DE102006001528A1

DE102006001528A1 - Filtermaterial

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Publication number: DE102006001528A1
Application number: DE200610001528
Authority: DE
Original assignee: TAG Textilausruestungs Gesellschaft Schroers GmbH and Co KG
Current assignee: TAG Textilausruestungs Gesellschaft Schroers GmbH and Co KG
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-07-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein textiles Filtermaterial mit wenigstens einer textilen Trägerschicht und wenigstens einer Aktivkohle enthaltenden Schicht, das zusätzlich zu Cyclodextrin ein weiteres Adsorbens enthält, sowie eine damit ausgestattete Schutzkleidung.

Description

Die Erfindung betrifft ein textiles Filtermaterial mit wenigstens einer textilen Trägerschicht und wenigstens einer Aktivkohle enthaltenden Schicht.

Die Verwendung von Aktivkohle als Filtermaterial zum Herausfiltern von Schadstoffen aus fluiden Medien ist vielfach beschrieben.

Ein spezieller Einsatzzweck ist die Verwendung in Schutzkleidung, wie sie beispielsweise für Reinigungszwecke, bei der Bekämpfung von Bränden unter Freisetzung giftiger Verbrennungsprodukte, bei der Dekontamination von Anlagen und Gebäuden und dergleichen eingesetzt wird. Derartige Schutzkleidung besteht häufig aus einer textilen Trägerschicht, die mit einer zweiten aktivkohlehaltigen Schicht ausgestaltet ist, die die eigentliche Dekontamination übernimmt. Die textile Trägerschicht selbst kann Vorfiltereigenschaften aufweisen, d. h. durch ihre Machart grobe bis feine Schadstoffpartikel ausfiltern. Toxische oder schädliche Bestandteile werden von der darunter liegenden Aktivkohleschicht adsorbiert. Zumeist ist eine weitere, innere Deckschicht vorhanden, die für einen erhöhten Tragekomfort steht.

In der Aktivkohleschicht liegt die Aktivkohle eingebunden in ein Vlies oder in einer Klebstoffmatrix vor. Alternativ kann die Aktivkohle in abgesteppte Fülltaschen eingenäht sein.

Die Filterwirkung von Aktivkohle beruht auf ihrem außerordentlich hohen Porenvolumen und der damit verbundenen inneren Oberfläche, die insgesamt 900 bis 2000 m²/g betragen kann. Nach den geltenden Modellen werden die aus dem Fluid adsorbierten Moleküle auf der Oberfläche der Aktivkohle in einer ein- oder mehrlagigen Schicht eingelagert, wobei die Belegungsdichte von der untersten ersten Schicht zu den weiteren Schichen stark abnimmt.

Die adsorbierte Menge ist dabei von den Umgebungsbedingungen und vor allem von der Temperatur abhängig. So wurde beispielsweise bei einer Temperatur von 25°C und einem Gehalt von 10000 ppm Toluol im Gasstrom eine Aufnahme von etwa 40 Gew.% Toluol festgestellt bei einer Temperatur von 100°C von nur noch etwa 15 Gew.%. Adsorption und Desorption stehen somit in einem u.a. von der Temperatur und dem Partialdruck abhängigen Gleichgewicht, d. h. ein an Aktivkohle gebundener Stoff wird bei einer hinreichenden Belegung der Oberfläche des Adsorbens (Aktivkohle) auch wieder desorbiert. Es stellt sich eine Gleichgewichtskonzentration ein, die unterhalb der Konzentration des Schadstoffs des gefilterten Mediums liegt.

Da Schutzkleidung dazu dient, den Träger vor Schadstoffen zu bewahren, ist ein derartiges Gleichgewicht problematisch. Nachdem die Aktivkohleschicht eine gewisse Zeit dem Schadstoff ausgesetzt war, kommt es, bereits lange vor Erreichung der maximalen Beladung, zu einer Gleichgewichtseinstellung, die für einen niedrigen, jedoch durchaus messbaren Schadstoffstrom durch die Schutzkleidung hindurch zum Körper des Trägers der Schutzkleidung führt. Dies führt dazu, dass die Schutzkleidung lange vor Erreichung Ihrer Aufnahmegrenze ausgetauscht werden muss. Zudem begrenzt dies auch die Einsatzdauer des Schutzkleidungsträgers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die herkömmlich aktivkohlehaltige Schutzkleidung in ihrer Ausstattung so zu verbessern, dass sie eine größere Aufnahmekapazität für Schadstoffe aufweist, insbesondere Schadstoffspitzen abfangen kann und/oder eine bessere Barrierewirkung gegenüber dem Träger der Schutzkleidung erhält. Entsprechendes gilt für textile Filtermaterialien, wie sie in Filteranlagen und beispielsweise auch in Atemschutz- und Gasmasken eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird mit einem textilen Filtermaterial der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Filtermaterial Cyclodextrin als weiteres Adsorbens enthält.

Unter Cyclodextrin versteht man im allgemeinen cyclische Dextrine aus 6, 7 oder 8 zu einem Cyclus von α-1,4 verknüpften Glukoseeinheiten. Man unterscheidet α-, β- und γ-Cyclodextrine, die alle innermolekulare Hohlräume aufweisen, in die Gasmoleküle in wechselnden Mengen bis zur Sättigung aufgenommen werden können. Cyclodextrin-Einschlussverbindungen sind außerordentlich stabil und setzen die eingeschlossenen Gastmoleküle in der Regel erst dann frei, wenn ein zur besseren Bindung befähigtes Gastmolekül zur Verfügung steht. Zur Bindung eines Gastmoleküls ist es in der Regel ausreichend, wenn ein Teil des Moleküls, etwa das Ende einer Alkylkette, in den Hohlraum eingelagert und dort festgehalten wird.

Die Verwendung von Cyclodextrinen in textilen Materialien und ihre Anbindung an textile Materialien wie ihre Einbindung in eine Polymermatrix sind vielfach beschrieben. Beispielhaft wird auf die DE 40 35 378 A1 hingewiesen. In textilen Materialien macht man sich die physikalischen Eigenschaften der Cyclodextrine dahingehend zu nutze, dass Körperschweiß zur Geruchsbindung aufgenommen, bzw. Geruchsstoffe abgegeben werden. Die Ausrüstung textiler Materialien zur geruchsvermeidenden Schweißaufnahme ist vielfach beschrieben.

Es wurde gefunden, dass Cyclodextrine neben Körperschweiß und anderen polaren Substanzen auch toxische Substanzen aufnehmen und zuverlässig festhalten können. Im Vergleich zu Aktivkohle werden diese toxischen Substanzen aber deutlich fester gebunden, d. h. das Gleichwicht zwischen Adsorption und Desorption ist sehr viel weiter zur Adsorptionsseite hin verschoben als bei Aktivkohle. Insoweit lassen sich die Eigenschaften von Aktivkohle durch einen entsprechenden Zusatz von Cyclodextrinen in textilen Filtermaterialien durchaus ergänzen.

Als Cyclodextrin im Sinne der Erfindung werden alle Cyclodextrine bezeichnet, die die hier beschriebenen und gewünschten Adsorptionseigenschaften mit sich bringen, also α-, β- und γ-Cyclodextrin, ihre Derivate, wie sie insbesondere bereits in der Textilindustrie eingesetzt werden, Cyclodextrin in polymerer oder in an Polymere angebundener Form sowie Cyclodextrin, das mittels reaktiver oder physikalischer Ankergruppen an einen Träger angebunden ist. Als Trägerstoffe für Cyclodextrine kommen insbesondere damit ausgerüstete Polymere, textile Materialien, aber auch Aktivkohle in Frage, deren Oberfläche durch eine Behandlung reaktiv gemacht wurde. Entsprechende Verfahren sind dem Fachmann, beispielsweise zur Erzeugung hydrophiler Oberflächen bekannt.

Das erfindungsgemäße textile Filtermaterial enthält die Aktivkohle zweckmäßigerweise in einer Trägermatrix. Bei der Trägermatrix kann es sich um ein Vlies handeln, beispielsweise aber auch um einen Kunststoff oder einen Klebstoff, insbesondere in Form eines Schaums. Voraussetzung ist, dass die Trägermatrix mit der Aktivkohle für das fluide Medium durchlässig bleibt, also insbesondere luftdurchlässig ist. Insbesondere ist die Aktivkohle auf die textile Trägerschicht des textilen Filtermaterials aufgeklebt. Alternativ kann die Aktivkohle in Taschen eines doppelwandigen Textilmaterials eingelagert sein, d. h. das textile Filtermaterial weist in diesem Fall beidseitig der Aktivkohleschicht eine abgesteppte Träger- bzw. Deckschicht auf. Die Aktivkohle kann auch als Vlies oder Gewebe von Aktivkohlefasern vorliegen, erhältlich durch das Carbonisieren dazu geeigneter Ausgangsmaterialien. Die Techniken hierzu sind dem Fachmann bekannt.

Als fluide Medien im Sinne der Erfindung werden flüssige und vor allem gasförmige Medien verstanden, die toxische oder sonstwie schädliche Bestandteile enthalten (können).

Im Allgemeinen ist für die Aktivkohleschicht eine Dicke von 0,2 bis 10 mm ausreichend. In textilen Materialien, die für Schutzkleidung bestimmt ist, ist im allgemeinen eine Dicke von 0,2 bis 2 mm zweckmäßig. Die Schichtdicke kann aber, in Abhängigkeit vom Einsatzzweck, auch durchaus größer ausgelegt sein.

Das Cyclodextrin kann der Aktivkohle als Polymer zugemischt sein, in welchem Fall der Cyclodextringehalt 5 bis 50 Gew.% der Mischschicht ausmacht. In diesem Fall liegt das Cyclodextrin vorzugsweise als Granulat mit einer Größenverteilung vor, die der der Aktivkohlepartikel in etwa entspricht. Alternativ kann das Cyclodextrin reaktiv an die Aktivkohle angebunden oder mit einem anderen Träger verbunden sein.

Zweckmäßigerweise liegt das Cyclodextrin jedoch in einer eigenen Schicht vor. Diese eigene Schicht kann auf gleiche Art und Weise ausgebildet sein, wie die Aktivkohleschicht, d. h. das Cyclodextrin in polymerer Form kann in eine durchlässige Trägermatrix aus Vlies, Kunststoff oder Klebstoff eingebettet sein, zwischen zwei textilen Trägerschichten in Taschen eingenäht sein oder in eine polymere Trägerschicht eingebunden oder einpolymerisiert sein. Besonders bevorzugt sind cyclodextrinhaltige Polymere, wie sie in der Literatur beschrieben sind, sowie mit Cyclodextrin ausgerüstete textile Materialien, wie vorstehend erwähnt, auch in carbonisierter Form. Das derartig ausgestaltete bzw. ausgerüstete Material kann dann als innere Deck- und Trägerschicht auf die Aktivkohleschicht aufgebracht werden.

Sofern das Cyclodextrin als polymeres Material in Granulatform eingesetzt wird, liegt es in einer Schichtdicke von 0,2 bis 10 mm vor, vorzugsweise in einer Schichtdicke von 0,2 bis 1 mm.

Das textile Filtermaterial gemäß der Erfindung liegt somit vorzugsweise als Dreischichtmaterial vor, mit einer textilen Träger- oder Deckschicht außen, einer Aktivkohle enthaltenen Zwischenschicht sowie einer cyclodextrinhaltigen Innenschicht, welche insbesondere aus einem mit Cyclodextrin ausgerüsteten Textilmaterial besteht, dass zugleich als innere Deckschicht dient.

Soweit das textile Filtermaterial eine textile Schicht aufweist, die mit Cyclodextrin ausgerüstet ist, kann es zweckmäßig sein, zur Erhöhung der Schichtdicke dieses textile Material ziehharmonikaartig zu falten (nach Art eines Plissees), so dass eine erhöhte Schicht und Filterdicke erreicht wird.

Wie festgestellt, kann die textile Trägerschicht des erfindungsgemäßen textilen Filtermaterials als Vorfilter ausgebildet sein. Alternativ kann aber, zusätzlich zur textilen Trägerschicht, eine zusätzliche Vorfilterschicht vorhanden sein, die zwischen die textile Trägerschicht und die darauf folgende Schicht mit einem Adsorbens geschaltet ist.

Es versteht sich, dass die Reihenfolge der Schichten im erfindungsgemäßen textilen Material auch anders sein kann, beispielsweise mit einer Aktivkohleschicht an der Innenseite. Ferner können textile Filtermaterialien, wie vorstehend beschrieben, aus mehreren solchen Dreischicht- bzw. Mehrschichtlagen bestehen, also mehrere Trägerschichten aufweisen, mehrere Aktivkohleschichten und mehrere Cyclodextrinschichten bzw. Mischschichten aus beiden Materialien. Dazwischen können textile Trennschichten bzw. Trägerschichten geschaltet sein.

Das erfindungsgemäße Textilfiltermaterial kann für viele Zwecke eingesetzt werden, wird aber insbesondere für Schutzkleidung verwandt. Diese Schutzkleidung kann partiell mit dem textilen Filtermaterial ausgestattet sein, dort wo Luftdurchlässigkeit erwünscht ist, jedoch auch insgesamt aus dem textilen Filtermaterial gemäß der Erfindung bestehen. Weitere Einsatzmöglichkeiten bestehen beispielsweise als Filter in Lüftungs- und Klimaanlagen, auch in Fahrzeugen.

Die Erfindung wird durch die beiliegenden Abbildungen näher erläutert. Von diesen zeigt:
1 die Porenstruktur eines Aktivkohlepartikels;
2 das Adsorptionsverhalten einer definierten Aktivkohlemenge in Bezug auf verschiedene in Luft enthaltene Stoffe;
3 das Adsorptionsprinzip einer wirkenden Oberfläche; und
4 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Filtermaterials.
1 zeigt ein von Poren durchzogenes Aktivkohleteilchen 1 mit Makroporen 2 und Mikroporen 3. Im Allgemeinen beträgt die Porosität 0,6 bis 0,7 m³/m³ bei einem gesamten Porenvolumen von 0,7 bis 1,1 cm³/g. Makroporen mit einer Größe > 50 nm machen davon 0,3 bis 0,5 cm³/g aus, Mesoporen mit einer Größe von 2 bis 50 nm 0,05 bis 0,1 cm³/g und Mikroporen mit einer Größe von 0,8 bis 2,0 nm 0,25 bis 0,5 cm³/g. Dies resultiert in einer inneren Oberfläche von 900 bis 1200 m²/g, von denen die Makroporen 10 bis 50 m2/g, die Mesoporen 10 bis 20 m²/g und Mikroporen 850 bis 1200 m²/g ausmachen. Die Adsorption findet also, entsprechend der Verteilung der inneren Oberfläche, im Wesentlichen an der Oberfläche der Mikroporen statt.
2 zeigt das Adsorbtionsverhalten verschiedener gasförmiger Stoffe in Luft an Aktivkohle. Die adsorbierte Menge ist in Gewichtsprozent, bezogen auf die Aktivkohle, angegeben, die Konzentration des Stoffes in der Luft in ppm, bezogen auf das Luftvolumen.
Die Darstellung zeigt deutlich die Abhängigkeit der Adsorption vom Partialdruck/Partialvolumen und, für Toluol, die Temperaturanhängigkeit der Adsorption: Je geringer die Temperatur desto höher das Aufnahmevermögen.
Temperatur- wie Druckabhängigkeit der Adsorbtion stehen für ein sich einstellendes Gleichgewicht zwischen gasförmigem Stoff und an der Aktivkohle sorbiertem Stoff. Sorbierter Stoff und im Luftvolumen gelöster Stoff tauschen aus. Die Erfindung verschiebt dieses Gleichgewicht zur Sorptionsseite hin durch die Verwendung von Cyclodextrinen.
3 zeigt das BET-Modell der Adsorbtion von Gasmolekülen an einer Oberfläche mit einer Anlagerung in Schichten. Die Oberfläche, beispielsweise Aktivkohle, wird mit einer ersten Schicht vollständig mit den aus der umgebenden Luft adsorbierten Gasmoleküle belegt. Je nach Verfügbarkeit weiterer Gasmoleküle lagern sich diese in weiteren Schichten auf der ersten Schicht ab. Die Belegungsdichte ist unmittelbar auf der Oberfläche am höchsten und nimmt im Anschluss daran stark ab: Weitere Schichten werden nur mehr oder weniger unvollständig ausgebildet. Die Zahl der Schichten ist abhängig vom (Partial) Druck der adsorbierten Moleküle im umgebenden Medium. Nimmt der Partialdruck ab, nimmt zuerst die Belegungsdichte in den oberen Schichten und zuletzt in der ersten Schicht ab; es kommt zur Desorption.
4 zeigt den schichtförmigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Filtermaterials mit drei Schichten, wobei die obere Schicht 4 ein textiles Trägermaterial ist, das zugleich auch eine Vorfilterfunktion ausübt, die Schicht 5 eine mit Aktivkohlepartikeln 1 gefüllte Klebstoffmatrix, die Schicht 6 eine mit Cyclodextrin ausgerüstete Textilgewebeschicht, die Zieharmonika-förmig gefaltet ist, und die Schicht 7 eine innere Deckschicht. Zur Verwendung in Textilien, wie sie beispielsweise als Schutzkleidung getragen werden, sind die einzelnen Schichten miteinander vernäht bzw. versteppt.

Claims

Textiles Filtermaterial mit wenigstens einer textilen Trägerschicht und wenigstens einer Aktivkohle enthaltenen Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich Cyclodextrin enthält.
Textiles Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die Aktivkohle in eine Trägermatrix eingebunden enthält.
Textiles Filtermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermatrix ein Vlies ist.
Textiles Filtermaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägermatrix ein Kunststoff oder Klebstoff ist.
Textiles Filtermaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle auf die textile Trägerschicht aufgeklebt ist.
Textiles Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle enthaltene Schicht eine Stärke von 0,2 bis 10 mm aufweist.
Textiles Filtermaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Cyclodextrin der Aktivkohle zugemischt ist.
Textiles Filtermaterial nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivkohle 5 bis 50 Gew.% Cyclodextrin zugemischt enthält.
Textiles Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Cyclodextrin in einer separaten Schicht angeordnet ist.
Textiles Filtermaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Cyclodextrin in eine Trägermatrix aus Vlies, Kunststoff oder Klebstoff eingebettet ist.
Textiles Trägermaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Cyclodextrin als cyclodextrinhaltiges oder Cyclodextrinpolymer vorliegt.
Textiles Filtermaterial nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Cyclodextrinschicht eine Stärke von 0,2 bis 10 mm aufweist.
Textiles Filtermaterial nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Cyclodextrin an ein textiles Trägermaterial gebunden vorliegt.
Textiles Filtermaterial nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Trägermaterial ziehharmonikaartig gefaltete vorliegt (Plissee).
Textiles Filtermaterial nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es als Dreischichtmaterial vorliegt.
Textiles Filtermaterial nach einem Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es eine außen liegende textile Trägerschicht, eine Aktivkohle enthaltene Zwischenschicht und eine cyclodextrinhaltige Innenschicht aufweist.
Textiles Filtermaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht als Deckschicht mit Vorfiltereigenschaften ausgebildet ist.
Schutzkleidung mit einem textilen Filtermaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
Schutzkleidung nach Anspruch 18 aus dem textilen Filtermaterial eines der Ansprüche 1 bis 17.