CN106573191A - 具有改善容量的复合高效过滤介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合过滤介质，其包括含聚合物微纤维和纳米原纤化纤维素的基板与一个或多个作为另一选择的上游深度过滤层的组合。复合过滤介质的实施方式采用设置在基板上游面上的熔喷聚合物或玻璃纤维层。可以在上游深度过滤材料的上游面上施加轻质的保护性纺粘布。一个或多个深度过滤层可以彼此和/或与基板层压，或者与基板共褶以形成本公开的复合介质。深度过滤层被构造为在燃料流过复合介质的方向上提供正密度梯度，意味着深度过滤介质在燃料流动的方向上密度增大且孔径减小。

Description

具有改善容量的复合高效过滤介质
技术领域
本文公开的实施方式总体上涉及高效且高容量过滤介质，及采用所述介质过滤诸如柴油燃料等液体的过滤器和方法。
背景技术
对细小颗粒物具有高过滤效率的过滤介质通常要求介质中的孔隙小于粒径。该介质具有防止细小颗粒物通过介质的“筛”效应。然而，介质中的小孔隙通常导致低渗透性，从而造成介质两端的高流体压降。过滤介质除去指定尺寸的颗粒物的有效性被称为其“效率”。当颗粒物物理地捕集在介质的上游侧时，其随着时间推移会逐渐堵塞介质的孔隙，这反过来会造成介质两端的流体压降逐渐增加超出该***的设计参数。过滤介质也通过在达到介质两端的预定压降之前的时间长度来进行评估。这种介质性能的度量被称为过滤介质的“容量”。如果达到特定的预定压力过快，则所得介质的容量较低。一般规律为过滤介质所具有的效率越高，其容量越低。
很多因素影响柴油燃料过滤器的设计。燃料排放标准变得越来越严格，驱使燃料喷射***转变为紧密度容限精密部件和更高的喷射压力。设计用来产生高喷射压力的泵和精密喷射***部件可因水、非常小的硬颗粒损坏或因软颗粒的堆积体堵塞，所以发动机制造商一直在寻求提供非常清洁的干燥燃料的燃料过滤***。实际的保养周期要求消耗性过滤器组件具有显著的长寿命，其需要用来分离水、捕集并保留来自大量燃料的多种硬颗粒和软颗粒的可更换滤芯。
现代柴油机仅使用(燃烧)其从油箱中吸出的部分燃料。一大部分从油箱中取出的燃料通过高压燃料泵循环至在巨大压力和高温下运行的喷射器。多余的燃料用于冷却和润滑高压泵和喷射器的精密部件，并且未使用(喷入气缸内)的燃料在140°F～200°F的温度下返回油箱。此返回油非常热，并可以促进聚合反应和燃料分解。最终，来自油箱的越来越多的固形物到达过滤器，并可随着时间的推移而堵塞过滤器。这些问题在诸如卡车、重型设备、船舶和发电机等商业运行的发动机中不断出现，也会在游艇、房车和所有类型的燃料储存罐中出现。递送至燃烧室的燃料中的沥青质在燃烧效率和排放上可具有显著的负面影响。
在原油和较重的精制油中，沥青质具有高度极化的长链组分。在某些情况下，这些化合物自身相连以形成复杂的胶体结构。在低硫柴油(LSD–S-500)、高硫柴油(HSD–S-5000)及加热和船用燃料中，燃料的较高芳香烃含量趋于阻止复杂胶体结构的形成，而限制了该问题。然而，EPA授权的ULSD中芳香烃含量的减少使得此问题与之前所见相比可更早更频繁地在更低温度下发生。沥青质的精确分子结构是很难确定的。因为根据目前对其的了解，沥青质主要由结合有痕量的重金属(特别是螯合的钒和镍)的具有氧、氮和硫杂原子的多芳香碳环单元与不同长度的脂肪族侧链构成。来自世界各地的很多来自原油的沥青质包含类似的环单元，其连接在一起产生高度多样性的大分子。沥青质具有聚结为含油污泥的倾向。当存在水时，此问题更加严重。
目前的柴油燃料与15～20年前的柴油显著不同。过去，精炼厂仅使用一桶原油的约50％来产生诸如汽油、喷气燃料和柴油燃料等馏分油。该桶原油的剩余部分成为诸如润滑油和重油等“残油”。现今，作为不同的精炼技术和添加剂包的结果，精炼厂使用同样桶的原油的85％以上，其显然具有燃料稳定性的结果。此外，从2007年开始美国要求的超低硫柴油(ULSD)燃料进一步影响道路柴油机设备中的燃料性能。2014将会看到道路和越野用全部柴油要求使用ULSD。此外，美国一些地区还使用一定比例的生物柴油混合入燃料。所有这些变化可导致燃料的热稳定性差，并在暴露于燃料喷射***的泵和热表面和压力时趋于形成固形物。这可导致沥青质聚结、聚合的增加，及燃烧效率的巨大损失。在这种情况下，在现代燃料喷射柴油机中存在的燃料中的大部分颗粒物为诸如沥青质等软颗粒。据估计，燃料箱中存在的多达90％的颗粒物为软颗粒。
传统市售的过滤介质通常包含提供可接受的过滤效率的基础介质(例如来自100％木浆)，和提供所需的过滤容量的细短纤维的层压层。然而，过滤效率的标准已经提高，使之前可接受的过滤介质不再足够。
过滤介质的设计强调了介质的孔隙结构，需要均匀的细孔结构来捕集并保留非常小的颗粒。假定孔径和组成过滤介质的纤维的直径之间具有直接关系，则获得具有足够小的开口来以大于90％的效率除去2微米～4微米尺寸范围的颗粒的均匀/一致的孔隙结构要求纤维的平均直径小于1μm，或所谓的“纳米纤维”。基本上基于诸如纤维素等天然纤维的现有技术材料通常不能获得这样的细颗粒去除效率和可接受的介质两端的压降。
合意的是，改善过滤介质特别是对于小颗粒的效率，而同时保持所需的过滤、压降、容量或如破裂强度、整体厚度和刚性等其他属性。这种过滤介质还应当具有足以进行进一步处理和/或打褶(例如，从而能够形成包含这种介质的过滤单元)的最小强度。
发明内容
本发明公开了一种复合过滤介质，其包括含聚合物微纤维和纳米原纤化纤维素的基板与一个或多个作为另一选择的上游深度过滤层的组合。复合过滤介质的实施方式采用设置在基板上游面上的熔喷聚合物或玻璃纤维层。可以在上游深度过滤材料的上游面上施加轻质的保护性纺粘布。一个或多个深度过滤层可以彼此和/或与基板层压，或者与基板共褶以形成本公开的复合介质。深度过滤层被构造为在燃料流过复合介质的方向上提供正密度梯度，其意味着深度过滤介质在燃料流动的方向上密度增大且孔径减小。
基板提供了对小至4μm的细小颗粒物的高效去除，对小至2μm的颗粒明显有效地去除。基板基本上由合成微纤维形成，这产生了一致的孔隙结构和高强度。这些增强的特性允许使用具有低压降的相对薄且轻质的基础介质，甚至同时实现了高细颗粒效率。基础介质去除2μm颗粒的效率为78～80％。
上游深度过滤材料通过捕集较大颗粒增强了复合介质的颗粒物保持能力和寿命，同时为燃料的流通提供了交替的通道。所选择的深度过滤材料通过在上游面处或上游面附近具有较大直径的纤维和在燃料流动方向上具有逐渐减小直径的纤维来实现所需的正密度梯度和孔径减小。深度过滤材料可以是由直径从介质的上游面到下游面减小的纤维构成的单一“分相”材料。替代性的深度过滤材料可以由均匀纤维直径的不连续层组装成，每个层被选择和设置为提供所需的密度/孔隙率梯度。
本公开的深度过滤材料的平均直径在上游面处最大，并且在深度介质的下游面处减小至少约80％。由于非织造网的孔径和密度与组成纤维的直径直接相关，本公开的上游深度介质具有正密度梯度，在上游面处更为开放(较不致密)，并且在下游面处更致密且具有更小的孔径。这种构造在复合介质的上游面处捕集较大的颗粒，而允许燃料和较小的颗粒流入介质的深处，其中较小的颗粒捕集在较小的孔隙中。深度介质下游面处的基础介质提供了对2μm～4μm直径范围内的细颗粒的高效去除。本公开的复合介质在反映了使用复合介质的过滤器装置的现实使用情况的循环流动测试中是特别有效的。复合介质具有显著增强的污染物保持容量。可以对深度介质和/或组装的复合介质进行处理以提高疏水性，这改善了在燃料通过介质时水与燃料的分离。
本发明包括复合过滤介质，其包括：基本上由直径小于10μm的合成微纤维形成并包含不超过25重量％ODW的量的原纤化纤维素纤维的非织造基础介质，所述基础介质的2μm颗粒去除效率为至少70％。复合过滤介质与设置在所述基础介质的上游面上的非织造网深度介质层压或共褶，所述深度介质具有远离所述基础介质的入口面和邻近所述基础介质的出口面，所述深度介质具有从所述入口面至所述出口面的正密度梯度。深度介质包括下述纤维，所述纤维在所述深度介质的所述出口面处的平均直径比所述入口面处的平均纤维直径小至少80％，其中所述过滤介质去除4μm颗粒的β为约500。
本公开的合成微纤维可以包括具有非圆形截面构造(诸如扁平或楔形)的纤维。非圆形微纤维可以构成用于形成基础介质的大部分合成微纤维或可以构成小于50％的合成微纤维。合成微纤维可以是聚酯微纤维。合成微纤维的平均直径可以小于10μm，或优选为6μm，且长径比为至少1000，或至少600。基础介质的平均孔径为3μm～5μm。基础介质的2μm颗粒去除效率可以为至少70％以上。基础介质的4μm颗粒去除效率可以为至少95％，过滤容量与介质厚度(caliper)之比为0.4mg/in2/mils～0.5mg/in2/mils以上。
本公开的基础介质可以包括至多25重量％ODW的原纤化纤维素纤维，其可以是纳米原纤化莱赛尔(lyocell)纤维，或作为另一选择为至多50重量％ODW的原纤化纤维素纤维。原纤化纤维素纤维的加拿大标准游离度可以为约300mL以下。原纤化纤维素纤维的长径比可以为1000以上。原纤化纤维素纤维可以包括直径基本上在50nm～500nm范围内的原纤化莱赛尔纤维。
深度介质可以在液体流动方向上具有正密度梯度。深度介质的上游流体入口面处的平均纤维直径可以比下游流体出口面处的平均纤维直径大约80％。深度介质可以包括下述玻璃纤维微纤维，其在所述入口面处的平均直径为约2.8μm且在所述出口面处的平均直径为约560nm。深度介质可以包括玻璃纤维微纤维且弗雷泽渗透率为9ft3/min/ft2～15ft3/min/ft2。
作为另一种选择，所述深度介质可以包括下述聚合物微纤维，其在所述入口面处的平均纤维直径为约7μm且在所述出口面处的平均纤维直径为小于1μm。聚合物纤维可以是熔喷聚酯(PBT)纤维。
附图说明
图1是本公开的复合介质的放大的部分截面图；
图2是本公开一些方面的分相的玻璃纤维介质层上游表面的1000×放大图；
图3是本公开一些方面的分相的玻璃纤维介质第一相下游面的1000×放大图；
图4是本公开一些方面的分相的玻璃纤维介质第二相上游面的1000×放大图；
图5是本公开一些方面的分相的玻璃纤维介质第二相下游面的1000×放大图；
图6是来自图2的图像的纤维尺寸分布的图形化表示；
图7是来自图3的图像的纤维尺寸分布的图形化表示；
图8是来自图4的图像的纤维尺寸分布的图形化表示；
图9是来自图5的图像的纤维尺寸分布的图形化表示；
图10是基准OE与本公开一些方面的两种构造的复合介质相比较4μm颗粒去除效率的图形化表示；
图11是本公开一些方面的未经处理和经疏水处理的复合介质的过滤寿命和4μm颗粒去除效率的图形化表示；
图12是本公开的复合介质与基准过滤介质在循环流动测试条件下相比较的去除4μm颗粒的图形化表示；
图13是本公开的复合介质与基准过滤介质在循环流动测试条件下相比较的去除5μm颗粒的图形化表示；
图14是本公开的复合介质与基准过滤介质在循环流动测试条件下相比较的去除6μm颗粒的图形化表示；
图15是贯穿构造有本公开的复合介质的滤芯的截面图；
图16～18是本公开一些方面的三层合成非纺织深度介质的纤维直径分布的图形化表示；和
图19是本公开的由基础介质和合成非纺织深度介质构成的复合介质的实施方式去除4μm颗粒的图形化表示。
具体实施方式
图1是本公开的复合介质10的剖面图，其显示了(从上游面至下游面)可选的轻质保护布12、深度介质14和基础介质16。复合介质10旨在对递送至道路和越野车辆及发电机和船舶应用的内燃柴油机的燃料喷射***的柴油进行过滤，但不仅限于此用途。燃料从可选的保护布处的上游面流至基础介质16出口侧处的下游面而通过复合介质。深度介质14和基础介质16将以“上游”面和“下游”面进行讨论，其与燃料流经复合介质10的方向有关。
本公开的复合介质可用于制造与燃料输送***组合使用的滤芯或滤筒。图15示出了示例性滤芯30。滤芯30包括横跨复合过滤介质10的褶式闭合筒上端的上端盖32和横跨复合过滤介质10的褶式筒下端的下端盖34。上端盖32限定了经过滤的燃料排出滤芯30的开口。导引流体从复合介质10的筒的外径处的入口(上游)面流至复合介质10的筒的内径处的出口(下游)面而通过复合介质10。根据本领域已知方法将上端盖32、下端盖34密封并粘合至介质的褶式筒的上端和下端，以形成将燃料导引通过复合介质10的滤芯30。
本公开的基础介质16可以通过任意常规“湿铺”造纸技术制造，其步骤是本领域技术人员公知的。根据一个方面，本公开的基础介质16是非织造过滤介质，其包括短合成纤维和原纤化纤维素纤维的共混物。根据一些实施方式，短合成纤维最优选包括或由合成微纤维构成。可选地，基础介质16可以包含下述量的非原纤化纤维素纤维，该量不会对该介质的过滤效率和/或容量产生显著的副作用。
一些实施方式的基础介质是高效率和高容量的无玻璃非织造过滤介质的形式，该过滤介质包含合成非原纤化短纤维和原纤化纤维素短纤维的共混物，其中，原纤化纤维素纤维以可实现约95％以上的4微米整体过滤效率和0.4mg/in2/mils～0.5mg/in2/mils以上的过滤容量与介质厚度之比的量存在于介质中。通过搭接较大直径纤维素和合成纤维之间的较大孔隙，原纤化纤维素纤维将平均孔径减少至3微米～5微米。
合成非原纤化短纤维可以由热塑性聚合物形成，该热塑性聚合物选自由聚酯、聚亚烷基、聚丙烯腈和聚酰胺组成的组。特别合意的是聚酯，特别是聚对苯二甲酸亚烷基酯。一些实施方式包括平均纤维直径小于约10微米、平均长度小于约25毫米且长径比至少为1000的非原纤化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)短微纤维。优选的基础介质实施方式包括直径约为6μm且长度小于25mm的0.4旦尼尔PET纤维。至少部分PET微纤维优选具有扁平或楔形的非圆形构型，在此情况下，PET微纤维的大直径小于约10μm且小直径小于5μm。合成短纤维可以以约50重量％～约99.5重量％ODW的量存在。在优选实施方式中，PET微纤维以大于80重量％ODW的量存在，更优选地，PET微纤维以大于90重量％ODW的量存在。一些实施方式可以采用圆形和非圆形合成微纤维的混合物。合成微纤维的均匀性促进了所得湿铺介质的形成，使得本公开的基础介质的厚度及产生的流动限制能够减小。
纳米原纤化纤维素(NFC)是指已进行原纤化来获得纤维素微纤丝的聚结物的纤维素纤维。NFC具有纳米级(小于100nm)直径和几微米的常规长度，使得长径比大于1000。原纤化纤维素短纤维可以包括原纤化莱赛尔纳米纤维。一些实施方式将包括其量为约0.5重量％～约50重量％ODW的原纤化莱赛尔纳米纤维。原纤化纤维素短纤维的加拿大标准游离度(CSF)可以为约300mL以下。NFC具有非常高的面容比，为400亿～2000亿纳米纤丝/克。可以对NFC的表面进行改性以使其具有疏水性。乙酰化、硅烷化和用异氰酸酯的处理可用于使NFC表面具有疏水性。据信NFC上的疏水性表面会抵抗水附着于纤维上，并能够促进如沥青质等软颗粒的附着。
一些实施方式的基础介质16将包括平均纤维直径小于约10微米且平均长度小于约25毫米的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)短微纤维(其以约50重量％～约99.5重量％ODW的量存在)和加拿大标准游离度(CSF)为约300mL以下的原纤化莱赛尔短纤维(其以至少约0.5重量％～约50重量％ODW的量存在)的共混物。原纤化纤维素纤维的平均直径可以为约1000纳米以下且平均长度为约1mm～约8mm。更优选地，原纤化纤维素纤维的大部分直径落入50纳米～500纳米的范围内。在基础介质16的形成过程中添加纳米原纤化纤维素纤维，这样纳米原纤化纤维素纤维最终遍及介质的深度分布，跨越较大直径微纤维之间的孔隙而形成平均孔径小于约5μm的均匀孔隙结构。
基础介质16可以含有其他组分和/或添加剂。例如，一些实施方式可以包括混有合成非原纤化短纤维和原纤化纤维素短纤维的天然木浆。如果采用，天然木浆可以以约25重量％ODW以下的量存在。需要时还可以采用湿强度添加剂、光学增白剂、纤维保留剂、着色剂、燃料-水分离助剂(例如，硅酮添加剂及相关催化剂)、水或油排斥剂(例如，碳氟化合物)、防火剂或阻燃剂等。还可以向过滤介质添加树脂粘合剂，以获得所需的物理性质。如果采用，该粘合剂树脂可以以约2重量％～约50重量％SDC的量存在，常见值为约12％树脂含量。可以选择添加剂来促进软颗粒和基础介质纤维基质之间的附着。还有益的是对纤维素纤维表面进行改性以形成基础介质主体，不过由于这些相对较大直径纤维的相对较小表面积，这种表面改性的有效性可能是有限的。
基础介质16可由湿铺成浆过程形成。例如，过滤介质可以通过以下过程制得：从包括合成非原纤化短纤维和原纤化纤维素短纤维的共混物的纤维浆形成湿铺片，并干燥该片以获得基础介质16。合成非原纤化短纤维的共混物可以包括直径(或大直径)小于10μm、更优选小于约6μm的圆形和非圆形合成纤维的混合物。过滤介质可以是成槽和/或打褶的，以便于其在过滤设备(例如，与车载燃料过滤***相关的过滤单元)中使用。所得湿铺基础介质16的平均孔径为约3.7μm且最大孔径为约16μm～20μm，厚度为约0.030”(30/1000英寸)，且Gurly刚度为约2000mg～3000mg。基础介质16去除2μm颗粒的效率为约79％的颗粒去除。基础介质16的基重为约97lb/3000ft2。基础介质16在0.5”WG的透气率为约3cfm/ft2。
本公开的基础介质16与另外的深度介质14组合形成复合过滤介质10。如图1所示，复合过滤介质10还可以包括布12以保护深度介质14并增强复合介质10的强度和加工特性。复合介质10可以包括覆盖玻璃纤维介质14上游面的保护布12，从而形成如图1所示的布12、深度介质14和基础介质16的三层复合材料。适当的保护布12的非限制性实例是基重为约0.5oz/yd2的轻质、高熔点(>425°F)纺粘尼龙6,6非织造材料织物。布12不会对本公开的复合介质的过滤效率将有任何材料影响，但会改善复合介质10的整体抗拉强度并在来自复合介质10的过滤产品的处理、打褶和制造过程中保护深度介质14。保护布12是本公开的复合介质10的可选特征，可以不包含在全部实施方式中。
将深度介质选择并设置为提供从入口面(邻近布12)至出口面(邻近基础介质16)的正密度梯度。密度梯度来源于构成深度介质14的纤维平均直径的减小，最大直径的纤维存在于入口(上游)面处且最小直径的纤维存在于出口(下游)面处。在一些实施方式中，平均纤维直径从深度介质14的入口面至出口面减小了约80％。在其他实施方式中，平均纤维直径从深度介质14的入口面至出口面减小了约90％。附图标记14a和14b表示不同纤维直径的不连续层或不同的深度介质的“相”，其中平均纤维直径逐渐变大以形成“分相”的介质。
根据本公开的一些方面，如图1所示，深度介质14共褶或层压在基础介质16的上游面。层压是介质经热或粘合剂等粘合在一起的过程。共褶是将介质同时送入打褶机并且一同进行打褶而彼此不物理附着的过程。要过滤的流体首先接触深度介质14的上游面(或可选的保护布12)，通过深度介质14的下游面，进入基础介质16的上游面，并通过基础介质16的下游面排出。
本公开的复合介质10的上游侧上使用的适当的深度过滤组分的非限制性实例是基本上由细直径玻璃纤维与合适的粘合剂构成的介质。玻璃纤维是从已经冷却而未结晶的熔融无机产品拉伸出的纤维。可以使用本领域已知的采用水基粘合剂树脂的湿铺过程制造玻璃纤维介质。玻璃纤维可以是基本上连续的纤维或具有高长径比的纤维。玻璃纤维具有下述直径范围，即从直径为约3μm的相对较粗的纤维至直径为约200nm的细纤维。玻璃纤维并非在介质14的整体深度上均匀分布，相对较粗的纤维主要在入口面处，这样玻璃纤维介质具有正密度梯度，意味着玻璃纤维介质在一个表面更开放(较不致密)，并且密度向相对表面增加。孔径与非织造垫中纤维直径有直接关系，因此玻璃纤维介质的孔径与玻璃纤维的直径在介质14的整体深度上减小。
本公开的玻璃纤维介质可描述为具有两个相的分相玻璃纤维介质，其为具有相对较大孔隙的相对开放的第一相14a和具有相对较小孔隙的相对更致密且较不开放的第二相14b。玻璃纤维介质的密度和孔径与玻璃纤维成分的直径直接相关，第一相14a以1μm～3μm的较大直径纤维为主，第二相14b以1μm～200nm的较细直径纤维为主。图2～5是本公开的玻璃纤维深度介质的扫描电子显微图像，其分为第一相和第二相，每个相均具有上游面和下游面。图6～9是来自图2～5的图像的纤维直径分布信息的图形化表示。平均纤维直径在玻璃纤维介质的深度上显著减小，平均直径从第一相上游面处的2.8μm至第一相下游面处的677nm，至第二相上游面处的630nm和第二相下游面处的559nm，下降约80％。重要的是，注意到标准偏差从玻璃纤维介质的上游面至下游面也是减小的，表明纤维直径的偏差从玻璃纤维深度介质的上游面至下游面也是减小的。
本公开的玻璃纤维深度介质的根据TAPPI T410测量的基重为46lb/3000ft2～54lb/3000ft2，常见基重为50lb/3000ft2。本公开的玻璃纤维介质的根据TAPPI T411在7.3psi测量的厚度在0.012英寸～0.026英寸的范围内，常见厚度为0.018英寸。玻璃纤维介质的根据TAPPI T251测量的弗雷泽渗透率在9ft3/min/ft2～15ft3/min/ft2的范围内，常见值为13ft3/min/ft2。玻璃纤维介质的根据ASTM-316-80测量的最大孔径在0.015英寸～0.020英寸的范围内，常见最大孔径为约0.017英寸。玻璃纤维层的纵向(MD)抗拉强度为7psi～12psi，目标MD抗拉强度为10psi(机外)。
玻璃纤维介质的另一实施方式可以采用两个以上的细玻璃纤维介质的不连续层14a、14b以在玻璃纤维介质的整体深度上提供逐渐变细的过滤。细玻璃纤维层具有被选择为提供与以上讨论的分相玻璃纤维介质所提供的深度过滤类似的深度过滤的纤维直径、孔隙度和流动特性。
由基础介质16和玻璃纤维介质形成的复合介质10的整体基重为约147LBS/3000ft3。基础介质16的厚度为约0.032”且玻璃纤维介质的厚度为约0.018”而复合介质10的整体厚度为0.050”左右。此实施方式的复合介质10的过滤容量与介质厚度之比为约1.5mg/in2/mil～2mg/in2/mil。
一些实施方式的玻璃纤维/基础介质复合材料将进行处理以增强复合介质10的疏水性，并改善水从穿过介质的燃料中的分离。在进行层压或共褶之前对玻璃纤维层进行疏水性处理，或者可以先组装复合介质10然后再进行处理。一些疏水性处理可与本公开的复合介质10是匹配的。如美国专利7,771,818和8,735,306所公开的那样，一种可能的疏水性处理涉及在将介质暴露于溶解有氟化氨基甲酸酯聚合物的超临界条件下的无机流体溶液(诸如超临界CO2，“SCCO2”)，其中氟化氨基甲酸酯聚合物从溶液中析出以涂布介质的纤维。另一种疏水性处理是如美国专利6,419,871中所描述的氟化等离子体处理。另一种选择疏水性处理是如美国专利6,676,993中所描述的连续“湿法”工艺，其中将含有含氟聚合物的水性分散液引入过滤介质的孔隙中，以用含氟聚合物涂布介质内的纤维和结。在各个情况下，处理将使得含氟聚合物表面残留或涂布于“疏水性”并排斥水的玻璃纤维层或复合介质10的纤维上。
所得玻璃纤维/基础介质复合材料的疏水性可以根据“水接触角”和复合过滤介质将穿过复合过滤介质10的水和燃料分离的效率来测量。接触角被定义为液滴和固体表面之间在液滴接触固体表面的切边处的角度。当液体在固体表面形成球形液滴时，接触角为180°，指示不能润湿的完美疏水性表面。当液滴在固体表面上扩散为薄膜时，接触角为0°，指示亲水性表面。液体“润湿”固体的程度取决于接触角。在0°接触角时，液体完全润湿固体，使固体表面上形成液体薄膜。当接触角大于90°时，液体不会润湿固体。如果接触角小于90°，液体可被拉入介质的纤维之间形成的毛细管中，而如果接触角大于90°，将会存在驱使液体从毛细管中排出的力。毛细管力与液体相对于固体表面能的表面张力有关。由于氢键作用，水分子之间的吸引力相对较高，所以水具有相对较高的表面张力值。由于氟原子的强电负性，氟化聚合物或含氟聚合物具有较低的表面能。
未经处理的玻璃纤维层具有较高的表面能，是容易润湿的或亲水性的，不具有可检测的水接触角。在暴露于上述疏水处理之一后，玻璃纤维层或复合介质的接触角为120°～150°，指示疏水性表面。上述疏水性处理留下略微减小玻璃纤维层的孔隙度和平均孔径的涂层或残留物。
在经处理的玻璃纤维介质中，透气性略微降低，从约13f3/m在处理后降至9f3/m～13f3/m。玻璃纤维层和/或复合介质的疏水性处理增强了复合介质的水分离，从大约零变为至少95％，如以下测试结果所示。
图10是在相同外壳和相同测试条件下比较基准过滤介质与玻璃纤维/基础介质复合材料的测试数据的图形化表示。介质以褶式筒状设置在外壳中，这样燃料从介质周围区域流经介质而到达中心区域。用形成为具有48个褶(各个褶的褶高度为0.8”)的封闭筒的玻璃纤维/基础介质复合材料进行一个测试，用形成为具有55个褶(各个褶的褶高度为0.7”)的封闭筒的玻璃纤维/基础介质复合材料进行另一测试。对于，两个测试均显示出，4μm颗粒的去除效率显著优于OE基准物，并且在达到过滤器组件两端的最终压降前为大于96％。
图11图示地说明了比较未处理的玻璃纤维/基础介质复合与用氟化等离子体处理以增强疏水性的玻璃纤维层构造的复合材料的过滤器寿命和4μm颗粒去除效率的测试结果。图11显示，具有疏水性玻璃纤维介质的复合介质的颗粒去除更为有效并且具有略短的过滤器寿命，这与来自氟化等离子体处理的孔径减小一致。
图12～14比较了在循环流动条件下进行的多程测试中玻璃纤维/基础介质复合材料与基准物的颗粒去除效率。在测试的持续时间内，从377升/小时～188升/小时每10秒流动循环一次。过滤器用ISO精细测试粉尘进行测试。基准物和玻璃纤维/基础介质复合材料设置在相同过滤器外壳中，并在相同的测试参数进行测试。在循环流动条件下，玻璃纤维/基础介质复合材料在达到最终压降前保持较高效率直至(过滤器组件两端的10psid)，而基准物的效率劣化。不存在玻璃纤维/基础介质复合材料的效率低于99％的颗粒尺寸。根据ISO 19438进行测试，并确立了玻璃纤维/基础介质复合材料的保留粉尘容量是23.69g(相比较而言基准物为16.34g)，或在相同滤波器包内在达到最终压降前的保留粉尘容量增加45％。尽管具有玻璃纤维/基础介质复合材料的过滤器组件两端的初始压差比基准物(5.2psid比5psid)高约5％，在循环流动测试条件下，玻璃纤维/基础介质复合材料在达到最终压降前具有实质上更长的寿命。
现在将描述适当的深度介质14的非限制性替代性实例。其他材料、纤维尺寸、厚度和组合也可以是有效的。可以向基础介质16添加一层或多层细的合成和/或聚合物纤维以捕集大直径颗粒并防止基础介质16上游面上“块状物”的形成。聚合物纤维层对复合介质10添加深度过滤组分，使得复合介质10能够比仅用基础介质16时捕集并保持更多材料。最大的颗粒保留在聚合物纤维层中，从而“保护”基础介质16和其细孔隙免受从流体中除去的大块材料的影响。当流体到达基础介质16时，只有细颗粒仍然是待去除的，基础介质的孔隙结构保持开放，因此通过复合介质的压降是最小化的，以延长介质的有效寿命。
合成的深度介质的一个示例性实施方式为由熔喷热塑性纤维构成的分层或分相的非织造介质。适当的热塑性纤维的实例为聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)，但其他热塑性或聚合物纤维可以与本公开的复合介质是匹配的。合成的深度介质被选择并设置为提供从入口面(邻近可选的布12)至出口面(邻近基础介质16)的正密度梯度。合成的深度介质与基础介质16共褶或粘合以形成复合介质10。其他粘合方法是已知的可以与本公开的实施方式是匹配的。所得复合过滤介质可以进行开槽、打褶，并用于例如过滤柴油燃料的滤芯中。
参照图16～18，本公开的熔喷非织造材料具有三个纤维相或层，最粗纤维(大直径)邻近入口面且最细纤维(小直径)邻近出口面。随着纤维直径减小，熔喷非织造材料的密度增加。纤维的第一上游层(不计入布层)的平均纤维直径为约7微米，且基重为约29g/m2。参见图16。纤维的第二层(第一层向的下游)的平均纤维直径为约2微米，且基重为约40g/m2。参见图17。纤维的第三层(第二层的下游并且邻近基础介质)是非常细的熔喷聚酯纤维，该纤维的平均直径小于1微米，其中大部分纤维为约0.2微米～0.7微米，且基重为约24g/m2。参见图18。纤维层在层的纤维直径和孔隙度方面是从大到小渐进的，最细的孔隙位于基础介质中。纤维直径在熔喷介质的整体深度上减小了至少80％，优选约90％。
在平板测试中，基础介质16的压降为约0.91PSID，而由三层熔喷材料和基础介质16形成的复合介质10具有1.15PSID的较大压降。复合过滤介质10可有效防止块状物在基础介质表面形成并保持介质两端的可接受压降，这使得复合介质的可用寿命是单独的基础介质的约两倍。熔喷材料/基础介质复合材料对4微米颗粒的β为约500(99.8％)。熔喷材料/基础介质复合介质的总高度(loft)为约41/1000英寸(0.041”)。当在12psi压差测试时，熔喷材料/基础介质复合材料对4微米颗粒的效率为至少13(ISO 4406)。参见图19。
上述说明书、实施例和数据提供了本发明的制造和用途的完整描述。可以实现本发明的许多实施方式。

Claims (17)

1.一种过滤介质，其包括：
非织造网基础介质，所述非织造网基础介质基本上由直径小于10μm的合成微纤维形成，并包括不超过25重量％ODW的量的原纤化纤维素纤维，所述基础介质的2μm颗粒去除效率为至少70％；和
设置在所述基础介质的上游面上的非织造网深度介质，所述深度介质具有远离所述基础介质的入口面和邻近所述基础介质的出口面，所述深度介质具有从所述入口面至所述出口面的正密度梯度，所述深度介质包括具有下述平均直径的纤维，所述平均直径在所述深度介质的所述出口面处比所述入口面处的平均纤维直径小至少80％，
其中，所述过滤介质去除4μm颗粒的β为约500。
2.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述基础介质的4μm颗粒去除效率为至少95％，并且过滤容量与介质厚度之比为0.4mg/in2/mils～0.5mg/in2/mils以上。
3.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述深度介质包括玻璃纤维微纤维，所述玻璃纤维微纤维在所述入口面处的平均直径为约2.8μm且在所述出口面处的平均直径为约560nm。
4.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述合成微纤维包括具有非圆形截面形状的纤维。
5.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述深度介质包括聚合物微纤维，所述聚合物微纤维在所述入口面处的平均纤维直径为约7μm且在所述出口面处的平均纤维直径为小于1μm。
6.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述基础介质的平均孔径为3μm～5μm。
7.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述原纤化纤维素纤维包括直径基本上在50nm～500nm范围内的原纤化莱赛尔纤维。
8.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述合成微纤维和所述原纤化纤维素纤维各自具有至少1000的长径比。
9.如权利要求1所述的过滤介质，其中，所述深度介质包括玻璃纤维微纤维且弗雷泽渗透率在9ft3/min/ft2～15ft3/min/ft2的范围内。
10.一种过滤流体负载颗粒的方法，其包括：
使包含流体负载颗粒的流体流经包含非织造网深度介质和非织造网基础介质的过滤介质，所述深度介质具有面向所述流体流的入口面和与所述入口面相对的出口面，所述深度介质具有从所述入口面至所述出口面的正密度梯度，所述深度介质包括具有下述平均直径的纤维，所述平均直径在所述深度介质的所述出口面处比所述入口面处的平均纤维直径小至少80％；和
邻近所述深度介质的所述出口面的非织造网基础介质，所述基础介质基本上由直径小于10μm的合成微纤维形成并包括不超过25重量％ODW的量的原纤化纤维素纤维，所述基础介质的2μm颗粒去除效率为至少70％；
其中，所述过滤介质去除4μm流体负载颗粒的β为约500，所述流体负载颗粒被捕集在所述过滤介质内。
11.如权利要求10所述的过滤流体负载颗粒的方法，其中，所述基础介质的4μm颗粒去除效率为至少95％，过滤容量与介质厚度之比为0.4mg/in2/mils～0.5mg/in2/mils以上。
12.如权利要求10所述的过滤流体负载颗粒的方法，其中，所述深度介质包括聚合物微纤维，所述聚合物微纤维在所述入口面处的平均纤维直径约7μm且在所述出口面处的平均纤维直径小于1μm。
13.如权利要求10所述的过滤流体负载颗粒的方法，其中，所述合成微纤维包括具有非圆形截面形状的纤维。
14.如权利要求10所述的过滤流体负载颗粒的方法，其中，所述合成微纤维和所述原纤化纤维素纤维各自具有至少1000的长径比。
15.如权利要求10所述的过滤流体负载颗粒的方法，其中，所述过滤介质的过滤容量与介质厚度之比为约1.5mg/in2/mil～2mg/in2/mil。
16.如权利要求10所述的过滤流体负载颗粒的方法，其中，所述原纤化纤维素纤维包括直径基本上在50nm～500nm范围内的原纤化莱赛尔纤维。
17.如权利要求10所述的过滤流体负载颗粒的方法，其中，所述深度介质包括玻璃纤维微纤维，所述玻璃纤维微纤维在所述入口面处的平均直径为约2.8μm且在所述出口面处的平均直径为约560nm。
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