結合小顆粒熱塑性粘合劑的塊狀產品以及其制造方法
【專利說明】結合小顆粒熱塑性粘合劑的塊狀產品以及其制造方法 領域
[0001] 本文中的實施例總體上涉及塊狀產品，并且更具體而言涉及使用小顆粒熱塑性粘 合劑形成的塊狀產品，例如活性碳塊，并且涉及其形成方法。 引g
[0002] 碳塊是具有許多不同的商業用途的過濾介質，包括在消費性和工業性濾水池的生 產中。某些碳塊產品是包括活性碳、至少一種粘合劑、以及任選地其他添加劑的復合物，這 些物質壓縮并且熔合成總體上連貫的多孔結構。
[0003] 在某些情況下，碳塊過濾器產品可以成型為具有從中穿過的空心孔（也可以是圓 形的）的直圓柱體以形成管。在某些應用中，水或其他流體的流體總體上能夠以徑向方向 被引導穿過該管的壁（向外亦或向內）。流體穿過這種多孔的碳塊過濾器產品可以產生在 該流體中一種或多種顆粒和化學污染物的減少。
[0004] 碳塊可以通過將活性碳粉末和粉末聚乙烯塑料粘合劑通過壓縮轉移模制、擠出或 某些其他方法轉化成固體多孔的整體結構而形成。在此種情況下，將活性碳粉末和粉末聚 乙烯塑料粘合劑的混合物壓縮、加熱并且然后冷卻以使得該聚乙烯顆粒將該混合物熔合成 不飽和的碳整體結構。在此種不飽和結構中，該粘合劑不會完全填充或浸透到該碳塊的孔 中，并且因此保留了開孔。
[0005] 碳塊的這些開孔有助于流體流動穿過該碳塊。以此方式，該碳塊可以通過攔截在 該流體內的微粒污染物而對穿過它的流體流進行過濾。這可以通過由碳塊直接攔截微粒污 染物或者通過將微粒污染物吸附到碳塊的表面上而進行。
[0006] 該碳塊還可以例如通過參與該碳塊的活性碳表面上的化學反應，通過吸附，或通 過進行與活性碳上的帶電荷或極性的位點的離子交換作用而攔截化學污染物。
[0007] 傳統地，已經使用聚烯烴聚合物粘合劑，例如聚乙烯來生產碳塊結構。例如，某些 碳塊結構已經使用超高分子量聚乙烯（"UHMWPE"）粘合劑，或低密度聚乙烯（"LDPE"）粘 合劑生產。已經使用聚（乙烯乙酸乙酯）（P(EVA)) "）粘合劑生產其他碳塊結構。然而， 使用這些聚合物粘合劑形成的碳塊結構易于經受不良的工作溫度、不良的化學耐受性以及 低強度的影響，并且可能是較昂貴的。 附圖簡要說明
[0008] 附帶于此的附圖是用于展示本披露內容的不同系統、裝置和方法的不同實例并且 并非旨在以任何方式限制所傳授的內容的范圍。在附圖中：
[0009] 圖1是根據一個實施例的碳塊過濾器的示意圖；并且
[0010] 圖2是根據一個實施例用于形成碳塊的方法的流程圖。 不同實施方案說明
[0011] 在此處一個或多個實施例可以是針對碳塊，該碳塊包含聚合物粘合劑，該聚合物 粘合劑被選擇為給予該碳塊結構一種或多種改進的物理特性以及改進的化學特性。此類實 施例還可以允許在工業應用中使用碳塊，在這些應用中可能遇到溶劑、升高的溫度以及提 高的壓力。
[0012] 某些實施例可以包含聚合物，該聚合物可以直接合成為聚合物粉末而無需物理研 磨和磨蝕（這可能是極其昂貴的）。此種聚合物粉末可以比通過常規研磨（并且甚至通過 低溫研磨）典型地可能的那些遠遠更小。
[0013] 在某些實施方案中，該聚合物粉末是熱塑性塑料，該熱塑性塑料具有至少中等的 熔體流動指數，以及小于20微米、小于15微米、小于12微米、小于10微米、或甚至約5微 米（或更小）的平均顆粒尺寸。平均顆粒尺寸是在一種聚合物懸浮液中使用Mastersizei^ 3000(來自馬爾文公司（Malvern))激光顆粒尺寸分析儀測量的。優選的熱塑性聚合物包括 但不限于：聚（偏二氟乙烯）粘合劑、尼龍-11和尼龍-12或其他具有此種小顆粒尺寸的奇 數聚酰胺。
[0014] 根據某些實施例，碳塊可以包括支持活性碳顆粒網絡的聚（偏二氟乙烯） ("PVDF"）粘合劑，例如Kynar?氟聚合物樹脂。如在此使用的，術語聚（偏二氟乙烯）粘合 劑和PVDF粘合劑應理解為是指包含以下項中的一種或多種的粘合劑：聚（偏二氟乙烯）、 與聚（偏二氟乙烯）相關的聚合物、以及包含至少70重量百分比的偏二氟乙烯單元的共聚 物。
[0015] 不像基于聚乙烯的粘合劑，PVDF粘合劑總體而言是耐受廣泛范圍的溶劑的，并且 可以在高于120攝氏度的溫度下安全地使用。此外，PVDF粘合劑能夠以非常小的平均顆粒 尺寸獲得，包括小于20微米的顆粒尺寸。在某些情況下，PVDF粘合劑能以小于10微米的 尺寸可得，并且在某些情況下甚至以約5微米（或更小）的尺寸可得。
[0016] 在某些應用（例如高壓過濾）中，碳塊應該具有高壓縮強度以經受在過濾過程中 產生的力。
[0017] 為了滿足這種要求，傳統的碳塊產品通常包含顯著濃度的聚合型黏合劑。例如，使 用LDPE粘合劑制造的碳塊典型地包括大于16% (按重量計）的粘合劑，而使用UHMffPE粘 合劑制造的碳塊典型地包含大于25% (按重量計）的粘合劑。
[0018] 相比之下，本發明人已經出人意料地發現了使用某些PVDF粘合劑制造的碳塊能 夠借助僅3 %至14 %，優選地12 %或更小，優選地10 %或更小，并且優選地5 %至8 %的粘 合劑（按重量計）具有高壓縮強度。
[0019] 因此與傳統的技術相比可以使用（按重量計）顯著更少的PVDF粘合劑（在某些 情況下少了 2-5倍的粘合劑）。這種減小的粘合劑量可以抵消某些通常與PVDF粘合劑相關 的更高的成本的至少一部分（例如，與聚乙烯粘合劑的成本相比）。
[0020] 此外，制造高壓縮強度碳塊要求的PVDF粘合劑的體積量可以甚至更小（如與所要 求的聚乙烯粘合劑的體積相比），因為PVDF的絕對密度（約1. 78克/立方厘米）是LDPE (約 0. 91至0. 94克/立方厘米）和UffMffPE (0. 93至0. 97克/立方厘米）的絕對密度的幾乎兩 倍。因此，與聚乙烯粘合劑相比，高壓縮強度的炭塊可以要求少4至10倍（按體積計）的 PVDF粘合劑。
[0021] 碳塊中的粘合劑的相對體積有助于許多性能特征，包括：孔隙率、滲透性、碳表面 積垢、以及碳塊內部活性碳的量。這些特征中每一種總體上隨著粘合劑相對體積的減少而 改進。因此，使用所要求的小體積PVDF粘合劑制造的碳塊可以顯示出以下項中的至少一 項： (i) 基本上開放的并且不含粘合劑的孔，從而產生優異的孔隙率和滲透性； (ii) 在加工過程中由熔融聚合物引起的碳表面積垢的減少；以及（iii)被粘合劑替換 的活性炭減少，從而產生在碳塊內增加的活性碳量。
[0022] 相對應地，使用PVDF粘合劑制造的碳塊可以具有超過使用常規（例如聚乙烯）粘 合劑制造的碳塊的優異的過濾性能。這種改進的孔隙率和滲透性可以提供更多的用于流體 穿過碳塊的通道。更多的通道，結合降低的碳表面積垢以及增加的活性碳的量可以導致對 穿過該碳塊的流體中的污染物的用于攔截、吸附以及化學反應的更多位點。
[0023] 使用PVDF粘合劑制造的碳塊的性能還可以允許更小（例如，更薄）的碳塊與使用 常規的粘合劑制造的更大的常規碳塊相比表現地一樣好。此種更小的碳塊可以提供另外的 成本節省，因為它可以要求更少的活性碳即可生產。更小的碳塊還可以是更希望的，因為它 可以重量更小并且可以在安裝時占據更小的空間。
[0024] 在某些實施方案中，使用適當等級的PVDF粘合劑可以使用高速擠出機，或通過使 用壓縮模制技術生產碳塊產品。制造碳塊總體上涉及將粘合劑（以粉末形式）與活性碳粉 末混合。通常將這兩種粉末充分混合以生產基本上均勻的混合物。然后將這些混合的粉末 例如使用壓縮轉移模制或擠出而熔合到一起。
[0025] 總體而言，與具有更大平均顆粒尺寸的混合物相比，具有更小平均顆粒尺寸的粉 末的混合物可以產生更均勻的混合物。例如，大顆粒的充分混合的混合物通常是比細小顆 粒的類似混合的混合物較不均勻的。即，大顆粒的混合物的小尺寸的樣品更可能包含與該 混合物作為整體的組成顯著不同的組成。
[0026] 此外，在隨著充分混合的混合物中粉末的相對體積的減小，該混合物的均質性也 可能減小，除非這一種粉末的平均顆粒尺寸減小。為了說明這一點，考慮了三種標記為A、B 和C的示例性混合物的均質性： 表1 :示例性混合物的均質性
[0027] 在混合物A、B和C每一個中，保持粉末2顆粒的體積、平均顆粒尺寸和量不變。與 混合物A相比，混合物B包含小500倍體積的粉末1顆粒（因為僅僅存在兩個顆粒，而不是 1000)。結果，充分混合的混合物B的均質性將比充分混合的混合物A的均質性更小。即， 與混合物A相比，混合物B的小尺寸的樣品遠更可能包含與該混合物作為整體的組成顯著 不同的組成。
[0028] 相比之下，混合物C包含與混合物B中相同體積的粉末1，但是這些顆粒小1000倍 并且因此在數目上大了 1000倍。結果，充分混合的混合物C的均質性將比充分混合的混合 物B的均質性遠遠更大。即，與混合物C相比，混合物B的小尺寸的樣品遠更可能包含與該 混合物作為整體的組成顯著不同的組成。
[0029] 這個實例說明了由減小混合物中粉末的平均體積產生的均質性的損失可以通過 減小那種粉末的平均顆粒尺寸補償。
[0030] 如以上討論的，包含PVDF粘合劑的碳塊可以包含與常規的粘合劑（例如UHMffPE 或LDPE粘合劑）相比按體積計少4至10倍的粘合劑。因此，為了有助于均勻的混合物，與 常規的粘合劑的顆粒尺寸相比，可以為粉末PVDF粘合劑提供更小的平均顆粒尺寸（即，小 4至10倍的尺寸）。
[0031 ] 常規的粘合劑（例如UHMffPE或LDPE粘合劑）通常可以通過研磨或磨蝕制造為粉 末，從而產生較粗糙的粉末。相比之下，粉末PVDF粘合劑的平均顆粒直徑可以小于20微米， 小于10微米，或甚至約5微米（或更小）。
[0032] 此種小顆粒尺寸不可以通過常規技術，例如研磨或磨蝕或甚至低溫研磨很容易地 實現。因此，在某些情況下，粉末PVDF粘合劑可以直接合成而無需物理研磨和磨蝕。
[0033] 通過直接合成，粉末PVDF粘合劑通常以精細和超細粉末可得。直接合成的粉末 PVDF粘合劑還作為超純粉末可得，通常基本上不含有毒的可提取的污染物。
[0034] 直接合成可能是昂貴的并且可能促進了小尺寸的粉末PVDF粘合劑的高成本。所 幸是，因為根據此處的傳授內容碳塊能夠以非常少量的PVDF粘合劑制造，這種更高的成本 可以不是太成問題的。
[0035] 現在轉向圖1，其中展示了根據一個實施例的碳塊過濾器10的示意圖。在這個實 施例中，碳塊過濾器10成型為直圓柱體12,具有總體上從中穿過的空心孔14。在這個實施 例中，該空心孔14是圓形的，使得該圓柱形成了管。應理解的是在某些實施例中碳塊過濾 器12可以具有其他合適的形狀。
[0036] 在某些應用（例如過濾應用）中，水或其他的流體總體上能夠以徑向方向被引導 穿過該圓柱12的壁