤介质具有更大的单位重量，这使得所述过滤介质在反向脉动清洁时比已知的过滤介质更有效地被清扫。还有，纳米纤维层的大的单位重量造成了耐久的三维表面过滤层，它具有延长的曲折路径，造成高效率和能俘获细颗粒，而基本上不阻碍空气流动或不增大压降。
参考附图，图1是过滤介质10的示例性实施例的剖面示图。过滤介质10含有基础介质衬底12，后者具有第一侧面14及第二侧面16。在介质衬底12中制成多个波纹18。纳米薄膜层20沉积在介质衬底的第一侧面14上。在另一个实施例中，纳米薄膜层20沉积在第二表面16上，而在另一个实施例中，纳米薄膜层20沉积在第一及第二侧面14及16的每个侧面上。
介质衬底12是非织造物，后者是应用干敷工艺由合成纤维制成的。由延展的合成纤维制成的非织造物和热塑性的和/或热交联的粘结剂，在炉中被加热至至少是粘结剂的软化温度范围和/或交联温度范围。非织造物被制成于成型紧压罗拉之间并同时被冷却，这产生了具有稳定性及保留形状特性的波纹的过滤介质。
非织造物可能含有双组分纤维，后者具有在其生产期间加入非织造物的热塑性纤维组分。合适的双组分纤维是具有纱芯结构、外皮结构、天星状结构或并列型结构的纤维。可在非织造物生成期间通过混合纤维组分来把双组分纤维导入制成的织物中。通过在炉中加热，双组分纤维的热塑性组分被软化或熔化，这使非织造物粘结在一起。温度选择成使双组分纤维发生至少是软化或熔合。在一个实施例中，温度为约90℃-约240℃。所需的纤维连接是通过聚合物的熔化及再固化而同时在紧压罗拉中冷却来造成的。
紧压罗拉的温度选择成低于粘结剂/双组分纤维的软化温度范围。在一个实施例中，温度为约70℃-约150℃，在另一个实施例中，温度为约80℃-约90℃。紧压罗拉的温度使织物冷却，所以实现了耐久的波纹。紧压罗拉的温度和非织造物在紧压罗拉之间的驻留时间对应于粘结剂来选择。
在示例性的实施例中，波纹18被制成介质衬底12中的正弦波。波峰22及波谷24被安排在衬底片穿过生成设备的移动方向上。波谷24具有至少约0.02inch(0.5mm)的有效深度D，以使得在高灰尘负荷下有透气性来保持低于约4inch水柱(wc)的小压差。在示例性实施例中的波纹节距C为每时约3个-约10个波纹(每厘米约1.2个-约3.9个波纹)，而在另一个实施例中，每吋约3个-约6个波纹(每厘米约1.2个-约2.4个波纹)。有效深度D和波纹节距C的结合能优化接触点，这在由高空气速度及高灰尘负荷产生的高静压力下防止了皱褶的破坏。
相对的成型紧压罗拉在介质衬底12的整个横断面上产生了均匀的波纹，而且也产生了基本均匀的厚度。在其它的实施例中，非织造物在预先确定的横断面区域处受到了增大的压缩，以便通过改变紧压罗拉的轮廓而在这些位置处达到过滤材料的更大刚性。
紧压罗拉的轮廓是波纹形的，一个紧压罗拉的波峰与相对的紧压罗拉的峰谷对齐。各个紧压罗拉相互间的间隙被选择成：非织造物未被完全压紧，而因此非织造物的横断面处的紧压罗拉之间有间隙。这个间隙确定了基于现存紧压罗拉的介质衬底12的厚度。在一个实施例中，介质衬底12的单位重量为约100g/m2-约300g/m2，而在另一个实施例中，约170g/m2-约240g/m2。
任何合适的合成纤维都可用于制作介质衬底12的非织造物。合适的纤维包含、但不局限于：聚酯纤维，聚酰胺纤维，聚烯烃纤维，热塑性聚氨酯纤维，聚醚酰亚胺纤维，聚苯醚纤维，聚亚苯基硫醚纤维，聚砜纤维，芳族聚酰胺纤维，以及它们的混合物。
纳米薄膜层20由静电喷吹纺丝工艺制成，所述工艺包括：把聚合物溶液输入纺丝喷嘴(帽)中；对纺丝喷嘴施加高电压；和使聚合物溶液排放通过纺丝喷嘴，同时把被压缩的聚合物溶液射入纺丝喷嘴的下端部。施加的高电压范围为约1KV-约300KV。
制造纳米纤维的静电喷吹纺丝工艺和所使用的独特装置在美国专利申请公布No.2005/00677332中作了详细描述。静电喷吹纺丝工艺提供了耐用的纳米纤维的三维过滤层，后者的厚度大于已知过滤介质方面的已知纳米纤维过滤层。在示例性实施中，纳米纤维薄膜层20的单位重量为约0.6g/m2-约20g/m2，在另一个实施例中，为约5g/m2-约10g/m2。纳米薄膜层20中的纳米纤维的平均直径为500nm或更小。
利用静电喷吹纺丝工艺来制造纳米纤维的合适聚合物不局限于热塑料聚合物，并可能包含热固的聚合物。合适的聚合物包括、但不局限于：聚酰亚胺，聚酰胺(尼龙)，聚芳酰胺，聚苯并咪唑，聚醚酰亚胺，聚丙烯腈，聚乙烯，对苯二酸酯，聚丙烯，聚苯胺，聚环氧乙烷，聚乙烯naphthalates，聚丁烯对苯二酸酯，苯乙烯-丁二烯橡胶，聚苯乙烯，聚氯乙烯，聚乙烯醇，二氯乙烯，聚乙烯丁烯，以及它们的共聚物或衍生化合物。通过选择溶解所选择的聚合物的溶剂来制备聚合物溶液。所述聚合物溶液可与例如增塑剂、紫外线稳定剂、交联剂、固化剂、反应引发剂等的添加剂混合。虽然溶解聚合物可能不需要任何特定的温度范围，但为帮助溶解反应需要特定的温度范围。
图2是由过滤介质10制成的过滤元件40的侧面示图。在示例性的实施例中，过滤介质10含有多个皱褶42，皱褶42被布置得使波纹18起到皱褶42之间的隔片作用。过滤元件40含有第一端盖44和相对的第二端盖46，第二端盖46具有在端盖44与46之间延伸的过滤介质10。过滤元件40具有圆筒形状，圆筒形状具有内管道48(示于图4中)。过滤元件40是圆柱形状的，但也可以是如图4所示的圆锥形的。过滤元件40也可含有内部和/或外部支承内衬，以造成过滤元件40和/或过滤介质10支承的结构整体性。如图3中所示，在过滤元件40的相邻皱褶42中的波纹18限定了椭圆管28，椭圆管28允许已过滤的空气流过过滤元件40。
图4是过滤组件50的立体示图，它含有多个过滤元件40，过滤元件40以端部与端部成对的关系安装在管片52上。管片52把过滤组件的脏空气侧与清洁空气侧分隔开。用脉动空气清洁过滤元件40的清洁系统54含有安装在空气供应管58上的多个空气喷嘴56。被引导入过滤元件40的内管道48的压缩空气的脉冲被用于清洁集中了脏物及灰尘的过滤元件40。
在持续200小时的灰尘滤去实验中，把过滤元件40与由基础介质衬底12制成的过滤元件(没有纳米纤维层20)进行了比较。充满灰尘的空气被导入试验过滤模板，后者具有灰尘聚集供给率为0.57g/m3的至少3000CFM容量。试验过滤器是在预定循环时间内在100psig(700KPa标准)的脉动空气压力下被脉动喷射清洁的。整个200小时持续试验中试验过滤模板的压差被监测。200小时试验的程序在2005年10月26日发表的题为“INLET AIR FILTRATION SYSTEMS FORCOMBUSTION GAS TURBINES”的Saudi Aramco Materials SystemSpecification 32-SAMSS-008，附录II，第2段中作了描述。图5显示了持续200小时的试验结果的线图表示。图线100代表在持续200小时试验中过滤元件40的压差，而图线102代表仅由基础介质衬底12制成的过滤元件的压差。在整个持续试验中，过滤元件40比仅由基础介质衬底12制成的过滤元件具有更低的压差。
已描述的由过滤介质10制成的过滤元件40可被用于几乎任何用途中的空气流的过滤，例如，用于过滤气体燃气轮机的入口空气。过滤介质12的独特构造比已知的过滤介质更耐用，并为生成更低的压降创造了条件，因为在过滤及反向清洁作业期间由施加在过滤介质上的作用力造成的偏转更小。还有，纳米薄膜层20具有比已知过滤介质更大的单位重量，这使得过滤介质12在反向脉动清洁时比已知的过滤介质更有效地被清扫。另外，纳米纤维层20的大的单位重量提供了耐用的三维表面过滤层，它具有延伸的曲折路径，它有高效率和能俘获细颗粒，而不阻碍空气流动和不增大压降。
尽管本发明通过各种特定实施例做了描述，技术人员将会认识到本发明可在权利要求书的精神及范围内通过修改来实践。
零件清单
10-过滤介质 12-介质衬底 14-第一侧面
16-第二侧面 18-波纹 20-纳米薄膜层
22-波峰 24-波谷 28-椭圆管
32-A ramco Materials System Specification
40-过滤元件 42-皱褶 44-第一端盖
46-第二端盖 48-内管道 50-过滤组件
52-管片 54-清洁系统 56-空气喷嘴
58-空气供应管 100-线 102-线
Claims (10)
1.复合的过滤介质结构(10)，包括：
波纹形的基础衬底(12)，它包括由干敷工艺制成的非织造合成织物，所述干敷工艺在制成工艺期间使所述基础衬底变成波纹形；和
纳米纤维薄膜(20)，它是通过静电喷吹纺丝工艺沉积在所述基础衬底的一个侧面上的。
2.根据权利要求1的复合的过滤介质结构(10)，其特征在于：所述非织造物包括多种纤维，所述纤维包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚烯烃纤维、热塑性聚氨酯纤维、聚醚酰亚胺纤维、聚苯醚纤维、聚亚苯基硫醚纤维、聚砜纤维和芳族聚酰胺纤维中的至少一种。
3.根据权利要求1的复合的过滤介质结构(10)，其特征在于：所述基础衬底(12)的单位重量为约100g/m3-300g/m2。
4.根据权利要求1的复合的过滤介质结构(10)，包括每厘米约1.2个-约3.9个的波纹节距，所述波纹的有效波谷深度为约0.5mm。
5.根据权利要求1的复合的过滤介质结构(10)，其特征在于：所述纳米纤维薄膜(20)包括平均直径约500nm或更小的许多纳米纤维。
6.根据权利要求1的复合的过滤介质结构(10)，其特征在于：所述纳米纤维薄膜(20)的单位重量为约0.6g/m2-约20g/m2。
7.根据权利要求1的复合的过滤介质结构(10)，其特征在于：所述纳米薄膜(20)包括许多纳米纤维，所述纳米纤维应用静电喷吹纺丝工艺由聚合物制成，所述聚合物包括聚酰亚胺、聚酰胺、聚芳酰胺、聚苯并咪唑、聚醚酰亚胺、聚丙烯腈、聚乙烯对苯二酸酯、聚丙烯、聚苯胺、聚环氧乙烷、聚乙烯naphthalates、聚丁烯对苯二酸酯、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、二氯乙烯、聚乙烯丁烯中的至少一种，以及它们的共聚物和它们的衍生化合物。
8.复合的过滤介质结构(10)，还包括许多皱褶(42)。
9.过滤元件(40)包括第一端盖(44)、第二端盖(46)和复合的过滤介质结构(10)，复合的过滤介质结构(10)包括：
波纹形的基础衬底(12)，它包括由干敷工艺制成的无纺的合成织物，所述干敷工艺在制成工艺期间使所述基础衬底变成波纹形；
纳米纤维薄膜(20)，它通过静电喷吹纺丝工艺沉积在所述基础衬底的至少一个侧面上。
10.根据权利要求9的过滤元件(40)，其特征在于：所述基础衬底(12)的单位重量为约100g/m2-300g/m2。
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