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Staubfilter
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Die Erfindung betrifft ein Staubfilter, insbesondere für Staubteilchen
unter 10 pm.
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Zu den gebräuchlichsten Konsumgütern gehören Staubsauger, die für
Haushalts- und Industriezwecke eingesetzt werden. Der Staub wird über eine Staubansaugvorrichtung,
in der mit einem Motor ein Unterdruck erzeugt wird, angesaugt und im Luftstrom in
Richtung Motor mitgerissen.
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Die Abtrennung des Staubs erfolgt regelmäßig durch ein vor dem Motor
angeordnetes Papierfilter, das den groben und mittleren Schmutz bz. Staub aus dem
Luftstrom filtriert. Die heute eingesetzten Filtertüten können jedoch in aller Regel
nicht den sogenannten Feinstaub entfernen, der somit durch die gesamte Maschine
gefördert und am hinteren Ende wieder ausgetragen wird Da derartige Aerosolpartikel
häufig mit Keimen beladen sind, stellt ein derartiger Staubauswurf, der im Gegenlicht
als trübe Luftturbulenz zu beobachten ist, eine Beeinträchtigung der hygienischen
Umweltsbedingungen dar.
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Dieses Problem wird deshalb von Zeit zu Zeit in der Presse aufgegriffen,
was dem Staubsauger die Bezeichnung Dreckschleuder einbrachte. Insbesondere im sanitären
Bereich, also im Krankenhausbereich, spielt die Verseuchung
der
Luft mit feinen Staubpartikelchen nach einer Staubsaugerreinigung eine lebensbedrohende
Rolle, da die im Staub befindlichen Keime aufgewirbelt werden und über die Luft
in die Atemwege der Patienten gelangen können.
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Im industriellen Bereich lassen sich heute Feinststäube, also Staubpartikel
mit einer mittleren Korngröße unterhalb 10 rm nur durch Elektrofiltration entfernen,
die nur unter hohen InvestitionsPosten durchzuführen ist.
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Geringe Staubmengen werden deshalb ohne Abtrennung in die Luft gefördert
und tragen somit nicht unerheblich zur Luftverschmutzung bei.
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Ein weiteres, in der Staubsaugerbranche ungelöstes Problem, das sämtlichen
deutschen Staubsaugerherstellern von einer bedeutenden Kopierfirma vorgetragen worden
war, stellen die sogenannten Toner-Partikel dar, die eine mittlere Korngröße von
5 M besitzen und zur Bilderzeugung auf das elektrostatisch aufgeladene Papier aufgetragen
und dort eingebrannt werden. Diese Partikel können mit den herkömmlichen Staubsaugern
und deren Filtern nicht abgetrennt werden und ziehen durch eine weite Verschmutzung
des Umgebungsfeldes eines Kopierers häufig hohe Versicherungsschäden nach sich,
was zu einem nicht unerheblichen Anstieg der Versicherungsprämien geführt hat. Zur
Lösung dieses Problems wurden doppellagige Papierfilter vorgeschlagen, die zwar
eine bestimmte Zeit den Tonerstaub zurückhalten konnten, anschließend jedoch platzten.
Auch mehrlagige, feingewebte Textiltücher erfüllten nur über eine bestimmte Zeit
ihren Zweck und platzten dann ebenfalls. Da dieses Problem bisher von sämtlichen
Staubsaugerherstellern der Bundesrepublik nicht zufriedenstellend gelöst worden
ist, besteht deshalb ein erhebliches Lösungsbedürfnis sowohl im Haushalts- als auch
im Industriebereich.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein
Filtermaterial
zur Verfügung zu stellen, das als Staubsaugerbeutel verwendet werden kann und Staubpartikel
z.B.
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mit einer mittleren Korngröße von 5 pm zufriedenstellend zurückhalten
und somit aus dem Luftstrom entfernen kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
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Gegenstand der Erfindung ist somit ein Staubfilter, insbesondere für
Staubteilchenunter 10/um, das durch eine Trägerschicht und eine poromere Beschichtung
gekennzeichnet ist.
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Die Unteransprüche betreffen besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Gegenstands.
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Infolge der poromeren Struktur des Staubfiltermaterials ist es nunmehr
möglich, Feinststäube mit einer mittleren Korngröße von 10/um und darunter wirksam
aus der staubbeladenen Staubsaugerluft abzutrennen, ohne daß am Luftaustrittsende
des Staubsaugers mit Feinststaub beladene Aerosol-Wolken auftreten. Die poromere
oder mikroporöse Struktur behindert andererseits nicht die Leistung, also das Luftdurchsatzvolumen/Zeit
eines Staubsaugers in nennenswertem Umfang, so daß der Staub wirksam vom Boden aufgenommen
und somit im Staubsaugerbeutel niedergeschlagen werden kann. Durch den Einsatz eines
mit diesem Staubfilter augerüsteten Staubsaugerbeutels wird nunmehr erstmals eine
Lösung der im Sanitärbereich auftretenden Probleme vorgestellt, so daß jetzt auch
Staubsauger im Krankenhausbereich ohne allzugroßes Risiko eingesetzt werden können.
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Mit einem aus dem erfindungsgemäßen Staubfilter hergestellten Staubsaugerbeutel
kann insbesondere das vorstehend angeprochene Tonerproblem gelöst werden, wobei
selbst nach längerem Gebrauch eines mit diesem Toner (gefüllten Beutels weder ein
Durchichlagen des Toners durch den Beutel noch ein Platzen oder Reißen des Beutels
festzustellen
sind. Durch die Erfindung wurde damit erstmals das seit dem Einsatz der Großkopierer
bestehende und in der Branche seit langem bekannte Problem gelöst.
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In der Zeichnung sind spezielle Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.
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Es zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Staubfilter der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen weiteren Staubfilter der Erfindung, Fig. 3
eine Ansicht eines aus dem erfindungsgemäßen Staubfilter hergestellten Staubsaugerbeutels
und Fig. 4 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines mit dem erfindungsgemäßen
Staubfilter hergestellten Staubsaugerbeutels.
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Der Gebrauch der poromeren Beschichtung ist insbesondere im Bereich
des Kunstleders bekannt und dort eingeführt (vgl. Römpp, Chemielexikon Franckh-Verlag,
Stuttgart, 7.Auflage, S.2783). Danach bestehen Poromere aus Wirrfaservliesen als
Trägermaterial, die mit elastischen Binderstoffen imprägniert und mit Polyurethanen
beschichtet sind. Diese poromeren Materialien sollen im Kunstlederbereich wasserdampfdurchlässig,
nicht jedoch wasser- oder luftdurchlässig sein.
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Das in Fig. 1 gezeigte Staubfilter besteht aus einem Trägermaterial
1 und einer poromeren Beschichtung 2 auf dem Trägermaterial 1. Andererseits kann
das Trägermaterial 1 auf beiden Oberflächen mit der poromeren Beschichtung 2 beschichtet
sein, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Dicke des Trägernaterials 1 und der poromeren
Geweben
oder Gewirken einge ztzt werden, wobei diese Stoffe auch mit Vliesen komlDiniert
sein können. Als Grundstoff Für derartige teile Flächengebilde kommen sämtliche
natürliche oder künstliche Faserrohstoffe in Frage, beispielsweise Baumwolle, Seide,
Jute und dgl. sowie Polyamide, Polyester, Polyesteramide, Viskose, modifizierte
Zellulose, Polypropylen und deren Gemische in Frage. Für spezielle Zwecke können
auch als Träger Glasfasern oder Polyurethangarne verwendet werden. Diese Garne können
texturiert oder vorgeschrumpft sein. Von diesen Rohstoffen sind Baumwolle und die
künstlichen Fasern aus Polyester, Polyamid und modifizierte Zellulose bevougt.
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Das Flächengewicht dieser textilen Gebilde für das Trägermaterial
1 liegt im allgemeinen in einem Bereich von 50-500, vorzugsweise von 100-300 g/m2.
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Auf diese Trägerschicht wird eine poromere Schicht auE-getragen, wobei
sowohl zahlreiche Beschichtungsstoffe als auch unterschiedliche Beschichtungsverfahren
gewählt werden können. Als Rohstoffe können Polymere in einem weiten Bereich eingesetzt
werden, beispielsweise von Vlnyladditionspolymere und Polyurethane bis zu Kondensationspolymeren,
wie Polyamide, Polyesteramide und Polyester. Als Vinylchloridpolymere kommen Homopolymere
von Vinylchlorid und konventionelle Kopolymere von diesem mit Beimischung von Vinylacetat,
Acrylnitril, Vinylidenchloride, Vinylidenfluoride oder Ester von Maleinsäure, Fumarsäure
oder Acrylsäure in Frage. Weitere Beispiele für derartige Polymere sind Polyvinylbutyral,
Polymere von oC-Methylstyrol, Polyvinylidenchlorid, Methylmetiacrylat, Ester der
Het#crylsäure, Vinylacetat, Acrylnitril und Styrol. Weitere Beimischungen zu Vinylpolymeren
sind Ester von A -0le o(-Olefinmonokarbonsäuren, wobei die aliphatische Estergruppe
1 bis 8 Kohlenstoffatome enthält.
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Beschichtung 2, gleichgültig ~ob einseitig oder zweiseitig beschichtet,
ist nicht kritisch. Sie hängt von der Wahl des eingesetzten Trägermaterials 1 oder
des Beschichtungsmaterials ab, wobei lediglich zu beachten ist, daß das erfindungsgemäße
Staubfilter in einem Staubsauger mit einem Überdruck von 1800-2200 mm Wassersäule
belastet wird und diesen Überdruck aushalten muß. Deshalb wird die Dicke des erfindungsgemäßen
Staubfilters so gewählt, daß zumindest ein Überdruck von 2500 mm Wassersäule angelegt
werden kann, ohne daß das Staubfilter platzt.
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In aller Regel besitzt deshalb das Staubfilter eine Dicke von mindestens
0,5, vorzugsweise 1, insbesondere 2 mm.
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Als Trägermaterialien können Gewebe, Gewirke, Vliese und Trägermaterialien
wie Gelege, Geflechte, Pappen, Papiere, durchlöcherte Folien, und dgl. verwendet
werden.
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Diese Materialien werden in Form von textilen Verbundstoffen, also
flexiblen porösen Flächengebilden, eingesetzt, die ganz oder teilweise aus textilen
Fasern und/ oder Garnen bestehen. Derartige textile Verbundstoffe werden durch Verfestigung
von Faservliesen bzw. von Garnlagen bzw. von Kombinationen aus diesen auf mechanischem
Weg und/oder durch Verkleben mit Hilfe eines Bindemittels und/oder durch Anlösen
und/oder durch Verschweißen hergestellt. Als textile Verbundstoffe können Vliesstoffe,
Fadenverbundstoffe oder kombinierte Textilverbundstoffe in Frage kommen.
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Faservliese können nach den üblichen Techniken, beispielsweise auf
einer Krempelmaschine, nach dem Siebtrommelverfahren, Schwemmverfahren oder nach
chemischen Verfestigungsverfahren, hergestellt sein. Sie können zusätzlich mechanisch
durch Übernähen oder Übersteppen verfestigt sein. Zu derartigen Materialien gehören
vernadelte Faservliese.
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Andererseits können auch gesponnene Garne in Form von
Diese
Vinylpolymere können mit üblichen Weichmachern, beispielsweise vom Phtha#at-Typ'
Acelat typ, Sebacinsäuretyp und deren Gemische weichgemacht werden. Es können bis
zu 50 Gew.-% Weichmacher zugesetzt werden.
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Weitere Polymere sind Polyester, beispielsweise die Kondensationsprodukte
von Alkylenglycol mit einer Säure, beispielsweise einer Arylendikarbonsäure, Polyamide,
beispielsweise Caprolactam, Hexamethylen-Diaminadipinsäure und Sebacinsäure.
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Weiterhin kommen Zelluloseester, wie Zelluloseacetatbutyrat, Nitrozellulose
und dgl. in Frage.
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Eine bevorzugte Klasse von Polymeren sind Polyurethane, die entweder
allein oder im Gemisch mit weiteren Polymeren, insbesondere Polyvinylchlorid eingesetzt
werden können. Diese Polyharnstoffe werden dadurch hergestellt, daß man ein Präpolymer
in seiner Kette verlängert. Dies wird dadurch hergestellt, daß man einen oder mehrere
Polyalkylenätherglycole oder Polyester mit endständigen Hydroxylgruppen mit überschüssigem
organischen Diisocyanat-Verbindungen vermischt, wobei die Temperatur in einem Bereich
von 50 bis 1000C gehalten wird.
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Anstelle oder in Verbindung mit diesen Polyalkylenätherklycolen können
Polyester eingesetzt werden, die durch die Umsetzung von Säuren, Estern oder Säurehalogeniden
mit Glycolen hergestellt werden. Entsprechende GLycole sind Polymethylenglycole,
die gegebenenfalls substituiert sind und zyklische Glycole. Diese Glycole werden
mit Dikarbonsäuren oder deren Estern umgesetzt.
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Als Diisocyanate kommen aromatische, aliphatische und zykloaliphatische
in Frage, wobei der Fachmann aus einer ganzen Reihe von Diisocyanaten wählen kann..
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Das dadurch hergestellte Präpolymer wird in seiner Kette
dadurch
verlängert, daß man eine Verbindung mit zwei aktiven Wasserstoffatomen direkt zugibt.
Beispielsweise können gegebenenfalls substituiertes Hydrazin und primäre oder sekundäre
Diamine eingesetzt werden.
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Ein Verfahren zur Herstellung derartiger Polyurethane ist beispielsweise
in den US-PSen 32 14 290 und 31 00 721 beschrieben.
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Als Lösungsmittel für diese Polymere können Amide, wie Formamid, Dimethylformamid
und Hexamethylphosphoramid, Ester, wie Äthylacetat und Butylacetat, Äther, wie Dioxan,
Alkohole, wie Methanul, Äthanol und Butanol Ketone, wie Aceton und Methyläthylketon,
Sulfonetwie Tetramethylensulfon und Dimethylsulfon, Kohlenwasserstoffe, wie Toluol
und Benzol, Phenole, und weitere Lösungsmittel verwendet werden, wie Chloroform
und wässrige Ameisensäurelösung. Weitere Lösungsmittel sind N, N-DimethylSormamid,
Dimethylsulfoxid, Tetrahydrofuran und deren Gemische, wobei N, N-Dimethylformamid
und dessen Gemische bevorzugt sind. Die vorstehenden Polymeren werden in diesen
Lösungsmitteln in einer Menge von 5 bis 30, vorzugsweise 10 bis 20 Gew.-% gelöst.
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Anschließend kann diese Lösung gegebenenfalls mit Zusatzstoffen, die
je nach Auftragungsart zugegeben werden, vermischt werden. Zu derartigen Zusatzstoffen
gehören in der Wärme zerfallbare Substanzen, wie Ammoniumkarbonat und Ammoniumbikarbonat,
wobei deren Korngröße den Porendurchmesser bestimmt. Die Zumischung derartiger Stoffe
ist beispielsweise in der US-PS 32 14 290 beschrieben.
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Diese Polymerisate enthaltende Lösungen werden durch Zusatz eines
Nichtlösungsmittels für das Polymerisat, das mit dem Lösungsmittel mischbar ist,dispergiert,
wenn auf das Substrat Dispersionen aufgetragen werden sollen. Zu derartigen Lösungsmitteln
gehören beispielsweise Polyole, wie Äthylenglykol, Glyzerin und dessen
Gemische.
Weiterhin kommen Methanol,Äthanol,Aceton, Hexan, Octan,Benzon und dgl. in Frage,
sofern sie für das Polymerisat ein Nichtlösungsmittel sind.
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Diese Lösungen oder Dispersionen können nach dem Direktstreichverfahren,
dem Umkehrverfahren oder dem Koagulationsverfahren auf das Substrat aufgetragen
werden.
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Während die beiden erstgenannten Verfahren lediglich das Aufstreichen
der Streichlösung auf eine Unterlage betreffen, stellt das Koagulationsverfahren
eine Auswaschmethode dar, bei der das in der Lösung oder Dispersion enthaltende
Lösungsmittel durch ein Nichtlösungsmittel ausgewaschen wird und eine Koagulation
der Beschichtung erfolgt.
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Bei der Herstellung einer derartigen Dispersion kann der Fachmann
durch mengenmäßig unterschiedliche Zugabe des Nichtlösungsmittels die Art und den
Zustand der Dispersion beeinflussen. Diese Beeinflussung ist insofern von größtem
Interne, als unterschiedlich formierte Dispersionen erzeugt werden können, die auf
die Porengröße bedeutenden Einfluß haben. Der Fachmann kann aufgrund seiner Kenntnisse
ohne weiteres den Porenentstehungsprozeß durch derart hergestellte und gealterte
Dispersionen einstellen, vgl. US-PS 31 00 721, Sp.8 und 9. Neben den vorstehend
genannten Prozessen sind zahlreiche weitere Arten von mechanischen oder chemischen
Verfahren bekannt, mit denen mikroporöse Strukturen erzeugt werden können (vgl.
Kirk-Othmer Bd.16, S.345-360), auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Von diesen Verfahren und eingesetzten Polymerisaten sind das Koagulationsverfahren
und die Polyurethane bevorzugt.
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Beispiele für einsetzbare Polyurethane oder deren Dispersionen sind
die Produkte der Bayer AG mit der Bezeichnung Desmoderm der Serie 8900. Diese Polyurethane
werden
entweder als Granulat mit DMF verdünnt und mit einem Koagulant versetzt oder werden
direkt als streichbare Dispersion verarbeitet. Die Verwendung dieser Produkte ist
beispielsweise in textil praxis international 42 (1974), S. 1706 bis 1712 beschrieben.
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In einer speziellen Ausführungsform werden zwei unterschiedliche Polyurethanschichten
als poromere Beschichtung 2 auf die als Substrat dienende Trägerschicht 1 aufgebracht.
Die unmittelbar auf das Substrat auBgebrachte Polyurethanschicht dient dabei als
Stützschicht für die Polyurethanoberflächenschicht mit geringem Porendurchmesser.
Die Poren dieser Stützschicht sind gegenüber den Poren der Deckschicht stark vergrößert
und gewähren deshalb eine hohe Luftdurchlässigkeit der Beschichtung. Aufgrund ihrer
stützenden Struktur wird deshalb ein Reißen der im Vergleich zur Stützschicht relativ
dünnen Oberflächenschicht verhindert. Im allgemeinen liegt die Schichtdicke der
Stützschicht in einem Bereich von 0,05-2 mm, vorzugsweise 100-500 em.
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Die mittlere Porengröße dieser Stützschicht beträgt etwa 50-500, vorzugsweise
100-300, insbesondere 200 um.
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Dieser Porendurchmesser gewährleistet eine hohe Luftdurchlässigkeit
und besitzt somit einen geringen Luftwiderstand.
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Die zweite Schicht, die als Deckschicht ausgebildet ist und sich auf
der Stützschicht befindet, ist dagegen sodünnwie möglich gehalten, um den Luftwiderstand
möglichst gering zu halten. Die Dicke dieser Schicht liegt im allgemeinen bei höchstens
100 gm, vorzugsweise unterhalb 50 gm. Die Porengröße dieser Schicht liegt, gleichgültig
ob sie in Verbindung mit einer Deckschicht oder allein vorliegt, bei höchstens 10
gm, vorzugsweise 5 em, insbesondere 3 lum.
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Diese Staubfilter können direkt als Filtereinlage für
einen
vorbestimmten Zweck und an einem vorbestimmten Ort eingesetzt werden. Vorzugsweise
wird aus dem erfindungsgemäßen Staubfiltermaterial ein in Fig. 3 oder Fig. 4 gezeigter
Staubsaugerbeutel hergestellt, wobei die poromere Oberflächenschicht auf der Innenseite
des Beutels zu liegen kommt. Die Herstellung derartiger Beutel ist an sich bekannt.
Nach entsprechendem Zuschnitt wird der Beutel entlang seiner Kanten durch Abnähen,
Verkleben oder Vulkanisieren derart verschlossen, daß entlang der Kanten keine Staubpartikel
entweichen können. Dieser vorgefertigte Beutel aus dem Staubfiltermaterial 3 wird
mit einer quadratischen Pappe 4 entlang seiner noch offenen Kanten verklebt. Diese
Pappe 4 besitzt eine Öffnung 5, die von einem Gummiring 6 umfaßt wird. Diese Öffnung
5 der Pappe 4 wird über den staubzuführenden Stutzen des Staubsaugers so weit geschoben,
bis die Pappe preßfest durch den Gummiring am Stutzen gehalten wird. Eine weitere
Ausführungsform ist in Fig. 4 dargestellt, gemäß der der Staubsaugerbeutel eine
sackförmige Struktur besitzt. Dabei mündet der nach allen Seiten geschlossene Bauch
des Sacks in den Hals 7, dessen Durchmesser dem Durchmesser des Staubsaugerstutzens
entspricht. Die Halslänge entspricht ebenfalls der Länge des Stutzens, so daß der
Sack entlang seines gesamten Halses über den Stutzen geschoben werden kann. Der
Sack wird mittels eines Gummiringes, der zuvor über den Hals geschoben wurde, an
dem Stutzen preßfest befestigt.
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Beispiel Als Filtermaterial wird zur Herstellung eines Staubsaugerbeutels
ein Baumwollgewebe verwendet, das mit koaguliertem Polyurethan beschichtet ist.
Dieses Produkt ist unter der Bezeichnung Momba der Firma Momba-Vlies N.V., Waalwijk,
Niederlande im Handel und wird als Reinigungstuch im Gebäudereinigungsbereich verwendet,
wo es sich insbesondere weyen seiner hohen Wasserauf-
nahmefähigkeit
als Lederersatz auszeichnet. Die Polyurethanbeschichtung besteht aus einer etwa
400 rm dicken Stützschicht, die eine mittlere Porengröße von 200 besitzt. Auf diese
Stützschicht ist eine weitere, noch dünnere Deckschicht mit einer Schichtdicke von
20 gm und einer mittleren Porengröße von ca. 3 Fm aufgetragen. Das Baumwollgewebe
besitzt dabei die Eigenschaft, diese elastomere Polyurethanschicht zu verstärken
und ihr eine hohe Reißkraft zu verleihen. Ein aus diesem Material gefertigter Beutel
platzt erst bei einer Belastung von 5 atm. Die Luftdurchlässigkeit dieses Stoffs
beträgt 1800 l/m2 x Std. bei 20 WS nach Frank, die Dicke dieses Materials, das beidseitig
beschichtet ist, beträgt ca. 1 mm, das Flächensewicht 250 g/qm. Die Reißkraft (5
x 20 cm), beträgt in Richtung 1 30 kg und in Richtung 2 25 kg.
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Aus diesem Material wird ein Staubsaugerbeutel zugeschnitten und entlang
seiner Kanten verschweißt oder zugeklebt. Auf der Öffnung wird die quadratische
Pappe aufgebracht.
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Dieser Beutel wird einer zweistündigen Staubbehandlung in einem neuen
Staubsauger unterzogen, der eine Saugkraft von ca. 2000 mm Wassersäule besitzt.
Dieser Beutel wird nach Herstellung mit einem Toner der Firma Rank Xerox gefüllt
und anschließend im Saugbetrieb 2 Stunden getestet. Der Beutel bläht sich dabei
wie ein Ballon auf, zerplatzt jedoch während dieser Betriebszeit nicht. Anschließend
wird die Außenseite des Beutels und der im Staubsauger befindliche Textilschutzsack
auf Schwärzungen, die auf ein Durchdringen des Toners zurückzuführen sind, auf der
Oberseite des Beutels oder des Sackes untersucht. Als Testergebnis ist festzuhalten,
daß das Tonermaterial weder durch den Staubsaugerbeutel noch durch den Schutzsack
gedrungen ist.
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