CN102869433A - 细纤维液体颗粒过滤介质 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于液体颗粒过滤应用的过滤介质。该过滤介质包括压缩在一起的衬底和细纤维。

Description

细纤维液体颗粒过滤介质
技术领域
本发明总体上涉及一种过滤介质，尤其涉及一种包括用于液体颗粒过滤应用的细纤维的复合过滤介质以及制造该过滤介质的方法。
背景技术
诸如液体流和气体流(例如，气流)的流体流通常携带夹带于流体流中的通常不期望的污染物的颗粒。过滤器通常用于从流体流去除这些颗粒中的一些或全部。
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：过滤材料构造和方法，第5,672,399号美国专利；纤维素/聚酰胺复合物，第2007/0163217号美国专利公布；过滤介质、100纳米以下的细纤维及方法，第2009/0199717号美国专利公布；结合式纳米纤维过滤介质，第2009/0266759号美国专利公布；具有双组分纳米纤维层的过滤介质，第61,047,455号美国临时专利申请；包括纳米纤维基体的膨胀式复合过滤介质和方法，第61/308,488号美国临时专利申请；以及压缩式纳米纤维复合介质，第61/330,462号美国临时专利申请，这些现有技术的全部公开内容通过在此引用被包含于此。
本发明提供用于各种液体颗粒过滤应用的改良型过滤介质。本发明的这些和其他优点以及其他创造性特征将从在此提供的本发明的描述中显而易见。
发明内容
液体通常比气体粘得多，因此导致更高的拖曳力。因此，液体过滤应用在与气体或空气过滤应用相比时，尤其相对于细纤维过滤介质提出了特殊的挑战。例如，液体具有比气体大得多的拉动颗粒的趋势。因此，用于液体过滤应用的过滤介质的拦截能力明显比气体或空气过滤应用差。实际上，液体的粘性越高，过滤介质的拦截越小。例如，过滤介质的过滤效率可从用于空气过滤应用的大约90%下降到用于柴油燃料过滤应用的大约20%。因此，为空气或气体过滤应用设计的过滤介质通常不能满足液体过滤应用的过滤要求。
包括纳米纤维的过滤介质已经在空气/气体过滤应用中公知。然而，由于液体的流体特性使得申请人不认为纳米纤维已经典型地用于液体过滤。实际上，用于针对颗粒/污染物的液体应用的细纤维空气过滤介质的初步测试显示纳米纤维几乎没有区别或没有区别，如同细纤维不存在一样。这据信是归因于由液体产生的粘性和颗粒动量。根据本发明的各个实施例的复合过滤介质提供一种包括纳米纤维的过滤介质，其尤其极好地适合于液体颗粒过滤应用，例如，各种碳氢化合物燃料的颗粒过滤。对于液体过滤具有有益应用的各种细纤维覆盖度、细纤维参数、衬底和布置方式在此讨论。
在一方面，本发明提供一种用于液体颗粒过滤应用的过滤介质。该过滤介质包括衬底和承载在衬底上的细纤维。衬底包括具有至少为细纤维的平均纤维直径的4倍的平均纤维直径的粗纤维。细纤维具有至少0.03g/m2的基本重量和至少大约5000km/m2的线性覆盖度。
在另一方面，本发明提供一种用于液体颗粒过滤应用的过滤元件。过滤元件包括过滤介质、顶盖和底盖。过滤介质包括衬底和承载在衬底上的细纤维。衬底包括具有至少为细纤维的平均纤维直径的4倍的平均纤维直径的粗纤维。细纤维具有至少0.03g/m2的基本重量和至少大约5000km/m2的线性覆盖度。此外，顶盖包括流体入口。过滤介质密封地附着到顶盖和底盖。
在另一方面，本发明提供一种形成过滤介质的方法。该方法包括静电纺丝具有小于1微米的平均纤维直径的细纤维；将细纤维施加在衬底上，以提供至少0.03g/m2的细纤维基本重量和至少大约5000km/m2的细纤维线性覆盖度，其中，衬底包括具有至少为细纤维的平均纤维直径的4倍的平均纤维直径的粗纤维；以及处理带有施加的细纤维的衬底，以将细纤维重新布置在衬底上。
在另一方面，本发明提供一种过滤液体的方法。该方法包括提供根据在此描述的任何实施例的过滤介质的步骤，以及使液体流流过过滤介质以捕获液体流中的颗粒的步骤。
本发明的其他方面、目的及优点将从下面结合附图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例的包括承载细纤维的紧密压实多稀松织物（斯克林布）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是图1的过滤介质处于通过一组辊压缩到压缩状态的预压缩状态的示意性截面图；
图3是根据本发明的实施例的衬底的同心护套/芯体型双组分纤维的示意图；
图4是根据本发明的实施例的衬底的偏心护套/芯体型双组分纤维的示意图；
图5是根据本发明的实施例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例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例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例的衬底的岛/海型双组分纤维的示意图；
图9是根据本发明的实施例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例的衬底的带顶端型双组分纤维的示意图；
图11是根据本发明的实施例的用于制造过滤介质的系统的示意图；
图12(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11的系统生产的复合介质的细纤维和双组分纤维；
图12(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11的系统生产的复合介质的细纤维和双组分纤维；
图12(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11的系统生产的复合介质的细纤维和双组分纤维之间的结合；
图12(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11的系统生产的复合介质的细纤维和双组分纤维之间的结合；
图13是根据本发明的不同实施例的用于制造过滤介质的系统的示意图；
图14是根据本发明的另一实施例的用于制造过滤介质的系统的示意图；
图15是根据本发明的实施例的包括紧密压缩的多稀松织物层和细纤维的过滤介质的示意性截面图；
图16是第一测试样本的有效测试结果；
图17是第二测试样本的有效测试结果；
图18是第三测试样本的有效测试结果；
图19是根据本发明的不同实施例的过滤介质的示意性截面图；
图20是第四测试样本的有效测试结果；
图21是根据本发明的另一实施例的过滤介质的示意性截面图；
图22是第五测试样本的有效测试结果；
图23是根据本发明的实施例的用于液体颗粒过滤应用的包括皱褶的过滤介质的过滤元件的透视图；
图24是图23的过滤元件中的皱褶的过滤介质的透视图。
虽然将结合特定的优选实施例描述本发明，但是不意在将其限制于那些实施例。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机械地、化学地、粘性地和/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张力的施加时破碎)。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。
存在可表示纳米纤维覆盖度的一些方法。用于表示纳米纤维覆盖度的第一种方法是基本重量。然而，基本重量部分程度上取决于纳米纤维的材料的比重以及纳米纤维的选择尺寸(例如，也可互换地称为纤维直径和/或厚度)。用于表示纳米纤维覆盖度的另一种有用方法是可表示为千米每平方米(km/m2)的纳米纤维覆盖度的计算线性距离，当覆盖度的这种方法消除由于细纤维的直径导致的可变化性以及由于可使用的不同材料之间的比重差异导致的可变化性时，这是有用的。
在此讨论的多个示例性实施例中，使用具有0.08微米(80纳米)的平均纤维直径的细纤维。然而，将认识到的是，基于简单的面积计算(Π*R2)的双倍尺寸的纤维(例如，尺寸为160纳米的细纤维)将具有4倍重量，且四倍尺寸的纤维将因此具有16倍重量。细纤维的过度应用可导致渗透性或多孔性不是非常好的塑性膜，因此不适合于过滤介质。使用更小的细纤维是可期望的，这是因为可获得更高的线性覆盖度水平。考虑到更大直径的细纤维通常或根据拇指规则将具有占据更大空隙空间的趋势，可期望的是，随着细纤维直径增加，细纤维基于千米的应用率更低。然而，由于直径成双倍使质量成四倍，导致随着细纤维直径增加，针对基本重量的覆盖度可仍然增加。根据拇指规则，基本重量可针对纤维直径成双倍而增加2-2.5倍(针对纤维直径成四倍为大约4-6倍)，为了容易的目的，将使用双倍。因此，如果0.15g/m2用于80nm平均直径，则对于160nm纤维可使用0.30g/m2的覆盖度，且对于320nm纤维为0.6g/m2的覆盖度。此处的实施例可用于小于1微米、通常小于500nm的细纤维范围，更加优选地在150nm之下的更细纤维。然而，可根据上面的原理对此处的实施例进行覆盖度调节。
这里，在引用过滤介质复合物或层时的术语“第一”、“第二”或“第三”意思不是指具体位置。“第一层”不意在表示就是第一层，也不意在指示相对于为了该目的可使用的另一层的上游或下游位置(“上游”或“下游”)。相反，如“第一”和“第二”这样的术语用于引用基础目的。
多层复合过滤介质
图1是根据本发明的实施例的过滤介质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构造成捕获液体流，例如碳氢化合物燃料、水及润滑油中的固体。在优选实施例中，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尤其极好地适合于其示例/实施例现在对液体应用具有显著颗粒过滤效果的液体颗粒过滤应用，但是过滤介质100可用于其他流体过滤应用。
在图1中示出的实施例中，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，介质122位于细纤维142的上方。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层叠且紧密压缩在一起，以增加单位体积的纤维表面面积并提供足够刚度/结构完整性，以过滤来自液体流，例如柴油燃料的颗粒。虽然本实施例示出了介质层122，但是该介质层是可选的，因此，根据其他实施例的过滤介质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使用一组辊148，150压缩成压缩状态146，其中，初始厚度t'减小到最终厚度t。
在一些实施例中，处于预压缩状态144的过滤介质100在压缩之前被加热。在特定的优选实施例中，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，每个衬底层的厚度增加。此外，随着最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。据信这可生成用于细纤维的3维基体，其与仅仅平坦物或平面物相对照(细纤维的这种3维基体即使在整合到衬底的表面中时仍可认为是且在此可称为“层”)。
在这样的实施例中，预压缩状态144的初始厚度t'可通过加热增加至少1.5倍，2倍，3倍或甚至更大倍。在这样的实施例中，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可小于，或等于，或大于初始厚度t'，取决于在加热期间膨胀的量及在压缩期间减小的量。在其他实施例中，处于预压缩状态144的过滤介质100可通过一组加热的压光辊同时加热和压缩。在这样的实施例中，在厚度减小到最终厚度t之前，可能不存在任何膨胀或初始厚度t'的略微增加。在不同的实施例中，具有最终厚度t的压缩的过滤介质100可在压缩之后加热，其中，厚度t可增加。在一些实施例中，过滤介质100可不止一次加热。例如，过滤介质100可通过布置在炉中的一组辊压缩，使得过滤介质100恰好在压缩之前加热，在压缩的同时加热及在压缩之后立即加热。在任何情况中，已经认识到的是，在细纤维的沉积之后处理介质以将细纤维重新布置成更多3维基体是有利的。膨胀和/或压缩是这样的处理的示例。这样的处理可提供更大的多孔性并可用于更好的流动和/或便于细纤维沉积的更大覆盖度。
在一个实施例中，最终厚度t可以在初始厚度t'的大约50%和300%之间，优选地在初始厚度t'的大约70%和200%之间，且更优选地在初始厚度t'的80%和150%之间。随着处于预压缩状态144的过滤介质100向下挤压到最终压缩状态144，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3维细纤维基体。虽然在本实施例中的过滤介质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。例如，过滤介质可包括承载足够大覆盖度(例如，至少大约0.3g/m2)的细纤维的单个衬底层。
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。每个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。在一个实施例中，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。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，该专利申请公布转让给本申请的受让人，其全部公开内容通过在此引用包含于此。
优选地，衬底由多组分过滤介质形成。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、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形成，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。
在一个优选实施例中，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。包括由这样的多组分纤维形成的衬底和细纤维的复合过滤介质在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。
在本实施例中，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衬底过滤介质或稀松织物。
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例的双组分纤维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。在本实施例中，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。
在其他实施例中，其他类型的双组分纤维可用于形成衬底。不同类型的双组分纤维的一些示例在图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，除了芯体30偏离中心之外。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，并可导致不同纤维在热作用下重新定向、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。
扇形楔型双组分纤维40在图6中示意性地示出。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(通常水刺法)分割成组分楔，从而在过滤介质中获得纤度为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，除了防止楔的内尖端接合的中空的中央芯体52之外，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“腊肠皮萨”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。在一些实施例中，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。在这样的实施例中，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。这允许由细的微纤维制成的介质的生成，这是因为纤维更易于加工成“皮萨”形式而非单独的“腊肠”。短纤维可由每个皮萨上的37个腊肠制成，从而生成纤度为大约0.04旦尼尔(大约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示例。虽然这些纤维不具有圆形截面，但是在本发明的上下文中每个纤维具有直径。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是带顶端型双组分纤维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的带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的带顶端相交双组分纤维。优选地，第一聚合物中心82，86由比具有第二聚合物顶端84，88更高的熔点的聚合物形成。
现在回到图1，衬底的纤维形成为具有比细纤维的平均纤维直径更大的平均纤维直径。在一个实施例中，衬底的纤维具有为细纤维的平均纤维直径的至少4倍的平均纤维直径。在另一实施例中，衬底的纤维可具有大于大约0.6微米，优选地大于大约3微米，更优选地大于5微米的平均纤维直径。在一个实施例中，衬底的双组分纤维的平均直径在大约1微米和大约40微米之间，更通常地在大约10-40微米之间。
粗纤维例如通过一组压光辊和/或炉压缩和/或加热，以形成衬底102，104，106，108，110，112，114，116，118，120，其中，任意衬底层具有在大约0.05和1.0mm之间，优选地在大约0.1和0.5mm之间的厚度。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的各种厚度的双组分稀松织物可通过各种供应商，例如，Rogersville的HDK工业股份有限公司，TN或其他过滤介质供应商在商业上获得。因此，衬底可从这样的现成的双组分介质选择。
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。双组分短纤维压缩在一起以形成稀松织物，其中，双组分短纤维化学地、机械地和/或热地结合在一起。例如，双组分短纤维加热到或接近低熔点聚酯的熔化温度并压缩在一起，其中，由低熔点聚酯形成的护套熔化或软化并用作结合剂以将纤维结合在一起。
细纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142可在它们形成时直接沉积在相应的衬底102，104，106，108，110，112，114，116，118，120上。可替换地，细纤维可分开地制备成细纤维网，然后与衬底层叠。虽然细纤维可包括具有各种纤维直径的纤维，但是优选地，细纤维是具有非常细的纤维直径的纳米纤维。这样的细纤维可通过静电纺丝或其他合适的工艺形成。在一个实施例中，细纤维是具有小于大约1微米，优选地小于0.5微米，更优选地在0.01和0.3微米之间的平均纤维直径的静电纺丝纳米纤维。此处的示例已经使用更小的平均直径0.08微米(80nm)。这种小直径细纤维可提供将更多纤维一起装填在给定体积中以提供增加的纤维表面面积的能力，这可增加过滤效率同时减小过滤介质的压降。
细纤维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。在优选实施例中，细纤维由聚酰胺形成。其他合适的聚合物包括但不限于聚氯乙烯(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。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，六氟异丙醇氯化物溶剂，酒精，水，乙醇，异丙醇，丙酮，N-甲基吡咯烷酮及甲醇。
在一个实施例中，细纤维由尼龙-6(聚酰胺-6，在此也称为“PA-6”)通过静电纺丝形成，其中，静电纺丝细纤维直接沉积在衬底上。在本实施例中，细纤维124从包含尼龙-6的溶液静电地产生并沉积在衬底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层叠在一起，使得每层细纤维夹在相邻的衬底和/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然后压缩，以形成处于它的最终压缩状态146的过滤介质100，如图1和图2所示。在优选实施例中，过滤介质100在压缩之前、在压缩期间和/或在压缩之后加热。例如，处于预压缩状态144的过滤介质100在通过一组辊148，150之前加热。此外，这一组辊148，150可被加热，以在压缩期间进一步加热过滤介质100。
细纤维与衬底的相邻更粗纤维和/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。在这样的实施例中，过滤介质100被加热到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，这允许当它们压缩在一起时，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。在优选实施例中，细纤维和细纤维沉积于其上的衬底之间的粘附力大于细纤维和其他相邻的衬底之间的粘附力。例如，细纤维124和衬底102之间的粘附力大于细纤维124和衬底104之间的粘附力。这样，当迫使分层时，细纤维124将与衬底104分层且留在衬底102上。因此，当迫使分层时，这样的实施例的过滤介质100可分成承载细纤维的10层衬底(102/124，104/126，106/128，108/130，110/132，112/134，114/136，116/138，118/140，120/142)和介质122。
在一个实施例中，每个衬底层由具有在大约1和40微米之间的平均纤维直径及在大约0.5和15oz/yd2之间的基本重量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。细纤维是由尼龙-6形成的静电纺丝纳米纤维。细纤维具有在大约0.01和0.5微米之间的平均纤维直径，其中，每层细纤维124，126，128，130，132，134，136，138，140，142具有在大约0.03g/m2和0.5g/m2之间的基本重量，从而提供在0.3g/m2和5g/m2之间的总细纤维基本覆盖度。用于液体颗粒过滤应用的过滤介质100的细纤维覆盖度明显大于气体或空气过滤介质的细纤维覆盖度。在每个衬底层上的细纤维的目标基本重量根据细纤维的平均直径及过滤介质的期望效率和容量选择。过滤介质100的期望效率和容量可通过调节细纤维直径、在每个衬底上的细纤维覆盖度、细纤维层的数量、膨松和压缩的量获得。
虽然细纤维覆盖度可以以基本重量来表示，但是基本重量取决于聚合物的比重和细纤维的直径。因此，以单位面积的线性覆盖度(km/m2)表示细纤维覆盖度最有用，这是因为这去除了与比重和细直径相关的变化性。因此，线性覆盖度真实地测量多少纤维铺设成纤维的数量。在这方面，优选的细纤维线性覆盖度范围大于5,000km/m2，以用于最大覆盖度细纤维，更优选地大于10,000km/m2，最优选地在20,000km/m2和60,000km/m2之间。根据本发明的实施例的在包括基本重量的各个方面的细纤维覆盖度及用于具有大约0.08微米(80nm)平均纤维直径的细纤维的线性覆盖度如下面在表1中示出。这些实施例的细纤维由具有1.084g/cm3密度的PA-6通过静电纺丝工艺形成。如图所示，表1包括细纤维质量覆盖度形式0.03-0.225g/m2。
表1：纳米纤维覆盖度
Figure BDA00002053307100141
表2示出了根据本发明的各个实施例的包括涂覆有细纤维的多层衬底的过滤介质。细纤维以根据实施例的在表1中示出的线速度中的一种施加在衬底层上。
表2：过滤介质
Figure BDA00002053307100151
虽然细纤维覆盖度可基于纤维直径、基于使用80nm纤维和其他计算的示例改变，但是通常，使用具有小于500nm平均直径的细纤维的实施例将具有类似的覆盖度范围，以为了宽泛表示和声明目的。
制造多层复合过滤介质的方法
图11示意性地示出了根据本发明的处理实施例的制造过滤介质的代表性工艺。虽然本实施例包括用于制造图1的过滤介质100的工艺步骤，但是工艺可利用较少的修改生产根据本发明的其他实施例的过滤介质。在图11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，以及用于层叠、膨松及压缩多层复合介质以制造用于液体颗粒过滤应用的多层复合过滤介质的下游系统203。
上游系统201包括解绕站202、静电纺丝站204、可选炉206、可选一组辊207及重新缠绕站208。在本实施例中，此处用作衬底层的稀松织物卷210从解绕站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朝着静电纺丝站204行进。在静电纺丝站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。复合介质218可在重新缠绕站208上缠绕成复合介质卷230之前，在可选炉206和可选一组辊207中加热并压缩，以增强细纤维和衬底之间的结合力。
稀松织物可在系统200的上游工艺(中断线工艺或连续线工艺的一部分)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，稀松织物可由压缩和/或加热以形成具有期望厚度和充实度的稀松织物卷210的高熔点聚酯芯体/低熔点聚酯护套双组分短纤维形成。可替换地，衬底层可以是可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。
在双组分纤维的情况下，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。在一个实施例中，双组分纤维用作短纤维，以通过传统干燥成网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，但是足够长以由传统设备处理。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(纤维网本身为了本公开的目的可用作衬底)。纤维网然后使用一组压光辊压缩，以形成稀松织物卷210(稀松织物卷210也可用作衬底)。纤维网可在进入一组压光辊之前可选地加热。由于本实施例的稀松织物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。在一些实施例中，纤维网在压光以形成更厚双组分过滤介质之前折叠。
在不同的实施例中，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可形成、分开及层叠在一起，以形成稀松织物或双组分过滤介质卷。在这样的实施例中，细纤维216沉积在稀松织物212的低熔点侧上。在该实施例中，低熔点网基本上比高熔点网更薄，使得低熔点组分在加热和熔化时不堵塞高熔点网的表面。
在另一实施例中，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压和抽取，以形成粗纤维。纤维可在运动丝网上集中成网，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丝结合。在通常的纺丝结合工艺中，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。多条丝状纺丝线被抽取以增加它的韧性并通过导致硬化的淬火区域，多条丝状纺丝线集中在支撑件，例如，运动丝网上。纺丝结合工艺类似于熔喷工艺，但是熔喷纤维通常比纺丝结合纤维更细。
在另一实施例中，多组分过滤介质湿法成网。在湿法成网工艺中，高熔点纤维和低熔点纤维分散在传输带上，纤维在湿的状态下分散在均匀的网中。湿法成网操作通常使用1/4″至3/4"长的纤维，但是有时如果纤维硬或厚则更长。根据各种实施例的上面讨论的纤维被压缩，以形成具有期望厚度的过滤介质或稀松织物210。
回到图11，稀松织物212进入静电纺丝站204，在静电纺丝站204中，细纤维216形成并沉积在稀松织物212的一个表面上。在静电纺丝站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在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，该专利申请公布转让给本申请的受让人，其全部公开内容通过在此引用包含于此。可替换地，喷嘴库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沿着任何期望的方向沉积(例如，虽然示出为向上，但是纤维还可向下、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将静电电荷引入到存在于强电场，例如，高电压梯度中的聚合物熔化流或溶液。将静电电荷引入到静电纺丝单元222中的聚合物流体导致充电流体的喷射流的形成。充电的喷射流在静电场加速并变薄，朝着接地收集器聚集。在这样的工艺中，聚合物流体的粘弹性力稳定喷射流，从而形成小直径的细丝。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。聚合物材料的示例包括聚氯乙烯(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，六氟氯化物异丙醇溶剂，酒精，水，乙醇，异丙醇，丙酮，N-甲基吡咯烷酮及甲醇。溶剂和聚合物可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”)中的充分溶解性为合适的使用而匹配。例如，甲酸可以为尼龙-6选择。可对前述专利进行参考，以获得细纤维的静电纺丝的进一步的细节。
在静电纺丝站204中，静电场产生在静电纺丝单元222的电极和真空收集器传输器224之间，由产生高电压电势的高电压电源提供。如图11所示，可存在多个静电纺丝单元222，在静电纺丝单元222中形成细纤维216。形成在静电纺丝单元222的电极处的细纤维216通过由静电场提供的力朝着真空收集器传输器224抽取。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，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。在实施例中，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，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。
在一个优选实施例中，静电纺丝单元222包含包括聚酰胺-6(PA-6)的聚合物溶液及由2/3乙酸和1/3甲酸构成的合适溶剂。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与稀松织物的最接近面对静电纺丝单元222的表面的粗纤维缠结。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中的溶剂可实现稀松织物212的粗纤维和细纤维216之间的溶剂结合。
在其他实施例中，细纤维可通过其他合适的工艺，例如熔喷工艺形成。例如，具有大约0.6-0.7微米平均纤维直径的细纤维可在影响电场作用下通过熔喷形成。在这样的实施例中，用于衬底的粗纤维制备成具有为细纤维的至少4倍的平均纤维直径。为了差异化的目的，熔喷纤维和静电纺丝纳米纤维因此意味着比细纤维更特别，这意在是通用的。
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可选炉206和可选一组压光辊207导致的热接合和压力接合增强。当复合介质218在炉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，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，更加优选地加热到或接近低熔点组分的熔化温度。例如，复合介质218加热到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。在这样的实施例中，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和高熔点聚酯具有明显比低熔点聚酯的熔化温度高的熔化温度。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嵌入在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，低熔点聚酯用作双组分纤维稀松织物212和细纤维216之间的结合剂。细纤维216和稀松织物212之间的结合可通过经由一组辊207的压力结合进一步增强。当复合介质通过辊207时，细纤维216和稀松织物212压缩在一起，其中，细纤维进一步嵌入到稀松织物212的纤维中。此外，压缩减少了复合介质中的空隙，以形成具有增强的充实度的复合介质220。
图12(A)-12(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12(A)和12(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形成蜘蛛网，与布置为最接近稀松织物212的表面的更粗双组分纤维之间的纤维结构一样。以更高放大水平获得的SEM图像(x2,000的图12(C)和x10,000的图12(D))示出了细纤维216和双组分纤维之间的结合。如在图12(D)中清楚地示出，细纤维216嵌入在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层叠。每个复合介质卷230，232，234，236，238，240，242，244，246，248和介质卷250从解绕站252，254，256，258，260，262，264，266，268，270，272解绕，并通过一组辊274层叠在一起。这一组辊可以是压光辊，以施加用于层叠的极大压力并显著地减少复合介质的层的厚度。可替换地，成组的辊274可施加用于层叠的小压力并减少层叠层的厚度至刚好足以通过炉276安装。在这样的实施例中，层叠层280在炉276中加热并通过一组压光辊282压缩，其中，层叠层280一起压缩成具有期望厚度和充实度的压缩状态。
在这样的实施例中，每个复合介质卷232，234，236，238，240，242，244，246，248与复合介质卷230类似地制备。因此，每个复合介质卷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。
在一个实施例中，每个衬底212，284，286，288，290，292，294，296，298，300及介质250由具有在大约0.05mm和1.0mm之间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，以生成在大约0.03g/m2和0.5g/m2之间的细纤维覆盖度。在其他实施例中，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度。
复合介质280在炉276中加热到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可具有在炉276中加热之前的复合介质280的厚度的至少1.5倍，2倍，3倍或更多倍的厚度。膨松的复合介质281然后通过一组压光辊282压缩成压缩状态320。复合介质压缩，使得复合介质280的厚度减小到在加热之前的复合介质280的原始厚度的大约50%和300%之间，优选地在大约70%和200%之间，更优选地在大约80%和150%之间((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))。厚度减少可取决于在加热期间膨胀的量。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。处于压缩状态320的复合介质然后缠绕成过滤介质卷324。
在本实施例中，复合介质卷230，232，234，236，238，240，242，244，246，248及介质250层叠在一起，使得每个细纤维层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，在其他实施例中，复合介质层可层叠为使得一些细纤维层彼此面对，以在最终复合介质320内形成细纤维对细纤维或衬底对衬底结合。例如，系统200可用于制造图15的过滤介质500。在本实施例中，最先的五个解绕站252，254，256，258，260中的每个解绕复合介质卷，使得纳米纤维向上面对，如图11所示。然而，解绕站262解绕复合介质，使得纳米纤维向下面对。这样，在最先的四个衬底层514，516，518，520上的细纤维夹在衬底502，504，506，508，510之间，如图15所示。然而，在衬底510上的细纤维522和衬底512的细纤维524彼此面对，从而形成细纤维-纤维的纤维。
图13示意性地示出了根据本发明的不同实施例的制造过滤介质的系统和工艺。系统400通常包括解绕站402、静电纺丝站404、折叠站406、一组辊408、炉410及一组压光辊412和重新缠绕站414。
在本实施例中，衬底卷416从解绕站402解绕并移动到静电纺丝站404，在静电纺丝站404中，细纤维形成并沉积在衬底416的表面上。静电纺丝站404和工艺类似于上述静电纺丝站204和工艺。在本实施例中，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在折叠站406中折叠。复合介质420可折叠成2-20折厚度，这取决于最终介质的期望特性。如图所示，折叠生成细纤维对细纤维层叠表面和衬底对衬底层叠表面。折叠站406在本实施例中示出为沿着直线方向折叠复合介质420，使得折叠物朝着一组辊408指向。然而，在其他实施例中，复合介质402可折叠为使得折叠物朝着静电纺丝站404指向或者沿着交叉线方向折叠。折叠的复合介质422然后压缩到适合于通过炉410的厚度。当复合介质424加热时，低熔点聚酯护套熔化或软化，以实现层之间的热结合。在从炉410中出来之后，复合介质424通过一组压光辊412。压光辊412根据介质的期望的最终厚度彼此分开。复合介质424在它通过一组压光辊412时向下挤压成具有期望厚度的压缩状态。
此外，介质层426，428在重新缠绕站414中层叠在介质430的每个表面上并缠绕成卷。包括介质430、介质层426，428的过滤介质432的放大截面图在图13中示出。如图所示，介质430包括处于来自折叠过程的倾斜方向的多层衬底416和多层细纤维418。介质层426，428可由任何合适的介质形成，但是在本实施例中，介质层426，428由用于衬底416的相同双组分纤维稀松织物形成。
图14示出了制造介质的系统和工艺的另一不同实施例。系统600类似于系统400，除了细纤维在本实施例中不沉积在衬底上之外。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、静电纺丝站604、折叠站606、一组辊608、炉610及一组压光辊612和重新缠绕站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。本实施例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，但是足够长以由传统设备处理。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厚的状态且可不结合在一起。粗纤维网616可使用非常小的人力容易地撕开且在这点上几乎没有结构完整性，使得它不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朝着静电纺丝站604传输，在静电纺丝站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的粗纤维与前面的实施例相比与衬底416更加整合，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然后在折叠站606中折叠成10-30折并通过一组辊608压缩，其在炉610中加热并通过一组压光辊612再次压缩，与在系统400中一样。介质630然后与介质层626和多孔层628层叠，以形成过滤介质632。本实施例的介质630的细纤维和粗的双组分纤维更加整合。因此，介质630的截面图未示出多个层，而是表现出更像单个整合介质630。介质630具有足够的细纤维覆盖度和结构完整性，以从液体流，例如，碳氢化合物燃料流捕获颗粒物质。
根据本发明的各个实施例的介质可以为各种应用构造成各种形状和尺寸。例如，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、生物燃料系统、柴油燃料过滤器、润滑油过滤器及水过滤系统。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。
示例和测试结果
图15是根据本发明的不同实施例的过滤介质500的示意性截面图。过滤介质500与过滤介质100类似地构造，但是包括六层衬底502，504，506，508，510，512，每个衬底承载细纤维514，516，518，520，522，524，而非承载细纤维的十层衬底。此外，包括衬底层512和细纤维524的最上游复合介质层翻转，使得细纤维524面对细纤维522，从而形成细纤维-细纤维界面。如图所示，衬底512提供过滤介质500的上游表面526，因此细纤维不暴露并受保护。
过滤介质500的测试样本在实验室中制备。在此描述的所有实施例的测试样本制备成具有0.1ft2的样本面积。包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套的具有35.0GSY的基本重量的双组分纤维稀松织物用于每个衬底层502，504，506，508，510，512。细纤维通过静电纺丝工艺从包括PA-6的聚合物溶液形成并沉积在每个衬底层上。在衬底512上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.05g/m2的PA-6纳米纤维524形成并沉积。细纤维基本重量的该水平提供大约9176km/m2(5,702英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在衬底510上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.15g/m2的PA-6纳米纤维522形成并沉积。细纤维基本重量的该水平提供大约27,530km/m2(17,106英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在每个衬底层502，504，506，508上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.225g/m2的PA-6纳米纤维514，516，518，520形成并沉积。细纤维基本重量的该水平在每个衬底上提供大约41,290km/m2(25,659英里/m2)的线性细纤维覆盖度。因此，过滤介质500包括大约1.1g/m2的总细纤维基本重量，这提供大约201,866km/m2(125,444英里/m2)的线性纤维覆盖度。
承载细纤维的六个衬底层布置为如图15所示，使得衬底层512形成上游表面526且衬底层502形成下游表面528。六个复合介质层加热并通过压光辊压缩，如在前面的实施例中所描述，以形成复合过滤介质500。
过滤介质500的测试样本根据用于评估过滤性能的多路方法的ISO16889国际标准制备并测试效率和集尘容量。所有测试使用具有粘性的液压流体Mil-H-5606在载有ISOMTD测试灰尘的15mm2/s的测试温度执行。
在第一测试中，具有5.00mg/L的基本上游污染物浓度的测试流体以0.26GPM的流速使用。图16示出了在6小时测试周期期间的10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%和100%时间间隔的过滤率及每mL的颗粒数量。当测试结果根据ISO 4406:99清洁代码(R4/R6/R14)转换成流体清洁率时，在10%时间间隔时的清洁率为7/5/0，在100%时为13/11/7，且平均为6/4/0。
在第二测试中，具有15.00mg/L的基本上游污染物浓度的测试流体以0.26GPM的流速使用。图17示出了每mL的颗粒数量和过滤率测试结果。在10%时间间隔时的清洁率为7/6/0，在100%时为19/18/14，且平均为12/11/7。
用于第三测试的过滤介质500的测试样本在实验室中制备，与用于第一测试和第二测试的测试样本类似。然而，每个衬底层的细纤维基本重量改变。在每个衬底510和520上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.05g/m2的PA-6纳米纤维522，524形成并沉积。细纤维基本重量的该水平在每个衬底上提供大约9176km/m2(5,702英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在衬底508上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.075g/m2的PA-6纳米纤维520形成并沉积。细纤维基本重量的该级别提供大约13,760km/m2(8,553英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在衬底506上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.09g/m2的PA-6纳米纤维518形成并沉积。细纤维基本重量的该水平提供大约16,520km/m2(10,263英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在衬底504上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.15g/m2的PA-6纳米纤维516形成并沉积。细纤维基本重量的该水平提供大约27,530km/m2(17,106英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在衬底502上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.225g/m2的PA-6纳米纤维514形成并沉积。细纤维基本重量的该水平提供大约41,290km/m2(25,659英里/m2)的线性细纤维覆盖度。因此，过滤介质500包括大约0.64g/m2的总细纤维基本重量，这提供大约117,452km/m2(72,985英里/m2)的线性纤维覆盖度。
在第三测试中，具有15.00mg/L的基本上游污染物浓度的测试流体以0.26GPM的流速使用。图18示出了每mL的颗粒数量和过滤率测试结果。在10%时间间隔时的清洁率为11/9/4，在100%时为17/16/11，且平均为16/15/10。
图19是根据本发明的不同实施例的过滤介质600的示意性截面图。过滤介质600与图15的过滤介质500类似地构造，然而过滤介质600包括五个衬底层602，604，606，608和610及五个细纤维层612，614，616，618，620。用于第四测试的过滤介质600的测试样本在实验室中制备，与前面的测试样本类似。对于这些测试样本，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.15g/m2的PA-6纳米纤维612，614，616，618，620形成并沉积在每个衬底层602，604，606，608，610上。细纤维基本重量的该水平在每个衬底上提供大约27,530km/m2(17,106英里/m2)的线性细纤维覆盖度。因此，过滤介质600包括大约0.75g/m2的总细纤维基本重量，这提供大约137,650km/m2(85,530英里/m2)的线性纤维覆盖度。
在第四测试中，具有15.00mg/L的基本上游污染物浓度的测试流体以0.26GPM的流速使用。图20示出了每mL的颗粒数量和过滤率测试结果。在10%时间间隔时的清洁率为10/8/0，在100%时为16/13/11，且平均为14/12/8。
图21是根据本发明的另一实施例的过滤介质700的示意性截面图。过滤介质700与图15的过滤介质500类似地构造，然而过滤介质700包括三个衬底层702，704，706及三个细纤维层708，710，712。用于第五测试的过滤介质700的测试样本在实验室中制备，与前面的测试样本类似。对于这些测试样本，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.075g/m2的PA-6纳米纤维712形成并沉积在衬底706上。细纤维基本重量的该水平提供大约13,760km/m2(8,553英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在衬底704上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.09g/m2的PA-6纳米纤维710形成并沉积。细纤维基本重量的该水平提供大约16,520km/m2(10,263英里/m2)的线性细纤维覆盖度。在衬底702上，具有0.08微米的平均纤维直径的大约0.15g/m2的PA-6纳米纤维708形成并沉积。细纤维基本重量的该水平提供大约27,530km/m2(17,106英里/m2)的线性细纤维覆盖度。因此，过滤介质700包括大约0.315g/m2的总细纤维基本重量，这提供大约57,810km/m2(35,922英里/m2)的线性纤维覆盖度。
在第五测试中，具有5.00mg/L的基本上游污染物浓度的测试流体以0.26GPM的流速使用。图22示出了每mL的颗粒数量和过滤率测试结果。在10%时间间隔时的清洁率为11/10/5，在100%时为11/9/4，且平均为9/8/0。
过滤元件
根据本发明的各个实施例的过滤介质可根据各种流体过滤应用皱褶、聚集或形成为不同形状。图22示出了根据本发明的实施例的用于机车柴油燃料系统的过滤元件800。过滤元件800包括皱褶的过滤介质802、底盖804、顶盖806及外部保护层812。皱褶的过滤介质802可由本发明的各个实施例的过滤介质，例如，图15的过滤介质500形成。图23示出了由过滤介质500形成的皱褶的过滤介质801。皱褶的过滤介质801可皱褶为具有各种皱褶深度。与由其他多层或单层介质形成的皱褶的过滤介质相比，由包括六层衬底和六层细纤维的压缩的过滤介质500形成的皱褶的过滤介质801具有更大的刚度和结构完整性。因此，皱褶的过滤介质801很好地适合于过滤粘性液体流，例如，柴油燃料中的颗粒。皱褶的过滤介质801然后卷成具有圆柱形形状的皱褶的过滤介质802。
底端盖804和顶端盖806然后放置在圆柱形皱褶的过滤介质802的每个端部上。皱褶的过滤介质802然后热焊接到底端盖804和顶端盖806，以防止液体流流入皱褶的过滤介质802的端部及顶端盖和底端盖804，806之间。顶端盖和底端盖804，806可由各种合适的聚合物材料形成。在本实施例中，顶端盖和底端盖804，806由聚酯形成。底端盖804形成封闭的端部，而不形成流体路径。顶盖808包括从它的顶表面延伸的中空圆柱形块808，块808提供流体流动路径810。外部保护盖812包括大开口并形成过滤元件800的外周边，以保护皱褶的过滤介质802。
在此引用的所有参考物，包括公布、专利申请及专利通过引用包含于此，该引用的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。此处的值的范围的引用仅仅意在用作单独地指示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，如同它在此单独地引用。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示例或示例性语言(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例，包括对于发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。这些优选实施例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 (28)

1.一种用于液体颗粒过滤应用的过滤介质，包括：
包含粗纤维的衬底；
承载在衬底上的细纤维，其中，细纤维具有至少小至粗纤维的四分之一的平均纤维直径；
其中，细纤维的基本重量为至少0.03g/m2且细纤维的线性覆盖度为至少大约5000km/m2。
2.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，过滤介质包括至少两个衬底层，每个衬底层承载细纤维；其中，至少一个衬底层上的细纤维的基本重量为至少0.03g/m2且细纤维的线性覆盖度为至少大约5000km/m2，其他衬底层具有与所述至少一个衬底层相同或不同的细纤维基本重量和线性覆盖度。
3.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，细纤维为通过静电纺丝工艺形成的静电纺丝细纤维，细纤维具有小于0.1微米的平均纤维直径。
4.根据权利要求3所述的过滤介质，其特征在于，静电纺丝细纤维沉积在衬底上，其中，细纤维通过膨松和压缩与粗纤维部分地整合且重新布置。
5.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，细纤维与衬底的粗纤维至少部分地整合；其中，至少一些细纤维附着到相邻粗纤维。
6.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，衬底为包括双组分纤维的稀松织物，双组分纤维具有高熔点组分和低熔点组分。
7.根据权利要求6所述的过滤介质，其特征在于，双组分纤维包括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细纤维被加热并压缩在一起以形成过滤介质，其中，低熔点聚酯护套熔化或软化，以结合粗纤维和细纤维。
8.根据权利要求7所述的过滤介质，其特征在于，细纤维由聚酰胺形成。
9.根据权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，过滤介质包括至少三个衬底层，每个衬底层由通过双组分粗纤维形成的稀松织物形成；其中，每个衬底层承载细纤维；其中，每个衬底层以在大约0.05g/m2和大约0.225g/m2之间的基本重量以及在大约9,000km/m2和大约41,300km/m2之间的线性覆盖度承载细纤维；其中，过滤介质具有在0.3g/m2和大约4.8g/m2之间的总基本重量以及在大约60,000km/m2和大约300,000km/m2之间的总线性覆盖度；其中，衬底层和细纤维通过加热膨松并压缩，以形成为液体过滤构造的压实过滤介质。
10.根据权利要求9所述的过滤介质，其特征在于，承载在每个衬底层上的细纤维夹在两个衬底层之间。
11.根据权利要求9所述的过滤介质，其特征在于，压实过滤介质包括细纤维对细纤维界面。
12.根据权利要求9所述的过滤介质，其特征在于，过滤介质在根据用于多路方法的ISO 16889国际标准的过滤效率测试的10%时间间隔时具有在大约11/10/5和7/5/0之间的ISO 4406:09清洁代码。
13.一种用于液体颗粒过滤应用的过滤元件，包括：
过滤介质，包括：
包含粗纤维的衬底；
承载在衬底上的细纤维，其中，细纤维具有至少小至粗纤维的四分之一的平均纤维直径；以及
其中，细纤维的基本重量为至少0.03g/m2且细纤维的线性覆盖度为至少大约5000km/m2；
包含流体入口的顶盖；以及
底盖；其中，过滤介质密封地附着到顶盖和底盖。
14.根据权利要求13所述的过滤元件，其特征在于，过滤介质包括至少三个衬底层，每个衬底层由通过双组分粗纤维形成的稀松织物形成；其中，每个衬底层承载细纤维；其中，每个衬底层以在大约0.05g/m2和大约0.225g/m2之间的基本重量以及在大约9,000km/m2和大约41,300km/m2之间的线性覆盖度承载细纤维；其中，过滤介质具有在0.3g/m2和大约4.8g/m2之间的总基本重量以及在大约60,000km/m2和大约300,000km/m2之间的总线性覆盖度；其中，衬底层和细纤维通过加热膨松并压缩，以形成为液体过滤构造的压实过滤介质。
15.根据权利要求14所述的过滤元件，其特征在于，细纤维由聚酰胺形成并具有小于0.1微米的平均纤维直径；其中，双组分粗纤维包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套；其中，压实过滤介质包括嵌入在低熔点聚酯护套中的至少一些细纤维。
16.根据权利要求13所述的过滤元件，其特征在于，过滤介质被皱褶，皱褶的过滤介质通过热塑性焊接密封地附着到顶盖和底盖。
17.根据权利要求16所述的过滤元件，其特征在于，皱褶的过滤介质与顶盖和底盖的热塑性焊接附着防止液体流绕过皱褶的过滤介质。
18.一种形成过滤介质的方法，包括：
静电纺丝具有小于1微米的平均纤维直径的细纤维；
将细纤维施加在衬底上，以提供至少0.03g/m2的细纤维基本重量和至少大约5000km/m2的细纤维的线性覆盖度，其中，衬底包括具有至少为细纤维的4倍的平均纤维直径的粗纤维；
处理带有施加的细纤维的衬底，以将细纤维重新布置在衬底上。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，细纤维在衬底上的重新布置包括通过加热膨松衬底和细纤维，并通过一组辊使衬底和细纤维压实。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
提供至少两个衬底层，其中，每个衬底层由包括双组分粗纤维的稀松织物形成；
将细纤维施加在第一衬底层上，以提供在大约0.05g/m2和大约0.225g/m2之间的细纤维基本重量以及在大约9,000km/m2和大约41,300km/m2之间的线性覆盖度；
将细纤维施加在第二衬底层上，以提供在大约0.05g/m2和大约0.225g/m2之间的细纤维基本重量以及在大约9,000km/m2和大约41,300km/m2之间的线性覆盖度；
层叠承载细纤维的第一衬底层和承载细纤维的第二衬底层；以及
压缩第一衬底层和第二衬底层以及细纤维，以形成为液体过滤构造的压缩过滤介质。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括在压缩以重新布置细纤维并使细纤维与衬底的粗纤维至少部分地整合之前，膨松第一衬底层和第二衬底层以及细纤维。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，施加细纤维，以使得第一衬底层上的细纤维的基本重量和线性覆盖度大于第二衬底层上的细纤维的基本重量和线性覆盖度。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，施加细纤维，以使得第一衬底层上的细纤维的基本重量和线性覆盖度等于第二衬底层上的细纤维的基本重量和线性覆盖度。
24.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，静电纺丝细纤维包括从包括聚酰胺的溶液形成细纤维。
25.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括皱褶过滤介质。
26.一种过滤液体的方法，包括：
提供权利要求1的过滤介质；
使液体流流过过滤介质，以捕获液体流中的颗粒。
27.一种用于液体颗粒过滤应用的过滤介质，包括：
衬底，其包含具有大于0.6微米的平均纤维直径的双组分粗纤维；
承载在衬底上的细纤维，细纤维具有小于0.6微米的平均纤维直径，其中，粗纤维的平均纤维直径至少为细纤维的平均纤维直径的4倍；以及
其中，细纤维的基本重量为至少0.03g/m2且细纤维的线性覆盖度为至少大约5000km/m2。
28.一种用于液体颗粒过滤应用的过滤介质，包括：
至少两个衬底层，每个衬底层由粗纤维形成；
承载在每个衬底层上的细纤维，其中，粗纤维的平均纤维直径至少为细纤维的平均纤维直径的4倍；以及
其中，至少一个衬底层上的细纤维的基本重量为至少0.03g/m2，其提供至少大约5000km/m2的线性纤维覆盖度。
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