CN101489656B - 含二氧化硅和阻燃纤维的热气过滤织物 - Google Patents

Abstract

可以使用纤维制造袋式过滤器的热气过滤织物，该纤维包括高硅氧纤维和至少一种FR纤维。可以使用这些纤维通过针刺和/或水刺缠结制造该织物。可以在有或没有添加剂的情况下用粘结剂处理该织物以提高机械性能或赋予其它特性例如气体吸附。根据本发明制得的某些非织造织物具有改进的高温过滤能力和机械性能。

Description

含二氧化硅和阻燃纤维的热气过滤织物

关于相关专利申请的声明

本申请要求2006年5月26日提交的美国临时专利申请60/808,747的优先权，该文献的整个内容通过引用并入本文。本申请还涉及于2005年11月30日提交的PCT专利申请PCT/US2005/043173，该文献的整个内容也通过引用并入本文。

发明领域

本发明一般地涉及过滤器(filter)。更具体地说，本发明涉及非织造过滤器(non-woven filter)，其是阻燃的并且可以由包含无定形二氧化硅纤维和至少一种阻燃(FR)纤维的纤维混合物制成。

发明背景

通常进行流体例如气体的过滤以从该气流中除去颗粒或不相干杂质从而限制杂质向环境中的有害排放，或循环回到相关工艺中。通常希望使得可用于过滤的表面积最大化以致从流体料流除去大量不合需要的污染物，同时尽可能低地维持由所述过滤器引起的操作压差以实现长使用寿命和使表面应变最小化。

在通常称为拦截的一种过滤形式中，过滤介质发挥筛网的作用，其机械地截留大于该介质固有的孔径的颗粒。通过过滤介质中的开孔从流体料流中除去较大颗粒，同时颗粒在彼此之上积累而产生相继地除去较小颗粒的滤饼。

更具体地说，在所谓的“袋式过滤器(baghouse filter)”中，当引导气流穿过过滤介质时从该气流中除去颗粒材料。在一个典型的应用中，过滤介质具有大体上套管状的管式构型，其中气流经安排以致将正被过滤的颗粒沉积在该套管的外部上。在这类应用中，通过将过滤介质经历脉冲逆流(pulsed reverse flow)来周期性地清洗该介质，该脉冲逆流用于从套管的外部移去被过滤的颗粒材料以便在该袋式过滤结构的下部中收集。美国专利4,983,434(通过引用并入本文)举例说明了袋式过滤器结构和现有技术的过滤器层叠体。

用于热气过滤的最常用的纤维是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、丙烯酸系树脂、间位芳香族聚酰胺、聚酰亚胺、聚苯硫醚和玻璃纤维，它们通常作为纤维混合物使用。美国专利4,295,868描述了涂有金属氧化物以改进纤维强度的硅酸玻璃纤维基织物。该专利提到包含95％或更多SiO₂的玻璃纤维认为太脆而不能用作过滤器。WO 86/00570描述了包含单独的玻璃纤维层和一个或多个有机纤维层的层状过滤织物。所使用的玻璃纤维可以由C-玻璃纤维、E-玻璃纤维或S-玻璃纤维制成。WO87/01655描述了包含高温纤维例如玻璃的层的过滤介质，该层附着于由高温纤维例如玻璃纤维制成的织物，从而获得良好的抗挠曲性。下面专利文献描述了玻璃纤维的使用，但没有限定制造纤维中所使用的玻璃纤维的类型：U.S.5,713,972、U.S.6,340,379、WO 03/095067、WO 99/47236、U.S.专利申请2002/0023874、2002/0023419、2003/0101866、2004/0163540。

一些专利描述了通过包含吸附剂例如活性碳、沸石或将纤维本身制成多孔来提高纤维的污染物吸附能力的尝试。因此，美国专利申请2004/0163540和WO 03/090900描述了使用活性碳或沸石，而美国专利申请2004/0197552描述了制造二氧化硅纤维基织物和用无机混合物处理以在纤维表面上产生孔隙。

需要具有改进的高温过滤能力和机械性能的织物。

发明概要

令人惊奇地发现，可以使用非织造制造技术将二氧化硅纤维与用于袋式过滤器的常规纤维混合，以制备具有提高的耐热性、和在许多情况下较低成本的改进的过滤织物。基于这些发现，在一个示例性实施方案中，本发明可以提供包含二氧化硅纤维的非织造过滤介质(non-woven filter media)，或由该过滤介质制成的袋式过滤器。该过滤介质可以优选使用常规针刺技术制造，并且优选通过使用内部的织造稀松布(scrim)增强。该非织造织物可以是阻燃的并且它可以由包含无定形二氧化硅纤维和至少一种由阻燃(FR)纤维构成的纤维的纤维混合物制成。

所述非织造织物可以具有(1)足够的机械强度以承受在使用和多重挠曲循环期间产生的压力，(2)对苛刻化学品的长期耐受性，(3)不受高达482℃(900°F)的连续操作温度影响的能力，(4)对强火花(hot spark)的耐受性，(5)在使用温度下小于大约1％的收缩率，(6)高的过滤效率，和(7)对被微生物侵蚀的耐受性。

所述非织造织物可以包含大约20-大约80wt％的二氧化硅纤维，和大约20-大约80wt％的一种或多种FR纤维，该FR纤维选自改性聚丙烯腈、含磷杂环戊烷(phosphalane)的聚酯、三聚氰胺、间位芳香族聚酰胺(meta aramid)、对位芳香族聚酰胺(para aramid)、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、部分氧化的聚丙烯腈、novoloid(含线型酚醛树脂不少于85％的酚醛纤维)、聚(对亚苯基苯并二噁唑)、聚(对亚苯基苯并噻唑)、聚苯硫醚、阻燃粘胶人造丝；含硅铝酸盐改性二氧化硅的粘胶人造丝、纤维素制品、聚醚醚酮、聚酮、聚醚酰亚胺、涂有FR树脂的天然或合成纤维，或它们的混合物。

本发明的其它示例性实施方案涉及这些织物/过滤器在高度要求工业过滤应用中的用途，所述过滤应用包括但不限于，沥青、水泥、工业锅炉和工业炉、发电和废物焚烧市场中使用的脉冲喷射过滤系统和反向喷射过滤系统。因此，在又一个示例性实施方案中，本发明提供从流体中过滤颗粒的方法，其包括：(a)提供包含二氧化硅纤维的过滤器；和(b)在负压或正压下将所述流体流过该过滤器以致所述颗粒变得被由该二氧化硅纤维制造的织物阻滞或滞留。

本发明的附加优点将部分地在随后的描述中给出，并且部分地将从该描述显而易见，或可以通过本发明实践认识到。本发明的优点将通过尤其在所附权利要求书中指出的要素和组合来实现和获得。根据所主张的，应该理解以上概述和以下详细说明仅是示例性和说明性的并不是用于限制本发明的。

附图简述

结合到本说明书中并且构成本说明书一部分的附图举例说明了本发明的一些示例性实施方案并且连同本描述一起用来解释本发明的原理。

图1是根据本发明的一个示例性实施方案本发明的过滤介质尤其适合的脉冲逆流袋式过滤器配置的示例性图示。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施方案如图1所示的示例性过滤介质的进一步细节。

图3示出了根据本发明的示例性实施方案的本发明过滤材料的潜在过滤应用。

图4示出了根据本发明的一个示例性实施方案如图1所示的从流体例如热气中过滤颗粒的方法。

发明详述

通过使用各自如下面所限定的具有高二氧化硅含量的二氧化硅纤维和优选至少阻燃/耐燃(FR)热塑性聚合物纤维(FR纤维)制造本发明的织物。

阻燃性由ASTM限定为″材料的性能，藉此性能在应用火焰或非火焰火源之后，在有或者没有随后移除该火源的情况下，火焰燃烧被防止，终止或抑制″。阻燃性材料可以是聚合物、纤维或织物。阻燃剂由ASTM限定为″用来赋予阻燃性的化学品″。

本发明的非织造材料中的二氧化硅纤维的重量百分率适合地是该材料的至少大约5、10、20、30或40wt％，且小于大约95、90、80、70或60wt％。类似地，该材料中的FR纤维的重量百分率适合地是该材料的至少大约5、10、20、30或40wt％，且小于大约95、90、80、70或60wt％。在优选的、仍是示例性的实施方案中，该材料包含：

大约20-大约70wt％二氧化硅纤维和大约30-大约80wt％FR纤维；

大约30-大约65wt％二氧化硅纤维和大约35-大约70wt％FR纤维；或

大约40-大约60wt％二氧化硅纤维和大约40-大约60wt％FR纤维。

根据一个示例性实施方案，所述非织造过滤介质可以包含大约5-大约95wt％二氧化硅纤维和大约5-大约95wt％一种或多种FR纤维。此外，根据另一个示例性实施方案，所述非织造过滤介质可以进一步包含两个周围层(peripheral layer)和内层，其中所述内层包含稀松布，所述周围层包含均匀混合的二氧化硅纤维和FR纤维。

根据另一个示例性实施方案，所述非织造过滤介质可以包含大约20-大约80wt％二氧化硅纤维和大约20-大约80wt％一种或多种FR纤维，该FR纤维选自改性聚丙烯腈、含磷杂环戊烷的聚酯、三聚氰胺、间位芳香族聚酰胺、对位芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、部分氧化的聚丙烯腈、含线型酚醛树脂不少于85％的酚醛纤维、聚(对亚苯基苯并二噁唑)、聚(对亚苯基苯并噻唑)、聚苯硫醚、阻燃粘胶人造丝；含硅铝酸盐改性二氧化硅的粘胶人造丝、纤维素制品、聚醚醚酮、聚酮、聚醚酰亚胺、涂有FR树脂的天然或合成纤维，或它们的混合物。

根据另一个示例性实施方案，非织造过滤介质由包含无定形二氧化硅纤维和阻燃(FR)纤维的纤维混合物制成。该混合物可以包含大约5-大约65wt％无定形二氧化硅纤维和大约35-大约95wt％一种或多种FR纤维。

在一个尤其优选的示例性实施方案中，按针刺操作由纤维的多个已梳堆积体(carded stack)制备织物。每个已梳堆积体可以仅包含一种特定的纤维，或纤维的特定混合物，但是在一个优选的示例性实施方案中，每个已梳堆积体包含所述材料中均匀混合在每个已梳堆积体中的所有纤维。在一个示例性实施方案中，存在由织造稀松布隔离的至少两个纤维堆积体，该织造稀松布在针刺操作中变得与所述堆积体结合。该织造稀松布可以是由任何能够经得起对所述材料(例如玻璃纤维)所要求的物理要求并且在重量方面优选是大约2.5osy(盎司/平方码)的材料制成的任何稀松布。

高硅氧纤维(high silica fiber)的描述

本发明的实践包括包含无定形二氧化硅纤维和至少一类FR纤维的纤维混合物。如本文将更详细阐明的那样，该纤维混合物然后可以用来形成用于多种用途的织物，非织造织物和织造织物两者。根据一个示例性实施方案，用于沉积颗粒物质的过滤器由具有所述纤维混合物的非织造织物制成。

一般地，可以使用当添加到纤维混合物中时改进炭化强度(charstrength)的任何无定形二氧化硅纤维。术语″二氧化硅″是指以多种结晶和无定形形式天然存在的二氧化硅。当所述分子的基本结构(硅四面体经排列满足每个氧原子为两个四面体所共有)重复和对称时，认为二氧化硅是结晶的。如果所述分子缺乏结晶结构，则认为二氧化硅是无定形的。该SiO₂分子是无规连接的，不形成重复图案。结晶二氧化硅是不希望的，因为与其脆性结晶结构破碎成具有可吸入尺寸的碎片相关联的健康影响。

无定形二氧化硅纤维是二氧化硅(SiO₂)含量至少大约90wt％的高含量二氧化硅纤维，基于该高硅氧纤维的总重量。在一个或多个示例性实施方案中，二氧化硅纤维具有至少大约65wt％，70wt％，75wt％，85wt％，90wt％，95wt％乃至95wt％的二氧化硅含量。例如，高硅氧纤维可以包含大约98wt％二氧化硅，而其余部分主要包含氧化铝。在某些示例性实施方案中，高硅氧纤维中卤素的量小于大约120重量ppm。

根据一个示例性实施方案，非织造过滤介质包含具有至少大约70wt％二氧化硅的二氧化硅纤维。该二氧化硅可以是无定形二氧化硅。根据另一个示例性实施方案，非织造过滤介质具有包含至少大约85wt％无定形二氧化硅的二氧化硅纤维。

优选地，在大多数示例性实施方案中，二氧化硅纤维是基本上无定形的。虽然所述纤维可以包含某种结晶材料，但是显著量的结晶度不是优选的。适合的二氧化硅纤维是可商购的，例如从Polotsk-Steklovolokno，Belarus，通过它们的美国代理商在Sparks，Nevada的TMS。

在一个示例性实施方案中，用于高硅氧纤维的起始材料组合物是：72-77％SiO₂，2.5％B，3.5％Al₂O₃，20-25％Na₂O，0.01-1.0％CoO和0.01-0.5％SO₃，都是重量百分率，基于该组合物的总重量。该组合物在1480±10℃下熔融并且形成连续纤维。然后使用浓度2N的热硫酸在98±2℃的温度下以60分钟的停留时间沥滤这种纤维。然后用自来水冲洗该纤维直到pH值为大约3-5。在这一示例性实施方案中，所得的纤维具有大约95-99wt％±1的SiO₂含量，其余部分主要是Al₂O₃。

用于制造高硅氧纤维的高硅氧玻璃组合物(high silica glasscomposition)和方法在俄国专利号2,165,393(′393专利)中进行了描述，该文献据此通过引用并入本文。该′393专利的高硅氧纤维描述为在基础长丝的强度方面具有较低的变异系数，这产生使所得纤维的强度特性稳定的可能性，特别是在高温下的使用过程中。关于高硅氧纤维的以下描述摘自该′393专利仅用于示例性目的并且不应解释为限制本发明。

在一个或多个示例性实施方案中，包括SiO₂、Al₂O₃和Na₂O的玻璃组合物还按以下比例(质量百分率)包括CoO和SO₃：

Al₂O₃：2.5-3.5

Na₂O：20-25

CoO：0.01-1.0

SO₃：0.01-1.0

SiO₂：其余。

该玻璃可以按以下量(质量百分率)包含至少一种选自CaO、MgO、ZrO₂、TiO₂、Fe₂O₃的氧化物：

CaO：0.01-0.5

MgO：0.01-0.5

TiO₂：0.01-0.1

Fe₂O₃：0.01-0.5

ZrO₂：0.01-0.5。

在另一个示例性实施方案中，除了SiO₂和Al₂O₃之外所述高温二氧化硅纤维还按以下比例(质量百分率)包括CoO和SO₃：

SiO₂：94-96

Al₂O₃：3-4

Na₂O：0.01-1.0

CoO：0.01-1.0

SO₃：0.01-1.0。

所述二氧化硅纤维还可以按以下量(质量百分率)包含至少一种选自CaO、MgO、TiO₂、Fe₂O₃、ZrO₂的氧化物：

CaO：0.01-0.5

MgO：0.01-0.5

TiO₂：0.01-0.1

Fe₂O₃：0.01-0.5

ZrO₂：0.01-0.5。

在一个示例性实施方案中，所述二氧化硅纤维基本上不含任何金属氧化物涂层。所述二氧化硅纤维的直径可以为大约5.6微米-大约12.6微米并且在一个示例性实施方案中，该直径为大约8微米。所述二氧化硅纤维的长度可以为大约50毫米-大约125毫米并且，在一个示例性实施方案中，该长度为大约75毫米，(通过调节纤维的切断长度可获得更短和更长的纤维，但是对针刺应用通常不实用)。

玻璃纤维的制备

根据上述俄国专利号2,165,393实施例1-3的玻璃纤维制备阐述如下：为了制备具有所提出的组成的连续长丝玻璃纤维，准备包含(质量百分率)SiO₂：72.39，Al₂O₃：2.5，Na₂O：25，CoO：0.01，SO₃：0.1的容器。将该容器装入炉中并在1480±10℃的温度下熔融。从该熔融玻璃物质，使用400-孔玻璃形成聚集体(aggregates)在1260±50℃的温度下形成直径为6-9微米的连续玻璃纤维。所得纤维具有1030Mpa的强度和0.318H/m的表面张力。使用浓度2N(大约10％)的热硫酸溶液在98±2℃的温度下进行沥滤。纤维在该溶液中的接触时间是60分钟。用自来水从所述被沥滤的纤维上冲洗掉沥滤溶液，反应产物和上浆残留物直到pH值为3-5。用去离子水进行该纤维的最后洗涤并同时脱水。

实施例2和3的玻璃组合物的制备、其加工和沥滤类似于实施例1。表1和2提供了该玻璃组合物，熔融产物的特性，加工的特性和该玻璃和二氧化硅纤维的特性。表3提供了在暴露于1000℃中之后二氧化硅材料的强度特性。

表1至3还提供了确认以下事实的数据：钴和SO₃引入玻璃组合物增加玻璃物质的不均匀性，降低其表面张力，减小纤维在加工期间的脆性和此外还增加二氧化硅纤维和基于这种纤维的所得材料的技术特性的稳定性。

表1

*作为原型取得的熔融玻璃的表面张力是0.228N/m。

表2

表3

在1000℃下热加工之后二氧化硅材料断裂负荷

下表4和5示出了多种玻璃纤维组合物，从这些组合物可以看出由俄国专利号2,165,393教导的二氧化硅纤维与所有其它玻璃纤维类型区别在于存在痕量CoO和SO₃。

表4

表5

FR纤维

已经论述了本发明的无定形二氧化硅组分，接下来将论述添加剂纤维。在以下论述中，术语″二氧化硅纤维″的使用应当理解为是指包含无定形(与结晶相反)二氧化硅的那些纤维。

无定形二氧化硅和FR纤维的纤维混合物中二氧化硅纤维的量可以根据所使用的FR纤维而改变。在一个示例性实施方案中，该混合物中二氧化硅纤维的量为大约5-大约65wt％，基于该混合物的总重量。在另一个示例性实施方案中，该混合物中二氧化硅纤维的量为大约15-大约50wt％。在另一个示例性实施方案中，该混合物中二氧化硅纤维的量为大约20-大约30wt％。该混合物中其余的纤维包括必要量的非无定形纤维，即FR纤维，以等于100wt％。

换句话说，本发明的织物还通常包括至少一种阻燃或耐燃(FR)纤维并且本文所使用的术语FR包括这两类。本领域中已知多种FR纤维。本发明的织物中采用的FR纤维可以是固有阻燃纤维或涂有FR树脂的纤维(天然或合成纤维)。固有阻燃纤维不被涂布，但是具有引入该纤维的结构化学内的FR组分。本文所使用的术语FR纤维既包括固有耐燃和阻燃纤维以及不是固有地耐燃或阻燃的、但涂有FR树脂的纤维。因此，举例来说，涂有FR树脂的聚丙烯纤维将是FR聚丙烯纤维。

固有耐燃纤维的实例包括具有含磷基团、胺、改性硅铝酸盐或含卤素基团的聚合物纤维。本征阻燃纤维的具体实例包括三聚氰胺、间位芳香族聚酰胺、对位芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、芳族聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、部分氧化的聚丙烯腈、含线型酚醛树脂不少于85％的酚醛纤维、聚(对亚苯基苯并二噁唑)、聚(对亚苯基苯并噻唑)、聚苯硫醚、阻燃粘胶人造丝；(例如包含30％硅铝酸盐改性二氧化硅SiO₂+Al₂O₃的粘胶人造丝基纤维)、聚醚醚酮、聚酮、聚醚酰亚胺、和它们的组合。

三聚氰胺包括由McKinnon-Land-Moran LLC以商品名称Basofil销售的那些。间位芳香族聚酰胺包括聚间苯二甲酰间苯二胺，例如由E.I.Du Pont de Nemours and Co.以商品名称

销售的，由TeijinLimited以

和

销售的和由Russian State Complex以

销售的。对位芳香族聚酰胺包括聚对苯二甲酰对苯二胺)，例如由E.I.Du Pont de Nemours and Co.以商品名称

销售，和聚(二苯醚对位芳香族聚酰胺)，例如由Teijin Limited以商品名称

销售的，和由Acordis以商品名称

销售的和FENYLENE

(Russian State Complex)。

聚苯并咪唑由Hoechst Celanese Acetate LLC以商品名称PBI销售。聚酰亚胺包括由Inspec Fibers以商品名称P和由E.I.Du Pontde Nemours and Co以

销售的那些。聚酰胺酰亚胺包括例如由Rhone-Poulenc以商品名称

销售的那些。部分氧化的聚丙烯腈包括例如，由Fortafil Fibers Inc.以商品名称FORTAFIL

由Textron Inc.以由Zoltek Corp.以

由SGL Technik以由American Fibers and Fabrics以

和由TohoRayon Corp.以

销售的那些。

含线型酚醛树脂不少于85％的酚醛纤维包括例如，苯酚-甲醛酚醛清漆，例如由Gun Ei Chemical Industry Co.以商品名称

销售的。聚(对亚苯基苯并二噁唑)(PBO)由Toyobo Co.以商品名称销售。聚(对亚苯基苯并噻唑)亦称PBT。聚苯硫醚(PPS)包括由AmericanFibers and Fabrics以商品名称由Toray Industries Inc.以TORAY

由Kureha Chemical Industry Co.以

和由Toyobo Co.以

销售的那些。

阻燃粘胶人造丝包括例如，由Lenzing A.G.以商品名称

和由Sateri Oy Finland以

销售的那些。聚醚醚酮(PEEK)包括例如，由Zyex Ltd.以商品名称

销售的聚醚醚酮。聚酮(PEK)包括例如，由BASF以商品名称销售的聚酮。聚醚酰亚胺(PEI)包括例如，由General Electric Co.以商品名称销售的聚醚酰亚胺。

改性聚丙烯腈纤维由丙烯腈及其它材料例如氯乙烯、偏二氯乙烯或溴乙烯的共聚物制成。可以添加阻燃材料例如氧化锑以进一步提高耐燃性能。本发明中使用的改性聚丙烯腈纤维由Kaneka以产品名称KANECARON PBX和PROTEX-M、PROTEX-G、PROTEX-S和PROTEX-PBX制造。后面的产品包含至少75％丙烯腈-偏二氯乙烯共聚物。Solutia的SEFPLUS也是具有阻燃性能的改性聚丙烯腈纤维。

适合用于本发明的织物的固有FR纤维的其它实例包括含磷杂环戊烷的聚酯，例如由KoSa以商标TREVIRA

纤维或

PLUS纤维销售的聚酯。

另外有用的是氯代聚合物纤维，例如由Rhovyl S.A.以商品名称L9S & ZCS、L9F、

L9R、

MPS，由Thueringische以

由Kureha Chemical Industry Co.以由Teijin Ltd.以

由Toyo Chemical Co.以

由Pittsfield Weaving以

由KurehaChemical Industry Co.以

由Fibrasomni，S.A.de C.V.以OMNI-

销售的那些，和它们的组合。氟代聚合物纤维例如聚四氟乙烯(PTFE)、聚(乙烯-三氟氯乙烯)(E-CTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚全氟烷氧基(PFA)和聚氟化乙烯-丙烯(FEP)和它们的组合也是有用的。

本发明的织物包含高硅氧纤维与FR纤维的混合物。该高硅氧纤维在所述混合物中可以为大约1wt％-大约99wt％，对FR纤维来说也是一样，达到总计100％。

涂有FR树脂的天然或合成纤维也可用于本发明的织物。涂有FR树脂的适合的纤维包括其中该树脂包含以下物质中一种或多种的那些：磷、磷化合物、红磷、磷酯和磷络合物；胺化合物、硼酸、溴化物、脲甲醛化合物、磷酸酯-脲化合物、硫酸铵或卤素基化合物。非树脂涂层如金属涂层对本发明不是优选的，因为它们在产品的连续使用之后易于剥落。可商购的FR树脂由Spartanburg，S.C的Glotex Chemicals以商品名GUARDEX

和

销售。

对将所述树脂涂到纤维上的方式没有特别限制。在一个示例性实施方案中，FR树脂是可以用作喷涂物的液体制品。在另一个示例性实施方案中，FR树脂是可以作为热熔制品施涂到纤维上的固体，或作为然后被熔入所述纤维的固体粉末。在一个示例性实施方案中，基于被涂布的纤维的总重量，按大约6-大约25wt％的量将FR树脂施涂到所述纤维上。

所述混合物中被涂布的FR纤维的量可以改变，但是为大约35-大约95wt％，基于该混合物的总重量。在一个示例性实施方案中，所述混合物中被涂布的FR纤维的量为大约40-大约90wt％。在另一个实施方案中，所述混合物中被涂布的FR纤维的量为大约45-大约85wt％。

FR纤维的旦尼尔为大约1.5-大约15dpf(单丝旦数)。前面列出的FR纤维不应理解为限制本发明实践而是用来说明以下事实：任何已知的FR纤维可以与无定形二氧化硅纤维一起使用并且用于本发明的实践。因此，纤维类型包括具有多种横截面和形状的复丝和单丝纱，以及通常由切膜狭条或窄长料子制成的原纤化纤维纱。

本发明的织物可以进一步包含一种或多种非FR纤维。该非FR纤维可以是合成或天然纤维。适合的非FR合成纤维包括聚酯例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)；纤维素制品，例如人造丝和/或莱塞尔纤维；尼龙；聚烯烃例如聚丙烯纤维；丙烯酸系树脂；三聚氰胺和它们的组合。莱塞尔纤维是溶剂纺丝的纤维素纤维的一般分类。这些纤维可以名称

商购。天然纤维包括亚麻、洋麻、大麻、棉花和羊毛。在一个示例性实施方案中，非FR纤维用来提高某些特性例如膨松度、回弹性能或弹性、拉伸强度和保暖性。

所述纤维混合物包含无定形二氧化硅纤维和至少一种FR纤维。因此，本发明体现为包含无定形二氧化硅纤维、FR纤维、任选地附加FR纤维和任选地一种或多种非FR纤维的纤维混合物。在一个示例性实施方案中，所述纤维混合物包括：改性聚丙烯腈纤维；纤维素纤维、莱塞尔纤维和无定形二氧化硅纤维。

在另一个示例性实施方案中，所述纤维混合物还包括多于一种的FR纤维。在另一个示例性实施方案中，所述纤维混合物包括无定形二氧化硅纤维、改性聚丙烯腈纤维和VISIL。在又一个示例性实施方案中，纤维混合物包括：改性聚丙烯腈纤维、FR人造丝纤维和无定形二氧化硅纤维。

在另一个示例性实施方案中，纤维混合物包括改性聚丙烯腈纤维、VISIL(FR粘胶人造丝)纤维、无定形二氧化硅纤维和FR聚丙烯纤维。每种组分的量可以改变；然而，当由包含大约40wt％改性聚丙烯腈、大约40wt％VISIL、大约15wt％无定形二氧化硅和大约5wt％FR聚丙烯纤维的混合物制备针刺织物时，获得有利的炭化强度。

本发明的非织造织物可以通过将纤维网的纤维机械联锁而制备。该机械联锁优选经由梳理/针刺操作实现。制备非织造织物的针刺方法是本领域中已知的。在一个示例性实施方案中，非织造织物(有时称作毡式织物)可以如下构造：称重纤维混合物和然后使其干法成网/气流成网到移动式输送带上。可以调节该输送带的速度以提供所需毡式织物重量(batt weight)。将多层毡式织物供应穿过针刺机，在那里，驱动钩针经过所述层以提供缠结。

存在一些其它已知的用于制备非织造织物的方法，包括水力缠结(水刺)、热粘合(热轧式和/或热风式(though-air))、胶乳粘合或粘合剂粘合工艺。水刺方法与针刺相似，不同在于使用水刺头代替钩针使纤维缠结。热粘合要求某种类型的热塑性纤维或粉末充当粘结剂。所谓的非织造织物在此包括所有制造形式。

本发明的适合的非织造织物具有大于大约2.25oz./sq.yd.(osy)的毡式织物重量。在一个示例性实施方案中，毡式织物重量为大约2.25osy-大约20osy。在一个示例性实施方案中，将纤维梳理。然后，输送带移到其中可以任选地将喷涂材料添加至非织造毡式织物的区域。例如，可以将FR树脂作为胶乳喷涂到非织造毡式织物上。在一个示例性实施方案中，输送带是多孔的，并且过量胶乳喷涂材料通过该输送带滴落并且可以收集以便之后再使用。在任选的喷涂之后，将纤维混合物输送到干燥器或烘箱。可以通过运输带将该纤维输送到针刺机，在那里，将该毡式织物的纤维机械地取向并联锁以形成非织造织物。

袋式过滤器应用

参照图1，其中图解示出了根据一个示例性实施方案与本发明的过滤介质一起使用的代表性袋式过滤器结构。这类袋式过滤器结构10通常用于要求从输入流体料流20A中过滤颗粒材料16的工业应用。如所示，输入流体料流20A进入过滤室12，在其内，排列了一个或多个大体上管形的套管状滤袋14。该滤袋14可以各自包封过滤器层叠结构18和笼式结构26。该滤袋14可以由管板28支撑。

通过跨越过滤介质或结构10产生压差，该输入流体料流20A例如热气如蒸汽可以流过该滤袋14的外表面，而颗粒材料16从输入流体料流20A中被除去作为沉积靠在过滤介质10上的材料16。经过滤的流体料流20B然后可以在出口导管24离开该过滤室12。如上所述，根据本发明制造的滤袋14的一个优点是它们具有提高的耐热性和耐燃烧或炭化性。该滤袋14优选由非织造织物制成，该非织造织物是耐燃的并且由包含无定形二氧化硅纤维和至少一种由阻燃(FR)纤维构成的纤维的纤维混合物制成。

通常，可以通过周期性地使每个滤袋14经历流体20C的脉冲逆流而从该滤袋14的外部逐除颗粒材料16。在经过过滤介质10的这种流体20C的脉冲逆流下，促使颗粒材料16(通常称为滤饼)从每个滤袋14的外部脱离，并收集在过滤室12的下部(称为料斗22)。

实施本发明原理的袋式过滤介质10可以装配为图1示出的滤袋14。对于此类应用，过滤介质10可以形成为平坦片材，其中相对边缘接合而形成末端开孔的管。该管然后可以在一端封闭而形成套管状袋子14，如图1所示。对于其它应用，过滤介质可以按其平坦的形式(未示出)使用，或按末端开孔的管形式使用。

现参照图2，这一附图示出了根据本发明的一个示例性实施方案在图1所示的示例性过滤介质10的进一步细节。图2所示的结构26、14A、202和14B之间的间隔已经被放大以显示细节。

过滤介质10可以包括笼子26、内部稀松布202和两个周围层14A和14B，该两个周围层围绕以包封该内部稀松布202。该笼子26可以由金属制成以形成钢丝笼26，但是其它材料不超出本发明。该笼子26可以由柔性材料或刚性材料制成以致该笼子26是柔性或耐得住挠曲(或刚性)的。

该内部稀松布202可以由织造材料(woven material)制成。在一个示例性实施方案中，本发明过滤器的纤维的两个周围层14A、14B被织造稀松布202隔离，该稀松布202可以通过针刺操作变得与该两个周围层14A、14B结合。该织造稀松布202可以是由任何能够经得起对所述材料(例如玻璃纤维)所要求的物理要求并且在重量方面优选是大约2.5osy(盎司/平方码)的材料制成的任何稀松布。该周围层14A，14B优选由非织造织物制成，该非织造织物是耐燃的并且由包含无定形二氧化硅纤维和至少一种由阻燃(FR)纤维构成的纤维的纤维混合物制成。

现参照图3，这一附图示出了根据本发明示例性实施方案的本发明过滤材料300的潜在过滤应用。本发明过滤器300除袋式过滤之外的潜在过滤应用305包括HVAC过滤，其中将具有过滤介质的框架放入空气流的通道中以在该空气循环进入房间之前从该空气中除去颗粒例如灰尘。食品和饮料过滤是另一种应用，其中可以将过滤器放置在流体接触饮料制造物质之前或之后以从该流体中除去污染物。聚结过滤是又一种应用，例如用于柴油发动机和船舶应用。另外其它潜在过滤应用包括真空过滤设备、除雾、涡轮进气过滤、汽车和卡车变速器和空气进气过滤、冷却剂过滤、化学品过滤(包括医药和药物过滤)、发电过滤(power generation filtration)、办公设备过滤、造纸机、布毡和排水管铺设机过滤、以及任何其它类似的过滤应用。

现参照图4，这一附图示出了根据本发明的一个示例性实施方案在图1中所示的从流体，例如热气中过滤颗粒的方法400。步骤405是从流体中过滤颗粒的工艺400的第一个步骤，其中由纤维混合物制造非织造层14。在一个示例性实施方案中，该过滤器的周围层14A、14B优选由非织造织物制成，该非织造织物是耐燃性的并且由包含无定形二氧化硅纤维和至少一种由阻燃(FR)纤维构成的纤维的纤维混合物制成。

接下来，在步骤410，该周围非织造层14A、14B可以通过针刺操作变得与织造稀松布202连接，如图2所示。该织造稀松布202可以是由任何能够经得起对所述材料(例如玻璃纤维)所要求的物理要求并且在重量方面优选是大约2.5osy(盎司/平方码)的材料制成的任何稀松布。这一步骤是任选的。该非织造层14A、14B可以不与织造层或任何其它类型层连接，而不脱离本发明范围。

接下来，在步骤410，该非织造层14A、14B和稀松布202可以包封支撑结构如金属丝笼26，如图2所示。这一步骤也是任选的并且可以根据该外围非织造层14A、14B如何用于特定的过滤操作而改变。在一些情形下，周围层14A、14B可以不包封支撑结构，如金属丝笼26。

接下来，在步骤420，所得过滤结构10可以例如图1中所示那样置于包含颗粒物质16的流体料流20A中并且沿着第一方向流动。该流体料流20A或颗粒物质16(或两者)可以是非常热的例如约为900℃并且不会引起该过滤结构变得着火。

在步骤425，颗粒物质16可以从沿着第一方向流动的流体料流20A中被过滤或除去。接下来，在步骤430，通过将流体料流(通常第二流体料流20C)沿着与第一流体料流20A的第一方向相反的第二方向运动从该过滤结构10中驱逐颗粒物质16而清洗该过滤结构10。该工艺然后结束。

物理性能

本发明的非织造织物混合物优选能够满足一系列工业过滤应用的高要求条件，并且在一个优选的示例性实施方案中，能够满足以下物理试验要求：

重量(osy)ASTM D-5261                 ＜20osy

透气性(cfm@0.5″水)ASTM D-737-69     20-60

拉伸强度(lb.)(MD×CD)ASTM D-4632     ＞150×100

马伦胀破强度ASTM D-3786              ＞300psi

MIT抗挠曲性ASTM D-2176-69            ＞20,000循环

耐强螺母火花性@900℃                 无着火

(hot nut spark resistance)

收缩率@400°F                        在2小时之后＜2％。

耐热性(连续/峰值)°F                 464/500

根据一个示例性实施方案，所述过滤介质可以包括大于大约500psi的马伦胀破强度。根据另一个示例性实施方案，所述过滤介质具有等于或大于900℃的耐强螺母火花性(无着火)。根据另一个示例性实施方案，所述过滤介质可以包括大约450°F或更大的连续耐温性。

在备选的示例性实施方案中，本发明的织物满足以下物理试验条件中一个或多个：

重量-大于10，11，12，13或14osy，且小于30，25，20，18，17，16或15osy。

透气性-大于15或20cfm@0.5″水，且小于80，60，50或40cfm@0.5″水。

孔隙体积％(DIN 53855)-大于大约60，65或70％，且小于大约85，80或75％。

拉伸强度(MD)-大于大约100，125或150，且小于大约250，200或180。

拉伸强度(CD)-大于大约60或80，且小于大约200，150或125。

耐强螺母火花性(无着火)-大于500，600，700，800或900℃。

在400°F下在2小时之后的收缩率-小于5，4，3或2％，且大于0.2或0.5％。

耐温性(连续)-大于大约300，325，350，375，400，425，450或500°F。

耐温性(峰值)-大于大约300，325，350，375，400，425，450或500°F。

根据一个示例性实施方案，所述过滤介质具有大约12-大约17盎司/平方码(osy)的织物重量。根据另一个示例性实施方案，所述过滤介质具有大约20-大约40的透气性(cfm@0.5″水)。

在一个优选的示例性实施方案中，相对于与二氧化硅纤维一起结合到织物中的特定载体纤维限定耐温性，如下表6中所列：

表6

实施例

为了证实根据本发明的各种纤维混合物的功效，制备许多样品并试验，如下文所述那样。已经提供了实施例来证实本发明实践并不应该理解为限制本发明或其实践。进行研究来比较包含二氧化硅纤维及其它高温纤维的50/50混合物的过滤织物和仅由高温纤维制成的织物当暴露于该织物上的模拟火焰中时将如何表现。如下模拟火焰：放置加热到900℃的12.7mm直径金属螺母并允许它停留在该织物上30秒。然后记录该火焰自熄花费的时间。每一试验重复3次。在每种情况下使用的织物称重大约16oz/sq.yd。除非另外规定，试验中使用的所有织物是针刺毡。

从试验获得的各个数据和平均值以及通过混合二氧化硅纤维获得的火焰熄灭时间的百分率减少在随后的表7上示出。通过将二氧化硅纤维与Nomex或PPS纤维混合，火焰熄灭时间可以减少超过50％以致该混合织物表现得与更昂贵的P84织物一样好。可以通过混合二氧化硅纤维与P84纤维获得的火焰熄灭时间的减少是很小的。

表7

织物混合物

表8中报道的数据为具有各种化学组成的二氧化硅纤维混合织物和商业高温袋式过滤器织物提供更对比性的数据。清楚地，二氧化硅纤维混合织物具有最低的火焰熄灭时间：该混合物的火焰熄灭时间在4.0-6.4秒之间变化，而排除P84织物的非混合商业织物的火焰熄灭时间是9-27.4秒。应该指出的是，本文所使用的E-玻璃基织物包含专有的化学涂层以改进耐化学品性和/或耐磨性，而所有二氧化硅纤维基混合织物不具有任何化学涂层。

表8

FR性能

因此，显然在热气过滤应用的织物中无定形二氧化硅纤维的使用是高度有效的。本发明可以通过将无定形二氧化硅纤维与至少一种其它阻燃纤维，或粘结剂纤维组合来实践，但是不一定限于此。实践也不限于选择特定的FR纤维或粘结剂纤维，只要将该一种或多种所选的纤维与无定形二氧化硅纤维组合。此外，该织物不限于非织造织物类型。

在整个申请中，参考各种出版物。这些出版物的公开内容据此全文引入本申请供参考以更完全描述本发明涉及的现有技术。对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明范围或精神的情况下可以对本发明作出各种修改和变化。对本领域技术人员来说通过考虑在此公开的本发明说明书以及实践，本发明的其它示例性实施方案将是显而易见的。希望说明书和实施例应认为仅是示例性的，本发明的真实范围和精神由以下权利要求书来说明。

Claims (17)

1.包含纤维混合物的非织造过滤介质，其中所述混合物包含无定形二氧化硅纤维和至少一种阻燃纤维，其中所述无定形二氧化硅纤维包含94-96wt％的二氧化硅、3-4wt％的Al₂O₃、0.1-1.0wt％的Na₂O、0.01-1.0wt％的CoO和0.01-1.0wt％的SO₃。

2.权利要求1的非织造过滤介质，还包括两个周围层和内层，其中所述内层包含稀松布，其中所述周围层包含含有无定形二氧化硅纤维和至少一种阻燃纤维的纤维混合物。

3.权利要求1的非织造过滤介质，其中所述混合物包含20-80wt％的无定形二氧化硅纤维，和20-80wt％的至少一种阻燃纤维，该阻燃纤维选自改性聚丙烯腈、含磷杂环戊烷的聚酯、三聚氰胺、间位芳香族聚酰胺、对位芳香族聚酰胺、聚苯并咪唑、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、部分氧化的聚丙烯腈、novoloid、聚(对亚苯基苯并二噁唑)、聚(对亚苯基苯并噻唑)、聚苯硫醚、阻燃粘胶人造丝；含硅铝酸盐改性二氧化硅的粘胶人造丝、纤维素制品、聚醚醚酮、聚酮、聚醚酰亚胺、涂有阻燃树脂的天然或合成纤维、或它们的混合物。

4.权利要求1的非织造过滤介质，其中所述混合物包含5-65wt％的无定形二氧化硅纤维和35-95wt％的至少一种阻燃纤维。

5.权利要求1的非织造过滤介质，其中所述至少一种阻燃纤维包含聚苯硫醚。

6.权利要求1的非织造过滤介质，其中所述至少一种阻燃纤维包含芳族聚酰亚胺。

7.权利要求1的非织造过滤介质，其中所述非织造过滤介质是针刺的。

8.包括非织造过滤介质的袋式过滤器，所述非织造过滤介质包含含有二氧化硅纤维和至少一种阻燃纤维的纤维混合物，其中所述二氧化硅纤维包含94-96wt％的二氧化硅、3-4wt％的Al₂O₃、0.1-1.0wt％的Na₂O、0.01-1.0wt％的CoO和0.01-1.0wt％的SO₃。

9.权利要求8的袋式过滤器，其中所述过滤介质是针刺的。

10.权利要求8的袋式过滤器，其中所述过滤介质具有12-17osy的织物重量。

11.权利要求8的袋式过滤器，其中所述过滤介质在cfm@0.5″水检测方法下具有20-40cfm的透气性。

12.权利要求8的袋式过滤器，其中所述过滤介质具有大于500psi的马伦胀破强度。

13.权利要求8的袋式过滤器，其中所述过滤介质在900℃下具有耐强螺母火花性而无任何着火。

14.权利要求8的袋式过滤器，其中所述过滤介质具有大于450°F的连续耐温性。

15.从流体中过滤颗粒的方法，其包括：

提供包含纤维混合物的过滤器，所述混合物包含无定形二氧化硅纤维和至少一种阻燃纤维，所述无定形二氧化硅纤维包含94-96wt％的二氧化硅、3-4wt％的Al₂O₃、0.1-1.0wt％的Na₂O、0.01-1.0wt％的CoO和0.01-1.0wt％的SO₃的混合物；和

将该流体流过所述过滤器。

16.权利要求15的方法，还包括将所述过滤器安装在金属丝笼上。

17.权利要求15的方法，还包括将所述过滤器安装在刚性笼上。

Images