可用于過濾場合的擠制熱塑性泡沫材料的制作方法

專利名稱：可用于過濾場合的擠制熱塑性泡沫材料的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種通過將氣體或液體之一或兩者連續經過具有異常滲透率的擠制、開孔熱塑性泡沫材料來進行過濾的方法。
已有技術涉及可用于過濾場合的各種開孔泡沫材料。它們包括熱固性和熱塑性的泡沫材料。公開的熱固性泡沫材料包括描述于美國專利3873281、4212737、4303533和4099943中的那些。公開的擠制熱塑性泡沫材料包括描述于美國專利4384032和4427548以及GB1100727中的那些。公開的熱塑性乳液聚合物泡沫材料包括描述于“過濾介質上的聚合物泡沫材料”，過濾和分離，Z.Blumgara,1995年3月，245-251頁的那些。
開孔泡沫材料由于相對其它材料(最值得注意的是無紡纖維狀材料)具有使用缺陷而工業上尚未廣泛用于過濾場合。這些使用缺陷的性質隨著泡沫材料結構的不同而不同。
開孔熱固性泡沫材料工業上已用于某些過濾場合，但具有明顯的使用局限。常規的開孔熱固性泡沫材料具有網狀結構(主要是泡孔支架(strut)，沒有泡孔壁)，而且可制成120微米以上的平均泡孔尺寸。具有泡孔支架但沒有泡孔壁的泡沫材料描述于聚合物泡沫材料和泡沫技術手冊(Klempner和Frisch,Hanser Publishers,1991),23頁，圖2。這種市售泡沫材料對于0.3-0.5微米粒徑具有較高的阻止率(70-90％)但效率低。這些泡沫材料有效地過濾大顆粒但不能有效地過濾小顆粒。這些泡沫材料通常建議用作大顆粒或草地石頭的空氣過濾器或戶外設備或用作預過濾器。已經通過浸濾可溶性鹽而制成市售微孔聚氨酯泡沫材料。泡孔尺寸據說低至27微米，但孔隙率僅最高80％。有限的孔隙率導致有限的滲透率和可能的較低壽命。
開孔乳液聚合物泡沫材料尚未發現在過濾場合中的顯著商業價值。低密度開孔乳液聚合物泡沫材料通常具有網狀(主要是泡孔支架，沒有泡孔壁)微孔結構且可制成10微米或更低的非常小的泡孔尺寸。該網狀微孔結構的開孔性質限制了可能的過濾效率和能力，因為小顆粒容易從中通過。它們還通常具有機械脆性，當將壓降施加穿過它時，容易撓曲和/或壓縮。
開孔擠制聚合物泡沫材料尚未發現在過濾場合中的顯著商業價值。開孔擠制聚合物泡沫材料通常具有較剛性的基本上由泡孔支架和泡孔壁確定的微孔結構。比起效率相當的多孔的、無紡的纖維狀材料，公開可用于過濾場合的已有技術擠制泡沫材料由于其較低的滲透率而具有較高的壓降。已有技術泡沫材料即使具有較高的開孔含量，即，90-100％開孔，也通常在其泡孔壁內具有較小的孔和各處有限的孔入射(incidence)水平。因此，它們具有較低的滲透率。低滲透率意味著在給定泡沫材料厚度時的高壓降。
需要有一種擠制、開孔熱塑性泡沫材料，它具有較剛性的基本上由泡孔壁和泡孔支架兩者確定的微孔結構且具有較高的液體和氣體滲透率。還需要有一種泡沫材料，它在給定的所需效率、能力、和/或泡沫材料厚度下具有低壓降。還需要泡沫材料在過濾0.3-0.5微米小顆粒時具有較高的效率。
本發明提供了一種制成適合過濾元件外殼內的過濾元件，該過濾元件包含一種擠制開孔熱塑性泡沫材料，該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為50％或更高，平均泡孔尺寸為1.5毫米或更低，且滲透系數為6×10-13m2或更高，和可有可無的泡沫材料固位裝置。
本發明提供了一種過濾方法，包括，將液體或氣體通過一個制成適合過濾元件外殼內的過濾元件，該過濾元件包含一種擠制開孔熱塑性泡沫材料，該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為50％或更高，平均泡孔尺寸為1.5毫米或更低，且滲透系數為6×10-13m2或更高，和可有可無的泡沫材料固位裝置。
本發明還提供了一種過濾方法，包括，將液體或氣體通過一種擠制開孔熱塑性泡沫材料，該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為50％或更高，平均泡孔尺寸為1.5毫米或更低，且滲透系數為6×10-13m2或更高。


圖1給出了可用于本發明的泡沫材料過濾器。該過濾器具有圓柱形狀。
圖2給出了可用于本發明的泡沫材料過濾器的另一實施方案。該過濾器為打褶的泡沫材料片材的形式。
圖3給出了可用于本發明的液體或氣體泡沫材料過濾器的另一實施方案。該過濾器部分穿孔。
本發明提供了一種制成適合過濾元件外殼內的過濾元件。過濾元件外殼是各種應用領域中熟知的，這些應用包括流體如氣體和液體的過濾。本發明的過濾元件可以基本上是泡沫材料本身，或過濾元件可采用固位裝置以固定該泡沫材料。固位裝置可以是本領域熟知的任何材料，包括塑料、金屬、木材、紙、等。
本發明的過濾元件和過濾方法采用某種擠制的、開孔熱塑性泡沫材料，它對液體和氣體都具有優異的過濾性能。比起具有基本上泡孔支架/泡孔壁結構的泡沫材料，該泡沫材料具有較大的滲透率。增強滲透率使得這種泡沫材料能夠有效地用于常規的商業、住宅、和工業過濾。
該擠制開孔泡沫材料的空氣滲透系數為6×10-13m2或更高，或1.44×10-12m2或更高，理想為3×10-12m2或更高，更理想為4.28×10-12m2或更高，優選8×10-12m2或更高，更優選1.6×10-11m2或更高，進一步優選1.6×10-11m2或更高。滲透率按照以下公式來確定Ke=QμL/AP其中A=面積(平方米(m2))Q=空氣的體積流速(立方米/秒(m3/sec))P=壓差(帕斯卡(Pa))L=泡沫材料的厚度(米(m))μ=空氣的運動粘度(牛頓·秒/平方米(Ns/m2)Ke=滲透系數(平方米(m2))該公式描述于Derek B.Purchas的過濾介質手冊，第1版，ElsevierScience Ltd.1996,488-89頁。在本文涉及滲透率數值的描述中，應該理解，術語滲透率”和“滲透系數”有時可相互交換使用。
盡管不受任何特定理論局限，但可用于本發明的擠制泡沫材料的增強滲透率據信來自其獨特的泡沫材料結構。該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的開孔微孔結構，其中該微孔結構確定了任何以下性質或其組合在泡孔壁內增強(較大)的孔入射率、在泡孔壁內增強(較大)的孔徑、增強(較大)比例的一般與擠出方向垂直或水平的其中有孔的泡孔壁、以及較少比例的遺漏或基本遺漏的泡孔壁。已有技術擠制過濾泡沫材料缺少這些結構特征，以致于不能獲得本文在用于本發明方法的泡沫材料時所公開的滲透率。這種增強滲透率可提高在效率、能力、壓降、和泡沫材料厚度方面的設計靈活性。
可用于本發明的擠制泡沫材料相對網狀已有技術泡沫材料具有較高的性能優點。本發明泡沫材料的基本上泡孔壁/泡孔支架結構提供了以致較彎曲的用于液體或氣體橫穿的孔路徑，并提供了顯著的能夠容納顆粒的袋、縫、和表面積。比起網狀泡沫材料，這種微孔結構在效率、能力、壓降、和泡沫材料厚度方面提供了較高的設計靈活性。
按照ASTM D2856-A，該泡沫材料的開孔含量為50％或更高，優選70％或更高，更優選90％或更高，最優選95％或更高。滲透率可隨著開孔含量的增加而增加。
本發明在較寬的泡沫材料泡孔尺寸范圍內有效。按照ASTMD3576-77，該泡沫材料的平均泡孔尺寸理想地為1.5毫米或更低，平均泡孔尺寸更理想地為1毫米或更低，平均泡孔尺寸優選為0.1毫米或更低，更優選0.01-1.0毫米(10-100微米)。按照ASTM D3576-77，一種有用的泡沫材料實施方案的平均泡孔尺寸為0.2-0.7毫米(200-700微米)。按照ASTM D3576-77，另一種有用的泡沫材料實施方案的平均泡孔尺寸為0.01-0.07毫米(10-70微米)。
該泡沫材料的中值(mean)流動孔徑(m.f.p.d.)為0.1-50微米。m.f.p.d.的理想值根據所要過濾的微粒的尺寸、所要過濾的介質(液體或氣體)、所需的效率水平、以及所需的壓降值而變化。有用的m.f.p.d.范圍包括0.1微米或更高、1微米或更高、10微米或更高、以及15微米或更高。平均泡孔尺寸與m.f.p.d.的區別在于，平均泡孔尺寸涉及泡沫材料中的平均泡孔大小，而m.f.p.d.涉及當一半總氣流通過大于平均孔徑的孔且一半通過低于平均孔徑的孔時的平均孔徑。該m.f.p.d.可使用具有全氟化合物C5-C18流體如FluoroinertFC-40(Sigma Chemical Corp.)的自動化孔隙儀，如PMI(PorousMaterials,Inc.)的Perm Porometer 200 PSI來確定。
其它實施方案的優選范圍包括，3-8微米、8-20微米、以及20-50微米的m.f.p.d.范圍。
具有較寬效率范圍的泡沫材料在本發明中是可能的。特殊的效率值或范圍取決于所需的商業用途。通常，效率范圍為40％至基本上100％，且對于氣流是中間的任何值。效率可通過兩種方法之一(單程任務(challenge)測試)來確定。在ASTM 2986-71中，0.3微米DOP顆粒的單分散氣溶膠經由氣溶膠生成器而生成。將氣溶膠以10fpm(5m/sec)的速率通過試樣。利用過濾器每側的顆粒計數器來測定透過率。
透過率P定義如下P=(下游的顆粒濃度/上游的顆粒濃度)效率E定義為1減去透過率，或E=1-P。
第一種方法包括，生成多分散氣溶膠的濃縮物，然后利用粒度區別檢測器來測定顆粒濃度。透過率和效率按照上述相同方式來測定。
用于這時數據的測試方法采用了NaCl和KCl溶液的多分散氣溶膠。顆粒利用來自TSI Incorporated的AT300生成器而生成。HIAC/Royco5109顆粒計數器用于測定效率。效率是在一定范圍的面速率下測定的。面速率是將體積流速除以過濾介質的橫截面。在10英尺/分鐘的相速率下記錄這些值。
用于本發明的泡沫材料的理想效率包括40％或更高(對于0.3微米的粒徑)、90％或更高(對于0.3微米的粒徑)、99％或更高(對于0.3微米的粒徑)。高效過濾器的優選效率為99.991％或更高(對于0.3微米的粒徑)。一個實施方案的優選效率范圍為40-70％或更高(對于0.3-0.5微米的粒徑)。
按照ASTM D-1622-88，該泡沫材料的密度優選為16-250千克/立方米(kg/m3)，更優選25-100千克/立方米。
本發明的一個有用的實施方案采用了一種擠制泡沫材料，它具有一種基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為50％或更高(優選90％或更高)，且平均泡孔尺寸為0.1毫米(100微米)或更低。這種泡孔尺寸的泡沫材料是有用的，因為它們可過濾對已知擠制泡沫材料過濾器太小的粒徑的氣體和液體。發泡成較小泡孔尺寸可誘導形成較薄的泡孔壁，這樣在入射水平和孔徑方面更容易在其中形成孔。這種泡沫材料作為過濾器的應用迄今是本領域未知的。
本發明另一有用的實施方案采用了一種擠制泡沫材料，它具有一種基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為50％或更高，平均泡孔尺寸為0.1毫米(100微米)或更低，且中值流動孔徑為10微米或更高。這種泡孔尺寸的泡沫材料是有用的，因為它們能夠以中等效率值(對于空氣，40-70％)和1.6×10-11m2或更高的滲透系數(對于空氣)來過濾對0.3-0.5微米粒徑的氣體和液體。這種泡沫材料的應用迄今是本領域未知的。
下表1給出了可用于本發明方法的其它泡沫材料實施方案。顯然，這些泡沫材料具有理想的物理性能和使用參數。#1泡沫材料一般對應于HEPA無紡纖維過濾器的使用性能。#2泡沫材料一般對應于常用于需要98％ASHRAE過濾器的場合的無紡纖維過濾器的使用性能。#3泡沫材料一般對應于常用于需要60-70％ASHRAE過濾器的場合的無紡纖維過濾器的使用性能。
表1其它泡沫材料實施方案
-M.F.P.D.=中值流動孔徑-m2=平方米-效率是按照ASTM D2986-71，針對空氣，在10英尺/分鐘(0.05米/秒)的相速率下測定。
可用于本發明的泡沫材料的微孔結構顯微照片包括美國專利申請09/086029(1998年6月11日遞交)圖1-5所示的那些。該泡沫材料具有本領域已知的物理構型，如片、厚板、褶、管、桿、或圓柱。理想的片狀泡沫材料包括橫截面厚度低于0.375英寸的那些。那些的厚板泡沫材料包括橫截面厚度為0.375英寸(0.95厘米)或更高的那些。有用的片狀泡沫材料可通過用刀或熱(加熱)線將擠制厚板泡沫材料削或切成兩個或多個板層或片材而制成。理想地，將泡沫材料的皮層切、削、或刨平或以其它方式去除，最好暴露出該泡沫材料的開孔結構。
本發明可用于各種常規的住宅、工業、和農業液體/氣體過濾場合。液體過濾場合包括水過濾器、工業和農業廢物/廢水和/或循環過濾器、化學品過濾器、油過濾器、和反沖過濾器。合適的氣體過濾場合包括在加熱爐和空氣調節器中的空氣吸入、工業空氣循環和吹風機體系、住宅空氣清新器、塵土收集和去除體系、煙霧和蒸氣排放控制體系、壓縮空氣體系、和呼吸罩。有用的工業場合是制成柔性袋用作袋濾室的片狀泡沫材料。該泡沫材料還可用作氣體過濾材料的上游預過濾材料。
圖1給出了用于氣體或液體的圓柱狀過濾器10。該圓柱體10具有一個由過濾器10一端延伸至另一端的通道12。如圖所示，待過濾的液體或氣體可在壓力下由孔14進入圓柱體10。液體或氣體還可在壓力下由孔16進入圓柱體10，或可將孔16堵塞以便于從孔14通入液體或氣體。通過進入通道12，該液體或氣體軸向擠過圓柱狀的泡沫材料介質18以進行過濾。如圖1所示的圓柱狀過濾器通常在商業上用于住宅、工業、和利于圓柱筒的場合中。這種圓柱狀過濾器的一個實施方案具有約3英寸(7.62厘米)的外徑(泡沫材料介質直徑)和約1英寸(2.54厘米)的內徑(通道直徑)。
圖2給出了具有片狀泡沫材料介質22的打褶過濾器20，它沿著其長度方向連續折疊成褶24。氣體或液體在壓力下擠過過濾器20以進行過濾。打褶過濾器的另一實施方案是一種在褶內具有褶(未示)的過濾器。換句話說，該過濾器具有較大的主褶和在主褶內較小的次褶。打褶構型的應用可將氣體或液體暴露于較大表面和體積的泡沫材料介質。打褶過濾器常用于家庭和工業加熱爐的空氣吸入。
圖3給出了具有泡沫材料介質32的過濾器30，它具有許多或多個孔眼34，這些孔眼由氣流或液流進入表面的相對面或表面36部分延伸到過濾器中。這些孔眼的存在能夠降低貫穿泡沫材料介質的壓降，但仍提供由較厚泡沫材料所具有的許多效率和能力優點。另外，泡沫材料(未示)可具有由氣流或液流方向的面或表面部分延伸的孔眼。在那種情況下，這些孔眼可有效地增加氣體或液體暴露的表面積，這樣會提高過濾效率和能力。
過濾可在擠出方向或橫向(垂直或水平)方向或在三個方向的組合方向上通過該擠制泡沫材料。
如果需要，該泡沫材料可制造和/或加工成具有梯度，即，該泡沫材料的微孔結構的m.f.p.d.由過濾器的一個表面變化至相對表面。例如，該泡沫材料可具有這樣一種梯度，其中m.f.p.d.由較高變化至較低，反之亦然。液體或氣體可經過高m.f.p.d.區至低m.f.p.d.區，這樣較大顆粒就首先過濾掉且不易堵塞小孔；較小顆粒隨后在低m.f.p.d.區過濾。
制造具有m.f.p.d.梯度的泡沫材料的優選方法是擠出在橫截面上10毫米厚或更高的厚板泡沫材料。厚的擠制泡沫材料通常具有在物理性能，如密度、泡孔尺寸、和孔徑方面根據橫截面位置而變化的微孔結構。密度通常由中間區增加至皮區。泡孔尺寸和孔徑通常由中間區下降至皮區。擠制泡沫材料可在給定泡沫材料區進行切或削，得到具有所需梯度微孔結構的泡沫材料部分。
如果需要，過濾效率和能力可通過本領域已知的任何方式賦予泡沫材料以靜電而增強。靜電劑可在制造泡沫材料時加入聚合物樹脂中或沉積到泡沫材料的內表面上。泡沫材料的內表面還可暴露于電暈放電或等離子體處理。該泡沫材料還可在過濾時暴露于靜電場。與處理方法無關，整個泡沫材料可以處理或僅處理其一個或多個表面或區域。
擠制熱塑性泡沫材料一般通過將熱塑性材料加熱形成塑化或熔體聚合物材料，向其中加入發泡劑以形成可發泡凝膠，然后將該凝膠擠過模頭以形成泡沫材料產品而制成。在與發泡劑混合之前，將聚合物材料加熱至其玻璃化轉變溫度或熔點或以上。發泡劑可通過本領域已知的任何方式，例如使用擠出機、混合器、攪拌機等加入或混入熔體聚合物材料中。將發泡劑與熔體聚合物材料在足以防止熔體聚合物材料顯著膨脹并一般將發泡劑均勻分散其中的高壓下進行混合。視需要，將成核劑在塑化或熔化之前混入該聚合物熔體中或與聚合物材料干混。通常將可發泡凝膠冷卻至較低溫度以優化或達到所需的泡沫材料物理性能。該凝膠可在擠出機或其它混合設備或在單獨的冷卻器中冷卻。然后將該凝膠擠過一個具有所需形狀的模頭，到達一個具有下降或較低壓力的區域以形成泡沫材料產品。具有較低壓力的區域的壓力低于可發泡凝膠在擠過模頭之前所保持的壓力。該較低壓力可以是超大氣壓或低于大氣壓(真空)，但優選為大氣壓水平。隨著擠出物離開模頭并膨脹，該泡沫材料視需要通過機械方式伸長以幫助形成孔和形成開孔。以下討論伸長過程。
為了幫助擠出開孔熱塑性泡沫材料，可有利地采用一種不同于在熱塑性材料中使用的主聚合物的聚合物。采用少量不同于主聚合物的聚合物可促進提高開孔含量。例如，在制造聚苯乙烯泡沫材料時，可以采用少量的聚乙烯或乙烯/乙酸乙烯酯共聚物。在制造聚乙烯泡沫材料時，可以采用少量的聚苯乙烯。關于優選的不同聚合物的有用教導參見美國專利申請08/880954。擠制開孔熱塑性泡沫材料可按照本文的一般擠出方法來制造，并視需要進行附加步驟，即，將擠出物在離開時進行伸長并由擠出模頭進行膨脹以形成泡沫材料。伸長可增加其中具有孔的泡孔壁的相對比例和/或增加已有孔的平均尺寸。關于伸長的深入教導參見1997年6月11日遞交的美國專利申請60/049181和1998年6月11日遞交的美國專利申請09/096029。
該泡沫材料可由任何可成型或吹制成具有足夠滲透率的開孔泡沫材料的熱塑性材料制成。有用的熱塑性材料可包括天然或合成有機聚合物。合適的塑料可包括聚烯烴、聚氯乙烯、鏈烯基芳族聚合物、纖維素聚合物、聚碳酸酯、淀粉基聚合物、聚醚酰亞胺、聚酰胺、聚酯、聚偏二氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、共聚物/聚合物共混物、和橡膠改性聚合物。合適的鏈烯基芳族聚合物包括聚苯乙烯、以及苯乙烯與其它可共聚單體的共聚物。
在某些非常理想的實施方案中，熱塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的鏈烯基芳族單體單元，或該熱塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的乙烯屬單體單元，或該聚合物材料包含50％重量或更高的聚合形式的丙烯屬單體單元，或該熱塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的酯單體單元。
如果需要，該泡沫材料可由部分或基本上可生物降解的熱塑性材料吹制。有用的聚合物包括纖維素聚合物、淀粉基聚合物、以及淀粉基聚合物與苯氧基醚聚合物的共混物。
特別有用的熱塑性泡沫材料包含鏈烯基芳族聚合物材料。合適的鏈烯基芳族聚合物材料包括鏈烯基芳族均聚物、以及鏈烯基芳族化合物與可共聚烯屬不飽和共聚單體的共聚物。鏈烯基芳族聚合物材料還可包括少量的非鏈烯基芳族聚合物。鏈烯基芳族聚合物材料可僅由一種或多種鏈烯基芳族均聚物、一種或多種鏈烯基芳族共聚物、或一種或多種鏈烯基芳族均聚物和共聚物的共混物、或任何前述物質與非鏈烯基芳族聚合物的共混物構成。與組成無關，該鏈烯基芳族聚合物材料包含大于50％，優選大于70％重量的鏈烯基芳族單體單元。最優選的是，該鏈烯基芳族聚合物材料完全由鏈烯基芳族單體單元組成。
合適的鏈烯基芳族聚合物包括衍生自鏈烯基芳族化合物如苯乙烯、α-甲基苯乙烯、乙基苯乙烯、乙烯基苯、乙烯基甲苯、氯苯乙烯和溴苯乙烯的那些。優選的鏈烯基芳族聚合物為聚苯乙烯。少量的單烯屬不飽和化合物如C2-6烴基酸和酯、離聚體衍生物、和C4-6二烯可與鏈烯基芳族化合物進行共聚。可共聚化合物的例子包括丙烯酸、甲基丙烯酸、乙基丙烯酸、馬來酸、衣康酸、丙烯腈、馬來酸酐、丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸異丁酯、丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸甲酯、乙酸乙烯酯和丁二烯。有用的泡沫材料可包含顯著量(即，大于95％重量)，最優選完全為聚苯乙烯。按照尺寸排阻色譜法，有用的泡沫材料可包含125000-300000重均分子量、135000-200000重均分子量、165000-200000重均分子量、以及135000-165000重均分子量的聚苯乙烯。
有用的擠制熱塑性泡沫材料包括具有高開孔含量的擠制微孔鏈烯基芳族聚合物泡沫材料，其制備方法公開于WO96/34038。所公開的泡沫材料的平均泡孔尺寸為70微米或更低，且開孔含量為70％或更高。
在WO96/34038所公開的方法中，有用的發泡劑包括1,1-二氟乙烷(HFC-152a)、1,1,1-三氟乙烷(HFC-143a)、1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)、一氯二氟甲烷(HCFC-22)、二氧化碳(CO2)、和二氟甲烷(HFC-32)。優選的發泡劑為HFC-152a、HFC-134a、和二氧化碳。以上發泡劑占發泡劑總摩爾數的50摩爾％或更高，優選70摩爾％或更高。余量可由其它發泡劑補充。發泡劑的用量為0.06-0.17克分子/100克聚合物，優選0.08-0.14克分子/100克聚合物，最優選0.08-0.12克分子/100克聚合物。使用較少量的發泡劑可形成具有高開孔含量的泡沫材料。優選的發泡溫度由118℃變化至160℃。最優選的發泡溫度由118℃變化至130℃，尤其是對于較大尺寸泡沫材料的生產線。較小的生產線在運行時更熱。成核劑的用量可以是0.01-5重量份/100重量份的聚合物樹脂。優選范圍為0.1-3重量份。
具有較大平均泡孔尺寸的另一擠制鏈烯基芳族泡沫材料及其制備方法參見WO96/00258。按照ASTM D2856-87，開孔含量為30％或更高。按照ASTM D-1622-88，所公開的泡沫材料的密度為1.5-6.0pcf(24-96kg/cm3)，優選密度為1.8-3.5 pcf(32-48kg/cm3)。按照ASTM D3576-77，本發明泡沫材料的平均泡孔尺寸為0.08毫米(mm)至1.2毫米，優選0.10-0.9毫米。
在制造WO96/00258的泡沫材料的方法中，較高于制造閉孔泡沫材料(按照ASTM D2856-87，低于10％的開孔)的發泡溫度可以由118℃變化至145℃。發泡溫度可按照成核劑的組成和濃度、發泡劑組成和濃度、聚合物材料的特性、以及擠出模頭的設計而變化。本發明開孔泡沫材料的發泡溫度高于由基本上相當的組成(包括聚合物材料、成核劑、添加劑、和發泡劑)在基本上相當的工藝中制成的具有基本上相當的密度和泡孔尺寸的相應閉孔泡沫材料(按照ASTM D2856-87，低于10％的開孔)3-5℃，優選10-15℃。優選的發泡溫度高于鏈烯基芳族聚合物材料的玻璃化轉變溫度(按照ASTM D-3418)33℃或更高。最優選的發泡溫度為135-140℃。加入聚合物熔體材料中以制備能夠形成泡沫材料的凝膠的發泡劑的量為0.2-0.5克分子/千克聚合物，優選0.5-3.0克分子/千克聚合物，最優選0.7-2.0克分子/千克聚合物。可以使用如上描述的成核劑。為了制造具有在本發明中有效的泡孔尺寸和泡孔入射率的WO96/00258所述物理性能的泡沫材料，可能需要將不同聚合物加入鏈烯基芳族聚合物材料如熔體溫度為70℃或更低的聚烯烴、乙烯/苯乙烯共聚體、以及苯乙烯/丁二烯共聚物或其它橡膠狀均聚物或共聚物中。
有用的擠制開孔熱塑性泡沫材料包括，由苯乙烯/乙烯共聚體、以及這些共聚體與鏈烯基芳族聚合物和美國專利5460818、WO96/14233和美國專利申請60/078091(1998年3月16日遞交)中所述的乙烯聚合物的共混物制成的那些。這些共聚體特別適用于制造平均泡孔尺寸大于100微米的泡沫材料。
在制造擠制泡沫材料時，可以加入其它的添加劑，如無機填料、顏料、抗氧化劑、酸捕集劑、紫外線吸收劑、阻燃劑、加工助劑、和擠出助劑。
以下是本發明的實施例且并不用于限定。除非另有所指，所有百分數、份數或比例都是以重量計的。
實施例制備出可用于本發明的各種擠制熱塑性泡沫材料，然后測試過濾能力。
這些泡沫材料在分別包括串聯的擠出機、混合器、冷卻器、和擠出模頭的兩個裝置中制備。將聚合物和添加劑在擠出機中熔化并混合，然后以聚合物熔體的形式傳送至混合器。將發泡劑加入混合器的熔體中，形成聚合物凝膠。將該凝膠傳送經過一個冷卻器，將其冷卻至所需的發泡溫度。隨后將該凝膠經由擠出模頭中的孔傳送至大氣壓，以膨脹形成泡沫材料。發泡板位于該模頭的出口處以限制垂直方向上的膨脹并幫助在水平和擠出方向上的膨脹。
采用135000重均分子量(按照尺寸排斥色譜法)的聚苯乙烯樹脂。所用的其它聚合物為69％重量苯乙烯單體含量、低于5％苯乙烯均聚物(聚苯乙烯)、剩余的為乙烯單體含量(重量)的乙烯/苯乙烯共聚體(ESI)。添加劑包括作為成核劑的滑石、幫助形成開孔的乙烯/乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、以及作為擠出機潤滑劑的硬脂酸鈣(CaSt)。
表2給出了所用的聚合物、添加劑、和發泡劑、以及某些工藝條件。泡沫材料和過濾性能在表3中給出。該泡沫材料的密度按照ASTMD-1622-88來測定。ASTM D2856-A用于測定泡沫材料的開孔含量，而泡孔尺寸按照ASTM D3567-77來測定。中值流動孔徑(m.f.p.d.)使用具有Fluoroinert FC-40化合物的來自Porous Materials,Inc.(PMI)的Perm Porometer 200 PSI來確定。測試步驟和設備討論于PMI商品介紹以及在INDA-TEC 1996和FILTRATION 97(12.0頁)中提交的論文。在該測試中，中值流動孔徑理解為如下泡孔的孔徑，其中氣流總量的一半通過直徑大于此泡孔的泡孔，且一半通過直徑低于此泡孔的泡孔。
用于確定效率和通過泡沫材料過濾器的壓降的測試步驟和設備描述于過濾和分離，1998年3月，118-122頁。在該測試中用作過濾器的開孔泡沫材料為24”×24”且厚度范圍為1.52-0.16”。該測試的取樣時間為60秒。使用KCl的多分散氣溶膠作為測試塵土。在10、20、30和40英尺/分鐘的介質面速率下測定效率和壓降。
表2
表3
-kPa=千帕-m2=平方米-kg/m3=千克/立方米-實施例2a取自表2實施例2泡沫材料的芯，實施例2b取自該泡沫材料的表皮附近-效率是基于0.3-0.5微米顆粒，其中過濾器面速率為10或20英尺/分鐘(見表)(0.05米/秒)盡管本發明泡沫材料和方法的實施方案已具體詳細地描述，但應該理解，本發明可根據制造工藝和制造商的要求進行各種變化，但仍明顯地落入本文所提出的新教導和原則的范圍內。
權利要求
1．一種制成適合過濾元件外殼內的過濾元件，該過濾元件包含一種擠制開孔熱塑性泡沫材料，該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為約50％或更高，平均泡孔尺寸為約1.5毫米或更低，且滲透系數為約6×10-13m2或更高，和可有可無的泡沫材料固位裝置。
2．根據權利要求1的過濾元件，其中所述泡沫材料的滲透系數為約1.44×10-12m2或更高。
3．根據權利要求2的過濾元件，其中所述泡沫材料的滲透系數為約3×10-12m2或更高。
4．根據權利要求3的過濾元件，其中所述泡沫材料的滲透系數為約4.28×10-12m2或更高。
5．根據權利要求4的過濾元件，其中所述泡沫材料的滲透系數為約8×10-12m2或更高。
6．根據權利要求5的過濾元件，其中所述泡沫材料的滲透系數為約1.6×10-11m2或更高。
7．根據權利要求6的過濾元件，其中所述泡沫材料的滲透系數為約4.18×10-11m2或更高。
8．根據權利要求1-7之一的過濾元件，其中所述泡沫材料的中值流動孔徑為約0.1-50微米。
9．根據權利要求1-7之一的過濾元件，其中所述泡沫材料的中值流動孔徑為約1微米或更高。
10．根據權利要求9的過濾元件，其中所述泡沫材料的中值流動孔徑為約5微米或更高。
11．根據權利要求10的過濾元件，其中所述泡沫材料的中值流動孔徑為約10微米或更高。
12．根據權利要求11的過濾元件，所述泡沫材料的中值流動孔徑為約15微米或更高。
13．根據權利要求1-7之一的過濾元件，所述泡沫材料的中值流動孔徑為約3-8微米。
14．根據權利要求1-7之一的過濾元件，所述泡沫材料的中值流動孔徑為約8-20微米。
15．根據權利要求1-7之一的過濾元件，所述泡沫材料的中值流動孔徑為約20-50微米。
16．根據權利要求1-15之一的過濾元件，其中所述熱塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的鏈烯基芳族單體單元。
17．根據權利要求1-15之一的過濾元件，其中所述熱塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的乙烯屬單體單元。
18．根據權利要求1-15之一的過濾元件，其中所述熱塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的丙烯屬單體單元。
19．根據權利要求1-15之一的過濾元件，其中所述熱塑性材料包含50％重量或更高的聚合形式的酯單體單元。
20．根據權利要求1-19之一的過濾元件，其中所述開孔含量為70％或更高。
21．根據權利要求20的過濾元件，其中所述開孔含量為90％或更高。
22．根據權利要求21的過濾元件，其中所述開孔含量為95％或更高。
23．根據權利要求1-22之一的過濾元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸為1微米或更低。
24．根據權利要求23的過濾元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸為0.1毫米或更低。
25．根據權利要求1-22之一的過濾元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸為0.01-1.0毫米。
26．根據權利要求25的過濾元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸為10-70微米，或其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸為200-700微米。
27．根據權利要求1-22之一的過濾元件，其中所述泡沫材料的平均泡孔尺寸為100微米或更高。
28．根據權利要求1-27之一的過濾元件，其中所述泡沫材料對于0.3微米粒徑的效率為40％或更高。
29．根據權利要求28的過濾元件，其中所述泡沫材料對于0.3微米粒徑的效率為90％或更高。
30．根據權利要求29的過濾元件，其中所述泡沫材料對于0.3微米粒徑的效率為99％或更高。
31．根據權利要求30的過濾元件，其中所述泡沫材料對于0.3微米粒徑的效率為99.991％或更高。
32．根據權利要求1-27之一的過濾元件，其中所述泡沫材料對于0.3-0.5微米粒徑的效率為40-70％。
33．根據權利要求1-32之一的過濾元件，其中所述泡沫材料的密度為16-250千克/立方米。
34．根據權利要求33的過濾元件，其中所述泡沫材料的密度為25-100千克/立方米。
35．一種過濾方法，它包括，將液體或氣體通過一種擠制開孔熱塑性泡沫材料，該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為50％或更高，平均泡孔尺寸為1.5毫米或更低，且滲透系數為6×10-13m2或更高。
36．一種過濾方法，它包括，將液體或氣體通過一個制成適合過濾元件外殼內的過濾元件，該過濾元件包含一種擠制開孔熱塑性泡沫材料，該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構，總開孔含量為50％或更高，平均泡孔尺寸為1.5毫米或更低，且滲透系數為6×10-13m2或更高，和可有可無的泡沫材料固位裝置。
37．根據權利要求35-36之一的方法，其中將所述液體或氣體基本上在擠出方向上通過該泡沫材料。
38．根據權利要求35-36之一的方法，其中將所述液體或氣體基本上在擠出方向的橫向上通過該泡沫材料。
全文摘要
本發明公開了一種制成適合過濾元件外殼內的過濾元件,該過濾元件包含一種擠制開孔熱塑性泡沫材料,該泡沫材料具有基本上為泡孔壁和泡孔支架的結構,總開孔含量為50%或更高,平均泡孔尺寸為1.5毫米或更低,且滲透系數為6×10
文檔編號B01D39/16GK1306452SQ99807624
公開日2001年8月1日 申請日期1999年7月2日 優先權日1998年7月29日
發明者D·G·布蘭德 申請人:陶氏化學公司