包覆管状过滤介质的热塑注射成型方法 本申请是申请日为 2005 年 12 月 22 日、 申请号为 200510022976.X、 发明名称为 “包 覆管状过滤介质的热塑注射成型方法” 的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求 2004-12-23 提交的美国临时申请 No.US60/638596 的权益。其所有内 容在此结合。
技术领域
本发明一般地涉及一种包覆管状滤筒的方法， 更具体地说， 涉及一种在管状过滤 介质上整体地注射成型热塑端盖的方法。 背景技术 采用各种材料和结构的过滤元件已经得到商业利用， 在美国专利 US2732031 ； 3013667 ； 3457339 和 3850813 中描述了这样的例子。如其中所述的， 一片过滤材料形成为 通常带有纵褶来增加过滤面积并且侧边和端部被密封的圆筒形或者类似形状。 所述端部的 密封通常是通过在固化的液体密封材料， 比如环氧树脂或者聚氨酯树脂中， 熔融热塑性塑
料或者类似的材料中进行封装。然后所述元件被安装在支架中， 以提供连接用来将要被过 滤的流体供应到过滤材料的上游侧并且从下游侧排出滤液。一般地， 管状元件包括金属或 者塑料的内部中空多孔载体， 流体被供应到过滤材料的外部， 滤液从内部载体被排出。
为了过滤细微颗粒， 使用细纤维或者孔径在 0.1 至 25 微米的管状微孔膜， 它们具 有大约 50-80％的体积作为空隙。 这样的薄膜相对脆弱并易碎， 特别是当被打褶时。 通常在 其一侧或者两侧使用粗糙的渗水层用于支撑和维持打褶的薄膜褶层之间的流动通道。 然而 即使当被支撑时， 故障也时常在一个密封件发生， 特别是在端部密封件和薄膜的上游接点 处。
已经开发了许多方法来改善管状过滤元件的端部密封的可靠性。 用于相互加强的 薄的、 密集褶已经被采用。在所述端部已经使用额外的微孔薄膜层。一条柔性的塑料， 例如 柔性的聚氨酯， 已经被应用到薄膜中， 用于薄膜和密封件的接点处的加强。 任何一个都不是 令人完全满意， 特别是对于在苛刻条件下使用易碎的管状微孔薄膜的情况。柔性的加强条 的使用引入了额外的材料和步骤， 减少了有效的过滤面积， 并且使可萃取的成分更多地进 入滤液。
作 为 一 种 可 选 择 的 方 案， 1983-7-12 授 予 G.C.Ganzi 和 C.T.Paul 的 美 国 专 利 No.US4392958 描述了一种用于密封管状过滤件端部的方法和结构。 该方法包括沿着微孔过 滤材料片材的边缘设置一条无孔薄膜， 所述薄膜条在过滤材料的外部被连接到过滤材料的 流体密封处， 但是在它的内部形成自由的薄片， 用所述薄膜条在过滤材料的一端并在过滤 材料的上方构成所述元件， 将所述端部嵌入液态密封件一定深度直到所述条的薄片部分之 上为止， 凝固所述密封件。
虽然由 Ganzi 等描述的所述 “边缘密封” 方法在生产中被持续使用并得到良好的效果， 研究用于密封管状过滤元件的替代手段依然是有益的。 发明内容 对应上述需要， 本发明提供了一种至少一边采用热塑性塑料端盖的管状过滤元件 的包覆成型方法。 所述方法包括下列步骤 ： 提供一个具有这样区域的压模， 即该区域的外形 基本上与所述热塑端盖的外形一致 ； 然后将所述管状过滤元件插进腔内， 所述腔的至少一 个边位于所述区域内 ； 然后向所述模腔内注射足够量的熔融热塑性塑料， 以填充所述区域 并且由此形成所述热塑端盖 ； 和在所述熔融热塑性塑料充分固化后， 从所述压模取出端部 密封的管状过滤元件。
本发明的包覆成型工艺能用于由空前范围的聚合物材料和成分轻松并且低成本 地制造具有良好耐用性的滤筒。
这样的滤筒的一个实施例包括一对热塑性塑料端盖， 每一个均由热塑性塑料制 成； 和一个具有第一端和第二端的管状过滤介质， 由多孔材料或者纤维材料制成， 位于所述 热塑性塑料端盖之间， 所述第一和第二端分别被固定于第一和第二互锁区。 按照本发明， 所 述端盖的热塑材料在每一个所述区渗透进管状过滤介质的多孔或者纤维材料中。
按照上述内容， 本发明的一个目的是提供一种为管状过滤介质一端提供端盖的方 法， 其中所述方法不需要所述一端预制成薄片。
本发明的另一个目的是提供一种为管状过滤介质一端提供端盖的热塑性塑料注 射成型工艺， 其中所述工艺能在不会导致管状过滤介质产生不希望的形态改变的温度和压 力下实施。
本发明的另一个目的是提供一种在管状过滤材料上包覆成型热塑性塑料端盖的 方法， 其中用于端盖和用于过滤材料的材料是不同的。
本发明的另一个目的是提供一种管状过滤介质的滤筒， 其置于热塑端盖之间， 其 中所述端盖的热塑材料渗透到管状过滤介质中， 在其所述端产生所述的互锁区。
本发明的这些和其它目的按照下述连同附图给出的详细说明能被进一步理解。
附图说明 图 1 以横截面图的形式示意地示出了按照本发明的一个实施例制造的滤筒 10， 包 括插在包覆成型的热塑端盖 12 和 14 之间的管状过滤介质 16。
图 2 示意地示出了图 1 中滤筒 10 的外形。
图 3A， 3B， 3C 示意地示出了按照本发明的一个实施例的在管状过滤介质 16 上包覆 成型热塑端盖 12 的方法的步骤。
具体实施方式
如图 1 和 2 所示， 按照一个实施例， 本发明提供了包括一对热塑端盖 12、 14 的滤筒 10， 管状过滤介质 16 固定地置于两者之间。 每一个热塑端盖 12、 14 由选择的热塑材料制成。
一般， 管状过滤介质 16 包括多孔或者纤维材料。具有中心轴线 A-A 和第一与第二 端的管状过滤介质 16 被置于热塑端盖 12、 14 之间， 于是它的第一和第二端分别固定在第一 与第二互锁区 12A、 14A。在这些区域， 端盖 12、 14 的热塑材料渗透进所述管状过滤介质 16的多孔或者纤维材料中。
按照本发明构造的滤筒 10 是非常耐用的， 以适应在广泛范围的温度、 压力和流速 下实施的多种类的过滤场合。得到的结构具有更好的耐用性， 因为它是利用相对广泛种类 的材料制造的， 针对提供更坚固的产品结构降低了在过去通常采用限制策略的化学相容性 的要求 ( 例如， 大量与环氧基封装材料有关的 )。此外， 因为不需要使用保护密封膜 ( 例如 在专利 US.No.4392958 中使用的 )， 可归因于这种膜的滤取材料的潜在来源也被缓和。
如上所述， 热塑端盖均由预先选择的热塑材料制成。被选择的热塑材料具有的熔 融温度基本上低于管状过滤介质承受形态变化时的熔融温度， 这对于本发明的实施是重要 的。 例如， 如果管状过滤介质是打褶的聚合物薄膜， 被选择的热塑材料具有的熔融温度应当 基本上低于用来制造所述打褶薄膜的聚合物的熔融温度。
用于构成热塑端盖 12、 14 的热塑材料包括， 但不限于， 聚碳酸脂， 尼龙， PTFE 树脂 和其它的含氟聚合物， 丙烯酸和甲基丙烯酸树脂， 聚砜， 聚醚砜， 聚芳砜， 聚苯乙烯， 聚氯乙 烯， 氯化聚氯乙烯， ABS 和它的合成物与混合物， 聚亚氨脂， 热固性聚合物， 聚烯烃 ( 例如， 低 密度的聚乙烯， 高密度的聚乙烯， 和超高分子比重的聚乙烯及其共聚物 )， 聚丙烯及其共聚 物， 和茂金属产生的聚烯烃。 除了与包覆和插入的管状过滤介质 16 的固定有关的结构特征外， 热塑端盖 12 包 括几个其它整体形成的能充当其它不相关功能的结构特征。这样特征的例子包括， 但不限 于， 整体形成的入口 ( 例如见图 1 和图 2 的入口 1)， 整体形成的歧管系统或者类似的流动路 径或通道， 用于辅助滤筒安装进外部过滤外壳的对准导引或者连接器， 塞子和垫片， 刚性加 强肋， 支柱和支架， 和其它提供另外与过滤有关的、 与配合有关的， 和 / 或与制造有关的功 能的类似结构。
管状过滤介质 16( 例如， “基本上为管状的” 过滤介质 16) 由多孔或者纤维材料制 成。这样的材料能具有， 例如， 或者单个整体的过滤介质， 或者包括不止一层异种材料或者 同种材料的整体复合过滤介质。此外， 多孔或者纤维材料能形成例如打褶结构 ( 其打褶线 垂直于装置 10 的轴线 A-A)， 或者形成单层或多螺旋卷绕层的卷绕层结构。
多孔材料包括， 例如， 硝化纤维， 醋酸纤维， 聚碳酸脂， 聚丙烯， PES， PVDF， 聚砜薄 膜。 这样的薄膜可以是， 例如大孔或者超大孔的， 蒙皮或者不蒙皮的， 对称或者不对称的， 亲 水的或者不亲水的， 有载体的或者无载体的， 合成的或者不是合成的。此外， 所述薄膜还能 包括或者被涂有或者另外包含助滤剂和类似的添加剂， 或者其它扩大、 降低、 改变或者另外 更改基体材料的分离特征和性质的材料， 比如粘合物， 移植物， 或者在结合的色谱珠或颗粒 上、 或者在多孔材料本身上以特定结合位置或者配合基为目标的供应品。
纤维材料包括， 例如， 纺织纤维或者无纺纤维。所述纤维可以是天然的 ( 例如， 棉 花、 亚麻、 黄麻、 蚕丝和类似的 ) 或者合成的 ( 例如， 纤维素、 聚丙烯、 尼龙和玻璃纤维 )。当 与针状的板条形或者针形颗粒比如高龄石、 海泡石、 坡缕石、 和这种类型的硅镁土粘合时， 可以使用金属纤维比如铁、 铜、 铝、 不锈钢、 黄铜、 银和钛。 所述纤维可以制成不同厚度、 孔隙 率和密度的网格或者网眼。与多孔材料一样， 纤维材料还能与过滤助剂和类似的添加剂结 合。
无论使用何种材料， 当被暴露在临近或者接近用于形成端盖 12 和 14 的热塑材料 的熔融温度时， 管状过滤介质和其中的空隙 ( 如上所述 ) 不应当破裂、 收缩、 变形或者其它
的致使流体不渗透的。 管状过滤介质发生这样的形态改变的温度应当基本上高于所述热塑 材料的熔融温度。
如所述， 所述端盖 12、 14 的热塑材料， 在互锁区 12A、 14A 处渗透所述管状过滤介质 16 的多孔或者纤维材料。 这样渗透的功能是为了将端盖和过滤介质机械地固定在一起。 所 述渗透过介质的上外表面的热塑材料在其深度内机械地配合， 以相对固定和永久的方式将 两个元件锁紧并配合在一起。
这样材料的这种渗透的存在及其渗透程度能够例如通过显微镜观察介质与端盖 汇合的面积或者区域的适当横截面得到确定。 这样的显微镜观察应当显示在所述接头的外 界面之下至少部分浸入。因为没有利用任何边缘薄膜， 热塑材料将基本上穿过联锁区 12A、 14A 的浸入区与多孔或者纤维材料直接接触。此外， 在联锁区内的热塑材料将显得基本连 续， 并具有与构成端盖的主要部分 ( 如果不是整个的 ) 的热塑材料一样的化学成分。
浸入的程度将根据需要和工艺进行改变。完全浸入是不需要的， 虽然特别是对于 用来高度调整的或者其它需要药理过程的过滤装置， 它是优选的， 以确保浸入至少是足够 的 ( 即， 没有气隙和气孔 )， 例如为了使所谓的 “死区” 最低化和 / 或使产品耐用性、 完整性、 安全性和 / 或应用性最大化。 在本发明的希望的实施例中， 管状过滤介质 16 被置于热塑端盖 12、 14 之间， 与内 外耐用件 18 和 20 成为一体并位于两者的中心。在一个实施例中， 内外耐用件是刚性的管 状网格， 除了其它功能外， 一般辅助限定和 / 或限制管状过滤介质 16 的管状形状。
典型地， 外部耐用件 18 提供保护功能， 将管状过滤介质与例如在滤筒 10 安装进过 滤外壳的过程中发生的机械应力和操作隔离。内部耐用件一般一定程度上也提供保护功 能， 但是， 特别是在卷绕过滤材料的情况下， 也为所述材料提供一个刚性的中心线轴或者说 底座。
按照下面进一步描述的热塑包覆成型工艺， 在滤筒 10 的制造过程中， 内外耐用件 18 和 20 的使用是特别有用的。在这种方法中， 内外耐用件 18 和 20 防止管状过滤介质弯曲 或者不希望因施加给它的熔融热塑材料的重量而屈服。
除了它不能在本发明的包覆成型方法中预期的温度和其它条件下承受形态改变 外， 对于内外耐用件的形状、 功能、 刚度或者成分没有任何具体限制。 因此， 在所有可能性情 况中， 内外耐用件 18 和 20 的成分不同于用来形成热塑端盖 12 和 14 的特定热塑材料。记 住这一点， 合适的材料包括， 但不限于， 聚碳酸脂， 尼龙， PTFE 树脂和其它的含氟聚合物， 丙 烯酸和甲基丙烯酸树脂， 聚砜， 聚醚砜， 聚芳砜， 聚苯乙烯， 聚氯乙烯， 氯化聚氯乙烯， ABS 和 它的合成物与混合物， 聚亚氨脂， 热固性聚合物， 聚烯烃 ( 例如， 低密度的聚乙烯， 高密度的 聚乙烯， 和超高分子比重的聚乙烯及其共聚物 )， 聚丙烯及其共聚物， 和茂金属产生的聚烯 烃。
本发明方法的第一步是提供具有内膜腔 32 和与其连接的供应管道 34 的压模 30， 如图 3A 所示。
既然各种变化结构的注射成型设备目前是可以利用的， 不应当看作对于这种压模 使用的具体结构或者机制有任何限制。 实施本发明的本领域普通技术人员能采用那些最合 适他们需要的压模。然而， 在本发明的实施中， 压模 30 的内膜腔 32 应当被加工、 制造或者 作其它准备以具有区域 32A， 该区域的形状基本上与所述热塑端盖 12 的预期外形一致。
然而， 对于符合 “基本” 一致， 即区域 32A 正好与适于销售的成品的预期外形相同， 不是必要条件。 对于具体的滤筒产品设计， 压模后的处理步骤能采用， 例如， 磨光端盖， 清除 毛刺和熔渣， 和 / 或提供另外的结构特征 ( 例如， 钻出入孔或者出孔 ) 或装饰特征 ( 例如， 在用户的汽车过滤器上热印公司的标志 )。在每种这样的情况中， “成品的” 滤筒的外形不 会与压模的区域 32A 一致。无论如何， 如果不是在 “最终” 产品中， 那么在 “中间” 产品中， 它们都是 “基本” 一致。
在得到和准备使用适当的压模 30 之后， 该方法包括准备管状过滤元件并将其插 进内膜腔 32， 于是所述管状过滤元件的主体边缘 16B 位于所述区域 32A 内。
由于这些步骤， 管状过滤元件可以包括或者 (a) 单独的管状过滤介质 16 或者 (b) 与内和 / 或外耐用件 18 和 20 共同布置的管状过滤介质 16。管状过滤元件的这种选择方案 的详情已经在上面详细描述。关于用于制药场合的这种类型的打褶薄膜滤筒的制造， 与耐 用件 18 和 20 的结合， 一定程度上希望它对相对精密的打褶薄膜提供更好的保护和支撑。
管状过滤元件的主体边缘进入所述压模 30 的区域 32A 的程度可以变化， 这取决 于， 例如， 希望端盖安装的持久度和强度， 熔融热塑材料的化学性质、 粘性和流变能力 ； 管状 过滤介质 16 的气孔率或者透气性 ； 管状过滤介质 16 的构造 ( 例如， 打褶的， 螺旋缠绕的， 等)； 内和 / 或外耐用件 18 和 20 的使用 ( 或者不使用 ) ； 希望用于压制的压力和热度 ； 注 射成型装置的操作和机械特性 ； 和赞成或者不赞成更高或者更低成品收率和 / 或生产量的 商业制造因素。 为了确保贯穿所述压模 30 的区域 32A 熔融热塑材料无阻碍并适当地流动， 管状过 滤元件不应当被完全推进压模， 于是其主体边缘触及所述压模的表面， 并且因此潜在地阻 碍从所述供应管道 34 到区域 32A 的外周边的流动。
在一种希望的操作模式中， 根据注射成型中的通常惯例， 通过作为压模 30 的必须 对应的另一半的支撑件 36， 管状过滤元件被插进压模 30 的区域 32A。在操作中， 支撑件 36 与压模 30 配合或者耦合以密封内部膜腔， 使得能施加压力并维持压制温度。
如图 3B 所示， 支撑件 36 被制成为可靠并牢固地固定管状过滤元件， 于是当支撑件 36 与压模 30 配合时， 管状过滤元件的主体边缘 16B 被带进压模的区域 32A 内希望的位置。
还如图 3B 所示， 支撑件优选地备有在管状过滤元件的内腔 ( 见图 1 的通道 22) 内 相对紧贴地 ( 但可移动地 ) 安装的塞子 36A。所述塞子如希望地具有 (a) 末端， 其构造能基 本上阻塞在此通过并进一步进入所述内腔的流体， 和 (b) 足够的长度以能够在所述管道内 插入足够的深度， 于是所述末端基本上与所述热塑端盖 12 的外形一致。
塞子 36A 或者与所述支撑件 36 成为一体， 或者是单独的独立件 ( 例如， 一个可拆 卸的软木塞或者塞子 )。
应当意识到， 当被采用时， 特别是当熔融热塑材料向下或者从侧面 ( 没有画出 ) 流 进一体的膜腔 ( 如图 3A-3C) 时， 塞子不但起阻止熔融材料从供应管道流进并填充内腔的作 用， 而且它还起着确保熔融材料也朝着区域 32A 的外周边径向向外流动的作用。在涉及低 粘性熔融材料被向上 ( 与重力相反 ) 泵送进内膜腔 32 的情况下， 塞子 36A 的使用就没有必 要了。
如图 3C 所示， 一旦管状过滤元件被适当地插进所述压模腔 32， 熔融热塑材料通过 所述供应通道以足够填充所述区域 32A 的量被注射进所述内部膜腔 32， 于是形成所述热塑
端盖 12。 在形成热塑端盖 12 的所述熔融热塑材料充分固化后， 端部包覆的管状过滤元件被 从所述压模 30 上取下。
如上建议， 当被注射进膜腔时， 熔融热塑材料渗透流体入孔和管状过滤元件的过 滤材料 16 的其它类似空隙区域。渗透发生的程度取决于与决定插入深度有关的同样因素， 比如气孔率， 粘度， 压力， 热量和时间。优选地， 为了实现高强度的连接， 应当在区域 32A 内 寻求穿过过滤材料 16 的整个厚度和深度 12A 的完全渗透 ( 即， 没有气穴， 气泡， 裂纹和裂 缝 )。
如果熔融热塑材料的温度基本低于引起管状过滤材料 16 形态变化的水平， 其气 孔 ( 或者类似的 ) 的破裂和 / 或压缩不会发生， 于是使得工作条件适合所述熔融材料的良 好渗透。
最后， 关于包覆的渗透元件从压模 30 中取出， 那些在本领域的技术人员应当认识 到， 在取出之前， 熔融材料完全固化是不必要的。一般， 热塑材料一旦充分硬化到维持它的 形状， 该零件就能被取出， 因此， 例如在接下来的退火工艺中， 能完成进一步的固化。
虽然参照几个具体实施例已经对本发明进行了说明， 那些本领域的技术人员， 由 于得益于本发明在此提出的教导， 能实现无数改进方案。所述改进方案被看做包含在由附 加的权利要求提出的本发明的范围内。