專利名稱：液體過濾系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體過濾系統(tǒng)和過濾器基體及介質(zhì)，其中所述過濾器介質(zhì)包含(例 如)經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑。
背景技術(shù)：
從市面上可得到許多類型的家用水過濾系統(tǒng)。傳統(tǒng)上，使用松散炭粒子床從水中 除去金屬和/或有機(jī)物質(zhì)。復(fù)合塊體可由吸附性材料(如吸附劑活性炭)和聚合物粘合劑 (如超高分子量聚乙烯(UHMW PE))的組合制成，它們在熱和壓力條件下被燒結(jié)到一起，并 可用于水過濾器技術(shù)。炭塊技術(shù)(例如)能提供與松散床炭粒子相當(dāng)?shù)墓δ苄裕瑓s不會發(fā) 生粒子脫落或占據(jù)太多的空間。對于炭塊技術(shù)，由于吸附性材料的量的增加，炭塊兩端的壓 降也會增大。此外，炭塊暴露在熱和壓力下會限制可供用于炭塊的吸附性材料的類型。例 如，炭塊技術(shù)通常使用如離子交換樹脂的對熱降解敏感的吸附性介質(zhì)來制造。當(dāng)前技術(shù)的缺陷在于需要非常小的粒子來制備可除去隱孢子蟲孢囊和其他細(xì)小 顆粒的過濾器。使用非常小的活性炭粒子需要較細(xì)的粘合劑粒子和更多的粘合劑。較細(xì)的 碳更難于處理，更難于制備可控的粒度。此外，使用非常細(xì)小的吸附劑和粘合劑粒子會得到 具有高壓降和更低水流速的過濾器。一個相關(guān)問題在于具有非常細(xì)小的介質(zhì)粒子的塊體需要相對較高量的UHMW PE粘 合劑。需要高粘合劑含量以得到具有良好機(jī)械強(qiáng)度的塊體，以及使粒子脫落程度降至最低。 用于商業(yè)孢囊級水過濾器塊體的典型粘合劑含量在25質(zhì)量％到55質(zhì)量％的范圍內(nèi)。由于 聚乙烯不具有任何吸附功能，因此使用較高的粘合劑含量限制了塊體在除去水污染物(例 如鉛、VOC和氯)方面的能力。在用于制備復(fù)合塊體的現(xiàn)行工藝中，另一個困難在于炭介質(zhì)-聚合物粘合劑共混 物表現(xiàn)出差的流動性。鑒于此，用于制備炭塊的模具通常不能最佳地填充。如果模具未被 填充到最大的密度，那么將需要更多的粘合劑以將介質(zhì)粒子保持在一起。另外，填充過程和 填充密度的差異會引起過濾器流動性的變化以及性能的變化。常見的問題是在混合步驟和 模具填充步驟之間碳_聚合物共混物往往會除氣和聚集。如果在填充模具時碳_聚合物共 混物發(fā)生聚集，那么模具將不能填充到最佳的密度，填充過程也將多變。細(xì)小顆粒形式的二氧化硅此前已被用作粉末助流劑。例如，在制藥行業(yè)的壓片工 藝中，向粉末共混物中加入少量熱解法二氧化硅。在制備由硅藻土制成的水過濾器塊體中 使用熱解法二氧化硅助流劑可能導(dǎo)致塊體強(qiáng)度降低。當(dāng)前技術(shù)的另一個缺陷是塊體的機(jī)械強(qiáng)度。由于對水過濾器的需求趨向于更小的 尺寸和更高的流速，因此需要更薄的壁和更小的外徑。此類塊體橫梁強(qiáng)度較低，這會在制備 過程中或在處理和運輸過程中導(dǎo)致缺陷。當(dāng)前技術(shù)還有一個缺陷是使用顆粒狀介質(zhì)(大于100目)制備炭塊的能力。當(dāng)前 技術(shù)使用325目的炭粒子(<43微米)與80X325目粒子(43-175微米)的共混物。典 型的平均粒度小于90微米。需要由較大的粒子制成的低壓降塊體。然而，用較大尺寸的顆粒狀炭(如50X200目(75-295微米))制備塊體是困難的。當(dāng)前技術(shù)的潛在缺點在于用作粘合劑的UHMW PE為疏水的。這會使得過濾器難以 潤濕。具有低可濕性的過濾器對于低壓應(yīng)用(如重力流過濾)是不利的。還需要提供活性材料加載量高而又不會增加系統(tǒng)壓降的水過濾系統(tǒng)。更理想的是 使用較大的顆粒狀炭和較少的粘合劑材料。此外，需要提供可被容易地潤濕的過濾器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了利用經(jīng)等離子體處理的粘合劑粒子以及結(jié)合吸附性介質(zhì)的用于液 體純化的過濾介質(zhì)、基體和系統(tǒng)。一方面，本發(fā)明提供了包含吸附性介質(zhì)和經(jīng)等離子體處理 的聚合物粘合劑粒子的過濾介質(zhì)。在一個實施例中，經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑粒子 的表面具有氧化物、硅或二者兼有。在另一個實施例中，吸附性介質(zhì)包含活性炭。在一個詳 細(xì)實施例中，活性炭包含平均粒度為45微米或更大的粒子。另一個實施例提供了還包含接 枝到其上的抗微生物劑的聚合物粘合劑粒子。一個或多個實施例提供以介質(zhì)的5重量％到 30重量％的量存在的聚合物粘合劑粒子。一些實施例還可以包括未接受等離子體處理的粘 合劑粒子。一個詳細(xì)的實施例提供與不含經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑粒子的比較過濾 介質(zhì)相比有效提供增加的孢囊容量的過濾介質(zhì)。另一個詳細(xì)的實施例提供與不含經(jīng)等離子 體處理的聚合物粘合劑粒子的比較過濾介質(zhì)相比有效提供增加的揮發(fā)性有機(jī)組分容量的 過濾介質(zhì)。又一個實施例提供與不含經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑粒子的比較過濾介質(zhì) 相比具有增強(qiáng)的橫梁強(qiáng)度的過濾介質(zhì)。另一個實施例提供與不含經(jīng)等離子體處理的聚合物 粘合劑粒子的比較過濾介質(zhì)相比具有增強(qiáng)的親水性的過濾介質(zhì)。在一個或多個實施例中，聚合物粘合劑粒子包含聚乙烯。其他實施例提供包含超 高分子量聚乙烯的聚乙烯。另外的實施例提供包含具有不規(guī)則、褶皺狀表面的粒子的聚合 物粘合劑粒子。某些實施例提供由超高分子量聚乙烯形成的具有不規(guī)則、褶皺狀表面的粒 子。一些實施例提供還包含基本上呈球形的粒子的聚合物粘合劑粒子。另一方面提供了過濾基體，其包含活性炭和粘附到活性炭上的經(jīng)等離子體處理的 超高分子量聚乙烯粘合劑。一個詳細(xì)的實施例中，活性炭以50重量％到85重量％范圍內(nèi) 的量存在，聚乙烯粘合劑以10重量％到30重量％范圍內(nèi)的量存在。在一個實施例中，聚乙 烯粘合劑包含具有不規(guī)則、褶皺狀表面的粒子。在一些實施例中，聚乙烯粘合劑還包含接枝 到其上的抗微生物劑。在一個詳細(xì)的實施例提供與不含經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑粒子的比較過 濾基體相比具有增強(qiáng)的親水性的過濾介質(zhì)。在又一方面，提供了一種過濾系統(tǒng)，所述過濾系統(tǒng)包括由吸附性介質(zhì)和經(jīng)等離子 體處理的聚合物粘合劑形成的過濾器基體、圍繞過濾器介質(zhì)的殼體、流體入口和流體出口。 在一個實施例中，吸附性介質(zhì)包含活性炭，聚合物粘合劑包含具有不規(guī)則、褶皺狀表面的超 高分子量聚乙烯粒子，聚合物粘合劑的表面具有氧化物、硅或二者兼有。另一方面提供了過濾方法，所述方法包括將流體與包含吸附性介質(zhì)和經(jīng)等離子體 處理的聚合物粘合劑的過濾介質(zhì)接觸。在一個詳細(xì)的實施例中，過濾介質(zhì)與不含經(jīng)等離子 體處理的粘合劑的比較過濾介質(zhì)相比具有增加的孢囊容量。在一個或多個實施例中，該方法還包括在重力流過濾器裝置中安置過濾介質(zhì)。在另一方面，提供了制備過濾系統(tǒng)的方法，該方法包括用等離子體處理聚合物粘 合劑粒子，以形成經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑；將吸附性介質(zhì)與所述經(jīng)處理的粒子接 觸，以形成介質(zhì)混合物；加熱所述介質(zhì)混合物形成過濾基體；以及將過濾塊體插入殼體中 以形成過濾系統(tǒng)。在一個實施例中，該方法還包括將抗微生物劑接枝到經(jīng)等離子體處理的 聚合物粘合劑上。在一個詳細(xì)的實施例中，所述處理步驟包括在室中提供聚合物粘合劑粒 子；對所述室抽真空；讓所述粒子接受氣體處理；對所述粒子施加射頻脈沖。在一個或多個 實施例中，氣體包含硅烷、氧氣或二者兼有。在另一個實施例中，所述接枝步驟包括在水溶 液中將經(jīng)等離子體處理的粘合劑與抗微生物劑混合，然后對混合物進(jìn)行干燥。
具體實施例方式本發(fā)明提供了利用經(jīng)等離子體處理的粘合劑粒子并結(jié)合吸附性介質(zhì)的用于液體 純化的過濾介質(zhì)、基體和系統(tǒng)。用等離子體氣體(如硅烷或氧氣或二者)對經(jīng)等離子體處 理的粘合劑粒子進(jìn)行處理，以對粘合劑粒子進(jìn)行改性，使得它們(例如)具有親水性和更強(qiáng) 的粘合性。將該粒子與吸附性介質(zhì)(例如活性炭和/或硅藻土)混合，然后將混合物燒結(jié) 并形成塊體或元件。高吸附性介質(zhì)加載量(高達(dá)例如約90重量％)是可能的。另外，將二 氧化硅添加到粘合劑粒子的表面上似乎可改善流動性而不會影響粘合過程。提到“流體處理單元”或“流體過濾系統(tǒng)”包括含有過濾介質(zhì)的系統(tǒng)和將原始流體 如未處理的水與處理過的流體分離的方法。這通常包括用于過濾器元件的過濾器殼體和用 以讓處理過的流體以適當(dāng)?shù)姆绞脚懦鲞^濾器殼體的出口。 “體潤濕性”是指制品吸收和汲取水的傾向。通過改善親水性，可減少制品的潤濕 時間?！岸嗫字破贰笔侵笍谋砻娴絻?nèi)部具有開放的迂曲通道的制品?！暗入x子體處理”是指在粘合劑存在的氣氛中使用高頻電場或磁場產(chǎn)生特定氣體 的自由基的過程。自由基對粘合劑的表面進(jìn)行改性，并可能改善其性能。等離子體處理使 粘合劑表面“官能化”。這一術(shù)語可以包括可改變粘合劑表面性質(zhì)如親水性的任何其他等離 子體誘導(dǎo)的化學(xué)或物理反應(yīng)。提及“TMS”是指四甲基硅烷氣體，這是一種用于等離子體處理的氣體。“美國國家衛(wèi)生基金會”或“NSF”是指認(rèn)證水過濾系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)所用材料的民間 機(jī)構(gòu)。如本文所用，NSF標(biāo)準(zhǔn)42或53是闡明水過濾系統(tǒng)測試方法和驗收準(zhǔn)則以改善飲用 水的觀感和健康作用的發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)。術(shù)語“脈沖填充”或“施加脈沖”是指向模具施加力，從而產(chǎn)生不連續(xù)的、基本上豎 直的位移使得模具中粒子的至少一部分發(fā)生移動，引起粒子在模具中呈現(xiàn)緊湊的取向。這 包括間接方法(例如錘擊夾持模具的平臺和通過氣壓缸沖擊平臺)以及通過一系列振動使 模具發(fā)生位移的任何適合的直接方法。在一些實施例中，脈沖填充包括一系列施加到模具 的不連續(xù)位移(即脈沖)。脈沖填充與振動的區(qū)別在于在位移之間存在一段不發(fā)生移動 或很少移動的時間。位移之間的這段時間通常為至少0.5(在一些實施例中，至少1、2、3、5 或甚至至少10)秒。施加到模具的位移具有垂直分量。在一些優(yōu)選的實施例中，垂直分量 (與水平分量相對)占模具移動的大部分(在一些實施例中，絕大部分(>75%)，或甚至幾乎全部(>90%))。術(shù)語“UHMW PE”是指分子量為例如至少750，000的超高分子量聚乙烯，其在授予 Hughes等人的共同擁有的美國專利No. 7，112，280中有所描述，該專利全文以引用方式并 入本文。術(shù)語“具有不規(guī)則、褶皺狀表面的粒子”是指如在此全文引入以供參考的美國專利 No. 7，112，272 (Hughes等人)中所示的具有獨特形態(tài)的粒子，其與基本上呈球形的粒子相 比時表現(xiàn)出更高的表面積和更低的堆密度。在詳細(xì)的實施例中，聚合物粘合劑包含超高分子量聚乙烯。在其他實施例中，聚合 物粘合劑還包含具有大致球形、無孔結(jié)構(gòu)的粒子。在具體實施例中，具有不規(guī)則、褶皺狀表 面的粒子具有10到120 (或20-50，或甚至30-40)微米范圍內(nèi)的平均粒度。在其他具體實 施例中，具有大致球形、無孔結(jié)構(gòu)的粒子具有10到100(或20-80，或甚至30-65)微米范圍 內(nèi)的平均粒度。提到“小”褶皺狀粒子時，包括一般具有30微米的平均粒度和0. 25g/cc的 密度的粒子。提到“大”褶皺狀粒子時，包括一般具有120微米的平均粒度和0. 23g/cc的 密度的粒子。提到“小”球形粒子時，包括一般具有60微米的平均粒度和0. 45g/cc的密度 的粒子。術(shù)語“動電吸附”包括當(dāng)顆粒(稱為被吸附物)通過庫侖力或其他靜電相互作用 聚積在固體或極少情況下為液體(稱為吸附劑)的表面上從而形成分子或原子膜時發(fā)生的 過程。術(shù)語“吸附性介質(zhì)”包括能夠通過不同的吸附機(jī)制吸附粒子的材料(稱為吸附 劑)。這些介質(zhì)可以為例如流體動力學(xué)直徑在約0. 01到IOmm之間的球粒、棒、纖維、模制粒 子或整塊的形式。如果該介質(zhì)為多孔的，那么這一屬性會導(dǎo)致較高的暴露表面積和較高的 吸附能力。吸附劑可具有微孔和大孔結(jié)構(gòu)的組合，使得能夠快速地傳送粒子并具有低流動 阻力。提到“比較過濾介質(zhì)”時，是指由未經(jīng)等離子體處理的材料形成的介質(zhì)。也就是說， 在比較過濾介質(zhì)中使用的粘合劑部分均未用等離子體氣體(如TMS和/或O2)處理過。提 到“比較過濾基體”時，是指包含未經(jīng)等離子體處理的粘合劑的比較過濾基體。在標(biāo)準(zhǔn)炭塊配方中使用經(jīng)等離子體處理的粘合劑，在現(xiàn)有技術(shù)水平上實現(xiàn)了一些 改進(jìn)。例如，在減少隱孢子蟲孢囊的NSF 53測試中，實現(xiàn)了塊體濾除性能的改善。此外，使 用經(jīng)等離子體處理的粘合劑允許采用較低的粘合劑含量，并因此在塊體中采用更多的活性 介質(zhì)，同時保持強(qiáng)度和完整性。這可實現(xiàn)揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)更高的濾除能力(以單 位塊體體積的加侖數(shù)表示)。使用經(jīng)等離子體處理的粘合劑還提供了用具有良好機(jī)械強(qiáng)度 的顆粒狀炭(> 100微米的平均粒度)模制塊體的能力。當(dāng)使用經(jīng)等離子體處理的粘合劑 時，通?？梢愿纳茐K體的斷裂強(qiáng)度。另外，用經(jīng)等離子體處理的粘合劑可獲得具有更強(qiáng)親水 性的塊體，其繼而又可改善初始潤濕性。多孔材料的等離子體處理方法在美國專利No. 6，878，419和7，125，603中有所提 供，另外，用于粒子等離子體處理的方法和設(shè)備在美國專利No. 6，015，597和6，197，120中 有所提供，它們的公開內(nèi)容均以引用方式并入本文。一般而言，通過用氣體(例如，如四甲 基硅烷(TMS)形式的硅烷或氧氣(O2))在真空下處理粘合劑完成等離子體處理。對于TMS 處理，在30分鐘內(nèi)以大約lOOcc/min的流速將TMS引入玻璃室中。對于氧氣處理，在30分 鐘內(nèi)以大約ISOcc/min的流速將氧氣引入室中。對于組合式處理，相繼地進(jìn)行TMS和O2處理，各為30分鐘。一般來講，當(dāng)TMS或氧氣存在于室中時，壓力不超過約1托。然后讓室中 的材料以脈沖的方式經(jīng)受射頻等離子體處理。脈沖用于最小化由氣相聚合造成的粉塵形 成。在首先于TMS氣氛中接著于O2氣氛中處理粘合劑的處理中，盡管無意于受理論的束縛， 但是據(jù)信氧化硅會沉積到聚合物粘合劑的表面上。對于只在O2氣體中的處理，盡管無意于 受理論的束縛，但是據(jù)信聚合物的表面會被氧化。據(jù)觀察，只用O2處理與用TMS接著O2處 理具有相似的優(yōu)點。至于只在TMS氣體中的處理，觀察到除親水效果外與其他處理相似的 優(yōu)點。在以兩步法完成等離子體處理的情況下，第一等離子體衍生自包含至少一種有機(jī) 硅烷的組分，該有機(jī)硅烷具有至少一個C-H鍵，其可以為sp3、sp2或sp C-H鍵。通常，有機(jī) 硅烷具有多個C-H鍵，例如至少2個、至少3個、至少5個、至少9個和/或甚至至少12個 C-H鍵，或者更多。通常選擇有機(jī)硅烷使得在等離子體處理條件下它們具有形成等離子體的 足夠蒸氣壓力。具有至少一個C-H鍵的示例性有機(jī)硅烷包括烷基硅烷，例如四甲基硅烷、 甲基硅烷、二甲基硅烷、二乙基硅烷、二乙基甲基硅烷、丙基硅烷、三甲基硅烷和乙基硅 烷；烷氧基硅烷和硅氧烷，例如原硅酸四乙酯(TEOS)和四甲基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)； 亞烷基聚硅烷，例如二硅甲基甲烷(SiH3-CH2-SiH3)、二(甲基硅亞甲基)甲烷 (CH3-SiH2-CH2-SiH2-CH3)、l，2-二硅甲基乙烷(SiH3-CH2-CH2_SiH3)、1，2-二(甲基硅亞 甲基)乙烷(CH3-SiH2-CH2-CH2-SiH2-CH3)、2，2_ 二硅甲基丙烷(SiH3_C (CH3) 2-SIH3)、 二甲基二硅亞甲基乙烷(CH3-SiH2-(CH2) 2-SiH2_CH3)、二甲基二硅亞甲基丙烷 (CH3-SiH2- (CH2) 3-SiH2_CH3)、四甲基二硅次甲基乙烷((CH3) 2-SiH- (CH2) 2-SiH- (CH3) 2) 和四甲基二硅次甲基丙烷((CH3)2-SiH-(CH2)3-SiH-(CH3)2)；烯基硅烷，例如乙烯基甲基 硅烷和二乙烯基二甲基硅烷；芳基硅烷，例如苯基硅烷、苯基二甲基硅烷和苯基三甲基硅 烷；烷基聚硅烷，例如1，1，2，2-四甲基二硅烷、六甲基二硅烷、1，1，2，2，3，3-六甲基三硅烷 和1，1，2，3，3_五甲基三硅烷。也可使用有機(jī)硅烷的組合。有機(jī)硅烷可具有取代基，例如氨 基、羥基和/或鹵素(如氟、溴、氯)，但這些取代基往往會減弱第一等離子體處理的效力。 此外，第一等離子體可附加地包含氣體組分，這些組分(例如)選自氧氣、氮氣、二氧化氮、 一氧化二氮、氨氣和二氧化硫，但它們往往會減弱第一等離子體處理的效力。經(jīng)等離子體處理的粘合劑還可接受抗微生物劑接枝處理。在一個或多個實施例 中，由首先用TMS接著O2進(jìn)行等離子體處理然后用抗微生物劑接枝的粘合劑制成炭塊。以 3-三甲氧基甲硅烷基丙基二甲基十八烷基氯化銨形式的作為有機(jī)硅季銨化合物的抗微生 物劑可以商品名AEM 5700得自Aegis (Midland，MI)。為了接枝抗微生物劑，首先制備含抗 微生物劑的水溶液，然后一邊混合一邊噴到經(jīng)等離子體處理的粘合劑上。然后，將材料在配 有氮氣流的85°C對流烘箱中過夜干燥。據(jù)發(fā)現(xiàn)，首先用TMS再用O2進(jìn)行等離子體處理然后 與有機(jī)硅季銨化合物接枝的粘合劑賦予了炭塊顯著改善的降濁性能。盡管無意于受特定理 論的束縛，但是據(jù)推測在這個過程中賦予粘合劑的正電荷可改善帶電顆粒的聚集。據(jù)發(fā)現(xiàn)，在炭塊配方中使用經(jīng)等離子體改性的粘合劑顯著改善了隱孢子蟲孢囊的 濾除效率。在我們的試驗中，將孢囊減少能力表現(xiàn)不佳(不符合ANSI/NSF 53標(biāo)準(zhǔn))的炭 塊配方改為使用經(jīng)等離子體處理的粘合劑。使用通過等離子體處理(使用TMS或氧氣(O2) 或兩者)官能化的相同粘合劑代替商業(yè)粘合劑。除此之外，配方和方法均相同。將粘合劑
8用TMS接著O2處理后，塊體令人驚訝地表現(xiàn)出強(qiáng)大的孢囊減少能力，達(dá)到出水中無可測粒 子的程度。在孢囊性能上的改善可允許用較大的炭粒子制造塊體。在當(dāng)前的商業(yè)炭塊技術(shù) 中，孢囊保持塊體包含粒度主要小于325目(43微米)的活性炭粒子。通過官能化的粘合 劑，可由主要在80和325目(45到175微米)之間的炭粒子制備具有孢囊保持能力的塊體。 這一優(yōu)點使得能夠制造壓降更低的孢囊保持塊體。這還使得可使用更少的粘合劑和更多的 活性介質(zhì)。另外，它還可以改善制造過程，因為超細(xì)炭粒子難以處理，難以產(chǎn)生緊密的粒度 分布。使用經(jīng)等離子體處理的粘合劑可顯著增加塊體的機(jī)械強(qiáng)度。對于具有相同配方的 塊體，用經(jīng)等離子體處理的(TMS或02或兩者)粘合劑取代未改性的相同商業(yè)粘合劑將橫 梁偏轉(zhuǎn)力增大了近兩倍。橫梁偏轉(zhuǎn)力(BDF)或斷裂強(qiáng)度通常用作一種規(guī)范，以確保塊體具 有足夠的強(qiáng)度，不會在運輸和處理中損壞。具有較高橫梁強(qiáng)度的塊體的制備使得具有更小 直徑和更小壁厚的塊體的制造成為可能。當(dāng)前對水過濾器塊體需求的趨勢朝著更小的塊體 以裝進(jìn)緊湊空間(如冰箱和水龍頭)方面發(fā)展。另一個趨勢是追求在較低的壓降下具有較 高的水流速。這可通過使用較小的塊體壁厚實現(xiàn)。使用經(jīng)等離子體改性的粘合劑減少了所需的粘合劑含量，從而允許使用更多的活 性介質(zhì)。在當(dāng)前的炭塊技術(shù)中，示例性的配方包含大約50質(zhì)量％的粘合劑含量和大約50 質(zhì)量％的活性介質(zhì)含量。使用等離子體官能化的粘合劑，已制造出粘合劑含量低至10質(zhì) 量％的塊體。這些低粘合劑含量已應(yīng)用到具有難模制的幾何形狀的塊體上(如1. 1英寸內(nèi) 徑X9/16英寸內(nèi)徑父6英寸長)。由低含量粘合劑制成的塊體顯示出明顯改善的VOC濾除性能(以每單位塊體體積 的加侖數(shù)容量表示)。已經(jīng)實現(xiàn)為當(dāng)前商業(yè)炭塊2至4倍的VOC容量。例如，直徑為1.1英 寸長為5英寸的塊體已實現(xiàn)了遠(yuǎn)超過160加侖水(> 45加侖/立方英寸)的VOC使用壽 命(根據(jù)NSF標(biāo)準(zhǔn)53)。大多數(shù)商業(yè)水過濾器塊體的VOC容量都小于20加侖/立方英寸。使用經(jīng)等離子體處理的粘合劑允許由顆粒狀炭(> 100微米的平均粒度)制備塊 體。已由80X200和50X200目的炭制成了含二氧化硅增強(qiáng)的粘合劑的塊體，這類塊體無 裂紋，粒子脫落程度也降至最低。這與由未經(jīng)二氧化硅改性的相同粘合劑制成的塊體形成 鮮明對比。使用標(biāo)準(zhǔn)粘合劑時，由這些粒度形成的塊體表現(xiàn)出非常高的破裂頻率和顯著的 粒子脫落。本發(fā)明的另一個實用性是改善炭塊中粘合劑的潤濕。炭塊中的其他組分(活性 炭、鉛減少介質(zhì)等)與聚乙烯相比親水性更高。具有改善的可濕性的塊體對重力流過濾應(yīng) 用如濾水壺應(yīng)用具有優(yōu)勢，在這些應(yīng)用中介質(zhì)的迅速潤濕很重要。除非另外指明，否則說明書和權(quán)利要求書中使用的所有表示成分、特性(如分子 量)、反應(yīng)條件等的量的數(shù)字，都應(yīng)理解為在所有情況下都由術(shù)語“約”來修飾。因此，除非 有相反的指示，否則以下說明書和所附權(quán)利要求書中給出的數(shù)字參數(shù)均為近似值，可根據(jù) 本發(fā)明所追求獲得的所需特性而改變。在最低程度上，絲毫沒有將等同原則的應(yīng)用限制于 權(quán)利要求保護(hù)的范圍的意思，至少應(yīng)該根據(jù)所報告的有效數(shù)位的數(shù)并通過慣常的舍入技術(shù) 來解釋每一個數(shù)值參數(shù)。雖然，闡述本發(fā)明廣義范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但是在具體實例中所列出的數(shù)值則是盡可能精確地報告的。但是，任何數(shù)值都固有地含有某些必然由其各自的試 驗測量中所存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差而導(dǎo)致的誤差。實例
實例1將小褶皺狀粒子(TiconaGUR 2126)和小球(Ticona GUR 4150-3)形式的 UHMW PE粘合劑通過使用以下物質(zhì)的三種方式之一進(jìn)行表面改性僅四甲基硅烷(TMS)、僅氧氣 和TMS接著氧氣。在塊體上進(jìn)行空氣流、BDF和孢囊測試。一般來講，在中試反應(yīng)器中以大約1500g分批對粘合劑進(jìn)行處理。中試反應(yīng)器包 括在電磁場中旋轉(zhuǎn)的玻璃管。為了幫助粘合劑在中試反應(yīng)器中的攪拌，向粘合劑中加入約 500mL的惰性小珠。將粘合劑放入玻璃管后，抽空內(nèi)部氣體使壓力降至約0.3托。將玻璃室 上的轉(zhuǎn)子設(shè)為以大約8rpm的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。對于四甲基硅烷處理，在30分鐘內(nèi)以大約IOOcc/ min的流速將TMS引入室中。對于氧氣處理，在30分鐘內(nèi)以大約ISOcc/min的流速將氧氣 引入室中。對于組合處理，相繼地進(jìn)行上述TMS氣體和O2處理，各進(jìn)行30分鐘。當(dāng)TMS或 氧氣存在于處理室中時，壓力不超過約1托。一旦建立了所需的氣氛后，即啟動射頻脈沖(前向大約200W，反射大約40W)。完 成處理后，從反應(yīng)器中取出粘合劑，使用篩子除去惰性小珠。對于3種不同的處理以及使用未經(jīng)處理的粘合劑的1個對照的每一個，一批制造 24個塊體(1. 1英寸外徑X 4. 5英寸長度)。塊體的配方如下 在6英寸長X 1. 1英寸外徑的模具中制備塊體。以脈沖填充方式填充模具，以達(dá) 到最大的密度。在177°C的對流烘箱中將模具烘烤1小時，每次八個。從對流烘箱取出后， 用大約50磅的力在模具中壓縮塊體。塊體具有1. 1英寸的外徑和0. 375英寸的內(nèi)徑，將其 切成4. 5英寸的長度。塊體重量大約為37-39克。塊體為封端的，并隨機(jī)分配到它們各自 的測試中。BDF樣品尺寸為16，其結(jié)果在表Ia中提供，孢囊測試樣品尺寸為8，其結(jié)果在表 Ib中提供。表Ia 表 lb BDF數(shù)據(jù)表明與未處理過的塊體相比在由3種處理方法任一種處理過的塊體中存 在強(qiáng)度方面的改善。經(jīng)氧氣等離子體處理的塊體性能最強(qiáng)。孢囊測試數(shù)據(jù)表明，對于由經(jīng)等離子體處理(氧氣、TMS或TMS接著02)的粘合劑 制成的塊體，所有的塊體均以至少99. 95%的效率通過測試。對于由未處理過的聚合物制成 的塊體，測試塊體中有12%未通過孢囊測試。實例2根據(jù)表2a的配方由用TMS接著02處理過的粘合劑制備炭塊表 2a 在鉆壓混合機(jī)中將材料混合2分鐘。以脈沖填充方式填充模具(1.1英寸外 徑X3/8英寸內(nèi)徑X 12英寸長)，以達(dá)到最大的密度。將模具在180°C的對流烘箱中烘烤 45分鐘。烘烤后，用活塞以100磅的恒定力壓縮塊體30秒。冷卻并從模具中取出塊體。將塊體切成4英寸的長度，然后封端。表2b示出了通過該方法制備的8個塊體的數(shù)據(jù)表 2b 對塊體2-D和2-G進(jìn)行測試，以測量這些塊體從水中減少孢囊的性能。這些測試 遵循使用替代試驗用粉塵的NSF標(biāo)準(zhǔn)53方案。塊體2-D和2-G均表現(xiàn)出強(qiáng)大的孢囊減少 性能。也就是說，這些塊體表現(xiàn)出> 99. 95%的效率。在整個測試中，均未檢測到3-4微米 的流出粒子。實例3tkS根據(jù)表3a的配方用聚乙烯粘合劑(未用等離子體處理)制備炭塊表 3a
材料重量％椰殼活性炭，標(biāo)稱100微米平均粒度60
12 對根據(jù)實例2的方法制備的塊體進(jìn)行測試，其性質(zhì)如表3b所示表 3b 如所顯示的，塊體質(zhì)量和空氣流阻力的標(biāo)準(zhǔn)偏差為由實例3中的經(jīng)等離子體處理 的粘合劑制備的塊體對應(yīng)值的兩倍以上。另外，實例2中塊體的平均空氣流阻力和平均塊 體質(zhì)量比實例3的對應(yīng)值更高。這些數(shù)據(jù)表明改性的粘合劑改善了模具的填充，從而賦予 了更高的填充密度和更具重現(xiàn)性的填充密度。遵循使用替代試驗用粉塵的NSF標(biāo)準(zhǔn)53方案，對塊體3_A和3-D進(jìn)行測試，以測量 這些塊體從水中減少孢囊的性能。由未改性的粘合劑制備的塊體均未通過孢囊減少測試。
實例 4tkS.根據(jù)表4a的配方用聚乙烯粘合劑(未用等離子體處理)制備炭塊。與實例3相 比，通過加入更多的細(xì)炭對配方進(jìn)行調(diào)整以改善孢囊性能。表 4a 對根據(jù)實例2的方法制備的塊體進(jìn)行測試，其性質(zhì)如表4b所示。表4b 在這些由未經(jīng)等離子體處理的粘合劑制成的塊體中，對于表征為“失敗”的測試， 其效率小于99. 95%并且未通過NSF 53標(biāo)準(zhǔn)。對于表征為“勉強(qiáng)通過”的測試，其效率在規(guī) 定的NSF采樣點超過99. 95 %，但是在測試中的其他點，效率降至99. 95 %以下。另外，對于 標(biāo)記為“勉強(qiáng)通過”的測試，其在流出物中具有可測的粒子。
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實例 5根據(jù)表5a的配方由用TMS然后02處理過的粘合劑制備炭塊表 5a 對根據(jù)實例2的方法制備的塊體進(jìn)行測試，其性質(zhì)如表5b所示表 5b 橫梁偏轉(zhuǎn)力定義為當(dāng)塊體的兩端被支撐，并在距離塊體兩端相等的點接受垂直 于塊體施加的力時，破碎塊體所需的力。這一參數(shù)通常被用作塊體強(qiáng)度的度量，其被用作確 保塊體不會在運輸和處理過程中破碎的規(guī)范。實例6tkS根據(jù)表6a的配方用聚乙烯粘合劑(未用等離子體處理)制備炭塊表 6a 對根據(jù)實例2的方法制備的塊體進(jìn)行測試，其性質(zhì)如表6b中所示表 6b 如所顯示的，與實例5的塊體相比，實例6中未用經(jīng)等離子體處理的粘合劑制備的 塊體的橫梁偏轉(zhuǎn)力通常更低。這表明經(jīng)改性的粘合劑改善了橫梁偏轉(zhuǎn)力。實例7根據(jù)表7a的配方由TMS接著02處理過的粘合劑制備炭塊表 7a 對根據(jù)實例2的方法制備的塊體進(jìn)行測試。這些塊體是完整無裂紋的。對于水過 濾應(yīng)用，機(jī)械強(qiáng)度和粒子脫落量被視為合格。塊體的總粘合劑含量為10%?？偦钚越橘|(zhì)含 量為90%。實例8根據(jù)實例2表2a的配方制備用經(jīng)首先TMS然后02等離子體處理的粘合劑制備塊 體，外徑為1.1英寸。表8匯總了對這些塊體的初始V0C測試結(jié)果。當(dāng)用含300ppb氯仿的 水進(jìn)行挑戰(zhàn)性試驗時，流出水中氯仿(CHC13)濃度的測量值以被處理的水的加侖數(shù)的函數(shù) 形式提供。在NSF53方案中，過濾器在其整個額定使用壽命必須保持流出物CHC13含量低 于 15ppb (減少 95% )。表8 結(jié)果顯示4. 5英寸長的塊體獲得了 > 160加侖的V0C容量。對于5英寸的塊體， 每單位塊體體積對應(yīng)的被處理(除V0C)水體積> 45加侖/立方英寸。實例9根據(jù)表9的配方用TMS接著02處理過的粘合劑制備炭塊。相比之前實例的細(xì)炭， 使用的炭為顆粒狀的。表9 根據(jù)實例2的方法制備尺寸為3. 5英寸外徑X0. 75英寸內(nèi)徑X 20英寸長的塊體， 不同的是烘烤時間更長(約2小時)以在更大的模具中實現(xiàn)熱傳遞。所有塊體都是完整的(無斷裂)并顯示出最少的粒子脫落。之前對制備具有這一 炭粒度和這一塊體幾何形狀的塊體的所有嘗試都得到的是具有缺陷的塊體(斷裂)。實例10根據(jù)表10a的配方，用TMS接著02處理過的粘合劑制備由粗炭PSD形成的炭塊表 10a 表10b示出了根據(jù)實例2的方法制備的4個塊體的數(shù)據(jù)表 10b 對這些塊體進(jìn)行測試，以測量它們從水中減少孢囊的性能。這些測試遵循使用替 代試驗用粉塵的NSF標(biāo)準(zhǔn)53方案。塊體10-A至10-D均表現(xiàn)出強(qiáng)大的孢囊減少性能。實例11根據(jù)表11a的配方由處理過的(TMS接著02)粘合劑制備圓盤表 11a 混合上述組分，然后模制成圓盤(4. 5英寸直徑X3/8英寸厚)。在模具上設(shè)置一 個頂蓋，但是不壓縮模具。測試上述圓盤的水潤濕性。用注射器將10mL自來水施加到圓盤的表面上。加水在 5秒鐘內(nèi)完成。然后記錄圓盤上的水被完全吸到圓盤中的總時間。該測試的數(shù)據(jù)在表lib 中示出表 lib 實例12比較
根據(jù)表12a的配方用聚乙烯粘合劑(未用等離子體處理)制備圓盤表 12a 通過實例11的方法制備圓盤，并根據(jù)實例11測試潤濕性。測試的數(shù)據(jù)在表12b 中示出表 12b 如所顯示的，與實例11的圓盤相比，實例12中未用經(jīng)等離子體處理的粘合劑制備 的圓盤的潤濕性時間通常更長。這表明經(jīng)改性的粘合劑改善了可濕性。實例13由首先用TMS接著用02處理然后與抗微生物劑接枝的粘合劑制成炭塊。以3-三 甲氧基甲硅烷基丙基二甲基十八烷基氯化銨形式的作為有機(jī)硅季銨化合物的抗微生物劑 可以商品名AEM 5700得自Aegis (Midland，MI)。為了接枝抗微生物劑，將含抗微生物劑的
水溶液噴到經(jīng)等離子體處理的粘合劑上，并混合至糊劑的稠度。然后將材料在具有氮氣 流過的85°C對流烘箱中過夜干燥。根據(jù)表13的配方制備炭塊表13 制備具有2. 1英寸外徑X9. 3英寸長度的塊體。根據(jù)NSF 53標(biāo)準(zhǔn)對這些塊體進(jìn) 行濁度測試，經(jīng)過50次以上的循環(huán)，流出物濁度減小達(dá)到了低于0. 25NTU。NSF標(biāo)準(zhǔn)要求減 至 0. 5NTU。實例14如實例13所討論，由先用TMS再用02處理然后與抗微生物劑接枝的粘合劑制成 炭塊。根據(jù)表14的配方制備炭塊表14 通過脈沖填充和壓縮固化制備1. 1英寸外徑X4英寸長的塊體。根據(jù)NSF 53標(biāo) 準(zhǔn)對這些塊體進(jìn)行濁度測試，經(jīng)過19次循環(huán)，流出物濁度減小達(dá)到了低于0. 5NTU。對于具有未經(jīng)等離子體處理的粘合劑的比較塊體，未通過濁度測試。也就是說，比 較塊體經(jīng)過19次循環(huán)后，濁度結(jié)果大于0. 5NTU。在本說明書通篇中提到的“一個實施例”、“某些實施例”、“一個或多個實施例”或 “實施例”，意指結(jié)合該實施例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或特點被包括在本發(fā)明的至少一 個實施例中。因此，在本說明書通篇中多處出現(xiàn)的諸如“在一個或多個實施例中”、“在某些
21實施例中”、“在一個實施例中”或者“在實施例中”的詞語，未必指本發(fā)明的同一實施例。此 外，具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或特性可在一個或多個實施例中以任何合適的方式組合。
雖然本文已參照具體的實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，這些實施例僅僅是舉 例說明本發(fā)明的原理和應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員會明白，可不背離本發(fā)明的精神和范圍，對本 發(fā)明的方法和設(shè)備作各種修改和變型。因此意圖是，本發(fā)明包括落入所附權(quán)利要求及其等 同物的范圍內(nèi)的修改形式和變型形式。
權(quán)利要求
一種過濾介質(zhì)，包含吸附性介質(zhì)和經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑粒子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中所述經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑粒子的 表面具有氧化物、硅或二者兼有。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中所述吸附性介質(zhì)包含活性炭。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的過濾介質(zhì)，其中所述活性炭包含平均粒度為45微米或更大的 粒子。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中所述聚合物粘合劑粒子還包含接枝到其上的 抗微生物劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中所述聚合物粘合劑粒子以所述介質(zhì)的5重 量％到30重量％的量存在。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中與不含所述經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑 粒子的比較過濾介質(zhì)相比，所述過濾介質(zhì)有效提供增加的孢囊容量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中與不含所述經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑 粒子的比較過濾介質(zhì)相比，所述過濾介質(zhì)有效提供增加的揮發(fā)性有機(jī)組分容量。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中與不含所述經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑 粒子的比較過濾介質(zhì)相比，所述過濾介質(zhì)具有增強(qiáng)的橫梁強(qiáng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中與不含所述經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合 劑粒子的比較過濾介質(zhì)相比，所述過濾介質(zhì)具有增強(qiáng)的親水性。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中所述聚合物粘合劑粒子包含聚乙烯。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的過濾介質(zhì)，其中所述聚乙烯包括超高分子量聚乙烯。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾介質(zhì)，其中所述聚合物粘合劑粒子包括具有不規(guī)則、褶 皺狀表面的粒子。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的過濾介質(zhì)，其中所述具有不規(guī)則、褶皺狀表面的粒子由超 高分子量聚乙烯形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的過濾介質(zhì)，其中所述聚合物粘合劑粒子還包括基本呈球形 的粒子。
16.一種過濾基體，包含活性炭和粘附到所述活性炭上的經(jīng)等離子體處理的超高分子 量聚乙烯粘合劑。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過濾基體，其中所述活性炭以50重量％到85重量％的量 存在，并且所述聚乙烯粘合劑以10重量％到30重量％的量存在。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過濾基體，其中所述聚乙烯粘合劑包含具有不規(guī)則、褶皺 狀表面的粒子。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的過濾基體，其中所述聚乙烯粘合劑還包含接枝到其上的抗 微生物劑。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的過濾基體，其中與不含所述經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合 劑粒子的比較過濾基體相比，所述過濾介質(zhì)具有增強(qiáng)的親水性。
21.一種過濾系統(tǒng)，包括由吸附性介質(zhì)和經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑形成的過濾 器基體、圍繞所述過濾器介質(zhì)的殼體、流體入口和流體出口。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的過濾系統(tǒng)，其中所述吸附性介質(zhì)包含活性炭，所述聚合物粘合劑包含具有不規(guī)則、褶皺狀表面的超高分子量聚乙烯粒子，并且所述聚合物粘合劑的 表面具有氧化物、硅或二者兼有。
23.一種過濾方法，包括讓流體與包含吸附性介質(zhì)和經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑 的過濾介質(zhì)接觸。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中與不含所述經(jīng)等離子體處理的粘合劑的比較過 濾介質(zhì)相比，所述過濾介質(zhì)具有增加的孢囊容量。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，所述方法還包括在重力流過濾器裝置中設(shè)置所述過 濾介質(zhì)。
26.—種制造過濾系統(tǒng)的方法，所述方法包括用等離子體處理聚合物粘合劑粒子，以形成經(jīng)等離子體處理的聚合物粘合劑；讓吸附性介質(zhì)與所述經(jīng)處理的粒子接觸，以形成介質(zhì)混合物；加熱所述介質(zhì)混合物形成過濾基體；以及在殼體中插入所述過濾塊體以形成所述過濾系統(tǒng)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括將抗微生物劑接枝到所述經(jīng)等離子體處理的 聚合物粘合劑上。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述處理步驟包括在室中提供所述聚合物粘合劑粒子；對所述室抽真空；使所述粒子接受氣體處理；以及對所述粒子施加射頻脈沖。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其中所述氣體包含硅烷、氧氣或二者。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中所述接枝步驟包括在水溶液中混合所述經(jīng)等 離子體處理的粘合劑與所述抗微生物劑以形成混合物，并干燥所述混合物。
全文摘要
本發(fā)明提供了用于包含吸附劑介質(zhì)的過濾介質(zhì)的經(jīng)等離子體處理的粘合劑。等離子體處理可使用硅烷、氧氣或二者。經(jīng)等離子體處理的粘合劑可通過加入抗微生物劑進(jìn)行電荷改性。所述過濾介質(zhì)可用于制造基體和系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了上述發(fā)明內(nèi)容的制造和使用方法。
文檔編號B01D39/00GK101925540SQ200880125292
公開日2010年12月22日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者摩西·M·戴維, 馬克·R·斯托弗 申請人:3M創(chuàng)新有限公司