专利名称：具有改进性能的空气套式的聚结器介质的制作方法
技术领域：
本发明的领域涉及聚结介质、聚结系统和用于聚结两相混合物的方法，两相即连续相和分散相。特别地，所述领域涉及聚结介质、聚结系统和为了从混合物中收集和去除分散相而聚结分散相液滴的方法。
背景技术：
在某些方面，此披露的信息描述了聚结器介质。聚结器介质拥有与介质表面邻近的薄的空气膜或空气层，以从固体介质表面充分地分离分散相(油或水)并且促进从介质聚结和排出分散相。薄的空气膜是表面粗糙、表面异质性、接触角和润湿性特征的结果，在操作条件下维持从固体表面分离分散相。聚结器用于分离两不互溶的流体，诸如从气流中去除油雾或从燃料中去除小水滴。在曲轴箱通风运用中，需要很高的小液滴去除效率以保护环境(在开放的曲轴箱通风应用中)和保护涡轮增压器(在封闭的曲轴箱通风应用中)。此外，低限制或压降是所期望的(1)为了避免在曲轴箱中的超压的增长形成(buildup) ； (2)为了减少旁通阀的开启和产生的小液滴去除的降低，和(3)为了延长聚结器的服务间隔时间。通常，在去除效率、压降和寿命之间存在权衡取舍(tradeoff)。获得更合意的权衡取舍是所期望的，即获得更合意的高效率、低压降和过滤器寿命增加的总水平。聚结器被广泛用于从气态的或液态的连续相中去除不可互溶的小液滴，诸如在曲轴箱通风过滤、燃料水分离和油-水分离中。现有技术聚结器设计包含了通过利用分级捕获(即，减少聚结介质中的纤维直径、气孔大小和/或多孔性)或通过利用厚纵深的聚结器 (thick depth coalescers)来加强小液滴捕获和聚结的原则。经常，为了增长聚结器的寿命，现有技术聚结介质在内层上游可有更加开放的层，为了增大被排放的液滴的大小，现有技术聚结介质在内层下游可有更加开放的层。润湿性也被认为是影响聚结器的性能(例如，见第6，767，459号美国专利和第2007-0131235号、第2007-0062887号美国公布的专利申请)。美国专利第5，443，724号披露，为了改善聚结器性能，介质应当具有大于水的表面能(即，介质应当优先地被聚结的小液滴和连续相润湿)。第4，081，373号美国专利披露， 为了从燃料中去除水，聚结介质应当是疏水的。第2006-0242933号美国公布的专利申请披露了一种油-雾聚结器，在这种油-雾聚结器中过滤介质是疏油的，因此使流动的雾能够聚结形成小液滴并从过滤介质中排出。该公布的申请也披露了第二介质层，可选择地，也许是疏水的。用于从连续相中聚结分散相的改进的聚结器介质是所期望的。这里，描述了空气
5套式的聚结器介质，空气套式的聚结器介质展现出所期望的关于分散相的排出、减少的压降和增加的分散相的去除的属性。
发明内容
所披露的是具有独特的表面属性的聚结器介质和生产聚结器介质的方法。与现有的聚结器介质相比，为了促进从聚结器聚结和排出分散相，所披露的聚结器介质产生与介质表面邻近的薄的空气膜或空气层，以从基体介质表面物理地和充分地分离分散相(油或水)。现有的聚结器依赖所捕获的分散相和聚结器介质表面之间的紧密的接触。对于曲轴箱通风应用，分散相可为浓缩的碳氢化合物、油、水或这些的混合物。所披露的聚结介质可利用于聚结两相的混合物，即连续相和分散相。为了从混合物中收集和去除分散相，所披露的介质可利用于聚结器、系统和方法。连续相可包括连续气相和连续液相。分散相可包括分散液相。所披露的聚结器、聚结系统和方法可利用于聚结任何合适的混合物。合适的混合物包括连续相和分散相。在某些具体实施方式
中，连续相是气体并且分散相是液体。例如， 所披露的系统和方法可被配置用于，或被利用于从气流中聚结碳氢化合物液体的小液滴 (例如碳氢化合物燃料，生物柴油燃料或润滑的、液压的或传动油)、水或这些的混合物。在某些具体实施方式
中，所披露的聚结介质可被配置以用在聚结器、聚结系统或聚结方法中。所披露的聚结器、聚结系统和聚结方法可包括或利用所披露的聚结介质，聚结介质用于在连续相中从分散相的混合物中聚结分散相。可选择地，聚结器、聚结系统和聚结方法可包括或利用另外的介质。例如，所披露的聚结器、聚结系统和聚结方法可进一步包括或可进一步利用用于去除浓缩的碳氢化合物、油、水或这些的混合物的另外的介质，其中另外的介质被置于聚结介质的上游或下游。所披露的聚结介质可利用在用于从连续相中去除分散相的聚结器、聚结系统和聚结方法中。在某些具体实施方式
中，聚结介质可利用在用于去除分散相的聚结器、系统和方法中，分散相包含浓缩的碳氢化合物、油、水或这些的混合物。优选地，聚结介质可利用在聚结器、系统或方法，以去除至少大约93%的分散相(更优选地至少大约95%的分散相，甚至更优选地至少大约97%的分散相，最优选地至少大约99%的分散相)。在聚结器、聚结系统和聚结方法的某些具体实施方式
中，连续相是气体并且分散相是液体(例如碳氢化合物液体、水或这些的混合物)。在某些具体实施方式
中，聚结器或聚结系统，如本文所考虑的，可包括容纳在壳体中的所披露的聚结介质。壳体可包括被安排为接纳混合物的上游进口、被安排为在聚结之后排放混合物的第一下游出口，和可选择的被安排为排放所聚结的分散相的第二下游出所披露的介质可利用在曲轴箱过滤器中。优选地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于85%的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。更优选地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于90%的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。甚至更优选地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于95%的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。理想地，曲轴箱过滤器展现出关于分散相的大于 99%的效率，并且展现出少于大约五英寸水的最终的饱和的压降。
图1是如本文所考虑的空气套式的聚结器介质的原理示意图。图2是利用介质A、B、C、D、E、F和G的浸泡试验的原理示意图。图3图解示出相对于时间的介质A和介质B的油雾去除效率。图4示出在介质相上的分散液滴的接触角θ的测定方法。图5示出对于涤纶聚结器介质的θ的测定。图6示出对于涤纶聚结器介质的X的测定。图7示出α的测定.(1)介质在水平位置的初始位置，(2)倾斜为角α的介质， 液滴在介质上最初开始移动。图8示出用于测定滞后的动态接触角的测量。图9示出油滴在介质B上的前进接触角和后退接触角。图10示出两种不同的聚结器介质的表面异质性。
具体实施例方式为了促进理解本发明的原理的目的，现在将涉及在附图中示出的具体实施方式
， 并且用特定的语言描述相同内容。不过，应当理解成并没有本发明的范围的限制因此被意指，本发明涉及的领域的技术人员通常会想到在示出的设备上的任何改动和进一步的修改，以及被考虑过的本文所示的发明的原理的此类的进一步应用，。本文所披露的聚结介质可利用于在连续相中从分散相的混合物聚结分散相的小液滴。本文所考虑的混合物可包括分散在气体中的疏水液体的混合物(例如，碳氢化合物液体)和分散在气体中的水性液体(例如，水)。在某些具体实施方式
中，连续相可为碳氢化合物液体并且分散相可为水。在其它的具体实施方式
中，连续相可为水并且分散相可为碳氢化合物液体。正如本文所考虑的，碳氢化合物液体主要包括碳氢化合物材料，碳氢化合物材料可包括不同的碳氢化合物多种材料的混合物，但是进一步可包括非碳氢化合物材料 (例如，多达大约1%、5%、10%或20%的可包括水的非碳氢化合物材料)。本文所披露的聚结介质可利用于本领域所披露的聚结器、聚结元件、聚结过滤器、聚结装置、聚结组件、聚结系统和聚结方法。(例如，见美国专利第7，416，657、
7，326，266、7，297，279,7，235，177、7，198，718,6,907，997、6，811，693、6，740，358、6，730，236、6，605，224,6，517，615、6，422，396,6,419，721、6，332，987、6，302，932、6，149，408、6，083，380,6,056，128、5，874，008,5,861，087、5，800，597、5，762，810、5，750，024、5，656，173,5,643，431、5，616，244,5，575，896、5，565，078、5，500，132、5，480，547、5，480，547,5，468，385、5，454，945,5，454，937、5，439，588、5，417，848、5，401，404、5，242，604,5,174，907、5，156，745,5，112，498、5，080，802、5，068，035、5，037，454、5，006，260,4，888，117、4，790，947,4，759，782、4，643，834、4，640，781、4，304，671、4，251，369,4，213，863、4，199，447,4，083，778、4，078，965、4，052，316、
4，039，441,3, 960，719,3, 951，814 号和美国公布的申请第 2007-0289915,2007-0107399, 2007-0062887、2007-0062886和2007-0039865号；这些专利和专利申请的内容通过全部引
用合并于本文。)本文所披露的聚结介质可利用本领域已知的方法制造，并且可包括本领域所披露的另外的特征。(例如，见美国专利6，767，459,5, 443，724和4，081，373 ；以及美国公布的专利申请第2007-0131235、2007-0062887和2006-0242933号；这些专利和专利申请的内容通过全部引用合并于本文。)图1在原理上示出该发明、空气套式的聚结器介质和将使用的术语。空气套式的聚结器介质组成过滤介质，过滤介质用于从连续相中分离分散相小液滴。基体介质包含聚合纤维，诸如涤纶、尼龙、碳氟聚合物或其他聚合物。从基体介质的表面延伸出的是粗糙峰 (asperities)或突出物。典型地，这些粗糙峰是经表面修饰工艺产生的有机链或有机结构， 诸如涂覆、等离子体处理，或相关的工艺，或从纤维自身的生产中产生。在纳米级水平，这些粗糙峰在基体纤维上产生粗糙化的表面。该粗糙化的表面，与表面的分散相不润湿区域一起，导致凹(d印ression)、谷(valleys)或沿介质表面的穴(pocket)，保持和困住基体介质和所捕获分散相之间的空气。在表面所困住的该空气维持基体介质和分散相之间的空间分离，这对本发明的功能很重要。在基体介质和停留在粗糙峰顶端的分散相之间产生的空间内部是气体的薄层，典型地是空气的薄层。介质的表面可为异质的，介质的表面包括基体介质表面和粗糙峰的表面两者，基体介质表面和粗糙峰的表面与环境接触。表面异质性涉及邻近的纳米级表面块的存在，纳米级表面块化学上不同并且就它们的关于分散相的润湿性而言不同。为了加强聚结器的性能，优选的是一部分表面由对于分散相的不润湿的区域构成。基于如本文所述的在浸泡试验中的性能，空气套式的聚结器介质能区别于其它的聚结器介质。在空气中，介质的样品试片(coupon)(例如，5cmX2. 5cm宽的试片)放在含有液体(例如，碳氢化合物液体，诸如用于曲轴箱通风应用的发动机润滑油)的容器，诸如烧杯中。然后通过放重物在样品上，将试样浸入，直至空气气泡停止从其上浮。轻按或压浸没的介质可用于加速该过程。然后移开重物并且观察到样品的有关的浮性。当介质的密度大于液体的密度时，按惯例，非空气套式的聚结器介质会维持浸入，而空气套式的聚结器介质会漂浮，典型地，只有一小部分保留在液体表面之下。在七种不同的聚结器介质的样品上实施浸泡试验，介质A、B、C、D、E、F和G。(见图2)。分散相液体是发动机润滑油(Citgo Citgard 500机油，SAE10W30)。介质A是通过熔吹(meltblowing)形成的涤纶介质。介质的密度是1. 313g/cm3。介质B、D、E、F和G是和介质A —样的基体介质，但接受了多种类型的等离子体处理。在美国专利第6，429，671和 6，419，871号中描述了相关的等离子体处理。介质C和介质A—样，但用含有聚二甲硅氧烷的Rain-X 进行过化学上的处理。在浸泡试验中，介质A、E、F和G被油分散相快速地润湿并且沉到烧杯底部，表示它们不是空气套式的聚结器介质。(见图2)。在浸没时，介质B和 D基本上保留了所有的它们的空气；并且在移开所加的重物时，介质B和D快速上浮至油的表面。它们几乎全部漂浮在油的表面之上。(见图2。)与介质B和D相似，在浸没时，介质C保留了大量的它们的空气；在移开所加的重物的时，介质C上浮至至油的表面。虽然它大部分漂浮在油的表面之上，它显现出浮得比介质B和D稍微少。(见图2。)介质B、C和 D的表现是空气套式的聚结器介质的特性，由于困于这些处理过的介质的粗糙的、相对不润湿的表面的空气的存在，空气套式的聚结器介质在浸没后保留浮性。介质A、E、F和G的表现是非空气套式的聚结器介质的特性。介质C与介质B和D相比，具有更不好的所生成的空气套，但是它们的浮性证明所有三者拥有如在本申请所描述的空气套。为了对此确认，在真空下用该系统(烧杯、油、介质)重复介质B、C和D的实验。在每个例子中，当空气套被真空从介质脱去后，介质不再漂浮，并且反而沉至烧杯的底部。暴露于液体的空气套式的聚结器介质的表面结构，被设计或修饰以产生空气套。 介质呈现于所捕获的和/或所聚结的分散相的小液滴的表面结构是包含空气膜或空气层的复合表面。粗糙峰使实际存在的聚结器介质的固体表面粗糙化。粗糙峰的顶端突出穿过空气膜或空气层。粗糙峰的侧面和基体对于分散相来说基本上不润湿，虽然粗糙峰可是异质的，具有相对于分散相的不润湿和润湿区域的纳米级块。收集在此复合表面的分散相的小液滴，是松散地被保持并且自由地排出，这减少了穿过聚结器的压降。排出的容易性在实验上能用sine α作为特征，在此α是在介质表面的小液滴自发地移动的介质表面倾斜的最小角度。下列方程式被设计用于计算碳氟化合物涂覆的防雪织物和防冰织物的sine α
权利要求
1.一种聚结介质，用于聚结两不互溶的相，即连续相和分散的液相的混合物，其特征在于，其中所述介质被配置用于捕获所述分散相的小液滴并使所述小液滴聚结地长成为更大的液滴，所述更大的液滴长成足够的大小，借此它们从所述介质释放，所述介质包含具有包含粗糙峰的异质表面的聚合的基体材料，其中所述异质表面的优势是对于所述的分散的液相不润湿，所述介质被配置用于捕获所述的分散的液相的小液滴，其中空气层被困在所述的异质表面，以及所述粗糙峰的顶端延伸穿过所述的受困层并且接触所述小液滴。
2.如权利要求1所述的介质，其中所述连续相是连续的气相，所述空气层包含所述的连续的气相，并且所述的分散的液相主要包含碳氢化合物液体。
3.如权利要求1所述的介质，其中所述的聚合的基体材料包含选自由涤纶、尼龙、碳氟化合物、丙纶、聚亚苯基硫醚、聚氨酯、芳纶及其混合物组成的群组中的多种聚合纤维。
4.如权利要求1所述的介质，其中所述介质被配置以致停留在所述的异质表面上的所述分散相的液滴从所述表面形成第一接触角X，其中χ包含大于大约60°的值。
5.如权利要求4所述的介质，其中χ包含大于大约90°的值。
6.如权利要求1所述的介质，其中所述介质被配置以致停留在所述的异质表面上的所述分散相的小液滴形成第二接触角Θ，其中θ包含大于大约45°的值。
7.如权利要求1所述的介质，其中θ包含大于大约90°的值。
8.如权利要求1所述的介质，其中所述介质展现了小于油的临界值的标准sineα值。
9.如权利要求8所述的介质，其中所述标准sineα被定义为
10.如权利要求8所述的介质，其中所述的sina norm小于大约72g/s2。
11.如权利要求8所述的介质，其中通过将分散相的液滴放在所述聚结介质的水平的样品上，并且所述介质的倾斜度或提升的角度逐渐地改变直到所述液滴开始移动来测定α 。
12.如权利要求1所述的介质，其中所述介质漂浮在所述分散相中。
13.如权利要求11所述的介质，其中当暴露于至少部分真空时，所述介质至少部分地沉在所述分散相中。
14.如权利要求1所述的介质，其中通过选自由真空等离子体处理、空气等离子体处理、涂纳米颗粒到表面、化学刻蚀及其结合组成的多种方法中的方法形成所述粗糙峰。
15.如权利要求1所述的介质，其中通过使所述的聚合的基体材料经受一种方法处理而形成所述异质表面，所述方法选自由用包括不润湿的材料的气体进行真空等离子体处理，用包括不润湿的材料的气体进行空气等离子体处理，将不润湿的材料化学添加至所述的基体聚合材料，用不润湿的材料对所述的基体聚合材料进行表面涂覆，和用包含溶解于溶剂中的不润湿的材料的溶液处理所述的基体聚合材料并且去除所述溶剂，及其结合组成的群组。
16.如权利要求1所述的介质，其中所述基体聚合材料对于所述的液态的分散相是相对地不润湿的。
17.如权利要求1所述的介质，其中所述介质包含选自由碳氟化合物、硅氧烷、表面活性剂组成的群组中的至少一种材料，所述表面活性剂包含在所述异质表面对于所述分散相的不润湿的试剂。
18.如权利要求1所述的介质，其中所述介质被配置用于发动机用的曲轴箱聚结过滤器中。
19.如权利要求1所述的介质，其中θ大于45°。
20.如权利要求1所述的介质，其中θ大于90°并且接触角滞后大于5°。
21.如权利要求1所述的介质，其中χ大于90°并且接触角滞后大于5°。
22.如权利要求1所述的介质，其中θ大于90°并且表面积比率大于2.65。
23.如权利要求1所述的介质，其中χ大于90°并且表面积比率大于2.65。
24.如权利要求1所述的介质，其中标准sineα小于72g/s2。
25.如权利要求1所述的聚结介质，其中所述连续相是连续的气相，所述受困的空气层包含所述连续的气相，并且所述分散的液相主要包含水。
26.如权利要求25所述的介质，其中所述介质展现出小于水的临界值的标准sineα值。
27.如权利要求25所述的介质，其中标准sineα小于84g/s2。
28.如权利要求1所述的聚结介质，其中所述连续相是连续的液相，并且所述分散的液相主要包含碳氢化合物材料。
29.如权利要求1所述的聚结介质，其中所述连续相是连续的液相，并且所述分散的液相主要包含水。
30.一种用于制造如权利要求1所述的聚结介质的方法，其特征在于，所述方法包含 (a)提供具有包含粗糙峰的异质表面的所述的聚合的基体材料，其中所述异质表面的优势是亲水的；和(b)将具有包含粗糙峰的异质表面的所述的聚合的基体材料浸泡在主要包含碳氢化合物材料的液体中，其中空气层被困在所述的异质表面并且所述粗糙峰的顶端延伸穿过所述的受困层并且接触所述液体。
31.如权利要求30所述的方法，其中通过使所述的聚合的基体材料经受一种方法处理制备具有包含粗糙峰的异质表面的所述的聚合的基体材料，所述方法选自由用包括亲水材料的气体进行真空等离子体处理，用包括亲水材料的气体进行空气等离子体处理，将亲水材料化学添加至所述的基体聚合材料，用亲水材料对所述的基体聚合材料进行表面涂覆， 和用包含溶解于溶剂的亲水的材料的溶液处理所述的基体聚合材料并且去除所述溶剂，及其结合组成的群组。
32.如权利要求30所述的方法，进一步包含制造作为曲轴箱滤芯的所述过滤介质，以致所述的曲轴箱滤芯展现出相对所述分散相大于85%的效率，并且展现出少于大约5英寸水的最终饱和压降。
33.一种聚结元件，其特征在于，包含根据权利要求1所述的聚结介质。
34.如权利要求33所述的聚结元件，其中所述聚结元件容纳于壳体中，所述壳体具有被安排为接纳所述混合物的上游进口和在所述分散相聚结后被安排为排放所述混合物的下游出口。
35.一种聚结系统，其特征在于，包含根据权利要求33所述的聚结元件。
36.一种去除分散于连续的气相中的包含碳氢化合物液体、水、或其混合物的分散相的方法，其特征在于，所述方法包含使所述连续相经过权利要求1所述的聚结介质，其中所述系统从所述连续相中去除至少大约93%的所述分散相。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述方法从所述连续相中去除至少大约96%的所述分散相。
38.根据权利要求36所述的方法，其中所述方法从所述连续相中去除至少大约99%的所述分散相。
全文摘要
所披露的是用于聚结两相混合物的聚结介质，即连续相和分散的液相。所述介质包括具有带有粗糙峰的表面的聚合的基体材料，并且所述介质对于亲水性/疏水性是异质的。所述介质被配置用于在连续相中聚结分散的液相，其中异质表面的优势是对于分散的液相不润湿。所述介质被配置用于捕获分散的液相的小液滴，其中空气层被困在异质表面上并且粗糙峰的顶端延伸穿过受困层并接触小液滴。
文档编号B01D17/022GK102164644SQ200980134981
公开日2011年8月24日 申请日期2009年9月3日 优先权日2008年9月3日
发明者丹尼尔·R·卡迪, 巴里·M·维德根, 斯蒂芬·L·法伦, 杰拉尔德·J·莫伊, 萨鲁·达沃 申请人:康明斯过滤Ip公司