包括納米纖維基體的膨脹的複合過濾介質以及方法

2023-09-17 01:03:40 3

專利名稱：包括納米纖維基體的膨脹的複合過濾介質以及方法
技術領域：
本發明大致涉及過濾介質，並且具體涉及包括膨脹的襯底和承載於其上的精細纖維的複合過濾介質，以及製造這種複合過濾介質的方法。
背景技術：
諸如液體流和氣體流(例如，氣流)的流體流通常攜帶夾帶於流體流中的通常不期望的汙染物的顆粒。過濾器通常用於從流體流去除這些顆粒中的一些或全部。包括使用靜電紡工藝形成的精細纖維的過濾介質也已公知。這樣的現有技術包括題為 「Filter Material Construction and Method」 的美國專利 No. 5，672，399 ;題為 「Cellulosic/Polyamide Composite」 的美國專利公開文獻 No. 2007/0163217 ；題為 「Filtration Medias, Fine Fibers Under IOONanometers, And Methods」 的美國臨時專利申請 No. 60/989，218 ;題為 「Integrated Nanofiber Filter Media」 的美國臨時專利申請No. 61/047，459 ;題為 「Filter Media Having Bi-Component Nanofiber Layer」 的美國臨時專利No. 61，047，455，這些現有技術的全部公開內容通過在此引用被包含於此。如這些參考文獻中所述納米纖維通常被鋪設於精加工的穿孔的過濾介質襯底上。本發明提供對包括精細纖維的過濾介質的改進。本發明的這些和其它優點以及其它創造性特徵將從在此提供的本發明的描述中顯而易見。

發明內容
在精細纖維被沉積後，通過修改襯底介質例如通過修改襯底介質的厚度，設置於襯底介質上的精細纖維，例如並且最優選根據某些實施例的電紡的納米纖維，可被重新定向。例如，至少部分地壓緊的襯底介質(例如壓光的介質)可被膨脹，其中，承載著較小纖維的較大纖維因而也膨脹精細纖維層。因此，這可提供多個優勢，包括納米纖維的更大的體積覆蓋度(對於相同基本重量的應用來說，體積覆蓋度更大-因為膨脹可展開並且使納米纖維膨脹成3D基體)；由於膨脹導致減小的壓降；和/或隨著其承載而產生的較慢的壓降增力口。另外，納米纖維或其它這種精細纖維層的波狀3維特徵大大提高了集塵能力，因為認為其用大很多的體積保持區域有效地形成了波狀表面，與僅僅是平坦的相反，現有的系統就僅僅的平坦的表面-因此納米纖維層的有效體積區域可被增加。在一個實施例中，襯底是包括高熔點組分和低熔點組分的雙組分稀鬆織物。精細纖維是電紡的聚合物納米纖維。高熔點組分和電紡的聚合物納米纖維具有比低熔點組分高的熔化溫度。雙組分稀鬆織物具有未膨脹狀態和膨脹狀態，其中膨脹的雙組分稀鬆織物具有大於未膨脹狀態的厚度。例如，處於未膨脹狀態的稀鬆織物可被預成形並且被壓光，或至少部分地被壓縮，其中纖維通過被結合併且因此相互保持(大纖維到纖維的結合將這些大纖維保持在位)而被保持於偏壓狀態位置。在一個實施例中，承載精細纖維的未膨脹的雙組分稀鬆織物通過加熱被膨脹，其中低熔點組分熔化或軟化並且與精細纖維結合。在此加熱過程中，襯底的較大纖維也被免於至少部分地壓縮狀態並且被允許四處移動並且朝向更自然的狀態向回移動-例如至少部分地朝向未壓縮和膨脹的狀態(例如朝向在第一位置形成稀鬆織物之前發生的狀態)。在加熱過程中，雙組分稀鬆織物的較大纖維被鬆弛並且重新定向，承載小很多的精細纖維，其中精細纖維隨雙組分稀鬆織物的膨脹而被伸展。生成的複合過濾介質具有波狀表面和膨脹的厚度，使得精細纖維不僅僅具有傳統的納米纖維成形技術形成的平面特徵，而是三維基體。膨脹的過濾介質具有提高的集塵能力，因為塵土加載造成的減慢的壓降增加，和/或較低的初始壓降。在一個方面中，本發明提供了一種製造過濾介質的方法。所述方法包括下述步驟在具有第一厚度的襯底的表面上沉積精細纖維，精細纖維的平均直徑小於I微米；以及使承載著精細纖維的襯底膨脹到大於第一厚度的第二厚度。在另一方面中，本發明提供了一種過濾介質，包括平均纖維直徑大於I微米的第一纖維的襯底，其承載著平均纖維直徑小於I微米的精細纖維。襯底具有波狀表面，其中精細纖維與波狀表面的第一纖維一起整合成3維基體。本發明的其他方面、目的及優點將從下面結合附圖給出的詳細描述中變得更加清
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結合到說明書中並形成說明書的一部分的附解了本發明的多個方面，並與相關描述一起用於解釋本發明的原理。在附圖中圖I是根據本發明的實施例的具有波狀表面的膨脹的過濾介質的示意性截面圖，波狀表面包括由襯底介質承載的精細纖維；圖2是圖I的複合過濾介質處於具有大致平面的未膨脹狀態的示意性截面圖；圖3是根據本發明的實施例的襯底介質的同心護套/芯體型雙組分纖維的示意圖；圖4是根據本發明的實施例的襯底介質的偏心護套/芯體型雙組分纖維的示意圖；圖5是根據本發明的實施例的襯底介質的並排型雙組分纖維的示意圖；圖6是根據本發明的實施例的襯底介質的扇形楔型雙組分纖維的示意圖；圖7是根據本發明的實施例的襯底介質的中空扇形楔型雙組分纖維的示意圖；圖8是根據本發明的實施例的襯底介質的島/海型雙組分纖維的示意圖；圖9是根據本發明的實施例的襯底介質的三葉型雙組分纖維的示意圖；圖10是根據本發明的實施例的襯底介質的帶頂端型雙組分纖維的示意圖；圖11是根據本發明的實施例的處於未膨脹狀態的複合過濾介質的示意圖；圖12是處於膨脹狀態的圖11的複合過濾介質的示意圖；圖13是根據本發明的不同實施例的膨脹的複合過濾介質的示意圖；圖14是根據本發明的實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的系統的示意圖；圖15 (A)是以x300放大水平獲得的圖I的膨脹的複合介質的襯底介質的表面附近的雙組分纖維和精細纖維的掃描電子顯微鏡圖像；圖15 (B)是以xl，000放大水平獲得的圖I的膨脹的複合介質的襯底介質的表面附近的雙組分纖維和精細纖維的掃描電子顯微鏡圖像；
圖15 (C)是以x2，000放大水平獲得的圖I的膨脹的複合介質的襯底介質的表面附近的雙組分纖維和精細纖維的掃描電子顯微鏡圖像；圖15 (D)是在xlO，000放大水平獲得的圖I的膨脹的複合介質的襯底介質的表面附近的雙組分纖維和精細纖維的掃描電子顯微鏡圖像；圖16是根據本發明的另一實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的系統的示意圖；圖17是根據本發明的實施例的膨脹的複合過濾介質以及兩種其它的傳統過濾介質的MFP效率測試結果的曲線；圖18是圖17的膨脹的複合過濾介質以及兩種其它的傳統過濾介質在200分鐘測試周期內的MFP集塵測試結果的曲線；圖19是圖17的膨脹的複合過濾介質以及兩種其它的傳統過濾介質在650分鐘測 試周期內的MFP集塵測試結果的曲線；圖20是根據本發明的實施例的以xl20放大水平獲得的熱膨脹之前的稀鬆織物層形式的未膨脹的襯底介質的光學顯微圖像；圖21是根據本發明的實施例的以xl20放大水平獲得的膨脹的複合介質的光學顯微圖像，所述膨脹的複合介質包括與精細纖維層面對面層疊在一起的兩種覆蓋有精細纖維的襯底介質，例如圖12的膨脹的複合介質；圖22是根據本發明的實施例的褶皺過濾元件的透視圖，其中，所述褶皺過濾元件通過打摺膨脹的複合過濾介質而形成；圖23是根據本發明的實施例的開槽過濾元件的透視圖，其中，所述開槽過濾介質由膨脹的複合過濾介質形成；圖24是根據本發明的實施例的以x2，500放大水平獲得的複合過濾介質的掃描電子顯微鏡圖像，所述複合過濾介質包括兩種介質，它們被覆蓋有精細纖維並且層疊在一起使精細纖維面對面放置。圖25是根據本發明的實施例的平板過濾器的透視圖，其中所述褶皺過濾介質由膨脹的複合過濾介質而形成。圖26是根據本發明的實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的系統的示意圖，所述複合過濾介質包括兩層覆蓋有精細纖維的介質，它們被層疊在一起使精細纖維面對面放置。圖27是根據本發明的實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的系統的示意圖，所述複合過濾介質包括被層疊在一起的兩個覆蓋有精細纖維的介質層和另一介質層，每個精細纖維層被夾在精細纖維之間。雖然將結合特定的優選實施例描述本發明，但是不意在將其限制於那些實施例。相反，意圖是覆蓋包括在由附加權利要求限定的本發明的精神和範圍內的所有可選形式、變型及等同物。
具體實施例方式圖I是根據本發明的實施例的複合過濾介質10的示意圖。如圖所示，複合過濾介質10包括襯底介質12和沿襯底介質12的表面16承載著的精細纖維14。複合介質10具有通過襯底介質12膨脹而形成的波狀表面18，其僅僅在圖I中非常示例性地示出了。為了形成圖I的膨脹的複合過濾介質10，被壓縮且至少部分地被壓緊的介質如圖2所示被使用。圖2是處於膨脹前的未膨脹狀態中的圖I的複合過濾介質10的示意圖，也可以看出精細纖維14在膨脹前被沉積。如圖所示，在膨脹前複合過濾介質10具有大致平面20，精細纖維14形成大致平面層。處於未膨脹狀態的襯底介質12具有厚度t』。當複合過濾介質10膨脹時，襯底介質12的厚度膨脹到如圖I所示的t，並且表面鬆弛而形成圖I的波狀表面18。在一些實施例中，厚度t』可以是初始厚度的至少I. 5倍，並且更優選地接近雙倍或三倍或增加更多。在一個實施例中，過濾介質10的膨脹通過熱處理完成，但其它遲緩劑例如溶劑噴霧(對襯底只部分可溶)或其它處理可被用於鬆弛。例如，未膨脹狀態的稀鬆織物可被穿孔並且被排列或以其它方式至少部分地被壓縮，其中纖維通過被結合和相互保持(較大纖維到較大纖維的結合使這些大纖維保持在位)被保持在偏壓狀態下的位置。在一個實施例中，承載精細纖維的未膨脹的雙組分稀鬆織物通過加熱而被膨脹，其中低熔點組分熔化或軟化 並且與精細纖維結合。在此加熱過程中，襯底的較大纖維也被免於至少部分被壓縮的狀態並且允許四處滑動並且向後朝向更自然的狀態移動-例如至少部分地朝向非壓縮且膨脹的狀態(例如，朝向在第一位置的稀鬆織物形成之前產生的非壓縮狀態)。熱處理過程中，根據某些優選實施例，襯底介質12的纖維鬆弛並且重新定向以增大纖維之間的平均距離。這樣，襯底介質12膨脹，其中襯底介質12的厚度增大，並且與平面相反，襯底介質12的表面變成波狀。此外，隨著靠近襯底介質12的表面的纖維鬆弛並且重新定向，被這些纖維承載的精細纖維14隨纖維移動並且重新定向。因此，精細纖維14隨較大的纖維延伸、推動及拉動。現在簡要描述具有膨脹厚度和波狀表面的複合過濾介質，根據本發明的實施例，在提供複合過濾介質的另外細節和其它實施例之前描述它的一些優勢。有多個因素影響過濾介質的特徵。過濾器或過濾能力是過濾器在其服務壽命期間捕獲顆粒的量。通常，較高的過濾能力提供較長的過濾器壽命，這可降低過濾器更換或維修的頻率。過濾能力通常與壓降或阻滯(restriction)有關，當對預期的流體流量的阻滯變得太高時(因此增大了壓降)，過濾器需要被更換以提高預期的流體流量。壓降與由過濾介質引起的流體流動阻力有關。壓降是介質的塵土側與清潔側的壓力差。通常，阻力越大，需要的能量越高和/或指定流速的壓降越大。因此，所有這些因素都是等效的，壓降較低的過濾器是優選的。過濾效率是被過濾介質從流體流中去除的顆粒的百分數，並且通常對於特殊的顆粒尺寸給定。當然，通常希望從流體流中除去更多的顆粒，但同時不過度限制流體流動。過濾器壽命是由於壓降太大或激流通過(blow through)而使過濾器需要被更換或維修之前的持續時間。根據本發明的實施例，複合過濾介質具有膨脹厚度和波狀表面，與不經受膨脹過程的未膨脹的過濾介質相比，提供更大的過濾介質體積。因為其尤其與納米纖維層14相關，這被認為是表面承載型層，並且通過使該區域從平面膨脹成波狀，本質上，單位體積的有效面積(volumetric area)被增加。因此,在膨脹的基礎上,在整個增大的過濾介質體積內更多的顆粒可被捕獲。另外並且如上所述，在膨脹過程中襯底介質的纖維和承載於其上的精細纖維被重新定向。纖維的這種重新定向可生成改進的過濾介質孔結構，以更小的流體流動阻力更有效地捕獲顆粒。由於納米纖維的重新定向，它還可以允許納米纖維的較高覆蓋度而不會增大阻力。因此，與處於未膨脹狀態的複合過濾介質相比，膨脹的複合過濾介質可提高過濾效率同時保持相同水平的壓降，或較低的壓降同時保持相同的過濾效率。因此，通過提供提高的集塵能力，具有膨脹厚度和波狀表面的複合過濾介質可提高過濾質量，降低的壓降和/或阻滯，和/或更長的過濾器壽命。參考圖I和2，現在討論複合過濾介質10的更詳細結構。襯底介質12可由任何適合的多孔材料形成。優選地，襯底介質12由多組分過濾介質形成。如在此使用的，術語「多組分過濾介質」、「多組分介質」及其它類似術語可互換地使用，以指示包括至少兩種不同材料的過濾介質。例如，多組分過濾介質可包括由第一材料形成的纖維和由第二材料形成的纖維，其中，第一材料和第二材料是不同的材料。可替換地，多組分過濾介質可由包括至少兩種不同材料的纖維、例如包括由第一材料形成的芯體和由第二材料形成的護套的纖維形成，如下面詳細地描述的那樣。包括兩種不同材料的多組分過濾介質在此稱為「雙組分過濾介質」、「雙組分介質」及類似術語。
在一個優選實施例中，襯底介質12由包括具有不同熔點的兩種不同材料的雙組分纖維形成。包括精細纖維和由這樣的多組分纖維形成的襯底介質的複合過濾介質在題為「Multi-Component Filter Media with Nanofiber Attachment」的 PCT 專利申請 No. PCT/US09/50392中描述，該申請轉讓給本申請的受讓人，該申請的全部公開內容通過在此引用包含於此。在本實施例中，襯底12的雙組分纖維的一種組分具有比另一種組分更低的熔點。低熔點組分可以是任何合適的聚合物，例如，聚丙烯，聚乙烯或聚酯。另一組分可以是具有比低熔點組分更高的熔點的聚合物，或者其它合適的纖維材料，例如玻璃和/或纖維素。優選地，纖維被壓縮以形成具有特定厚度的介質或稀鬆織物的網形式的襯底介質12。在一個實施例中，襯底介質12是由包括高熔點聚合物組分和低熔點聚合物組分的雙組分纖維形成的稀鬆織物。例如，雙組分可包括高熔點聚酯和低熔點聚酯，其中，一種聚酯具有比另一種聚酯更高的熔化溫度。圖3示意性地示出了根據一個實施例的雙組分纖維22。如圖所示，雙組分22是同心護套/芯體型，其中，芯體24由高熔點聚合物組分形成，護套26由低熔點聚合物組分形成。高熔點聚合物組分由具有比低熔點聚合物組分更高的熔化溫度的聚合物形成。合適的高熔點聚合物包括但不限於聚酯和聚醯胺。合適的低熔點聚合物包括聚丙烯，聚乙烯，共聚聚酯，或者具有比選擇的高熔點聚合物更低的熔化溫度的任何其它合適的聚合物。例如，雙組分纖維可由聚酯芯體和聚丙烯護套形成。在本實施例中，雙組分纖維由兩種不同類型的聚酯形成，其中一種聚酯具有比另一種聚酯更高的熔點。襯底介質12的纖維被形成以具有比精細纖維14大的平均纖維直徑。優選地，襯底介質12的纖維的平均纖維直徑大於約I微米，並且更優選地，大於5微米。在一個實施例中，襯底介質12纖維的平均直徑在約I微米和約40微米之間。在未膨脹狀態下，較粗糙的纖維例如通過一組壓光輥被壓縮，以形成厚度在約O. 05和I. Omm之間，優選在約O. I和O. 5mm之間的襯底介質12。這種雙組分纖維襯底介質12可提供精細纖維14所需要的結構支撐。適合於用作襯底介質12的各種厚度的雙組分稀鬆織物可通過Rogersville的HDK工業股份有限公司，TN或其它過濾介質供應商在商業上獲得。因此，襯底可從這樣的現成的雙組分介質選擇。在其它實施例中，其它類型的雙組分纖維可用於形成襯底介質12。不同類型的雙組分纖維的一些示例在圖4-10中示意性地示出。包括芯體30和護套32的偏心護套/芯體型雙組分纖維28在圖4中示出。該纖維類似於同心護套芯體纖維22，除了芯體30偏離中心之外。兩種聚合物組分的不同收縮率可使纖維在加熱時捲曲成螺旋物。這允許其它平面纖維形成褶皺(crimp)和塊，並可導致不同纖維在熱作用下重新定向、膨脹和/或表面波動。圖5示意性地示出了包括第一聚合物組分36和第二聚合物組分38的並排型雙組分纖維34。根據應用，第一聚合物組分可以是具有比第二聚合物組分更高或更低的熔點的 聚合物。這是偏心護套/芯體纖維的進一步延伸，其中，兩種聚合物佔據一部分纖維表面。通過合適的聚合物選擇，該纖維可形成比偏心護套/芯體纖維28更高級別的潛在褶皺。扇形楔型雙組分纖維40在圖6中示意性地示出。扇形楔纖維40包括由第一聚合物組分42和第二聚合物組分44形成的多個相鄰楔。每個第一聚合物組分42在任一側上具有第二聚合物組分44。第一聚合物組分42可以是具有比第二聚合物組分44更高或更低的熔點的聚合物。這些纖維設計成通過機械攪動(通常水刺法)分割成組分楔，從而在過濾介質中獲得纖度為O. I至O. 2旦尼爾的微纖維。圖7是包括第一聚合物楔48和第二聚合物楔50的中空扇形楔型雙組分纖維46的示意圖。再次，根據應用，第一聚合物楔48可由具有比第二聚合物楔50更高或更低的熔點的聚合物形成。中空扇形楔纖維46類似於扇形楔纖維40，除了防止楔的內尖端接合的中空的中央芯體52之外，因此使分割更容易。圖8是島/海型雙組分纖維54的示意圖。該纖維也公知為「臘腸皮薩」構造，其中，第一聚合物組分56是臘腸，第二聚合物組分58是奶酪。在一些實施例中，第一聚合物組分56由具有比第二聚合物組分58更高熔點的聚合物形成，或者第二聚合物組分58由可溶解聚合物形成。在這樣的實施例中，該纖維允許多股細的高熔點聚合物56放置在接下來熔化或溶解的低熔點或可溶解聚合物58的基體內。這允許由細的微纖維製成的介質的生成，這是因為纖維更易於加工成「皮薩」形式而非單獨的「臘腸」。短纖維可由每個皮薩上的37個臘腸製成，從而生成纖度為大約O. 04旦尼爾(大約2微米直徑)或甚至更細的纖維。雙組分纖維可形成不同形狀。例如，一些雙組分纖維可不具有包含與上述雙組分纖維一樣的圓形截面的圓柱形形狀。圖9和10示出了具有不規則形狀的雙組分纖維的一些示例。雖然這些纖維不具有圓形截面，但是在本發明的上下文中每個纖維具有直徑。具有非圓形截面的纖維的直徑從纖維的外周邊測量。圖9是三葉型雙組分纖維60，62的示意圖。每個三葉型纖維60，62包括第一聚合物組分64，66和第二聚合物組分68，70。每個三葉型纖維60，62由它的直徑72，74測量。在一些實施例中，第一聚合物組分64，66由具有比第二聚合物組分68，70更高的熔點或更低的熔點的聚合物形成。圖10是帶頂端型雙組分纖維78，80的示意圖。纖維78是具有第一聚合物中心82和第二聚合物頂端84的帶頂端三葉型雙組分纖維。纖維80是具有第一聚合物中心86和第二聚合物頂端88的帶頂端相交雙組分纖維。優選地，第一聚合物中心82，86由比具有第二聚合物頂端84，88更高的熔點的聚合物形成。精細纖維14可在它們形成時沉積在襯底介質12上。可替換地，精細纖維14可分開地製備成介質網，然後與襯底介質12層疊。雖然精細纖維14可包括具有各種纖維直徑的纖維，但是優選地，精細纖維14是具有非常細的纖維直徑的納米纖維。這樣的精細纖維14可通過電紡或其它合適的工藝形成。在一個實施例中，精細纖維14是具有小於大約I微米，優選地小於O. 5微米，更優選地在O. Ol和O. 3微米之間的平均纖維直徑的電紡納米纖維。這種小直徑精細纖維可將更多纖維一起裝填，而不大大增加過濾器的整體密實度，這可增加過濾效率而不增大壓降。精細纖維14可通過各種合適的聚合物材料形成。在一個實施例中，精細纖維14可由尼龍-6 (聚醯胺_6，在此也稱為「PA-6」)通過電紡形成，其中，電紡精細纖維14直接沉積在襯底介質12上，雖然任何聚合物可被使用。為了避免在加熱期間精細纖維的破壞，精細纖維14由具有比雙組分的低熔點聚合物更高的熔化溫度的材料形成。在本實施例中，襯底介質12是由具有高熔點聚酯芯體和低熔點聚酯護套的雙組分短纖維形成的稀鬆織物。雙組分短纖維被壓縮在一組壓光輥之間以形成稀鬆織物網。襯底介質12和精細纖維14之間的結合可涉及溶劑結合、壓力結合和/或熱結合。在一個實施例中，低熔點組分可用於結合 精細纖維到襯底的較粗纖維，如圖15A-1 所示。以這種方式，當較粗的襯底纖維通過鬆弛工藝而導致移動並且四處滑動時，它們承載著結合於其上的更精細的精細纖維與它一起。複合過濾介質10在膨脹前具有如圖2所示的厚度t和大致平面20。此未膨脹的複合過濾介質10被例如在250° F下熱處理5分鐘，其中，被壓縮的襯底介質12的纖維被鬆弛並且重新定向，從而膨脹襯底介質12。因此，襯底介質12的厚度膨脹到t』，並且圖2的大致平面20鬆弛以形成如圖I所示的波狀表面18，應注意與例如那些商業上得到的襯底/稀鬆織物的普通平面特徵相比波狀表面是不規則的。事實上，過濾介質卷典型地變成對於許多介質來說具有大致平面特徵的介質的預繞卷。隨著更粗糙的襯底纖維靠近，襯底介質12的表面被鬆弛並且被重新定向，被這些纖維承載的精細纖維16也隨著纖維移動並且被延伸並且與波狀表面纖維一起整合成3維基體。此外，雙組分纖維的低熔點聚酯在熱處理過程中熔化或變軟，這允許相鄰的精細纖維嵌到低熔點聚酯中並且增強雙組分纖維和精細纖維14之間的結合。在一個實施例中，襯底介質12由平均纖維直徑在約I和40微米之間以及基本重量在約O. 5和15oz/yd2之間的雙組分纖維稀鬆織物形成。精細纖維14的平均纖維直徑在約O. 01和O. 5微米之間並且精細纖維覆蓋度在約O. 012g/m2和O. 025g/m2之間。在本實施例中，膨脹的複合過濾介質10的弗雷澤(Frazier)空氣滲透率在約100和200CFM之間；MFP效率相對於MERVl 1-16 ;並且MFP集塵重量約400-600mg/100cm2，最終壓降約L 5inchff. G。圖11和12示意了根據本發明不同實施例的複合過濾介質90。除圖2的複合過濾介質10的襯底介質12和精細纖維14之外，複合過濾介質90包括介質92和精細纖維93。如圖所示，複合過濾介質90的精細纖維14和93夾在襯底介質12和介質92之間。介質92和襯底介質12可由相同的稀鬆織物或過濾介質或不同的稀鬆織物或過濾介質形成。複合過濾介質90可被構造，例如，通過以精細纖維相互面對的方式層疊兩層圖2的複合過濾介質10，並且膨脹襯底介質層，其中精細纖維與相鄰的襯底介質被重新定向。在一個實施例中，襯底介質12是由如前面實施例中描述的低熔點聚酯/高熔點聚酯雙組分纖維形成的稀鬆織物。精細纖維14是沉積在襯底介質12上的電紡的尼龍-6納米纖維。類似地，介質92被沉積有形成精細纖維93的電紡的尼龍-6納米纖維。沉積有精細纖維14的襯底介質12和沉積有精細纖維93的介質92被層疊在一起，使得精細纖維14和精細纖維93相互面對以形成圖11的複合過濾介質90。在本實施例中，介質92由用於襯底介質12的相同的稀鬆織物形成。精細纖維14和精細纖維93可具有相同的精細纖維覆蓋度或不同的精細纖維覆蓋度。例如，精細纖維14的精細纖維覆蓋度在約O. 005g/m2和O. 030g/m2之間，優選地在約O. 012g/m2和O. 025g/m2之間。類似地，精細纖維93的精細纖維覆蓋度在約O. 005g/m2和O. 030g/m2之間，優選 地在約O. 012g/m2和O. 025g/m2之間。因此，層疊時，這兩層精細纖維14，93可具有在約O. 010g/m2和O. 060g/m2之間，優選在約O. 024g/m2和O. 050g/m2之間，的精細纖維覆蓋度。複合過濾介質90可可選地使用一組輥壓縮以加強層12，14，93，92之間的結合。如圖11所示，未膨脹的複合過濾介質90具有大致平面94和厚度t〃。未膨脹的複合過濾介質90被熱處理，如前面實施例一樣。熱處理可在雙組分纖維的低熔點組分的熔化溫度或附近進行。在本實施例中，未膨脹的複合過濾介質90被加熱至IJ或接近低熔點聚酯的熔化溫度。熱處理過程中，襯底介質12和介質92的雙組分纖維被鬆弛並且被重新定向以使複合過濾介質90的厚度膨脹到t"，並且形成波狀表面96，如圖12所示。隨著襯底介質12的雙組分纖維鬆弛並且重新定向，精細纖維14也與相鄰的襯底介質12的雙組分纖維一起移動。類似地，隨著介質92的雙組分纖維鬆弛並且重新定向，精細纖維93也與相鄰的襯底介質92的雙組分纖維一起移動。與未膨脹的複合過濾介質或其它傳統過濾介質相比，這種具有膨脹厚度和波狀表面的複合過濾介質90可具有較高的集塵能力和減小的壓降。此外，由於過濾介質膨脹通過鬆弛而增大的過濾介質體積使膨脹的複合過濾介質90 (圖12)很好地適合於具有改進的集塵能力和更低的壓降的深度過濾介質，其中更多的顆粒可被捕獲在複合過濾介質90的增大的體積中，並且精細纖維層可大部分設置最高顆粒捕獲效率而不會過度限制。雖然圖11和12是示意性的，圖20-21示出了以xl20放大倍數獲得的襯底介質和膨脹的複合過濾介質的真實光學顯微圖像。圖20是在精細纖維沉積和膨脹之前襯底介質，例如圖11的介質12和92，的光學顯微圖像。圖21是膨脹的複合過濾介質的光學顯微圖像，其中圖20的介質的兩個樣品被沉積有精細纖維並且被層疊使得兩個樣品介質上的精細纖維彼此面對，例如圖12中示出的膨脹的複合過濾介質90。雖然圖21的複合過濾介質包括精細纖維，但在本放大倍數的圖像中，只可以看到介質層的粗纖維。精細纖維小很多並且被較粗的纖維承載,這從圖24中可以看到，圖24為以x2, 500放大倍數的複合過濾介質的掃描電子顯微圖象。在圖24中，塗在一個介質層上的精細纖維在圖像中很清晰，而塗在另一介質層上的精細纖維在圖像中不清晰。覆蓋有精細纖維的兩層介質被以精細纖維相互面對的方式層疊，並且加熱膨脹以形成膨脹的複合過濾介質。深度過濾介質基本上在整個體積或深度上承載顆粒，並且因此，與在過濾器的壽命中用表面承載系統承載相比，深度介質可承載顆粒的更大重量和體積。但是，通常，深度介質結構具有效率方面的缺陷。為了提高這種高承載能力，通常選擇低密實度(solidity)介質使用。這形成潛在地允許一些顆粒更容易通過的大孔尺寸。根據本發明實施例的膨脹的複合過濾介質可提供較高的集塵能力和過濾效率，同時通過膨脹的介質和精細纖維保持相同低水平的壓降。在其它實施例中，膨脹的複合過濾介質可包括多層精細纖維和多個過濾層。圖13示出了根據本發明的實施例的包括夾在三個過濾層12，92，104之間的兩層精細纖維16，102的複合過濾介質100。過濾層12，92，104可由相同的過濾介質或稀鬆織物形成，例如前面實施例的低熔點聚酯/高熔點聚酯雙組分纖維稀鬆織物。可選地，根據預期的過濾介質特徵，過濾層12，92，104可由不同的過濾介質或稀鬆織物形成。當不同的過濾介質或稀鬆織物被用於形成過濾層12，92，104時，過濾層12，92，104的纖維可在膨脹過程中鬆弛並且以不同方式重新定向。這樣，過濾層12，92，104可不同地膨脹。例如，過濾層12和92的厚度可變成雙倍，而過濾層104的厚度可能不增加或非常輕微地增加。此外，精細纖維層16，102可包括相同量的精細纖維或不同量的精細纖維。過濾層12，92，104的材料和精細纖維層16，102的精細纖維的量可被選擇為形成梯度深度介質。例如，過濾層12，92，104可由與用於前面實施例的襯底介質12和過濾層92的雙組分稀鬆織物類似的雙組分纖維稀鬆織物形成。但是，過濾層104的雙組分纖維稀鬆織物可具有，與被選擇用於過濾層92的稀鬆織物相比，更小的實體密度以及因此更低的過濾效率。此外，被選擇用於襯底介質12的稀鬆織物可具有比用於過濾層92的稀鬆織物更大的實體密度。此夕卜，精細纖維層16可被形成以包括比精細纖維層102更多的精細纖維。例如，精細纖維層 102可被形成以包括約O. 015g/m2的PA-6的電紡精細纖維，而精細纖維層16被形成以包括約O. 025g/m2的PA-6的電紡精細纖維。優選地,不同實施例中的每個精細纖維層的納米纖維覆蓋度在約O. 005g/m2和O. 030g/m2之間，並且更優選地在約O. 012g/m2和O. 025g/m2之間。應注意由於在沉積/覆蓋之後纖維重新定向成波狀3D基體，更多的精細纖維可被沉積(更大的精細纖維覆蓋度或基本重量)，而不會過度導致限制或壓降問題，事實上正相反，由於膨脹，所以單位體積的有效面積更大。這種梯度複合過濾介質100可允許更多塵土顆粒被承載到複合過濾介質100的厚度上。在實施例中，處於未膨脹狀態的複合過濾介質100包括由厚度約O. 005"的雙組分纖維稀鬆織物形成的過濾層12，92，104和包括覆蓋度約O. 019g/m2的電紡PA-6納米纖維的精細纖維層16，102。未膨脹的複合過濾介質100總厚度約O. 015"。熱膨脹後，每個過濾層12，92，104的厚度可增大約2到3倍或甚至更高，因此提供總厚度O. 030〃或O. 045〃或更高的膨脹的複合過濾介質100。膨脹的複合過濾介質的其它結構對於不同的過濾應用來說可能是有益的，以最優化集塵和壓降特性。在其它實施例中，膨脹的複合過濾介質可包括以各種順序配置的三個以上的過濾層和兩個以上的精細纖維層。另外，在介質膨脹導致精細纖維重新定向後，膨脹的複合過濾介質可被配置成帶有聚集結構的過濾元件，例如開槽過濾器或褶皺過濾器或其它典型的過濾元件裝置。這種聚集過濾器裝置可以是帶端蓋、框架和類似構件並且通常帶有環形密封圈的圓筒形或橢圓形元件的形式，如這裡引用的一些專利中指出的。此介質也可被弓I入到這種過濾元件內。此夕卜，膨脹的複合過濾介質可被褶皺並且用在平板過濾器中。圖22示出了根據本發明的實施例的褶皺過濾元件300，其包括繞圓柱形芯體304纏繞的褶皺過濾介質302以及附接到每一端的端蓋306，308。褶皺過濾介質302可通過褶皺具有波狀表面的膨脹的複合過濾介質而形成，例如圖1，12和13的膨脹的過濾介質。這種褶皺過濾元件在美國專利No. 4，184，966中公開了，在不與本發明相衝突的前提下，其教導和公開內容整體上以引用方式併入本申請。
圖23示出了根據本發明不同實施例的開槽過濾元件320。開槽過濾元件包括框架324，過濾介質密封件326，環形密封件328，以及開槽過濾介質330。開槽過濾介質330包括面板和迴旋(convoluted)板，它們被緊固到一起並且繞中心框架332纏繞，以限定出多個槽334，所述多個槽334包括緊密靠近一個表面的第一槽和緊密靠近另一表面的第二槽。在本實施例中，面板和/或迴旋板可由具有波狀表面的膨脹的複合過濾介質形成，例如圖1,12和13的膨脹的複合過濾介質。這種開槽過濾元件在題為「Filter Frame Attachmentand Fluted Filter Having Same」 的美國專利申請公開文獻 No. 2009-0320424 中公開了，該申請轉讓給本申請的受讓人，在不與本發明相衝突的前提下，其教導和公開內容整體上以引用方式併入本申請。圖25示出了根據本發明的實施例的平板過濾器350。過濾介質352包括膨脹的復
合過濾介質，例如圖12中示出的膨脹的複合過濾介質90。膨脹的複合過濾介質被褶皺而形成過濾介質352，其被封裝在框架354內而形成平板過濾器350。現在描述根據本發明的膨脹的複合過濾介質的不同實施例，用於形成膨脹的複合過濾介質的方法將被解釋。圖14示意出根據本發明的加工實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的代表性工藝，其可製造上面討論的任一實施例。系統200包括解繞工位202，電紡工位204，熱處理工位206和重新纏繞工位208。在系統200中，稀鬆織物卷210被從解繞工位202解繞。在一個實施例中，稀鬆織物卷210由高熔點聚酯芯體/低熔點聚酯護套雙組分短纖維形成，它們已經被一組壓光輥壓縮而形成具有預期厚度和密實度的稀鬆織物卷210。稀鬆織物網212在機器方向214上朝向電紡工位204移動。在電紡工位204，精細纖維216被形成並且沉積到稀鬆織物網212上而形成複合過濾介質218。複合過濾介質218進入熱處理工位206，其中複合過濾介質218被加熱到或接近低熔點聚酯的熔化溫度。在熱處理過程中，複合過濾介質218鬆弛並且膨脹而形成膨脹的複合過濾介質220，其在重新纏繞工位208上被重新纏繞。稀鬆織物網212和精細纖維216之間的結合也在熱處理過程中得到增強。下面討論系統200的每個部件。稀鬆織物可在系統200的上遊工藝(連續I線工藝或中斷2線工藝的一部分)中形成，或者可從供應商，例如HDK或其它合適的介質供應商,例如,H&V或Ahl strom等以卷形式購買。稀鬆織物可由各種合適的材料，例如，如上面討論的圖3-10的雙組分纖維形成。可選地，介質可以是可被壓縮並且通過溶劑結合、熱結合或類似方法保持在位的其它單一組分介質。在雙組分的情況下，例如，同心護套/芯體型雙組分纖維可使用高熔點聚酯作為芯體和低熔點聚酯作為護套共同擠出。這種雙組分纖維可被用於形成稀鬆織物或過濾介質。在一個實施例中，雙組分纖維用作短纖維，以通過傳統乾燥成網或氣流成網工藝形成多組分過濾介質或稀鬆織物。用於該工藝的短纖維相對短且不連續，但是足夠長以由傳統設備處理。雙組分纖維包可通過斜槽供應器供應並在梳理裝置中分成單獨的纖維，該單獨的纖維然後被氣流成網形成纖維網(纖維網本身為了本公開的目的可用作襯底)。纖維網然後使用一組壓光輥壓縮，以形成稀鬆織物卷210 (稀鬆織物卷210也可用作襯底)。纖維網可在進入一組壓光輥之前可選地加熱。由於本實施例的稀鬆織物210包括包含高熔點組分和低熔點組分的雙組分纖維，所以它還稱為雙組分過濾介質。在一些實施例中，纖維網在壓光以形成更厚的雙組分過濾介質之前摺疊。在不同的實施例中，包括高熔點聚合物纖維例如聚酯纖維的網及包括低熔點聚合物纖維例如聚丙烯纖維的網可被形成、分開及層疊在一起，以形成雙組分過濾介質或稀鬆織物卷。在這樣的實施例中，精細纖維216沉積在稀鬆織物212的低熔點側上。在該實施例中，低熔點網基本上比高熔點網更薄，使得低熔點組分在加熱和熔化時不堵塞高熔點網的表面。在另一實施例中，雙組分纖維稀鬆織物可通過熔噴工藝形成。例如，熔化的聚酯和熔化的聚丙烯可使用加熱的高速空氣擠壓和抽取，以形成粗纖維。纖維可在運動絲網上集中成網，以形成雙組分稀鬆織物210。多組分纖維過濾介質或稀鬆織物也可使用至少兩種不同聚合物材料紡絲結合。在通常的紡絲結合工藝中，熔化的聚合物材料通過多個擠出孔，以形成多條絲狀紡絲線。多條絲狀紡絲線被抽取以增加它的韌性並通過在其中發生固化的淬火區域，多條絲狀紡絲線被集中在支撐件例如運動絲網上。紡絲結合工藝類似於熔噴工藝，但是熔噴纖維通常比紡絲 結合纖維更細。在另一實施例中，多組分過濾介質溼法成網。在溼法成網工藝中，高熔點纖維和低熔點纖維被分散在傳輸帶上，纖維在溼的狀態下分散在均勻的網中。溼法成網操作通常使用丨/4"至3/4"長的纖維，但是有時如果纖維硬或厚則更長。根據各種實施例的上面討論的纖維被壓縮，以形成具有期望厚度的稀鬆織物或過濾介質210。回到圖14，稀鬆織物212網進入電紡工位204，在電紡工位204，精細纖維216形成並沉積在稀鬆織物212網上。在電紡工位204中，精細纖維216被從電紡單元222電紡並沉積在稀鬆織物212網上。系統200的電紡工藝可基本上類似於在題為「Fine FibersUnder 100 Nanometers, And Methods」的美國專利申請公開文獻U. S. 2009/0199717 中公開的電紡工藝，其被轉讓給本申請的受讓人，其全部公開內容通過在此引用包含於此。可替換地，噴嘴庫或其它電紡設備可被用於形成精細纖維。這樣的可替換電紡裝置或單元222的鏈電極的重定路徑可允許纖維沿著任何期望的方向沉積(例如，雖然示出為向上，但是纖維還可向下、水平地或對角地紡絲到承載更粗纖維的傳輸器上)。電紡工藝生產小直徑的合成纖維，該合成纖維還公知為納米纖維。靜電紡絲的基本工藝涉及將靜電電荷引入到存在於強電場，例如高電壓梯度，中的聚合物熔化流或溶液。將靜電電荷引入到電紡單元222中的聚合物流體導致帶電流體的噴射流的形成。帶電的噴射流在靜電場中加速並變薄，朝著接地收集器聚集。在這樣的工藝中，聚合物流體的粘彈性力穩定噴射流，從而形成小直徑的細絲。纖維的平均直徑可通過電紡單元222的設計和聚合物溶液的配方來控制。用於形成精細纖維的聚合物溶液可包括各種聚合物材料和溶劑。聚合物材料的示例包括聚氯乙烯(PVC)，聚烯烴，聚縮醛，聚酯，纖維素醚，聚硫醚，聚亞芳基氧化物，聚碸，改性聚碸聚合物及聚乙烯醇，聚醯胺，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。用於製造用於靜電紡絲的聚合物溶液的溶劑可包括乙酸，甲酸，間甲酚，三氟乙醇，六氟氯化物異丙醇溶劑，酒精，水，乙醇，異丙醇，丙酮，N-甲基吡咯烷酮及甲醇。溶劑和聚合物可基於聚合物在給定的溶劑和/或溶劑混合物(其均可稱為「溶劑」)中的充分溶解性為合適的使用而匹配。例如，甲酸可以被選擇為普遍也已知為尼龍-6的聚醯胺。可對前述專利進行參考，以獲得精細纖維的電紡的進一步的細節。在系統200中，靜電場被產生在電紡單元222內的電極和真空收集器傳輸器224之間，由產生高電壓電勢的高壓電源提供。如圖14所示，可存在多個電紡單元222，在電紡單元222中形成精細纖維216。形成在電紡單元222的電極處的精細纖維216通過由靜電場提供的力朝著真空收集器傳輸器224抽取。真空收集器傳輸器224還沿著機器方向214保持並傳輸稀鬆織物212網。如所構造的，稀鬆織物212網布置在電紡單元222和真空收集器傳輸器224之間，使得精細纖維216被沉積在稀鬆織物212網上。在實施例中，其中，稀鬆織物212網是包括在一個表面上的低熔點組分和在另一個表面上的高熔點組分的多組分過濾介質，多組分稀鬆織物212布置在電紡單元222和真空收集器傳輸器224之間，使得多組分稀鬆織物的低熔點組分表面面對著電紡單元222。在一個實施例中，電紡單元222包含包括聚醯胺-6 (PA_6)的聚合物溶液及由2/3乙酸和1/3甲酸構成的合適溶劑。在這樣的溶劑中，乙酸和甲酸均用作溶解劑，以溶解PA-6，乙酸控制聚合物溶液的導電性和表面張力。電紡單元222產生由PA-6形成的精細纖 維，該精細纖維沉積在稀鬆織物212網的表面上。當精細纖維216沉積在稀鬆織物212網的表面上時，一些精細纖維216與稀鬆織物的靠近面對電紡單元222的表面的纖維纏結。當一些精細纖維216與靠近稀鬆織物的所述表面的一些纖維纏結時，留在來自電紡工藝的精細纖維216中的一些溶劑可實現精細纖維216和稀鬆織物212網的纖維之間的溶劑結合。為了實現此溶劑結合，稀鬆織物212網的纖維需要是可溶的或至少與精細纖維中的溶劑起反應。形成在電紡工位202中的複合過濾介質218的剖面圖可看似圖2的未膨脹的複合過濾介質10。離開電紡工位206後，複合過濾介質218繼續進行膨脹過程。在本實施例中，複合過濾介質218的膨脹在熱處理工位206中進行。熱處理工位206可以是任何適當的傳統的爐例如對流爐，或利用其它適當類型的加熱機構例如紅外爐的加熱裝置。其中稀鬆織物212包括高熔點/低熔點雙組分纖維，複合過濾介質218被加熱到或接近雙組分纖維的低熔點聚合物組分的熔化溫度。隨著稀鬆織物212的雙組分纖維被加熱到或接近低熔點聚合物組分的熔化溫度，雙組分纖維鬆弛並且重新定向。一些雙組分纖維，例如圖4的偏心護套/芯體型雙組分纖維，在經受熱處理時可在不同方向上捲曲和扭曲。此外，在例如通過一組壓光輥形成稀鬆織物的過程中被壓縮到一起的雙組分纖維被解壓縮，因為熱量釋放壓縮力並允許雙組分纖維進行重新定位以增大纖維之間的平均距離。這樣，稀鬆織物212網在其厚度上膨脹並且變成波浪形而形成波狀表面。此外，隨著靠近承載著精細纖維216的表面的雙組分纖維移動並且重新定向，精細纖維216也隨雙組分纖維一起移動。如上所述，精細纖維216被沉積在稀鬆織物212網的表面上，其中一些精細纖維216與靠近稀鬆織物212網的表面的雙組分纖維接觸並且可通過溶劑結合方法被結合。隨著雙組分纖維的外部低熔點聚合物組分軟化或熔化並允許精細纖維216嵌入，雙組分纖維和精細纖維216之間的結合在熱處理過程中得到增強。在熱處理期間，複合過濾介質218被加熱到至少高於低熔點組分的玻璃轉化溫度，更加優選地加熱到或接近低熔點組分的熔化溫度。例如，複合介質218被加熱到或接近低熔點聚酯的熔點，使得雙組分纖維的外部低熔點聚酯層熔化並與由PA-6形成的精細纖維216結合。在這樣的實施例中，PA-6精細纖維216和雙組分纖維的高熔點聚酯芯體不熔化，這是因為PA-6和高熔點聚酯具有明顯比低熔點聚酯的熔化溫度高的熔化溫度。具有最低熔化溫度的低熔點聚酯熔化或軟化，且相鄰的PA-6精細纖維216被嵌入在軟化或熔化的低熔點聚酯中，從而將精細纖維216和稀鬆織物212網結合在一起。因此，低熔點聚酯用作雙組分纖維稀鬆織物212和精細纖維216之間的結合劑。圖15 (A) -15 (D)是以不同放大水平獲得的稀鬆織物212的雙組分纖維和靠近稀鬆織物212的表面的精細纖維216的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。如在圖15 (A)和15(B)的以x300和xlOOO放大水平獲得的SEM圖像中所示出，沉積在稀鬆織物212網上的精細纖維216形成蜘蛛網，與靠近稀鬆織物212的表面布置的更粗雙組分纖維之間的纖維結構一樣。以更高放大水平獲得的SEM圖像(圖15 (C)x2，000，圖15 (D)xlO，000)示出了精細纖維216和雙組分纖維之間的結合。如在圖15 (D)中清楚地示出，精細纖維216被嵌入在雙組分纖維的低熔點聚酯表面上。在熱處理過程中，隨著雙組分纖維被鬆弛並且被重新定向，被嵌到雙組分纖維的表面上的精細纖維216與雙組分纖維一起移動。隨著雙組分纖維被加熱，雙組分纖維可在不同方向上捲曲、扭曲和移動。承載著精細纖維216的一些雙組分纖維可向外移動，膨脹所 述表面，同時承載著精細纖維216的一些雙組分纖維可停留在初始表面水平或甚至在相反方向上向內移動。這樣，在熱處理過程中，隨著纖維定向，複合過濾介質218的大致平面變成波狀。此外，在稀鬆織物212的表面水平上沉積的精細纖維216隨著它們與雙組分纖維一起移動而被伸展，從而隨著複合過濾介質218在熱處理過程中的膨脹，增大了精細纖維216整合到稀鬆織物212網內的深度。雙組分纖維和精細纖維216的重新定向也可改進膨脹的複合過濾介質218的整體孔結構。因此，由於膨脹(體積增大了的相同數量的纖維)固體百分比的減小以及膨脹的複合過濾介質218的改進的孔結構提供了提高的過濾能力和較慢的壓降增加。膨脹的複合過濾介質220可類似於具有波狀表面和膨脹厚度的圖I的膨脹的複合過濾介質。在一些實施例中，膨脹的複合過濾介質220可通過熱處理工位下遊的一組輥進行處理。很小數值的壓力可被施加到膨脹的複合過濾介質220以促進精細纖維216和襯底稀鬆織物212之間的粘合和/或稍稍減小複合過濾介質220的厚度到預期厚度。但是，通過所述一組棍，膨脹的複合過濾介質220基本上保持來自熱處理的波狀表面和膨脹厚度。圖16示意出根據本發明不同實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的系統230。系統230包括用於形成襯底介質236的設備232,用於形成過濾層238的設備234,電紡工位240，一組輥242，熱處理工位244和重新纏繞工位252。襯底介質236和過濾層238可由各種適當的材料和方法形成。此外，襯底介質236和過濾層238可由相同的過濾介質或稀鬆織物，或不同的過濾介質或稀鬆織物形成。在一個實施例中，襯底介質236和過濾層238由相同的雙組分纖維稀鬆織物形成。在本實施例中，包括高熔點聚酯芯體和低熔點聚酯護套的雙組分短纖維在設備232和設備234中被形成為具有預期厚度和寬度的稀鬆織物網。包括雙組分纖維稀鬆織物的襯底介質236進入電紡工位240，其中，以對圖14的電紡工位204描述的方式，PA-6納米纖維254被形成並沉積在襯底介質236的表面上。承載著精細纖維254的襯底介質236被通過一組輥242與過濾層238層疊在一起。如圖所示，過濾層238被層疊到沉積在複合過濾介質246 —側的精細纖維上。一組輥242可施加預期大小的壓力以增強精細纖維254和襯底介質236之間的結合以及精細纖維254和過濾層238之間的結合。離開一組輥242的複合過濾介質248可看似圖11的未膨脹的複合過濾介質90。然後，複合過濾介質248進入熱處理工位244。在熱處理工位244，複合過濾介質248被加熱到或接近雙組分纖維的低熔點聚酯組分的熔點。襯底介質236和過濾層238的雙組分纖維如上面關於圖14的實施例所述的鬆弛並且重新定向。如上所述，精細纖維254也隨雙組分纖維被重新定向。離開熱處理工位244的膨脹的複合過濾介質250可看似圖12的膨脹的複合過濾介質。膨脹的複合過濾介質250具有膨脹厚度和波狀表面。最後，膨脹的複合過濾介質250在重新纏繞工位252被纏繞成卷。在一些實施例中，膨脹的複合過濾介質250可通過熱處理工位下遊的一組輥壓縮。很小數值的壓力可被施加於膨脹的複合過濾介質250以促進不同層之間的粘合和/或稍稍減小複合過濾介質250的厚度到預期厚度。但是，通過所述一組棍，膨脹的複合過濾介質250基本上保持來自熱處理的波狀表面和膨脹厚度。
圖26示意出根據本發明不同實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的系統400。系統400包括兩個解繞工位402，404，爐406，和重新纏繞工位408。包括襯底介質414和精細纖維418的覆蓋有精細纖維的介質410卷被從解繞工位402解繞，精細纖維418面對著覆蓋有精細纖維的介質412的精細纖維420。包括襯底介質416和精細纖維420的覆蓋有精細纖維的介質412卷被從解繞工位404解繞，精細纖維420面對著精細纖維418。精細纖維418，420被通過電紡方法，例如在圖14的系統200中描述的電紡方法，沉積到襯底介質414，416。在本實施例中，精細纖維418，420是在前面的實施例中描述的電紡的尼龍_6納米纖維。襯底介質414，416包括包含高熔點聚酯/低熔點聚酯纖維的雙組分纖維稀鬆織物，這在前面的實施例中描述了。兩層覆蓋有精細纖維的介質410，412在一組輥422之間被層疊到一起，其中壓力被施加以促進層414，418，420，416之間的粘合。在一些實施例中，一組輥422可被加熱以促進層414，418，420，416之間的粘合。層疊的複合過濾介質424，在進入爐406之前，看似圖11中示出的未膨脹的複合過濾介質90。複合過濾介質424進入爐406。在爐內，複合過濾介質424被加熱到或接近低熔點聚合物的熔點，其中襯底介質414，416如在前面的實施例中描述的膨脹。隨著襯底介質414膨脹，被襯底介質414的粗糙雙組分纖維承載的精細纖維418也移動並且重新定向成3維基體。類似地，隨著襯底416膨脹，被襯底介質416的粗糙雙組分纖維承載的精細纖維420也移動並且重新定向成3維基體。此外，隨著複合過濾介質424被加熱，熱結合可被實現以增強層414，418，420，416之間的粘合。在爐406中熱膨脹後，膨脹的複合過濾介質426看似圖12中示出的膨脹的複合過濾介質90，其中精細纖維層418，420被面對面層疊。膨脹的複合過濾介質426在重新纏繞工位408上被纏繞成卷。圖27示意出根據本發明另一實施例的用於製造膨脹的複合過濾介質的系統430。系統430包括三個解繞工位432，434，436，爐438和重新纏繞工位440。包括襯底介質448和精細纖維452的覆蓋有精細纖維的介質442卷被從解繞工位432解繞，精細纖維452面對著覆蓋有精細纖維的介質444卷的襯底介質450。包括襯底層450和精細纖維454的覆蓋有精細纖維的介質444卷被從解繞工位434解繞，襯底層450面對著精細纖維452。覆蓋有精細纖維的介質442和覆蓋有精細纖維的介質444被在一組輥456之間層疊，其中壓力被施加以促進層448,452,450,454之間的粘合。所述一組棍456可被加熱以通過熱結合增強層448，452，450，454之間的粘合。介質446卷被從解繞工位436解繞並且通過一組輥458層疊到精細纖維454的上面。另一壓力可通過所述一組輥458施加以增強層之間的層疊。所述一組輥458也可被加熱以增強層448，452，450，454，446之間的粘合。精細纖維452，454被通過電紡方法，例如在圖14的系統200中描述的電紡方法，沉積到襯底介質448，450。在本實施例中，精細纖維452，454是在前面的實施例中描述的電紡的尼龍-6納米纖維。襯底介質448，450和介質446包括包含高熔點聚酯/低熔點聚酯纖維的雙組分纖維稀鬆織物，這在前面的實施例中描述了。包括三層介質446，448和450和兩層精細纖維452，454的層疊的複合過濾介質460進入爐438，在其中，複合過濾介質460經由如在前面的實施例中描述的加熱而膨脹。隨著複合過濾介質460在爐438中被加熱，熱結合可被實現以增強層448，452，450，454，446之間的粘合。膨脹的複合過濾介質464在離開爐438時看似圖13中示出的膨脹的複合過濾介質100。膨脹的複合過濾介質462在重新纏繞工位440中被纏繞成卷。
示例和試驗結果用於根據本發明的實施例的圖13的膨脹的複合過濾介質100的試驗樣品在實驗室內製備。基本重量為I. 250SY的包括高熔點聚酯芯體和低熔點聚酯護套的雙組分纖維稀鬆織物被用作襯底介質12，過濾層92和過濾層104。精細纖維通過電紡工藝從包括PA-6的聚合物溶液形成。PA-6納米纖維被形成並且沉積到雙組分纖維稀鬆織物上，覆蓋度約O. 019g/m2。承載著精細纖維的兩層雙組分纖維稀鬆織物和未塗層的雙組分纖維稀鬆織物被層疊在一起，使得精細纖維被夾在雙組分纖維稀鬆織物層之間，如圖13所示。然後，複合過濾介質試驗樣品在爐中約250° F被加熱約5分鐘。對樣品的效率和集塵能力進行測試，並且使樣品的試驗結果與市場上可得到的其它可比過濾介質相比較。用於MFP集塵測試的測試協議是IS0規格的精細測試粉(ISOFine test dust),濃度為140mg/m3,樣品尺寸為IOOcm2,面速度10cm/s。用於MFP效率測試的測試協議是IS0規格的精細測試粉，濃度為70mg/m3，樣品尺寸為100cm2，面速度20cm/s。圖17-19示出了複合試驗樣品與通過Lydall Inc得到的兩種可比過濾介質(Lydall MERV14Grade SC8100和Lydall MERV IlGrade SC8110。)相比得到的效率和集塵試驗結果。如圖17所示，在效率測試方面，複合介質試驗樣品(CLC介質)與Lydall SC8110相比效率較高並且非常接近於Lydal I SC8100。但是在集塵測試方面，在如圖18和19所示的整個測試周期內，複合介質試驗樣品(CLC介質樣品I和CLC介質樣品2)要好很多，同時呈現較低的壓降。在此引用的所有參考物，包括公布、專利申請及專利通過引用包含於此，該引用的程度如同每個參考物單獨地且具體地指示為通過引用包含於此並在此以它的整體進行闡述。在描述本發明的上下文中(尤其是在下面的權利要求的上下文中)，術語「一個」、「一」、「該」及類似詞語的使用將解釋為包括單數和複數，除非在此另外指示或通過上下文清楚地否定。術語「包括」、「具有」、「包含」及「含有」將解釋為開放式術語(即，意思是「包含，但不限於」)，除非另外註明。此處的值的範圍的引用僅僅意在用作單獨地指示落入該範圍內的每個單獨值的一種簡略方法，除非在此另外指示，且每個單獨值結合到說明書中，如同它在此單獨地引用。在此描述的所有方法可以以任何合適的順序執行，除非在此另外指示或通過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語言(如，「例如」)僅僅意在更好地描述本發明，並不對本發明的範圍構成限制，除非另外聲明。在說明書中沒有語言應該解釋為指示任何未聲明的元件對於實施本發明來說是必不可少的。在此描述了本發明的優選實施例，包括對於發明人已知的用於實施本發明的最佳方式。這些優選實施例的改變對於本領域的普通技術人員在閱讀前面的描述時可變得顯而易見。發明人期望熟練的技工合適地使用這樣的改變，發明人意在使本發明另外地實施，除 了如在此具體地描述的之外。因此，本發明包括在附加於此的權利要求中引用的主題的所有變型和等同物，這是由適用的法律允許的。此外，在上述元件的所有可能的變化中，上述元件的任意結合由本發明包括，除非在此另外指示或通過上下文另外清楚地否定。
權利要求
1.一種製造過濾介質的方法，包括 在具有第一厚度的襯底的表面上沉積精細纖維，所述精細纖維的平均直徑小於I微米；以及 使承載著精細纖維的襯底膨脹到大於第一厚度的第二厚度。
2.如權利要求I所述的方法，還包括形成所述襯底，其中，具有低熔點聚合物組分和高熔點聚合物組分的多組分纖維被壓縮而形成具有所述第一厚度的襯底。
3.如權利要求2所述的方法，其中，沉積精細纖維包括電紡所述精細纖維和直接在所 述襯底的表面上沉積所述精細纖維，所述精細纖維中的一些被附著到靠近所述襯底的表面的一些所述多組分纖維上。
4.如權利要求3所述的方法，其中，電紡所述精細纖維包括在所述襯底的表面上沉積所述精細纖維以獲得約O. 012克/平方米和O. 025克/平方米之間的精細纖維覆蓋度。
5.如權利要求3所述的方法，其中，膨脹包括加熱所述過濾介質，所述襯底的多組分纖維鬆弛並且重新定向，從而使所述襯底膨脹到所述第二厚度並且形成波狀表面；其中，在所述精細纖維隨承載所述精細纖維的多組分纖維一起移動時所述精細纖維被伸展，所述精細纖維被與所述波狀表面的多組分纖維一起整合成3維基體。
6.如權利要求5所述的方法，其中，加熱包括將所述過濾介質加熱到大約低熔點聚合物組分的熔化溫度，所述低熔點聚合物組分熔化或軟化，一些所述精細纖維被嵌到熔化的或軟化的低熔點聚合物組分內。
7.如權利要求I所述的方法，其中，膨脹後，所述第二厚度至少是所述第一厚度的I.5倍。
8.如權利要求I所述的方法，其中，膨脹後，所述第二厚度至少是所述第一厚度的雙倍。
9.如權利要求I所述的方法，還包括層疊過濾層，使得精細纖維被夾在襯底介質和過濾層之間，包括所述襯底介質、精細纖維和所述過濾層的所述過濾介質被加熱，所述襯底和過濾層膨脹並且所述精細纖維被伸展。
10.如權利要求I所述的方法，還包括層疊多層承載著精細纖維的襯底以及過濾層，使得每層精細纖維被夾在襯底之間或襯底和過濾層之間；層疊的層被加熱，並且襯底和過濾層膨脹，精細纖維被伸展並且被整合到襯底的波狀表面內。
11.一種過濾介質，包括 平均纖維直徑大於I微米的第一纖維形成的襯底，其承載著平均纖維直徑小於I微米的精細纖維，所述襯底具有波狀表面使得精細纖維與所述波狀表面的第一纖維一起被整合為3維基體。
12.如權利要求11所述的過濾介質，其中，所述襯底是包括多組分纖維的膨脹的稀鬆織物，所述膨脹的稀鬆織物具有第一未膨脹狀態，處於所述第一未膨脹狀態的稀鬆織物具有大致平面並且厚度小於膨脹的稀鬆織物的厚度，所述波狀表面在從所述第一未膨脹狀態膨脹到膨脹的稀鬆織物的過程中形成。
13.如權利要求12所述的過濾介質，其中，所述多組分纖維包括第一組分和第二組分，所述第一組分具有比所述第二組分高的熔化溫度；所述精細纖維經由所述第二組分附著到所述波狀表面的多組分纖維。
14.如權利要求13所述的過濾介質，其中，所述第一組分由高熔點聚酯形成並且所述第二組分由低熔點聚酯形成；所述精細纖維是電紡的聚醯胺納米纖維。
15.如權利要求12所述的過濾介質，其中，所述稀鬆織物在靠近所述第一未膨脹狀態的表面水平上或附近承載著所述精細纖維，所述第一纖維在膨脹的稀鬆織物內被重新定向，所述第一纖維承載著所述精細纖維並且與其一起伸展；與未膨脹狀態相比，所述精細纖維被整合到超過所述表面水平的膨脹的稀鬆織物內的更大深度。
16.如權利要求15所述的過濾介質，其中，與包括處於第一未膨脹狀態的稀鬆織物的過濾介質相比，包括膨脹的稀鬆織物的過濾介質具有更高的集塵能力和更慢的壓降增加。
17.如權利要求11所述的過濾介質，還包括稀鬆織物，其中所述精細纖維被層疊在所述襯底和所述稀鬆織物之間。
18.如權利要求11所述的過濾介質,其中，所述過濾介質包括多層承載精細纖維的襯底；並且還包括稀鬆織物；每層精細纖維被夾在襯底層之間或襯底和稀鬆織物之間。
19.如權利要求18所述的過濾介質，其中，每層襯底由包括多組分纖維的多組分稀鬆織物形成，所述多組分纖維包括高熔點組分和低熔點組分；所述精細纖維由電紡的聚合物納米纖維形成；所述電紡的聚合物納米纖維和所述高熔點組分具有比所述低熔點組分高的熔化溫度；所述多組分稀鬆織物通過加熱而從未膨脹狀態膨脹；所述低熔點組分在加熱期間熔化或軟化並且與所述精細纖維結合；所述精細纖維隨著所述多組分稀鬆織物的膨脹而被伸展。
20.如權利要求10所述的過濾介質，其中，所述襯底由多組分纖維稀鬆織物形成，其平均纖維直徑在約I和40微米之間並且基本重量在約O. 5和15盎司/平方碼之間；所述精細纖維的平均纖維直徑在約O. 01和O. 5微米之間；並且，每層精細纖維具有在約O. 012克/平方米和O. 025克/平方米之間的精細纖維覆蓋度；所述過濾介質的弗雷澤空氣滲透率在約100和200CFM之間，並且MFP集塵重量約400-600毫克/100平方釐米，最終壓降約I. 5英寸水柱。
全文摘要
一種複合過濾介質包括承載著精細纖維的膨脹的襯底介質，其中精細纖維隨著襯底介質的膨脹而被伸展，從而提高了集塵能力並且減慢了壓降增加。
文檔編號B01D69/10GK102946979SQ201180021116
公開日2013年2月27日 申請日期2011年2月24日 優先權日2010年2月26日
發明者T·B·格林, L·李 申請人:克拉考公司