фильтрующий материал, способ фильтрации и фильтровальная перегородка

Формула изобретения

1. Фильтрующий тонковолокнистый материал, содержащий листовую подложку с первой поверхностью и второй поверхностью, на каждой из которых имеется слой тонкого волокна с диаметром примерно 0,001-0,5 мкм, причем толщина слоя составляет менее 5 мкм, а тонкое волокно включает по крайней мере полимер конденсации, полимер присоединения и смолистую добавку, сформировано в количестве, обеспечивающем общую эффективность очистки любого одного слоя менее 90% и эффективность очистки более 90% при использовании обоих слоев в сочетании, определяемые по методу ASTM-1215-89 с использованием монодисперсного полистирольного латекса с размером частиц 0,78 мкм при скорости фильтрации 20 фут/мин (0,1 м/с).

2. Фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, что эффективность очистки слоя тонкого волокна на первой поверхности отлична от эффективности очистки слоя тонкого волокна на второй поверхности.

3. Фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, что эффективность очистки слоя тонкого волокна на выходной поверхности выше эффективности очистки слоя тонкого волокна на входной поверхности.

4. Фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, что толщина листовой подложки составляет примерно 0,1-3 мм, на первой поверхности и на второй поверхности расположен слой тонкого волокна с диаметром примерно 0,01-0,3 мкм, причем толщина слоя составляет менее 3 мкм, а тонкое волокно подобрано таким образом, что после выдерживания волокна в условиях температуры воздуха 140°F (60°C) при относительной влажности 100% в течение 16 ч более 50% волокна остается без изменений для целей фильтрации.

5. Фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, что тонкое волокно сформировано в количестве, обеспечивающем эффективность очистки каждого из слоев менее 85% и общую эффективность очистки более 90% при использовании обоих слоев в сочетании, а эффективность очистки подложки составляет примерно 5-80%.

6. Фильтрующий материал по п.1, отличающийся тем, что тонкое волокно образует сетку из переплетенных волокон со средним размером пор менее чем примерно 3 мкм, причем подложка имеет эффективность очистки, превышающую эффективность очистки материала с односторонним расположением слоя тонкого волокна, и ресурс, характеризуемый повышением перепада давлений на фильтре до уровня примерно 3 дюймов (76,2 мм) водяного столба при условиях эксперимента для скорости фильтрации 10 фут/мин (0,05 м/с).

7. Способ улавливания из воздушного потока примесей, включающих жидкие капельные примеси, твердые частицы или их смеси, предусматривающий (a) размещение в воздушном потоке фильтровальной перегородки, и (b) пропускание воздушного потока через фильтровальную перегородку с контролем остатка ресурса фильтрующего материала, причем фильтровальная перегородка содержит тонковолоконный материал и листовую подложку с первой поверхностью и второй поверхностью, на каждой из которых расположен слой тонкого волокна с диаметром примерно 0,001-0,5 мкм, причем толщина слоя составляет менее 5 мкм, а количество тонкого волокна, включающего полимер и смолистую добавку, обеспечивает эффективность очистки любого одного слоя менее 90% и эффективность очистки более 90% при использовании обоих слоев в сочетании, определяемые по методу ASTM-1215-89 с использованием монодисперсного полистирольного латекса с размером частиц 0,78 мкм при скорости фильтрации 20 фут/мин (0,1 м/с).

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что эффективность очистки слоя тонкого волокна на первой поверхности отлична от эффективности очистки слоя тонкого волокна на второй поверхности.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что эффективность очистки слоя тонкого волокна на выходной поверхности выше эффективности очистки слоя тонкого волокна на входной поверхности.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что толщина листовой подложки составляет примерно 0,01-0,5 мм, на первой поверхности и на второй поверхности расположен отдельный слой тонкого волокна с диаметром примерно 0,01-0,3 мкм, причем толщина слоя составляет менее 3 мкм, а тонкое волокно подобрано таким образом, что после выдерживания волокна в условиях температуры воздуха 140°F (60°C) при относительной влажности 100% в течение 16 ч более 50% волокна остается без изменений для целей фильтрации.

11. Фильтрованная перегородка, содержащая одну или несколько листовых подложек и три или более слоев тонкого волокна, причем каждая листовая подложка имеет первую поверхность и вторую поверхность, на которых расположены три или более слоев тонкого волокна, причем в каждом слое диаметр тонкого волокна составляет примерно 0,01-0,5 мкм, толщина слоя каждого слоя составляет менее 5 мкм, а количество тонкого волокна, включающего полимер и смолистую добавку, обеспечивает эффективность очистки любого одного слоя менее 90% и общую эффективность очистки более 90% при использовании слоев в сочетании, определяемые по методу ASTM-1215-89 с использованием монодисперсного полистирольного латекса с размером частиц 0,78 мкм при скорости фильтрации 20 фут/мин (0,1 м/с).

12. Фильтровальная перегородка по п.11, отличающаяся тем, что эффективность очистки слоя тонкого волокна на первой поверхности отлична от эффективности очистки слоя тонкого волокна на второй поверхности.

13. Фильтровальная перегородка по п.11, отличающаяся тем, что эффективность очистки слоя тонкого волокна на выходной поверхности выше эффективности очистки слоя тонкого волокна на входной поверхности.

14. Фильтровальная перегородка по п.11, отличающаяся тем, что толщина листовой подложки составляет примерно 0,01-3 мм, на любой поверхности расположен слой тонкого волокна с диаметром примерно 0,01-0,5 мкм, причем толщина слоя составляет менее 3 мкм, а тонкое волокно подобрано таким образом, что после выдерживания волокна в условиях температуры воздуха 140°F (60°C) при относительной влажности 100% в течение 16 ч более 50% волокна остается без изменений для целей фильтрации.

15. Фильтровальная перегородка по п.11, отличающаяся тем, что толщина листовой подложки составляет примерно 0,3-1 мм.

16. Фильтрующий их материал по п.6, в котором добавка содержит смолистый олигомер ароматического ряда с молекулярным весом приблизительно от 500 до 3000.

17. Фильтрующий материал по п.6, в котором полимерное волокно содержит нейлоновый полимер.

18. Фильтрующий материал по п.6, в котором добавка содержит олигомер, имеющий молекулярный вес приблизительно от 500 до 3000, и ароматический фенол.

19. Фильтрующий материал по п.17, в котором добавка, содержащая олигомер ароматического ряда, имеющий молекулярный вес приблизительно от 500 до 3000.

20. Фильтрующий материал по п.17, в котором нейлоновый полимер объединен со вторым нейлоновым полимером, при этом второй нейлоновый полимер отличается по молекулярному весу.

21. Фильтрующий материал по п.20, в котором полимеры обрабатываются для формирования единственного полимерного состава, который при измерении дифференциальным калориметром демонстрирует однофазный материал.

Приоритет по пунктам:

05.09.2000 - пп.1-6, 11-21;

31.05.2001 - пп.7-10.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Данное изобретение относится к уникальным фильтрующим материалам для фильтрации текучих сред, в том числе потоков газов и жидкостей. В частности, описывается уникальный набор компонентов фильтрующего материала, который существенно увеличивает ресурс фильтра, при этом сохраняя или повышая эффективность очистки (степень очистки от примесей) фильтров. Такие фильтры обычно содержат тонкое волокно, слой пористой подложки, которые могут использоваться вместе с различного рода каркасами, опорами, корпусами, оборудованием и другими элементами фильтрующих устройств. Для удаления из потока текучей среды нежелательных материалов, например механических примесей, текучую среду пропускают через фильтр. При прохождении потока через фильтр частицы примесей, которые могут быть жидкими, твердыми или смесью жидких и твердых частиц, улавливаются из движущегося потока текучей среды.

Уровень техники

В практике технологии фильтрации поток текучей среды обычно пропускают через фильтровальную перегородку для удаления из потока механических примесей. Любой фильтрующий элемент в период своего срока службы обладает способностью улавливать из потока определенную долю содержащихся в потоке частиц. Под эффективностью очистки обычно понимают долю улавливаемых фильтром частиц в количестве частиц, содержащихся в движущейся жидкой фазе. Ресурс фильтра обычно определяют периодом времени, в течение которого перепад давления на фильтре остается ниже некоторого заданного уровня, обеспечивающего приемлемые рабочие характеристики фильтра и оборудования, в котором он используется. Чтобы соответствовать требованиям пригодности, любой фильтр должен иметь достаточную эффективность улавливания примесей и в то же время сохранять достаточно низкий перепад давления. Высокий перепад давления на фильтре означает плохие характеристики работы оборудования, использующего фильтр.

Как и в других областях техники, любое удачное техническое решение достигается нахождением в значительной мере компромиссов между различными характеристиками. Зачастую с повышением эффективности очистки также возрастает перепад давления, а ресурс часто существенно уменьшается. В силу причин, пока еще недостаточно четко формулированных, во время эксплуатации фильтра перепад давления на фильтре может значительно повышаться. При фильтрации потоков со значительным содержанием частиц туманоподобных примесей, капельных взвесей неорганических аэрозолей, органических аэрозолей с частицами масел, жиров, сажи или других источников примесей или смешанных водных неорганических и органических аэрозолей ресурс фильтра часто уменьшается. Высокая плотность переплетения волокон в эффективных слоях тонкого волокна может обусловить быстрое и значительное повышение перепада давления на слое тонкого волокна при контакте слоя тонкого волокна с текучими средами, содержащими подобные примеси. При том, что такие фильтры имеют отличные характеристики в начальных стадиях их работы, проблемой у них является именно ресурс, а не эффективность. Фильтр еще не потерял работоспособности, но его приходится менять. Учитывая то, насколько быстро на таких фильтрах может возрастать перепад давления, т.е. в какой степени может уменьшаться их ресурс, такие фильтры нуждаются в совершенствовании.

Поэтому долгое время целью производителей фильтров является одновременно повышение эффективности очистки и увеличение ресурса, что характерно и для любой области техники. Учитывая это, в области фильтровального оборудования и фильтрующих материалов существует насущная потребность в увеличении ресурса фильтров при сохранении или повышении их эффективности.

Краткое описание сущности изобретения

Установлено, что значительного усовершенствования фильтрующих материалов, фильтровального оборудования и технологий фильтрования можно достичь, используя фильтрующий материал с контролируемым количеством тонкого волокна, расположенного двумя или более слоями на подложке или в структуре материале. За счет формирования волокна в меньшем количестве, в два или более слоя, эффективность очистки может быть сохранена или повышена, а ресурс - увеличен. В предпочтительном варианте изобретения на входную поверхность подложки помещают первый слой тонкого волокна, а затем в качестве второй поверхности, как правило выходной поверхности, формируют второй слой. Входной и выходной слои тонкого волокна могут быть целенаправленно выполнены так, чтобы отличаться друг от друга эффективностью очистки. У выходного слоя эффективность очистки может быть выше, чем у входного слоя. Слои располагаются так, чтобы фильтруемая среда проходила через два слоя. Такой фильтрующий материал может использоваться для изготовления фильтровальных перегородок различных геометрии и форматов. Двустороннее расположение слоя тонкого волокна позволяет сохранить или повысить эффективность очистки и при этом существенно увеличивает ресурс фильтра. Неожиданно было установлено, что в фильтрующем материале укладка на одну сторону подложки определенного количества тонкого волокна с эффективностью очистки менее 90% в виде первого слоя в сочетании с одним или несколькими вторыми слоями, позволяет достичь общей эффективности более 90% и увеличить ресурс. Установлено, в частности, что эти уникальные преимущества обеспечивает укладка тонкого волокна в один слой с эффективностью очистки примерно от 50% до менее чем 90% и в предпочтительном случае количество тонкого волокна, укладываемого на подложку, соответствует эффективности очистки примерно 65-85%.

Считается, что один механизм, обусловливающий существенное нарастание перепада давления на слое тонкого волокна, связан с явлением "обволакивания". По мере того как улавливаемые фильтром примеси взаимодействуют с тонким волокном и задерживаются тонковолоконной сеткой, частицы этих примесей, особенно если они представляют собой низколетучие жидкости, могут образовывать жидкую пленку, полностью перекрывающую поры и пространство между волокнами в тонковолоконной сетке. По мере заполнения этих межволоконных пространств жидкостью перепад давления на фильтре быстро увеличивается. Явление обволакивания может также быть связано с взаимодействием между частицами и тонким волокном, но в простой интерпретации оно обусловлено заполнением незанятого пространства в полотне, приводящим к повышению давления. Размещение на выходной стороне материала слоя, у которого эффективность очистки больше, чем у слоя на входной стороне, более чем на 3% и предпочтительно на 5% и более, повышает общую эффективность очистки, но не уменьшает ресурса, так как слой, расположенный на входной стороне материал, а также подложка улавливают частицы, переносимые фильтруемой средой, и снижает склонность слоя тонкого волокна на выходной стороне материала к закупориванию.

Изобретение относится к полимерным композициям в виде тонких волокон, таких как микроволокно, нановолокно, в форме волокнистых полотен или ваток, используемых в усовершенствованной фильтровальной перегородке с уникальными свойствами. Предложенные полимерные материалы содержат композицию, физические свойства которой также позволяют полимерному материалу, во всем многообразии его форм и конфигураций, сопротивляться разрушительному воздействию влажности, высоких температур, воздушных потоков, действию агрессивных веществ и механических напряжений или ударных нагрузок, при этом сохраняя во время использования эффективность фильтрации.

В типовых вариантах применения тонкое волокно укладывают на подложку, слой тонкого волокна содержит тонкое волокно с диаметром примерно 0,0001-5 мкм, предпочтительно примерно 0,0001-0,5 мкм, наиболее предпочтительно примерно 0,001-0,3 мкм, сформированное в слой толщиной менее примерно 5 мкм, предпочтительно примерно 1-3 мкм, часто примерно 0,5-2 мкм. Каждый слой тонкого волокна включает в себя сетку хаотично ориентированных переплетенных волокон, вследствие чего такая сетка имеет сравнительно широкое распределение размеров отверстий пор. В контексте данной заявки на изобретение термин "пора" означает отверстие или канал в полотне, проходящий через слой тонкого волокна, который образован по периферии двух или более волокон. Поры могут образовываться как следствие перемешивания большого числа разных волокон, создающих или образующих отверстия такого размера, который позволяет задерживать механические примеси. Хотя любой слой тонкого волокна может иметь отверстия совершенно разных размеров, в предложенных слоях тонкого волокна имеется значительное количество пор с размерами, которые начинают от очень малых, т.е. примерно 0,001-0,5 мкм, но часто находятся в интервале примерно 0,5-3 мкм, для эффективной фильтрации. Предпочтительно, в предложенных фильтрующих материалах поры выполнены с отверстиями, у которых размер открытой поры составляет менее 3 мкм, часто менее 1 мкм в виде переплетенной сетки с отверстиями, у которых главный размер меньше диаметра характерных частиц, улавливаемых из текучей среды, проходящей через фильтр. Установлено, что склонность слоя тонкого волокна вызывать повышенный перепад давления или обволакивание фильтрующего материала можно свести к минимуму путем уменьшения степени покрытия тонким волокном противоположных сторон подложки. Посредством укладки уменьшенного количества тонкого волокна на обе стороны подложки существенно снижается склонность слоев тонкого волокна к закупориванию пор меньшего размера в результате фильтрации сред с жидкими веществами. Такое снижение можно объяснить тем, что в слое с меньшим количеством тонкого волокна размер пор несколько больше, однако меньший рост давления также может быть обусловлен меньшей площадью поверхности волокнистого слоя. Другими словами, усовершенствованный волокнистый материал можно получить, например, сделав из фильтрующего материала с одним (единственным) слоем тонкого волокна на одной стороне подложки, имеющим среднюю эффективность примерно 90%, фильтрующий материал с двумя слоями тонкого волокна, имеющими менее 80%. Хотя в первом случае единственный слой волокна будет пропускать примерно 10% примесей (т.е. будет эффективен на 90%), единственный и эффективный слой будет иметь повышенную склонность вызывать быстрое нарастание перепада давления. Используя два слоя, имеющих эффективность очистки, например, около 75%, можно получить фильтр, имеющий общую эффективность примерно 87,5% и существенно уменьшенную склонность к повышению перепада давления - по причине меньшего количества волокна в слое тонкого волокна.

Комбинирование двух слоев тонкого волокна, каждый из которых имеет уменьшенную эффективность очистки, на противоположных сторонах плоского листового слоя материала обеспечивает по всей слоистой структуре фильтровальной перегородки высокую эффективность очистки. Неожиданно оказалось, что использование сочетания двух слоев тонкого волокна на противоположных сторонах плоского листового слоя материала обладает увеличенным ресурсом благодаря меньшей склонности к закупориванию или обволакиванию. За счет распределения улавливаемых частиц по всем слоям композиционного фильтрующего материала может быть снижено нежелательное повышение давления в течение срока службы фильтра, так как не происходит скапливания улавливаемых частиц в относительно узкой части тонковолоконной структуры. Неожиданным эффектом является то, что благодаря слоистой структуре материала тонкое волокно распределяется по всем слоям, таким образом значительно улучшая и продлевая период времени, в течение которого перепад давления на фильтре остается ниже максимально допустимого значения. Такое распределение тонкого волокна также имеет место.

Фильтрующим материалам придают разнообразные физические формы. Развитие фильтров привело к появлению плоских листовых фильтровальных перегородок, складчатых панелей, цилиндрических или овальных фильтрующих элементов, элементов, встроенных в цилиндрические патроны, гофрированных элементов и других. В каждой из таких форм выполнения фильтр может выполняться и собираться с применением разнообразных известных технологий. Преимущества изобретения могут быть реализованы в фильтре любого типа, где фильтруемая среда дважды проходит через слой тонкого волокна.

Материал фильтрующего элемента или конструкции может быть покрыт тонким волокном, причем в контексте настоящего изобретения термин "тонкое волокно" означает волокно с размером или диаметром от 0,0001 до 5 мкм или реже 0,001-0,5 мкм и в некоторых случаях с диаметром в основном до одного микрона. Для изготовления тонкого волокна и его укладки на материал могут применяться разные способы. Такие технологии тонкого волокна раскрыты в патенте США №5423892 (Kahlbaugh и соавт.), патенте США №3878014 (McLead), патенте США №3676242 (Prentice), патенте США №3841953 (Lohkamp), и патенте США №3849241 (Butin), включенных в данную заявку путем ссылки.

В обычных фильтрующих материалах тонкое волокно уложено на подложку одним слоем и практически по всей поверхности материала. Достаточным количеством тонкого волокна в слое является такое, при котором конечный фильтрующий материал будет иметь начальную эффективность очистки более 50%, предпочтительно более 80% (в среднем), причем фильтров с эффективностью очистки менее 30% не бывает (испытание на эффективность по методу ASTM-1215-89 с использованием монодисперсного полистирольного латекса с размером частиц 0,78 мкм при скорости фильтрации 20 фут/мин или 0,1 м/с). Для обычных фильтров эффективность очистки менее чем примерно 30% в среднем или для любого конкретного фильтра обычно считается неприемлемой, поскольку такой фильтр будет пропускать значительную долю механических примесей, переносимых проходящим через него потоком текучей среды. При использовании фильтра на входе в двигатель, газовую турбину или другие аналогичные устройства такое количество пропускаемых примесей означает попадание на рабочие части механизмов значительно большего числа частиц, что может повлечь за собой существенный износ или поломку механического устройства.

В контексте данной заявки на изобретение термин "материал" означает листовую подложку из тканого или нетканого материала, имеющую толщину примерно 0,1-5 мм и эффективность очистки примерно 5-80%, часто 20-80%, и изготовленную из натурального или синтетического волокна, такого как целлюлоза, полиэфир, нейлон, полиолефин и т.д.

В контексте данной заявки на изобретение термин "тонкое волокно" означает волокно неопределенной длины, но шириной менее чем примерно 5 мкм, часто менее чем примерно 1 мкм, входящее в состав сетки из хаотически ориентированных волокон в виде слоя, в значительной мере покрывающего поверхность материала. Установлено, что существует некое критическое количество дополнительного тонкого волокна. Тонкое волокно укладывается на противоположные стороны листовой подложки в количестве, обеспечивающем для одного слоя получение эффективности очистки примерно 15-80%. Ниже приведены предпочтительные характеристики такого дополнительного слоя тонкого волокна.

Параметр	Интервал значений
Толщина слоя, мкм	0,1-3
Доля твердого материала, %	5-40
Плотность, г/см3	0,9-1,6 (1,2-1,4)
Поверхностная плотность, г/см 2	4,5×10-7 -0,00019
Поверхностная плотность, мг/см2	0,00045-0,19
Поверхностная плотность, фунт на 3000 фут2	0,0028-1,2

В одном варианте изобретения уменьшенное и в то же время действенное дополнительное количество тонкого волокна может соответствовать слою толщиной 0,1-1,75 мкм с долей твердого материала 5-40% (от 95% до 60% пустот). В этом случае поверхностная плотность составит 0,00045-0,11 мг/см² или 0,0028-0,7 фунт на 3000 фут² (размерность фунт на 3000 фут² является стандартной для производителей текстиля и бумаги).

В другом варианте изобретения дополнительное количество тонкого волокна может соответствовать слою толщиной 0,75-1,25 мкм с долей твердого материала 15-25% (от 85% до 75% пустот). В этом случае поверхностная плотность составит 0,010-0,05 мг/см² или 0,06-0,31 фунт на 3000 фут².

Наконец, в еще одном варианте изобретения верхняя граница дополнительного количества тонкого волокна может соответствовать слою толщиной 1-3 мкм с долей твердого материала 10-40% (от 90% до 60% пустот). В этом случае поверхностная плотность составит 0,009-0,02 мг/см² или 0,055-1,2 фунт на 3000 фут ².

В контексте данной заявки на изобретение термин "отдельный слой" означает, что в фильтровальной перегородке, имеющей листовую подложку, поток текучей среды, проходящий через подложку, должен сначала пройти через первый слой тонкого волокна, затем подложку, и затем проходит через второй слой тонкого волокна. Эти слои могут иметь различную геометрическую форму в соответствии с конфигурацией фильтра. Слои тонкого волокна, теоретически, могут быть изготовлены на одной технологической стадии путем полного покрытия тонким волокном обеих поверхностей двусторонней листовой подложки с получением двух отдельных слоев тонкого волокна, сформированных по всей поверхности противоположных сторон подложки. Предполагается, что в большинстве случаев первый слой тонкого волокна сначала будет формироваться на одной стороне подложки, после чего эта подложка будет направляться на стадию формирования волокна для образования второго слоя.

В контексте данной заявки на изобретение термин "размер пор слоя тонкого волокна" или "размер пор тонко волоконного полотна" относится к пространству между переплетенными волокнами в слое тонкого волокна.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 дано графическое представление данных сравнения эффективности очистки для обычной подложки фильтрующего материала, имеющей слой тонкого волокна и два слоя тонкого волокна с обеих сторон подложки. Представленные данные демонстрируют существенный прирост эффективности очистки в фильтровальной перегородке с двусторонним расположением слоев тонкого волокна на подложке.

На фиг.2 дано графическое представление данных, показывающих, что за период 80 дней использование предложенного фильтрующего материала с двусторонним расположением слоев тонкого волокна на подложке приводит к существенно меньшему процентному снижению мощности турбореактивной газотурбинной силовой установки высокой мощности.

Фиг.3 демонстрирует рост перепада давления в дюймах водяного столба, вызываемый образованием пленки минерального масла на поверхности фильтрующего материала с одним слоем тонкого волокна. На графике показано, что фильтрующий материал с уменьшенной эффективностью очистки имеет небольшой перепад давления за время эксперимента или не имеет такового вообще, тогда как слой тонкого волокна с высокой эффективность очистки достигает крайне высокого перепада давления за очень короткий период времени. Использование двух слоев с уменьшенной эффективностью очистки в сочетании позволяет сохранять низкий перепад давления, при этом обеспечивая общую эффективности очистки.

На фиг.4 представлена столбчатая диаграмма, отображающая время, за которое типовые фильтрующие материалы достигают перепада давления 10 дюймов водяного столба (2,49 кПа). Использовавшиеся в эксперименте примеси представляют собой мелкодробленый кварц по стандарту SAE или комбинацию мелкодробленого кварца по стандарту SAE и минерального масла. В крайне неблагоприятных условиях работы с комбинацией мелкодробленого кварца по стандарту SAE и минерального масла слой тонкого волокна с высокой эффективностью очистки достигает неприемлемо высокого перепада давления за менее чем 20 мин, тогда как менее эффективный слой тонкого волокна выдерживает это трудное испытание на протяжении значительного периода времени. В отличие от эксперимента с комбинацией кварца и минерального масла, слой тонкого волокна, улавливающий только кварцевые частицы, сохраняет приемлемый перепад давления в течение значительного периода времени. Фильтр с двумя слоями может сохранять малый прирост перепада давления в сочетании с приемлемой эффективностью очистки.

Фиг.5 демонстрирует аналогичные результаты, полученные с частицами, в сравнении с результатами, полученными с комбинацией частиц сажи и минерального масла. На диаграмме четко видно, что жидкая фаза в составе примесей, которая может способствовать обволакиванию фильтра и закупориванию пор в слое тонкого волокна, значительно сокращает срок службы (вследствие достижения высокого перепада давления).

На фиг.6 в виде сбоку показана структура предложенного фильтрующего материала с двусторонним расположением тонкого волокна.

Подробное описание изобретения

Предложенный фильтрующий материал включает в себя слой подложки, имеющий первую сторону, и слой тонкого волокна с уменьшенным количеством волокна по сравнению с обычными слоями тонкого волокна. На своей второй стороне подложка содержит второй слой тонкого волокна с уменьшенным количеством волокна. Каждый слой тонкого волокна с уменьшенным количеством волокна имеет соответствующую уменьшенную эффективность очистки. Соответственно, эффективность очистки слоев тонкого волокна обычно составляет примерно менее 90%. Однако комбинирование двух слоев тонкого волокна повышает общую эффективность очистки для фильтрующего материала, а уменьшенное количество волокна в каждом слое снижает склонность этого слоя к значительному повышению перепада давления и увеличивает срок службы фильтрующего материала. Уменьшенное количество тонкого волокна в обоих слоях существенно увеличивает размер пор в слое тонкого волокна и объем внутреннего пространства для прохождения фильтруемой текучей среды.

Слои тонкого волокна могут быть изготовлены путем электроформования тонкого волокна с использованием обычных средств и методов.

Микроволоконные или тонковолоконные полимерные материалы

Предложен усовершенствованный полимерный материал. Такой полимер характеризуется повышенной физической и химической стойкостью. Тонкие полимерные волокна представляют собой волокна с диаметром от 0,0001 до 5 мкм, от 0,001 до 0,5 мкм или от 0,001 до 0,3 мкм. Волокна с диаметром до 5 мкм (микроволокно) или волокна с диаметром от 0,0001 до 0,3 мкм (нановолокно) могут быть использоваться при получении конечных изделий (например, когда волокна укладывают на подложку). Нановолокнами являются волокна с диаметром менее 200 нм или 0,2 мкм. Микроволокнами являются волокна с диаметром более 0,2 мкм, но не более 10 мкм. Такое тонкое волокно может использоваться для получения усовершенствованного многослойного микропористого фильтрующего материала. Согласно изобретению слои тонкого волокна имеют хаотичное распределение волокон, которые могут быть склеены между собой с образованием сетки из переплетенных волокон.

Формирование тонкого волокна происходит на слое подложки. Фильтрование при этом обеспечивается в основном за счет тонковолоконной перегородки на подложке, задерживающей механические примеси. Такие свойства материала как жесткость, прочность, складчатость обеспечиваются подложкой, к которой приклеивается волокно. Важной характеристикой таких сеток из переплетенного тонкого волокна являются тонкое волокно в виде микроволокна или нановолокна и сравнительно малые расстояния между волокнами. Обычно такие расстояния между волокнами менее 10 мкм, примерно 0,01-5 мкм или часто примерно 0,05-3 мкм, предпочтительно примерно 0,1-2 мкм.

Фильтрующие элементы содержат слой тонкого волокна, сформированный на подложке. Волокна из синтетических материалов, натуральных источников (например, полиэфирные и целлюлозные слои) являются тонкими и представляют собой рациональный выбор для подложки. Тонкое волокно, наносимое на подложку, добавляет менее 5 мкм толщины всей фильтровальной перегородки, содержащей подложку плюс тонкое волокно. Во время работы фильтр может задерживать частицы механических примесей, проходящие на подложку или через тонкое волокно, при этом на поверхности фильтра может накапливаться значительное количество уловленных частиц. Частицы, включающие в себя пыль или других примеси, быстро образуют осадок на поверхности слоя тонкого волокна, который поддерживает высокую начальную эффективность очистки от механических примесей и общую эффективность очистки всего материала. Даже при относительно малых размерах частиц примесей - примерно 0,01-1 мкм, фильтрующий материал, содержащий тонкое волокно, имеет очень высокую пылеемкость (пропускную способность).

Рассматриваемые полимерные материалы обладают значительно повышенной стойкостью к нежелательным воздействиям, таким как нагревание, влажность, высокие скорости потока, закупорка пор или обволакивание, обратная продувка импульсами давления, абразивное действие, субмикронные частицы, очистка используемых фильтров и другие требуемые условия. Улучшенные характеристики микроволокон и нановолокон является результатом улучшенных характеристик полимерных материалов, образующих микроволокна или нановолокна. Кроме того, фильтрующие материалы по настоящему изобретению, полученные из усовершенствованных полимерных материалов по изобретению, обеспечивают ряд преимуществ, включая более высокую эффективность очистки, более низкое гидравлическое сопротивление, высокую долговечность (связанную с выносливостью материала или стойкостью к воздействию окружающей среды) в присутствии абразивных твердых частиц, а также гладкую внешнюю поверхность, не содержащую свободных волокон или нитей. Общая структура фильтрующих материалов позволяет получить более тонкий материал, который характеризуется повышенной площадью фильтрации на единицу объема, сниженной скоростью прохождения через материал, повышенной эффективностью очистки и сниженным гидравлическим сопротивлением.

Тонкое волокно может быть получено из полимерного материала или полимера с добавкой. Предпочтительным вариантом осуществления изобретения является смесь полимеров, содержащая первый полимер и второй полимер, отличающийся от первого (отличающийся типом полимера, молекулярной массой или физическим свойством), которую кондиционируют или обрабатывают при повышенной температуре. Компоненты смеси полимеров могут вводиться в реакцию с получением одного химического вещества или могут комбинироваться физически с получением смешанной композиции путем отжига. Отжиг подразумевает физическое изменение, например, изменение кристалличности, релаксация напряжений и изменение ориентации. Предпочтительно материалы вводят в химическую реакцию с получением единого полимера таким образом, чтобы данные дифференциальной сканирующей калориметрии подтверждали получение единого полимерного материала. При использовании такого материала в сочетании с предпочтительной добавкой на поверхности микроволокна добавка может образовывать покрытие, обеспечивающее такие свойства, как олеофобность, гидрофобность или другие качества, обусловливающие повышенную стабильность при контакте с высокими температурами, высокой влажностью и тяжелыми условиями работы. Тонкое волокно этого класса материалов может иметь диаметр от 0,01 мкм до 5 мкм. Такие микроволокна могут иметь гладкую поверхность, содержащую отдельный слой материала добавки или внешнее покрытие из материала добавки, которое частично внедрено в поверхность полимера солюбилизацией, вплавлением или двумя этими методами одновременно. К материалам, предпочтительным для применения в таких смешанных полимерных системах, относятся сополимеры нейлона 6, нейлона 66, нейлона 6-10, нейлона (6-66-610) и другие в основном алифатические линейные нейлоновые композиции. Один из предпочтительных материалов, смола - сополимер нейлона (SVP-651), была исследована для установления молекулярной массы титрованием концевых групп (J.E.Waltz и G.B.Taylor, Determination of molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vol.19, Number 7, pp. 448-450 (1947)). Среднечисленная молекулярная масса (М_n) находилась между 21500 и 24800. Состав композиции оценивался по фазовой диаграмме температуры плавления трехкомпонентного нейлона, содержащего нейлон, нейлон-6 (около 45%), нейлон-66 (около 20%) и нейлон-610 (около 25%) (Page 286, Nylon Plastics Handbook, Mevin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)).

Для материала CVP-651 приведены следующие физические характеристики:

Характеристика	Метод ASTM	Единицы измерения	Типичное значение
Удельная масса	D-792	-	1,08
Водопоглощение (при погружении на 24 ч)	D-570	%	2,5
Твердость	D-240	Твердость по Шору D	65
Температура плавления	Термограмма	°С (°F)	154 (309)

	ДСК
Разрушающее напряжение при растяжении	D-638	МПа (килофунт/дюйм2)	50 (7,3)
Предел текучести
Относительное удлинение при разрыве	D-638	%	350
Модуль изгиба	D-790	МПа (килофунт/дюйм 2)	180 (26)
Объемное удельное сопротивление	D-257	Ом·см	10 12

В таких полимерных системах может использоваться поливиниловый спирт со степенью гидролиза от 87 до 99,9% и более. Полимеры предпочтительно являются сшитыми физическими или химическими агентами. В особо предпочтительном случае используются сшитые полимеры, смешанные с олеофобными и гидрофобными добавками в значительных количествах. Эти поливинилспиртовые в наиболее предпочтительных вариантах сшиты значительными количествами олеофобных или гидрофобных добавок или смешаны с такими добавками.

Другой предпочтительный путь осуществления настоящего изобретения включает полимерный материал одного типа в смеси с композицией добавок для повышения ресурса волокон или рабочих свойств. Предпочтительные полимеры, используемые в данном аспекте изобретения, включают в себя полимеры, полученные как методом конденсации, так и методом полиприсоединения, такие как полимеры на основе нейлона, поливинилиденхлориды, поливинилиденфториды, поливинилспиртовые полимеры и, в частности, те из перечисленных материалов, которые при смешивании с сильноолеофобными и гидрофобными добавками образуют микроволокна или нановолокна, содержащие материалы добавок в составе покрытия на тонковолоконной поверхности. В настоящем изобретении могут быть также использованы смеси аналогичных полимеров, такие как смесь аналогичных нейлонов, аналогичных поливинилхлоридов, смеси поливинилиденхлоридов. Кроме того, в настоящем изобретении используют также смеси полимеров или расплавов различных полимеров. В связи с этим для образования микроволоконных материалов по настоящему изобретению используют совместимые смеси полимеров. В изобретении могут быть использованы композиции добавок, таких как фторсодержащие поверхностно-активные вещества, неионные поверхностно-активные вещества, низкомолекулярные смолы, например трет-бутилфенольная смола с молекулярной массой примерно менее 3000. Смола характеризуется образованием олигомерных связей между фенольными звеньями в отсутствие мостиковых метиленовых групп. Гидроксильные и трет-бутильные группы могут быть хаотично расположены вокруг колец. Образование связей между фенольными звеньями всегда происходит в положении, соседнем с гидроксильной группой. Аналогичным образом полимерный материал может быть смешан с растворимой в спирте нелинейной полимерной смолой, полученной на основе бисфенола А. Такой материал является аналогичным трет-бутилфенольной смоле, описанной выше, тем, что смола образуется с использованием олигомерных связей, которые напрямую соединяют ароматические кольца друг с другом в отсутствие мостиковых групп, таких как алкиленовые или метиленовые группы.

Особенно предпочтительным с точки зрения настоящего изобретения является микроволоконный материал, имеющий размер примерно 0,001-10 мкм. Предпочтительный размер волокон находится между 0,05 и 0,5 мкм. В зависимости от конкретного объекта применения фильтра и наличия функции обратной импульсной продувки волокна могут выбираться с диаметром в интервалах 0,01-2 мкм, 0,005-5 мкм или 0,1-10 мкм. Такие волокна с предпочтительным размером обеспечивают отличную задерживающую способность, легкость чистки фильтра обратной продувкой импульсами давления и другие достоинства. Особенно предпочтительные из предложенных полимерных систем обладают адгезивными свойствами и при контактировании с целлюлозной подложкой приклеиваются к подложке с достаточной силой, что обеспечивает прочное связывание с подложкой и стойкость к отслаиванию при очистке методом обратной импульсной продувки и к другим механическим напряжениям. В этом варианте полимер должен оставаться прикрепленным к подложке в условиях очистки импульсом давления, которые в значительной степени идентичны обычным условиям фильтрации за исключением обратного направления импульса давления по отношению к фильтровальной перегородке. Такая адгезия может возникать за счет действия растворителя при формировании волокон в процессе контактирования волокна с подложкой или в результате последующей обработки волокна на подложке нагреванием или под давлением. Однако характеристики полимера, по всей видимости, имеют большое значение при определении адгезии, например, такие как специфические химические взаимодействия типа водородных связей, контактирование полимера и субстрата при температуре ниже или выше температуры стеклования и состав полимера, включая добавки. Полимеры, пластифицированные растворителем или паром во время склеивания, могут иметь повышенные адгезивные свойства.

Важным аспектом изобретения является возможность использования таких микроволоконных или нановолоконных материалов в фильтровальной перегородке. В такой фильтровальной перегородке предложенные тонковолоконные материалы формируют на подложке фильтра или приклеивают к ней. Могут использоваться подложки из натурального волокна или синтетического волокна, например, материалы из переплетенного штапельного волокна, нетканые материалы из синтетического волокна и нетканые материалы из смесей целлюлозного, синтетического волокна и стекловолокна, нетканые и тканые материалы из стекловолокна, сетчатые материалы из пластиков, полученные как экструзией, так и перфорированием, ультрафильтрующие и микрофильтрующие мембраны из органических полимеров. Затем листовая подложка или целлюлозное полотно может быть использовано для изготовления фильтровальной перегородки, помещаемой в поток текучей среды, например поток воздуха или жидкости, для улавливания из этого потока взвешенных в нем или переносимых им механических примесей. Форма и структура такой фильтровальной перегородки остается на усмотрение конструктора. Важной характеристикой фильтрующих элементов после их изготовления является стойкость к действию температур, влажности или обоих этих факторов. Одним показателем долговечности предложенных фильтрующих материалов является их испытание погружением в теплую воду на значительное время. Такой эксперимент может дать ценную информацию в отношении способности тонкого волокна выдерживать условия повышенной влажности и температуры, а также выдерживать чистку фильтрующего элемента в водных растворах, которые могут содержать значительную долю поверхностно-активных веществ с сильным чистящим эффектом и сильнощелочных материалов.

Предложенные тонковолоконные материалы предпочтительно могут выдерживать погружение в горячую воду, при этом сохраняется по меньшей мере 50% тонких волокон, сформованных на поверхности подложки в качестве активного компонента фильтрующего материала. Сохранение по меньшей мере 50% тонких волокон может обеспечивать значительную эффективность очистки для волокон без потери фильтрационной способности или увеличения противодавления. Наиболее предпочтительно сохранение по меньшей мере 75% (волокон). Толщина типичного тонковолоконного фильтрующего слоя находится в диапазоне примерно 0,001-5 мкм, предпочтительно 0,01-3 мкм, а поверхностная плотность - в диапазоне примерно 0,01-240 мкг/см². В предложенных фильтрах слои тонкого волокна, формируемые на подложке, должны быть практически равномерными по задерживающей способности и расположению волокон. "Практически равномерный" означает, что волокно должно покрывать подложку в достаточной степени, чтобы обеспечивать по крайней мере некоторую измеримую эффективность очистки по всей поверхности покрытой волокном подложки. Удовлетворяющая требованиям фильтрация возможна при широком разбросе параметров применяемого волокна. Соответственно, слои тонкого волокна могут иметь различную площадь перекрытия подложки, поверхностную плотность, толщину и другие характеристики, и при этом подпадать под притязания на данное изобретения. Добавление волокна даже в сравнительно небольшом количестве может повысить эффективность всей фильтровальной перегородки.

В потоке текучей среды, такой как воздух или газ, часто присутствуют частицы механических примесей. Такие механические примеси или их часть необходимо удалять из потока текучей среды. Например, механические примеси часто присутствуют в воздухе, подаваемом в кабины транспортных средств, содержащемся в дисководах компьютеров, использующемся в системах нагревания, вентиляции и кондиционирования воздуха, приточной вентиляции помещений и окружающем места использования мешочных фильтров, тканевых перегородок, тканых материалов, в воздухе на входе в двигатели транспортных средств или в энергооборудование, в газовых потоках на входе в газовые турбины, а также в воздухе, направляемом в различные пламенные печи. В случае использования фильтров для очистки воздуха, подаваемого в кабины или салоны транспортных средств, удаление механических примесей желательно для комфорта пассажиров и/или из эстетических соображений. Что касается подачи воздуха и газов в двигатели, газовые турбины и пламенные печи, то удаление механических примесей целесообразно потому, что такие частицы могут серьезно нарушить работу внутренних элементов различных соответствующих механизмов. В других случаях механические примеси могут содержаться в промышленных газах, отходящих технологических газах или выхлопных газах двигателей. Перед тем как направить эти газы через различные аппараты, расположенные за источником таких газов, в атмосферу, может потребоваться их существенная очистка от механических примесей.

Основные принципы и задачи проектирования воздушных фильтров можно понять, рассмотрев следующие типы фильтрующих материалов (фильтровальных перегородок): листовые и зернистые. Каждый из этих типов фильтровальных перегородок глубоко изучен и нашел широкое применение. Некоторые относящиеся к ним принципы описаны, например, в патентах США №5082476, 5238474 и 5364456. Полное описание этих трех патентов включено в данную заявку путем ссылки.

Ресурс фильтра обычно ограничен заданным предельным перепадом давления на фильтре. Постепенный рост перепада давления на фильтре определяет ресурс фильтра на заданном уровне для конкретного варианта применения или конкретной конструкции. Поскольку такой рост перепада давления является следствием накопления осадка на фильтре, больший ресурс обычно прямо соотносится с большей производительностью. Эффективность очистки - это способность фильтрующего материала задерживать механические примеси, пропуская переносящую их фильтруемую среду. Очевидно, что чем эффективнее фильтрующий элемент очищает поток газа от механических примесей, тем быстрее этот фильтрующий элемент, как правило, достигает предельной разности давлений, ограничивающей ресурс (при прочих переменных, сохраняющих постоянное значение). В данной заявке термин "без изменений для целей фильтрации" означает сохранение эффективности очистки, достаточной для такого улавливания механических примесей из потока текучей среды, которое необходимо в конкретном варианте применения.

Полимерные материалы используются при производстве текстильных тканей, нетканых материалов, волокон и микроволокон. Полимерный материал обладает физическими свойствами, необходимыми для обеспечения стабильности изготовленного из него продукта. Такие материалы не должны значительно меняться в размерах, иметь слишком малую молекулярную массу, терять эластичность или иметь склонность к трещинообразованию от напряжения или разлагаться физически под действием солнечного света, влажности, высоких температур или других отрицательных факторов окружающей среды. Изобретение относится к усовершенствованному полимерному материалу, который может сохранять свои физические качества в условиях воздействия электромагнитного излучения, такого как солнечный свет, температуры, влажности и других неблагоприятных физических факторов.

К полимерным материалам, которые могут использоваться в полимерных композициях, относятся как полимеры, полученные методом полиприсоединения, так и полимеры, полученные методом поликонденсации, например полиолефин, полиацеталь, полиамид, полиэфир, простой и сложный эфиры целлюлозы, полиалкиленсульфид, полиариленоксид, полисульфон, модифицированные полисульфоновые полимеры, а также их смеси. К предпочтительным материалам, входящим в эти общие классы веществ, относятся полиэтилен, полипропилен, поли(винилхлорид), полиметилметакрилат (и другие акриловые смолы), полистирол и их сополимеры (в том числе блок-сополимеры типа АВА - сополимер акрилонитрила, бутадиена и акрилата), поли(винилиденфторид), поли(винилиденхлорид), поливиниловый спирт с различной степенью гидролиза (87-99,5%) в сшитом и несшитом состояниях. Предпочтительные полимеры, полученные методом полиприсоединения, обладают определенной стекловидностью (температура стеклования выше комнатной температуры). Это относится к поливинилхлориду, полиметилметакрилату, полимерным композициям или сплавам на основе полистирола. Другие материалы имеют низкую кристалличность, как поливинилиденфторид и поливинилспиртовые материалы. Один класс полиамидных полимеров, полученных методом поликонденсации, составляют нейлоновые материалы. Термин "нейлон" объединяет все синтетические длинноцепные полиамиды. Как правило, система обозначения нейлонов содержит последовательность чисел, например обозначение "нейлон-6,6" указывает на то, что исходными материалами являются С₆-диамин и С ₆-дикарбоновая кислота (первая цифра означает С₆ -диамин, а вторая -соединение С₆-дикарбоновой кислоты). Еще один нейлон может быть получен поликонденсацией -(С₆)капролактама (или других C_6-12 лактамов) в присутствии небольшого количества воды. Продуктом этой реакции является нейлон-6 (полученный из циклического лактама, также известного как -аминокапроновая кислота), который является линейным полиамидом. Возможно также применение сополимеров нейлона. Сополимеры можно получить комбинированием различных диаминовых соединений, различных соединений дикарбоновой кислоты и различных структур циклического лактама в реакционной смеси и последующим получением нейлона с произвольным положением мономеров в полиамидной структуре. Например, нейлон-6,6-6,10 - это нейлон, полученный из гексаметилендиамина и смеси С₆ и С₁₀-дикарбоновых кислот. Нейлон-6-6,6-6,10 - это нейлон, полученный сополимеризацией -аминокапроновой кислоты, гексаметилендиамина и смеси С ₆ и С₁₀-дикарбоновых кислот.

В предложенном способе также применимы блок-сополимеры. Для таких сополимеров важен выбор агента, вызывающего набухание в растворителе. Выбирают такой растворитель, чтобы оба блока были растворимы в растворе. Одним примером является полимер АВА (стирол-ЕР-стирол) или АВ (стирол-ЕР) в метиленхлоридном растворителе. Если один компонент нерастворим в растворе, то он образует гель. Примерами таких блок-сополимеров являются блок-сополимер стирола и бутадиена и блок-сополимер стирола и гидрогенизированного бутадиена (этиленпропилена) типа Kraton®, блок-сополимер -капролактама и этиленоксида типа Pabex®, блок-сополимер полиэфира и этиленоксида и полиуретанов этиленоксида и изоцианатов типа Sympatex®.

Полимеры, получаемые методом полиприсоединения, такие как поливинилиденфторид, синдиотактический полистирол, сополимер винилиденфторида и гексафторпропилена, поливиниловый спирт, поливинилацетат, аморфные полимеры, получаемые методом полиприсоединения, 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, можно относительно легко формовать из раствора, так как они растворимы при низких температурах и давлениях. Однако для формования из раствора полимеров с высокой кристалличностью, таких как полиэтилен и полипропилен, необходима высокая температура и высокое давление растворителя. Поэтому полиэтилен и полипропилен очень трудно формуются из раствора. Одним возможным способом производства нановолокон и микроволокон является электростатическое электроформование из раствора.

Также было установлено, что существенные преимущества дает использование полимерных композиций из двух или более полимерных материалов в форме смеси или сплава полимеров или сшитой структуры с химическими связями. Такие полимерные композиции улучшают физические качества благодаря изменению свойств полимера, например улучшению гибкости или мобильности цепочек, повышению общей молекулярной массы и упрочнению структуры за счет образования сетки полимерных материалов.

В одном варианте реализации этой концепции улучшение качеств может быть достигнуто смешением двух родственных материалов. Например, можно смешивать высокомолекулярный поливинилхлорид и низкомолекулярный поливинилхлорид. Аналогичным образом можно смешивать высокомолекулярный нейлоновый материал и низкомолекулярный нейлоновый материал. Кроме того, можно целенаправленно смешивать различные виды полимеров из одного рода. Например, можно смешивать высокомолекулярный стироловый материал и ударопрочный низкомолекулярный полистирол. Материал из семейства нейлона-6 можно смешивать с нейлоновым сополимером, таким как нейлон-6;6,6;6,10. Кроме того, поливиниловый спирт, имеющий низкую степень гидролиза, например 87%-гидролизованный поливиниловый спирт, можно смешивать с полностью гидролизованным или сверхгидролизованным поливиниловым спиртом со степенью гидролиза 98 и 99,9% и выше. Все эти материалы в смеси могут быть сшиты с помощью соответствующих механизмов сшивания. Нейлоны можно сшивать сшивающими агентами, взаимодействующими с атомом азота в амидной связи. Поливинилспиртовые материалы можно сшивать веществами с активной гидроксильной группой, например моноальдегидами, такими как формальдегид, мочевины, меламинформальдегидная смола и ее аналоги, борные кислоты и другие соединения, диальдегидами, дикарбоновыми кислотами, уретанами, эпоксидными смолами и другими известными сшивающими агентами. Технология сшивания полимеров является широко известным и понятным явлением, в котором сшивающий агент вступает во взаимодействие с цепочками полимера и образует ковалентные связи между ними, что существенно повышает молекулярную массу, химическую стойкость и стойкость к ухудшению механических свойств.

Установлено, что добавки могут значительно улучшить качества полимерных материалов в виде тонкого волокна. Стойкость к воздействию высоких температур, влажности, ударных нагрузок, механических напряжений и других негативных факторов окружающей среды может быть значительно повышена благодаря присутствию добавок. Установлено, что при обработке предложенных микроволоконных материалов введение добавок может улучшить олеофобные качества, гидрофобные качества материалов, а также, по всей видимости, способствовать повышению их химической стойкости. Предложенное тонкое волокно в форме микроволокна имеет улучшенные характеристики благодаря наличию этих олеофобных и гидрофобных добавок, так как эти добавки образуют защитное покрытие, абляционное покрытие или проникают в материал на некоторую глубину, улучшая его качества. Мы полагаем, что важной характеристикой этих материалов является наличие сильногидрофобной группы, которая в предпочтительном случае также может иметь олеофобный характер. К сильногидрофобным группам относятся фторуглеродные группы, гидрофобные углеводородные поверхностно-активные вещества или блоки, а также по существу углеводородные олигомерные композиции. Эти материалы получают в композициях, где часть молекулы, более или менее совместимая с полимерным материалом, создает физическую связь или ассоциацию с полимером, тогда как сильногидрофобная или олеофобная группа, в результате ассоциации добавки с полимером, образует защитный слой, который покрывает поверхность материала или сплавлен с поверхностными слоями полимера (смешан с ними). Добавка может использоваться в количестве примерно 1-25% от общего веса волокна. Для волокна толщиной 0,2 мкм с 10%-ным содержанием добавок толщина поверхностного слоя оценивается величиной около 50 å, если добавка мигрировала к поверхностному слою полимера. Предполагается, что миграция происходит из-за несовместимости природы олеофобных или гидрофобных группы и основного материала. Толщина 50 å представляется приемлемой для защитного покрытия. Для волокна с диаметром 0,05 мкм толщина 50 å соответствует массовой доле покрытия 20%. Для волокна толщиной 2 мкм толщина 50 å соответствует массовой доле покрытия 2%. Предпочтительно добавки применяются в количествах примерно 2-25 мас.%. Применимая толщина поверхностного слоя может составлять от 10 до 150 å.

К олигомерным добавкам, которые могут использоваться в сочетании с предложенными полимерными материалами, относятся олигомеры, имеющие молекулярную массу примерно 500-5000, предпочтительно 500-3000, в том числе фторсодержащие вещества, неионные поверхностно-активные вещества и низкомолекулярные смолы и олигомеры. Фторорганическими смачивающими агентами, применимыми в данном изобретении, являются органические молекулы, представленные формулой

R_f -G

где R_f является фторалифатическим радикалом, a G является группой, содержащей по меньшей мере одну гидрофильную группу, такую как катионная, неионная или амфотерная группа. Предпочтение отдается неионным материалам. R_f является фторированным моновалентным алифатическим радикалом, содержащим по меньшей мере два атома углерода. Предпочтительно он является насыщенным перфторалифатическим моновалентным органическим радикалом. Однако в качестве заместителей на цепочке скелета могут присутствовать атомы водорода или хлора. Хотя удовлетворительный результат могут дать и радикалы с большим числом атомов углерода, предпочтение отдается соединениям, содержащим не более примерно 20 атомов углерода, так как для больших радикалов обычно характерно менее эффективное использование фтора, чем это возможно с более короткими цепочками скелета. Предпочтительно R_f содержит примерно 2-8 атомов углерода.

Катионные группы, применимые во фторорганических агентах, используемых в данном изобретении, могут включать в себя аминную или четвертичную аммониевую катионную группу, которая может быть бескислородной (например, -NH₂) или кислородсодержащей (например, оксиды амина). Такие аминные и четвертичные аммониевые катионные гидрофильные группы могут иметь такие формулы, как -NH₂, -(NH₃)Х, -(NH(R²) ₂)X, -(NH(R²)₃)X или -N(R₂ )₂ O, где х - анионный противоион, такой как галогенид, гидроксид, сульфат, бисульфат или карбоксилат, R² представляет собой водород или C_1-18 алкильную группу, и каждая группа R² может иметь такое же значение, как и другие группы R², или отличающееся значение. Предпочтительно R² представлен водородом или C_1-16 алкильной группой, а Х - галогенидом, гидроксидом или бисульфатом.

Анионные группы, применимые во фторорганических смачивающих агентах, используемых в данном изобретении, включают в себя группы, которые при ионизации могут стать радикалами анионов. Эти анионные группы могут иметь такие формулы, как -СООМ, -SO₃М, -OSO ₃М, -РО₃НМ, -ОРО₃М₂, или -ОРО₃НМ, где М является водородом, ионом металла, (NR¹ ₄)⁺ или (SR¹ ₄)⁺, где каждый R¹ независимо представлен водородом Н или замещенным или незамещенным C ₁-C₆ алкилом. Предпочтительно М представлен Na⁺ или К⁺. Предпочтительные анионные группы фторорганических смачивающих агентов, используемых в данном изобретении, имеют формулу -СООМ или SO₃М. К группе анионных фторорганических смачивающих агентов относятся анионные полимерные материалы, обычно получаемые из ненасыщенных этиленом мономеров одноосновных и двухосновных карбоновых кислот с присоединенными боковыми фторуглеродными группами. К таким материалам относятся поверхностно-активные вещества от компании "3М Corporation", известные под обозначениями FC-430 и FC-431.

К амфотерным группам, применимым во фторорганических смачивающих агентах, используемых в данном изобретении, относятся группы, которые содержат по меньшей мере одну катионную группу, определенную выше, и по меньшей мере одну анионную группу, определенную выше.

К неионным группам, применимым во фторорганических смачивающих агентах, используемых в данном изобретении, относятся группы, которые являются гидрофильными, но при обычных рН, соответствующих стандартным условиям сельскохозяйственного применения, не ионизируются. Эти неионные группы могут иметь такие формулы, как -O(СН₂СН₂)хОН, где х - число, большее 1, -SO₂NH₂, -SO₂ NHCH₂CH₂OH, -SO₂N(CH₂ CH₂H)₂, -CONH₂, -CONHCH ₂CH₂OH или -CON(CH₂CH₂ OH)₂. Примерами подобных материалов являются материалы следующей структуры:

F(CF₂CF₂) _n-CH₂CH₂O-(CH₂CH₂ O)_m-H

где n - число от 2 до 8, a m - число от 0 до 20.

Другими фторорганическими смачивающими агентами являются катионные фторсодержащие вещества, описанные, например, в патентах США №2764602, 2764603, 3147064 и 4069158. К амфотерным фторорганическим смачивающим агентам относятся амфотерные фторсодержащие вещества, описанные, например, в патентах США №2764602, 4042522, 4069158, 4069244, 4090967, 4161590 и 4161602. К неионным фторорганическим смачивающим агентам относятся неионные фторсодержащие вещества, описанные, например, в патентах США №2803656, 3255131, 3450755 и 4090967.

Примерами таких материалов являются неионные поверхностно-активные вещества duPont Zonyl FSN и duPont Zonyl FSO. Иного рода добавками, применимыми в предложенных полимерах, являются низкомолекулярные фторуглеродные акрилаты, такие как материал "Scotchgard" от компании "3М" со следующей общей структурой:

CF₃(СХ₂ )_n-акрилат

где х имеет значение -F или -CF ₃, a n - число от 1 до 7.

Кроме того, в качестве добавок в предложенные полимеры могут использоваться неионные углеводородные поверхностно-активные вещества, в том числе этоксилаты низших спиртов, этоксилаты жирных кислот, нонилфеноловые этоксилаты и т.д. Примерами таких материалов являются Triton X-100 и Triton N-101.

Полезными в качестве добавки в предложенных композициях являются олигомеры третичного бутилфенола. Такие материалы можно отнести к классу ароматических фенольных смол со сравнительно низкой молекулярной массой. Такие смолы являются фенольными полимерами, получаемыми ферментативным окислительным взаимодействием. У таких материалов отсутствие метиленовых мостиков обусловливает их уникальную химическую и физическую стабильность. Эти фенольные смолы можно сшивать различными аминами и эпоксидными смолами, и они совместимы с различными полимерными материалами. Эти материалы обычно представляют следующими структурными формулами, отличающимися наличием повторяющихся фенольных материалов при отсутствии метиленовых мостиковых групп, имеющих фенольные и ароматические группы.

где n - число от 2 до 20. Примерами этих фенольных материалов являются материалы Enzo-BPA, Enzo-BPA/phenol, Enzo-TBP, Enzo-COP и другие аналогичные фенольные материалы производства компании "Enzymol International Inc.", находящейся в г.Колумбус, штат Огайо.

Следует иметь в виду, что существует огромное количество разнообразных волокнистых фильтрующих материалов, созданных для разных вариантов применения. Предложенные долговечные нановолокна и микроволокна можно использовать в сочетании с любыми из этих материалов. Предложенные волокна также можно использовать для замены волокнистых компонентов этих существующих материалов с получением значительного преимущества с точки зрения улучшенных характеристик материала (повышенная эффективность очистки и/или пониженный перепад давления) благодаря их малому диаметру при большей долговечности.

Предложенный фильтрующий материал включает в себя первый проницаемый слой из грубых волокон или подложку, содержащую первую поверхность. К первой поверхности первого слоя проницаемого материала из грубых волокон прикреплен первый слой тонковолоконного фильтрующего материала. Первый слой проницаемого материала из грубых волокон предпочтительно включает волокна со средним диаметром по крайней мере 10 мкм, обычно и предпочтительно примерно от 12 (или 14) до 30 мкм. Первый слой проницаемого материала из грубых волокон предпочтительно включает также материал с поверхностной плотностью примерно не более 200 г/м², предпочтительно примерно от 0,50 до 150 г/м ² и наиболее предпочтительно по меньшей мере 8 г/м ². Толщина первого слоя проницаемого материала из грубых волокон предпочтительно составляет по крайней мере 0,0005 дюймов (12 мкм), обычно и предпочтительно - примерно от 0,001 до 0,030 дюймов (25-800 мкм).

В предпочтительных устройствах первый слой проницаемого материала из грубых волокон включает материал, который при отделении от остальной конструкции в ходе испытаний на воздухопроницаемость по Фразиеру (Frazier) проявляет воздухопроницаемость, равную по меньшей мере 1 м/мин, и обычно и предпочтительно примерно 2-900 м/мин. Термин "эффективность", использованный в данной заявке, если не указано особо, означает эффективность, измеренную согласно методике ASTM-1215-89 с использованием сферических монодисперсных полистирольных частиц размером 0,78 мкм при расходе 20 футов/мин (6,1 м/мин), как описано в данной заявке.

Слой тонковолоконного материала предпочтительно прикреплен к первой поверхности проницаемого материала из грубых волокон и представляет собой слой нано- и микроволоконного материала, причем средний диаметр волокон составляет не более 2 мкм, в основном и предпочтительно не более примерно 1 мкм и обычно и предпочтительно менее 0,5 мкм в диапазоне примерно от 0,05 до 0,5 мкм. Первый слой тонковолоконного материала предпочтительно прикреплен к первой поверхности первого слоя проницаемого материала из грубых волокон и имеет общую толщину не более примерно 30 мкм, более предпочтительно не более 20 мкм, наиболее предпочтительно не более примерно 10 мкм и обычно и предпочтительно в диапазоне толщины, которая примерно в 1-8 раз (и предпочтительно не более чем в 5 раз) больше среднего диаметра тонкого волокна в слое.

Некоторые предпочтительные устройства по настоящему изобретению включают фильтрующий материал в общей фильтрующей конструкции, как описано в общем виде. Некоторые предпочтительные устройства для такого использования включают в себя фильтрующий материал, расположенный в виде цилиндрической гофрированной конфигурации, причем гофры в основном расположены в продольном направлении, то есть вдоль продольной оси цилиндрического тела. В таких устройствах фильтрующий материал может быть заделан в торцовые крышки, как в обычных фильтрах. При необходимости такие устройства могут содержать входной и выходной наружные слои, используемые для типовых обычных задач.

В некоторых вариантах применения предложенный фильтрующий материал может быть использован в сочетании с другими типами материалов, например обычными материалами, для повышения общей эффективности фильтрации или ресурса. Например, фильтрующие материалы по настоящему изобретению могут быть нанесены в виде слоя на обычный материал, использованы в секционных установках или встроены (как одно целое) в структуры фильтрующего материала, включающего один или несколько участков обычного материала. Указанные фильтры могут быть установлены перед такими материалами, чтобы обеспечить высокую емкость, и/или могут быть использованы после обычного материала в качестве фильтра высокой эффективности для окончательной очистки.

Определенные устройства по настоящему изобретению могут быть также использованы в фильтрующих системах для жидкостей, то есть в которых твердые частицы, предназначенные для отделения фильтрацией, содержатся в жидкости. Определенные устройства по настоящему изобретению могут быть также использованы для сбора тумана, например, в устройствах для удаления мелкодисперсного тумана из воздуха.

В настоящем изобретении разработаны способы фильтрации. В основном способы включают использование фильтрующих материалов, преимущества которых описаны в данной заявке. Как показано в описании и следующих примерах, фильтрующие материалы по настоящему изобретению могут быть специально изготовлены и выгодно сконструированы для обеспечения относительно долгосрочного ресурса в относительно эффективных системах.

Различные конструкции фильтров представлены в патентах, в которых описаны и заявлены различные аспекты фильтровальных перегородок и структур, используемых с фильтрующими материалами. В патенте США №4720292 (Engel и соавт.) описан радиальный уплотнительный элемент для узла фильтра, включающий, в основном, цилиндрическую конструкцию фильтрующего элемента, причем фильтрующий элемент уплотнен относительно мягкой резиноподобной торцовой крышкой, имеющей цилиндрическую внутреннюю поверхность. В патенте США №5082476 (Kahlbaugh и соавт.) описана фильтрующая конструкция с использованием объемного фильтрующего материала, включающего пенопластовую основу с гофрированными компонентами, смешанными с микроволоконными материалами по настоящему изобретению. В патенте США №5104537 (Stifelman и соавт.) описана фильтровальная перегородка, используемая для фильтрации жидких сред. Жидкость поступает в корпус фильтра, проходит через внешнее пространство фильтра в кольцевое внутреннее пространство, а затем возвращается для активного использования в структуре. Такие фильтры являются пригодными для фильтрования гидравлических жидкостей. В патенте США №5613992 (Engel и соавт.) представлена структура типичного фильтра для воздухозаборника дизельного двигателя. В описанной конструкции воздух поступает из внешнего пространства корпуса, который может содержать или не содержать захваченную влагу. Воздух проходит через фильтр, в то время как влага может быть направлена в нижнюю часть корпуса и может быть удалена из корпуса. В патенте США №5820646 (Gillingham и соавт.) описана зетобразная фильтровальная перегородка, в которой использована специфическая конструкция гофрированного фильтра, включающая закрытые каналы, обеспечивающие прохождение жидкого потока через по меньшей мере один слой фильтрующего материала по зетобразному пути, что позволяет получить соответствующую эффективность фильтрации. Фильтрующие материалы, упакованные в зетобразную форму, могут содержать тонковолоконные фильтрующие материалы по настоящему изобретению. В патенте США №5853442 (Glen и соавт.) описана структура пылеуловительной камеры с рукавными фильтрами, содержащая фильтрующие элементы, которые могут содержать тонковолоконные структуры по настоящему изобретению. В патенте США №5954849 (Berkhoel и соавт.) описана конструкция пылесборника, используемого для очистки сильно запыленного воздуха из места механической обработки деталей, то есть процесса, сопровождающегося значительным выбросом пыли в окружающий воздух. Наконец, в патенте США на промышленный образец №425189 (Gillingham) описан панельный фильтр с использованием зетобразной конструкции.

Материал может представлять собой синтетический полиэфирный материал, материал из целлюлозы или смесь этих типов материалов. Ниже приведены характеристики пригодного целлюлозного материала: поверхностная плотность примерно 45-55 фунт/3000 фут² (84,7 г/м²), например 48-54 фунт/3000 фут²; толщина примерно 0,005-0,015 дюймов, например около 0,010 дюймов (0,25 мм); проницаемость по Фразиеру примерно 20-25 фут/мин, например около 22 фут/мин (6,7 м/мин); размер пор примерно 55-65 мкм, например около 62 мкм; предел прочности при растяжении в мокром состоянии по меньшей мере около 7 фунт/дюйм, например 8,5 фунт/дюйм (3,9 кг/дюйм), предел прочности при отрыве от машины в мокром состоянии примерно 15-25 фунт/дюйм ², например около 23 фунт/дюйм² (159 кПа). Такой целлюлозный материал может быть покрыт тонким волокном, например волокном с размером (диаметром) 5 мкм или меньше, а в некоторых случаях - менее одного микрометра. Для укладки тонкого волокна на материал может использоваться ряд способов, если желательно использовать тонкое волокно. Такие технологии описаны, например в патенте США №5423892, кол.32, строки 48-60. В частности, такие способы описаны в патентах США №3878014, 3676242, 3841953 и 3849241, включенных в данную заявку путем ссылки. Достаточным обычно можно считать количество тонкого волокна, когда испытание на эффективность очистки отдельного слоя по стандарту J726C SAE (Общество инженеров-автомобилестроителей) с использованием мелкодисперсной пыли дает результат 50-90%, а для общей эффективности очистки - более 90%.

Примеры фильтров, в которых применимо настоящее изобретение, описаны в патенте США №5829646, включенном в данную заявку путем ссылки. В другом характерном варианте фильтра фильтрующая конструкция гофрированная содержит (на чертежах не показана) клиновидные гофры. "Клиновидные" означает, что гофры расширяются по своей длине, в результате чего у гофров выходное отверстие больше входного отверстия. Такие фильтрующие конструкции описаны в заявке на изобретение США №08/639220, включенной в данную заявку путем ссылки. Подробности касательно тонкого волокна, используемых в нем материалов и технологий его получения, раскрыты в заявке на изобретение США №09/871583, включенной в данную заявку путем ссылки.

Подробное описание чертежей

На фиг.1 дано графическое представление экспериментальных данных, позволяющих сравнить общую эффективность очистки трех различных фильтрующих конструкций. Первая конструкция представлена фильтрующим элементом, выпускаемым в промышленных масштабах. Это цилиндрический фильтрующий элемент, сделанный из складчатой подложки, выполненной из непрерывного нетканого полотна из обработанной целлюлозы и синтетического материала. Высота фильтра примерно 675 мм, и диаметр - примерно 325 мм, размер складок около 51 мм. Этот фильтр, находящийся в массовом производстве и не имеющий тонкого волокна, сравнивается с фильтрующим материалом, имеющим один слой тонкого волокна на одной стороне подложки, и с фильтрующим материалом, имеющим по одному слою тонкого волокна на обеих сторонах материала подложки. Материалы с односторонним и двусторонним расположением тонкого волокна имели аналогичное строение, что позволило убедиться в том, что один слой тонкого волокна обеспечивает определенный уровень эффективности очистки, тогда как два слоя обеспечивает существенно повышенную эффективность очистки. В результате, при прохождении движущейся среды через два слоя тонкого волокна общая эффективность очистки существенно повышается. Слой подложки (без тонкого волокна), представленный на рассматриваемой фигуре, практически во всех случаях имеет значительно худшую эффективность очистки, чем материал с одним или двумя слоями тонкого волокна. Фильтрующий материал с одним слоем демонстрирует хороший уровень эффективности очистки. Материал же с двумя слоями демонстрирует максимальную эффективность. Таким образом, можно создать фильтрующий материал с любым произвольным уровнем эффективности очистки, снабдив его двумя или более слоями тонкого волокна, которые обеспечивают дополнительный прирост общей эффективности очистки фильтровальной перегородки. В этом эксперименте фильтрующий материал с двусторонним расположением тонкого волокна оказался лучше материала с односторонним расположением тонкого волокна на 5-10% в зависимости от размера. Согласно этому эксперименту, добавление к материалу с двусторонним расположением тонкого волокна еще одного слоя тонкого волокна смогло повысить эффективность очистки тонковолоконного материала еще на 2-5%. Добавление к испытуемому материалу с двусторонним расположением тонкого волокна еще одного материала с двусторонним расположением тонкого волокна (т.е. увеличение числа слоев тонкого волокна до четырех) дополнительно повысило эффективность очистки на 3-10% в зависимости от размера улавливаемых частиц.

На фиг.2 показана рабочая характеристика большой высокомощной газотурбинной силовой установки. На фиг.2 показана кривая изменения выходной мощности газотурбинного двигателя, в которой использовались фильтр с одним слоем тонкого волокна высокой эффективности очистки согласно изобретению, в сравнении с фильтром, состоящим только из обычных фильтровальных подложек. Как видно на графике, за период 80 дней снижение мощности газотурбинного двигателя быстро становится значительным. Это снижение мощности объясняется ухудшением рабочих характеристик турбины из-за загрязнения турбинных лопаток проходящим через фильтр материалом, а также закупориванием фильтра механическими примесями. Использование слоя тонкого волокна с высокой эффективностью очистки привело к менее чем 2%-ному снижению выходной мощности за период 60-80 дней. В данном варианте применения минимизация снижения мощности - это значительное преимущество для газотурбинной энергоустановки. Эти данные были получены путем измерения выходной мощности двух идентичных и испытывавшихся параллельно газотурбинных двигателей, один из которых имел обычный фильтр, а другой - фильтр с тонким волокном, имеющий высокую эффективность очистки.

На фиг.3 представлены данные о повышении перепада давления при фильтрации потока с капельной взвесью частиц (аэрозолем) минерального масла фильтром с различными одиночными слоями тонкого волокна на подложке. Мы полагаем, что минеральное масло при контакте со слоем тонкого волокна образует масляную пленку, закупоривающую поры слоя тонкого волокна. По мере закупоривания пор перепад давления растет. Эти данные показывают, что слой тонкого волокна со сравнительно низкой эффективностью очистки (например, 45%) имеет небольшую склонность вызывать повышение перепада давления, тогда как использование слоя тонкого волокна с повышенной эффективностью очистки (например, 60%) приводит к существенному повышению перепада давления. Эти данные показывают, что, в зависимости от способности улавливаемого материала забивать тонкое волокно, сниженная эффективность очистки может существенно увеличить ресурс фильтра. При рассмотрении совместно с фиг.1 эти данные показывают, что парное применение слоев тонкого волокна может повысить эффективность очистки (дополнительно свыше 90%), одновременно сохраняя небольшой прирост перепада давления за счет слоев с низкой эффективностью очистки. Это особенно наглядно видно из очень быстрого роста перепада давления при использовании слоя с эффективностью очистки 90%, который, сразу после начала забивания фильтра минеральным маслом, достигает неприемлемо высокого перепада давления в течение нескольких минут после начала эксперимента. Поскольку многие фильтрующие материалы изготавливаются исходя из заданной эффективности очистки 90% и выше, использование единственного слоя тонкого волокна с высокой эффективностью может вызвать серьезные проблемы с работой оборудования, тогда как материал с общей эффективностью очистки 90% можно получить, используя два или более слоя тонкого волокна, имеющих существенно сниженную эффективность очистки, и при этом избежав динамики повышения перепада давления, характерной для одного слоя. Испытания по определению ресурса или характера повышения перепада давления проводились путем использования в фильтруемой среде вышеупомянутых аэрозолей. Испытания по определению эффективности очистки проводились по методу ASTM-1215-89 с использованием монодисперсного полистирольного латекса с размером частиц 0,78 мкм при скорости фильтрации 20 фут/мин (0,1 м/с).

На фиг.4 и 5 представлены аналогичные соотношения эффективности очистки и динамики перепада давления, полученные при испытании фильтрующих материалов в потоке, содержащем частицы сажи или мелкодробленого кварца по стандарту SAE или такие примеси в сочетании с минеральным маслом. Эти данные, в частности, показывают, что добавление к твердым частицам минерального масла может привести к очень быстрому росту давления. Как и ранее рассмотренных случаях, использование двух или более слоев, каждый из которых имеет уменьшенную эффективность очистки, позволяет сохранять общую эффективность фильтрующего материала, при этом снижая перепад давления. Испытания по определению ресурса или характера повышения перепада давления проводились путем использования в фильтруемой среде вышеупомянутых аэрозолей. Испытания по определению эффективности очистки проводились по методу ASTM-1215-89 с использованием монодисперсного полистирольного латекса с размером частиц 0,78 мкм при скорости фильтрации 20 фут/мин (0,1 м/с).

На фиг.6 схематично в виде сбоку представлена предложенная структура 60 фильтрующего материала с двусторонним расположением тонкого волокна. В частности, на фиг.6 показана слоистая структура с двумя слоями тонкого волокна 61, 62 на подложке 63. Слои тонкого волокна 61, 62 в целом тоньше, чем подложка 63. Слои тонкого волокна 61, 62 обычно плотно приклеены к подложке 63, без сколь-нибудь существенного межслойного пространства.

В качестве минерального масла использовалось "легкое" минеральное масло, имеющее удельную массу 0,855 и вязкость 27 сантистокс при 40°С. Использовалась сажа марки Vulcan XC 72R GP-3059 производства фирмы CABOT Corporation. Испытания проводились при скорости движения фильтруемой среды 25 фут/мин (0,13 м/с). Подача мелкодробленого кварца по стандарту SAE и сажи осуществлялась при помощи лоткового питателя и японского дефлокулятора, соответствующего стандартам ISO. Подача минерального масла осуществлялась распылителем TSI 3576. Давление сжатого воздуха было установлено равным 20 фунт/дюйм² (138 кПа) как для дефлокулятора, так и для распылителя. В эксперименте с мелкодробленым кварцем по стандарту SAE и сажей в сочетании с минеральным маслом масло подавалось на расстоянии приблизительно 2 дюйма (50,8 мм) ниже по потоку от места ввода в поток пыли. В эксперименте с мелкодробленым кварцем по стандарту SAE в сочетании с минеральным маслом массовое соотношение частиц кварца и масла было 5:1. В эксперименте с сажей в сочетании с минеральным маслом массовое соотношение частиц сажи и масла было 1:2. Ниже приведены характеристики исследовавшихся материалов:

- слой подложки - качественное целлюлозное волокно, уложенное в мокром состоянии;

- слой подложки - качественное целлюлозное волокно, уложенное в мокром состоянии, с эффективностью очистки 60%, имеющий один слой тонкого волокна;

- фильтр с эффективностью очистки 45% на грубом холсте Reemay, с одним слоем тонкого волокна;

- фильтр с эффективностью очистки 60% на грубом холсте Reemay, с одним слоем тонкого волокна;

- фильтр с эффективностью очистки 90% на грубом холсте Reemay, с одним слоем тонкого волокна.

Описание эксперимента

Был проведен эксперимент, продемонстрировавший возможность комбинирования на подложке двух отдельных слоев тонкого волокна, каждый из которых имеет уменьшенную эффективность очистки, для получения общей эффективности очистки, большей, чем эффективность очистки каждого отдельного слоя тонкого волокна. В этом эксперименте проводилось сравнение подложки без волокна с подложкой, имеющей один слой тонкого волокна. Эти два материала сравнивались с третьим, имевшим два слоя тонкого волокна, в основном аналогичных единственному слою тонкого волокна в материале с одним слоем. Этот материал с двумя слоями тонкого волокна был обработан путем повторных сворачиваний-разворачиваний и показал механическую стойкость по отношению к обычным условиям изготовления и обработки слоев тонкого волокна. Слои были изготовлены и проверены с использованием обычных средств и методов.

Ниже приводится пример использования подложки с эффективностью LEFS 65%, добавления слоя тонкого волокна с эффективностью LEFS 66% (с получением общей эффективности 88%) и последующего добавления второго слоя тонкого волокна с эффективностью LEFS 66% (с получением общей эффективности 96%). Могут использоваться подложки с эффективностью LEFS от 5% и до 80%. Также можно использовать слой тонкого волокна с более высокой эффективностью очистки на выходной стороне фильтра (так как это уменьшит закупоривание фильтра). Испытания по определению эффективности очистки проводились по методу ASTM-1215-89 с использованием монодисперсного полистирольного латекса с размером частиц 0,78 мкм при скорости фильтрации 20 фут/мин (0,1 м/с).

В нижеследующей таблице приведены данные общей эффективности очистки для фильтровальных перегородок. При проведении испытаний выбирался участок фильтровальной перегородки по ширине листового материала. Образцы материалов брали в положениях 1, 2, 3, соответствовавших центру полотна (положение 2) и ближе к краю полотна (положения 1 и 3). Подложка без тонкого волокна показала общую эффективность очистки около 65% вне зависимости от положения образца. Материал с одним слоем тонкого волокна показал эффективность очистки примерно в интервале 86-89%; разброс значений представляется возможным отнести к погрешности эксперимента.

Таблица 1
Опытный продукт	Положение образца - общая эффективность, %
	1	2	3
Подложка (без волокна)	65	65	65
С одним слоем тонкого волокна	88	86	89
С двумя слоями тонкого волокна	96	95	98
С двумя слоями тонкого волокна, со сворачиванием	94	96	97

У материала с двумя слоями тонкого волокна за счет использования двух слоев эффективность очистки повысилась и составила примерно 95-98%. После сворачивания-разворачивания слоев тонкого волокна, имитировавшего условия производства, существенного уменьшения общей эффективности очистки для фильтровальной перегородки не наблюдалось.

Представленные выше описание изобретения, примеры и данные приведены для лучшего понимания изобретения. Однако возможны различные модификации и варианты воплощения настоящего изобретения. Сущность изобретения выражена в прилагаемой формуле изобретения.