DE102012004227A1

DE102012004227A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von superfeinen Polymerfasern durch Melt-blown-Technik

Info

Publication number: DE102012004227A1
Application number: DE201210004227
Authority: DE
Inventors: Ingo Mählmann; Ferdinand Olawsky; Dietmar Hietl; Dr. Veeser Klaus; Anette Arnold; Till Batt; Martin Dauner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Carl Freudenberg KG; Deutsche Institute fuer Textil und Faserforschung Stuttgart; Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Current assignee: Deutsche Institute fur Textil- und Faserforsc De; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Carl Freudenberg KG; Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-09-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern (2), vorzugsweise mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von weniger als 1 μm (Mikrometer), aufweisend zumindest die Folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Polymerschmelze (3); b) Extrudieren der Polymerschmelze (3) mit Hilfe zumindest einer Spinndüsenanordnung (4) zu Polymerfasern (2) in einen Freistrahl; c) Verstrecken der Polymerfasern (2) mit Hilfe eines Primärgasstroms (5); d) Kühlen der Polymerfasern (2) während des Verstreckens, insbesondere durch eine Sekundärgaszuführung (9); und e) Temperieren der Polymerfasern (2) während des Verstreckens, insbesondere durch eine Tertiärgaszuführung (10). Die Erfindung betrifft zudem eine entsprechende Vorrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass mit diesen Produkte mit besonders hohen Anteilen an besonders feinen Polymerfasern mit einem mittleren Faserdurchmesser der Fasern von weniger als 1 μm oder sogar von weniger als 0,5 μm hergestellt werden können, wobei die Streuung der Faserdurchmesser im Vergleich zu einem nicht gezielt temperierenden Verfahren gering gehalten werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von sehr feinen Polymerfasern sowie einen Vliesstoff und Filter mit einem Filtermedium hergestellt nach dem Verfahren.
Verfahren und Vorrichtungen zum Verspinnen von Polymeren zu Fasern mit Hilfe eines Heißluftstroms sind in der Fachwelt als sogenannte „Melt-blown-Technik” allgemein bekannt. Bei den bekannten Verfahren und Vorrichtungen wird eine Polymerschmelze durch eine Vielzahl von Kapillaren einer Spinndüse, im folgenden als Spinndüsenanordnung bezeichnet, zu Polymerfasern in einen Freistrahl extrudiert und stromabwärts der Spinndüsenanordnung von einem Heißluftstrom verstreckt. Dabei weist der Heißluftstrom eine wesentlich höhere Geschwindigkeit auf als die Polymerschmelze am Ausgang der Kapillaren der Spinndüsenanordnung. Die extrudierten Polymerfasern folgen aufgrund dieses großen Geschwindigkeitsunterschieds zunächst der Luftströmung in Richtung einer Ablage. Im weiteren Verlauf machen sich Turbulenzen der Strömungen bemerkbar. Berechnungen des Faserbildungsprozesses in Melt-blown-Verfahren haben gezeigt, dass die Verstreckung nur teilweise im oberen Strömungsbereich der Heißluft wirksam ist, in dem die Differenzgeschwindigkeit zwischen Heißluftstrom und Polymerfasern zu einer kontinuierlichen Verstreckung der Fasern führt. Ein Großteil der Faserverstreckung erfolgt im Bereich der turbulenten Strömung, sobald die Polymerfasern auf Grund der Turbulenzen des Heißluftstroms fluktuieren. Für die Herstellung von sehr feinen Melt-blown Polymerfasern ist es deshalb vorteilhaft, die Länge der wirksamen Verstreckungszone zu erhöhen. Es ist dabei erforderlich, dass die extrudierten Polymerfasern in der gesamten Verstreckungszone eine Temperatur aufweisen, die für eine Verstreckung geeignet ist.
Aus der WO-A1-02 059 403 ist ein Verfahren zur Herstellung von superfeinen Melt-blown Polymerfasern bekannt, bei dem die Zone des turbulenten Heißluftstroms verlängert wird, um eine höhere Verweilzeit der Polymerfasern innerhalb eines Temperaturbereichs zu erreichen, der ein Verstrecken der Polymerfasern erlaubt. Die Verstreckkräfte wirken damit länger auf die gebildeten Polymerfasern und führen deshalb zu einer Polymerfaser mit einem geringeren Durchmesser. Um die Verweilzeit der extrudierten Polymerfasern im Heißluftstrom zu erhöhen, wird nach dem Verfahren der WO-A1-02 059 403 der Heißluftstrom unterhalb der Spinndüsenanordnung von kalter Luft abgeschirmt und ein heißer Luftstrom über einen sekundären Luftkanal unterhalb einer Messerkante der Spinndüse zugeführt. Die Verstreckung der Polymerfasern erfolgt hier bei Temperaturen deutlich über der Schmelztemperatur des verwendeten Polymers.
Es wurde jedoch festgestellt, dass bei den bekannten Verfahren keine gleichmäßigen superfeinen Melt-blown Polymerfasern mit einem mittleren Faserdurchmesser von weniger als 0,5 Mikrometer (μm) hergestellt werden können. Üblicherweise wird bei der Produktion von Melt-blown Polymerfasern die Faserfeinheit dadurch reduziert, dass der Schmelzedurchsatz pro Düsenkapillare reduziert und/oder der Heißluftstrom erhöht werden, so dass die Differenzgeschwindigkeit zwischen Polymerfasern und Heißluftstrom stromabwärts der Spinndüsenanordnung erhöht wird. Beide Maßnahmen führen jedoch bei den bekannten Verfahren bei Polymerfasern unterhalb einer Faserfeinheit von 0,5 μm oder sogar schon 1 μm zum Abriss der Polymerfasern und damit zu einem instabilen Produktionszustand. Zudem führen Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes, wenn sie im Bereich stromabwärts der Messerkante einer Spinndüsenanordnung auftreten, zu Verklebungen der Polymerfasern mit dem Ablageband. Jedenfalls aber sind die entstehenden Fasern sehr unterschiedlich in ihren Durchmessern, auch abhängig davon, welche Temperaturen in den von den Fasern durchlaufenen Zonen auftreten. Die Faserdurchmesser können nach verschiedenen Methoden bestimmt werden. Für Zwecke der vorliegenden Erfindung wird von optischen Messmethoden, insbesondere einer bildanalytischen Auswertung von Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM-Aufnahmen), ausgegangen. Dies beinhaltet ein statistisch valides Analyseverfahren für reproduzierbare, objektive und dadurch repräsentative Aussagen über Faserdurchmesser und deren Streuung an mehreren Messpunkten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu losen und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern anzugeben, mit dem Polymerfasern mit einer sehr gleichmäßigen Verteilung der Durchmesser, insbesondere mit einer Faserfeinheit von weniger als 1 μm, zuverlässig hergestellt werden können. Zudem soll auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Polymerfasern angegeben werden, mit der Polymerfasern mit einer gleichmäßigen Faserfeinheit, insbesondere von weniger als 1 μm, zuverlässig hergestellt werden können. Insbesondere soll der Anteil an feinen Fasern in einem Endprodukt erhöht und die Streuung der Faserdurchmesser verringert werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11. Nach dem Verfahren hergestellte Produkte sind in den Ansprüchen 13 bis 16 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern, insbesondere mit einer Faserfeinheit von weniger als 1 μm, weist zumindest die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen einer Polymerschmelze;
b) Extrudieren der Polymerschmelze mit Hilfe zumindest einer Spinndüsenanordnung zu Polymerfasern in einen Freistrahl;
c) Verstrecken der Polymerfasern mit Hilfe eines Primärgasstroms;
d) Kühlen der Polymerfasern während des Verstreckens; und
e) Temperieren der Polymerfasern während des Verstreckens.

Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern, insbesondere mit einem mittleren Faserdurchmesser von weniger als 1 μm, bevorzugt weniger als 0,5 μm, wird zunächst eine Polymerschmelze in einer Polymerschmelzequelle, insbesondere einem Reservoir, bereitgestellt.
Bei der Polymerschmelze kann es sich bspw. um Polypropylen (PP) oder Polybutylenterephthalat (PBT) handeln. Auch andere thermoplastisch verarbeitbare Polymere können verwendet werden. Die Erfindung erlaubt auch eine Verbesserung bei der Verarbeitung von Hochtemperaturthermoplasten wie z. B. Flüssigkristallpolymere (LCP), Polyphenylensulfide (PPS), Polyetherketone (PEK), Polyetheretherketone (PEEK) und Hochtemperaturpolyamide zu sehr feinen Fasern. Aus der Polymerschmelzequelle wird die Polymerschmelze zu der zumindest einen Spinndüsenanordnung gefördert und durch eine Vielzahl von Kapillaren der zumindest einen Spinndüsenanordnung zu Polymerfasern extrudiert. Die Polymerschmelze weist bei der Extrusion 200° Celsius bis 450° Celsius auf. Im Falle von Polypropylen (PP) weist die Polymerschmelze bei der Extrusion eine Temperatur von 200° Celsius bis 280° Celsius, bevorzugt 220° Celsius bis 250° Celsius auf. Im Falle von Polybutylenterephthalat (PBT) weist die Polymerschmelze bei der Extrusion eine Temperatur von 240° Celsius bis 300° Celsius, bevorzugt 250° Celsius bis 280° Celsius auf. Der Überdruck der Polymerschmelze bei der Extrusion beträgt zwischen 1 und 20 bar. Bei der Spinndüsenanordnung kann es sich beispielsweise um eine Spinndüse handeln, wie sie in der WO-A1-02 059 403 auf Seite 6, Zeile 11 bis Seite 7, Zeile 14 beschrieben ist. Nach dem Austritt aus der Spinndüsenanordnung in einen Freistrahl eines Primärgasstromes werden die Polymerfasern mit Hilfe dieses Primärgasstromes verstreckt. Bei diesem Primärgasstrom handelt es sich insbesondere um einen Heißluftstrom. Der Primärgasstrom kann jedoch zumindest teilweise auch aus einem anderen (inerten) heißen Gas, wie z. B. Stickstoff oder Helium, bestehen. Unmittelbar stromabwärts der zumindest einen Spinndüse, das heißt insbesondere (direkt) nach dem Austritt der Polymerschmelze aus der Spinndüsenanordnung werden die Polymerfasern während des Verstreckens gekühlt. Die Kühlung der Polymerfasern erfolgt dabei bevorzugt auf eine Temperatur etwas kleiner oder gleich der Schmelztemperatur der Polymerschmelze. Die Kühlung der Polymerfasern verhindert, dass die Polymerfasern auch bei Differenzgeschwindigkeiten zwischen dem Primärgasstrom und den Polymerfasern, die für die Herstellung von Polymerfasern mit einer mittleren Faserfeinheit von weniger als 1 μm, bevorzugt weniger als 0,5 μm, erforderlich sind, abreißen. Im allgemeinen erfolgt das Extrudieren durch die Spinndüsen in Richtung der Gravitationskraft, also nach unten, jedoch ist nicht die Gravitation, sondern die umgebende Luftströmung entscheidend, so dass auch andere Anordnungen möglich sind, weshalb im Folgenden allgemeiner die Abläufe in Strömungsrichtung beschrieben werden, was nicht unbedingt in vertikaler Richtung bedeutet.
Im Bereich des Düsenaustritts ist die Geschwindigkeit der Polymerfasern gegenüber der Luftgeschwindigkeit, die dort im Wesentlichen ihr Maximum erreicht, vernachlässigbar. Die Geschwindigkeit des Primärgasstromes kann 400 m/s oder sogar etwa 600 m/s erreichen, wobei die hohe Temperatur des Gasstromes mit einer entsprechend erhöhten Schallgeschwindigkeit verbunden ist. Die Geschwindigkeit des Primärgasstromes kann aber die Schallgeschwindigkeit erreichen oder sogar überschreiten. Durch die Beschleunigung der mitgerissenen Fasern nimmt die Differenzgeschwindigkeit zwischen diesen und dem Primärgasstrom ab.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass sich höhere Differenzgeschwindigkeiten durch Verwendung von Gasen mit hoher Schallgeschwindigkeit, z. B. Helium, in Verbindung mit hoher Temperatur realisieren lassen. Je höher die Schallgeschwindigkeit und Temperatur des verwendeten Primärgasstromes, desto höhere Geschwindigkeiten und damit feinere Fasern sind erzielbar. Diese Erkenntnis ist auch unabhängig von den anderen Merkmalen der Erfindung realisierbar. Insbesondere Helium hat eine sehr hohe Schallgeschwindigkeit und kann rein oder als Beimischung zum Primärgas eingesetzt werden.
Die Abkühlung der Polymerfasern im weiteren Verlauf erfolgt ungleichmäßig, weil sich aus einer großen Anzahl von Spinndüsen beim Verstrecken schnell ein sich aufweitender Faservorhang entlang des sich ebenfalls aufweitenden Luftstrahls entwickelt. Die in diesem Vorhang außen verlaufenden Polymerfasern kühlen sich schneller ab als in inneren Bereichen des Vorhangs verlaufende Polymerfasern. Nachteilig hieran ist, dass sich die Temperatur der äußeren Polymerfasern somit schneller unter eine Temperatur abkühlen kann, die zu einer Verstreckung nach geeignet ist. Es kann in gewissen Fällen auch zu Anlagerungen von Fasern benachbarter Schmelzestränge der Spinndüsenanordnung kommen. Äußere Fasern oder aneinander angelagerte können nicht so stark verstreckt werden wie weiter innen verlaufende einzelne Fasern, wodurch der Anteil an sehr dünnen Fasern im Endprodukt verringert wird.
Um die Verstreckungszone für möglichst viele der Fasern möglichst lang zu halten, wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher Temperierungsschritt durchgeführt, vorzugsweise ein weiterer heißer Tertiärluftstrom zugeführt, der den Freistrahl und den Vorhang gegen die kalte Umgebung abschirmt und zu einer Vergleichmäßigung der Temperaturen im Faservorhang beiträgt. Äußere Fasern des Vorhangs werden so länger auf einer zur Verstreckung geeigneten Temperatur gehalten und die Temperatur im Vorhang insgesamt sehr vergleichmäßigt. Diese Temperierung aller Fasern des Vorhangs in einem Bereich von 10 bis 150 mm, vorzugsweise 50 bis 100 mm, in Versteckungsrichtung stromabwärts der Spinndüsenanordnung erlaubt eine große Versteckungsdauer und damit geringere durchschnittliche Faserdurchmesser im Endprodukt.
Hierdurch wird eine Vergleichmäßigung der Temperatur in inneren und äußeren Bereichen des Freistrahls erzielt. Die erfindungsgemäße Kombination aus der (direkten) Kühlung und anschließender Temperierung der Polymerfasern nach dem Austritt aus der Spinndüsenanordnung ermöglicht daher, dass Polymerfasern auf eine besonders geringe mittlere Faserfeinheit von weniger als 1 μm, bevorzugt weniger als 0,5 μm, verstreckt werden können. Die Verstreckung der Polymerfasern erfolgt beispielsweise auf eine mittlere Faserfeinheit zwischen 0,05 μm und 3 μm, bevorzugt auf 0,1 μm bis 1 μm. Die Polymerfasern werden anschließend auf einem Band oder einer Trommel zu einem Faservliesstoff abgelegt. Die Ablage der Polymerfasern kann durch eine Absaugung unterhalb des Bandes oder in der Trommel unterstützt werden, wobei die Absaugung einen Unterdruck von insbesondere 0,001 bis 0,2 bar, bevorzugt 0,01 bis 0,17 bar erzeugt. Der Faservliesstoff weist ein Flächengewicht von insbesondere 0,2 g/m² bis 50 g/m² auf. Das Band oder die Trommel sind hierzu stromabwärts der Spinndüse angeordnet, insbesondere in einem Abstand von 100 mm bis 500 mm. Solche Faservliesstoffe können insbesondere vorteilhaft als Barrierevliesstoffe in Operationsmänteln, als Filtermaterial und/oder bei ähnlichen Anwendungen verwendet werden. Die Erfindung bewirkt auch insbesondere eine geringere Streuung der auftretenden Faserdurchmesser, was unabhängig von den erzielbaren geringeren mittleren Faserdurchmessern von Vorteil ist, weil dadurch gleichmäßigere Faservliesstoffe oder Filter herstellbar werden.
Vorzugsweise weist in Schritt c) der Primärgasstrom eine Temperatur von 200° Celsius bis 400° Celsius auf. Bei der Verwendung einer Polymerschmelze aus Polypropylen (PP) weist der Primärgasstrom eine Temperatur von 200° Celsius bis 300° Celsius, bevorzugt 240° Celsius bis 280° Celsius auf. Bei der Verwendung einer Polymerschmelze aus Polybutylenterephthalat (PBT) weist der Primärgasstrom eine Temperatur von 240° Celsius bis 390° Celsius, bevorzugt 270° Celsius bis 300° Celsius auf.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn in Schritt c) der Primärgasstrom einen Überdruck von 0,1 bis 3,0 bar aufweist. Bevorzugt wird ein Überdruck von 1,0 bis 2,5 bar. Die Angabe des Überdrucks bezieht sich hier in Relation zu einem Umgebungsdruck, beispielsweise zu einem Umgebungsdruck von 1 bar.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn in Schritt d) das Kühlen der Polymerfasern durch einen Sekundärgasstrom erfolgt. Bei diesem Sekundärgasstrom kann es sich beispielsweise um (Umgebungs-)Luft handeln. Der Sekundärgasstrom kann volumenstromgeregelt sein. Dies bedeutet insbesondere, dass die Polymerfasern mit dem Primärgasstrom den Sekundärgasstrom (passiv) ansaugen, wobei das Volumen des angesaugten Sekundärgasstroms insbesondere durch eine Anpassung einer ersten Querschnittsfläche einer Sekundärgaszuführung gesteuert werden kann. Alternativ ist jedoch eine aktive Anblasung der Polymerfasern mit dem Sekundärgasstrom möglich.
Vorzugsweise weist der Sekundärgasstrom eine Temperatur von 10° Celsius bis 30° Celsius auf. Die Temperatur des Sekundärgasstroms kann insbesondere einer Raumtemperatur entsprechen, beispielsweise bevorzugt 20° Celsius bis 30° Celsius.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn der Sekundärgasstrom einen Überdruck von 0,005 bis 0,05 bar aufweist. Bevorzugt ist insbesondere ein Überdruck von 0,01 bis 0,02 bar. Der Überdruck bezieht sich auch hier in Relation zu einem Umgebungsdruck, beispielsweise zu einem Umgebungsdruck von 1 bar.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Tertiärgasstrom eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des jeweiligen Polymers aufweist, vorzugsweise eine mindestens 10 K (Kelvin), insbesondere mindestens 25 K niedrigere Temperatur.
Vorzugsweise erfolgt in Schritt e) das Temperieren des Freistrahls und des darin verlaufenden Faservorhangs durch einen Tertiärgasstrom oder durch thermische Strahlung. Bei dem Tertiärgasstrom kann es sich beispielsweise um Heißluft, überhitzten Wasserdampf und/oder heißem Wassersprühnebel handeln. Der Tertiärgasstrom kann ebenfalls volumenstromgeregelt sein. Dies bedeutet insbesondere, dass die Polymerfasern mit dem Primärgasstrom (und Sekundärgasstrom) den Tertiärgasstrom (passiv) ansaugen, wobei das Volumen des angesaugten Tertiärgasstroms insbesondere durch eine Anpassung einer zweiten Querschnittsfläche einer Tertiärgaszuführung gesteuert werden kann. Alternativ ist jedoch eine aktive Anblasung der Polymerfasern mit dem Tertiärgasstrom möglich. Die Erwärmung des Tertiärgasstroms kann beispielsweise durch zumindest ein Heizelement der Tertiärgaszuführung und/oder zumindest einen Lufterhitzer erfolgen. Die zweite Querschnittsfläche der Tertiärgaszuführung ist bevorzugt fünf bis fünfzehnmal so groß wie die erste Querschnittsfläche der Sekundärgaszuführung.
Der Tertiärgasstrom umhüllt die Polymerfasern zumindest teilweise und verhindert so zumindest teilweise das Eindringen von kalter Umgebungsluft. Bei der thermischen Strahlung kann es sich bspw. um Infrarotstrahlung und/oder Mikrowellenstrahlung handeln.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Tertiärgasstrom eine Temperatur von 40° Celsius bis 200° Celsius aufweist oder die Polymerfasern durch die thermische Strahlung auf eine Temperatur von 40° Celsius bis 200° Celsius erwärmt werden. Handelt es sich bei der Polymerschmelze um Polypropylen (PP), weist der Tertiärgasstroms eine Temperatur von bevorzugt 50° Celsius bis 170° Celsius, ganz besonders bevorzugt 50° Celsius bis 120° Celsius auf. Handelt es sich bei der Polymerschmelze um Polybutylenterephthalat (PBT), weist der Tertiärgasstroms eine Temperatur von bevorzugt 50° Celsius bis 200° Celsius, ganz besonders bevorzugt 100° Celsius bis 150° Celsius auf.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn der Tertiärgasstrom einen Überdruck von 0,005 bis 0,05 bar aufweist. Der Überdruck bezieht sich auch hier in Relation zu einem Umgebungsdruck, beispielsweise zu einem Umgebungsdruck von 1 bar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird auch eine Vorrichtung zur Herstellung von Polymerfasern mit einer Faserfeinheit von weniger als 1 μm vorgeschlagen, die eine Spinndüse zum Extrudieren einer Polymerschmelze zu Polymerfasern und einer Primärgaszuführung zur Verstreckung der Polymerfasern aufweist, wobei stromabwärts der Spinndüse eine Sekundärgaszuführung zum Kühlen der Polymerfasern während des Verstreckens angeordnet ist und wobei stromabwärts der Sekundärgaszuführung eine Tertiärgaszuführung zum Temperieren der Polymerfasern während des Verstreckens angeordnet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Hinsichtlich der hier vorgeschlagenen Vorrichtung wird im Übrigen auf die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figur eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigt, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigt schematisch:
1: eine Vorrichtung zur Herstellung von Polymerfasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von weniger als 1 μm.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung von Polymerfasern 2 mit einer Faserfeinheit von weniger als 1 Mikrometer (μm). Hierzu wird zunächst eine Polymerschmelze 3 aus einer Polymerschmelzequelle 12 zu einer Spinndüsenanordnung 4 beispielsweise mit einer hier nicht gezeigten Pumpe gefördert. Stromabwärts der Spinndüsenanordnung 4 werden die aus der Polymerschmelze 3 extrudierten Polymerfasern 2 durch einen von einer Primärgaszuführung 8 zugeführten heißen Primärgasstrom 5 erfasst und stromabwärts der Spinndüsenanordnung 4 verstreckt. Direkt stromabwärts, insbesondere unterhalb der Spinndüsenanordnung 4 ist eine Sekundärgaszuführung 9 angeordnet, so dass die Polymerfasern 2 direkt stromabwärts der Spinndüsenanordnung 4 während des Verstreckens durch einen Sekundärgasstrom 6 kühlbar sind. Die Sekundärgaszuführung 9 weist eine erste Querschnittsfläche 16 auf.
Direkt stromabwärts der Sekundärgaszuführung 9 ist eine Tertiärgaszuführung 10 angeordnet, so dass die Polymerfasern 2 im Anschluss an die Kühlung durch den Sekundärgasstrom 6 während des Verstreckens durch einen Tertiärgasstrom 7 temperierbar sind. Die Tertiärgaszuführung 9 weist eine zweite Querschnittsfläche 17 auf. Alternativ oder kumulativ können die Polymerfasern 2 auch durch eine thermische Strahlung 11 erwärmt werden. Hierzu ist stromabwärts der Sekundärgaszuführung 9 eine hier nicht gezeigte thermische Strahlungsquelle angeordnet. Im Anschluss an die Verstreckung werden die Polymerfasern 2 auf einem Band 14 zu einem Faservliesstoff 13 abgelegt. Dies kann durch eine Absaugung 15 unterstützt werden, die einen Unterdruck erzeugt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass mit diesen besonders hohe Anteile an feinen Polymerfasern in einem Endprodukt mit einer Faserfeinheit von weniger als 1 μm oder sogar weniger als 0,5 μm hergestellt werden können.
Vliesstoffe, welche nach diesem genannten Verfahren hergestellt werden, können für technische Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in der Filtration von Gasen und Flüssigkeiten. Vliesstoffe sind hierfür aufgrund der wirtschaftlichen Herstellung und ihrer Variationsmöglichkeit gut geeignet. Besonders vorteilhaft sind sie da beispielsweise die Porosität problemlos auf die Bedürfnisse eingestellt werden kann.
Filter und damit Filtermedien haben die Aufgabe, je nach Einsatzbereich, Partikel unterschiedlichster Größe zu filtern. Dabei spielen die Porenstruktur und die wirksame Filteroberfläche eine wichtige Rolle. Die Partikel werden dabei vorwiegend an der Oberfläche des Filtermediums zurückgehalten, oder aber der Aufbau des Filtermediums ist so gestaltet, dass die Partikel in das Filtermedium eindringen und dort eingelagert werden. Hierfür ist ein Filtermedium, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, bevorzugt aus Vliesstoffen, dann ein- oder mehrlagig aufgebaut. Mehrlagige Filtermedien weisen üblicherweise auf der Anströmseite eine höhere Porosität auf als auf der Abströmseite. Durch eine vertikal unterschiedliche Verdichtung der verschiedenen Filterschichten des Filtermediums gelingt es, gezielt Partikel bestimmter Größen in bestimmten Bereichen einzulagern, ohne Gefahr zu laufen, das Filtermedium mit Partikeln zu verstopfen. Beispielsweise durch einen progressiven Aufbau des Filtermediums wird eine lange Lebensdauer bei gleichzeitiger hoher Filtrationseffizienz erzielt. Für mittlere und hohe Filtrationseffizienz, beispielsweise Filterklasse F5 und aufwärts, werden mechanisch filternde Fasern eingesetzt, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Jeder Filter kann für seinen speziellen Einsatz angepasst werden. So kann beispielsweise ein Filtermedium für die Verarbeitung und die Anwendung eine besondere Steifigkeit benötigen. In diesem Fall kann das Filtermedium durch eine oder mehrere zusätzliche Filterschichten ergänzt werden, die das Filtermedium mit den gewünschten Eigenschaften ausstatten, wobei diese zusätzlichen Filterlagen auch nach einem anderen als dem hier beschriebenen Verfahren hergestellt werden können, um die notwendigen Eigenschaften zu liefern.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Polymerfasern
3: Polymerschmelze
4: Spinndüsenanordnung
5: Primärgasstrom/Freistrahl
6: Sekundärgasstrom
7: Tertiärgasstrom
8: Primärgaszuführung
9: Sekundärgaszuführung
10: Tertiärgaszuführung
11: Thermische Strahlung
12: Polymerschmelzequelle
13: Faservliesstoff
14: Band
15: Absaugung
16: erste Querschnittsfläche
17: zweite Querschnittsfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02059403 A1 [0003, 0003, 0009]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Polymerfasern (2) aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Polymerschmelze (3); b) Extrudieren der Polymerschmelze (3) mit Hilfe zumindest einer Spinndüsenanordnung (4) zu Polymerfasern (2) in einen Freistrahl; c) Verstrecken der Polymerfasern (2) mit Hilfe eines Primärgasstroms (5); d) Kühlen der Polymerfasern (2) während des Verstreckens; und e) Temperieren der Polymerfasern (2) während des Verstreckens.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei in Schritt c) der Primärgasstrom (5) eine Temperatur von 200° Celsius bis 450° Celsius aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt c) der Primärgasstrom (5) einen Überdruck von 0,1 bis 3,0 bar aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt d) das Kühlen der Polymerfasern (2) durch einen Sekundärgasstrom (6) erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei der Sekundärgasstrom (6) eine Temperatur von 5° Celsius bis 50°, vorzugsweise 10° bis 30°, Celsius aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei der Sekundärgasstrom (6) einen Überdruck von 0,005 bis 0,05 bar aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt e) das Temperieren der Polymerfasern (2) durch einen Tertiärgasstrom (7) oder durch thermische Strahlung (11) erfolgt, wobei vorzugsweise bis zu einem mittleren Faserdurchmesser der Fasern im Freistrahl von weniger als 1 μm (Mikrometer), insbesondere weniger als 0,5 μm verstreckt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 7, wobei der Tertiärgasstrom (7) eine Temperatur von 40° Celsius bis 200° Celsius aufweist oder die Polymerfasern (2) durch die thermische Strahlung (11) in einem Temperaturbereich von 40° Celsius bis 200° Celsius temperiert werden.
Verfahren nach Patentanspruch 7 oder 8, wobei der Tertiärgasstrom (7) einen Überdruck von 0,005 bis 0,05 bar aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymer schmelze ein Hochtemperaturthermoplast ist, insbesondere enthaltend ein Flüssigkristallpolymer (LCP), Polyphenylensulfide (PPS), Polyetherketone (PEK), Polyetheretherketone (PEEK) und/oder ein Hochtemperaturpolyamid.
Vorrichtung (1) zur Herstellung von Polymerfasern (2) aufweisend eine Spinndüsenanordnung (4) zum Extrudieren einer Polymerschmelze (3) zu Polymerfasern (2) in einen Freistrahl und einer Primärgaszuführung (8) zur Verstreckung der Polymerfasern (2), wobei stromabwärts der Spinndüsenanordnung (4) eine Sekundärgaszuführung (9) zum Kühlen der Polymerfasern (2) während des Verstreckens angeordnet ist und wobei stromabwärts der Sekundärgaszuführung (9) eine Tertiärgaszuführung (10) zum Temperieren der Polymerfasern (2) während des weiteren Verstreckens angeordnet ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 11, wobei die Primärgaszuführung (8) für die Verwendung von Helium oder Beimischungen von Helium ausgelegt ist.
Vliesstoff hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10 und/oder mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 11 oder 12.
Filter, umfassend mindestens ein Filtermedium, welches mit einem Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 10 und/oder mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 11 oder 12 hergestellt ist.
Filter nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium ein- oder mehrlagig ausgestaltet ist.
Filter nach Patentanspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Filtermedium vorhanden ist, welches als Filterlage ausgestaltet, aber nach einem anderen Verfahren hergestellt ist.