DE60111554T2

DE60111554T2 - Filterstruktur mit zwei oder mehreren feinen faserschichten mit verlängerter nutzungsdauer

Info

Publication number: DE60111554T2
Application number: DE60111554T
Authority: DE
Inventors: D. James BENSON; G. Douglas CROFOOT; A. Mark GOGINS; M. Thomas WEIK
Original assignee: Donaldson Co Inc
Current assignee: Donaldson Co Inc
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2021-08-22
Also published as: CN1318121C; US20020046656A1; ATE297798T1; EP1326697B1; AU2001288333B2; MXPA03001929A; CA2419849A1; RU2280491C2; WO2002020130B1; JP5021142B2; EP1326697A2; BR0113656A; IL154570A; DE60111554D1; CN1471421A; IL154570A0; KR100820748B1; KR20030081302A; WO2002020130A2; AU8833301A

Description

Gebiet der Erfindung
Die Beschreibung bezieht sich auf einen einheitlichen Filteraufbau zum Filtern von Fluiden, die gasförmige oder flüssige Ströme umfassen. Im Besonderen wird eine einheitliche Anordnung von Filterkomponenten offenbart, die einen wesentlichen Anstieg der Lebensdauer eines Filteraufbaus bei gleichzeitiger Beibehaltung oder Verbesserung des Filterwirkungsgrades ermöglicht. Derartige Filter umfassen üblicherweise Feinfasern, eine poröse Trägerlage, die in Kombination mit einer Vielfalt an Halterungen, Gehäusen und Kleinteilen verwendet werden kann, und andere Komponenten einer Filterstruktur. Zur Entfernung unerwünschter Stoffe, wie Schwebstoffe, durchläuft ein fluider Strom den Filter. Während des Durchtritts des Stromes durch den Filter werden Partikel, die in flüssiger oder fester Form oder Gemischen derselben vorliegen können, aus dem mobilen Fluidstrom entfernt.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Anwendung von Filtrationsverfahrenstechniken wird zum Zwecke der Entfernung von Partikeln aus dem Strom üblicherweise ein Fluidstrom durch eine Filterstruktur geleitet. Jedes Filterelement kann einen gewissen Anteil der Partikel während der Lebensdauer des Filters aus dem Strom entfernen. Filterwirkungsgrade werden üblicherweise als ein Verhältnis der Partikel, die von der mobilen Fluidphase mitgetragen werden, zu denen, die durch den Filter entfernt werden, definiert. Die Filterlebensdauer wird, um akzeptable Betriebsparameter für den Filter und die Betriebseinrichtung aufrecht zu erhalten, üblicherweise auf den Zeitraum bezogen, in dem der Druckabfall über dem Filter unter einem bestimmten vorgegebenen Grenzwert bleibt. Ein Filter muss einen für die Entfernung ausreichenden Wirkungsgrad aufweisen und gleichzeitig, um ein brauchbares Leistungsverhalten zu sichern, einen ausreichend niedrigen Druckabfall beibehalten. Ein hoher Druckabfall ist für einen schlechten Betriebswirkungsgrad der Einrichtung, die den Filter verwendet, charakteristisch.
Wie es sich auch bei vielen Verfahrenstechniken bewahrheitet hat, sind bei jeder Ausführungsform einer erfolgreichen Technik beträchtliche Kompromisse notwendig. Wenn der Wirkungsgrad ansteigt, steigt sehr häufig auch der Druckabfall an und die Lebensdauer ist häufig erheblich gemindert. Aus Gründen, die noch nicht vollständig erkannt sind, kann der Druckabfall über jeden Filter während des Betriebes erheblich ansteigen. Filterströme, die erhebliche Anteile an Dunst oder Nebel, anorganischen Aerosolen, organischen Aerosolen aus Ölen, Fetten, Kohlenstoff oder anderen Quellen oder Mischstrukturen wässriger anorganischer und organischer Aerosole enthalten, zeigen häufig eine verminderte Nutzungsdauer. Die Natur des straften Verbundes leistungsfähiger Feinfaserlagen kann zu einem Anstieg des Druckabfalls über der Feinfaserlage führen und dieser wird bei Kontakt mit einem derartigen fluiden Partikelstrom erheblich und schnell ansteigen. Wenngleich derartige Filter im Anfangsbetrieb hervorragend sind, ist die Filterlebensdauer und nicht der Wirkungsgrad häufig ein Problem. Die Filter sind für die Aufgabenstellung geeignet, müssen jedoch ersetzt werden. Angesichts der Schnelligkeit mit der derartige Strukturen zu einem Anstieg des Druckabfalls führen können, d. h. ihrer erheblich reduzierten Lebensdauer, besteht ein Bedarf an Verbesserungen für solche Filter.
Eine Verbesserung sowohl des Filterwirkungsgrades als auch der Lebensdauer dürfte, wie es bei jeder technologischen Anwendung üblich ist, ein heiß begehrtes Ziel der Filterhersteller sein. Im Anbetracht dessen besteht ein erheblicher Bedarf an Filterverfahrenstechnik und -strukturen, mit denen man einen Anstieg der Filterlebensdauer bei Beibehaltung oder Verbesserung des Filterwirkungsgrades erreichen kann.
US-A-5,672,309 offenbart Filtermaterialen, die Träger mit einem gemäß ASTM-1215-89 niedrigen Wirkungsgrad zwischen 1 und 10 % umfassen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Wir haben nun entdeckt, dass ein wesentlich verbessertes Filtermittel gemäß Anspruch 1, eine Filterstruktur gemäß Anspruch 13 und ein Filterverfahren gemäß Anspruch 8 durch Einsatz eines Filtermittels mit einem bestimmten Anteil an Feinfaser in zwei oder mehr Lagen in einem Trägermittel oder einer Trägerstruktur erhalten werden kann. Dadurch, dass die Faser in reduzierten Anteilen in die zwei oder mehr Lagen eingebracht wird, kann bei gleichzeitigem Anstieg der Lebensdauer der Filterwirkungsgrad aufrechterhalten oder erhöht werden. Erfindungsgemäß wird eine erste Lage der Feinfaser auf einer zuströmseitigen Oberfläche des Trägers angeordnet und dann wird eine zweite Lage als zweite Oberfläche üblicherweise abströmseitig ausgebildet. Der Wirkungsgrad der zuströmseitigen und der abströmseitigen Lagen kann bewusst unterschiedlich ausgelegt sein. Die abströmseitige Lage kann einen höheren Wirkungsgrad als die zuströmseitige Lage aufweisen. Die Lagen werden derart angeordnet, dass das gefilterte Fluid durch die beiden Lagen strömt. Das Mittel kann in eine Filterstruktur mit vielfältigen Filterstrukturgeometrien und -ausführungen eingebaut werden. Die doppelseitige Lage der Feinfasern hält den Wirkungsgrad der Filtration aufrecht oder steigert diesen, aber steigert auch erheblich die Lebensdauer des Filters. Wir haben überraschenderweise gefunden, dass durch Anordnung einer Menge an Feinfaser in einer ersten Lage auf einer Seite eines Trägers, die zu einem Wirkungsgrad von weniger als etwa 90 % führt, zusammen mit einer zweiten Lage oder mehr in einer Filterstruktur, ein Filter mit einem Gesamtwirkungsgrad von über 90 % und einer verlängerten Lebensdauer erhalten wird. Wir haben entdeckt, dass durch Anordnung einer Menge an Feinfaser in jeder einzelnen Lage mit einem Wirkungsgrad im Bereich von etwa 50 % bis zu weniger als etwa 90 % sich dieser Gesamtvorteil einstellt. Vorzugsweise haben wir entdeckt, dass eine Menge an Feinfaser, die auf dem Träger angeordnet wird, einen Wirkungsgrad zwischen etwa 65 % bis etwa 85 % aufweisen sollte.
Wir vermuten, dass einer der Gründe, durch die ein wesentlicher Anstieg des Druckabfalls der Feinfaserlage bedingt ist, durch eine Filmbildung bedingt ist. Wenn gefilterte Partikelmaterialien mit der Feinfaser zusammenwirken und in den Feinfasermaschen oder im Feinfasernetz zurückgehalten werden, können die Partikel, insbesondere wenn sie schwach flüchtige Flüssigkeiten sind, einen Flüssigkeitsfilm ausbilden, der vollständig eine offene Pore oder offenen Raum im Feinfasernetz ausfüllt. Der Druck über dem Filter steigt sehr schnell an, wenn diese Bereiche des. Netzes mit der Flüssigkeit gefüllt sind. Die Filmbildungseigenschaft kann auch aus einer Wechselwirkung zwischen den Partikeln und der Feinfaser resultieren, dürfte aber vereinfacht durch das Auffüllen des freien Raumes zwischen dem Fasergewebe zum Anstieg des Druckes führen. Wenn abströmseitig eine Lage vorhanden ist, die einen mehr als 3%igen, vorzugsweise 5 %igen oder mehr, größeren Wirkungsgrad als die abströmseitige Seite aufweist, steigt der Gesamtwirkungsgrad an, führt jedoch nicht zu einer Minderung der Lebensdauer, weil die zuströmseitige Lage und der Träger die mitgerissenen Partikel entfernen und damit dem Zusetzen der abströmseitigen Feinfaser entgegenwirken.
Die Erfindung betrifft polymere Zusammensetzungen, die als Feinfaser, wie Mikrofasern, Nanofasern, in Form von Fasergewebe oder faserigen Matten in einer einheitlich verbesserten Filterstruktur Anwendung finden. Die polymeren Werkstoffe gemäß der Erfindung umfassen Zusammensetzungen, mit technischen Eigenschaften, die einen verbesserten Wirkungsgrad und eine verbesserte Gebrauchslebensdauer in einer einheitlichen Filterstruktur ermöglichen. Die polymeren Werkstoffe gemäß der Erfindung sind Zusammensetzungen mit technischen Eigenschaften, die es bei Aufrechterhaltung einer effektiven Filtration im Gebrauch dem polymeren Werkstoff erlauben in vielfältigen technischen Gestaltungen oder Formen vorzuliegen sowie Widerstandfähigkeit gegen degradative Effekte von Luftfeuchtigkeit, Hitze, Luftstrom, Chemikalien und mechanischer Belastung oder Einwirkung zu besitzen.
Erfindungsgemäß wird die Feinfaser auf dem Träger angeordnet. Die Feinfaserlage umfasst eine Feinfaser mit einem Durchmesser von etwa 0,001 bis 0,5 μm, am meisten bevorzugt 0,001 bis etwa 0,3 μm, die in eine Lage eingebracht ist, die eine Dicke von weniger als 5 μm, vorzugsweise etwa 0,1 bis 3 μm, häufig von etwa 0,5 bis etwa 2 μm, besitzt. Jede Feinfaserlage umfasst einen Verbund zufällig orientierter Fasermaschen, der zu einem Netz mit einer relativ weiten Verteilung an Porengrößen der Öffnungen führt. Für die Zwecke dieser Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Pore" auf einen Durchlass oder eine Öffnung in dem Netz durch die Feinfaserlage, die im Umfang durch zwei oder mehr Feinfasern gebildet wird. Die Poren können durch das Vermengen einer großen Anzahl von Feinfasern erzeugt werden, wobei Öffnungen einer Größe hergestellt oder gebildet werden, die zum Einschluss von Partikeln ausreichend sind. Obgleich jede Feinfaserlage Öffnungen mit einer Vielzahl von Größen aufweisen kann, zeichnen sich die Feinfaserlagen nach der Erfindung dadurch aus, dass sie Poren mit einer Größe im Bereich von 0,001 bis etwa 5 μm und häufig zwischen etwa 0,5 und 3 μm zum wirksamen Filtern aufweisen. In den erfindungsgemäßen Strukturen werden die Poren vorzugsweise mit Öffnungen einer offenen Poren größe von weniger als 3 μm, häufig weniger als 1 μm, durch ein Verbundnetz mit Öffnungen ausgebildet, bei denen ein Hauptanteil der Öffnungen kleiner ist als der Durchmesser der Stoffe, die üblicherweise beim Durchtritt des Fluids durch den Filter entfernt werden sollen. Wir haben entdeckt, dass eine Neigung der Feinfaserlagen zu einem erhöhten Druckabfall oder zur Filmbildung durch eine Verringerung der Feinfaserabdeckung an den gegenüberliegenden Seiten einer Trägerlage minimiert werden kann. Durch das Auftragen einer verringerten Menge an Feinfaser an beiden Seiten des Trägers kann einer Neigung der Feinfaserlagen zu kleineren, schneller verschließbaren Poren im Ergebnis eines Filterprozesses von flüssigen Substanzen erheblich entgegengewirkt werden. Wir glauben, dass diese Verringerung durch eine etwas größere Porengröße in der reduzierten Lagenstruktur bedingt ist, jedoch kann der verringerte Anstieg des Druckes auch aus der verringerten Oberfläche der Feinfaser resultieren. Mit anderen Worten, es kann zum Beispiel eine verbesserte Filterstruktur hergestellt werden, indem eine Filterstruktur, die eine einzelne Feinfaserlage auf einer Seite eines Träger mit einem durchschnittlichen Wirkungsgrad von etwa 90 % aufweist, in eine Filterstruktur mit zwei Faserlagen umgewandelt wird, die jeweils einen Wirkungsgrad von weniger als 80 % aufweisen. Wenngleich die erste einzelne Faserlagenstruktur nur etwa 10 % der Partikel (90 % Wirkungsgrad) den Durchtritt durch die Lage erlaubt, wird eine einzelne wirksame Lage eine verstärkte Neigung hin zu einem schnellen Anstieg des Druckabfalls haben. Durch Anordnung von zwei Lagen mit einem Wirkungsgrad von beispielsweise etwa 75 % kann ein Filter mit einem Gesamtwirkungsgrad von etwa 87,5 % und mit einer, wegen der verringerten Menge an Faser in der Feinfaserlage, wesentlich geminderten Neigung zum Anstieg des Druckabfalls erhalten werden.
Durch die Kombination von zwei Lagen an Feinfaser auf gegenüberliegenden Seiten einer flachen Trägerlage erreicht man über die gesamte Lagenstruktur einen erheblich höheren Wirkungsgrad, wobei jede Lage einen reduzierten Wirkungsgrad aufweist. Überraschenderweise zeigt diese Kombination von zwei Lagen aus Feinfaser auf gegenüberliegenden Seiten einer flachen Trägerlage aufgrund einer geminderten Neigung hin zum Verstopfen oder zur Filmbildung eine verlängerte Lebensdauer. Wir vermuten, dass durch die Verteilung der gefilterten Partikel über die Lagen der Anordnung jeder unerwünschte Anstieg des Druckes während der Lebensdauer des Filters gemindert werden kann, da sich die gefilterten Partikel nicht in dem relativ engen Bereich der Feinfaserstruktur befinden. Wir glauben, es ist überraschend, dass die Lagenstruktur die Feinfasern über die Lagen verteilt und dies zu einer wesentlichen Verbesserung und Verlängerung der Zeit führt, in der der Filter einen Druckabfall unterhalb eines vorgegebenen maximalen Druckabfalls beibehält. Eine derartige Feinfaserverteilung unterstützt dies ebenso.
Es sind Filteraufbauten in vielfältiger technischer Ausführungsform entwickelt worden. Filter wurden als planare, schichtartige Filterbarrieren, Faltenbahnen, zylindrische oder ovale Elemente, Elemente, die in einem zylindrischen Filtereinsatz eingebracht wurden, gerillte Elemente und Andere entworfen. Alle diese Ausführungsformen der Filter können mit Hilfe einer Vielzahl bekannter Verfahrenstechniken hergestellt und hergerichtet werden. Es kann jede Ausführungsform des Filters verwendet werden, bei der das Filtermedium zweimal durch eine Feinfaserlage geführt wird.
Der Träger im Filterelement oder der Filterstruktur kann mit einer Feinfaser behandelt werden. Für die Zwecke dieser Erfindung deutet der Begriff „Feinfaser" eine Faser mit einer Fasergröße oder einem Faserdurchmesser von 0,001 bis 0,5 μm und, bei einigen Anwendungen, subμm Durchmesser an. Eine Vielzahl von Verfahren kann zur Herstellung und Aufbringung der Feinfaser auf den Träger genutzt werden. US 5,423,892 ; US 3,878,014 ; US 3,676,242 ; US 3,841,953 und US 3,849,241 offenbaren eine Auswahl an Feinfaserverfahrenstechniken.
Eine herkömmliche Filterkonstruktion beinhaltet die Anbindung von Feinfaser an den Träger als Einzellage mit einer im Wesentlichen vollständigen Abdeckung des Trägers. Üblicherweise wird ausreichend Feinfaser in die Feinfaserlage derart eingebracht, dass die erhaltene Trägerkonstruktion einen Eingangswirkungsgrad von mehr als 50 %, vorzugsweise mehr als 80 % (auf den Durchschnitt bezogen) aufweist, wobei kein einzelner Aufbau einen Wirkungsgrad von weniger als 30 % hat (der Wirkungsgradtest entspricht ASTM 1215 89, bei dem monodisperse 0,78 μm Polystyrol-Latex-Partikel bei 6,1 m/s [20 ft- min^–1] eingesetzt werden). Bei herkömmlichen Filtern sind Wirkungsgrade im Durchschnitt von weniger als etwa 30 % für jeden Partikelfilter inakzeptabel, da ein derartiger Filter einen wesentlichen Anteil der mitgeführten Partikel der mobilen Fluidphase passieren lassen würde. Eine derartige Menge an Partikeln würde bei einer Motor anwendung, bei einer Gasturbinenanwendung oder in einer anderen derartigen Anwendung wesentlich mehr Partikel zu den Arbeitsbereichen der Maschine führen, so dass eine erhebliche Abnutzung oder ein Ausfall der Maschineneinheit zu befürchten wäre.
Für die Zwecke der Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Träger" (engl. „media") auf einen gewebten oder nicht gewebten schichtartigen Träger mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 5 mm und einem Wirkungsgrad von etwa 5 % bis 80 %, häufig 20 % bis 80 %, und gefertigt aus einer natürlichen oder synthetischen Faser wie Zellulose, Polyester, Nylon, Polyolefin usw.
Für die Zwecke der Patentanmeldung bezieht sich der Begriff „Feinfaser" auf eine Faser, die eine unbestimmte Länge hat, jedoch eine Breite von weniger als etwa 5 μm, häufig weniger als etwa 1 μm aufweist, die in ein Netz mit zufälliger Orientierung der Faser in der Lage eingebettet ist und die im Wesentlichen die Oberfläche des Trägers bedeckt. Wir haben entdeckt, dass es eine kritische Menge der aufgebrachten Feinfaser in dieser Anwendung gibt. Die Feinfaser wird auf den gegenüberliegenden Seiten des schichtartigen Trägers mit einer Menge aufgebracht, mit der in einer einzelnen Lage der Feinfaser ein Wirkungsgrad von etwa 15 % bis etwa 80 % erreicht wird. Bevorzugte Parameter der Auftragung sind wie folgt:
Nach einer Ausführungsform könnte eine verringerte, aber ausreichende Auftragungsmenge an Feinfaser eine 0,1 bis 1,75 μm dicke Lage mit 5 %igen bis 40 %igen Bedeckungsgrad der Faserlage sein (mit 95 % bis 60 % Lückenanteil). In diesem Fall liegt der Flächendruck bei 0,00045 bis 0,11 mg pro cm^–2 [oder 0,0028 bis 0,7 Ib.-3000 ft^–2 (Ibs/3000 ft^–2 ist eine Textilien und Papier kennzeichnende Standardeinheit)].
Nach einer weiteren Ausführungsform könnte eine Auftragungsmenge an Feinfaser eine 0,75 bis 1,25 μm dicke Lage mit 15 %igem bis 25 %igem Bedeckungsgrad der Faserlage sein (85 % bis 75 % Lückenanteil). In diesem Fall liegt der Flächendruck bei 0,010 bis 0,05 mg pro cm^–2 [0,06 bis 0,31 Ib.-3000 ft^–2].
Gemäß einer letzten Ausführungsform könnte das obere Ende der Auftragungsmenge an Feinfaser eine 1 bis 3 μm dicke Lage mit 10 %igem bis 40 %igem Bedeckungsgrad der Faserlage sein (90 % bis 60 % Lückenanteil). In diesem Fall liegt der Flächendruck bei 0,009 bis 0,2 mg pro cm^–2 [0,055 bis 1,2 Ib.-3000 ft^–2].
Für die Zwecke der Patentanmeldung wird der Begriff „getrennte Lage" (engl. „separate layer") derart verstanden, dass in einer Filterstruktur mit einem im Wesentlichen schichtartigen Träger ein Fluidstrom, der durch den Träger strömt, zunächst durch eine erste Feinfaserlage dringen muss, dann durch den Träger und abschließend eine zweite Feinfaserlage durchdringen muss. Die Lagen nehmen vielfältige geometrische Motive im Filter ein. Die Feinfaserlagen können theoretisch in einem Herstellungsschritt gefertigt werden, in dem beide Oberflächen eines zweiseitigen schichtartigen Trägers bedeckt werden und der zu zwei einzelnen Feinfaserlagen führt, die in die Gesamtheit der gegenüberliegenden Seiten des Trägers eingebettet sind. Für die meisten Anwendungen sehen wir vor, dass eine erste Feinfaserlage auf einer Trägerseite aufgetragen wird und der Träger dann erneut einem feinfasererzeugenden Schritt zur Ausbildung der zweiten Lage unterworfen wird.
Für die Zwecke der Patentanmeldung wird der Begriff „Feinfaserlage-Porengröße oder Feinfasernetz-Porengröße" auf einen Raum bezogen, der sich zwischen den vermischten Fasern in der Feinfaserlage ausbildet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine graphische Darstellung von Daten, die sich durch Vergleich des Wirkungsgrades eines herkömmlichen Filterträgers mit einem auf einer Seite aufgebrachten Feinfaserfilter und einem beidseitigen Feinfaserfilter ergeben. Die Daten demonstrieren kurz zusammengefasst den erheblichen Zuwachs des Wirkungsgrades einer Filterstruktur mit doppelseitiger Feinfaserlage.
2 ist eine graphische Darstellung von Daten, die zeigt, dass über einen Zeitraum von 80 Tagen und bei Verwendung der doppelseitigen Feinfaserstruktur gemäß der Erfindung ein erheblich geminderter prozentualer Leistungsabfall eines mit einer Hochleistungs-Turbojet-Gasturbine betriebenen System resultiert.
3 zeigt den Anstieg des Druckabfalls in Inch bei Wasser, der durch Bildung eines Mineralölfilmes auf einer einseitig mit Feinfaser belegten Filterstruktur auftritt. Die Kurve zeigt, dass die Filterstruktur mit reduziertem Wirkungsgrad nur einen geringen oder keinen Druckabfall während des Versuchsablaufs hat, während die Feinfaserlage mit hohem Wirkungsgrad einen extrem hohen Druckabfall innerhalb eines sehr kurzen Zeitraumes zeigt. Durch Einsatz von zwei Lagen mit reduziertem Wirkungsgrad kann ein niedriger Druck unter Erhalt eines kombinierten Filterwirkungsgrades aufrechterhalten werden.
4 zeigt in einer Seitenansicht die Struktur mit doppelseitiger Feinfaser gemäß der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die Filterkonstruktion gemäß der Erfindung umfasst eine Trägerlage mit einer ersten Trägerseite und einer, im Vergleich zu herkömmlichen Feinfaserlagen, verringerten Menge einer Feinfaserlage. Der Träger hat eine zweite Trägerseite und eine zweite verringerte Menge einer Feinfaserlage. Die verringerten Mengen der Feinfaserlagen führen zu entsprechend reduzierten Wirkungsgraden. Dementsprechend liegt der Wirkungsgrad der Feinfaserlagen üblicherweise bei weniger als etwa 90 % Effektivität. Jedoch führt die Kombination der zwei Feinfaserlagen zu einem Anstieg des Gesamtwirkungsgrades der Filterstruktur, wobei die reduzierte Menge an Faser in jeder Lage die Neigung der Lage zu einem wesent lichen Anstieg des Druckabfalls erheblich mindert und die Nutzungsdauer der Filterstruktur erhöht. Die reduzierte Menge an Feinfaser in beiden Lagen führt zu einer erheblich vergrößerten Porengröße in der Faserlage und einen erheblich vergrößerten Anteil eines inneren Volumens, das für den Durchgang der fluiden Medien bereitsteht.
Die Feinfaserlagen können unter Anwendung herkömmlicher Verfahrenstechniken durch Elektroverspinnen von Feinfasern hergestellt werden.
Mikrofaser- oder Feinfaser-Polymerwerkstoffe
Die Erfindung stellt einen verbesserten polymeren Werkstoff bereit. Das Polymer besitzt eine verbesserte physikalische und chemische Stabilität. Die Polymer-Feinfasern sind Fasern mit einem Durchmesser von 0,001 bis 0,5 μm oder 0,001 bis 0,3 μm. Eine Nanofaser ist eine Faser mit einem Durchmesser von weniger als 200 nm oder 0,2 μm. Eine Mikrofaser ist eine Faser mit einem Durchmesser > 0,2 μm, aber nicht größer als 10 μm. Die Feinfaser kann als eine verbesserte mehrschichtige Mikrofiltrations-Trägerstruktur hergestellt werden. Die Feinfaserlagen gemäß der Erfindung weisen eine zufällige Verteilung der Feinfasern auf, die miteinander zur Ausbildung eines Verbundnetzes verbunden werden können.
Die Feinfaser wird auf einer Trägerlage aufgebracht. Im Wesentlichen sind die Filtrationseigenschaften durch die Feinfaserbarriere auf dem Träger bestimmt, die einen Durchtritt der Partikel verhindert. Struktureigenschaften des Trägers wie Steifigkeit, Beanspruchbarkeit und Faltbarkeit werden durch den Träger bestimmt, auf den die Feinfaser gebunden ist. Das Feinfaser-Verbundnetzwerk weist als wichtige Eigenschaft Feinfasern in Form von Mikrofasern oder Nanofasern mit relativ kleinen Öffnungen oder Räumen zwischen den Fasern auf. Derartige Räume liegen üblicherweise zwischen den Fasern bei etwa 0,001 bis 5 μm oder häufig etwa 0,05 bis 3 μm, vorzugsweise bei etwa 0,1 bis 2 μm.
Die Filterprodukte umfassen eine Feinfaserlage, die auf dem Träger aufgebracht ist. Fasern aus synthetischen oder natürlichen Quellen (z. B. Polyester- und Zelluloselagen) sind dünn und stellen ein bevorzugtes Trägermaterial dar. Die Feinfaser trägt weniger als 5 μm zur Dicke der gesamten Filterstruktur bei, die die Feinfaser plus den Träger umfasst. Im Betrieb verhindern die Filter den Durch gang mitgetragener Partikel durch die Filterlage und können eine erhebliche Beladung der Oberfläche mit den eingefangenen Teilchen erreichen. Die Teilchen, die Staub oder andere mitgetragene Partikel umfassen, bilden schnell einen Staubkuchen auf der Feinfaseroberfläche und gewähren einen hohen Eingangs- und Gesamtwirkungsgrad der Partikelentfernung. Selbst mit relativ feinen Kontaminanten mit einer Partikelgröße von etwa 0,01 bis etwa 1 μm hat das Filtermittel, das die Feinfaser umfasst, eine sehr hohe Staubkapazität.
Die polymeren Werkstoffe, die hier offenbart werden, weisen eine wesentlich verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber den unerwünschten Einflüssen von Hitze, Luftfeuchtigkeit, hohen Flussraten, Porenverstopfung oder Filmbildung, reverser Pulsreinigung, betriebsbedingten Abnutzung, Subμm-Partikeln, Reinigung der Filter im Gebrauch oder anderen Gebrauchsparametern auf. Die verbesserten Mikrofaser- und Nanofasereigenschaften sind ein Ergebnis der verbesserten Eigenschaften der polymeren Werkstoffe, die die Mikrofasern oder Nanofasern bilden. Weiterhin gewähren die Filtermittel mit der erfindungsgemäß richtigen Auftragungsmenge an Faserlage, die die verbesserten polymeren Werkstoffe der Erfindung nutzen, eine Anzahl vorteilhafter Eigenschaften, wie einen höheren Wirkungsgrad, eine ungewöhnliche Nutzungsdauer, einen geringeren Flusswiderstand, eine höhere Beständigkeit (belastungsbedingt oder umweltbedingt) in der Gegenwart abrasiver Partikel und eine weichere Außenoberfläche, die frei von Verlusten an Fasern oder Fibrillen ist. Die Gesamtstruktur der Filterwerkstoffe ermöglicht insgesamt dünnere Träger, die ein verbessertes Verhältnis der Trägerfläche pro Volumeneinheit erlauben, eine Verwirbelung innerhalb des Trägers mindern, einen Wirkungsgrad des Trägers verbessern und einen Strömungswiderstand mindern.
Die Feinfaser kann aus einem polymeren Werkstoff oder einem Polymer mit Additiv hergestellt werden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein Polymerverschnitt, der ein erstes Polymer und ein zweites, hiervon abweichendes Polymer (abweichend in der Polymerart, im Molekulargewicht oder physikalischen Eigenschaften) umfasst, der bei erhöhter Temperatur konditioniert oder behandelt wird. Der Polymerverschnitt kann in eine einzelne chemische Spezies abreagiert oder umgeformt werden oder kann technisch durch Temperierverfahren zu einer Verschnitt-Zusammensetzung zusammengeführt werden. Temperieren verursacht eine physikalische Änderung, zum Beispiel in Kristallinität, Span nungsrelaxation oder Orientierung. Bevorzugte Werkstoffe werden chemisch in eine einzelne polymere Spezies derart überführt, dass eine differentielle Kalorimeteranalyse nur einen einzelnen polymeren Werkstoff erkennen lässt. Ein derartiger Werkstoff kann, wenn er mit einem bevorzugten Additiv versetzt wird, eine Oberflächenbeschichtung mit dem Additiv auf der Mikrofaser bilden. Diese ermöglicht die Oleophobie, Hydrophobie oder andere mit einer verbesserten Stabilität verbundenen Eigenschaften sicher zu stellen, wenn eine Behandlung bei hoher Temperatur, hoher Luftfeuchtigkeit oder unter schwierigen Betriebsbedingungen stattfindet. Die Feinfasern der Materialklasse können einen Durchmesser von etwa 0,01 bis 0,5 μm aufweisen. Derartige Mikrofasern haben eine glatte Oberfläche, die eine diskrete Lage des Additivs oder eine Außenbeschichtung mit dem Additiv umfassen, die teilweise in der polymeren Oberfläche gelöst oder einlegiert oder beides ist. Bevorzugt eingesetzte Werkstoffe in polymeren Blendsystemen umfassen Nylon 6, Nylon 66, Nylon 6-10, Nylon (6-66-610)-Copolymere und andere lineare, in der Regel aliphatische Nylon-Zusammensetzungen. Ein bevorzugtes Nylon-Copolymer-Granulat (SVP-651) wurde zu Zwecken der Molekulargewichtsbestimmung durch Endgruppen-Titration untersucht (J-E. Walz und G. B. Taylor, Bestimmung des Molekulargewichts von Nylon, Anal. Chem. Vol. 19, Nummer 7, Seiten 448-450 (1947)). Ein durchschnittliches Molekulargewicht (M_n) lag zwischen 21.500 und 24.800. Die Zusammensetzung wurde anhand des Phasendiagramms der Schmelztemperatur für die drei Nylon-Komponenten bestimmt: Nylon 6 etwa 45 %, Nylon 66 etwa 20 % und Nylon 610 etwa 25 % (Seite 286, Nylon Plastics Handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)). Die beschriebenen physikalischen Eigenschaften des SVP-651 Granulates sind:
Ein Polyvinylalkohol mit einem Hydrolysegrad von 87 bis 99.9 +% kann in derartigen Polymersystemen eingesetzt werden. Diese sind vorzugsweise kreuzvernetzt durch physikalische oder chemische Mittel. Derartige PVOH-Polymere sind am meisten bevorzugt kreuzvernetzt und mit beträchtlichen Mengen an oleophoben und hydrophoben Additiven kombiniert.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beinhaltet einen einzelnen polymeren Werkstoff, der mit einem additiven Zusatz zur Verbesserung der Faserlebensdauer und der Betriebseigenschaften versetzt ist. Die nach diesem Aspekt der Erfindung bevorzugt nutzbaren Polymere umfassen sowohl Kondensationspolymere als auch Additionspolymere, wie Nylonpolymere, Polyvinylchlorid-Polymere, Polyvinylfluorid-Polymere, Polyalkohol-Polymere und insbesondere die aufgelisteten Werkstoffe in Kombination mit stark oleophoben und hydrophoben Additiven, die zu einer Mikrofaser oder Nanofaser mit den Additiven in Form einer Beschichtung auf der Feinfaseroberfläche führen. Erneut sind Verschnitte ähnlicher Polymere, wie Verschnitte ähnlicher Nylons ähnlicher Polyvinylchlorid-Polymere und Verschnitte von Polyvinylchlorid-Polymeren für diese Erfindung geeignet. Weiterhin kommen im Zusammenhang mit der Erfindung auch polymere Verschnitte oder Legierungen aus verschiedenen Polymeren in Betracht. In diesem Zusammenhang können kompatible Gemische von Polymeren zur Bildung des Mikrofaser-Werkstoffs der Erfindung Einsatz finden. Zusatzmittel, wie ein Fluor-Tensid, nicht ionische Tenside, niedermolekulargewichtige Harze; zum Beispiel tertiäre Butylphenol-Harze mit einem Molekulargewicht von < etwa 3000, können verwendet werden. Das Harz ist bei Abwesenheit von Methylenbrückengruppen durch oligomere Bindungen zwischen Phenolkernen gekennzeichnet. Die Lage der Hydroxyl- und der tertiären Butylgruppe am Ring kann zufällig gewählt werden. Eine Bindung zwischen den Phenolkernen tritt nur benachbart zur Hydroxylgruppen und nicht zufällig auf. In gleicher Weise kann der polymere Werkstoff mit einem alkohollöslichen, nicht linearen polymerisierten Harz aus bis-Phenol A kombiniert werden. Ein derartiger Werkstoff ähnelt dem tertiären Butylphenol-Harz, der obig beschrieben ist und der unter Bildung von direkt aromatische Ringe miteinander verknüpfenden oligomeren Bindungen in Abwesen heit von jedweder Brückengruppe, wie Alkylen- oder Methylengruppen, gebildet wird.
Ein insbesondere bevorzugter Werkstoff gemäß der Erfindung umfasst ein Mikrofasermaterial mit einer Größe von etwa 0,001 bis 0,5 μm. Ein bevorzugter Fasergrößenbereich liegt zwischen 0,05 bis 0,5 μm. Derartige Fasern mit der bevorzugten Größe erlauben eine exzellente Filteraktivität, eine Vereinfachung der Rückflussreinigung und weitere Aspekte. Das hoch bevorzugte Polymersystem gemäß der Erfindung weist Hafteigenschaften derart auf, dass, wenn es mit einem Zellulosesubstrat in Kontakt kommt, an dem Träger mit ausreichender Stärke anhaftet, so dass es sicher an den Träger gebunden ist und den der Laminierung entgegenstehenden Effekten bei der reversen Pulsreinigungstechnik und anderen mechanischen Belastungen standhält. In einer derartigen Betriebsart muss der polymere Werkstoff an dem Träger verbleiben, wenn ein pulsartiger Säuberungsstrom ausgeführt wird, der sonst im Wesentlichen dem üblichen Filtrationsbedingungen, bis auf den Umstand gleicht, dass eine umgekehrte Richtung über die Filterstruktur angefahren wird. Eine derartige Haftung kann durch Löseeffekte bei der Faserbildung entstehen, wenn die Faser mit dem Träger in Kontakt kommt, oder durch Nachbehandlung der Faser auf dem Träger mittels Hitze oder Druck. Allerdings scheinen Polymereigenschaften, wie spezifische chemische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken und ein Kontakt zwischen dem Polymer und dem Träger oberhalb oder unterhalb Tg, sowie die Polymerzusammensetzung als auch die Additive eine wichtige Rolle bei der Festlegung der Haftung zu spielen. Polymere, die mit Lösungsmitteln oder Dampf während des Anhaftens angeweicht werden, weisen eine erhöhte Haftung auf.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung liegt in der Nutzbarkeit derartiger Mikrofaser- oder Nanofaser-Materialien als Bestandteile von Filterstrukturen. In einer derartigen Struktur werden die Feinfasermaterialien der Erfindung auf und an einen Filterträger gebunden. Natürliche Faser- und synthetische Faserträger, wie durch spun-bonding-erhaltenes Gewebe, nicht gewobene Gewirke synthetischer Fasern und Nichtgewobenes aus Verschnitten von Zellulose, synthetische Fasern und Glasfasern, nicht gewobene und gewobene Glasgewirke, extrudierte oder gelochte siebartige Kunststoffmaterialien sowie UF- und MF-Membranen organischer Polymere können eingesetzt werden. Schichtartige Träger oder nicht gewobene Zellulosenetze können anschließend in eine Filterstruktur eingebunden werden, die zum Zwecke der Entfernung suspendierter oder mitgetragener Teilchen aus dem Strom im Fluidstrom platziert wird, der einen Luftstrom oder Flüssigkeitsstrom umfasst. Die Form und Struktur des Filtermaterials obliegt dem für die Ausgestaltung zuständigen Techniker. Ein wichtiger Parameter des Filterelements nach seiner Herstellung ist seine Widerstandsfähigkeit gegenüber den Einflüssen von Hitze, Luftfeuchtigkeit oder beidem. Ein Aspekt der Filtermittel gemäß der Erfindung liegt in einem Test zur Prüfung der Widerstandsfähigkeit des Filtermittels bei Immersion in warmem Wasser über eine signifikante Zeitdauer. Der Immersionstest kann hinsichtlich der Fähigkeit der Feinfaser unter heißen Luftfeuchtigkeitsbedingungen zu bestehen und eine Reinigung des Filterelementes in wässrigen Lösungen zu überstehen, die wesentliche Anteile stark reinigender Tenside und stark alkalischer Materialien enthalten können, brauchbare Ergebnisse liefern. Vorzugsweise übersteht das Feinfasermaterial gemäß der Erfindung die Immersion in heißem Wasser unter Erhalt von zumindest 50 % der Feinfasern, die auf der Oberfläche des Trägers die aktiven Filterkomponenten bilden. Der Erhalt von zumindest 50 % der Feinfasern kann ohne Verlust der Filterkapazität oder Anstieg des Gegendruckes einen erheblichen Faserwirkungsgrad aufrechterhalten. Am meisten bevorzugt ist der Erhalt von wenigstens 75 %. Eine Dicke der üblichen Feinfaserfilterlage liegt im Bereich von etwa 0.001 bis 5 μm, vorzugsweise 0,01 bis 3 μm mit einer Feinfaserflächenmasse im Bereich von etwa 0,01 bis 240 μm/cm^–2. Die Feinfaserlagen, die auf dem Träger in den erfindungsgemäßen Filtern ausgebildet sind, sollten im Wesentlichen gleichförmig sowohl hinsichtlich ihrer Filterfunktion als auch der Faserverteilung sein. Unter im Wesentlichen gleichmäßig verstehen wir, dass die Faser eine ausreichende Abdeckung des Trägers hat, um zumindest einen messbaren Filtrationswirkungsgrad durch das bedeckte Substrat zu erzielen. Eine ausreichende Filtration kann durch eine breite Variation bei der Faserauftragung erreicht werden. Dem entsprechend können die Feinfaserlagen in Faserbeschichtung, Flächenmasse, Lagendicke oder anderen Aufmaßen der Faserauftragung variieren und dennoch in den Grenzen der Erfindung liegen. Selbst eine relativ geringe Auftragung an Feinfasern kann zum Wirkungsgrad der gesamten Filterstruktur beitragen.
Fluidströme, wie Luft- und Gasströme, tragen häufig Schwebteilchen mit sich. Die Entfernung von Teilen oder aller Partikel aus dem Fluidstrom ist wünschenswert.
Zum Beispiel enthalten Lufteintragsströme zu den Fahrzeugräumen von Motorfahrzeugen, Luft in Computerdiskettenlaufwerken, HVAC-Luft, Reinraumventilation und Anwendungen, die Filtertüten, Gewebe als Barriere oder gewebte Materialien verwenden; Luft für Maschinen von Motorfahrzeugen oder Energieerzeugungsanlagen, Gasströme, die auf Gasturbinen gerichtet sind, und Luftströme für zahlreiche Verbrennungsprozesse häufig Partikelmaterial. Im Falle von Luftfiltern für den Fahrzeugraum ist es wünschenswert, die Partikel aus Gründen des Komforts und aus ästhetischen Gründen zu entfernen. Mit Hinsicht auf Luft- und Gaseinlassströme in Maschinen, Gasturbinen und Verbrennungsöfen ist die Entfernung des Partikelmaterials notwendig, da die Partikel den internen Ablauf in den einzelnen Maschinen erheblichen schädigen können. In anderen Fällen, bei Produktionsgasen oder Abgasen industrieller Verfahren oder Motoren, können diese Partikelmaterial enthalten. Bevor derartige Gase über beliebige Abströmeinrichtungen der Atmosphäre ausgesetzt oder ausgesetzt werden sollten, kann es wünschenswert sein, einen erheblichen Anteil des Partikelmaterials aus diesen Strömen zu entfernen.
Ein allgemeines Verständnis einiger der wichtigsten Grundregeln und Probleme beim Luftfilterentwurf erschließt sich unter Berücksichtung der folgenden Arten von Filtermitteln: die Oberfläche beladende Mittel; und Tiefenmittel. Jede dieser Arten von Mitteln wurde genau untersucht und breit angewandt. Bestimmte hierauf bezogene Gesetzmäßigkeiten werden beispielsweise in den US-Patenten 5,082,476, 5,238,474 und 5,364,456 beschrieben.
Die „Lebenszeit" eines Filters wird üblicherweise anhand eines ausgewählten Grenzdruckabfalls über den Filter definiert. Der Druckaufbau über dem Filter definiert die Lebenszeit bei einem bestimmten Niveau für diese Anwendung oder Bauart. Da der Aufbau des Druckes ein Ergebnis der Beladung ist, ist für Systeme mit gleichem Wirkungsgrad eine längere Lebensdauer üblicherweise direkt mit einer höheren Kapazität verbunden. Wirkungsgrad ist die Neigung des Mittels Partikel festzuhalten und nicht durchzulassen. Umso effektiver ein Filtermittel bei der Entfernung von Partikeln aus einem Gasflussstrom ist, umso schneller wird das Filtermittel den Referenzdruck der „Lebensdauer" im Allgemeinen erreichen (unter der Annahme, dass die weiteren Variablen konstant bleiben). In dieser Anmeldung wird der Begriff „unverändert zu Filtrationszwecken" auf die Aufrecht erhaltung eines erheblichen Wirkungsgrades zur Entfernung von Partikeln aus dem Fluidstrom bezogen, wie es für die ausgewählte Verwendung notwendig ist.
Polymere Werkstoffe wurden als nicht gewobene oder gewobene Gewirke, Fasern und Mikrofasern hergestellt. Der polymere Werkstoff gewährt die technischen Eigenschaften, die für die Produktstabilität maßgeblich sind. Diese Werkstoffe sollten nicht signifikant in der Größe abweichen, einen Verlust an Molekulargewicht zulassen, weniger flexibel werden oder Gegenstand von Spannungsrissbildung oder physikalischer Verschlechterung in der Gegenwart von Sonnenlicht, Luftfeuchtigkeit, hohen Temperaturen oder anderen negativen Umwelteinflüssen sein. Die Erfindung führt zu einem verbesserten Polymerwerkstoff, der seine physikalischen Eigenschaften in Gegenwart elektromagnetischer Bestrahlung, wie Umgebungslicht, Hitze, Luftfeuchtigkeit und anderen technischen Herausforderungen aufrechterhalten kann.
Polymere Werkstoffe, die in den erfindungsgemäßen polymeren Zusammensetzungen Einsatz finden können, umfassen sowohl Additionspolymer- als auch Kondensationspolymer-Werkstoffe, wie Polyolefine, Polyacetal, Polyamide, Polyester, Celluloseether und -ester, Polyalkylsulfide, Polyaryloxide, Polysulfone, modifizierte Polysulfonpolymere und Gemische derselben. Bevorzugte Werkstoffe, die in diese allgemeinen Klassen fallen, umfassen Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat (und andere Acrylharze), Polystyrol und Copolymere derselben (dies umfasst Block-Copolymere vom ABA-Typ), Polyvinylidenfluoride, Polyvinylidenchloride, Polyvinylalkohole mit verschiedenen Hydrolysegraden (87 %–99,5 %) in vernetzter oder nicht vernetzter Form. Bevorzugte Additionspolymere neigen dazu glasartig zu sein (ein Tg größer als Raumtemperatur). Dies ist der Fall bei Polyvinylchlorid und Polymethylmethacrylat, Polystyrol-Polymer-Zusammensetzungen oder -Legierungen oder gering kristallinen Polyvinylidenfluorid und Polyvinylalkohol-Werkstoffen. Eine Klasse der Polyamid-Kondensationspolymere bilden Nylon-Werkstoffe. Der Begriff „Nylon" ist ein generischer Name für alle langkettigen synthetischen Polyamide. Üblicherweise beinhaltet die Nylon-Nomenklatur eine Reihe von Zahlen, wie Nylon-6,6, die anzeigen, dass das Ausgangsmaterial ein C₆-Diamin und eine C₆-Disäure ist (die erste Stelle indiziert ein C₆-Diamin und die zweite Stelle indiziert eine C₆-Dicarbonsäureverbindung). Ein weiteres Nylon kann durch Polykondensation von Epsilon (C₆) Caprolactam (oder einem anderen C_6-12 Lactam) in Gegenwart ei ner geringen Menge von Wasser erhalten werden. Diese Reaktion führt zu einem Nylon-6 (hergestellt aus einem zyklischen Lactam – auch bekannt als Epsilon-Aminocapronsäure), das ein lineares Polyamid ist. Weitere Nylon-Copolymere werden ebenfalls in Betracht gezogen. Copolymere können durch Kombination verschiedener Diaminverbindungen, verschiedener Disäureverbindungen und verschiedener zyklischer Lactamstrukturen im Reaktionsgemisch hergestellt werden und dann das Nylon mit zufällig positioniertem Monomermaterial in der Polyamidstruktur bilden. Zum Beispiel ist ein Nylon 6,6–6,10 Werkstoff ein Nylon, das ausgehend von Hexamethylendiamin und einem C₆- und einem C₁₀-Blend von Disäuren hergestellt wird. Ein Nylon 6–6,6–6,10 ist ein Nylon, das durch Copolymerisation von Epsilonaminocapronsäure, Hexamethylendiamin und einem Blend aus einem C₆- und einem C₁₀-Disäurematerial hergestellt wird.
Block-Copolymere sind ebenfalls in dem erfindungsgemäßen Verfahren tauglich. Bei derartigen Copolymeren ist die Wahl des flüssigen Anschwellmittels wichtig. Das ausgewählte Lösungsmittel muss derart beschaffen sein, dass sich beide Blöcke in dem Lösungsmittel lösen. Ein Beispiel ist ein ABA(Styrol-EP-Styrol)- oder AB(Stryrol-EP)-Polymer in Methylenchlorid als Lösungsmittel. Wenn sich eine Komponente nicht in dem Lösungsmittel löst, bildet sich ein Gel. Beispiele für derartige Block-Copolymere sind Kration^®-artige aus Poly(styrol-co-butadien) und polystyrol-co-hydrierten Butadien(ethylen-co-polypropylen), Pebax^®-artige aus E-caprolactam-co-ethylenoxid, Sympatex^® Polyester-co-ethylenoxid und Polyurethane von Ethylenoxid und Isocyanaten.
Additionspolymere wie Polyvinylidenfluorid, syndiotaktische Polystyrole, Copolymere von Vinylidenfluorid und Hexafluorpropylen, Polyvinylalkohol, Polyvinylacetat, amorphe Additionspolymere, wie Polyacrylnitril und seine Copolymere mit Acrylsäure und Methacrylaten, Polystyrol, Polyvinylchlorid und seine verschiedenen Copolymere, Polymethylmethacrylat und seine verschiedenen Copolymere können relativ einfach in flüssiger Form miteinander versponnen werden, da sie bei niedrigen Drücken und Temperaturen lösbar sind. Dagegen brauchen hochkristalline Polymere wie Polyethylen und Polypropylen Hochtemperatur- und Hochdruck-Lösungsmittel, wenn sie lösungsmittelunterstützt Versponnen werden sollen. Aus diesem Grunde ist das lösungsmittelunterstützte Verspinnen von Polyethylen und Polypropylen sehr schwierig. Elektrostatisches lösungsmittelunter stütztes Verspinnen ist ein Verfahren zur Herstellung von Nanofasern und Mikrofasern.
Wir haben weiterhin entdeckt, dass die Bildung von polymeren Zusammensetzungen, die zwei oder mehr polymere Werkstoffe in einem polymeren Gemisch in Form einer Legierung oder als kreuzvernetzte, chemisch verbundene Struktur aufweisen, vorteilhaft ist. Wir glauben, dass derartige Polymerzusammensetzungen die technischen Eigenschaften durch Änderung der Polymereigenschaften, wie Verbesserung der Polymerkettenflexibilität oder Kettenbeweglichkeit, Anstieg des Gesamtmolekulargewichtes und Versteifung durch die Bildung eines Netzwerkes der polymeren Werkstoffe verbessern.
In einer diesem Konzept folgenden Ausführungsform können zwei polymere Werkstoffe zur Verbesserung der Eigenschaften verschnitten werden. Beispielsweise kann ein hochmolekulargewichtiges Polyvinylchlorid mit einem niedermolekulargewichtigen Polyvinylchlorid verschnitten werden. In gleicher Weise kann ein hochmolekulargewichtiges Nylonmaterial mit einem niedermolekulargewichtigen Nylonmaterial verschnitten werden. Weiterhin können verschiedene Spezies allgemeinen polymeren Ursprungs miteinander verschnitten werden. Zum Beispiel kann ein hochmolekulargewichtiger Styrolwerkstoff mit einem niedermolekulargewichtigen, hochbelastbaren Polystyrol verschnitten werden. Ein Nylon-6-Material kann mit einem Nylon-Copolymer, wie Nylon-6; 6,6; 6,10-Copolymer verschnitten werden. Weiterhin kann ein Polyvinylalkohol mit einem niedrigen Hydrolysegrad, wie etwa ein 87 %ig hydrolysierter Polyvinylalkohol, mit einem vollständig oder superhydrolysierten Polyvinylalkohol mit einem Hydrolysegrad zwischen 98 und 99,9 % und höher verschnitten werden. Alle diese Werkstoffe in den Gemischen können durch Einsatz geeigneter Anlagen zur Quervernetzung quervernetzt werden. Nylon kann unter Verwendung von Vernetzungsmitteln, die mit dem Stickstoffatom der Amidbindung reagieren können, quervernetzt werden. Polyvinylalkohol-Werkstoffe können unter Verwendung von hydroxyl-reaktiven Materialien, wie Monoaldehyden, etwa Formaldehyd, Harnstoffen, Melamin-Formaldehyd-Harzen und ihren Analogen, Borsäuren und anderen anorganischen Verbindungen, Dialdehyden, Disäuren, Urethanen, Epoxiden und anderen bekannten Quervernetzungsmitteln quervernetzt werden. Die Verfahrenstechnik zur Quervernetzung stellt ein gut bekanntes und verstandenes Gebiet dar, in dem ein Vernetzungsreagenz abreagiert und kovalente Bindungen zwischen den Polymerketten bildet, um im Wesentlichen Molekulargewicht, chemische Widerstandsfähigkeit, Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Abtragung zu verbessern.
Wir haben entdeckt, dass die Additive signifikant die Eigenschaften der Polymerwerkstoffe, die als Feinfaser vorliegen, verbessern. Die Widerstandsfähigkeit gegen Einflüsse von Hitze, Luftfeuchtigkeit, Belastung, mechanische Beanspruchung oder andere negative Umwelteinflüsse kann wesentlich durch das Vorhandensein von Additiven verbessert werden. Wir haben entdeckt, dass bei der Herstellung des Mikrofasermaterials gemäß der Erfindung, die Additive die oleophoben Eigenschaften und die hydrophoben Eigenschaften verbessern und anscheinend die chemische Stabilität des Werkstoffs unterstützen. Wir glauben, dass die Feinfasern gemäß der Erfindung, die als Mikrofasern vorliegen, durch die Anwesenheit von diesen oleophoben und hydrophoben Additiven verbessert werden, dass diese Additive eine Schutzbeschichtung oder ablative Oberfläche ausbilden oder in die Oberfläche bis in einige Tiefe eindringen, um die Eigenschaften des polymeren Materials zu verbessern. Wir glauben, dass die wichtigste Eigenschaft dieser Materialien in dem Vorhandensein einer stark hydrophoben Gruppe liegt, die vorzugsweise auch oleophobe Eigenschaften besitzt. Stark hydrophobe Gruppen umfassen Fluorkohlenstoffgruppen, hydrophobe kohlenwasserstoffhaltige Tenside oder Verschnitte und im Wesentlichen kohlenwasserstoffhaltige oligomere Zusammensetzungen. Diese Materialien werden in Zusammensetzungen hergestellt, die einen Anteil des Moleküls aufweisen, das dazu neigt mit dem Polymermaterial kompatibel zu sein und üblicherweise eine physikalische Bindung oder Assoziation mit dem Polymer ermöglicht, während die stark hydrophobe oder oleophobe Gruppe in Folge einer Assoziation des Additives mit dem Polymer eine Schutzschicht ausbildet, die sich auf der Oberfläche befindet, oder mit den polymeren Oberflächen eine Legierung bildet oder vermischt wird. Die Additive können in einer Menge von 1 bis 25 Gew.% bezogen auf die Faser eingesetzt werden. Für 0,2 μm Fasern mit einem 10 %igen Additivanteil wurde die Oberflächendicke auf etwa 50 Å berechnet, wenn das Additiv die Oberfläche überzieht. Es wird angenommen, dass eine Migration aufgrund der inkompatiblen Eigenschaften der oleophoben oder hydrophoben Gruppen der Hauptmasse auftritt. Eine Dicke von 50 Å scheint für eine Schutzbeschichtung geeignet zu sein. Für eine Faser mit 0,05 μm Durchmesser entspricht eine Dicke von 50 Å 20 Massen%. Für eine Faser von 2 μm entspricht eine 50 Å Dicke 2 Massen%. Vorzugsweise werden die Additive in einer Menge von etwa 2 bis 25 Gew.% eingesetzt. Eine geeignete Dicke der Oberfläche kann im Bereich von 10 Å bis 150 Å liegen.
Oligomere Additive, die in Kombination mit den erfindungsgemäßen Polymerwerkstoffen eingesetzt werden können, umfassen Oligomere mit einem Molekulargewicht von etwa 500 bis etwa 5.000, vorzugsweise etwa 500 bis 3.000, darin enthalten Fluorchemikalien, nichtionische Tenside und niedermolekulargewichtige Harze oder Oligomere. Fluororganische Benetzungsmittel, die sich für diese Erfindung eignen, sind organische Moleküle gemäß der Formel R_f-G wobei R_f ein fluor-aliphatisches Radikal ist und G eine Gruppe ist, die wenigstens eine hydrophile Gruppe enthält, wie eine kationische, anionische, nicht-ionische oder amphotere Gruppe. Nicht-ionische Materialien sind bevorzugt. R_f ist ein fluoriertes, monovalentes, aliphatisches organisches Radikal mit wenigstens zwei Kohlenstoffatomen. Vorzugsweise ist es ein gesättigtes perfluor-aliphatisches monovalentes organisches Radikal. Allerdings können auch Wasserstoff- oder Chloratome als Substituenten am Kettengrundgerüst vorhanden sein. Obgleich Radikale mit einer großen Anzahl von Kohlenstoffatomen hinlänglich funktionieren sollten, sind Verbindungen, die nicht mehr als etwa 20 Kohlenstoffatome enthalten, bevorzugt, da große Radikale in der Regel einen weniger effizienten Einsatz von Fluor ermöglichen, als es bei kürzeren Kettengrundgerüsten der Fall ist. Vorzugsweise enthält R_f etwa 2 bis 8 Kohlenstoffatome.
Die kationischen Gruppen, die für die in dieser Erfindung einsetzbaren fluor-organischen Mittel tauglich sind, umfassen eine aminische oder eine kationische quartäre Ammoniumgruppe, die sauerstofffrei (z. B. -NH₂) oder sauerstoffhaltig (z. B. Aminoxide) sein kann. Derartige Amine und hydrophile kationische quartäre Ammoniumgruppen können Formeln, wie -NH₂, -(NH₃)X, -(NH(R²)₂)X, -(R²)₃)X oder -N(R²)₂ → O aufweisen, wobei X ein anionisches Gegenion, wie Halogen, Hydroxid, Sulfat, Bisulfat oder Carboxylat ist, R² H oder eine C_1-18-Alkylgruppe ist und jedes der R² gleich oder verschieden von der anderen R²-Gruppe sein kann. Vorzugsweise ist R² H oder eine C_1-16-Alkylgruppe und X ein Halogen, Hydroxid oder Bisulfat.
Die anionischen Gruppen, die für die in dieser Erfindung verwendbaren fluor-organischen Benetzungsmitteln geeignet sind, umfassen Gruppen, die durch Ionisieren in Radikale oder Anionen überführbar sind. Die anionischen Gruppen weisen Formeln auf, wie -COOM, -SO₃M, -OSO₃M, -PO₃HM, -OPO₃M₂ oder -OPO₃HM, wobei M H, ein Metallion, (NR¹ ₄)⁺ oder (SR¹ ₄)⁺ ist, wobei jedes R¹ unabhängig voneinander H oder ein substituiertes oder nicht substituiertes C₁-C₆-Alkyl ist. Vorzugsweise ist M Na⁺ oder K⁺. Die bevorzugte anionische Gruppe des fluor-organischen Benetzungsmittels, das in dieser Erfindung Einsatz findet, besitzt die Formel -COOM oder -SO₃M. Von der Gruppe der anionischen fluor-organischen Benetzungsmittel sind anionische Polymerwerkstoffe, die üblicherweise ausgehend von ethylenischen ungesättigten Mono- und Dicarbonsäuren mit angehängten Fluorkohlenstoffgruppen hergestellt werden, umfasst. Derartige Materialien umfassen Tenside, die von der Firma 3M unter dem Namen FC-430 und FC-431 bezogen werden können.
Amphotere Gruppen, die für die in dieser Erfindung verwendbaren fluor-organischen Benetzungsmitteln geeignet sind, umfassen Gruppen, die wenigstens eine kationische Gruppe wie weiter oben angegeben und wenigstens eine anionische Gruppe wie weiter oben angegeben umfassen.
Die nichtionischen Gruppen, die für die in dieser Erfindung verwendbaren fluor-organischen Benetzungsmitteln geeignet sind, umfassen Gruppen, die hydrophil sind, aber unter pH-Bedingungen, die bei normaler ackerbaulicher Nutzung herrschen, nicht ionisiert sind. Die nichtionischen Gruppen können Formeln aufweisen wie -O(CH₂CH₂)_xOH, wobei x größer als 1 ist, -SO₂NH₂, -SO₂NHCH₂CH₂OH, SO₂N(CH₂CH₂H)₂, -CONH₂, -CONHCH₂CH₂OH oder -CON(CH₂CH₂OH)₂. Beispiele derartiger Werkstoffe umfassen Materialien der folgenden Struktur: F(CF₂CF₂)_n-CH₂CH₂O-(CH₂CH₂O)_m-H wobei n 2 bis 8 ist und m 0 bis 20 ist.
Weitere fluor-organische Benetzungsmittel umfassen kationische Fluorverbindungen, die beispielsweise in den US-Patenten 2,764,602; 2,764,603; 3,147,064 und 4,069,158 beschrieben sind. Derartige amphotere fluor-organische Benetzungsmittel umfassen die amphoteren Fluorverbindungen, die z. B. in den US-Patenten 2,764,602; 4,042,522; 4,069,158; 4,069,244; 4,090,967; 4,161,590 und 4,161,602 beschrieben sind. Derartige anionische fluor-organische Benetzungsmittel umfassen die anionischen Fluorverbindungen, die beispielsweise in den US-Patenten 2,803,656; 3,255,131; 3,450,755 und 4,090,967 beschrieben sind.
Beispiele für derartige Materialien sind die nichtionischen Tenside duPont Zonyl FSN und duPont Zonyl FSO. Eine weitere Art von Additiven, die mit den Polymeren der Erfindung benutzt werden können, umfassen niedermolekulargewichtige Fluorkohlenstoff-Acrylat-Werkstoffe, wie den Werkstoff Scotchgard von 3M, mit der allgemeinen Strukur: CF₃(CX₂)_n-Acrylat wobei X -F oder -CF₃ ist und n 1 bis 7 ist.
Weiterhin können nichtionische Kohlenwasserstoff-Tenside, die niedere Alkoholethoxylate, Fettsäureethoxylate, Nonylphenylethoxylate etc. umfassen, ebenfalls als Additive für die Erfindung eingesetzt werden. Beispiele dieser Werkstoffe umfassen Triton X-100 und Triton N-101.
Ein für den Einsatzzweck als Additiv in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen geeignetes Material sind tertiäre Butylphenol-Oligomere. Derartige Werkstoffe sind zumeist relativ niedermolekulargewichtige aromatische Phenolharze. Derartige Harze stellen phenolische Polymere dar, die durch enzymatische oxidative Kopplung hergestellt werden. Die Abwesenheit von Methylenbrücken bedingt eine einheitliche chemische und physikalische Stabilität. Die Phenolharze können mit verschiedenen Aminen und Epoxiden quervernetzt werden und sind mit einer Vielzahl von Polymerwerkstoffen kompatibel. Diese Werkstoffe sind allgemein veranschaulicht durch die folgenden Strukturformeln, die durch phenolisches Material mit einer in Abwesenheit von Methylenbrückengruppe sich wiederholenden phenolischen und aromatischen Gruppe geprägt sind.
wobei n 2 bis 20 ist. Beispiel dieser phenolischen Werkstoffe umfassen Enzo-BPA, Enzo-BPA/Phenol, Enzo-TBP, Enzo-COP und andere verwandte Phenole wurden von Enzymol International Inc., Columbus, Ohio bezogen.
Es versteht sich, dass für die verschiedensten Anwendungen eine extrem große Vielfalt an Faserfiltermitteln existiert. Die im Zuge dieser Erfindung beschrieben langlebigen Nanofaser und Mikrofasern können jedem der Mittel zugesetzt werden. Die im Zuge dieser Erfindung beschrieben Fasern können auch als Ersatz für Faserkomponenten dieser bestehenden Mittel Verwendung finden und ge währen den sehr bedeutsamen Vorteil einer verbesserten Güte (verbesserter Wirkungsgrad und/oder geminderter Druckabfall) aufgrund ihrer geringen Durchmesser während sie gleichzeitig eine größere Beständigkeit besitzen.
Eine erfindungsgemäße Filtermittelkonstruktion umfasst eine erste Lage eines permeablen grobfaserigen Mittels oder Trägers mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche. Eine erste Lage eines Feinfasermittels wird an der ersten Oberfläche der ersten Lage des permeablen grobfaserigen Mittels befestigt und eine zweite Lage der Feinfaser ist an der zweiten Oberfläche des Trägers befestigt. Vorzugsweise enthält die erste Lage des permeablen grobfaserigen Materials Fasern mit einem mittleren Durchmesser von wenigstens 10 μm, üblicherweise und bevorzugt etwa 12 (oder 14) bis 30 μm. Weiterhin ist bevorzugt, dass die erste und zweite Lage des permeablen grobfaserigen Materials ein Mittel mit einer Flächenmasse von nicht mehr als etwa 200 g/m², vorzugsweise etwa 0,50 bis 150 g/m² und am meisten bevorzugt wenigstens 8 g/m² ist. Vorzugsweise ist die erste Lage des permeablen grobfaserigen Mittels wenigstens 12 μm [0,0005 inch] dick und üblicherweise und bevorzugt etwa 25 bis 800 μm [0,001 bis 0030 inch] dick.
Erfindungsgemäß enthält die erste Lage des permeablen grobfaserigen Materials ein Material, das, wenn es separat von dem Rest der Konstruktion einem Frazier Permeabilitätstest unterzogen wird, eine Permeabilität von 0,03 bis 15 m·s^–1 aufweist. Wenn vorliegend auf den Wirkungsgrad Bezug genommen wird, so wird, solange nicht anders ausgewiesen, Bezug genommen auf den Wirkungsgrad, der gemäß ASTM-1215-89 mit 0,78 μm monodispersen sphärischen Polystyrolpartikeln bei [20 fpm] 6,1 m/min wie hier beschrieben gemessen wurde.
Erfindungsgemäß ist die Lage des Feinfasermaterials, das an die erste Oberfläche der Lage aus dem permeablen grobfaserigen Mittel gebunden ist, eine Lage aus einem Nano- oder Mikrofasermittel, wobei die Fasern einen durchschnittlichen Faserdurchmesser im Bereich von etwa 0,001 bis 0,5 μm aufweisen. Weiterhin hat die erste Lage des Feinfasermaterials, das an die erste Oberfläche der ersten Lage aus dem permeablen grobfaserigen Material gebunden ist, eine Gesamtdicke, die nicht größer als etwa 5 μm ist.
Bestimmte bevorzugte erfindungsgemäße Anordnungen umfassen Filtermittel wie sie allgemein in einer Gesamtfilterkonstruktion vorhanden sind. Einige bevorzugte Anordnungen für einen derartigen Einsatz beinhalten eine Anordnung des Mittels in zylindrischer oder gefalteter Konfiguration, mit Falten, die sich in der Regel in Längsrichtung erstrecken, d. h. in die gleiche Richtung, wie die Längsachse der zylindrischen Struktur. Für derartige Anordnungen kann das Mittel, wie bei herkömmlichen Filtern, in Endkappen eingebettet werden. Derartige Anordnungen können, sofern für übliche herkömmliche Zwecke erforderlich, abströmseitige Rohre und anströmseitige Rohre umfassen.
Bei einigen Anwendungen kann das erfindungsgemäße Mittel zusammen mit anderen Arten von Mitteln, z. B. herkömmlichen Mitteln, zur Verbesserung der Gesamtfiltereigenschaften oder Lebensdauer Einsatz finden. Zum Beispiel können erfindungsgemäße Mittel auch mit herkömmlichen Mitteln vereinigt werden, in Stapelanordnungen geschichtet oder (als integrale Bestandteile) in Mittelstrukturen mit einem oder mehreren Bereichen herkömmlicher Mittel. Es kann zuströmseitig von derartigen Mittel für eine bessere Beladung und/oder abströmseitig von herkömmlichen Mitteln als hocheffizienter Schleifmittelfilter Verwendung finden.
Bestimmte erfindungsgemäße Anordnungen können auch in flüssigen Filtersystemen eingesetzt werden, d. h. bei denen das zu filternde Partikelmaterial von einer Flüssigkeit getragen wird. Auch können bestimmte erfindungsgemäße Anordnungen in Tropfenfängern, zum Beispiel Anordnungen zum Herausfiltern feiner Nebel aus Luft, Einsatz finden.
Mit der vorliegenden Erfindung werden Filterverfahren bereitgestellt. Die Verfahren umfassen in der Regel die Verwendung eines vorteilhaft beschriebenen Mittels zum Filtern. Wie aus den nachfolgenden Beschreibungen und Beispielen zu ersehen, können die Mittel der vorliegenden Erfindung spezifisch konfiguriert und vorteilhaft zusammengesetzt werden, um eine relativ lange Lebensdauer in einem relativ effizienten System zu erlauben.
Zahlreiche Filterausführungsformen werden in Patenten dargestellt, die zahlreiche Details der Filterstruktur und Strukturen, die mit den Filtermaterialien verwendet werden, beschreiben und beanspruchen. US-Patent 4,720,292 be schreibt eine Ausführungsform mit einer Runddichtung für eine Filteranordnung mit einem allgemein zylindrischen Filterelementdesign, wobei das Filterelement mit einer relativ weichen, gummiartigen Endkappe mit einer zylindrischen, radial nach Innen zeigenden Oberfläche abgedichtet ist. US-Patent 5,082,476 beschreibt einen Filteraufbau, der ein Füllmittel nutzt, das einen Schaumträger mit gefalteten Komponenten zusammen mit dem erfindungsgemäßen Mikrofasermaterial umfasst. US-Patent 5,104,537 bezieht sich auf eine Filterstruktur, die zum Filtern flüssiger Medien geeignet ist. Die Flüssigkeit wird einem Filtergehäuse zugeführt, dringt durch das Äußere des Filters in einen inneren ringförmigen Kern und wird dann zur wirksamen Bearbeitung in die Struktur zurückgeführt. Derartige Filter sind äußerst geeignet für die Filterung hydraulischer Flüssigkeiten. US-Patent 5,613,992 beschreibt eine typische Lufteinlassstruktur für Dieselmotoren. Die Struktur bezieht Luft, die Feuchtigkeit enthalten kann oder auch nicht, aus einen externen Teil des Gehäuses. Die Luft wird durch den Filter geführt, wobei die Feuchtigkeit zum Boden des Gehäuses gelangt und von dort aus dem Gehäuse abfließen kann. US Patent 5,820,646 beschreibt eine Z-Filterstruktur, die, um eine gute Filtereigenschaft zu erreichen, eine spezielle Faltenfilterstruktur umfasst, die zugesetzte Durchgänge enthält, die einen Fluidstrom durch wenigstens eine Lage der Filtermittel in einem Z-förmigen Pfad erzwingen. Das Filtermittel, das die gefaltete Z-förmige Form vorgibt, kann das erfindungsgemäße Feinfasermittel enthalten. US Patent 5,853,442 beschreibt eine Filtersackstruktur mit Filterelementen, die die erfindungsgemäßen Feinfaserstrukturen enthalten. US Patent 5,954,849 zeigt eine typischerweise für die Bearbeitung von Luft mit einer großen Staubladung geeignete Staubfängerstruktur zum Herausfiltern von Staub aus einem Luftstrom nach der Bearbeitung eines Werkstücks, die zu einer erheblichen Staubbelastung der Umgebungsluft führt. Schließlich zeigt das Geschmacksmuster 425,189 eine Filterplatte, die die Z-Filterausführungsform nutzt.
Der Träger kann ein synthetischer Polyesterträger sein oder Träger, der aus Zellulose oder Verschnitten dieser Arten von Werkstoffen gefertigt wurde. Ein Beispiel für einen brauchbaren Zelluloseträger hat: eine Flächenmasse von etwa 84,7 g/m² [45 bis 55 Ibs./3000 ft²], zum Beispiel [48 bis 54 Ibs./3000 ft²]; eine Dicke von etwa 125 bis 400 μm [0,005 bis 0,015 in], zum Beispiel etwa 0,25 mm [0,010 in]; eine Frazier Permeabilität von 6,1 bis 7,6 m/min [20 bis 25 ft/min], zum Beispiel etwa 6,7 m/min [22 ft/min]; eine Porengröße von etwa 55 bis 65 μm, zum Beispiel etwa 62 μm; eine Nasszugsfestigkeit von mindestens etwa 125 kg/m [7 Ibs/in], zum Beispiel 152 kg/m [8,5 Ibs./in]; eine Nassabrissfestigkeit des Gerätes von etwa 1,03 bis 1,72 bar [15 bis 25 psi], zum Beispiel etwa 1,58 bar oder 159 kPa [23 psi]. Das Zellulosemittel kann mit Feinfaser, zum Beispiel Feinfasern einer Größe (eines Durchmessers) von 5 μm oder weniger und in einigen Anwendungen subμm, behandelt werden. Eine Vielzahl von Verfahren kann für die Anbindung der Feinfaser an den Träger genutzt werden, wenn der Einsatz von Feinfasern gewünscht ist. Einige Ansätze sind beispielsweise in Spalte 32, Zeilen 48 bis 60 aus US Patent 5,423,892 dargestellt. Genauer werden derartige Verfahren in den US Patenten 3,878,014; 3,676,242; 3,841,953 und 3,849,241 beschrieben. Ausreichend Feinfaser wird in der Regel solange aufgebracht werden, bis die erhaltene Trägerkonstruktion im Einzeltest zwischen 50 bis 90 % und einem Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 % erreicht, wobei unter Verwendung von SAE Feinstaub gemäß SAE J726C getestet wird.
Beispiele brauchbarer Filterkonstruktionen werden im US Patent 5,820,646 beschrieben. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die gerillte Konstruktion (nicht dargestellt) kegelförmige Rillen. Unter „kegelförmig" wird verstanden, dass die Rillen sich über ihre Länge aufweiten, derart, dass die abströmseitige Öffnung der Rillen größer ist, als die anströmseitige Öffnung. Derartige Filterkonstruktionen sind in der US Patentanmeldung 08/639,220 beschrieben. Details über die Feinfaser und seine Werkstoffe und Herstellung sind in der US Patentanmeldung US 09/871,583 beschrieben.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine grafische Darstellung von Experimentaldaten, die den Gesamtfilterwirkungsgrad drei verschiedener Strukturen gegenüberstellen. Eine erste Struktur ist ein kommerzieller Filtereinsatz. Dieser Filter liegt als zylindrischer Filtereinsatz, hergestellt aus einem gefalteten Träger aus einem nicht verwobenen Endlosgewirk behandelter Zellulose und Synthesefaser vor. Der Filter ist etwa 675 mm hoch und hat einen Durchmesser von etwa 325 mm mit gefalteten Trägern von etwa 51 mm. Dieser kommerzielle Filter, der keine Feinfaser enthält, wird mit einer einseitigen Struktur mit einer Lage an Feinfaser auf einem Träger und einer doppelseitigen Struktur mit einer Lage von Feinfaser auf beiden Seiten des Trägermaterials verglichen. Die einseitigen und doppelseitigen Lagen wur den in gleicher Weise hergestellt, um aufzuzeigen, dass eine Einzellage der Feinfaser ein Niveau an Filterwirkungsgrad bereitstellt, während eine Doppellage einen wesentlich verbesserten Filterwirkungsgrad erreicht. Indem das mobile Medium durch die beiden Feinfaserlagen geführt wird, kann im Ergebnis eine wesentliche Verbesserung des Gesamtfiltergrades erreicht werden. Die Trägerlage (ohne Feinfaser), die in der Zeichnung angegeben ist, zeigt einen in praktisch allen Fällen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad als die einseitigen oder doppelseitigen Feinfaserlagen. Die einseitige Struktur weist ein gutes Niveau an Wirkungsgrad auf. Die doppelseitige Struktur zeigt den maximalen Wirkungsgrad. Auf diese Weise kann die Filterkonstruktion derart ausgelegt werden, dass sie jeden beliebigen Grad an Filterwirkungsgrad durch Bereitstellung von zwei oder mehr Lagen an Feinfaser erreicht, die einen zusätzlichen Anstieg des Gesamtwirkungsgrades der Filterstruktur erlauben. Gemäß dem Versuch ist die doppelseitige Struktur, abhängig von der Größe, um 5 bis 10 % besser als das einseitige Material. Gemäß dem Versuch kann das Auftragen einer weiteren Einzellage aus Feinfaser zur Doppellagenstruktur weitere 2 bis 5 % an Wirkungsgrad dem Filter mit einer Struktur, die die Faserlagen umfasst, hinzufügen. Ein Hinzufügen einer weiteren doppellagigen Struktur zu der untersuchten doppellagigen Struktur (d. h. vier Lagen an Feinfaser) wird im Versuch, in Abhängigkeit von der Partikelgröße, einen zusätzlichen Anstieg des Wirkungsgrades um 3 bis 10 % bewirken.
2 zeigt Betriebsdaten eines großen Hochleistungssystems mit Gasturbinen zur Energieerzeugung. Die Figur zeigt eine am Gasturbinenmotorausgang abgegriffene Leistungskurve bei Verwendung eines Filters mit einer einseitigen Feinfaserlage hohem Wirkungsgrades gemäß der Erfindung und verglichen mit einem Filter mit nur herkömmlichen Filterträgern. Wie der Figur entnommen werden kann, wird der Leistungsverlust des Gasturbinenmotors über einen Zeitraum von 80 Tagen zusehends signifikant. Der Leistungsverlust ist durch den Abfall der Turbinenleistungsfähigkeit in Folge der Kontamination der Turbinenblätter mit Material, das den Filter passiert, und Verstopfen durch die Partikel bedingt. Die Feinfaserlage mit hohem Wirkungsgrad zeigt über einen Zeitraum zwischen 60 und 80 Tagen weniger als 2 % Leistungsabfall. Der Leistungsabfall in einer derartigen Anwendung stellt einen erheblichen Betriebsvorteil für das Betreiben von Gasturbinenkraftwerken dar. Diese Daten wurden durch Messung der abgegebenen Leistung zweier identischer nebeneinander angeordneter Gasturbinenmo toren, einem mit einem herkömmlichen Filter und einem mit einem Feinfaserfilter mit hohem Wirkungsgrad, gemessen.
3 zeigt einen Datensatz zur Veranschaulichung des Anstiegs des Druckabfalls, wenn verschiedene Einzelfeinfaserlagen auf einem Träger einem Mineralölaerosol ausgesetzt werden. Wir glauben, dass das Mineralöl die Feinfaserlage kontaktiert und einen Ölfilm ausbildet, der die Poren der Feinfaserlage verstopft. Wenn die Poren gefüllt sind, steigt der Druckabfall an. Die Daten zeigen, dass eine Feinfaserlage mit relativ niedrigem Wirkungsgrad (zum Beispiel eine Feinfaserlage mit 45 % Wirkungsgrad) nur eine geringe Neigung zum Anstieg des Druckabfalls besitzt, während eine Feinfaserlage mit erhöhtem Wirkungsgrad (z. B. 60 % Wirkungsgrad) auch wesentlich den Druckabfall erhöht. Die Daten zeigen, dass in Abhängigkeit von der Neigung des Filtermittelfluids die Feinfaser zuzusetzen ein geminderter Wirkungsgrad zu einem erheblichen Anstieg der Lebensdauer führen kann. Die Daten zeigen in Zusammenschau mit den Daten der 1, dass verbundene Feinfaserlagen einen erhöhten Wirkungsgrad gewähren (zusammengenommen mehr als 90 %) während sie den niedrigen Druckabfallanstieg von Lagen mit niedrigem Wirkungsgrad beibehalten. Dies wird insbesondere sehr deutlich durch den sehr starken Anstieg in der Lage mit 90 % Wirkungsgrad, die nach anfänglicher Beladung mit dem Mineralöl einen inakzeptabel hohen Druckabfall innerhalb weniger Minuten nach Versuchsbeginn aufweist. Da viele Filterstrukturen ausgelegt sind, einen Gesamtwirkungsgrad von 90 % oder größer aufzuweisen, kann der Einsatz einer einzelnen Feinfaserlage hohen Wirkungsgrades zu erheblichen Betriebsproblemen führen, wohingegen eine Lage mit 90 % Gesamtwirkungsgrad durch Verwendung von zwei oder mehr Feinfaserlagen erreicht werden kann, die einen erheblich geminderten Wirkungsgrad aufweisen, jedoch auch weiterhin den hohen Druckabfall einer Einzellage vermeiden. Die Versuche zur Lebensdauer oder dem Anstieg des Druckabfalls wurden durch Beladen des Filters mit dem genannten Aerosol durchgeführt. Der Test für den Wirkungsgrad war ASTM-1215-89 mit monodispersen 0,78 Polystyrol-Latex-Partikeln bei einer Fließgeschwindigkeit von 6,1 m/min [20 ft/min].
4 zeigt eine idealisierte Seitenansicht der Struktur 60 der doppelseitigen Feinfaser gemäß der Erfindung. In 4 ist die doppelt beschichtete Faser 61, 62 auf dem Träger 63 als Schichtstruktur dargestellt. Die Feinfaserlagen 61, 62 sind in der Regel dünner als der Träger 63. Die Feinfaserlagen 61 haften übli cherweise unmittelbar an dem Träger 63 und belassen keinen wesentlichen Raum zwischen den Lagen.
Das Mineralöl war ein leichtes Mineralöl mit einer spezifischen Schwere von 0,855 und einer Viskosität von 27 Centistoke bei 40 °C. Der Ruß (carbon black) wurde von der CABOT Corp. hergestellt und als Vulcan XC 72R GP-3059 bezeichnet. Versuche wurden bei 7,6 m/min (25 fpm) Frontgeschwindigkeiten des Mediums durchgeführt. SAE Feinstaub und Ruß wurde unter Verwendung eines Bodenbeschickers und eines japanischen/ISO-artigen Dispergators zugegeben. Das Mineralöl wurde unter Verwendung eines TSI 3576 Zerstäubers zugegeben. Der Kompressionsluftdruck wurde auf 1,38 bar (20 psi) für den Dispergator und den Zerstäuber gesetzt. Für die Versuche mit SAE Feinstaub oder Ruß zusammen mit Mineralöl wurde das Öl etwa 5,1 cm (2 Inches) abströmseitig vom Staubeinlass zugesetzt. Für die Kombination von SAE Feinstaub mit Mineralöl lag das zugesetzte Massenverhältnis jeweils bei etwa 5:1. Für die Kombination von Ruß mit Mineralöl lag das Verhältnis der zugesetzten Massen jeweils bei etwa 1:2. Die Versuchsmittel umfassten:

– als Trägerlage – eine nassverlegte Zellulosesorte (engl. wetlaid cellulose grade)
– als Trägerlage, eine nassverlegte Zellulosesorte mit 60 % Wirkungsgrad, die eine Feinfaserlage aufweist
– einen Filter mit einem Wirkungsgrad von 45 % auf Reemay-Baumwollstoff mit einer Feinfaserlage
– einen Filter mit einem Wirkungsgrad von 60 % auf Reemay-Baumwollstoff mit einer Feinfaserlage
– einen Filter mit einem Wirkungsgrad von 90 % auf Reemay-Baumwollstoff mit einer Feinfaserlage

Experimentelles
Um aufzuzeigen, dass der kombinierte Einsatz von zwei einzelnen Feinfaserlagen auf einem Träger zu einem Gesamtwirkungsgrad führt, der größer ist als die Wirkungsgrade der einzelnen Feinfaserlagen, wobei jede Lage einen reduzierten Wirkungsgrad aufweist, wurde ein Versuch durchgeführt. In dem Versuch wurde ein Träger ohne Fasern mit einem Träger mit einer Einzellage der Feinfaser verglichen. Diese Strukturen wurden mit einer dritten Struktur verglichen, die zwei Lagen an Feinfaser aufweist, die im Wesentlichen gleich zu der Einzellage der Feinfaser auf der Einzellagenstruktur sind. Diese zweilagige Struktur wurde durch Auf- und Abwickeln der Doppellagefeinfaser erhalten, um die mechanische Stabilität der Feinfaser gegenüber üblichen Feinfaserlagenherstellungs- und verarbeitungsbedingungen aufzuzeigen. Die Lagen wurden unter Einsatz herkömmlicher Verfahrenstechniken erstellt und getestet.
Dies ist ein Beispiel für den Einsatz eines Trägers mit 65 % LEFS, dem Auftrag einer Feinfaserlage mit 66 % LEFS (gesamt dann 88 %) und dann Auftrag einer zweiten Lage an Feinfaser mit 66 % LEFS (gesamt dann 96 %). Träger mit einem LEFS-Wirkungsgrad von 5 % bis zu 80 % können verwendet werden. Die Bedeutung von LEFS ist in einigen Einzelheiten in US-A-5,672,399 beschrieben. Wir können auch höhere Feinfaserwirkungsgrade auf der Abströmseite des Filters vorgeben (da wir dort weniger das Zusetzen zu befürchten haben). Die Versuche zum Wirkungsgrad wurden unter Anwendung von ASTM-1215-89 mit monodispersen 0,78 μm Polystyrol-Latex-Partikeln bei 6,1 m/min (20 ft/min) Geschwindigkeit durchgeführt.
In der nachfolgenden Tabelle sind die prozentualen Gesamtwirkungsgrade der Filterstruktur zusammengestellt. Die Versuche wurden bei Auswahl eines Bereichs der Filterstruktur entlang der Breite des schichtartigen Materials durchgeführt. Proben wurden an den Positionen 1, 2 und 3 entnommen, die dem Mittelpunkt des Netzes (Position 2) und Proben, die näher am Rand des Netzes entnommen sind (Positionen 1 und 3), entsprechen. Der Träger ohne Feinfaser zeigte unabhängig von der Probenlage einen Gesamtwirkungsgrad von etwa 65 %. Die Einzellage an Feinfaser hatte einen Wirkungsgrad, der im Bereich von etwa 86 bis 89 % lag, wobei die Messungen innerhalb der experimentellen Variationen liegen dürften.
Tabelle 1
Die Doppellage der Feinfaser zeigte ausgehend von zwei Lagen einer Feinfaser einen zusätzlichen Anstieg des Wirkungsgrades im Bereich von etwa 95 bis etwa 98 %. Der Gesamtwirkungsgrad der Feinfaserlagen, die zur Nachahmung der Herstellungsbedingungen aufgerollt wurden, ließ keine nennenswerte Minderung in dem Gesamtwirkungsgrad der Filterstruktur erkennen.

Claims

Faltbares Feinfaserfiltermittel, insbesondere zur Luftfilterung, bestehend aus (a) einer einzelnen Lage eines Filterträgers, wobei der Filterträger (i) eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, (ii) eine Frazier-Permeabilität von 0,03 bis 15 m-s^–1 und (iii) einen Wirkungsgrad zwischen 20 % und 80 % aufweist, (b) die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche jeweils wenigstens eine Lage aus polymerer Feinfaser umfassen, wobei (i) die Feinfaser einen Durchmesser von 0,001 bis 0,5 μm hat, (ii) die Lage aus Feinfaser eine Dicke von weniger als 5 μm hat, (iii) die Lage aus Feinfaser von einer Menge gebildet wird, die ausreicht (1) eine Porengröße von etwa 0,001 bis 5 μm, (2) in jeder Lage ein Wirkungsgrad von etwa 50 % bis 90 % zu erzielen und (c) in den kombinierten Lagen einen Gesamtwirkungsgrad von mehr als 90 % zu erzielen, wobei alle Wirkungsgrade nach ASTM-1215-89 mit monodispersen 0,78 μm Polystyrol-Latexpartikeln bei einer Geschwindigkeit von 6,1 m/min gemessen werden.
Filtermittel nach Anspruch 1, bei dem sich der Wirkungsgrad in der Feinfaserlage auf der ersten Oberfläche von dem Wirkungsgrad der Feinfaserlage auf der zweiten Oberfläche unterscheidet.
Filtermittel nach Anspruch 2, bei dem der Wirkungsgrad der Feinfaserlage auf einer unterströmigen Oberfläche größer ist als der Wirkungsgrad der Feinfaserlage auf einer oberströmigen Oberfläche.
Filtermittel nach Anspruch 1, bei dem der Filterträger eine Dicke von 0,3 bis 3 mm hat, die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche jeweils eine Lage aus Feinfasern mit einem Durchmesser von 0,01 bis 0,3 μm umfasst, die Lage eine Dicke von weniger als 3 μm hat, die Feinfaser so ausgewählt wird, dass nach Versuchsdurchführung über eine Versuchsdauer von 16 Stunden und unter Versuchsbedingungen von 60°C Luft und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % mehr als 50 % der Faser für die Zwecke der Filtration unverändert verbleibt.
Filtermittel nach Anspruch 1, bei dem die Feinfaserlage von einer Menge gebildet wird, die ausreicht in jeder Lage einen Wirkungsgrad von weniger als 85 % zu erzielen.
Filtermittel nach Anspruch 1, bei dem die Feinfaserlage von einer Menge gebildet wird, die ausreicht um in jeder Lage einen Wirkungsgrad von etwa 65 % bis 85 % zu erzielen.
Filtermittel nach Anspruch 4, bei dem die Feinfaserlage von einer Menge gebildet wird, die ausreicht in jeder Lage einen Wirkungsgrad von weniger als 75 % zu erzielen.
Verfahren zur Entfernung eines Schwebstoffes aus einem Luftstrom, wobei der Schwebstoff einen flüssigen Schwebstoff, einen festen Schwebstoff oder Gemische derselben umfasst, und wobei das Verfahren umfasst: a) Platzieren einer Filterstruktur in einem Luftstrom, wobei die Filterstruktur ein Filtermittel nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst; und b) Führen des Luftstroms durch die Filterstruktur unter Überwachung der Nutzungsdauer der Filterstruktur.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schwebstoff einen festen Schwebstoff, einen flüssigen Schwebstoff oder Gemische derselben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schwebstoff Verbrennungsrückstände umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schwebstoff ein Fettöl, eine Fettsäure oder Gemische derselben umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schwebstoff Ruß, Großstaub oder Gemische derselben umfasst.
Filterstruktur, umfassend ein Feinfaserfiltermittel nach Anspruch 1, bei dem drei oder mehr Lagen der Feinfaser vorhanden sind.
Filterstruktur nach Anspruch 13, bei der sich der Wirkungsgrad einer Feinfaserlage der Filterstruktur von dem Wirkungsgrad jeder weiteren Feinfaserlage der Filterstruktur unterscheidet.
Filterstruktur nach Anspruch 14, bei der der Wirkungsgrad einer Feinfaserlage auf einer unterströmigen Oberfläche größer ist als der Wirkungsgrad einer Feinfaserlage auf einer oberströmigen Oberfläche.
Filterstruktur nach Anspruch 13, bei der der Filterträger eine Dicke von 0,01 bis 3 mm hat, jede Oberfläche eine Lage aus Feinfaser mit einem Durchmesser von 0,01 bis 0,5 μm umfasst, die Lage eine Dicke von weniger als 3 μm hat, die Feinfaser derart ausgewählt wird, dass nach Ver suchsdurchführung über eine Versuchsdauer von 16 Stunden und unter Versuchsbedingungen von 60°C Luft und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % mehr als 50 % der Faser für die Zwecke der Filtration unverändert verbleibt.
Filterstruktur nach Anspruch 13, bei der der Filterträger eine Dicke von 0,3 bis 1 mm besitzt.
Filterstruktur nach Anspruch 13, bei der jede Feinfaserlage von einer Menge gebildet wird, die ausreicht einen Wirkungsgrad von weniger als 85 % zu erzielen.
Filterstruktur nach Anspruch 13, bei der jede Feinfaserlage von einer Menge gebildet wird, die ausreicht einen Wirkungsgrad von weniger als 80 % zu erzielen.
Filterstruktur nach Anspruch 13, bei der jede Feinfaserlage von einer Menge gebildet wird, die ausreicht einen Wirkungsgrad von weniger als 75 % zu erzielen und mehr als 30 % der Faser unverändert für die Zwecke der Filtration unverändert verbleibt.