CH683263A5

CH683263A5 - Offenporiger dimensionsstabiler Körper.

Info

Publication number: CH683263A5
Application number: CH569/92A
Authority: CH
Inventors: Erich Wintermantel
Original assignee: Weidmann H Ag
Priority date: 1992-02-25
Filing date: 1992-02-25
Publication date: 1994-02-15
Also published as: DE4304085A1; ITTO930106A0; FR2687587A1; IT1260595B; ITTO930106A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen offenporigen Körper insbesondere zum Filtern von flüssigen oder gasförmigen Stoffen, als Katalysatorträger, als Speichermedium beispielsweise für Flüssigkeiten, als Isolationsmaterial oder als Leichtbaustoff.

Ein allgemein bekannter Filterkörper ist aus Fasern aufgebaut und wird für Individuai- oder Klimafilter verwendet. Ebenfalls werden offenporige Schaumstoffe zum Herstellen von Filtern verwendet. Die Absorbtionscharakteristiken der Faserstrukturen und der bekannten Schaumstoffe bringen es mit sich, dass die Faseroberflächen sich vergleichsweise schnell mit Partikeln schadstoffbelasteter Luft beladen. Hierbei werden zwischen den Fasern Partikelbrücken ausgebildet und der Durchströmungswiderstand steigt sehr schnell an. Dadurch wird ein Filterwechsel erforderlich, bevor die volle Beladung der gesamten Filtermembran mit Partikeln erreicht ist. Dasselbe gilt für offenporige Schaumstoffe, bei denen die zipfligen Poren sehr schnell mit Partikeln verstopft werden. Filter mit einer Filtermatrix aus Fasern oder offenporigen geschäumten Kunststoffen müssen deshalb als unwirtschaftlich bezeichnet werden.

Der Erfindung kann die Aufgabe vorangestellt werden, einen Körper der genannten Art zu schaffen, der bei weniger schnellem Anstieg des Durchströmungswiderstandes gleichzeitig eine höhere Speicherfähigkeit besitzt. Die Aufgabe ist durch die Erfindung gemäss Anspruch 1 gelöst.

Beim erfindungsgemässen Körper wird durch eine Offenporosität mit konkaven Poren eine Absiedlung der Partikel in der Tiefe der Poren erreicht. Der zentrale Verbindungsraum zwischen den Poren bleibt lange Zeit offen und wird erst verlegt, wenn alle Poren maximal mit Partikeln beladen sind. Es hat sich gezeigt, dass ein konkav poröser Körper einen geringeren Durchströmungswiderstand bei gleichzeitig höherer Absorptionsrate von Partikeln als eine Filtermatrix aus Fasern oder geschäumtem Kunststoff besitzt. Bei einem Filter mit konkaven Poren ist verglichen mit den bekannten Filtern eine optimalere OberflächenA/olumenrelation der absorbierenden Poren erreichbar. Es hat sich gezeigt, dass ein Porenvolumen von etwa 80% oder grösser des Gesamtvolumens bei gleichzeitig hinreichender Volumenstabilität des Körpers erreichbar sind. Für die Herstellung eines solchen Körpers wird entsprechend weniger Ausgangsmaterial benötigt, was die Herstellung und die Entsorgung vereinfacht und kostengünstiger macht.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Körper konkave Hohlräume oder Poren mit einer Weite von 20-60 n (Mikrometer) und zwischen diesen Durchgängen mit einer Weite von 10-50 n auf. In den konkaven Hohlräumen kann beispielsweise durchströmende Luft verwirbeln und die zu filternden Partikel können auf den Wandungen und in der Tiefe der Hohlräume deponiert werden. Bei hohem Porenvolumen ist jeder konkave Hohlraum gleichzeitig mit mehreren benachbarten Hohlräumen über kurze Durchgänge verbunden. Da somit sehr viele Durchgänge vorhanden sind, ist der Durchströmungswiderstand auch dann vergleichsweise klein, wenn ein Teil dieser Durchgänge mit Partikeln verstopft ist. Bei aneinander angrenzenden Hohlräumen sind die Durchgänge wesentlich breiter als lang. Der zu filternde flüssige oder gasförmige Stoff kann deshalb ohne grossen Widerstand von einem Hohlraum zum anderen gelangen. Bei gasförmigen Stoffen führt die oben genannte Verwirbelung dennoch zu einer sehr schnellen Absiedelung der Partikel auf den Wandungen und in der Tiefe der Poren bzw. Hohlräume. Bei vergleichsweise kleinem Durchströmungswiderstand und hoher Speicherfähigkeit ist der erfindungsgemässe Körper dennoch äusserst wirksam.

Ist der Körper zudem gemäss einer Weiterbildung der Erfindung aus einem biologisch abbaubaren Kunststoff hergestellt, so erlaubt dies die Freisetzung der filtrierten Partikel ohne wesentlichen Aufwand technischer Energie. Eine bisher übliche Verbrennung der zu entsorgenden Filter kann damit vermieden werden. Eine beladene Filtermembran kann beispielsweise in einer natürlichen Umwelt hy-drolisiert und die Partikel freigesetzt werden. Die freigesetzten Partikel können separiert und durch chemische oder physikalische Verfahren wieder gewonnen oder kompaktiert werden. Der partikelbela-dene Körper kann beispielsweise in ein Wasserbek-ken gegeben werden, wo nach der Hydrolyse der Filtermatrix durch Sedimentation verschieden schwere Teilchen separiert und gewonnen werden können. Die filtrierten Partikel können dadurch ohne technischen Energieaufwand durch Autoseparation freigegeben werden.

Ein geeigneter Ausgangsstoff zur Herstellung eines erfindungsgemässen Körpers besteht aus einem weitgehend homogenen Gemisch aus insbesondere Salzkristallen etwa gleicher Grösse und einer degradablen Matrix. Es hat sich gezeigt, dass ein solcher Ausgangsstoff sehr einfach beispielsweise durch Spritzgiessen, Pressen oder Extrudieren sehr gut verarbeitbar und in die geeignete Form bringbar ist. Um aus dem geformten Ausgangsstoff einen erfindungsgemässen Körper herzustellen, ist es dann lediglich erforderlich, die Kristalle herauszulösen, vorzugsweise sind dazu die Kristalle wasserlöslich. Die Kristalle können Salzkristalie sein, beispielsweise aus Natriumchlorid oder Kaliumchlorid. Sie können jedoch auch aus Glukose bestehen.

Nach einem geeigneten Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Körpers bzw. des Ausgangsstoffes, werden die Kristalle mit einer vorzugsweise degradablen Matrix gemischt und das Gemisch aus Kristallen und Matrix wird geformt und schliesslich werden die Kristalle ausgewaschen. Die degradable Matrix kann beispielsweise ein Beta-Poly-Hydroxybutyrat sein.

Es können auch Salzkristalle in die Lösung des Polymers gemischt und das Lösemittel verdampft werden. Durch die Wahl grösserer oder kleinerer Salzkristalle lässt sich die Porengrösse verändern und die Absorptionscharakteristik auf die zu filtrierenden Partikel einstellen.

Vorteilhaft ist auch die Möglichkeit, aus dem Körper zugleich Filterträger und Befestigungsteile in einem oder mehreren Arbeitsgängen herzustellen, um

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damit verschiedene bestehende Filtergehäuse zu bestücken. Solche Filtergehäuse sind beispielsweise in der Kraftfahrzeugindustrie bereits üblich.

Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnitt durch einen Teil einer bekannten Filtermatrix,

Fig. 2 ein Schnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Körpers in stark vergrössertem Massstab,

Fig. 3 ein Schnitt durch einen Teil eines mit Partikel beladenen Körpers, im Massstab gemäss Fig. 2, und

Fig. 4 ein Schnitt durch einen Teil eines Ausgangsstoffes zur Herstellung des erfindungsgemässen Körpers.

Die Fig. 1 zeigt eine Filtermatrix 1 aus einem Schaumstoff 2 mit zipfligen Poren 3, die untereinander verbunden sind. Die Poren 3 führen auch nach aussen, so dass die Filtermatrix 1 offenporig ist. Die Verbindungen der Poren 3 nach aussen und im Innern der Matrix 1 sind überwiegend gemischt schmal und röhrenförmig und in geringem Mass blasenförmig.

Die Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Filtermatrix 4, die mit einem Volumenanteil von vorzugsweise grösser als 80% konkave Poren 7 aufweist, die über kurze Durchgänge 6 untereinander und mit der Aussenseite der Matrix 4 verbunden sind. Jede etwa kugelförmige Pore 7 ist im Durchschnitt mit mehreren benachbarten Poren 7 verbunden. Die Weite A der Durchgänge 6 beträgt vorzugsweise etwa 10-50 p. und die Weite B der Poren 7 beträgt im Durchschnitt vorzugsweise etwa 20-60 (i. Die Länge der Durchgänge 6 ist sehr gering, vorzugsweise um ein Mehrfaches geringer als ihre Weite A. Diese Porenweite und Porenform sind durch die Wahl geeigneter Salzkristalle mit einfachen Mitteln bestimmbar. Die Salzkristalle sind vorzugsweise gemahlen und entsprechend der gewünschten Korn-grösse gesiebt.

Die Weite B ist so gewählt, dass hindurchtretende Luft in den Poren 7 verwirbeln kann und, wie in Fig. 3 gezeigt, in diesen Poren 7 Partikel 8 absiedeln können. Die Partikel 8 sind beispielsweise Kohlepartikel die in entsprechend belasteter Umgebungsluft vorkommen.

Wie die Fig. 3 deutlich zeigt, sind auch bei einer mit Partikeln 8 beladenen Filtermatrix 5 zahlreiche Durchgänge 6 offen, die ein Durchströmen von flüssigen oder gasförmigen Stoffen erlaubt. Die Fiiter-matrix 4 besteht vorzugsweise aus einem biode-gradablen Kunststoff 5. Besonders geeignet ist hierfür ein Beta-Poly-Hydroxybutyrat oder der unter der Bezeichnung «Biopol» von der Firma ICI hergestellte Kunststoff. Diese Kunststoffe können in einer natürlichen Umwelt bakteriell oder/und durch Hydrolyse abgebaut werden. Dies kann in einem Wasserbecken oder dem Fäkalbecken einer Kläranlage stattfinden. Die freigesetzten Partikel 8 können durch chemische oder physikalische Trennverfahren wieder gewonnen oder kompaktiert werden. Entsprechend ihrer vom Wasser verschiedenen Dichte setzen sich die Partikel am Boden ab, schwimmen an der Oberfläche oder bleiben in der Schwebe.

Durch geeignete Wahl des Kunststoffes 5, beispielsweise indem dieser mehr oder weniger mit Valerat copolymerisiert wird, kann die Degradationsrate und damit die Freisetzungsrate der Partikel eingestellt werden. Damit ist eine Filtermatrix 4 herstellbar, die sich allein durch Einwirkung von Luftfeuchtigkeit zersetzt oder die eine besondere mikro-bielle Umgebung zum Abbau benötigt. Die Degradationsrate richtet sich nach der vorgesehenen Verwendung.

Anhand der Fig. 4 werden nachfolgend geeignete Herstellungsverfahren beschrieben.

Nach einem ersten Verfahren werden Salzkristalle von durchschnittlich etwa 45 h Durchmesser mit einem Biopol-Granulat gemischt. Die Salzkristalle bestehen beispielsweise aus Natriumchlorid oder Kaliumchlorid. Der Gewichtsanteil der Salzkristalle beträgt vorzugsweise mehr als 80%. Das weitgehend homogene Gemisch wird anschliessend geformt, beispielsweise gepresst. Hierauf werden die Salzkristalle mit Wasser herausgewaschen, was bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur erfolgen kann. Gegebenenfalls wird die Filtermatrix 4 getrocknet.

Nach einem weiteren Verfahren werden die Salzkristalle vor dem Mischen mit einem Lösemittel, vorzugsweise mit Dichloromethan benetzt oder mit einem gleitfähigen Kunststoff beschichtet. Nach dem Mischen mit dem Biopol-Granulat wird das homogene Gemisch ebenfalls geformt und anschliessend werden die Salzkristalle ausgewaschen.

Nach einem weiteren Verfahren werden die Salzkristalle in eine Schmelze aus beispielsweise Bio-poi-Kunststoff eingerührt. Anschliessend wird die Schmelze geformt und abgekühlt und die Salzkristalle ausgewaschen.

Nach einem weiteren Verfahren werden die Salzkristalle in eine Lösung des Polymers, das in einem organischen Lösemittel gelöst ist, gemischt und das Lösemittel durch Temperaturerhöhung oder durch Druckerniedrigung abgedampft. Mit diesem Verfahren wird eine besonders homogene Verteilung der Salzkristalle im Polymer erreicht.

Die erwähnten Herstellungsverfahren erlauben einen weitgehend geschlossenen Verfahrenskreislauf. Dazu wird die nach dem Auswaschen erhaltene Salzlauge erhitzt, das abgedampfte Wasser wird kondensiert und das rekristallisierte Salz wird erneut gemahlen. Das gemahlene Salz wird dann wieder einem Biopol-Granulat beigemischt. Das abgedampfte Wasser kann zum Auswaschen von Salzkristallen ebenfalls wieder verwendet werden.

Ein zur Herstellung der Filtermatrix 4 geeigneter Kunststoff ist vorzugsweise thermoplastisch. Dazu eignen sich vorzugsweise Zelluloseverbindungen, Zelluloseacetate, Milchsäureverbindungen, Buttersäureverbindungen und Glykolsäureverbindungen.

Die Fig. 4 zeigt deutlich die dichte Anordnung der in der Matrix 4 eingebetteten Kristalle 10, die den Ausgangsstoff 9 bilden. Die Berührungsstellen

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11 der Kristalle 10 bilden nach dem Auswaschen der Kristalle die in Fig. 2 gezeigten Durchgänge 6. Die Weite und Form der Poren bzw. Hohlräume 7 der Filtermatrix 4 sind selbstverständlich durch die Form und Grösse der Kristalle 10 bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass auch bei sehr hohen Anteilen an Kristallen 10, beispielsweise bis zu einem Gewichtsanteil von etwa 95%, die Filtermatrix 4 dimensionsstabil ist.

Der in Fig. 4 gezeigte Ausgangsstoff 9 kann auf verschiedene Weise verarbeitet und in die geeignete Form gebracht werden. Beispielsweise kann der Ausgangsstoff 9 durch Spritzgiessen, Walzengies-sen, Kaltpressen und dergleichen verarbeitet werden. Die geeignete Form kann auch durch Extrudieren, Kalt- oder Heisspressen erhalten werden. Die Filtermatrix 4 kann beispielsweise die Form einer Folie aufweisen.

Bei der Formgebung des Ausgangsmaterials 9 können mit der wirksamen Filtermatrix 4 gleichzeitig auch Filterträger oder Befestigungsteile angeformt werden. Die Filtermatrix 4 bildet dann bereichsweise beispielsweise einen Rahmen eines Filters. Ebenfalls können beispielsweise Laschen oder ähnliche Befestigungsteile angeformt werden. Ein solcher Filter eignet sich besonders für die Filterung von Zuluft in Kraftfahrzeugkabinen.

Zur Verbesserung der Dimensionsstabilität können dem Körper 4 hier nicht gezeigte Fasern beigemischt sein. Diese Fasern sind vorzugsweise ebenfalls degradabel und beispielsweise aus Milchoder Buttersäurepolymeren hergestellt. Denkbar sind aber auch Kohlenstoff-, Glas-, Aramidfasern oder andere gerichtete Verstärkungselemente. Der Anteil der Fasern richtet sich nach der Anwendung des Körpers und insbesondere der zu tragenden Last.

Der erfindungsgemässe Körper eignet sich auch als Gegenstand, bei dem die Leichtbauweise wesentlich ist, beispielsweise als Geschirr, Besteck, Verpackungsmaterial, Schallisolationsmaterial, als Haushaltartikel oder als Nahrungsmittelträger oder als Behältnis. Bei einem Nahrungsmittel- und Medikamententräger ist es zudem möglich, das Nahrungsmittel bzw. Medikament infolge der Offenporig-keit dosiert abzugeben.

Claims

Patentansprüche

1. Offenporiger dimensionsstabiler Körper insbesondere für Filter zum Filtern von flüssigen oder gasförmigen Stoffen, als Katalysatorträger, als Speichermedium beispielsweise für Flüssigkeiten, als Isolationsmaterial oder als Leichtbaustoff, dadurch gekennzeichnet, dass er konkavporös ist.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er konkave Hohlräume (7) mit einer Weite (B) von 20-60 p und Durchgänge zwischen den Hohlräumen mit einer Weite (A) von 10-50 p aufweist.

3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Porenvolumen wenigstens etwa 80% des Gesamtvolumens beträgt.

4. Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem abbaubaren und insbesondere biologisch oder hydrolytisch abbaubaren Kunststoff besteht.

5. Körper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mikrobiell abbaubar ist.

6. Ausgangsstoff zur Herstellung eines Körpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er ein im wesentlichen homogenes Gemisch aus Kristallen gleicher Grösse und einer Matrix aus Kunststoff ist.

7. Ausgangsstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle gut wasserlösliche Salzkristalle sind.

8. Ausgangsstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle aus Natriumchlorid oder Kaliumchlorid oder Glukose bestehen.

9. Verfahren zur Herstellung eines Körpers nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Kristalle mit einem Aussendurchmesser von durchschnittlich etwa 20-60 p werden mit einem

Kunststoff gemischt,

b) das Gemisch wird extrudiert, gepresst, gewalzt oder durch Spritzgiessen in eine vorbestimmte

Form gebracht,

c) die Kristalle werden ausgewaschen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle und der Kunststoff als Pulver oder Granulat mechanisch vermischt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle in eine Schmelze eingerührt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle vor dem Mischen mit einem Lösemittel benetzt, oder mit einem gleitfähigen Kunststoff beschichtet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristalle einer Lösung des degradablen Kunststoffs, welcher mit einem Lösemittel gelöst ist, beigemischt und nach dem Mischen das Lösemittel entfernt, beispielsweise abgedampft wird.

14. Filter aus einem Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Körper Filterträger oder Befestigungsteile angeformt sind und diese Träger bzw. Teile aus dem gleichen Material wie der Filterteil bestehen.

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