DE2512885A1 - Verfahren zur herstellung eines elektrisch geladenen faserfilters - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines elektrisch geladenen faserfiltersInfo
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Description
" "£" η EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 £gSgä^?£^^
e.ur£u «oScmS D-8000 MÜNCHEN 90 Postscheck= München «,« - se
Ν·ν· Verto 2 Ί. März 1975
Rotterdam, Niederlande
serfilters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geladenen Faserfilters, dessen Fasermaterial
aus einer hochmolekularen, nicht-polaren bzw. unpolarisierten (non-polar) Substanz besteht.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt, doch ist dabei das Aufladen des Fasermaterials in einem elektrischen Feld zur
Bildung eines aufgeladenen Faserfilters wegen des elektrischen Durchbruchs durch die Poren des Materials schwierig.
Durch Abdeckung der Elektroden, zwischen denen die "Formierfeldstärke" (forming field strength) angelegt wird,
mit einem Halbleitermaterial ergibt sich zwar die Möglichkeit, das Fasermaterial in einen höher aufgeladenen Zustand zu versetzen, doch ist damit gleichzeitig der Nachteil verbunden, daß dieser Zustand erst nach einer längeren Zeitspanne erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Gewährleistung einer schnellen Herstellung von elektrisch stark geladenen Faserfiltern.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geladenen Faserfilters, dessen Fasermaterial
aus einer hochmolekularen, nicht-polaren Substanz besteht, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Folie
aus dieser Substanz kontinuierlich zugeführt bzw. gefördert wird, daß die Folie gereckt wird, daß die gereckte
Folie mit Hilfe von Koronaelementen gleichpolig aufgeladen wird, daß die gereckte und aufgeladene Folie fibrilliert
bzw. aufgefasert wird, daß das Fasermaterial gesammelt wird und daß das so gesammelte Fasermaterial zii
einem Filter der gewünschten Form geformt wird.
Da das Durchbruch- oder Durchschlagrisiko beim Aufladen eines festen Folienmaterials wesentlich geringer ist als
bei einem offenen Fasermaterial, kann eine an sich bekannte, aber erheblich schneller und wirkungsvoller arbeitende
Aufladevorrichtung mit Korona- bzw. Sprühentladungselementen
angewandt werden.
In bevorzugter Ausführungsform wird die Folie durch Koronaentladungselemente,
die zu beiden Seiten der Folie gleich große, aber entgegengesetzte Polaritäten führen, örtlich
beidseitig aufgeladen. Infolgedessen wird die Folie mit der gleichen Koronaspannung nahezu doppelt so stark aufgeladen
wie bei der einseitigen Aufladung.
Die Aufladung mit Hilfe von Koronaentladungselementen bringt
es zusätzlich mit sich, daß die Folie kontinuierlich gefördert und zu einem gut auftrennbaren Material gereckt
werden kann. Das Fibrillieren bzw. Auffasern des Materials kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wenn für die
sen Zweck eine Nadelwalze mit gegensinnig zur Folie lau-
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fenden I-Ietallnadeln verwendet wird, tritt überraschend
kein nennenswerter Ladungsverlust auf.
Vorzugsweise wird das Fasermaterial lagenweise auf eine
Auf nickel- oder Abzugswalze aufgewickelt und dann zu
einem Filtertuch der gewünschten Dicke und Form verarbeitet, indem eine oder mehrere übereinanderliegende Lafen
zusammen und gleichzeitig von der Walze abgenommen werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
;",s zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung, bei welcher zur Herstellung
einer leicht auftrennbaren, aufgeladenen Folie eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
angewandt wird,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer verbesserten zweiten Stufe zum Recken einer Folie, bei welcher
die Folie auf beiden Seiten mit einer angelegten Ladung versehen werden kann,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Konstruktion
der Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrensschritts, welche die Aufladung der Folie
auf nahezu den doppelten Wert ermöglicht, und
Fig. 4 in vergrößertem Maßstab ein Beispiel einer Elektrodenanordnung,
um der Folie eine Ladung aufzuprägen.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Gemäß Fig. 1 wird eine Folie 1, wie durch den Pfeil angedeutet, entweder von einer Vorratsrolle oder unmittelbar
von einem Extruder aus zwischen Walzen 3 und h in eine Reckvorrichtung eingeführt, um sie auftrennbar zu machen.
Bei dieser Anordnung wird der Folie 1 die elektrische Ladung von oben her aufgeprägt.
Die Reckvorrichtung weist feststehende Stangen 5 und 6,
einen durch ein Heizelement 15 beheizten Block 8, zwei Walzen 9 und 10, eine durch Heizelemente 16 beheizte, gewölbte
Platte 12 sowie zwei Walzen 13 und 14 auf. Eine Reckvorrichtung mit den eben beschriebenen Bauteilen ist in
der niederländischen Patentanmeldung 71 13047 offenbart.
Bei dieser Vorrichtung erfolgt das Recken in zwei Stufen, so daß sich diese Vorrichtung sehr gut für das Auffasern
von Folien eignet, die schwierig aufzutrennen sind.
Bei der ersten Reckung, die zwischen der Stange 6 und den beiden Walzen 9 und 10 stattfindet, wird die Folie 1 in
der Weise über die Kante 7 des Blocks 8 gezogen, daß die Folie 1 eine Längenzunahme von etwa 1 : 4 auf Kosten ihrer
Dicke, aber kaum auf Kosten ihrer Breite erfährt.
Bei der zweiten Reckung, die zwischen den beiden Walzen 9 und 10 sowie den beiden Walzen 13 und 14 erfolgt, wird
die Folie 1 derart über die gewölbte Platte 12 gezogen, daß sie eine weitere Längenzunahme von etwa 1 : 1,5 erfährt.
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Die Temperatur des Blocks 8 hängt weitgehend von der Laufgeschwindigkeit
der Folie ab, und sie kann bei hohen Foliengeschwindigkeiten so gewählt sein, daß sie dicht unter
der Schmelztemperatur der Folie 1 liegt.
Jiclitig ist dabei, daß die Folie 1 die vor der Kante 7 liegende
Fläche des Blocks 8 nicht berührt, so daß eine vorzeitige und zu starke Erwärmung der Folie 1 verhindert wird.
Die Lage der hinter der Kante 7 befindlichen Fläche 11 des Blocks 8 ist ebenfalls von Bedeutung, da diese Fläche dafür
maßgeblich ist, wie schnell die von der Kante 7 ablaufende Folie 1 abkühlt.
Die Platte 12 wird auf eine Temperatur erwärmt, die nur geringfügig
unter der Schmelztemperatur des Folienmaterials liegt, und da die Folie 1 mit einem erheblichen Teil an
dieser gewölbten. Plattenfläche anliegt, wird die Folie 1 an dieser Stelle auf die höchste Temperatur beim Reckvorgang
erwärmt.
Dieser Zustand ist schematisch durch die dreifache Flamme 16 an der Platte 12 im Unterschied zur einfachen Flamme
15 am Block 8 veranschaulicht.
ßine Aufladungsvorrichtung 18, die aus einer Anzahl dünner, sich über die an Kasse liegende gewölbte Platte 12 erstrekkender
und an den Minuspol einer Stromversorgung angeschlossener Wolframdrähte 25 besteht, sprüht mittels des
Sprühentladungs- oder Koronaeffekts eine negative Ladung auf die Oberseite der Folie 1 auf. Dies geschieht vorzugsweise
an der Stelle, an welcher die Temperatur der Folie 1 auf der Platte 12 am höchsten ist.
-6-
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Es kann jedoch vorteilhaft sein, die Aufladungsvorrichtung mehr zum Anfang der Platte 12 hin anzuordnen. In diesem
Fall erfährt die Folie 1 Über den folgenden Teil der Heizplatte hinweg eine teilweise Entladung. Genauer gesagt,
gehen auf diese l/eise die Ladungen verloren, die der Folie in am wenigsten stabiler Weise aufgeprägt wurden. Hierdurch
wird die Elektretfolie thermisch gealtert, und infolgedessen bleiben in ihr nur die Ladungen zurück, die ihr
sehr stabil einverleibt wurden. Die Restladung besitzt einher
bei Umgebungstemperatur eine außergewöhnlich hohe Beständigkeit. Tatsächlich wird auch die thermische Beständigkeit
der verbleibenden Ladung erhöht. Darüber hiiiRus -<-rivd
in überraschender Weise auch die Stabilität bzw. Beständigkeit gegen Feuchtigkeit erheblich verbessert.
Die Vorrichtung ist weiterhin mit einer Einrichtung 29 zur-Fibrillieren
bzw. Auffasern der Folie 1 versehen.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Folie 1 zu
Fasern 21 aufgefasert oder aufgespalten, indem sie über eine feste Stange 20 auf eine Nadelwalze 29 geführt wird.
Indem der Nadelwalze 29 eine die Laufgeschwindigkeit der1 Folie 1 übersteigende Umfangsgeschv/indigkeit erteilt wird,
wird diese Folie 1 hauptsächlich in Längsrichtung aufgefasert. Die auf diese Weise gebildeten Fasern 21 erfahren
infolge ihrer elektrostatischen Ladung eine hohe Verteilung oder Auffächerung mit einem hohen Gleichmpßigkeitngrad,
so daß eine gleichmäßig verteilte bzw. gut ausgebreitete Faserlage erhalten wird, die auf die Aufwickel- oder
Abzugswalze 24 aufgerollt wird. Indem eine oder mehrere übereinanderliegende Lagen gemeinsam und gleichzeitig von
der Walze abgenommen werden, kann ein Filter der gewünschten Form und Dicke gebildet werden.
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Ladungsrnessungen haben ergeben, daß sich dann, wenn auf
der Platte 12 negative Ladungen auf der Oberseite der Folie erzeugt werden, an ihrer Unterseite positive Ladungen
bilden. Diese Ladungen sind das Ergebnis der Ionisierung der zwischen Folie und unterseitiger Platte eingeschlossenen
Luft. Hierbei v/erden in dieser Luft positive Ionen, gebildet, die an die Unterseite der negativ aufgeladenen
Polie angezogen werden. Die positive Ladung ist 'J°".ier tatsächlich eine kompensierende Aufladung, die deshalb
etwas niedriger ist als die aufgeprägte negative Ladung .
Diese unerwartete beidseitige Aufladung der Folie 1 kann bei eier Vervrendung in Faserfiltern von Bedeutung sein, da
die ;leiste:'. rvuszuf Alternden Aerosolteilchen elektrisch
aufgeladen sind, und ihre Ladung kann dabei sowohl positiv als auch negativ oder positiv und negativ sein.
Zu:.- Fersteilung einer Folie r die positiv ebenso stark auf-
Γο'.ράΡ/Λ int wie negativ, muß die Aufladung auf beiden
Seite:: erfolgen. Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsforr-,
mit welcher dies erreicht werde?., kann.
An einer zweiten gewölbten Platte 17, die zwischen den beiden ualzenpaaren 9, 10 und 13, 14 angeordnet ist, können
mittels einer weiteren Aufladungsvorrichtung 19 die positiven
Ladungen der noch nicht mit einer Ladung beaufschlagten Seite d.er Folie 1 aufgeprägt werden.
Zuva Filtern von Aerosolteilchen, die einpolig aufgeladen
sind, ist es dagegen am günstigsten, einpolig mit der entgegengesetzten Polarität aufgeladene Fasern zu verwenden.
A\ich im Fall von zweipolig aufgeladenen Aerosolen kann
-O-
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daran gedacht werden, die Filtermatte aus abwechselnd positiv und negativ geladenen Faserlagen zu bilden. Die
einpolige Aufladung kann auch mit Hilfe der Zweistufen-Aufladung gemäß Fig. 2 erreicht werden. Vorzugsweise wird
in diesem Fall für die Platte 17 das gleiche Potential gewählt wie für die SprUhentladungsdrähte 25, während an
die SprUhentladungsdrähte 30 eine Spannung angelegt wird, die gegenüber der Platte 17 ausreichend negativ ist.
Fig. 3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer
Aufladungseinrichtung 18, 19, bei welcher Koronaelemente zu beiden Seiten der gleich große, aber entgegengesetzte Ladungen
tragenden Folie angeordnet sind. Diese Aufladung an der Einrichtung 18, 19 kann auf einen an sich bekannten
Reckvorgang folgen. Falls die Aufladung bei 18, 19 jedoch mit dem Reckvorgang zusammenfällt, erfolgt das Aufladen
vorzugsweise in einem nicht dargestellten Ofen.
Fig. 4 veranschaulicht in vergrößertem Maßstab eine der angewandten Aufladungsvorrichtungen 18, 19. Zwischen Sprühentladungsdrähten
25, 30 und gewölbten Platten 12, 17, über welche die Folie 1 geführt wird, ist ein Metallgitter
27 angeordnet, durch welches die mittels der dünnen Koronadrähte aufgeprägte Ladung besser verteilt wird. Die
von der Folie aufgenommene Ladung wird durch das Potential des Gitters bestimmt. Bei einer niedrigen Durchlaufgeschwindigkeit
(throughput rate) wird die Folie ungefähr auf das Potential des Gitters aufgeladen. Ein zusätzlicher
Vorteil der angewandten Vorrichtung besteht darin, daß das Risiko eines dielektrischen Durchbruchs der Folie
sowie einer Funkenentladung zu den blanken Teilen der Platten 12, 17 sehr gering ist, weil das Gitter die Koronadrähte
sozusagen gegenüber der Folie abschirmt. Infolge
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der Anordnung dieses Gitters ist es auch möglich, die dünnen Koronadrähte gewünschtenfalls mit einem Wechselstrom
anstelle eines Gleichstroms zu speisen.
Eine über den Koronadrähten 25, 30 angeordnete Metallplatte 26 ist mit den an Masse liegenden bzw. geerdeten Platten
12, 17 verbunden. Da die Platte 26 die Koronabildung beträchtlich erhöht, ist die Sprüh(entladungs)intensität
bei Verwendung dieser oberen Platte wesentlich größer als bei einer Vorrichtung ohne diese Platte.
Bei einer vereinfachten Konstruktion der Aufladungsvorrichtung, welche eine etwas weniger gleichmäßige Aufladung
gewährleistet, wird das Gitter weggelassen. In diesem Fall sollte die Platte 26 vorzugsweise über einen Anschluß 32
mit einer gegenüber der Platte 12, 17 positiven Spannung
verbunden sein, da im Fall einer an der Platte 26 liegenden positiven Spannung keine hohe negative Koronaspannung
an die dünnen Koronadrähte angelegt zu werden braucht. Tatsächlich kann die Koronaspannung halbiert werden, wenn das
Potential ebenso groß wie das der Koronadrähte, aber entgegengesetzt dazu gewählt wird. Hierdurch wird wiederum
das Risiko eines dielektrischen Durchbruchs in der Folie erheblich verringert, speziell dann, wenn die Folie sehr
dünn ist.
Eine Folie aus isotaktischem Polypropylen mit einer Dicke von 45 V- und einer Breite von 5 cm wurde in einem Verhältnis
von 1 : 6 über den Block 8 gereckt, dessen Temperatur 1100C betrug. In einer zweiten Stufe erfolte das
Recken und Aufladen über der auf einer Temperatur von
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13O0C gehaltenen Platte 12 mit einem Reckverhältnis von
1 : 1,5. Die Fördergeschwindigkeit betrug dabei 12,2 m/min. In der über der Platte 12 angeordneten Aufladungsvorrichtung
18 waren die Koronadrähte 25 an -3,2 kV angeschlossen,
während die obere Platte 26 an +3 kV lag. Der Abstand von den Koronadrähten 25 zur Platte 12 betrug 5 mm. Die
Folie wurde mit einer 60 Reihen von Nadeln aufweisenden Nadelwalze fibrilliert bzw. aufgefasert, deren Nadeln jeweils
500 γ. voneinander entfernt waren. Das aufgeladene Fasermaterial wurde auf eine Breite von etwa 45 cm aufgefächert
und auf der Walze 24 zu einem Filter mit einer Dicke von 3 mm aufgerollt.
Die Filtrier- bzw. Auffangwirksamkeit dieses Filters und eines gleichartigen, nicht-aufgeladenen Filters wurde mit
einem heterodispersen NaCl-Aerosol bei einer Linearluftgeschwindigkeit
von 10 cm/s und einer Aerosolkonzentration von 15 mgfclaCT/nr5 untersucht. Zu Vergleichszwecken wurde
auch ein handelsübliches Filter aus Glasfasern von 1 bis
10 u geprüft. | Filtergewicht | Anfängliche Eindringung (vo |
Druckabfall ) mm HpO |
- | 163 | 0,5 | 1,5 |
Aufgeladenes Filter |
163 | 53 | 2,8 |
Nicht-aufgelade nes Filter |
167 | 21 | 5,0 |
Filter mit Glas fasern |
|||
Beispiel 2 | |||
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, doch erfolgte das Aufladen nunmehr mit der Sprühentladungsvorrichtung
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gemäß Fig. 3, vrobei die Spannung an den Koronadrähten -10 kV
und am Gitter -2,3 kV betrug. Die Verarbeitung zu einem Filter erfolgte auf die gleiche Weise wie beim vorhergehenden
Beispie]..
Filtergewicht Anfängliche Druckabfall g/m2 Eindringung (%) mm H9O
Aufgeladenes Filter' 163 0,3 1,1
ilicht-auf geladene s
Filter 163 53 2,8
-12-
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Claims (7)
- Patentansprüche/ 1.»Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geladenen ν—/Faserfilters, dessen Fasermaterial aus einer hochmolekularen, nicht-polaren Substanz besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie aus dieser Substanz kontinuierlich zugeführt bzw. gefördert wird, daß die Folie gereckt wird, daß die gereckte Folie mit Hilfe von Koronaelementen gleichpolig aufgeladen wird, daß die gereckte und aufgeladene Folie fibrilliert bzw. aufgefasert wird, daß das Fasermaterial gesammelt wird und daß das so gesammelte Fasermaterial zu einem Filter der gewünschten Form geformt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie beidseitig aufgeladen wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie beim Recken erwärmt wird.
- 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie beim Recken aufgeladen wird.
- 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie an dem Punkt aufgeladen wird, an welchem sie praktisch der höchsten Temperatur ausgesetzt ist.
- 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mittels einer gegensinnig zur Folie laufenden Nadelwalze fibrilliert bzw. aufgefasert wird.-13-509840/0787
- 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial auf einer Aufwickel- oder Abzugswalze in Lagen gesammelt und zu einem Filter der gewünschten Dicke und Form verarbeitet wird, indem eine oder mehrere übereinanderliegende Lagen gemeinsam und gleichzeitig von dieser Walze abgenommen werden.5098Λ0/0787Leerseite
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