含有间位芳族聚酰胺纤维和丙烯酸纤维的袋式过滤器
背景技术
1.技术领域
本发明涉及具有增强过滤性能的袋式过滤器。这种袋式过滤器在过滤热气体如温度为150℃或甚至更高的气体时尤为有用。在一种实施方式中，这种袋式过滤器在使沥青厂达到排放标准时尤为有用。
2.相关现有技术的描述
以Forsten的美国专利4,100,323中公开的为例，过滤热气用的间位芳族聚酰胺袋式过滤器已被人们所知并用于保护环境免受来自沥青厂，煤厂和其它工业方面的颗粒物的污染。由于来自这类工厂的高的、潜在环境影响，因此任何潜在提高单位重量的袋式过滤器对颗粒物的捕获的改进都是人们所期望的。
发明内容
本发明涉及一种袋式过滤器，其具有管状部分，一个封闭断和一个开放端，该管状部分具有无纺毡，其包含基于毡内间位芳族聚酰胺纤维和丙烯酸纤维的总重量的50-80重量份的间位芳族聚酰胺纤维和20-50重量份的丙烯酸纤维的精密纤维混纺物，其中丙烯酸纤维的单丝旦数等于或低于间位芳族聚酰胺纤维的单丝旦数。
附图说明
附图展示了本发明的袋式过滤器的一种实施方式。
具体实施方式
本发明涉及一种袋式过滤器，其由50-80重量份的间位芳族聚酰胺纤维和20-50重量份的丙烯酸纤维的精密纤维混纺物制成，其中丙烯酸纤维的单丝旦数等于或低于间位芳族聚酰胺纤维的单丝旦数。本发明者们出乎意料地发现某些通常被认为是不适合用于热气环境中的丙烯酸纤维能提高袋式过滤器的过滤性能。据信丙烯酸纤维与间位芳族聚酰胺纤维一同用在袋式过滤器中能够留住更多的颗粒物，而不会对袋式过滤器的力学性能产生不良影响。附图展示了本发明的过滤袋的一种实施方式。过滤袋1具有封闭端2，开放端3，和管状部4。在示例的实施方式中，该过滤袋还具有连接至袋的开放端的弹簧钢金属卡环(snap ring)5。该袋的管状部4包含搭接的过滤毡，其用三条缝缀7缝合形成接缝6。在该实施方式中的袋的封闭端也包括过滤毡，其在8处缝合到用于管状部的毡的末端。附图代表的是优选的实施方式，但过滤袋的其它可能的构造，取向，和特征也可采用，例如在编号为以下的美国专利中描述的那些：Wittemeier等人的3,524,304号专利；Hixenbaugh的4,056,374号专利；Peterson的4,310,336号专利；Reier的4,481,022号专利；Tafara的4,490,253号专利；和/或Tafara的4,585,833号专利。
在一些实施方式中，过滤袋的封闭端2如图所示为缝合到管状部上的过滤材料盘。在其它的一些实施方式中，封闭端可由一些其它的材料制成，例如在一些情况下可能需要金属封闭端。在其它的实施方式中，封闭端可采用超声波，粘合剂或热进行接合或以缝合之外的其它一些方式进行封闭。在另一种实施方式中，用于袋的管状部的毡可集合在一起或进行折叠后再封闭而形成封闭端。
在一些实施方式中，袋的开放端3可提供用于将袋连接至窝眼盘(cell plate)上的部件。在一些其它实施方式中，袋的开放端可调节大小，使得能够通过将袋滑过专门设计的窝眼盘而实现适贴配合的尺寸。
在本发明的一些实施方式中，用在管状部4中以及任选用在封闭端2中的过滤材料是无纺织物或毡。无纺织物或毡可通过传统的无纺成片工艺制成，这些工艺包括用于制备气流成网无纺布，湿法成网无纺布的工艺，或由梳理设备制成的无纺布；并且这些形成的片可通过射流喷网，水刺，针刺，或其它可产生无纺织物的工艺而压合成织物。在美国专利3,508,308和3,797,074中揭露的射流喷网法；以及在美国专利2,910,763和3,684,284中揭露的针刺法是现有技术中熟知的用来生产无纺织物和毡的传统方法的例子。
在一些优选的实施方式中，无纺毡是针刺毡。在其它一些优选的实施方式中，无纺毡是喷刺毡。毡的基重通常为每平方码约8至16盎司，在一些优选的实施方式中为每平方码12-14盎司。
在一些实施方式中，任选位于本发明过滤袋的封闭端2内的管状部4是一单层的过滤材料。在一些其它的实施方式中，管状部是用由稀松网格布(scrim)或增强布支持的过滤材料制成，这在袋脉冲期间提供稳定性。在一些优选的实施方式中，无纺毡包含用与毡内的短纤维相容的纤维制成的支持织造稀松网格布。一种类型的毡可使用标准的梳理和交叉搭接设备将短纤维转入交叉搭接的絮垫(batts)中而制作，絮垫的基重为每平方码约4-8盎司(每平方米135-270克)，优选为每平方码约6盎司(每平方米200克)。如果需要，随后例如可在标准的针刺机将絮垫粗缝或轻压合。然后，可将这些絮垫中的两层或更多层定位于基重为每平方码约1-4盎司(每平方米34-135克)，优选为每平方码约2盎司(每平方米70克)的织造稀松网格布两面的每一面上，并对两面上的三层絮垫均针刺若干次以生产过滤毡。在一些优选的实施方式中，织造稀松网格布含有聚苯硫醚纤维，间位芳族聚酰胺纤维，或它们的混合物。
在示于图中的优选的实施方式中，过滤材料搭接形成具有接缝6的过滤材料的圆筒，该接缝随后用高温细丝如具有3-6股折叠的间位芳族聚酰胺纤维，含氟聚合物纤维，玻璃纤维，或它们的组合或混纺形成的细丝缝合。在其它的实施方式中，搭接的接缝可通过超声波，粘合剂，热，或这些缝合方式的组合来封闭。
本发明的袋式过滤器的一个特征是它包含无纺毡，其含有基于毡内间位芳族聚酰胺纤维和丙烯酸纤维的总重量的50-80重量份的间位芳族聚酰胺纤维和20-50重量份的丙烯酸纤维的精密纤维混纺物。在一优选的实施方式中，精密纤维混纺物含有65-75重量份的间位芳族聚酰胺纤维。在另一优选的实施方式中，精密纤维混纺物含有25-35重量份的丙烯酸纤维。纤维在毡内以精密纤维混纺物的形式分散，这意味着间位芳族聚酰胺和丙烯酸纤维在毡内均匀地混合和分布。这就在毡内形成了均匀的混合物，从而避免了由于在毡内任何部分中的高浓度丙烯酸纤维导致的热斑或局部区域。
该精密纤维混纺物可通过传统方法形成。例如，在一种实施方式中，由纤维包获得的卷曲的短纤维团可通过如清棉机这样的设备打开，然后用任何可获得的方法如气流输送法进行混纺，从而形成更为均匀的混合物。在一种可替代的实施方式中，纤维可在清棉机中被打开之前进行混纺形成均匀的混合物。在又一种可能的实施方式中，纤维可被切割混合，即各种纤维类型的束可组合然后切成短纤维。混纺纤维随后可用如前面提及的传统方法转化为无纺织物或毡。一般来说，这包括使用如梳理机这样的装置来形成纤维网，尽管也可使用如纤维的气流成网和湿法成网之类的其它方法。如果需要的话，纤维网随后可通过传送装置送到如交叉铺网机这类装置，通过将单层网按锯齿形结构铺覆在另一层之上而产生交叉搭接的结构。
本发明的袋式过滤器的另一个特征是与间位芳族聚酰胺纤维相比，丙烯酸纤维具有相同或较低的单丝旦数或单丝的线性密度，从而提高毡内颗粒保留性和改进袋式过滤器的性能。在一些实施方式中，间位芳族聚酰胺纤维的线性密度为约1-5旦每单丝(1.1-5.5分特/单丝)，丙烯酸纤维的线性密度为约0.5-3旦每单丝(0.6-3.3分特/单丝)。在一种优选的实施方式中，间位芳族聚酰胺纤维的线性密度大于1.8旦每单丝(2.0分特/单丝)，上至约2.2旦/单丝(2.4分特/单丝)；丙烯酸纤维的线性密度从约0.9旦每单丝(1.0分特/单丝)到1.8旦/单丝(2.0分特/单丝)。用于本发明中的纤维优选具有约1.5-3.0英寸(38-76mm)的切割长度，并使之卷曲，具有每英寸约4-10个卷的卷曲频率(每厘米1.5-4个卷)。
丙烯酸聚合物的比重(约1.16)低于间位芳族聚酰胺聚合物的比重(约1.38)，因此对于相同旦数的纤维而言，丙烯酸纤维单丝的直径将大于间位芳族聚酰胺纤维的单丝的直径，且丙烯酸纤维的单位重量表面积大于间位芳族聚酰胺纤维的单位重量表面积。因此，当用具有相同单丝旦数的丙烯酸纤维和间位芳族聚酰胺纤维毡制成的袋式过滤器与用具有相同单丝旦数的单纯间位芳族聚酰胺纤维制成的袋式过滤器相比较时，袋子将具有相同的单位重量，然而丙烯酸/间位芳族聚酰胺袋式过滤器将具有更大的可捕获颗粒的纤维表面积。当丙烯酸纤维的单丝旦数低于间位芳族聚酰胺纤维时，可在单位重量的袋式过滤器内掺入更多的丙烯酸纤维，由于单丝数目的增加使得表面覆盖率增加从而也提高了过滤性能。在另一方面，当丙烯酸纤维的单丝旦数略微大于间位芳族聚酰胺纤维时，由于丙烯酸纤维具有较大的表面积，但基于单位重量必须使用较少的丙烯酸纤维，可推知由此得到的袋式过滤器的过滤性能较差。
用于本发明的丙烯酸纤维包括占总丙烯酸纤维至少85重量％的丙烯腈单元。丙烯腈单元是-(CH2-CHCN)-。丙烯酸纤维可以是由85重量％或更高的丙烯腈和15重量％或更少的可与丙烯腈发生共聚的烯烃单体组成的丙烯酸聚合物制成，或者是由两种或多种这些丙烯酸聚合物的混合物制成。可与丙烯腈发生共聚的烯烃单体的例子包括：丙烯酸、甲基丙烯酸及它们的酯(丙烯酸甲酯，丙烯酸乙酯，甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸乙酯等)，醋酸乙烯酯，氯乙烯，偏氯乙烯，丙烯酰胺，甲基丙烯酰胺，甲基丙烯腈，烯丙基磺酸，甲磺酸和苯乙烯磺酸。在美国专利3,047,455中公开了制备丙烯酸聚合物和纤维的一种示例方法。丙烯酸纤维已由包括Solutia，Inc.和Bayer Inc.在内的众多公司以商业规模进行制造；一种特别优选的丙烯酸纤维是由Pace，FL的SterlingFibers，Inc.生产的。
用于本发明的间位芳族聚酰胺纤维包括间位取向的合成芳香聚酰胺。为成形成纤维，聚合物必须具有形成纤维所需的分子量。聚合物可包括聚酰胺均聚物，共聚物，以及它们的以芳香族聚合物为主的混合物，其中至少有85％的酰胺(-CONH-)键直接连接在两个芳环上。芳环可以是未取代的或取代的。当两个环或自由基相互之间沿分子链呈间位取向时，该聚合物被称为间位芳族聚酰胺。优选共聚物含有不超过10％的其它二胺来代替用于形成聚合物的主要二胺，或者不超过10％的其它二酰氯来代替用于形成聚合物的主要二酰氯。添加剂可与芳族聚酰胺一同使用；并且已发现最多可使用13重量％的其它聚合材料与芳族聚酰胺共混或与之键连。优选的间位芳族聚酰胺是聚间苯二甲酰间苯二胺(MPD-I)以及它的共聚物。一种这样的间位芳族聚酰胺纤维是由E.I.du Pont de Nemours and Company of Wilmington，DE提供的![]()
芳族聚酰胺纤维，然而还有各种类型的间位芳族聚酰胺可供选择，它们可以如下商品名从以下各公司获得：日本东京的Teijin Ltd.的![]()
中国山东省的Yantai Spandex Co.Ltd的New![]()
间位芳族聚酰胺；和中国广东Xinhui的Guangdong Charming ChemicalCo.Ltd.的![]()
芳族聚酰胺1313。间位芳族聚酰胺本身是阻燃的，且使用多种方法进行干法和湿法纺丝；然而美国专利3,063,966；3,227,793；3,287,324；3,414,645；和5,667,743示例地给出了可用于本发明的制备间位芳族聚酰胺的可用方法。
测试方法
按照ASTM D 6830测量了过滤效率；按照ASTM D 461测量mullen顶破强度；以及按照ASTM D 5035测量断裂强度和伸长率。
实施例1
通过组合和混合来自纤维包的短纤维制得了含67重量份的单丝旦数为2(2.2分特/单丝)、切割长度为2英寸(50mm)的间位芳族聚酰胺纤维(可购自E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington DE；商品名为![]()
的纤维)和33重量份的单丝旦数为0.9(1.0分特/单丝)、切割长度为2英寸(50mm)的丙烯酸纤维(可购自SterlingFibers，Inc.)的精密纤维混纺物。使用标准的梳理和交叉搭接设备将这些纤维转变成具有约6盎司每平方码的基重(每平方米200克)的交叉搭接的絮垫，其随后在标准的针刺机上被粗缝或轻压合。将两个这样的絮垫放置在织造稀松网格布的各侧上，织造稀松网格布具有约2盎司每平方码(每平方米70克)的基重，并完全由![]()
间位芳族聚酰胺细纱构成，从每一侧上对这三层针刺数次以产生标称为14盎司每平方码(每平方米475克)的过滤毡。另制成100％的间位芳族聚酰胺毡作为对照。使用与上面相同的步骤，制成了包含两个100％的单丝旦数为2(2.2分特/单丝)、切割长度为2英寸(50mm)的![]()
间位芳族聚酰胺纤维的絮垫的三层毡，其中在相同的每平方码2盎司(每平方米70克)的织造间位芳族聚酰胺细纱稀松网格布的每一侧上放置一个絮垫。使用ASTM D6830对两个毡均进行过滤效率的评价，结果由精密混纺物制成的过滤毡的性能远远低于沥青厂的排放限制。此外，如表1所示，由混纺物制成的过滤毡的性能也强于100％的间位芳族聚酰胺结构。
表1
性质 对比 本发明
(100％的芳族聚酰胺) (67/33％芳族聚酰胺/丙烯酸)
总平均排出的颗粒浓度 1.68×10-4 1.25×10-4
(gr/dscf)
实施例2
将实施例1的毡制成长约为120英寸(305cm)、双层扁宽为7.5英寸(19cm)和卡环顶为5英寸(13cm)的过滤袋。该袋也可在接缝处具有三条缝缀。然后在脉冲喷吹袋式除尘器(bag house)中用该袋过滤沥青厂尘埃颗粒；运行约4个月后，移除袋子，袋子未出现如孔洞、破裂或磨损之类的潜在袋缺陷的可视迹象。然后对袋材料进行物理测试，结果记录于表2中。令人吃惊的是，加入较低温度的丙烯酸纤维并未对袋材料的拉伸性能产生负面影响。
表2
性质 (100％的芳族聚酰胺) 67/33％芳族聚酰胺/丙烯酸
拉伸强度(磅/英寸) 70.5 73
伸长率(％) 54 65
mullen顶破强度(psi) 436 474