DE68905337T2 - Verbund-filtertuch aus polyimid. - Google Patents

Verbund-filtertuch aus polyimid.

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DE68905337T2 DE8989310509T DE68905337T DE68905337T2 DE 68905337 T2 DE68905337 T2 DE 68905337T2 DE 8989310509 T DE8989310509 T DE 8989310509T DE 68905337 T DE68905337 T DE 68905337T DE 68905337 T2 DE68905337 T2 DE 68905337T2
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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Filtergewebe. Sie bezieht sich insbesondere auf Filtergewebe mit einer Gebrauchseignung zur Entfernung feiner, submikroskopischer korpuskularer Substanzen aus Fluidströmen, obwohl sie nicht darauf beschränkt ist.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Aus herkömmlichen Synthesefasern bzw. Chemiefasern hergestellte Filtergewebe, beispielsweise aus Polyestern, Polyamiden, Polyethylen, Polypropylen, Polyacrylsäureestern und Glas gebildete Fasern, entfernen Teilchen aüs einem Fluidstrom anfangs durch einen Tiefenfiltrationsmechanismus. Solche Fasern besitzen relativ gleichmäßige Querschnitte eines geringen Oberflächenbereichs. Korpuskulare Substanz im Fluidstrom wird im Körper des Gewebes in den Zwischenräumen zwischen dessen Fasern eingeschlossen, um eine Masse bzw. einen Kuchen im Körper des Gewebes zu bilden. Es ist nur eine Folge der Bildung des Körperkuchens, daß sich ein Oberflächenkuchen aufbaut, wobei der Oberflächenkuchen dann effektiv das Filtermedium bildet. Die Ansammlung der Teilchen innerhalb des Gewebes erzeugt einen beachtlichen Widerstand für die Strömung des Fluids durch den Filter, was entsprechend zu einer Zunahine des Druckverlustes über dem Filter führt.
  • Gewebe, die aus Membranen aufgebaut sind, die auf ein faseriges Trägermaterial bzw. Substrat laminiert sind, verringern ein Einschließen der Teilchen innerhalb des Gewebes beträchtlich. Solche Membranen besitzen jedoch einen inhärent hohen Strömungswiderstand aufgrund ihrer geringen Porengröße und deren Einsatz ist wiederum von einem hohen Druckabfall über dem Filter begleitet.
  • Von der Lenzing AG wurde vor kurzem eine unter der Handelsbezeichnung P84 bekannte aromatische Polyimidfaser angeboten. Eine mikroskopische Untersuchung dieser Faser zeigt, daß sie eine stark profilierte Struktur eines deutlich größeren Oberflächenbereichs als herkömmliche, für die Herstellung von Tiefenfiltrationsfiltern verwendete Fasern, besitzen. Diese Polyimidfasern weisen auch starke elektrostatische Felder erzeugende geladene Oberflächenstellen auf.
  • Es wurde herausgefunden, daß die Fasern korpuskulare Substanzen hauptsächlich mit einem Kuchenfiltrationsmechanismus an ihrer Oberfläche abfangen. Der Fluidstrom durch das P84-Gewebe kann allmählich verringert werden, insbesondere wenn die Einbringung bzw. das Zugeführte sehr feine Teilchen enthält. Solche Teilchen dringen in das Gewebe ein und die Wahrscheinlichkeit eines Einschließens ist verhältnismäßig hoch, da der Widerstand des (Strömungs-)Weges tendenziell verhältnismäßig gleichmäßig über der Tiefe des Gewebes ist.
  • Die Fasern sind auch sehr teuer, was sie außer für speziellen Einsatz bei Filtrationsbetrieb unter sehr hohen Temperaturen, beispielsweise 200 - 250ºC, aus Kostengründen verbietet.
  • Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, Filterstoffe bzw. -gewebe mit einer verbesserten Wirksamkeit zu schaffen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, Filterstoffe bzw. -gewebe mit einer hohen Teilchen-Trennwirksamkeit und einem diese begleitenden geringen Druckaufbau zu schaffen.
  • Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, wirtschaftliche Filterstoffe bzw. -gewebe zu schaffen.
    • Abriß der Erfindung
  • Gemäß einem grundlegenden Aspekt dieser Erfindung umfaßt ein zusammengesetztes bzw. Verbund-Filtergewebe einen Stoff bzw. ein Gewebe mit einem zusammengesetzten Aufbau mit einer ersten, aus einer nicht-gewebten P84 Polyimidfaser bestehenden Gewebeschicht und einer Substrat-Gewebeschicht, die aus mindestens einer Faser mit einem verhältnismäßig gleichmäßigen Querschnitt und einem deutlich geringeren Oberflächenbereich als das Polyimidgewebe gebildet ist; der Durchmesser der Fasern der ersten Schicht ist kleiner als der Durchmesser der Fasern der Substratschicht und die Schichten sind miteinander verbunden.
  • Mit P84 Polyimidfaser ist ein Polymer mit folgendem theoretischen Aufbau gemeint:
  • wobei n eine ganze Zahl ist.
  • Eine erste Schicht umfaßt mehrere Stapelfasern des P84 Polyimidpolymers, die durch Verflechtung der Fasern verfestigt ist, wobei die Verflechtung der Art ist, wie sie durch einen Nadelstanzvorgang erzeugt wird. Das zusammengesetzte Gewebe umfaßt weiterhin eine Substratschicht eines Tiefenfiltrationsfiltergewebes; die Fasern des Tiefenfiltrationsfiltergewebes haben einen Durchmesser, der nicht wesentlich kleiner ist als der der Stapelfasern; und Mittel zum Verbinden der ersten Schicht mit der Substratschicht.
  • Die Substratfasern beinhalten, ohne einzuschränken, Fasern aus organischen Polymeren aus Polyester, Polypropylen, Polyethylen, Nylon, aromatischen Polyamiden, Polyacrylaten, Polyphenylensulfid, Polytetrafluorethylen, Polybenzimidazol und anorganischen Stoffen einschließlich Glas und Mischungen davon.
  • Die Durchmesser der Fasern der ersten Schicht und der Substratschicht werden vorzugsweise entsprechend der Natur der aus dem Fluidstrom zu entfernenden Teilchensubstanzen gewählt, insbesondere deren Verteilung der Teilchengröße, um die Entfernung der Teilchensubstanz sicherzustellen, ohne den Fluidstrom durch den Filter unnötig zu behindern bzw. einzuschränken. Es ist auch eine vorzugsweise Überlegung, daß das Verhältnis der Faserdurchmesser so gewählt wird, daß der Druckabfall über dem Substrat geringer ist, und zwar vorzugsweise wesentlich geringer als der über der ersten Schicht. Entsprechend wird berücksichtigt, daß die relativen Durchmesser der Fasern nur ein zu berücksichtigender Faktor sind, neben der Weglänge durch jede der Schichten und dem Grad der Verfestigung der Schichten. Es muß auch angemerkt werden, daß gegenwärtige Technologie und Know-How die Herstellung von P84 Polyimidfasern im gewerblichen Maßstab mit einer Feinheit von nur etwa 2 Denier (2 g/km) ermöglichen. Allgemein gesagt wird der Durchmesser der Substratfasern nicht geringer sein als der der P84-Fasern. Geeigneterweise ist das Verhältnis des Durchmessers der Substratfaser zu dem der Faser der ersten Schicht nicht geringer als etwa 1,5:1; wünschenswerterweise liegt es im Bereich von etwa 1,5:1 bis etwa 4:1, wobei ein Verhältnis von etwa 3:1 bevorzugt wird. Der Begriff Durchmesser, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den mittleren Querschnittwert der Ansammlung der Fasern der Schicht.
  • Die Substratschicht kann in der Form eines nicht-gewebten Gewebes oder eines gewebten Gewebes oder in Mischungen davon vorliegen.
  • Vorzugsweise umfaßt die Substratschicht ein nicht-gewebtes Gewebe mit einem damit verflochtenen, zweckmäßig durch einen Nadelstanzvorgang, gewebten Gewebe wie ein leichter, grob gewebter Leinen- oder Baumwollstoff bzw. eine Gaze.
  • Ebenso zweckmäßig ist die erste Faserschicht mit der Substratschicht durch Nadelstanzen verbunden, vorzugsweise derart, daß Fasern jeder Schicht mit Fasern der anderen Schicht verflochten werden, wünschenswerterweise ohne vollständig bis zur Außenseite der anderen Schicht einzudringen.
  • Die erste Schicht wird normalerweise nicht weniger als etwa 5 Gew.% des zusammengesetzten bzw. Verbund-Filtergewebes umfassen. Höhere Anteile des Gewebes der ersten Schicht werden normalerweise als wünschenswert angesehen, insbesondere wo ein Auftreten erhöhter Temperatur erwartet werden kann, es wird jedoch mit einer Erhöhung des Druckaufbaus verbunden sein. Ein Filtergewebe mit guten all- round Filtereigenschaften wird zweckmäßig von etwa 25 bis etwa 35 Gew.% des Gewebes der ersten Schicht umfassen, wobei etwa 30% bevorzugt sind.
  • Diese vorstehenden Aufgaben und Aspekte der Erfindung werden zusammen mit weiteren Aufgaben, Aspekten und Vorteilen aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Bezug auf die folgenden Zeichnungen noch deutlicher werden. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 die Bestandteile eines bevorzugten zusammengesetzten Filtergewebes der Erfindung in einer auseinandergezogenen, bildlichen Darstellung,
  • Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer Zwischenstufe in der Herstellung des zusammengesetzten Filtergewebes,
  • Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung der Bestandteile des zusammengesetzten Filtergewebes in ihrer verbundenen Form,
  • Fig. 4 ein Ablaufdiagramm der verschiedenen Schritte bei der Herstellung eines bevorzugten zusammengesetzten Filtergewebes und
  • Fig. 5 Ergebnisse eines Vergleichsversuches eines zusammengesetzten Filtergewebes und eines herkömmlichen (Kontroll-)Filtergewebes.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Detailliert bezugnehmend auf die Zeichnungen, insbesondere dabei auf die Fig. 1 - 3, ist ein zusammengesetztes Filtergewebe darin mit der Ziffer 10 bezeichnet.
  • Das Filtergewebe 10 umfaßt eine erste, äußere Schicht 12, die im wesentlichen aus Fasern 14 eines P84 Polyimids besteht, wie es vorstehend definiert wurde, durch Nadelstanzen an bildlich verdeutlichten Stellen 16 verbunden, um ein nicht- gewebtes Gewebe 18 zu bilden. Das Filtergewebe 10 beinhaltet weiterhin eine Substratschicht 20, die hier zum Bilden eines nicht-gewebten Gewebes 26 durch Nadelstanzen an Stellen 24 verbundene Polyesterfasern 22 und eine Polyester-Gaze (bzw. ein leichter, grob gewebter Polyesterstoff) 28 umfaßt.
  • Die Substratschicht 20 wird durch Nadelstanzen des nicht- gewebten Gewebes 26 an den Stellen 32 auf die Gaze 28 gebildet, und zwar derart, daß die Gaze im allgemeinen in dem nicht-gewebten Gewebe eingebettet wird. Nach der Bildung der Substratschicht 20 wird diese Schicht durch Nadelstanzen von Fasern jeder Schicht in die andere Schicht hinein mit der ersten Schicht 12 verbunden. Dieser zuletzt beschriebene Schritt wird so gesteuert, daß die Substratfasern 22 nicht bis zur Außenfläche der ersten Schicht eindringen, damit nicht ein möglicher Strömungsweg eines niedrigen Widerstandes durch diese hindurch gebildet wird. Das Ausmaß des Eindringens von Polyimidfasern 14 in das Substrat 20 ist vergleichbar mit der Herstellung einer festen Verbindung der Schichten 12 und 20 derart, daß ein Auflösen des Filters 10 verhindert wird, aber ein Eindringen aufgrund der wesentlich höheren Kosten der Fasern 12 und der Tatsache, daß diese in die Substratschicht eingebettet keine wirksame Filterkapazität aufweisen, wünschenswerterweise minimiert ist.
  • Das Filtergewebe 10 wird durch Heißfixierung in einer Heißluftkammer bei einer Temperatur geschrumpft, die etwas höher ist als die, der das Gewebe 10 im Betrieb ständig ausgesetzt wird. Während des Heißfixierungsschrittes wird das Filtergewebe 10 vorzugsweise mindestens über dessen Breite gespannt, um ein ungleichmäßiges Schrumpfen und eine daraus resultierende ungleichmäßige äußere Schicht 12 zu vermeiden.
  • Nach dem Heißfixierungsschritt wird die Außenfläche der ersten Schicht 12 einer offenen Flamme ausgesetzt, um lose Fasern zu entfernen, deren Vorhandensein ein Anhängen von Teilchen an der Oberfläche des Filtertuchs 10 erleichtert, was ein Entfernen des Kuchens während der Gewebereinigungszyklen erschwert.
  • Im letzten Verfahrensschritt wird der Filter 10 durch einen Durchlauf durch beheizte Druck- bzw. Kalanderwalzen zusammengedrückt, um die Zwischenräume zwischen den Fasern zu verringern und die Permeabilität auf die gewünschten Werte einzustellen.
  • Gemäß dem vorstehenden Verfahren wurde ein zusammengesetztes Filtergewebe erzeugt, wobei die P84 Polyimidfasern eine Feinheit von etwa 2 Denier (2 g/km) und das daraus gebildete Gewebe der ersten Schicht 12 ein Gewicht von 125 g/m² aufwiesen. Die Substratschicht 20 wurde aus einem ungewebten Polyestergewebe von 6 Denier (6 g/km) mit einem Gewicht von 285 g/m² gebildet, welches auf ein gesponnenes Polyester- Garngaze mit einem Gewicht von 50 g/m² durch Nadelstanzen aufgebracht wurde. Das zusammengesetzte Gewebe ist im Dauereinsatz bei einer Temperatur von etwa 150ºC verwendbar und wurde bei einer Temperatur von 195ºC heißfixiert. Die Permeabilität dieses zusammengesetzten bzw. Verbund-Gewebes war etwa 60% größer als die eines nicht-zusammengesetzten P84 Gewebes vergleichbaren Gewichts und vergleichbarer Dicke.
  • Gemäß dem obigen Verfahren wurde ein weiteres zusammengesetztes Filtergewebe gebildet und auf Filterwirksamkeit getestet und mit einem herkömmlichen Polyester-Filtergewebe vergleichbaren Gewichts und vergleichbarer Dicke verglichen; die Eigenschaften der beiden Filtergewebe sind dabei die in Tabelle 1 Angegebenen. Tabelle 1: Eigenschaften der zusammengesetzten bzw. Verbund- und Kontroll-Filtergewebe. Gewebeaufbau P84/Polyester-Verbund Polyester (Kontrolle) Gewicht g/m² Dicke mm Permeabilität Berstfestigkeit (Mullen Burst) PSI (kPa)
  • Proben der beiden Gewebe aus Tabelle 1 wurden im Hinblick auf Teilchen-Entfernwirksamkeit und auf Druckaufbau bei verschiedenen Teilchenkonzentrationen und Strömungsgeschwindigkeiten verglichen. Der Teilchenstoff bestand aus einem aus einem Fluid- bzw. Wirbelbett-Umlauftyp- Boiler entnommenen Staub. Die Teilchen besaßen eine Durchschnittsgröße von 0,445 um bei 82,31% der Grundgesamtheit unter 1 um. Die Dauer der Durchläufe betrug 20 Stunden. Die Trennwirksamkeit und der Druckaufbau wurden gleichzeitig über der Zeit gemessen.
  • Die gewählten Teilchenkonzentrationen waren wie folgt:
  • 1) 11 g/m³ (5,0 Grains/ft³)
  • 2) 110 g/m³ (50 Grains/ft³)
  • Die Luft-Strömungsgeschwindigkeiten, denen beide Gewebe ausgesetzt wurden, betrugen:
  • 1) 1,22 m/min (4 ft/min)
  • 2) 1,52 m/min (5 ft/min)
  • 3) 2,13 m/min (7 ft/min)
  • Es wurde festgestellt, daß die Trennwirksamkeiten von einem niedrigen Wert aus anstiegen und dann nach etwa 10 Stunden Filtration unveränderlich wurden. Bei allen Betriebsbedingungen waren die Trennwirksamkeiten beim P84/Polyester-Gewebe jedoch deutlich höher als beim 100% Polyestergewebe. Der niedrigste für P84/Polyester festgestellte Wert der Trennwirksamkeit zu Beginn der Datenaufnahme betrug 98,899%. Der entsprechende Wert für 100% Polyster war mit 97,721% deutlich niedriger. Ebenso reichten die asymptotischen Werte für P84/Polyester von einem Minimum von 99,936% bis zu einem Maximum von 99,992%. Die entsprechenden Werte für 100% Polyester waren deutlich niedriger bei 98,605% bzw. 99,918%. Die Veränderung der Trennwirksamkeit mit der Zeit ist für eine Einstellung der Betriebsbedingungen in grafischer Form in Fig. 5 dargestellt, wobei dieses kennzeichnend für die Ergebnisse aller Durchläufe ist.
  • Der Druckaufbau stieg mit der Zeit an und wurde etwa zur selben Zeit unveränderlich, bei der die Trennwirksamkeit einen asymptotischen Wert erreichte. Bei allen Betriebsbedingungen blieb der Druckaufbau beim P84/Polyester- Verbundgewebe deutlich geringer.
  • Tabelle 2 zeigt Trennwirksamkeit und Druckaufbau nach 20 Stunden Filtration für unterschiedliche Luft- Strömungsgeschwindigkeiten für sowohl 100% Polyestergewebe als auch P84/Polyester-Gewebe. Die Ergebnisse zeigten, daß beim P84/Polyester-Gewebe eine Zunahme der Luft- Strömungsgeschwindigkeit von 1,22 m/min auf 1,52 m/min zu einer Zunahme der festgestellten Trennwirksamkeit führte. Über 1,52 m/min blieb die Trennwirksamkeit bei Erhöhung der Luft-Strömungsgeschwindigkeit nahezu konstant. Tabelle 2: Einfluß der Luft-Strömungsgeschwindigkeit auf Trennwirksamkeit und Druckaufbau nach 20 Stunden Filtration. Trennwirksamkeit, % Druckaufbau, Inch Wassersäule (Pa) Luft-Strömungsgeschw. m/min Polyester
  • Tabelle 2 zeigt auch den Einfluß der Luft- Strömungsgeschwindigkeit auf den Druckauf bau. Bei P84/Polyester änderte sich der Druckaufbau nicht nennenswert, obwohl die Trennwirksamkeit zunahm.
  • Bei 100% Polyester nahm der Druckaufbau mit steigenden Luft- Strömungsgeschwindigkeiten zu.

Claims (13)

1.Zusammengesetztes Filtergewebe, umfassend eine erste nicht-gewebte Schicht (12) aus lediglich P84 -Polyimidstapelfasern (14) mit unregelmäßig, stark profilierter Struktur und starke elektrostatische Felder erzeugenden geladenen Oberflächenstellen, wobei die erste nicht-gewebte Schicht durch Verflechtung mittels eines Nadelstanzvorgangs verfestigt ist,
eine Substratschicht (20) eines an der ersten Schicht (12) durch Nadelstanzen befestigten Tiefenfiltrationsfiltergewebes,
wobei die Fasern (22) des Tiefenfiltrationsfiltergewebes einen nicht wesentlich geringeren Querschnittdurchmesser aufweisen als die Stapelfasern (14), und einen geringeren Oberflächenbereich als die Stapelfasern (14) aufweisen.
2. Zusammengesetztes Filtergewebe nach Anspruch 1, wobei die erste nicht-gewebte Schicht (12) und die Substratschicht (20) derart aneinander befestigt sind, daß eine Verflechtung der Fasern jeder dieser Schichten mit den Fasern der anderen Schicht erfolgt.
3. Zusammengesetztes Filtergewebe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fasern (22) des Substratfiltergewebes aus einem organischen Polymeren gebildet sind.
4. Filtergewebe nach Anspruch 3, wobei das organische Polymere aus Polyestern, Polypropylen, Polyethylen, Nylonarten, aromatischen Polyamiden, Polyacrylaten, Polyphenylensulfid, Polytetrafluorethylen und Polybenzimidazol ausgewählt ist.
5. Filtergewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Substratschicht (20) in Form eines mit einem leichten, grob gewebten Leinen- oder Baumwollstoff (28) vermischten Faservlieses vorliegt.
6. Filtergewebe nach Anspruch 5, wobei die Fasern (22) der Substratschicht (20) aus Polyester gebildet sind.
7. Filtergewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die erste Schicht (12) nicht weniger als etwa 5 Gew.% des Gewichts des Filtergewebes ausmacht.
8. Filtergewebe nach Anspruch 7, wobei die erste Schicht (12) 25 bis 35 Gew.% des Gewichts des Filtergewebes ausmacht.
9. Filtergewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Fasern (22) der Substratschicht (20) einen Durchmesser von nicht weniger als dem etwa 1,5-fachen des Durchmessers der Fasern (14) der ersten Schicht (12) aufweisen.
10. Filtergewebe nach Anspruch 9, wobei die Fasern (22) der Substratschicht (20) einen Durchmesser entsprechend dem 1,5- bis 4-fachen des Durchmessers der Fasern (14) der ersten Schicht (12) aufweisen.
11. Zusammengesetztes Filtergewebe nach Anspruch 10, wobei der Durchmesser der die Substratschicht (20) bildenden Fasern (22) das etwa 3-fache des Durchmessers der Faser (14) der ersten Schicht (12) beträgt.
12. Filtergewebe nach Anspruch 1, wobei die Fasern (14) der ersten Schicht (12) eine Feinheit von etwa 2 Denier und die Fasern (22) der Substratschicht (20) eine Feinheit von etwa 6 Denier aufweisen.
13. Zusammengesetztes Filtergewebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Verflechtung der Fasern der jeweiligen Schicht mit den Fasern der anderen Schicht begrenzt ist, wobei die Fasern (22) der Substratschicht (20) die Außenfläche der ersten Schicht (12) nicht durchdringen.
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