高精度过滤器 【技术领域】
本发明涉及一种高精度的过滤器。更确切地说，本发明涉及一种过滤器，该过滤器与常规过滤器相比，具有高的精度、小的初始压力降和长的过滤寿命。
背景技术
近年来，在化工领域对以纤维为原料的过滤器的需求迅猛增加，这些过滤器用于除去产品或其它溶液中的、粒度约为0.2μm到几百μm的颗粒夹杂物质。
以纤维为原料的过滤器有多种特点，如它们一般是便宜的，过滤精度能够通过改变原料纤维的直径来自由改变，以及由于纤维间的孔隙部分能捕集许多颗粒物质，它们具有长的过滤寿命。然而，过滤器的某些最终用户一直强烈要求比常规过滤器具有更高过滤精度和更长过滤寿命的过滤器。
这些过滤器的性能主要是通过过滤精度、液体通过能力和过滤寿命来评价的。这里使用术语“过滤精度”是用能够被捕捉99.9％或更多的颗粒最小直径表示地，术语“液体通过能力”是用当一定量的液体流过过滤器时，过滤器的压力损失表示的。而术语“过滤寿命”是用连续过滤一个具有一定浓度的分散体系，直到所产生的压力损失值达到必须更换过滤器时所经历的时间。
一般来讲，过滤器的过滤精度越高，在许多情况下，过滤器的液体通过能力越低，过滤寿命越短。不过，即使对于高过滤精度的过滤器，也能改善其液体通过能力和过滤寿命，方法是就所用原料或介质的类型制成不均一的过滤器结构，以及改变过滤器中的纤维直径和过滤方向上的孔隙率，也就是从液体要通过过滤器的上游侧到下游侧。迄今，已提出几种改善液体通过能力和过滤寿命的方法。
第一，公开号为平7-82649的日本公开专利中揭示的方法，该方法在纤维纺丝步骤通过一种熔体喷射工艺，随着纤维通过时间来改变将要挤压的树脂的量和喷射气流的流速，从而连续改变要纺丝纤维的平均直径，然后将纤维卷绕在适当的卷绕芯上。该方法的一个优点是可以相当自由地改变形成过滤器的纤维的平均直径，但其缺点是无论是要挤压的树脂的量还是喷射气流的流速，它们改变的范围都是有限的，因而很难在过滤器的厚度方向(过滤方向)上对纤维直径作大的改变。此外，它还有一个缺点，即由于该方法的纺丝条件是连续改变的，故难以生产细旦纤维。
在公开号为平1-297113的日本公开专利中公开了一种方法，其中事先制备几种具有不同纤维直径的非织造织物，然后将这些非织造织物卷绕在一个有孔的芯上以制备过滤器。根据此方法，有可能对纤维直径作大的改变。但是，该方法也有缺点，即为了有效地进行深层过滤，将被结合的各种非织造织物的数量增加，因为纤维直径的变化必须更加温和，并因此增加了生产步骤的数目，且需要很长的时间。
再者，在公开号为昭56-49605的日本专利中公开了一种方法，其中熔化粘合人造短纤维的梳理机纤维网卷绕在卷绕芯上的同时，对该纤维网加热并施加适当的线性压力，熔体喷射非织造织物在卷绕梳理机纤维网的过程中卷绕在一起来形成过滤器。该方法的特点是在利用便宜的人造短纤维的同时，可制备这样的过滤器，其精度与熔体喷射工艺生产的过滤器的精度相当。但是，该方法也有一个缺点，即当要捕捉的颗粒直径远远小于人造短纤维的纤维直径时，小颗粒只能在插入的熔体喷射非织造织物中捕捉到，这样就缩短了过滤寿命。
发明概述
本发明的目的是提供低生产成本的过滤器，这种过滤器具有常规过滤器不能达到的高精度和长过滤寿命。
通过本专利发明者为解决上述问题而进行的不懈研究，已发现通过下述方法能够实现本发明的目的：在由非织造纤维集料组成的过滤器中排列至少两层预过滤层和一层精密过滤层；制造该预过滤层，从而使结构纤维的直径在过滤方向上变得更细；以及用非织造纤维集料制成精密过滤层，非织造纤维集料所含纤维具有比预过滤层中最小直径的纤维更小的直径，这样就完成了本发明。
本发明概述如下：
(1)由非织造纤维集料制成的一种高精度的过滤器，包括在过滤方向上排列的至少两层预过滤层和一层精密过滤层，该预过滤层是按这样的方法制成的：预过滤层中所有或部分纤维的直径在朝向过滤方向上逐渐变小，精密过滤层包括一个或多个非织造纤维集料的堆积层，在这一个或多个非织造纤维集料的堆积层中，重量百分比为10％或更多纤维的直径小于预过滤层中最小直径纤维的直径。
(2)在上一段(1)中所述的高精度过滤器，其中预过滤层由非织造纤维集料组成，该非织造纤维集料包含至少一种选自一组包含聚烯烃纤维和聚酯纤维的纤维。
(3)在上面段落(1)或(2)中所述的高精度过滤器，其中预过滤层包含通过一种熔体喷射工艺制备的非织造纤维集料。
(4)在上面段落(1)到(3)中所述的高精度过滤器，其中预过滤层的非织造纤维集料中的纤维包含一种高熔点组分和一种低熔点组分，高熔点组分和低熔点组分的熔点差为10℃或更多，预过滤层中所含低熔点组分的重量百分比为10％到90％。
(5)在上面段落(4)中所述的高精度过滤器，其中预过滤层的非织造纤维集料纤维是复合纤维，它包含一种高熔点组分和一种低熔点组分，二者的熔点差为10℃或更多。
(6)在上面段落(4)中所述的高精度过滤器，其中预过滤层的非织造纤维集料是一种高熔点组分超细纤维和一种低熔点组分超细纤维的混合物，两种组分的熔点差为10℃或更多。
(7)在上面段落(1)到(6)中任一段所述的高精度过滤器，其中预过滤层的非织造纤维集料中的纤维的最小直径和最大直径之比为1∶2到1∶10。
(8)在上面段落(1)到(7)中任一段所述的高精度过滤器，其中精密过滤层的非织造纤维集料中的纤维直径与预过滤层中纤维的最小直径之比为1∶1到1∶20，精密过滤层中含有直径小于预过滤层中纤维的最小直径的纤维。
(9)在上面段落(1)到(8)中任一段所述的高精度过滤器，其中精密过滤层的非织造纤维集料具有45％到97％的孔隙率，精密过滤层含有直径小于预过滤层中最小直径纤维的直径的纤维。
(10)在上面段落(1)到(9)中任一段所述的高精度过滤器，其中精密过滤层的非织造纤维集料是通过一种熔体喷射工艺制备的，精密过滤层含有直径小于预过滤层中最小直径纤维的直径的纤维。
(11)在上面段落(1)到(9)中任一段所述的高精度过滤器，其中精密过滤层的非织造纤维集料包含玻璃纤维，精密过滤层含有直径小于预过滤层中最小直径纤维的直径的纤维。
(12)在上面段落(1)到(11)中任一段所述的高精度过滤器，其中该过滤器的形状是圆柱形的。
附图简述
图1是本发明的圆柱形过滤器的局部剖开的透视图。
图2是本发明的平板形过滤器的剖开的透视图。
图3是显示图1或图2所示过滤器中从上游到下游在A-B截面处纤维直径变化模式的示意图。
在图1和图2中，标号1表示多孔支承圆柱体，2表示支承层，3表示精密过滤层，4表示预过滤层，5a和5b表示端盖，6a和6b表示平垫片，7表示膜，而实线A-B则表示连接上游极端位置和下游极端位置的线的例子。
在图3中，符号x表示预过滤层，y表示精密过滤层，z表示支承层，A表示最上游侧，B表示最下游侧。
实现本发明的最佳模式
作为在本发明中使用的形成非织造纤维集料的纤维组分，可使用热塑性树脂，比如聚酰胺、聚酯、低熔点共聚酯、聚苯乙烯、聚氨酯弹性体、聚酯弹性体、聚丙烯、聚乙烯、以及聚丙烯共聚物(例如，丙烯作为主要组分与乙烯、丁烯-1、4-甲基戊烯-1等等的二元或三元共聚物)。特别从价格、耐水性和耐化学性的角度考虑，最好使用聚丙烯和聚酯。此外，玻璃纤维可用于精密过滤层。
下面对作为本发明过滤器一部分的预过滤层进行解释。
在形成本发明过滤器的过滤器介质的多层中，预过滤层排列在液体过滤方向的最上游位置，而预过滤层的排列是为了捕捉液体中的较大颗粒。用于制备预过滤层的材料是非织造纤维集料，其中一部分或所有纤维的直径在过滤方向上逐渐变小，而预过滤层的形状最好是网状、非织造织物或者滤纸状。因为在过滤方向上，非织造纤维集料的纤维直径逐渐减小，在模制后过滤器中形成预过滤层的纤维直径也是逐渐减小的。为了有效地改变纤维直径，熔融纺丝工艺是获得制备预过滤层的非织造纤维集料的优选纺丝方法。这是因为在熔融纺丝工艺中，通过改变待挤压树脂的量和拉伸比，很容易连续改变待纺丝纤维的直径。作为这种可以连续改变纤维直径的熔融纺丝工艺的例子，可采用普通熔融纺丝工艺、纺粘工艺和熔体喷射工艺。
为了通过普通熔融纺丝工艺获得其中纤维直径连续改变的纤维网，待挤压树脂的量是连续变化的，且这样形成的纤维要被拉伸、切割，然后进入梳理机。这样就获得了短纤维网，其中纤维的直径在梳理机方向或纵向上是变化的。作为另一种方法，通过采用纺粘工艺和连续改变工艺中所用的拉力可获得纤维直径连续改变的纺粘纤维网。
制备形成预过滤层的非织造纤维集料的特别有效的纺丝方法是熔体喷射工艺。作为该工艺，可以采用诸如公开号为平7-98131的日本专利中揭示的已知工艺。熔体喷射工艺是这样一种工艺，其中熔融的热塑性树脂从喷丝孔挤压出来，喷丝孔排列在纵向的机械方向上，通过高温、高速从喷丝孔周围吹出的气流使熔融的热塑性树脂喷射到一个收集传送器网或转动圆柱形卷筒上，从而获得超细纤维网。平均纤维直径在纵向上变化的超细纤维网适合于作为制备预过滤层的非织造纤维集料，通过在此阶段连续改变纺丝条件如待挤压树脂的量和喷吹气流的喷射速度可获得超细纤维网。特别是优选连续改变喷吹气流喷射速度的工艺，因为能在不改变纤维网的METSUKE(基本重量)的情况下改变纤维的直径。
形成预过滤层的非织造纤维集料包括一种高熔点的树脂组分和另一种低熔点的树脂组分，二者熔点相差10℃或更多。作为非织造纤维集料中排列高熔点组分和低熔点组分的方法，构成非织造纤维集料的纤维可以制备成复合纤维的形状，该复合纤维包括一种高熔点的树脂和一种低熔点的树脂；高熔点树脂纤维和低熔点树脂纤维可以在纺丝步骤混合；或者高熔点树脂纤维和低熔点树脂纤维可以在纺丝之后混合。依据高熔点组分和低熔点组分的总量，在预过滤层中低熔点组分的混合重量百分比通常为10％到90％，优选为20％到70％，更好为30％到50％，因为当这样的预过滤层制成过滤器时能获得卓越的强度和形状保持。当低熔点组分的重量百分比小于10％时，就会形成许多绒毛，而且即使对纤维网进行热处理，其强度也会降低，因为纤维的粘附点数目小，这样就失去了使用低熔点组分的意义。相反地，当低熔点组分的重量百分比超过90％时，由于热处理而失去纤维形状的低熔点组分部分地充填了纤维间的孔隙，或者使孔隙直径变大，这样就导致了过滤能力的降低。作为低熔点组分和高熔点组分结合的实例，可使用聚乙烯/聚丙烯、丙烯共聚物/聚丙烯、低熔点共聚酯/聚酯及聚乙烯/聚酯。其中，丙烯共聚物/聚丙烯或者低熔点共聚酯/聚酯的组合是优选的，因为通过热处理能在纤维间形成强的结合力，这样就可获得具有高强度的过滤器。
下面对作为本发明过滤器一部分的精密过滤层进行解释。
在形成本发明过滤器的过滤介质中，精密过滤层位于预过滤层的下游侧，用来捕集预过滤层不能捕捉的微小颗粒。精密过滤层包含一个或多个非织造纤维集料的堆积层，其形状如非织造织物和滤纸。
通过本专利发明者不懈地研究，已发现纤维直径和形成精密过滤层的非织造纤维集料的孔隙率在改善本发明过滤器的性能方面有大的作用。
精密过滤层可以是一层非织造纤维集料，也可以是两种或多种非织造纤维集料交替堆积的多层。但是，在形成精密过滤层的非织造纤维集料的纤维中，至少有重量百分比为10％的纤维必须具有小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径。当这一百分比低于10％时，就会有这样的危险：通过预过滤层未被捕捉的大部分颗粒即使用精密过滤层也不能捕捉。
包含在精密过滤层中的非织造纤维集料的孔隙率通常为45％到97％，优选为55％到85％，更好为55％到65％。在该孔隙率小于45％的情况下，当它用作过滤器时，压力损失就会变大，且由于没有足够的空间来保持丝饼而缩短过滤寿命。相反，在该孔隙率高于97％的情况下，当用于过滤器时，有时会失去足够的压力阻力和形状保持效果。
依据预期的过滤精度，能够决定包含在精密过滤层的非织造纤维集料中的纤维直径，该直径小于具有最小直径纤维的直径。确切地说，首先，形成精密过滤层的非织造纤维集料的纤维直径为预期过滤精度(单位：μm)的0.5到5倍是合适的，优选为0.8到3倍。当纤维直径小于目标过滤精度的0.5倍时，它势必要显著增加孔隙率，因而压力阻力将会变低。而当纤维直径大于目标过滤精度的5倍时，它势必要显著降低孔隙率，因而将缩短过滤寿命。在这一方面，当具有非圆形截面的纤维用作材料时，纤维直径可能相当大，因为捕捉效率高于具有圆形截面的纤维。
其次，预过滤层中纤维的最小直径约为包含在精密过滤层中的纤维直径的1.1到20倍是适当的，该直径要小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径。当这一比率小于1.1倍时，使用精密过滤层就失去了其意义，但当这一比率超过20倍时，许多颗粒将充填在精密过滤层中，这样，由于用预过滤层不可能捕捉足够量的颗粒，有时就会缩短过滤寿命。
作为制备包含在精密过滤层中纤维的方法，该纤维具有小于预过滤层中最小直径纤维的直径，可以采用裂膜纤维的工艺、玻璃纤维的工艺、熔体喷射工艺和纺粘工艺。在这些工艺中，最好采用熔体喷射方法和使用玻璃纤维的方法，特别是当预期的过滤精度低于5μm时。
精密过滤层的非织造纤维集料中重量百分比为10％或更多的纤维其直径要小于预过滤层中具有最小直径纤维的直径，之所以这样决定的理由是仅靠预过滤层难以形成在过滤方向上纤维直径逐渐减小的纤维集料。即，因为在本发明中当预过滤层制备好后，采用了一种特殊的纺丝工艺，其中结构纤维的直径是连续变化的，故难以在一定的范围降低预过滤层中的最小纤维直径。例如，当使用熔体喷射工艺通过连续改变纺丝条件，诸如待挤压树脂的量和喷吹气流的喷射速度，来改变预过滤层中纤维集料中纤维的直径时，必需在适合预过滤层中具有最大直径纤维的相对低的温度下传导纺丝。然而，当在低的纺丝温度下过多地增加喷吹气流，或者当过多地减少待挤压树脂的量时，就会形成飞花(纤维屑飞出而未收集在收集传送网上)，因而会出现这样的现象，以致于不能获得包含具有期望最小直径的纤维的非织造纤维集料。即使当采用其它熔融纺丝工艺时，也会出现这样的问题。所以，难以把预过滤层中具有最小直径的纤维的直径减小到小于2μm。根据本发明，除了预过滤层以外，通过排列精密过滤层能够实现期望的精密过滤，该精密过滤层由非织造纤维集料组成，其中包含重量百分比为10％或更多的纤维，其直径小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径。当通过熔体喷射或其它工艺制备预过滤层时，有必要采用超细旦丝的非织造纤维集料，比如熔体喷射非织造织物或玻璃纤维非织造织物，甚至在精密过滤层中包含的非织造纤维集料，并且具有直径小于预过滤层中最小直径纤维的直径。
通常，熔体喷射非织造织物或玻璃纤维非织造织物的纤维直径都不是恒定的，而是分布在一定的范围内，而且在这些非织造织物的情况下，过滤精度主要是通过它们的平均纤维直径和孔隙率来决定的。所以，在下文描述熔体喷射非织造织物或玻璃纤维非织造织物的纤维直径时，除非另有说明，术语“纤维直径”都是指平均纤维直径。当采用熔体喷射非织造织物时，通过选择纺丝条件有可能将平均纤维直径控制在0.5到40μm之间。当使用玻璃纤维非织造织物时，平均纤维直径可控制在0.1到30μm之间。通过使用砑光辊或类似机械来压缩这些非织造织物可将这些非织造织物的孔隙率调节到适当的值。
由于在树脂纺丝时熔体喷射非织造织物的孔隙率一般约为80％到95％，故可通过适当的处理方法使精密过滤层非织造纤维集料的孔隙率达到所希望的值，精密过滤层所含有直径小于预过滤层中具有最小直径纤维的直径的纤维。在这样的情况下，形成预过滤层的非织造纤维集料和精密过滤层的非织造纤维集料可用分开的步骤制备，精密过滤层含有直径小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径的纤维。
该处理方法没有特别的限制，压实处理可作为一种例子。砑光辊的表面形状最好为平滑的。尽管也可用具有适当形状的压纹辊，但如果不是为了特殊的目的，比如增强非织造织物的目的，最好还是使用平轧辊，因为用压纹方式压缩过的部分不能通过液体。砑光辊的温度依赖于非织造纤维集料的原料，但一般低于非织造纤维集料的熔点(在复合材料的情况下低熔点组分的熔点)10℃到60℃是合适的。当这一温度差小于10℃时，树脂就有可能熔化而粘到辊的表面上。相反，当这一温度差大于60℃时，压实处理有时就失去了其意义，因为不能固定压实条件。
此外，通过压实处理调节精密过滤层非织造纤维集料的孔隙率，有可能给予预过滤层和精密过滤层之间一个可选择的表观密度差，精密过滤层含有直径小于预过滤层中具有最小直径纤维的直径的纤维。这里使用的“表观密度”术语是指一部分过滤器材料的重量除以该部分(包括其中的孔隙)的体积所得到的值。通过给予这样一个表观密度差，可有效地增强预过滤层捕捉相对大颗粒的功能。尽管在本发明的过滤器中，精密过滤层的孔隙率可以大于预过滤层的孔隙率，但是当前者小于后者时，上述预过滤层的功能会获得更大的增强。更好的情况是，预过滤层的孔隙率为55％到90％，而预过滤层的孔隙率(％)减去精密过滤层的孔隙率(％)所得值在5％到45％之间。当该孔隙率的差值小于5％时，就没有多大作用。尽管随着该孔隙率差值的增加，预过滤层的作用会变大，但当此值超过45％时，预过滤层的强度就会变得不够，因此必需把预过滤层的孔隙率增加到90％以上。
下面对本发明的过滤器中需要使用的支承层给出解释。
在形成本发明过滤器的过滤介质中，支承层排列在紧挨着精密过滤层的下游处，以保持精密过滤层的形状并防止过滤器介质从精密过滤层脱落。然而，当精密过滤层具有足够的形状保持能力时，当合适的支承体用于保持精密过滤层的形状时，或者当过滤器介质根本不可能从精密过滤层脱落时，就可不用该支承层。作为形成支承层的非织造纤维集料，可以使用与上文所述形成预过滤层一样的非织造纤维集料，也可使用诸如纺粘非织造织物这样的具有较高强度的非织造纤维集料。
现在解释通过配合使用这些介质形成本发明过滤器的方法。图1所示为成型过滤器的实例。图1(a)和(b)是圆柱形过滤器的实例。图2是平板形过滤器的实例。本发明的过滤器不必局限于这些实例中，只要该过滤器包括一个预过滤层，其中结构纤维的直径是从上游侧到下游侧逐渐减小的，和一个精密过滤层，该层包含有直径小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径的纤维。
下面参照附图更详细地描述本发明。
图1(a)和(b)分别是显示本发明实例的圆柱形过滤器的局部剖开的透视图。同样，图2是平板形过滤器的局部剖开的透视图。图1(a)所示过滤器包括用多孔支承圆柱筒1支承的支承层2、置于支承层2上的精密过滤层3、置于精密过滤层3外面的预过滤层4、以及端盖5a和5b用于密封圆柱形过滤器的两端部。在图1(b)所示过滤器中，没有使用图1(a)所示过滤器中使用的多孔支承圆柱筒1，支承层2变成了一个厚层，而且提供了平垫片6a和6b。图2所示的过滤器包含平板形支承层2、置于支承层2上的精密过滤层3、置于精密过滤层3上的预过滤层4、以及膜7用于密封边缘面。
为了制备图1(a)所示的圆柱形过滤器，首先，用于加强目的的非织造纤维板围绕在多孔支承圆柱筒1周围以形成支承层2。上述用于加强目的的非织造纤维板的作用是防止过滤器介质从精密过滤层3脱落，作为其材料，优选使用纺粘非织造织物及类似的材料。当过滤器介质根本不可能从精密过滤层3脱落时，可不用该非织造纤维板。其次，非织造纤维集料至少缠绕1.5次以形成精密过滤层3，该非织造纤维集料含有直径小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径的纤维，且是在形成精密过滤层3之前制备的。与此同时，可以将一适当的隔离物同时缠绕在一起，以改善液体的通过能力。这种隔离物的形状没有特别的限制，可以使用各种材料，比如针织品、网状物、和针刺板。接下来，作为形成预过滤层材料而事先制备的非织造纤维集料缠绕在上面以形成预过滤层4，该过滤层中的纤维直径从上游侧到下游侧是连续减小的。此后，端盖5a和5b粘接到两端以防止液体从端部流出，并用一个壳提高密封粘着性能，这样就完成了本发明的一个过滤器的生产。
为了制备图1(b)所示的圆柱形过滤器，可采用公开号为昭56-49605的日本专利中公开的方法。在此情况下，由热熔粘附纤维制成的非织造纤维集料用作形成预过滤层4的非织造纤维集料。例如，可使用由高熔点树脂和低熔点树脂组成的非织造纤维集料，两种树脂的熔点差大于10℃。这种非织造纤维集料用作为预过滤层4的材料的同时，也用作为支承层的材料。首先，形成精密过滤层4的非织造纤维集料在事先加热到高于非织造纤维集料的热熔化粘附温度的温度，然后围绕适当的卷绕芯以形成支承层2。此后，具有与预过滤层4的非织造纤维集料相同宽度的非织造纤维集料与形成预过滤层4的非织造纤维集料缠绕在一起，以致缠绕次数至少为1.5，从而形成精密过滤层3。形成精密过滤层3的非织造纤维集料是事先制备的，它含有直径小于预过滤层中具有最小直径纤维的直径的纤维，然后只要在其上依次缠绕形成预过滤层的非织造纤维集料就可形成预过滤层4，在预过滤层4中，纤维直径在过滤方向上是逐渐减小的。当形成精密过滤层3的非织造纤维集料的缠绕次数小于1.5时，由于精密过滤层的厚度小而几乎不能获得足够的过滤精度。形成精密过滤层3的非织造纤维集料缠绕的地方就是这样的位置，此处预过滤层4的厚度与支承层的厚度之比(预过滤层的厚度/支承层的厚度)为0.5到4，优选为0.7到4。当预过滤层的厚度是支承层的厚度4倍以上时，支承层就没有足够的强度。另一方面，当小于0.5倍时，预过滤层的集聚作用就变得小了，这样就难以延长过滤器的过滤寿命。接下来，将它们冷却，抽出卷绕芯，然后将平垫片6a和6b装在两端，以完成本发明的一个过滤器的生产。
为了制造图2所示的平板形过滤器，包含一种高熔点树脂和一种低熔点树脂，二者熔点差为10℃或更多的非织造纤维集料用作形成预过滤层4的非织造纤维集料。这一非织造纤维集料加热到熔化粘附温度或更高温度之后折叠起来以形成支承层2。在该支承层2上，堆积至少一种具有与形成预过滤层4的非织造纤维集料相同宽度的非织造纤维集料以形成精密过滤层3。接下来，只有形成预过滤层4的非织造纤维集料堆积在上述精密过滤层上以形成预过滤层。然后将膜7粘贴到壁面上以防止液体的涌出。
下面介绍本发明过滤器的纤维直径设计。本发明人发现，预过滤层的纤维直径设计是决定本发明过滤器的液体通过能力和过滤寿命的一个特别重要的因素。
首先，预过滤层4中最大纤维直径与最小纤维直径之比(最大纤维直径/最小纤维直径)为2或更大时都是有效的，而优选比率为3或更大，进一步优选为4或更大，因为很多时候原液(待过滤液体)中颗粒尺寸一般分布范围都很大。不过，该比率一般低于20，优选为低于10，因为即使当该比率的变化超出必要的范围，捕捉具有与纤维直径相应粒度颗粒的层也变薄了，它反过来使有效进行深层过滤变得不可能了。
当预过滤层中的最大纤维直径与包含在精密过滤层中的非织造纤维集料的纤维直径之比(预过滤层中的最大纤维直径/非织造纤维集料中的纤维直径，该直径小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径)在2.2到200的范围时，可获得更有效的过滤，其中精密过滤层中纤维的直径小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径。当这一比值小于2.2时，过滤寿命就会缩短，因为它不足以给出纤维直径的变化，而且在充分利用精密过滤层之前，颗粒就填满了预过滤层的孔隙。此外，当该比率超过200时，依据不同的液体，捕捉具有与纤维直径相应粒度的颗粒的层就变薄了，它反过来使有效进行深层过滤变得不可能了。
下面介绍本发明的过滤器中液体流动方向上纤维直径的变化模式。
图3是显示过滤方向上纤维直径变化模式实例的示意图。即在诸如图1或图2所示过滤器的截面上从上游到下游在A和B之间的层。尽管当两种或多种非织造纤维集料是交替堆积时，精密过滤层y中纤维的直径变得不连续了，作为典型值，这里还是标出了包含在精密过滤层中的非织造纤维集料的纤维直径，精密过滤层中非织造纤维集料的纤维直径小于预过滤层中具有最小直径的纤维的直径。
图3(a)显示一个过滤器中给出的纤维直径变化的标准模式，它可以用于广泛的过滤领域。即，预过滤层x从最大纤维直径开始，且该纤维直径向着下游方向直线减小。在接近下游侧的位置，排列着精密过滤层y。尽管支承层z的排列位置更接近于精密过滤层的下游侧，但当过滤器介质根本不可能从精密过滤层脱落时，就可不用该支承层。
当支承层排列在下游侧以保持精密过滤层的形状时，优选按图3(b)或(c)进行布置。即，与过滤器的总厚度相比，配置具有足够厚度的支承层z用于保持过滤器的形状。由于支承层z对颗粒的捕捉几乎没有贡献，故它最好由如图(b)所示大直径的纤维制成，以增加液体通过能力。相反，在连续制备的非织造纤维集料用于过滤层x和支承层z，而不是按图c所示设计模式的情况下，由于可通过逐渐改变纺丝条件来改变纤维直径，故产生了一个优点，即能够更容易地制备这些层。
精密过滤层y不必设置在预过滤层中具有最小的纤维直径的那部分的下游侧，例如，它可以在具有最小纤维直径的该部分的上游侧，如图3(d)所示。然而，由于在此情况下预过滤层x中最小纤维直径和精密过滤层y的纤维直径之差增大了，故采用这样的设计仅限于有特殊原因，如保持强度的情况。
此外，当原液中含有许多大颗粒时，最好是相对增加上游侧的纤维直径，如图3(e)所示。这是因为这样的过滤器在上游侧有许多捕捉大颗粒的空间，因而在进行过滤时大颗粒不会堵塞过滤器表面。
再者，当原液中含有许多小颗粒时，最好是增加预过滤层中具有最小纤维直径部分的厚度，如图3(f)所示。采用这一模式可延长过滤寿命，因为预过滤层x能够保持原液中更多的相对小的颗粒，这样就减少了精密过滤层y的负荷。
实施例
现在，将参照实例对本发明进行更具体的描述。不过应当理解，本发明并不受这些具体实施例的限制。测定实施例中纤维和过滤器的物理性能的定义和方法如下：〖纤维直径〗
对于人造短纤维，纤维直径是从基于校正重量的细度得到的。对于熔体喷射非织造织物、纺粘非织造织物和玻璃纤维非织造织物，从电子显微镜拍摄的图片中随机选取100根纤维，这些纤维直径的算术平均值就作为平均纤维直径。对于熔体喷射非织造织物、纺粘非织造织物和玻璃纤维非织造织物，除非另有规定，“纤维直径”都是指这一平均纤维直径。〖过滤精度〗
一个过滤器置于循环型过滤器性能测试仪的测试室中，用一个泵使水从50升的水槽中循环通过过滤器。将流量调节到101/min后，测试基本物理性能的标准粉末，即空气净化器精细测试粉末(缩写为ACFTD；平均直径：6.6到8.6μm)作为测试粉末以1mg/min的速率连续地加入到水槽中，原液和滤液在加入粉末开始后5分钟取样，然后用光散射型颗粒探测器计算每种液体中颗粒的粒度分布。利用颗粒粒度分布的测定结果计算出过滤器捕捉的颗粒数目比作为捕捉效率，然后将捕捉效率为99.9％的颗粒直径作为该过滤器的过滤精度。〖初始压力损失、过滤寿命、和耐压强度〗
一个过滤器置于上文所述循环型过滤器性能测试仪的测试室中，水以101/min的流量循环通过过滤器。工业测试粉末JIS 16以400mg/min的速率连续加入到水中，测定基侧面和次级侧面的压力并记录压力损失的变化。直到过滤器的压力损失达到2kg/cm2时所经历的时间作为过滤寿命。粉末加入之前过滤器的压力损失就作为初始压力损失。
继续加入上述粉末，当过滤器的压力损失达到10kg/cm2时，或者过滤器被损坏时的压力损失就作为耐压强度。
实例1
作为形成预过滤层的非织造纤维集料，制备了一种熔体喷射非织造织物，它包含丙烯共聚物纤维(熔点140℃)和聚丙烯纤维(熔点165℃)的混合物，混合重量比为5∶5，METSUKE50g/m2，厚度500μm。通过逐渐增加喷吹气流的量使纤维直径从15μm变到2μm，然后在2μm的状态下保持一段时间，再通过减少喷吹气流的量使纤维直径从2μm变到15μm。
作为形成精密过滤层的非织造纤维集料，制备了一种熔体喷射非织造织物，它包含平均直径为1μm的聚丙烯纤维，其具有METSUKE 75g/m2，厚度500μm；该织物在120℃的温度下用平滑滚筒压实，以形成包括平均直径为1μm的聚丙烯纤维，METSUKE为75g/m2，厚度为200μm的熔喷非织造织物。
接着，用于形成预过滤层的非织造纤维集料加热到150℃，在加热熔化的同时，卷绕在一个直径为30mm的金属芯上，直到平均纤维直径变为最小，从而形成厚度为5mm的支承层。然后，形成精密过滤层的非织造纤维集料与形成预过滤层的非织造纤维集料一起卷绕，以致形成精密过滤层的非织造纤维集料卷绕7次，以形成厚度为2mm的精密过滤层。接下来，仅缠绕用于预过滤层的非织造纤维集料以形成厚度为13mm的预过滤层，从而制备一个外径为70mm、内径为30mm、长度为245mm的圆柱形过滤器。该过滤器中纤维直径的变化是按图3(c)所示的模式控制的。该过滤器的两端部都用一个平垫片(通过将起泡率为3倍、厚度为3mm的泡沫化聚乙烯切割成环形形状而制备)密封，从而使总长度变成250mm。对于平垫片与过滤器的粘附，采用了热熔化粘附方法。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例2
作为形成预过滤层的非织造纤维集料，使用与实例1相同的非织造纤维集料。作为形成精密过滤层的非织造纤维集料，采用了包含聚丙烯纤维的熔体喷射非织造织物，它具有25g/m2的METSUKE、500μm的厚度、和1μm的平均直径。该织物用与实例1相同的方法制成圆柱形过滤器，该过滤器外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例3
作为形成预过滤层的非织造纤维集料，使用与实例1相同的非织造纤维集料。作为形成精密过滤层的非织造纤维集料，采用了玻璃纤维非织造织物，它具有150g/m2的METSUKE、1000μm的厚度、和0.7μm的平均直径。该织物用与实例1相同的方法模压成圆柱形过滤器，该过滤器外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例4
作为形成预过滤层的非织造纤维集料，制备了一种熔体喷射非织造织物，它包含丙烯共聚物纤维(熔点140℃)和聚丙烯纤维(熔点165℃)的混合物，其混合重量比为5∶5，METSUKE为50g/m2，厚度为500μm。通过逐渐增加喷吹气流的量使纤维直径从20μm变到3μm，然后在3μm的状态下保持一段时间，再通过减少喷吹气流的量使纤维直径从3μm变到1 5μm。
作为形成精密过滤层的非织造纤维集料，制备了一种由聚丙烯纤维组成的熔体喷射非织造织物，它具有25g/m2的METSUKE、500μm的厚度，所含纤维的平均直径为1μm。这些织物用与实例1相同的方法制成圆柱形过滤器，该过滤器外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例5
作为形成预过滤层的非织造纤维集料和形成精密过滤层的非织造纤维集料，都使用与实例4相同的非织造纤维集料。首先，形成预过滤层的非织造纤维集料水平堆积至厚度为5mm。接着堆积7片形成精密过滤层的非织造纤维集料以形成厚度为1.5mm的精密过滤层。然后，仅在其上堆积形成预过滤层的非织造纤维集料，厚度为13mm。该堆积产品用热空气干燥器加热到150℃，冷却后切割成面积为0.05m2的块。然后，通过加热粘附方法将厚度为0.5mm的低密度聚乙烯膜粘附到该块的侧面以封上它们，这样就制备了一个平板形的过滤器。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例6
作为形成预过滤层的非织造纤维集料，制备了包含聚丙烯纤维(熔点165℃)的一种熔体喷射非织造织物，它具有METSUKE50g/m2，厚度500μm。通过逐渐增加喷吹气流的量使纤维直径从15μm变到2μm。
作为形成精密过滤层的非织造纤维集料，制备了一种熔体喷射非织造织物，它包含平均直径为1μm的聚丙烯纤维，其METSUKE为75g/m2，厚度为200μm。
具有长度为15cm、METSUKE为30g/m2、厚度为300μm、和平均纤维直径为25μm的纺粘非织造纤维集料围绕在直径30mm和长度240mm的多孔支承圆柱筒上，再按上述方法在其上连续缠绕7次具有METSUKE为75g/m2、厚度为200μm、和平均纤维直径为1μm的聚丙烯熔体喷射非织造织物，然后，熔体喷射非织造织物的聚丙烯纤维(熔点165℃)的直径通过逐渐增加喷吹气流的量从15μm变化到2μm、具有METSUKE为50g/m2、厚度为500μm、包含聚丙烯纤维(熔点165℃)的熔体喷射非织造织物按上述方法连续缠绕到厚度为18mm以制备外径为70mm、内径为30mm、长度为245mm的圆柱形过滤器。因此，过滤器中纤维直径的变化是按照图3(a)所示模式进行调节的。在此过滤器的两端，用热熔化粘附方法粘附上端盖，从而使过滤器的总长度为250mm。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例7
作为形成预过滤层的非织造纤维集料，制备了由丙烯共聚物(熔点140℃)和聚丙烯(熔点165℃)组成的并列型复合纤维的熔体喷射非织造织物，复合重量比为5∶5、METSUKE为50g/m2，纤维厚度为500μm。通过逐渐增加喷吹气流的量使纤维直径从15μm变化到2μm，然后在2μm的状态保持一段时间，再通过逐渐减少喷吹气流的量使纤维直径从2μm变到15μm。
作为形成精密过滤层的非织造纤维集料，采用了与实例1所用相同的纤维集料。该织物用与实例1相同的方法制成圆柱形过滤器，该过滤器外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例8
除了过滤器中纤维直径的变化是按图3(e)所示的模式调节外，均按实例1相同的方法制成圆柱形过滤器，其外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。实例9
除了过滤器中纤维直径的变化是按图3(f)所示的模式调节外，均按实例1相同的方法制成圆柱形过滤器，该过滤器外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。对比例1
作为形成预过滤层的非织造纤维集料，使用与实例1相同的非织造纤维集料。除了过滤器中没有精密过滤层外，均按与实例1相同的方法制成圆柱形过滤器，该过滤器外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。对比例2
与实例中所用精密过滤层不同，该对比例试图制备包含丙烯共聚物纤维(熔点140℃)和聚丙烯纤维(熔点165℃)的混合物的熔体喷射非织造织物，它的METSUKE为50g/m2，厚度为500μm，通过逐渐增加喷吹气流的量使纤维直径从15μm变化到1μm。然而，由于当纤维直径小于2μm时形成了飞花，未能制备出这样的非织造织物。对比例3
除了用直径为25μm的聚丙烯人造短纤维梳理机纤维网代替形成预过滤层的非织造纤维集料外，均按与实例3相同的方法制成圆柱形过滤器，该过滤器外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。对比例4
按与实例1相同的方法形成织物而制成外径为70mm、内径为30mm、总长度为250mm、并配备平垫片的圆柱形过滤器，所不同的是，作为形成精密过滤层的非织造纤维集料，采用了METSUKE为75g/m2，厚度为200μm的一种熔体喷射非织造织物，它包含平均直径为3μm的聚丙烯纤维，该纤维的制造首先是通过制备METSUKE为75g/m2，厚度为500μm的一种熔体喷射非织造织物来制备的，它包含平均直径为3μm的聚丙烯纤维，然后，用一个平轧辊在120℃压实处理。表1列出了如此获得的过滤器的特征和性能。表1 预过滤层 材料最大纤维直径(μm)最小纤维直径(μm) 孔隙率(％) 实施例1聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 89 实施例2聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 89 实施例3聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 89 实施例4聚丙烯+丙烯共聚物 20 3 89 实施例5聚丙烯+丙烯共聚物 20 3 89 实施例6 PP 15 2 89 实施例7聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 89 实施例8聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 89 实施例9聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 89 对比例1聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 89 对比例3 聚丙烯+聚乙烯 25 (25) 75 对比例4聚丙烯+丙烯共聚物 15 2 70表1 (续) 精密过滤层 过滤器性能 材料纤维直径 (μm)孔隙率 (％)过滤精度 (μm)初始压力损失 (kg/cm2)过滤寿命(min) 耐压强度 (kg/cm2)实施例1聚丙烯 1 59 1 1 44 10＜实施例2聚丙烯 1 95 2 0.3 61 10＜实施例3玻璃 1 93 2 0.3 66 10＜实施例4聚丙烯 1 95 3 0.1 110 10＜实施例5聚丙烯 1 95 3 0.1 220 10＜实施例6聚丙烯 1 59 1 1 55 10＜实施例7聚丙烯 1 59 1 1 44 10＜实施例8聚丙烯 1 59 1 1 42 10＜实施例9聚丙烯 1 59 1 1 46 10＜对比例1 未用 - - 4 0.3 66 10＜对比例3聚丙烯 1 95 5 0.1 11 10＜对比例4聚丙烯 3 59 2 0.5 48 10＜
从表1可以理解，尽管实例2和对比例1之间在初始压力损失和过滤寿命方面没有多大差别，但是与对比例1相比，实例2的过滤器显示了相当高的过滤精度。可以看出，尽管实例4和对比例1之间在过滤精度方面没有多大差别，但是与对比例1过滤器的相应性能相比，实例4的过滤器显示了相当低的初始压力损失和长的过滤器寿命。当比较实例4和对比例3的结果时，可以发现实例4的过滤器表现了更高的精度和更长的过滤寿命。
当比较实例1、8、和9的结果时，实例9的过滤器具有最长的过滤寿命，而且，按照实例1到实例8的顺序，过滤寿命是增加的。
进一步，与实例2相比，实例1的过滤精度显著地增加了，实例2中具有小纤维直径的非织造织物是插入的，而实例1中的精密过滤层是用平轧辊压实的，这说明实例1的过滤器对除去小颗粒更有用。然而，可以发现，只通过插入仅仅压实的非织造织物不能获得足够的效果，因为对比例4的过滤器包含一个通过压实非织造织物而制备的精密过滤层，该非织造织物的纤维直径大于预过滤层的纤维直径，尽管对比例4的过滤器与实例2具有大致相同的过滤精度，但对比例4，的初始压力损失和过滤寿命却明显地不及实例2。
工业应用
根据本发明，能够提供具有诸如高的精度、小的初始压力损失和长的过滤器寿命等性能的过滤器。