用于过滤气流中的颗粒物的过滤介质

发明领域

本发明涉及用于过滤气流中的颗粒物的空气过滤介质。

相关领域描述

通常用于以小于99.97％的效率过滤0.3微米颗粒的HVAC空气 过滤器中的过滤介质基于玻璃、纤维素或聚合物。自从美国采暖、 制冷与空调工程师协会出台在此类应用中的过滤介质的性能标准以 来，通常将用该性能范围的介质制成的过滤器称作“ASHRAE过滤 器”。基于聚合物的过滤介质通常为纺粘或熔喷非织造织物，相对于 通过湿法成网造纸法制备的玻璃或纤维素介质，所述非织造织物的 静电性通常得到增强，以在较小压降产生更高的过滤效率。

目前，静电性得到增强的空气过滤介质和通过湿法成网法制备 的介质，更具体为使用玻璃纤维的介质，还有局限性。如美国专利 4,874,659和4,178,157所述，经静电处理的熔喷过滤介质起初表现 良好，但随着介质开始俘获颗粒同时静电由此被绝缘，该过滤介质 很快会在使用过程中因粉尘负载而失去其过滤效果。此外，因为基 于静电而产生颗粒的有效俘获，该过滤器的性能受导致电荷耗散的 空气湿度的影响通常很大。

使用微晶玻璃纤维和包含微晶玻璃纤维的共混物的过滤介质通 常包含以织造或非织造结构排列的小直径玻璃纤维，并能抗化学品 侵蚀，且多孔性相对较低。以下美国专利公开了这类玻璃纤维介质： Smith等的美国专利2,797,163、Waggoner的美国专利3,228,825、 Raczek的美国专利3,240,663、Young等的美国专利3,249,491、 Bodendorf等的美国专利3,253,978、Adams的美国专利3,375,155和 Pews等的美国专利3,882,135。微晶玻璃纤维和含有微晶玻璃纤维的 共混物通常相对较脆，且在成褶时可能破碎，进而产生不必要的产 率损失。破碎的微晶玻璃纤维也可能通过包含微晶玻璃纤维的过滤 器释放到空气中，如果所述微晶玻璃被吸入，其会造成潜在的健康 危胁。

希望提供一种达到ASHRAE标准空气过滤的装置，并避免上述 已知过滤介质的局限性。

发明概述

在第一个实施方案中，本发明涉及一种过滤介质，所述过滤介 质包括至少一层直径小于约1000纳米的连续聚合物纤维的纳米纤维 层，各纳米纤维层的基重为至少约2.5g/m2，以及至少一层稀纱布层， 其中当过滤表面速度为5.33cm/秒的气流中的平均直径为0.3μm的 颗粒时，所述介质的过滤效率为至少约20％，同时Handle-o-meter 刚性为至少约45g。

本发明的第二个实施方案涉及一种过滤气流中的颗粒物的方 法，所述方法包括使包含颗粒物的气流通过包括至少一层连续聚合 物纤维的纳米纤维层和至少一层稀纱布层的过滤介质，其中纳米纤 维层的连续聚合物纤维的直径小于约1000纳米，其中各纳米纤维层 的基重为至少约2.5g/m2，厚度小于约100μm，其中所述过滤介质 的Handle-o-meter刚性为至少约45g，并过滤以5.33cm/秒表面速度 移动的气流中高达约99.97％的平均直径为0.3μm的颗粒。

本发明的另一个实施方案涉及一种形成过滤介质的方法，所述 方法包括在移动的收集带上提供至少一层Handle-o-meter刚性为至 少约10g的稀纱布层，以及在稀纱布层上沉积纳米纤维以形成基重 为至少约2.5g/m2的单纳米纤维层，从而形成Handle-o-meter刚性为 至少约10g和压降小于约30mm水柱的过滤介质。

定义

术语“纳米纤维”指直径为小于1,000纳米的纤维。

术语“过滤介质”或“介质”指材料或材料组合，当带有颗粒的流 体通过所述材料时，颗粒物同时并至少暂时沉积在所述介质中或其 表面。

术语“ASHRAE过滤器”指适用于加热、通风和空调系统用于过 滤空气中的颗粒的任何过滤器。

术语“SN结构”指包含纺粘层(S)和纳米纤维层(N)的多层非织造 材料。

术语“SNS结构”指包含夹在两纺粘层之间的纳米纤维层的多层 非织造材料。

附图简述

图1为现有技术中电吹制(electroblow)装置的示意图，该装置用 于形成适用于本发明的纳米纤维。

发明详述

本发明涉及包括至少一层纳米纤维层和至少一层稀纱布层的过 滤介质。所述纳米纤维层在过滤介质层中包含基本连续的有机聚合 物纳米纤维，所述纳米纤维的直径小于约1μm或1000nm。这类过 滤介质可用于过滤应用以从流体流中去除颗粒物，尤其是从气流例 如空气中去除颗粒物。

适用于空气过滤应用(包括ASHRAE过滤和交通工具舱空气过 滤)的过滤介质可通过以下方法制备：使一层或多层纳米纤维层(S)与 稀纱布层成层形成SNx结构，或者将一层或多层纳米纤维层夹在两 层稀纱布层之间从而形成SNxS结构，其中x至少为1。各纳米纤维 层的基重为至少约2.5g/m2，纳米纤维层的总基重为约25g/m2。此 外，过滤介质可包括其他层，例如一层或多层熔喷层(M)。

在本发明介质中，纳米纤维层的厚度小于约100μm；最好纳米 纤维层的厚度大于5μm且小于100μm。纳米纤维层的厚度可随纳 米纤维聚合物的密度变动。如果增加纳米纤维层的固体体积分数， 例如通过压延或通过在高真空收集纳米纤维层，可降低纳米纤维层 的厚度但不会实质上降低效率或其他过滤器性能。在层厚度恒定的 情况下，提高厚实度会降低孔大小并提高颗粒贮量。

本发明的纳米纤维层可依据公布的美国专利申请2004/0116028 A1(通过引用将其结合到本文)公开的阻隔纤维网(barrier web)制备。

纳米纤维层由直径小于1000nm的基本连续聚合物纤维制成， 有利地为约100nm-约700nm，或者更有利地为约300nm-约650 nm。纳米纤维层的连续聚合物纤维可通过能制备该直径大小的连续 纤维的任何方法形成，包括静电纺或电吹制。PCT专利公开号WO 03/080905A(对应于2002年11月20日提交的美国序列号 10/477,882)(通过引用将其结合到本文)公开了通过电吹制形成纳米纤 维的方法。WO 03/080905A公开了用于制备纳米纤维网的装置和方 法，所述装置基本如图1所示。所述方法包括将包含聚合物和溶剂 的聚合物溶液料流自储液槽100进料至施加高压的喷丝头102内的 一系列纺喷嘴104，聚合物溶液自喷嘴104流出。同时，自位于喷 丝嘴104侧面或周围的空气喷嘴106释放任选在空气加热器108中 加热的压缩空气。通常引导空气向下作为吹入气流，所述吹入气流 包围并推动刚流出的聚合物溶液，同时有助于形成纤维网，将所述 纤维网收集在真空室114(自鼓风机112的进口抽真空)上方的接地多 孔收集带110上。

本发明的过滤介质可通过以下方法制备：将纳米纤维层粘着层 压至载体层(本文也称为“稀纱布”)，或者通过将稀纱布层置于上述方 法中的收集带110上而在载体或稀纱布层上直接形成纳米纤维层从 而形成SN结构，其中纳米纤维层通过机械缠结与稀纱布层粘着。 本发明介质可通过以下方法制备：单次通过形成纳米纤维层，或者 利用多次通过累积所需厚度或基重的纳米纤维层，例如电吹制法。 电吹制法得到的纳米纤维层具有用于通过单次通过形成空气过滤介 质的适合的基重，因为其流量较先前已知的纳米纤维制备中的流量 更大。可利用至少5m/分钟的收集带速度形成纳米纤维层，最好为 至少10m/分钟。电吹制法中用于形成纳米纤维的聚合物溶液流量为 至少约1cm3/分钟/喷丝孔，最好为至少约2cm3/分钟/孔。因此，通 过配置喷丝头使其沿喷丝头的长度方向具有一系列喷丝嘴或孔，并 通过各喷嘴或孔以高流速输送聚合物溶液，从而可单次通过在稀纱 布层上形成基重较迄今已知的纳米纤维层更大的纳米纤维层。取决 于聚合物溶液流速和收集带速度，可单次通过形成基重为约2.5 g/m2，甚至高达25g/m2的单纳米纤维层。在形成含纳米纤维的过滤 介质的传统方法中，在稀纱布上形成合适基重的纳米纤维层需要使 所述稀纱布重复通过纳米纤维形成工序以累积到仅1g/m2的基重。 依据本发明，单次通过形成纳米纤维层，需要更少加工处理，从而 降低使最终过滤介质产生缺陷的机会。与先前已知的方法相比较， 聚合物溶液流量更高的电吹制法在纳米纤维制备中提供了一种更经 济的方法。当然，本领域熟练技术人员应当认识到：在某些情况下， 为累积总基重为约25g/m2的纳米纤维层，可能有利的是调节纺丝条 件以在多次通过中沉积至少约2.5g/m2的多个纳米纤维层。纺丝条 件的变动改变纳米纤维的铺层速率，并因此改变单纳米纤维层的基 重，这种改变可通过改变收集带速度、聚合物溶液流速、甚至溶液 中的聚合物浓度实现。

过滤介质层由有机聚合物材料制备。有利的是，稀纱布层为纺 粘非织造层，但稀纱布层可为梳理非织造纤维网等。所述稀纱布层 需要足够的刚性以保持褶皱和死褶。如下述Handle-o-meter所测， 最好单稀纱布层的刚性为至少10g。可通过使用包含粗短纤维的丙 烯酸粘合的梳理或湿法成网稀纱布获得尤其高的刚性。也可使用纺 粘非织造织物。本发明的过滤介质的总Handle-o-meter刚性为至少45 g。有利的是，过滤介质具有SNS结构，其中至少两层稀纱布层对 刚性作出贡献。

可将本发明介质制成任何所需过滤器形式，例如筒状、平盘、 罐、板、袋和囊。在这些结构中，所述介质可充分打褶、辊压或或 以其他方式固定在支持结构上。本发明过滤介质可实际上以任何传 统结构使用，包括平板过滤器、椭圆过滤器、筒式过滤器、旋绕过 滤器结构，并可以有褶、Z-过滤器、V-堤岸状或涉及使介质成形为 有用形状或外形的其他几何形状形式使用。有利的几何形状包括有 褶和筒式式样。一般优选该圆柱式样，因为其使用传统过滤器制备 方法，制备相对较简单，同时保养相对容易。打褶介质提高了给定 体积内的介质表面积。一般而言，该介质定位的主要参数为：皱褶 深度；皱褶密度(通常以沿有褶介质圆柱的内径的皱褶数目/英寸衡 量)；和圆柱长度或皱褶长度。一般而言，选择过滤介质皱褶、皱褶 长度和皱褶密度的主要因素为任何给定应用或情形所需的总表面 积，尤其是对于阻隔装置(barrier arrangement)。该原理通常适用于本 发明介质，优选适用于类似的阻隔型装置。

本发明过滤介质可用于自流体流去除各种颗粒物。颗粒物可包 括有机和无机污染物。有机污染物可包括颗粒状天然物质、有机化 合物、聚合物颗粒、食品残渣和其他物质。无机残渣可包括灰尘、 金属颗粒、灰、烟、雾和其他物质。

有利的是过滤介质的初始压降(本文也称为“压降”或“压差”)小于 约30mm水柱，更有利的是小于约24mm水柱。因为颗粒阻塞过滤 器，所以过滤器的压降随使用时间增加而增加。假设其他变量保持 恒定，则过滤器的压降越高，过滤器的使用寿命越短。当达到选定 的过滤器压降限额时，通常认为需要更换过滤器。压降限额随所述 应用而变动。由于该压力的累积为灰尘(或颗粒)负载的结果，对于效 率相同的系统，更长的使用寿命通常与更高的负载能力直接相关。 效率为介质俘获而非通过颗粒的倾向。一般而言，假定其他变量保 持恒定，过滤介质去除气流中的颗粒的效率越高，过滤介质接近“使 用寿命”压差就越快。本发明过滤介质的效率为至少约20％，这意味 着所述介质能过滤出至少约20％表面速度为5.33cm/秒的气流中直径 为0.3μm的颗粒。当用于ASHRAE过滤器时，有利的是，本发明 介质能过滤出至少约30％且最高达约99.97％表面速度为5.33cm/秒 的气流中的直径为0.3μm的颗粒。

假定其他变量保持恒定，过滤介质的空气渗透率越高，压降越 小，过滤器的使用寿命就越长。有利的是，本发明过滤介质的Frazier 空气渗透率为至少约0.91m3/分钟/m2，通常高达约48m3/分钟/m2。

有利的是本发明过滤介质基本电中性，因此，相对于上述美国 专利4,874,659和4,178,157公开的将其性能归功于与其相关的电荷 的过滤器，其受空气湿度的影响要小得多。“基本电中性”指介质未 携带可检测到的电荷。

测试方法

过滤效果

通过购自TSI Incorporated(St Paul，Minnesota)的3160型分级效 率过滤器测试仪测定过滤效果。使所需颗粒大小的气溶胶颗粒进入 测试仪的软设备(software)中，并设定所需过滤流速。使用32.4升/分 钟的体积气流速度和5.33cm/秒的表面速度。自动连续进行测试直 至用各选定颗粒大小对过滤器的测试。然后针对各颗粒大小打印包 含过滤器效率和压降数据的报告。

压降

通过购自TSI Incorporated(St Paul，Minnesota)的3160型分级效 率过滤器测试仪测定压降。测试条件如过滤效率的测试方法部分所 述。压降的单位为mm水柱。

基重

通过ASTM D 3776(通过引用将其结合到本文)测定基重，单位 为g/m2。

厚度

通过ASTM D 177-64(通过引用将其结合到本文)测定厚度，单 位为微米。

纤维直径

如下测定纤维直径。对取自各纳米纤维层的样品照十张5,000X 的扫描电子显微镜(SEM)照片。从所述照片测得11个清晰可辨的纳 米纤维的直径，并予以记录。不包括缺陷(例如纳米纤维块、聚合物 滴、相交的纳米纤维)。计算各样品的平均纤维直径。

刚度

利用Thwing Albert Instrument Co.(Philadelphia，Pennsylvania)制 造的“Handle-o-meter”仪器测得刚性。当将材料样品压入平行边缘的 槽时，Handle-o-meter测得探针遭受的阻力，单位为克。其是所述材 料刚性的示值，并与材料的柔软性反相关。测定材料纵向和横向(与 纵向交叉方向)的刚性。

Frazier渗透率

Frazier渗透率为多孔材料空气渗透率的度量，单位为ft3/分钟 /ft2。其测量差压为0.5英寸(12.7mm)水柱时通过所述材料的气流的 体积。在真空系统中装有通气孔以限制可测量的气流过所述样品。 通气孔的大小取决于材料的多孔性。利用带校准孔的Sherman W. Frazier Co.双压力计以ft3/分钟/ft2为单位测得Frazier渗透率，并将其 转换为m3/分钟/m2。

实施例

实施例1

通过电吹制密度为1.14g/cc的尼龙6，6聚合物(购自E.I.du Pont de Nemours and Company，Wilmington，Delaware)的24％重量甲酸(纯 度99％)(购自Kemira Oyj，Helsinki，Finland)溶液制备纳米纤维层。如 PCT专利公开No.WO 03/080905所述，将聚合物和溶剂加入溶液混 合槽，将所述溶液转移至贮液器，通过齿轮泵计量并泵入具有喷丝 嘴的电吹制喷丝头组件中。所述喷丝头组件宽0.75米，并具有76 个喷丝嘴。喷丝头组件的温度为室温，喷丝嘴中的溶液压力为10巴。 所述喷丝头电绝缘，并施加75kV电压。通过空气喷嘴以7.5m3/分 钟的速度和660mm水柱压力将44℃的压缩空气注入喷丝头组件。 在大气压、相对湿度65-70％和29℃下，溶液离开喷丝嘴进入空气中。 纳米纤维形成过程中聚合物溶液的流量为约2cm3/分钟/孔。将成形 纤维铺网在喷丝头组件出口310mm下的以5-12m/分钟移动的多孔 带上的多孔稀纱布上。带下方抽至100-170mm水柱真空的真空室有 助于所述纤维的铺网。将购自Kolon Industries(S.Korea)的40g/m2基 重的纺粘非织造材料用作稀纱布。所述稀纱布的纵向刚性为35g， 横向刚性为55g。

利用3160型TSI测试器以各种颗粒大小对所得SN结构的过滤 效率进行测试，所得结果见表1。以下数据仅报导了对0.3微米颗粒 的过滤效率。

实施例2

如实施例1所述制备SN结构，只是纳米纤维层的基重更大。

以各种颗粒大小对所得结构的过滤效率进行测试，所得结果见 表1。

表1

  实施例   纳米纤维直径   (nm)*   纳米纤维基重   (g/m2)   效率(％)   压降   (mm水柱)  Frazier空气渗透率  (m3/m2/分钟)   1   341/387   3   69.9   3.7   37   2   374/362   5   85   6.4   22

*第一次测定结果/第二次测定结果

实施例3

手工形成具有SNS结构的过滤介质，所述介质由夹在两纺粘层 之间的基重为约3g/m2的纳米纤维层组成，各纺粘层的基重为约21 g/m2，纺粘层由具有聚乙烯(PE)皮和聚(对苯二甲酸乙二醇酯)(PET) 芯的双组分皮-芯纤维制备。所述纳米纤维的平均直径为约651nm。 所述纳米纤维为尼龙。表2列出了过滤介质的Frazier空气渗透率、 压降和效率。

实施例4-10

如实施例3形成过滤介质，只是实施例4-10的介质具有多个夹 在两纺粘层(S)之间的纳米纤维层(N)和熔喷层(M)。所述熔喷层由并 行的并列型PET-PE双组分纤维制备，各熔喷层的基重为约17g/m2。 表2列出了各介质的结构、纳米纤维层的基重、过滤介质的基重、 过滤介质的Frazier空气渗透率、压降和效率。

实施例11-15

通过将尼龙6纳米纤维层电吹制至纺粘非织造载体上形成过滤 介质。所述纳米纤维的平均直径为约300-400nm。表2列出了形成 所述纳米纤维层的通过次数、纳米纤维层的基重、介质的Frazier空 气渗透率、压降和过滤效率。

实施例16-17

通过将尼龙6,6纳米纤维层电吹制至稀纱布上形成过滤介质。 实施例16-17的介质具有SN结构，包括使稀纱布层多次通过电吹制 工艺。所述稀纱布为购自HDK Industries，Inc.、基重为约62g/m2的 双层结构，所述双层结构包括随后热粘合在一起的梳理尼龙层和梳 理聚酯层。所述纳米纤维的平均直径为约300-400nm。表2列出了 形成所述纳米纤维层的通过次数、纳米纤维层的基重、过滤介质的 基重、Frazier空气渗透率、压降和过滤效率。

实施例18

在生成弹性纳米纤维层的低真空转子压力(pinning pressure)的电 吹制工艺中，通过将尼龙6,6纳米纤维单层电吹制至移动的收集带 上形成过滤介质。所述介质具有基重为约20g/m2、单次通过电吹制 工艺形成的纳米纤维层。所述纳米纤维的平均直径为约300-400nm。 表2列出了过滤介质的Frazier空气渗透率、压降和过滤效率。

表2

  实施例   介质结构   纳米纤维基重   (g/m2)   介质基重   (g/m2)   Frazier   空气渗透率   (m3/m2/min)   压降   (mm水柱)   效率(％)   3   SNS   3.05   45.7   10.8   3.94   62.76   4   SMNNS   6.1   65.7   4.58   8.17   89.07   5   SMNNNS   9.2   68.8   3.41   11.1   94.03   6   SMNNNNS   12.2   71.8   2.87   14.9   97.53   7   SMMNNS   6.1   82.7   3.57   11.6   92.48   8   SMMNNNS   9.2   85.7   2.86   15.0   97.22   9   SMMNNNNS   12.2   88.8   2.51   17.7   98.14   10   SMMNNNNS-   SMMNNNNS   24.4   178   1.21   35.7   99.93   11   SN   (1次通过)   5   14.6   3.30   64.50   12   SNN   (2次通过)   10   7.31   6.82   87.14   13   SNNN   (3次通过)   15   4.57   10.2   91.94   14   SNNNN   (4次通过)   20   3.35   14.0   96.00   15   SNNNNN   (5次通过)   25   3.35   16.2   96.99   16   SNNNN   17.0   79.4   2.74   16.2   99.13   17   SN   3.63   66.0   4.57   10.6   95.50   18   N (1次通过)   20   n/a   3.57   10.2   96.40

对比实施例19-26

手工形成具有SNS结构的过滤介质，所述尼龙纳米纤维层的基 重为约0.3-0.5g/m2，并夹在两稀纱布层之间，各稀纱布层的基重为 约17g/m2。在对比实施例19-20中，稀纱布层两面均为纺粘PET。 在对比实施例21-22中，稀纱布层一面为纺粘PET，另一面为纺粘 尼龙(购自Cerex Advanced Fabrics)。在对比实施例23-24中，稀纱布 层一面为纺粘PET，另一面为包括随后热粘合在一起的梳理尼龙层 和梳理聚酯层的双层结构(购自HDK Industries，Inc.)。在对比实施 例25-26中，稀纱布层两面均为包括随后热粘合在一起的梳理尼龙 层和梳理聚酯层的双层结构(购自HDK Industries，Inc.)。表3列出 了纳米纤维层的基重、纳米纤维的平均直径、介质的Frazier空气渗 透率、压降和过滤效率。

表3

  对比   实施例   纳米纤维   基重(g/m2)   纳米纤维   直径(m)   介质基重   (g/m2)   Frazier空气渗   透率   (m3/m2/分钟)   压降   (mm水柱)   效率(％)   19   0.3   917   17.66   199   1.58   15.05   20   0.5   20.16   90.8   2.30   28.35   21   0.3   947   16.5   173   1.58   14.20   22   0.5   956   16.5   77.1   2.70   23.28   23   0.3   852   19.5   178   1.57   8.61   24   0.5   930   19.0   86.2   2.33   18.41   25   0.4   1275   36.0   109   1.38   10.63   26   0.3   206   1.25   8.60

发明背景