CN102946979A - 包括纳米纤维基体的膨胀的复合过滤介质以及方法 - Google Patents

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Abstract

一种复合过滤介质包括承载着精细纤维的膨胀的衬底介质，其中精细纤维随着衬底介质的膨胀而被伸展，从而提高了集尘能力并且减慢了压降增加。

Description

包括纳米纤维基体的膨胀的复合过滤介质以及方法
技术领域
本发明大致涉及过滤介质，并且具体涉及包括膨胀的衬底和承载于其上的精细纤维的复合过滤介质，以及制造这种复合过滤介质的方法。
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。
包括使用静电纺工艺形成的精细纤维的过滤介质也已公知。这样的现有技术包括：题为“Filter Material Construction and Method”的美国专利No.5,672,399；题为“Cellulosic/Polyamide Composite”的美国专利公开文献No.2007/0163217；题为“Filtration Medias,Fine Fibers Under 100Nanometers,And Methods”的美国临时专利申请No.60/989,218；题为“Integrated Nanofiber Filter Media”的美国临时专利申请No.61/047,459；题为“Filter Media Having Bi-Component Nanofiber Layer”的美国临时专利No.61,047,455，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述纳米纤维通常被铺设于精加工的穿孔的过滤介质衬底上。
本发明提供对包括精细纤维的过滤介质的改进。本发明的这些和其它优点以及其它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
在精细纤维被沉积后，通过修改衬底介质例如通过修改衬底介质的厚度，设置于衬底介质上的精细纤维，例如并且最优选根据某些实施例的电纺的纳米纤维，可被重新定向。例如，至少部分地压紧的衬底介质（例如压光的介质）可被膨胀，其中，承载着较小纤维的较大纤维因而也膨胀精细纤维层。因此，这可提供多个优势，包括纳米纤维的更大的体积覆盖度（对于相同基本重量的应用来说，体积覆盖度更大-因为膨胀可展开并且使纳米纤维膨胀成3D基体）；由于膨胀导致减小的压降；和/或随着其承载而产生的较慢的压降增加。另外，纳米纤维或其它这种精细纤维层的波状3维特征大大提高了集尘能力，因为认为其用大很多的体积保持区域有效地形成了波状表面，与仅仅是平坦的相反，现有的系统就仅仅的平坦的表面-因此纳米纤维层的有效体积区域可被增加。
在一个实施例中，衬底是包括高熔点组分和低熔点组分的双组分稀松织物。精细纤维是电纺的聚合物纳米纤维。高熔点组分和电纺的聚合物纳米纤维具有比低熔点组分高的熔化温度。双组分稀松织物具有未膨胀状态和膨胀状态，其中膨胀的双组分稀松织物具有大于未膨胀状态的厚度。例如，处于未膨胀状态的稀松织物可被预成形并且被压光，或至少部分地被压缩，其中纤维通过被结合并且因此相互保持（大纤维到纤维的结合将这些大纤维保持在位）而被保持于偏压状态位置。在一个实施例中，承载精细纤维的未膨胀的双组分稀松织物通过加热被膨胀，其中低熔点组分熔化或软化并且与精细纤维结合。在此加热过程中，衬底的较大纤维也被免于至少部分地压缩状态并且被允许四处移动并且朝向更自然的状态向回移动–例如至少部分地朝向未压缩和膨胀的状态（例如朝向在第一位置形成稀松织物之前发生的状态）。在加热过程中，双组分稀松织物的较大纤维被松弛并且重新定向，承载小很多的精细纤维，其中精细纤维随双组分稀松织物的膨胀而被伸展。生成的复合过滤介质具有波状表面和膨胀的厚度，使得精细纤维不仅仅具有传统的纳米纤维成形技术形成的平面特征，而是三维基体。膨胀的过滤介质具有提高的集尘能力，因为尘土加载造成的减慢的压降增加，和/或较低的初始压降。
在一个方面中，本发明提供了一种制造过滤介质的方法。所述方法包括下述步骤：在具有第一厚度的衬底的表面上沉积精细纤维，精细纤维的平均直径小于1微米；以及使承载着精细纤维的衬底膨胀到大于第一厚度的第二厚度。
在另一方面中，本发明提供了一种过滤介质，包括平均纤维直径大于1微米的第一纤维的衬底，其承载着平均纤维直径小于1微米的精细纤维。衬底具有波状表面，其中精细纤维与波状表面的第一纤维一起整合成3维基体。
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具有波状表面的膨胀的过滤介质的示意性截面图，波状表面包括由衬底介质承载的精细纤维；
图2是图1的复合过滤介质处于具有大致平面的未膨胀状态的示意性截面图；
图3是根据本发明的实施例的衬底介质的同心护套/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介质的偏心护套/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介质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介质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介质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介质的岛/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介质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介质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处于未膨胀状态的复合过滤介质的示意图；
图12是处于膨胀状态的图11的复合过滤介质的示意图；
图13是根据本发明的不同实施例的膨胀的复合过滤介质的示意图；
图14是根据本发明的实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的系统的示意图；
图15（A）是以x300放大水平获得的图1的膨胀的复合介质的衬底介质的表面附近的双组分纤维和精细纤维的扫描电子显微镜图像；
图15（B）是以x1,000放大水平获得的图1的膨胀的复合介质的衬底介质的表面附近的双组分纤维和精细纤维的扫描电子显微镜图像；
图15（C）是以x2,000放大水平获得的图1的膨胀的复合介质的衬底介质的表面附近的双组分纤维和精细纤维的扫描电子显微镜图像；
图15（D）是在x10,000放大水平获得的图1的膨胀的复合介质的衬底介质的表面附近的双组分纤维和精细纤维的扫描电子显微镜图像；
图16是根据本发明的另一实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的系统的示意图；
图17是根据本发明的实施例的膨胀的复合过滤介质以及两种其它的传统过滤介质的MFP效率测试结果的曲线；
图18是图17的膨胀的复合过滤介质以及两种其它的传统过滤介质在200分钟测试周期内的MFP集尘测试结果的曲线；
图19是图17的膨胀的复合过滤介质以及两种其它的传统过滤介质在650分钟测试周期内的MFP集尘测试结果的曲线；
图20是根据本发明的实施例的以x120放大水平获得的热膨胀之前的稀松织物层形式的未膨胀的衬底介质的光学显微图像；
图21是根据本发明的实施例的以x120放大水平获得的膨胀的复合介质的光学显微图像，所述膨胀的复合介质包括与精细纤维层面对面层叠在一起的两种覆盖有精细纤维的衬底介质，例如图12的膨胀的复合介质；
图22是根据本发明的实施例的褶皱过滤元件的透视图，其中，所述褶皱过滤元件通过打摺膨胀的复合过滤介质而形成；
图23是根据本发明的实施例的开槽过滤元件的透视图，其中，所述开槽过滤介质由膨胀的复合过滤介质形成；
图24是根据本发明的实施例的以x2,500放大水平获得的复合过滤介质的扫描电子显微镜图像，所述复合过滤介质包括两种介质，它们被覆盖有精细纤维并且层叠在一起使精细纤维面对面放置。
图25是根据本发明的实施例的平板过滤器的透视图，其中所述褶皱过滤介质由膨胀的复合过滤介质而形成。
图26是根据本发明的实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的系统的示意图，所述复合过滤介质包括两层覆盖有精细纤维的介质，它们被层叠在一起使精细纤维面对面放置。
图27是根据本发明的实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的系统的示意图，所述复合过滤介质包括被层叠在一起的两个覆盖有精细纤维的介质层和另一介质层，每个精细纤维层被夹在精细纤维之间。
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
图1是根据本发明的实施例的复合过滤介质10的示意图。如图所示，复合过滤介质10包括衬底介质12和沿衬底介质12的表面16承载着的精细纤维14。复合介质10具有通过衬底介质12膨胀而形成的波状表面18，其仅仅在图1中非常示例性地示出了。
为了形成图1的膨胀的复合过滤介质10，被压缩且至少部分地被压紧的介质如图2所示被使用。图2是处于膨胀前的未膨胀状态中的图1的复合过滤介质10的示意图，也可以看出精细纤维14在膨胀前被沉积。如图所示，在膨胀前复合过滤介质10具有大致平面20，精细纤维14形成大致平面层。处于未膨胀状态的衬底介质12具有厚度t'。当复合过滤介质10膨胀时，衬底介质12的厚度膨胀到如图1所示的t，并且表面松弛而形成图1的波状表面18。在一些实施例中，厚度t'可以是初始厚度的至少1.5倍，并且更优选地接近双倍或三倍或增加更多。
在一个实施例中，过滤介质10的膨胀通过热处理完成，但其它迟缓剂例如溶剂喷雾（对衬底只部分可溶）或其它处理可被用于松弛。例如，未膨胀状态的稀松织物可被穿孔并且被排列或以其它方式至少部分地被压缩，其中纤维通过被结合和相互保持（较大纤维到较大纤维的结合使这些大纤维保持在位）被保持在偏压状态下的位置。在一个实施例中，承载精细纤维的未膨胀的双组分稀松织物通过加热而被膨胀，其中低熔点组分熔化或软化并且与精细纤维结合。在此加热过程中，衬底的较大纤维也被免于至少部分被压缩的状态并且允许四处滑动并且向后朝向更自然的状态移动-例如至少部分地朝向非压缩且膨胀的状态（例如，朝向在第一位置的稀松织物形成之前产生的非压缩状态）。热处理过程中，根据某些优选实施例，衬底介质12的纤维松弛并且重新定向以增大纤维之间的平均距离。这样，衬底介质12膨胀，其中衬底介质12的厚度增大，并且与平面相反，衬底介质12的表面变成波状。此外，随着靠近衬底介质12的表面的纤维松弛并且重新定向，被这些纤维承载的精细纤维14随纤维移动并且重新定向。因此，精细纤维14随较大的纤维延伸、推动及拉动。
现在简要描述具有膨胀厚度和波状表面的复合过滤介质，根据本发明的实施例，在提供复合过滤介质的另外细节和其它实施例之前描述它的一些优势。
有多个因素影响过滤介质的特征。过滤器或过滤能力是过滤器在其服务寿命期间捕获颗粒的量。通常，较高的过滤能力提供较长的过滤器寿命，这可降低过滤器更换或维修的频率。过滤能力通常与压降或阻滞（restriction）有关，当对预期的流体流量的阻滞变得太高时（因此增大了压降），过滤器需要被更换以提高预期的流体流量。压降与由过滤介质引起的流体流动阻力有关。压降是介质的尘土侧与清洁侧的压力差。通常，阻力越大，需要的能量越高和/或指定流速的压降越大。因此，所有这些因素都是等效的，压降较低的过滤器是优选的。过滤效率是被过滤介质从流体流中去除的颗粒的百分数，并且通常对于特殊的颗粒尺寸给定。当然，通常希望从流体流中除去更多的颗粒，但同时不过度限制流体流动。过滤器寿命是由于压降太大或激流通过（blow through）而使过滤器需要被更换或维修之前的持续时间。
根据本发明的实施例，复合过滤介质具有膨胀厚度和波状表面，与不经受膨胀过程的未膨胀的过滤介质相比，提供更大的过滤介质体积。因为其尤其与纳米纤维层14相关，这被认为是表面承载型层，并且通过使该区域从平面膨胀成波状，本质上，单位体积的有效面积（volumetric area）被增加。因此，在膨胀的基础上，在整个增大的过滤介质体积内更多的颗粒可被捕获。另外并且如上所述，在膨胀过程中衬底介质的纤维和承载于其上的精细纤维被重新定向。纤维的这种重新定向可生成改进的过滤介质孔结构，以更小的流体流动阻力更有效地捕获颗粒。由于纳米纤维的重新定向，它还可以允许纳米纤维的较高覆盖度而不会增大阻力。因此，与处于未膨胀状态的复合过滤介质相比，膨胀的复合过滤介质可提高过滤效率同时保持相同水平的压降，或较低的压降同时保持相同的过滤效率。因此，通过提供提高的集尘能力，具有膨胀厚度和波状表面的复合过滤介质可提高过滤质量，降低的压降和/或阻滞，和/或更长的过滤器寿命。
参考图1和2，现在讨论复合过滤介质10的更详细结构。衬底介质12可由任何适合的多孔材料形成。优选地，衬底介质12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”及其它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，衬底介质12由包括具有不同熔点的两种不同材料的双组分纤维形成。包括精细纤维和由这样的多组分纤维形成的衬底介质的复合过滤介质在题为“Multi-Component Filter Media with NanofiberAttachment”的PCT专利申请No.PCT/US09/50392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，衬底12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，或者其它合适的纤维材料，例如玻璃和/或纤维素。优选地，纤维被压缩以形成具有特定厚度的介质或稀松织物的网形式的衬底介质12。
在一个实施例中，衬底介质12是由包括高熔点聚合物组分和低熔点聚合物组分的双组分纤维形成的稀松织物。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它合适的聚合物。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。
衬底介质12的纤维被形成以具有比精细纤维14大的平均纤维直径。优选地，衬底介质12的纤维的平均纤维直径大于约1微米，并且更优选地，大于5微米。在一个实施例中，衬底介质12纤维的平均直径在约1微米和约40微米之间。在未膨胀状态下，较粗糙的纤维例如通过一组压光辊被压缩，以形成厚度在约0.05和1.0mm之间，优选在约0.1和0.5mm之间的衬底介质12。这种双组分纤维衬底介质12可提供精细纤维14所需要的结构支撑。适合于用作衬底介质12的各种厚度的双组分稀松织物可通过Rogersville的HDK工业股份有限公司，TN或其它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。
在其它实施例中，其它类型的双组分纤维可用于形成衬底介质12。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。这允许其它平面纤维形成褶皱（crimp）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。
精细纤维14可在它们形成时沉积在衬底介质12上。可替换地，精细纤维14可分开地制备成介质网，然后与衬底介质12层叠。虽然精细纤维14可包括具有各种纤维直径的纤维，但是优选地，精细纤维14是具有非常细的纤维直径的纳米纤维。这样的精细纤维14可通过电纺或其它合适的工艺形成。在一个实施例中，精细纤维14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电纺纳米纤维。这种小直径精细纤维可将更多纤维一起装填，而不大大增加过滤器的整体密实度，这可增加过滤效率而不增大压降。
精细纤维14可通过各种合适的聚合物材料形成。在一个实施例中，精细纤维14可由尼龙-6（聚酰胺-6，在此也称为“PA-6”）通过电纺形成，其中，电纺精细纤维14直接沉积在衬底介质12上，虽然任何聚合物可被使用。为了避免在加热期间精细纤维的破坏，精细纤维14由具有比双组分的低熔点聚合物更高的熔化温度的材料形成。在本实施例中，衬底介质12是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。双组分短纤维被压缩在一组压光辊之间以形成稀松织物网。衬底介质12和精细纤维14之间的结合可涉及溶剂结合、压力结合和/或热结合。在一个实施例中，低熔点组分可用于结合精细纤维到衬底的较粗纤维，如图15A-15D所示。以这种方式，当较粗的衬底纤维通过松弛工艺而导致移动并且四处滑动时，它们承载着结合于其上的更精细的精细纤维与它一起。
复合过滤介质10在膨胀前具有如图2所示的厚度t和大致平面20。此未膨胀的复合过滤介质10被例如在250°F下热处理5分钟，其中，被压缩的衬底介质12的纤维被松弛并且重新定向，从而膨胀衬底介质12。因此，衬底介质12的厚度膨胀到t'，并且图2的大致平面20松弛以形成如图1所示的波状表面18，应注意与例如那些商业上得到的衬底/稀松织物的普通平面特征相比波状表面是不规则的。事实上，过滤介质卷典型地变成对于许多介质来说具有大致平面特征的介质的预绕卷。随着更粗糙的衬底纤维靠近，衬底介质12的表面被松弛并且被重新定向，被这些纤维承载的精细纤维16也随着纤维移动并且被延伸并且与波状表面纤维一起整合成3维基体。此外，双组分纤维的低熔点聚酯在热处理过程中熔化或变软，这允许相邻的精细纤维嵌到低熔点聚酯中并且增强双组分纤维和精细纤维14之间的结合。
在一个实施例中，衬底介质12由平均纤维直径在约1和40微米之间以及基本重量在约0.5和15oz/yd2之间的双组分纤维稀松织物形成。精细纤维14的平均纤维直径在约0.01和0.5微米之间并且精细纤维覆盖度在约0.012g/m2和0.025g/m2之间。在本实施例中，膨胀的复合过滤介质10的弗雷泽（Frazier）空气渗透率在约100和200CFM之间；MFP效率相对于MERV11-16；并且MFP集尘重量约400-600mg/100cm2，最终压降约1.5inchW.G。
图11和12示意了根据本发明不同实施例的复合过滤介质90。除图2的复合过滤介质10的衬底介质12和精细纤维14之外，复合过滤介质90包括介质92和精细纤维93。如图所示，复合过滤介质90的精细纤维14和93夹在衬底介质12和介质92之间。介质92和衬底介质12可由相同的稀松织物或过滤介质或不同的稀松织物或过滤介质形成。复合过滤介质90可被构造，例如，通过以精细纤维相互面对的方式层叠两层图2的复合过滤介质10，并且膨胀衬底介质层，其中精细纤维与相邻的衬底介质被重新定向。
在一个实施例中，衬底介质12是由如前面实施例中描述的低熔点聚酯/高熔点聚酯双组分纤维形成的稀松织物。精细纤维14是沉积在衬底介质12上的电纺的尼龙-6纳米纤维。类似地，介质92被沉积有形成精细纤维93的电纺的尼龙-6纳米纤维。沉积有精细纤维14的衬底介质12和沉积有精细纤维93的介质92被层叠在一起，使得精细纤维14和精细纤维93相互面对以形成图11的复合过滤介质90。在本实施例中，介质92由用于衬底介质12的相同的稀松织物形成。精细纤维14和精细纤维93可具有相同的精细纤维覆盖度或不同的精细纤维覆盖度。例如，精细纤维14的精细纤维覆盖度在约0.005g/m2和0.030g/m2之间，优选地在约0.012g/m2和0.025g/m2之间。类似地，精细纤维93的精细纤维覆盖度在约0.005g/m2和0.030g/m2之间，优选地在约0.012g/m2和0.025g/m2之间。因此，层叠时，这两层精细纤维14，93可具有在约0.010g/m2和0.060g/m2之间，优选在约0.024g/m2和0.050g/m2之间，的精细纤维覆盖度。复合过滤介质90可可选地使用一组辊压缩以加强层12，14，93，92之间的结合。如图11所示，未膨胀的复合过滤介质90具有大致平面94和厚度t"。未膨胀的复合过滤介质90被热处理，如前面实施例一样。热处理可在双组分纤维的低熔点组分的熔化温度或附近进行。在本实施例中，未膨胀的复合过滤介质90被加热到或接近低熔点聚酯的熔化温度。
热处理过程中，衬底介质12和介质92的双组分纤维被松弛并且被重新定向以使复合过滤介质90的厚度膨胀到t″′并且形成波状表面96，如图12所示。随着衬底介质12的双组分纤维松弛并且重新定向，精细纤维14也与相邻的衬底介质12的双组分纤维一起移动。类似地，随着介质92的双组分纤维松弛并且重新定向，精细纤维93也与相邻的衬底介质92的双组分纤维一起移动。
与未膨胀的复合过滤介质或其它传统过滤介质相比，这种具有膨胀厚度和波状表面的复合过滤介质90可具有较高的集尘能力和减小的压降。此外，由于过滤介质膨胀通过松弛而增大的过滤介质体积使膨胀的复合过滤介质90（图12）很好地适合于具有改进的集尘能力和更低的压降的深度过滤介质，其中更多的颗粒可被捕获在复合过滤介质90的增大的体积中，并且精细纤维层可大部分设置最高颗粒捕获效率而不会过度限制。
虽然图11和12是示意性的，图20-21示出了以x120放大倍数获得的衬底介质和膨胀的复合过滤介质的真实光学显微图像。图20是在精细纤维沉积和膨胀之前衬底介质，例如图11的介质12和92，的光学显微图像。图21是膨胀的复合过滤介质的光学显微图像，其中图20的介质的两个样品被沉积有精细纤维并且被层叠使得两个样品介质上的精细纤维彼此面对，例如图12中示出的膨胀的复合过滤介质90。虽然图21的复合过滤介质包括精细纤维，但在本放大倍数的图像中，只可以看到介质层的粗纤维。精细纤维小很多并且被较粗的纤维承载，这从图24中可以看到，图24为以x2,500放大倍数的复合过滤介质的扫描电子显微图象。在图24中，涂在一个介质层上的精细纤维在图像中很清晰，而涂在另一介质层上的精细纤维在图像中不清晰。覆盖有精细纤维的两层介质被以精细纤维相互面对的方式层叠，并且加热膨胀以形成膨胀的复合过滤介质。
深度过滤介质基本上在整个体积或深度上承载颗粒，并且因此，与在过滤器的寿命中用表面承载系统承载相比，深度介质可承载颗粒的更大重量和体积。但是，通常，深度介质结构具有效率方面的缺陷。为了提高这种高承载能力，通常选择低密实度（solidity）介质使用。这形成潜在地允许一些颗粒更容易通过的大孔尺寸。根据本发明实施例的膨胀的复合过滤介质可提供较高的集尘能力和过滤效率，同时通过膨胀的介质和精细纤维保持相同低水平的压降。
在其它实施例中，膨胀的复合过滤介质可包括多层精细纤维和多个过滤层。图13示出了根据本发明的实施例的包括夹在三个过滤层12，92，104之间的两层精细纤维16，102的复合过滤介质100。过滤层12，92，104可由相同的过滤介质或稀松织物形成，例如前面实施例的低熔点聚酯/高熔点聚酯双组分纤维稀松织物。可选地，根据预期的过滤介质特征，过滤层12，92，104可由不同的过滤介质或稀松织物形成。当不同的过滤介质或稀松织物被用于形成过滤层12，92，104时，过滤层12，92，104的纤维可在膨胀过程中松弛并且以不同方式重新定向。这样，过滤层12，92，104可不同地膨胀。例如，过滤层12和92的厚度可变成双倍，而过滤层104的厚度可能不增加或非常轻微地增加。
此外，精细纤维层16，102可包括相同量的精细纤维或不同量的精细纤维。过滤层12，92，104的材料和精细纤维层16，102的精细纤维的量可被选择为形成梯度深度介质。例如，过滤层12，92，104可由与用于前面实施例的衬底介质12和过滤层92的双组分稀松织物类似的双组分纤维稀松织物形成。但是，过滤层104的双组分纤维稀松织物可具有，与被选择用于过滤层92的稀松织物相比，更小的实体密度以及因此更低的过滤效率。此外，被选择用于衬底介质12的稀松织物可具有比用于过滤层92的稀松织物更大的实体密度。此外，精细纤维层16可被形成以包括比精细纤维层102更多的精细纤维。例如，精细纤维层102可被形成以包括约0.015g/m2的PA-6的电纺精细纤维，而精细纤维层16被形成以包括约0.025g/m2的PA-6的电纺精细纤维。优选地，不同实施例中的每个精细纤维层的纳米纤维覆盖度在约0.005g/m2和0.030g/m2之间，并且更优选地在约0.012g/m2和0.025g/m2之间。应注意由于在沉积/覆盖之后纤维重新定向成波状3D基体，更多的精细纤维可被沉积（更大的精细纤维覆盖度或基本重量），而不会过度导致限制或压降问题，事实上正相反，由于膨胀，所以单位体积的有效面积更大。这种梯度复合过滤介质100可允许更多尘土颗粒被承载到复合过滤介质100的厚度上。
在实施例中，处于未膨胀状态的复合过滤介质100包括由厚度约0.005"的双组分纤维稀松织物形成的过滤层12，92，104和包括覆盖度约0.019g/m2的电纺PA-6纳米纤维的精细纤维层16，102。未膨胀的复合过滤介质100总厚度约0.015"。热膨胀后，每个过滤层12，92，104的厚度可增大约2到3倍或甚至更高，因此提供总厚度0.030"或0.045"或更高的膨胀的复合过滤介质100。
膨胀的复合过滤介质的其它结构对于不同的过滤应用来说可能是有益的，以最优化集尘和压降特性。在其它实施例中，膨胀的复合过滤介质可包括以各种顺序配置的三个以上的过滤层和两个以上的精细纤维层。
另外，在介质膨胀导致精细纤维重新定向后，膨胀的复合过滤介质可被配置成带有聚集结构的过滤元件，例如开槽过滤器或褶皱过滤器或其它典型的过滤元件装置。这种聚集过滤器装置可以是带端盖、框架和类似构件并且通常带有环形密封圈的圆筒形或椭圆形元件的形式，如这里引用的一些专利中指出的。此介质也可被引入到这种过滤元件内。此外，膨胀的复合过滤介质可被褶皱并且用在平板过滤器中。
图22示出了根据本发明的实施例的褶皱过滤元件300，其包括绕圆柱形芯体304缠绕的褶皱过滤介质302以及附接到每一端的端盖306，308。褶皱过滤介质302可通过褶皱具有波状表面的膨胀的复合过滤介质而形成，例如图1，12和13的膨胀的过滤介质。这种褶皱过滤元件在美国专利No.4,184,966中公开了，在不与本发明相冲突的前提下，其教导和公开内容整体上以引用方式并入本申请。
图23示出了根据本发明不同实施例的开槽过滤元件320。开槽过滤元件包括框架324，过滤介质密封件326，环形密封件328，以及开槽过滤介质330。开槽过滤介质330包括面板和回旋（convoluted）板，它们被紧固到一起并且绕中心框架332缠绕，以限定出多个槽334，所述多个槽334包括紧密靠近一个表面的第一槽和紧密靠近另一表面的第二槽。在本实施例中，面板和/或回旋板可由具有波状表面的膨胀的复合过滤介质形成，例如图1，12和13的膨胀的复合过滤介质。这种开槽过滤元件在题为“Filter Frame Attachment and Fluted Filter Having Same”的美国专利申请公开文献No.2009-0320424中公开了，该申请转让给本申请的受让人，在不与本发明相冲突的前提下，其教导和公开内容整体上以引用方式并入本申请。
图25示出了根据本发明的实施例的平板过滤器350。过滤介质352包括膨胀的复合过滤介质，例如图12中示出的膨胀的复合过滤介质90。膨胀的复合过滤介质被褶皱而形成过滤介质352，其被封装在框架354内而形成平板过滤器350。
现在描述根据本发明的膨胀的复合过滤介质的不同实施例，用于形成膨胀的复合过滤介质的方法将被解释。
图14示意出根据本发明的加工实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的代表性工艺，其可制造上面讨论的任一实施例。系统200包括解绕工位202，电纺工位204，热处理工位206和重新缠绕工位208。
在系统200中，稀松织物卷210被从解绕工位202解绕。在一个实施例中，稀松织物卷210由高熔点聚酯芯体/低熔点聚酯护套双组分短纤维形成，它们已经被一组压光辊压缩而形成具有预期厚度和密实度的稀松织物卷210。稀松织物网212在机器方向214上朝向电纺工位204移动。在电纺工位204，精细纤维216被形成并且沉积到稀松织物网212上而形成复合过滤介质218。复合过滤介质218进入热处理工位206，其中复合过滤介质218被加热到或接近低熔点聚酯的熔化温度。在热处理过程中，复合过滤介质218松弛并且膨胀而形成膨胀的复合过滤介质220，其在重新缠绕工位208上被重新缠绕。稀松织物网212和精细纤维216之间的结合也在热处理过程中得到增强。下面讨论系统200的每个部件。
稀松织物可在系统200的上游工艺（连续1线工艺或中断2线工艺的一部分）中形成，或者可从供应商，例如HDK或其它合适的介质供应商，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。可选地，介质可以是可被压缩并且通过溶剂结合、热结合或类似方法保持在位的其它单一组分介质。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共同挤出。这种双组分纤维可被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，该单独的纤维然后被气流成网形成纤维网（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的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被形成、分开及层叠在一起，以形成双组分过滤介质或稀松织物卷。在这样的实施例中，精细纤维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在其中发生固化的淬火区域，多条丝状纺丝线被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被分散在传输带上，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稀松织物或过滤介质210。
回到图14，稀松织物212网进入电纺工位204，在电纺工位204，精细纤维216形成并沉积在稀松织物212网上。在电纺工位204中，精细纤维216被从电纺单元222电纺并沉积在稀松织物212网上。系统200的电纺工艺可基本上类似于在题为“Fine Fibers Under 100 Nanometers,AndMethods”的美国专利申请公开文献U.S.2009/0199717中公开的电纺工艺，其被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，喷嘴库或其它电纺设备可被用于形成精细纤维。这样的可替换电纺装置或单元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）。
电纺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。将静电电荷引入到电纺单元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电纺单元222的设计和聚合物溶液的配方来控制。
用于形成精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，甲酸可以被选择为普遍也已知为尼龙-6的聚酰胺。可对前述专利进行参考，以获得精细纤维的电纺的进一步的细节。
在系统200中，静电场被产生在电纺单元222内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压电源提供。如图14所示，可存在多个电纺单元222，在电纺单元222中形成精细纤维216。形成在电纺单元222的电极处的精细纤维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网。如所构造的，稀松织物212网布置在电纺单元222和真空收集器传输器224之间，使得精细纤维216被沉积在稀松织物212网上。在实施例中，其中，稀松织物212网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布置在电纺单元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着电纺单元222。
在一个实施例中，电纺单元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导电性和表面张力。电纺单元222产生由PA-6形成的精细纤维，该精细纤维沉积在稀松织物212网的表面上。当精细纤维216沉积在稀松织物212网的表面上时，一些精细纤维216与稀松织物的靠近面对电纺单元222的表面的纤维缠结。当一些精细纤维216与靠近稀松织物的所述表面的一些纤维缠结时，留在来自电纺工艺的精细纤维216中的一些溶剂可实现精细纤维216和稀松织物212网的纤维之间的溶剂结合。为了实现此溶剂结合，稀松织物212网的纤维需要是可溶的或至少与精细纤维中的溶剂起反应。形成在电纺工位202中的复合过滤介质218的剖面图可看似图2的未膨胀的复合过滤介质10。
离开电纺工位206后，复合过滤介质218继续进行膨胀过程。在本实施例中，复合过滤介质218的膨胀在热处理工位206中进行。热处理工位206可以是任何适当的传统的炉例如对流炉，或利用其它适当类型的加热机构例如红外炉的加热装置。其中稀松织物212包括高熔点/低熔点双组分纤维，复合过滤介质218被加热到或接近双组分纤维的低熔点聚合物组分的熔化温度。随着稀松织物212的双组分纤维被加热到或接近低熔点聚合物组分的熔化温度，双组分纤维松弛并且重新定向。一些双组分纤维，例如图4的偏心护套/芯体型双组分纤维，在经受热处理时可在不同方向上卷曲和扭曲。此外，在例如通过一组压光辊形成稀松织物的过程中被压缩到一起的双组分纤维被解压缩，因为热量释放压缩力并允许双组分纤维进行重新定位以增大纤维之间的平均距离。这样，稀松织物212网在其厚度上膨胀并且变成波浪形而形成波状表面。
此外，随着靠近承载着精细纤维216的表面的双组分纤维移动并且重新定向，精细纤维216也随双组分纤维一起移动。如上所述，精细纤维216被沉积在稀松织物212网的表面上，其中一些精细纤维216与靠近稀松织物212网的表面的双组分纤维接触并且可通过溶剂结合方法被结合。随着双组分纤维的外部低熔点聚合物组分软化或熔化并允许精细纤维216嵌入，双组分纤维和精细纤维216之间的结合在热处理过程中得到增强。在热处理期间，复合过滤介质218被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被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形成的精细纤维216结合。在这样的实施例中，PA-6精细纤维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精细纤维216被嵌入在软化或熔化的低熔点聚酯中，从而将精细纤维216和稀松织物212网结合在一起。因此，低熔点聚酯用作双组分纤维稀松织物212和精细纤维216之间的结合剂。
图15（A）-15（D）是以不同放大水平获得的稀松织物212的双组分纤维和靠近稀松织物212的表面的精细纤维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212网上的精细纤维216形成蜘蛛网，与靠近稀松织物212的表面布置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（图15（C）x2,000，图15（D）x10,000）示出了精细纤维216和双组分纤维之间的结合。如在图15（D）中清楚地示出，精细纤维216被嵌入在双组分纤维的低熔点聚酯表面上。
在热处理过程中，随着双组分纤维被松弛并且被重新定向，被嵌到双组分纤维的表面上的精细纤维216与双组分纤维一起移动。随着双组分纤维被加热，双组分纤维可在不同方向上卷曲、扭曲和移动。承载着精细纤维216的一些双组分纤维可向外移动，膨胀所述表面，同时承载着精细纤维216的一些双组分纤维可停留在初始表面水平或甚至在相反方向上向内移动。这样，在热处理过程中，随着纤维定向，复合过滤介质218的大致平面变成波状。此外，在稀松织物212的表面水平上沉积的精细纤维216随着它们与双组分纤维一起移动而被伸展，从而随着复合过滤介质218在热处理过程中的膨胀，增大了精细纤维216整合到稀松织物212网内的深度。双组分纤维和精细纤维216的重新定向也可改进膨胀的复合过滤介质218的整体孔结构。因此，由于膨胀（体积增大了的相同数量的纤维）固体百分比的减小以及膨胀的复合过滤介质218的改进的孔结构提供了提高的过滤能力和较慢的压降增加。膨胀的复合过滤介质220可类似于具有波状表面和膨胀厚度的图1的膨胀的复合过滤介质。
在一些实施例中，膨胀的复合过滤介质220可通过热处理工位下游的一组辊进行处理。很小数值的压力可被施加到膨胀的复合过滤介质220以促进精细纤维216和衬底稀松织物212之间的粘合和/或稍稍减小复合过滤介质220的厚度到预期厚度。但是，通过所述一组棍，膨胀的复合过滤介质220基本上保持来自热处理的波状表面和膨胀厚度。
图16示意出根据本发明不同实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的系统230。系统230包括用于形成衬底介质236的设备232，用于形成过滤层238的设备234，电纺工位240，一组辊242，热处理工位244和重新缠绕工位252。
衬底介质236和过滤层238可由各种适当的材料和方法形成。此外，衬底介质236和过滤层238可由相同的过滤介质或稀松织物，或不同的过滤介质或稀松织物形成。在一个实施例中，衬底介质236和过滤层238由相同的双组分纤维稀松织物形成。在本实施例中，包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套的双组分短纤维在设备232和设备234中被形成为具有预期厚度和宽度的稀松织物网。
包括双组分纤维稀松织物的衬底介质236进入电纺工位240，其中，以对图14的电纺工位204描述的方式，PA-6纳米纤维254被形成并沉积在衬底介质236的表面上。承载着精细纤维254的衬底介质236被通过一组辊242与过滤层238层叠在一起。如图所示，过滤层238被层叠到沉积在复合过滤介质246一侧的精细纤维上。一组辊242可施加预期大小的压力以增强精细纤维254和衬底介质236之间的结合以及精细纤维254和过滤层238之间的结合。离开一组辊242的复合过滤介质248可看似图11的未膨胀的复合过滤介质90。
然后，复合过滤介质248进入热处理工位244。在热处理工位244，复合过滤介质248被加热到或接近双组分纤维的低熔点聚酯组分的熔点。衬底介质236和过滤层238的双组分纤维如上面关于图14的实施例所述的松弛并且重新定向。如上所述，精细纤维254也随双组分纤维被重新定向。离开热处理工位244的膨胀的复合过滤介质250可看似图12的膨胀的复合过滤介质。膨胀的复合过滤介质250具有膨胀厚度和波状表面。最后，膨胀的复合过滤介质250在重新缠绕工位252被缠绕成卷。在一些实施例中，膨胀的复合过滤介质250可通过热处理工位下游的一组辊压缩。很小数值的压力可被施加于膨胀的复合过滤介质250以促进不同层之间的粘合和/或稍稍减小复合过滤介质250的厚度到预期厚度。但是，通过所述一组棍，膨胀的复合过滤介质250基本上保持来自热处理的波状表面和膨胀厚度。
图26示意出根据本发明不同实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的系统400。系统400包括两个解绕工位402，404，炉406，和重新缠绕工位408。包括衬底介质414和精细纤维418的覆盖有精细纤维的介质410卷被从解绕工位402解绕，精细纤维418面对着覆盖有精细纤维的介质412的精细纤维420。包括衬底介质416和精细纤维420的覆盖有精细纤维的介质412卷被从解绕工位404解绕，精细纤维420面对着精细纤维418。精细纤维418，420被通过电纺方法，例如在图14的系统200中描述的电纺方法，沉积到衬底介质414，416。在本实施例中，精细纤维418，420是在前面的实施例中描述的电纺的尼龙-6纳米纤维。衬底介质414，416包括包含高熔点聚酯/低熔点聚酯纤维的双组分纤维稀松织物，这在前面的实施例中描述了。
两层覆盖有精细纤维的介质410，412在一组辊422之间被层叠到一起，其中压力被施加以促进层414，418，420，416之间的粘合。在一些实施例中，一组辊422可被加热以促进层414，418，420，416之间的粘合。层叠的复合过滤介质424，在进入炉406之前，看似图11中示出的未膨胀的复合过滤介质90。复合过滤介质424进入炉406。在炉内，复合过滤介质424被加热到或接近低熔点聚合物的熔点，其中衬底介质414，416如在前面的实施例中描述的膨胀。随着衬底介质414膨胀，被衬底介质414的粗糙双组分纤维承载的精细纤维418也移动并且重新定向成3维基体。类似地，随着衬底416膨胀，被衬底介质416的粗糙双组分纤维承载的精细纤维420也移动并且重新定向成3维基体。此外，随着复合过滤介质424被加热，热结合可被实现以增强层414，418，420，416之间的粘合。在炉406中热膨胀后，膨胀的复合过滤介质426看似图12中示出的膨胀的复合过滤介质90，其中精细纤维层418，420被面对面层叠。膨胀的复合过滤介质426在重新缠绕工位408上被缠绕成卷。
图27示意出根据本发明另一实施例的用于制造膨胀的复合过滤介质的系统430。系统430包括三个解绕工位432，434，436，炉438和重新缠绕工位440。包括衬底介质448和精细纤维452的覆盖有精细纤维的介质442卷被从解绕工位432解绕，精细纤维452面对着覆盖有精细纤维的介质444卷的衬底介质450。包括衬底层450和精细纤维454的覆盖有精细纤维的介质444卷被从解绕工位434解绕，衬底层450面对着精细纤维452。覆盖有精细纤维的介质442和覆盖有精细纤维的介质444被在一组辊456之间层叠，其中压力被施加以促进层448，452，450，454之间的粘合。所述一组辊456可被加热以通过热结合增强层448，452，450，454之间的粘合。介质446卷被从解绕工位436解绕并且通过一组辊458层叠到精细纤维454的上面。另一压力可通过所述一组辊458施加以增强层之间的层叠。所述一组辊458也可被加热以增强层448，452，450，454，446之间的粘合。
精细纤维452，454被通过电纺方法，例如在图14的系统200中描述的电纺方法，沉积到衬底介质448，450。在本实施例中，精细纤维452，454是在前面的实施例中描述的电纺的尼龙-6纳米纤维。衬底介质448，450和介质446包括包含高熔点聚酯/低熔点聚酯纤维的双组分纤维稀松织物，这在前面的实施例中描述了。包括三层介质446，448和450和两层精细纤维452，454的层叠的复合过滤介质460进入炉438，在其中，复合过滤介质460经由如在前面的实施例中描述的加热而膨胀。随着复合过滤介质460在炉438中被加热，热结合可被实现以增强层448，452，450，454，446之间的粘合。膨胀的复合过滤介质464在离开炉438时看似图13中示出的膨胀的复合过滤介质100。膨胀的复合过滤介质462在重新缠绕工位440中被缠绕成卷。
示例和试验结果
用于根据本发明的实施例的图13的膨胀的复合过滤介质100的试验样品在实验室内制备。基本重量为1.25OSY的包括高熔点聚酯芯体和低熔点聚酯护套的双组分纤维稀松织物被用作衬底介质12，过滤层92和过滤层104。
精细纤维通过电纺工艺从包括PA-6的聚合物溶液形成。PA-6纳米纤维被形成并且沉积到双组分纤维稀松织物上，覆盖度约0.019g/m2。承载着精细纤维的两层双组分纤维稀松织物和未涂层的双组分纤维稀松织物被层叠在一起，使得精细纤维被夹在双组分纤维稀松织物层之间，如图13所示。然后，复合过滤介质试验样品在炉中约250°F被加热约5分钟。
对样品的效率和集尘能力进行测试，并且使样品的试验结果与市场上可得到的其它可比过滤介质相比较。用于MFP集尘测试的测试协议是：ISO规格的精细测试粉（ISO Fine test dust），浓度为140mg/m3，样品尺寸为100cm2，面速度10cm/s。用于MFP效率测试的测试协议是：ISO规格的精细测试粉，浓度为70mg/m3，样品尺寸为100cm2，面速度20cm/s。图17-19示出了复合试验样品与通过Lydall Inc得到的两种可比过滤介质（Lydall MERV 14Grade SC8100和Lydall MERV 11GradeSC8110。）相比得到的效率和集尘试验结果。
如图17所示，在效率测试方面，复合介质试验样品（CLC介质）与Lydall SC8110相比效率较高并且非常接近于Lydall SC8100。但是在集尘测试方面，在如图18和19所示的整个测试周期内，复合介质试验样品（CLC介质样品1和CLC介质样品2）要好很多，同时呈现较低的压降。
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 (20)

1.一种制造过滤介质的方法，包括：
在具有第一厚度的衬底的表面上沉积精细纤维，所述精细纤维的平均直径小于1微米；以及
使承载着精细纤维的衬底膨胀到大于第一厚度的第二厚度。
2.如权利要求1所述的方法，还包括形成所述衬底，其中，具有低熔点聚合物组分和高熔点聚合物组分的多组分纤维被压缩而形成具有所述第一厚度的衬底。
3.如权利要求2所述的方法，其中，沉积精细纤维包括电纺所述精细纤维和直接在所述衬底的表面上沉积所述精细纤维，所述精细纤维中的一些被附着到靠近所述衬底的表面的一些所述多组分纤维上。
4.如权利要求3所述的方法，其中，电纺所述精细纤维包括在所述衬底的表面上沉积所述精细纤维以获得约0.012克/平方米和0.025克/平方米之间的精细纤维覆盖度。
5.如权利要求3所述的方法，其中，膨胀包括加热所述过滤介质，所述衬底的多组分纤维松弛并且重新定向，从而使所述衬底膨胀到所述第二厚度并且形成波状表面；其中，在所述精细纤维随承载所述精细纤维的多组分纤维一起移动时所述精细纤维被伸展，所述精细纤维被与所述波状表面的多组分纤维一起整合成3维基体。
6.如权利要求5所述的方法，其中，加热包括将所述过滤介质加热到大约低熔点聚合物组分的熔化温度，所述低熔点聚合物组分熔化或软化，一些所述精细纤维被嵌到熔化的或软化的低熔点聚合物组分内。
7.如权利要求1所述的方法，其中，膨胀后，所述第二厚度至少是所述第一厚度的1.5倍。
8.如权利要求1所述的方法，其中，膨胀后，所述第二厚度至少是所述第一厚度的双倍。
9.如权利要求1所述的方法，还包括层叠过滤层，使得精细纤维被夹在衬底介质和过滤层之间，包括所述衬底介质、精细纤维和所述过滤层的所述过滤介质被加热，所述衬底和过滤层膨胀并且所述精细纤维被伸展。
10.如权利要求1所述的方法，还包括层叠多层承载着精细纤维的衬底以及过滤层，使得每层精细纤维被夹在衬底之间或衬底和过滤层之间；层叠的层被加热，并且衬底和过滤层膨胀，精细纤维被伸展并且被整合到衬底的波状表面内。
11.一种过滤介质，包括：
平均纤维直径大于1微米的第一纤维形成的衬底，其承载着平均纤维直径小于1微米的精细纤维，所述衬底具有波状表面使得精细纤维与所述波状表面的第一纤维一起被整合为3维基体。
12.如权利要求11所述的过滤介质，其中，所述衬底是包括多组分纤维的膨胀的稀松织物，所述膨胀的稀松织物具有第一未膨胀状态，处于所述第一未膨胀状态的稀松织物具有大致平面并且厚度小于膨胀的稀松织物的厚度，所述波状表面在从所述第一未膨胀状态膨胀到膨胀的稀松织物的过程中形成。
13.如权利要求12所述的过滤介质，其中，所述多组分纤维包括第一组分和第二组分，所述第一组分具有比所述第二组分高的熔化温度；所述精细纤维经由所述第二组分附着到所述波状表面的多组分纤维。
14.如权利要求13所述的过滤介质，其中，所述第一组分由高熔点聚酯形成并且所述第二组分由低熔点聚酯形成；所述精细纤维是电纺的聚酰胺纳米纤维。
15.如权利要求12所述的过滤介质，其中，所述稀松织物在靠近所述第一未膨胀状态的表面水平上或附近承载着所述精细纤维，所述第一纤维在膨胀的稀松织物内被重新定向，所述第一纤维承载着所述精细纤维并且与其一起伸展；与未膨胀状态相比，所述精细纤维被整合到超过所述表面水平的膨胀的稀松织物内的更大深度。
16.如权利要求15所述的过滤介质，其中，与包括处于第一未膨胀状态的稀松织物的过滤介质相比，包括膨胀的稀松织物的过滤介质具有更高的集尘能力和更慢的压降增加。
17.如权利要求11所述的过滤介质，还包括稀松织物，其中所述精细纤维被层叠在所述衬底和所述稀松织物之间。
18.如权利要求11所述的过滤介质，其中，所述过滤介质包括多层承载精细纤维的衬底；并且还包括稀松织物；每层精细纤维被夹在衬底层之间或衬底和稀松织物之间。
19.如权利要求18所述的过滤介质，其中，每层衬底由包括多组分纤维的多组分稀松织物形成，所述多组分纤维包括高熔点组分和低熔点组分；所述精细纤维由电纺的聚合物纳米纤维形成；所述电纺的聚合物纳米纤维和所述高熔点组分具有比所述低熔点组分高的熔化温度；所述多组分稀松织物通过加热而从未膨胀状态膨胀；所述低熔点组分在加热期间熔化或软化并且与所述精细纤维结合；所述精细纤维随着所述多组分稀松织物的膨胀而被伸展。
20.如权利要求10所述的过滤介质，其中，所述衬底由多组分纤维稀松织物形成，其平均纤维直径在约1和40微米之间并且基本重量在约0.5和15盎司/平方码之间；所述精细纤维的平均纤维直径在约0.01和0.5微米之间；并且，每层精细纤维具有在约0.012克/平方米和0.025克/平方米之间的精细纤维覆盖度；所述过滤介质的弗雷泽空气渗透率在约100和200CFM之间，并且MFP集尘重量约400-600毫克/100平方厘米，最终压降约1.5英寸水柱。
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