DE102010033750A1

DE102010033750A1 - Verfahren zur Herstellung von Mikrofaser Vliesstoffen aus Polymeren unterschiedlicher Permittivität

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Publication number: DE102010033750A1
Application number: DE102010033750A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Roock Daniel De
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2011-12-01
Also published as: DE102010033750A8

Abstract

Die Erfindung betrifft Mikrofaser Spinnverfahren zur Herstellung von faserähnlichen Vliesstoffen mit mindestens einem Düsenwerkzeug abgebende Filamente, wobei die Filamente eine Bikomponentenstruktur aus Polymeren unterschiedlicher Permittivität haben, oder eine Monokomponenterstruktur. Unter Einwirkung von Prozessluft bilden sie einen Polymerfilamentestrom, welcher auf eine Ablagefläche eines Ablage/Transportsystems trifft, auf welchem die Polymerfilamente als Vlies oder als Filamente abgelegt werden. Erfindungsgemäß folgt anschließend eine Kühlstrecke, um die Materialeigenschaften einzustellen und in einem Mikrowellen Feld erfolgt das Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente zur Erhöhung der spezifischen Oberfläche.

Description

Die Erfindung betrifft Mikrofaser Spinnverfahren zur Herstellung von faserähnlichen Vliesstoffen mit mindestens einem Düsenwerkzeug abgebende Filamente, wobei die Filamente eine Bikomponentenstruktur aus Polymeren unterschiedlicher Permittivität haben, oder eine Monokomponentenstruktur. Unter Einwirkung von Prozessluft bilden sie einen Polymerfilamentestrom, welcher auf eine Ablagefläche eines Ablage/Transportsystems trifft, auf welchem die Polymerfilamente als Vlies oder als Filamente abgelegt werden. Erfindungsgemäß folgt anschließend eine Kühlstrecke, um die Materialeigenschaften einzustellen und in einem Mikrowellen Feld erfolgt das Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente zur Erhöhung der spezifischen Oberfläche.
Mit Spinntechnologien werden Vliesstoffe und Mikrofaservliesstoffe hergestellt, die im Bereich der Filtration eine breite Anwendung finden. Es werden Faservliesstoffe für die allgemeine Raumlufttechnik eingesetzt, entsprechend den Filterklassen der DIN EN 779 und der DIN EN 1822. Das Abscheideverhalten von Filter der Raumlufttechnik wird auch bei Staubfiltern in der Industrie eingesetzt. Spezielle Verfahren sind die Meltblown-Technologie, Spinnvliestechnologie, verwandte Schmelzblasverfahren, Zentrifugalspinnen. Die Erfindung kann umgesetzt werden durch die Meltblown Technologie, aber auch durch Spinnvliestechnologien.
Ein Vorteil des Meltblown Verfahren ist, dass der Mikrofaservliesstoff in einem Arbeitsgang entsteht, bezüglich des Abscheidegrades bei der Luftfiltration aber hat dieses Verfahren bisher eine kommerzielle Grenze bei Schwebstofffiltern, die etwa bei H12 liegt. Das bedeutet 99,5% Abscheidegrad nach DIN EN 1822, bezogen auf MPPS(Most Penetration Particel Size). Dabei wird die Partikelgröße gemessen, die den größten Anteil der Durchgängigkeit hat. Versuche die Porosität zu optimieren und die Effektivität zu steigern zeigen eine Grenze bei der Ausstoßleistung des Verfahrens, wodurch eine wirtschaftliche Produktion nicht möglich erscheint. Schwebstofffilter der Kategorie bis U17 lassen sich deshalb mit dem Mikrofaser Meltblown Verfahren nicht herstellen.
Für den Bereich der Schwebstofffilter H und U kommen vornehmlich Glasfaserpapiere zum Einsatz, die nach dem so genannten Wetlaid Verfahren hergestellt werden. Diese Filtermaterialien zeichnen sich aus durch eine besondere Gleichmäßigkeit und Feinheit der Fasern. Damit erzielen sie in der Luftfiltration die geforderten Abscheidegrade in Bezug zur Hepa-Filtration, nach der DIN 1822. Mikrofaservliesstoffe erzielen diese Abscheidegrade bisher nicht. Die Porosität und Struktur des Vliesstoffes kann den Anforderungen an Schwebstofffilter bisher nicht erfüllen und damit auch nicht die Anforderungen, die an Schwebstofffilter der Kategorie H und U der DIN EN 1822 gestellt wenden.
Für die Herstellung der Glasfaserpapiere wird Lösungsmittel verwendet, um die Glasfasern in eine Suspension zu bringen, aus der schließlich das Glasfaserpapier entsteht. Nachteilig ist, dass hier große Mengen Lösungsmittel benötigt werden; das Produkt muss getrocknet werden und schließlich wird ein Bindemittel eingebracht, damit der entsprechende Zusammenhalt der Fasern gewährleistet ist. Lösungsmittel und Bindemittel machen den Prozess aufwendig und belasten die Umwelt. Darüber hinaus ist die Glasfaserherstellung und eben die Verwendung seit vielen Jahren in der Kritik, weil durch die Sprödigkeit der Faser Faserbruch entstehen kann und damit die Gefahr, dass Faserpartikel in die Reinluft gelangen. Diese Partikel sind in jedem Fall lungengängig und damit gesundheitsgefährdend. Schwebstofffilter werden bisher vorwiegend aus Glasfaserpapieren hergestellt, diese sind aber umstritten wegen des Ausstaubens gebrochener Fasern in die Reinluft. Diese Gefahr besteht für Vliesstoffe der Mettblown Technologie nicht, wegen ihrer höheren Elastizität und der damit verbundenen Unempfindlichkeit gegen Bruch.
So genannte Splittfasern werden aus Bikomponenten-Fasern hergestellt. Die so hergestellten Mehrkomponenten-Fasern werden durch ein Hochdruck-Wasserstrahl-Verfahren aufgespleißt. Mit der Wasserstrahltechnik werden bei Vliesstoffen verschiedene Wirkungen erzielt. Für bestimmte Produkte ersetzt diese Technik die Vernadelung, d. h. die vorbereiteten und gelegten Fasern werden durch feine Wasserstrahle verwirbelt und miteinander verbunden. (Spunbonding, Alfred Watzl; Vice President; Fleissner GmbH & Co.) Bei dieser Vliesverfestigung durch Wasserstrahltechnik wie auch beim Vorgang des Fasersplittens entstehen in jedem Fall feine Poren einer Größenordnung, die eine feinste Partikelabscheidung nicht möglich macht. Die Poren entstehen durch die Wasserstrahlbehandlung, weshalb die hergestellten Vliesstoffe für den Bereich der Hepa- und Ulpa-Filtration aufgrund der Porengröße nicht geeignet sind.
Die Herstellung von Bikomponenten-Fasern lässt sich auch mit der Meltblown-Technologie realisieren. (Reifenhäuser, Tandec Research) Die Möglichkeiten der Fasertypen sind vergleichbar mit bestehenden Fasern wie, Isands-in-a sea, separation type oder Mehrschicht-type. Da aber die Fasern bereist sehr fein sind, im Bereich weniger μm, ist eine Separation einzelner Segmente technologisch zwar bekannt, aber eine Realisierung schwierig und wenig effektiv. Ein "fiber splitting of bicomponent meltblown Nonwovens by Ultrasonic Wave" (Tianjin Polytechnic University august 2009) führt zu einer Realisierung von einem geringen Grad an Meltblown-Spaltfasern. Bei diesem Verfahren werden als Lösungsmittel Benzylalkohol oder Sodiumhydroxid benötigt.
Polymere, die für Mikrofaserverfahren eingesetzt werden, sind sehr vielfältig, insbesondere für die Realisierung einer Bikomponentenstruktur. Zum Einsatz kommen häufig als Polyolefine, PP, PE, und PES, PPA, PET, PA, PBT, PUR. Als Kombination einer Bikomponenten-Faser sind möglich aus Polyolefinen/PET, Polyolefinen/PA, PP/PP, PP/PE, PET/PA, weitere Möglichkeiten bestehen mit Copolymeren.
Ebenfalls werden für das Meltblown Verfahren oder einem modifizierten Verfahren Celluloseacetate eingesetzt oder solche mit einem Additiv, um das Polymer verspinnen zu können. (Weyerhaeuser Company). Polymere mit Celluloseacetate haben den Vorteil, dass bereits eine bestimmte Permittivität vorhanden ist, die für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines faserähnlichen Vliesstoffes nach einem Mikrofaser Verfahren zu entwickeln, wobei die Filamente eine Bikomponentenstruktur aus Polymeren unterschiedlicher Permittivität haben, so dass durch eine nach geschaltete Kühlstrecke und einem Mikrowellen Feld die Filamente/Fasern aufspleissen und/oder aufgebrochen werden, damit eine Erhöhung der spezifischen Oberfläche erreicht wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst.
Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung 1 und Verfahren, bei dem mit Hilfe von Spinnvliesverfahren Faservliesstoffe hergestellt werden. Die Filamente bestehenden in einer Ausführung aus einem Monopolymeren. In einer weiteren Ausführung werden Bikomponenten-Filamente hergestellt. Die eine Ausführung ist eine Monofaser, im anderen Fall ist es eine Bikomponentenfaser. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Meltblown Technologie auch als Spinnvliestechnologie bezeichnet, weil richtig gehend in beiden Verfahren die Filamentvliestoffe einstufig entstehen. Filamentbildung, Kühlung, Verstreckung, Ablage. Bei der Meltblown Technologie ist eine Verfestigung nicht unbedingt notwendig, bei der Spinnvlies Technologie ist eine Verfestigung notwendig. Die Kombinationen von Bikomponentenstrukturen sind vielfach, z. B. sternförmig als Mantel/Kern Struktur, schichtweise, unsymetrisch usw. Der Hintergrund der Erfindung besteht darin, dass die hergestellten Mikrofasern/Filamente ein Mikrowellenfeld durchlaufen und aufgespleißt und/oder aufgebrochen werden. Entscheidend für das Verfahren ist die relative komplexwertige Permittivität von Sftoffen, die im erfindungsgemäßen Verfahren mit Permittivität bezeichnet wird. Vor der Behandlung im dielektrischen Feld ist nur ein Monofilament vorhanden, dass entweder als Bikomponentenfilament vorliegt, mit mindestens zwei Polymeren, oder als Monokomponentenfilament. Ein Bikomponentenfilament entsteht durch zwei Polymer-Schmelzkanäle, das Monokomponentenfilament durch einen Polymer-Schmelzkanal. Durch die Behandlung im Mikrowellenfeld entstehen aus einem Filament das Vielfache an Fasern. Hat das erfindungsgemäße Filament vor der Mikrowellenbehandlung einen Durchmesser von 15 μm, so ist der Durchmesser danach ca. 5 μm, vorzugsweise 1,5 μm. Die Mikrofasern der Meltblown Technologie erreichen Faserfeinheiten im Bereich 5 μm bis 12 μm, aber auch Filamente von 1 μm bis 5 μm. Durch das erfindungsgemäße Verfahren entstehen dann spezifische Oberflächen der wesentlich Nanofasern von 10 m²/g bis 60 m²/g. Die große spezifische Oberfläche der hergestellten Filamente und Filamentvliesstoffe ergeben die Möglichkeit diese als Filtervliesstoffe einzusetzen. Entsprechend den Anforderungen der DIN EN 779 werden Faservliesstoffe hergestellt, ebenso entsprechend der DIN EN 1822 können Schwebstofffilter hergestellt werden. Die Bezeichnung des Faservliesstoffes durch die spezifische Oberfläche in (m²/g) ist definierter, weil durch das Mikrowellenfeld die Filamente aufgebrochen und aufgespleißt werden, weshalb der Faservliesstoff als „faserähnlich” bezeichnet wird. Eine wichtige Kenngröße bei der Auswahl eines geeigneten Polymers ist deren Permittivität und die Werkstoffeigenschaften. Ist der dielektrische Verlustwert des Polymers nicht derart geeignet, dass keine Energie in das Filament eindringen kann, so bedarf es spezifischer Beimischungen, wodurch die Permittivität des Polymers erhöht wird. Der dielektrische Verlustwert ist auch der Imaginärteil der komplexwertigen relativen Permittivität, ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, elektromagnetische Feldenergie bei Hochfrequenz in Wärmeenergie zu wandeln. Die Permittivität für das erfindungsgemäße Verfahren ist hier die Bezeichnung für die komplexwertige relative Permittivität. Als Füllstoffe seien hier genannt: Leitfähigkeitsruss, Eisenoxid – oder Aluminiumteilchen, Silberpulver, Kohlefasern und Edelstahlfasern. (Hera AG) Die Füllstoffe müssen aber für das Mikrofaser Verfahren hauptsächlich nanoskaliger Natur sein.
Die dielektrische Leitfähigkeit von Polymeren kann z. B. durch Zugabe von bestimmten Struktur-Russ-Masterbatchen erreicht werden. Für die dielektrisch leitfähige Modifizierung von Kunststoffen eignen sich insbesondere hochstrukturierte und hochoberflächige Colour Furnacerusse und Leitfähigkeitsruße und Hochleitfähigkeitsruße. Masterbatch ist die Bezeichnung für Additive, die auf verschiedene Weise in andere Komponenten eingemischt wenden. Die erforderliche Russkonzentration der Pigmente ist abhängig von dem verwendeten Leitfähigkeitsruss, dem Bindemittel, der Verarbeitungsmethode und den gestellten Anforderungen. Bei homogener Verteilung des Leitfähigkeitsrusses ist ein Russgehalt zwischen 5 und 35 Gew.-% erforderlich. Füllstoffe, je nach Menge, ändern aber auch die Eigenschaften des Basiskunststoffes. Bei Kohlestofffasern zwischen 10% und 40% werden ebenfalls vergleichbare Leitfähigkeiten erreicht. Die kritische Konzentration an Füllstoff, bei der die Leitfähigkeit des Systems sprunghaft ansteigt, nennt man Perkolationsschwelle. Die Schwelle sinkt mit steigendem Aspektverhältnis (Länge zu Durchmesser) der Füllstoffe. (A. Celzard, E. McRae, C. Deleuze, B 53 (1996) 6209) Anorganische Füllstoffe für Kunststofffasern können entsprechen ihrer höheren Dielektrizitätskonstante auch vorteilhaft für die Erfindung eingesetzt werden. Füllstoffanteile von 0,5 bis 30 Prozent erfüllen die Aufgabe, damit im dielektrischen Raum Energie absorbiert werden kann. Als geeignet als Füllstoff ist Titandioxid, besonders in der tetragonalen Rutil Struktur, Bariumtitanat und verwandte Perowskite wie Pb(Zr, Ti)O, Aluminiumoxid, Aluminiumsilikat, Magnesiumsilikat, Kaolin und Steatit. Insbesondere werden für das erfindungsgemäße Verfahren ferroelektrische Keramikpulver eingesetzt, die als Füllstoff in nanoskaliger Form vorliegen sollen. Ferroelektrika besitzen in der Regel hohe bis sehr hohe Dielektrizitätskonstanten und hohe dielektrische Verlustfaktoren, weshalb sie für die Mikrowellenbehandlung geeignet sind, wie: Bariumtitanat BaTiO₃, Blei-Zirkonat-Titanat Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT), Strontium-Bismut-Tantalat SrBi₂Ta₂O₉ (SBT), Bismuttitanat Bi₄Ti₃O₁₂, Bismut-Lanthan-Titanat Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂ (BLT), Bismut-Titanat-Niobat Bi₃TiNbO₉ (BTN), Strontiumtitanat SrTiO₃ (STO), Barium-Strontium-Titanat Ba_xSr_1-xTiO₃ (BST), Natriumnitrit NaNO₂. (Hans Fischer, Werkstoffe in der Elektrotechnik) Ferroelektrische Pulver eignen sich auch zum Einmischen in andere leitfähige Füllstoffe aufgrund des Dipolcharakters, um dadurch eine bessere Durchgängigkeit des elektrisches Feldes zu erreichen.
Dielektrische Leitfähigkeit lässt sich auch erreichen durch Kohlenstoffröhrchen als Füllstoff, sogenannte Cartoon-Nanotubes (CNTs). CNTs sind Makromoleküle, die aus Kohlenstoffnanoröhrchen bestehen, mit einem Durchmesser von 4 nm bis 100 nm, angeordnet in einem Gerüst von Sechsecken zu winzigen langgestreckten Hohlzylindern. Kohlenstoffnanoröhrchen sind zugfester als Stahl, leiten Wärme besser als Diamt und den elektrischen Strom besser als Kupfer, und sie können ein Aspektverhältnis von 10.000 und mehr erreichen.
WO 2008/014894 A1 beschreibt ein neues Verfahren zur Herstellung von Polymer-Kohlenstoffnanoröhrchen-Mischungen mit Hilfe einer in-situ Gasphasenpolymerisation von Olefinen bzw. Diolefinen, mit der Handelsbezeichnung Baytubes. Der wesentliche Vorteil beim Einsatz von Kohlenstoffnanoröhrchen als Füllstoff besteht in der Effektivität aufgrund der großen spezifischen Oberfläche der CNTs und einem hohen Aspektverhältnis, weshalb die Perkolationsschwelle niedriger ist als bei vergleichbaren Füllstoffen, wie z. B. Kohlefasern oder Leitruss. Das große Verhältnis der Kohlenstoffnanoröhrchen von Länge zu Durchmesser führt schon bei geringen Füllstoffmengen im Polymer zu einer Durchgängigkeit der leitfähigen Substanz, so dass bereits bei einem Anteil < 10% der gewünschte Effekt erzielt wird. Im erfindungsgemäßen Verfahren steht der Begriff des Polymers für das eigentliche Polymer mit seiner organischen Molekülstruktur, aber auch für das Polymer mit den verschiedenen Füllstoffen, die ihrerseits aus Komponenten bestehen können. Ein solcherart ausgewähltes und bereitgestelltes Polymer muss Eigenschaften aufweisen wie Festigkeit, Dehnung, Kristallinität, Permittivität u. a., die notwendig sind, damit das bereits hergestellte Faservlies in der dielektrischen Durchlaufstrecke aufspleißt und/oder aufbricht. Dieser Vorgang findet dann statt, wenn durch den Energieeintrag Spannungen innerhalb der Faser auftreten. Diese Spannungen bewirken das Spleißen und/oder aufbrechen der Fasern. Bei Fasern mit einer monopolymeren Zusammensetzung müssen innerhalb der Faser dielektrische Wechselwirkungen stattfinden und Spannungen, die ein Spleißen und/oder aufbrechen der Fasern/Filamente möglich machen.
Die Permittivität oder dielektrische Leitfähigkeit eines Polymers lässt sich beeinflussen durch einen gezielten Kettenaufbau, in dem Moleküle oder Atome eingebunden werden mit einer gezielten Wechselwirkung, bedingt durch unsymmetrische Molekülstrukturen. Leitfähige Polymere sind z. B.: Polyanilin, Polyacetylen(PA), Polyparaphenylen, Polypyrrol. Polymere, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden sind: Polyolefine, PES, PPA, PET, PA, PBT, PUR. Als Kombination einer Bikomponenten-Faser sind möglich Polyolefine/PET, Polyolefinen/PA, PP/PP, PP/PE, PET/PA, PA/PUR weitere Möglichkeiten bestehen mit Copolymeren.
Lassen sich die Materialeigenschaften nicht bei der vorhandenen Temperatur erreichen, so ist es notwendig eine Kühleinheit vorzuschalten, in der die Temperatur des Faservliesstoffes über eine entsprechende Verweilzeit eingestellt wird, damit dann der Vorgang des Spleißens und/oder Aufbrechens stattfinden kann.
Von Bedeutung und von Vorteil für die Erfindung ist der Einsatz der Bikomponenten-Technologie für Meltblown. Als Faserstruktur-Typen kommen in Frage, Islands-in-a-sea, Separations-typ, side by side-typ. Im Fall der Bikomponenten Technologie werden mindenstens zwei Polymere mit unterschiedlicher Permittivität eingesetzt. Vorteilhaft ist der Einsatz des Splittfasertypen, bei dem das leitfähige Polymer mit geringerem Anteil sich quasi sternförmig durch den Faserquerschnitt zieht. Die in ihrer unterschiedlichen Permittivität eingestellten Polymere und die so erzeugten Fasern spleißen und brechen auseinander, sobald sie mit entsprechender Mikrowellen-Energie beaufschlagt werden. Beim ”Islands-in-a-Sea” können ebensolche Verhältnisse eingestellt werden. Der Insel-Anteil kann aus PET, PA oder auch aus Poleolefinen sein, während der Sea-Anteil ein Polyvinyl, Polyolefin oder ein Polyester-Copolymer sein kann, auch die Umkehrung von Insel und Sea ist möglich. Der Splittprozeß findet bei der Mikrofaser/Filament dadurch statt, dass sich ein Teil der Bikomponenten-Faser durch die dielektrische Leitfähigkeit ausdehnt und dadurch den auf eine bestimmte Sprödigkeit eingestellte andere Teil der Faser aufspleißt und/oder aufbricht. 2 bis 7 zeigt die verschiedenen Bikomponenten Typen, mit denen das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann.
Wenn man die spezifische Oberfläche Filters mit der Dimension (m²/g) bezeichnet, so ergibt sich durch das Spleißen und aufbrechen eine vielfach höhere Oberfläche des Filtermediums. Berechnet man eine Monofaser mit einem kreisrunden Durchmesser von 2 μm, so ergibt sich eine spezifische Oberfläche von etwa 2 m²/g, bezogen auf Polypropylen. Durch das aufbrechen und aufspleißen der Bikomponentenfilamente entsteht eine vielfach höhere Oberfläche, bei Mikrofasern steigt der Wert durch die Nachbehandlung in einem Mikrowellenfeld bis auf > 20 m²/g, was einer mittleren Faserstärke von < 500 nm entspricht.
Die in dem Verfahren nachgeschaltete Durchlaufstrecke bestehend aus einem hochfrequenten elektrischen Wechselfeld wird durch einen Hochfrequenzgenerator gespeist. Für technische Anwendungen wird häufig die Frequenz 2450 MHz eingesetzt, mit einer Wellenlänge von 12,24 cm. Für das erfindungsgemäße Verfahren wird die in der Industrie hauptsächlich eingesetzte Frequenz von 2450 MHz genutzt, alle anderen international festgelegten Frequenzen könnten auch eingesetzt werden. Maßgebend für die in einem Volumenelement des Fasergutes absorbierte Energie sind elektrische Feldstärke des Mikrowellenfeldes, Frequenz und Verlustwert des Polymers ε_r, man spricht von der komplexwertigen relativen Permittivität. Der Verlustwert wird aus dem Produkt von Permittivitätszahl und dem Tangens des Verlustwinkels gebildet. Beide Größen sind frequenz- und temperaturabhängig. Die Volumenleistungsdichte P''' ergibt sich aus: P''' = 2·π·f·ε_o·ε_r''·E²[W/m³]

f: Betriebsfrequenz Hz
ε_o: elektrische Feldkonstante = 8,85·10^–12 As/Vm
ε_r'': dielektrischer Verlustwert = Imaginärteil der komplexen Permittivität
E: elektrische Feldstärke in V/m (Effektivwert)

Die Mikrowellenerwärmung gehört zum Gebiet der dielektrischen Erwärmung. Darunter versteht man die Wärmeerzeugung in elektrisch nicht oder nur schwach leitenden Stoffen durch Einwirkung eines hochfrequenten elektrischen Wechselfeldes. Finden Ausdehnungs- und Bruchvorgänge innerhalb einer Faser statt, so verteilt sich die Energie auf Erwärmung und Bruchvorgang, also thermische und mechanische Energie. Voraussetzung für die Absorption der energetischen Strahlen ist eine unsymmetrische Molekülstruktur. Unter Einwirkung eines Wechselfeldes vollführen die Moleküldipole im Takt des hochfrequenten Feldes Rotationsschwingungen. Dabei wird infolge der entstehenden intermolekularen Reibung Hochfrequenzenergie absorbiert und in Wärme und mechanische Energie umgewandelt. Auch frei bewegliche Ionen wenden vom elektrischen Wechselfeld beeinflusst, einem Mikrowellenfeld.
Bei der hier vorliegenden Erfindung wird die Energie nur teilweise in Erwärmung umgewandelt, ein anderer Teil der Energie bewirkt das Spleißen und aufbrechen der Fasern. Bei monopolymeren Fasern erfolgt das Spleißen und Aufbrechen durch die spezifische Anordnung der Molekülketten und daraus resultierend aus dem Materialverhalten. Eine andere Möglichkeit ist das Beimischen von Stoffen mit dielektrischem Charakter, wodurch eine partielle Erwärmung innerhalb der Faser stattfindet und damit das Spleißen und/oder Aufbrechen. Verwendet man eine Bikomponenten Faser, so lässt sich durch den Unterschied der dielektrischen Leitfähigkeit in der koaxialen Faser oder anderen o. g. Fasertyp der Spannungszustand im dielektrischen Wechselfeld herbeiführen, wodurch es dann zum Spleißen und/oder aufbrechen kommt. Das Resultat soll im einen wie im anderen Fall die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche sein, damit eine verbesserte Filterwirkung. Dies soll in der Hauptsache zum Ergebnis haben, Mikrofaser Filtermaterialien herzustellen für den Bereich der Raumlufttechnik der Filterklassen G und F, nach DIN EN 779, und der Schwebstoff Filtration nach DIN EN 1822 mit den Filterklassen HEPA H10 bis H14, ULPA U15 bis U17. Diese Schwebstoff Filterklassen werden heute vornehmlich noch von Glasfaserpapieren abgedeckt, mit den bekannten und schon beschriebenen Nachteilen. Es werden Filamente für verschiedene Anwendung als Monopolymerfaser oder als Bikomponentenfaser hergestellt. Mit dem Spinnvlies-Mikrofaser Verfahren liegt die Größenordnung etwa zwischen 1 μm bis 12 μm, mit dem Spinnvliesverfahren (z. B. Reifenhäuser) im Bereich von 15 μm bis 25 μm. Werden monopolymere Filamente eingesetzt, so können die entsprechenden Füllstoffe mit einem Grad der Homogenisierung entweder chaotisch oder homogen eingemischt werden. Beim vorteilhaften Einsatz von Bikomponenten Filamenten werden die einzelnen Polymere mengenmäßig so eingesetzt, dass die Polymere gegenseitig entsprechend reagieren und die Bikompoentenfilamente aufbrechen und splitten. Ein eingesetzter Füllstoff hat in diesem Fall die gleiche Aufgabe, eben unterschiedlich auf die Mikrowellenbestrahlung zu reagieren. Der Anteil des Füllstoffs hängt ab von seiner Permittivität und von der Verträglichkeit für das Spinnverfahren und wird angegeben von 0,5 bis 30 Prozent. Als anorganische Füllstoffe sind Titandioxid, Bariumtitanant und andere anorganische Füllstoffe mit hohen Dielektrizitätskonstanten vorteilhaft einsetztbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren geht auch den Weg, dass die eine auf Hochfrequenz reagierende Polymerkomponente der Bikomponentenfilamente zu einem nur geringen Anteil des Filamentes beiträgt, so dass dieses Polymer wie eine Trennschicht anzusehen ist. Bezogen auf die Splittfaser, wäre diese reaktive Komponente wie die Speichen eines Rades im anderen Polymer verteilt. Der Anteil soll mit 0,5% bis 30% angeben werden. Als reaktives Polymer wird hauptsächlich Polyamid verwendet. Die zweite Komponente besteht aus PES, PET oder Copolymeren. Besteht das reaktive Polyamid mit 5% Anteil, so entsteht durch das Hochfrequenzfeld ein Schmelz- und Quellvorgang, die einzelnen Segmente werden voneinander getrennt, bei dem die Splittfaser entsteht und damit eine große spezifische Oberfläche. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet aber auch, dass die unterschiedliche Permittivität in den mindestens zwei Polymeren dadurch erreicht wird, dass entweder nur das eine Polymer der Bikomponente mit einem Füllstoff angereichert wird oder die mindestens zwei Polymere. Der Vorgang für die Entstehung der Splittfaser ist dann vergleichbar wie oben.
1 Schema der erfindungsgemäßen Spinnvlies-Anlage
beschreibt eine Spinnvliesanlage-Anlage mit einem Düsenwerkzeug 1, in dem Polymer extrudiert wird und mit der Prozessluft gemeinsam in der vorgegebenen Richtung zusammengeführt wird, so dass daraus prozessbedingt Polymerfilamente 2 entstehen. Die Polymerfilamente und die Prozessluft werden entsprechend temperiert. Die Polymerausstossmenge und die Prozessluftgeschwindigkeit werden so aufeinander abgestimmt, dass unter den gegebenen Strömungsverhältnissen im Bereich der Ablage die gebildeten Filamente auf den Kollektor gelangen. Diese Filamente werden auf einem Kollektor im Bereich der Ablage 4 abgelegt und bilden dort ohne weitere Bindemittel ein zusammenhängendes Vlies oder Filamente. Anschließend durchlaufen die gebundenen oder ungebundenen Filamente eine Kühlstrecke 5, in der die Temperatur der Filamente derart temperiert werden, dass das Materialverhalten der Filamente ein entsprechendes Spleiß- und Bruchverhalten aufweist. Die Kühlstrecke wird nur dann benötigt, wenn das Verhalten der Polymere bei Umgebungstemperaturen nicht den gewünschten Effekt des Spleißens – und Aufbrechens erreichen kann. Danach gelangt der vorbereitete Vliesstoff in ein hochfrequentes dielektrisches Wechselfeld 6, oder auch als Mikrowellen-Durchlaufstrecke zu bezeichnen. Die Leistung der Mikrowellenstrecke wird entsprechend der Berechnung der Volumenleistungsdichte P''' und dem Verhalten der Polymere eingestellt, damit die entsprechende Vergrößerung der spezifischen Oberfläche stattfinden kann. Zwei gegenläufige Stahlwalzen haben die Aufgabe den Vliesstoff zu verfestigen und auf die endgültige Porosität einzustellen. Anschließend findet die Aufwicklung 8 statt.
Beispiel 1
Eine Mikrofaser Produktionsanlage von 1,6 m Produktionsbreite arbeitet mit einer Polymerleistung von 0,35 g/(h·min), ca. 40 kg/h, und 2400 Nm³/h Prozessluft. Der Abstand zwischen der Düse 1 und dem Kollektor 3 beträgt ca. 200 mm. Die Absaugleistung 3 der Anlage beträgt ca. 10000 Nm³/h. Der vorhandene Vliesstoff gelangt in eine Mikrowellen-Durchlaufstrecke, in der in einem dielektrischen Wechselfeld die Bikomponentenfasern Fasern aufgespleißt und/oder aufgebrochen werden. Die spezifische Oberfläche des Filtervliesstoffes erhöht sich von etwa 2 m²/g bis auf etwa 10 m²/g. Das damit erzeugte Vlies von ca. 80 g/m² entspricht den Anforderungen der Hepa-Filtration H 13, mit einem Abscheidegrad größer 99,95%, in Anlehnung an die DIN EN 1822 für Schwebstofffilter.
Beispiel 2
wie Beispiel 1, das vorhandene Produkt wird nach der Ablage auf dem Kollektor durch eine Kühlstrecke gefahren, um die gewünschten Materialeigenschaften, Sprödigkeit, Spleiß- und Bruchverhalten zu erreichen. Das damit erzeugte Vlies von ca. 80 g/m² entspricht den Anforderungen der Hepa-Filtration H 13, mit einem Abscheidegrad größer 99,95%, in Anlehnung an die DIN EN 1822 für Schwebstofffilter. Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

Position Fig. 1 Bezeichnung

1 Düsenwerkzeug

2 Faserbildung

3 Absaugung

4 Ablage, Kollektor, Vlies

5 Kühlstrecke

6 Mikrowellen

7 Stahlwalzen

8 Wickler
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/014894 A1 [0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 779 [0002]
DIN EN 1822 [0002]
DIN EN 1822 [0003]
DIN 1822 [0004]
DIN EN 1822 [0004]
”fiber splitting of bicomponent meltblown Nonwovens by Ultrasonic Wave” (Tianjin Polytechnic University august 2009) [0007]
DIN EN 779 [0012]
DIN EN 1822 [0012]
A. Celzard, E. McRae, C. Deleuze, B 53 (1996) 6209 [0013]
DIN EN 779 [0022]
DIN EN 1822 [0022]
DIN EN 1822 [0026]
DIN EN 1822 [0027]

Claims

Spinnvlies Verfahren zur Herstellung eines Faservliesstoffes (4) mit mindestens einem Düsenwerkzeug (1) abgebende Filamente, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Filamente einen Vliesstoff (4) von Bikomponentenfilamenten aus mindestens zwei Polymeren bilden, wobei die Polymere der Bikomponentenfilamente unterschiedliche Permittivitäten haben, ein Mikrowellen Feld (6) durchlaufen, wo durch den Unterschied der dielektrischen Verlustwerte der Polymere ein Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Permittivität der mindestens zwei Polymere in den Bikomponenten Filamenten mit anorganischen Füllstoffen eingestellt wird.
Spinnvlies Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als anorganische Füllstoffe Titandioxid, besonders in der tetragonalen Struktur, Bariumtitanat, verwandte Perowskite wie Pb(Zr, Ti)O₃, Bariumtitanat BaTiO₃, Blei-Zirkonat-Titanat Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT), Strontium-Bismut-Tantalat SrBi₂Ta₂O₉ (SBT), Bismuttitanat Bi₄Ti₃O₁₂, Bismut-Lanthan-Titanat Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂ (BLT), Bismut-Titanat-Niobat Bi₃TiNbO₉ (BTN), Strontiumtitanat SrTiO₃ (STO), Barium-Strontium-Titanat Ba_xSr_1-xTiO₃ (BST), Natriumnitrit (NaNO₂), TitanKarbid (TiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Quarz (SiO₂), Feldspat, Aluminiumsilikate, Magnesiumsilikate, Natriumsilikate, Kaolin und/oder Steatit eingesetzt werden.
Spinnvliesverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Füllstoffe der Polymere der Bikomponentenfilamente ferroelektrische Eigenschaften haben.
Spinnvlies Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Permittivität der Polymere der Bikomponentenfilamente durch Additivierung mit Cartoon Nanotubes (CNT) eingestellt wird.
Spinnvlies Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Permittivität der Polymere der Bikomponentenfilamenten durch Additivierung mit Russ eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 5, 6, dadurch gekennzeichnet, dass den Füllstoffen der Polymere der Bikomponentenfilamente ferroelektrische Komponenten additiviert wenden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass von den mindestens zwei Polymeren der Bikomponentenfilamenten nur ein Polymer durch Füllstoffe additiviert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoffanteil zur Einstellung der Permittivitäten in den Filamenten entsprechend der Perkolationsschwelle und der Verspinnbarkeit angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoffanteil 0,5 Gew.-% bis 30 Gew.-%, vorzugsweise 0,1 Gew.-% bis 10 Gew.-%, beträgt.
Spinnvlies Verfahren zur Herstellung eines Faservliesstoffes (4) mit mindestens einem Düsenwerkzeug (1) abgebende Filamente, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Filamente einen Vliesstoff (4) aus Monopolymerfilamenten bilden, wobei das Polymer durch Füllstoffe additiviert wird und sich unterschiedliche Permittivität einstellen, ein dielektrisches Wechselfeld durchlaufen, wo durch den Unterschied des dielektrischen Verlustwertes innerhalb der Filamente ein Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Bikomponentenfilamente aus mindestens zwei Polymeren als lose Filamente abgelegt wenden, wobei die Polymere der Bikomponentenfilamente durch Füllstoffe unterschiedliche Permittivität haben, ein dielektrisches Wechselfeld durchlaufen, damit durch den Unterschied des dielektrischen Verlustwertes der Polymere ein Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente stattfindet.
Spinnvliesverfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filamentvliesstoff oder die ungebundenen Filamente vor der dielektrischen Durchlaufstrecke gekühlt werden, entsprechend der benötigten Sprödigkeit bis auf 0 Grad Celsius.
Spinnvliesverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Filamentvliesstoff oder die ungebundenen Filamente vor der dielektrischen Durchlaufstrecke gekühlt werden, entsprechend der benötigten Sprödigkeit von 0 Grad Celsius bis minus 20 Grad Celsius.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservliesstoff nach der dielektrischen Durchlaufstrecke durch ein gegenläufiges Stahlwalzenpaar läuft, wo durch Druck und Temperatur der Faservliesstoff verfestigt und auf die endgültige Porosität eingestellt wird.
Anlage zur Herstellung eines Faservliesstoffes (4) mit mindestens einem Düsenwerkzeug (1) abgebende Filamente, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Filamente einen Vliesstoff (4) von Bikomponentenfilamenten aus mindestens zwei Polymeren bilden, wobei die Polymere der Bikomponentenfilamente unterschiedliche Permittivitäten haben, ein Mikrowellen Feld (6) durchlaufen, wo durch den Unterschied der dielektrischen Verlustwerte der Polymere ein Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente stattfindet.
Anlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Permittivität der Polymere in den Bikomponenten Filamenten mit anorganischen Füllstoffen eingestellt wird.
Anlage nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet dass als anorganische Füllstoffe Titandioxid, besonders in der tetragonalen Struktur, Bariumtitanat, verwandte Perowskite wie Pb(Zr, Ti)O₃, Bariumtitanat BaTiO₃, Blei-Zirkonat-Titanat Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ (PZT), Strontium-Bismut-Tantalat SrBi₂Ta₂O₉ (SBT), Bismuttitanat Bi₄Ti₃O₁₂, Bismut-Lanthan-Titanat Bi_4-xLa_xTi₃O₁₂ (BLT), Bismut-Titanat-Niobat Bi₃TiNbO₉ (BTN), Strontiumtitanat SrTiO₃ (STO), Barium-Strontium-Titanat Ba_xSr_1-xTiO₃ (BST), Natriumnitrit NaNO₂, TitanKarbid TiC, Aluminiumoxid, Quarz (SiO₂), Feldspat, Aluminiumsilikate, Magnesiumsilikate, Natriumsilikate, Kaolin und/oder Steatit eingesetzt werden.
Anlage nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen Füllstoffe der Polymere der Bikomponentenfilamente ferroelektrische Eigenschaften haben.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Permittivität der Polymere der Bikomponentenfilamente durch Additivierung mit Carbon Nanotubes (CNT) eingestellt wird.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterschied der Permittivität der Polymere in den Bikomponentenfilamenten durch Additivierung mit Russ eingestellt wird.
Anlage nach einem der Ansprüche 16, 17, 19, 20, 21, dadurch gekennzeichnet, dass den Füllstoffen der Polymere der Bikomponentenfilamente ferroelektrische Komponenten additiviert werden.
Anlage nach einem der Ansprüche 16, 17, 19, 20, 21, 22, dadurch gekennzeichnet, dass von den mindestens zwei Polymeren der Bikomponentenfilamenten nur ein Polymer durch Füllstoffe additiviert wird.
Anlage zur Herstellung eines Faservliesstoffes (4) mit mindestens einem Düsenwerkzeug (1) abgebende Filamente, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Filamente einen Vliesstoff (4) aus Monopolymerfilamenten bilden, wobei das Polymer durch Füllstoffe eine unterschiedliche Permittivität haben, ein dielektrisches Wechselfeld durchlaufen, wo durch den Unterschied des dielektrischen Verlustwertes innerhalb der Filamente ein Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente stattfindet.
Anlage zur Herstellung eines Faservliesstoffes (4) mit mindestens einem Düsenwerkzeug (1) abgebende Filamente, dadurch gekennzeichnet, dass die hergestellten Bikomponentenfilamente unverfestigt abgelegt werden, wobei die Polymere der Bikomponentenfilamente durch Füllstoffe unterschiedliche Permittivität haben, ein Mikrowellen Feld durchlaufen, damit durch den Unterschied des dielektrischen Verlustwertes der Polymere ein Aufspleißen und/oder Aufbrechen der Filamente stattfindet.
Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faservliesstoff nach der dielektrischen Durchlaufstrecke durch ein gegenläufiges Stahlwalzenpaar läuft, wo durch Druck und Temperatur der Faservliesstoff verfestigt und auf die endgültige Porosität eingestellt wird.
Anlage nach Anspruch 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Filamentvliesstoff vor der dielektrischen Durchlaufstrecke gekühlt wird, entsprechend der benötigten Sprödigkeit bis auf 0 Grad Celsius.
Anlage nach Anspruch 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Filamentvliesstoff oder die ungebundenen Filamente vor der dielektrischen Durchlaufstrecke gekühlt wird, entsprechend der benötigten Sprödigkeit auf 0 Grad Celsius bis minus 20 Grad Celsius.