CN102858441A - 压缩式纳米纤维复合介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于分离燃料中乳化的游离水的聚结介质，其包括包含衬底层和亲水细纤维层的压缩式复合过滤介质。

Description

压缩式纳米纤维复合介质
技术领域
本发明总体上涉及一种过滤介质，尤其涉及一种包括衬底和细纤维的压缩式复合介质以及制造其的方法。
背景技术
烃燃料，例如柴油、喷气燃料和汽油，可能夹带少量的水。水可能例如通过渗漏、意外污染、或大气冷凝而被引入烃燃料中。在室温下，烃燃料可以溶解约75-150百万分之一份(ppm)水。温度每升高1°F，水的溶解度可以增加约1ppm，温度每降低1°，水的溶解度可能降低约1ppm。由于温度随时间变化，过量的水或未溶解的水可能在燃料处理系统的下部聚集。
未溶解的水可能对发动机有害。柴油发动机喷油嘴可能由于蒸汽形成而受损，涡轮喷气发动机可能突然冒火，且汽油发动机可能会遇到点火问题。已开发了许多水分离设备和过滤器以自燃料除去未溶解的水或游离的水并防止这样的发动机问题。如果游离水以不连续的第二相的形式存在，则基于重力或离心力分离的简单的机械设备就足够了。然而，游离水通常被泵和阀乳化，可能保持稳定的乳液的形式，特别是在柴油或喷气燃料中。两阶段聚结器/分离器被设计用于除去水乳液。聚结器通过纤维材料例如玻璃纤维的优先润湿而破坏乳液。水聚集成为大的液滴，并通过疏水性分离器材料例如涂覆PTFE的金属丝布或浸渍硅酮的纸而通过重力分离。润湿剂或表面活性剂的存在可能会干扰水乳液的聚结，特别是在柴油或喷气燃料中。用于从燃料乳液捕获和除去水的包括疏水性氟聚合物细纤维的聚结器公开于Ferrer等的Fluoropolymer Fine Fiber,第2009/0032475号美国专利申请公布。
包括使用静电纺丝工艺形成的细纤维的过滤介质也已公知。这样的现有技术包括：Filter Material Construction and Method(过滤材料构造和方法)，第5,672,399号美国专利；Cellulosic/Polyamide Composite(纤维素/聚酰胺复合物)，第2007/0163217号美国专利公布；Filtration Medias,Fine Fibers Under100Nanometers,And Methods(过滤介质、100纳米以下的细纤维及方法)，第60/989,218号美国临时专利申请；Integrated Nanofiber Filter Media(结合式纳米纤维过滤介质)，第61/047,459号美国临时专利申请；Filter Media HavingBi-Component Nanofiber Layer(具有双组分纳米纤维层的过滤介质)，第61,047,455号美国临时专利，这些现有技术的全部公开内容通过在此引用被包含于此。如这些参考文献中所示，纳米纤维被通常地铺设在抛光的预成型过滤介质衬底上。
本发明提供改良型聚结介质和制备该聚结介质的方法。本发明的这些和其他优点以及其他创造性特征将由在此提供的本发明的描述中显而易见。
发明内容
根据本发明各实施方案的压缩式纳米纤维复合过滤介质包括至少一个衬底和由其承载的细纤维。优选地，压缩式过滤介质包括多个衬底层，各衬底层承载细纤维。将多个衬底和细纤维层一起压缩以形成压缩式复合过滤介质。根据本发明各实施方案的压缩式过滤介质特别适于用于聚结多种烃燃料中的水的聚结介质。然而，压缩式过滤介质还可以被用于其他过滤应用中。例如，压缩式过滤介质可以形成非常有效的水过滤元件。
优选地，所使用的衬底层是具有粗纤维的相对开放的材料，以提供支持，同时对于流体流动不会过于限制性，特别是当层被堆叠和/或压缩时。此结构将纳米纤维隔开，并且赋予了在每正方单位面积提供高得多的总纳米纤维覆盖率的能力，同时不会过于限制性。此外，可以使用相对薄的衬底(并且使用压缩)，使得整个介质的细纤维被相对靠近地隔开，且足够近以有助于聚结；并且整个介质的厚度适于聚结过滤应用和过滤器元件安排。许多实施方案还使用吸引水而不是排斥水的亲水性细纤维。通过以足够的覆盖率使用多层细纤维，水分子或细小液滴在此结构中生长并被有效地聚结成流体流。
可以且优选地将多个衬底层和细纤维一起压缩以形成聚结过滤介质。由此，聚结过滤介质被压紧且坚固性高，并且包括足够的细纤维覆盖率以提供足够的纤维表面积用以聚结烃燃料流中的乳化的水。细纤维优选地为由亲水性材料例如聚酰胺-6形成的静电纺丝（eletrospun）纳米纤维。此外，亲水性细纤维还促进水滴的形成的生长。
在一个实施方案中和在本发明的创造性方面，提供了形成聚结过滤介质的方法。所述方法包括以下步骤：静电纺丝平均直径小于1微米的细纤维，将所述细纤维施用至包含平均直径大于1微米的粗纤维的衬底，并且将所述细纤维和粗纤维一起压紧。所述方法还包括以下步骤：通过压紧过程产生充足的纤维覆盖率和紧密度以将水滴自流体流聚结，并使粗纤维和细纤维结构化为可被操作用于自流体流除去水的聚结过滤介质。
在一些实施方案中，衬底包含结合在一起的纤维缠结物，其中在施用细纤维的步骤中细纤维被沉积至衬底之上。衬底可以为由包含高熔点组分和低熔点组分的双组分纤维形成的稀松织物(scrim)，其中细纤维被沉积在稀松织物的表面并由稀松织物承载。
压紧步骤可以包括将多层承载细纤维的稀松织物层压，并使用一组压延辊将多层稀松织物和细纤维压缩。可以将多层稀松织物和细纤维加热至低熔点组分的熔化温度或加热至接近低熔点组分的熔化温度，其中所述低熔点组分熔化或软化，以起到用于使多个层结合在一起的粘合剂的作用。
在一些实施方案中，在压缩前将多层加热。例如，可以在烘箱中加热多层并随后通过一组压延辊将其压缩。在这样的实施方案中，在加热期间，层压的多层的厚度可以随着稀松织物膨胀(expand)和膨松(loft)而增加。膨松多层的随后压缩降低了膨松厚度，然而，压缩的多层的最终厚度可以小于、等于、或大于加热前的层压的多层的原始厚度。在其他实施方案中，可以将多层同时地加热和压缩。例如，可以使用一组加热的压延辊将多层加热和压缩。在另一个实施方案中，可以首先将多层压缩，随后加热，其中在加热期间压缩的多层的厚度可能增加。此外，一些实施方案可以包括多于一个加热步骤。例如，可以在压缩前加热多层，并且通过一组加热的压延辊在压缩期间进一步加热多层。
在一个实施方案中，将各自承载细纤维的10层稀松织物层压并一起压缩。各稀松织物层承载约0.075g/m2至.225g/m2的相对高的细纤维覆盖率的细纤维。当组装至具有重叠的细纤维覆盖率的堆叠结构时，聚结过滤介质的总细纤维覆盖率可以为约0.75g/m2至2.25g/m2。将多层稀松织物和细纤维一起压缩以形成厚度为约3/16"至1/2"的聚结过滤介质。
在一些实施方案中，将承载细纤维的稀松织物折叠成多折并压缩，以形成聚结过滤介质。在这样的实施方案中，聚结过滤介质可以包括细纤维-细纤维的层压表面和稀松织物-稀松织物的层压表面。
在另一个实施方案中，衬底为包含粗纤维的松散缠结物的粗纤维的网（web），其中在施用细纤维的步骤期间将细纤维施用至粗纤维的松散缠结物。施用有细纤维的粗纤维的网可以被折叠成多个折并且一起压缩，其中细纤维和粗纤维整合以形成单独的整合聚结介质。
形成根据不同实施方案的聚结过滤介质的方法包括以下步骤：静电纺丝平均直径小于1微米的细纤维的网，将细纤维施用至由结合在一起的平均纤维直径大于1微米的粗纤维形成的衬底，并将施用细纤维的衬底的组合层叠(lapping)，使得细纤维重叠。所述方法还可以包括将衬底的卷从解绕台(unwinding station)解绕以及将衬底转移至静电纺丝台的步骤，其中通过线张力使衬底保持漂浮(afloat)。在这样的实施方案中，衬底可以为包含双组分纤维的稀松织物。双组分纤维可以包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套（sheath）。
施用细纤维的步骤可以提供约0.03g/m2至0.25g/m2的细纤维覆盖率，优选地提供约0.075g/m2至0.225g/m2的细纤维覆盖率，其中细纤维由稀松织物承载。此外，层叠步骤可以包括将承载细纤维的稀松织物折叠成2-20折，其中折叠提供了细纤维-细纤维的层压表面和稀松织物-稀松织物的层压表面，其中将折叠的层加热并压缩以形成聚结介质。在这样的加热和压缩过程中，折叠的层的厚度可以从原始厚度(各层的厚度x层数)调节约50%-300%，优选地约70%-200%，更优选地约80%-150%。(加热后，厚度可以增加，然后在压缩期间减少。在一些情况中，加热期间的厚度增加可以很大，以致于即使在压缩之后最终的厚度仍可能仍大于原始的厚度。)在堆叠的组合中还可以使用两个或更多个折叠的或未折叠的稀松织物，以获得高的单位面积细纤维覆盖率。
在一个实施方案中，形成总细纤维覆盖率为约0.09g/m2至5.25g/m2，优选地为约0.75g/m2至2.25g/m2的聚结介质。此外，静电纺丝细纤维的步骤优选地涉及自包括聚酰胺-6的溶液纺丝细纤维。
在本发明的另一个实施方案中，提供了聚结过滤介质。聚结过滤介质包括至少一个包含平均纤维直径大于1微米的粗纤维的衬底，和所述衬底承载的细纤维。细纤维是平均纤维直径小于1微米的亲水性纤维，并且为聚结烃燃料中的乳化的水提供了足够的纤维表面积。在这样的实施方案中，亲水性纤维促进水滴的形成和生长。聚结过滤介质还可以包括安置在聚结过滤介质的下游表面上的排水层。这样的排水层可以促进水滴大小的生长。在一个实施方案中，排水层由纤维素材料或玻璃纤维材料形成。
细纤维优选地为由亲水性聚合物例如聚酰胺-6形成的静电纺丝纳米纤维。在一个实施方案中，聚结过滤介质包括总细纤维覆盖率为约0.09g/m2至5.25g/m2，优选地约0.75g/m2至2.25g/m2的细纤维。
衬底优选地为包含双组分纤维的稀松织物，其包括高熔点组分和低熔点组分。例如，双组分纤维可以包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套。在这样的实施方案中，将衬底层和细纤维加热并一起压缩以形成聚结介质，其中低熔点聚酯护套熔化或软化以使粗纤维和细纤维结合。
聚结过滤介质可以包括多个衬底层，其中所述多个衬底层中的各衬底层承载细纤维覆盖率为约0.075g/m2至.225g/m2的一层细纤维。在一个实施方案中，各细纤维层被夹在衬底层和或介质层中间。在其他实施方案中，聚结过滤介质可以包括细纤维-细纤维的层压表面和衬底-衬底的层压表面。
在一个实施方案中，聚结过滤介质包括10个衬底层。各衬底层由包含双组分纤维的稀松织物形成并且承载细纤维。各衬底层上的细纤维由静电纺丝聚酰胺-6纳米纤维形成。由10个衬底层承载的细纤维提供约0.75g/m2至2.25g/m2的总细纤维覆盖率。聚结过滤介质还可以包括由玻璃纤维垫(mat)形成的安置在聚结过滤介质的下游表面上的排水层。在这样的实施方案中，聚结过滤介质的总厚度可以为约3/16"至1/2"。
在本发明的另一个实施方案中，提供了聚结过滤介质，所述聚结过滤介质包括至少一个衬底，所述衬底包含平均纤维直径大于1微米的粗纤维，以及由所述衬底承载的细纤维。细纤维的平均纤维直径小于1微米，且在压缩的状态下细纤维中的至少一些至少部分地嵌入粗纤维中。在许多实施方案中，与平面层相反，细纤维中的至少一些可以形成延伸到衬底中的细纤维的三维基体。此外，细纤维中的至少一些可以被通常地夹在衬底的层之间。
在一个实施方案中，细纤维的熔点高于粗纤维的至少一个组分的熔点，且细纤维被永久地固定(affix)和取向。此外，至少一个衬底和细纤维被一起压延以形成压缩状态。
本发明的其他方面、目的及优点将结合附图从下面给出的详细描述中变得更加清楚。
附图说明
结合到说明书中并形成说明书的一部分的附图图解了本发明的多个方面，并与相关描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：
图1是根据本发明的实施方案的包括承载细纤维的紧密压实多个稀松织物层的过滤介质的示意性截面图(例如，相对示出的厚度未按比例绘制)；
图2是预压缩状态的图1的聚结过滤介质的示意性截面图，其被压缩至压缩状态；
图3是根据本发明的实施方案的衬底的同心护套/芯体型双组分纤维的示意图；
图4是根据本发明的实施方案的衬底的偏心护套/芯体型双组分纤维的示意图；
图5是根据本发明的实施方案的衬底的并排型双组分纤维的示意图；
图6是根据本发明的实施方案的衬底的扇形楔型双组分纤维的示意图；
图7是根据本发明的实施方案的衬底的中空扇形楔型双组分纤维的示意图；
图8是根据本发明的实施方案的衬底的岛/海型双组分纤维的示意图；
图9是根据本发明的实施方案的衬底的三叶型双组分纤维的示意图；
图10是根据本发明的实施方案的衬底的顶端型双组分纤维的示意图；
图11是根据本发明的实施方案的包括紧密压缩式多稀松织物层和细纤维和下游的多孔层的聚结过滤介质的示意性截面图；
图12是用于制造根据本发明的实施方案的聚结过滤介质的系统的示意图；
图13是用于制造根据本发明的不同实施方案的聚结过滤介质的系统的示意图；
图14是用于制造本发明的另一实施方案的聚结过滤介质的系统的示意图；
图15(A)是以x300放大水平获得的扫描电子显微镜图像，其示出了使用图12的系统生产的复合介质的双组分纤维和细纤维；
图15(B)是以x1,000放大水平获得的扫描电子显微镜图像，其示出了使用图12的系统生产的复合介质的双组分纤维和细纤维；
图15(C)是以x2,000放大水平获得的扫描电子显微镜图像，其示出了使用图12的系统生产的复合介质的双组分纤维和细纤维之间的结合；
图15(D)是在x10,000放大水平的扫描电子显微镜图像，其示出了使用图12的系统生产的复合介质的双组分纤维和细纤维之间的结合；且
图16是根据本发明的实施方案的包括膨胀的纳米纤维复合介质和压缩的纳米纤维复合聚结介质的聚结过滤元件的示意性截面图(例如，相对示出的厚度未按比例绘制)。
虽然将结合特定的优选实施方案描述本发明，但是不意在将其限制于那些实施方案。相反，意图是覆盖包括在由附加权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有可选形式、变型及等同物。
具体实施方式
在转到细节之前，将给出一些词义说明，以帮助理解本发明。如在此使用的，术语“衬底”本质上意思宽泛且意思是包括其上承载或沉积细纤维的任何结构。“衬底”可包括传统形成的过滤介质，例如，可以从介质卷解绕的稀松织物等。这样的过滤介质具有通常通过机械、化学、粘性和/或以其他方式结合或固定在一起的纤维缠结物，从而具有以下强度，使得其不能容易地手工撕裂(例如，1平方英尺板通常承受5lbs张力的施加)并具有过滤特性。“衬底”还可包括可以不结合在一起或固定在一起的较松散纤维缠结物(例如，1平方英尺板可在5lbs张力的施加时破裂)。在此使用的“稀松织物”指的是织造或非织造纤维缠结物，其中，纤维结合并压缩成平面成形介质。
图1是根据本发明的实施方案的过滤介质100的示意性截面图。它在某种意义上是示意性的，这是因为在现实中细纤维实际上没有厚度，但是为了说明和理解，厚度在图1和其他示意性附图中示出。过滤介质100构造成用于聚结烃燃料例如柴油、喷气燃料和汽油中的水。过滤介质100还可以捕获烃燃料流中的固体。在本申请中，过滤介质100还被称为聚结器、聚结介质、聚结过滤介质、或其他类似的术语。在优选的实施方案中，过滤介质100包括至少两种不同的纤维，例如，静电纺丝纳米纤维及承载纳米纤维的较粗纤维的衬底。这样，在本申请中，过滤介质100还称为复合过滤介质、复合介质或其他类似的术语。虽然过滤介质100尤其极好地适合于聚结应用，但是过滤介质100可用于其他过滤应用中。
在图1中示出的实施方案中，过滤介质100包括10层衬底102，104，106，108，110，112，114，116，118，120，每层衬底承载细纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142，且介质122位于细纤维142的顶部。衬底102，104，106，108，110，112，114，116，118，120和介质122由具有通常比细纤维的平均纤维直径大的平均纤维直径的纤维形成。衬底层102，104，106，108，110，112，114，116，118，120，细纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142及介质122层压且紧密地一起压缩，以增加单位体积的纤维表面积以提供足以聚结烃燃料例如柴油中乳化的水的纤维表面积。此外，细纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142由亲水性材料例如尼龙-6制成，以吸引水并增强水滴的形成和生长，促进水自烃燃料流分离。虽然本实施方案示出了介质层122，但是该介质层是任选存在的，因此，根据其他实施方案的过滤介质100可不包括该介质层122。
图1的过滤介质可使用在图2中示出的工艺形成。图2示出了处于预压缩状态144和压缩状态146的过滤介质100。如图所示，处于预压缩状态144的过滤介质100具有初始厚度t'(在此还称为原始厚度)。处于预压缩状态144的过滤介质100使用一组压延辊148(或渐进的辊组)，150压缩成压缩状态146，其中，初始厚度t'减小到最终厚度t。
在一些实施方案中，处于预压缩状态144的过滤介质100在压缩之前被加热。在特定的优选实施方案中，衬底的纤维松弛并重新定向，以在加热期间增加纤维之间的平均距离(例如，在稀松织物生产过程期间已经至少部分地压缩的稀松织物)。这样，衬底层膨胀和膨松，其中，各衬底层的厚度增加。此外，随着接近衬底的表面的纤维松弛并重新定向，由这些纤维承载的细纤维跟随纤维运动并重新定向。因此，细纤维通过更大纤维延伸、推动及拉动。在这样的实施方案中，通过加热，预压缩状态144的初始厚度t'可以增加至少1.5倍、2倍、3倍或甚至更多。在这样的实施方案中，在膨松的过滤介质100的随后压缩之后，过滤介质100的最终厚度t可以小于或等于或大于初始厚度t'，取决于加热期间膨胀的量和压缩期间减少的量。在其他实施方案中，可以通过一组加热压延辊同时地加热和压缩预压缩状态144的过滤介质100。在这样的实施方案中，在厚度减少至最终厚度t之前初始厚度t'可能不会有任何膨胀或极微小增加。在不同的实施方案中，具有最终厚度t的压缩过滤介质100可以在压缩之后加热，其中厚度t'可能增加。在一些实施方案中，过滤介质100可被加热多于一次。例如，可以在压缩前加热过滤介质100，随后在压缩期间再次加热。
在一个实施方案中，最终厚度t可以为初始厚度t'的约50%至300%，优选地为初始厚度t'的约70%至200%，且更优选地在初始厚度t'的80%至150%。随着处于预压缩状态144的过滤介质100被向下挤压到最终压缩状态146，细纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142变得与相邻衬底层102，104，106，108，110，112，114，116，118，120的粗纤维更加整合并在过滤介质100内形成三维细纤维基体。处于压缩状态146的过滤介质100具有足以用于聚结介质的特性。虽然在本实施方案中的过滤介质100包括10层承载细纤维的衬底，但是其他实施例可包括更多或更少承载细纤维的衬底层。
衬底层102，104，106，108，110，112，114，116，118，120可由任何合适的多孔材料形成。各衬底层可由相同类型的多孔材料或不同类型的多孔材料形成。在一个实施方案中，每个衬底层102，104，106，108，110，112，114，116，118，120包括成型过滤介质。成型过滤介质包括结合在一起的纤维。例如，成型过滤介质的纤维可通过溶剂结合、热结合和/或压力结合而结合在一起。成型过滤介质可承载细纤维并提供结构支撑。成型过滤介质通常可以被独立地用作过滤介质，例如空气过滤介质，而不通过其他介质或结构层压或支持。在本申请中，成型过滤介质也称为衬底过滤介质、过滤介质衬底、衬底、过滤介质或其他类似术语。
可替换地，衬底可包括一起松散地缠结成高度松化厚状态且在成型过滤介质的情况下可以不结合在一起的一个或多个纤维网。因此，粗纤维网可利用极小的人力容易地撕开且几乎没有结构完整性，使得它不被认为是传统意义上的成型过滤介质。纤维网的纤维通常具有比细纤维的平均纤维直径更大的平均纤维直径。这样，在本申请中，纤维网也被称为粗纤维网或其他类似术语。包括与这样的粗纤维网整合的细纤维的复合过滤介质在转让给本申请的受让人的Integrated Nanofiber Filter Media(整合纳米纤维过滤介质)，第2009/0266759号美国专利申请公布中描述，其全部公开内容通过在此引用包含于此。
优选地，衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120为多组分过滤介质。如在此使用的，术语“多组分过滤介质”、“多组分介质”、“多组分纤维介质”及其他类似术语可互换地使用，以指示包括至少两种不同材料的过滤介质。例如，多组分过滤介质可包括由第一材料形成的纤维和由第二材料形成的纤维，其中，第一材料和第二材料是不同的材料。可替换地，多组分过滤介质可由包括至少两种不同材料的纤维形成，例如包括由第一材料形成的芯体和由第二材料形成的护套的纤维，如下面详细地描述的那样。包括两种不同材料的多组分过滤介质在此称为“双组分过滤介质”、“双组分介质”及类似术语。
在一个优选实施方案中，每个衬底层102，104，106，108，110，112，114，116，118，120包括由包括具有不同熔点的两种不同材料的双组分纤维形成的稀松织物。包括细纤维和由这样的多组分纤维形成的衬底的复合过滤介质在Multi-Component Filter Media with Nanofiber Attachment(带有纳米纤维附着物的多组分过滤介质)，第PCT/US09/50392号PCT专利申请中描述，该申请转让给本申请的受让人，该申请的全部公开内容通过在此引用包含于此。
在本实施方案中，稀松织物的双组分纤维的一种组分具有比另一种组分更低的熔点。低熔点组分可以是任何合适的聚合物，例如，聚丙烯，聚乙烯或聚酯。另一组分可以是具有比低熔点组分更高的熔点的聚合物，或者其他合适的纤维材料，例如玻璃和/或纤维素。双组分纤维结合在一起和/或压缩在一起，以形成具有特定厚度的稀松织物或衬底过滤介质。
用作衬底102，104，106，108，110，112，114，116，118，120的稀松织物的双组分纤维可包括高熔点聚合物组分和低熔点聚合物组分。例如，双组分可包括高熔点聚酯和低熔点聚酯，其中，一种聚酯具有比另一种聚酯更高的熔化温度。图3示意性地示出了根据一个实施方案的双组分纤维22。如图所示，双组分22是同心护套/芯体型，其中，芯体24由高熔点聚合物组分形成，护套26由低熔点聚合物组分形成。
高熔点聚合物组分由具有比低熔点聚合物组分更高的熔化温度的聚合物形成。合适的高熔点聚合物包括但不限于聚酯和聚酰胺。合适的低熔点聚合物包括聚丙烯，聚乙烯，共聚聚酯，或者具有比选择的高熔点聚合物更低的熔化温度的任何其他合适的聚合物。例如，双组分纤维可由聚酯芯体和聚丙烯护套形成。在本实施方案中，双组分纤维由两种不同类型的聚酯形成，其中一种聚酯具有比另一种聚酯更高的熔点。
在其他实施方案中，其他类型的双组分纤维可用于形成衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120。不同类型的双组分纤维的一些实例在图4-10中示意性地示出。包括芯体30和护套32的偏心护套/芯体型双组分纤维28在图4中示出。该纤维类似于同心护套芯体纤维22，但芯体30偏离中心。两种聚合物组分的不同收缩率可使纤维在加热时卷曲成螺旋物。这允许其他平面纤维形成褶皱和块，并在热作用下可导致不同的纤维重新定向、膨胀和/或表面波动。
图5示意性地示出了包括第一聚合物组分36和第二聚合物组分38的并排型双组分纤维34。根据应用，第一聚合物组分可以是具有比第二聚合物组分更高或更低的熔点的聚合物。这是偏心护套/芯体纤维的进一步延伸，其中，两种聚合物都占据一部分纤维表面。通过合适的聚合物选择，该纤维可形成比偏心护套/芯体纤维28更高级别的潜在褶皱。
在图6中示意性地示出扇形楔型双组分纤维40。扇形楔纤维40包括由第一聚合物组分42和第二聚合物组分44形成的多个相邻楔。每个第一聚合物组分42在任一侧上具有第二聚合物组分44。第一聚合物组分42可以是具有比第二聚合物组分44更高或更低的熔点的聚合物。这些纤维设计成通过机械搅动(通常通过水刺（hydroentangling）)分割成组分楔，从而在过滤介质中获得0.1至0.2旦尼尔的微纤维。
图7是包括第一聚合物楔48和第二聚合物楔50的中空扇形楔型双组分纤维46的示意图。再次，根据应用，第一聚合物楔48可由具有比第二聚合物楔50更高或更低的熔点的聚合物形成。中空扇形楔纤维46类似于扇形楔纤维40，但具有防止楔的内尖端接合的中空的中央芯体52，因此使分割更容易。
图8是岛/海型双组分纤维54的示意图。该纤维也公知为“腊肠比萨”构造，其中，第一聚合物组分56是“腊肠”，第二聚合物组分58是“奶酪”。在一些实施方案中，第一聚合物组分56由具有比第二聚合物组分58更高熔点的聚合物形成，或者第二聚合物组分58由可溶解聚合物形成。在这样的实施方案中，该纤维允许多股细的高熔点聚合物56放置在接下来熔化或溶解的低熔点或可溶解聚合物58的基体内。这允许制备由细的微纤维制成的介质，这是因为纤维更易于加工成“比萨”形式而非单独的“腊肠”。短纤维(staple fiber)可由每个“比萨”上的37个“腊肠”制成，从而生成约0.04旦尼尔(约2微米直径)或甚至更细的纤维。
双组分纤维可形成不同形状。例如，一些双组分纤维可不具有包含与上述双组分纤维一样的圆形截面的圆柱形形状。图9和10示出了具有不规则形状的双组分纤维的一些实例。虽然这些纤维不具有圆形截面，但是各自具有符合在本发明的上下文的直径。具有非圆形截面的纤维的直径从纤维的外周边测量。图9是三叶型双组分纤维60，62的示意图。每个三叶型纤维60，62包括第一聚合物组分64，66和第二聚合物组分68，70。每个三叶型纤维60，62由它的直径72，74测量。在一些实施例中，第一聚合物组分64，66由具有比第二聚合物组分68，70更高的熔点或更低的熔点的聚合物形成。
图10是顶端型双组分纤维78，80的示意图。纤维78是具有第一聚合物中心82和第二聚合物顶端84的顶端三叶型双组分纤维。纤维80是具有第一聚合物中心86和第二聚合物顶端88的顶端十字双组分纤维。优选地，第一聚合物中心82，86由具有比第二聚合物顶端84，88更高的熔点的聚合物形成。
形成衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120的纤维，使其具有比细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142的平均纤维直径更大的平均纤维直径。例如，衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120的纤维可以具有大于约1微米的平均纤维直径，优选地大于约2微米，更优选地大于约5微米。在一个实施方案中，衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120的双组分纤维的平均直径为约1微米至约40微米。
粗纤维例如通过一组压延辊和/或烘箱压缩和/或加热，以形成衬底102，104，106，108，110，112，114，116，118，120，其中，任意衬底层具有约0.05mm至1.0mm，优选地约0.1mm至0.5mm的厚度。这样的衬底可提供细纤维所需要的结构支撑。适合于用作任意衬底层102,104,106,108,110,112,114,116,118,120的各种厚度的双组分稀松织物可通过多个供应商，例如，Rogersville，TN的HDK Industries,Inc.(HDK工业股份有限公司)，或其他过滤介质供应商商购获得。因此，衬底可从选自这样的现成的双组分介质。
在一个实施例中，每个衬底层102，104，106，108，110，112，114，116，118，120及介质122包括由具有高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套的双组分短纤维形成的稀松织物。将双组分短纤维一起压缩以形成稀松织物，其中，双组分短纤维通过化学、机械和/或热结合在一起。例如，将双组分短纤维加热至低熔点聚酯的熔化温度或接近低熔点聚酯的熔化温度并一起压缩，其中，由低熔点聚酯形成的护套熔化或软化并起到用于使纤维结合在一起的粘合剂的作用。
细纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142可在相应衬底102，104，106，108，110，112，114，116，118，120形成时直接沉积在它们上面。可替换地，细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142可分开地制备成细纤维网，然后与衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120层压。虽然细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142可包括具有多种纤维直径的纤维，但是优选地，细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142是具有非常细的纤维直径的纳米纤维。这样的细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142可通过静电纺丝或其他合适的工艺形成。在一个实施方案中，细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142是具有小于约1微米，优选地小于0.5微米，更优选地为0.01至0.3微米的平均纤维直径的静电纺丝纳米纤维。这种小直径细纤维可在给定体积中将更多纤维一起装填以在用于形成水滴的聚结过滤介质中提供增加的纤维表面积。
细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142可通过各种合适的聚合物材料形成。为了避免在过滤介质100的加热和/或压缩期间细纤维的破坏，细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142通常由具有至少比衬底的双组分纤维的低熔点组分更高的熔化温度的材料形成。在水聚结应用的优选实施方案中，细纤维由亲水性材料例如聚酰胺形成。其他合适的亲水性聚合物包括但不限于聚(丙烯酸)、聚亚烷基二醇、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚亚烷基二醇、甲基乙烯基醚和马来酸的共聚物、马来酸酐聚合物、聚氧化烯、聚(甲基)丙烯酰胺、亲水性聚氨酯、聚亚乙基亚胺、甲基纤维素、羟基甲基纤维素、羟基乙基纤维素、聚乙烯基磺酸、多糖类例如壳聚糖、和具有足够的–OH、-COOH、和/或-NH2基团的许多其他聚合物或共聚物。
在一个实施方案中，细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142由尼龙-6(聚酰胺-6，在此也称为“PA-6”)通过静电纺丝形成，其中，静电纺丝细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142直接沉积在衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120上。在本实施方案中，细纤维124从包含尼龙-6的溶液通过静电产生并沉积在衬底102的表面上。细纤维126可类似地产生并沉积在衬底层104上等等。涂覆有静电纺丝纳米纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142的衬底层102，104，106，108，110，112，114，116，118，120然后与介质122一起层压，使得每层细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142夹在相邻的衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120和/或介质122之间，以生成处于预压缩状态144的过滤介质100，如图2所示。如上面所讨论，处于预压缩状态144的过滤介质100然后被压缩，以形成处于它的最终压缩状态146的聚结过滤介质100，如图1和图2所示。在优选实施方案中，聚结过滤介质100在压缩之前、在压缩期间和/或在压缩之后被加热。例如，处于预压缩状态144的过滤介质100在通过一组压延辊148，150之前被加热。此外，这组压延辊148，150可被加热，以在压缩期间进一步加热过滤介质100。
细纤维124,126,128,130,132,134,136,138,140,142与衬底102,104,106,108,110,112,114,116,118,120的相邻更粗纤维和/或介质122之间的结合可涉及溶剂结合、压力结合和/或热结合。例如，如果细纤维从包含溶剂的聚合物溶液静电地产生，则当纤维与衬底的粗纤维接触时，留在细纤维的表面上的溶剂可实现溶剂结合。此外，衬底的双组分纤维的低熔点组分可用于加强细纤维和衬底的相邻粗纤维之间的结合。在这样的实施方案中，过滤介质100被加热至低熔点组分的熔点或接近低熔点组分的熔点并压缩，其中，双组分粗纤维的低熔点组分熔化或软化，当它们一起压缩时，这允许相邻的细纤维嵌入到低熔点组分中，从而(通过压力结合和热结合)加强粗纤维和细纤维之间的结合。
在图11中所示的实施方案中，聚结过滤介质500包括10个衬底层502,504,506,508,510,512,514,516,518,520，各自承载细纤维524,526,528,530,532,534,536,538,540,542,和介质522，与过滤介质100相似，将其全部紧密地一起压缩。此外，聚结介质500包括在下游表面548上的多孔层544。多孔层544在此处也被称作“排水层”。尽管此实施方案显示具有介质层522和多孔层544，但这些层是任选存在的，并且因此根据其他实施方案的过滤介质500可以不包括介质层522和多孔层544。
在此实施方案中，介质522和各衬底层502,504,506,508,510,512,514,516,518,520由具有约1至40微米的平均纤维直径及约0.5至15oz/yd2的基本重量（base weight）的双组分纤维稀松织物形成。双组分纤维包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套。细纤维524,526,528,530,532,534,536,538,540,542是由尼龙-6形成的静电纺丝纳米纤维。细纤维具有约0.01微米至0.5微米的平均纤维直径，其中，每层细纤维524,526,528,530,532,534,536,538,540,542具有约0.075g/m2至.225g/m2的细纤维覆盖率，提供约0.75g/m2至2.25g/m2的总细纤维覆盖率。
多孔层544(此处也被称为排水层)可以由各种材料例如纤维素材料或玻璃纤维形成。在此实施方案中，多孔层544由玻璃纤维形成，并且具有大于或等于双组分纤维稀松织物的孔径。多孔层544允许通过压紧的衬底层和细纤维层聚结的水滴的连续生长，并且允许水滴通过多孔层544，以随后收集水滴。此外，多孔层544可以为压紧的衬底和细纤维层提供额外的结构支持。将介质522，衬底层502,504,506,508,510,512,514,516,518,520，细纤维524,526,528,530,532,534,536,538,540,542，和多孔层544层压并一起压缩以形成总厚度为约3/16"至1/2"的紧密地压缩的聚结过滤介质500。
在一些实施方案中，排水层544由硅化的纤维素材料形成。在这样的实施方案中，排水层544并非连续地与衬底层502结合，而是可以部分地固定至衬底层502，以防止当聚结过滤介质500随后地折叠或形成各种过滤元件时的滑动运动。在这些实施方案中，压紧的衬底和细纤维层将水滴聚结成足以被由疏水性硅化的纤维素材料形成的排水层544捕获的体积。疏水性排水层544起防止水滴流过疏水性排水层544的孔的水屏障的作用。反而，水滴沿着排水层544的疏水性内表面流动，并且在衬底层502和排水层544之间流下。随后在线下收集水滴，使得仅燃料进入发动机。
在此实施方案中，烃燃料流由上游表面546进入聚结过滤介质500，流经衬底和细纤维层，并且经过下游表面548上的多孔层55流出。当烃燃料流经过衬底和纤维层时，烃燃料流中乳化的水由于由细纤维提供的大的纤维表面积而聚结。此外，亲水性细纤维吸引水，增强水滴的形成。随着聚结的水滴经过多孔层544的大孔，其体积进一步增大并与烃燃料分离。此外，烃燃料系统中的固体和/或污染物可以被捕获在聚结过滤介质500的孔中，由此提供额外的过滤能力。
在其他实施方案中，衬底层502,504,506,508,510,512,514,516,518,520包含不同的介质。例如，一些衬底层可以由比其它层更厚的稀松织物或过滤介质形成，或可以具有与其它层不同的孔径。此外，细纤维层524,526,528,530,532,534,536,538,540,542可以具有相同的细纤维覆盖率或不同的细纤维覆盖率。例如，细纤维层中的一些可以具有约0.08g/m2的细纤维覆盖率，而其他细纤维层具有约0.2g/m2的细纤维覆盖率。此外，可以根据烃燃料流的特性和水含量而设置各层的细纤维覆盖率以优化聚结过程。
图12示意性地示出了根据本发明的处理实施方案的制造聚结过滤介质的代表性工艺。虽然本实施方式包括用于制造图11的聚结过滤介质500的下游工艺步骤，但是所述工艺可通过较少的修改生产根据本发明的其他实施方案的过滤介质。图12中示出的系统200包括用于制造包括衬底及沉积在衬底上的细纤维的复合介质的上游系统201，以及用于层压及压缩多层复合介质和其他额外的层以制造聚结过滤介质的下游系统203。
上游系统201包括解绕台202、静电纺丝台204、任选存在的烘箱206、任选存在的一组压延辊207及重新缠绕台208。在本实施方案中，此处用作衬底层的稀松织物卷210从解绕台202解绕。从稀松织物卷210解绕的稀松织物212沿着机器方向214朝着静电纺丝台204行进。在静电纺丝台204中，细纤维216形成并沉积在稀松织物212的一个表面上，以形成包括承载细纤维216的稀松织物的复合介质218。在重新缠绕台208上缠绕成复合介质卷230之前，可在任选存在的烘箱206和任选存在的一组压延辊207中加热并压缩复合介质218。
稀松织物可在系统200的上游工艺(连续线工艺的一部分或中断的线工艺)中形成，或者可从供应商例如HDK或其他合适的介质供应商例如H&V或Ahlstrom等以卷形式购买。稀松织物可由各种合适的材料，例如，如上面讨论的图3-10的双组分纤维形成。例如，稀松织物可由高熔点聚酯芯体/低熔点聚酯护套双组分短纤维形成，其被压缩和/或加热以形成具有期望的厚度和坚固性的稀松织物卷210。可替换地，衬底层可以是可被压缩并通过溶剂结合、热结合等保持在合适位置的其他单组分介质。
在双组分的情况下，例如同心护套/芯体型双组分纤维可使用高熔点聚酯作为芯体和低熔点聚酯作为护套而共同挤出。这样的双组分纤维然后可用于形成稀松织物或过滤介质。在一个实施方案中，双组分纤维用作短纤维，以通过传统干燥成网（laying）或气流成网工艺形成多组分过滤介质或稀松织物。用于该工艺的短纤维相对短且不连续，但是长度足够由传统设备处理。双组分纤维包可通过斜槽供应器供应并在梳理装置中分成单独的纤维，该单独的纤维然后气流成网成纤维网(对于本公开的目的纤维网本身可用作衬底)。然后使用一组压延辊将纤维网压缩，以形成稀松织物卷210(稀松织物卷210也可用作衬底)。在进入一组压延辊之前可任选地将纤维网加热。由于本实施方式的稀松织物210包括包含高熔点组分和低熔点组分的双组分纤维，所以它还称为双组分过滤介质。在一些实施方案中，在被压延以形成更厚双组分过滤介质之前将纤维网折叠。
在不同的实施方式中，可以形成包括高熔点聚合物纤维例如聚酯纤维的网及包括低熔点聚合物纤维例如聚丙烯纤维的网、分开和一起层压，以形成双组分过滤介质或稀松织物卷。在这样的实施方案中，细纤维216沉积在稀松织物212的低熔点侧上。在该实施方案中，低熔点网基本上比高熔点网更薄，使得在加热和熔化时低熔点组分不会堵塞高熔点网的表面。
在另一实施方案中，双组分纤维稀松织物可通过熔喷工艺形成。例如，熔化的聚酯和熔化的聚丙烯可使用加热的高速空气挤出和拉伸，以形成粗纤维。纤维可在运动丝网（moving screen）上以网的形式收集，以形成双组分稀松织物210。
多组分纤维过滤介质或稀松织物也可使用至少两种不同聚合物材料纺粘。在通常的纺粘工艺中，熔化的聚合物材料通过多个挤出孔，以形成多条丝状纺丝线。多条丝状纺丝线被拉伸以增加它的韧性并通过淬火区域(其中发生固化)，其在支撑物例如运动丝网上收集。纺粘工艺类似于熔喷工艺，但是熔喷纤维通常比纺粘纤维更细。
在另一个实施方案中，将多组分过滤介质湿法成网。在湿法成网工艺中，将高熔点纤维和低熔点纤维分散在传输带上，将纤维在仍然湿的状态下铺成均匀的网。湿法成网操作通常使用1/4″至3/4"长的纤维，但是如果纤维硬或厚则有时更长。将上面讨论的根据各种实施方案的纤维压缩，以形成具有期望厚度的稀松织物210或过滤介质。
回到图12，稀松织物212进入静电纺丝台204，在静电纺丝台204中，细纤维216形成并沉积在稀松织物212的一个表面上。在静电纺丝台204中，细纤维216从静电纺丝单元222静电纺丝并沉积在稀松织物网212上。系统200的静电纺丝工艺可基本上类似于转让给本申请的受让人的FineFibers Under 100 Nanometers,And Methods(100纳米以下的细纤维及方法)，第U.S.2009/0199717号美国专利申请公布中公开的静电纺丝工艺，其全部公开内容通过在此引用包含于此。可替换地，喷嘴池或其他静电纺丝设备可用于形成细纤维。这样的可替换静电纺丝装置或单元222的链电极的重定路径可允许纤维以任何期望的方向沉积(例如，虽然示出为向上地，但是纤维也可向下地、水平地或对角地纺丝到承载更粗纤维的传输器上)。
静电纺丝工艺生产小直径的合成纤维，该合成纤维还公知为纳米纤维。静电纺丝的基本工艺涉及在存在强电场例如高电压梯度的情况下，将静电电荷引入至聚合物熔融体或溶液流体。将静电电荷引入至静电纺丝单元222中的聚合物流体导致带电流体的喷射流的形成。带电的喷射流在静电场中加速并变薄，朝着接地集流体聚集。在这样的工艺中，聚合物流体的粘弹性力使喷射流稳定，从而形成小直径的丝。纤维的平均直径可通过静电纺丝单元222的设计和聚合物溶液的配方来控制。
用于形成细纤维的聚合物溶液可包括各种聚合物材料和溶剂。聚合物材料的实例包括聚氯乙烯(PVC)，聚烯烃，聚缩醛，聚酯，纤维素醚，聚硫醚，聚亚芳基氧化物，聚砜，改性聚砜聚合物及聚乙烯醇，聚酰胺，聚苯乙烯，聚丙烯腈，聚偏二氯乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚偏二氟乙烯。用于制造用于静电纺丝的聚合物溶液的溶剂可包括乙酸，甲酸，间甲酚，三氟乙醇，六氟异丙醇氯化溶剂，醇类，水，乙醇，异丙醇，丙酮，和N-甲基吡咯烷酮及甲醇。基于聚合物在给定的溶剂和/或溶剂混合物(其均可称为“溶剂”)中的充分溶解性，溶剂和聚合物可为合适的使用而匹配。例如，对于尼龙-6，可选择甲酸。对于细纤维的静电纺丝的进一步的细节，可参考前述专利。
在静电纺丝台204中，在静电纺丝单元222的电极和真空收集器传输器224之间产生静电场，其由产生高电压电势的高电压电源提供。如图12所示，可存在多个静电纺丝单元222，其中形成细纤维216。在静电纺丝单元222的电极处形成的细纤维216通过由静电场提供的力朝着真空收集器传输器224拉伸。真空收集器传输器224还沿着机器方向214保持并传输稀松织物212。如所构造的，将稀松织物212布置在静电纺丝单元222和真空收集器传输器224之间，使得细纤维216沉积在稀松织物212上。在其中稀松织物212是包括在一个表面上的低熔点组分和在另一个表面上的高熔点组分的多组分过滤介质的实施方案中，将多组分稀松织物212布置在静电纺丝单元222和真空收集器传输器224之间，使得多组分稀松织物的低熔点组分表面面对静电纺丝单元222。
在一个优选的实施方案中，静电纺丝单元222包含含有聚酰胺-6(PA-6)及由2/3乙酸和1/3甲酸构成的合适溶剂的聚合物溶液。在这样的溶剂中，乙酸和甲酸均用作溶解剂，以溶解PA-6，乙酸控制聚合物溶液的表面张力和导电性。静电纺丝单元222产生由PA-6形成的细纤维，该细纤维沉积在稀松织物212的表面上。当细纤维216沉积在稀松织物212的表面上时，一些细纤维216与最接近面对静电纺丝单元222的表面的稀松织物的粗纤维缠结。当一些细纤维216与一些粗纤维缠结时，留在来自静电纺丝工艺的细纤维216中的溶剂可实现细纤维216和稀松织物212的粗纤维之间的溶剂结合。
稀松织物212的双组分纤维和细纤维216之间的结合可通过由任选存在的烘箱206和任选存在的一组压延辊207导致的热接合和压力接合增强。当复合介质218在烘箱206中加热时，双组分纤维的低熔点聚合物组分软化或熔化并允许细纤维216嵌入低熔点聚合物组分中。因此，在热处理期间，将复合过滤介质218加热到至少高于低熔点组分的玻璃转化温度，更加优选地加热至低熔点组分的熔化温度或接近低熔点组分的熔化温度。例如，将复合介质218加热至低熔点聚酯的熔点或接近低熔点聚酯的熔点，使得双组分纤维的外部低熔点聚酯层熔化并与由PA-6形成的细纤维216结合。在这样的实施方案中，PA-6细纤维216和双组分纤维的高熔点聚酯芯体不熔化，这是因为PA-6和高熔点聚酯具有比低熔点聚酯的熔化温度显著高的熔化温度。具有最低熔化温度的低熔点聚酯熔化或软化，且相邻的PA-6细纤维216嵌入软化或熔化的低熔点聚酯中，从而将细纤维216和稀松织物212结合在一起。因此，低熔点聚酯起双组分纤维稀松织物212和细纤维216之间的结合剂的作用。细纤维216和稀松织物212之间的结合可通过经由一组压延辊207的压力结合而进一步增强。当复合介质通过压延辊207时，将细纤维216和稀松织物212一起压缩，其中，细纤维进一步嵌入稀松织物212的纤维中。此外，压缩减少了复合介质中的空隙，以形成具有增强的坚固性的复合介质220。
图15(A)-15(D)是以不同放大水平获得的稀松织物212的双组分纤维和最接近稀松织物212的表面的细纤维216的扫描电子显微镜(SEM)图像。如在图15(A)和15(B)的以x300和x1000放大水平获得的SEM图像中所示出，沉积在稀松织物网212上的细纤维216在位于最接近稀松织物212的表面的更粗的双组分纤维之间形成蜘蛛网样纤维结构。以更高放大水平获得的SEM图像(图15(C)的x2,000和图15(D)的x10,000)显示细纤维216和双组分纤维之间的结合。如在图15(D)中清楚地示出，细纤维216嵌入双组分纤维的低熔点聚酯表面上。
在下游系统203中，包括双组分稀松织物212和细纤维216的复合介质卷230与其他复合介质232，234，236，238，240，242，244，246，248及介质250层压。各复合介质卷230，232，234，236，238，240，242，244，246，248和介质卷250从解绕台252，254，256，258，260，262，264，266，268，270，272解绕，并通过一组辊274一起层压。这组辊可以是压延辊，以施加用于层压的显著的压力并显著地减少复合介质的层的厚度。可替换地，这组辊274可施加用于层压的小压力并将层压层的厚度减少至刚好足以匹配烘箱276。在这样的实施例中，层压层280在烘箱276中加热并通过一组压延辊282压缩，其中，层压层280被一起压缩成具有期望的厚度和坚固性的压缩状态。
在此实施方案中，各复合介质卷232，234，236，238，240，242，244，246，248与复合介质卷230类似地制备。因此，各复合介质卷232，234，236，238，240，242，244，246，248包括由双组分纤维稀松织物284，286，288，290，292，294，296，298，300形成的衬底及由双组分纤维稀松织物284，286，288，290，292，294，296，298，300承载的静电纺丝纳米纤维302，304，306，308，310，312，314，316，318。
在一个实施方案中，各衬底212，284，286，288，290，292，294，296，298，300及介质250由具有约0.05mm至1.0mm的厚度的相同双组分纤维稀松织物形成。每层细纤维216，302，304，306，308，310，312，314，316，318通过静电纺丝PA-6聚合物溶液形成，以生成约0.075g/m2至.225g/m2的细纤维覆盖率。在其他实施方案中，衬底可由不同类型的过滤介质或稀松织物形成，每个细纤维层可具有不同的细纤维覆盖率。
在烘箱276中将复合介质280加热至双组分纤维稀松织物的低熔点聚酯组分的熔化温度或接近双组分纤维稀松织物的低熔点聚酯组分的熔化温度。在加热期间，衬底可松弛且厚度膨胀。因此，膨松的复合介质281的厚度可为在烘箱276中加热之前的复合介质280的厚度的至少1.5倍，2倍，3倍或更多倍。膨松的复合介质281然后通过一组压延辊282压缩成压缩状态320。将复合介质压缩，使得复合介质280的厚度减小至加热之前的复合介质280的原始厚度的约50%至300%，优选地约70%至200%，更优选地约80%至150%((承载10个细纤维层的10个稀松织物层的总厚度+介质的厚度-处于压缩状态320的复合介质的厚度)/(承载10个细纤维层的10个稀松织物层的总厚度+介质的厚度))。厚度减少将取决于加热期间膨胀的量。因此，当来自加热的膨胀大时，在压缩之后的复合介质的最终厚度可大于在加热之前的复合介质的初始厚度。然后将处于压缩状态320的复合介质与排水层322层压，并缠绕成聚结介质卷324。
在本实施方案中，将复合介质卷230，232，234，236，238，240，242，244，246，248及介质250一起层压，使得各细纤维层216，302，304，306，308，310，312，314，316，318夹在相邻衬底层和/或介质之间。然而，在其他实施方案中，可将复合介质层层压，使得一些细纤维层彼此面对，以在最终复合介质320内形成细纤维-细纤维或衬底-衬底结合。
图13示意性地示出了根据本发明的不同实施方案的制造聚结过滤介质的系统和工艺。系统400通常包括解绕台402、静电纺丝台404、折叠台406、一组辊408、烘箱410及一组压延辊412和重新缠绕台414。
在本实施方案中，衬底卷416从解绕台402解绕并移动到静电纺丝台404，在其中细纤维形成并沉积在衬底416的表面上。静电纺丝台404和工艺类似于上述静电纺丝台204和工艺。在本实施方案中，衬底416是由包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套的双组分纤维形成的稀松织物。细纤维418由PA-6形成。
包括衬底416和细纤维418的复合介质420在折叠台406中折叠。复合介质420可被折叠成2-20折厚度，这取决于最终聚结介质的期望的特性。如图所示，折叠生成细纤维-细纤维的层压表面和衬底-衬底的层压表面。在本实施方案中显示折叠台406沿着直线方向折叠复合介质420，使得折叠指向一组辊408。然而，在其他实施方案中，复合介质402可被折叠，使得折叠指向静电纺丝台404或者沿着交叉线方向折叠。折叠的复合介质422然后被压缩至适合于通过烘箱410的厚度。当加热复合介质424时，低熔点聚酯护套熔化或软化，以实现层之间的热结合。在从烘箱410中出来之后，复合介质424通过一组压延辊412。压延辊412根据聚结介质的期望的最终厚度彼此分开。复合介质424在它通过该组压延辊412时被挤压成具有期望的厚度的压缩状态。
此外，介质层426和多孔层428层压在聚结介质430的各表面上并在重新缠绕台414中缠绕成卷。包括聚结介质430、介质层426、和多孔层428的聚结过滤介质432的放大的截面图示于图13中。如图所示，聚结介质430包括处于来自折叠过程的倾斜定向的多层衬底416和多层细纤维418。介质层426可由任何合适的介质形成，但是在本实施方案中，介质层426由用于衬底416的相同双组分纤维稀松织物形成。多孔层428也可以由各种多孔材料形成，但在此实施方案中，多孔层428为玻璃纤维材料。
图14示出了制造聚结介质的系统和工艺的另一不同实施方案。系统600类似于系统400，但在本实施例中细纤维不沉积在衬底上。相反，细纤维形成并沉积在松散缠结的粗纤维网上。系统600通常包括斜槽602、梳理装置603、静电纺丝台604、折叠台606、一组辊608、烘箱610及一组压延辊612和重新缠绕台614。
在系统600中，粗纤维网616使用干燥成网或气流成网工艺从短纤维形成。本实施方案的短纤维是包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套的双组分纤维。双组分短纤维相对短且不连续，但是足够长以通过传统设备处理。短纤维包通过斜槽供应器602供应。在梳理装置603中，双组分短纤维被分成单独的纤维且气流成网以形成粗纤维网616。在这点上，粗纤维网616可一起松散地缠结成高度膨松的厚的状态且可不结合在一起。可使用非常小的人力将粗纤维网616容易地撕开且其在这点上几乎没有结构完整性，使得它不被认为是传统意义上的过滤介质或衬底。
粗纤维网616通过传输器带617朝着静电纺丝台604传输，在静电纺丝台604中，细纤维618形成并沉积在粗纤维网616的表面上。当细纤维618沉积在粗纤维网616上时，纤维618与粗纤维网616的粗纤维以大大高于与前面的实施方案中与衬底416的整合程度的程度整合，这是因为粗纤维网616更加多孔且密度更小，以允许细纤维616的更深的整合。
与细纤维618整合的粗纤维网616然后在折叠台606中被折叠成10-30折并通过一组辊608压缩，其在烘箱610中加热并通过一组压延辊612再次压缩，与在系统400中一样。然后将聚结介质630与介质层626和多孔层628层压，以形成聚结过滤介质632。本实施方案的聚结介质630的粗的双组分纤维和细纤维更加整合。因此，聚结介质630的截面图未显示多个层，而是表现出更像单个整合介质630。聚结介质630具有足以提供自流体流例如烃燃料流聚结水滴的细纤维覆盖率和紧密性。此外，聚结过滤介质经设置以自所述流体流除去水。
根据本发明的各个实施方案的聚结介质可以为各种应用而构造成各种形状和尺寸。例如，聚结介质可用于自旋过滤应用、大的燃料过滤容器、航空过滤系统、液压过滤元件、和生物燃料系统。聚结介质可皱褶或聚集成开槽过滤器、皱褶过滤器或其他这样的典型过滤器元件配置。尽管聚结介质特别地适于聚结应用，但聚结介质也可以有效地用于其他过滤应用例如从水过滤颗粒。
典型的聚结过滤原件可以包括预过滤原件和聚结原件。预过滤介质通常为独立于聚结原件的结构并且经设置用于在燃料流进入聚结元件之前自燃料流过滤出颗粒，以防止颗粒阻塞聚结介质孔。在一个实施方案中，构建聚结过滤原件以包括膨胀的纳米纤维复合介质和压缩式聚结过滤介质。这样的聚结过滤元件可以过滤颗粒并且聚结水，以消除对于预过滤元件的需要。
图16显示包括膨胀的纳米纤维复合介质702、压缩式聚结介质704和排水层706的聚结过滤元件700。如图所示，燃料流708通过膨胀的纳米纤维复合介质702进入聚结过滤介质700并流经压缩式聚结介质704并通过排水层706离开。这样的膨胀的纳米纤维复合介质公开于转让给本发明的受让人的美国临时专利申请第61/308,488号，Expanded Composite FilterMedia Including Nanofiber Matrix and Method中，其全部公开内容通过在此引用包含于此。
在此实施方案中，膨胀的纳米纤维复合介质702包括三个衬底层710,712,714，其中衬底层712和714承载纳米纤维726,728。压缩式纳米纤维复合介质704包括5个衬底层716,718,720,722,724，各自承载纳米纤维730,732,734,736,738。衬底层710,712,714,716,718,720,722,724各自可以由相同的或不同的多孔材料形成。在此实施方案中，各衬底层由包含如上关于聚结介质的其他实施方案中所述的双组分纤维的稀松织物形成。通过与上述其他实施方案相似的静电纺丝将纳米纤维726,728,730,732,734,736,738沉积在相应的衬底层上。
通过将纳米纤维726,728沉积的稀松织物层712,714与稀松织物层710层压并将层压的层在烘箱中加热以使稀松织物层的纤维重定向和膨松而构建膨胀的纳米纤维复合介质702。在稀松织物层710,712,714重定向和膨松时，纳米纤维726,728也重定向并随着稀松织物层的纤维膨胀。结果，纳米纤维的体积覆盖率可能增加(对于相同的基重应用体积覆盖率更高-由于可以出现膨胀并使纳米纤维膨胀入3D基体中)；由于膨胀而可以减少压降；和/或可以减缓随粉尘载荷的压降增加。因此，膨胀的纳米纤维复合介质702层可以有效地在燃料流进入随后的压缩式聚结介质层704之前将其中的颗粒过滤出。
压缩式聚结介质704可以与上文详述的聚结过滤介质100或500相似地构建。将纳米纤维沉积的稀松织物层层压、加热并压缩以形成用于聚结燃料流中的水的压缩式聚结介质。排水层706可以为上述任何多孔介质。在此实施方案中，排水层706为疏水性硅化的纤维素材料。此排水层并非与衬底层738连续地连接，而是沿边侧的若干点固定至衬底层。疏水性排水层706防止聚结的水滴通过其孔。相反，聚结的水滴沿着排水层706的内表面725流动并被收集。因此，仅不含聚结的水滴的燃料流被允许通过排水层进入发动机系统。
在此引用的所有参考物，包括出版物、专利申请及专利通过引用包含于此，其程度如同每个参考物单独地且具体地指示为通过引用包含于此并在此以它的整体进行阐述。
在描述本发明的上下文中(尤其是在下面的权利要求的上下文中)，术语“一个”、“一”、“该”及类似词语的使用将解释为包括单数和复数，除非在此另外指示或通过上下文清楚地否定。术语“包括”、“具有”、“包含”及“含有”将解释为开放式术语（即，意思是“包含，但不限于”），除非另外注明。此处的值的范围的描述仅仅意在用作单独地指落入该范围内的每个单独值的一种简略方法，除非在此另外指示，且每个单独值结合到说明书中，如同它在此单独地说明。在此描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行，除非在此另外指示或通过上下文另外清楚地否定。在此提供的任何和所有实例或示例性语言(如，“例如”)仅仅意在更好地描述本发明，并不对本发明的范围构成限制，除非另外声明。在说明书中没有语言应该解释为指示任何未声明的元件对于实施本发明来说是必不可少的。
在此描述了本发明的优选实施方式，包括对于发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。这些优选实施方式的改变对于本领域的普通技术人员在阅读前面的描述时可变得显而易见。发明人期望熟练的技工合适地使用这样的改变，发明人意在使本发明另外地实施，除了如在此具体地描述的之外。因此，本发明包括在附加于此的权利要求中引用的主题的所有变型和等同物，这是由适用的法律允许的。此外，在上述元件的所有可能的变化中，上述元件的任意结合由本发明包括，除非在此另外指示或通过上下文另外清楚地否定。

Claims (37)

1.形成聚结过滤介质的方法，包括以下步骤：
静电纺丝平均直径小于1微米的细纤维，
将所述细纤维施用至包含平均直径大于1微米的粗纤维的至少一个衬底；
将所述细纤维和所述粗纤维一起压紧；
通过所述压紧产生足以从流体流聚结水滴的细纤维覆盖率和紧密度；和
使粗纤维和细纤维结构化为可操作用于从流体流除去水的聚结过滤介质。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述施用之前所述至少一个衬底包括结合在一起成为成型过滤介质的纤维缠结物，在施用细纤维的步骤中细纤维被沉积至所述成型过滤介质上。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一个衬底包含由包含高熔点组分和低熔点组分的双组分纤维形成的至少一个稀松织物，其中所述细纤维被沉积在所述至少一个稀松织物的表面并由所述至少一个稀松织物承载。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过进料多个分离的衬底层或通过层叠一个或多个单独的衬底层生成具有承载于多个单独的层上的纳米纤维的多个衬底层，由此通过所述多个衬底层将所述聚结过滤介质的厚度中的细纤维隔开，其中所述压紧包括将承载所述细纤维的多个衬底层层压，并将承载所述细纤维的多个衬底层压缩以形成复合过滤介质。
5.如权利要求4所述的方法，还包括永久地使承载所述细纤维的多个衬底层结合在一起以形成整合的复合过滤介质层。
6.如权利要求1所述的方法，其中各衬底沿其表面单独地承载所述细纤维，细纤维覆盖率为约0.075g/m2至.225g/m2，且集体地在所述聚结过滤介质中提供约0.75g/m2至2.25g/m2的在所述复合过滤介质中的总细纤维覆盖率，并由此提供所述足够的细纤维覆盖率和紧密度。
7.如权利要求6所述的方法，其中将所述层一起压缩以将厚度减少至约3/16"至1/2"。
8.如权利要求4所述的方法，还包括在聚结过滤介质的下游侧或最接近聚结过滤介质的下游侧层压排水过滤层，所述排水过滤层经安置以收集由细纤维聚结的水滴并使其生长。
9.如权利要求5所述的方法，其中所述至少一个衬底包含由包含高熔点成分和低熔点成分的双组份纤维形成的至少一个稀松织物，其中所述细纤维被沉积在所述至少一个稀松织物的表面并由所述至少一个稀松织物承载；还包括将承载所述细纤维的多个稀松织物层加热至低熔点成分的熔点温度或接近低熔点成分的熔点温度，其中所述低熔点成分熔化或软化，以起到使各层结合在一起的粘合剂的作用。
10.如权利要求5所述的方法，将承载所述细纤维的稀松织物折叠成多折并一起压缩，其中所述折叠产生细纤维-细纤维的层压表面和稀松织物-稀松织物的层压表面。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底是包含粗纤维的松散缠结物的粗纤维的网，在所述施用所述细纤维的步骤期间将所述细纤维施用至所述粗纤维的松散缠结物，且其中将施用有所述细纤维的粗纤维的网折叠成多折并一起压缩，其中使所述细纤维和所述粗纤维整合以形成单一的整合的聚结介质。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述静电纺丝细纤维包括由包括亲水性聚合物的溶液纺丝细纤维。
13.形成压缩式过滤介质的方法，包括以下步骤：
静电纺丝平均直径小于1微米的细纤维的网；
将所述细纤维施用至衬底，所述衬底包含结合在一起以形成过滤介质的粗纤维，其中所述粗纤维的平均纤维直径大于1微米；和
将施用细纤维的衬底的组合层叠，使得细纤维重叠。
14.如权利要求13所述的方法，还包括将过滤介质的卷从解绕台解绕以及将过滤介质转移至静电纺丝台，其中通过线张力使所述过滤介质保持漂浮。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述衬底为包含双组份纤维的稀松织物，所述双组份纤维包含高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套。
16.如权利要求13所述的方法，其中施用所述细纤维的步骤提供约0.075g/m2至.225g/m2的细纤维覆盖率，其中所述细纤维由所述稀松织物承载。
17.如权利要求13所述的方法，其中层叠步骤包括将承载所述细纤维的衬底折叠成2-20折，其中所述折叠提供了细纤维-细纤维的层压表面和衬底-衬底的层压表面，其中将折叠的层加热并压缩以形成压缩介质，其中通过加热和压缩将厚度调节约50%-300%。
18.如权利要求17所述的方法，其中形成的压缩式介质的总细纤维覆盖率为约0.09g/m2至5.25g/m2。
19.如权利要求13所述的方法，其中静电纺丝细纤维的步骤包括由包含聚酰胺-6的溶液纺丝细纤维。
20.聚结过滤介质，包含：
至少一个衬底，其包含至少一个包括平均纤维直径大于1微米的粗纤维的过滤介质；
由所述衬底承载的细纤维，所述细纤维包含平均纤维直径小于1微米的亲水性纤维，所述细纤维提供了足以聚结烃燃料中乳化的水的纤维表面积，其中所述亲水性纤维促进水滴的形成和生长。
21.如权利要求20所述的聚结过滤介质，还包括安置在所述聚结过滤介质的下游表面上的排水层，其中所述排水层由疏水性多孔材料形成。
22.如权利要求21所述的聚结过滤介质，其中所述排水层由纤维素材料或玻璃纤维材料形成。
23.如权利要求20所述的聚结过滤介质，其中所述细纤维为由亲水性聚合物形成的静电纺丝纳米纤维。
24.如权利要求23所述的聚结过滤介质，其中所述细纤维由聚酰胺-6形成。
25.如权利要求24所述的聚结过滤介质，其中所述细纤维的总细纤维覆盖率为约0.09g/m2至5.25g/m2。
26.如权利要求20所述的聚结过滤介质，其中所述衬底为包含双组份纤维的稀松织物，所述双组份纤维具有高熔点组分和低熔点组分。
27.如权利要求26所述的聚结过滤介质，其中所述双组份纤维包含高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套，其中所述至少一个衬底和所述细纤维一起加热和压缩以形成聚结介质，其中所述低熔点聚酯护套熔化或软化以使所述粗纤维和所述细纤维结合。
28.如权利要求20所述的聚结过滤介质，其中所述聚结过滤介质包括多个过滤介质层，所述多个过滤介质层中的承载细纤维层的每一层的细纤维覆盖率为约0.075g/m2至.225g/m2。
29.如权利要求28所述的聚结过滤介质，其中所述细纤维层中的每一层夹在所述衬底层和/或介质层之间。
30.如权利要求29所述的聚结过滤介质，其中所述聚结过滤介质包括细纤维-细纤维的层压表面和衬底-衬底的层压表面。
31.如权利要求28所述的聚结过滤介质，其中所述聚结过滤介质包括10个衬底层，其中每个衬底层都由包含双组份纤维的稀松织物形成，其中所述细纤维层中的每一层包含静电纺丝聚酰胺-6纳米纤维，其中10个细纤维层提供了约0.75g/m2至2.25g/m2的总细纤维覆盖率。
32.如权利要求31所述的聚结过滤介质，还包括安置在所述聚结过滤介质的下游表面上的排水层，所述排水层由玻璃纤维垫形成，其中所述聚结过滤介质的总厚度为约3/16"至1/2"。
33.压缩式过滤介质，包含：
至少一个衬底，所述至少一个衬底包含平均纤维直径大于1微米的粗纤维；
由所述至少一个衬底承载的细纤维，所述细纤维的平均纤维直径小于1微米，在压缩的状态下，所述细纤维中的至少一些至少部分地嵌入所述粗纤维中。
34.如权利要求33所述的压缩式过滤介质，与平面层相反，其中所述细纤维中的至少一些形成细纤维的三维基体。
35.如权利要求33所述的压缩式过滤介质，其中所述细纤维中的至少一些被通常地夹在衬底层之间
36.如权利要求33所述的压缩式过滤介质，其中所述细纤维的熔点高于所述粗纤维的至少一个组分的熔点，且其中所述细纤维被永久地固定和取向。
37.如权利要求33所述的压缩式过滤介质，其中所述承载所述细纤维的至少一个衬底在压缩状态被一起压延。
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