DE102006013170A1 - Plissierbares Vliesmaterial und Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung derselben - Google Patents

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Abstract

Bei einem plissierbaren Vliesmaterial, umfassend tragende, formstabilisierende dickere Fasern und die Filterwirkung bestimmende dünnere Fasern, ist vorgesehen, dass die dünneren Fasern weitgehend homogen in die dickeren Fasern inkorporiert sind.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein plissierbares Vliesmaterial umfassend tragende, formstabilisierende dickere Fasern und die Filterwirkung bestimmende dünnere Fasern und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung desselben.
  • Ein derartiges Vliesmaterial ist bekannt aus DE 103 10 435 B3 . Bei diesem bekannten Filterelement ist ein luftdurchlässiges Trägermaterial vorgesehen, welches auf beiden Seiten mit einer Faserschicht aus Nano- oder Microfasern beschichtet ist, wobei die Beschichtungsdichte zur Ausbildung eines progressiven Filterelementes von der Anströmseite zur Abströmseite hin zunimmt. Durch diese Ausgestaltung konnte bereits eine erhebliche Verbesserung der Filterleistung gegenüber damals bekannten Filtermaterialien erreicht werden.
  • Bei solchen Filtermaterialien, die üblicher Weise plissiert und in dieser Form als Luftfilter in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist ein möglichst geringer Druckabfall beim Passieren der Luft von Bedeutung, da ein niedriger Druckabfall gleichbedeutend ist mit einem kleindimensionierten Lüftermotor und deshalb mit einem entsprechend geringem Energieverbrauch und einer niedrigen Geräuschentwicklung.
  • Diese Forderung nach Filtersystemen mit niedrigem Differenzdruck konkurriert mit der geforderten Abscheideleistung und der notwendigen Standzeit.
  • Diesen beiden Forderungen kann im Prinzip durch Fasern unterschiedlicher Dicke, herkömmlicher Weise ca. 20 μm einerseits und ca. 4 μm andererseits, Rechnung getragen werden.
  • Die progressive Ausgestaltung der Faserdichte wird dadurch erreicht, dass man bei einem Herstellungsverfahren, wie es beispielsweise aus DE 41 23 122 A1 bekannt, diejenige Seite des Vlieses, auf die das Vlies bei der Herstellung abgelegt wird, bei Einbau in den Filter als Abströmseite einsetzt.
  • Zur weiteren Verbesserung der Filtereigenschaften arbeitet man daran, immer kleinere Faserdurchmesser für die Filterherstellung zu verwenden.
  • Die derzeit am meisten verbreitete Technik zur Herstellung von feinen Fasern ist das sogenannte Melt-Blown-Verfahren. Bei diesem Verfahren ist man bisher konstruktionsbedingt auf Fasergrößen von mehr als 2 μm beschränkt. Dabei wird ein niedrigviskoses Medium verwendet, welches beim Versuch der Erzielung geringerer Faserstärken reißt.
  • Um die Abscheideleistung des Filters zu erhöhen und den damit verbundenen Anstieg des Druckverlustes zu minimieren, sind jedoch sehr feine Fasern wichtig, weil hierdurch die innere Oberfläche vergrößert wird und immer feinere Partikel abgeschieden werden können und parallel die Lebenszeit verlängert wird.
  • Ab einer Fasergröße kleiner als etwa 500 nm tritt ein sogenannter Slip-Flow-Effekt ein, der die Strömungsgeschwindigkeit an der Oberfläche der sehr dünnen Fasern (Nanofasern) im Unterschied zu dickeren Fasern nicht auf Null abbremst und so dafür sorgt, dass im Luftstrom enthaltene Feinpartikel besser diffundieren, abgefangen und zurückgehalten werden.
  • Nach dem Stand der Technik werden solche Nanofasern mittels eines sogenannten Elektrospinning-Verfahrens aus der Lösung hergestellt, wie dies beispielsweise in DE 103 10 435 B3 beschrieben wird. Dabei wird ein Polymer mittels eines Lösungsmittels in Lösung gebracht und durch das Anlegen einer Hochspannung werden Fasern mit einem minimalen Durchmesser von bis zu 50 nm produziert.
  • Ein wesentlicher Nachteil dieses Elektrospinning-Verfahrens besteht in dem Einsatz großer Mengen von Lösungsmittel. Auf Grund der bei diesem Prozess entstehenden Dämpfe und der gleichzeitig anliegenden Hochspannung besteht eine nicht unproblematische Explosionsgefahr. Hinzu kommen die Umweltschädlichkeit der Dämpfe und die damit verbundenen Gesundheitsrisiken für das Bedienungspersonal. Ein weiterer Nachteil liegt in der Beschichtung des Filtermaterials in einem gesonderten Schritt, so dass sich die Nanofasern praktisch ausschließlich auf der Oberfläche der Schichtung befinden. Durch diese Mehrschichtigkeit wird eine Plissierung des Vliesmaterials stark erschwert. Dementsprechend kann üblicher Weise nur durch eine Punkt-Verbindung eine Faltbarkeit des Mediums erreicht werden.
  • Es sind auch Glasfasermedien bekannt, die Faserstärken unter 1 μm aufweisen. Da dieses spröde Material jedoch unter mechanischer Belastung bricht und dadurch Partikel frei werden, ist es als kanzerogen einzustufen. Im Übrigen weisen Glasfasermedien bezogen auf die Abscheideleistung sehr hohe Druckdifferenzen auf.
    •
  • Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein plissierbares Vliesmaterial zu schaffen, welches sich einerseits durch beson ders gute Filtereigenschaften, insbesondere eine geringe Druckdifferenz bei hoher Abscheideleistung, auszeichnet und welches andererseits umweltfreundlich und mit hoher Durchsatzleistung und dementsprechend auch kostengünstig herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die dünneren Fasern weitgehend homogen in die dickeren Fasern inkorporiert sind. Hierdurch wird eine deutlich verbesserte Filterwirkung erreicht.
  • Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die dickeren Fasern einen Durchmesser > 5 μm und die dünneren Fasern < 2000 nm aufweisen. Insbesondere sollten die dickeren Fasern einen Durchmesser zwischen 15 und 30 μm und die dünneren Fasern einen Durchmesser zwischen 150 nm und 2000 nm aufweisen. Durch solche sehr dünnen Nanofasern kann eine besonders gute Filterwirkung erreicht werden.
  • Die Fasern können vorzugsweise aus Polypropylen, Polyester oder einem Blend wie Polyester/Polyethylenterephtalat bestehen. Grundsätzlich können alle extrudierbaren Polymere verwendet werden.
  • Die Erfindung richtet sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines plissierbaren Faservlieses, wobei ein Polymer aufgeschmolzen und durch die Spinndüsen eines Spinnbalkens gedrückt wird, und wobei die so gebildeten Polymerfäden auf einem Laufband unter Ausbildung einer Vliesschicht abgelegt werden, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass Spinndüsen unterschiedlichen Durchmessers verwendet und dadurch Polymerfäden größerer und geringerer Dicke in einem Verarbeitungsschritt erzeugt und abgelegt werden.
  • Hierdurch wird die angestrebte homogene Verteilung der dünneren Fasern in dem durch die dickeren Fasern gebildeten Stützgerüst erreicht.
  • Günstiger Weise sind wenigstens zwei im Winkel zueinander angeordnete Spinnbalken vorgesehen, wobei sich die aus den Spinndüsen jedes Spinnbalkens austretenden Polymerfäden vor dem Auftreffen auf der Unterlage vermengen und ineinander verwirbeln.
  • Insbesondere können zwei Spinnbalken eingesetzt werden, wobei ein erster Spinnbalken Düsen größeren Durchmessers und ein zweiter Spinnbalken Düsen geringeren Durchmessers aufweist.
  • Sehr wichtig für die Erzielung langer Fasern von sehr geringem Durchmesser ist die Verwendung einer hochviskosen Polymerschmelze, deren Melt-Flow-Index „mfi" deutlich unter 400 liegt.
  • Ein weiterer wichtiger Aspekt liegt darin, dass die an den Spinnbalken herangeführte Luft einen vergleichsweise geringen Druck von größenordnungsmäßig 100 mbar aufweist.
  • Die Erfindung richtet sich weiterhin auf eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens umfassend Spinnbalken mit einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Spinndüsen und ein Laufband zum Ablegen der aus den Spinndüsen austretenden Polymerfäden, welche sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens zwei Spinnbalken vorgesehen sind, die relativ zueinander so angeordnet sind, dass sich die austretenden Polymerfäden vor dem Ablegen auf dem Laufband vermengen.
  • Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Spinnbalken im Winkel zueinander angeordnet sind, so dass die austretenden dünneren und dickeren Fäden untereinander vermengt und verwirbelt werden.
  • Insbesondere kann ein erster Spinnbalken Spinndüsen größeren Durchmessers und ein zweiter Spinnbalken Spinndüsen geringeren Durchmessers aufweisen.
  • Schließlich können Ventilatoren zur Erzeugung eines Luftstroms von größenordnungsmäßig 100 mbar im Austrittsbereich der Spinndüsen vorgesehen sein.
  • Mit besonderem Vorteil sind die Spinndüsen durch Laserung erzeugt und weisen einen Durchmesser von < 0,1 mm auf. Hierdurch kann eine hohe Dichte von Spinndüsen mit kleinem Durchmesser auf wirtschaftliche Weise erzeugt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung an Hand von Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen und der Zeichnung näher erläutert.
  • Die nachfolgenden 1 und 2 zeigen die Verteilung der verschiedenen Fasergrößen.
  • Grobe Fasern (ca. 15 μm Durchmesser) liegen größtenteils als Mehrfachfasern vor. Die groben Einzelfasern sind dabei zu Mehrfachfasern verbunden, wobei die Faserverbunde (bis zu 100 μm) nicht nur lose aneinander gelagert sind, sondern die Oberflächen größtenteils miteinander verschmolzen sind.
  • Mittlere Faserdurchmesser (ca. 1–2 μm) liegen meist als Einzelfasern, selten als Verbindungen von max. 3 Fasern vor.
  • In den Übersichtsaufnahmen ist deutlich zu erkennen, dass die Faserstruktur der groben und mittleren Faserdurchmesser von einem Netz an deutlich dünneren Fasern (Nanofasern < 1 μm) durchzogen ist. Die feinsten Fasern liegen dabei ausschließlich als Einzelfasern vor.
  • 3
  • Die Durchmesser der dünnen Fasern betragen 733 nm bzw. 857 nm.
  • Bei Faserdurchmessern von deutlich unter 1 μm handelt es sich eindeutig um Nanofasern.
  • 4
  • In der hohen Vergrößerung wird der extreme Unterschied zwischen einer „normalen" Faser mit ca. 11 μm Durchmesser und den umliegenden Nanofasern mit ca. 750 nm deutlich.
  • 5
  • Zur Darstellung der Faserstrukturen im Vliesquerschnitt wurde die Aufnahme unter einer Kippung von 70° erstellt.
  • Im unteren Bereich der Aufnahme ist das Grundgerüst aus dicken, verschmolzenen Fasern zu erkennen. In mittlerer Bildhöhe ist ein Bereich aus Fein- und Nanofasern erkennbar. Die Deckschicht wird durch Fasern mittleren Durchmessers gebildet.
  • 6
  • Nanofasern (Messwert: 522 nm) neben Fasern mit ca. 1–2 μm Durchmesser.
  • 7
  • Nach Beaufschlagung des Filtermediums mit NaCl-Partikeln (ca. 15 Minuten im Rondenprüfstand):
    Im Hintergrund befindet sich eine grobe Faser (ca. 10–15 μm Druchmesser). An der Oberfläche der groben Faser lagern teilweise sehr kleine NaCl-Partikel (deutlich kleiner 0,5 μm) an.
  • An der sehr dünnen Nanofaser im Vordergrund (Messwert: 426 nm Durchmesser) ist die Anzahl der angelagerten Partikel ähnlich der Partikelanzahl an der dicken Faser, obwohl der Durchmesser der Feinstfaser nur ca. 1/25 der groben Faser beträgt.
  • Die vorstehende 8 zeigt eine Übersichtaufnahme von groben, mittleren und Nanofasern nach Beaufschlagung mit NaCl-Partikeln.
  • 9 zeigt angelagerte NaCl-Partikel an Nanofasern.
  • Die Anlagerungen werden teilweise aus „aneinander hängenden" Einzelpartikeln gebildet. Die Anlagerung von weiteren Partikeln an bereits anhaftende Partikel ist auf elektrostatische Effekte der Fasern zurückzuführen.
  • 10 ist eine Übersichtaufnahme von groben, mittleren und Nanofasern nach Beaufschlagung mit NaCl-Partikeln.
  • Die Struktur in der Bildmitte zeigt nochmals eindeutig das Verschmelzen der Oberflächen von einzelnen Fasern zu sehr massiven Mehrfachfaser-Gebilden.
    •
  • In Verbindung mit 1 und 2 wird nachfolgend die erfindungsgemäße Vorrichtung erläutert:
    Die nachfolgend erläuterte 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Spinnbalken 1, der nebeneinander angeordnet eine Mehrzahl von Spinndüsen 2 aufweist, durch die unter Druck, wie durch den Pfeil 3 veranschaulicht, ein Kegel 4 flüssigen Polymers austritt. Über Luftkanäle 5 wird in Richtung der Pfeile 6 ein durch Ventilatoren erzeugter Luftstrom mit einem Druck von etwa 100 mbar herangeführt.
  • In 2 sind schematisch zwei Spinnbalken 1 dargestellt, welche zueinander einen spitzen Winkel β bilden und um einen Winkel α gegen die vertikale Richtung bezogen auf ein unter den Spinnbalken 1 angeordnetes Laufband 7 angeordnet sind.
  • Der in 2 linke Spinnbalken 1 weist Spinndüsen 2 größeren Durchmessers und der in 2 rechte Spinnbalken 1 weist Spinndüsen 2 geringeren Durchmessers auf, so dass Polymerfäden 8 größeren Durchmessers und Polymerfäden 9 geringeren Durchmessers im Bereich 10 vermischt und ineinander verwirbelt und dann unter Ausbildung eines Filter-Vlieses 11 auf dem Laufband 7 abgelegt werden. Die dünneren Polymerfäden 9 sind hierdurch weitgehend homogen zwischen den dickeren Polymerfäden 8 verteilt.

Claims (17)

  1. Plissierbares Vliesmaterial umfassend tragende, formstabilisierende dickere Fasern und die Filterwirkung bestimmende dünnere Fasern, dadurch gekennzeichnet, dass die dünneren Fasern weitgehend homogen in die dickeren Fasern inkorporiert sind.
  2. Plissierbares Vliesmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dickeren Fasern einen Durchmesser > 5 μm und die dünneren Fasern < 200 nm aufweisen.
  3. Plissierbares Vliesmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dickeren Fasern einen Durchmesser zwischen 15 und 30 μm aufweisen.
  4. Plissierbares Vliesmaterial nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dünneren Fasern einen Durchmesser zwischen 150 nm und 2000 nm aufweisen.
  5. Plissierbares Vliesmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus Polypropylen, Polyester oder einem Blend wie Polyester/Polyethylenterephtalat bestehen.
  6. Verfahren zur Herstellung eines plissierbaren Faservlieses, wobei ein Polymer aufgeschmolzen und durch die Spinndüsen eines Spinnbalkens gedrückt wird, und wobei die so gebildeten Polymer-Fäden auf einem Laufband unter Ausbildung einer Vliesschicht abgelegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass Spinndüsen (2) unterschiedlichen Durchmessers verwendet und gleichzeitig Polymerfäden (8, 9) größerer und geringerer Dicke erzeugt und abgelegt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei im Winkel zueinander angeordnete Spinnbalken (1) verwendet werden, wobei sich die aus den Spinndüsen (2) jedes Spinnbalkens (1) austretenden Polymerfäden (9) vor dem Auftreffen auf der Unterlage vermengen und ineinander verwirbeln.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Spinnbalken (1) eingesetzt werden, wobei ein erster Spinnbalken (1) Düsen größeren Durchmessers und ein zweiter Spinnbalken (1) Düsen geringeren Durchmessers aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass hochviskose Polymerschmelzen eingesetzt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Melt-Flow-Index „mfi" deutlich unter 400 liegt.
  11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Sprinnbalken Luft mit einem Druck in der Größenordnung von 100 mbar herangeführt.
  12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6 bis 11, umfassend Spinnbalken mit einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Spinndüsen und ein Laufband zum Ablegen der aus den Spinndüsen austretenden Polymerfäden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Spinnbalken (1) vorgesehen sind, die relativ zueinander so angeordnet sind, dass sich die austretenden Polymer-Fäden vor dem Ablegen auf dem Laufband (7) vermengen.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Spinnbalken (1) im Winkel (β) zueinander angeordnet sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Spinnbalken (1) Spinndüsen (2) größeren Durchmessers und ein zweiter Spinnbalken (1) Spinndüsen (2) geringeren Durchmessers aufweist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilatoren zur Erzeugung eines Luftstroms mit einem Druck von größenordnungsmäßig 100 mbar im Austrittsbereich der Spinndüsen (2) vorgesehen sind.
  16. Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinndüsen (2) durch Laserbohrung erzeugt sind.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Spinndüsen < 0,1 mm ist.
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