生产过滤用物质的机器和方法 【发明领域】
本发明涉及流体过滤用物质，特别是(但不是排它性的)涉及薄型滤床式过滤用物质，它包括一种随机的纤维织物，在该织物中均匀分布并固定有吸收颗粒，还涉及生产这种织物的方法。
【发明背景】
对于吸收型过滤用物质，即通过吸收或吸附进行过滤颗粒状物质的过滤用物质来说，当把吸收颗粒堆积在滤床中时，可实现最大的效率和使用寿命。对于薄型滤床式过滤用物质，即从不足1/2至2英寸厚或更厚的过滤用物质来说，只需用疏松的碳颗粒填充在两层间隔设置的多孔层之间的空间即可。本文将这种过滤用物质称作“填料过滤用物质”，已由密西根州Chesterfield市的D-Mark公司及其它公司生产并出售这种过滤用物质。而形成高容量的过滤用物质时，所述颗粒会沉积，导致诸如碳粉的吸收颗粒粉末的成沟和散发。
美国专利3,019,127所披露的技术克服了散发和成沟作用，但碳的填充量很低，大约为每单位体积的织物有4％的颗粒材料。美国专利4,227,904中披露了提高碳地填充量，同时避免散发和成沟作用的方法，其中，将碳颗粒粘合在一种多孔基质的表面上，以便在该基质上形成一层颗粒。然后将两个这样的基质放在一起，使由碳覆盖的表面相对，并将一个边框固定在其边缘上，以便将该基质固定在一起。由此得到一种中度填充的制品，并已取得明显的商业成功。
最后，在美国专利5,124,177和5,338,340中披露了高度填度的薄型滤床式过滤用物质，它避免了现有产品及其生产方法的成沟作用及其它缺陷。这种过滤用物质具有3/8英寸厚的垫，其最大填充量约为90～100g/英尺2，而具有约3/4英寸厚的垫的填充量可高达300g/英尺2。这种填充量具有十分适合的压力降，采用粘辊、“驱动”和/或辊轧技术可以获得极好的粘合性，在处理和最终组装期间具有最小的散发量。从性能角度看，在生产过程中，碳未被完全密封，因此，大部分可用于首次通过吸收作用。
尽管这种过滤用物质取得了商业上的成功，但该制品并不总是含有遍及织物或垫中的颗粒均匀充填同时其密度或孔隙率在垫和垫之间可能不同或同一块垫各处不同。这并不是在上述专利中所披露的方法的缺陷，而是因为从垫的生产者那里得到的垫有所不同。现有技术并未提出解决这一问题的方案，而是提供了在垫中的均匀的颗粒填充。因此，需要一种不同的方法来制造美国专利5,338,340披露的过滤用物质，该方法能产生填充和最终过滤用物质密度的均匀性，从而加大填充量。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种具有纤维织物的流体过滤用物质，该织物上有均匀分布的吸收颗粒。
本发明的另一个目的是提供一种固定均匀分布于纤维织物中的吸收或吸附颗粒的方法。
本发明的再一个目的是提供一种制造过滤用物质的方法，在该过滤用物质中，诸如碳微粒和/或粉之类的吸收颗粒不会向下发散，一种无需碳吸收过滤层的方法。
为了满足上述目的、优点和特征，本发明提供了一种生产具有分布在其中的吸附或吸收颗粒的随机纤维织物的方法，该方法包括以下步骤：将纤维导入一股空气流中；将吸收颗粒导入该空气流中；在该空气流中混合所述颗粒和纤维；并将所述含有纤维和吸收颗粒的空气流引导至一个有孔的凝聚器上，以制成含有吸收剂的随机纤维织物。
本发明还披露了一种用含吸收剂的随机纤维织物生产薄型织物过滤用物质的方法，包括以下步骤：使吸收颗粒包含一种粘合剂；将纤维导入运动的空气流中；将所述吸收颗粒和粘合剂导入该空气流中；在该空气流中将所述吸收颗粒和粘合剂与所述纤维混合；将该空气流中的纤维、吸收颗粒和粘合剂凝聚成织物；并处理该织物内的粘合剂以利用保留在织物中的吸收颗粒。
另外，本发明披露了一种用于由一种具有第一和第二面的含吸收剂的随机纤维织物生产薄型床式过滤用物质的方法，包括以下步骤：将纤维导入一股运动的空气流中；将吸收颗粒导入该空气流中；在该空气流中混合所述吸收颗粒和纤维；将该空气流中的纤维和吸收颗粒凝聚成织物；以及处理该织物使所述吸收颗粒保留在该织物里。
本发明还披露了一种用于生产含吸收剂的随机纤维织物的机器。
披露了一种制造过滤用物质的方法，该方法通过在生产织物的同时将吸收颗粒掺入该织物或垫中。最终产品不仅具有均匀性，而且该过滤用物质还可在连续的工艺中生产，而不是先生产出织物，然后再掺入碳。如果在所述织物成型的同时混入所述吸收颗粒，即可避免所要求的几个独立的步骤。另外，通过在织物成型的同时将吸收颗粒掺入其中，可以调整吸收剂(碳或其它材料)的用量和均匀性，将其提高或降低。采用此类控制措施可以控制该过滤用物质的性能，将其用于多种产品，从“吸气器”型至HVAC，医疗、工业、汽车、航空及类似产品。
采用这种改进方法，可以对过滤用物质的起始通过效率和能力进行设计或控制，并可将不同的吸收颗粒尺寸组合在一种基质中。通过采用不同纤度的纤维可以生产出一种组合产品，该产品可以吸收或吸附气体和除去细微颗粒。
为了实现上述方法，将披露于美国专利3,194.822、3,918,126或3,972,092中的过程收作本文的参考，并做本文所坡露的改进。更具体地讲，同时参见美国专利3,972,092(以下称’092号专利)，本发明将希望出现在织物中的那种类型和大小的吸收颗粒导入空气流并向下经过导管310通过刺辊303并经导管324。在导入所述吸收颗粒后，该颗粒在所述空气流中与纤维混合，并收集在环形凝聚网状输送器326上，以形成一种由纤维随机排列而成的疏松织物，吸收颗粒均匀分布在该织物中。然后对该疏松织物进行处理，以便将这些纤维固定在一起以及固定其中的吸收颗粒。采用美国专利3,914,822披露的技术，可将多种刺辊及相应的不同纤度或长度的纤维掺入该织物中，以改变其特性和/或吸收颗粒在其中的保留量。可将不同类型和大小的吸收颗粒导入同一股空气流中，以使所形成的过滤用织物具有不同的吸收作用。
对所述织物进行处理以便将纤维固定在一起并将吸收颗粒固定在其中的方法包括：将粘合剂喷在该织物上，随后进行或不进行辊轧，或者在进入所述刺辊之前用一种粘合剂预涂所述纤维，然后通过紫外线或加热活化织物里的粘合剂。可以采用Dow熔融纤维并导入UV可硬化的粘合剂，然后固化。也可以采用针刺所述织物的方式将纤维固定在一起及并将吸收颗粒固定于其中。如果需要，可以同时采用针刺法和使用粘合剂。
附图简介
图1是美国专利3,972,092的图6所示机器的部分示意图，对其加以改进，以实施本文所披露的方法；
图2是图1所示装置的改进形式的示意图；
图3是图1或2所示装置的环形凝聚网的膨胀室或导管的详图；
图4是类似于图3，其采用了用于在纤维与吸收颗粒混合点处加速膨胀室的空气流速度的装置，以改善其混合；
图5是美国专利3,914,822的图1所示机器的部分示意图，对其加以改进，以实施本文所披露的方法；
图5A是图5所示膨胀室的详图；和
图6是图5所示装置的改进形式。
优选实施例的详述
图1是类似于美国专利3,972,092的图6的示意图，它是用于生产一种随机纤维织物W的机器的一部分。有关该机器结构和操作方面的细节应参阅上述专利。沿箭头10所示方向将生产织物用的纤维F导入导管12，该导管与一个旋转凝聚辊14相通，该辊有一个具有多孔的外圆周面，由一个部分真空装置V通过这些孔抽吸空气，以便在所述辊的外圆周面上将纤维制成垫。用一个落纱杆16将所述垫(未示出)从凝聚辊14的圆周面上除去，并由送料辊18将其输送至旋转刺辊20。刺辊的齿分离纤维，同时通过结合刺辊的高速运转产生强的离心作用，通过落纱杆24的落纱和气流26在喷口部分28中通过刺辊表面的运动使纤维从刺辊20上飘离并悬浮在该空气流中。
所述空气流包含于大致为文杜里形的导管22里，该导管基本上跨过机器宽度延伸。所述刺辊和其它辊同轴延伸。纤维在文杜里形导管的喷口部分28处进入空气流。所夹带的空气悬浮纤维随空气流一起运动进入该导管的膨胀区30，在此与横跨导管(即机器)宽度导入的吸收颗粒P混合，该吸收颗粒P是从加料斗32经一个或几个通过导管侧壁延伸的加料管34导入。如果必要，加料斗和/或加料管可以振动，以妥善导入吸收颗粒。可在加料斗底部设一个活门，以控制吸收颗粒的流速。
根据需要，所述颗粒进入导管的位置可以改变。例如，加料管可进一步向上伸入导管中，以便较为接近刺辊20，只要颗粒不会对刺辊造成有害的污染。一个活动壁36与加料管34的出口相对，它可以在38处转动，并可视需要进行定位，以改变空气流在膨胀室里的膨胀速度，从而改进纤维与吸收颗粒的混合。
在膨胀室的下端有一个环形凝聚网状输送器40，其中有一个吸力室42，它将所述空气流及其悬浮的纤维和吸收颗粒吸向网状输送器，以便在它上面形成疏松的随机纤维织物W。该织物的高度或厚度可以用披露于′092号专利中的厚度控制装置44加以控制。
可根据适当混合纤维和吸收颗粒的要求沿导管长度方向在其壁上的一个或几个合适的点处设置可调节的空气喷口或环境空气入口(见图3中的开口70)。另外，加料斗32的内部可以视需要与环境空气或超大气压力相通，或与大气压力隔离，以改变吸收颗粒向导管里的加入或控制空气与吸收颗粒进入导管。
导管的侧壁35和37可进行彼此趋近和远离的调节，以调整空气流及纤维和吸收颗粒的混合。上述壁的调整、辅助空气入口在导管壁上的位置、颗粒管或管34通过导管壁的入口点的位置均与实行吸收颗粒与纤维均匀混合的目标相关，以使最终的织物中有均匀分布的颗粒。另外，空气流流速和导入的吸收剂颗粒体积的调整可以改变所制成的织物中吸收剂的填充量。因此，在特定时间间隔内导入空气流中的吸收剂颗粒量是越大，所制成织物的填充量也越大，反之亦然。预计通过本发明方法所产生的颗粒填充量应当至少与用美国专利5,338,340的方法产生的填充量相同，从理论上讲甚至更大。
如在’092号专利中所披露的，从凝聚器42中吸出的空气可以返回空气管46，由此再经槽47排出，该槽位于具有分配网50和52的送气系统48中，空气经所述这些网进入导管22。
在实施该方法时，在填充加料斗32之前需要过筛所有的吸收颗粒，以便从机器的空气系统中除去尘粒，并与用于该装置的纤维输送侧的空气隔离，即来自所述送气系统48和环形凝聚室42的空气环流、用于在箭头10处输送纤维F的空气，以避免污染所述刺辊及其它凝聚辊14。
可用于本发明方法的碳及其它吸收颗粒为4/6或6/16目的数量级向下到20/50目颗粒。也可以采用更细的颗粒，如在300/400目范围内的粉末。就碳颗粒而言，可以采用由具有极高起始通过效率的(小碳颗粒)和具有较长使用寿命、能力和较高保留度的较大碳颗粒的混合物。
图2是大体上类似于图1的装置。为简便起见，在图2中未示出通气箱48及其网50和52。图2中带撇号的编号表示图1中相应的部件。
来自输送管46’的空气经导管60向下运动，并在空气分流器64的顶点62处分离，一部分从可调的分流器壁66与刺辊20’之间通过，同时纤维F成为悬浮状并进入混合和膨胀室。另一部分向下运动的空气流经空气分流器64与导管的相对壁65之间的颗粒截流室68，在此，吸收颗粒输送管或管34’向所述导管开口。
尽管在图2中管34’是位于大体上与空气分流器顶点相对处，但应当理解，该管可以如图3所示位于沿导管向下的位置，使其大体上与所述分流器的下端相对。通过改变空气分流器64的转动位置，可以改变截留室68的横截面以增加或降低空气的速度和吸收颗粒进入混合室30’的速度，在该混合室是它们与纤维F混合。壁66也可以绕顶点62进行转动调整，以改变跨过刺辊20’的空气速度，从而改变导入该混合室的纤维速度。
壁35’和37’可进行彼此趋近或远离的调整，以改变室30’里的混合作用。就图1所示实施例而言，纤维和吸收颗粒沉积在环形凝聚器40’上，该凝聚器由电动机M’驱动，以便形成疏松的织物W，然后处理该织物，以便将纤维固定在一起，并固定其中的吸收颗粒。
如图3的改进形式所示，可从可调节孔70将环境空气导入导管30”。在图4中示出了加速器凸起72和74，该凸起将吸收颗粒“推”入空气流中，并增加其与纤维的混合。如在’092号专利中所指出的，当纤维流向下通过混合及膨胀室时的厚度不应超过大约12～25mm，此时它接近凝聚器网40”。
在图5中示出的是美国专利3,914,822中那种类型的装置，对该装置加以改进，以便能由两种不同长度和/或纤度的纤维和/或两种不同长度和/或纤度的纤维和/或两种不同大小和/或种类的吸收颗粒制成织物。假设认为美国专利3,914,822所披露的机器中，不同的纤维经进料斜槽80和82输入机器中，该槽大致相当于该专利的导管10和12。所述纤维首先覆盖在凝聚辊84和86上，并被输送至刺辊88和90，如在上述专利中所述，在此，该纤维落纱进入空气分流器96相对两侧的空气流92和94中，然后再进入混合与膨胀室98。如果该装置被用于生产含有两种不同大小的碳颗粒的织物，将所述颗粒放进具有加料管104和106的两个料斗100和102中，如图所示，两个加料管一上、一下地通向混合室。就图1所示实施例而言，加料斗100和102以及加料管104和106可以振动，并可设置活动门，以控制进料速度并保证适当的粒度。例如，可将6/8目的颗粒加入一个料斗中，同时将20/50目的颗粒加入另一个料斗中。然后这些颗粒以任何需要的比例与纤维结合，只需控制两个料斗的加料。如上文所述，织物形成于环形凝聚器网40上，然后对该织物进行处理，以固定其纤维及织物中的颗粒。
在图5A中示出了图5的膨胀室的下端，其改进之处在于增加了空气加速凸起72’和74’，其作用类似于图4中的加速凸起。
图6是基于美国专利3,918，126的图5的一种装置，其改进之处将在下文讲述。该装置设计成混合不同大小或类型的吸收与两种不同的纤维，以制成一处均匀的无纺过滤/吸收织物。通过振动管104’和106’输送来自相关加料斗或料仓100’或102’的吸收颗粒将吸收剂加入刺辊88’和90’下面的空气流中。在80’和82’处将纤维加入机器中，送至凝聚辊84’和86’，并由此送至刺辊88’和90’，由此落入膨胀室98’，在此，它与来自加料斗100’和102’的吸收颗粒随机地混合在一起。为了加强混合并促进所得产品的均匀性，可设置加速器凸起72”和74”。另外，可对铰接于114和116处的壁110和112作彼此趋近和远离的调整，以改变夹带有纤维/吸收剂的空气流的膨胀。可将不同于进入80’和82’的纤维、或木浆或其它纤维制品由118、 120、122和124处加入刺辊88’和90’，以制成具有任何理想特性的随机纤维织物。由于该装置可采用多种多样的纤维，可易于制成能除去杂质颗粒和异味的过滤织物，例如，基于使用细目碳颗粒，结合上述过滤织物可制成单向通过的过滤用物质。过滤领域的技术人员也可以轻易做出其它改变。
126处所示假想轮廓是另一个振动管，可将其选择性地用于将不同于来自管104’和106’的吸收剂输送至混合室。来自所有导管的吸收剂不一定同时被输入混合室，而是根据待生产的过滤织物的要求选择性地进行输送。
可将各种类型的吸收剂用于本发明的方法和装置中。碳颗粒、氧化剂、沸石、由高锰酸钾浸渍的活性铝、分子筛或这些材料的有或没有碳的组合可以混合，用于特殊目的。碳和/或浸渍碳的混合物也可用于特殊目的、效率、能力或寿命。
在所述环形凝聚网40上形成织物以后，该织物极为脆弱，必需加以处理，以便将纤维固定在一起及将里面的吸收颗粒固定，以便可对其进行操作、切割并用于过滤用物质中。可以用下述几种方法将所述织物的纤维固定在一起。
根据将织物纤维固定在一起的一种方法，可以在该织物的一面喷涂粘合剂，然后进行固化箱处理，翻转织物，并在其另一面喷涂粘合剂，并再次通过同一固化箱或不同固化箱处理。喷涂技术披露于美国专利5,338,340(’340号专利)中，该专利被收作本文参考。适用于这一目的的粘合剂也披露于’340号专利中。适用于喷涂目的的粘合剂是一种PVAC-聚乙酸乙烯酯乳胶配方。这是一种含水量为50％的交联聚合物，其在325°F下在大约1分钟时间内固化。该粘合剂可自Sun chemicals的National Starch or Sequa Division获得。这是一种用于粘合无纺纤维的普通市售材料。
在第二种方法中，可以通过在生产织物之前用一种粘合剂或树脂处理纤维而将其固定在一起。适用于该方法的粘合剂的大小可以变化，从颗粒粘合剂至粉状粘合剂。在一种实施方案中可以采用基地设在俄亥俄州辛辛那提市的Quantum U.S.I.的一种产品“Microthene”。Microthene是一种干燥的聚烯烃基粘合剂，其具有20～40微米的球形颗粒，可将Microthene与吸收颗粒混合。因此，可将Microthene颗粒加入进料斗32中，并由此通过一个或几个加料管34进行运输，再由这些导管将吸收颗粒和Microthene颗粒携带至导管的膨胀部分30，在此，所述纤维将与吸收颗粒和Microthene颗粒混合。
与使用Microthene相关的优点是，通过采用这种精细、干燥的粘合剂，使粘合剂不会有像较粘稠的粘合剂那样落入底部的结果，Microthene颗粒仍象织物成型时那样随机分布在该织物里。在固化阶段，Microthene粘合于纤维织物里的吸收颗粒。干粘合剂的使用还避免了喷涂粘合剂或缝合之类的加工。总之，在生产织物期间采用干粘合剂可得到一种由吸收颗粒更均匀地固定在纤维基质内的填充织物。
在如此处理过的纤维具有吸收颗粒分布于其中形成织物之后，可通过加热、光照和/或加压的组合将纤维粘合在一起并将颗粒固定在其中，并可生产出优于通过喷涂制成的织物的成品织物或垫。即使就粘合剂的分布量而言这种类型的产品也是均匀的，并具有改善的起始通过吸收特性和较低的压力降，因为仅有碳上的粘合剂接触或粘合于纤维。
将纤维固定在一起的第四种方法是对织物进行针刺。该方法更适用于诸如20/50目的较小的碳，和诸如6-15旦尼尔的较细的纤维，因为在针穿过织物时会将所述颗粒推向一边。该方法无需使用任何粘合剂，因此，从起始吸收效率的角度看是最佳的。针刺会加大压力降，但其仍处在获得最大可能的吸收效率的可以接受的范围内。
在第五种方法中，可以将诸如披露于美国专利4,300,968(’968号专利)中的UV硬化的无溶剂预聚合粘合组合物涂在所述纤维织物上。’968号专利被收作本文参考。如’968号专利所述，一处UV预聚物粘合组合物可包括该预聚物与该预聚物的稀释剂的组合。合适的预聚物包括低分子量聚亚胺酯、聚酯或聚环氧预聚物。合适的稀释剂包括三或四功能丙烯酸单体或多功能丙烯酸低聚物。可以通过用紫外线照射处理过的纤维织物而使预聚物粘合组合物固化。
使用紫外线的优点之一是，在受到照射时该粘合剂在其原始平面上固化，因此不会发生织物脱层。因此，有利于控制粘合剂的使用。对于本发明而言，可以阶段将UV粘合剂涂在纤维织物上或在纤维织物完全成型后将其涂在该织物的外表面。在前一种情形下，由吸收颗粒和纤维组成的混合物可以分阶段落在输送器上，以便一次仅从总纤维混合物中释出一部分。在每次部分释出纤维混合物之后，涂以UV粘合剂，并立即固化。进行上述两步部分释放分级工艺，直到纤维和吸收颗粒的混合物完全落下，且UV粘合剂完全分散并固化于纤维织物中。就后一种方法而言，在该织物完全成型后，可将UV粘合剂涂在其外表面并固化，以产生额外的强度。
在另一种方法中，所述纤维可包括低熔点纤维，当其被加热而活化时具有比其它纤维低的熔化温度。在加热时，该低熔点纤维将纤维彼此粘合在一起并固定于吸收颗粒中。美国专利4,917,943披露了用于含有聚集体的纤维里的低熔点纤维，以便将球状缠结纤维混合物制成理想的形式，并将纤维粘合在一起。该低熔点纤维可以由低熔点热塑材料，如聚酯、聚乙烯和聚酰胺制成。美国专利5,301,400披露了将一种具有热粘性表面的三维无编织物用于覆盖一种纤维垫。该’400号专利提供了一种令人满意的低熔点聚酯纤维的特例，该产品由杜邦加拿大公司出售，产品代码为D1346。
本文以具体实施例形式对本发明进行了详细说明。不过，应当理解，这些实施例只是用于说明的，本发明并不受其限制。本领域技术人员很好理解，在不脱离本发明实质的前提下对本文披露的方案做出改进和改变是显而易见的。因此，这种改变和改进被视为属于本发明及以下权利要求的范围。