Фильтрующий элемент (варианты), фильтрующая система (варианты) и способ фильтрации (варианты)

Фильтрующий элемент (варианты), фильтрующая система (варианты) и способ фильтрации (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящая заявка зарегистрирована как международная патентная заявка РСТ от имени компании Donaldson, Американской национальной корпорации США от 10 августа 2001 года, с обозначением всех стран кроме США и с приоритетом по заявке в США 60/230,138, зарегистрированной 5 сентября 2000 года, и заявке в США №09/871,582, зарегистрированной 31 мая 2001 года.

Область техники

Настоящее изобретение относится к устройству фильтра и способу фильтрации. Более конкретно, заявка относится к устройству для фильтрации и улавливания твердых частиц из потока газа, например, воздушного потока. Изобретение также относится к способу для осуществления желательного удаления материала в виде твердых частиц из такого потока газа.

Настоящее изобретение является дальнейшим развитием технологии компании Donaldson, Миннеаполис, штат Миннесота, которая является правопреемником настоящего изобретения. Раскрытие относится к дальнейшему развитию технологии, частично относящейся к предметам, охарактеризованным в патентах США: В2 4.720.292; Des 416.308; 5.613.992; 4.020.783 и 5.112.372. Каждый из патентов, упомянутых в предыдущем предложении, также принадлежит компании Donaldson, Миннеаполис, штат Миннесота; и полное раскрытие каждого из них включено здесь в качестве ссылки.

Изобретение также относится к полимерному материалу и волокну, которое может обладать повышенной стойкостью по отношению к окружающей среде, влияние которой проявляется в виде нагрева и высокой влажности, а также стойкостью к радиоактивным материалам и механическим напряжениям. Такие материалы могут использоваться при формировании тонких волокон типа микроволокон и материалов из нановолокна с улучшенной стабильностью и прочностью. Поскольку размер волокна очень мал, срок службы материалов становится решающим параметром. Такие тонкие волокна могут быть использованы в разных областях применений. В одном применении конструкция фильтра может быть выполнена, используя данную технологию тонкого волокна. Описанные методики относятся к структурам, имеющим один или большее количество слоев тонких волокон в среде фильтра. Структура, состав и размер волокна выбираются для сочетания нужных свойств и надежности в работе.

Предпосылки создания изобретения

Потоки газа часто несут с собой материал в виде твердых частиц. Во многих случаях удаление некоторых примесей или всего материала в виде твердых частиц из потока газа имеет первостепенное значение. Например, воздушные коллекторы двигателей транспортных средств или оборудования для производства электроэнергии, потоки газа, направленные на вход газовых турбин, и потоки воздуха к различным печам для сжигания топлива часто включают примеси в виде твердых частиц. Материал в виде твердых частиц может причинить существенный ущерб рабочему оборудованию. Частицы предпочтительно удалять из потока газа на входе двигателя, турбины, печи или другого оборудования.

В других случаях газы промышленного производства или отходящие газы могут содержать материал в виде твердых частиц, например, образующиеся в ходе технологических процессов, которые включают мукомольную, химическую обработку, спекание, окраску и т.д. Прежде чем такие газы могут или должны быть направлены через различное оборудование вниз по потоку и/или выброшены в атмосферу, важно удалить из них как можно больше твердых частиц.

Изобретение относится к фильтрующим элементам фильтров и к улучшенной технологии производства фильтров. Изобретение также относится к полимерным составам с улучшенными свойствами, которые могут использоваться в разных областях промышленности, включая формирование волокон, микроволокон, нановолокон, волоконных тканей, волокнистых матовых поверхностей, водопроницаемых конструкций типа мембран, покрытий или пленок. Полимерные материалы по настоящему изобретению - составы, которые имеют физические свойства, обеспечивающие полимерному материалу физическую стойкость к вредному воздействию влажности, высокой температуры, воздушного потока, химикатов и механического напряжения или воздействия на конструкцию фильтра. Изобретение также относится к способам снижения таких воздействий.

При создании нетканой среды фильтра из тонкого волокна, использовались различные материалы, включая стекловолокно, металл, керамику и широкий диапазон полимерных составов. Также использовались различные способы для изготовления микро- и нановолокон небольшого диаметра. Один из этих способов включает прохождение материала через тонкий капилляр или отверстие, либо в виде расплава, либо в растворе, который затем испаряется. Волокна могут также быть сформированы с помощью "фильер", которые широко используются для изготовления синтетического волокна типа нейлона. Известно также электростатическое прядение. Такие методики включают использование шприца для впрыскиваний, сопел, капиллярного или подвижного эмиттера. Эти конструкции обеспечивают получение жидких растворов полимера, которые затем подаются в зону сбора электростатическим полем высокого напряжения. По мере того как эти материалы вытягиваются эмиттером и ускоряются в электростатической зоне волокно становится очень тонким и может быть сформировано в виде волоконной структуры при испарении раствора.

Поскольку такая фильтрующая среда находит все большее число применений, требуются значительно улучшенные материалы, чтобы противостоять условиям высокой температуры от 100°F до 250°F и до 300°F, высокой влажности от 10% до 90% и до 100% относительной влажности, высокого расхода газа или жидкости и микронных и субмикронных частиц фильтра (в диапазоне от 0.01 микрона до более 10 микрон) и удаляемых абразивных и неабразивных, агрессивных и инертных частиц из потока жидкости.

Соответственно, возникает потребность в полимерных материалах, микро- и нановолоконных материалах и структурах фильтра, которые обеспечивают улучшенные свойства при фильтровании потоков при высоких температурах, с высокой влажностью, высокими расходами, а также для удаления указанных субмикронных и микронных частиц из потока.

Краткое описание изобретения

Изобретение предлагает общие методики для проектирования и применения устройств для очистки воздуха. Эти методики включают предпочтительную конструкцию фильтрующего элемента, а также предпочтительные способы фильтрации.

В целом, предпочтительные области применения включают использование в воздушном фильтре барьерной среды, как правило, гофрированной среды и тонких волокон, которые обеспечивают определенные преимущества.

Фильтрующая среда включает, по меньшей мере, слой ткани из микро- или нановолокна в сочетании с материалом подложки в механически стабильной конструкции фильтра. Эти слои обеспечивают превосходную фильтрацию, высокий процент захвата частиц, эффективность при минимальном ограничении потока, когда текучая среда типа газа или жидкости проходит через фильтрующую среду. Подложка может быть расположена вверх по течению потока жидкости, вниз по потоку или помещена во внутренний слой. С недавних пор, в различных отраслях промышленности уделяется особое внимание использованию фильтрующих сред, т.е. удалению нежелательных частиц из потока газа или, в некоторых случаях, из потока жидкости. Обычный процесс фильтрации состоит в удалении твердых частиц из воздушного потока или потока другого газа или из потока жидкости типа гидравлической жидкости, смазочного масла, топлива, потока воды или другой жидкости. Такие процессы фильтрации требуют механической прочности, химической и физической стойкости микроволокна и материалов подложки. Фильтрующая среда может подвергаться воздействию температур в широком диапазоне, влажности, механической вибрации и ударам агрессивных и инертных, абразивных или неабразивных частиц, в потоке передаваемой среды. Кроме того, фильтрующая среда часто должна обладать способностью самоочищения, когда фильтрующая среда подвергается воздействию обратного импульса давления (короткое реверсирование потока, чтобы удалить поверхностное покрытие из частиц) или иметь возможность другого механизма очистки, который может удалять определенные частицы с поверхности фильтрующей среды. Такая реверсивная очистка может значительно снизить перепад давления после импульсной очистки. Эффективность захвата частиц, как правило, после импульсной очистки не улучшается, однако, импульсная очистка снижает перепад давления, экономя энергию в процессе фильтрации. Такие фильтры могут сниматься для обслуживания и очистки в водных или неводных чистящих составах. Такая фильтрующая среда часто формируется, вращая тонкое волокно и затем формируя слой ткани или нанося микроволокно на пористую подложку. В процессе прядения волокно может формировать физические связи между волокнами, объединяя слой и гарантируя волокнистую поверхность подложки. Такой материал может храниться на складе на поддонах и может быть изготовлен в желательном формате фильтра типа картриджей, плоских дисков, коробок, панелей, рукавов и мешков. В таких конструкциях среда может быть, в основном, гофрированной или иметь иную форму, подходящую для ее размещения в опорной конструкции.

Устройства фильтра, описанные здесь, могут использоваться в различных отраслях, включая корпуса оборудования, вентиляцию кабины транспортного средства, фильтрацию воздуха кабины дорожных и внедорожных автомобилей и промышленное оборудование, типа компрессоров и других аналогичных применений.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 представлено типичное электростатическое устройство с эмиттером для производства тонких волокон по настоящему изобретению.

На фигуре 2 показано устройство, используемое для нанесения тонкого волокна на подложку фильтра по технологии, показанной на фигуре 1.

фигура 3 иллюстрирует типичную внутреннюю структуру материала опоры и отдельно отображает материал из тонкого волокна по настоящему изобретению по сравнению с небольшими твердыми частицами, т.е. 2 и 5 микрон.

На фигурах 4-11 представлены аналитические спектры электронной спектроскопии для химического анализа (ЭСХЛ), относящиеся к примеру 13.

Фигура 12 иллюстрирует стойкость материала из микроволокна 0,23 и 0,45 по настоящему изобретению из примера 5.

Фигуры 13-16 иллюстрируют повышенную стойкость материалов примеров 5 и 6 к воздействию температуры и влажности по сравнению с не модифицированным полиамидом, растворимым в растворителе нейлонового сополимера.

На фигурах 17 до 19 показано, что смесь двух сополимеров, нейлонового гомополимера и нейлонового сополимера после термической обработки и объединения с добавками формирует однокомпонентный материал, который не демонстрирует различимые характеристики двух отдельных полимерных материалов, но представляется сшитым или, иначе говоря, химически приведенным к одной фазе.

Фигура 20 - схема системы, имеющей двигатель с входным воздушным коллектором и воздушным фильтром.

Фигура 21 - поперечный разрез первичного фильтрующего элемента и фильтрующего элемента аварийной защиты, смонтированного в нем, причем оба установлены на трубе воздухозаборника для использования в системе двигателя, показанной на фигуре 20.

Фигура 22 - продольный разрез первичного фильтрующего элемента, изображенного на фигуре 21.

Фигура 23 - увеличенный поперечный разрез торцевой крышки и уплотнительной части первичного фильтрующего элемента, изображенного на Фигурах 21 и 22.

Фигура 24 - вид сбоку на части элемента аварийной защиты, изображенного на фигуре 21.

Фигура 25 - вид сбоку в вертикальном разрезе на другой воздушный фильтр, который может использоваться в системе двигателя, изображенной на фигуре 20.

Фигура 26 - вид сбоку в вертикальном разрезе на воздушный фильтр, включая корпус и первичный фильтрующий элемент, изображенный на фигуре 25.

Фигура 27 - увеличенный вид в поперечном сечении на первичный фильтрующий элемент, оперативно установленный в корпусе воздухоочистителя по линии 8-8 на фигуре 25.

Фигура 28 - увеличенный вид в поперечном сечении на другую часть первичного фильтрующего элемента, оперативно установленного в корпусе воздухоочистителя по линии 9-9 на фигуре 25.

Фигура 29 - продольный вид, частично в разрезе и частичный поперечный вид другого воздухоочистителя, который может быть использован в системе двигателя, изображенной на фигуре 20.

Фигура 30 - боковой разрез другого воздухоочистителя, который может быть использован в системе двигателя, изображенной на фигуре 20.

Фигура 31 - частичный разрез торцевой части воздухоочистителя, изображенного на фигуре 30.

Фигура 32 - вид сбоку в вертикальном разрезе на панель фильтрующего элемента, который может быть использован в системе двигателя, изображенной на фигуре 20.

Фигура 33 - вид сверху на панель фильтра, изображенного на фигуре 32.

Фигура 34 - блок-схема системы, имеющей компрессор с системой всасывания воздуха и первичным фильтрующим элементом.

Фигура 35 - вид в плане на устройство воздушного фильтра с частичным разрезом.

Фигура 36 - перспективное изображение узла фильтра (V-образный пакет), используемого в устройстве воздушного фильтра Фигуры 37.

Фигура 37 - поперечный разрез сборки фильтра, взятый по линии 20-20 на фигуре 36.

Подробное описание изобретения

А. Микроволоконные или тонковолоконные полимерные материалы

Изобретение обеспечивает улучшенный полимерный материал. Этот полимер имеет повышенную физическую и химическую стойкость. Тонкое полимерное волокно диаметром от 200 нанометров до 10 микрон (микроволокно и нановолокно) может быть сформировано в нужном формате изделия (например, когда оно нанесено на подложку). Нановолокно - волокно диаметром менее 200 нанометров или 0,2 микрона. Микроволокно - волокно диаметром более 0,2 микрона, но не более чем 10 микрон. Это тонкое волокно может быть выполнено в виде улучшенной многослойной структуры среды микрофильтрации. Слои тонкого волокна по настоящему изобретению имеют случайное распределение тонких волокон, которые могут быть соединены вместе, чтобы образовать задерживающую сетку.

Фильтрация в значительной степени обеспечивается в результате того, что тонкое волокно служит барьером на пути прохода частицы. Структурные свойства в виде жесткости, прочности, гофрирующей способности обеспечиваются подложкой, на которую наносится тонкое волокно. Тонкие волокна, сцепляющиеся в сетку, имеют такие важные характеристики, как размер микроволокон или нановолокон и относительно небольшие отверстия или пространства между волокнами. Такие пространства между волокнами, как правило, имеют размер приблизительно от 0,01 до 25 микрон, часто приблизительно от 0,1 до 10 микрон.

Фильтрующий элемент включает слой тонкого волокна, сформированный на подложке. Волокна из синтетических или природных веществ (например, полиэфира и слоев целлюлозы) наносятся на соответствующую подложку по выбору инженера-проектировщика. Тонкое волокно добавляет менее одного микрона к толщине ко всему слою волокна плюс фильтрующая среда подложки. В процессе работы фильтры могут останавливать падающую на них частицу, прошедшую через слой тонкого волокна, и могут испытывать существенную поверхностную нагрузку от уловленных частиц. Частицы, содержащие пыль или другие примеси, быстро образуют пылевую корку на поверхности тонких волокон, и она поддерживает высокую начальную и общую эффективность при удалении твердых частиц. Даже при сравнительно малых размерах загрязняющих примесей, содержащих частицы размером от 0,01 до 1 микрона, фильтрующая среда имеет возможность накапливать очень большое количество пыли.

Описанные здесь полимерные материалы обладают значительно большей стойкостью к нежелательным воздействиям тепла и влаги; они способны работать при высоких расходах, при обратной импульсной очистке, противостоят истиранию при действии субмикронных твердых частиц, выдерживают действие очистки фильтров и другие необходимые условия. Улучшенная характеристика микроволокна и нановолокна получается благодаря повышенному качеству полимерных материалов, из которых вырабатывается это микроволокно и нановолокно. Кроме того, фильтрующая среда согласно изобретению, использующая улучшенные полимерные материалы согласно изобретению, обеспечивает множество преимуществ, включая большую эффективность, меньшее ограничение расхода, большую прочность и более длительный срок службы (от действия механического напряжении или воздействия неблагоприятной среды) в присутствии абразивных примесей. Кроме того, она имеет гладкую наружную поверхность, свободную от болтающихся волокон или фибрилл. Общая структура фильтрующих материалов обеспечивает более тонкую среду, дающую большую поверхность на единицу объема, меньшую скорость через среду, повышенную эффективность и меньшие ограничения расхода.

Тонкое волокно может быть изготовлено из полимерного материала или из полимера плюс добавка. Один предпочтительный вариант по настоящему изобретению включает смесь полимеров, содержащую первый полимер и второй полимер, отличный от первого (отличающийся по типу полимера, молекулярному весу или по физическим свойствам), который обрабатывается при повышенной температуре. Смесь полимеров может реагировать и формировать единый химический компонент или может быть физически объединен в смешанный состав процессом отжига. Отжиг подразумевает физическое изменение, подобно кристаллизации, снятие напряжения или изменение ориентации напряжений. Предпочтительные материалы с помощью химической реакции превращаются в единый полимерный композит, с тем, чтобы с помощью дифференциального сканирующего калориметрического анализа (ДСКА) он определялся как однокомпонентный полимерный материал. Такой материал в комбинации с предпочтительными добавками может создавать поверхностное покрытие из добавок на микроволокне, которое обеспечивает защиту от воздействия масел (олеофобность), защиту от влаги (гидрофобность) или повышенную стойкость при совместном воздействии высокой температуры, высокой влажности и тяжелых условий работы. Тонкое волокно из этого класса материалов может иметь диаметр от 2 микрон до менее 0,01 микрона. Такие микроволокна могут иметь гладкую поверхность, содержащую отдельный слой из материала добавки или внешнее покрытие из материала добавки, который частично растворен на поверхности полимера или вплавлен в нее, или то и другое. Предпочтительные материалы для использования в смешанных полимерных системах включают нейлон 6; нейлон 66; нейлон 6-10; сополимеры нейлона (6-66-610) и другие линейные, главным образом алифатические композиты нейлона. Предпочтительная нейлоновая сополимерная смола (SVP-651) анализировалась на молекулярный вес с помощью титрования конечной группы (Дж.Е.Уолз и Г.Б.Тейлор, «Определение молекулярного веса нейлона», «Химический анализ», т.19, номер 7, стр.448-450 (1947). Величина среднего молекулярного веса (W_n) находилась между 21.500 и 24.800. Состав оценивался с помощью фазовой диаграммы температуры плавления трехкомпонентного нейлона, содержащего нейлон 6 около 45%, нейлон 66 около 20% и нейлон 610 около 25% (Стр.286, Справочник по нейлоновым пластикам, ред. Мелвина Кохана, издатель Хансер, Нью-Йорк (1995 г.).

Опубликованные физические свойства смолы SVP-651:

В таких полимерных системах может использоваться поливиниловый спирт, имеющий степень гидролиза от 87 до 99,9%. Предпочтительно в нем образованы поперечные связи. Наиболее предпочтительно, чтобы они были сшиты и содержали значительные количества олеофобных и гидрофобных добавок.

Другой предпочтительный вариант изобретения включает единичный полимерный материал, объединенный с композитом из добавок для продления срока службы волокна или улучшения эксплуатационных характеристик. Предпочтительные полимеры, применяемые в этом варианте изобретения, включают полимеры нейлона, полимеры поливинилиденхлорида, полимеры поливинилиденфторида, полимеры поливинилового спирта и, в особенности, указанные материалы в сочетании с сильными олеофобными и гидрофобными добавками, что может в результате дать микроволокно или нановолокно с добавками, формирующими покрытие на поверхности тонкого волокна. Применимы в этом изобретении также смеси подобных полимеров, такие как смеси нейлонов, полимеров поливинилхлорида, смесей полимеров поливинилиденхлорида. Кроме того, в этом изобретении также рассматриваются полимерные смеси или сплавы различных полимеров. В этом отношении, для формирования микроволоконных материалов по настоящему изобретению пригодны смеси совместимых полимеров. Могут быть использованы составы из добавок, таких как фтористые поверхностно-активные вещества, неионные поверхностно-активные вещества, смолы с низким молекулярным весом, например, третичная бутилфеноловая смола, имеющая молекулярный вес менее 3000. Эта смола характеризуется олигомерной связью между фенольными ядрами при отсутствии метиленовых мостовых групп. Положения гидроксила и третичной бутиловой группы могут устанавливаться произвольно по кольцу. Связи между фенольными ядрами всегда находятся после гидроксильной группы, а не располагаются произвольно. Подобным же образом полимерный материал может быть объединен со спирторастворимой нелинейной полимеризованной смолой, полученной из бисфенола А. Такой материал подобен третичной бутилфеноловой смоле, описанной выше, в том, что он сформирован с использованием олигомерных связей, которые непосредственно соединяют ароматические кольца друг с другом при отсутствии каких-либо мостовых групп, таких как алкиленовые или метиленовые группы.

Наиболее предпочтительный материал согласно изобретению содержит нановолоконный материал, имеющий размер от примерно 10 микрон до 0,01 микрона. Наиболее предпочтительный размер волокна лежит в диапазоне между 0,05 и 0,5 микрона. В зависимости от конкретного применения и наличия импульсной очистки или других устройств очистки фильтра, волокно может быть выбрано размером от 2 микрон до 0,01 микрона или от 10 до 0,1 микрона. Такие волокна обеспечивают превосходное действие фильтра, легкость очистки обратным импульсом и другие преимущества. Самые предпочтительные системы полимеров согласно изобретению имеют такую характеристику сцепления, что при контакте с целлюлозной подложкой прочно сцепляются с ней, так что они могут противостоять расслаивающему действию очистки обратным импульсом и другим механическим напряжениям. В таком режиме полимерный материал должен оставаться соединенным с подложкой при воздействии импульса очистки, что в основном соответствует стандартным условиям фильтрации, за исключением действия импульсной очистки в обратном направлении сквозь фильтрующую среду. Такое сцепление может возникнуть при действии растворителя в процессе формирования волокна, когда волокно контактирует с подложкой, или в процессе последующей обработки волокна на подложке нагреванием или давлением. Однако было найдено, что характеристики полимера играют важную роль в осуществлении сцепления, так же как и конкретные химические реакции, например, реакции с водородом, причем контакт между полимером и подложкой происходит при температуре выше или ниже Tg, и состав полимера включает добавки. Полимеры, пластифицированные растворителем или паром, могут обеспечивать улучшенное сцепление.

Важным аспектом изобретения является использование описанных микроволоконных и нановолоконных материалов в конструкции фильтра. В такой конструкции материалы из тонких волокон согласно изобретению формируются на подложке фильтра и сцепляются с ней. Могут использоваться подложки из природных и синтетических волокон, например, связанные при прядении ткани, нетканые полотна из синтетического волокна и нетканые материалы, изготовленные из смеси целлюлозных, синтетических и стеклянных волокон; нетканые и тканые стеклянные полотна, пластиковый экран, как штампованный, так и перфорированный, а также ультратонкие и среднетонкие мембраны из органических полимеров. Листовая подложка или целлюлозная нетканая сетка может быть встроена в фильтрующую среду, которая помещается на пути потока воздуха или жидкости для удаления из этого потока взвешенных в нем или увлекаемых им твердых частиц. Форма и структура материала фильтра выбираются инженером-проектировщиком. Важным параметром элементов фильтра после формирования является способность противостоять воздействию тепла, влажности или того и другого. Одной из особенностей фильтрующей среды согласно изобретению является ее способность сохраняться при погружении в теплую воду в течение значительного времени. Проверка на погружение может дать полезную информацию относительно способности тонкого волокна сохранять работоспособность в условиях влажности при высокой температуре и при очистке элемента фильтра в водных растворах, которые могут содержать значительное количество сильнодействующих чистящих поверхностно-активных веществ и щелочных материалов. Нановолоконные материалы согласно изобретению могут сохранять работоспособность при погружении в горячую воду, сохраняя, по меньшей мере, 50% тонких волокон, сформированных на поверхности подложки. Сохранение, по меньшей мере, 50% тонких волокон может обеспечить достаточную эффективность волокна без потери фильтрующей способности или повышения обратного давления. Наиболее предпочтительным является сохранение, по меньшей мере, 75% волокон.

Тонкие волокна, образующие слой согласно изобретению, содержащие микро- и нановолокно, представляют собой волокно диаметром от приблизительно 0,001 микрона до 10 микрон, предпочтительно 0,05-0,5 микрона. Толщина типового фильтрующего слоя из тонких волокон лежит в диапазоне от 1 до 100 диаметров волокна с удельным весом порядка 0,01-240 микрограмм/см^-2.

Потоки воздуха и газа часто несут в себе твердые частицы. Необходимо удалить из потока некоторые или все твердые частицы. Например, потоки воздуха для вентиляции кабин автомобилей, воздух в дисководах компьютеров, воздух в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, комнатная вентиляция и применения с использованием рукавных фильтров, заградительные ткани, тканые материалы, воздух к двигателям автомобилей или силовому генераторному оборудованию; потоки газа, направляемые к газовым турбинам, и потоки воздуха к различным камерам сгорания часто содержат твердые частицы. В случае воздушного фильтра для салона автомобиля желательно удалить твердые частицы, чтобы обеспечить комфортные условия для пассажиров и/или эстетику салона. В случае потоков воздуха и газа во впускных коллекторах двигателей, газовых турбин и камер сгорания, желательно удалить твердые частицы, потому что они могут повредить внутренние рабочие органы различных механизмов. В других случаях промышленные газы производственных процессов или выхлопные газы двигателей могут содержать материал в виде твердых частиц. Прежде чем такие газы могут или должны быть выброшены в атмосферу через различные последующие устройства, желательно удалить большую часть твердых частиц из этих потоков.

Общее понимание некоторых основных принципов и проблем, связанных с расчетами воздушных фильтров, может быть достигнуто при рассмотрении следующих типов фильтрующей среды: среды с поверхностной загрузкой и глубинные среды. Каждый из этих типов среды хорошо изучен и широко используется. Принципы их действия описаны, например, в патентах США 5.082.476; 5.238.474 и 5.364.456. Полные описания этих трех патентов включены в качестве ссылок.

«Срок службы» фильтра обычно определяется выбранным предельным перепадом давления на фильтре. Повышение перепада давления на фильтре определяет срок службы на уровне, определенном для данного применения или данной конструкции. Следует понимать, что, как правило, чем больше эффективность фильтрующей среды при удалении твердых частиц из потока газа, тем быстрее фильтрующая среда достигнет перепада давления, определенного как предельный срок службы (считая, что другие переменные величины не изменяются). В этом описании термин «неизменно для целей фильтрации» означает поддержание достаточной эффективности удаления твердых частиц из текущего потока, необходимой для выбранной области применения.

Полимерные материалы были изготовлены из нетканых и тканых тканей, волокон и микроволокон. Полимерный материал обеспечивает физические свойства, требуемые для стойкости продукта. Эти материалы не должны значительно изменяться по размеру, иметь небольшой молекулярный вес, становиться менее гибкими или подверженными растрескиванию под действием механических напряжений или ухудшаться физически под воздействием солнечного света, влажности, высоких температур или других отрицательных влияний окружающей среды. Изобретение относится к улучшенному полимерному материалу, который может поддерживать физические свойства под воздействием падающего электромагнитного излучения типа света окружающей среды, высокой температуры, влажности и других физических нагрузок.

Полимерные материалы, которые могут быть использованы в полимерных композитах согласно изобретению, включают как полимерные материалы присоединения, так и конденсационные полимерные материалы, такие как полиолефин, полиацетал, полиамид, полиэфир, целлюлозный простой эфир и сложный эфир, полиалкиленсульфид, полиариленоксид, полисульфон, модифицированные полимеры полисульфона и их смеси. Предпочтительные материалы, которые входят в эти родовые классы, включают полиэтилен, полипропилен, поли(винилхлорид), полиметилметакрилат (и другие акриловые смолы), полистирол и их сополимеры (включая сополимеры блока типа АВА), поли(винилиденфторид), поли(винилиденхлорид), поливиниловый спирт в разных степенях гидролиза (от 87% до 99,5%), в сшитые и не сшитые. Предпочтительные полимеры присоединения, как правило, бывают стекловидными (Tg выше комнатной температуры). Это справедливо для поливинилхлорида и полиметилметакрилата, композитов или сплавов полимера полистирола или низкомолекулярных кристаллических материалов поливинилиденфторида и поливинилового спирта. Одним классом полиамидных конденсационных полимеров являются нейлоновые материалы. Термин «нейлон» - родовое название для всех синтетических полиамидов с длинной цепью. Обычно номенклатура нейлона включает ряд чисел, как, например, в нейлоне 6,6, которые означают, что исходными материалами являются С₆ диамин и С₆ двухосновная кислота (при этом первая цифра показывает С₆ диамин, а вторая цифра показывает компаунд С₆ дикарбоновой кислоты). Другой нейлон может быть получен поликонденсацией эпсилон капролактама в присутствии небольшого количества воды. Эта реакция образует нейлон-6 (полученный из циклического лактама, также известного, как эпсилон-аминокапроновая кислота), который является линейным полиамидом. Кроме того, рассматриваются также сополимеры нейлона. Сополимеры могут быть получены путем объединения различных соединений диамина, различных соединений двухосновной кислоты и различных составов циклического лактама в реагирующей смеси, а затем формирования нейлона с произвольно расположенными мономерными материалами в полиамидную структуру. Например, материал нейлон 6,6-6,10-нейлон, полученный из гексаметилендиамина и смеси С₆ и С₁₀ двукислотные компоненты. Нейлон 6-6, 6-6,10-нейлон, полученный путем сополимеризации эпсилонаминокапроновой кислоты, гексаметилендиамина и смеси материала С₆ и двукислотного материала С₁₀.

Блоксополимеры также применимы для реализации настоящего изобретения. С такими сополимерами важное значение имеет выбор растворителя - агента набухания. Выбранный растворитель должен быть таким, чтобы в нем растворялись оба блока. Одним примером является полимер АВА (стирол-ЕР-стирол) или АВ (стирол-ЕР) в растворителе типа метиленхлорида. Если один компонент не растворяется в этом растворителе, он образует гель. Примерами таких блок-сополимеров являются тип Kraton® из стирол-b-бутадиена и стирол-b-гидрогенизированного бутадиена (этилен пропилена), тип Pebax® из е-калролактама-b-окиси этилена, Simpatex® полиэфир-b-окись этилена и полиуретаны окиси этилена и изоцианатов.

Полимеры присоединения, такие как поливинилиденфторид, синдиотактический полистирол, сополимер винилиденфторида и гексафторопропилена, поливиниловый спирт, поливинилацетат, аморфные аддитивные полимеры, такие как поли(акрилонитрил) и его сополимеры с акриловой кислотой и метакрилатами, полистирол, поли(винилхлорид) и его различные сополимеры, поли(метилметакрилат) и его различные сополимеры могут быть сравнительно легко спрядены в растворе, потому что они растворимы при низких давлениях и температурах. Однако, для высококристаллического полимера, такого как полиэтилен и полипропилен, требуется раствор с высокой температурой и высоким давлением, если они должны быть спрядены в растворе. Поэтому прядение полиэтилена и полипропилена в растворе очень затруднительно. Электростатическое прядение в растворе является одним из способов производства нановолокон и микроволокон.

Мы также обнаружили значительные преимущества при формировании полимерных составов, содержащих два и несколько полимерных материалов в виде смеси полимеров, в формате сплава или в сшитых химических составах. Мы убеждены, что создание таких полимерных композитов улучшает их физические свойства путем изменения свойств полимера, например, путем увеличения гибкости или подвижности полимерной цепи, увеличения полного молекулярного веса и повышения прочности путем образования сеток из полимерных материалов.

В одном варианте этой концепции два родственных полимерных материала могут быть смешаны для получения выгодных свойств. Например, высокомолекулярный поливинилхлорид может быть смешан с низкомолекулярным поливинилхлоридом. Подобным же образом, высокомолекулярный нейлоновый материал может быть смешан с низкомолекулярным нейлоновым материалом. Кроме того, могут быть смешаны различные категории общего полимерного вида. Например, материал высокомолекулярного стирола может быть смешан с высокопрочным низкомолекулярным полистиролом. Материал нейлон-6 может быть смешан с сополимером нейлона, таким как сополимер нейлон-6; 6,6; 6,10. Кроме того, поливиниловый спирт, имеющий низкую степень гидролиза, например, 87% гидролизный поливиниловый спирт, может быть смешан с гидролизованным или сверхгидролизованным поливиниловым спиртом, имеющим степень гидролиза между 98 и 99,9% и выше. Все эти материалы в смеси могут быть сшиты с использованием соответствующих механизмов образования поперечных связей. Нейлоны могут быть сшиты с использованием агентов поперечной связи, которые вступают в реакцию с атомом азота и образуют амидную связь. Молекулы поливинилового спирта могут быть сшиты с использованием гидроксильных реактивных материалов, таких как моноальдегиды, например, формальдегид, мочевины, меламин-формальдегидная смола и ее аналоги, борная кислота и другие неорганические соединения, диальдегиды, двукислотные компоненты, уретаны, эпоксиды и другие известные агенты для образования поперечных связей. Технология образования поперечных связей (сшивание полимеров) хорошо известное и понятное явление, в котором создающие поперечные связи реагенты реагируют и образуют ковалентные связи между полимерными цепями, чтобы существенно повысить молекулярный вес, химическую стойкость, общую прочность и стойкость к механическому разрушению.

Мы обнаружили, что добавки могут значительно улучшить свойства полимерных материалов, имеющих форму тонких волокон. Стойкость к воздействию тепла, влаги, удара, механического напряжения и других вредных влияний окружающей среды может быть значительно повышена благодаря присутствию добавок. Мы обнаружили, что при обработке микроволоконных материалов согласно изобретению добавки улучшают олеофобные и гидрофобные свойства и могут содействовать повышению химической стойкости этих материалов. Мы убеждены, что тонкие волокна согласно изобретению