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CN104470615B - 用于过滤器的过滤材料及其制造方法 - Google Patents

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CN104470615B CN201380032434.3A CN201380032434A CN104470615B CN 104470615 B CN104470615 B CN 104470615B CN 201380032434 A CN201380032434 A CN 201380032434A CN 104470615 B CN104470615 B CN 104470615B
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Abstract

在本制造方法中，采用用于上层的第一造纸原料和用于下层的第二造纸原料来进行造纸，从而从上层至下层形成连续密度梯度。每种造纸原料均包含诸如纸浆的天然纤维和诸如PET的化学纤维。第一造纸原料中的化学纤维的含量高于第二造纸原料中的化学纤维的含量，同时包含在第一造纸原料中的化学纤维的直径大于包含在第二造纸原料中的化学纤维的直径。因此，能够获得一种过滤材料，该过滤材料能够保持具有宽直径范围的颗粒并且不易发生堵塞从而使用寿命得以延长。

Description

用于过滤器的过滤材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于能够应用在汽车内燃机的空气净化器等中的过滤器的过滤材料，并且更加特别地涉及一种通过湿法造纸方法使用天然纤维(诸如纸浆和棉绒)和化学纤维(诸如聚酯或者人造丝)所生产的过滤材料的改进。
背景技术
作为例如汽车内燃机的空气净化器中的过滤材料，通常通过多次折叠主要由天然纤维(诸如纸浆或棉绒)制成的滤纸并且将已折叠的滤纸容纳在壳体内来使用该滤纸。这种滤纸通常为单层结构。另一方面，具有双层结构的复合过滤材料也已投入实践使用，所述具有双层结构的复合过滤材料包括(如图10示意性地示出的)：相对高密度的滤纸下层21和相对低密度的无纺布或滤纸上层22，所述相对低密度的无纺布或滤纸上层层压在下层21的上游侧上以提高过滤器的使用寿命。需要注意的是，在图10中，各层的密度或孔径通过孔眼大小来表示。
在这种双层过滤材料中，大灰尘颗粒被双层过滤材料中的上层22收集。因此，与单层过滤材料相比，双层过滤材料不易发生堵塞并且使用寿命更长。然而，存在这样的问题，即，如图11示意性地示出的，双层过滤材料易于致使在两个层21和层22之间的界面处发生堵塞。
鉴于这个问题，专利文献1提出了一种生产复合滤纸的方法，所述方法通过以这种方式将用于上层和下层的造纸原料供给到造纸机的网部分上，从而部分地混合这些造纸原料，由此在上层和下层之间形成连续的密度梯度。
在专利文献1中公开了以不同的混合比混合棉绒纤维和人造丝纤维并且将混合的棉绒纤维和人造丝纤维用作上层和下层的造纸原料。然而，仅仅通过以不同的混合比来利用同样的纤维，双层过滤材料不能总是获得良好的性能。尽管特别要求汽车内燃机的空气净化器兼具有针对相对较大的灰尘颗粒(作为测试，例如7μm的颗粒)的灰尘收集性能和针对非常小的碳颗粒(例如，大约0.5μm的烟灰)的碳收集性能，但是上述的传统双层过滤材料不能获得良好的碳收集性能。
背景技术
专利文献
专利文献1：日本专利公报No.S53-17687
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种过滤材料，所述过滤材料能够通过使用专利文献1的制造方法获得高水平的收集效率和预期使用寿命。
根据本发明，提供了一种用于过滤器的过滤材料，包括：用于形成上层的第一造纸原料和用于形成下层的第二造纸原料，使得从所述上层至下层呈现出连续密度梯度，其中，所述第一造纸原料和第二造纸原料中的每一种均包含有天然纤维和化学纤维；其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的含量大于所述第二造纸原料中的化学纤维的含量；其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的直径大于所述第二造纸原料中的化学纤维的直径；以及其中，所述过滤材料的基重为60-250g/m2。
根据本发明，还提供了一种制造用于过滤器的过滤材料的方法，包括：制备第一造纸原料和第二造纸原料，所述第一造纸原料和第二造纸原料中的每一种均包含天然纤维和化学纤维，其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的含量高于所述第二造纸原料的化学纤维的含量，并且其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的直径大于所述第二造纸原料中的化学纤维的直径；以及对所述第一造纸原料和第二造纸原料进行造纸处理，由此通过从上层至下层连续地改变所述第一造纸原料和第二纸原料的混合比而在过滤材料的基重介于60-250g/m2的范围内形成过滤材料，其中，主要由所述第一造纸原料构成上层，主要由所述第二造纸原料构成下层。
在本发明中，第一造纸原料中包含天然纤维(诸如纸浆或者棉绒)和化学纤维(诸如聚酯或者人造丝)。类似地，在本发明中，第二造纸原料中包含天然纤维和化学纤维。然而，第一造纸原料的天然纤维和第二造纸原料的天然纤维不必是同一种类；并且第一造纸原料的化学纤维和第二造纸原料的化学纤维不必是同一种类。
图1是示出了通过造纸来制造本发明的过滤材料的方法的示意图。本发明的制造方法和专利文献1的制造方法之间不存在特定区别。通过将第一造纸原料1和第二造纸原料2从相应的独立网前箱(未示出)供给到造纸机的网部分，在造纸机中对第一造纸原料1和第二造纸原料2进行造纸处理。在此，造纸机的网部分由网传送鼓3和网4构成。在造纸机的混合比控制板5的下游侧中，将第一造纸原料1和第二造纸原料2放置在网4上且处于部分混合在一起而同时在它们之间没有限定清晰界面的状态下。因此，获得这样的过滤材料，在所述过滤材料中，第一造纸原料1和第二造纸原料2的混合比从上层至下层连续变化。需要注意的是，在本发明中，术语“上层”和“下层”分别指的是在造纸过程期间相对于待过滤的流体流(在过滤材料应用在空气净化器的情况中，待过滤的气流)的上游侧层和下游侧层，并且并不局限上层和下层必须位于上侧和下侧。
图2是本发明的过滤材料的示意图。需要注意的是，在图2中，如在图10和11中的情况那样，各层的密度或孔径通过孔眼大小来表示。在本发明的过滤材料中，密度和孔径逐渐变化，从而使得在两层之间不存在界面。因此，本发明的过滤材料基本不易致使发生界面堵塞。
由于这个事实，即，与天然纤维(诸如纸浆)相比化学纤维是笔直的，因此当包含大量化学纤维时通过产生孔隙来减小过滤材料的密度。即使在同一种类的化学纤维的情况中，当化学纤维的直径大时密度减小的效果也更显著。因为这些原因，所以在本发明中按照这种方式实施图1的造纸方法，使得第一造纸原料和第二造纸原料的混合比逐渐变化，从而不仅在上层和下层之间形成连续密度梯度，而且还允许在上层中存在更大量的大直径化学纤维以及允许在下层中存在更大量的小直径化学纤维。凭借这种构造，对于针对相对较大的灰尘颗粒(作为测试，例如7μm的颗粒)的灰尘收集性能与针对非常小的碳颗粒(例如，大约0.5μm的烟灰)的碳收集性能而言，能够获得高水平的收集效率和预期使用寿命(直到发生堵塞为止所经历的时间)。
本发明的优选实施例是：第一造纸原料中的化学纤维的含量是10-80％(就wt％而言；同样也应用于下文中)；第一造纸原料中的化学纤维的直径处于10-30μm的范围内；第二造纸原料中的化学纤维的含量为60％或更低；并且第二造纸原料中的化学纤维的直径介于3-20μm的范围内。
如果上层中的化学纤维含量太低，则上层的孔隙率变低并且不能获得足够的密度降低效果。如果上层中的化学纤维含量太高，则上层的孔隙率会变高并且允许灰尘颗粒流过上层，从而不能正确地执行上层的功能。因此，上层中的化学纤维的含量优选处于10-80％的范围内。另一方面，在下层中需要包含大量的天然纤维，以便使下层的密度变得比上层高以形成密度梯度，并且以便使过滤材料在后续处理步骤中能够易于起褶以用作例如空气净化器元件。因此，下层中的化学纤维含量优选处于60％或更低的范围内。如上所述，化学纤维的直径越大，确保过滤材料的孔隙和降低过滤材料的密度的作用越大。因此，上层中的化学纤维的直径优选处于10-30μm的范围内；下层中的化学纤维的直径优选处于3-20μm的范围内。
如图3所示，过滤材料的基重与过滤材料的厚度和纸张强度(材料强度)高度地相关。如果过滤材料的基重小于60g/m2，则过滤材料不能获得用作过滤器(诸如空气净化器元件)所需的足够强度。因此，过滤材料的基重优选为60g/m2或更大。如果过滤材料的基重大于250g/m2，则虽然过滤材料获得了高强度，但是却超过了给定厚度并且不能确保用于在壳体中安装起褶过滤器(空气净化器元件等)所需的足够过滤面积(即，变得过于笨重)。另外，由于厚度过大，过滤材料的气流阻力变高。因此，过滤材料的基重优选为250g/m2或更小。
在本发明中，优选的是按照2:8至6:4的基重比地包含第一造纸原料和第二造纸原料。
在过滤材料具有如本发明中的密度梯度的情况中，上层和下层的基重比与过滤材料的刚度和过滤性能(表示为灰尘保持能力：图中的DHC)高度地相关，如图5所示。随着上游侧低密度层的比例增大，过滤材料相对于灰尘收集性能的使用寿命提高。然而，如果下游侧高密度层的比例变得太低，则很可能由于过滤材料的粘附导致过滤材料的刚度将退化并且导致过滤器性能(使用寿命和收集效率)退化。因此，考虑到过滤性能和刚度，第一造纸原料和第二造纸原料的基重比优选处于2:8至6:4的范围内。
还优选的是，过滤材料的厚度为0.4-1.5mm。如图6所示，过滤材料的厚度与过滤材料的过滤面积和气流阻力高度相关。过滤材料的厚度越小，则在同一类型的过滤器中过滤面积越大并且气流阻力越低。因此，过滤材料的厚度优选小于或等于1.5mm。然而，考虑到强度，过滤材料的厚度需要至少为0.4mm。
此外，优选的是，过滤材料的密度为0.1-0.5g/m3。如图7所示，过滤材料的密度与过滤材料的过滤性能高度相关。过滤材料的密度越低，则过滤材料直到发生堵塞为止的使用寿命越长。然而，过滤材料的密度越低，则过滤材料的收集效率越低。因此，考虑到使用寿命和收集效率之间的平衡，过滤材料的密度优选处于0.1-0.5g/m3的范围内。
如上所述，根据本发明能够提供一种过滤材料，所述过滤材料能够在确保直到发生堵塞为止的使用寿命长的同时过滤掉从细小颗粒(例如排气碳颗粒)至相对大的粗粉尘颗粒的宽泛尺寸范围中的颗粒。
附图说明
图1是能够应用于本发明的造纸方法的示意图；
图2是根据本发明的过滤材料的示意图；
图3是示出了过滤材料的基重和强度之间的关系的特性要素图；
图4是示出了过滤材料的基重和厚度之间的关系的特性要素图；
图5是示出了过滤材料的基重比和过滤性能之间的关系的特性要素图；
图6是示出了过滤材料的厚度、过滤面积和气流阻力之间的特性要素图；
图7是示出了过滤材料的密度和过滤性能之间的关系的特性要素图；
图8是示出了根据本发明的示例的过滤材料与比较例的过滤材料相比的灰尘收集性能的特性要素图；
图9是示出了根据本发明的示例的过滤材料与比较例的过滤材料相比的碳收集性能的特性要素图；
图10是传统双层过滤材料的示意图；
图11是示出了在传统双层过滤材料中的各层界面处发生堵塞的示意图。
具体实施方式
在下文中，将详细地描述本发明的具体实施例。借助示例，以下将对过滤材料在汽车内燃机的空气净化器元件中的用途作出解释。
示例1
如表1所示，制备40％的丝光纸浆(作为天然纤维)和60％的直径为18μm的PET(聚对苯二甲酸乙酯)纤维(作为化学纤维)的混合物作为用于上层的第一造纸原料；制备35％的丝光纸浆和60％的非丝光常规纸浆(作为天然纤维)和5％的直径为9μm的PET纤维(作为化学纤维)的混合物作为用于下层的第二造纸原料。在此需要注意的是：通过碱处理来卷曲的丝光纸浆与常规纸浆相比体积更大且密度更低；而常规纸浆与丝光纸浆相比强度更高。
针对第一造纸原料和第二造纸原料实施图1的上述湿法造纸方法，由此形成具有连续密度梯度的过滤材料。此时，以这种方式调整第一造纸原料和第二造纸原料的供给量，使得：过滤材料的总基重为120g/m2；并且第一造纸原料和第二造纸原料的基重比为4:6。如此获得的过滤材料的厚度为0.95mm(没有经过压光处理)、孔径为75μm并且总密度为0.13g/cm3。
示例2
还如表1所示，制备80％的丝光纸浆(作为天然纤维)和20％的直径为12μm的PET纤维(作为化学纤维)的混合物作为用于上层的第一造纸原料；制备20％的丝光纸浆和65％的非丝光常规纸浆(作为天然纤维)和15％的直径为9μm的PET纤维(作为化学纤维)的混合物作为用于下层的第二造纸原料。
针对第一造纸原料和第二造纸原料实施图1的上述湿法造纸方法，由此形成具有连续密度梯度的过滤材料。此时，以这种方式调整第一造纸原料和第二造纸原料的供给量，使得：过滤材料的总基重为100g/m2；并且第一造纸原料和第二造纸原料的基重比为3:7。如此获得的过滤材料的厚度为0.60mm(没有经过压光处理)、孔径为90μm并且总密度为0.17g/cm3。
示例3
还如表1所示，制备35％的丝光纸浆和15％的非丝光常规纸浆(作为天然纤维)和20％的直径为18μm的PET纤维和30％的直径为8μm的PET纤维(作为化学纤维)的混合物作为用于上层的第一造纸原料；制备15％的丝光纸浆和40％的非丝光常规纸浆(作为天然纤维)和35％的直径为8μm的PET纤维和10％的直径为3μm的PET纤维(作为化学纤维)的混合物作为用于下层的第二造纸原料。
针对第一造纸原料和第二造纸原料实施图1的上述湿法造纸方法，由此形成具有连续密度梯度的过滤材料。此时，以这种方式调整第一造纸原料和第二造纸原料的供给量，使得：过滤材料的总基重为80g/m2；并且第一造纸原料和第二造纸原料的基重比为6:4。如此获得的过滤材料的厚度为0.56mm(没有经过压光处理)、孔径为60μm并且总密度为0.14g/cm3。
表1
在表2至表5中示出了比较例4至14的过滤材料的造纸原料和物理特性。比较例4、5和6的过滤材料中的每一种均是使用高密度造纸原料和低密度造纸原料两种的双层结构。在比较例4、5和6中，对原料进行造纸处理，从而按照与示例1至3中类似的方式通过图1的造纸方法形成连续密度梯度。比较例7至14的过滤材料中的每一种均是使用一种造纸原料的单层结构。
表2
表3
表4
表5
图8是示出了针对示例1至3和比较例4至14的过滤材料实施的灰尘收集性能测试的结果的线图。通过使用每种过滤材料作为样本并且连续供给空气通过每种过滤材料样本来实施灰尘收集性能测试，所述供给空气包含被归类为“细粉尘”的粒径为7μm的灰尘。在这个测试中，将由过滤材料收集直到过滤材料达到预定的气流阻力增量为止所收集的灰尘量定义为灰尘保持能力(DHC)；并且将收集的灰尘量与供给的灰尘量的比定义为效率。用点标绘出每种过滤材料的总性能(使用寿命和收集效率)，其中，线图中的横轴表示灰尘保持能力，纵轴表示效率。标绘点#1至#3代表示例1至3的测试结果；标绘点#4至#14表示比较例4至14的测试结果。
图9是示出了针对示例1至3的过滤材料和比较例4至14的过滤材料实施的碳收集性能测试的结果的线图。除了使用粒径为0.5μm的碳(烟灰)取代粒径为7μm的灰尘并且在线图中横轴表示碳保持能力(CHC)之外，按照与上述灰尘收集性能测试相同的方式实施碳收集性能测试。
在图8和图9中，如箭头所示，右上方区域表示高水平的使用寿命和收集效率。图8的灰尘收集性能是过滤材料针对漂浮在空气中的相对较大的灰尘颗粒的性能；图9的碳收集性能是过滤材料针对非常细小的颗粒(例如排气碳颗粒)的性能。根据图8和图9显而易见的是，就灰尘收集性能和碳收集性能而言，在本发明的示例1至3的每一个中皆以高水平获得了过滤材料的使用寿命和收集效率。特别地，较之比较例4至14，示例1至3中过滤材料就碳收集性能而言的使用寿命显著延长。
本发明的过滤材料的用途不局限于空气净化器。本发明的过滤材料能够用于滤油器、燃料过滤器等。

Claims (8)

1.一种用于过滤器的过滤材料，包括用于形成上层的第一造纸原料和用于形成下层的第二造纸原料，使得从所述上层至下层显现出连续密度梯度，
其中，所述第一造纸原料和第二造纸原料中的每一个均包含有天然纤维和化学纤维；
其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的含量大于所述第二造纸原料中的化学纤维的含量；
其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的含量为10wt％-80wt％；
其中，所述第二造纸原料中的化学纤维的含量为60wt％或更低；
其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的直径大于所述第二造纸原料中的化学纤维的直径；
其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的直径为10-30μm；
其中，所述第二造纸原料中的化学纤维的直径为3-20μm；以及
其中，所述过滤材料的基重为60-250g/m2。
2.根据权利要求1所述的用于过滤器的过滤材料，其中，按照2:8至6:4的基重比地包含第一造纸原料和第二造纸原料。
3.根据权利要求1所述的用于过滤器的过滤材料，其中，所述过滤材料的厚度介于0.4-1.5mm。
4.根据权利要求2所述的用于过滤器的过滤材料，其中，所述过滤材料的厚度介于0.4-1.5mm。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于过滤器的过滤材料，其中，所述过滤材料的密度介于0.1-0.5g/cm3。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于过滤器的过滤材料，其中，在造纸之后对所述过滤材料进行打褶处理，所述过滤材料适于用在汽车内燃机的空气净化器中。
7.根据权利要求5所述的用于过滤器的过滤材料，其中，在造纸之后对所述过滤材料进行打褶处理，所述过滤材料适于用在汽车内燃机的空气净化器中。
8.一种制造用于过滤器的过滤材料的方法，包括：
制备第一造纸原料和第二造纸原料，所述第一造纸原料和第二造纸原料中的每一个均包含天然纤维和化学纤维，其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的含量高于所述第二造纸原料的化学纤维的含量，其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的含量为10wt％-80wt％，其中，所述第二造纸原料中的化学纤维的含量为60wt％或更低，其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的直径大于所述第二造纸原料中的化学纤维的直径，其中，所述第一造纸原料中的化学纤维的直径为10-30μm，并且其中，所述第二造纸原料中的化学纤维的直径为3-20μm；以及
对所述第一造纸原料和第二造纸原料进行造纸处理，由此在从上层至下层连续地改变所述第一造纸原料和第二纸原料的混合比的同时在过滤材料的基重介于60-250g/m2的范围内形成过滤材料，其中，主要由所述第一造纸原料构成上层，主要由所述第二造纸原料构成下层。
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