DE2824110C2

DE2824110C2 - Verfahren zur Herstellung einer porösen, selbsttragenden Filterröhre und deren Verwendung

Info

Publication number: DE2824110C2
Application number: DE2824110A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Alan Methuen Mass. Perrotta
Original assignee: Whatman Reeve Angel Ltd
Current assignee: Whatman Ltd
Priority date: 1977-06-03
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1982-11-25
Also published as: DE2824110A1; US4169754A; GB1601872A; CA1092527A; JPS542572A

Description

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 39 72 694 bekannt

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer porösen, selbsttragenden Filterröhre dv 'ch Imprägnieren einer zusammenhängende, zufällig angeordnete anorganische Fasern, die einen mittleren Faserdurchmesser von 0,01 bis 10 μπι aufweisen und zwischen denen die Porosität der Fiiterröhre garantierende Zwischenräume angeordnet sind, enthaltenden Filterröhre mit einer wäßrigen Dispersion einer thermoplastischen Polymerverbindung als Bindemittel und Erwärmen der imprägnierten Filterröhre auf eine Temperatur, die dazu ausreicht, das Bindemittel an den Punkten, an denen sich die Fasern in der Filterröhre überschneiden, anzuschmelzen bzw. zu schmelzen. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der in dieser Weise hergestellten Filterröhre.

Filterröhren aus Glasfasern für die Filtration von Gasen oder Flüssigkeitsströmen bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von miteinander in Verbindung stehenden, zufällig angeordneten Glasfasern, die zu einer selbsttragenden Filterröhre durch Verbindung der Fasern an den sich überkreuzenden Stellen verbunden sind. Für die Verbindung der Fasern miteinander sind verschiedene Bindemittel, z. B. anorganische Materialien, wie Kieselgel und organische wärmehärtbare Harze verwendet worden. Im letzteren Fall wird die Filterröhre mit dem wärmehärtbaren oder vernetzbaren Harz durch Eintauchen der trockener. FUterröhre in eine Lösung, die das wärmehärtbare Harz enthält, imprägniert, wobei die Röhre nach dem Eintauchen erwärmt wird, um die verdampfbaren organischen Lösungsmittel abzuziehen und die Vernetzung bzw. Kondensation des organischen Harzes vorzunehmen. Die wärmehärtbaren oder vernetzbaren Harze, die als Bindemittel verwendet werden, erfassen z. B. Phenolformaldehydharze, Epoxidharze und Siliconharze (vgl. z. B. US-PS 37 67 054 und 39 72 694).

Obwohl diese als Bindemittel verwendeten Harze für

einige Anwendungsgebiete ausreichend sind, können die Filterröhren, die solche Harz-Bindemittel enthalten, für gewisse Anwendungsbereiche, z. B. die Filtration von Halogenen, wie flüssigem Chlor, oder sehr starken Mineralsäuren, wie Phosphorsäure oder hoch oxidierende Lösungen, nicht verwendet werden. Es ist daher wünschenswert, eine verbesserte Filterröhre mit einem Bindemittel zur Verfugung zu stellen, das im wesentlichen chemisch L;ert ist

ίο Darüber hinaus ist es wüitü-ir-Tfiswert Filterröhren zur Verfügung zu stellen, die eine höhere und verbesserte Kollabierfestigkeit und/oder Bruchfestigkeit aufweisen. Es ist bekannt, die Bruchfestigkeit von Filterröhren aus Glasfasern zu verbessern, indem man ein vollständig und gemeinsam gebundenes, offenes, verstärktes, grobes Schichtmaterial, z. B. eine offenmaschige Glasfaserschicht verwendet Aus den US-Patentschriften 41 02 736,41 02 785 ist z. B. bekannt die Bruchfestigkeit einer Filterröhre aus Glasfasern dadurch zu verbessern, daß man die Wände der Filterröhre mit einem Maschenmaterial verbindet das spiralig um die Fiiterröhre herumgeiegt ist Es isi jedoch wünschenswert, noch bessere Filterröhren mit noch höherer Bruchfestigkeit als die bekannten Filterröhren zur Verfugung zu stellen, die z.B getrennt angeordnete äußere Tragraster oder innen angeordnete Trägerseelen für die Verbesserung der Kollabierfestigkeit und für hohe Fließdrücke aufweisen, und die den direkten Einsatz der Filterröhren in Preßluftleitungen mit einem

Druck von 6,8 bis 8,6 bar oder höher ermöglichen.

Aus »Kunststoffe Hoechst Hostafion TF«, Ausgabe Januar 1972. 93 und 114 ist es bereits bekannt, daß sich aus Polytetrafluoräthylen-Pulver geformte poröse Filterteile, wie Filterkerzen, für das Filtrieren aggressiver Chemikalien bei Temperaturen von —190° C bis + 250⁰C eignen. Weiterhin ist es hieraus bekannt Glasfasergewebe mit thermoplastischen Fluorkohlenstoff-Polymerverbindungen als Bindemittel zu imprägnieren, so daß hierfür kein Elementenschutz begehrt wird. Diese Filterkerzen bzw. Filterröhren sind jedoch nur bei sehr niedrigen Differenzdrücken einsetzbar und ermöglichen nur einen relativ geringen Durchsatz.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ausgehend von diesem Stand der Technik ein Verfahren der eingangs genannten Gattung zur Herstellung von porösen, selbsttragenden und chemisch inerten Filterröhren zu schaffen, mit dem Filterröhren gebildet werden können, die verbesserte mechanische Eigenschaften besitzen, insbesondere eine verbesserte

Bruchfestigkeit und Knickfestigkeit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nun dadurch gc'öst, daß die Polymerverbindung der Dispersion eine Fluorkohlenstoffverbindung ist und man die Dispersion nach der Imprägnierungsstufe und vor der Schmelzstufe gefriert und ferner die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filterröhre zum Filtern von Gasen oder Flüssigkeitsströmen verwendet.

Bei der erfindungsgemäß hergestellten Filterröhre liegt das Bindemittel in einer Menge von 1 bis

_M 50 Gew.-%, z. B. in einer Menge von 3 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Filterröhre, vor,

Beispielsweise verwendet man als anorganische Fasern Borsilikatglasfasern mit einem mittleren Durchmesser von 0,03 bis 8 μπι, insbesondere von 0,1 bis 5,0 μπι oder von 0,5 bis 5 μηι. Als thermoplastische Fluorkohlenstoff-Polymerverbindung sind z. B. Fluorid-Polymere, wie Homopolymer des Vinylidenfluorids und Copolymere der Vinylidenhalogenide mit Ethylenhalo-

genid, ζ. B. die Copolymeren des Vinylidenfluors und des Tetrafluoräthylens, geeignet Die mögliche Fluorkohlenstoff-Polymerverbindungen sind die, die eine kristalline Schmelztemperatur von mehr als 149°C aufweisen.

Zur Verstärkung der erfindungsgemäß hergestellten Filterröhre kann man diese mit einem externen, offenmaschigen, groben Gewebe mit einem Außendurchmesser, der dem der Filterröhre entspricht, versehen, wobei dieses Gewebe auf der Innenseite mit der feScven Wand der Filterröhre verbunden ist Weiterhin ist es möglich, die Filterröhre mit einem spiralig gewundenen, offenmaschigen groben Gewebe zu verstärken, welches Gewebe etwa der Länge der Filterröhre entspricht und innerhalb der Wand der Filterröhre angeordnet ist Dieses Verstärkungsgewebe ist vollständig und zusammenhängend mit den Fasern der Filterröhre verbunden und kann aus einem im allgemeinen gleichförmigen Mascheneieinent aus Glasfasern bestehen, das die untere Fläche der Wand der Filterröhre bildet

Das Verfahren zur ί herstellung von Filterröhren aus Glasfasern ist im allgemeinen bekannt und besteht im wesentlichen darin, daß man die Fasern in einer wäßrigen Lösung dispergiert und so eine wäßrige Faseraufschlämmung bildet Diese Aufschlämmung wird dann zu einer Filterröhre geformt, z. P. durch Umformen der nassen Fasermasse um die äußere Oberfläche eines zylindrischen Vakuumdorns, Entfernen des überschüssigen Wassers nach der Bildung der Röhre und Trocknung der Fasern auf dem Filterröhrendorn. Die trockene Filterröhre wird dann mit einer wäßrigen Dispersion des ausgewanlten Bindemittels imprägniert, wonach erfindungsgemäß die imprägnit.ende Dispersion gefroren wird, um in dieser Welse die Dispersion zu brechen und die Polymerteilchen zu immc Pulsieren. In dieser Weise erhält man ein Produkt, bei dem das polymere Bindemittel im allgemeinen gleichförmig in der Filterröhre verteilt ist Wenn die erfindungsgemäße Gefriertechnik nicht angewandt wird oder wenn die Fluorkohlenstoff-Poylmerverbindung in einem Lösungsmittel gelöst wird, führt das Verdampfen der kontinuierlichen Phase oder des Lösungsmittels auf der äußeren Oberfläche der Filterröhre zu einer Polymerverschiebung auf den Oberflächen und zu einer ungleichförmigen Verteilung des polymeren Bindemittels innerhalb der Filterröhre. Durch die erfindungsgemäß erreichte gleichmäßige Verteilung des Bindemittels in der Filterröhre wird ein Produkt mit erhöhter Bruchfestigkeit erhalten.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine wäßrige Dispersion des Bindemittels im Gegensatz zu einer organischen Dispersion oder einer anderen Lösung des Bindemittels verwendet, da so die Beseitigung der organischen Lösungsmittel vermieden wird. Die Verwendung von Lösungsmitteln ist darüber hinaus mit den Nachteilen behaftet, die sich durch die Lagerung und die Handhabung der Lösungsmittel und der Feuergefährlichkeit der Lösungsmittel ergeben. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der wäßrigen Dispersionen der polymeren Bindemittel beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, daß auf diese Weiss der Einsatz teurer organischer Lösungsmittel für das Harz vermieden werden kann. Außerdem sind Fluorkohlenstoff-Polymerverbindungen kaum in üblichen organischen Lösungsmitteln erhältlich. Diese Lösungsmittel sind oft teuer, bilden azeotrope Gemische, sind toxisch und schwierig zu handhaben.

Für die erfindungSEemäßen Filterröhren sind alle Fluorkohlenstoff-Polymerverbindungen geeignet, vorausgesetzt, ihre Partikelgröße ist klein genug, so daß die Bindemittelpartikel die Porenstruktur der Filterröhre durchdringen. Die Partikelgröße beträgt üblicherweise weniger als 1 μπι, ζ. B. 0,4 μπι oder öß bis 0,4 μπι.

Die wäßrige Dispersion kann 5 bis 3 enthiJten, z. B. 15 bis 25 Gew.-% der Polymerverbindung.

Das Trocknen der Filterröhre wird bei .ainer Temperatur und für eine Zeit vorgenommen, dL-

ίο ausreicht, um das Wasser der wäßrigen Dispersion im wesentlichen abzuziehen. Dies kann z. B. in einem Dampfofen bei einer Temperatur von 933 bis 115° C oder mehr für eine Zeit von 30 Minuten bis 6 Stunden vorgenommen werden. Danach wird die Fluorkohlenstoff-Pnlymerverbindung, die in der Filterröhre gleichmäßig verteilt ist, durch Erwärmen der Filterröhre auf eine Temperatur oberhalb der kristallinen Verschmelzoder Schmelztemperatur angeschmolzen bzw. geschmolzen. Die Temperatur beträgt etwa 171°C Der Schmelzvorgang kann in einem Ofen mit einer Ofentemperatur von etwa 204⁰C für eine Zeit vorgenommen werden, die ausreicht, das thermoplastische Harz anzuschmelzen bzw. zu schmelzen. Danach wird die Filterröhre abgekühlt und die Filterröhre mit dem geschmolzenen Bindemittel eingesetzt

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele näher erläutert, insbesondere im Zusammenhang mit der Herstellung einer selbsttragenden, halbfesten Filterröhre aus Borsilicatglasfasern, die mit einer geschmolzenen Fluorkohlenstoff-Polymerverbindung verbunden sind.

Beispiel 1

Es wird eine wäßrige Aufschlämmung hergestellt, die

0,5 Gew.-% Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser von 0,2 bis 3,8 μπι, vorzugsweise 2,6 bis 2,8 μπι, enthält Die Glasfaseraufschlämmung wird dann auf einem zylindrischen Vakuumdorn mit einer Sieboberfläche zu einer Filterröhre geformt Das überschüssige

Wasser wird durch Absaugen entfernt und die Röhre wird dann gereckt und in einem Dampfofer« getrocknet. Gewünschtenfalls kann eine poröse, offenmaschine Trägerhülse über den äußeren Durchmesser des Vakuumdorns vor dem Trockenvorgang gezogen

werden, so daß beim Trocknen der Glasfasern und bei der Ausdehnung der Glasfasern diese in engen Kontakt mit dem die Fasern umgebenden äußeren Trägersieb gelangen. Es kann z.B. ein offenmaschiges 3,17 bis 12,7 mm Glasfasersieb verwendet werden.

Nach dem Formungsvorgang wird die Röhre mit einem Innendurchmesser von 25,4 mm und einer Wandstärke von etwa 3,17 mm von dem Dorn abgezogen und diese dann in eine wäßrige Dispersion einer Polyvinylidenfluorid-Polymerverbindung ge-

taucht. Die Dispersion enthält etwa 10Gew.-°/o der Polymerverbindung, deren Polymerteilchen eine Teilchengröße von 03 bis 0,4 um aufweisen. Nach dem Eintauchen und Imprägnieren wird die imprägnierte Filterröhre aus dem Bad herausgenommen und direkt in eine Gefriervorrichtung gegeben, um die Dispersion zu gefrieren und eine Koagulation der Polymerteilchen in der Filterröhre zu bewirken. Nach dem Gefrieren der Dispersion wird die Filteröhre auf die Schmelztemperatur erwärmt, indem sie für 15 bis 60 Minuten in einen Ofen gegeben wird, der auf eine Temperatur von 204°C erwärmt ist. Nach dein Schmelzvorgang wird die Röhre gekühlt und dann in die für die Verwendung gewünschten Längen zerschnitten. Die so hergestellte

Filterröhre ist fur JIe Filtration von flüssigem Chlor geeignet.

Es wurde eine ähnliche Filterröhre, jedoch ohne Koagulation der Polymerteilchen durch Gefrierer; hergestellt. Die Bruchfestigkeiten dieser beiden Röhren wurden miteinander verglichen. Dabei zeigte sich, daß die Bruchfestigkeit in der nichtkoaguüerier. R^r. besser ist als die der bekannten Röhren. Die Bruchfestigkeit der nichtkoagulierten Röhren liegt bei 2,75 bis 3,04 bar und die Bruchfestigkeil der koagulierten Filterröhre sowohl mit als auch ohne Trägergewebe (pr-jb-gewebiem, leichtem Stoff) liegt wesentlich höher, nämlich bei 3,4 bar und insbesondere bei 4,8 bis 5,5 bar.

Beispiel 2

Das Beispiel 1 zur Herstellung einer Filterröhre wird wiederholt, jedoch mit dem Unterschied, daß die nasse Masse der dispergierten Glasfasern in dem mittleren Bereich mit einem offenmaschigen Glasfasermaterial ausgerüstet wird. Das Maschenmaterial besteht aus Glasfasern mit Maschenöffnungen von 3,17 bis 635 mm, wobei die Glasfasern von einer wasserlöslichen Stärkeappretur in ihrer Lage gehalten werden. Die Filterröhre wird hergestellt, indem man den Wickeldorn über die Matte rollt, um die Matte auf dem Dorn aufzuwickeln, wodurch das Verstärkungsgewebe fest in der Wand der zu bildenden Filterröhre in Form einer helixartig gewundenen Spirale eingelagert werden kann. Auf der äußeren oder inneren Oberfläche der Röhre ist kein Verstärkungsmaterial sichtbar. Das Gewebe nimmt die LSnge der gcbildcien Rühre ein. Beim Entfernen des Whsmsms werden die Glasfasern durch die offenmasehigen Zwischenräume gezoger iind

j ■?: g mit den Glasfasern des Gev/ebes verbunden. Die Stärkeappretur wird während der Bildung der Filterröhrc gelöst Die so hergestellt Röhre mi dem Slützgewebe wird dann in die Dispersion getaucht. Die Dispersion wird koaguliert, das Polymer wird angeschmolzen bzw. geschmolzen und die Röhre wird dann, wie in Beispiel 1 beschrieben, gekühlt.

Die Fiiterröhre wird dann auf die Bruchfestigkeit untersucht. Es wurde festgestellt, daß die Röhre einem Druck von 2,61 bar (Luftdruck in der verwendeten Druckleitung) standhält, ohne zu zerbrechen.

Beispiel 3

Der Bindemittelgehalt einer Filteröhre aus drei konzentrischen spiralartigen Bahnen der Glasfaserschicht, wurde gravimetrisch gernessen. Dabei wurde der Gesamtgehalt an Harz jeder Schicht, bezogen auf das Gewicht der Faser, bestimmt. Die Messungen wurden an Röhren vorgenommen, die mit einer 10%igen wäßrigen Dispersion von Polyvinylidenfluorid-Teilchen imprägniert worden waren, und zwar mit und ohne Anwendung des Gefrierverfahrens. Zum Vergleich wurde eine mit einem Epoxidharz gebundene Röhre untersucht Die Resultate sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

Probe A - 10% PVF 2 Binder - mit Gefrierstufe

	Außenschicht	Mittelschicht	Mittelschicht	Innenschicht	Gesamt (1)	Gesamt (2)
Al A2 Probe B	51,2% 43,7% 48,2% 45,3% ~ 10% PVF2 Binder - ohne Gefrierstufe	4,2% 4,0%	54,9% 43,7%	51,4% 46,3%	33,9% 31,6%
	Außenschicht	Mittelschicht	Innenschicht	Gesamt (1)	Gesamt (2)
Bl B2 Protie C	71,2% 70,7% - 5%ige Epoxidharzlösung	7,9% 10,0%	52,1 % 52,1%	34,3% 34,3%
	Außenschicht	Innenschicht	Gesamt (1)	Gesamt (2)

Cl
C2

35,5%
30,9%

4,4%
5,1 %

9,0%

27,8%
20,0%

21,8%
16,7%

Die Proben Al und A2 sind erfindungsgemäß hergestellte Filterröhren, die eine sehr gleichförmige Verteilung des Bindematerials aufweisen und die besten Eigenschaften besitzen. Bei den Filterröhren mit der gleichförmigen Verteilung der Bindematerialien betragen die Unterschiede im Harzgehalt in den drei Schichten (^ußenschicht, Mittelschicht oder Innenschicht) vom durchschnittlichen Harzgehalt der d"ei Schichten etwa ±25^?b.

Unter dem Regriff gesamt (1) ist der Gesamtharzgehalt, bezogen auf das Gewicht der Faser allein und unter dem Begriff gesamt (2) ist der Gesarnthärzgehalt, bezogen aur das Gewicht der I'ilteiiöhrc, zu verstehen. Der Gi und dafür, daö Ucr gesamte Harzgehalt nicht in jedem F?:!! eiü Mittelwert der drei Harzgehalte der "i-'hicrucn ist, liegt darin, daß die G wichte d?*· Schichten in den einzelnen Röhren differieren.
Die Versuche zeigen, daU das EJrechen der Emulsion

durch die erfindungsgemäße Gefrierbehandlung die gleichförmige Verteilung des Har/es erheblich verbessert. Es wurden darüber hinaus auch die folgenden verbesserten Knickfestigkeiten ermittelt:

Probe AI = 1,7 bar
Probe Bl = 1,2 bar
Probe CI = 1,2 bar

Gewünschtenfalls kann die wäßrige Dispersion des Fluorkohlenstoff-Polymerbindemittels auch zu einer Dispersion der Fasern in der Walzenmühle gegeben werden, d. h., bevor die Röhre hergestellt wird und ohne die Vornahme einer getrennten Imprägnierungsstufe.

Die bekannten harzgebundenen Glasfaserfilterröhren weisen eine Bruchfestigkeit bis zu 1.72 bar auf. Diese bekannten Röhren werden z. B. mit Siliconharzen gebunden und mittel· eines Lösungsverfahrens unter Verwendung eines Lösungsmittels hergestellt. Diese bekannten Filterröhren können durch Verwendung eines spiralförmig gewundenen Stützmaterials in ihrer Bruchfestigkeit bis zu 3,0 bis 3.78 bar verbessert werden.

Die erfindungsgemäß unter Verwendung von geschmolzenen Fluorkohlenstoff-Polymerbindemitteln hergestellten Filterröhren weisen dagegen eine Bruchfestigkeit bis zu 5,5 tar ohne Gewebeverstärkung und über 8,61 bar bei Verwendung eines spiralförmig gewundenen Verstärkungsmaterials auf.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere im Hinblick auf die Verwendung von Glasfasern beschrieben worden ist, ist es jedoch auch möglich, andere natürliche oder synthetische Fasern, ζ. B. Aluminiumfasern, Zirkonfasern oder Mischungen davon zu verwenden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer porösen, selbsttragenden Filterröhre durch Imprägnieren einer zusammenhängende, zufällig angeordnete anorganische Fasern, die einen mittleren Faserdurchmesser von O₁Oi bis lOitrr aufweisen und zwischen denen die f'orositä; dar F-iherroLre garantierende Zwischenräume angeordnet sind, enthaltenden Filterröhre mit einer wäßrigen Dispersion einer thermoplastischen Polymerverbindung als Bindemittel und Erwärmen der imprägnierten Filterröhre auf eine Temperatur, die dazu ausreicht, das Bindemittel an den Punkten, an denen sich die Fasern in der Filterröhre überschneiden, anzuschmelzen bzw. zu schmelzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymerverbindung der Dispersion eine Fluorkohlenstoffverbindung ist und man die Dispersion nach der Imprägnierstufe und vor der Schmelzstufe gefriert.

2. Verwendung der nach Anspruch 1 hergestellten Filterröhre zum Filtern von Gasen oder Flüssigkeitsströmen.