DE102011002312A1

DE102011002312A1 - Filtermedium und Filterelement

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Publication number: DE102011002312A1
Application number: DE102011002312A
Authority: DE
Inventors: Arno Heinen; Frank Landwehr; Janett Zimmer; Bettina Winzer; Wolfgang Peukert; Christine Funk; Volkmar von Arnim; Thomas Stegmaier
Original assignee: Inst Textil & Verfahrenstech; Institut fur Textil- und Verfahrenstechnik (itv); Ing Walter Hengst GmbH and Co KG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Inst Textil & Verfahrenstech; Institut fur Textil- und Verfahrenstechnik (itv); Ing Walter Hengst GmbH and Co KG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-10-31

Abstract

Zur Erhöhung der Effizienz bei der Abtrennung von insbesondere Wasser aus Kraftstoff werden ein Filtermedium (20), bei dem ein poröser Träger (21) beschichtet ist mit Teilchen (22) einer mittleren Ausdehnung zwischen 0,1 nm und 100 μm, wobei die Oberflächenbelegung mit Teilchen zwischen 1% und 60% liegt und die Teilchen zumindest teilweise nicht mit Bindemittel (24) bedeckt sind, und ein Filterelement mit einem solchen Filtermedium vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filtermedium, das einen beschichteten porösen Träger aufweist, und auf ein Filterelement mit mindestens einem solchen Filtermedium.
Filterelemente dienen insbesondere dazu, Wasser aus Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren, insbesondere aus Diesel abzutrennen, um u. a. Korrosion im Einspritzsystem oder eine schlechtere Verbrennung im Motor zu vermeiden.
In der DE 101 23 190 A1 ist beispielsweise ein Kraftstofffilter beschrieben, der zweistufig aufgebaut ist. Er weist zwei in Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Filterstufen auf, wobei die erste aus hydrophilem, durchlässigen Filtermaterial und die zweite aus hydrophobem, durchlässigen Filtermaterial besteht. Die erste Filterstufe lässt durch seine hydrophile Eigenschaft im Kraftstoff enthaltenes, fein verteiltes Wasser zu Tropfen koaleszieren, die dann an der hydrophoben zweiten Filterstufe gesammelt und über die Schwerkraft abgeschieden werden. Die erste Filterstufe kann beispielsweise aus speziell behandeltem Papier sein. Die zweite Filterstufe kann aus Gewebe, Gestrick, Vlies, Papier oder dergleichen sein, das beispielsweise mit Polytetrafluorethylen, Silikon, Wachs, Polypropylen, fluorisiertem Acrylat oder fluorisierten Resolen beschichtet ist, um hydrophob zu sein.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Filtermedium vorzuschlagen, dass eine effiziente Abscheidung von Wasser aus Kraftstoff, insbesondere Diesel ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Filtermedium, bei dem ein poröser Träger beschichtet ist mit Teilchen einer mittleren Ausdehnung zwischen 0,1 nm (Nanometer) und 100 μm (Mikrometer), wobei die Oberflächenbelegung mit Teilchen zwischen 1% und 60% liegt und die Teilchen zumindest teilweise nicht mit Bindemittel bedeckt sind.
Bei den Teilchen kann es sich um einzelne Partikel, insbesondere nanoskalige Partikel handeln oder auch um Agglomerate aus Partikeln. Von einer Bedeckung der Teilchen mit Bindemittel wird gesprochen, wenn auf den Teilchen so viel Bindemittel vorhanden ist, dass die durch die Teilchen induzierte Rauigkeit nivelliert wird und/oder die chemische Funktionalität der Teilchen vom Bindemittel stark abgeschwächt wird. Insbesondere wird hier davon ausgegangen, dass ein Teilchen von Bindemittel bedeckt ist, wenn etwa drei oder mehr molekulare Monolagen von Bindemittel auf dem Teilchen vorhanden sind.
Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Beschichtung dazu führt, dass auf der mikroskopischen Ebene der Grad der Hydrophobie bzw. Hydrophilie lokal schwankt, und zwar zwischen dem Grad der Hydrophobie bzw. Hydrophilie der Partikel einerseits und der Oberfläche des porösen Trägers bzw. eines ggf. mit der Beschichtung verwendeten Bindemittels andererseits, was sich positiv sowohl auf die Eignung, feinste Wassertröpfchen zu Tropfen zu koaleszieren, auswirkt als auch auf ein gutes Abrollen von entstandenen Tropfen von dem jeweiligen Filtermedium. Dadurch lässt sich gegenüber herkömmlichen Filterelementen nicht nur die Abscheiderate bei gleichem Nennvolumenstrom erhöhen, sondern auch bei erhöhten Volumenströmen immer noch hinreichend Wasser aus Kraftstoff abtrennen. Dies erlaubt nicht nur den Einsatz von höheren Drücken bei Kraftstoffeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, sondern verringert auch die Gefahr von Schädigungen durch den in Zukunft weiter ansteigenden Anteil von Kraftstoff auf pflanzlicher Basis, der zu einer geringeren Grenzflächenspannung zu Wasser als bei aus Erdöl gewonnenem Kraftstoff führt, was die Wasserabtrennung erschweren kann.
In bevorzugten Ausführungsformen beträgt der mittlere Abstand zwischen zwei Teilchen zwischen 0,5 nm (Nanometer) und 10 μm (Mikrometer). In den meisten Fällen sind die Teilchenabstände exponentiell verteilt. Solche Verteilungen werden auch RRSB-Verteilung oder Verteilung nach Rosin, Rammler, Sperling und Bennett genannt. Im Rahmen von RRSB-Verteilungen sind die genannten Abstandsangaben so zu verstehen, dass 5% der mittleren Abstände zwischen zwei Teilchen kleiner als 0,5 nm sind bzw. 5% der mittleren Abstände zwischen zwei Teilchen großer als 10 μm sind. Bei zu großen mittleren Abständen und sich daraus ergebenden zu großen Ausdehnungen in eine Richtung einer nicht mit Partikeln oder Agglomeraten belegten Fläche oder einer nur mit Bindemittel belegten Fläche des porösen Trägers ergeben sich größere Inhomogenitäten über die Fläche in der lokalen Oberflächenenergie und Rauigkeit, die sich in entsprechenden Schwankungen des Grades an Hydrophilie bzw. Hydrophobie auswirken. Es wurde beobachtet, dass sich die Effizienz beim Ausscheiden von Wasser aus Kraftstoff bei zu großen Inhomogenitäten im Grad der Hydrophilie/Hydrophobie über die Fläche betrachtet nur in einem geringeren Maß steigern lässt.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen weisen die Teilchen eine mittlere Ausdehnung zwischen 0,5 nm (Nanometer) und 1,5 μm (Mikrometer) auf. Liegen die Teilchen überwiegend in Form von Partikeln vor, weisen sie bevorzugt eine mittlere Ausdehnung im Bereich von 0,5 nm und 300 nm auf. Liegen die Teilchen überwiegend in Form von Partikelagglomeraten vor, weisen sie bevorzugt eine mittlere Ausdehnung im Bereich von 100 nm bis 1,5 μm auf. Es hat sich herausgestellt, dass Teilchen einer solchen Größe besonders gut zu einer Steigerung der Effizienz beim Abtrennen von Wasser aus Kraftstoff beitragen.
Vorteilhafterweise weist das Filtermedium einen dynamischen Abrollwinkel von Wasser auf dem Filtermedium in Kraftstoffumgebung, insbesondere Dieselumgebung von kleiner 35°, bevorzugt kleiner 25° auf. Bevorzugt weist das Filtermedium einen Kontaktwinkel von Wasser auf dem Filtermedium in Kraftstoffumgebung, insbesondere Dieselumgebung zwischen 120° und 160° auf, gemessen auf der Tropfenseite zwischen der Unterlage und der Tangente an die Tropfenoberfläche am Benetzungspunkt. Vorzugsweise weist das Filtermedium eine Kontaktwinkelhysterese bei Wasser auf dem Filtermedium in Kraftstoffumgebung, insbesondere Dieselumgebung von kleiner 10° auf. Diese Eigenschaften sind ein Maß für die Mobilität der Wassertropfen auf dem Filtermedium in Kraftstoffumgebung. Eine hohe Mobilität der Wassertropfen fördert sowohl die Koaleszenz der Tropfen als auch ihr Abfließen unter dem Einfluss der Schwerkraft. Die Mobilität entlang von Fasern des porösen Trägers ist insbesondere bei hydrophil ausgestatteten Medien von Bedeutung. Durch die Beschichtung kann ein Kontaktwinkel des Wassertropfens an einer Faser von kleiner 90° erreicht werden bei gleichzeitiger kleiner Kontaktlinie, was einer höheren Mobilität förderlich ist, so dass der Tropfen leicht mit anderen Tropfen koaleszieren kann.
Bevorzugt weisen die Teilchen Oxide, Sulfide, Phosphate oder Sulfate von Metallen oder Oxide oder Sulfide von Halbmetallen als Material auf. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Teilchen eines oder mehrere Materialien der Gruppe Siliziumdioxid, Titandioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid aufweisen. Siliziumdioxid liegt dabei beispielsweise oft überwiegend sphärisch vor, Aluminiumoxid und Titandioxid liegen überwiegend in unregelmäßiger Form vor. Beschichtungen mit solchen Teilchen haben eine hohe Effizienz der Wasserabtrennung aus Kraftstoff, insbesondere aus Diesel gezeigt.
In bevorzugten Ausführungsformen weist das Bindemittel ein oder mehrere Silane mit Fluorgruppen auf. Es hat sich herausgestellt, dass solche Bindemittel im hohen Maße hydrophob sind und die allermeisten Partikelmaterialien hydrophiler sind, so dass eine derartige Beschichtung auf dem porösen Träger eines Filtermediums im mikroskopischen Bereich zu einer betragsmäßig hohen lokalen Schwankung im Grad der Hydrophobie der Oberfläche führt, was sich positiv auf die Effizienz der Wasserabscheidung aus Kraftstoff ausgewirkt hat. Derartige Bindemittel sind beispielsweise in der DE 101 59 288 A1 , der EP 1 922 230 A2 und der DE 10 2007 017 303 A1 offenbart, auf deren Offenbarungsinhalt hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird. Erstaunlicherweise lassen sich diese Bindemittel, die für die antibakterielle Ausrüstung von Textilien entwickelt wurden, mit Erfolg auch bei der Beschichtung von Filtermedien, insbesondere für die Trennung von Wasser und Kraftstoff einsetzen.
Weitere bevorzugte Bindemittel sind anorganische Bindemittel auf der Basis von insbesondere Siliziumdioxid, Titandioxid, Zirkoniumdioxid oder Aluminiumoxid. Die Bindemittel können auch alternativ oder zusätzlich zu Fluorgruppen Alkylgruppen aufweisen.
Der poröse Träger des Filtermediums kann in bekannter Weise aus beispielsweise einem textilen Flächenmaterial bestehend aus Zellulosefasern, Polymerfasern, Glasfasern, Metallfasern, Mineralfasern oder deren Kombinationen sein, wobei optional ein Bindermaterial auf der Basis von Phenolharz, Epoxidharz, Acrylat oder Silikon vorgesehen sein kann und das textile Flächenmaterial z. B. als Vlies, Gewebe oder schmelzgeblasenes Medium vorliegen kann.
Die Beschichtung kann zusätzlich zu den Partikeln u. a. anorganische Füllstoffe Pigmente, organische Polymerpartikel und organische und anorganische Fasern enthalten. Sie können zusätzlich Vernetzungskatalysatoren, Verlaufsadditive und weitere Lackadditive enthalten, insbesondere zur Verbesserung der Benetzbarkeit des porösen Trägers.
Die Ausrüstung des porösen Trägers mit der Beschichtung kann neben anderen üblichen Verfahren bevorzugt durch Nassauftrag geschehen, insbesondere durch Applikationstechniken wie etwa Tauchen, Sprühen, Schaumauftrag, Pflatschen oder Hochfeuchteauftrag. Die Trocknung und/oder Aushärtung der Beschichtung kann unter Einsatz von beispielsweise Heißluft, Infrarotstrahlung und/oder Ultraviolettstrahlung durchgeführt werden.
Die Ausrüstung des porösen Trägers mit der Beschichtung kann u. a. als vollständige Imprägnierung oder auch nur an der Oberfläche durchgeführt werden, wobei auch nur eine Seite oder beide Seiten mit jeweils unterschiedlichen Beschichtungen ausgerüstet werden können. Im Fall von unterschiedlichen Beschichtungen kann eine der Seiten auch mit einer beliebigen herkömmlichen Beschichtung ausgerüstet werden.
Vor der Ausrüstung kann der poröse Träger zur Verbesserung der Benetzbarkeit und/oder Beschichtungshaftung auf bekannte Weise mit einem Plasma vorbehandelt werden oder mit einer Haftvermittlerschicht versehen werden. Die Plasmabehandlung kann beispielsweise bei Atmosphärendruck, als Corona-Behandlung oder als dielektrische Barrierenentladung (DBD-Plasma oder dielectric barer discharge) unter Einsatz von Luft oder Gasmischungen als Prozessgas und optional mit nachfolgender nasschemischer Funktionalisierung durchgeführt werden.
In bevorzugten Ausführungsformen weist das Filtermedium auf dem beschichteten porösen Träger eine Schicht aus im Meltblown-Verfahren hergestelltem Material auf. Im Meltblown-Verfahren werden mittels einer Ziehdüse Fasern erzeugt, die mit Hilfe eines Luftstroms dünn geblasen werden und als dreidimensionales Gebilde abgelegt werden. Vorteilhafterweise werden aus Polyester oder Polyamid im Meltblown-Verfahren hergestellte Schichten eingesetzt. Bevorzugt hat die Schicht ein Flächengewicht von 10 g/cm² bis 200 g/cm², besonders bevorzugt 30 g/cm² bis 60 g/cm². Die Meltblown-Schicht dient insbesondere als mechanischer Schutz für den beschichteten porösen Träger, so dass sich das Filtermedium leichter handhaben lässt, ohne es zu beschädigen. Außerdem kann die Meltblown-Schicht auch die Funktion eines Abscheideelements übernehmen, an dem große Tropfen, die an dem beschichteten porösen Träger koalesziert sind, abrollen können, um aus der Kraftstoffumgebung entfernt zu werden.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Filterelement gelöst, dass mindestens ein derartiges Filtermedium aufweist. Bevorzugt sind Filterelemente mit zwei Filtermedien unterschiedlicher Beschichtung, wobei besonders bevorzugt beide Filtermedien eine der zuvor beschriebenen Beschichtungen aufweisen. Insbesondere ist die Beschichtung des einen Filtermediums eher hydrophil ausgestaltet, um als Koaleszerelement zu wirken, und die Beschichtung des anderen Filtermediums eher hydrophob ausgebildet, um unter Wirkung der Schwerkraft ein Abrollen der koaleszierten Tropfen zu erlauben. In anderen bevorzugten Ausführungsformen kann das Filterelement auch ein Filtermedium aufweisen, das auf einer Seite hydrophil oder hydrophob ausgerüstet ist, wobei die entgegengesetzte Seite von sich aus hydrophob bzw. hydrophil sein kann.
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beispielhaft näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 eine Prinzipskizze eines Kraftstofffilters mit einer Hälfte im Schnitt und der anderen Hälfte in Ansicht;
2a, b Prinzipskizzen von drei beispielhaften Varianten eines Filtermediums;
3a–d Rasterelektronenmikroskopaufnahmen der Oberflächen von Filtermedien;
4 ein über Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie an einer Oberfläche eines Filtermediums erhaltenes Spektrum;
5 eine Darstellung von Messergebnissen zur Änderung der Druckdifferenz an Filtermedien;
6 eine Darstellung von Messergebnissen zum Abscheidegrad von Wasser aus Diesel, zum dynamischen Abrollwinkel und zur Kontaktwinkelhysterese für unterschiedliche Filtermedien und Volumenströme; und
7 eine Darstellung von Messergebnissen zum Abscheidegrad von Wasser aus Diesel für unterschiedliche Filtermedien und Volumenströme.
In 1 ist eine mögliche Ausführungsform eines Kraftstofffilters 1 dargestellt, wie es beispielsweise zur Abtrennung von Wasser aus Dieselkraftstoff eingesetzt werden kann. Das Kraftstofffilter 1 weist eine Gehäuse 2 mit einem Kraftstoffzufluss 3 und einem Kraftstoffabfluss 4 auf. In dem Kraftstofffilter 1 befindet sich ein radial von außen nach innen durchströmbares Ringfilterelement mit einer ersten Filterstufe, die von einem Filtermedium 5 gebildet wird, und einer mit geringem Abstand stromabwärts gelegenen zweiten Filterstufe, die von einem Filtermedium 6 gebildet wird. Zwischen der ersten und zweiten Filterstufe befindet sich ein Freiraum 9 mit einem Abflussbereich 7 zu einem von der Rein- und Rohseite des Filterelementes abgetrennten Wassersammelraum 8.
Die Filtermedien 5, 6 der ersten und zweiten Filterstufe 1, 2 können praktisch direkt aufeinander liegen, sofern lediglich ein ausreichender Abflussraum zu dem Abflussbereich 7 hin gegeben ist. Beide Filterstufen 1 und 2 können auch beispielsweise durch ein zweilagiges Filtermedium, das optional zick-zack-förmig zu einem Ringfilter geformt sein kann, gebildet werden. In weiteren Ausgestaltungen kann selbstverständlich auch von einer Ringform abgesehen werden oder auch nur eine oder mehr als zwei Filterstufen vorgesehen sein.
Im vorliegenden Beispiel ist das der ersten Filterstufe entsprechende Filtermedium 5 eher hydrophil ausgebildet, um als Koaleszerelement für das im Dieselkraftstoff vorhandene Wasser dienen zu können. Das der zweiten Filterstufe entsprechende Filtermedium 6 ist dagegen eher hydrophob ausgebildet, um die koaleszierten Wassertropfen gut abrollen zu lassen. Entweder das erste Filtermedium 5 oder das zweite Filtermedium 6 oder beide Filtermedien 5, 6 weisen einen porösen Träger auf, der mit Teilchen einer mittleren Ausdehnung zwischen 0,1 nm und 100 μm beschichtet ist, wobei die Oberflächenbelegung mit Teilchen zwischen 1% und 60% liegt und die Teilchen zumindest teilweise nicht mit Bindemittel bedeckt sind.
In den 2a–c sind schematisch Prinzipskizzen von drei beispielhaften Ausführungsformen von derartigen Filtermedien dargestellt. Alle drei Beispiele von Filtermedien 20 weisen einen porösen Träger 21 auf, der mit Partikeln 22 beschichtet ist. Die Partikel 22 können, wie in 2a dargestellt, einzeln auf dem Träger 21 vorliegen oder, wie in den 2b und 2c dargestellt, Agglomerate 23 bilden. Es hat sich herausgestellt, dass die Agglomerate 23 bevorzugt nicht mehr als wenige Monolagen hoch sein sollten, um dem Filtermedium 20 eine besonders gute Effizienz bei der Abtrennung von beispielsweise Wasser aus Diesel zu verleihen. In den in den 2a und 2b dargestellten Beispielen sind die Partikel 22 zusammen mit einem Bindemittel 24 aufgebracht, wobei die Partikel 22 im hier dargestellten Beispiel nicht mit Bindemittel 24 bedeckt sind. In dem in 2c dargestellten Beispiel haften die Partikel 22, beispielsweise in Form von sinterfähigen Partikeln, als solche gut auf dem Träger 21, so dass bei der Beschichtung auf ein separates Bindemittel verzichtet wurde. Die Partikel 22 oder auch die Partikelagglomerate 23 bilden keine zusammenhängende bzw. geschlossen Schicht, so dass die Oberfläche der Filtermedien 20 lokal unterschiedliche Oberflächenenergien aufweisen, je nachdem ob sich an der betreffenden Stelle ein Partikel 22 bzw. ein Partikelagglomerat 23 oder Bindemittel 24 bzw. Material des porösen Trägers 21 befindet. Je nach Wahl des Partikelmaterials, des Bindemittels oder des Trägermaterials bzw. dessen Aufbereitung kann das jeweilige Filtermedium 20 an den Partikeln 22 hydrophober oder hydrophiler als am Untergrund aus Bindemittel 24 oder Träger 21 sein und insgesamt eher hydrophil sein und als Koaleszerelement einsetzbar sein oder eher hydrophob sein und zum Abrollenlassen von koaleszierten Wassertropfen einsetzbar sein.
Dadurch, dass die Partikel 22 oder Agglomerate 23 zumindest teilweise nicht mit Bindemittel 24 überdeckt sind, kann über die Partikel 22 oder Agglomerate 23 Einfluss auf die Rauigkeit der Oberfläche des porösen Trägers 21 genommen werden. Außerdem kann der Einfluss der unterschiedlichen Oberflächenchemie der Partikel 22 oder Agglomerate 23 und des Bindemittels 24 zur Geltung kommen. Es wird vermutet, dass insbesondere diese beiden Faktoren dazu führen, dass die Oberflächenenergie über die Oberfläche des Filtermediums schwankt und sich so die positiven Eigenschaften im Hinblick auf die Einsetzbarkeit als Koaleszerelement oder zum Abrollen von koaleszierten Wassertropfen aus einer Kraftstoffumgebung ergeben. Insbesondere wurde herausgefunden, dass die positiven Eigenschaften besonders ausgeprägt sind, wenn die Partikel 22 oder Agglomerate 23 mit maximal etwa zwei molekularen Monolagen von Bindemittel 24 bedeckt sind. Dies lässt sich insbesondere mit der Hilfe von Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen untersuchen.
In den 3a–d sind Rasterelektronenmikroskopie(REM-)aufnahmen von verschiedenen Filtermedien dargestellt. In den 3a, b sind zwei Aufnahmen der Oberfläche eines Filtermediums mit einer hier vorgeschlagenen Beschichtung dargestellt und in den 3c, d zwei Aufnahmen der Oberfläche eines Filtermediums ohne derartige Beschichtung.
In 3a zeigt eine erste REM-Aufnahme, die den Topographiekontrast darstellt. Beim Abrastern der Probenoberfläche wird ca. eine Monolage der Oberfläche abgetragen. 3b zeigt eine anschließend durchgeführte REM-Aufnahme, die den Materialkontrast darstellt und während deren Durchführung in etwa eine zweite Monolage der Probenoberfläche abgetragen wurde. Die geringe Bedeckung von Partikeln und Agglomeraten lässt sich in den
3a, b daran erkennen, dass im Topographiekontrast (3a) bereits sichtbare Oberflächenstrukturen auch im Materialkontrast (3b) erkennbar sind und weitere Strukturen hinzugekommen sind.
Zum Vergleich sind in 3c ein Topographiekontrast und in 3d ein Materialkontrast einer anderen Probe dargestellt, bei der zwar Partikel und Bindemittel aufgebracht wurden, die Partikel aber ganz mit Bindemittel überdeckt sind, so dass die Partikel keinen nennenswerten Einfluss auf insbesondere die Rauhigkeit im Nano- bis Mikrometerbereicht sowie die Oberflächenenergie der Probenoberfläche nehmen. Die Überdeckung der Partikel mit Bindemittel lässt sich aus den in den 3c, d dargestellten REM-Aufnahmen daran erkennen, dass weder im Topographiekontrast noch im Materialkontrast Partikel wie in den 3a, b erkennbar sind.
Hergestellt wurde das in den 3a, b dargestellte Filtermedium, indem ein poröser Träger aus Zellulose mit einem epoxy-modifizierten anorganisch-organischen Polymer mit Fluormodifizierung als Bindemittel, wie es beispielsweise allgemein in der DE 101 59 288 A1 beschrieben wird und wie es unter der Bezeichnung x-tec EC 5326 von der Firma Nano-X GmbH, Saarbrücken erhältlich ist, im Nassauftrag beschichtet und anschließend 4 min bei ca. 155°C bis 160°C getrocknet wurde. Es handelte sich um einen porösen Träger aus phenolharzimprägnierter Zellulose. Im vorliegenden Beispiel enthielt der Träger 15 Gew.-% Resol. Er wird beispielsweise unter der Bezeichnung K13i15SG von der Firma Neenah-Gessner GmbH, Feldkirchen-Westerham vertrieben. In der Bindemittellösung enthalten waren Aluminiumoxid-Partikel einer mittleren Teilchenausdehnung von ca. 140 nm mit einer Feststoffkonzentration beim Nassauftrag von 2,5 Gew.-%, wobei die Gewichtsanteile des Feststoffanteils sich ungefähr hälftig auf die Aluminiumoxidpartikel und das Bindemittel aufteilten.
Der Anteil der Bedeckung der Teilchen mit Bindemittel hängt ab von der Grenzflächenspannung zwischen Teilchen und Bindemittel, die proportional zu der Differenz der Oberflächenspannung der Partikel einerseits und der Oberflächenspannung des Bindemittels andererseits ist. Auf die Oberflächenspannung des in Lösung befindlichen Bindemittels kann durch Zugabe von Additiven Einfluss genommen werden. Zur Reduzierung der Oberflächenspannung können sogenannte Verlaufsadditive, d. h. kurzkettige Tenside eingesetzt werden, die so gewählt werden, dass sie sich gut im Lösungsmittel lösen, in dem das jeweilige Bindemittel gelöst wird. Bei den hier bevorzugt verwendeten Bindemitteln wird Wasser als Lösungsmittel eingesetzt. Dabei hat sich als Additiv zur Senkung der Oberflächenspannung insbesondere Isopropanol als vorteilhaft herausgestellt. Bei den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen mit den jeweiligen Kombinationen aus Teilchen und Bindemittel wurden gewünschte Bedeckungen bei hydrophoben Beschichtungen bei Oberflächenspannungen der Bindemittellösung im Bereich von etwa 20 mN/ bis 30 mN/m erreicht.
Zur Erhöhung der Oberflächenspannung der Bindemittellösung haben sich, insbesondere bei wässrigen Lösungen, polare organische Substanzen und Salze als vorteilhaft erwiesen. Besonders vorteilhaft ist die Zugabe von Natriumchlorid oder Kaliumchlorid. Bei den hier vorgestellten Ausführungsbeispielen mit den jeweiligen Kombinationen aus Teilchen und Bindemittel wurden gewünschte Bedeckungen bei hydrophilen Beschichtungen bei Oberflächenspannungen der Bindemittellösung im Bereich von etwa 70 mN/m bis 80 mN/m erreicht.
Ein weiterer Vorteil der Additive zur Beeinflussung der Oberflächenspannung liegt darin, dass die Dispersion aus Teilchen und Bindemittellösung stabiler wird, so dass sie über mehrere Tage aufbewahrt werden kann, ohne dass es zu einer verstärkten Agglomeration der dispergierten Teilchen kommt.
Für den Fall, dass die kommerziell zugekauften Bindemittel in Lösung keinen exakt reproduzierbaren Wert der Oberflächenspannung aufweisen, wie es etwa bei den in den hier erläuterten Ausführungsbeispielen der Fall ist, bietet es sich an, zunächst eine Dispersion aus Teilchen und Bindemittel in Lösung mit gewünschtem Feststoffanteil anzusetzen und die Oberflächenspannung der Bindemittellösung zu messen. Falls die gemessene Oberflächenspannung sich noch nicht im Zielbereich befindet, wird ein Additiv zugegeben, um die Oberflächenspannung jeweils zu senken oder zu erhöhen. Ist eine Oberflächenspannung im Zielbereich erreicht, so kann eine erste Beschichtung eines porösen Trägers durchgeführt werden. Anschließend kann unter dem Elektronenmikroskop überprüft werden, ob eine Bedeckung der Teilchen mit Bindemittel im gewünschten Umfang erreicht wurde. Je nachdem, ob die Bedeckung ggf. zu stark oder zu gering ist, kann der Bindemittellösung zusätzlich ein Additiv zur Verringerung oder Erhöhung ihrer Bindemittellösung zugesetzt werden. Bevorzugt wird bei möglichst konstanter Temperatur gearbeitet.
Bei der Herstellung des in den 3a, b dargestellten Filtermediums wies die Bindemittellösung zunächst eine Oberflächenspannung von 45 mN/m auf. Durch Zugabe von 0,7068 mol/l Isopropanol wurde die Oberflächenspannung auf 25,1 mN/m reduziert. In den 3c, d ist hingegen ein Filtermedium dargestellt, das mit der Dispersion auf der Grundlage der Bindemittellösung mit der Oberflächenspannung von 45 mN/m eingestellt wurde.
Die Auswertung der in den 3a, b gezeigten und weiteren REM-Aufnahmen ergaben eine Oberflächenbelegung mit Teilchen von etwa 1%, wobei die Partikelgrößen überwiegend im Bereich von ca. 15 nm bis 300 nm und die Agglomeratgrößen überwiegend im Bereich von 3 μm und 50 μm liegen. Die mittleren Abstände zwischen zwei Teilchen lagen überwiegend im Bereich von 1 μm bis 10 μm.
Ein weiteres Filtermedium mit hier vorgeschlagener Beschichtung wurde hergestellt, indem als poröser Träger ein Vliesstoff mit Epoxyimprägnierung aus Polyesterfasern mit einem Faserdurchmesser zwischen etwa 0,5 μm und 30 μm verwendet wurde, der auf seiner Oberfläche eine nach dem Meltblown-Verfahren hergestellte und thermokalandrierte Polyester-Lage einer Flächenbelegung von ca. 50 g/m² aufweist (kommerziell erhältlich beispielsweise als FS2B50A der Firma Neenah-Gessner, Feldkirchen-Westerham). Dieser poröse Träger wurde mit einem methylmodifizierten, anorganisch-organischen Polymer mit Fluormodifizierung als hydrophobem Bindemittel, wie es beispielsweise in der EP 1 922 230 A2 , insbesondere in Beispiel 3 und der DE 10 2007 017 303 A1 allgemein beschrieben wird und wie es unter der Bezeichnung x-tex EC 5325 von der Firma Nano-X GmbH, Saarbrücken erhältlich ist, im Nassauftrag beschichtet und anschließend 15 min bei ca. 155°C bis 160°C getrocknet. In der Bindemittellösung enthalten waren Siliziumdioxid-Partikel einer mittleren Teilchenausdehnung von ca. 25 nm mit einer Feststoffkonzentration von 1,7 Gew.-%. Nachdem die Bindemittellösung zunächst eine Oberflächenenergie von 35 mN/m aufwies, wurden 0,1721 mol/l Isopropanol zugesetzt, wodurch die Oberflächenenergie auf einen Wert von 28,0 mN/m gesenkt wurde. Alternativ zu einem Polyestervlies und/oder Polyestermeltblownlage kann übrigens auch ein Vlies und/oder eine Meltblownlage aus Polyamid mit vergleichbarem Effekt beschichtet werden. Die Auswertung von REM-Aufnahmen dieser Probe ergab eine Oberflächenbelegung mit Teilchen von etwa 12%. Die Partikelgrößen lagen überwiegend im Bereich von ca. 5 nm bis 200 nm und die Agglomeratgrößen überwiegend im Bereich von 150 nm bis 300 nm. Die mittleren Abstände zwischen zwei Teilchen lagen überwiegend im Bereich von 10 nm bis 200 nm.
Die Oberfläche dieses Filtermediums wurde mittels Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) untersucht. Das gemessene Spektrum für die leichteren Elemente ist in 4 dargestellt und zeigt einen deutlichen Fluorpeak bei der atomaren Masse von 19 u.
Ferner wurde dieses Filtermedium daraufhin untersucht, wie sich der Differenzdruck an ihm bei Wasserzugabe verändert und mit einem identischen unbeschichteten Träger verglichen. Dazu wurden dieses Filtermedium und der unbeschichtete Träger mit einem Volumenstrom von 45 l/h von Test-Diesel mit 1 Vol.-% Wasser entsprechend der Normvorschrift ISO TS 16332 (Ausgabe vom 15.9.2006) beaufschlagt, wobei dem Test-Diesel zusätzlich zur Zusammensetzung gemäß der ISO TS 16332 auch 10 Vol.-% Rapsmethylester zugesetzt worden waren. Die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. Das entsprechend beaufschlagte Wasservolumen ist in ml/h (rechte y-Achse) über die Zeit in min aufgetragen und ist als dunkle, gestrichelte Linie für dieses Filtermedium und als helle, gestrichelte Linie für den unbeschichteten Träger dargestellt. Zeitgleich wurde die Druckveränderung dp in bar an diesem Filtermedium und am unbeschichteten Träger ebenfalls gemäß der ISO TS 16332 gemessen, wobei das Filtermedium zuvor 24 Stunden bei 90°C in dem Testdiesel mit Rapsmethylester eingelagert worden war. Während beim unbeschichteten Träger bereits nach etwa 20 min ein deutlicher Druckanstieg um mehr als 10 mbar gemessen wurde, der auf eine starke Beladung der Trägeroberfläche mit Wassertropfen und damit einhergehender Verkleinerung der freien Fläche auf der Trägeroberfläche hinweist, stieg bei dem zweiten Filtermedium die gemessene Druckveränderung zwar tendenziell leicht an. Aber die Schwankungen der gemessenen Werte lagen auch nach einer 1 h noch unter 5 mbar. Dies weist darauf hin, dass die Wassertropfen auf dem zweiten Filtermedium eine hohe Mobilität aufweisen und gut ablaufen, so dass sich die freie Fläche kaum verkleinert.
Des Weiteren wurden Proben A bis D für Filtermedien hergestellt. Hergestellt wurde das Filtermedium D, indem ein Monofilamentgewebe aus Polyester, beispielsweise kommerziell erhältlich unter der Bezeichnung Saati 18/13 AV von der Firma Saati GmbH, Fellbach mit einem epoxymodifizierten anorganisch-organischen Polymer mit Fluormodifizierung als Bindemittel, wie es beispielsweise allgemein in der DE 101 59 288 A1 beschrieben wird und wie es unter der Bezeichnung x-tex EC 5326 von der Firma Nano-X GmbH, Saarbrücken erhältlich ist, im Nassauftrag beschichtet und anschließend 4 min bei ca. 155°C bis 160°C getrocknet wurde. In der Bindemittellösung enthalten waren Aluminiumoxid-Partikel einer mittleren Teilchenausdehnung von ca. 140 nm mit einer Feststoffkonzentration beim Nassauftrag von 2,5 Gew.-%, wobei der Feststoffanteil in Gewichtsprozent sich ungefähr hälftig auf die Aluminiumoxidpartikel und das Bindemittel aufteilte. Da die Bindemittellösung zunächst eine Oberflächenenergie von 55 mN/m aufwies, wurden 1,2413 mol/l zugegeben, wodurch sich verglichen mit dem unbeschichteten Träger eine Erhöhung des statischen Kontaktwinkels um etwa 50° ergab. Alternativ zu einem Polyestermonofilamentgewebe kann übrigens auch ein Monofilamentgewebe aus Polyamid mit vergleichbarem Effekt beschichtet werden.
Die Proben A bis C wurden wie für Probe D beschrieben hergestellt, wobei sich die Proben A bis C von Probe D in Bezug auf die eingebrachten Teilchen unterscheiden: In Probe A wurde mit Siliziumdioxidpartikeln einer mittleren Größe von etwa 100 nm bei einem Feststoffanteil von ca. 50 Gew.-%, in Probe B mit Siliziumdioxidpartikeln einer mittleren Größe von etwa 50 nm bei einem Feststoffanteil von ca. 33 Gew.-% und in Probe C mit Siliziumdioxidpartikeln einer mittleren Größe von ebenfalls etwa 50 nm bei einem Feststoffanteil von ca. 42 Gew.-% beschichtet. Außerdem wurde Probe A beschichtet, bevor die Oberflächenenergie der Bindemittellösung durch Zusatz von Isopropanol herabgesetzt wurde, so dass der Großteil der Teilchen nach dem Trocknen vollständig von Bindemittel bedeckt und dadurch für die erwünschte Funktion unwirksam war.
Probe A wies eine Oberflächenbelegung von etwa 3% auf bei Partikelgrößen von überwiegend zwischen 0,5 nm und 250 nm bzw. Agglomeratgrößen von überwiegend 500 nm bis 1,5 μm bei mittleren Teilchenabständen überwiegend zwischen 100 nm und 5 μm. Probe B wies eine Oberflächenbelegung von etwa 3% auf bei Partikelgrößen von überwiegend zwischen 1 nm und 200 nm bzw. Agglomeratgrößen von überwiegend 200 nm bis 1,5 μm bei mittleren Teilchenabständen überwiegend zwischen 20 nm und 2,5 μm. Probe C wies eine Oberflächenbelegung von etwa 6% auf bei Partikelgrößen von überwiegend zwischen 1 nm und 500 nm bzw. Agglomeratgrößen von überwiegend 250 nm bis 1 μm bei mittleren Teilchenabständen überwiegend zwischen 250 nm und 1 μm. Probe D wies eine Oberflächenbelegung von etwa 54% auf bei Partikelgrößen von überwiegend zwischen 15 nm und 300 nm bzw. Agglomeratgrößen von überwiegend 100 nm bis 1,5 μm bei mittleren Teilchenabständen überwiegend zwischen 5 nm und 600 nm.
Die Filtermedien A bis D wurden in Hinblick auf den Abscheidegrad wie auch den dynamischen Abrollwinkel und die Kontaktwinkelhysterese untersucht. Die Ergebnisse sind in 6 dargestellt.
Zum einen wurde der Abscheidegrad von Wasser aus Diesel in Abhängigkeit vom Volumenstrom untersucht, mit dem die Filtermedien beaufschlagt wurden. Dabei enthielt Dieselkraftstoff gemäß der ISO TS 16332 1 Vol.-% Wasser mit 10 Vol.-% Rapsmethylester. Während bei der Probe A bei einem bestimmten Volumenstrom, auf die weitere Volumenströme normiert wurden, 28% des Wassers aus dem Diesel abgeschieden wurde, wurde bei den drei mit Partikeln beschichteten Proben B, C, D bei dem gleichen Volumenstrom das gesamte Wasser abgeschieden. Bei der Probe B wurde auch bei einem um 10% erhöhten Volumenstrom das gesamte Wasser abgeschieden, während bei einem um 20% erhöhten Volumenstrom der Abscheidegrad auf einen Wert von 28% sank. An Probe C wurde bei einem um 40% erhöhten Volumenstrom 20% des Wassers abgeschieden. Bei Probe D wurde bis zu einem um 20% erhöhten Volumenstrom das gesamte Wasser abgeschieden, bei einem um 40% erhöhten Volumenstrom sank der Abscheidegrad auf 25%.
Ferner wurde an den vier Proben der sogenannte dynamische Abrollwinkel von kleinen Wassertropfen der Größenordnung von 1 μl in der-genannten Dieselumgebung ermittelt. Dabei handelt es sich um den Winkel, um den eine Probe aus der Horizontalen herausgeschwenkt werden muss, damit ein Tropfen auf der Probenoberfläche beginnt, an der Probenoberfläche herabzurollen. Bei Probe A war ein Winkel von 37° notwendig, bei Probe B ein Winkel von 28°, bei Probe C ein Winkel von 22° und bei Probe D sogar nur ein Winkel von 20°.
Außerdem wurde an den vier Proben die Kontaktwinkelhysterese anhand der kleinen Wassertropfen der Größenordnung von 1 μl mit einem Krüss Kontaktwinkelmessgerät G1 ermittelt. Dazu wurden der so genannte fortschreitende Winkel und der so genannte Rückzugswinkel des Tropfens an einer schiefen Ebene einer Neigung von 30° an Luft gemessen. Die nach unten geneigte Seite des Tropfens weist einen größeren Winkel auf, der fortschreitender Winkel genannt wird. An der oberen Seite verkleinert sich der Winkel im Vergleich zum Kontaktwinkel auf gerader Ebene. Dieser Winkel wird Rückzugswinkel genannt. Aus der Differenz aus fortschreitendem Winkel und Rückzugswinkel errechnet sich die Kontaktwinkelhysterese. Je geringer die Kontaktwinkelhysterese ist, desto besser ist die Abscheideleistung des Filtermediums. Die Hysterese bei der Probe A lag bei 10°, bei der Probe B bei 6°, bei der Probe C bei 4,75° und bei der Probe D bei 3°. Die Standardabweichung bezogen auf den fortschreitenden Winkel und den Rückzugswinkel beträgt etwa 3°. Unter Diesel konnte die Kontaktwinkelhysterese aufgrund der geringen Abrollwinkel nicht ermittelt werden.
Der Abscheidegrad von Wasser in Diesel in Abhängigkeit vom Volumenstrom wurde für drei weitere Proben E, F und G ebenfalls untersucht. Dazu wurde der Test-Diesel gemäß ISO TS 16332 mit 1 Vol.-% Wasser mit 10 Vol.-% Rapsmethylester eingesetzt, wobei die Wassertropfen im Mittel ein Volumen von 60 μm hatten. Die Probe F wies einen porösen Träger der Art K13i15SG auf. In Abwandlungen kann auch ein mit Novolak imprägnierter Zelluloseträger eingesetzt werden. Der poröse Träger wurde mittels eines epoxymodifizierten anorganisch-organischen Polymers mit Fluormodifizierung als hydrophobem Bindemittel, wie es beispielsweise allgemein in der DE 101 59 288 A1 beschrieben wird und wie es unter der Bezeichnung x-tec EC 5326 von der Firma Nano-X GmbH, Saarbrücken erhältlich ist, im Nassauftrag beschichtet und anschließend 9 min bei ca. 180°C bis 190°C getrocknet. In der Bindemittellösung enthalten waren Siliziumdioxid-Partikel einer mittleren Teilchenausdehnung von ca. 50 nm mit einer Feststoffkonzentration von 2,5 Gew.-%. Die Bindemittellösung wies zunächst eine Oberflächenenergie von 48 mN/m auf. Durch Zugabe von 0,9741 mol/l Isopropanol wurde die Oberflächenenergie auf 23,5 mN/m gesenkt. Probe F wies einen Oberflächenbelegung von etwa 13% auf bei Partikelgrößen von überwiegend zwischen 10 nm und 1 μm bzw. Agglomeratgrößen von überwiegend 150 nm bis 1,5 μm bei mittleren Teilchenabständen überwiegend zwischen 10 nm und 400 nm.
Die Probe E wurde genauso wie die Probe F hergestellt, mit dem Unterschied, dass der poröse Träger vor Zugabe des Isopropanols beschichtet wurde, was zu einer völligen Bedeckung der Siliziumdioxidteilchen mit Bindemittel führte. Bei der Probe G handelt es sich um das Filtermedium, dessen REM-Aufnahmen in den 3a, b dargestellt sind.
Bei einem bestimmten Volumenstrom wurde bei der Probe E ein Abscheidegrad von knapp 10% erreicht, während bei dem gleichen Volumenstrom an der beschichteten Probe F knapp 90% des Wassers und bei der Probe G 100% des Wasser abgeschieden wurde. In einer zweiten Messung wurden die Proben dahingehend modifiziert, dass auf dem beschichteten Träger eine nach dem Meltblown-Verfahren hergestellte und mit einem hochschmelzenden Kunststoff (auch Hotmelt genannt) auf Polyurethan aufgeklebte Polyester-Lage einer Flächenbelegung von ca. 50 g/m² bei einem Faserdurchmesser zwischen 0,5 μm bis 30 μm aufgebracht wurde. Bei der Probe E hatte das Vorschalten der Meltblown-Lage keinen Einfluss auf den Abscheidegrad, bei der Probe F ließ sich dadurch eine Steigerung des Abscheidegrads auf 100% erreichen. Die Probe F mit zusätzlicher Polyester-Lage erreichte bei einem um 25% erhöhten Volumenstrom immer noch einen Abscheidegrad von ca. 95%. Die Probe G wurde bei einem Volumenstrom von 150% vermessen, bei dem sie immer noch einen Abscheidegrad von etwa 90% erreichte. Die Messungen wurden gemäß der ISO TS 16332 durchgeführt. Vergleichbare Ergebnisse wurden auch erreicht, wenn statt einer Polyester-Lage eine zusätzliche Polyamid-Lage als Meltblown-Lage vorgesehen worden war.
Es sei darauf hingewiesen, dass zwar in den zuvor genannten Beispielen Partikel aus Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid eingesetzt wurden, aber ebenso Partikel aus Titandioxid oder Zirkoniumdioxid sich als geeignet herausgestellt haben.
Die hier beispielhaft beschriebenen Filtermedien können in Filterelementen, wie sie beispielsweise zur Trennung von Wasser aus Dieselkraftstoff verwendet werden, eingesetzt werden. Bevorzugt werden sie in zweistufigen Filterelementen mit einem eher hydrophilen Koaleszerelement und einen eher hydrophoben Abscheiderelement eingesetzt. Besonders bevorzugt weisen in einem solchen Fall sowohl das Koaleszerelement als auch das Abscheiderelement einen porösen Träger auf, der beschichtet ist mit Teilchen einer mittleren Ausdehnung zwischen 0,1 nm und 100 μm, wobei die Oberflächenbelegung mit Teilchen zwischen 1% und 60% liegt und die Teilchen zumindest teilweise nicht mit Bindemittel bedeckt sind. Entsprechend der Funktionalisierung der Oberflächen der dazu genutzten Filtermedien unterscheiden sich die Beschichtungen aber im Detail. Während die bisher beispielhaft beschriebenen Filtermedien eher als hydrophob einzustufen sind und daher primär als Abscheiderelement geeignet sind, kann ein eher hydrophiles Filtermedium mit Partikelbeschichtung, das primär als Koaleszerelement geeignet ist, beispielsweise folgendermaßen hergestellt werden:
Ein poröser Träger aus phenolharzimprägnierter Zellulose (wie in Probe E) wurde mittels eines anorganischen Bindemittels auf Siliziumdioxid-Basis als hydrophilem Bindemittel, wie es beispielsweise allgemein in der WO 2007/131474 A1 beschrieben wird und wie es unter der Bezeichnung x-clean 3033 P von der Firma Nano-X GmbH, Saarbrücken erhältlich ist, im Nassauftrag beschichtet und anschließend 9 min bei ca. 180°C bis 190°C getrocknet. In der Bindemittellösung enthalten waren Siliziumdioxid-Partikel einer mittleren Teilchenausdehnung von ca. 25 nm mit einer Feststoffkonzentration von 2,5 Gew.-%, wobei der Feststoffanteil in Gewichtsprozent beim Nassauftrag sich ungefähr im Verhältnis 3 zu 1 auf die Siliziumdioxidpartikel und das Bindemittel aufteilte. Um die ursprüngliche Oberflächenenergie der Bindemittellösung von 69 mN/m zu erhöhen, wurden 3 mol/Natriumchlorid zugegeben. Anschließend lag die Oberflächenenergie bei 74,1 mN/m. Weitere hydrophile Beschichtungen sind beispielsweise aus der WO 003/048258 A1 bekannt, die aus sinterfähigen, nanoskaligen Partikeln mit hydrophilen Seitenketten bestehen.
Insgesamt hat sich herausgestellt, dass hydrophile Filtermedien mit einem porösen Träger, der beschichtet ist mit Partikeln einer mittleren Teilchenausdehnung zwischen 0,5 nm und 150 μm, wobei die Oberflächenbelegung mit Partikeln zwischen 60% und 99% liegt und die Partikel nicht mit Bindemittel benetzt sind, eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen hydrophilen Filtermedien aufweisen. So zeigen sie eine verbesserte Koalszenz kleiner Wassertropfen insbesondere in Dieselumgebung. Diese verbesserte Koaleszenz zeigt sich auch in Dieselumgebungen mit erhöhter Biodieselkonzentration, bei denen die Koalszenz bei herkömmlichen hydrophilen Filtermedien wegen der geringeren Grenzflächenspannung zwischen Kraftstoff und Wasser erschwert ist. Mit der verbesserten Koaleszenz geht ein geringerer Druckanstieg am Filtermedium einher. Diese positiven Eigenschaften verringern die Kontaktzeit von Wasser und Filtermedium, die zu einer Hydrolyse des Filtermediums führen kann, wodurch die Lebensdauer der hier vorgeschlagenen Filtermedien beim Einsatz als Koaleszerelement in Filtereinheiten für das Trennen von Wasser aus Dieselkraftstoff verglichen mit herkömmlichen Filtermedien verlängert werden kann.
Auch die eher hydrophoben Filtermedien wie sie hier vorgeschlagen werden, weisen deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen hydrophoben Filtermedien auf. So erlauben sie höhere Anströmgeschwindigkeiten bei vergleichbaren oder sogar höheren Abscheideraten als bei herkömmlichen Filtermedien. Sie zeigen einen geringeren Differenzdruckanstieg, was auf reduzierte Wasseranlagerung und erhöhte Mobilität der Wassertropfen hinweisen kann. Sie erlauben ein verbessertes Abscheiden auch kleiner Tropfen sowie auch bei geringerer Grenzflächenspannung, wie sie beispielsweise bei Wasser in Dieselkraftstoff mit erhöhter Biodieselkonzentration auftritt. Diese positiven Eigenschaften verringern auch bei den hier vorgeschlagenen hydrophoben Filtermedien die Kontaktzeit von Wasser und Filtermedium, die zu einer Hydrolyse des Filtermediums führen kann, wodurch die Lebensdauer der hier vorgeschlagenen Filtermedien beim Einsatz als Abscheiderelement in Filtereinheiten für das Trennen von Wasser aus Dieselkraftstoff verglichen mit herkömmlichen Filtermedien verlängert werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass die in den Ausführungsbeispielen genannten Kombinationen von porösen Trägern und Beschichtungen lediglich beispielhaft zu verstehen sind und beliebige weitere Kombinationen von porösen Trägem, Teilchenmaterial und Bindemittel möglich sind. Ferner sei darauf hingewiesen, dass ein poröser Träger nur auf einer Seite oder auf beiden Seiten beschichtet sein kann oder auch vollständig mit der Beschichtung imprägniert sein kann. Im Falle einer beidseitigen Beschichtung des porösen Trägers können auf jeder Seite unterschiedliche Beschichtungen vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10123190 A1 [0003]
DE 10159288 A1 [0012, 0038, 0048, 0055]
EP 1922230 A2 [0012, 0045]
DE 102007017303 A1 [0012, 0045]
WO 2007/131474 A1 [0059]
WO 003/048258 A1 [0059]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EC 5326 [0038]
EC 5325 [0045]
ISO TS 16332 [0047]
ISO TS 16332 [0047]
ISO TS 16332 [0047]
EC 5326 [0048]
ISO TS 16332 [0052]
ISO TS 16332 [0055]
EC 5326 [0055]
ISO TS 16332 [0057]

Claims

Filtermedium, bei dem ein poröser Träger (21) beschichtet ist mit Teilchen (22, 23) einer mittleren Ausdehnung zwischen 0,1 nm und 100 μm, wobei die Oberflächenbelegung mit Teilchen zwischen 1% und 60% liegt und die Teilchen zumindest teilweise nicht mit Bindemittel (24) bedeckt sind.
Filtermedium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand zwischen zwei Teilchen (22, 23) zwischen 0,5 nm und 10 μm beträgt.
Filtermedium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (22, 23) eine mittlere Ausdehnung zwischen 0,5 nm und 1,5 μm aufweisen.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es einen dynamischen Abrollwinkel von Wasser auf dem Filtermedium (20) in Kraftstoffumgebung von kleiner 35° aufweist.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Kontaktwinkel von Wasser auf dem Filtermedium (20) in Kraftstoffumgebung zwischen 120° und 160° aufweist.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Kontaktwinkelhysterese bei Wasser auf dem Filtermedium (20) in Luft von kleiner 10° aufweist.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (22, 23) eines oder mehrere Materialien der Gruppe Siliziumdioxid, Titandioxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid aufweisen.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Bindemittel (24) mit einem oder mehreren Silanen mit Fluorgruppen aufweist.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es auf dem beschichteten porösen Träger (21) eine Schicht aus Meltblownmaterial aufweist.
Filterelement, aufweisend mindestens ein Filtermedium (5, 6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.