专利名称：气体悬浮微粒的过滤装置及其制造方法
技术领域：
本发明是属于过滤装置领域，该装置可用于除去，例如空气等气态物流中的微粒。
背景技术：
如果不说是几百年来，也应该说是几十年来，人类一直在探求着某些能用于脱除气态物流中微粒的机械装置和方法。可是，总的说来，这种过滤装置的数量和类型一直受到该领域关于这类装置的想象力和创造性所限。在许多方面已广泛被接受的一些过滤装置目前还处于不断的被评价阶段，以便在其过滤效率或成本方面或在这两方面都进行可能的改进。它们在工商业和民用方面的应用是毫无问题的。
近几年已推出了许多种不同的过滤装置。例如，通过机械的方法将正在通过过滤器的气流，例如空气气流中悬浮的微粒截留下来的装置，就是众所周知的一种机械装置。但是，这种装置也是有局限性的。由于人们需要而且希望脱除的微粒越来越小，与此同时，对脱除微粒百分比(效率％)的要求则越来越高。已经很显然，机械截留型的过滤器是存在某些局限性的。一般说来，要进行机械截留时，过滤介质的孔径必须小于被截留的微粒。否则，微粒倒是可以通过过滤器，但其结果是过滤效率不理想。不幸的是，随着过滤介质孔径的减小，气流(空气)通过过滤器的能力也会下降。不良的副效应是在一定时间周期内能通过过滤介质的气态物质也随之减少。此外，这种情况还会造成这样的结果在机械夹持下置于整个过滤器结构中的过滤器两侧会产生明显的压差。因此，人们又开发出了更加有效的过滤介质并已投入使用。然而，脱除非常小的微粒的问题仍然是一种挑战。
为了解决过滤器脱除非常小微粒的能力有一定局限性的问题，本领域的技术人员已转向脱除微粒的其它机械。一种令人非常满意的方法是利用介电材料来制造这种过滤介质。即一种能使电荷保持较长时间周期的材料。然后，例如，按传统的驻极方法使过滤器的介电材料带上电荷。典型的一种方法是用直流电晕放电法来处理该材料，使它带上电荷。由于该过滤介质上带有电荷，所以它会吸引带有相反电荷的极微小的粒子。而且，由于这些极细小微粒的质量很小，所以，这种吸引电荷足以将通过过滤器的空气或其它气流中的极细小微粒截留下来，即过滤出去。如过滤器介电材料充电的方法使得该领域的技术人员能设想出一系列新的可能性。例如，可将过滤介质的孔维持在尽可能小的孔径，以便进行机械截留，由于带有电荷的缘故，甚至更小的微粒都可以脱除。此外，可以将过滤介质的孔径扩大，以便降低过滤器两侧之间的压差。在这种情况下，由于带电荷过滤介质所带来的额外过滤效率，其过滤效率就能够比得上其孔径较小的过滤介质。
由经过充电的介质材料制成的过滤器，其功能是非常好的，而在大多数情况下，也取决于设计的情况，其功能要优于只单纯依靠机械截留的过滤器。但是，众所周知，单纯依靠机械截留的过滤器目前仍很盛行。由充电介电材料制成的过滤器还未将机械截留式过滤器从市场上排挤出去的唯一理由只是价格问题。与非介电过滤介质相比，这种价差在很大程度上与介电材料的价格有关。
因此，本领域就存在这样一种需要，即要求有一种过滤介质，它既能提供机械截留，也能提供电荷截留的功能，而且其制造成本又要比由充电介电材料制造过滤器更加经济。
发明目的因此，本发明的总目的是提供一种过滤装置，该装置具有很强的，能从诸如空气等气态物流中脱除微粒的能力。
本发明的另一个目的是提供一种可以经济地制造的过滤装置。
本发明还有另一个目的是提供一种制造这种改进型过滤装置的方法。
本发明更进一步的目的是提供一种改进型过滤装置，这种装置由于在其中有电荷存在，微粒被吸引到并截留在过滤装置上或截留在其中，所以该装置能防止微粒通过过滤装置。
从以下的详细描述中本领域的技术人员将会明了本发明更进一步的目的和广阔的申请范围。但应当了解，这里对本发明优选实施方案的详细描述仅是用于阐述而已，因为，通过以下的描述，本领域的技术人员将会明了，内容的各种变化和改进都是完全属于本发明的精神和范围之内的。
定义这里所用“介电材料”一词是指任何一种材料，诸如一种聚合物，该聚合物是一种电绝缘材料或电场在其中只用极小的动力就能维持下来。如果其价电子带是完全的而且至少要用3eV才能将它与传导带分开，那么这种固态材料就是一种介电材料。本定义引自1992年第七版“McGraw-Hill科学与技术百科全书”。
这里所用“非介电材料”一词是指不是介电材料的任何材料。
除非另有说明，一种材料的过滤效率是由通常称之为NaCl过滤效率试验法(以下称为NaCl试验法)的微粒过滤试验法来测定的。NaCl试验法是采用一种CertitestTMModel #8110自动过滤试验仪来完成的，该试验仪可从明尼苏达州St.Paul的TSI公司购得。试验材料的微粒过滤效率由穿透率(％)表示，穿透率由下式计算100×(下游微粒/上游微粒)。上游微粒代表引入试验仪的约0.1微米的NaCl空气溶胶微粒的总量。下游微粒是引入试验仪并已通过大部分试验材料的那些微粒。因此，所报告的穿透率值就是引入试验仪受控空气流并通过试验材料的微粒的总量百分比。在所有情况下，其面速度均为31升/分。除非另有说明，穿透率值都是这三种试验的平均值。显然，该试验所获的数值越低，该材料从所通过的气流(空气)中脱除微粒的能力就越大。也就是说，25％的微粒穿透率就相当于75％的过滤效率。
这里所用“驻极处理”或“驻极”一词是指往介电材料中和/或往其上面加载电荷的任何一种方法。一种往介电材料上加载电荷的典型方法是对该材料进行直流电晕放电。在Tsai等的U.S.No.5,401,446中详细地描述了这种类型中的一种典型的传统方法，其题目为“织物或薄膜静电充电的方法和装置”，1995年3月28日公布。该专利全部在此引用作为参考。
在此所用“高密度聚乙烯”一词是指按照ASTM D2839-93方法测定的，密度范围为约0.941～约0.959g/cm3的任何一种聚乙烯。
在此所用的任一给定范围，其意思是包括任一和更小的被包括在内的范围。例如，45～90也可包括50～90；45～30；46～89等。
发明概述为了迎接过滤介质领域的技术人员已经历的上述挑战，现已发现出一种改进型的过滤器，它能除去诸如空气等气态物流中的微粒。具体地说，该过滤器中包括一块传统的非介电材料多孔薄片，该非介电材料上涂了一层介电材料。对涂覆过的薄片进行充电，例如采用传统方法进行驻极处理。由于在非介电过滤材料上涂有一层介电材料，所以该涂层片能使电荷保持较长时间。总之，本发明保留了以前那种仅由介电材料制成的充电过滤介质的优点(很高的过滤效率)，但是，与此同时，与从前的充电过滤介质相比，它又具有明显的价格优势。
理想的是让介电材料的涂层涂得尽可能薄，以便最大限度地降低有效产品的价格。从这个观点来看，介电材料涂层的典型厚度小于5微米。例如，介电材料的涂层厚度可小于2微米。更具体地说，介电材料的涂层厚度可小于1微米。更加具体地说，介电材料的涂层厚度可小于0.5微米。
在某些实施方案中，可采用传统的驻极处理法对过滤介质进行充电。例如，采用直流电晕放电的方法对涂覆的过滤介质进行充电。
在某些实施方案中，多孔薄片可选自有孔薄膜、无纺织物、纤维素片和纺织织物。
在某些实施方案中，介电材料可选自乙烯丙烯酸、乙烯丙烯酸共聚物、聚烯烃、聚烯烃共聚物、尼龙和聚酯。如果介电材料是聚烯烃，它可以是聚乙烯，诸如高密度聚乙烯等。
本发明还涉及提高非介电材料制成的多孔过滤材料的过滤效率的方法。关于这一点，该方法可包括如下步骤用介电材料来涂覆多孔的非介电过滤材料；给已涂覆过的过滤材料充电，例如对涂覆过的过滤材料进行驻极处理。一种最理想的驻极处理方法是对已涂覆过的过滤材料进行直流电晕放电处理。
某些情况下，涂覆步骤可通过传统的乳液涂覆法来完成，将介电材料涂覆到非介电材料上。传统的喷涂、浸渍和挤压等技术也可使用。
发明详述现在我们来谈谈关于附图的问题，图中同一个数字符号是代表相同或相当的结构或方法步骤。
图1是按照本发明技术制造改进型过滤介质的方法。该方法是从第10步，用传统非介电过滤材料的片材开始。该片材可以是，例如，有孔薄膜、无纺织物、纤维素片材或纺织织物。
然后，传统的非介电过滤材料在第20步中用介电材料进行涂覆。在某些实施方案中，涂覆可通过传统的乳液涂覆技术来完成。例如，可通过下述步骤来完成乳液涂覆过程将过滤材料片材通过由夹辊构成的夹子，其夹子上浸有介电材料。该领域的技术人员很容易了解，涂到纸张上的介电乳液的量通过浓缩或稀释的方法就很容易将其改变。此外，将过滤材料通过浸有乳液的夹子两遍或更多遍就很容易提高其涂覆量，因为，每通过一次，该片材就会粘上更多的介电材料。片材上所粘的介电材料和所保留的介电材料量(增量)将因所用的过滤材料不同而改变。但是，总的说来，理想的涂覆增量为片材的约10～100重量％。例如，介电材料的增量可为片材的20～80重量％。更具体地说，介电材料的增量可为片材的40～60重量％。
乳液的涂覆过程按传统的方法完成，以使基本上整个片材的表面都涂有介电材料。在片材是纤维织物(无纺或纺织织物)的情况下，基本上全部织物纤维都涂上介电材料。理想的是将介电材料涂得尽可能薄，以最大限度地降低有效产品的价格。就这点来说，介电材料的涂覆厚度典型的是小于5微米。例如，介电材料涂层的厚度可以小于2微米。具体地说，介电涂层的厚度可以小于1微米。更具体地说，介电涂层的厚度可以小于0.5微米。当然，可以使用更厚的涂层。然而，本发明的目的之一是尽可能地减少介电材料的用量，以便最大限度地降低过滤材料的总价格。
在某些实施方案中，介电材料可选自-乙烯丙烯酸、乙烯丙烯酸共聚物、聚烯烃、聚烯烃共聚物、尼龙和聚酯。如果介电材料是聚烯烃，它可以是，诸如高密度聚乙烯等聚乙烯。我们可以买到商标名称为Michem Emulsion 93135(Michelman Inc.，Cincinnati，Ohio)的一种专用介电乳液涂料。Michelman公司的资料称，Michem 93135是一种高密度聚乙烯乳液，为黄褐色半透明液体，其pH值为10.0～11.5，比重为0.99～1.01。从Michelman公司还可以买到另一种商标名称为Michem Prime4983的优质介电涂料。Michelman公司的资料称，Michem4983是一种乙烯丙烯酸的分散体，它是一种pH值为8.3～10的半透明液体。图1进一步说明，在第30步时，传统过滤介质的介电涂覆片材要进行驻极处理，以便往介电涂层上逐渐充电。例如，采用传统方法施加直流电晕电荷(直流电晕放电处理)就可实施驻极处理。U.S.5,401,446中所描述的方法就是一种传统的直流电晕放电处理方法。因此，我们引用该专利的内容，以供参考。
现将通过专门的实例和实施方案对本发明做更详细的描述。但是，决不应该把本发明限定在下面将要公开和讨论的具体实例范围内。
实例1用介电聚乙烯(Michem93135)对Kimberly-Clark Corporationof Dallas，Texas公司商标名称为EP332的一种多孔非介电材料，白色真空吸尘器袋用纸进行乳液涂覆。用乳液浸没由两根夹辊构成的夹子，然后将真空吸尘器袋用纸通过该浸渍过的夹子，将乳液涂到真空吸尘器袋用纸上。在这一实例中，一根夹辊为硬橡胶，另一根是钢夹辊。涂到真空吸尘器袋用纸上的介电材料量按纸的干重百分比测定。即，在纸的乳液涂覆前，后对纸进行称重。增量百分比是加到纸上去的介电材料量除以纸的未涂覆前重量。本领域的技术人员都懂得，其增重的量是可以通过乳液的浓缩或稀释和/或让纸张通过浸有乳液的夹辊的次数多少来改变的。在这一实例中，将不同的纸样品通过浸有乳液的夹辊，以取得介电聚乙烯增量的两个不同重量百分比(12.6％和25.0％)。某些样品没有进行乳液涂覆，留作对比试验。在所有的情况下，其增量百分比都是按下式计算的
经空气干燥后，根据这里所述的试验参数，采用NaCl微粒穿透试验法，对三种不同增量(0％、12.6％和25.0％)的纸的过滤能力进行测定。在NaCl微粒穿透性测试中所采用的设备是一台TSI Inc.(St.Paul，Minnesota)公司8110型的自动过滤测定仪。
然后，采用直流电晕放电处理法对三种不同介电增量(0％，12.6％和25.0％)的样品进行驻极处理。电晕放电是由一台型号为P/N25安-120伏，50/60赫的可逆极性发电装置(Simco Corp.，Hatfield，Pennsylvania)和一台型号为P16v-120伏，25安50/60赫的发电装置(Simco Corp.)产生，前一台发电装置接在RC-3 Charge Master型充电棒(Simco Corp.)上，后一台发电装置接在直径3英寸的实心铝辊上。电晕放电的环境为70°F和71.2％相对湿度。按U.S.No.5,401,446的描述是使用两套充电棒/辊。施加在第一套充电棒/辊上的电压分别为13Kv/0Kv。施加在第二套充电棒/辊上的电压分别为19Kv/0Kv。
采用8110型自动过滤测试仪也按上述相同的方法，对驻极处理后的三种不同增量样品的过滤能力进行测定。
试验结果列于表1。
表1增量百分比驻极穿透率(0.1微米NaCl)0.0无 80.90.0有 79.912.6 无 79.012.6 有 72.025.0 无 70.525.0 有 61.5这些结果是两个样品的平均值。面速度为0％时，增量约为31升/分，压力降约为8毫米水柱。增量为12.6％时，面速度约为31升/分，压力降为11～15毫米水柱。增量为25.0％时，面速度约为31升/分，压力降为20～22毫米水柱。
表1表明，在各种情况下，经驻极处理的介电涂覆真空吸尘器纸，从通过它的气态物流(空气)中脱除微米的能力都有提高。
实例2用介电乙烯丙烯酸(Michem4983)对第2块多孔非介电材料，一种可从American Fiber&Finishing Inc(Burlington MA)得到的由100％棉花制成的粗滤布(90级)，进行乳液涂覆。将乳液浸没由两根夹辊构成的夹辊，然后让粗滤布通过浸渍过的夹子，将乳液涂覆到粗滤布上。在这一实例中，一根夹辊为硬橡胶，另一根是钢夹辊。涂在粗滤布上的介电材料量以粗滤布干重的百分比计。也就是说，对粗滤布在乳液涂覆前、后进行称重。加到粗滤布上的介电材料重量除以未涂覆的粗滤布重量就是增量百分比。在这一实例中，将不同的粗滤布样品通过浸渍过的夹辊，以取得两个不同的介电聚乙烯增量的重量百分比(47.1％和50.5％)。有一些样品未经乳液涂覆，留作对比试验。在各种情况下，增量百分比均按下式计算
经空气干燥后，通过NaCl微粒穿透试验，根据此处所述的试验参数，对三种不同增量(0％、47.1％和50.5％)的粗滤布的过滤能力进行测定。在NaCl微粒穿透率的测试过程中，所使用的设备是一台TSIInc.(St.Paul，Minnesota)公司8110型的自动过滤试验仪。
然后，施加直流电晕放电，对三种不同增量(0％，47.1％和50.5％)的样品进行驻极处理。电晕放电是由一台型号为No.P/N25安-120伏，50/60Hz的可逆极性发电装置(Simco Corp.，Hatfield，Pennsylvania)和一台型号为No.P16v-120伏，25安50/60Hz的发电装置(Simco Corp.)产生，前一台发电装置接在RC-3ChargeMaster型充电棒(Simco Corp.)上，后一台发电装置接在直径3英寸的实心铝辊上。电晕放电的环境为70.6°F和28％相对湿度。按U.S.P5,401,446的描述是使用两套充电棒/辊。施加在第一套充电棒/辊上的电压分别为12Kv/0.0Kv。施加在第二套充电棒/辊上的电压分别为12Kv/0.0Kv。
采用8110型自动过滤测试仪，也按上述相同方法对驻极处理后的三种不同增量样品的过滤能力进行测定。
试验结果列于表II。
表II增量百分比驻极穿透率(0.1微米NaCl)0.0 无100.10.0 有100.647.1 无100.047.1 有 97.750.5 无100.450.5 有 97.5这个结果是三个样品的平均值。增量为0％时，面速度约为32升/分，压力降约为0.0毫米水柱。增量为47.1％时，面速度约为31升/分，压力降为约0.0毫米水柱。增量为50.5％时，面速度为约31升/分，压力降为0.0毫米水柱。
正如事实所表明，粗滤布的结构是非常稀疏的(其孔大于400×300微米)，当空气通过它时，它基本上没有能力将空气中的微粒除去，不管是在乳液涂覆前或是涂覆后都没有这种能力。(注穿透值为100％或更高时，表明没有能力脱除微粒)。尽管这样，表II还是表明，在各种情况下，经驻极处理的介电涂覆粗滤布，当气态物质(空气)通过时，其脱除微粒的能力是有一定提高的，尽管只稍有提高(约2.5％)。虽然提高量以“稍有”表示，从数学意义上说，本领域的技术人员应该很容易懂得，孔为400×300微粒的极多孔结构，能够阻止任何0.1微米的微粒通过是非常有意义的。所有这些微粒基本上原来预期都有可能通过这种材料。
实例3第三块多孔非介电材料，一种用于修复船壳的玻璃纤维用介电乙烯丙烯酸(Michem4983)进行乳液涂覆。该玻璃纤维的基本重量约为13.5英两/码2，可从Fiberglass Evercoat Co.，Inc.公司取得，其商标名称为Evercoat#94D Sea-Glass Fiberglass Mat。使两根夹辊构成的夹子浸没乳液，然后将玻璃纤维布通过浸有乳液的夹子，以这种方法将乳液涂到玻璃纤维上。在这一实例中，一根夹辊为硬橡胶，另一根是钢辊。涂到玻璃纤维布上的介电材料量，以玻纤布的干重百分比计。即，对玻纤布在乳液涂覆前、后进行称重。增加介电材料后的玻纤布重量减去未涂覆玻纤布的重量除以未涂覆玻纤布的重量即为增量百分比。在这一实例中，将不同玻纤样品通过浸有乳液的夹子，以取得两个不同的，介电乙烯丙烯酸的增量重量百分比(18.8％和21.4％)。某些样品未做乳液涂覆，留做对比试验。在各种情况下，增量百分比均按下式计算
经空气干燥后，采用NaCl微粒穿透试验法，按此处提出的试验参数，对三种不同增量(0％、18.8％和21.4％)的玻纤的过滤能力进行测定。在NaCl微粒穿透率测试过程中所用的设备是一台TSI Inc.公司(St.Paul，Minnesota)8110型自动过滤试验仪。
然后，施加直流电晕放电处理，对三种不同介电增量(0％，18.8％和21.4％)的样品进行驻极处理。用一台型号为No.P/N25安-120伏，50/60Hz的可逆极性发电装置(Simco Corp.，Hatfield，Pennsylvania)和一台型号为No.P16v-120伏，25安50/60Hz的发电装置(Simco Corp.)来产生电晕放电，前一台发电装置接在RC-3Charge Master型充电棒(Simco Corp.)上，后一台发电装置接在直径3英寸的实心铝辊上。电晕放电的环境为70.6°F和28％相对湿度。按U.S.P.5,401,446的描述是使用两套充电棒/辊。施加在第一套充电棒/辊上的电压分别为12Kv/0.0Kv。施加在第二套充电棒/辊上的电压分别为12Kv/0.0Kv。
采用8110型自动过滤测试仪，也按上述相同方法对驻极处理后的三种不同增量样品的过滤能力进行测定。
试验结果列于表III表III增量百分比驻极穿透率(0.1微米NaCl)0.0 无 --10.0 有 --118.8无 95.318.8有 89.321.4无 95.721.4有 87.1注1表明，由于该玻纤布的不稳定性，未能对未经涂覆的玻璃纤维进行测定。也就是说，将材料挤压到一起来形成的这种多孔玻纤布，当试图让空气通过它，将物料通过检测器时，它会散开，给出错误的结果。经过介电涂覆稳定而有增量的样品玻纤布就完全可以取得正确的读数。
这些结果是三个样品的平均值。增量为18.8％时，面速度约为31升/分，压力降约为0.8毫米水柱。增量为21.4％时，面速度约为31升/分，压力降约为1.0毫米水柱。
该玻纤材料由约2英寸长和约1/32英寸宽的玻纤碎片构成。尽管将这种材料压制成毡片，它仍很容易散开。从外观上看，其结构是紧密的，但其中有许多很明显的小孔，其面积达～700微米2。表III表明，在各种情况下，介电涂覆的经驻极处理过的多孔玻璃纤维从通过它的气态物质(空气)中脱除微粒的能力是有一定提高的。正如前面所述，孔面积为700微米2的多孔材料脱除任何0.1微米微粒的能力是很有意义的。本领域的技术人员都容易懂得，玻纤材料的孔宽达0.1微米的7,000倍。
概括来说，这些数据表明，多孔非介电材料可以用介电材料来进行涂覆，然后通过，例如，施加直流电晕放电进行驻极处理来充电。经过这样涂覆和处理的材料从通过它的诸如空气等气态物质中脱除微粒的能力一定是有所提高的。
虽然，本发明已就具体的优选实施方案作了详细描述，但是应当懂得，本领域的技术人员在了解了前述内容之后很容易就能想象出这些优选实施方案的变化情况。相信这种变化和改变都会包括在本发明的精神和后附权利要求的范围之内。
权利要求
1. 一种用于从通过过滤器的气态物质中脱除微粒的过滤器，该过滤器包括一块用介电材料涂覆的非介电材料多孔片，其中的涂覆片已经过驻极处理。
2. 权利要求1的过滤器，其中的驻极处理包括施加直流电晕放电。
3. 权利要求1的过滤器，其中的多孔片选自有孔薄膜、无纺织物、纤维素片和纺织织物。
4. 权利要求1的过滤器，其中的介电材料选自乙烯丙烯酸、乙烯丙烯酸共聚物、聚烯烃、聚烯烃共聚物、尼龙和聚酯。
5. 权利要求1的过滤器，其中的介电涂层厚度小于5微米。
6. 权利要求1的过滤器，其中的介电涂层厚度小于2微米。
7. 权利要求1的过滤器，其中的介电涂层厚度小于1微米。
8. 权利要求1的过滤器，其中的介电涂层厚度小于0.5毫米。
9. 一种提高多孔过滤材料过滤效率的方法，该过滤材料由非介电材料制成，其提高效率过程包括如下步骤用介电材料来涂覆多孔非介电过滤材料，然后，对涂覆过的过滤材料进行驻极处理。
10. 权利要求10的方法，其中的涂覆步骤是将介电材料往非介电材料上进行乳液涂覆。
11. 权利要求10的方法，其中，对涂覆的过滤材料的驻极处理步骤包括对涂覆过滤材料施加直流电晕放电处理。
12. 权利要求10的方法，其中的非介电材料选自有孔薄膜、无纺织物、纤维素片和纺织织物。
13. 权利要求10的方法，其中的介电材料选自乙烯丙烯酸、乙烯丙烯酸共聚物、聚烯烃、聚烯烃共聚物、尼龙和聚酯。
14. 一种用于从通过过滤器的气态物质中脱除微粒的过滤器，该过滤器包括一种用介电材料涂覆的非介电材料多孔片，其中的涂覆片已经过直流电晕放电处理。
15. 权利要求14的过滤器，其中的多孔片选自有孔薄膜、无纺织物、纤维素片和纺织织物。
16. 权利要求14的过滤器，其中的介电材料选自乙烯丙烯酸、乙烯丙烯酸共聚物、聚烯烃、聚烯烃共聚物、尼龙和聚酯。
全文摘要
本发明所公开的是一种经改良的由非介电材料构成的过滤器，该非介电材料上已涂有介电材料并经过，例如直流电晕放电的驻极处理。同时还公开了该过滤装置的制造方法。
文档编号B01D39/08GK1239906SQ97180329
公开日1999年12月29日 申请日期1997年12月5日 优先权日1996年12月6日
发明者B·科亨 申请人:金伯利-克拉克环球有限公司