包含纤维素长丝的过滤介质制造技术

本公开涉及包含基础过滤纤维和纤维素长丝的过滤介质。例如，与由基础过滤纤维单独制备的过滤介质相比，纤维素长丝可以提高过滤介质的至少一种机械性能。本公开还涉及用于制备过滤介质的各种方法、用于提高过滤介质的过滤效率的方法、用于提高过滤介质的最低效率报告值(MERV)等级的方法。

Filter media containing cellulose filament

The present disclosure relates to a filter medium containing basic filter fiber and cellulose filament. For example, cellulose filament can improve at least one of the mechanical properties of the filter medium, compared with a filter medium prepared by a base filter fiber alone. The disclosure also relates to various methods for preparing filter media, a method for improving filtration efficiency of filter media, and a method for improving the lowest efficiency report value (MERV) level of filtration media.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包含纤维素长丝的过滤介质相关申请的交叉引用本申请要求于2015年7月16提交的共同未决的美国临时申请号62/193,141的优先权，该临时申请的全部内容通过引用并入本文。公开领域本公开涉及包含纤维素长丝(CF)的过滤介质。公开背景过滤器在各种应用中用于从气体或液体中去除颗粒。过滤器包含过滤介质，过滤介质是执行从气体或液体中去除颗粒的过滤器的一部分。过滤器还可以包括用于物理支撑过滤介质的结构元件，例如框架。纤维过滤介质包括纤维或纤维材料。纤维可由多种材料制成，包括纤维素、玻璃、碳、陶瓷、二氧化硅和合成聚合物例如尼龙、人造丝、聚烯烃、聚酯、聚芳酰胺、聚酰亚胺、聚丙烯酸和聚酰胺。除纤维之外，纤维状过滤介质通常还包含添加剂例如粘合剂或饱和剂。粘合剂被添加到过滤介质中以将纤维保持在一起并改进过滤介质的结构完整性。粘合剂的实例包括树脂、低玻璃化转变温度乳胶和可以热结合的纤维。在一些应用中，也可以使用饱和剂来浸渍过滤介质。在其他应用中，可以在过滤介质的设计中包括支撑或硬化层，以提高过滤介质的机械性能。通常根据三个关键属性来描述过滤特性：1)用于从载气或液体捕获不同大小的污染物的过滤效率，其通常作为从载气或液体中去除给定污染物的百分比来测量，2)过滤器对移动气体或液体提供的阻力，其通常作为跨越过滤器的压降来测量，和3)容尘量，其通常作为在给定的最大压降下过滤器可容纳的污染物的量。纤维直径是控制过滤介质的过滤特性的重要因素。一般而言，与包含较大直径纤维的过滤介质相比，包含较小直径纤维的过滤介质具有较高的过滤效率但较低的渗透率。另外，由于其平均孔径小，由细纤维制成的过滤介质趋向于过早堵塞，从而导致较低的容尘量。为了防止过早堵塞和适应不同的过滤器应用，商业过滤介质通常包含布置在有时为复杂的复合结构(US3201926、US5714076)中的两根或更多根直径的纤维。纤维可以在整个过滤介质中均匀或不均匀地分布。常见的方法是通过将一层或多层粗纤维过滤介质置于较细的纤维上来提供纤维的不均匀分布。例如，较大直径的纤维通常放置在较小直径纤维的上游。这样，较大直径的纤维捕获较大的颗粒并防止它们堵塞下游细纤维层中的孔(US3201926、US5672188、US5714067、US5785725)。来自粗纤维的层也可以为过滤介质提供强度和刚度(US5948344、US7993427)。为了相同的目的，也可以加入粘合剂和饱和剂。对于过滤工业而言，包含具有几微米或更小直径的纤维的纤维过滤介质由于其捕获细颗粒的能力而受到关注。微米或亚微米直径的纤维可以通过多种方法制造。熔喷方法使得能够生产直径低至1或2微米的微纤维。虽然包含由熔喷方法制成的纤维的过滤介质具有令人满意的过滤效率，但它们通常较弱且有结构缺陷。具有小得多的直径的聚合纤维可以通过诸如电纺聚合物溶液的方法来生产。在这种情况下，可以制造直径低于100纳米的纳米纤维。例如，在US2012/0204527A、US8118901、US7318852、US7179317、US6924028和US6743273中，Chung等公开了不同的聚合物共混物，由此可以生产具有改进的物理和化学稳定性的细纤维。该专利申请还涵盖了可以由这些细纤维通过电纺制成的小于1微米厚度的纤维层。精细层可以贴附到提供强度、刚度和可打褶性的基底上，然后用于多层过滤产品。专利US8303693涉及包含至少一个细纤维层和位于细纤维层上游的一个粗纤维层的过滤介质。通过电纺聚合物溶液形成的较细纤维具有100至300纳米的优选直径，并且它们形成的层具有10至1000微米的厚度。精细层还可包含随机放置在细纤维之间的多个基底纳米粒子。在专利申请US2013/0008853中也描述了将颗粒添加到细纤维网中。这些颗粒可以反应、吸收或吸附分散或溶解在流体中的材料。不同直径的玻璃纤维也用于各种过滤应用中。通过诸如连续拉伸或旋转纺丝等方法生产的较大纤维被用于需要较低过滤效率的应用中，并经常与合成纤维结合使用(US6555489、US7582132和US7608125)。对于要求更高效率的应用，通常使用通过火焰衰减方法产生的细玻璃纤维。这些纤维的直径大小为0.1至5.5微米。通常通过湿法成网或造纸方法形成这些纤维的垫，但是也可以利用气流成网方法(US5785725、EP0878226)来形成这些纤维的垫。经火焰衰减的玻璃纤维通常用于要求非常高的过滤效率的应用中，例如捕获至少99.97％直径为0.3微米的全部尘埃粒子的HEPA过滤器。在HEPA过滤器中使用的玻璃纤维毡有时在非常酸性的条件下形成，以通过酸侵蚀在纤维之间产生一定程度的结合。然而，在许多玻璃纤维介质中，粘合剂被添加到介质的组合物中以将纤维保持在一起。虽然上述所有细纤维具有明确的直径，但也可以将原纤化纤维添加到过滤介质组合物中。原纤化纤维包含分支成较小直径原纤维的母纤维，其本身可以分支成更多直径更小的原纤维。具有小于1微米、优选小于500nm的原纤维的原纤化纤维由于其优越的过滤能力而受到关注。这样的纤维可以由诸如合成纤维素(莱赛尔纤维)或丙烯酸聚合物的材料制成。尽管这些纤维不具有成键能力，但是原纤维倾向于在纤维之间产生缠结，从而为过滤介质提供一定的强度。在专利US6872311和专利申请US2012/0152859中给出了由细玻璃纤维、原纤化莱赛尔纤维和粘合剂的混合物制成的过滤介质的实例。当向过滤介质中加入直径小于1微米的非常细的纤维得到具有优异过滤能力的过滤器和由多种材料产生这样的纤维的现存若干不同方法。然而，现有技术都不能产生具有自结合能力的非常细的纤维以使即便在少量添加到过滤组合物中时也能产生具有优异强度的过滤介质。因此非常希望提供至少部分地解决现有技术的缺点的设备、系统或方法。
技术实现思路
已经发现，在包含多根基础纤维和不同量的纤维素长丝(CF)的过滤介质中，长丝可基本上有助于过滤效率和机械性能两者。例如，包括薄宽度、带状形态、高长宽比和高氢键合能力的CF的特性可促进在过滤介质内形成多个结构。CF可以假设许多不同的物理形式，所有这些都有助于改变所得过滤介质的性能。CF可以在介质中呈现的形式包含单独的长丝、在其自身中或与基础纤维缠结的长丝、在其自身上或与基础纤维缠绕的长丝、部分聚结的长丝、网状结构和膜状结构。各种形状和大小的这些结构可以改变过滤介质的孔结构和弯曲度及其过滤特性和机械性能。过滤器结构中的长丝之间的氢键合度或聚结度可以通过不同的手段进行调整。这些手段包括改变长丝的量、长丝的类型或等级、向过滤组合物中添加化学添加剂(例如，脱粘剂)和/或改进用于产生过滤介质的方法。用于生产本公开的过滤介质的方法是湿法成网或泡沫形成方法，随后在环境条件下，通过空气干燥、通过加热或在冷冻干燥器中进行干燥。在另一方面，本专利技术因此提供了用于生产含有纤维素长丝的过滤介质的方法，所述纤维素长丝具有适于特定过滤或其他应用的孔结构。根据本公开的一个方面，提供了一种过滤介质，该过滤介质包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝。根据本公开的另一方面，提供了一种过滤介质，该过滤介质包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述过滤介质具有至少约30mgf(毫克力)的Gurley弯曲刚度。根据本公开的另一方面，提供了一种过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.07.16 US 62/193,1411.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝。2.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述纤维素长丝与所述基础过滤纤维以适于与所述基础过滤纤维单独使用相比提高所述基础过滤纤维的至少一种机械性能的比例相组合。3.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述过滤介质具有至少约30mgf(毫克力)的Gurley弯曲刚度。4.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述过滤介质具有至少约0.02kN/m的拉伸强度。5.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述基础过滤纤维和所述纤维素长丝形成基本上不含粘合材料的过滤层。6.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述基础过滤纤维和所述纤维素长丝形成厚度小于10mm的过滤层。7.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述纤维素长丝与所述基础过滤纤维以适于与所述基础过滤纤维单独使用相比提高所述基础过滤纤维的过滤效率和至少一种机械性能的比例相组合。8.一种过滤介质，包含：基础过滤纤维；和纤维素长丝，其中所述纤维素长丝与所述基础过滤纤维以适于与所述基础过滤纤维单独使用相比使所述基础过滤纤维的过滤效率提高至少1％和使所述基础过滤纤维的拉伸强度提高至少0.02kN/m的比例相组合。9.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约100mgf的弯曲刚度。10.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约300mgf的弯曲刚度。11.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约500mgf的弯曲刚度。12.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约700mgf的弯曲刚度。13.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约1000mgf的弯曲刚度。14.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约2000mgf的弯曲刚度。15.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约4000mgf的弯曲刚度。16.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约6000mgf的弯曲刚度。17.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有约1000至约10000mgf的弯曲刚度。18.根据权利要求1至8中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有约2000至约7500mgf的弯曲刚度。19.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约0.25重量％的纤维素长丝。20.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约1重量％的纤维素长丝。21.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约2重量％的纤维素长丝。22.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约3重量％的纤维素长丝。23.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约4重量％的纤维素长丝。24.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约5重量％的纤维素长丝。25.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约6重量％的纤维素长丝。26.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约7重量％的纤维素长丝。27.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约8重量％的纤维素长丝。28.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约9重量％的纤维素长丝。29.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含至少约10重量％的纤维素长丝。30.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含约0.5重量％至约30重量％的纤维素长丝。31.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含约2重量％至约10重量％的纤维素长丝。32.根据权利要求1至18中任一项所述的过滤介质，其中基于所述纤维素长丝和所述基础过滤纤维的总重量，所述过滤介质包含约2重量％至约5重量％的纤维素长丝。33.根据权利要求1至32中任一项所述的过滤介质，其中所述纤维素长丝具有约100μm至约2mm的平均长度。34.根据权利要求1至33中任一项所述的过滤介质，其中所述纤维素长丝具有约30nm至约500nm的平均宽度。35.根据权利要求1至34中任一项所述的过滤介质，其中所述纤维素长丝具有约200至约1000的平均长宽比。36.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约0.05kN/m的拉伸强度。37.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约0.07kN/m的拉伸强度。38.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约0.15kN/m的拉伸强度。39.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约0.2kN/m的拉伸强度。40.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约0.4kN/m的拉伸强度。41.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约0.6kN/m的拉伸强度。42.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约1.0kN/m的拉伸强度。43.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有至少约5.0kN/m的拉伸强度。44.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有约0.2kN/m至约2.0kN/m的拉伸强度。45.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有约0.2kN/m至约1.5kN/m的拉伸强度。46.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有约0.2kN/m至约1.3kN/m的拉伸强度。47.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质包含约2重量％至约10重量％的纤维素长丝，并且其中所述过滤介质具有约0.2kN/m至约2.0kN/m的拉伸强度。48.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质包含约2重量％至约5重量％的纤维素长丝，并且其中所述过滤介质具有约0.2kN/m至约0.8kN/m的拉伸强度。49.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质包含约5重量％至约10重量％的纤维素长丝，并且其中所述过滤介质具有约0.7kN/m至约1.4kN/m的拉伸强度。50.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质包含至少约2重量％的纤维素长丝，并且其中所述过滤介质具有约0.2kN/m的拉伸强度。51.根据权利要求1至35中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质包含至少约1重量％的纤维素长丝，并且其中所述过滤介质具有约0.2kN/m的拉伸强度。52.根据权利要求1至51中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质基本上不含粘合材料。53.根据权利要求1至52中任一项所述的过滤介质，其中在所述过滤介质的第一表面和所述过滤介质的第二表面之间以10.5英尺/分钟的流速测量的压力差(ΔP)为约1Pa至约700Pa。54.根据权利要求1至52中任一项所述的过滤介质，其中在所述过滤介质的第一表面和所述过滤介质的第二表面之间以10.5英尺/分钟的流速测量的压力差(ΔP)为约1Pa至约400Pa。55.根据权利要求1至52中任一项所述的过滤介质，其中在所述过滤介质的第一表面和所述过滤介质的第二表面之间以10.5英尺/分钟的流速测量的压力差(ΔP)为约1Pa至约300Pa。56.根据权利要求1至52中任一项所述的过滤介质，其中在所述过滤介质的第一表面和所述过滤介质的第二表面之间以10.5英尺/分钟的流速测量的压力差(ΔP)为约1Pa至约200Pa。57.根据权利要求1至56中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质对大小为0.3μm的尘埃粒子具有至少约50％的过滤效率。58.根据权利要求1至56中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质对大小为0.3μm的尘埃粒子具有至少约60％的过滤效率。59.根据权利要求1至56中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质对大小为0.3μm的尘埃粒子具有至少约70％的过滤效率。60.根据权利要求1至56中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质对大小为0.3μm的尘埃粒子具有至少约80％的过滤效率。61.根据权利要求1至56中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质对大小为0.3μm的尘埃粒子具有至少约90％的过滤效率。62.根据权利要求1至56中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质对大小为0.3μm的尘埃粒子具有至少约99％的过滤效率。63.根据权利要求1至62中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维的第一部分和所述纤维素长丝的第一部分形成厚度为0.005mm至约10mm的第一层，并且所述基础过滤纤维的第二部分和所述纤维素长丝的第二部分形成厚度为约0.005mm至约10mm的第二层。64.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维选自木纤维、农业纤维、天然纤维、人造纤维和聚合物纤维。65.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维选自玻璃纤维、纤维素纤维、碳纤维、陶瓷纤维、二氧化硅纤维、尼龙纤维、人造丝纤维、聚烯烃纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚芳酰胺纤维、聚酰亚胺纤维和聚乳酸纤维。66.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维是玻璃纤维或木浆纤维。67.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维选自卷曲纸浆纤维。68.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维是玻璃纤维。69.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维是单分散玻璃纤维。70.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维是平均直径为约0.5至约11μm的单分散玻璃纤维。71.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维是平均直径为约4至约8μm的单分散玻璃纤维。72.根据权利要求1至63中任一项所述的过滤介质，其中所述基础过滤纤维是平均直径为约4至约6μm的单分散玻璃纤维。73.根据权利要求1至72中任一项所述的过滤介质，其中所述过滤介质具有约30至约150g/m2的克重。74.根据权利要求1至7...

【专利技术属性】
技术研发人员：F·德罗雷特，M·A·理卡德，C·鲍查德奥尔滨，N·佩吉，G·多丽丝，
申请(专利权)人：FP创新研究所，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA