DE69005871T2 - Filterlaminate. - Google Patents

Filterlaminate.

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf Membran-Laminate, die als Filter bei der Filtration von Festkörperteilchen aus Fluid-Strömen verwendbar sind, wie zum Beispiel bei industriellen Gas-Strömen.
  • Die Trennung von aus Einzelteilchen bestehenden Verunreinigungen aus industriellen Fluid-Strömen wird oftmals unter Verwendung von aus textilem Material bestehenden Filtern bewerkstelligt. Diese Filtermedien auf textiler Basis entfernen die einzelnen Teilchen aus den Fluiden. Wenn, durch die Ansammlung von einzelnen Teilchen auf dem oder an dem Filter verursacht, der Strömungswiderstand oder der Druckabfall durch das textile Material hindurch bedeutend wird, muß das Filter gereinigt und der aus den Einzelteilchen bestehende Kuchen entfernt werden.
  • Es ist auf dem Markt der industriellen Filtration üblich, den Typ des Filtersacks oder -beutels durch das Reinigungsverfahren zu charakterisieren. Die am meisten gebräuchlichen Arten der Reinigungs- Verfahren bestehen in der Anwendung von Rück- oder Umkehrluft, von Schüttelvorrichtungen und von "Pulse-Jet"-Verfahren (pulsierender Luftstrom). Verfahren auf der Grundlage von Rück- oder Umkehrluft und Schüttelvorrichtungen werden als Reinigungsverfahren mit geringem Energieverbrauch betrachtet.
  • Das Rück- oder Umkehrluft-Verfahren besteht in einer leichten zurücklaufenden Strömung von Luft auf einen Filtersack, der an dem Inneren Staub sammelt. Die zurücklaufende Strömung drückt den Sack zusammen und zerbricht den Staubkuchen, der von dem Boden des Sackes zu einem Trichter abgeht.
  • Ebenso beseitigen Schüttel- oder Rüttelmechanismen den Filterkuchen, der sich auf der Innenseite eines Sackes ansammelt. Die Oberseite des Sackes wird durch einen oszillierenden Arm beaufschlagt, der eine sinusförmige Welle in dem Sack erzeugt, um den Staubkuchen von seinem Platz zu entfernen.
  • "Pulse-Jet"-Renigungsverfahren verwenden einen kurzen Impuls von Druckluft, welche in den inneren oberen Teil des Filterrohres eindringt. Wenn die pulsierende Reinigungsluft durch das Rohr Venturi hindurchgeht, dann saugt sie Sekundärluft an und die resultierende Luftmenge expandiert heftig den Sack und rangiert den angesammelten Staubkuchen aus. Der Sack wird in typischer Weise ganz zu dem Stütz- Käfig zurückschnappen und wird ganz in die Betriebsstellung zum Sammeln der einzelnen Teilchen zurückgehen.
  • Von den drei Reinigungsverfahren ist das "Pulse-Jet"-Verfahren das das Filtermedium am meisten Belastende. Jedoch haben in den jüngsten Jahren die Ingenieure für industrielle Prozesse in verstärktem Maße "Pulse-Jet"-Sack- oder Beutelgehäuse für Anwendungen zum Staubsammeln ausgewählt, und zwar wegen:
  • 1. Geringerer Größe der Einheit (manchmal soviel wie 1/2 oder 1/4 der Abmessungen von Schüttelvorrichtungen und Rückluft-Anwendungen), aufgrund von
  • A) einem höheren volumetrischen Luftstrom/Gewebebereich-Verhältnis (höhere Betriebsgeschwindigkeit durch das Medium)
  • B) On-Line-Reinigung, welche es der Einheit erlaubt, bei der Entwurfs- Strömungsgeschwindigkeit entworfen oder konstruiert zu werden, folglich besteht keine Notwendigkeit für zusätzliche Filtermedien- Bereiche, um ein Off-Line-Reinigen zu erlauben.
  • 2. Minimaler Anzahl von beweglichen Teilen.
  • 3. Einer geringeren Anzahl von Säcken, die zu ersetzen sind, wenn ausgefallen oder zu Bruch gegangen.
  • Die Notwendigkeit für Hochtemperatur-[204ºC (400ºF], thermisch stabilen, chemisch widerstandsfähigen Filtermedien bei Sack- oder Beutel-Gehäusen engt die Auswahl der Filtermedien auf lediglich ein paar lebensfähige Bewerber für "Pulse-Jet"-Anwendungen ein. Übliche Hochtemperatur-Textilien umfassen Polytetrafluorethylen (PTFE), Fiberglas oder Polyimide. Wenn die Wirkung von hoher Temperatur mit der Wirkung von oxidierenden Mitteln, Säuren oder Basen kombiniert wird, dann besteht für aus Fiberglas und Polyimid bestehende Medien die Neigung, vorzeitig auszufallen. Infolgedessen wird die Anwendung von PTFE bevorzugt. Handelsübliche PTFE-Gewebe sind getragene oder gestützte PTFE-Faser-Nadelfilze. Üblicherweise wiegen diese Filze von 678 bis 881 gm/m² (20-26 oz/yd²) und sind durch einen gewebten Multifil-Mull [135-203 gm/m² (4-6 oz/yd²)] verstärkt. Die Filze werden aus Stapelfasern (üblicherweise 6,7 Denier/Faser, oder 7,4 dtex/Faser) und mit einer Länge von 50,8-152,4 mm (2-6 inches) aufgebaut. Dieses Produkt arbeitet ähnlich wie viele andere aus Filz bestehende Medien, insofern, als ein primärer Staubkuchen den Sack "altert". Dieses Altern, manchmal bei Tiefen-Filtrationen gefordert, erlaubt es dem Medium, wirksamer zu filtern, hat aber einen Nachteil, der darin liegt, daß der Druckabfall leidet. Eventuell wird sich der Sack verstopfen und die Säcke müssen gewaschen oder ersetzt werden. Im allgemeinen erleiden die Medien durch geringe Filtrations-Wirksamkeit, Verstopfen und mangelnde Formbeständigkeit (Schrumpfen) bei hohen Temperaturen Schaden.
  • In jüngeren Jahren sind Membran-Laminatprodukte bei Filter- Anwendungen benutzt worden, welche das "Pulse-Jet"-Reinigen umfassen. Ein Zweischichten-Produkt aus poröser, expandierter PTFE- Membrane, laminiert auf gewebtes, poröses, expandiertes PTFE-Faser- Gewebe, ist benutzt worden. Ein kommerzieller Erfolg dieses Produkts hat sich aufgrund verschiedener Gründe nicht eingestellt, jedoch in erster Linie deswegen, weil der Faser-webstoff-Träger auf den "Pulse-Jet"- Stützkäfigen nicht strapazierfähig ist. Die gewebten Garne oder Fäden gleiten auf sich selbst und erzeugen eine auf die Membrane einwirkende Überbeanspruchung, resultierend in Membran-Rissen oder -Brüchen.
  • Die Laminate dieser Erfindung sind dazu entworfen, um sowohl diese Probleme zu lösen als auch die industrielle Filtrations-Industrie mit den besten Filtermedien zu versehen, um Anwendungen bei hoher Temperatur und Korrosion zu ermöglichen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Laminat vorgesehen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es aufweist:
  • a) eine Membrane aus einem expandierten porösen Polytetrafluorethylen mit einer Luftdurchlässigkeit von mindestens 0,01 m³ pro m² (0,01 Kubisfuß pro Quadratfuß) bei 12,7 mm (0,5 inch) Wassersäule;
  • b) einen Filz, welcher ein Gewebe aus Stapelfasern aus Polytetrafluorethylen aufweist, welches getragen ist durch
  • c) einen gewebten Mull aus Polytetrafluorethylen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nunmehr im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen zeigen:
  • Fig. 1 eine bevorzugte Laminat-Struktur dieser Erfindung; und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung der Betriebsweise eines Filtersack-Gehäuses.
  • Diese Erfindung benutzt poröse PTFE-Membranen in einigen ihrer Elemente. Die poröse Polytetrafluorethylen-Membrane, die in einem solchen Element benutzt wird, wird durch eine Anzahl von verschiedenen bekannten Verfahren hergestellt, sie wird jedoch in bevorzugter Weise hergestellt durch Expandieren von Polytetrafluoretylen, wie dies in den US-A-4,187,390; 4,110,392; und 3,953,566 beschrieben ist, um expandiertes, poröses Polytetrafluorethylen zu erhalten. Mit "porös" ist gemeint, daß die Membrane eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 0,01 Kubikmeter pro Quadratmeter (0,01 cfm/ft²) bei 12,7 mm (0,5 inch) Wassersäule aufweist. Luft-Durchlässigkeiten von 300 m³ pro m² (300 cfm/ft²) oder mehr können verwendet werden. Die Poren sind Mikroporen, die durch die Knoten und Fibrillen des expandierten PTFE gebildet sind.
  • Die Membrane kann vorzugsweise eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 16 m³ pro m² (16 cfm/ft²) bei 12,7 mm (0,5 inch) Wassersäule für Anwendungen bei der Gasstrom-Filtration aufweisen. Membranen mit geringerer Luftdurchiässigkeit sind für Anwendungen bei einem Flüssigkeitsstrom brauchbar.
  • Expandiertes poröses PTFE kann ebenfalls als das Filz-Element hierbei verwendet werden. Das Filz-Element kann ebenfalls aus gewöhnlicher PTFE-Stapelfaser hergestellt sein, d.h. einer Faser, die nicht expandiert worden ist. Es wird jedoch expandiertes PTFE bevorzugt. Es wird bevorzugt, den Filz durch Nadeln von Stapelfasern herzustellen, wie dies im allgemeinen in Louterbach, US-A-2,893,105 beschrieben ist, und der bei der vorliegenden Erfindung benutzte Filz wird zuweilen hierin als Nadelfilz bezeichnet. Der hierin benutzte PTFE-Filz wird vorzugsweise eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 30 m³ pro m² (30 cfm/ft²) bei 12,7 mm (0,5 inch) Wassersäule aufweisen.
  • Das Mull-Element kann aus irgendeinem Polytetrafluorethylen hergestellt sein, jedoch ist es vorzugsweise ein expandiertes, poröses Polytetrafluorethylen.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird erläutert, daß ein Laminat eine aus expandiertem, porösem PTFE hergestellte Membrane 11 aufweist, die mittels einer Klebstoffschicht 12 auf Watte 13 laminiert ist, die aus Filz aus einem expandierten porösen PTFE hergestellt ist. Ein Träger, der aus einem gewebten Mull 14 hergestellt ist, verläuft durch die Watte 13. Der Träger 14, während er als durch die Watte hindurch verlaufend dargestellt ist, kann an der Unterseite der Watte 13, falls gewünscht, angeordnet werden, oder bei irgendeinem anderen Pegel innerhalb der Watte 13, solange als er im wesentlichen parallel zu der Schicht der Membrane 11 verläuft.
  • Die aus Filzwatte und Mull bestehende Kombination wird in bevorzugter Weise dadurch hergestellt, daß ein locker oder lose, offen kardiertes Gewebe aus Stapelfasern aus expandiertem, porösem PTFE genommen wird. Das Gewebe wird mit dem Träger-Mull 14 kombiniert. Der gewebte Mull wird über dem einen der Gewebe angeordnet und das Gewebe wird mit dem Mull unter ihm mittels eines Nadelprozesses befestigt, um die Stapelfasern des Gewebes mit dem Mull zu verwirren oder zu verfilzen. Die Kombination wird auf den Kopf gestellt und eine zweite Schicht eines Gewebes wird mit der anderen Seite des Mulls mittels eines Nadelprozesses befestigt. Dieser Nadelprozeß resultiert in einer gleichzeitigen Umwandlung der lockeren Gewebe in Nadelfilz und einer engen gegenseitigen Berührung des Mulls bei 16 und der Stapelfasern, ausreichend, um ein einheitliches zusammenhängendes Material zu bilden.
  • Ein fortgesetztes Nadeln wird in einem kompakteren, dichteren und stärker verwirrten oder verfilzten Material resultieren.
  • Der Filz kann andere Fasern enthalten. Beispielsweise können bis zu ungefähr 25 Gew.-% Fasern aus Kohlenstoff, Polyimid, Glas oder dergleichen aufweisen.
  • Es ist offensichtlich, daß schwerere oder leichtere Mullarten verwendet werden können, um den Filz gemäß der Filtrations-Anwendung zu tragen, entweder bei Gas- oder Flüssigkeits-Filtration. Wenn zum Beispiel eine hohe Bruchfestigkeit in der Faser-Richtung (MD) gefordert wird, dann würde man die Fadenzahl in der Faser-Richtung erhöhen.
  • Ein üblicher Klebstoff 12 ist beispielsweise ein fluorierter Polymer- Klebstoff, wie zum Beispiel ein fluoriertes Ethylenpropylen (FEP)- Copolymer, und er wird in üblicher Weise durch Überführungs- Beschichten der oberen Oberfläche des Filzes mit einer wässrigen FEP- Dispersion auf den Filz 13 geschichtet. Andere brauchbare Klebstoffe umfassen Tetrafluorethylen/Perfluorpropylen-Coplymer, Polyvinyliden- Difluorid, und dergleichen.
  • Der Klebstoff ist vorzugsweise eine Dispersion aus Hexafluorpropylen- Tetrafluorethylen-Copolymer-Teilchen. Die bevorzugte Konzentration für diese Disperson ist 20 bis 50 Gew.-% Feststoffe insgesamt. Durch Überführungs-Beschichten einer Seite des Filzes beträgt die Gew.-%- Zunahme 3-10 Gew.-%. Das Material wird in einem Konvektionsofen bei 200ºC für 5 bis 10 Minuten getrocknet. Sprüh- oder Spritzverfahren sind ebenfalls verwendet worden, um die Menge an Klebstoff-Zugabe zu minimieren. Zusatz-Gewichte von 0,25 bis 30,0 % sind mit nachfolgenden guten Ergebnissen nach der Schichtung oder Laminierung erreicht worden.
  • Die Laminierung oder Schichtung der aus expandiertem porösen PTFE bestehenden Membrane auf die beschichtete Seite des Filzes wird dadurch bewirkt, daß die Membrane auf die beschichtete Seite des Filzes aufgelegt wird und daß bei leichtem Druck bis oberhalb 270ºC (dem Klebstoff-Schmelzpunkt) erwärmt wird.
  • Das resultierende Laminat ist in Filtersack-Anordnungen brauchbar, und es liefert gute "Pulse-Jet"-Reinigungsfähigkeiten. Die Verwendung von PTFE ergibt gute Wärmebeständigkeit und chemische Trägheit. Die Verwendung von expandiertem porösem PTFE ergibt eine erhöhte Festigkeit und Stabilität gegenüber gewöhnlichen PTFE-Werkstoffen. Die Verwendung von PTFE-Filz ergibt ein weiches, dazu noch dauerhaftes Material, welches leicht gebogen werden kann, dazu noch gegenüber der Beanspruchung widerstandsfähig ist, welche durch das "Pulse-Jet"-Reinigen verursacht wird. Diese Belastungen oder Beanspruchungen sind von zwei Arten. Die eine wird durch das plötzliche Ausdehnen während des "Pulse-Jet"-Reinigens verursacht. Die andere wird durch das plötzliche Zusammendrücken des Sackes gegen seine starren Trägerelemente verursacht. Schließlich ergibt die Verwendung der Membrane aus dem expandierten porösen PTFE die hohen Luftströmungs-Geschwindigkeiten, d.h. eine hohe Durchlässigkeit, die für gute Luftfiltrations-Einrichtungen notwendig ist. Die Luft- Durchlässigkeit des Laminats der Erfindung wird in bevorzugter Weise zwischen 3 und 10 m³ pro m² (3-10 cfm/ft²) bei 12,7 mm (0,5 inch) Wassersäule liegen. Die kleine Größe der Poren und das feine Fibrillen- Netzwerk des expandierten PTFE hindert die im Luftstrom vorhandenen, einzelnen Verunreinigungen an dem Hindurchdringen durch die Filteranordnung.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wird nunmehr eine "Pulse-Jet"- Reinigungsabfolge gezeigt. Im Inneren eines Trichters 20 dringt ein mit Teilchen beladener Gas-Strom 21 in den Trichter bei dem Einlaß 22 ein und verläuft durch den Filtersack 23 der aus einem Filterlaminat 24 dieser Erfindung hergestellt ist. Eine Rohrwand 25 innerhalb des Trichters 20 verhindert, daß der Gas-Strom den Filtersack umgeht. Der Filtersack 23 ist durch einen tragenden Käfig 26 offengehalten. Nachdem der Gas-Strom durch den Sack hindurchgegangen und aus dem Sack-Ausgang 29 herausgegangen ist, verläßt er den Sauberluft-Behälter bei dem Auslaß 27. Während des Betriebs bilden Teilchen einen Staubkuchen 28 auf der Außenseite des Filtersackes, wie bei dem Sack auf der linken Seite der Figur gezeigt. Beim Reinigen zum Entfernen des Filter-Kuchens dringt Luft durch eine Impuls-Leitung 30 in den Sack ein. Dieser Impuls aus Luft 32 dehnt den Sack aus, wodurch der Staub- Kuchen gelockert wird und wodurch verursacht wird, daß Teilchen 31 sich an dem Boden des Trichters 20 ansammeln. Wie bei dem Sack auf der rechten Seite der Figur zu sehen ist, verursacht der "Pulse-Jet" (pulsierender Luftstrom) oder Pulsostrahl, daß der Filtersack expandiert. Die wiederholte Ausdehnung und Zusammenziehung des Sackes gegen seine Träger-Streben ist das, was die Abnutzung an dem Sack verursacht.
    • Beispiel
  • Es wurde ein Stapel-Webfaser-400enier-Monofil aus expandiertem porösen PTFE verwendet, um einen gewebten Mull herzustellen. Der Mull wog 130 gm/m² und hatte eine Fadenzahl von 15 x 14 Fäden/cm (MD X CMD).
  • Stapelfasern aus expandiertem porösen PTFE wurden bis zu 11 cm Länge geschnitten. Der Stapel wurde auf einer herkömmlichen Kardier- Einrichtung unter Verwendung eines Mineralöls, welches ein antistatisches Mittel enthält, kardiert. Das Öl ist im Handel erhältlich und als Katolin GO von Albon Chemie bekannt. Das kardierte Gewebe wurde auf dem Mull angeordnet und genadelt. Das genadelte Produkt wurde umgedreht und ein zweites kardiertes Gewebe wurde in den Mull genadelt. Der resultierende Filz war symmetrisch mit einer 50/50 Watte-Verteilung. Das Endgewicht des Nadelfilzes ist 650 gm/m² mit einer Luft-Durchlässigkeit von 16 m³ pro m² (16 cfm/ft²) bei 12,7 mm (0,5 inch) Wassersäule. Dieses Produkt wurde bei ungefähr 315ºC (600ºF) für einige Minuten gehärtet.
  • Dieses Nadelfilz-Produkt wurde mit einer aus fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) bestehenden Dispersion auf Wasserbasis (33 % Feststoffe gesamt) auf einer Oberfläche beschichtet. Die Dispersion wurde auf eine Glasplatte unter Verwendung eines Spaltes von ungefähr 0,0254 mm (0,010 inch) mittels Streichmesser oder Rakel aufgetragen. Das Produkt wurde stirnseitig gegen die nasse Glasplatte angeordnet und mittels eines Neopren-Rollers von Hand gerollt, sodann entfernt und in einem Konvektionsofen bei 200ºC für 5 Minuten getrocknet.
  • Der Beschichtungs-Zusatz war 14 Gew.-%. Dieses Stück von beschichtetem Filz wurde sodann mit einem Stück aus einer Membrane aus porösem expandierten PTFE kombiniert, welche eine Luft- Durchlässigkeit von 18 m³ pro m² (18 cfm/ft²) bei 12,7 (0,5 inch) Wassersäule hatte, so daß die Musterabschnitt wurde in einer aus Aluminiumfolie bestehenden Umhüllug angeordnet, sodann in einer erhitzen hydraulischen Presse angeordnet. Die obere Platte wurde auf 335ºC erwärmt und der Boden verblieb bei Umgebungstemperatur. Die Platten wurden geschlossen und über einen Bereich von 152,4 x 152,4 mm (6" x 6" Bereich einem Druck bis zu 748 g (1650 lbs) ausgesetzt. Die Verweilzeit in diesem Zustand war 1 Sekunde und die Platten wurden geöffnet. Das resultierende Laminat weist gute Bindungsfestigkeit zwischen Schichten auf und ergab eine gute Filtration von Teilchen.
  • Das Membran-Laminat hatte ungefähr 678 gm/m² (20 oz/yd²) und war 0,89 mm (0,035 inches) dick. Es hatte eine Luft-Durchlässigkeit von 5,5 m³ pro m² (5,5 cfm/ft£2) bei 12,7 mm (0,5 inches) Wassersäule.
  • Die Luft-Durchlässigkeits-Daten wurden dadurch erhalten, daß die zu untersuchende Probe einem Luftstrom ausgesetzt wurde und daß die Luft-Geschwindigkeit festgehalten wurde, die erforderlich ist, um 12,7 mm (0,5 inches) an einer Druck-Wassersäule anzueigen.

Claims (9)

  1. Ein Laminat, welches aufweist:
    a) eine Membrane (11) aus expandiertem porösem Polytetrafluorethylen mit einer Luftdurchlässigkeit von mindestens 0,01 m³ pro m² (0,01 Kubikfuß pro Quadratfuß) bei 12,7 mm (0,5 inch) Wassersäule;
    b) einen Filz (13), welcher ein Gewebe aus Stapelfasern aus Polytetrafluorethylen aufweist, welches getragen ist durch
    c) einen gewebten Mull (14) aus Polytetrafluorethylen.
  2. 2. Laminat, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welchem der gewebte Mull (14) mit dem Filz (13) durch Einmengen der Filz-Fasern in den Mull (14) mittels eines Nadelprozesses befestigt ist.
  3. 3. Laminat, wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, bei welchem die Membrane (11) mit dem Filz mittels eines Klebstoffes (12) befestigt ist.
  4. 4. Laminat, wie in Anspruch 3, beansprucht, bei welchem der Klebstoff (12) ein fluoriertes Polymer ist.
  5. 5. Laminat, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei welchem der Filz (13) expandiertes poröses Polytetrafluorethylen aufweist.
  6. 6. Laminat, wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, bei welchem der Filz (13) nicht-expandiertes Polytetrafluorethylen aufweist.
  7. 7. Laminat, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, bei welchem der Filz (13) bis zu 25 Gew.-% Fasern enthält, welche aus Kohlenstoff-Fasern, Polyimidfasern, Glasfasern und Mischungen hiervon ausgewählt sind.
  8. 8. Laminat, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in der Form eines Tuches.
  9. 9. Laminat, wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 beansprucht, in der Form eines Filterbeutels (23).
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