DE2032072A1

DE2032072A1 - Filter aus elektrostatisch versponnenen Fasern

Info

Publication number: DE2032072A1
Application number: DE19702032072
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. 5670 Opladen; Gösling Claus DipL-Ing. 5000 Köln; Bonart Richard Dr. 5090 Leverkusen; Falkai BeIa von Dr. 4047 Dormagen Simm
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1970-06-29
Filing date: 1970-06-29
Publication date: 1972-01-05
Also published as: GB1346231A; DE2032072B2; CA937827A; JPS5328548B1; FR2100056A5; CH537205A; NL7108974A; NL169908C; NL169908B

Description

FARBENFABRIKENBAYERAG

LE VERKU Si N - Bayerwerk Patent-Abteilung KI/Lo

26. Juni 1970

PiIter aus elektrostatisch versponnenen Pasern.

Die Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Faserfiltern. Es sind Verfahren bekannt, nach denen Spinnfasern verschiedener Art auf Textilmaschinen wie Krempelmaschinen oder Nadelmaschinen zu Paservliesen verarbeitet werden, deren Faserstruktur so beschaffen ist, daß Staubteilchen, die in einem das Vlies durchströmenden Gas enthalten sind, von den Pasern zurückgehalten werden, woraus sich eine Verwendung solcher Vliese als Luftfilter ableiten läßt. Die Wirksamkeit solcher Filter ist zu einem wesentlichen Teil von der Feinheit und Dichte der Fasern abhängig. Einen anderen bedeutenden Einfluß auf die Filterwirkung hat die elektrostatische Aufladung der Pasern, die im Inneren des Vlieses starke, inhomogene elektrische Felder erzeugt, durch die geladene und auch ungeladene Staubteilchen zur Abscheidung an der Paseroberfläche gebracht werden, wo sie durch Haftkräfte festgehalten werden. Aufladungen dieser Art können z.B. durch Reibung des Fasermaterials während der Verarbeitung zum Vlies-erzeugt werden. Es ist bekannt, daß man zu diesem Zweck auch Fasergemische verwendet, die aus verschieden-

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artigem Material bestehen, das sich bei gegenseitiger Reibung unterschiedlich auflädt, wobei Potentialunterschiede und inhomogene elektrische Felder zwischen d en Fasern entstehen.

Optimale Filtereffekte sind dann zu erwarten, wenn man eine hohe Feinheit der Faser mit starker und haltbarer elektrischer Aufladung kombinieren kann.

Die konventionellen Spinnverfahren liefern Faserstärken, die im allgemeinen höher als 10 um liegen. Für die Anfertigung von Feinststaubfiltern und Absolutfiltern, die auch Staubteilchen im Größenbereich unter 0,5 »m noch wirksam zurückhalten, sind feinere Fasern erforderlich. ⁵^

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, nach dem in einfacher Weise eine Kombination von höchster Faserfeinheit und hoher elektrostatischer Aufladung schon im Heratellungsprozeß gegeben ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß für die Herstellung eines fertigen Faservlieses ein elektrostatisches Spinnverfahren eingesetzt wird, bei dem das Fasermaterial aus dem flüssigen Zustand in bekannter V/eise elektrostatisch versprüht und auf einem leitfähigen Träger abgeschieden wird. Dabei entstehen sehr dünne, relativ kurze und stark elektrisch aufgeladene Fasern in großer Zahl, die sich gleichmäßig verteilt auf dem leitfähigen Träger niederschlagen und dort ein fertiges Vlies bilden, das nach dem Abschalten der Anlage abgehoben werden kann.

Die Herstellung von Fasern aus faserbildenden Flüssigkeiten ist im Prinzip schon lange bekannt (siehe z.B. Deutsches Patent 689 870). Das Verfahren ist jedoch nicht zur

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technischen Anwendung gelangt, da die Fasern für die Textilindustrie ungeeignet waren und die zum Verspinnen verwendeten Elektrodenanordnungen wegen zu großer technischer Mängel für den Dauerbetrieb unbrauchbar waren.

Auf elektrostatischem Wege lassen sich Pasern mit Stärken unter 1 p. herstellen. Die Fasern sind häufig bandförmig ausgebildet und zeigen im. Elektronenmikroskop eine stark poröse Oberflächenstruktur.

Da Vliese aus sehr dünnen Fasern weich und berührungsempfindlich sein können, ist es in vielen Fallen vorteilhaft, die obere und untere Grenzschicht durch dünnere gasdurchlässige Trägerschichten, zu schützen. Zu diesem Zweck wird das Fasermaterial auf Niederschlageelektronen abgeschieden, deren Oberfläche mit einer selbsttragenden gasdurchlässigen Trägerschicht bedeckt ist. Die Trägerschicht besteht dabei vorteilhaft aus einem Gewebe oder Faservlies gröberer Struktur, das in konventioneller Weise hergestellt wird. Bei der erfindungsgemäßen Filterherstellung wird die Niederschlagselektrode mit diesem Gewebe abgedeckt und dann direkt mit der Feinfaser auf elektrostatischem Wege besprüht.

Als Spinnflüssigkeiten werden vorzugsweise Lösungen von Hochpolymeren in leicht verdampfenden organischen Lösungsmitteln verwendet. Von den Hochpolymeren eignen sich beispielsweise Polystyrol, Celluloseester oder Polycarbonat. Als Lösungsmittel können vorzugsweise nicht brennbare Flüssigkeiten wie Methylenchlorid, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff u.a. verwendet werden.

Verständlicherweise bilden sich durch die rasche Verdunstung des Lösungsmittels leicht Ansätze von Verkrustungen an der Elektrodenoberfläche. Aus diesem Grunde sind die aus der Lackspritztechnik bekannten Elektrodenformen wie rotierende Glocken, Scheiben oder feststehende Sprühkanten nicht für

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das Spinnverfahren geeignet, da der Absprühvorgang nach kurzer Zeit durch die am Sprührand eingetrocknete Flüssigkeit blockiert wird.

Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Nachteile vermieden werden können, wenn das Absprühen von einer rotierenden Ringelektrode aus erfolgt. Bei-der hier verwendeten Ringelektrode wird die benutzte Oberfläche immer wieder vollständig durch das Flüssigkeitsbad gezogen, von angetrockneten Rückständen gereinigt und neu benetzt. Elektrodenausführungen

dieser Art sind für die Herstellung von Aerosolen bereits bekannt.

Ferner wurde festgestellt, daß die Faserdicke durch die elektrische Leitfähigkeit der Spinnflüssigkeit beeinflußt werden kann. Die Faserdicke wird größer bei kleinerer Leitfähigkeit der Spinnflüssigkeit. Es wurde gefunden, daß Faserstärken, die für die Filterfertigung besonders günstig sind, nur aus Flüssigkeiten versponnen werden können, deren elektrische Leitfähigkeit im Bereich von i0~°0hm cm bis 10"^ Ohm" cm" liegt. Die Leitfähigkeit kann durch angemessene Zugabe ionenbildender organischer Salze zur Spinnflüssigkeit in den meisten Fällen auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Auch durch geeignete Wirkung verschiedener Lösungsmittel oder der gelösten Substanzen kann die Leitfähigkeit verändert werden.

Auf die Ausbildung dünner, trockener Fäden hat ferner die Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit einen deutlichen Einfluß. So wurde festgestellt, daß die günstigsten Bedingungen für die Herstellung guter Faservliese bei Lufttemperaturen zwischen 2O⁰C und 30⁰O mit der relativen Feuchte von weniger als 40 # liegen.

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Die Filterwirkung der Faservliese für kleinste Staubteilchen berunt zu einem bedeutenden Anteil auf der Wirkung elektrischer Felder zwischen den Fasern. Zur Erhöhung der Feldstärke ist es notwendig, größere Potentialunterschiede innerhalb des Vlieses zu erzeugen. Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung lassen sich die größten Potentialunterschiede dadurch herstellen, daß die Filterschicht aus Faser-Teilschichten mit positiver und negativer Ladung zusammengesetzt wird, wobei die alternierende Ladung der Teilschichten durch Versprühen der Fasersubstanz mit wechselnder Polarität der Sprühelektrode erzeugt wird.

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Wegen der schlechten Leitfähigkeit der trockenen, dünnen Faser von Hochpolymeren bleiben die auf diese Weise hergestellten Ladungen innerhalb der Schichten über Monate erhalten.

Die Wirksamkeit der Faserfilter läßt sich weiterhin dadurch verbessern, daß grobe und feine Fasern in das Vlies eingearbeitet werden, wobei die groben Fasern ein mechanisch festeres Gerüst, und die feinen Fasern vorzugsweise den für die Filterung wirksamen Anteil liefern. Diesen Effekt kann man dadurch erzielen, daß man nacheinander verschiedene Spinnlösungen mit höherer und niedrigerer Leitfähigkeit versprüht und die gebildeten Fasern auf der gleichen Unterlage niederschlägt.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 eine .Anlage zur Herstellung von Faservliesen unter

Einwirkung starker elektrischer Felder und Figur 2 die ringförmige Sprühelektrode.

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Grundsätzlich "besteht die gesamte Anlage aus einer Sprühelektrode 1 von der die Sprühflüssigkeit abgesprüht wird, und Niedersohlagselektroden 2,auf denen sich die elektrisch geladene Faser niederschlägt. Sie Spannung zwischen den Elektroden liegt bei Werten zwischen 50 - 200 kV. Die elektrische Versorgung der Anlage erfolgt aus der Hochspannungsquelle 3* Das niedergeschlagene Fasermaterial 4 wird auf beweglichen Elektroden z.B. Transportbändern 5 aus der Sprühzone herausgeführt. Der Abstreifer 6 dient zur kontinuierlichen Entfernung des niedergeschlagenen Fasermaterials. Die zu verspinnenden Lösungen befinden sich im Vorratsbehälter 7» aus dem die Spinnflüssigkeit von der Ringelektrode 8 kontinuierlich entnommen und in den Sprühraum 9 geführt wird, wo der- Spinnvorgang stattfindet. Die entstehenden Lösungsmitteldämpfe werden durch einen Abzugskanal 10 abgezogen.

Figur 2 zeigt die Ringelektrode in Seitenansicht. Die Ringelektrode 8 ist auf Rollen 11, 12, 13 drehbar gelagert und taucht mit dem unteren Teil in die Spinnflüssigkeit 14 ein. Der Antrieb erfolgt durch die. isolierende Welle 15 mit Hilfe des Getriebes 16 (Figur 1).

Bei der Rotation in Pfeilrichtung wird eine dünne Flüssigkeitsschicht an der Ringoberfläehe in den Außenraum getragen und kann dort unter dem Einfluß des elektrischen Feldes abgesprüht werden. Am freiliegenden Teil des Ringes bilden sich unter der Einwirkung des Feldes auf die Flüssigkeitshaut zahlreiche Flüssigkeitsspitzen 17 aus, die am Ende in dünne Spinnfäden übergehen. Die Spinnfäden lösen sioh ab und verfestigen sich durch Verdunstung des Lösungsmittels. Beim Ablösen sind die Faden stark aufgeladen und bewegen sich infolge ihrer Ladung im elektrischen Feld auf die Niederschlagselektrode hin, wo sie abgeschieden werden und sich zu einem Vlies formieren.

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Beispiel 1

Eine Spinnflüssigkeit wird aus einer 1Obigen Lösung von Polystyrol (Molekulargewicht-~Ί80 000) in Methylenchlorid angesetzt. Die elektrische Leitfähigkeit der Lösung liegt bei S^ = 2.10"⁷. Ohm"¹cm*¹. Als Sprühelektrode wird eine Ringelektrode nach Figur 2 mit dem Durchmesser von 1 m verwendet. Der Abstand zu den beiderseits des Ringes angeordneten Niederschlagselektroden beträgt je 0,5 m. Zwischen Ring und Niedersehlagselektroden liegt eine Spannung von 120 kV, wobei der Ring positiv ist. Während des Sprühvorganges rotiert der Ring mit der Geschwindigkeit von 30 Umdr./Min. Auf den Niederschlagselektroden, die mit dünnen, gut luftdurchlässigen, in herkömmlicher Weise vorgefertigten Vliesen aus Cellusose bedeckt sind, entsteht nach wenigen Minuten ein 2 bis 3 mm dickes Vlies aus trockenen, porösen Polystyrolfaeern unterschiedlicher Stärke _f\ im Mittel ca. 20 >um stark. Durch Abnehmen des so beschichteten Trägervlie.ses von der Elektroden und durch Aufeinanderlegen zweier Schichten derart, daß sich die von dem Trägervliee nicht bedtckten Flächen berühren, erhält man ein sofort einsätzfähiges Luftfilter, dessen Durch— ' lässigkeit für Raumluft jtaub mit einem Teilchendurchmesser größer als 0,5 Am verschwindend ist.

Beispiel 2

Eine 12#ige Lösung von Polycarbonat (Molekulargewicht um 50 000) in Methylenchlorid hat eine Leitfähigkeit von ^ = 1.10"⁸ 0hm"¹ cm" . Durch Zugabe weniger Tropfen einer konzentrierten Lösung von Dimethyltetradezylbenzylammoniumbromit in Methanol zu 1 1 Spinnflüssigkeit wird die Leitfähigkeit auf 1.10"⁶ 0hm"¹ cm"¹ erhöht. Diese Spinnflüssigkeit wird in der Vorrichtung nach Beispiel 1 versprüht. Man erhält ein Faserfilter, dessen Faserstärke im Mittel/bei 5 bis 10 yum liegt und dessen Fasern band*- förmiges Aussehen haben. Die Oberfläche jeder Faser ist von

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Poren von 0,1 bis 0,2 xtm Größe durchsetzt. Die Filterwirkung ist praktisch vollkommen für Staubteilchen größer 0,3

Beispiel 3

Eine 12#ige lösung von Polyacrylnitril in Dimethylformamid besitet die extrem hohe Leitfähigkeit von 1.10 0hm~ cm"" . Mit positiver Ringelektrode nach Beispiel 1 versprüht, liefert die Spinnflüssigkeit ein äußerst feinfasriges Vlies mit Paserstärken von 0,4 Aim und sehr guter Filterwirkung.

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Claims

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Patentansprüche ι

CO. Verfahren zur Herstellung von Faserfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial aus dem flüssigen Zustand in an sich bekannter Weise elektrostatisch versprüht und auf einem leitfähigen Träger als Faservlies abgeschieden wird*
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß .das Fasermaterial auf Niederschlagselektroden abgeschieden wird, deren Oberfläche mit einer selbsttragenden, gasdurchlässigen Trägerschicht bedeckt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als faserbildende Ausgangssubstanzen Lösungen von Hochpolymeren in leicht verdampfenden organischen Lösungsmitteln verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 Ms 3» dadurch gekennzeichnet, daß zum Versprühen der Flüssigkeiten bekannte Ringelektroden verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die faserbildenden Flüssigkeiten durch leitfähig machende Zusätze auf einen Leitfähigkeitswert im Bereich ^{1 1}

werden.

g Bereich von 10 "^ Ohm"" cm"¹ bis 10""⁴ Ohm"¹ cm"¹ eingestellt
6. Verfahren zur Herstellung von Faserfiltern, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschicht aus Faser-Teilschichten mit positiver und negativer Ladung zusammengesetzt wird, wobei die Ladung der Teilschichten durch Versprühen der Fasersubstanz mit Wechselnder Polarität der Sprühelektrode erzeugt wird.

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7. Verfahren zur Herstellung von Paserfiltern nach Anspruch bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander verschiedene Spinnlösungen mit höherer und niedrigerer leitfähigkeit versprüht und die gebildeten Pasern auf der gleichen Unterlage niedergeschlagen werden.

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