DE4402857C2 - Verfahren zum Herstellen eines Mikrofaser-Vliesstoffs, Mikrofaser-Vliesstoff und dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die Herstellung von Mikrofasern-Vliesstoffen durch elektrostatisches Verspinnen von geschmolzenen oder in Lösung befindlichen Polymeren ist bekannt. So of­ fenbart DE 20 32 072 C3 die Herstellung eines Filtermaterials mit höchster Fa­ serfeinheit und hoher elektrostatischer Aufladung in einem Arbeitsgang, wobei die Spinnlösung, z. B. Polycarbonat in Methylenchlorid, durch Zusätze leitfähig gemacht und aus den im elektrischen Feld entstehenden Fasern ein flächiges Wirrvlies gleichmäßiger Dicke abgeschieden wird. Die Faserdicke wird dabei größer bei kleinerer Leitfähigkeit der Spinnflüssigkeit. Sie kann auch durch die Wirkung verschiedener Lösungsmittel oder der gelösten Substanzen verändert werden. Man erhält sehr dünne und stark elektrisch aufgeladene Fasern in großer Zahl, denen Durchmesser unter 1 µm liegt. Die Fasern sind bandförmig ausgebildet und zeigen im Elektronenmikroskop eine stark poröse Oberflächen­ struktur. Zum Verspinnen wird eine rotierende Ringelektrode vorgeschlagen, die mit ihrem unteren Teil in die Flüssigkeit eintaucht und fortlaufend benetzt wird.

A.a.O. wird auch darauf verwiesen, daß grobe und feine Fasern in das Vlies ein­ gearbeitet werden, wobei die groben Fasern das Gerüst bilden und die feinen Fasern überwiegend die Filterung übernehmen. Diese Variante wird dadurch er­ zielt, daß nacheinander verschiedene Spinnlösungen mit höherer und niedrigerer Leitfähigkeit versprüht und auf der gleichen Unterlage niedergeschlagen werden.

In einer Weiterbildung enthält DE 23 28 015 C3 die Lehre, mehrere Faservlies­ schichten sukzessive zu einer zusammenhängenden Schicht zu überlagern, um eine für die Filterproduktion höhere Produktionsleistung bei gleichmäßiger Dich­ teverteilung des Fasermaterials auf dem Ablageband zu erzielen. Das Sprühelek­ trodensystem besteht aus einer Reihe von nebeneinander angeordneten Ringen, wobei diese Reihen hintereinander angeordnet sind und vom gasdurchlässigen Träger endlicher Länge nacheinander durchlaufen werden.

Das elektrostatische Verspinnen aus einer dielektrischen, faserbildenden Fluid- Substanz ist in DE 28 55 468 C2 beschrieben: Mit der dortigen Vorrichtung können auch geschmolzene Polymere zu Mikrofasern verarbeitet werden. Ther­ moplastisches, schmelzbares Material wird in ein elektrostatisches Pulverisie­ rungsgerät überführt, welches am Ausgang des Fülltrichters eine negativ gela­ dene Elektrode besitzt. Diese lädt das Pulver, wie Polypropylen, Polyethylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyamid, Polyester, usw. elektrostatisch auf. Unter dem Heizeffekt durchlaufender Drähte unter einem Fülltrichter erweicht das Thermoplastpulver, bis seine Temperatur einen Wert erhält, der ausreicht, um an der Oberfläche des Drahtes eine homogene Schicht aus Schmelzmaterial zu bil­ den. Wenn das geschmolzene dielektische Material gegenüber einer Gegenelek­ trode ankommt, ziehen die zwischen den Elektroden errichteten, elektrostati­ schen Felder aus dem polymeren Material ein Vielzahl von Fasern an, die sich auf einem Transportband ablagern.

All diese Mikrofaser-Vliesstoffe besitzen allein keine sehr hohe Abriebbeständig­ keit, was sowohl durch die kleinen Faserdurchmesser als auch durch die Art der Ablage bedingt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorgenannten Verfahren dahin­ gehend zu verbessern, daß die Ablage von Fasern nicht nur einer Polymerart möglich ist, sondern daß Fasern aus zwei verschiedenen Polymeren abgelagert werden können, wobei diese Ablagerungen nicht, dem Stand der Technik ent­ sprechend, nacheinander, sondern gleichzeitig erfolgen soll. Angestrebt werden soll damit die Herstellung eines für Filterzwecke geeigneten Vliesstoffs, welcher eine makroskopisch glatte, membranartige Oberfläche aufweist, mechanisch wi­ derstandsfähig ist und aus filtertechnischer Sicht hohe Luftdurchlässigkeit auf­ weist.

Eine besonders ausgeprägte Oberflächen-Glätte von Vliesstoffen und hohe Fe­ stigkeiten bedingen einen starken Faser-Zusammenhalt, welcher bei dem bishe­ rigen Verfahren, die nur ein polymeres, faserbildendes Material verspinnen kön­ nen, nur dadurch erzielt werden, daß Bindemittel eingestreut werden, welche naheliegenderweise die natürliche Porosität solcher Mikrofaser-Vliesstoffe wie­ der durch Verstopfen zahlreicher Poren zunichte machen.

Demgemäß ist es auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen Vliesstoff als filternden Bestandteil von Luft- oder Flüssigkeitsfiltern verwenden zu können, wobei dieser Mikrofaser-Vliesstoff hohe Zug- und Abriebfestigkeiten bei extrem gutem Faserzusammenhalt, verbunden mit dennoch hoher Luftdurch­ lässigkeit, aufzuweisen hat.

Die Lösung dieser dreigeteilten Aufgabe besteht in einem Verfahren gemäß dem ersten Patentanspruch. Die Erfindung kann gleichermaßen für das elektrostati­ sche Verspinnen von Lösungen oder Schmelzen angewendet werden, wobei die Lehren des eingangs genannten Standes der Technik bezüglich der Elektroden in keiner Weise verlassen zu werden brauchen. Es wurde bisher jedoch nicht er­ kannt, daß diese genannten Verfahren und Vorrichtungen auch zum gleichzeiti­ gen Verspinnen zweier anspruchsgemäßer Polymere ohne Einschränkung ver­ wendet werden können und daraus ein Mikrofaser-Vliesstoff resultiert, dessen Oberflächenglätte und Festigkeit bei gleichzeitig hohen Luftdurchlässigkeits- Werten bisher nicht erzielt werden konnte.

Definitionen:
Unter Mikrofasern werden Fasern verstanden, deren Durchmesser höchstens 10 µm beträgt.

Unverträgliche Polymere sind solche, welche in einer ruhenden Lösung oder in einer ruhenden Schmelze unter Verarbeitungsbedingungen zwei diskrete Fasern bilden.

Angegebene Schmelzbereiche oder Erweichungspunkte wurden gemessen nach DIN 53 736, Methode B.

Mittlere Porenradien wurden gemessen gemäß ASTM E 1294, Coulter-Porome­ ter.

Die Verwendung des Begriffs "elektrostatisches Spinnverfahren" schließt alle Erkenntnisse ein, die bezüglich Vorrichtungen sowie Zusätzen und Hilfsmitteln aus dem genannten Stand der Technik bekannt sind.

Die zwei miteinander in der Lösung oder in der Schmelze unverträglichen Poly­ meren unterscheiden sich durch individuelle Erweichungsbereiche, welche um mindestens 20°C von Polymer zu Polymer differieren. Somit treffen beide Faser­ typen, die im elektrostatischen Feld gebildet und transportiert werden, als auf die Auffangfläche, wo beim Erkalten/Abziehen des Lösungsmittels sofort ein fester Faserzusammenhalt eintritt; die Fasern aus dem niedriger schmelzenden Polymer wirken als Bindefasern, welche statistisch im Netzwerk der die Matrixfasern bildenden, höher schmelzenden Mikrofasern verteilt sind und diese wie auch sich selbst an den Berührungspunkten klebend miteinander verbinden. Eine nachträgliche Verfestigung, welche bei der Herstellung entstehende Poren wieder zerstören würde, braucht nicht mehr durchgeführt zu werden.

Es war nicht vorhersehbar, daß ein Gemisch zweier miteinander unverträglicher Polymerer bei Anwendung des elektrostatischen Spinnverfahrens diskrete Mikro­ fasern aus jeweils einer Polymerart erzeugen würde und die Ablage ohne weiteres Zutun zu einem qualitativ hochwertigen Vliesstoff führen könnte.

Für den Fall, daß das Verspinnen aus einer Lösung durchgeführt werden soll, wird ein Lösungsmittel verwendet, in welchem sich beide Polymere einzeln glatt lösen. Dabei soll ein Gewichtsverhältnis beider Polymere zusammen zum Lösungsmittel von 3 bis 20%, bezogen auf das Lösungsmittel, eingestellt wer­ den. Das Gewichtsverhältnis von matrixbildendem zu klebefähigem Polymer ist in weiten Bereichen, je nach gewünschter Vliesstoffart, frei wählbar zwischen 90 : 10 bis 10 : 90.

Das bekannteste und am weitesten verbreitete Lösungsmittel ist Methylenchlo­ rid, welches vorzugsweise dann verwendet wird, wenn das die Matrixfasern bil­ dende Polymer ein Polycarbonat oder ein Polysulfon ist. Beide Polymere lösen sich in Methylenchlorid zu 5 bis 20 Gew.-% glatt, wenn das Polycarbonat einen Schmelzbereich von 177 bis 198°C oder das Polysulfon einen Schmelzbereich von 211 bis 250°C aufweist. Das die Bindefasern bildende Polymer ist dabei ein Polyesterpolyurethan auf Basis Toluylendiisocyanat mit einem Schmelzbereich von 80 bis 160°C oder ein hydrierter Nitrilkautschuk, welcher ab 38°C er­ weicht. Die beiden letztgenannten Polymere lösen sich im Methylenchlorid zu 3 bis 15 Gew.-% glatt.

Soll eine Schmelze versponnen werden, wählt man vorteilhafterweise ein Ge­ wichtsverhältnis von matrixbildendem zu klebefähigem Polymer von 30 : 70 bis 90 : 10. Geeignete Polymeren-Paare sind insbesondere Polyvinylacetat/Polyester oder Polypropylen/Polyethylen. Auch der Einsatz von Polyvinylchlorid oder Po­ lyamid ist möglich.

Durch jede Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält man einen mem­ branartigen Mikrofaservliesstoff aus Matrix- und Bindefasern mit makroskopisch sehr glatter Oberfläche. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung besteht dabei aus 70 Gew.-% Polycarbonat-Matrixfasern mit einem Schmelzbereich von 177 bis 198°C und aus 30 Gew.-% thermisch erweichbaren Bindefasern aus hydrier­ tem Nitrilkautschuk, welcher ab 38°C erweicht. Ein solcher Mikrofaser-Vlies­ stoff weist ohne Nachbehandlung die folgenden vorteilhaften Eigenschafts- Kombinationen auf, welche bisher nicht miteinander erzielt werden konnten:

Bei einem Flächengewicht von nur 29 g/m² und einer Dicke von 0,142 mm wer­ den ein mittlerer Porenradius von 2,4 µm sowie eine Porenradienverteilung von 0,8 bis 3,5 µm erreicht bei einem Maximum von 2,6 µm. Die Luftdurchlässigkeit beträgt bei einem mbar Druckdifferenz 65 dm³/m²s, bei 2 mbar 105 dm³/m²s.

Dennoch weist dieser Vliesstoff eine Höchstzugkraft längs von 14 N, quer von 15 N auf und besitzt dabei eine Dehnung von 148% längs sowie 149% quer.

Erfindungsgemäß hergestellte Mikrofaser-Vliesstoffe eignen sich daher als fil­ ternde Bestandteile von Luft- oder Flüssigkeitsfiltern besonders gut, wo neben einer hohen Luftdurchlässigkeit ein enger Faserzusammenhalt gefordert ist, um unter Betriebsbedingungen den mechanischen Beanspruchungen, insbesondere Zugkräften, widerstehen zu können. Ferner führt die sehr glatte Oberfläche zu einer hohen Abrasionsbeständigkeit, was die Lebensdauer des Filters ebenfalls deutlich erhöht.

Die Erfindung ermöglicht es, die Produkte bekannter elektrostatischer Spinnver­ fahren in einander widersprechenden Eigenschaften gleichzeitig zu verbessern, ohne daß bezüglich der Verfahrensgeschwindigkeit oder des apparativen Auf­ wandes Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Claims (7)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Herstellen eines fasergebundenen Mikro­ faser-Vliesstoffs unter Anwendung eines elektrostatischen Spinnverfah­ rens, wobei das leitfähige oder leitfähig gemachte, faserbildende Polymer aus der Lösung oder aus der Schmelze im elektrostatischen Feld zu Mikro­ fasern versponnen wird, welche auf einer Fläche abgefangen und dabei zu einem Vliesstoff gelegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch zweier miteinander in der Lösung oder in der Schmelze unverträglicher Polymere verspinnt, wobei man deren Auswahl so trifft, daß das eine Polymer klebefähige Mikrofa­ sern bildet und einen Erweichungsbereich, gemessen nach DIN 53 736, Methode B, aufweist, welcher mindestens 20°C unter dem­ jenigen des die anderen, die Matrix-Mikrofasern bildenden Polymers liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Po­ lymerenlösung verwendet mit einem Lösungsmittel, in welchem sich beide Polymere einzeln glatt lösen, daß man ein Gewichtsverhältnis beider Po­ lymerer zusammen zum Lösungsmittel von 3 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Lösungsmittel, einstellt, und daß man dabei ein Gewichtsverhältnis von matrixbildendem zu klebefähigem Polymer von 90 : 10 bis 10 : 90 wählt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lö­ sungsmittel Methylenchlorid verwendet und einerseits als die Matrixfasern bildendes Polymer ein im Lösungsmittel zu 5 bis 20 Gew.-% glatt lösli­ ches Polycarbonat (Schmelzbereich 177 bis 198°C) oder Polysulfon (Schmelzbereich 211 bis 250°C), als die Bindefasern bildendes Polymer andererseits ein im Lösungsmittel zu 3 bis 15 Gew.-% glatt lösliches Po­ lyersterpolyurethan auf Basis Toluylendiisocyanat (Schmelzbereich 80 bis 160°C) oder einen hydrierten Nitrilkautschuk (Erweichung ab 38°C) auswählt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze verwendet mit einem Gewichtsverhältnis von matrixbildendem zu klebefähigem Polymer von 30 : 70 bis 90 : 10.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Poly­ meren-Paarung Polyvinylacetat/Polyester oder Polypropylen/Polyethylen verwendet.

6. Fasergebundener, membranartiger, makroskopisch glatter Mikrofaser- Vliesstoff, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 3, beste­ hend aus 70 Gew.-% Polycarbonat-Matrixfasern (Schmelzbereich 177 bis 198°C) und aus 30 Gew.-% Bindefasern aus hydriertem Nitrilkautschuk (Erweichung ab 38°C), wobei der Mikrofaser-Vliesstoff ein Flächenge­ wicht von 29 g/m² bei einer Dicke von 0,142 mm, einen mittleren Poren­ radius von 2,4 µm (ASTM E 1294, Coulter-Porometer), eine Porenradien­ verteilung von 0,8 bis 3,5 µm bei einem Maximum von 2,6 µm, eine Luft­ durchlässigkeit bei 1 mbar von 65, bei 2 mbar von 105 dm³/m²s, eine Höchstzugkraft längs von 14 N, quer von 15 N, und eine Dehnung von 148% längs sowie von 149% quer aufweist.

7. Verwendung eines nach Anspruch 1 bis 5 hergestellten Faservliesstoffs als filternden Bestandteil von Luft- oder Flüssigkeitsfiltern.