CN1318121C - 具有两层或多层细纤维的寿命长的过滤结构 - Google Patents

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Abstract

使用纤维直径约为0.0001-0.5微米的细纤维已经成为过滤介质的重要措施。已经制得具有通常在其介质结构的上游面即吸入面上形成的细纤维层的普通过滤介质。所述细纤维通过捕获小微粒提高所述结构的总微粒过滤效率来提高其过滤效率。已经研制了改进的细纤维结构，是在所述介质的两面上均设置受控量的细纤维，提高过滤效率，并大大提高其使用寿命。

Description

具有两层或多层细纤维的寿命长的过滤结构
本申请是美国公司及居民Donaldson Company，Inc.于2001年8月21日提交的PCT国际专利申请，该申请选定除美国外所有的国家，并要求提交于2000年9月5日的美国专利No.60/230,138和提交于2001年5月31日的美国专利No.09/871,156的优先权。
发明领域
本公开涉及独特的用来过滤流体(包括气体或液体流)的过滤结构。具体地说，本公开揭示了独特的能为过滤结构提供充分长使用寿命、同时保持或提高其过滤效率的过滤装置。这种过滤器通常包括细纤维、能和各种支撑物结合使用的多孔基底层、外壳、硬件和过滤结构中的其它部件。流体经过所述过滤器，除去不需要的物质，如微粒物质。当流体经过过滤器时，可以除去运动流体中呈液体、固体及其混合物形式的微粒。
发明背景
在过滤技术的实践中，流体通常流经过滤结构，目的是除去流体中的微粒。在过滤器使用期限内任何过滤部件都能除去流体中微粒的某些部分。过滤器的效率通常定义为过滤器除去运动流体相中所含微粒的比例。过滤器使用寿命通常为保持过滤器压力降在某一预定水平来使过滤器操作参数和操作设备合格的时间。过滤器必须获得足够的除去效率，同时保持足够低的压力降来获得有用的性能。高的压力降是使用过滤器的设备操作效率差的特点。
如在许多技术中确实存在的，在成功技术的任何实施方式中会出现相当程度的折衷。往往当效率升高时，压力降也升高，而且使用寿命往往大大缩短。由于尚未充分搞清楚的原因，任何过滤器的压力降在操作过程中会大大升高。含有薄雾或烟雾，无机气溶胶，由油、脂肪、烃(carbon)或其它来源形成的有机气溶胶，或者混合水性无机有机气溶胶的过滤流体会降低过滤器的有效使用寿命。高效细纤维层紧密互锁的本性能使细纤维层的压力降显著升高，而当和含微粒的流体接触时会迅速大大地升高。虽然这些过滤器在开始操作时性能优良，但是在过滤器使用寿命中并不高效往往是个问题。所述过滤器虽足于应付所分派的任务，但是一定时间后必须进行更换。鉴于这种结构压力降升高的迅速程度，即会充分降低其使用寿命，需要改进这种过滤器。
如在任何技术应用中常见的，提高过滤器效率和使用寿命是过滤器厂家长期追求的目标。因此，在过滤技术和结构的技术领域中，确实需要提高过滤器使用寿命，同时保持或提高过滤效率。
发明概述
我们已经发现可以使用在介质基底或结构中具有一层或多层受控量细纤维的过滤介质，来获得充分改进的过滤介质、过滤结构和过滤方法。通过形成一层或多层少量的纤维，可以保持或提高过滤效率，同时提高其使用寿命。在一优选的实施方式中，将第一层细纤维设置在所述基底的上游表面上，然后，形成第二层细纤维层在基质的下游表面上。所述上游层和下游层的效率可以有意选择为不同。所述下游层的效率可以大于所述上游层。设置这两层使过滤流体流经这两层。介质可以形成各种过滤结构几何构型和形式的过滤结构。双面细纤维层能保持或提高过滤效率，同时充分提高过滤器的使用寿命。我们惊奇地发现在过滤结构中将一单位重量导致效率低于90％的细纤维设置在基底一面的第一层中，结合以一层或多层第二层，可以获得总效率高于90％且具有长期使用寿命的过滤器。我们发现，将一单位重量导致效率约为50-90％的细纤维设置在任意一层中可以提供这些独特的优点，更好是将一单位重量导致效率为65-85％的细纤维设置在基底上。
我们认为，细纤维达到充分高的压力降的机理是由“膜覆”现象引起的。当过滤的微粒物质和细纤维相互作用并截留在细纤维的网或者织物中时，这种微粒，尤其是当它们是低挥发性液体时，会形成完全填充细纤维网中开孔或空隙的液膜。当纤维网中的区域充满流体时，过滤器的压力降会迅速升高。这种膜覆性质也可归因于微粒和细纤维之间的相互作用，但可仅归因于填充纤维织物内未占用的间隙而导致压力升高。在下游面上具有一层其效率大于上游面3％以上，宜5％以上的纤维层，可以提高总效率，但不会降低其使用寿命，这是因为所述上游层和基底除去所含的微粒，并降低下游细纤维层阻塞的趋势。
本发明涉及呈细纤维如微米纤维和纳米纤维状、它们用在改进的独特过滤结构中，为纤维织物或纤维垫形式的聚合组合物。本发明的聚合物材料是具有在独特过滤结构中提供改进的效率和使用寿命的物理性质的组合物。本发明的聚合物材料是具有使各种物理形状和形式的聚合物材料在过滤结构中能在使用中经受湿气、热量、气流、化学物质和机械应力或冲击等不利作用并保持高效过滤效率的物理性能的组合物。
在一般用途中，细纤维设置于基底上，此细纤维层含有直径约为0.0001-5微米、宜约为0.0001-0.5微米、最好约为0.001-0.3微米的细纤维，形成在层厚约小于5微米、宜约为0.1-3微米、通常约为0.5-2微米的薄层中。各细纤维层含有以随意方向互锁的纤维网，使纤维网具有相当宽的孔径分布。对本专利申请来说，术语“孔隙”是指在整个细纤维层的纤维网中由2条或多条细纤维外表面形成的通道或开孔。所述孔隙可由各种或者大量纤维的交错而形成，产生或形成其大小能有效截留微粒物质的开孔。虽然任何细纤维层能具有各种大小的开孔，但为了有效的过滤，本发明细纤维层应具有很大数目孔径很小，即约为0.001-5微米，但常约为0.5-3微米。在本发明的结构中，孔隙生成时宜有孔径小于3微米、往往是小于1微米的开孔，其形式为互锁的网中开孔的主尺寸小于从流经过滤器的流体中除去的微粒直径。我们发现，通过降低基底两个相背面上的细纤维覆盖率，可以使细纤维层压力降升高或发生膜覆现象的趋势最小。降低设置在基底两面上细纤维的量，可以显著降低细纤维层具有因使用液体物质进行过滤操作而容易封闭小孔隙的趋势。我们认为，这种降低是由于纤维层结构中有较大孔径的缘故，但是压力降升高趋势的减小也可归因于纤维层表面积的减小。换句话说，例如，可以将在基底一面具有一层平均效率约为90％的细纤维层的过滤结构改成具有两块效率低于80％的纤维层的过滤结构，来制造改进的过滤结构。虽然所述第一单层过滤结构允许约10％的微粒通过过滤层(90％效率)，但是单一高效层其压力降升高迅速的趋势较高。形成两层效率(例如)约为75％的过滤层，可以获得总效率约为87.5％的过滤器，且由于减少了细纤维层中纤维的量，可以充分减小压力降升高的趋势。
在平坦介质两个相背两面上结合以两层效率较低的细纤维层，可在整个层叠结构上提供充分高的效率。令人惊奇的是，在平坦介质的相背两面上结合两层细纤维层，由于降低了阻塞或覆膜的趋势而呈现长的使用寿命。将过滤的微粒分布在结构层的到处，我们认为，由于所述过滤微粒并不聚积在细纤维结构中相对狭窄的区域，在过滤器使用期限内可以减小任何不适宜的压力升高。我们认为令人惊奇的是，所述层叠结构将细纤维分布在这两层的到处，由此能充分延长过滤器的压力降保持低于最大设计压力降的时间。这种细纤维的分布状态也分布均匀。
过滤结构已经具有各种物理形式。过滤器已经设计成平板状栅栏、折叠板、圆筒形或椭圆形部件；在圆柱形滤筒内形成的部件；波纹折皱部件等。可以以各种已知的技术构造和安装这些过滤器形式。可以使用任何使过滤流体经过细纤维层两次的过滤器形式。
过滤部件或结构中的介质上可以施加细纤维，对本发明来说，术语“细纤维”表示纤维细度即直径为0.0001-5微米或更小，常为0.001-0.5微米，例如基本亚微米直径的纤维。可以使用各种方法来制造细纤维并将其施加到介质上。所有参考结合于此的美国专利No.5,423,892(Kahlbaugh等)、美国专利No.3,878,014(McLead)、美国专利No.3,676,242(Prentice)、美国专利No.3,841,953(Lohkamp等)以及美国专利No.3,849,241(Butin等)都公开了各种细纤维技术。
常规的过滤结构是在基底上施加单层细纤维，基本上完全覆盖基底。在细纤维层中常使用足够的细纤维，使所得介质结构的初始效率大于50％，宜大于80％(平均而言)，不具有效率低于30％的局部结构(效率测试是在20英尺/分钟下使用单分散0.78微米聚苯乙烯胶乳微粒的ASTM 121589)。对常规过滤器或者任何具体过滤器来说，平均效率低于约30％通常认为是不合格的，这是因为过滤器会放过运动流体中到来微粒的相当大比例。在发动机、燃气轮机或其它用途中的微粒量会让更多的微粒进入机械装置的工作部件，导致机械装置出现很大磨损或者故障。
对本专利申请来说，术语“介质”是指织造或非织造的片状基底，厚度约为0.1～5毫米，可以约为0.3-1毫米，效率约为5～80％，常为20～80％，由天然或合成纤维如纤维素、聚酯、尼龙、聚烯烃等制成。
对本专利申请来说，术语“细纤维”是指长度不定但宽度尺寸小于5微米、常小于1微米的纤维，所述纤维形成基本覆盖介质表面的薄层中随机取向的纤维网。我们在本申请中，发现一个关键的细纤维加入量。将一单位重量的细纤维设置在片状基底的相背两面上，获得效率约为15～80％的细纤维单层。优选的加入参数如下：
    量纲     范围
层厚(微米) 0.1-3
密实性％ 5-40
密度(毫克/厘米2) 0.9-1.6(1.2-1.4)
单位重量(毫克/厘米2) 4.5×10-7-0.00019
单位重量(毫克/厘米2) 0.00045-0.19
单位重量(磅/3000英尺2) 0.0028-1.2
在一个实施方式中，较小但有效加入量的细纤维是厚度为0.1-1.75、密实性为5-40％(95-60％空隙度)的纤维层。在这种情况下，单位重量为0.00045-0.11毫克/厘米2或0.0028-0.7磅/3000英尺2(磅/3000英尺2是纺织品和纸张厂家的标准单位)。
在另一实施方式中，细纤维加入量是厚度为0.75-1.25微米、密实性为15-25％(85-75％空隙度)的纤维层。在这种情况下，单位重量为0.010-0.05毫克/厘米2或0.06-0.31磅/3000英尺2。
在再一实施方式中，纤维加入量的上限是厚度为1-3微米、密实性为10-40％(90-60％空隙度)的纤维层。在这种情况下，单位重量为0.009-0.2毫克/厘米2或0.055-1.2磅/3000英尺2。
对本专利申请来说，术语“独立层”是指在具有基本上片状基底的过滤结构中，流经基底的流体必须先流经第一细纤维层和基底随后流经第二细纤维层。这些层具有各种过滤器几何构形。细纤维层理论上可以一步制成，即完全覆盖片状基底的两个表面，在基底的相背两面上完全形成两片独立的细纤维层。在大多数用途中，我们设想是在基底的一面上形成第一细纤维层，然后将基底再次经过细纤维产生步骤形成第二层。
对本专利申请来说，术语“细纤维层孔径或者细纤维网孔径”是指在细纤维层中交错纤维之间形成的空隙尺寸。
附图简要说明
图1是比较具有单面细纤维过滤层和双面细纤维过滤层的常规过滤器基底的效率所得数据的表示图。简而言之，所述数据证明在含有过滤结构的双面细纤维层中存在明显的效率提高。
图2是显示经过80天后使用本发明双面细纤维结构导致大功率涡轮喷气式燃气轮机动力系统的功率减少百分数明显降低的数据表示图。
图3证实了由于在细纤维单面过滤结构上形成矿油油膜而导致以水柱英尺数表示的压力降升高。此图证实，在其测试使用期限内，减小了效率的过滤结构其压力降很小或没有，而高效率细纤维层在很短的时间内就出现极高的压力降。使用两层效率较低的层，可以保持低压力降，同时获得综合的过滤效率。
图4是示例性过滤材料达到10英尺水柱压力降所需时间的柱状图。过滤器所使用的测试微粒是SAE细二氧化硅或者SAE细二氧化硅和矿物油的混合物。在SAE细二氧化硅和矿物油混合物的极端条件下，高效细纤维层20分钟不到就达到不合格的压力降，而效率较低的细纤维层能经受这个极端测试条件相当长时间。成鲜明对比的是，暴露于仅二氧化硅微粒的细纤维层能保持合格的压力降相当长时间。所述两层的过滤器可以保持低的压力降升高和合格的效率。
图5类似显示了当和碳黑微粒与矿物油的混合物相比较时碳黑微粒的影响。很明显，产生膜覆作用和阻塞细纤维层中孔隙的液体物质显著降低了其使用寿命(即达到很高压力降)。
图6显示本发明双面细纤维结构的侧视图。
优选实施方式的详细说明
本发明过滤结构包括具有第一面的基底和常规细纤维层相比用量较少的细纤维层。所述基底在基第二面上有量也较少的第二细纤维层。量较少的细纤维层，其效率相应较低。因此，细纤维层的效率通常低于约90％。但是结合两层细纤维层都提高了过滤结构的总效率，同时各层中量较少的纤维降低了各层压力降显著升高的趋势，并提高了过滤结构的有效寿命。两层中量较少的细纤维显著提高了纤维层的孔径，并显著增大了供流经流体介质用的内部容积。
所述细纤维可以使用常规技术通过细纤维静电抽丝来制造。
微米纤维或细纤维聚合物材料
本发明提供改进的聚合物材料。这种聚合物具有改进的物理和化学稳定性。所述聚合物细纤维是直径为0.0001-5微米、0.001-0.5微米或者0.001-0.3微米的纤维。直径5微米以下的纤维(微米纤维)或者直径0.0001-0.3微米的纤维(纳米纤维)可以制成有用的产品形式(例如，当在基底上形成时)。纳米纤维是直径小于200纳米即0.2微米的纤维。微米纤维是直径大于0.2微米但不大于10微米的纤维。这种细纤维可以制成改进的多层微过滤结构的形式。本发明的细纤维层中是随机分布的细纤维，它们可相互结合形成连锁的织物。
所述细纤维形成在基底层上。可以获得的过滤性能大多是由于基底上的细纤维阻挡层可以阻挡微粒通过。附着了细纤维的基底提供刚性、强度、折叠能力这些结构性能。所述细纤维的连锁织物络具有重要的特征：呈微米纤维或纳米纤维形式的细纤维，纤维之间较小的开孔、锐孔或者空隙。这些纤维间的空隙通常小于10微米，约为0.01-5微米，常约为0.05-3微米，宜约为0.1-2微米。
所述过滤产品含有形成于基底上的细纤维层。合成、天然来源的纤维(例如，聚酯和纤维素层)很细，适合于基底选择。细纤维对全部细纤维和基底过滤介质来说厚度增加不到1微米。使用时，过滤器可以阻止流体所夹带的微粒流经细纤维层，形成被捕获微粒的表面负载层。微粒包括灰尘或者其它难免的微粒，它们迅速在细纤维表面形成尘饼，并且能保持很高的起始和总体的微粒去除效率。即使对于粒径约为0.01-1微米的较细污染物，含细纤维的过滤介质仍具有很高的微粒捕获容量。
这里所述的聚合物材料对于热量、湿度、高流速、逆向脉冲净化、操作磨损、亚微米微粒、使用中过滤器的净化以及其它苛刻条件的不利影响，都有相当高的经久性。所述改进的微米纤维和纳米纤维性能，是形成微米纤维或纳米纤维的聚合物材料特性改进的结果。而且，使用改进聚合物材料制成的加入量合适的纤维的本发明过滤介质，有包括效率更高、流量限制更低、磨料微粒存在下的高耐久性(和应力有关或者和环境有关)以及不含疏松纤维或原纤维的光滑外表面这许多优点。此过滤材料的总体结构提供了能提高单位体积介质表面积、降低经过介质的速度、提高介质效率以及降低流量限制的总体上较薄的过滤介质。
细纤维可以由聚合物材料或者聚合物加上添加剂制得。本发明一个优选的方式就是含有第一种和第二种不同(在聚合物类型、分子量或者物理性能上不同)聚合物的聚合物混合物，在高温下经调适或者处理所述聚合物混合物可以反应形成单一的化学物质或者通过退火过程物理混合成一种混合组合物。退火意味着象结晶上、应力释放或者取向上的物理变化。优选的材料是进行化学反应形成单一的聚合物质，它经差示扫描量热法分析认为是单一的聚合物材料。当和优选的添加剂材料混合时，这种材料可以在微米纤维上形成添加剂的表面涂层，在高温、高湿度以及苛刻操作条件下能提供疏油性、疏水性或者其它相关的稳定性提高。此类材料的细纤维，其直径可以约为0.01-5微米。这种微米纤维可以具有是添加剂材料的光滑表面，或者是添加剂材料，部分溶解在聚合物表面上或在聚合物表面上合金化形成的外层，或者两种情况都有。用于混合聚合物系统中的优选材料包括尼龙6、尼龙66、尼龙610、尼龙(6-66-610)共聚物和其它线型脂肪族尼龙组合物。用端基滴定法分析了一种优选尼龙共聚物树脂(SVP-651)的分子量(J.E.Walz和Taylor，determination of themolecular weight of nylon，Anal.Chem.Vol.19，Number7，pp448-450(1947))，其数均分子量(Mn)为21,500-24,800。用三种组分尼龙，约45％尼龙6、约20％尼龙66和约25％尼龙610，的熔融温度相图来估测所述组合物(第286页，Nylon Plastic Handbook，Melvin Kohan ed.Hanser Publisher，NewYork(1995))。
SVP-651报导的物理性能：
性能 ASTM方法     单位 代表值
比重吸水性(浸没24小时)硬度熔点拉伸强度@屈服断裂伸长弯曲模量体积电阻系数 D-792D-570D-240DSCD-638D-638D-790D-257 --％肖尔D℃(_)兆帕(每平方英尺千磅)％兆帕(每平方英尺千磅)欧姆-厘米 1.082.565154(309)50(7.3)350180(26)1012
水解程度为87.0-99.9+％的聚乙烯醇可以用于这种聚合物系统中。这些系统宜通过物理方法或者化学物质进行交联。这些PVOH聚合物最好是交联的，并且和显著量的疏油性和疏水性添加剂材料混合。
本发明另一优选的方式涉及混合有添加剂组合物的单一聚合物材料，该添加剂是用来提高纤维的使用寿命或者操作性能。本发明这一方面所用的优选聚合物包括缩合聚合物和加成聚合物如尼龙、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇，尤其是当它们和强疏油性和强疏水性添加剂混合时能与添加剂在细纤维表面上的涂层中形成微米纤维或者纳米纤维的那些所述材料。而且，这些聚合物的混合物，如这些尼龙的混合物、这些聚氯乙烯的混合物、这些聚二氟亚乙烯的混合物在本发明中很有用。而且，本发明也可设想使用不同聚合物的混合物或者合金。在这方面，聚合物的相容混合物在形成本发明微米纤维材料中很有用。可以使用例如含氟表面活化剂、非离子表面活化剂、低分子量树脂(例如分子量小于3000的叔丁基苯酚树脂)的添加剂组合物。所述树脂以在没有亚甲基桥键基团存在的条件下苯酚核心之间的低聚键合为特征。羟基和叔丁基可以在环周围随机的位置。苯酚核心之间的键合通常邻近于羟基而不是随机的部位发生。类似地，所述聚合物材料可以和可溶于醇的由双酚A形成的非线型聚合树脂混合。这种材料类似于上述叔丁基苯酚，也是在不存在任何桥键基团如亚烯基或亚甲基条件下利用低聚键直接将芳香环连接到芳香环上形成的。
本发明尤其优选的材料，是直径约为0.001-10微米的微米纤维材料。优选的纤维细度为0.05-0.5微米。根据其最终用途和脉冲净化或者其他的净化类型，所述纤维可以选自0.01-2微米的纤维、0.005-5微米的纤维或者0.1-10微米的纤维。具有此优选细度的纤维可以提供优良的过滤性能，易于逆向脉冲净化的性能以及其它特性。本发明特别优选的聚合物系统具有附着特性，当和纤维质基底接触时，能以足够的强度附着在基底上，可以抵抗逆向脉冲净化技术和其它机械应力的脱层作用。在这种方式中，聚合物材料必须一直附着在基底上，同时能经受相当于除逆向以外经过过滤结构的常规过滤条件的脉冲净化作用力。当纤维和基底接触或者用热或压力对基底上的纤维进行后处理时，这种附着力来自于纤维形成的溶剂效应。但是，聚合物的特性，例如类似于氢键的特定化学相互作用、Tg以上或者以下出现的聚合物和基底之间的接触以及包含添加剂的聚合物配方，在决定附着力时起着重要的作用。在附着时用溶剂或水蒸汽增塑的聚合物可以提高其附着力。
本发明重要的一个方面是利用这种微米纤维或者纳米纤维形成过滤结构。在这种结构中，本发明的细纤维材料形成在过滤基底上并附着在过滤基底上。可以使用天然纤维和合成纤维的基底，如纺粘织物，合成纤维的非织造织物以及由纤维质、合成纤维和玻璃纤维的混合物制成的非织造织物，非织造和织造的玻璃纤维织物，挤压和冲孔的塑料网材料以及有机聚合物的UF和MF薄膜。然后将片状基底或者纤维质非织造织物形成过滤结构，将其置于包括空气流或者液流的流体中用来除去流体中悬浮或者夹带的微粒。过滤材料的形状和结构是设计工程师决定的事情。过滤部件形成之后的一个重要参数是它对热量、湿度或者两者的经久性。本发明过滤介质的一个方面，是对过滤材料能经受长时间浸没在温水中的能力的测试。浸水试验可以提供有价值的关于细纤维经受湿热环境以及过滤部件在主要含有强净化表面活性剂和强碱性材料的水溶液中经受净化的能力的信息。适宜的是，本发明细纤维材料可以经受浸没在热水中，而能保留至少50％的形成于基底表面上的细纤维作为活性过滤部件。细纤维保留至少50％，就可以保持足够的纤维效率而不损失过滤容量，也不增加背压力。最好的是至少保留75％。一般细纤维过滤层的厚度约为0.001-5微米，宜为0.01-3微米，细纤维层单位重量约为0.01-240毫克/厘米2。本发明过滤器基底上形成的细纤维层，在过滤性能和纤维分布方面均应充分地均匀。充分均匀性，我们是指纤维充分覆盖在基底上，使得全部覆盖的基底具有至少一定可测量的过滤效率。即使加到其上的纤维量差异较大，也可以获得足够的过滤效果。因此，所述细纤维层在纤维覆盖率、单位重量、层厚或者纤维加入量的其他度量方面可以不同，但仍在本发明的范围内。即使细纤维的加入量较小，也能提高整个过滤结构的效率。
流体流如空气流和气体流中，其他通常携带有微粒物质。需要除去流体中的一部分或者所有的微粒物质。例如，进入车厢的空气流、电脑磁盘驱动器中的空气，HVAC空气，洁净室中的流通空气，使用过滤袋、阻挡织物、机织材料的用途，进入车辆或发电设备用发动机的空气，进入燃气轮机的气流以及进入各种燃烧炉中的空气流，都往往包含微粒物质。当为车厢空气过滤器时，为了使乘客舒适和/或美观，应除去微粒物质。至于进入发动机、燃气轮机和燃烧炉中的空气流和气体流，要求除去微粒物质，是因为微粒会因各种相关的机理对内部工件产生实质性的损害。在其它情况下，来自工业过程或者发动机的产出气或者排出气中也含有微粒物质。在可以或者应该将这种气体排放到各种下游设备或大气之前，应充分除去这些气体流中的微粒物质。
考虑以下的过滤器类型：表面负载型介质和深度型介质，可以对空气过滤器设计中的一些基本原理和问题获得一般认识。这些介质类型已经作了深入的研究并已经被广泛地使用。例如，在U.S.专利Nos.5,082,476、5,238,474和5,364,456中，说明了和它们有关的某些原理。所述三个专利的全部内容参考结合于此。
过滤器的“使用寿命”通常根据选定的过滤器限制压力降进行定义。过滤器的压力增加将使用寿命限制在用途设计所要求的水平上。由于这种压力增加是微粒负载的结果，对相同效率的系统来说，较长的使用寿命通常和较高的容量有直接关系。效率表征着介质捕获微粒而不是让微粒通过的倾向。通常，过滤介质除去气流中微粒的效率越高，该过滤介质一般来说就越快接近“使用寿命”的压力差(假定其它变量保持恒定)。在本申请中，术语“对过滤目的来说不变”是指能保持足够的对于所选的用途来说必要的去除流体中微粒的效率。在一个实施例中，在60℃的空气和相对湿度为100％的条件下暴露16小时后保留30％以上对过滤目的来说不变的纤维。
聚合物材料已经制成非织造和机织织物、纤维和微米纤维。所述聚合物材料能提供产品稳定性所要求的物理性能。这些材料不应在尺寸上明显改变，不应降低其分子量，不应在阳光、湿气、高温或者其它负面环境影响下柔韧性变差，也不会出现应力裂缝或者出现物理性能上变差。本发明涉及在遇到电磁辐射如环境光线、热量、湿气和其它物理作用时仍能保持物理性能的改进聚合物材料。
能用于本发明聚合组合物中的聚合物材料，包括加成聚合物和缩合聚合物，如聚烯烃、聚缩醛、聚酰胺、聚酯、纤维素醚和酯、聚亚烃化硫、聚氧化芳撑(polyarylene oxide)、聚砜、改性聚砜以及它们的混合物。属于这些类别的优选材料，包括以交联和非交联形式并以各种水解程度(87-99.5％)存在的聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(和其它丙烯酸树脂)、聚苯乙烯以及它们的共聚物(包括ABA型嵌段共聚物)、聚偏二氟乙烯、聚偏二氯乙烯和聚乙烯醇。优选的加成聚合物通常是玻璃态的(Tg高于室温)。这是聚氯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯组合物或合金，或者聚偏二氟乙烯和聚乙烯醇材料结晶度低时的情况。一类聚酰胺缩合聚合物是尼龙材料。通常，尼龙术语中包括一系列数字如尼龙66，表示原料为C6二胺和C6二酸(第一个数字表示C6二胺，第二个数字表示C6二羧酸化合物)。另一种尼龙可以在少量水存在条件下由ε-己内酰胺(C6)(或其它C6-内酰胺)缩聚作用制得。这种反应形成的是线型聚酰胺的尼龙6(由称为ε-氨基己酸的环状内酰胺制得)。而且，也可以使用尼龙共聚物。共聚物可以是在反应混合物中混合各种二胺化合物、各种二酸化合物和各种环状内酰胺结构、然后形成具有在聚酰胺结构中随机定位的单体材料的尼龙。例如，尼龙6，6-6，10材料是由己二胺和C6、C10二酸混合物制成的尼龙。尼龙6-6，6-6，10是通过共聚ε-氨基己酸、己二胺和C6、C10二酸混合物材料制得的尼龙。
嵌段共聚物也能用于本发明的方法。对于这种共聚物，溶胀性溶剂的选择就很重要。所选的溶剂是两种嵌段都能溶解于其中的溶剂。一个例子为二氯甲烷溶剂中的ABA(苯乙烯-EP-苯乙烯)或者AB(苯乙烯-EP)聚合物。如果一种组分不溶于溶剂，它会形成凝胶。这种嵌段共聚物的例子为Kraton_型苯乙烯-b-丁二烯和苯乙烯-b-氢化丁二烯(乙烯基丙烯(ethylene propylene))、Pebax_型e-己内酰胺-b-环氧乙烷、Sympatex_聚酯-b-环氧乙烷以及环氧乙烷与异氰酸酯的聚氨酯。
加成聚合物如聚偏二氟乙烯、间同聚苯乙烯、偏二氟乙烯和六氟丙烯的共聚物、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯；无定形加成聚合物如聚丙烯腈以及它和丙烯酸和甲基丙烯酸酯的共聚物、聚苯乙烯、聚氯乙烯以及各种共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和其各种共聚物，它们可以方便地进行溶液抽丝，这是因为它们能在低压低温下溶解的缘故。但是，结晶度高的聚合物如聚乙烯和聚丙烯，如果要进行溶液抽丝的话，就需要高温高压的溶剂。因此，聚乙烯和聚丙烯的溶液抽丝很困难。静电溶液抽丝是制造纳米纤维和微米纤维的一种方法。
我们还发现，将含有两种或多种聚合物材料混合的聚合组合物、合金形式或者交联化学键合结构有显著优点。我们认为这种聚合组合物能通过改变聚合物特性，如提高聚合物链的柔韧性或者链活动性、提高总体分子量以及通过形成聚合物材料织物络进行增强来改进其物理性能。
在这种观念的一个实施方式中，为获得有益的性能可以混合两种相关的聚合物材料。例如，将高分子量聚氯乙烯和低分子量聚氯乙烯混合。类似地，可以将高分子量尼龙材料和低分子量尼龙材料混合。而且，可以混合不同种类的一般聚合物。例如，高分子量苯乙烯可以和低分子量、高耐冲击性的聚苯乙烯混合。尼龙6材料可以和尼龙共聚物如尼龙6；6-6；6，10共聚物混合。而且，低水解度的聚乙烯醇，如87％水解的聚乙烯醇可以和水解度为98-99.9％以及更高水解度的完全或者超水解聚乙烯醇混合。混合物中所有的这些材料可以利用合适的交联机理进行交联。尼龙可以使用能和酰胺键中氮原子反应的交联剂进行交联。聚乙烯醇材料可以使用羟基活性材料如单醛类，例如甲醛、尿素、蜜胺-甲醛树脂及其类似物、硼酸和其它无机化合物、二醛类、二酸类、氨基甲酸乙酯类、环氧类以及其它已知的交联剂进行交联。交联技术是人们熟知易于理解的现象，在其中交联剂反应并在聚合物链之间形成共价键，大大提高分子量、耐化学性、总体强度和耐机械降解性能。
我们发现，添加剂材料能显著提高细纤维形式聚合物材料的性能。添加剂的存在可以显著提高对热量、湿气、冲击、机械应力和其它负面环境作用的经久性。我们发现，在制作本发明微米纤维材料时，所述添加剂材料可以提高其疏油性、疏水性，并似乎可对提高材料化学稳定性有帮助。我们认为，由于这些添加剂可以形成保护涂层、烧蚀表面或者渗入表面一定深度来提高聚合物材料的性质，在这些疏油性和疏水性添加剂存在情况下可以改进本发明微米纤维形式的细纤维。我们认为，这些材料的重要特征是存在同时也具有亲油特性的强亲水基团。强疏水基团包括氟烃基团、疏水性烃基表面活性剂或者嵌段以及主要是烃的低聚组合物。将这些材料制成具有一部分能和所述聚合物材料相容的分子的组合物，所述分子通常和聚合物形成物理结合或者关联，同时因为添加剂和聚合物的结合，所述强疏水或者疏油基团形成位于表面上的保护表层或者和聚合物表层成为合金或者混合。纤维上添加剂总共的用量为1-25重量％。对具有10％添加剂含量的0.2微米纤维来说，如果添加剂迁移到了表面，表面厚度计算出约为50埃。由于整体材料中疏油或疏水基团的不相容性，可以认为这种迁移是会发生的。50埃的厚度对保护涂层来说是合理的厚度。0.05埃直径的纤维，50纳米的厚度对应20质量％。2微米直径的纤维，50埃的厚度对应2质量％。添加剂材料的用量宜为约2-25重量％。有用的表面厚度可为10-150埃。
能和本发明聚合物材料结合使用的低聚添加剂，包括分子量约为500-5000、宜为500-3000的，较宜是含氟化学物质、非离子表面活性剂和低分子量树脂或低聚物。本发明所用的含氟有机润湿剂是由式Rf-G表示的有机分子，式中，Rf为含氟脂肪族自由基，G为至少含有一个亲水基团如阳离子、阴离子、非离子或者两性基团的基团。优选非离子材料。Rf是至少含有两个碳原子的氟化单价脂肪族有机自由基。它宜为饱和全氟脂肪族单价有机自由基。但是，氢原子或氯原子可以作为骨架链上的取代基。虽然含有许多碳原子的自由基可以充分起作用，但是优先使用含不超过20个碳原子的化合物，因为大基团中氟的利用效率低于较短的骨架链的情况。Rf宜含有2-8个碳原子。
在本发明中所用的含氟有机试剂中可用的阳离子基团，可以包括不含氧原子(例如，-NH2)或者含氧原子(例如，氧化胺)的胺或者季铵阳离子基团。这种胺和季铵阳离子亲水基团可以具有如下通式：-NH2、-(NH3)X、-(NH(R2)2)X、-(NH(R2)3)X或-N(R2)2→O，式中，X为抗衡阴离子，如卤离子、氢氧根、硫酸根、硫酸氢根或者羧酸根，R2为H或C1-18烷基，各R2可以和其它R2基团相同或者不同。R2宜为H或C1-16烷基，X宜为卤离子、氢氧根或硫酸氢根。
在本发明所用的含氟有机润湿剂中可用的阴离子基团，包括通过离子化可以成为阴离子基团，它们例如可以具有如下通式：-COOM、-SO3M、-OSO3M、-PO3HM、-OPO3M2或者-OPO3HM，式中M为H、金属离子、(NR1 4)+或(SR1 4)+，各R1分别为H或者取代或非取代的C1-C6烷基。M宜为Na+或K+。本发明中优选的含氟有机润湿剂阴离子基团，具有-COOM和-SO3M的通式。阴离子含氟有机润湿剂包括阴离子聚合物材料，它通常由其上含有氟烃侧基的烯键式不饱和单羧酸和二酸单体制得。这种材料包括从3M公司获得的称为FC-430和FC-431的表面活性剂。
在本发明所用的含氟有机润湿剂中可用的两性基团，包括含有至少一个上述阳离子基团和至少一个上述阴离子基团的两性基团。
在本发明所用的含氟有机润湿剂中可用的非离子基团，包括亲水但在正常农业用途的pH条件下不会离子化的基团。所述非离子基团可以具有如下通式：-O(CH2CH2)xOH(其中x大于1)、-SO2NH2、-SO2NHCH2CH2OH、-SO2N(CH2CH2H)2、-CONH2、-CONHCH2CH2OH或-CON(CH2CH2OH)2。这种材料的例子包括以下结构的材料：
F(CF2CF2)n-CH2CH2O-(CH2CH2O)m-H
式中，n为2-8，m为0-20。
其它含氟有机润湿剂，包括例如U.S.专利Nos.2,764,602、2,764,603、3,147,064和4,069,158中所述的那些阳离子含氟化学试剂。这种两性含氟有机润湿剂，包括例如U.S.专利Nos.2,764,602、4,042,522、4,069,158、4,069,244、4,090,967、4,161,590和4,161,602中所述的那些两性含氟化学试剂。这种阴离子含氟有机润湿剂，包括例如U.S.专利Nos.2,803,656、3,255,131、3,450,755和4,090,967中所述的阴离子含氟化学物质。
这种材料的例子是duPont Zonyl FSN和duPont Zonyl FSO非离子表面活性剂。能用于本发明聚合物中的添加剂，包括低分子量丙烯酸氟烃酯材料，如具有以下一般结构的3M’公司的Scotchgard材料：
CF3(CX2)n-丙烯酸根
式中，X为-F或-CF3，n为1-7。
而且，包括较低脂肪醇乙氧基化物、脂肪酸乙氧基化物和壬基苯酚乙氧基化物等的非离子烃基表面活性剂，也可以用作本发明用的添加剂物料。这些添加剂物料的例子有Triton X-100和Triton N-101。
本发明组合物中用作添加剂的有用物质有叔丁基苯酚低聚物。这种物质往往是分子量较低的芳香族酚醛树脂。这种树脂是通过酶催化氧化偶联制备的酚醛聚合物。由于不存在亚甲基桥键产生了独特的化学和物理稳定性。这些酚醛树脂可以和各种胺和环氧化物交联，并和各种聚合物材料相容。这些材料通常可用以下结构式举例说明，其特征为这些酚醛材料的重复单元中不存在具有酚醛和芳香基团的亚甲基桥键基团：
Figure C0181771700191
式中，n为2-20。这些酚醛材料的例子有Enzo-BPA、Enzo-BPA/苯酚、Enzo-COP，其它相关酚醛类物质可以从Enzymol International Inc.，Columbus，Ohio获得。
应当明白，对于不同的用途有很多种纤维过滤介质。本发明的耐用纳米纤维和微米纤维可以加入任何介质中。本发明所述的纤维也可以用来取代这些已知介质中的纤维部分，由于其直径小，可以有改进性能(提高效率和/或降低压力降)的显著优点，同时具有较好的耐久性。
本发明的过滤介质结构包括具有第一表面的第一层可渗透的粗纤维介质即基底。第一层细纤维固定在第一层可渗透的粗纤维介质的第一表面上，而第二层细纤维固定在基底上。较佳的是，第一层可渗透粗纤维材料中是平均直径至少10微米，一般且最好是约12(或14)-30微米的纤维。同时，较佳的是，第一层和第二层可渗透的粗纤维材料的单位重量不超过约200g/m2、较好是约0.50-150g/m2、最好是至少8g/m2的介质。较佳的是，第一层可渗透的粗纤维介质的厚度至少为0.005英寸(12微米)、一般是0.0006-0.02英寸(15-500微米)、最好是约0.001-0.030英寸(25-800微米)。
在较佳的装置中，第一层可渗透粗纤维材料是一种材料，如果使用Frazier渗透率测试方法对与结构的其余部分开的该材料进行测试，该材料将显示至少1米/分钟、一般最好是约2-900米/分钟的渗透率。本文中当提到效率时，除非另有说明，是指如本文中所述，根据ASTM-1215-89用含有0.78μ单分散性聚苯乙烯球粒的气流在20fpm(6.1米/分钟)速度下测定的效率。
较佳地，固定在可渗透粗纤维介质层的第一表面上的细纤维材料层是一层纳米和微米纤维的介质，其中，纤维的平均直径不超过约2微米、通常较好不超过约1微米，并且一般最好是纤维直径小于0.5微米并在约0.05-0.5微米的范围内。同时，较佳地，固定在第一层可渗透纤维材料的第一表面上的第一层细纤维材料的总厚度不超过约30微米、更好不超过20微米、最好不超过约10微米，并且一般最好是该层细纤维平均直径的大约1-8倍(更好是不超过5倍)。
本发明的某些较佳装置，包括通常在总的过滤结构中所述的过滤介质。使用的一些较佳装置，包括以圆柱形且具有一般纵向延伸折叠的折叠形构造，即沿与圆柱体的纵轴同一方向折叠的介质。对这些装置而言，介质可嵌入常规过滤器的两个端盖中。视需要，这些装置可包括用于普通常规目的的上游衬里和下游衬里。
在有些用途中，本发明的介质可与其它类型的介质例如常规介质结合使用，用以提高总的过滤性能或寿命。例如，本发明的介质可层压在常规介质上，以堆叠排列的形式使用；或者可插入(作为整体特征)包括常规介质的一个或多个区域的介质结构中。本发明的介质可用在常规介质的前面，为的是较好的负载；和/或用在常规介质的后面作为高效的修饰过滤器。
本发明的某些装置还可用在液体过滤系统中，即是其中要过滤掉的微粒材料是液体承载的。同时，本发明的某些装置可用在烟雾收集器中，例如用来从空气中过滤细烟雾的设备中。
本发明提供了一些过滤方法。这些方法通常使用上述介质较好地进行过滤。从以下描述和实施例可以看出，本发明的介质可以特别地进行设计和构造，以便有利地在较为有效的系统中提供较长的寿命。
各个专利中描述了与过滤材料一同使用的各种过滤结构，并对此提出权利要求。Engel等人的美国专利No.4,720,292公开了用于具有一般圆柱形过滤部件结构的过滤装置的径向密封设计，该过滤部件被具有圆柱形的、径向向内表面的较软而类似橡胶的端盖密封。Kahlbaugh等人的美国专利No.5,082,476公开了使用深度型介质的过滤器结构，该深度型介质具有与本发明的微米纤维材料结合的折叠形部件的泡沫材料基底。Stifeman等人的美国专利No.5,104,537涉及用于过滤液体的过滤结构。液体输入过滤器外壳中，通过过滤器的外部进入内部环形芯子中，然后返回结构中活性使用。这些过滤器对过滤液压机液体非常有用。Engel等人的美国专利No.5,613,992显示了典型的柴油机进气过滤结构。该结构从外壳外面得到可能夹带或不夹带水分的空气。空气通过过滤器，水分可通向外壳底部排出外壳。Gillingham等人的美国专利No.5,820,646公开了一种Z型过滤结构，它使用一种有闭塞通道的特殊折叠式过滤器结构，需要流体通过“Z”形通道中至少一层过滤介质，得到适宜的过滤性能。成形为Z形样式的折叠式过滤介质中可含有本发明的细纤维介质。Glen等人的美国专利No.5,853,442公开了一种滤袋捕尘室结构，具有可含本发明细纤维结构的过滤部件。Berkhoel等人的美国专利No.5,954,849显示了一种收尘器，它用来处理一般是载有大量灰尘的空气，从其中过滤掉灰尘，该空气中含有大量灰尘是由于工件加工产生的。最后，Gillingham的美国专利No.425,189公开了使用Z型过滤结构的板式过滤器。
介质可以是聚酯合成介质、由纤维素制得的介质、或者这些类型材料的混合物。适用的纤维素介质的一个例子是：单位重量约为45-55磅/3000英尺2(84.7克/米2)，例如，48-54磅/3000英尺2；厚度约为0.005-0.015英寸，例如约为0.010英寸(0.25毫米)；frazier渗透率约为20-25英尺/分钟，例如约22英尺/分钟(6.7米/分钟)；孔径约为55-65微米，例如约62微米；湿拉伸强度至少约为7镑/英寸，例如8.5磅/英寸(3.9千克/英寸)；从机器取下的爆破强度约为15-25psi，例如约为23psi(159千帕)。所述纤维素介质可以用细纤维如尺寸(直径)为5微米或更小，在某些情况下为亚微米的纤维所覆盖。若需要使用细纤维的话，可以使用各种方法将所述细纤维施加到介质上。例如在美国专利5,423,892，第32栏第48-60行中描述了某些这种方法。更具体的说，在参考结合于此的美国专利No.3,878,014、3,676,242、3,841,953和3,849,241中说明了这些方法。通常可以施加足够的细纤维直到所得介质结构根据SAEJ726c方法使用SAE细测试比上尘，具有50～90％的个别效率以及大于90％总效率。
在参考结合于此的美国专利No.5,820,646中，说明了可用的过滤结构的例子。在另一实施方式中，所述有凹槽的结构(未显示)包括锥形的凹槽。“锥形的”是指所述凹槽沿其长度方向逐渐扩大，使凹槽的下游开孔大于上游开孔。在整体参考引用于此的美国专利申请No.08/639,220中，说明了这种过滤结构。在参考引用于此的美国专利申请No.09/871,583中，说明了有关细纤维及其材料和制造的细节。
附图的详细说明
图1是比较三种不同过滤结构的总过滤效率的实验数据图。第一种结构是市售滤筒形式的过滤器。这种过滤器是用折叠基底制成的圆柱形滤筒，所述基底由经处理的纤维素和合成纤维的连续非织造织布形成。过滤器高度约为675毫米，直径约为325毫米，具有的介质折叠约51毫米。将这种没有细纤维的市售过滤器与基底上具有一层细纤维的单面结构和在基底材料的两面均具有一层细纤维的双面结构相比较。单面和双面过滤层都类似地构造，显示单层细纤维提供一定水平的过滤效率，而双层提供很大改进的过滤效率。让运动流体流经两层细纤维层能充分有效地提高总过滤效率。基底层(无细纤维)在图中显示，在所有情况下其效率都比有单层或双层细纤维层的差。所述单面结构显示良好的效率。而双面结构显示最大的效率。在过滤结构中提供两层或多层用来提供额外总效率增加的细纤维层，可以将过滤结构设计成具有任意的过滤效率。在这种测试中，双面结构比单面结构好5-10％，视尺寸而异。在这种测试中，再将一层细纤维加到双层结构上可以为具有纤维层结构的过滤器再增加2-5％的效率。而将一双层结构加到双层结构上(即四层细纤维)，根据微粒的大小，测试结果是效率又提高3-10％，随被过滤微粒的粒度而不同。
图2显示了大型大输出燃气轮机动力系统的操作数据。此图显示了和只具有常规过滤基底的过滤器相比，使用本发明高效率单面细纤维层过滤器的燃气轮机功率输出的动力曲线。如图中可见，在超过80天的时间中，燃气轮机的功率降低迅速变得很明显。功率降低是由于流过过滤器的物质污染涡轮叶片以及微粒的阻塞所导致的涡轮性能降低。高效细纤维层显示在60-80天期间中功率降低小于2％。在这种用途中小的功率降低对于燃气轮机发电站来说是个显著的操作优点。测量两个类似的并排燃气轮机的功率输出获得这些数据的，一个燃气轮机具有常规过滤器，一个燃气轮机具有高效细纤维过滤器。
图3显示了一套表明基底上的各种单层细纤维层暴露于矿物油气溶胶中时压力降升高的数据。我们认为，矿物油液滴和细纤维层接触，形成阻塞细纤维层孔隙的油膜。随着孔隙被填充，压力降会升高。这一数据显示，效率较低的细纤维层(例如45％效率的细纤维层)，其压力降升高的趋势小，而高效率细纤维层(例如60％效率)，其压力降则会显著升高。这些数据显示，根据过滤的液体阻塞细纤维的趋势，较小的效率可以显著提高使用寿命。这一数据和图1的数据一起显示，成组的细纤维层可以提供高效率(逐渐增加至大于90％)，同时保持低效率过滤层其压力降升高较低的情况。在矿物油负载初期，测试开始的几分钟内，90％效率层就达到不合格高压力降的迅速升高。由于许多过滤结构制成具有90％或以上的设计总效率，使用单层高效率细纤维层会导致显著的操作问题，而使用两层或多层具有足够低效率的细纤维层可以获得总效率为90％，同时仍可以避免单层情况的高压力降。这个测试是用过滤器对所述气溶胶进行过滤，测定寿命或压力降的升高。效率测试时使用20英尺/分钟的气体速度，使用单分散0.78微米聚苯乙烯胶乳微粒，ASTM-1215-89法进行。
图4和5证实了当所述结构暴露在如碳黑或SAE细二氧化硅灰尘并且当这种微粒混合在矿物油中时，有类似效率的压力降趋势。特别是这些数据显示了将矿物油加到微粒中会导致非常迅速的压力升高。而且，以两块或多块独立层的方式使用低效率(45-60％效率)的层，可以保持其总效率，同时压力降也可以减小。中用所述气溶胶装载过滤器进行使用寿命或压力降升高的测试的。效率测试时使用20英尺/分钟的气体速度，使用单分散0.78微米聚苯乙烯胶乳微粒，按ASTM-1215-89法进行。
图6显示了本发明双面细纤维结构60的理想化侧视图。在图6中显示的是层叠结构中在基底63上有双层纤维61、62。细纤维层61、62通常比基底63薄。细纤维层61、62通常紧密地附着在基底63上，在各层之间不得留有较大的空隙。
用的矿物油是比重为0.855、粘度在40℃下为27厘沲的“轻”矿物油。用的碳黑由CABOT Corperation制造，鉴定为Vulan XC 72R GP-3059。在25英尺/分钟的流体面速度下进行测试。使用盘式进料器和日本/ISO型抗絮凝器加入SAE细尘和碳黑。使用TSI3576雾化器通入矿物油。对抗絮凝器和雾化器，所用的压缩空气压力设定在20psi。在用混有矿物油的SAE细尘或碳黑试验时，油在灰尘进口下游约2英寸处通入。对混有矿物油的SAE细尘，重量进料比分别约为5-1。对混有矿物油的碳黑，该进料比分别约为1-2。所述测试介质包括：
·基底层---湿法成网纤维素类
·基底层---具有一层细纤维层的效率为60％的湿法成网纤维素类
·在Reemay稀布上具有一层细纤维的效率为45％的过滤器
·在Reemay稀布上具有一层细纤维的效率为60％的过滤器
·在Reemay稀布上具有一层细纤维的效率为90％的过滤器
实验
进行了实验证明在一个基底上使用两层效率低的独立细纤维层，结合产生的总效率大于单独细纤维层的效率。在这一实验中，无纤维的基底和具有单层细纤维的基底比较。这两种结构再和具有两层和单层结构中的单层细纤维基本类似的细纤维的基底比较。可以通过重绕和拆卷所述双层细纤维来加工这一两层结构，证明细纤维对一般细纤维层制造或加工工艺条件具有机械稳定性。可以使用常规加工技术制造所述层并进行所用测试。
在此实施例中，使用具有65％LEFS的基底，加上具有66％LEFS(于是总共88％)的一细纤维层，然后加上具有66％LEFS(于是总共96％)的第二细纤维层。可以使用具有LEFS效率为5～80％的基底。我们也可以在过滤介质的气体离开面上(因为在这个面上无需太担心阻塞)使用更高效率的细纤维层。所用效率测试使用20英尺/分钟的气体速度，使用单分散0.78微米聚苯乙烯胶乳微粒，按ASTM-1215-89法进行。
下表显示过滤结构的总效率百分数。沿片状材料的宽度方向选择一部分过滤结构来进行测试。在位置1、2和3切下样品，这些位置1、2和3分别对应于织物的中心(位置2)和接近织物边缘(位置1和3)。无细纤维的基底显示其总效率约为65％，不论样品位置如何。有单层细纤维的样品具有86～89％的效率，这些测量值处于实验重复性的范围内。
表1
    测试产品     样品位置-总效率百分数(％)
    1     2     3
  基底(无纤维)     65     65     65
  单层细纤维     88     86     89
  双层细纤维     96     95     98
  重绕双层     94     96     97
具有两层细纤维的样品，过滤总效率为95～98％。对完全相同的制造条件，所述重绕细纤维双层的总效率显示没有多大降低。
上述说明、实施例和数据提供了本发明组合物制造和应用的完整说明。由于在不背离本发明精神和范围的条件下，可以作出许多发明实施方式，所以本发明只体现在本文后附的权利要求书中。

Claims (31)

1.细纤维过滤介质，所述介质包括单层过滤基底，所述基底具有第一表面和第二表面，所述基底的渗透率约为0.03-15米/秒且效率为20-80％，所述第一表面和第二表面上各有一层直径为0.001-0.5微米的细纤维、所述细纤维层的厚度小于5微米，细纤维的形成量能有效地获得的孔径为0.001-5微米，且在20英尺/分钟速度下用单分散0.78微米聚苯乙烯胶乳微粒按ASTM-1215-89测出的任意一层中的总效率为50-90％，且各层中的总效率大于90％。
2.权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述第一表面上的细纤维层效率和所述第二表面上的细纤维效率不同。
3.权利要求1所述的过滤介质，其特征在于，所述介质下游表面上的细纤维层效率比所述介质上游表面上的细纤维层效率高。
4.权利要求1所述的过滤介质，其特征是细纤维的形成量能有效地在各层中获得低于85％的效率，而在组合两层中获得大于90％的总效率。
5.权利要求1所述的过滤介质，其特征是细纤维的形成量能有效地在各层中获得低于80％的效率，而在组合两层中获得大于85％的总效率，所述基底的效率为20-80％。
6.权利要求1所述的过滤介质，其特征是以在各层中能有效获得为40-85％的效率，而在组合两层中获得大于65％的总效率。
7.权利要求1所述的过滤介质，其特征是以在各层中能有效获得为40-80％的效率，而在组合两层中获得大于65％的总效率，所述基底的效率为20-80％。
8.权利要求1所述的过滤介质，其特征是细纤维的形成量能有效地在各层中获得低于75％的总效率，而在组合两层中获得大于80％的总效率，并在60℃的空气和相对湿度为100％的条件下暴露16小时后保留30％以上对过滤目的来说不变的纤维。
9.权利要求1所述的过滤介质，其特征在于所述细纤维形成在织物中的纤维之间具有平均小于3微米孔径的互锁纤维网，所述过滤介质的效率大于单面介质的效率，并具有定义为在10英尺/分钟的测试条件下过滤器上压力降升高为3英寸水柱的使用寿命。
10.除去气载流体中微粒的方法，所述微粒包括液体微粒、固体微粒或者它们的混合物，所述方法包括：
(a)将过滤结构置于具有微粒的空气流中；
(b)将空气流导入流经所述过滤结构，同时监控过滤结构的有效使用寿命，所述过滤结构包括细纤维过滤介质和单层过滤基底，所述基底的渗透率为0.03-15米/秒且效率为20-80％，所述基底具有第一表面和第二表面，所述第一表面和第二表面各有一层直径为0.001-0.5微米的细纤维层，所述层厚度小于5微米，细纤维的形成量能有效地获得的孔径为0.001-5微米，且在20英尺/分钟速度下用单分散0.78微米聚苯乙烯胶乳微粒按ASTM-1215-89测出的任意一层中的总效率为50-90％，且各层中的总效率大于90％。
11.权利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一表面上的细纤维层效率和所述第二表面上的细纤维效率不同。
12.权利要求10所述的方法，其特征在于，所述介质下游表面上的细纤维层效率比所述介质上游表面上的细纤维层效率高。
13.权利要求10所述的方法，其特征是细纤维的形成量能有效地在各层中获得低于85％的效率，而在组合两层中获得大于90％的总效率。
14.权利要求10所述的方法，其特征是细纤维的形成量能有效地在任何一层中获得低于80％的效率，而在组合两层中获得大于85％的总效率。
15.权利要求10所述的方法，其特征是以在每一层中能有效获得为40-85％的效率，而在组合两层中获得大于65％的总效率的量形成细纤维层。
16.权利要求10所述的方法，其特征是以在每一层中能有效获得为40-80％的效率，而在组合两层中获得大于65％的总效率的量形成细纤维层，所述基底的效率为20-80％。
17.权利要求10所述的方法，其特征是细纤维的形成量能有效地在任何一层中获得低于75％的总效率，而在组合两层中获得大于80％的总效率。
18.权利要求10所述的方法，其特征在于所述细纤维形成在织物中的纤维之间具有平均小于3微米孔径的互锁纤维网，所述过滤介质的效率大于单面介质的效率，并具有定义为在10英尺/分钟的测试条件下过滤器上压力降升高为3英寸水柱的使用寿命。
19.权利要求10所述的方法，其特征在于所述微粒是燃烧的残留组分。
20.权利要求10所述的方法，其特征在于所述微粒包括脂肪油、脂肪酸或者它们的混合物。
21.权利要求10所述的方法，其特征在于所述微粒包括烟灰、粗粒或它们的混合物。
22.过滤结构，所述结构基本上由一层过滤基底和三层或多层细纤维层组成，所述基底具有第一表面和第二表面，所述基底的渗透率为0.03-15米/秒且效率为20-80％，在基底的所述表面上有三层或多层细纤维层，各层中有直径为0.01-0.5微米的细纤维，各细纤维层厚度小于5微米，细纤维的形成量能有效地获得的孔径为0.001-5微米，且在20英尺/分钟速度下用单分散0.78微米聚苯乙烯胶乳微粒按ASTM-1215-89测出的任意一层中的总效率为50-90％，且各层中的总效率大于90％。
23.权利要求22所述的过滤介质，其特征在于，在所述过滤结构中有一层细纤维层时的效率和所述过滤结构中有任何另一细纤维层时的效率不同。
24.权利要求22所述的过滤介质，其特征在于，所述介质下游表面上的细纤维层效率比所述介质上游表面上的细纤维效率高。
25.权利要求22所述的过滤介质，其特征在于所述片状过滤基底厚度为0.3-1毫米。
26.权利要求22所述的过滤介质，其特征是细纤维的形成量能有效地在各层中获得低于85％的效率，而在组合两层中获得大于90％的总效率。
27.权利要求22所述的过滤介质，其特征是细纤维的形成量能有效地在各层中获得低于80％的效率，而在组合两层中获得大于85％的总效率。
28.权利要求22所述的过滤介质，其特征是以在各层中能有效获得为40-85％的效率，而在组合两层中获得大于65％的总效率，所述基底的效率为5-80％。
29.权利要求22所述的过滤介质，其特征是以在各层中能有效获得为40-80％的效率，而在组合两层中获得大于65％的总效率，所述基底的效率为20-80％。
30.权利要求22所述的过滤介质，其特征是细纤维的形成量能有效地在各层中获得低于75％的总效率，而在组合两层中获得大于80％的总效率，并在60℃的空气和相对湿度为100％的条件下暴露16小时后保留30％以上对过滤目的来说不变的纤维。
31.权利要求22所述的过滤介质，其特征在于所述细纤维形成在织物中的纤维之间具有平均小于3微米孔径的互锁纤维网，所述过滤介质的效率大于单面介质的效率，并具有定义为在10英尺/分钟的测试条件下过滤器上压力降升高为3英寸水柱的使用寿命。
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