DE202013003445U1

DE202013003445U1 - Staubbeutel

Info

Publication number: DE202013003445U1
Application number: DE202013003445U
Authority: DE
Original assignee: Sandler AG; AMSilk GmbH; BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: Sandler AG; AMSilk GmbH; BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2013-04-26
Anticipated expiration: 2023-04-12

Abstract

Staubsaugerbeutel/-filter (10) mit zumindest einer Feinstaubfiltertrennschicht aus Nanofaservliesen (3a, 8a), dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstaubfiltertrennschicht mittels des Elektrospinnens aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen hergestellt ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Staubsaugerbeutel/-filter mit einer Feinstaubfiltertrennschicht aus einem Nanofaservlies.
Stand der Technik
Herkömmliche moderne Staubsaugerbeutel bestehen aus einem Verbindungsstutzen, dem Mantelmaterial, welches zu einem Beutel verschweißt oder verklebt wird und mehreren internen Filterschichten. Staubsaugerfilter umfassen mitunter mehrlagige Filtermateralien, welche in einem Rahmen gehaltert oder umspritzt sein können. Die Mantelmaterialien bestehen meist aus Papier oder feinmaschigen Polymerfaser-Geweben bzw. -Vliesen. Die Filterschichten sind meist aus Polymerfaservliesen aufgebaut, welche eine unterschiedliche Dichte aufweisen. Diese steigt mit der Tiefe des Filterquerschnittes an, um die Staubpartikel ihrer Größe nach graduell abzuscheiden. Die letzte Schicht, welche von der durchströmenden Luft vor dem Austritt passiert werden muss, wird üblicher Weise mittels eines dichten Vlieses aufgebaut, das aus sehr dünnen Fasern besteht, welche aus einer Polymerschmelze extrudiert werden, realisiert. Diese letzte Schicht hat die Aufgabe Fein- und Feinststaubpartikel zu filtern und festzuhalten. Eines der Hauptprobleme bei der Herstellung von Filtermateralien ist die Entwicklung von Filtersystemen, welche eine hohe Luftdurchlässigkeit einerseits, als auch andererseits eine entsprechend hohe Filtereffizienz aufweisen. Für einen geringen Energieverbrauch des Reinigungsgeräts ist ein geringer Druckverlust und somit eine hohe Luftdurchlässigkeit in Verbindung mit den Staubsaugerbeuteln/-filter unverzichtbar. Traditionelle Filtermedien beinhalten meist Vliese aus extrudierten Polymerfasern mit höheren Schichtdicken. Die Trenneffizienz steigt mit einer zunehmenden Schichtdicke, jedoch wird der Druckabfall und damit auch die Luftdurchlässigkeit negativ beeinflusst. Ebenso belasten Polymermaterialien die Umwelt, da Staubsaugerbeutel/-filter ein Verbrauchsmaterial darstellen.
Aus dem Stand der Technik sei beispielsweise auf die DE 43 22 222 A1 verwiesen, welche Filter für Staubsauger offenbart, wobei alle Filterteile aus biologisch abbaubaren Werkstoffen und zumindest ein Filterteil aus einem biologisch abbaubaren Polymerwerkstoff besteht.
Weiter sei auf die DE 10 2009 043 295 (A1) verwiesen, welche einen Staubfilterbeutel offenbart, der eine Oberlage und eine Unterlage umfasst, welche jeweils aus einem mehrschichtigen Filtermaterial gebildet sind, das aus mindestens einer Grobfilterlage, mindestens einer Feinfilterlage und mindestens einer Stützlage besteht und die einzelnen Lagen an definierten Stellen miteinander verbunden sind, wobei das Filtermaterial aus biologisch abbaubaren Fasern und/oder Filamenten besteht.
Nachteilig an dem genannten Stand der Technik ist die teilweise ungenügende Luftdurchlässigkeit.
Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Material und eine Verarbeitungsmethode zu finden, welche sowohl die Herstellung einer effektiven Trennschicht mit möglichst geringer Belegungsdichte und hoher Luftdurchlässigkeit ermöglichen, als auch eine gute Bioverträglichkeit für den täglichen Gebrauch im Haushalt bzw. in Hinblick auf die Herstellung eines verrottbaren, biologisch abbaubaren Staubsaugerbeutels/-filters ermöglichen.
Erfindungsgemäße Lösung
Die Bezugszeichen in sämtlichen Ansprüchen haben keine einschränkende Wirkung, sondern sollen lediglich deren Lesbarkeit verbessern.
Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch ein Bodenpfleggerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Staubsaugerbeutel/-filter mit zumindest einer Feinstaubfiltertrennschicht aus Nanofaservliesen gelingt dadurch, dass die Feinstaubfiltertrennschicht mittels des Elektrospinnens aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen hergestellt ist.
Die Materialforschung stellt eines der wichtigsten und forschungsintensivsten Wissensgebiete des modernen Zeitalters dar. Es werden immer stärkere und widerstandsfähigere Materialien benötigt, die gleichzeitig leicht handhabbar und bearbeitbar sein sollen. Dabei sind beispielsweise Filtermaterialien stets im Fokus der Materialforscher. In den unterschiedlichsten Bereichen werden Hochleistungsfilter benötigt. Ob Kraftstoff-, Feinstaub- oder Reinstraumfilter, Filtermaterialien müssen höchste Standards erfüllen [Fotovati et al., S.; Vahedi Tafreshi, H. und Pourdeyhimi, 8. (2010). Influence of fiber orientation distribution an performance of aerosol filtration media. Chemical Engineering Science, 65(18): 5285–5293]. Höchste Trennleistung und biologische Verträglichkeit wird ebenfalls im Bereich der Bodenreinigung und Haushaltstechnik verlangt. Je spezieller jedoch die Anwendung wird und je höher die Anforderungen wachsen, umsoschwieriger wirdes geeignete Hochleistungsmaterialien zu finden. Daher findet die Übertragung natürlicher Systeme auf technische Bereiche, die Biomimetik, immer häufiger Anwendung in verschiedenen Applikationen. Bisher wurden aus Polymerschmelzen extrudierte Fasern als Feinstaubfilterauflage verwendet. Diese Methode ist für temperaturempfindliche, biologische Materialien ungeeignet. Der neue Trend in der interdisziplinären Materialforschung ist das Spinnen hauchdünner Polymerfasern im Hochspannungsfeld (das Elektrospinnen) [Qin, Xiao-Hong und Wang, Shan-Yuan (2006). Filtration properlies of electrospinning nanofibers. Journal of Applied Polymer Science, 102(2): 1285–1290]. Verschiedene interne Projekte großer Staubsaugerhersteller zielen darauf ab, umweltfreundliche Filtermaterialien mit gleichbleibend hoher Filtereffizienz und hoher Luftdruchgangszahl, also einer hohen Luftdurchlässigkeit herzustellen. Der Einsatz von rekombinanter Spinnenseide ist ein Ansatz wie dieses Ziel verwirklicht werden kann [Vendrely, C. und Scheibel, T. (2007). Biotechnological production of spider-silk profeins enables new applications. Macromolecular Bioscience, 7(4): 401–409], [Hardy, John G.; Römer, Lin M. und Scheibel, Thomas R. (2008). Polymerie material based an silk proteins. Polymer, 49(20): 4309–4327], [Hardy, John G. und Scheibel, Thomas R. (2010). Composite materials based an si/k proteins. Progress in Polymer Science, 35(9): 1093–1115], [Slotta, U. (2009). Charakterisierung von Assemblierungsformen rekombinanter Spinnenseidenproteine. Dissertation, Universität Bayreuth]. Gleichzeitig ermöglicht die Methode des Elektrospinnens die Erzeugung von Nanofasern mit einem immensen Oberflächen-Volumen-Verhältnis, wodurch diese Fasern eine ideale Auflage für die Feinstaubfilterung darstellen. Der erste Schritt auf dem Weg zur Herstellung eines umweltverträglichen Hochleistungsfilters ist der Aufbau eines traditionellen, mitunter quadratischen Filterbeutels mit Polymergeweben- und Vliesen als Mantelmaterialien und als erste Trennschichten für gröbere Stäube, sowie Nanofaservliesen hergestellt aus rekombinanter Spinnenseiden als Hochleistungsfeinstaubtrennfilter.
Bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Bezugszeichen in den Ansprüchen haben keine einschränkende Wirkung, sondern sollen lediglich deren Lesbarkeit verbessern.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind der Feinstaubfiltertrennschicht Nanofaservliese aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen als Feinstaubfilter vorgelagert. Durch geeignet Auswahl der Fasergröße und/oder des Gitter- oder Netzabstandes kann eine Filterung der Staubpartikel von großen zu kleineren Partikeln erfolgen.
Zweckmäßiger Weise sind der Feinstaubfiltertrennschicht aus Nanofaservliesen vergleichbare Polymervliese, bzw. -gewebe vorgelagert. Polymervliese besitzen vergleichbare Filtereigenschaften und Luftdurchgangszahlen. Dadurch sind kostengünstige Staubsaugerbeutel/-filter herstellbar, die sehr gute Eigenschaften bezüglich der Feinstaubfilterung besitzen.
In vorteilhafter Weise sind ein Grundaufbau des Staubsaugerbeutel/-filter und zumindest eine Trennschicht aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen miteinander verbunden. Durch eine Verbindung der einzelnen Schichten werden diese miteinander luftdicht verbunden, sodass keine Leckagen vorhanden sind.
Zweckmäßiger Weise sind die einzelnen Schichten mit Ultraschallschweißen verbunden. Das Verbinden der einzelnen Schichten mit Ultraschweißen sichert eine innige Verbindung der einzelnen Lagen. Alternative zu einer Verbindungstechnik aus Ultraschall ist, z. B. Kleben.
Vorzugsweise ist zumindest die Feinstaubfiltertrennschicht mit einer Haltevorrichtung (1) oder einem Rahmen versehen. Durch eine Umspritzung des Filters mit z. B. einem Rahmen kann eine stabile und langlebige Vorrichtung geschaffen werden, wobei die Filtermateralien selbst keinen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung eines Staubsaugerbeutel/-filter mit hohen Luftdurchgangszahlen, sowie eine umweltverträgliches, biologisch abbaubares Hochleistungsfilter.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
Es zeigen schematisch:
1 Aufbau des Filterbeutels mit Verbindungsstutzen;
2 einen verschweißten Staubsaugerbeutel;
3 ein Diagramm zur Luftdurchlässigkeit von Polyamidgeweben mit rekombinanter Spinnenseide; und
4 ein Diagramm zur Filtereffizienz von Polyamidgeweben besponnen mit rekombinanten Spinnenseidenproteinen;
Ausführliche Beschreibung anhand von einem Ausführungsbeispiel
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt schematisch einen hergestellte Staubsaugerbeutel in den Maßen 200·200 mm besteht aus einer Grundschicht (8) bzw. Deckschicht (3) aus einem Polyamidgewebe mit einer Maschenweite von 80 μm. Ein Verbindungsstutzen (1) aus Pappkarton ist mittels Heißkleber (z. B. Henkel Standard) mittig auf die Deckschicht (3) geklebt. Der Lufteinlass (2) durchdringt die Deckschicht völlig, sodass ein ungehindertes einströmen der staubbeladenen Saugluft möglich ist. Die Innenseiten der Polymamidgewebe (3a, 7a) sind mit Fasern aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen belegt. Zur Herstellung solcher Fasern sei verwiesen z. B. auf die WO 2006/008163 A1 , WO 2006/002827 A1 , WO 2006/002853 A1 und auf die WO 2007/025719 A1 . Diese werden mittels eines Elektrospinnenverfahrens erzeugt [Formhals, Anton (1934). Process and apparatus for preparing artificial threads – US 1,975,504 A ], [Formhals, Anton (1939). Method and Apparatus for spinning –. US 2,160,962 A ], [Baumgarten, Peter K. (1971). Electrostatic spinning of acrylic microfibers. Journal of Colloid and Interface Science, 36(1): 71–79], [Reneker, Darrell H und Chun, Iksoo (1996). Nanometre diameter fibres of polymer, produced by electrospinning. Nanotechnology, 7(3): 216], [Fong, H. und Reneker, D. H. (1999). Elastomeric nanofibers of styrene-butadienestyrene triblock copolymer. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 37(24): 3488–3493], [Chen, Zhihao; Foster, Mark D.; Zhou, Wensheng; Fong, Hao; Reneker, Darrell H.; Resendes, Rui und Manners, Ian (2001). Structure of Poly(ferrocenyldimethylsilane) in Electrospun Nanofibers. Macromolecules, 34(18): 6156–6158]. Hierbei kommt ein zweidimensional steuerbarer Spinnkopf zum Einsatz, um Flächenware in gleichmäßigen Spinndauern mit einem Nanofaservlies aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen zu belegen. Die Spinnenseidenvliese dienen als Feinstaubfilter. Unter der Deckschicht bzw. über der Grundschicht ist jeweils eine Lage eines dünnen Spinnvlieses (4, 7) aus Polypropylen (z. B. Sandler AG) mit einem Flächengewicht von 15 g/m² angeordnet. Dieses dient als zweite Filterschicht, in welcher Staubpartikel mittleren Volumens gefangen werden sollen. Die mittleren Schichten des Filters (5, 6) bilden die ersten Filterlagen, welche von der einströmenden Luft passiert werden, stellen die erste Barriere dar und dienen der Grobpartikelfilterung. Hierbei handelt es sich um ein Polyesterstapelvlies (z. B. Sandler AG). mit einer Faserlänge von 30–60 mm Beide Polymertrennschichten werden auf der Oberseite des Filters von dem Lufteinlasskanal durchdrungen. Die einzelnen Lagen des Filters werden abschließend mittels Ultraschall verschweißt. Die Hohlkammer (9), welche nach der Verschweißung der äußeren Nähte von diesen Filterlagen gebildet wird, ist als Luftkammer des Beutels anzusehen. Die Luftströmung verläuft von hieraus in Richtung Ober- bzw. Unterseite des Staubbeutels. Der Staubbeutel kann in handelsüblichen Staubsaugern mit Kompatibilität zum verwendeten Verbindungsstutzen verwendet werden. Es handelt sich um einen Gebrauchsgegenstand für die tägliche Anwendung mit höchsten Qualitätsansprüchen.
2 zeigt einen Staubsaugerbeutel, der mittel US-Schweißtechnik an den Seitenrändern luftdicht verschweißt ist.
Der Hauptvorteil des hergestellten Staubsaugerbeutels liegt in der Feinstaubfilterschicht aus Fasern hergestellt aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen. Dieses Material weist eine sehr gute Biokompatibilität und Verrottbarkeit auf, wodurch einerseits keine gesundheitlichen Risiken bei täglichem Gebrauch entstehen und andererseits ein erster Schritt in Richtung einer umweltneutralen Entsorgung der Staubsaugerbeutel getan wird.
3 zeigt ein Diagramm zur Luftdurchlässigkeit von Polyamidgeweben besponnen mit rekombinanter Spinnenseide, Nachbehandlung (NB) in abgeschlossener Kammer bei 60°C und Atmosphäre von H2O:2-Propanol (25%:75%) für 90 min
Weiterhin zeigt das Nanofaservlies besonders positive filterbezogene Eigenschaften. So kann eine sehr hohe Luftdurchlässigkeit bei einer ebenfalls vergleichbar hohen Abscheideleistung verzeichnet werden. Die Spinndauer im Elektrospinnprozess beeinflusst die Dicke des Nanofaservlieses und somit die Luftdurchlässigkeit dieser Schicht (siehe ). Die Luftdurchlässigkeit sinkt exponentiell mit steigender Spinndauer und somit steigender Vliesdicke. Für die Herstellung des dargestellten Filters wird eine Spinndauer von 60 s verwendet. Die Lösung enthält eine Spinnenseidenkonzentration von 10% (w/v) und die Filtermaterialien werden mit dem dargestellten Dampfgemisch (Wasser:2-Propanol, 25%:75%) bei 60°C nachbehandelt (Symbol graues Dreieck). Zusätzlich wird der Elektrospinnlösung Glycerin 5% (w/w_Spinnenseide) hinzugegeben und als finales System verwendet (Symbol Punkt).
4 zeigt die Filtereffizienz von Polyamidgeweben besponnen mit rekombinanten Spinnenseidenproteinen
Die Filtereffizienz liegt bis zu einer relevanten Korngröße von 3 μm in einem sehr hohen Bereich (4). Bei dem gewählten System (60 s Spinndauer, Zugabe von 5% (w/v) Glycerin, Symbol Dreieck) kann eine vergleichbar hohe Filterleistung gewährleistet werden.
Ein weiterer großer Vorteil dieses Staubsaugerbeutels ist die hohe Filtereffizienz bei einem vergleichbar geringen Materialeinsatz. Bei herkömmlichen Staubsaugerbeuteln werden ca. 70 g Polymer zur Herstellung der Feinstaubfilterschicht verwendet. Für die Herstellung eines dargestellten Staubsaugerbeutels wurde je Lage eine Menge von ca. 50 mg an rekombinanter Spinnenseide verwendet. Somit ergibt sich je Staubsaugerbeutel eine Gesamtmenge an Spinnenseide von 100 mg. Für eine vergleichbare Filtereffizienz kann mit rekombinanter Spinnenseide eine Einsparung der Materialmenge an eingesetztem Polymer von 98,6% erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung eines Staubsaugerbeutel/-filter mit hohen Luftdurchgangszahlen, sowie eine umweltverträgliches, biologisch abbaubares Hochleistungsfilter.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
Bezugszeichenliste

1: Verbindungsstutzen/Haltevorrichtung
2: Lufteinlass
3: Deckschicht
3a: Nanofaservliesen/Polymamidgewebe
4: Feinstaubfiltertrennschicht/Spinnvlies
5: mittlere Schicht
6: mittlere Schicht
7: Feinstaubfiltertrennschicht/Spinnvlieses
8a: Nanofaservliesen/Polymamidgewebe
8: Grundschicht
9: Hohlkammer
10: Staubsaugerbeutel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4322222 A1 [0003]
DE 102009043295 (A1) [0004]
WO 2006/008163 A1 [0025]
WO 2006/002827 A1 [0025]
WO 2006/002853 A1 [0025]
WO 2007/025719 A1 [0025]
US 1975504 A [0025]
US 2160962 A [0025]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Fotovati et al., S.; Vahedi Tafreshi, H. und Pourdeyhimi, 8. (2010). Influence of fiber orientation distribution an performance of aerosol filtration media. Chemical Engineering Science, 65(18): 5285–5293 [0010]
Qin, Xiao-Hong und Wang, Shan-Yuan (2006). Filtration properlies of electrospinning nanofibers. Journal of Applied Polymer Science, 102(2): 1285–1290 [0010]
Vendrely, C. und Scheibel, T. (2007). Biotechnological production of spider-silk profeins enables new applications. Macromolecular Bioscience, 7(4): 401–409 [0010]
Hardy, John G.; Römer, Lin M. und Scheibel, Thomas R. (2008). Polymerie material based an silk proteins. Polymer, 49(20): 4309–4327 [0010]
Hardy, John G. und Scheibel, Thomas R. (2010). Composite materials based an si/k proteins. Progress in Polymer Science, 35(9): 1093–1115 [0010]
Slotta, U. (2009). Charakterisierung von Assemblierungsformen rekombinanter Spinnenseidenproteine. Dissertation, Universität Bayreuth [0010]
Baumgarten, Peter K. (1971). Electrostatic spinning of acrylic microfibers. Journal of Colloid and Interface Science, 36(1): 71–79 [0025]
Reneker, Darrell H und Chun, Iksoo (1996). Nanometre diameter fibres of polymer, produced by electrospinning. Nanotechnology, 7(3): 216 [0025]
Fong, H. und Reneker, D. H. (1999). Elastomeric nanofibers of styrene-butadienestyrene triblock copolymer. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 37(24): 3488–3493 [0025]
Chen, Zhihao; Foster, Mark D.; Zhou, Wensheng; Fong, Hao; Reneker, Darrell H.; Resendes, Rui und Manners, Ian (2001). Structure of Poly(ferrocenyldimethylsilane) in Electrospun Nanofibers. Macromolecules, 34(18): 6156–6158 [0025]

Claims

Staubsaugerbeutel/-filter (10) mit zumindest einer Feinstaubfiltertrennschicht aus Nanofaservliesen (3a, 8a), dadurch gekennzeichnet, dass die Feinstaubfiltertrennschicht mittels des Elektrospinnens aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen hergestellt ist.
Staubsaugerbeutel/-filter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinstaubfiltertrennschicht Nanofaservliese (3a, 8a) aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen als Feinstaubfilter vorgelagert sind.
Staubsaugerbeutel/-filter (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feinstaubfiltertrennschicht (4) aus Nanofaservliesen (3a, 8a) vergleichbare Polymervliese, bzw. -gewebe (4, 5, 6, 7) vorgelagert sind.
Staubsaugerbeutel/-filter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grundaufbau des Staubsaugerbeutel/-filter (10) und zumindest eine Trennschicht aus rekombinanten Spinnenseidenproteinen (3a, 8a) miteinander verbunden sind.
Staubsaugerbeutel/-filter (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Schichten (3, 3a, 4, 5, 6, 7, 8a, 8) mit Ultraschallschweißen verbunden sind.
Staubsaugerbeutel/-filter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Feinstaubfiltertrennschicht mit einer Haltevorrichtung (1) oder einem Rahmen versehen ist.