具有改善容量的復合高效過濾介質制造技術

本發明專利技術涉及一種復合過濾介質，其包括含聚合物微纖維和納米原纖化纖維素的基板與一個或多個作為另一選擇的上游深度過濾層的組合。復合過濾介質的實施方式采用設置在基板上游面上的熔噴聚合物或玻璃纖維層。可以在上游深度過濾材料的上游面上施加輕質的保護性紡粘布。一個或多個深度過濾層可以彼此和/或與基板層壓，或者與基板共褶以形成本公開的復合介質。深度過濾層被構造為在燃料流過復合介質的方向上提供正密度梯度，意味著深度過濾介質在燃料流動的方向上密度增大且孔徑減小。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本文公開的實施方式總體上涉及高效且高容量過濾介質，及采用所述介質過濾諸如柴油燃料等液體的過濾器和方法。
技術介紹
對細小顆粒物具有高過濾效率的過濾介質通常要求介質中的孔隙小于粒徑。該介質具有防止細小顆粒物通過介質的“篩”效應。然而，介質中的小孔隙通常導致低滲透性，從而造成介質兩端的高流體壓降。過濾介質除去指定尺寸的顆粒物的有效性被稱為其“效率”。當顆粒物物理地捕集在介質的上游側時，其隨著時間推移會逐漸堵塞介質的孔隙，這反過來會造成介質兩端的流體壓降逐漸增加超出該系統的設計參數。過濾介質也通過在達到介質兩端的預定壓降之前的時間長度來進行評估。這種介質性能的度量被稱為過濾介質的“容量”。如果達到特定的預定壓力過快，則所得介質的容量較低。一般規律為過濾介質所具有的效率越高，其容量越低。很多因素影響柴油燃料過濾器的設計。燃料排放標準變得越來越嚴格，驅使燃料噴射系統轉變為緊密度容限精密部件和更高的噴射壓力。設計用來產生高噴射壓力的泵和精密噴射系統部件可因水、非常小的硬顆粒損壞或因軟顆粒的堆積體堵塞，所以發動機制造商一直在尋求提供非常清潔的干燥燃料的燃料過濾系統。實際的保養周期要求消耗性過濾器組件具有顯著的長壽命，其需要用來分離水、捕集并保留來自大量燃料的多種硬顆粒和軟顆粒的可更換濾芯。現代柴油機僅使用(燃燒)其從油箱中吸出的部分燃料。一大部分從油箱中取出的燃料通過高壓燃料泵循環至在巨大壓力和高溫下運行的噴射器。多余的燃料用于冷卻和潤滑高壓泵和噴射器的精密部件，并且未使用(噴入氣缸內)的燃料在140°F～200°F的溫度下返回油箱。此返回油非常熱，并可以促進聚合反應和燃料分解。最終，來自油箱的越來越多的固形物到達過濾器，并可隨著時間的推移而堵塞過濾器。這些問題在諸如卡車、重型設備、船舶和發電機等商業運行的發動機中不斷出現，也會在游艇、房車和所有類型的燃料儲存罐中出現。遞送至燃燒室的燃料中的瀝青質在燃燒效率和排放上可具有顯著的負面影響。在原油和較重的精制油中，瀝青質具有高度極化的長鏈組分。在某些情況下，這些化合物自身相連以形成復雜的膠體結構。在低硫柴油(LSD–S-500)、高硫柴油(HSD–S-5000)及加熱和船用燃料中，燃料的較高芳香烴含量趨于阻止復雜膠體結構的形成，而限制了該問題。然而，EPA授權的ULSD中芳香烴含量的減少使得此問題與之前所見相比可更早更頻繁地在更低溫度下發生。瀝青質的精確分子結構是很難確定的。因為根據目前對其的了解，瀝青質主要由結合有痕量的重金屬(特別是螯合的釩和鎳)的具有氧、氮和硫雜原子的多芳香碳環單元與不同長度的脂肪族側鏈構成。來自世界各地的很多來自原油的瀝青質包含類似的環單元，其連接在一起產生高度多樣性的大分子。瀝青質具有聚結為含油污泥的傾向。當存在水時，此問題更加嚴重。目前的柴油燃料與15～20年前的柴油顯著不同。過去，精煉廠僅使用一桶原油的約50％來產生諸如汽油、噴氣燃料和柴油燃料等餾分油。該桶原油的剩余部分成為諸如潤滑油和重油等“殘油”。現今，作為不同的精煉技術和添加劑包的結果，精煉廠使用同樣桶的原油的85％以上，其顯然具有燃料穩定性的結果。此外，從2007年開始美國要求的超低硫柴油(ULSD)燃料進一步影響道路柴油機設備中的燃料性能。2014將會看到道路和越野用全部柴油要求使用ULSD。此外，美國一些地區還使用一定比例的生物柴油混合入燃料。所有這些變化可導致燃料的熱穩定性差，并在暴露于燃料噴射系統的泵和熱表面和壓力時趨于形成固形物。這可導致瀝青質聚結、聚合的增加，及燃燒效率的巨大損失。在這種情況下，在現代燃料噴射柴油機中存在的燃料中的大部分顆粒物為諸如瀝青質等軟顆粒。據估計，燃料箱中存在的多達90％的顆粒物為軟顆粒。傳統市售的過濾介質通常包含提供可接受的過濾效率的基礎介質(例如來自100％木漿)，和提供所需的過濾容量的細短纖維的層壓層。然而，過濾效率的標準已經提高，使之前可接受的過濾介質不再足夠。過濾介質的設計強調了介質的孔隙結構，需要均勻的細孔結構來捕集并保留非常小的顆粒。假定孔徑和組成過濾介質的纖維的直徑之間具有直接關系，則獲得具有足夠小的開口來以大于90％的效率除去2微米～4微米尺寸范圍的顆粒的均勻/一致的孔隙結構要求纖維的平均直徑小于1μm，或所謂的“納米纖維”。基本上基于諸如纖維素等天然纖維的現有技術材料通常不能獲得這樣的細顆粒去除效率和可接受的介質兩端的壓降。合意的是，改善過濾介質特別是對于小顆粒的效率，而同時保持所需的過濾、壓降、容量或如破裂強度、整體厚度和剛性等其他屬性。這種過濾介質還應當具有足以進行進一步處理和/或打褶(例如，從而能夠形成包含這種介質的過濾單元)的最小強度。
技術實現思路
本專利技術公開了一種復合過濾介質，其包括含聚合物微纖維和納米原纖化纖維素的基板與一個或多個作為另一選擇的上游深度過濾層的組合。復合過濾介質的實施方式采用設置在基板上游面上的熔噴聚合物或玻璃纖維層。可以在上游深度過濾材料的上游面上施加輕質的保護性紡粘布。一個或多個深度過濾層可以彼此和/或與基板層壓，或者與基板共褶以形成本公開的復合介質。深度過濾層被構造為在燃料流過復合介質的方向上提供正密度梯度，其意味著深度過濾介質在燃料流動的方向上密度增大且孔徑減小。基板提供了對小至4μm的細小顆粒物的高效去除，對小至2μm的顆粒明顯有效地去除。基板基本上由合成微纖維形成，這產生了一致的孔隙結構和高強度。這些增強的特性允許使用具有低壓降的相對薄且輕質的基礎介質，甚至同時實現了高細顆粒效率。基礎介質去除2μm顆粒的效率為78～80％。上游深度過濾材料通過捕集較大顆粒增強了復合介質的顆粒物保持能力和壽命，同時為燃料的流通提供了交替的通道。所選擇的深度過濾材料通過在上游面處或上游面附近具有較大直徑的纖維和在燃料流動方向上具有逐漸減小直徑的纖維來實現所需的正密度梯度和孔徑減小。深度過濾材料可以是由直徑從介質的上游面到下游面減小的纖維構成的單一“分相”材料。替代性的深度過濾材料可以由均勻纖維直徑的不連續層組裝成，每個層被選擇和設置為提供所需的密度/孔隙率梯度。本公開的深度過濾材料的平均直徑在上游面處最大，并且在深度介質的下游面處減小至少約80％。由于非織造網的孔徑和密度與組成纖維的直徑直接相關，本公開的上游深度介質具有正密度梯度，在上游面處更為開放(較不致密)，并且在下游面處更致密且具有更小的孔徑。這種構造在復合介質的上游面處捕集較大的顆粒，而允許燃料和較小的顆粒流入介質的深處，其中較小的顆粒捕集在較小的孔隙中。深度介質下游面處的基礎介質提供了對2μm～4μm直徑范圍內的細顆粒的高效去除。本公開的復合介質在反映了使用復合介質的過濾器裝置的現實使用情況的循環流動測試中是特別有效的。復合介質具有顯著增強的污染物保持容量。可以對深度介質和/或組裝的復合介質進行處理以提高疏水性，這改善了在燃料通過介質時水與燃料的分離。本專利技術包括復合過濾介質，其包括：基本上由直徑小于10μm的合成微纖維形成并包含不超過25重量％ODW的量的原纖化纖維素纖維的非織造基礎介質，所述基礎介質的2μm顆粒去除效率為至少70％。復合過濾介質與設置在所述基礎介質的上游面上的非織造網深度介質層壓或共褶，所述深度介質具有遠本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種過濾介質，其包括：非織造網基礎介質，所述非織造網基礎介質基本上由直徑小于10μm的合成微纖維形成，并包括不超過25重量％ODW的量的原纖化纖維素纖維，所述基礎介質的2μm顆粒去除效率為至少70％；和設置在所述基礎介質的上游面上的非織造網深度介質，所述深度介質具有遠離所述基礎介質的入口面和鄰近所述基礎介質的出口面，所述深度介質具有從所述入口面至所述出口面的正密度梯度，所述深度介質包括具有下述平均直徑的纖維，所述平均直徑在所述深度介質的所述出口面處比所述入口面處的平均纖維直徑小至少80％，其中，所述過濾介質去除4μm顆粒的β為約500。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.08.06 US 62/033,839;2015.07.02 US 62/187,9821.一種過濾介質，其包括：非織造網基礎介質，所述非織造網基礎介質基本上由直徑小于10μm的合成微纖維形成，并包括不超過25重量％ODW的量的原纖化纖維素纖維，所述基礎介質的2μm顆粒去除效率為至少70％；和設置在所述基礎介質的上游面上的非織造網深度介質，所述深度介質具有遠離所述基礎介質的入口面和鄰近所述基礎介質的出口面，所述深度介質具有從所述入口面至所述出口面的正密度梯度，所述深度介質包括具有下述平均直徑的纖維，所述平均直徑在所述深度介質的所述出口面處比所述入口面處的平均纖維直徑小至少80％，其中，所述過濾介質去除4μm顆粒的β為約500。2.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述基礎介質的4μm顆粒去除效率為至少95％，并且過濾容量與介質厚度之比為0.4mg/in2/mils～0.5mg/in2/mils以上。3.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述深度介質包括玻璃纖維微纖維，所述玻璃纖維微纖維在所述入口面處的平均直徑為約2.8μm且在所述出口面處的平均直徑為約560nm。4.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述合成微纖維包括具有非圓形截面形狀的纖維。5.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述深度介質包括聚合物微纖維，所述聚合物微纖維在所述入口面處的平均纖維直徑為約7μm且在所述出口面處的平均纖維直徑為小于1μm。6.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述基礎介質的平均孔徑為3μm～5μm。7.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述原纖化纖維素纖維包括直徑基本上在50nm～500nm范圍內的原纖化萊賽爾纖維。8.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述合成微纖維和所述原纖化纖維素纖維各自具有至少1000的長徑比。9.如權利要求1所述的過濾介質，其中，所述深度介質包括玻璃纖維微纖維且弗雷澤滲透率在9ft3/min/ft2～15ft3...

【專利技術屬性】
技術研發人員：F·F·卡爾卡泰拉，T·格林，厲雷，T·吉爾伯特，V·巴杰帕伊，吳志旺，C·A·泰勒，
申請(專利權)人：克拉克引擎移動解決方案有限責任公司，
類型：發明
國別省市：美國;US