专利名称:粒子保持特性提高的过滤介质的制作方法图1(a),在横截面中显示了双叶片、双组分非织造纤维10。纤维10具有两个叶片12和14,以及凹下区域16和18,其在纤维10叶片之间的两侧。界线19表示形成叶片12和14之一的较高熔点聚合物组分和形成另外叶片的较低熔点聚合物组分之间的界面。所述较高和较低熔点聚合物是并列式排列的。图1(b)在横截面中举例说明三叶形双组分非织造纤维20,其中三个叶片22、24和26以互相成直角定位。凹下区域23位于叶片22和24之间。凹下区域25位于叶片22和26之间。例如,从图1(b)可以明显地看到,术语“凹下区域”指相对于与两个邻近叶片相切画出的直线为凹形的区域。在图1(b)中,直线27可以与邻近叶片22和24相切地画出,在该直线下面具有凹形的部分23。类似的直线可以与邻近叶片22和26相切地画出。然而,相对于与邻近叶片24和26相切画出的直线,不存在凹域。在图1(b)中,分界线29表示形成纤维一半的较低熔点聚合物组分和形成纤维另外一半的较高熔点聚合物组分之间的界面。再次,较高和较低熔点聚合物以并列式构型排列。图1(c)在横截面中举例说明三叶形双组分非织造纤维30,其中三个叶片32、34和36以互相60度角定位。凹下区域33位于叶片32和34之间。凹下区域35位于叶片32和36之间。凹下区域37位于叶片34和36之间。分界线39表示形成纤维30的一半的较低熔点聚合物和形成另外一半的较高熔点聚合物之间的界面。再次,纤维30具有较高和较低熔点聚合物的并列式分布。图1(d)在横截面中举例说明四叶片形双组分纤维40,其中四个叶片42、44、46和48以星形构型排列。凹下区域41、43、45和47在每对邻近叶片之间形成。圆形的分界线49表示较低熔点聚合物组分和较高熔点聚合物组分之间的界面。在这种情况下,双组分纤维具有皮-芯式构型,较高熔点聚合物形成芯和较低熔点聚合物形成皮。图1(e)在横截面中举例说明四叶片形双组分纤维50,其中四个叶片52、54、56和58以交叉构型排列。凹下区域51、53、55和57在每对邻近叶片之间形成。分界线59表示较高和较低熔点聚合物之间的界面,其以并列式构型排列。图1(f)在横截面中举例说明五叶片双组分纤维60,其具有五个互相以大约72度角排列的叶片62、64、66、68和70。凹下区域61、63、65、67和69在每对邻近叶片之间形成。分界线71表示较高和较低熔点聚合物之间的界面,其以并列式构型排列。图4举例说明多叶片形双组分纤维如何受通过-空气粘结法,或者类似的可以用来在纤网中将纤维在包括较低熔点聚合物组分的接触点粘接在一起的加热方法的影响。在通过-空气粘接之前,图4中的纤维具有五叶形截面,类似于示于图1(f)中的。图4中的纤维表示聚丙烯组分和线型低密度聚乙烯组分的并列式双组分延伸。在通过-空气粘接之后,在足以熔化或者软化聚乙烯而不是聚丙烯的高温下,纤维呈不对称形态。特别地,由聚丙烯组成的叶片保持完好,而最初由聚乙烯组成的叶片发生变形、结合和/或者消失,可能成为圆形,如图4所示。得到的纤维具有多叶片形部分和圆形部分。图2(a)举例说明用于生产双组分非织造长丝的模头板设备。模头板80可以通过螺栓孔82或者其他类似的紧固件孔连接到挤出机组件。较高和较低熔点聚合物可以通过与两个分离挤出机互通的分离通道(未显示)进入模头,并且可以作为双组分纤维通过喷丝头孔88挤出。用于将两个聚合物流转化成具有并列式或者皮-芯式排列的双组分纤维的一般技术是本领域已知的,在此不进行详细描述。
图2(b)是模头板80中喷丝头孔88的放大图。图2(c)是单一喷丝头孔88的进一步放大图。如图2(b)所示,喷丝头孔88均匀地互相间隔并且排列成一组,以便双组分纤维可以作为一组或者一束挤出。如图2(c)所示,每个喷丝头孔具有五叶片形状,其与挤出的五叶片双组分纤维的形状一致。
在双组分纤维中,较高和较低熔点聚合物的比例可以介于约10-90%重量的较高熔点聚合物和10-90%较低熔点聚合物中间。实际上,仅仅需要能够促进纤维之间粘接的量的较低熔点聚合物。因此,适合的纤维组成可以包含约40-80%重量较高熔点聚合物和约20-60%重量较低熔点聚合物、希望约50-75%重量较高熔点聚合物和约25-50%重量较低熔点聚合物。
各种聚合物适合于双组分纤维的较高和较低熔点聚合物混合物。最适合的聚合物将取决于最终用途过滤器应用、用于将纤维粘接在一起的方法、精确的纤维形状和尺寸及其他因素而变化。通常,较低熔点聚合物组分可以是聚烯烃均聚物或者共聚物。例子包括聚乙烯(例如低密度聚乙烯或者线型低密度聚乙烯)、具有约10%重量或更多乙烯的丙烯-乙烯共聚物、具有足够大的共聚单体含量以赋予至少某些粘性的其他丙烯-α-烯烃共聚物、间规聚丙烯、无规和全同聚丙烯的共混物、聚丁烯、聚戊烯等。较高熔点组分可以是较高熔点聚烯烃均聚物或者共聚物。例子包括高密度聚乙烯、全同聚丙烯、包含低于10%乙烯的丙烯-乙烯共聚物及其他丙烯-α-烯烃共聚物,其具有足够低的共聚单体含量以便不显著地降低熔点。较高熔点组分的其他例子包括聚酰胺、聚酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等等。在较高熔点聚合物赋予纤维以结构完整性情况下,和在较低熔点聚合物显示适合的纤维间粘合性能情况下,较高和较低熔点聚合物还可以是适合的共混物。较高和较低熔点聚合物应该具有的熔点差别为至少5℃、适当地至少10℃、希望地至少30℃。
多叶片形纤维可以单独使用,或者与其他(例如单叶片,圆形)纤维结合使用,用于形成过滤器的非织造纤网。另外的纤维可以是单组分或者双组分的。无论单独或者与其他纤维结合,该多叶片形纤维通过在叶片之间的凹下区域中截留、捕获或者绊住颗粒物质而提高过滤效率。为此,过滤效率的改进程度将取决于使用的多叶片形纤维的百分比而变化,高水平给出最好的性能。本发明考虑使用的非织造纤网包含从1-100%重量的多叶片形双组分纤维,其具有叶片之间的凹下区域。适当地,非织造纤网将包含20-95%重量的多叶片形纤维、希望地40-90%重量的多叶片形纤维、更希望地50-85%重量的多叶片形纤维。结合纤维的一种方法是在多叶片形纤维的层上挤出单叶片形纤维的层,或者反之。
被用作过滤介质的非织造纤网(即,多叶片形纤维及其他纤维,如果有的话)可以是纺粘纤网、熔喷纤网、粘接梳理纤网、空气铺设纤网、或者包括超过一个非织造纤网层的层压制品。要求的是非织造纤网具有高蓬松性和过滤期间通过它的低压降。为此,非织造纤网适当地是纺粘纤网。非织造纤维可以是卷曲的,以促进较高的蓬松性和较好的粒子截留两者。被用作过滤介质的非织造纤网应该具有的堆积密度为约0.01-0.1g/cm3、适当地约0.015-0.075g/cm3、希望地约0.02-0.05g/cm3。被用作过滤介质的非织造纤网(或者纤网的结合)的总体基础重量可以为约10-500克每平方米(gsm)、适当地约20-400gsm、希望地约30-300gsm。单根纤维(包括多叶片形纤维和圆形纤维,如果存在)可以具有的纤维旦尼尔为约0.5-10、适当地约1.5-6、希望地约2-3。
为了提高被过滤粒子和过滤器纤维之间的吸引,多叶片形双组分纤维可以是驻极体化处理的(驻极体化的(electrecized))。驻极体处理可以使用传统方法实现,其中顺序地使非织造纤网经过一系列电场,其中邻近电场互相具有基本上相反的极性。例如,首先使纤网的第一侧经受正电荷而纤网的第二侧经受负电荷。然后,使纤网的第一侧经受负电荷和第二侧经受正电荷,在纤网中产生永久性静电电荷。
用于驻极体化非织造纤网的设备举例说明于图3。驻极体化设备110接收具有第一侧114和第二侧115的非织造纤网112。纤网112进入设备110,第二侧115与导辊116接触。然后纤网的第一侧114接触到第一充电转鼓118,其随着纤网112旋转,使纤网112进入具有负电势的第一充电转鼓118和具有正电势的第一充电电极120之间的位置。当纤网112通过充电电极120和充电转鼓118之间时,静电电荷在纤网112中产生。相对而言的正电荷在第一侧中产生和相对而言的负电荷在第二侧中产生。然后纤网112在带负电的第二转鼓122和带正电的第二电极124之间通过,反转前面在纤网中产生的静电电荷,并在纤网中永久地产生新的静电电荷。然后驻极体化的纤网125在另一导辊126上通过并离开驻极体化设备110。应当注意,对于讨论目的,充电转鼓被举例说明为具有负电势和充电电极被举例说明为具有正电势。然而,转鼓和电极的极性可以反转并且负电势可以被替换为接地。按照本发明,可用于驻极体化方法的电荷势可以随驻极体化方法的场几何形状而变化。例如,对于上述驻极体化方法,电场可以有效地在约1KVDC/cm和约30KVDC/cm之间操作、希望地在约4KVDC/cm和约20KVDC/cm之间操作,当转鼓和电极之间的间隙在约1.2cm和约5cm之间时。上述适合的驻极体化方法进一步公开于上述的美国专利5,401,446中,其全文在此引入作为参考。
驻极体电荷稳定性可以通过在双组分纤维中的聚合物上接枝极性的端基(马来酸酐、聚丙烯酸等等)而进一步提高。同样,钛酸钡及其他极性的材料可以与聚合物共混。适合的共混物描述于例如PCT出版物WO 97/44509(Turkevich等)和PCT出版物WO 00/00267(Myers等)。试验方法和实施例ASHRAE 52.2-1999测试全面通风空气净化设备的借助于粒度的去除系数的方法该测试是过滤工业标准测试,具有标准程序,其引入作为参考。总起来说,该测试测定当过滤器负载标准化负载粉尘时,过滤介质除去具有标称直径的粒子的效率。负载粉尘以间隔阶段进料以模拟使用期限过程中粒子的积累。用于过滤效率测试的试验气雾剂是从水溶液产生的固相氯化钾(KCl)。气溶胶发生器产生用于过滤效率测定的十二个粒度范围的KCl粒子。对于每个粒度范围,在加载程序上觉察到的最低效率被用于计算以下三个粒度范围的复合(composite)平均效率值0.3到1.0微米、1.0到3.0微米和3.0到10微米。
用于模拟在使用中的粒子积累的负载粉尘由以下组成72%重量SAE Standard J726试验用粉尘(精细)、23%重量碳粉和5%研磨棉绒。清洁填料介质的效率测量于标准中规定的一种流量。然后进料装置发送尘粒流以加载过滤介质到各种压力升高间隔,直到达到规定的最终阻力。过滤器捕获KCl粒子的效率在每个加载步骤之后测定。过滤介质的效率通过测定在过滤介质的上游和下游位置中的粒度分布和气流中的颗粒数进行测定。粒度去除系数(“PSE”)定义为 粒子计数和尺寸可以使用HIAC/ROYCO Model 8000自动粒子计数器和HIAC/ROYCO Model 1230传感器测定。ANS I/ASHRAE 52.1-1992用于测试用于全面通风除去颗粒物质的空气清洁设备的重量分析和粉尘-点(Spot)过程该测试同样是过滤器工业标准测试,并且具有详细步骤,其引入作为参考。总的来说,该测试测定当过滤器负载标准的合成粉尘时,过滤介质除去粉尘的效率。除尘性能以两种方式测定1.ASHRAE重量捕获率(arrestance),测定过滤介质捕获的人造粉尘的重量百分数。
2.ASHRAE粉尘-点效率,比较当暴露于环境大气粉尘时,过滤介质的上游和下游标的的变黑。
清洁过滤介质的粉尘-点效率以规定流速测定。然后进料装置发送人造尘粒流加载过滤介质到各种压力升高间隔,直到达到规定的最终阻力。捕获率和粉尘-点效率在每个加载阶段之后测定。当达到最终的阻力时,计算平均捕获率、平均粉尘-点和粉尘保持容量。粉尘保持容量是粉尘增量的总重量乘以平均捕获率。用于模拟在使用中的粒子积累的负载粉尘由以下组成72%重量SAE Standard J726试验用粉尘(精细)、23%碳粉和5%研磨棉绒。同样的人造粉尘也用于ASHRAE52.2测试。
表1过滤效率
对于较小粒子,过滤效率的提高是最大的,说明叶片之间的凹下可以更容易地捕捉较小粒子。同样,叶片对于粒子捕获和吸引提供更大表面积。
表2过滤效率
如上所述,对于2.5osy基础重量的纤网,与2.0osy基础重量的纤网相比,过滤效率的提高略小。这是因为较高的基础重量纤网已经是更有效的,留有较小的改进余地。有趣地,由五叶片纤维构成的2.0osy基础重量纤网(表1)具有类似于由圆形纤维构成的2.5osy基础重量纤网(表2)的过滤效率。因此,在可比的效率下,通过由五叶片纤维代替圆形纤维构成过滤纤网,可以节约20%的材料。
对于实施例6,制备了类似于实施例5的复合的非织造纤网,除了所述第二双组分纺粘层包含五叶片纤维,如图1(f)所示,以代替圆形纤维。
将实施例5和6的复合纤维网做成过滤器袋,每个袋具有24英寸长、24英寸宽和26英寸高的尺寸。定位所述复合纤维网以便第二双组分层(例如,实施例6中的五叶片纤维)面向所述袋内部,然后将其暴露于气流。使用上面描述的ASHRAE 52.1-1992测试,评价所述袋在通过过滤器的压力降达到1.0英寸水量规以前的粉尘保持容量。
利用这一测试,由实施例5的复合纤网制造的滤袋具有139克的粉尘保持容量。由实施例6的复合纤网制造的滤袋具有221克的粉尘保持容量,显示59%的提高。
虽然在此公开的实施方案是优选的,但是在不背离本发明精神和范围条件下可以进行各种改性和改进。本发明的范围由附加的权利要求指明,并且所有属于其思想和同等物范围的改变被认为包括在其中。
可用作过滤介质的非织造纤网,其包括大量双组分多叶片形纤维,该纤维包括较高熔点聚合物组分、较低熔点聚合物组分和在所述聚合物组分之间的界面。所述纤维在包括较低熔点聚合物组分的接触点被粘接在一起,以提供粘结的过滤介质。所述多叶片形纤维包括突起的叶片区域和在叶片之间的凹下区域,其捕捉、截留或者绊住要从气体或者液体介质中过滤的颗粒物质。所述多叶片形纤维可以使带电,以提供纤维和粒子之间的静电引力。
粒子保持特性提高的过滤介质制作方法
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