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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Staubfilterbeutel mit einer Schaumstofflage,
sowie dessen Herstellung.
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Stand der
Technik
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Die
Anforderungen, die an die Filtereigenschaften von Staubfilterbeuteln
gestellt werden, sind vielfältig und
zum Teil auch gegenläufig.
Hier ist zunächst
ein hoher Abscheidegrad für
Stäube
mit unterschiedlichsten Partikelgrößen, einschließlich Feinstäuben zu
nennen. Insbesondere im Hinblick auf die zunehmende Zahl von Allergikern
wird für
moderne Staubfilterbeutel verlangt, dass sie auch feinste Stäube mit
einer Partikelgröße deutlich
unter 1 μm
zurückhalten
können.
Hier lassen sich beispielsweise Milbenkotstaub und Tabakstaub nennen.
Daneben wird ein geringer Luftwiderstand gefordert, um eine hohe
Saugleistung des Geräts,
beispielsweise des Staubsaugers, in den der Staubfilterbeutel eingebaut
ist, zu erreichen. Von herausragender Bedeutung für den Bedienungskomfort
ist darüber
hinaus, die Standzeit der Staubfilterbeutel zu erhöhen. Damit
soll sicher gestellt werden, dass eine hohe Saugleistung ohne Verstopfungsneigung über einen
möglichst
langen Zeitraum aufrecht erhalten wird, so dass der Beutel selten
gewechselt werden muss. Der Wechsel des Staubfilterbeutels wird
vom Benutzer üblicherweise
als unhygienisch empfunden und folglich besteht Bedarf, die Häufigkeit
des Wechsels so weit wie möglich
zu erniedrigen. Sollte es doch einmal zur Verstopfung kommen, muss schließlich die
mechanische Stabilität
des Staubfilterbeutels derart hoch sein, dass der Beutel nicht platzt oder
aufreißt.
Im Stand der Technik sind bereits Staubfilterbeutel beschrieben,
mit denen sich ein hoher Abscheidegrad für Stäube erzielen lässt.
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So
beschreibt die EP-B-0 338 479 einen Staubfilterbeutel mit einem
Feinfaservlies, das auf der Anströmseite einer Filterpapieraußenlage
angeordnet ist. Bei dem Feinfaservlies kann es sich um ein Meltblown-Vlies
handeln. Ferner kann das Feinfaservlies der EP-B-0 338 479 durch
ein Stützelement,
beispielsweise ein poröses
Vlies aus Zellstoff, Synthesefasern oder Mischungen davon, verstärkt sein.
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Die
DE 199 19 809 beschreibt
Staubfilterbeutel, die eine Nanofaservlieslage mit einem durchschnittlichen
Durchmesser der Fasern von 10 bis 1.000 nm enthalten. Diese Staubfilterbeutel
umfassen mindestens eine Trägermateriallage,
beispielsweise aus Filterpapier oder einem Spinnvlies. Diese Staubfilterbeutel
mit Nanofaservlieslage können
ferner ein Stützelement
enthalten. Dabei kann es sich um ein Vlies, insbesondere ein trockengelegtes
Vlies, ein nassgelegtes Vlies, ein Spinnvlies oder ein Meltblown-Vlies
handeln.
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Die
EP-A-0 375 234 betrifft Wegwerffiltermaterial, insbesondere für Staubsauger,
das eine Verbundstruktur aus einer porösen Schicht eines Non-Wovens
mit einer Luftdurchlässigkeit
von 300 m3/min/m2 und
einer Schicht aus elektrethaltigen Mikrofasern, bei denen es sich
um Meltblown-Mikrofasern
handeln kann, umfasst.
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Auch
die
US 4,589,894 betrifft
Wegwerffilter für
Staubsauger, in denen eine erste äußere Trägerschicht, eine innere Filterschicht
und eine zweite äußere Trägerschicht
nebeneinander angeordnet sind. Die innere Filterschicht ist eine
Mikrofaserschicht, beispielsweise aus Meltblown-Fasern.
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Die
beiden Trägerschichten
bestehen aus hoch porösem
Gewebe aus synthetischen Fasern.
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Die
gegenüber
den zuvor beschriebenen Filteranordnungen des Standes der Technik
zu lösende
Aufgabe besteht darin, bezüglich
der Standzeit weiter verbesserte Staubfilterbeutel bereitzustellen,
so dass der Staubfilterbeutel beim Betrieb seltener gewechselt werden
muss.
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Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen Staubfilterbeutel
zur Verfügung
zu stellen, der nicht nur einen hohen Abscheidegrad für Staub
und einen geringen Luftwiderstand, sondern auch eine hohe Standzeit
besitzt, so dass eine hohe Gerätesaugleistung
auch bei zunehmender Beutelbefüllung
weitgehend erhalten bleibt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Staubfilterbeutel mit einer Schaumstofflage, die bei einer
Dicke von 0,5 bis 3 mm eine Luftdurchlässigkeit (DIN 53887) von 500
bis 10.000 l/m2s bei 2 mbar Druck und eine
Raumdichte von 15 bis 90 kg/m3 besitzt,
der abströmseitig
eine Filterlage nachgeschaltet ist. Bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Staubfilterbeutels
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Im
Gebiet der Staubsauger wurden Schaumstofflagen bisher in Filteranordnungen
eingesetzt (EP-B-1 239 760, DE-OS-1 453 089,
US 5,230,722 , WO 99/34722,
GB 2 246 717 A ,
WO 93/19659, DE-OS 26 01 037). Dort kommen generell dicke Schaumstofflagen
zum Einsatz. Derart dicke Schaumstofflagen wurden in Staubfilterbeuteln
bisher noch nicht verwendet, da bei der Beutelfertigung die Steifheit
des Schaums Probleme bereitete.
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Der
DE 199 35 355 A1 gemäß kann ein
offenporiger Schaumstoff, ggf. ein retikulierter Schaumstoff als Trägermaterial
für ein
Adsorptionsmaterial, wie Aktivkohle oder Zeolithe, in einem Staubfilterbeutel
zum Einsatz kommen. Das genannte Adsorptionsmaterial dient zur Adsorption
von Geruchsstoffen.
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Die
Erfinder haben gefunden, dass Schaumstofflagen aus einem flexiblen
Schaumstoff ausreichend biegsam sind, um daraus Beutel herzustellen.
Daher ist die Dicke der Schaumstofflage 0,5 bis 3 mm. Die Luftdurchlässigkeit
bei 2 mbar Druck liegt im Bereich von 500 bis 10.000 l/m2s und die Raumdichte der Schaumstofflage
ist 15 bis 90 kg/m3. Ferner zeigte sich überraschenderweise,
dass eine solche Schaumstofflage im Verbund mit der erfindungsgemäßen Filterlage
mit einem Abscheidegrad von mindestens 80 % die zuvor formulierte
Aufgabe lösen
kann.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Figur zeigt einen Graphen, in dem die Saugleistung eines Staubsaugers,
der mit erfindungsgemäßen Staubfilterbeuteln
und Staubfilterbeuteln des Standes der Technik ausgerüstet ist,
in Abhängigkeit
von der Menge des beaufschlagten Teststaubs gezeigt wird.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Die
in dieser Anmeldung genannten Werte der Dicke der Schaumstofflage
wurden mit Hilfe einer Schieblehre bestimmt. Zur Bestimmung der
Dicke der anderen Lagen kam das Messverfahren der DIN 53105 zum
Einsatz, bei dem mit einem Auflagendruck von 0,1 bar und einer Fläche von
2 cm2 gearbeitet wird. Bei der Dickenbestimmung
gemäß DIN 53105
wird folglich die untersuchte Lage komprimiert. Da diese Kompression bei
den erfindungsgemäßen Schaumstofflagen
beträchtlich
wäre und
somit die nach DIN 53105 erhaltenen Werte die tatsächliche
Dicke nicht direkt wiedergeben würden,
wurde die Dicke der Schaumstofflage mit Hilfe einer Schieblehre
bestimmt. Wenn die DIN 53105 in der vorliegenden Anmeldung zur Dickenbestimmung
verwendet wurde, ist dies ausdrücklich
angegeben. Die Luftdurchlässigkeit
der Lagen des erfindungsgemäßen Staubfilterbeutels
wurde gemäß DIN 53887,
die Raumdichte gemäß ISO 845,
das Flächengewicht
gemäß ISO 536
und der Bruchwiderstand gemäß DIN 53112
bestimmt, wenn nicht anders angegeben.
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Der
Abscheidegrad wurde nach DIN 44956-2 bestimmt.
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Die
Messmethodik nach DIN 44956-2 erlaubt eine Aussage über das
Gesamtrückhaltevermögen des Teststaubs
mit Partikeln von 0 bis 80 μm.
Die DIN 44956-2 beruht auf der gravimetrischen Erfassung des Gewichts
der Partikel. Aufgrund ihres geringen Gewichts gehen kleine Partikel
bei der Bestimmung des Abscheidegrads nach DIN 44956-2 nur untergeordnet
in das Messergebnis ein. Folglich sind zur Bestimmung des Abscheidegrades
für Feinstäube Messverfahren
besser geeignet, die mit dem Prinzip der Partikelzählung arbeiten.
Dabei werden auch Feinpartikel einzeln erfasst. Ein Hersteller von
Prüfapparaturen
zur Bestimmung des Abscheidegrads für Feinstäube auf Basis des Prinzips
der Partikelzählung
ist die Firma Palas.
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Im
Hinblick auf die Verarbeitbarkeit zum Beutel ist die Dicke der Schaumstofflage
vorzugsweise 0,8 bis 2 mm, ganz besonders bevorzugt zwischen 0,8
mm und 1,5 mm. Die Raumdichte des Schaums ist vorzugsweise 15 bis
50 kg/m3, besonders bevorzugt 20 bis 35
kg/m3. Die Wirkung der Schaumstofflage auf
die Verbesserung der Standzeit des Filters ist besonders gut bei
einer Luftdurchlässigkeit
der Schaumstofflage von 500 bis 5000 l/m2s,
insbesondere bei einer Luftdurchlässigkeit von 750 bis 3.000
l/m2s.
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Die
erfindungsgemäß verwendeten
Schaumstofflagen mit dem zuvor genannten Raumgewichten und Dicken
haben ein Flächengewicht
im Bereich von 7,5 bis 270 g/m2.
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Als
Material der Schaumstofflage kommt beispielsweise Polyether- oder
Polyesterschaum in Frage. Vorzugsweise handelt es sich um Polyether-Polyurethan
oder Polyester-Polyurethan. Die Raumdichte von Polyether-Polyurethan
liegt typischerweise zwischen 20 und 90 kg/m3,
diejenige von Polyester-Polyurethan zwischen 20 und 75 kg/m3.
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Vorzugsweise
weisen die als Schaumstofflage zum Einsatz kommenden Polyether-
oder Polyester-Polyurethane eine Poren- d.h. Blasengröße von 150 bis 900 μm und eine
Stegdicke von 50 bis 90 μm
auf.
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Die
Filterlage qualifiziert sich als eine solche aufgrund ihres Abscheidegrades
von mindestens 80 %. Vorzugsweise ist der Abscheidegrad mindestens
85 %, mehr bevorzugt mindestens 90 %, besonders bevorzugt mindestens
95 % und insbesondere 99 % und darüber.
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Die
Filterlage ist hinsichtlich ihres Materials nicht besonders beschränkt, solange
sie einen solchen Abscheidegrad besitzt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
ist die Filterlage jedoch ausgewählt
aus einer Meltblown-Lage, einer Nanofaservlieslage, einer Filterpapierlage,
einem Nadelfilz, einer Membran aus Polytetrafluorethylen (PTFE-Membran)
oder reibungselektrischen Filtermedien.
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Die
Meltblown-Lage kann aus einem thermoplastischen Material, vorzugsweise
aus Polyolefin, Polyamid, Polyester oder Copolymeren davon, aufgebaut
sein.
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Die
Meltblown-Lage besitzt vorzugsweise ein Flächengewicht von 10 bis 80 g/m2, besonders bevorzugt im Bereich von 25
bis 50 g/m2, insbesondere im Bereich von
30 bis 45 g/m2. Um eine gute Staubabscheidung,
insbesondere für
Feinstaub zu erzielen, ist es günstig,
wenn die Meltblown-Lage eine Dicke (DIN 53105) von 0,10 bis 4 mm,
vorzugsweise 0,18 bis 3 mm, aufweist. Um eine hohe Saugleistung
des Staubsauges gewährleisten
zu können,
besitzt die Meltblown-Lage vorzugsweise eine Luftdurchlässigkeit
(ISO 9237) von 100 bis 2.000 l/m2s, mehr
bevorzugt 200 bis 1500 l/m2s, besonders
bevorzugt von 250 bis 600 l/m2s bei 2 mbar Druck.
Besteht der Staubfilterbeutel nur aus Schaumstofflage und Filterlage, bzw.
umfasst der Staubfilterbeutel zusätzlich zu diesen beiden Lagen
weitere sehr poröse
Lagen, z. B. Vliesstoffe, wird der Fachmann vorteilhaft eine Luftdurchlässigkeit
der Meltblown-Lage im unteren Bereich der genannten Luftdurchlässigkeiten,
vorzugweise von 100 bis 500 l/m2s wählen. Der
Porendurchmesser der Meltblown-Lage beträgt vorzugsweise 15 bis 60 μm, besonders
bevorzugt 30 bis 40 μm
und der durchschnittliche Faserdurchmesser liegt vorzugsweise zwischen
0,5 und 18 μm,
besonders bevorzugt zwischen 1 und 3 μm. Aus Stabilitätsgründen ist
der Bruchwiderstand der Meltblown-Lage in der Längsrichtung 2 bis 12 N/15 mm
Streifenbreite und in der Querrichtung 1 bis 10 N/15 mm Streifenbreite.
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Der
Abscheidegrad der Meltblown-Lage liegt im allgemeinen im Bereich
von 80 bis über
etwa 99 %. Der Abscheidegrad der verwendeten Meltblown-Lagen liegt
nach dem Palas-Verfahren für
1 μm große Partikel zwischen
70 und 100 %. Diese Messwerte wurden unter den folgenden Messbedingungen
gefunden:
• Anströmgeschwindigkeit: | 25
cm/s |
• Staubbeladung: | 200
mg/m3 |
• Prüffläche: | 100
cm2 |
• Teststaub: | SAE
fine |
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Die
Meltblown-Lage ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit einer permanenten
elektrostatischen Ladung versehen, um eine noch bessere Staubabscheidung
von Feinpartikeln zu erreichen. Neben der rein mechanischen Filtration
wirkt hier zusätzliche
eine elektrische Filtration, bedingt durch eine elektrostatische
Anziehung von Filtermaterial und entgegengesetzt geladenen Staubteilchen.
Dabei tragen die Fasern des Vlieses vorzugsweise bipolare Ladungen.
Die elektrostatische Aufladung lässt
sich erreichen, indem man die Filtermaterialien bei der Vliesherstellung
einem elektrischen Feld aussetzt. Die dabei eingesetzten Verfahren sind
in der Literatur beschrieben, siehe z. B. Martin Davis, Electrostatic
Melt Spinning Process Delivers Unique Properties, Non-Wovens World,
September 1987, Seiten 51–54,
oder Troulihet, Y.; Moosmayer, P.; New Method of Manufacturing Non-Wovens
by Electrostatic Laying, vorgetragen auf Index 81 Kongress.
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Die
Meltblown-Lage kann mit einem Schmelzblasverfahren (z. B. Exxon-Verfahren)
hergestellt werden. Dabei wird das Fasermaterial geschmolzen, extrudiert,
beim Austritt aus der Extrudierdüse
mit heißer
Luft verwirbelt, auf eine Auffangstation geblasen, auf einem Sieb
abgelegt und schließlich
abgenommen. In Folge des Herstellungsverfahrens besteht die Meltblown-Lage
im allgemeinen aus langen, feinen Fasern mit einheitlichem Durchmesser.
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Die
Meltblown-Lage kann alternativ direkt auf der Schaumstofflage abgelegt
werden, sowie auf der Trägerlage,
die in einer bevorzugten Ausführungsform
des Staubfilterbeutels vorgesehen und weiter unten erläutert wird.
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Weitere
Details zu verwendbaren Meltblown-Lagen sind der bereits zitierten
EP-B-0 338 479 zu entnehmen.
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Die
Nanofaservlieslage weist vorzugsweise einen durchschnittlichen Faserdurchmesser
von 10 bis 1.000 nm, besonders bevorzugt von 50 bis 500 nm auf.
Ihr Flächengewicht
ist vorzugsweise 0,05 bis 5 g/m2, mehr bevorzugt
0,05 bis 2 g/m2, besonders bevorzugt 0,1
bis l g/m2. Die Luftdurchlässigkeit
ist vorzugsweise 500 bis 20.000 l/m2s, besonders
bevorzugt 2.000 bis 10.000 l/m2s.
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Der
verwendete Begriff "Nanofasern" macht deutlich,
dass die Fasern einen Durchmesser im Nanometerbereich, speziell
von 10 bis 1000 nm, vorzugsweise von 50 bis 500 nm haben.
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Die
erfindungsgemäß eingesetzten
Nanofaservliese bestehen herstellungsbedingt üblicherweise aus in Wasser
löslichen,
in einem organischen Lösungsmittel
löslichen
oder thermoplastischen Polymeren.
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Besonders
bevorzugt in Wasser lösliche
Polymere sind Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyethylenoxid
oder Copolymere davon, Cellulose, Methylcellulose, Propylcellulose,
Stärke
oder Mischungen hiervon.
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Besonders
bevorzugte in einem organischen Lösungsmittel lösliche Probleme
sind Polystyrol, Polycarbonat, Polyamid, Polyurethan, Polyacrylat,
Polymethacrylat, Polyvinylacetat, Polyvinylacetat, Polyvinylether,
Celluloseacetat oder Copolymere oder Mischungen davon.
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Besonders
bevorzugte thermoplastische Polymere sind Polyethylen, Polypropylen,
Polybuten-1, Polymethylpenten, Polychlortrifluoroethylen, Polyamid,
Polyester, Polycarbonat, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyphenylensulfid,
Polyacrylnitril, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyaryletherketon,
Polyvinylidenfluorid, Polyoxymethylen, Polyurethan oder Copolymere
oder Mischungen davon.
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Das
Nanofaservlies wird vorzugsweise erzeugt, indem ein thermoplastisches
Polymer in geschmolzenem Zustand oder ein in einem geeigneten Lösungsmittel
gelöstes
Polymer aus Düsen
in einem starken elektrischen Feld zu feinsten Fasern versponnen
wird und auf einer Unterlage, die über eine Gegenelektrode geführt wird,
in Form eines Flächengebildes
abgeschieden wird. Dieses Verfahren ist als Elektrospinning-Verfahren bekannt.
Der Faserdurchmesser kann durch die Prozessparameter, nämlich die
Viskosität
der Schmelze bei Thermoplasten bzw. Konzentration und Viskosität der Polymerlösung gesteuert
werden. Die Flächengewichte
des Nanofaservlieses werden zum einen durch den Massenfluss durch
die Düsen
und zum anderen durch die Geschwindigkeit, mit der die Unterlage
unter den Düsen
bewegt wird, bestimmt. Die Luftdurchlässigkeit des Nanofaservlieses
wird durch die Dicke der Fasern und deren Packungsdichte beeinflusst.
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Die
Nanofaservlieslage kann direkt auf dem Schaumstoff abgelegt werden,
insbesondere wenn ihre Faserdurchmesser zwischen 100 und 1.000 nm,
vor allem zwischen 500 und 1.000 nm liegen. Sie wird jedoch bevorzugt
direkt bei ihrer Erzeugung auf einer Trägerlage abgelegt, die auf der
Abströmseite
der Filterlage vorgesehen sein kann und weiter unten beschrieben
ist.
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Die
Erzeugung von Nanofasern aus verschiedenen Polymeren wird von Darell
H. Reneker und Iksoo Chun in der Veröffentlichung "Nanometre diameter
fibres of polymer, produced by electrospinning", Nanotechnology 7, 1996, S. 216–223, beschrieben.
Weiter Details zu verwendbaren Nanofaservlieslagen finden sich in der
bereits zitierten
DE 199 19
809 .
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Eine
Meltblownlage und eine Nanofaservlieslage werden erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft als Filterlage eingesetzt, weil sie im Verbund mit der
zuvor spezifizierten Schaumstofflage nicht nur eine gegenüber den
Staubfilterbeuteln des Standes der Technik weiter verbesserte Standzeit
sicherstellen, sondern darüber
hinaus auch eine hervorragende Abscheidung für Feinpartikel haben.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Staubfilterbeutels
haben die folgenden Lagenanordnungen:
Anströmseite → Schaumstofflage → Meltblown-Filterlage → Spinnvlies → Abströmseite
Anströmseite → Spinnvlies → Schaumstofflage → Meltblown-Filterlage → Spinnvlies → Abströmseite
Anströmseite → Schaumstofflage → Nanofaservlies-Filterlage → Spinnvlies → Abströmseite
Anströmseite → Spinnvlies → Schaumstofflage → Nanofaservlies-Filterlage → Spinnvlies → Abströmseite.
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Besonders
bevorzugt besitzt das Spinnvlies in den zuvor erwähnten Lagenanordnungen
ein Flächengewicht
von 25 bis 30 g/m2 und eine Luftdurchlässigkeit
von 2.000 bis 3.000 1/m2s.
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Die
als Filterlage einsetzbare Filterpapierlage besitzt vorzugsweise
ein Flächengewicht
von 30 bis 80 g/m2 und eine Luftdurchlässigkeit
von 80 bis 500 l/m2s bis 2 mbar Druck. Sie
kann aus lang- und kurzfaserigen Zellstoffen gebildet sein, sowie
auch aus Mischungen solcher Zellstoffe mit Synthesefasern und/oder
Glasfasern. Um eine ausreichende mechanische Stabilität der Filterpapierlage
sicherzustellen, kann der Bruchwiderstand in Längsrichtung 20 bis 70 N/15
mm Streifenbreite und in Querrichtung 15 bis 45 N/15 mm Streifenbreite betragen.
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Erfindungsgemäß sind auch
Nadelfilze als Filterlage einsetzbar. Hierbei handelt es sich um
textile Flächengebilde,
die durch wechselndes Einstechen und Ausziehen einer Vielzahl von
Nadeln mit Widerhaken in ein Faservlies verfestigt wurden. Durch
das Einstechen dieser Nadeln in das Vlies werden die bevorzugt horizontal
liegenden Fasern oder Faserteile propfenartig senkrecht im Vlies
angeordnet. Je nach Einstichtiefe und -richtung der Nadeln verbleiben
an der Ausstichseite des Vlieses Faserteile oder Faserschlaufen,
die sich beim Herausziehen der Nadeln nicht zurückbilden, jedoch beim Weitertransport
des Vlieses umgelegt und durch nachfolgenden Einstich im Vlies eingebunden
werden. Die Verfestigungsnadeln, die im allgemeinen Sprachgebrauch
auch als Filznadeln bezeichnet werden, weisen eine Krücke mit
Einspannschaft, sowie den Arbeitsschaft mit den Widerhaken auf,
welche auch Kerben genannt werden.
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Besonders
bevorzugt handelt es sich um ein Nadelfilz mit einem Flächengewicht
von 150 bis 900 g/m
2 mit einer ausreichenden
Zugfestigkeit in Längs-
und Querrichtung, wie es in der
DE 690 20 253 T3 beschrieben ist. Gemäß dieser
Patentschrift besteht zwar keine Begrenzung bezüglich des Materials des Nadelfilzes,
es sollte jedoch vorzugsweise wärmebeständig sein.
Konkret werden Nadelfilze aus Polyethylentephthalat (PET) genannt.
Als Filterlage im erfindungsgemäßen Staubfilterbeutel
können
auch Nadelfilze zum Einsatz kommen, die erhalten werden durch Vernadeln
eines gewobenen Kerngewebes und zwei Geweben aus Synthesefasern, die
auf beiden Seiten des Kerngewebes angebracht sind, wie es in der
GB 2 028 229 A beschrieben
ist.
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Weiterhin
kommen als Filterlage im Staubfilterbeutel der vorliegenden Erfindung
PTFE-Membranen in Frage, die aus expandiertem, porösem PTFE
bestehen. Solche Membranen sind beispielsweise in der WO 00/62900
und WO 00/47313 beschrieben.
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Schließlich sind
auch reibungselektrische Filtermedien in Frage. Solche Filtermedien
bestehen aus gemischten Fasern unterschiedlicher Materialien. Zwischen
den unterschiedlichen Materialien, vorzugsweise Polymeren kommt
es zu einem Transfer elektrischer Ladung. Die so entstandenen lokalen
elektrischen Felder unterstützen
das Einfangen von Staubpartikeln. Im Artikel "Generation of Triboelectric Charge in
Textile Fiber Mixtures and Their Use as Air Filters" aus dem "Journal of Electrostatics", Band 21 (1988),
Seiten 81 bis 98 werden unterschiedliche faserförmige Polymere gemischt und
hinsichtlich ihrer reibungselektrischen Abscheidewirkung geprüft. Besonders
bevorzugt sind reibungselektrische Filtermedien, die aus einem Blend
aus reinen Fasern aus expandiertem porösem PTFE bestehen und reine
Polyamidfasern enthalten, wie sie in der
DE 693 06 073 T2 beschrieben
sind.
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Auf
der Abströmseite
der Filterlage, d.h. weiter außen
liegend im Staubfilterbeutel, kann eine Trägerlage angeordnet sein. Hierbei
kann es sich um einen Papierträger
oder auch um ein poröses
Vlies aus Zellstoff, Synthesefasern bzw. -filamenten oder Mischungen
daraus handeln, das nach dem Nasslegeverfahren, dem Trockenlegeverfahren,
dem Spunlaceverfahren oder dem Spunbondverfahren hergestellt ist.
Als Trägerlage kann
auch eine hoch poröse
Trägermateriallage
zum Einsatz kommen, wie sie in der EP-A-1 199 094 beschrieben ist.
Besonders bevorzugt ist die nachgeschaltete Trägerlage ein Spinnvlies.
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Vorzugsweise
besitzt die Trägerlage
ein Flächengewicht
von 6 bis 60 g/m2, mehr bevorzugt von 20
bis 60 g/m2 besonders bevorzugt von 20 bis
40 g/m2. Die Dicke (DIN 53105) der Trägerlage
beträgt
vorteilhaft 0,05 bis 0,35 mm, besonders bevorzugt 0,07 bis 0,25
mm. Die Luftdurchlässigkeit,
welche die Saugleistung des Staubsaugers beeinflusst, ist vorzugsweise
500 bis 8.000 l/m2s, besonders bevorzugt
zwischen 1.500 und 3.000 l/m2s bei 2 mbar
Druck. Um die mechanische Stabilität des Filterbeutels zu erhöhen, ist
der Bruchwiderstand der Trägerlage
vorzugsweise in Längsrichtung
mehr als 8 N/15 mm Streifenbreite und in Querrichtung mehr als 3
N/15 mm Streifenbreite.
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Auf
der Anströmseite
der Schaumstofflage, d.h. im Staubfilterbeutel weiter innen liegend,
kann ein poröses
Vlies angeordnet sein. Hierfür
kommen beispielsweise Vliese aus Zellstoff, Synthesefasern bzw.
-filamenten oder Mischungen davon in Frage, die nach dem Nasslegeverfahren,
dem Trockenlegeverfahren, dem Spunlaceverfahren oder dem Spunbondverfahren
herstellbar sind. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
besteht das poröse
Vlies aus thermisch verschweißbaren
Materialien. Beispiele solcher Materialien sind Thermoplasten, beispielsweise
Polyethylen, Polypropylen, Polyamide, Polycarbonate, Polyvinylchlorid
und Polyester, wie Polyethylenterephthalat und Polybutylenterephthalat.
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Besonders
bevorzugt sind Polypropylen und Polyethylenterephthalat.
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Wie
nachfolgend dargelegt wird, lassen sich in dem Fall, dass anströmseitig
ein poröses
Vlies vorgesehen ist, das aus thermisch verschweißbaren Materialien
besteht, und ferner die abströmseitige
Trägerlage, sofern
sie vorliegt, ebenso aus thermisch verschweißbaren Materialien besteht,
die Lagen bei der Herstellung des Staubfilterbeutels auch durch
Heißverschweißen oder
Ultraschallverschweißen
miteinander verbinden.
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Die
in den obigen Abschnitten hinsichtlich ihres chemischen Aufbaus
und ihrer Kennzahlen, die für
die erfindungsgemäße Lösung der
gestellten Aufgabe maßgeblich
sind, klassifizierten Lagen des Staubfilterbeutels sind untereinander
im Beutel in Abhängigkeit
von den Herstellungsmöglichkeiten
des Beutels und dessen Einsatzgebiet unterschiedlich kombiniert
und verbunden. Selbstverständlich
können
weitere zusätzliche
Lagen an beliebiger Position hinzugefügt werden, solange dadurch
das Ziel der Erfindung nicht beeinträchtigt wird.
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Eine
solche zusätzliche
Lage kann beispielsweise eine expandierte poröse Membranschicht aus Polytetrafluorethylen
(PTFE) sein, wie sie in der WO 00/62900 beschrieben ist. Ferner
sind als zusätzliche
Lagen Verbundmembrane geeignet, wie sie in der WO 00/47313 beschrieben
sind.
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Im
Folgenden werden Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Staubfilterbeutel
beschrieben.
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Hier
bietet sich zuerst die Herstellung mit einer herkömmlichen
Beutelmaschine an. Für
diese Herstellung werden meist zwei Arbeitsgänge benötigt, die auf separaten Maschinenaggregaten
erfolgen, nämlich
die Fertigung des Rohbeutels und die Konfektionierung zum Fertigbeutel.
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Zur
Fertigung des Rohbeutels werden die Filterlage und die Schaumstofflage
in separaten Rollen vorgelegt. Diese werden dann unter Anlegung
einer gleichbleibenden Zugspannung in die Beutelmaschine eingezogen.
Anschließend
wird der Verbund aus Schaumstoff- und Filterlage zu einem Schlauch
ausgebildet, der mit einer Längsnaht
verschlossen wird. Wegen der Schwierigkeit, Schaumstoff mit herkömmlichen
Klebertypen zu verkleben – der
Schaumstoff würde
quasi als Trennschicht wirken –,
werden Filter- und Schaumstofflage vorzugsweise randkantenversetzt
in die Beutelmaschine eingezogen. So lässt sich eine ausreichende Längsnahtverklebung
erreichen. Alternativ kann die Schaumstofflage so dimensioniert
werden, dass sie nicht die volle Breite der mit ihr verbundenen
Filterlage abdeckt und nicht über
deren Ränder
hinaussteht, wodurch eine oder zwei Randstreifenaussparungen auf
der Filterlage ausgebildet sind. Hierdurch kann eine sichere Verklebung
mittels einer Längsnaht
unter Verwendung herkömmlicher
Kleber sichergestellt werden. Weitere Details zu dieser Herstellung
des Rohbeutels sind der EP-B-0 635 297 zu entnehmen, wobei die der
erfindungsgemäßen Filterlage
entsprechende Lage dort ein Filterpapier ist.
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Dieses
Herstellungsverfahren ist auch für
erfindungsgemäße Staubfilterbeutel
mit mehr als zwei Lagen geeignet, beispielsweise eine Anordnung
aus anströmseitiger
Schaumstofflage, einem Meltblown-Vlies als Filterlage und einer
Papieraußenlage.
In diesem Fall haben zur Anwendung des Verfahrens zur Herstellung des
Rohbeutelschlauches, das in der EP-B-0 635 297 beschrieben ist,
sowohl die Meltblown-Lage als auch die Schaumstofflage vorteilhaft
einen unbelegten Rand.
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Anschließend wird
der mit einer Längsnaht
d.h. -verklebung verschlossene Schlauch auf die gewünschte Länge geschnitten
und eines der Schlauchenden zu einem Boden verschlossen. Dies geschieht
auf der Bodenfalztrommel durch Ausbildung von Laschen, die umgeschlagen
und aufeinander geklebt werden. Da dieses Herstellungsverfahren
voraussetzt, dass zumindest die äußere Lage
falzbar und verklebbar (beispielsweise mit Hotmelt oder Kaltleimen)
ist, ist es besonders vorteilhaft für die Herstellung von erfindungsgemäßen Staubfilterbeuteln
geeignet, in denen die Filterlage eine Filterpapierlage ist.
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Der
so erhaltene Rohbeutel wird auf einer separaten Konfektioniermaschine
mit einer für
das vorgesehene Staubsaugermodell entsprechenden Halteplatte versehen
und zwar meist auf dem vorher ausgebildeten Laschenboden (Blockboden).
Das noch offene zweite Schlauchende wird in Form eines Wickelbodens durch
Umschlagen und Verkleben des Schlauches verschlossen.
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Zur
Herstellung von Staubfilterbeuteln aus synthetischen Materialien
können
darüber
hinaus die thermische Verschweißung
oder die Ultraschallverschweißung
verwendet werden.
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Diese
Herstellungsverfahren kommen dann vorteilhaft zum Einsatz, wenn
sämtliche
Lagen, zumindest aber die Außenlagen
der Filteranordnung aus verschweißbaren Materialien bestehen.
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Wenn
ein nicht verschweißbares
offenzelliges Medium, beispielsweise eine Lage aus nicht verschweißbarem Schaumstoff,
zwischen zwei verschweißbaren
Lagen angeordnet ist, schmelzen bei der Beutelherstellung mittels
thermischer oder Ultraschallverschweißung die äußeren Lagen und durchdringen
die Mittellage. Auf diese Weise können alle Lagen, einschließlich der
im erfindungsgemäßen Staubfilterbeutel
vorgesehenen Schaumstofflage, die selbst nicht verschweißbar sein
muss, miteinander verbunden werden.
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Eine
solche Filteranordnung ist beispielsweise eine solche, bei der auf
der Anströmseite
ein poröses Vlies
aus einem verschweißbaren
Material, sowie eine abströmseitige
Trägerlage
vorgesehen ist, die ebenso aus thermisch verschweißbaren Materialien
besteht.
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Es
gibt jedoch auch verschweißbare
Schäume.
Hierbei handelt es sich z. B. um spezielle Polyester-Polyurethan-Typen.
Hierbei ist das Polymer so verändert,
dass das Material verschweißbar
wird.
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Wie
sich überraschenderweise
zeigte, lässt
sich die Verschweißbarkeit
solcher Schaumstoffe durch das sogenannte Retikulieren des Schaums
verbessern. Das Retikulieren dient auch dazu, die Luftdurchlässigkeit
der Medien zu steigern. Hierbei werden die während des Aufschäumens in
dem Schaum verbleibenden Häutchen
zwischen den einzelnen Poren bzw. Blasen entfernt; nur die Stege
bleiben stehen. Der Prozess geschieht thermisch oder chemisch und
ist im Gebiet der Schaumstoffherstellung gut bekannt.
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Im
Folgenden wird die Beutelherstellung mittels thermischer Verschweißung beschrieben.
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Einer
Beutelmaschine werden die Lagen des erfindungsgemäßen Staubfilterbeutels
zugeführt.
Hierbei handelt es sich in dem Fall, dass der fertige Staubfilterbeutel
nur aus einer Schaumstofflage und einer Filterlage besteht, um vier
Lagen in der Reihenfolge Filterlage – Schaumstofflage – Schaumstofflage – Filterlage. Zusätzliche
Lagen, beispielsweise anströmseitige
Lagen oder abströmseitige
Trägerlagen
würde der
Fachmann im Rahmen seiner Routinetätigkeit in entsprechender Anordnung
hinzufügen.
In die mindestens zwei Lagen wird das Loch für den Lufteintritt gestanzt.
Gegebenenfalls wird das Loch abgedichtet, damit die Luft bzw. der
Staub beim Gebrauch des fertigen Filterbeutels nicht zwischen die
Lagen (beispielsweise zwischen die Schaumstoff- und Filterlage)
dringt, was das Filtrationsergebnis beeinträchtigen kann. Dieses Abdichten
des Lochs für
den Luftdurchtritt kann durch den Auftrag von Kleber erfolgen oder
die Lagen werden thermisch versiegelt. Die Bahnen werden aufeinander
geführt
und beispielsweise von oben mit heißen Drähten oder Stäben im Randbereich
zusammengeschweißt.
Der Verarbeitungsschritt erfolgt vorzugsweise in einem Schritt,
d.h der Draht/Stab ist so ausgestaltet, dass er bereits die Beutelform
bildet.
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Die
Verschweißung
kann trennend erfolgen, d.h. nach dem Schweißschritt ist der Beutel in
seiner Rohform fertig. Erfolgt die Schweißung verbindend, aber nicht
trennend muss der Beutel nach der Schweißung abgelängt werden. Dies kann mit Stanzmessern
erreicht werden.
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Abschließend muss
noch die Halteplatte aufgebracht werden. Dies geschieht üblicherweise
durch Aufkleben.
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Im
Folgenden wird die Beutelherstellung mittels Ultraschallverschweißen beschrieben.
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Generell
werden auch hier mehrere Lagen der Maschine zugeführt und
das Loch für
den Lufteintritt gestanzt, wie für
die thermische Verschweißung
bereits beschrieben. Auch hier müssen
gegebenenfalls die Lagen in dem Bereich des Loches miteinander verbunden,
d.h. abgedichtet werden. Dies kann durch Verklebung oder mittels
Ultraschall erfolgen. Die Lagen werden aufeinander geführt und
die Längs-
und Quernähte geschweißt. Hierbei
bringt eine schwingende Sonotrode die Energie über einen Gegenamboss in das
Material, so dass dieses aufschmilzt und sich miteinander verbindet.
Die Schweißnaht
wird durch die Form des Ambosses vorgegeben.
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Die
Bildung der Nähte
erfolgt entweder diskontinuierlich, d.h. die Sonotroden und der
Amboss sind so ausgebildet das der Beutel nach dem Schweißvorgang
in der endgültigen
Form vorliegt. Dies bedeutet, dass hier die Beutelbildung getaktet
ist und dabei die gesamte Umfangsnaht in einem Verschweißungsschritt
gebildet wird.
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Erfolgt
die Nahtbildung trennend ist der Beutel dann bereits fertig. Erfolgt
die Nahtbildung nicht trennend, muss im nächsten Schritt die Quernaht
mittels Stanzmessern abgelängt
werden.
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Weiterhin
gibt es die Möglichkeit
die Längsnaht
kontinuierlich auszubilden. Hierbei kommen runde Sonotroden zum
Einsatz. Hier muss in einem zweiten Arbeitsgang die Quernaht gebildet
werden.
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Die
Einstellung der Nahtfestigkeit erfolgt über die Schweißzeit, die
Haltezeit und die Amplitude/Frequenz.
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In
der
DE 4126557 A1 wird
das Ultraschallverschweißen
zur Herstellung von Beuteln ausführlicher
beschrieben.
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Die
Halteplatte wird durch Verkleben, beispielsweise mittels Heißleim oder
Kaltleim aufgebracht. Handelt es sich bei der Halteplatte um eine
Kunststoffscheibe, kann diese auch mittels Ultraschall befestigt
werden.
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Üblicherweise
erfolgen alle Schritte hintereinander in einer Maschine.
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Im
folgenden werden Beispiele gegeben, welche die erfindungsgemäßen Staubfilterbeutel
erläutern, jedoch
nicht beschränken
sollen.
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Beispiele
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Um
zu zeigen, dass die erfindungsgemäßen Staubfilterbeutel eine
gegenüber
den Filterbeuteln des Standes der Technik weiter verbesserte Standzeit
haben, wurde die Saugleistung von Staubfilterbeuteln mit folgenden
Lagenanordnungen in einem Staubsauger Siemens DINO XS 1800 W mit
Teststaubsand untersucht. Bei den Tests wurde der Staubsauger mit
den darin installierten Staubfilterbeuteln auf Maximalstufe betrieben.
Bei dem Teststaub handelt es sich um Mineralstaub nach DIN 44956
mit den Korngrößen a–d (0 bis 2.000 μm).
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Vergleichsbeispiel 1:
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- Anströmseite → Meltblown → Papier → Anströmseite
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Vergleichsbeispiel 2:
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- Anströmseite → Spinnvlies → Meltblown → Spinnvlies → Abströmseite
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Beispiel 1:
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Anströmseite → Spinnvlies → Schaumstoff → Meltblown → Spinnvlies → Abströmseite
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Beispiel 2:
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- Anströmseite → Schaumstoff → Meltblown → Spinnvlies.
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Die
Kennzahlen der Einzellagen, die in den Staubfilterbeuteln der Vergleichsbeispiele
und der erfindungsgemäßen Beispiele
verwendet wurden, sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt:
- 1 Die Dicke des Schaumstoffs wurde mit einer
Schieblehre gemessen, während
die Dicke der übrigen
Lagen nach DIN 53105 bestimmt wurde.
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Bei
dem in den Beispielen verwendeten Schaumstoff handelt es sich um
ein Polyether-Polyurethan mit einer Raumdichte von 21 kg/m3.
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In
der Figur ist die Saugleistung gegen die Menge des beaufschlagten
Teststaubs aufgetragen. Wie sich aus der Grafik ergibt, ist die
Saugleistung der erfindungsgemäßen Staubfilterbeutel
gegenüber
denen des Standes der Technik bei höheren Staubbeladungen vergrößert. Dies
ist gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Standzeit.
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Die
Abscheidegrade nach DIN 44956-2 waren für sämtliche untersuchten Staubfilterbeutel
sehr hoch, mindestens 99,5 %.