CN104703671A - 制备吸附挥发性烃的过滤器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备用于吸附无纺织物(20)中挥发性烃的过滤器(10)的方法，其中所述无纺织物(20)含有可热聚变的纤维，其中使用粘合剂将活性炭颗粒粘合到所述纤维的表面，其中所述纤维由至少一种熔点或熔化范围高于200℃的热塑性聚合物构成，其中使用压花模具(14)通过施加压力和至多190℃的温度将所述无纺织物(20)塑成所需形状，其中多层所述无纺织物(20)通过施加压力和温度而彼此连接到一起。
Description
本发明涉及由无纺织物制备过滤器的方法及由此得到的过滤器。
WO 2011/133394 A1公开了含有活性炭颗粒的纤维无纺织物及制备所述织物的方法。所述纤维无纺织物可以包含热塑性聚合物的离散纤维，其中所述活性炭颗粒粘合到这些纤维。所述离散纤维可包括具有至少一个第一区域和一个第二区域的热塑性多组分纤维，所述第一区域具有第一熔化温度，所述第二区域具有第二熔化温度。所述第一熔化温度低于所述第二熔化温度。所述多组分纤维可以是，例如，双组分纤维，其中该纤维的鞘由所述第一区域形成，其芯被鞘包围并且由所述第二区域形成。
将所述无纺织物加热到至少为所述第一熔化温度且低于所述第二熔化温度的某一温度，会导致活性炭颗粒变成粘合到所述无纺织物，其中，所述活性炭颗粒的至少一部分变成粘合到所述多组分纤维的至少一部分的至少一个第一区域，而离散纤维的至少一部分变成在许多交叉点处与所述多组分纤维的第一区域一起粘合起来。当第一区域的材料冷却时，其合成一体(consolidate)并从而将所述无纺织物结合到一起，而不需要额外的粘合剂进行粘合。由此，此处的活性炭颗粒通过熔化到多组分纤维的表面中而粘合到该多组分纤维，但是，所述活性炭颗粒表面的很大一部分被所述第一区域的熔融材料覆盖。尽管如此，这仍然无法防止所述第一区域的熔融材料对活性炭颗粒吸附性能的削弱。
纤维无纺织物可以包括另外的不同构造的层，例如支撑层和覆盖层。后续加工步骤可包括压花操作。压花通常是指在材料表面中引入纹理或浮雕(relief)的行为。这可以使用例如压花模具或压印模(embossing stamper)来完成。
根据该发明得到的过滤器被设计成用于吸附挥发性烃，例如机动车辆的发动机进气管中的挥发性烃。所述无纺织物包含可热聚变的纤维(thermallyfusionable fiber)，其中使用粘合剂将活性炭颗粒粘合到纤维的表面。活性炭颗粒的粘合可以使用例如富拉尔工艺(foulard process)随后干燥而实现。其也可以通过将无纺织物牵拉穿过含活性碳颗粒和粘合剂的分散液然后进行干燥而实现。
以该方式获得的过滤器在现有技术中是已知的。该过滤器通常被固定在安装架中或外壳中，以使它们保持在期望的位置。在要安装该过滤器的的位置处，所述安装架或外壳的形状通常不容易与所需形状相适应，因此，为了在该位置处提供适当的空间，该安装位置必须与安装架或外壳相适应。
本发明解决的问题是，提供一种能以下述方式制备过滤器的方法：使得制备过滤器可以成本更低、更简单，并且能更好地与过滤器的安装位点相适应，同时能确保过滤器具有高的性能特征。将对由此得到的过滤器作进一步说明。
该问题由权利要求1和17的特征来解决。本发明的合适的实施方案将从权利要求2-16和18的特征中显而易见。
本发明提供了一种制备用于从无纺织物吸附挥发性烃的过滤器的方法。所述无纺织物包含可热聚变的纤维，其中使用粘合剂将活性炭颗粒粘合到纤维表面。所述纤维由熔点或熔化范围在200℃以上的至少一种热塑性聚合物构成。所述无纺织物通过使用压花模具施加压力和至多190℃的温度而被制成所需形状。该过程包括将多层(ply)无纺织物通过施加压力和温度而粘合在一起。所述无纺织物一般是将纤维以某种方式接合到纤维层中并以某种方式使纤维互连而形成的纺织织物，但是同例如机织或针织织物的情形一样，不含有规则地相互交叉或成环的纱线。将无纺织物合成一体的方式也是任意的。该无纺织物可以是，例如，针刺无纺布、纺粘无纺布、无规成网无纺布(random-laid nonwoven)或毡，特别是针刺毡(needlefelt)。
使熔点或熔化范围比无纺织物所达到的温度高的后果是，活性炭颗粒的特定表面——当纤维仅由一种或多种熔点或熔化范围高于200℃的热塑性聚合物构成时——不能被熔融聚合物覆盖，由此避免了活性炭颗粒吸附能力的减弱。因此，在此情况下，没有(哪怕只是一部分)颗粒熔化进入所述聚合物中。相比而言，粘合剂可以选择为，使得它不会以任何明显的程度减弱——即使有减弱的话——活性炭颗粒的吸附能力。然而，至多为190℃的温度会导致聚合物的一定程度的软化。这使得可以塑成某一形状并在无纺织物冷却至低于聚合物的软化温度时能保持该形状。软化还使得无纺织物可以具有更高的致密性。由此获得的高密度在无纺织物任意冷却至低于软化温度的温度之后仍能保持。
所塑造的无纺织物的形状通常为三维形状，即，所得过滤器在多于一个的平面中延伸。因此，压花模具不是仅将纹理引入到无纺织物表面中的压花模具，而是在落锤锻造(drop forging)中能使过滤器成为类似于模具的三维形状的压模。
将多层无纺织物粘合在一起能为过滤器提供非常高的吸附能力，因为活性炭颗粒被分别粘合到各层无纺织物中纤维的表面，这与活性炭颗粒被粘合到厚度等于多层无纺织物整体厚度的单层无纺织物的纤维相比，整体上就会有更多的活性炭颗粒能够被粘合。这特别适用于当无纺织物的各个层在涂覆过程中朝下的一侧上具有阻挡层(例如阻塞型无纺织物的形式)时，所述阻挡层用以防止活性炭颗粒的分散液和粘合剂的分散液在从上方施用到无纺织物时流漏出。
本发明方法中的无纺织物可包含已经热聚变的纤维，所述纤维通过粘合剂而被涂覆有活性炭颗粒并且在初始时没有通过施加压力和温度进行熔化和热聚变。这构成了与WO2011/133394A1中已知方法的另一不同之处，其中，热聚变伴随着通过熔融聚合物对活性炭颗粒进行粘合。由此本发明方法防止了活性炭颗粒的特定表面区域的被热塑性聚合物局部包围，并因此防止了活性炭颗粒的可用于吸附的———实质上至少是可用于吸附的———表面积的减小。
WO2011/133394A1中的压花是指常规的压花，即，向一个表面中引入浮雕。使整个表面成为特定形状的方法并不能从该印刷出版物中得到。在该印刷出版物中公开的附加层——不同于根据本发明提供的两层或多层无纺织物——具有不同于无纺织物本身的构造。它们不包含任何活性炭颗粒，并且不利于提高吸附能力。
所述无纺织物的纤维可以包括具有鞘和芯的至少一个双组分纤维。所述芯通常具有比所述鞘高的软化温度。本发明热塑性聚合物可以是聚酯或聚酯共聚物，特别是由多个相同单元构成的聚酯。这样的聚酯可以例如以不同交联度和/或分子链长度的多种形式存在。结果是，例如，双组分纤维可以由本发明含义内的单个聚酯构成，在此情况下，双组分纤维的各组分因不同交联度和/或不同分子链长度而不同。结果，各组分可具有不同的熔点或软化温度。
已经明显的是，通过本发明方法得到的过滤器是非常有能力的执行器，仅由于有关塑形的压花操作而损失极少的性能能力。具有上述规格的所述无纺织物能够吸入相当大量的活性炭颗粒，这是其成为非常有能力的执行器的另一原因。所述粘合剂可包括丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯、丙烯酸酯-乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯、聚氨酯、聚乙酸乙烯酯均聚物、聚偏二氯乙烯、硅树脂、苯乙烯丙烯酸酯和/或苯乙烯丁二烯。所述丙烯酸酯可以是，例如，Acronal DS 2373(购自BTC Speciality Chemical Distribution)、Maarweg163/165、50887Cologne。
在本发明方法中，所述活性炭颗粒可通过所述活性炭颗粒和所述粘合剂在极性溶剂，特别是水性溶剂，特别是水中的分散液进行粘合，被施用到所述无纺织物，然后将所述无纺织物加热到高于所述溶剂沸点的温度，特别是高于100℃，特别是120℃-150℃的温度。结果，溶剂蒸发并且所述粘合剂可以进行完全交联或至少基本上完全交联，所以所述粘合剂在随后在压力和温度下进行塑形时不再具有任何或至少没有显著的粘合作用，并由此不会使可用于吸附的表面减少。此外，活性炭颗粒中的溶剂将使得堵塞所述活性炭颗粒的任何粘合剂随着溶剂蒸发而被炸开或炸掉。
所述活性炭颗粒和所述粘合剂在极性溶剂中的分散液的制备首先通过将所述活性炭颗粒悬浮在所述溶剂中用所述溶剂饱和所述活性炭颗粒。然后将所述粘合剂在相同的或其他一些极性溶剂中的分散液混合到该悬浮液中。先前用溶剂饱和的活性炭颗粒具有至少基本上防止粘合剂渗透到该活性炭颗粒中的效果。因此所述粘合剂基本上保持在活性炭颗粒表面上。另一效果是，加热使得被溶剂饱和的活性炭颗粒形成在溶剂蒸汽的内侧上，所述溶剂蒸汽炸开包围所述活性炭颗粒的任何粘合剂包膜，所以在溶剂完全蒸发后几乎整个颗粒表面均可用于吸附作用。由此所述粘合剂仅覆盖活性炭颗粒的特定表面区域的一小部分，而它们的吸附能力没有任何明显程度的减少。
所述过滤器可以安装成，使得空气在机动车辆特别是客车的发动机的进气管中流过所述过滤器。所述过滤器在此处向溢流空气提供非常小的阻力，仍能非常高效地吸附空气中的挥发性烃。通过压力和温度进行的塑形使得可以避开安装架或外壳来固定所述过滤器，因为所述过滤器本身在安装之后需要获取足够的静态稳定性。
所述无纺织物在其塑形步骤中可以整体进行充分致密化以保持该形状。替代地，所述无纺织物在其塑形步骤中可以在至少一个第一区域中进行充分致密化以保持该形状，并且在至少一个第二区域中进行较少的致密化，以便由此使得在所述第二区域中具有更好的吸附性。所得单件式过滤器具有不同的功能区域。所述第一区域保持过滤器结构的稳定性，而所述第二区域比所述第一区域具有更好的吸附性。这省略了对诸如保持结构稳定性的安装架和专门用于吸附的过滤器的两个部件的需求。结果，该过滤器的制造及其安装被明显简化，特别是原因还在于，由此获得的过滤器是灵活的，甚至可以安装在机动车辆发动机进气管的难以接入区域中并固定在那里。
固定可以例如，使用专用的紧固夹来实现。替代地或另外地，在过滤器制备过程中或之后使用压花模具或冲压工具在该过滤器中可以打出至少一个孔来固定该过滤器。当存在上述高致密化的第一区域时，在过滤器的第一区域中打孔是特别有利的。该过滤器可以用一延伸穿过所述孔的紧固装置来固定，例如用热塑性聚合物的芯轴(mandrel)，所述紧固装置的尖端在穿过所述孔后通过热作用而被压平(所称的热熔接(heat stake))。可提供多个这样的孔用于与多个紧固装置组合，以提供良好的并简单的固定过滤器方式。
通过压力和温度进行塑形使得过滤器能够精确适应该过滤器最终要被定位的地方的形状。不是所以进气管必须适应该过滤器，而是过滤器能够适应进气管。这再加上省去了安装架或外壳，都使得可观地节省了与过滤器制备、过滤器安装以及预安装过滤器的地方的准备有关的劳作和成本。
在本发明方法的一个实施方案中，将无纺织物塑成所需形状的温度不超过178℃，特别是不超过170℃，特别是不超过160℃，特别是不超过150℃。无纺织物进行塑形的温度越低，被软化聚合物包围/覆盖的活性炭颗粒的面积越小且无纺织物提供的对溢流空气的空气阻力越低。然而，所述温度必须足以软化所述无纺织物中的至少一种聚合物，使得所述无纺织物可由此以有效的方式被塑成所需形状。
所述压力和温度可以施加至少35秒，特别是至少45秒，特别是至少60秒，特别是至少90秒，特别是至少4分钟。
所述聚合物可以是熔点或熔化范围在200℃至265℃的聚合物，特别是225℃至250℃，特别是230℃至245℃。这样的聚合物的软化温度可以低于所述熔点温度高达60K。
所述双组分纤维的芯可以由例如聚丙烯、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯(＝PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯或聚(1,4-亚环己基二亚甲基对苯二甲酸酯)或前述聚合物的共聚物或混合物或者聚酰胺构成。所述鞘组分可以由聚酯、聚乙烯、聚丁烯、聚丙烯或前述聚合物的共聚物或混合物或者聚酰胺构成。所述聚乙烯可以是低压聚乙烯或高压聚乙烯，特别是线性高压聚乙烯。在本发明的方法的一个实施方案中，可以是所述芯由聚酯构成并且所述鞘由聚酯共聚物构成，所述芯由聚酯构成并且所述鞘由聚酰胺构成，或者所述芯由聚丙烯构成并且所述鞘由聚乙烯构成。
在本方法的另一个实施方案中，双组分纤维的芯和鞘由聚酯或聚酯共聚物构成，其中，所述芯由比所述鞘具有更高的软化温度的聚酯或聚酯共聚物构成。所述芯可以由软化温度高于190℃的聚酯构成，所述鞘可由软化温度在140℃至160℃，特别是145℃至155℃的聚酯构成。所述聚酯可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
可归于(attributable to)双组分纤维的纤维的比率是可以是10重量％-70重量％，特别是20重量％-60重量％，特别是40重量％-50重量％。
所述无纺织物可以通过压花模具进行单面压花或双面压花。对于双面压花，可以通过压花模具从两个相对侧对所述无纺织物进行加热。这使得可以在无纺织物的两侧上产生表面压花。
用于本发明方法的无纺织物可以是由helsatech GmbH出售的产品号为VL000433热固(thermally consolidated)聚酯毡。
本发明还涉及一种用于从多层无纺织物中吸附挥发性烃的过滤器，其中所述无纺织物包含可热聚变的纤维，其中粘合剂将活性炭颗粒粘合到纤维的表面。所述纤维由至少一种熔点或熔化范围高于200℃的热塑性聚合物构成。所述多层无纺织物通过施加压力和低于190℃的温度进行塑形，其中，所述无纺织物整体进行充分致密化或者在至少一个区域中进行充分致密化以保持所得形状。所述过滤器可以是通过本发明的方法获得的过滤器。
现将参照示例性实施例和附图对本发明进行更具体的阐述，其中
图1示出了本发明的一个过滤器，
图2到图4示出了用于制备该过滤器的方法的各个步骤，
图5示出了仅由聚酯构成的无纺织物在用丙烯酸酯粘合剂粘合活性碳颗粒之后的扫描电子显微照片，
图6示出了图5所绘无纺织物在低倍率下的扫描电子显微镜照片，
图7示出了图5和6中所绘无纺织物在通过施加压力和温度进行塑形之后的扫描电子显微照片。
图1示出了本发明的过滤器10，其具有通过冲压工具打出的三个孔12。这些孔12使得可以例如通过螺栓、铆钉或所称的热熔柱(heat stakes)将过滤器10固定在所需位置。所述过滤器具有第一区域22，在该第一区域中，无纺织物20的致密化足以保持所得三维形状。第一区域22由此执行结构稳定化的功能。在已经打出孔12的第一区域22中也是这样。无纺织物20的致密化在第二区域24中较小。从而使得无纺织物20可以被流过过滤器的气体更好地渗透，并且还能更好地吸附来自该气体中的烃。
图2示出了由底模16和顶模18构成的热压花模具14。顶模18用作冲压工具并且具有用于冲出孔12的销19。平的无纺织物20已被引入到底模16和顶模18之间。图3示出了处于关闭状态的热压花模具14，其中无纺织物20夹在底模16和顶模18之间。底模16和顶模18联合对设置在它们之间的无纺织物20施加压力和热。约一分钟后，将顶模18升起(图4)。在无纺织物20之外形成并且具有由压花模具14冲出的孔12的过滤器10随后可从压花模具14移除。
在活性炭颗粒与粘合剂粘合之后，将图5和6中所绘无纺织物20加热至190℃的温度，然后冷却下来。特别地，从图5中清楚可见，所述颗粒全部位于纤维的表面上，所述纤维的表面在190℃没有熔化，所述颗粒并没有部分地熔化到所述表面中。所述活性炭颗粒的可用于吸附的表面面积在此并没有因为所述的熔化到纤维表面中而减少。
图7示出了进行如下步骤之后的图5和6中所绘的两层无纺织物20：将它们结合到一起、利用压花模具14通过施加压力和190℃的温度而塑成所需形状。从中显而易见的是，即使经过这样的致密化后，仍存在一个可使气体渗入的敞开结构(open structure)，所以可通过活性炭颗粒吸附其中的挥发性烃。
附图标记清单
10 过滤器
12 孔
14 压花模具
16 底模
18 顶模
19 销
20 无纺织物
22 第一区域
24 第二区域
Claims (18)
1.一种制备用于吸附无纺织物(20)中挥发性烃的过滤器(10)的方法，其中所述无纺织物(20)包含可热聚变的纤维，其中使用粘合剂将活性炭颗粒粘合到所述纤维的表面，其中所述纤维由至少一种熔点或熔化范围高于200℃的热塑性聚合物构成，其中使用压花模具(14)通过施加压力和至多190℃的温度将所述无纺织物(20)塑成所需形状，其中多层所述无纺织物(20)通过施加压力和温度而粘合在一起。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述无纺织物(20)包含热聚变的纤维。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述纤维包含至少一种具有鞘和芯的双组分纤维。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述温度不超过178℃，特别是170℃，特别是160℃，特别是150℃。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述压力和温度施加至少35秒，特别是至少45秒，特别是至少60秒，特别是至少90秒，特别是至少4分钟。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚合物是熔点或熔化范围为200℃至265℃、特别是225℃至250℃、特别是230℃至245℃的聚合物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述热塑性聚合物为聚酯。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述双组分纤维的所述芯和所述鞘由聚酯或聚酯共聚物构成，其中所述芯由比所述鞘具有更高软化温度的聚酯或聚酯共聚物构成。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述芯由软化温度高于190℃的聚酯构成且所述鞘由软化温度在140℃至160℃、特别是145℃至155℃的聚酯构成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚酯包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中归于所述双组分纤维的纤维的比率是10重量％-70重量％，特别是20重量％-60重量％，特别是40重量％至50重量％。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述粘合剂包括丙烯酸酯、丙烯腈-丁二烯、丙烯酸酯-乙酸乙烯酯、乙烯-乙酸乙烯酯、聚氨酯、聚乙酸乙烯酯均聚物、聚偏二氯乙烯、硅树脂、苯乙烯丙烯酸酯和/或苯乙烯丁二烯。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述活性炭颗粒可通过所述活性炭颗粒和所述粘合剂在极性溶剂，特别是水性溶剂，特别是水中的分散液进行粘合，被施用到所述无纺织物(20)，然后将所述无纺织物(20)加热到高于所述溶剂沸点的温度，特别是高于100℃，特别是120℃-150℃的温度。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述无纺织物(20)通过所述压花模具(14)进行单面压花或两面压花。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述无纺织物(20)在其塑形步骤中整体被充分致密化以保持所塑形状，或者在至少一个第一区域(22)中被充分致密化以保持所塑形状并且在至少一个第二区域(24)中被较少致密化以便由此使得在所述第二区域(24)中具有更好的吸附性。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中通过冲压工具或所述压花模具(14)在所述过滤器(10)中冲出至少一个孔(12)来固定所述过滤器，特别是在所述第一区域(22)中。
17.一种用于吸附多层无纺织物(20)中的挥发性烃的过滤器(10)，其中所述无纺织物(20)包含可热聚变的纤维，其中粘合剂将活性炭颗粒粘合到所述纤维的表面，其中所述纤维由至少一种熔点或熔化范围高于200℃的热塑性聚合物构成，其中所述多层无纺织物(20)通过施加压力和低于190℃的温度进行塑形，其中，所述无纺织物(20)整体进行充分致密化或在至少一个区域中进行充分致密化以保持所得形状。
18.根据权利要求17所述的过滤器(10)，其中所述过滤器(10)通过权利要求1-16中任一项所述的方法得到。
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