CN102196852A - 用于粒子过滤的过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种过滤介质，其包括载体层(1)和施加于其上的微细纤维层(2)，其是鉴于如下目的：提供一种过滤介质，其在良好级分分离度和很好的粉尘储存能力下显示相对低的压力损失，其特征在于所述载体层(1)具有第一纤维，其设计为连续双组分纤维和纺粘纤维形式，并且所述微细纤维层(2)具有第二纤维，其设计为连续熔喷纤维形式。

Description

用于粒子过滤的过滤介质
技术领域
本发明涉及过滤介质，其包括载体层和施加于其上的微细纤维层。
背景技术
从EP 1 366 791 B1中已知一种类似类型的过滤介质。那里，在载体层上施加精细结构层，其具有纳米范围的静电纺丝纤维。然而，这种过滤介质仅显示相对低的粉尘储存能力。
已知的过滤介质在使用中显示相对高的压力损失，常常不足的级分分离度以及对源于人类和源于生物的类型的粉尘来说仅不足的粉尘储存能力。尤其在过滤大于或等于5μm的源于生物的粒子，例如孢子或花粉(Pollen)，也即花粉(Blütenpollen)的情况下，又对所用过滤介质提出了非常高的要求。
在此尤其存在对过滤介质的要求，即在很高分离能力和流入侧和流出侧之间相对低的压力损失的情况下存在高粉尘储存能力。
发明内容
发明概述
本发明基于的目的因此是，提供过滤介质，其显示在良好的级分分离度和很好的粉尘储存能力的情况下相对低的压力损失。
本发明通过权利要求1的技术特征实现了前文所述目的。
相应地，开头提及的过滤介质的特征在于，所述载体层具有第一纤维，其设计为连续双组分纤维和纺粘纤维形式，而所述微细纤维层具有第二纤维，其设计为连续熔喷纤维形式。
根据本发明，在相对低的压力损失的情况下实现了高度且有效的粒子分离。令人惊讶地已经表明，采用根据本发明的两层过滤介质能够分离尤其是尺寸范围为5至10μm的花粉，也即花粉(Blütenpollen)，而没有在流入侧和流出侧之间发生过大的压力损失。
按照本发明，载体层设计为纺粘织物的形式并且具有连续双组分纤维。按照本发明，第二纤维通过熔喷方法施加并且同样设计为连续的形式。该熔喷层令人惊讶地导致优异的机械粒子分离，特别是优异的源于生物的粒子的分离。
尽管，与现有技术相对照，未使用具有纳米范围的平均纤维直径的精细结构层，而是使用具有微米范围的平均纤维直径的微细纤维层，但实现了很高的级分分离度。
令人惊讶地进一步发现，由相对高孔隙率的连续纺粘纤维构成的载体层，其被同样相对高孔隙率的很低单位面积重量的微细纤维层所覆盖，显示异常高的粉尘储存能力。在此情况下，微细纤维层主要通过机械方式分离。粉尘在载体层的大孔中聚集并且另外发挥过滤作用，通过该作用细粉尘以很好的级分分离度得到分离。
因此所述目的得以实现。
双组分纤维可具有由第一聚丙烯构成的第一组分和由第二聚丙烯构成的第二组分，其中所述聚丙烯显示不同熔点。因此所述双组分纤维可以用作粘结纤维并且同样由基本上材料均一的物质制成。聚丙烯可特别好地持久荷静电。
在此背景下，熔喷纤维可以由聚丙烯制成。有利的是，所述载体层具有由聚丙烯构成的第一纤维而所述微细纤维层具有由聚丙烯构成的第二纤维。因此，在载体层和微细纤维层之间可以实现牢固的由材料决定的(stoffschlüssiger)接合。
载体层和微细纤维层的纤维可以由聚丙烯、聚酯或聚碳酸酯所制成。这些材料已证明是特别疏水且化学稳定的。另外，这些材料还显示优异的花粉分离能力。
载体层可以具有平均直径为20至50μm的第一纤维。由此，可实现相对粗大孔的载体层。
微细纤维层可以具有平均直径为1至15μm的第二纤维。令人惊讶地已经表明，具有所述平均直径的第一和第二纤维导致在高粉尘储存能力和中度压力损失情况下的高分离能力。
在此背景下，所述载体层可以优选具有平均直径为大于20μm的第一纤维，此处所述微细纤维层具有平均直径为大于1μm至15μm，优选5至15μm的第二纤维。由此，微细纤维层具有相对粗的第二纤维，其完全基本上不同于现有技术的具有精细结构层的纳米纤维，并且在高粉尘储存能力的情况下导致流入侧和流出侧之间的低压力损失。
特别优选地，所述载体层具有平均直径为大于25μm的第一纤维。由此，过滤介质的粗大孔结构得到保证。
微细纤维层可以具有最高20g/m2的单位面积重量。令人惊讶地发现，这些材料铺置物特别有利地吸收在载体层中的粉尘和/或源于生物的粒子。在此背景下，微细纤维层可以具有1g/m2至最高20g/m2的单位面积重量。微细纤维层可以特别优选地具有1g/m2至最高10g/m2的单位面积重量。第二纤维，也即微细纤维，在这种低材料铺置物情况下令人惊讶地还形成载体层的足够稳定的覆盖层，其尽管在牵引性的压力下仍能挡住在载体层中储存的粉尘。令人惊讶地，具有最高10g/m2的如此低单位面积重量的微细纤维层导致良好的机械分离。
载体层可以具有0.6至2.0mm的厚度。令人惊讶地发现，尽管在载体层上还施加熔喷层，也即微细纤维层，但是如此大厚度的载体层导致相对低的压力损失。
在此背景下，所述载体层可以具有40至200g/m2的单位面积重量。
过滤介质可显示沿机器方向为至少250N的最大拉力和沿机器横向为至少100N的最大拉力。数值根据DIN EN ISO 13934-1来测定。通过将载体层形成由连续双组分纤维构成的纺粘织物形式，实现上述良好的强度值。该强度使得可以折叠过滤介质并形成过滤元件，也即折叠过滤器。
吸附层可将过滤介质装备为组合过滤器形式。该吸附层可连接在微细纤维层的流出侧。通过这种设计形式，不仅能够吸附粒子，还能够吸附令人不快的气味。
在此背景下，吸附层可以具有活性炭粒子。过滤介质可以具有由活性炭、沸石或离子交换剂构成的吸附层。由此，有害气体，比如烃类、SO2、NOx等可以得到吸附。
活性炭粒子优选用聚烯烃胶粘剂与载体层和微细纤维层粘合。载体层和微细纤维层通过点状桥(Stege)压光和/或彼此超声焊接。
吸附层的单位面积重量可以是150至500g/m2而其厚度可以是0.8至3.0mm。令人惊讶的是，单位面积重量的所述范围和厚度的所述范围足以满足对车辆内室过滤器的要求。令人惊讶的是，所述吸附层几乎无法察觉地和中度地提高流入侧和流出侧之间的压力损失。具有载体层、微细纤维层和吸附层的过滤介质能够尤其在折叠情况下用作吸附粒子和有害气体的组合过滤器。
载体层可具有的孔隙率为至少70％。特别优选地，所述载体层可具有的孔隙率为至少80％。由此，很低的压力损失和高的粉尘储存能力得以实现。
在此背景下，微细纤维层可具有的孔隙率为至少70％，优选大于80％。由此，特别低的压力损失和特别高的粉尘储存能力得以实现。
载体层和/或微细纤维层可以荷有静电。有利的是，具有相对高孔隙率的荷静电的载体层，其被同样相对高孔隙率的另外荷有静电的很低单位面积重量的微细纤维层所覆盖，显示异常高的粉尘储存能力。
吸附层可具有荷静电的无纺织物层。由此，组合过滤器的分离能力也可得到提高。
载体层可以由驻极体过滤材料制成。由此使得粒子的静电分离成为可能，其与主要为机械方式的微细纤维层的分离以组合方式得到补充。在此情况下，微细纤维层的纤维具有大于1μm的平均直径。
用于分离源于生物的粒子的过滤元件可以包括根据前述要求之一的平面式或折叠过滤介质。令人惊讶的是，使用本文所描述的过滤介质被证明适于分离源于生物的粒子。
过滤介质适用于交通工具中，特别是用于制备车辆内室过滤器。令人惊讶的是，过滤介质不仅对大于或等于5μm的源于生物的粒子，例如花粉，而且还对NaCl-粒子和其它细微粉尘显示优异的级分分离度。
在此背景下，可在包括本文所描述类型的过滤介质或本文所描述的过滤元件的装置中，将载体层布置在流入侧而将微细纤维层布置在流出侧。由此，可以令人惊讶地实现这样的过滤方法，其中可以获得在良好的级分分离度和很好的粉尘储存能力的情况下相对低的压力损失。令人惊讶的是，金银细丝工艺的微细纤维层不从载体层脱离。因此，在过滤方法中可以使用所述装置，其中将待过滤介质对准流入侧载体层，并且其中所述待过滤介质在流出侧导引通过微细纤维层。
现在存在各种不同的以有利方式来设计和改进本发明教导的可能性。对此，一方面可以参考所附权利要求，另一方面可以参考下文借助附图和表对优选实施例的阐释。
与借助附图和表对优选实施例的阐释相结合，也一般性地对教导的优选设计和改进进行阐释。
附图说明
附图中：
图1a显示具有载体层和微细纤维层的两层过滤介质的示意图，其中箭头指示流入方向，
图1b显示具有载体层、微细纤维层和附加吸附层的两层过滤介质的示意图，其中箭头指示流入方向，
图2a显示根据本发明的由聚丙烯构成的过滤介质的扫描电子显微镜照片，
图2b显示根据本发明的过滤介质的另一扫描电子显微镜照片，其中显示，相对大体积的载体层被非常薄的熔喷层覆盖，
图3示出这样的图表，其中将具有本文描述的折叠过滤介质的组合过滤器情况下的压力损失与具有折叠标准材料的组合过滤器情况下的压力损失进行比较，
图4示出这样的图表，其中将具有本文描述的折叠过滤介质的组合过滤器的级分分离度与具有折叠标准材料的组合过滤器的级分分离度进行比较，
图5示出这样的图表，其中显示具有本文描述的折叠过滤介质的组合过滤器的粉尘储存能力，
图6示出这样的图表，其中将具有本文描述的折叠过滤介质的粒子过滤器情况下的压力损失与具有折叠标准材料的粒子过滤器情况下的压力损失进行比较，
图7示出这样的图表，其中将具有本文描述的折叠过滤介质的粒子过滤器的级分分离度与具有折叠标准材料的粒子过滤器的级分分离度进行比较，
图8示出这样的图表，其中将具有本文描述的折叠过滤介质的粒子过滤器的粉尘储存能力与具有折叠标准材料的粒子过滤器的粉尘储存能力进行比较，而
图9具有折叠过滤介质的过滤元件的示意图。
本发明的实施方式
图1a示意地显示具有载体层1和微细纤维层2的过滤介质。箭头显示加载有粉尘的待过滤流体的流入方向。待过滤流体遇到面向流入侧的所述载体层1。微细纤维层2面向流出侧。载体层1荷有静电并通过静电作用分离粒子。微细纤维层2主要以机械方式分离粒子。
图1b示意地显示由载体层1、微细纤维层2和吸附层3组成的过滤介质。在所述微细纤维层2后连接有吸附层3。箭头显示加载有粉尘的待过滤流体的流入方向。待过滤流体遇到面向流入侧的所述载体层1。微细纤维层2面向流出侧。载体层1荷有静电并通过静电作用分离粒子。微细纤维层2主要以机械方式分离粒子。
图2a显示平面式过滤介质的扫描电子显微镜照片。载体层1和微细纤维层2的连续纤维是由聚丙烯制成的。载体层1荷有静电并通过静电作用分离粒子。微细纤维层2通过熔喷方法施加至所述载体层1上。微细纤维层2主要以机械方式分离粒子。载体层1的连续第一纤维设计为连续双组分-纺粘纤维的形式。双组分纤维具有由第一聚丙烯构成的第一组分和由第二聚丙烯构成的第二组分，其中所述聚丙烯显示不同的熔点。微细纤维层2的连续第二纤维设计为由聚丙烯构成的熔喷纤维的形式。
图2b显示平面式过滤介质的扫描电子显微镜照片。在这些实施例的情况下，载体层1′比微细纤维层2′以更厚得多的形式形成。
在由此明确参考的表和图中，提供了压力损失、级分分离度和粉尘储存能力的数值。
只要在表中提及双层材料，其总是指根据本发明的至少具有载体层1和微细纤维层2的过滤介质。
在此，对两个实施例，也即具有折叠的本文描述的根据本发明的过滤介质的粒子过滤器和组合过滤器进行研究，并且每种情况下与具有折叠标准材料的组合过滤器或粒子过滤器进行比较。
对于粒子过滤器，使用这样的过滤介质，其由载体层1与微细纤维层2所构成的复合体组成。载体层1与微细纤维层2所构成的复合体的厚度为0.96mm。复合体的单位面积重量为140g/m2。第一纤维具有35μm的平均直径而第二纤维具有5μm的平均直径。上述复合体被折叠用于制备粒子过滤器并且设计为根据图9的过滤元件4的形式。
对于组合过滤器，使用这样的过滤介质，其由载体层1、微细纤维层2和施加在微细纤维层2流出侧的吸附层3所构成的复合体组成。载体层1和微细纤维层2所构成的部分复合体具有的厚度为0.65mm，单位面积重量为74g/m2，具有平均直径为25μm的第一纤维和平均直径为5μm的第二纤维。吸附层3具有的厚度为1.1mm而单位面积重量为370g/m2。载体层1、微细纤维层2和吸附层3所构成的复合体被折叠用于制备组合过滤器并且设计为根据图9的过滤元件4的形式。
该实施例的载体层1和微细纤维层2的纤维是由聚丙烯制成的。载体层1的双组分纤维由不同熔点的聚丙烯组分所组成。熔喷纤维同样由聚丙烯所组成。
作为用于比较研究的标准材料，对于粒子过滤器，使用Freudenberg Vliesstoffe KG，Weinheim，DE的Material AF 933。其具有的厚度为0.68mm且单位面积重量为138g/m2。上述标准材料被折叠并用于制备设计为根据图9的过滤元件形式的粒子过滤器。
作为用于比较研究的标准材料，对于组合过滤器，使用Freudenberg Vliesstoffe KG，Weinheim，DE的Material AF 935，其配有吸附层。其具有的厚度为1.53mm且单位面积重量为440g/m2。上述标准材料被折叠并用于制备设计为根据图9的过滤元件形式的组合过滤器。
表1首先显示不含吸附层的本文所述类型的两层未折叠且平面的过滤介质的流入侧和流出侧之间按Pa计的压力损失，按％计的通过度(100-级分分离度，％)和按1/(min*m2)计的在200Pa下的透空气性，所述过滤介质具有80至90％的孔隙率和0.6至1mm的厚度。平面式未折叠过滤介质的特征在于，在流入侧和流出侧之间压力差为200Pa下透空气性为至少17001/(min*m2)。具体测得表1中提及的数值。
  两层材料
  压力损失[Pa]   5
  通过度[％]   35
  200Pa下的透空气性[1/min m2]   2300
  孔隙率[％]   88
  载体厚度[mm]   0.65
表1
表2显示取决于按m3/h计的体积流量的流入侧和流出侧之间的按Pa计的压力损失，其中将具有吸附层的折叠过滤介质(组合过滤器)与具有配备了吸附层的Freudenberg Vliesstoffe KG，Weinheim，DE的AF 935型标准材料的组合过滤器进行比较。被比较的过滤介质设计为根据图9的过滤元件4的形式。过滤元件的尺寸为240×190×22mm。过滤面积A为0.21m2。图3以图表来显示表2的数值。
Figure BDA0000057965710000091
表2
表3显示根据DIN 71460第1部分的SAE细型粉尘在体积流量为300m3/h下的级分分离度(＝表中的分离度)。对SAE细型粉尘的各自粒子直径进行光学测定。作为光学确定的粒子直径(＝图表中的粒子尺寸)的函数测量具有吸附层的折叠过滤介质(组合过滤器)和具有配备有吸附层的AF 935型标准材料的组合过滤器的级分分离度。被比较的过滤介质设计为根据图9的过滤元件4的形式。图4以图表来显示表3的数值。
  两层材料   标准
 光学粒子直径[μm]   分离度[％]   分离度[％]
  0.3   83   71
  0.5   85   74
  1.0   90   75
  3.0   95   84
  5.0   98   86
  10.0   99   86
表3
设计为组合过滤器的形式并具有本文所描述类型的折叠过滤介质的过滤元件的特征在于，在体积流量为300m3/h且流入面积为0.21m2下，在流入侧和流出侧之间的压力损失最高90Pa的情况下，关于1至10μm范围内的SAE细型粒子的级分分离度为至少90％。
所述过滤元件的特征在于，在体积流量为300m3/h且流入面积为0.21m2下，在流入侧和流出侧之间的压力损失最高90Pa的情况下，关于0.1至1μm范围内的SAE细型粒子的级分分离度为至少80％。
表4显示在体积流量为300m3/h的情况下，根据DIN 71460第1部分的桑树花粉的级分分离度。对桑树花粉的各自粒子直径进行光学测定。作为光学测定的粒子直径(＝图表中的粒子尺寸)的函数测量具有吸附层的折叠过滤介质(组合过滤器)和具有配备了吸附层的AF 935型标准材料的组合过滤器的级分分离度。图4显示的图表中绘制并对照表3和4的数值。被比较的过滤介质位于根据图9的过滤元件4中。
  两层材料   标准
  光学粒子直径[μm]   分离度[％]   分离度[％]
  9   95   79
  10   95   79
  11   94   77
表4
设计为组合过滤器的形式且具有本文所描述类型的折叠过滤介质的过滤元件的特征在于，在体积流量为300m3/h而流入面积为0.21m2的情况下，在流入侧和流出侧之间的压力损失最高90Pa的情况下，关于尺寸10μm的桑树花粉的级分分离度为至少95％。
表5显示在体积流量为360m3/h的情况下，根据DIN 71460第1部分的SAE细型粉尘的按g计的粉尘储存能力。在按Pa计的一定压力损失升高情况下，测量具有吸附层的折叠过滤介质的粉尘储存能力(组合过滤器)并与具有配备吸附层的AF 935型标准材料的组合过滤器的数值进行比较。图5以柱形图来显示表5的数值。
Figure BDA0000057965710000111
表5
设计为粒子过滤器的形式且具有本文所描述类型的折叠过滤介质的过滤元件的特征在于，在体积流量为360m3/h且流入面积为0.21m2的情况下，在流入侧和流出侧之间的压力损失升高为最高100Pa的情况下，关于SAE细型粉尘的粉尘储存能力为10g。
表6显示作为按m3/h计的体积流量的函数的流入侧和流出侧之间的按Pa计的压力损失，其中对折叠的两层过滤介质(粒子过滤器)与具有Freudenberg Vliesstoffe KG，Weinheim，DE的AF 933型标准材料的粒子过滤器进行比较。被比较的过滤介质容纳在尺寸为250×200×30mm的根据图9的过滤元件中。过滤面积A为0.56m2。图6以图表来显示表6的数值。
Figure BDA0000057965710000112
表6
表7显示在体积流量为300m3/h的情况下，根据DIN 71460第1部分的SAE细型粉尘的级分分离度。对SAE细型粉尘的各自粒子直径进行光学测定。作为光学测定的粒子直径的函数测量折叠的两层过滤介质(粒子过滤器)和具有AF 933型标准材料的粒子过滤器的级分分离度。
  两层材料   标准
 光学粒子直径[μm]   分离度[％]   分离度[％]
  0.3   92   88
  0.5   94   90
  1.0   96   92
  3.0   98   96
  5.0   99   97
  10.0   100   98
表7
设计为粒子过滤器的形式且具有本文所描述类型的折叠过滤介质的过滤元件特征在于，在体积流量为300m3/h且流入面积为0.56m2的情况下，在流入侧和流出侧之间的压力损失最高60Pa的情况下，关于1至10μm范围内的粒子的级分分离度为至少90％。
表8显示在体积流量为300m3/h的情况下，根据DIN 71460第1部分的NaCl的级分分离度。对NaCl的各自粒子直径进行光学测定。作为光学测定的粒子直径(＝图中的粒子尺寸)的函数测量折叠的两层过滤介质(粒子过滤器)和具有AF 933型标准材料的粒子过滤器的级分分离度。图7显示的图表中绘制并对照表7和8的数值。虽然NaCl没有以如SAE型粉尘那样的程度荷电，但仍实现了很好的级分分离度。
Figure BDA0000057965710000131
表8
设计为粒子过滤器的形式且具有本文所描述类型的折叠过滤介质的过滤元件的特征在于，在体积流量为300m3/h且流入面积为0.56m2的情况下，在流入侧和流出侧之间的压力损失最高40Pa的情况下，关于0.1至0.4μm范围内的NaC l粒子的级分分离度为至少57％。
表9显示在体积流量为300m3/h的情况下，根据DIN 71460第1部分的SAE细型粉尘的按g计的粉尘储存能力。在按Pa计的一定压力损失升高的情况下，测量折叠的两层过滤介质(粒子过滤器)的粉尘储存能力。将具有本文所描述的过滤介质的粒子过滤器的数值与对具有AF 933型标准材料的粒子过滤器的所测数值进行比较。图8以柱形图来显示表9的数值。
Figure BDA0000057965710000132
表9
设计为粒子过滤器的形式且具有本文所描述类型的折叠过滤介质的过滤元件的特征在于，在体积流量为300m3/h且流入面积为0.56m2的情况下，在流入侧和流出侧之间的压力损失升高为最高100Pa的情况下，关于SAE细型粉尘的粉尘储存能力为25g。
图9示意地显示过滤元件4，其由本文所描述类型的折叠过滤介质制成。该过滤介质可由载体层1和微细纤维层2组成。该过滤介质可由载体层1、微细纤维层2和吸附层3组成。
关于本发明教导的更进一步的有利设计和改进，一方面可以参考说明书的一般性部分，另一方面可以参考所附权利要求书。

Claims (15)

1.过滤介质，包括载体层(1)和施加于其上的微细纤维层(2)，其特征在于所述载体层(1)具有第一纤维，其设计为连续双组分纤维和纺粘纤维形式，而所述微细纤维层(2)具有第二纤维，其设计为连续熔喷纤维形式。
2.根据权利要求1的过滤介质，其特征在于所述双组分纤维具有由第一聚丙烯构成的第一组分和由第二聚丙烯构成的第二组分，其中所述聚丙烯显示不同熔点。
3.根据权利要求1或2的过滤介质，其特征在于所述熔喷纤维由聚丙烯制成。
4.根据权利要求1至3中任一项的过滤介质，其特征在于所述载体层(1)具有平均直径为20μm至50μm的第一纤维。
5.根据权利要求1至4中任一项的过滤介质，其特征在于所述微细纤维层(2)具有平均直径为1μm至15μm的第二纤维。
6.根据权利要求1至5中任一项的过滤介质，其特征在于所述微细纤维层(2)具有的单位面积重量为至多20g/m2，优选1g/m2至20g/m2，特别优选1g/m2至10g/m2。
7.根据权利要求1至6中任一项的过滤介质，其特征在于所述载体层(1)具有0.6至2.0mm的厚度。
8.根据权利要求1至7中任一项的过滤介质，其特征在于沿机器方向的最大拉力为至少250N和机器横向的最大拉力为至少100N。
9.根据权利要求1至8中任一项的过滤介质，其特征在于吸附层(3)，其将所述过滤介质装备为组合过滤器形式。
10.根据权利要求1至9中任一项的过滤介质，其特征在于所述载体层(1)具有的孔隙率为至少70％，优选至少80％，而所述微细纤维层(2)具有的孔隙率为至少70％，优选大于80％。
11.根据权利要求1至10中任一项的过滤介质，其特征在于所述载体层(1)和/或所述微细纤维层(2)荷静电。
12.根据权利要求9至11中任一项的过滤介质，其特征在于所述吸附层(3)具有荷静电的无纺织物层。
13.根据权利要求1至12中任一项的过滤介质，其特征在于在流入侧和流出侧之间压力差为200Pa的情况下透空气性为至少17001/(min*m2)。
14.过滤元件，包括根据权利要求1至13中任一项的折叠过滤介质。
15.包括根据权利要求1至13中任一项的过滤介质或根据权利要求14的过滤元件的装置，其中所述载体层(1)布置在流入侧而所述微细纤维层(2)布置在流出侧。
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