[发明专利]多层多孔复合材料

说明书

发明领域

本发明涉及用于可靠的燃料纯化的多层多孔复合材料。具体来说，本发明涉及多层多孔复合材料，其用于从中等馏分燃料如柴油燃料、航空燃料、煤油和类似的燃料包括费-托燃料(fischer tropsch)、生物柴油及其共混物，一致和可靠地除去颗粒以及耐久地除去乳化水。

发明背景

出于各种经济、政治和环境原因，存在追求更高燃料效率、更低排放、和更可持续的燃料来源的动力。这种动力导致中等馏分燃料的燃料组合物和化学发生变化、新的高精度发动机设计、以及使用生物燃料及其共混物。例如这些趋势在下述文献中进行了讨论：“用于高压共轨燃油系统的过滤溶液”(Filtration Solutions for High Pressure Common Rail Fuel Systems)，巴里威登(Barry Verdegan)、阿贝特鲁达(Abby True-Dahl)、威廉哈勃堪姆(William Haberkamp)、诺曼布里兹(Norm Blizard)、戴维森特(David Genter)和艾瑞克奎仁(Eric Quillen)，美国过滤&分离协会年会(American Filtration&Separation Society Annual Conference)，五月9-22(2008),福吉谷(Valley Forge)，宾夕法尼亚州。因此，新型燃料通常具有更高的水含量、更低的抗水界面张力，且现在易于通过用泵吸传输时的剪切来形成非常精细水滴的稳定乳液。此外，更新的发动机精确设计是高度敏感的，且容易受损。燃料中增加的水当以游离水滴的形式存在时，可降低润滑性，由此导致损坏。此外，悬浮的尺寸为4-20微米或更小的微粒可提供摩擦磨损的大量来源。这些因素产生了对更高燃料纯度的需要，要求耐久长效的燃料过滤器、水分离器，以及组成它们的多孔过滤介质复合材料。这些过滤器可用于在内燃机中使用中等馏分燃料的多种应用，包括，但不限于：汽车、火车、海洋和航空航天市场。

已知用于这些应用的过滤介质包括多种多孔和复合材料。实际中最常使用的多孔复合材料介质包括纤维状聚合物无纺物，纤维素或纸张无纺物包括含微纤维玻璃和织物的那些。上述介质中的许多还包括疏水性涂层。示例还包括纤维状和非纤维状微过滤器膜，其包括全部和部分氟化聚合物以及膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)。

但是，这些多孔和复合材料不能满足对耐久、长寿命、水和颗粒分离的增加的需求。具体来说，存在对多孔复合材料的需求，该多孔复合材料能从包括降低界面张力添加剂和表面活性剂的新的燃料组合物和化学中，把水和精细微粒除去到足以保护新的发动机的纯度水平。US5904845,US7938963,US20090178970提供了示例性尝试，包括把微纤复合材料无纺物和织物结合。当在新的燃料中存在添加剂和表面活性剂时，这些尝试不能足够地除去乳化水。此外，这些尝试常常包括缺乏耐久性和随时间退化的疏水处理。相比之下，ePTFE微过滤器(如美国专利申请2008/0105629A1所述)可足够地除去乳化水，但发现存在微粒时很快会堵塞，由此减少或消除液体透过过滤器传输，使过滤器变得不可工作。相比之下，US6764598和US7285209所述的ePTFE在防止堵塞时也不总是有效的，且涉及需要再循环的复杂设备来提供透过复合材料表面的吹扫流来延迟堵塞。因此，已提出的使用ePTFE的解决方案都有涉及堵塞的问题，且实际应用有限。

显著的是，关于从燃料过滤水滴的许多现有技术涉及使用“聚结器”。聚结器运行时，通过允许精细水滴穿过聚结器的材料，并鼓励这些精细液体相互合并、或聚结，来从燃料中除去水。水由此形成粗颗粒或液滴，它们随后变得足够重，例如可通过重力从燃料中掉出。允许水流过材料并鼓励精细-到-粗粒度发展来从燃料除去水的这种方法的教导，与本发明相反。根据本发明的教导，在精细分离层的表面同时阻止精细和粗水滴，而不是允许它们穿过表面。

发明概述

申请人发现当以粗-到-精细行进方向把颗粒和液滴从物流中滤出时，可有效地和耐久地从燃料流中除去水和微粒。即，当从燃料流中滤出粗微粒物质，把这种相对不含微粒的流提供到水分离器时，分离过程显著和令人惊讶地更有效和耐久。本发明的水分离器阻挡甚至非常精细水滴的流动，防止它们在燃料流中的流动中持续，不使它们穿过介质以及不把它们聚结成粗颗粒。