用于高温过滤的过滤介质和装置及方法.pdf

一种用于在过滤操作中使用的高温过滤介质(12)包括：具有物理结构并且包含大量聚合纤维的非织造织物基体(32)，其中至少一部分所述大量聚合纤维包含基础聚合物并且至少一部分所述大量聚合纤维包含第二聚合物，并且其中所述基础聚合物、第二聚合物或两者将至少一部分聚合纤维结合在一起，所述非织造织物基体(32)能在大于135℃的过滤温度下保持其物理结构。在大于135℃的过滤温度下用于制造能保持其物理结构的过滤介质(12)的方法。

权利要求书
1.  用于在高温过滤操作中使用的过滤介质(12)，包括：具有物理结构并且包含大量聚合纤维的非织造织物基体(32)，其特征在于：至少一部分所述大量聚合纤维包含基础聚合物并且至少一部分所述大量聚合纤维包含第二聚合物，通过聚合物部分将至少一部分聚合纤维结合在一起，所述聚合物部分选自基础聚合物、第二聚合物以及它们组合，所述非织造织物基体(32)能在大于135℃的过滤温度下保持物理结构。

2.  根据权利要求1所述的过滤介质(12)，其特征在于：包含基础聚合物的大量聚合纤维所述的至少一部分含有大量基础聚合物短纤维，包含第二聚合物的大量聚合纤维的所述至少一部分含有散布于所述大量基础聚合物短纤维中的大量第二聚合物短纤维。

3.  根据权利要求1所述的过滤介质(12)，其特征在于：所述大量聚合纤维包含至少一种双组分纤维，所述至少一种双组分纤维包含所述基础聚合物和所述第二聚合物。

4.  根据权利要求1所述的过滤介质(12)，其特征在于：所述基础聚合物包括聚苯硫醚、芳族聚酰胺、聚芳撑硫、聚酰亚胺、聚酰胺、玻璃或它们的组合。

5.  根据权利要求1所述的过滤介质(12)，其特征在于：所述第二聚合物包括聚醚酰亚胺、聚酰胺亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺、玻璃、氧化丙烯酸(碳)、具有玻璃转化温度大于200℃的聚合物或它们的组合。

6.  用于过滤流体流的方法，包括：将所述流体流传送通过包含非织造织物基体(32)的过滤器，所述非织造织物基体(32)具有物理结构并且包含大量聚合纤维，其特征在于：至少一部分所述大量聚合纤维含有基础聚合物并且至少一部分所述大量聚合纤维含有第二聚合物，所述基础聚合物、第二聚合物或两者都将至少一部分所述大量聚合纤维结合在一起，所述非织造织物基体(32)能在大于135℃的过滤温度下保持物理结构。

7.  用于制造在过滤操作中所用过滤介质(12)的方法包括：成形具有第一密度的非织造织物基体(32)，所述非织造织物基体(32)包含大量聚合纤维，至少一部分所述大量聚合纤维含有基础聚合物，并且至少一部分所述大量聚合纤维含有第二聚合物；
压缩所述非织造织物基体(32)以向所述非织造织物基体(32)赋予大于第一密度的第二密度；以及
将所述非织造织物基体(32)加热至结合温度以熔化至少一部分基础聚合物、至少一部分第二聚合物或两者，这样所述基础聚合物、第二聚合物或两者将至少一部分聚合纤维结合在一起，所述非织造织物基体(32)能在大于135℃的过滤温度下保持物理结构。

8.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于：包含基础聚合物的大量聚合纤维的所述至少一部分含有大量基础聚合物人造纤维，包含第二聚合物的大量聚合纤维的所述至少一部分含有散布于所述大量基础聚合物短纤维中的大量第二聚合物人造纤维。

9.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述基础聚合物包括聚苯硫醚、芳族聚酰胺、聚芳撑硫、聚酰亚胺、聚酰胺、玻璃或它们的组合。

10.  根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述第二聚合物包括聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚酰胺亚胺、聚酰胺、玻璃、氧化丙烯酸(碳)、具有玻璃转化温度大于200℃的聚合物或它们的组合。

说明书用于高温过滤的过滤介质和装置及方法
技术领域
本发明涉及过滤介质并且更特别地涉及高温过滤产品和制造高温过滤产品的方法。
背景技术
各种工业和过程，如燃烧、水泥生产和沥青生产要求高温过滤以从流体流除去不合要求的物质或从液体流捕获细小的微粒产品。在这样的工业中使用过滤装置的一个例子是袋式过滤器。多数高温过滤的应用在约135℃至200℃的工作温度下使用纤维过滤介质。传统的滤尘材料由织造介质或非织造介质制成。更新的过滤材料，包括更高表面积的打褶介质，由纺粘介质或其他非织造介质例如针刺或流体缠结非织造工艺制成。可在这些高温下使用的过滤介质包含由聚苯硫醚(PPS)(例如来自日本Osaka，Toray Fibers的Torcon或来自奥地利Lenzing，InspecFibers的Procon)或芳族聚酰胺基纤维(例如来自特拉华州Wilmington，Dupont的NOMEX)生产的介质。将要被过滤的气流的化学性质指示是否使用了PPS或芳族聚酰胺。
可以打褶过滤介质以增加有效的过滤面积而同时在滤袋室中占用相同或更少的空间。然而，必须用硬化剂树脂系统处理传统的聚合物过滤介质以赋予其所需特性，使得介质打褶并且在所要求的应用温度下保持它的形状和功能。例如，没有硬化树脂的PPS基过滤介质在高使用温度下由于PPS的90℃低玻璃转化温度(Tg)而变软并且失去打褶轮廓。这种打褶轮廓的损失致使过滤材料失效。
因此，为了在升高的工作温度下使用，注入硬化树脂到过滤基体中以增强和稳定过滤介质。通过多步的次级过程注入所述树脂到过滤介质中，其中过滤介质浸入到树脂溶液槽中，然后在烘干之前压挤以除去多余溶液。在烘干树脂之后使过滤介质变硬。
但是，传统的硬化树脂、环氧树脂或苯酚在最初烘干到纤维上时并不是完全交连或固化的。这可能使介质在随后的高压、高温处理时，包括在过滤操作时再软化，其中所述过滤介质并非完全固化并且要长达数个小时再硬化。一旦完全固化，所述过滤介质就能够经受住过滤处理。然而，在固化之前材料为软化状态时可能发生打褶塌缩或收缩，这会导致过滤介质再硬化为塌缩状态。如果在高压、高温过滤处理中使用过滤介质时发生这样的塌缩和再硬化，那么塌缩的过滤介质会变为部分或全部失效。
聚酰胺-酰亚胺(PAI)树脂以前曾经成功地用于使芳族聚酰胺过滤介质硬化。参见美国专利No.6752847，其全文在此专门引入作为参照。尽管能生产出合适硬度的高温过滤介质，但是必须使用很昂贵的树脂和复杂的多步处理。硬化树脂的成本会变得令人望而却步，因为树脂是用于制造打褶过滤介质的最昂贵的材料(根据每单位面积的重量)。假定打褶成分在相同尺寸的传统过滤袋中通常使用2.3至3倍的过滤介质的用量，那么硬化树脂的用量和成本就变得很严格。所要求的硬化树脂的用量与过滤介质的用量成正比，因此，硬化材料的成本就变得很大。
因此，需要有一种简单且节约地理想介质，它是可打褶的并且在高温过滤应用中被使用时保持硬度和功能性，以及还需要有一种用于生产这种介质的简单且节约的方法。
发明内容
本发明的一个方面是为过滤操作中的使用提供一种过滤介质，它包含具有一种物理结构的非织造织物基体并且包含大量聚合纤维，其中所述大量聚合纤维的至少一部分包含基础聚合物并且所述大量聚合纤维的至少一部分包含第二聚合物。基础聚合物、第二聚合物或两者将聚合纤维的至少一部分结合在一起。所述非织造织物基体能在大于135℃的过滤温度下保持所述物理结构。
本发明的另一个方面是构思一种生产用于在过滤操作中使用的过滤介质的方法，包括：形成具有第一密度的非织造织物基体，在其中非织造织物基体包含大量聚合纤维，并且所述大量聚合纤维的至少一部分包含基础聚合物并且所述大量聚合纤维的至少一部分包含第二聚合物，压缩非织造织物基体以向其赋予大于第一密度的第二密度，并且将非织造织物基体加热到结合温度以熔化至少一部分基础聚合物、至少一部分第二聚合物或两者。所述基础聚合物、第二聚合物或两者将至少一部分聚合纤维结合在一起。所述非织造织物基体能在大于135℃的过滤温度下保持所述物理结构。
本发明的其他目的、特征和优点将明显示于下文详细的说明书、附图和权利要求书中。
附图说明
图1A-B是根据一个实施例制造的滤筒的透视图和截面俯视图；以及
图2是根据一个实施例的实施制造过滤介质的方法所用系统的示意图。
具体实施方式
本发明涉及的方面包括能在大于135℃的过滤温度下保持物理结构的过滤介质和制造这种过滤介质的方法。特别地，本发明的一个方面是包括具有均匀硬度和热阻率特性的过滤介质，所述特性使其能在高温过滤时保持物理结构。所述过滤介质应当在长期暴露于高温下保持结构的完整性并且在流体流通过它时保持所要求的化学耐性和抗张强度。另外，过滤介质还应当在升高的温度下具有抗延展或蠕变强度并且是阻燃的。下文详细描述了过滤介质和制造过滤介质的方法的各方面内容并且在图1和图2中阐明。
滤筒10(图1A和1B)包含过滤介质12。过滤介质12包含许多褶并且通常以管状外形置于滤筒10内。所述的褶邻接内部滤网20，限定了在滤筒10的内部形成的中央通道。过滤介质12和内部滤网20对齐并且由顶盖14和底盖18固定在适当位置。保持装置16(例如，织物带)进一步加固所述滤筒。在操作中，要过滤的流体朝着滤网20移动通过过滤介质12并且进入滤筒10内的中央通道。因此，微粒贴靠着过滤介质12的外表面或在过滤介质12中被捕获。
虽然过滤介质12是打褶的和管状的，但应当认识到可以使用任何合适的过滤介质滤筒和/或保持装置的设计。在美国专利6752847中可以找到滤筒10的元件和滤筒的各种使用的进一步说明。也应当认识到在其他过滤结构中也能使用过滤介质12。
过滤介质12包含非织造织物基体。所述非织造织物基体可包含，但不局限于，粗梳非织造织物、针刺非织造织物或它们的组合。所述非织造织物基体包含大量聚合纤维。一部分聚合纤维包含基础聚合物，而另一部分聚合纤维包含第二聚合物(也称作“支撑聚合物”)。例如，非织造织物基体可包含大量基础聚合物短纤维和大量第二聚合物短纤维。可选择地，所述基体可包含双组分纤维，其中一种组分是基础聚合物，另一种组分是第二聚合物。例如，非织造织物基体可包含大量皮芯型双组分纤维或并列型双组分纤维。
所述基础聚合物可包含适用于在过滤操作温度范围约135℃至200℃下作为过滤介质使用的任何聚合物。例如，基础聚合物包含，但不局限于，聚苯硫醚(PPS)(例如来自日本Osaka，Toray的Torcon)、芳族聚酰胺(例如来自特拉华州Wilmington，Dupont的NOMEX)、聚芳撑硫、聚酰亚胺、聚酰胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺亚胺、碳、玻璃或它们的混合物或搀合物。
根据本发明至少一个方式，所述基础聚合物能与至少一部分聚合纤维结合在一起以生成相互连接的非织造网。例如，非织造织物基体在此包含基础聚合物人造纤维和第二聚合物人造纤维，所述基础聚合物人造纤维散布于所述基体内并且将基础聚合物人造纤维和第二聚合物人造纤维互相结合在一起。在其他方式中，其中非织造织物基体包含双组分纤维，可软化或熔化所述基础聚合物以将双组分纤维互相结合在一起从而形成非织造网。
在其他方式中，基础聚合物不与聚合纤维结合在一起，而是第二聚合物将聚合纤维互相结合在一起。例如，所述基础聚合物可包含没有熔点的芳族聚酰胺，并且第二聚合物可包含能够熔化以将聚合物纤维结合在一起的聚醚酰亚胺(PEI)。
在其他方式中，基础聚合物和第二聚合物都促进聚合纤维的互相结合。在下文关于制造过滤介质12的方法中将更加详细地论述基础聚合物和/或第二聚合物的受控软化和熔化将大量聚合纤维结合在一起以及基础聚合物和第二聚合物的选择。
不受理论所约束，已知在暴露于受控的温度环境之后，基础聚合物赋予硬度给过滤介质12从而使它在升高温度的过滤下在相对长的操作时间内保持它的物理结构。例如，根据本发明的特别方式，将在下文更加详细说明的形成过滤介质12的过程，使所述基础聚合物软化或熔化以将聚合纤维结合在一起，并且重新排列基础聚合物纤维的晶体结构以在高温过滤时将硬度赋予过滤介质。特别地，基础聚合物的热记忆阻止它在其标准或规定的玻璃转换温度(Tg)下充分软化并且在高温工作状态下保持其硬度。
因此，在这种方式中的基础聚合物具有热阻性质，它使非织造织物基体在相对长期的高温操作下能保持其物理结构并且保持功能性。用于在本发明这种方式中使用的一种合适的基础聚合物的例子包含，但不局限于，PPS。在其他方式中，基础聚合物在高温过滤条件下赋予硬度而不具有重新排列的聚合物结晶度。例子包括根据本发明制造的过滤介质，它含有包含芳族聚酰胺的基础聚合物。
根据本发明的特别方式，存在于非织造织物基体中的基础聚合物的含量范围约为非织造织物基体重量的60％至80％。
第二聚合物可包含适用于在过滤操作温度范围约135℃至200℃下使用的任何聚合物。这种第二聚合物在过滤介质12中提供支撑。例如，在特别方式中，第二聚合物选择为具有高玻璃转化温度(Tg)从而使第二聚合物在高温过滤时不会充分软化并且在过滤介质12中提供支撑。例如，第二聚合物的Tg可大于操作温度从而使第一聚合物和第二聚合物的结合产生的介质在操作温度下不会变软。另外，在某些方式中，第二聚合物选择为在高温过滤操作时不受任何基础聚合物软化的影响。在一种特殊的实施例中，在温度约135℃至200℃下的过滤应用操作中可使用Tg约为217℃的Ultem(来自马萨诸塞州Pittsfield，GE Plastics有限公司的一种聚醚酰亚胺基纤维)作为第二聚合物。用于本发明各方式的其他合适的第二聚合物的例子包括，但不局限于，聚醚酰亚胺(PE I)、聚酰亚胺、聚酰胺、玻璃、氧化丙烯酸(碳)、PPS、它们的混合物或搀合物，或任何Tg大于操作温度的聚合物或它们的化合物。除了在过滤介质12中提供支撑外，第二聚合物可单独，或如上文所述以及在下文更加详细说明的与基础聚合物结合，将聚合纤维互相结合在一起。
存在于非织造织物基体中的第二聚合物的含量范围约为非织造织物基体重量的20％至40％。更特别地，存在于非织造织物基体中的第二聚合物的含量范围约为非织造织物基体重量的30％至40％。
因此，由基础聚合物和/或第二聚合物向非织造织物基体赋予的强度和硬度使其在高操作温度过滤时保持其物理结构。这种物理结构的一个例子包括，但不局限于，打褶结构。
非织造织物基体的厚度可达到约2.00毫米(mm)。更特别地，非织造织物基体的厚度范围可约为0.5mm至1.50mm。仍然更特别地，非织造织物基体的厚度范围可约为0.5mm至1.00mm。
另外，根据本发明的特别方式，非织造织物基体的基本重量可约为135克每平方米(g/m2)至475g/m2。更特别地，非织造织物基体的基本重量可约为270g/m2至340g/m2。另外特别地，该非织造织物基体可具有300g/m2-340g/m2的基本重量。非织造织物基体的密度应当大于约0.35克每立方厘米(g/m3)，并且根据本发明的特别方式，更优选的密度应大于0.40克每立方厘米(g/m3)。
根据本发明的方式，非织造织物基体的空气渗透率可约为25立方英尺每分钟(cfm)至50cfm之间，非织造织物基体的孔径尺寸可约为15微米至25微米之间，并且聚合纤维的纤度可约为1.5旦尼尔至4.0旦尼尔之间。
在本发明的特别方式中，非织造织物基体的硬度根据TAPPI-T543沿纵向可约为2300毫克(mg)至4700mg之间。更特别地，非织造织物基体的硬度根据TAPPI-T543沿纵向可约为2500毫克(mg)至3500mg之间。非织造织物基体的硬度根据TAPPI-T543沿横向可约为2600毫克(mg)至6400mg之间。更特别地，非织造织物基体的硬度根据TAPPI-T543沿横向可约为3000毫克(mg)至5000mg之间。
可通过成形具有第一密度的非织造织物基体来制造过滤介质12。非织造织物基体包含大量聚合纤维，其中至少一部分所述大量聚合纤维包含基础聚合物并且至少一部分所述大量聚合纤维包含第二聚合物。随后压缩非织造织物基体以向其赋予大于第一密度的第二密度，并且将非织造织物基体加热到结合温度以熔化至少一部分基础聚合物、至少一部分第二聚合物或两者。因此，这种用于制造过滤介质12的方法包括基础聚合物将至少一部分聚合纤维结合在一起的热致密化过程。所述方法向非织造织物基体赋予必需的硬度以在温度大于135℃的过滤操作时使非织造织物基体可打褶并且坚硬。
图2是根据本发明的实施例实施用于制造过滤介质的方法所用的系统20的图示。在这个实施例中，所述方法包括在腔室22之内输送大量聚合纤维到运动空气流中。一部分聚合纤维包含基础聚合物短纤维并且另一部分聚合纤维包含第二聚合物短纤维。应认识到在其他方式中，所述大量聚合纤维可包含其他类型的纤维，例如双组分纤维。
随后聚合纤维被收集到移动的成形表面24上以形成非织造纤维垫。然后所述纤维经由梳理机26梳理形成梳理纤维网。然后所述梳理纤维网在针刺机28上被针刺以机械地使聚合纤维互相连接并且形成针刺非织造物。
接着，针刺非织造织物被夹持辊30压延以产生非织造织物基体32。这个致密化过程向所述非织造织物基体32赋予一定厚度和密度以使其适于用作过滤介质。对这些性质和其他方面的评价与上文讨论的有关过滤介质12的内容相似。如图所示，通过一组压延辊实施压延。然而应该认识到也可以使用在本技术领域中其他已知的方法来致密化所述非织造织物基体。例如，可在若干连续压延辊或S型环绕结构中压延针刺非织造织物。在替代的方式中，夹持辊30可被加热到标称温度。另外，用夹持辊30针刺非织造织物成可被点结合或面结合。
在致密化之后，所述针刺非织造织物在炉子34中被穿透结合(through-air bonded)。炉子34可包括在本技术领域中已知的任何类型的穿透结合炉。在炉子34中，热空气被驱动通过针刺非织造织物以软化或熔化至少一部分基础聚合物、至少一部分第二聚合物或两者都被软化或熔化，从而使聚合纤维结合在一起。因此，炉的温度应当设置为有效熔化至少一部分基础聚合物、至少一部分第二纤维或两者。本领域技术人员能很容易地确定所述温度和驻留时间随着纤维混合物而变化。例如一种包含Ultem第二聚合物的本发明的过滤介质12的实施例，所述炉温度可设置约为220℃至285℃之间以熔化Ultem。根据本发明特别的方式，炉的温度可设置为有效软化或熔化并且重新排列基础聚合物纤维结晶度的温度，使得到的纤维介质具有所要求的硬度。例如，基础聚合物为PPS，所述炉温度可约为260℃(500)至316℃(600)之间以将聚合纤维结合在一起并且硬化非织造织物基体32。在离开加热炉时，非织造织物基体的聚合纤维被结合在一起并且所述基体具有使其可作为过滤介质使用的均匀硬度。
特别地，非织造织物基体32可随后被打褶。非织造织物基体32的打褶包括在预热炉36中预热所述非织造织物基体以将其软化，在打褶机38中将其打褶以形成打褶过滤介质40，然后在后加热炉42中进行后加热处理。所述后加热步骤加热打褶过滤介质40并且沿机器方向施加背压以固定所述褶。在基础聚合物包含PPS并且第二聚合物包含Ultem的方式中，所述预热温度的范围可约为150℃至250℃，而后加热温度的范围可约为225℃至250℃。
即使设备20示出的是连续生产线，也应当认识到可以在分段或分开的生产线中实施所述方法的步骤。
下文用一个实例进一步说明了另一种方式，但不能以任何方式把它理解为是在本公开内容的范围上施加限制。相反，从中理解本说明之后，会明确地认识到可能必须采取可使本领域技术人员在不背离本公开内容和附加的权利要求的情况下想到的各种其他方式、改进以及等同方式。
实例
在一个实施例中，使用包含TorconTM PPS基础聚合物短纤维(来自日本Osaka，Toray)和P84聚酰亚胺第二聚合物短纤维的聚合纤维成形梳理纤维网。存在于梳理纤维网中的Torcon的含量约为梳理纤维网重量的70％。存在于梳理纤维网中的P84聚酰亚胺的含量约为梳理纤维网重量的30％。压延所述梳理纤维网，然后在270℃的温度下将其穿透结合以生产在温度范围约135℃至200℃下可作为过滤介质使用的非织造织物基体。
所述非织造织物基体的基本重量为9.5oz/yd2，渗透率约为25.6至36.5立方英尺每分钟，厚度为0.04英寸，密度为0.32g/cc，根据TAPPI-T543的纵向硬度为3556mm，以及根据TAPPI-T543的横向硬度为3733mm。
应当认识到前述内容只涉及特殊的情况并且从中可以在不背离由下述权利要求规定的本公布内容的范围的情况下做出许多改进。
零件列表
10  滤筒
12  过滤介质
14  顶盖
16  保持装置
18  底盖
20  滤网
22  腔室
24  成形表面
26  梳理机
28  针头冲压机
30  夹持辊
32  非织造织物基体
34  炉子
36  预热炉
38  打褶机
40  打褶过滤介质
42  后加热炉