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Zu
Erhöhung der Effizienz von Filtermedien, wie beispielsweise
Filtereinheiten in stationären oder mobilen Entstaubungsanlagen
oder auch in raumlufttechnischen Anlagen wurden in der Vergangenheit
viele Anstrengungen unternommen, die Staubaufnahme zu erhöhen
und damit einhergehend auch die Standzeit zu verlängern.
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Aus
dem Stand der Technik sind mehrlagige Aufbauten bekannt, die prinzipiell
folgende Abfolge der einzelnen Lagen beginnend von der Anströmseite
aufweisen:
- – Vorfilter zu Speicherung
grober Staubpartikel
- – Feinfilter aus zur Speicherung feiner Staubpartikel
- – Stützlage zur Gewährleistung der
mechanischen Stabilität
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Für
den Feinfilter kommen im Allgemeinen handelsübliche Meltblown-Vliesstoffe
zum Einsatz. Die Stützlagen werden meist von einem Spinnvlies
gebildet.
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Der
Vorfilter muss für die Gewährleistung der Speicherung
grober Staubpartikel über eine entsprechende Dicke verfügen,
sodass genug Volumen zur Speicherung von Staub zur Verfügung
steht.
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Es
ist daher üblich, vor den Feinfilter kardierte Vliesstoffe
aus Polypropylen- oder Polyesterfaser zur Speicherung zu setzen.
Nachteilig ist dabei der Umstand, dass diese Materialien in einem
vorgeschalteten Arbeitsgang zunächst hergestellt werden
müssen bevor sie mit dem eigentlichen Feinfilter kombiniert
werden. Diese Vorfilter weisen zwar eine gute Staubspeicherfähigkeit
auf, scheiden aber Staub nur bis zu einer minimalen Partikelgröße
von ungefähr 10 μm ab. Feinere Partikel passieren diese
Schicht im Allgemeinen ohne davon berührt zu werden und
belasten dadurch die nachfolgende Feinfilterschicht.
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In
der Vergangenheit wurde eine Reihe von Anstrengungen unternommen,
Vorfilterschichten bereitzustellen die sowohl eine ausreichende
gute Staubspeicherfähigkeit aufweisen als auch Abscheidevermögen
für Staubpartikel mit einem Durchmesser von kleiner 10 μm.
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Dazu
wurden normale Filtrations-Meltblowns mit einer mittleren Faserstärke
um 1– 2 μm derartig modifiziert, das in die eher
flache, 2-dimensionale Struktur eines Meltblowns durch das Einbringen
von grobfasrigen Stützelementen der Warenausfall in Richtung
dreidimensional verändert wird. Ein mit diesen Merkmalen ausgestattetes
der Filter hat eine geringere Dichte und weist ein erhöhtes
Staubspeichervermögen auf.
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Gattungsbildend
beschreibt die
US 4118531 beispielsweise,
dass während der Herstellung eines Meltblown-Materials
in den Strom aus Meltblown-Mikrofasern gekräuselte Stapelfasern
eingeblasen werden. Problematisch dabei ist die genaue Verteilung
der Stapelfasern innerhalb innerhalb des Mikrofaservliesstoffes. Hier
kann es immer wieder zur „Nestbildung” kommen,
was die Gleichmäßigkeit und die Effizienz des
Gesamtaufbaus nachteilig beeinflusst.
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Die
DE 19953717 beschreibt
eine weitere Möglichkeit. Dabei werden während
der Meltblownherstellung gezielt aneinanderhängende MB-Faserfilamente,
sogenannte Multi-Mikrofilamentstränge erzeugt. Diese Stränge
liegen gitterartig im fertigen Meltblown übereinander und
erzeugen so einen höheren Bausch. Nachteilig ist auch hier,
dass zur Erzeugung höherer Dicken eine große Anzahl
der Multi-Mikrofilamenstränge erzeugt werden muss, was
zu Lasten der Effizienz geht, da die in den Multimikrofilamentsträngen
gebundenen Einzelfilamente für die Filtration nicht mehr
bereitstehen.
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Einen ähnlichen
Weg verfolgt die
EP
0960645 A2 . Sie offenbart einen mehrlagigen Staubsaugerfilterbeutel
mit verbesserter Staubabscheidewirkung. Für die Vorfilterlage
werden verschiedene Materialien beschrieben, neben anderen auch
ein sogenannter High-Bulk Meltblown-Vliesstoff. Der hohe Bausch
wird über die Erzeugung von Meltblown-Filamenten mit hohen
Faserdurchmessern erzielt. Bei der Herstellung von Meltblowns ergeben
sich Faserdurchmesser, deren Verteilung bei grafischer Auswertung
an die Form einer Gauß'schen-Glocken-Verteilung ähnelt.
Die erzeugten Faserdurchmesser streuen dabei um den erzielten Mittelwert.
Will man nun, wie in
EP 960645 vorgeschlagen,
größere Faserdurchmesser erzeugen, so verschiebt sich
die gesamte Verteilung in Richtung der gewünschten Faserstärke.
Die
EP 960645 schreibt,
dass Faserdurchmesser im Bereich von 10 bis 12 μm bevorzugt
angestrebt werden. Diese Faserdurchmesser liegen bereits im Bereich
konventioneller, kardierter Stapelfaservliese, sodass zwar die Staubspeicherfähigkeit
verbessert ist, dies aber zu Lasten der Abscheidung feiner Staubpartikel,
speziell von Größen < 5 μm geht. Ein nachgeschaltetes
Feinfiltermaterial wird dadurch nicht entlastet.
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Es
besteht daher die Notwendigkeit, einen Filteraufbau bereitzustellen,
welcher die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Die
Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst. Sinnvolle Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Materialien lösen das
Problem der geringen Staubspeicherfähigkeit durch Erhöhen
des Volumens bei gleichbleibendem Flächengewicht. Wie beschrieben
wird durch das Einbringen/Erzeugen von mechanisch stabilen Anteilen,
wie groben Filamenten, Stapelfasern oder das Zusammenklumpen von
Filamentsträngen die Dichte des Meltblown-Filtermaterials
verringert.
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Der
Begriff Faserfilamentstärken oder Faserstärken
wird im nachfolgenden synonym verwendet. Er steht für den
Durchmesser eines einzelnen Polymerstranges, unabhängig
davon, ob dieser als Filament oder als endliche Faser vorliegt.
Der Durchmesser wird vereinfachend als rund angenommen. Ermittelt
wurde dieser durch einfaches Vermessen unter Zuhilfenahme eines
Mikroskopes mit entsprechender Messoptik. Er wird in Mikrometern,
Abkürzung μm angegeben.
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Ist
von Faserstärkenverteilung die Rede, so wurden diese anhand
einer Messreihe von 100 Einzelmessungen erstellt. Als Standard für
die Klassenbreite innerhalb der hier gezeigten Häufigkeitsdiagramme wurde
1 μm festgelegt. In den Diagrammen ist in der Y-Achse die
Anzahl gefundener Faserfilamente mit einem in die jeweilige, auf
der X-Achse abgetragene Faserstärkenklasse zu sehen.
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Betrachtet
man die Faserstärkenverteilung derartiger, dem Stand der
Technik entsprechender, voluminöser Meltblowns, so erinnert
diese im Wesentlichen an eine Gauß-Glocken-Verteilung,
wobei, wenn gemäß den Lösungswegen von
DE19953717 oder
US4118531 gearbeitet wird,
zwei von einander unabhängige Verteilungen gefunden werden
können.
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1 soll
das verdeutlichen. Gezeigt wird die Faserstärkenverteilung
für ein derartiges Meltblown. Auf der X-Achse sind die
einzelnen Klassen für den Faserdurchmesser in μm
angeben, die Y-Achse zeigt die Häufigkeit der gefundenen
Durchmesser innerhalb einer Klasse. Von links mit der kleinsten
Klasse beginnend ist zunächst die Faserstärkenverteilung
des eigentlichen Meltblowns zu erkennen. Danach folgt am rechten
Ende der Grafik eine weitere Verteilungskurve, erzeugt durch die
eingebrachten/erzeugten Stützelemente mit höheren
Durchmessern.
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Der
mittlere Faserdurchmesser des eigentlichen Meltblowns ist dabei
dem zu erwartenden Staubpartikelgrößen angepasst.
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Ausnahme
davon ist lediglich das in
EP
960645 beschriebene High-Bulk-Meltblown, welches keine doppelte
Verteilung hat, allerdings ist der Mittelwert der gefundenen Faserstärkendurchmesser
deutlich in Richtung grober Faseranteile verschoben, sodass ein
sogenanntes High-Bulk-Meltblown wie vorerwähnt eher einem
kardierten Vlies gleicht und eine geringe Filtrationseffizienz gegenüber
feinen Partikeln aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung verfolgt einen anderen Ansatz.
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Wie
vorerwähnt, zeigen die Faserstärkenverteilungen
bekannter Meltblowns eine Glockenkurve. Um einen Mittelwert herum
streuen die Faserstärken, wobei die Faserstärkenklassen
direkt am Mittelwert am meisten besetzt sind, je weiter man sich
vom Mittelwert nach oben oder unten entfernt, umso geringer ist
die Besetzung einer Klasse. Zum Erreichen einer guten Staubabscheidung
wird der mittlere Faserdurchmesser der erwarteten Hauptpartikelfraktion
des Staubes angeglichen.
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Bei
einem erfindungsgemäß ausgeführten Meltblown
sind dagegen die einzelnen Faserstärkenklassen nahezu gleichmäßig,
das bedeutet mit ähnlichen Häufigkeiten besetzt.
Die Verteilung ist nicht der Hauptfraktion der Partikel angeglichen
und folgt nicht mehr einer Glockenkurve.
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Die
grafische Darstellung der Faserstärkenverteilung gleicht
in ihrem Aussehen einer stetigen Gleichverteilung. Der Begriff „stetige
Gleichverteilung” im Sinne der vorliegenden Erfindung steht
synonym für das Merkmal der gleichmäßigen
Besetzung der einzelnen Faserstärkenklassen über
einen großen Faserstärkenbereich.
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Dies
ist in 2 dargestellt.
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Ein
erfindungsgemäßes Meltblown hat keine bevorzugt
vorhandene mittlere Faserstärke sondern zeichnet sich durch
die gleichmäßige Besetzung der einzelnen Faserstärkenklassen über
einen großen Faserstärkenbereich aus.
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Dadurch
ist es möglich, sowohl als auch eine ausreichende Staubspeicherfähigkeit
und mechanische Stabilität zu gewährleisten.
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Im
Vergleich zu den aus dem Stand der Technik verfügt es über
einen hohen Anteil an Fasern mit geringem Durchmesser daher über
eine verbesserte Abscheide-Effizienz speziell gegenüber
feinen Stäuben mit Partikelgrößen < 5 μm.
Durch die ebenfalls auch in hohen Anteil enthaltenen Fasern mit
hohem Faserdurchmesser ergibt sich durch deren Rückstellkraft
eine ausreichende Dichte, sodass die Staubspeicherfähigkeit
als auch voluminös genug.
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Erreicht
wird dies durch die Tatsache, dass die aus thermoplastischen Polymeren
wie beispielsweise Polypropylen, Polyamid oder Polyester gebildeten
Meltblownfilamente kontrolliert ausgesponnen und abgekühlt
werden. Durch die Wahl entsprechender Einstellungen der Sekundärluft
im Meltblownprozess werden die ersponnen Filamente nicht mehr unkontrolliert,
und daher zufällig verstreckt sondern ergeben die erfindungsgemäße
Verteilung der Faserstärkendurchmesser. Dabei wird insbesondere
das Zusammenklumpen von Einzelfilamenten zu den aus dem Stand der
Technik bekannten Multimikrofilamentsträngen vermieden.
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3 zeigt
einen möglichen Weg für die Herstellung eines
erfindungsgemäßen Meltblown-Vliesstoffes. Die
von der Meltblowndüse (1) erzeugten Meltblownfilamente
(2) werden kurz nach dem Austritt aus der Meltblowndüse
(1) in einen an den Seiten geschlossenen Kühlschacht
(3) geführt.
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Der
Kühlschacht (3) besteht aus mehreren Kühlzonen,
in 3 als (4) und (5) bezeichnet,
wobei jede der Zonen über eine eigene Luftkonditionierung
verfügt. Der Kühlschacht (3) wird durch
das seitliche Anbringen von Verkleidungen geschlossen, sodass das
Eindringen von Fremdluft vermieden wird. Dies ermöglicht die
kontrollierte Verstreckung und Abkühlung der gebildeten
Meltblown-Filamente (2) Die in den aufeinanderfolgenden
Kühlzonen eingeblasene Luft, in der Literatur auch als
Sekundärluft bezeichnet, kühlt und verstreckt die
Meltblownfilamente (2) bis zur Ablage auf das Siebband
(6) kontrolliert. Dadurch ist es möglich, die
in der Meltblowndüse (1) entstandenen Einzelfilamente
erfindungsgemäß so zu verstrecken, dass beispielsweise
im Filamentstärkenbereich von 1 bis 5 μm die Verteilung
der Filamentstärken in Form einer stetigen Gleichverteilung
vorliegt.
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Wichtig
ist dabei der deutliche Temperaturunterschied, im Ausführungsbeispiel
von bis zu 245°C zwischen Primär- und Sekundärluft.
Nur durch das rasche und kontrolliert stattfindende Abkühlen
der Meltblownfilamente ist ein gleichmäßiges Ausspinnen
möglich, sodass die gewünschte Verteilung der
Faserfilamentstärken, wie in 2 dargestellt,
erzielt werden kann.
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Diese
vorerwähnte Temperaturdifferenz verhindert das Zusammenklumpen
von Einzelfilamenten, sodass die in
1 dargestellte „Doppelverteilung” vermieden
wird. Im Gegenteil, es werden nahezu alle vorhanden Klassen innerhalb
der Faserstärkenverteilung gleichmäßig
besetzt. Dies im deutlichen Unterschied zum Stand der Technik, insbesondere
zur
DE19953717 und
der
EP960645 .
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Durch
die Einstellung der weiteren Prozessparameter Extruderdurchsatz
und Abzugsgeschwindigkeit kann das Flächengewicht und daher
auch die Dicke des Materials gesteuert werden. Auch die Länge
der einzelnen Kühlzonen ist von Bedeutung. Als geeignet
haben sich Längen der Kühlzone (4) von
40 bis 80 cm, bevorzugt von 50–70 cm erwiesen. Die Länge
der Kühlzone (5) liegt im Bereich einer Länge
von 80–120, bevorzugt 100 bis 110 cm.
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Die
vorbeschriebenen Einstellungen ermöglichen das Herstellen
von erfindungsgemäßen Vorfiltermaterialien im
Bereich von 20 bis 500 g/qm, wobei sich als bevorzugt ein Gewichtsbereich
von 40 bis 250 g/qm und besonders bevorzugt ein Bereich von 50 bis
150 g/qm angestrebt wird. Angestrebt werden dabei Dicken des Vorfiltermaterials
im Bereich von 0,5 bis 20 mm.
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Aufgrund
der fehlenden Filamentverklumpungen und der dadurch fehlenden Innenverfestigung
hat ein erfindungsgemäßes Material keinerlei mechanische
Stabilität. Bei der Herstellung hat sich daher die direkte Ablage
des erfindungsgemäßen Vorfiltermaterials auf das
Feinfiltermaterial bewährt.
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Das
Feinfiltermaterial wird nach konventionellen Meltblownverfahren
hergestellt, wobei sich die dabei angestrebten Faserfilamentstärken
an den Partikeldurchmessern der feinsten Staubfraktion bzw. der
zu erreichenden Filterklasse orientieren. Die zum Einsatz kommenden
Gewichte liegen dabei im Bereich von 5 bis 100 g/qm bei mittleren
Faserstärken zwischen 0,5 und 10 μm Als Trägermaterial,
welches die Kombination aus Feinfilter und Vorfilter mechanisch weiter
stabilisiert, können handelsübliche Spinnvliese
oder Stapelfaservliese zum Einsatz kommen. Diese können
beispielsweise aus Polypropylen, im Flächengewichtsbereich
von 10 bis 200 g/qm, bevorzugt von 20 bis 100 g/qm bestehen.
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Ein
erfindungsgemäß ausgeführtes Vorfiltermaterial
weist daher eine ausreichende Staubspeicherfähigkeit gegenüber
Grobstaub auf, bedingt durch die auch in hohem Maße enthaltenen
Filamente mit geringen Stärken filtert es aber auch Feinstäube
und entlastet daher einen nachgeschalteten Feinfilter deutlich.
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Tabelle
1 verdeutlicht dies nochmals. Für ein erfindungsgemäß hergestelltes
Vorfiltermaterial kann ein handelsübliches Polypropylengranulat
mit Schmelzflussindex (MFI) von 400 bis 2000 g/10 min, vorzugsweise von
1200 g/10 min eingesetzt werden. Durch die in 2 gezeigte
Verteilung der Filamentstärken hat das erfindungsgemäße
Vorfiltermaterial bei gleichem Flächengewicht eine deutlich
höhere Dicke.
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Setzt
man ein derartiges Vorfiltermaterial in einem mehrschichtig aufgebauten
Filter der eingangs beschriebenen Art ein, so lassen sich im Vergleich
zum Stand der Technik deutlich verbesserte Standzeiten erreichen.
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Tabelle
2 zeigt den direkten Vergleich eines mehrschichtigen Filteraufbaus,
wobei für die Stützlage und die Feinfilterlage
jeweils die gleichen Materialien verwendet wurden. Lediglich die
Vorfilterlage wurde einmal erfindungsgemäß und
im Vergleichsbeispiel gemäß den Merkmalen der
DE19953717 ausgeführt.
Der so hergestellte Aufbau findet Verwendung in einem sogenannten
Taschenfilter.
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Die
dabei erreichte Filterklasse bzw. Abscheideleistung beim Test gemäß DIN
EN779:2002 liegt erwartungsgemäß in der
gleichen Klasse, betrachtet man jedoch die durch Einsatz des erfindungsgemäßen
Vorfilters erreichte Staubeinlagerung, so liegt diese um 80% über
dem Stand der Technik. Ebenso verhält es sich mit dem Druckanstieg,
bei gleicher Staubbeladung liegt der Druckanstieg um mehr als 50%
unter dem Stand der Technik.
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Um
gerade im Taschenfilterbereich die Staubaufnahme weiter zu verbessern
kann im erfindungsgemäßen Filteraufbau eine weitere,
der erfindungsgemäßen Vorfilterlage vorgeschaltete,
weitere Vorfilterlage eingesetzt werden. Diese kann beispielsweise
aus kardierten Stapelfaservliesstoffen aber auch aus Extrusionsvliesstoffen
gebildet sein.
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Die
Zur Anwendung kommenden Flächengewichte, Faserstärken
und Materialdicken sind dabei an die zu erwartenden Belastungen,
speziell im Hinblick auf den zu Grobstaub anzupassen. Bevorzugt
kommen hier Stapelfaservliese mit einem Flächengewicht
von 30 bis 100 g/qm und einer Dicke von 2 bis 8 mm zum Einsatz.
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Neben
dem reinen Einsatz von Granulaten ist es auch möglich,
dem Ausgangspolymer Additive zuzusetzen, welche die Verwendungseigenschaften
beeinflussen können.
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In
weiteren bevorzugten Ausführungsformen haben sich haben
sich im Bereich der industriell im Einsatz befindlichen Taschenfiltermaterialien
hydrophilierende Zusätze aus der Reihe oberflächenaktiver
Substanzen wie Tensiden als günstig erwiesen.
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Diese
Zusätze in Verbindung mit dem erfindungsgemäß ausgeführten
Vorfiltermaterial bringen nochmals ein verbessertes Staubspeichervermögen
im Vergleich zu Materialien die dem Stand der Technik entsprechen.
Auch der Zusatz von antimikrobiellen Zusatzstoffen, beispielsweise
auf Silberbasis oder desodorierenden Mittel, beispielsweise sogenannter
Zeolithe ist für den Einsatz im Bereich mobiler Staubsammelgeräte machbar. Tabelle 1:
| | Erfindungsgemäßes
Vorfiltermaterial | Vorfiltermaterial
gem. Stand der Technik aus DE19953717
|
| Polymer | Polypropylen | Polypropylen |
| MFI
(g/10 min bei 2,16 kg) | 1200 | 1200 |
| Materialdicke
(mm, WSP 120.6 (09)) | 4 | 2 |
| Flächengewicht
(g/m2, WSP 130.1(09)) | 60 | 60 |
| Abstand
Düsenaustritt/Auftreffpunkt (cm) | 160 | 80 |
| Länge
Kühlzone (4) (cm) | 60 | - |
| Länge
Kühlzone (5) (cm) | 100 | - |
| Temperatur
der Primärluft an der Meltblowndüse (1)
in °C | 260 | 260 |
| Temperatur
der Sekundärluft innerhalb der ersten Kühlzone
(4) in °C | 15 | - |
| Temperatur
der Sekundärluft innerhalb der zweiten Kühlzone
(5) in °C | 20 | - |
Tabelle 2:
| | Erfindungsgemäßer
Filteraufbau | Filteraufbau
unter Verwendung von Filtermaterial gem. DE19953717
|
| Aufbau | Vorfilterschicht:
erfindungsgemäßes Material aus Tabelle 1 | Vorfilterschicht:
Stand der Technik gemäß Tabelle 1 |
| Feinfilterschicht:
Meltblown aus Polypropylen, 30 g/m2, Dicke
1 mm, mittlere Filamentstärke 2 μm | Feinfilterschicht:
Meltblown aus Polypropylen, 30 g/m2, Dicke
1 mm, mittlere Filamentstärke 2 μm |
| Stützlage:
Spinnvlies aus Polypropylen, 20 g/m2
| Stützlage:
Spinnvlies aus Polypropylen, 20 g/m2
|
| Gesamtdicke
(in mm, WSP 120.6 (09)) | 7 | 5 |
| Abscheideleistung/Filterklasse (DIN
EN779:2002) | F7 | F7 |
| Staubeinlagerungsvermögen
(in %, DIN EN779:2002) | 300 | 200 |
| Gesamtflächengewicht
(in g/m2, WSP 130.1(09)) | 110 | 110 |
| Druckanstieg
während Bestaubung mit 30 g AHSRAE-Normstaub (in Pa, DIN EN779:2002) | 3 | 7 |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Meltblowndüse
- 2
- Meltblownfilamente
- 3
- Kühlschacht
- 4
- Kühlzone
I
- 5
- Kühlzone
II
- 6
- Siebband
- 7
- Vakuumeinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 4118531 [0008, 0016]
- - DE 19953717 [0009, 0016, 0032, 0040, 0046, 0046]
- - EP 0960645 A2 [0010]
- - EP 960645 [0010, 0010, 0019, 0032]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - DIN EN779:2002 [0041]
- - DIN EN779:2002 [0046]
- - DIN EN779:2002 [0046]
- - DIN EN779:2002 [0046]