DE69020501T2

DE69020501T2 - Filterpackung und Verfahren für die Herstellung.

Info

Publication number: DE69020501T2
Application number: DE69020501T
Authority: DE
Inventors: Albert H Fox; Douglas C Sundet
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2010-11-15
Also published as: BR9005749A; AU634595B2; AU6558690A; ES2073540T3; DE69020501D1; CA2027687C; JPH03185169A; CA2027687A1; KR0162896B1; EP0428400B1; HK1009316A1; KR910009317A; EP0428400A1; US5350620A

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Filtermaterial, insbesondere Filtermaterial, das sich zum Filtern von Luft in Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen eignet.

2. Behandlung des Standes der Technik

Die Hauptaufgabe eines hochleistungsfähigen Luftfilters besteht darin, Teilchen maximal zu entfernen und dabei einen akzeptablen Druckabfall zu bewahren. Herkömmliche Faserfilter erzielen eine bessere Effektivität beim Entfernen von Teilchen, indem in ihnen Filamente mit kleinem Durchmesser verwendet werden, die dicht zusammengepackt werden können. Diese dichte Packung führt zu kleineren Hohlräumen zwischen den Fasern, wodurch es wahrscheinlicher wird, daß Teilchen von einer Faser zurückgehalten werden. Dieses verstärkte Entfernen von Teilchen wird jedoch begleitet von einem verstärkten Druckabfall. Durch übermäßig großen Druckabfall können der Luftstrom behindert und die Nutzungsdauer der Filter verkürzt werden.
Durch die Verwendung von elektrostatisch aufgeladenen Fasern können Teilchen besser entfernt werden, ohne daß der Druckabfall oder die Nutzungsdauer des Filters beeinträchtigt werden. Durch die Ladung an der Faser verbessert sich die Effektivität beim Entfernen der Teilchen, indem Teilchen oder Aerosole an die Faser angezogen werden. Deshalb weist ein aus elektrostatisch aufgeladenen Fasern hergestellter Filter eine höhere Effektivität beim Entfernen von Teilchen mit dem gleichen Druckabfall und dem gleichen Staubhaltevermögen auf als ein Filter, der aus einem nichtgeladenen Vlies mit der gleichen mechanischen Konstruktion hergestellt ist.
In der Japanischen Patentanmeldung JP57-105217 A wird ein Luftfiltermaterial offenbart, das aus Elektret-Fasern mit einem rechteckigen Querschnitt besteht, die mit nichtgeladenen Stapelfasern mit einem kleinen Durchmesser kombiniert sind. Die nicht geladenen Stapelfasern können aus Glas, Polyester, Polypropylen oder anderen faserbildenden Materialien hergestellt werden. Faltenfilter, die aus diesen Stoffen hergestellt werden, eignen sich nicht zur Verwendung in herkömmlichen Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen, da der Druckabfall in den Stoffen zu groß ist bei Luftgeschwindigkeiten, die normalerweise in solchen Anlagen auftreten. Weiterhin sind zusätzliche Verfahren erforderlich, z.B. das Vernadeln oder das Einbringen von Trägerschichten, um die Festigkeitseigenschaften herzustellen, die denen nahekommen, die sich für Filtermaterialien für Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen in Wohnräumen eignen.
In den US-Patenten Nr. 3,016,599 und Nr. 4,118,531 werden Produkte beschrieben, die aus Kombinationen von Stapelfasern und schmelzgeblasenen Fasern hergestellt sind; in keinem dieser Patente werden jedoch Filtermaterialien offenbart, die sich für Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen in Wohnräumen eignen.
In dem US-Patent Nr. 4,729,371 wird offenbart, daß Vliese elektrisch geladen werden können, um ihr Filtervermögen zu verbessern, zum Beispiel durch Einbringung von Ladungen in die Fasern während der Herstellung derselben oder durch Ladung des Vlieses nach dessen Herstellung; es ist jedoch schwierig, mit dem Verfahren dieses Patentes ein hohes Maß an Ladung zu erreichen.
In dem US-Patent Nr. 4, 215,682 wird ein Verfahren zum Einbringen einer dauerhaften elektrischen Ladung in schmelzgeblasene Fasern während des Schmelzblasens offenbart. Wenn die offenbarten geladenen schmelzgeblasenen Fasern in Faservliese eingebracht werden, rufen sie, wie offenbart wird, besondere Eigenschaften einschließlich bessere Filtereigenschaften hervor. Es werden keine Faservliese offenbart, die nichtgeladene schmelzgeblasene Fasern enthalten, und das Maximalgewicht pro Flächeneinheit des offenbarten Materials liegt weit unter dem Minimalgewicht pro Flächeneinheit, das bei dem Vlies gemäß der betreffenden Erfindung erforderlich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Mit der vorliegenden Erfindung werden ein neues Luftfiltermaterial und ein Verfahren zur Herstellung dieses Materials geschaffen. Das Filtermaterial und die aus diesem hergestellten Produkte eigen sich besonders zur Verwendung in typischen Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen in der Industrie und in Wohnräumen.
Das Material gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus einem Vlies, welches folgendes umfaßt:
(a) eine Masse nichtgeladener schmelzgeblasener Endlosfasern aus einem Polymer- oder Glasmaterial; und
(b) elektrisch geladene Stapelfasern, die regellos unter die Endlosfasern verteilt sind, wobei das Vlies ein Gewicht von 40 g/m² bis 150 g/m² besitzt. Das Vlies enthält vorzugsweise 10 Gew.-% bis 80 Gew.-%, mehr bevorzugt 20 Gew.-% bis 50 Gew.-% elektrisch geladene Fasern. Der durchschnittliche Durchmesser der Endlosfasern beträgt vorzugsweise 0,1 Mikrometer bis 50 Mikrometer, und der durchschnittliche Durchmesser der Endlosfasern beträgt mehr bevorzugt mindestens 10 Mikrometer. Das durchschnittliche Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Endlosfasern beträgt vorzugsweise mindestens 5000 : 1. Die durchschnittliche Länge der elektrisch geladenen Stapelfasern beträgt vorzugsweise 6,5 mm bis 50 mm. Noch mehr bevorzugt liegen der Durchmesser oder die Hauptquerschnittsabmessung der Endlosfasern im Bereich von 10 bis 30 Mikrometern. Noch mehr bevorzugt liegen der Durchmesser oder die Hauptquerschnittsabmessung der Stapelfasern im Bereich von 10 bis 80 Mikrometern, und die Länge der Stapelfaser liegt vorzugsweise im Bereich von 6,5 mm bis 50 mm. Der Druckabfall in dem Vlies ist vorzugsweise geringer als 74,7 Pascal (Pa) bei einem Test bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,91 m/s, noch mehr bevorzugt liegt er im Bereich von 24,9 Pa bis 74,7 Pa bei einem Test bei der gleichen Luftgeschwindigkeit. Die Zugfestigkeit des Vlieses beträgt vorzugsweise mindestens 0,25 kg bei einem 76,2 mm breiten Streifen. Wie erwähnt, eignet sich das Vliesmaterial gemäß dieser Erfindung besonders gut zur Herstellung von Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsfiltern.
Filtermaterialien können sowohl in ebenen Konfigurationen als auch in nichtebenen Konfigurationen hergestellt werden. Das Verfahren zur Herstellung des Vlieses gemäß dieser Erfindung umfaßt die folgenden Schritte: Kombination von elektrisch geladenen Stapelfasern und schmelzgeblasenen Endlosfasern, so daß die elektrisch geladenen Fasern regellos unter die Endlosfasern verteilt werden. Die schmelzgeblasenen Endlosfasern können durch das Extrudieren einer geschmolzenen Masse aus einem Polymer- oder Glasmaterial durch eine Reihe von nebeneinander angeordneten Öffnungen in einer Düse in einen schnell strömenden Gasstrom hergestellt werden, wodurch das extrudierte Material abgebremst und so gestreckt wird, daß sich ein Strom von schmelzgeblasenen Endlosfasern bildet. Wenn das Vlies aus elektrisch geladenen Fasern und aus Endlosfasern ausgebildet ist, kann das Vlies auf einer Auffangvorrichtung gesammelt werden, z.B. auf einer Trommel oder auf einem oder mehreren siebartigen Elementen, die an einer Trommel befestigt sind. Die Auffangvorrichtung kann eine Konfiguration aufweisen, durch die entweder ebenes oder nichtebenes Filtermaterial geschaffen wird.
Einer der Hauptvorteile des Verfahrens gemäß dieser Erfindung besteht darin, daß Materialien mit einer nichtebenen Konfiguration gebildet werden können und dadurch die Leistung eines Filterproduktes mit einer gegebenen Fläche, z.B. mit den Abmessungen eines Luftkanalschlitzes, erhöht werden kann, ohne daß zusätzliche Bearbeitungsschritte notwendig sind, die die Kosten für das Produkt erhöhen.
Da die Stapelfasern unter die Endlosfasern verteilt sind, werden das Einbringen von Trägerschichten oder in herkömmlicher Weise eingesetzte Bearbeitungsgänge, wie zum Beispiel das Vernadeln, unnötig zur Herstellung von Filterprodukten mit der gewünschten Festigkeit und Porosität und mit den gewünschten Druckabfalleigenschaften.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

FIG. 1 ist eine stark vergrößerte schematische Ansicht eines Abschnitts eines Vlieses gemäß der vorliegenden Erfindung.
FIG. 2 ist eine Ansicht von oben auf ein Vlies gemäß der vorliegenden Erfindung, das an einem Auffangsieb aus einem Drahtgitter haftet.
FIG. 2A ist eine Schnittansicht längs der Linie 2A - 2A von FIG. 2.
FIG. 3 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die sich zur Verwendung in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet.
FIG. 4 ist eine teilweise als Schnitt ausgeführte, perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines veranschaulichenden nichtebenen Vlieses gemäß der vorliegenden Erfindung.
FIG. 5 ist eine Ansicht von oben auf einen Abschnitt eines siebartigen Elementes, das sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignet.
FIG. 6 ist eine Ansicht von oben auf einen Abschnitt eines siebartigen Elementes, das sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignet.
FIG. 7 ist eine Ansicht von oben auf einen Abschnitt einer Auffangvorrichtung, die sich zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung eignet.
FIG. 7A ist eine Seitenansicht der Auffangvorrichtung von FIG. 7.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 besteht das Vlies 10 gemäß der vorliegenden Erfindung (a) aus schmelzgeblasenen Endlosfasern 12 und (b) aus elektrisch geladenen Stapelfasern 14, die regellos unter die Endlosfasern 12 verteilt sind. Der Begriff "Endlosfaser" in seiner hierin angewandten Bedeutung bezeichnet eine Faser mit relativ großer Länge, die aus Polymer oder Glas besteht. Der Begriff "schmelzgeblasene Fasern" bezeichnet eine Faser, die aus einer Polymer- oder Glasschmelze mit Hilfe einer Extrusionsanlage mit einem schnell strömenden Gasstrom gebildet wird, um die Fasern abzubremsen und zu strecken. Der Begriff "Stapelfaser" bezeichnet eine Naturfaser oder synthetische Faser mit relativ kurzer Länge. Der Begriff "elektrisch geladene Fasern" gilt (a) für Fasern, die nur positiv geladen sind, (b) für Fasern, die nur negativ geladen sind, und (c) für Fasern, die einen dielektrischen Körper aufweisen, in dem sich ein dauerhafter Polarisationszustand eingestellt hat.
Die schmelzgeblasenen Endlosfasern 12 können aus Polymermaterialien oder Glasmaterialien hergestellt werden. Die Fasern 12 werden vorzugsweise aus Polymermaterialien hergestellt. Die für diese Erfindung geeigneten schmelzgeblasenen Endlosfasern aus Polymer können aus jedem beliebigen faserbildenden Polymer ausgewählt werden. Repräsentative Beispiele für solche Polymere sind Polyolefin, z.B. Polypropylen, Polyethylen, Polymethylpenten, Polyester und Polyurethan. Die Querschnittsform der Fasern 12 kann von elliptisch bis kreisrund reichen, und der Durchmesser oder die größere Querschnittsabmessung der Fasern 12 kann im Bereich von 0,1 Mikrometer bis 50 Mikrometer liegen. Der bevorzugte Durchmesser beträgt mindestens etwa 10 Mikrometer. Wird der Durchmesser größer, wird auch die Qualität der daraus hergestellten Filter besser. Natürlich können Endlosfasern keine unendliche Länge besitzen, das durchschnittliche Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Fasern ist jedoch vorzugsweise größer als 5000 : 1.
Die elektrisch geladenen Stapelfasern 14 können aus Materialien hergestellt werden, die eine Ladung angenommen haben, sei sie nur positiv, nur negativ oder sowohl positiv als auch negativ, d.h. polarisiert. Ein gegebenes Vlies kann eine oder mehrere der oben genannten Klassen von elektrisch geladenen Fasern enthalten. Die elektrisch geladenen Stapelfasern 14 werden vorzugsweise aus Polymermaterialien hergestellt. Repräsentative Beispiele für im Handel erhältliche, elektrisch geladene Fasern, die sich für diese Erfindung eignen, sind "FILTRETE"-Fasern, die im Handel erhältlich sind von der Minnesota Mining and Manufacturing Company. "FILTRETE"-Fasern sind Elektret-Fasern, d.h. Fasern, in denen sich ein dauerhafter elektrischer Polarisationszustand eingestellt hat.
Der Gehalt an elektrisch geladenen Stapelfasern 14 in Gew.- % in dem Vlies 10 kann 10 % bis 80 % des Gesamtge-wichts des Vlieses 10 ausmachen. Der prozentuale Gehalt an elektrisch geladenen Stapelfasern 14 in dem Vlies 10 beträgt vorzugsweise 20 % bis 50 %, basierend auf dem Gewicht des Vlieses 10. Vliese mit kleineren Mengen an elektrisch geladenen Stapelfasern weisen eine höhere Festigkeit und einen höheren Zusammenhalt auf, während Vliese mit größeren Mengen an elektrisch geladenen Stapelfasern ein größeres Filtervermögen aufweisen. Der optimale prozentuale Gehalt an elektrisch aufgeladenen Stapelfasern 14 in dem Vlies 10 scheint 25 % bis 35 % der Gesamtgewichts des Vlieses 10 zu betragen.
Die Länge der Stapelfasern kann 6,5 mm bis 50 mm betragen, und der Durchmesser der größeren Querschnittsabmessung der Stapelfasern kann zwischen etwa 10 Mikrometern und etwa 80 Mikrometern liegen.
Die dauerhaften Aufladungsstellen an den elektrisch geladenen Stapelfasern 14 ziehen disperse Materialien an und halten sie fest, was zu einer hohen Effektivität der Luftfilterung führt. Die schmelzgeblasenen Endlosfasern 12 sind umeinander und um die elektrisch aufgeladenen Stapelfasern 14 herumgeschlungen, wodurch das Vlies 14 physisch zusammengehalten wird und Filterflächen geschaffen werden. Durch diese Kombination von Fasern werden Medien zum Filtern von Luft mit relativ hoher Effektivität, geringem Druckabfall und guter mechanischer Festigkeit geschaffen.
Der Druckabfall ist ein wichtiger Faktor, wenn die Eignung eines Filterproduktes festgestellt werden soll. Der Luftwiderstand eines ebenen Vlieses 10, das sich zur Verwendung in einem Faltenfilter eignet, kann von 12,4 Pascal (Pa) bis 747 Pascal (Pa) reichen (Druckabfall bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,91 m/s). Der anfängliche Filterwiderstand eines Faltenfilters für Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen beträgt vorzugsweise 24,9 Pascal (Pa) bis etwa 74,7 Pascal (Pa) bei einer Luftgeschwindigkeit von etwa 1,52 m/s. Damit sich der Widerstand des Faltenfilters in diesem Bereich bewegt, sollte das ebene Vlies, aus dem der Filter hergestellt wird, einen Druckabfall von 24,9 Pascal (Pa) bis 74,7 Pascal (Pa) beim Test bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,91 m/s aufweisen.
Die Zugfestigkeit eines Vlieses aus dem Filtermaterial gemäß dieser Erfindung ist vorzugsweise so groß, daß sie Luftgeschwindigkeiten aushält, wie sie in typischen Filtervorgängen in der Industrie und in Wohnräumen anzutreffen sind, z.B. 1,52 m/s. Die Zugfestigkeit eines Vlieses aus dem Filtermaterial gemäß dieser Erfindung beträgt vorzugsweise mindestens 0,25 kg pro 76,2 mm Breite und noch mehr bevorzugt etwa 0,50 kg pro 76,2 mm Breite. Die Zugfestigkeit von Vliesen, die ein Gemisch aus elektrisch geladenen Stapelfasern und schmelzgeblasenen Endlosfasern enthalten, die mit dem Verfahren gemäß dieser Erfindung kombiniert werden, ist größer als die von ähnlichen Gemischen, die nur Stapelfasern enthalten, die allein mit Hilfe von Kardenvlies- oder Blasvliesanlagen gefertigt werden.
Das Gewicht pro Flächeneinheit des Vlieses 10 beträgt 40 g/m² bis 150 g/m². Der Bauschwert des Vlieses 10 kann 0,5 mm bis 25,4 mm betragen.
Die nichteben konfiguriert ausgebildeten Vliese gemäß dieser Erfindung weisen eine größere Oberfläche gegenüber den Vliesen nach dem Stande der Technik auf. Die größere Oberfläche verbessert die Filtereigenschaften der Vliese. Die Oberfläche des Vlieses 10 kann das Einfache der Vorderseite desselben bis etwa das Fünfzigfache der Vorderseite desselben ausmachen.
Die anfängliche Staubfleckeffektivität der Vliese gemäß dieser Erfindung kann 10 % bis 95 % betragen. Die anfängliche Staubfleckeffektivität wird gemessen gemäß dem Testverfahren Nr. 52-76 der American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc. Die anfängliche Staubfleckeffektivität beträgt vorzugsweise mindestens 20%.
Ein gutes Gesamtmaß für die Filterleistung eines Vlieses ist der "Qualitätsfaktor" (Q), denn dieser Faktor gründet sich sowohl auf die Effektivität als auch auf den Druckabfall. Der Qualitätsfaktor (Q) ist mathematisch definiert durch den Ausdruck
wobei "DOP-Penetration" die prozentualen Eindringtiefe von Dioctylphthalatteilchen mit einer Größe von 0,3 Mikrometern in das Vlies darstellt, gemessen mit einem Aerosol-Penetrometer des Typs TDA-100 von der Firma Air Techniques, Inc., Baltimore, Maryland, "ΔP" den Druckabfall in Pascal darstellt, und "ln" den natürlichen Logarithmus darstellt. Dieser Wert des Qualitätsfaktors (Q) ist stets positiv und und wird bei verminderter Eindringtiefe größer. Umgekehrt wird der Wert des Qualitätsfaktors (Q) kleiner, wenn der Druckabfall größer wird. Der Qualitätsfaktor (Q) kann im Bereich zwischen 0,05 Pa&supmin;¹ bis 5 Pa&supmin;¹ liegen, und vorzugsweise beträgt der Wert des Qualitätsfaktors (Q) mindestens 0,1 Pa&supmin;¹.
Bevorzugte Parameter für einen Filter für Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen sind folgende:
Zusammensetzung der schmelzgeblasenen Endlosfasern: Polypropylen
Querschnittsform der schmelzgeblasenen Endlosfasern: kreisrund
Durchmesser oder größere Querschnittsabmessungen der schmelzgeblasenen Endlosfasern: 10 Mikrometer bis 30 Mikrometer
Zusammensetzung der elektrisch geladenen Stapelfasern: Polyolefin, Polytetrafluorethylen, Polymethylpenten, Polycarbonat, Polyvinylidenfluorid
Form der elektrisch geladenen Stapelfasern: rechteckig, kreisrund, elliptisch
Länge der elektrisch geladenen Stapelfasern: 6,5 mm bis 50 mm
Durchmesser oder größere Querschnittsabmessung der elektrisch geladenen Stapelfasern: 10 Mikrometer bis 80 Mikrometer
Anteil der elektrisch geladenen Stapelfasern in dem Vlies: 10 % bis 80 %
Luftwiderstand des Vlieses Druckabfall bei 0,91 m/s): 24,9 Pa bis 74,7 Pa
Oberfläche des Vlieses: Einfaches der Vorderseite bis Dreifaches der Vorderseite
Bauschwert des Vlieses: 1 mm bis 5 mm
Zugfestigkeit des Vlieses: Mindestens 0,50 kg bei einem 76,2 mm breiten Streifen
Anfängliche Staubfleckeffektivität: 10 % bis 60 %
Qualitätsfaktor: 0,1 Pa&supmin;¹ bis 3 Pa&supmin;1
Das Filtermaterial gemäß dieser Erfindung kann zu einem ebenen, flachen Vlies geformt werden, indem das Vlies aus kombinierten Fasern auf einem flachen, porösen Sieb mit relativ kleinen Öffnungen gesammelt wird. Wahlweise kann das Filtermaterial gemäß dieser Erfindung auch dreidimensional konfiguriert hergestellt werden, um eine größere Filteroberfläche zu erzielen. Die dreidimensionale Form kann erzielt werden, indem das Vlies 10' aus kombinierten Fasern auf einem Sieb 16 gesammelt wird, das solche Abmessungen aufweist, daß Abschnitte des Vliesmaterials gezwungen werden, durch diese Öffnungen hindurchzudringen (siehe FIG. 2 und FIG. 2A).
Die physikalischen Festigkeitseigenschaften des Filtermaterials gemäß dieser Erfindung machen es möglich, dieses in Luftfiltern einzusetzen, ohne zusätzliche festigkeitserhöhende Maßnahmen treffen zu müssen, wie zum Beispiel das Vernadeln und das Befestigen an Gewebegittern.
Das Filtermaterial gemäß dieser Erfindung kann zu vielen Zwecken beim Filtern von Luft verwendet werden. Beispiele für diese Einsatzzwecke sind Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsfilter in Wohnungen und Industriebauten. Solche Filter schließen Plattenfilter, Faltplattenfilter, Sackfilter, Patronenfilter und Hochleistungs-Feinstfilter für Luft (HEPA) ein. Weitere Einsatzzwecke für diese Filter sind Sauberraumfilter, Filter zum Filtern von Verbrennungsluft in Maschinen, z.B. in Autos, Filter für elektronische Anlagen und Filter für Atmungsgeräte für Personen.
Das Filtermaterial gemäß dieser Erfindung ist dem nach dem Stande der Technik offenbarten darin überlegen, daß es eine höhere Festigkeit und bessere Handhabungseigenschaften bei einer gegebenen Dicke und einem gegebenem Gewicht sowie günstigere Druckabfalleigenschaften in bezug auf sein Luftfiltervermögen aufweist. Die Zugfestigkeit der elektrisch geladene Stapelfasern und schmelzgeblasene Endlosfasern enthaltenden Vliese ist größer als die von Vliesen, die ganz aus Stapelfasern hergestellt sind.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß der Wert der anfänglichen Staubfleckeffektivität (gemessen durch Tests gemäß dem Testverfahren Nr. 52-76 der American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc.) bei dem Filtermaterial gemäß dieser Erfindung höher ist als dieser Wert für Filtermaterial, das ausschließlich aus elektrisch geladenen Fasern hergestellt ist, die das gleiche (oder ein größeres) Gewicht der elektrisch geladenen Fasern pro Flächeneinheit aufweisen.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Filtermaterial und Erzeunissen gemäß dieser Erfindung. Allgemein werden die schmelzgeblasenen Endlosfasern 12 durch das Extrudieren eines geschmolzenen Polymer- oder Glasmaterials durch eine Düse hergestellt, die eine Vielzahl von kleinen Öffnungen aufweist. Nach dem Austreten aus der Düse wird das geschmolzene Polymer- oder Glasmaterial zu feinen Endlosfilamenten oder -fasern geformt, die durch die schnell strömende Luft abgekühlt werden, die zum Strecken der Fasern und zu deren Transport zu einer Auffangvorrichtung dient, z.B. zu einer Trommel oder einem Band. Ein Vlies aus elektrisch geladenen Fasern wird aufgelöst in elektrisch geladene Stapelfasern 14, die anschließend in den konvergierenden Strom von schmelzgeblasenen Endlosfasern 12 geschleudert werden, bevor die Fasern 12 in Berührung mit der Auffangvorrichtung kommen.
Der Faserblasabschnitt der dargestellten Vorrichtung kann eine herkömmliche Konstruktion aufweisen, wie sie zum Beispiel erläutert wird in Wente, Van A. "Superfine Thermoplastic Fibers" (Superfeine thermoplastische Fasern) in Industrial Engineering Chemistry, Bd. 48, Seite 1342 ff. (1956) oder im Report Nr. 4364 der Naval Research Laboratories, veröffentlicht am 25. Mai 1954 unter dem Titel "Manufacture of Superfine Organic Fibers" (Herstellung von superfeinen organischen Fasern) von Wente, V.A.; Boone, C.D. und Fluharty, E.L. Eine solche Konstruktion umfaßt eine Düse 20, die eine Extrusionskammer 22 aufweist, durch die flüssiggemachtes, faserbildendes Material geleitet wird; Düsenöffnungen 24, die in einer Linie quer über das vordere Ende der Düse 20 angeordnet sind und durch die das faserbildende Material extrudiert wird; und damit zusammenwirkende Gasöffnungen 26, durch die mit einer sehr hohen Geschwindigkeit ein Gas, typischerweise erhitzte Luft, gedrückt wird. Der mit hoher Geschwindigkeit strömende Gasstrom zieht das extrudierte faserbildende Material heraus und bremst es ab, wonach das faserbildende Material zu Endlosfasern erstarrt, während es zu einer Auffangvorrichtung 28 wandert. Die Auffangvorrichtung 28 ist typischerweise ein fein perforiertes Sieb, das die Form eines flachen Siebes oder einer Trommel oder eines Zylinders aufweisen kann, jedoch auch alternative Formen annehmen kann, wie z.B. die eines Endlosbandes.
Die Geschwindigkeit der die Fasern zu der Auffangvorrichtung befördernden Gasströme kann verschieden sein. Es können Verteilerrohrdrücke (Gasdruck vor dem Einleiten in die Düse) angewandt werden, die allgemein niedriger sind als 25 lbs/Quadratzoll Manometerdruck (oder 2 kg/cm²) und vorzugsweise niedriger sind als 15 lbs/Quadratzoll Manometerdruck (oder 1 kg/cm²), wenn die Luftausströmungsöffnung eine Breite von 0,3 mm besitzt, so daß die Fasern nicht allzu gewaltsam in die Perforationen der Auffangvorrichtung gepreßt werden. Allgemein beträgt der Druck in dem Verteilerrohr mehr als 4 lbs/Quadratzoll Manometerdruck (0,3 kg/cm²) und vorzugsweise mehr als 6 lbs/Quadratzoll (0,4 kg/cm²), wenn die Luftausströmungsöffnung eine Breite von 0,3 mm besitzt. Die höchsten Geschwindigkeiten können angewandt werden, wenn die Sammelstrecke lang ist, und die angewandte spezifische Geschwindigkeit wird oft gewählt, indem die Geschwindigkeit und die Sammelstrecke bei einer gegebenen Auffangvorrichtung auf Versuchsbasis variiert werden.
Die Gasentnahmevorrichtung kann hinter dem siebartigen Element der Auffangvorrichtung positioniert werden, so daß sie beim Aufbringen der Fasern und der Beseitigung des Gases mitwirkt.
Die elektrisch geladenen Fasern können in den Strom der schmelzgeblasenen Endlosfasern in der in FIG. 2 dargestellten, veranschaulichenden Vorrichtung mit Hilfe einer Vorreißerwalze 30 eingebracht werden, die über der Faserblasvorrichtung angeordnet ist. Ein Vlies 32 aus elektrisch geladenen Fasern wird auf einem Tisch 34 entlang unter einer Antriebswalze 36 hindurch vorwärtsgeführt, wo die Vorderkante mit der Vorreißerwalze zusammengreift. Die Vorreißerwalze 30 weist umlaufende Zähne auf, um das einlaufende Vlies aus elektrisch geladenen Fasern zu einzelnen Fasern zu zerhacken, zu trennen oder aufzulösen, und einen Luftstrom, um die Fasern in den Strom aus den schmelzgeblasenen Endlosfasern einzublasen. Die Vorreißerwalze wird gespeist mit einem Vlies aus elektrisch geladenen Fasern, das entweder (a) eine Warenrolle eines vernadelten Vlieses aus elektrisch geladenen Fasern oder (b) ein lockeres Vlies aus elektrisch geladenen Fasern ist.
Die Vorreißerwalze 30 dreht sich in der Pfeilrichtung und reißt Fasern aus der Vorderkante des Vlieses heraus, wobei sie die Fasern voneinander trennt. Die herausgerissenen Fasern werden in einem Luftstrom durch eine geneigte Mulde oder einen geneigten Kanal 38 und in den Strom der schmelzgeblasenen Endlosfasern hinein befördert, wo sie sich mit den schmelzgeblasenen Endlosfasern vermischen. Der Luftstrom wird auf natürliche Weise durch den Umlauf der Vorreißerwalze erzeugt, oder dieser Luftstrom kann verstärkt werden durch den Einsatz eines Hilfslüfters oder -gebläses, der bzw. das durch einen Kanal 40 wirkt, wie in der Technik bekannt ist.
Der gemischte Strom aus Endlosfasern und elektrisch geladenen Fasern wandert dann weiter zu der Auffangvorrichtung 28, wo die Endlosfasern und die Stapelfasern ein Vlies aus regellos miteinander gemischten und ineinandergeschlungenen Fasern bilden. Bei genauer Prüfung ist festzustellen, daß die Endlosfasern und die elektrisch geladenen Fasern gründlich vermischt werden; so ist das Vlies zum Beispiel frei von Klümpchen elektrisch geladener Fasern, d.h. von Ansammlungen von elektrisch geladenen Fasern mit einem Zentimeter oder mehr im Durchmesser, wie diese zum Beispiel entständen, wenn ein zerhackter Teil eines vielfädigen Kabels aus einem elektrisch geladenen Filament ungetrennt bliebe, oder wenn sich elektrisch geladene Fasern zusammenballten, bevor sie in den Strom der Endlosfasern eingebracht werden. Das Vlies wird von der Auffangvorrichtung 28 abgelöst und typischerweise zu einer Speicherrolle 42 gewickelt. Anschließend kann das Vlies durch Zerschneiden oder Behandeln weiterverarbeitet werden.
Eine ausführliche Beschreibung eines allgemeinen Verfahrens, das zum Kombinieren von Stapelfasern und schmelzgeblasenen Endlosfasern angewandt werden kann, ist zu finden in dem US-Patent Nr. 4,118,531, Spalten 4 und 5, und in der zugehörigen FIGUREN 1 und 2. Die gekräuselten Fasern des in dem US-Patents Nr. 4,118,531 offenbarten Verfahrens werden bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durch elektrisch geladene Fasern ersetzt.
Bei der vorliegenden Erfindung werden die elektrisch geladenen Stapelfasern vorzugsweise ein kurzes Stück von dem Punkt entfernt, an dem die schmelzgeblasenen Endlosfasern aus der Düse austreten, mit den schmelzgeblasenen Endlosfasern kombiniert. Da die schmelzgeblasenen Endlosfasern an dieser Stelle weit voneinander beabstandet sind, verteilen und verschlingen sich die konvergierenden, elektrisch geladenen Stapelfasern gleichmäßig unter die und mit den schmelzgeblasenen Endlosfasern. Die elektrisch geladenen Stapelfasern werden in der von den schmelzgeblasenen Endlosfasern gebildeten Unterlage verschlungen mit dem Ergebnis, daß das mit dem Verfahren gemäß dieser Erfindung gebildete Vlies einheitlich ist und einen mechanischen Zusammenhalt aufweist.
Die Sammelstrecke, das heißt der Abstand zwischen den Düsenöffnungen und der Auffangvorrichtung, kann auch so variiert werden, daß zum Beispiel die Eindringtiefe der Fasern in die Perforationen des Auffangsiebes und folglich die Höhe des in dem Vlies gebildeten Kissens variiert werden. Wenn sich die Größe der Öffnungen in dem Auffangsieb vergrößert, kann auch der Abstand von dem Auffangsieb bis zu der Düse vergrößert werden. Das Verhältnis zwischen der Sammelstrecke und dem Durchmesser der Öffnungen beträgt gewöhnlich 5 : 1 bis 30 : 1. Die Sammelstrecke beträgt allgemein mindestens etwa 2 cm und vorzugsweise mindestens etwa 4 cm bei einem Schmelzblasvorgang, so daß sich die auf den Stegen des Auffangsiebes ansammelnden Bereiche eher fibrös als folienartig sind und deshalb eine Filteroberfläche schaffen. Typischerweise kommen Sammelstrecken von etwa 30 cm zur Anwendung, und vorzugsweise sind die Sammelstrecken länger als 15 cm, so daß es zu einer ziemlich gleichmäßigen Verteilung der Fasern auf der Sammelfläche kommt.
In FIG. 4 kann ein Vlies 50 mit einer durch große Kissen oder Blasen 52 gekennzeichneten Konfiguration hergestellt werden, indem das Vlies auf einem siebartigen Element 54 mit großen hindurchführenden Öffnungen (z.B. von 3,81 cm im Durchmesser) gesammelt wird. Wenn die Öffnungen in dem siebartigen Element 54 relativ groß sind, wird vorzugsweise ein zweites siebartiges Element (nicht dargestellt) angeordnet, das deckungsgleich mit dem siebartigen Element 54 ist und sich auf der Seite des Elementes 54 gegenüber der Seite des Elementes 54 befindet, die der Düse gegenüberliegt. Die Funktion des zweiten siebartigen Elementes besteht darin, zu verhindern, daß die Kissen oder Blasen 52 eine übermäßige Tiefe erlangen, und die Plateaus der Kissen oder Blasen 52 abzurunden.
Wenn das Vlies 50 auf dem siebartigen Element 54 gesammelt wird, kann das Element 54 an Ort und Stelle belassen werden und als Lagerung in den aus dem Vlies 50 hergestellten Filterprodukten dienen. Wahlweise kann das gesammelte Vlies 50 von dem siebartigen Element 54 abgenommen werden, wobei das letztere dann wiederverwendet wird, zum Beispiel bei einer bandartigen Auffangvorrichtung. Für industrielle Zwecke kann die Anordnung aus dem Vlies 50 und dem Element 54 in einen Rahmen 56 gebracht werden, wobei der Rahmen typischerweise aus Pappe hergestellt ist.
Bei dem Verfahren gemäß dieser Erfindung können Vliese mit kissenartigen Bereichen gebildet werden, die annähernd die gleiche Dicke wie die Dicke des Vlieses in den Stegbereichen aufweisen, während der Zusammenhalt und die Festigkeit der kissenartigen Bereiche bewahrt werden können. Vermag man einen im wesentlichen einheitlichen Querschnitt herzustellen, vermag man auch eine größere effektive Filteroberfläche mit weniger Material zu schaffen und Filterprodukte mit Eigenschaften eines geringen Druckabfalls herzustellen.
Einige der geeigneten Auffangsiebe sind in einer Ansicht von oben in FIG. 5 und FIG. 6 zu sehen. Das in FIG. 5 dargestellte Auffangsieb kann entweder ein Wabensieb 60 sein, in dem der einzige Stegbereich 62 aus den Rändern von dünnen Wänden bestehen, die die Wabenzellen 64 trennen, oder aus einer ebenen Platte, in die sechseckige Öffnungen eingestanzt sind. Jedoch eignen sich auch Auffangsiebe 70 mit größeren Stegbereichen 72, und die Perforationen 74 können wie die Perforationen des in FIG. 6 dargestellten Siebes so konfiguriert sein, daß Kissen mit der gewünschten Form entstehen. Der Stegbereich von geeigneten Auffangsieben kann sehr stark schwanken zwischen nicht mehr als einem zehntel Prozent bis zu 90 Prozent der gesamten Siebfläche. Vorzugsweise beträgt er höchstens etwa 60 % der Gesamtfläche des Siebes, und oft beträgt er 1 - 5 %. Dort, wo der Stegbereich klein ist, kann die Größe der Öffnungen in dem Sieb ebenfalls klein sein, zum Beispiel nicht mehr als 2 oder 3 mm, obwohl sie gewöhnlich 5 mm oder mehr beträgt.
Bei Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen in der Industrie und in Wohnräumen ist gewöhnlich ein Kanalschlitz zum Unterbringen von Filtern vorhanden, die annähernd 25,4 mm dick sind. Das Verfahren gemäß dieser Erfindung wird zwar durch diese Überlegung nicht eingeschränkt, es ist jedoch vorteilhaft, das Verfahren gemäß dieser Erfindung vorzugsweise in einer Weise ablaufen zu lassen, daß das fertige kissenartige Vlies in den Schlitz von üblicher Größe eingesetzt werden kann und die Häufigkeit von Stegbereichen zwischen den kissenartigen Bereichen so gering ist, daß es zu einer effektiven Vergrößerung der Filterfläche des Filters kommt.
Eine spezifische Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung von Filtermaterial, das sich für Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen in der Industrie und in Wohnräumen eignet, weist eine Auffangvorrichtung mit den folgenden Elementen auf:
(1) einem Drahtsieb mit Öffnungen von annähernd 6,4 Quadratmillimetern, das an einer Auffangtrommel angebracht ist,
(2) einem Drahtsieb mit sechseckigen Öffnungen mit einer Größe der Zellen von annähernd 27,5 mm, die Wand an Wand aneinander liegen und von den oben erwähnten Metallsieb durch zylindrische Holzstifte mit ungefähr 6,4 mm Durchmesser und ungefähr 20 mm Länge getrennt sind, die zwischen den beiden Sieben in einem rechteckigen Muster verklebt sind und als Abstandshalter fungieren. Benachbarte Stifte stehen ungefähr 120 mm auseinander. Das Drahtsieb mit sechseckigen Öffnungen weist ein Aussehen ähnlich dem des siebartigen Elementes von FIG. 5 auf.
Das durch das Schmelzblasen ausgebildete Vlies kommt zuerst mit dem Drahtsieb mit den sechseckigen Öffnungen in Berührung und wird durch das Drahtsieb mit quadratischen Öffnungen festgehalten. Das fertige Vlies weist kissenartige Bereiche mit einer etwas abgeflachten, halbkugeligen Form auf, wobei die Fasern in dem Gemisch gründlich miteinander verschlungen sind und das Fasergemisch in den gesamten kissenartigen Bereichen im wesentlichen homogen ist. Wird ein ähnliches Fasergemisch in der oben beschriebenen Weise in die gleiche Art von Drahtsieb mit sechseckigen Öffnungen geblasen, jedoch ohne ein rückhaltendes Drahtsieb mit quadratischen Öffnungen, das hinter diesem positioniert ist, damit ein Vlies mit ähnlichem Gewicht entsteht, bilden sich die kissenartigen Bereiche zu langgestreckten Kegeln aus, wobei die Fasern eine abnehmende Verschlingung zeigen und das Fasergemisch eine abnehmende Homogenität zu den Spitzen der Kegel hin zeigen.
Eine weitere spezifische Ausführungsform des Verfahrens gemäß dieser Erfindung weist eine Auffangvorrichtung auf, bei der ein Wabenmaterial aus Aluminium ("Hexcel ACG-3/4" von Hexcel, Dublin, California) eine Auffangtrommel bedeckt. Dieses Wabenmaterial weist sechseckige Zellen auf, z.B. mit einer Zellengröße von ungefähr 19 mm von Wand zu Wand und einer Dicke von ungefähr 16 mm. Das Wabenmaterial weist ein Aussehen ähnlich dem des siebartigen Elementes von FIG. 5 auf. Das durch das Schmelzblasen gebildete Vlies wird auf dem Wabenmaterial aus Aluminium gesammelt, so daß ein kissenartiges Vlies entsteht. Die entstandenen kissenartigen Bereiche weisen ungefähr die Abmessungen der Wabenzellen an deren Außenflächen auf, und die Fasern in den kissenartigen Bereichen sind gründlich miteinander verschlungen, und die Fasermischung ist im wesentlichen homogen.
Eine weitere spezifische Ausführungsform einer Auffangvorrichtung zur Verwendung in dem Verfahren gemäß dieser Erfindung ist in FIG. 7 zu sehen. Bei dieser Ausführungsform können Vliese mit Rippen oder Falten hergestellt werden unter Verwendung einer Auffangvorrichtung 80, umfassend einen Rahmen 82 mit einer Vorderseite 82a und einer Rückseite 82b. Quer über die Öffnung in dem Rahmen 82 erstrecken sich parallele Stäbe 84, die an der Vorderseite 82a des Rahmens 82 befestigt sind. Ein an der Rückseite 82b des Rahmens 82 befestigtes Drahtsieb bedeckt vollständig die Öffnung in dem Rahmen 82. Wird ein Vlies gemäß dieser Erfindung in Berührung mit den Stäben 84 auf der Vorderseite 82a gedrückt und durch das Sieb 86 auf der Rückseite 82b festgehalten, nimmt das Vlies eine gerippte oder faltenartige Konfiguration an. Die Anordnung aus dem Rahmen 82, den Stäben 84 und dem Sieb 86 kann verwendet werden, um das Vlies zu sammeln, wenn es aus der Düse austritt.
Wahlweise kann die Auffangvorrichtung die Form einer Trommel mit parallelen Stäben aufweisen, die an dem Umfang derselben angeordnet und an dieser befestigt sind, so daß das Vlies aufgefangen wird, wenn es aus der Düse austritt, was bewirkt, daß das Vlies eine gerippte oder faltenartige Konfiguration annimmt. Tatsächlich ist die Trommel gleichwertig mit dem Rahmen 82, der zu einer gekrümmten Form modifiziert wurde. Die herkömmliche Methode, die Oberfläche von typischen Luftfiltern zu vergrößern, besteht darin, ein flaches Material herzustellen und das Material in einem gesonderten Arbeitsgang zu falten und in einen Rahmen einzusetzen. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein geripptes oder faltenartiges Vlies mit einer vergrößerten Oberfläche mit Hilfe der Auffangvorrichtung 80 in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden.
Das Verfahren gemäß dieser Erfindung zur Herstellung von Filtermaterial ist denen nach dem Stand der Technik darin überlegen, daß es integriert ist und dadurch weniger Schritte erfordert. Mit den Verfahren nach dem Stand der Technik können allgemein nur Vliese hergestellt werden, deren Festigkeit durch zusätzliche Verfahrensschritte erhöht werden muß.
Das Verfahren gemäß dieser Erfindung eignet sich besonders zur Herstellung eines Vlieses, das aus elektrisch geladenen Stapelfasern und ungeladenen Endlosfasern besteht, da die statische Aufladung an elektrisch geladenen Fasern diese nur schwer auf herkömmlichen Anlagen verarbeitbar macht, wie zum Beispiel auf einer "RANDO-WEBBER"-Vliesbildnervorrichtung. Weiterhin weisen die mit einer herkömmlichen Vliesbildnervorrichtung hergestellten Vliese eine geringe Festigkeit auf.
Da die Festigkeit eines Vlieses durch das Vernadeln und die hydrodynamische Verschlingung nur um ein geringes Maß verbessert werden kann und da Wärmeverklebungsverfahren bei elektrisch geladenen Fasern nicht angewandt werden können, da Wärme die elektrische Ladung der Fasern neutralisiert, ist das Verfahren gemäß der Erfindung von Vorteil.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß dieser Erfindung besteht darin, daß Vliese zusätzlich zu herkömmlichen, ebenen Vliesen zu vielen verschiedenen Konstruktionen oder Mustern geformt werden können. Das fertige Vlies kann zum Beispiel durch Sammeln des Vlieses mit Hilfe eines Siebes mit relativ kleinen Öffnungen (z.B. mit 0,64 cm Durchmesser) Kissen oder Blasen aufweisen, die auf einer Seite des Vlieses hervorstehen, wobei die Kissen oder Blasen den Öffnungen in dem Sieb entsprechen. Die Öffnungen in dem Sieb können verschiedene Formen aufweisen, z.B. runde, quadratische, sechseckige, dreieckige usw. Durch das Eindringen des Vlieses in die Öffnungen in dem Sieb wird ein dreidimensionales Aussehen geschaffen. Das Material gemäß dieser Erfindung kann für Faltenluftfilter für Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen in der Industrie oder in Wohnräumen verwendet werden. Diese Anlagen erfordern, daß Filter eine so große Durchlässigkeit aufweisen, daß die Luft hinreichend hindurchdringen kann.
Die elektrischen Eigenschaften der elektrisch geladenen Stapelfasern gehen durch das Verfahren gemäß der Erfindung nicht verloren und werden nicht schlechter.
Die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulichen die Filterprodukte gemäß dieser Erfindung weiter.

Beispiele

Es wurden die folgenden Eigenschaften der Vliese in den Beispielen bestimmt: Anfangswiderstand, anfängliche Staubfleckeffektivität, atmosphärische Staubfleckeffektivität, Staubhaltevermögen, Auffangvermögen, Flächengewicht, Dicke, Durchlässigkeit, Eindringeffektivität von Dioctylphthalat (DOP), Zugfestigkeit und Faserdurchmesser.
Der Anfangswiderstand ist der Widerstand einer sauberen Vorrichtung, d.h. des Filtermaterials, die mit ihrer Luftströmungs-Nenngeschwindigkeit arbeitet. In den folgenden Beispielen betrug die Luftströmungsgeschwindigkeit 0,91 m/s.
Die atmosphärische Staubfleckeffektivität, im folgenden "Staubfleckeffektivität" genannt, ist ein Maß für das Vermögen des Filtermaterials, atmosphärischen Staub aus Testluft zu entfernen. Atmosphärischer Staub ist der disperse Stoff, der auf natürliche Weise in der dem Testkanal zugeführten Luft vorhanden ist. Es wurden sowohl die anfängliche Staubfleckeffektivität als auch die durchschnittliche Staubfleckeffektivität bestimmt.
Das Staubhaltevermögen ist die Menge eines der Vorrichtung zugeführten synthetischen Staubes, d.h. des zu testenden Filtermaterials, mal dessen durchschnittliches Auffangvermögen, bis sich jede der folgenden Bedingungen einstellt: (a) der Widerstand der Testvorrichtung erreicht seinen Nenn-Endwiderstand, (b) zwei aufeinanderfolgende Auffangvermögenswerte sind niedriger als 85 % des maximalen Auffangvermögenwertes, in keinem Falle kann jedoch das Staubhaltevermögen unter Einschluß einer Staubzunahme errechnet werden, die jedem beliebigen Auffangvermögenswert entspricht, der sich auf 75 % des Maximums oder auf weniger verringert hat.
Das Auffangvermögen ist ein Maß für das Vermögen der Testvorrichtung, eingeblasenen synthetischen ASHRAE-Staub aus der Testluft zu entfernen. Es wird errechnet als prozentuales Verhältnis auf Gewichtsbasis. Synthetischer ASHRAE- Staub besteht aus 72 % Feinteilen von standardisiertem Luftreiniger-Teststaub, 23 Gew.-% Molocco-Ruß und 5 Gew.-% Baumwollinters Nr. 7, die in einer Wiley-Mühle mit einem 4 mm-Sieb gemahlen wurden.
Der Nenn-Endwiderstand ist der maximale Arbeitswiderstand der Vorrichtung bei einer Luftströmungs-Nenngeschwindigkeit.
Die Definitionen des Anfangswiderstandes, der atmosphärischen Staubfleckeffektivität, des atmosphärischen Staubes, des Staubhaltevermögens, des Auffangvermögens und des synthetischen ASHRAE-Staubes werden ausführlicher behandelt im ASHRAE-Standard 52-76 (1976), The American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, Inc., auf den hier Bezug genommen wird.
Das Flächengewicht wurde errechnet, indem eine vorbestimmte Größe des Vlieses auf einer elektronischen Waage gewogen wurde, die bis auf 0,01 g genau wiegen und das Ergebnis in g/cm² wiedergeben kann.
Die Dicke oder der Bauschwert wurden bestimmt, indem der Abstand zwischen zwei Scheiben gemessen wurde, die eine Druckkraft von 0,1 g/cm² auf das Probevlies ausüben.
Die Durchlässigkeit wurde bestimmt mit Hilfe einer Vorrichtung, mit der auf die Probe eine Luftgeschwindigkeit von 0,91 m/s einwirkte. Die Durchlässigkeit oder der Druckabfall werden in Pascal (Pa) ausgedrückt.
Die DOP-Penetrationswirksamkeit wurde bestimmt mit Hilfe eines Instruments, das den prozentualen Gehalt an DOP-Aerosolen mißt, die bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 32 l/min eine Filterprobe durchdringen. DOP-Teilchen weisen eine Größe von etwa 0,3 um (Mikrometer) im Durchmesser auf.
Die Zugfestigkeit wurde gemessen mit Hilfe eines Testgeräts, das bei der Instron Corporation erhältlich ist. Es wurden Proben zugeschnitten, deren Größe 7,62 cm Breite x 15,24 cm Länge betrug, wobei die Abmessung 15,24 cm in der Faserrichtung des Vlieses lag. Die Klauen waren 2,54 cm breit, und die Trennlänge der Klauen betrug 7,62 cm. Die Trenngeschwindigkeit betrug 12,70 cm/min.
Die Faserdurchmesser der Stapelfasern und der schmelzgeblasenen Endlosfasern in den Proben wurden bestimmt durch Untersuchung von mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie angefertigten Mikrofotos und durch Messung des Durchmessers von etwa 40 bis etwa 80 regellos angeordneten, einzelnen Fasern mit Hilfe einer Eichskala. Der Durchmesser wird angegeben als Mittel und als Standardabweichung von dem Mittel. Die Faserdurchmesser von auf "RANDO-WEBBER"-Anlagen hergestellten Proben wurden durch Umrechnung von Denier- Werten in Faserdurchmesser bei einer bekannten Materialdichte gemessen.
Der Zweck der Beispiele 1 und 2 und der beiden folgenden Vergleichsbeispiele besteht darin, die Staubfleckeffektivität von Filtern nach dem Stande der Technik mit der Staubfleckeffektivität von Filtern gemäß der vorliegenden Erfindung zu vergleichen.

Beispiel 1

Bei diesem Beispiel wurde ein Faserverbundvlies auf der in FIG. 3 dargestellten Vorrichtung hergestellt, wobei ein Gemisch aus 35 Gew.-% Elektret-Stapelfasern ("FILTRETE G- 0108) und 65 Gew.-% schmelzgeblasenen polymeren Endlosfasern ("Exxon 3085 aus Polypropylen) verwendet wurde. Das entstandene Vlies wies eine ebene Konfiguration auf. Das Vlies wurde zu Testzwecken so in Falten gelegt, daß sich Falten von annähernd 19 mm Tiefe bei einer Häufigkeit von 39 Falten pro Meter bildeten. Zum Zwecke des Tests von anderen Eigenschaften kam das Vlies in einer ebenen Form zur Anwendung.

Vergleichsbeispiel A

Bei diesem Vergleichsbeispiel wurde ein "Koch"-Filter 40 % eingesetzt, erhältlich bei der Koch Filter Corporation. Der Filter war ein Verbundmaterial aus Baumwolle und Polyester und besaß keine elektrische Ladung. Er wies einen Druckabfall über seine Fläche auf, der so gering war, daß er sich zur Verwendung in Heizungs-, Belüftungs- und Klimatisierungsanlagen in der Industrie und in Wohnäumen eignete. Es war ein Luftfaltenfilter mit Falten von annähernd 19 mm Tiefe bei einer Häufigkeit von 39 Falten pro Meter.

Vergleichsbeispiel B

Bei diesem Vergleichsbeispiel wurde ein Luftfilter verwendet, der durch Vernadelung von 70 g/m² "FILTRETE"-Fasern auf einem Netzgewebe aus Kunststoff (Conwed Plastics) hergestellt wurde. Es war ein Luftfaltenfilter mit Falten von ungefähr 19 mm Tiefe bei einer Häufigkeit von 39 Falten pro Meter.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wurde ein Faserverbundvlies auf der in FIG. 3 dargestellten Vorrichtung hergestellt, wobei ein Gemisch aus 31 Gew.-% Elektret-Stapelfasern ("FILTRETE G- 0108") und 69 Gew.-% schmelzgeblasenen, polymeren Endlosfasern ("FINA 3860X" aus Polypropylen) verwendet wurde. Die Auffangvorrichtung wies ein erstes Drahtsieb (das Rückhaltesieb) mit ungefähr 6,4 mm großen, quadratischen Öffnungen auf, das deckungsgleich mit einem zweiten Drahtsieb (dem kissenbildenden Sieb) mit sechseckigen Öffnungen mit einer Zellengröße von ungefähr 27,5 mm Wand an Wand war. Das kissenbildende Sieb war von dem Rückhaltesieb getrennt mit Hilfe von Holzpflöcken, die eine Trennung von ungefähr 20,0 mm zwischen den Sieben herstellten. Das Vlies kam zuerst in Berührung mit dem kissenbildenden Sieb, und die Spitzen der Kissen berührten das Rückhaltesieb und wurden von diesem festgehalten.
Die Filter in den Beispielen 1 und 2 und den Vergleichsbeispielen A und B wurden auf ihre Filtereigenschaften getestet, und die Ergebnisse sind in Tabelle I dargestellt. TABELLE I Beispiel Nr. Anfangswiderstand (Pa) Anfängliche Staubfleckeffektivität (%) Durchschnittliche Staubfleckeffektivität (%) Staubhaltevermögen (g) Auffangvermögen (Gew.-%) * Vergleichsbeispiel ** Das Staubhaltevermögen bei Beispiel 2 wurde errechnet durch Multiplikation der Testergebnisse eines Probevlieses von 0,093 m² mit 4 und mit anderen Beispielen in Tabelle I verglichen, da die Vorderfläche des Vlieses von Beispiel 2 ein Viertel der Vorderfläche der anderen Vliese in Tabelle I betrug.
Die Ergebnisse der Tests zeigen einen Wert von 41 % für die durchschnittliche Staubfleckeffektivität bei einem Druckabfall von 12,7 mm Wassersäule für das Filtermaterial von Beispiel 1. Der handelsübliche Filter (Koch "MULTIPLEAT" 40) wies einen Wert von 24 % für die durchschnittliche Staubfleckeffektivität auf. Die anfängliche Staubfleckeffektivität des Filters in Beispiel 1 betrug 40,9 % im Vergleich zu 8,1 % bei dem handelsüblichen Filter. Der Anfangswiderstand des Filters und das Staubhaltevermögen des handelsüblichen Filters und desjenigen von Beispiel 1 waren ähnlich. Die Werte zeigen an, daß das Filtermaterial gemäß dieser Erfindung zwei- bis fünfmal effektiver war (anfängliche Staubfleckeffektivität) als bei dem im Handel erhältlichen Filter bei einem ähnlichem Druckabfall und einem ähnlichem Haltevermögen. Das Filtermaterial gemäß dieser Erfindung ist 10 bis 15 mal effektiver (Qualitätsfaktor) als bei einem Standard-Luftfilter für Wohnräume.
Der Zweck der Beispiele 3, 4 , 5 und 6 und der Vergleichsbeispiele C, D und E besteht darin, den Qualitätsfaktor (Q) der Filter nach dem Stande der Technik mit dem Qualitätsfaktor (Q) der Filter gemäß der vorliegenden Erfindung zu vergleichen.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wurde ein Vlies in der gleichen Weise hergestellt wie das von Beispiel 1 mit der Abweichung, daß ein Gemisch aus 25 Gew.-% Elektret-Stapelfasern ("FILTRETE G-0108") und 75 Gew.-% schmelgeblasenen polymeren Endlosfasern ("Exxon 3085" aus Polypropylen) verwendet wurde.

Beispiel 4

Bei diesem Beispiel wurde ein Vlies in der gleichen Weise hergestellt wie das von Beispiel 1 mit den Abweichungen, daß ein Gemisch aus 35 Gew.-% Elektret-Stapelfasern ("FILTRETE G-0108") und 65 Gew.-% schmelzgeblasenen polymeren Endlosfasern ("FINA 3860X" aus Polypropylen) verwendet wurde und der Durchmesser der Endlosfasern von 11,1 um auf 16,25 um erhöht wurde.

Beispiel 5

Bei diesem Beispiel wurde ein Vlies in der gleichen Weise hergestellt wie das von Beispiel 1 mit den Abweichungen, daß ein Gemisch aus 60 Gew.-% Elektret-Stapelfasern ("FILTRETE G-0108") und 40 Gew.-% schmelzgeblasenen Fasern ("FINA 3860X" aus Polypropylen) verwendet wurde und der Durchmesser der Endlosfasern von 11,1 um auf 22,37 um erhöht wurde.

Beispiel 6

Bei diesem Beispiel wurde ein Vlies in der gleichen Weise hergestellt wie das von Beispiel 1 mit den Abweichungen, daß ein Gemisch aus 35 Gew.-% Elektret-Stapelfasern ("FILTRETE G-0108") und 65 Gew.-% schmelzgeblasenen polymeren Endlosfasern ("FINA 3860X" aus Polypropylen) verwendet wurde und der Durchmesser der Endlosfasern von 11,1 um auf 3,92 um erhöht wurde.

Vergleichsbeispiele C, D und E

Bei den Vergleichsbeispielen wurden die Vliese zur Herstellung der Luftfilterproben auf einer "RANDO-WEBBER"-Blasvliesanlage behandelt. Alle in dem Vlies enthaltenen Fasern waren Stapelfasern. Die Zusammensetzungen der Vliese sind aus der Tabelle II zu entnehmen. TABELLE II Beispiel Nr. Durchmesser der Endlosfaser (um) Flächengewicht (g/m²) DOP Penetration (%) Δ P beim DOP-Test (Pa) Zugfestigkeit in Faserrichtung (kg) Dicke (mm) TABELLE II (Fortsetzung) Beispiel Nr. Durchmesser der Endlosfaser (um) Flächengewicht (g/m²) DOP-Penetration (%) Δ P beim DOP-Test (Pa) Zugfestigkeit in Faserrichtung (kg) Dicke (mm) '' Koch Filter Corporation, Mehrfalten-Plattenfilter mit mehreren Falten und Standardkapazität ¹ Das Filtermaterial bestand vollständig aus Stapelfasern, 25 % Elektret ("FILTRETE") und 75 % Polyethylenterephthalat (1,5 Denier oder 12,5 um Durchmesser) ² Das Filtermaterial bestand vollständig aus Stapelfasern, 29 % Elektret ("FILTRETE") und 71 % Polyethylenterephthalat (3 Denier oder 17,7 um Durchmesser) ³ Das Filtermaterial bestand vollständig aus Stapelfasern, 64 % Elektret ("FILTRETE") und 27 % Polyethylenterephthalat (6 Denier oder 25,1 um Durchmesser) und 9 % Polyethylenterephthalat (4 Denier oder 20,5 um Durchmesser)
Es ergab sich ein hohes Maß an Schwierigkeiten bei der Herstellung der Vliese der Vergleichsbeispiele C, D und E auf Grund des hohen Grades der statischen Aufladung an den Fasern "FILTRETE G-0108". Trotz dieser Schwierigkeiten wurden mehrere Kombinationen hergestellt. Dann wurden die Vliese vernadelt, um eine hinreichende mechanische Festigkeit zur Behandlung und für Tests zu erzielen.
Die Vergleichsbeispiele wurden mit Beispielen gemäß der Erfindung auf der Basis von (a) dem Gewicht des Vlieses, (b) dem prozentualen Gehalt an elektrisch geladenen Fasern in dem Vlies und (c) dem Durchmesser der Fasern in dem Vlies verglichen. Beispiel 3 wurde verglichen mit dem Vergleichsbeispiel C, Beispiel 4 wurde verglichen mit dem Vergleichsbeispiel D und Beispiel 5 wurde verglichen mit dem Vergleichsbeispiel E. Die Vliese gemäß dieser Erfindung übertrafen in den Filtereigenschaften und der Festigkeit die herkömmlichen Vliese, die auf einer "RANDO-WEBBER"-Anlage hergestellt waren. Bei den drei Paaren von verglichenen Proben wies das Filtermaterial eines gegebenen Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung einen Qualitätsfaktor (Q) auf, der ungefähr zweimal so hoch war wie derjenige des entsprechenden Vergleichsbeispiels. Bei den drei Paaren von verglichenen Proben war die prozentuale DOP-Penetration von Aerosol durch das Filtermaterial eines gegebenen Beispiels gemäß der vorliegenden Erfindung geringer als diejenige des entsprechenden Vergleichsbeispiels.

Beispiel 7

In einem integrierten, einstufigen Sammelverfahren wurden nichtebene Vliese aus Filtermaterial mit einer größeren Wirkfläche bei einem gegebenen Schlitz- oder Kanalquerschnitt hergestellt, wobei eine Auffangvorrichtung mit einer abwechselnd offenen und geschlossenen Oberfläche verwendet wurde, die aus parallelen Stäben bestand, die durch einen Rahmen von einem Rückhaltesieb getrennt waren.
Die Auffangvorrichtung (siehe FIG. 7) umfaßte einen rechteckigen Rahmen 82 (406 mm x 508 mm) mit einer Tiefe von 25,4 mm. Auf die eine Seite 82a des Rahmens 82 wurde quer über dessen Länge parallel eine Vielzahl von zylindrischen Holzstäben 84 (6,4 mm Durchmesser) aufgeklebt, die von Mitte zu Mitte um 32 mm voneinander getrennt waren. Auf der anderen Seite 82b des Rahmens 82 wurde ein rechteckiges Drahtsieb 86 mit Öffnungen von annähernd 6,4 mm² befestigt.
Diese Anordnung, an der die Seite mit den Stäben so positioniert war, daß sie den Faserstrom zurückhielt, wurde durch einen Faserstrom geführt, bestehend aus 35 Gew.-% Elektret-Stapelfasern ("FILTRETE G-0108") und 65 Gew.-% schmelzgeblasenen polymeren Endlosfasern (Polypropylen). Das an der Oberfläche der Anordnung mit den Stäben gesammelte, fertige Vlies wies eine feste, gewellte Konfiguration auf, die die gewünschte größere Wirkfläche aufwies. Das Vlies wies auch einen Zusammenhalt und eine Festigkeit und Homogenität auf, die vergleichbar waren mit der von Vliesen, die mit den weiter oben beschriebenen Verfahren gemäß dieser Erfindung hergestellt wurden.

Claims

1. Filtermaterial bestehend aus einem Vlies, welches folgendes umfaßt:

(a) eine Masse nichtgeladener schmelzgeblasener Endlosfasern aus einem Polymer- oder Glasmaterial; und

(b) elektrisch geladene Stapelfasern, die regellos unter die Endlosfasern verteilt sind, wobei das Vlies ein Gewicht von 40 g/m² bis 150 g/m² besitzt.

2. Filtermaterial nach Anspruch 1, bei dem die Konzentration der elektrisch geladenen Stapelfasern im Bereich von 10 Gew.-% bis 80 Gew.-% des Vlieses liegt.

3. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der durchschnittliche Durchmesser der Endlosfasern 0,1 um bis 50 um beträgt.

4. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der durchschnittliche Durchmesser der Endlosfasern mindestens 10 um beträgt.

5. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das durchschnittliche Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Endlosfasern mindestens 5000:1 beträgt.

6. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die durchschnittliche Länge der elektrisch geladenen Stapelfasern 6,5 mm bis 50 mm beträgt.

7. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der elektrisch geladenen Fasern nur eine positive Ladung besitzt.

8. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der elektrisch geladenen Fasern nur eine negative Ladung besitzt.

9. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein Teil der elektrisch geladenen Fasern sich permanent im Zustand der elektrischen Polarisation befindet.

10. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Druckabfall in dem Vlies weniger als 74,7 Pascal (Pa) beträgt bei einer Luftgeschwindigkeit von 0,91 m/sec.

11. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Endlosfasern aus einem polymeren Material bestehen, das ausgewählt ist aus Polyolefinen, Polyestern, Polyurethanen und Mischungen derselben.

12. Filtermaterial nach Anspruch 11, bei dem die polymeren Endlosfasern aus Polypropylen bestehen.

13. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wert des Qualitätsfaktors (Q), wobei

wobei "DOP-Penetration" die prozentuale Eindringtiefe von Dioctylphthalatteilchen mit einer Größe von 0,3 um in das Vlies darstellt, gemessen mit einem Aerosol-Penetrometer des Typs TDA-100 von der Firma Air Techniques, Inc., Baltimore, Maryland, "ΔP" den Druckabfall in Pascal darstellt, und "ln" den natürlichen Logarithmus darstellt,

im Bereich von 0,05 Pa&supmin;¹ bis 5 Pa&supmin;¹ liegt.

14. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wert des Qualitätsfaktors (Q) mindestens 0,1 Pa&supmin;¹ beträgt.

15. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Vlies eine Vielzahl von kissenartigen Bereichen umfaßt, die durch ebene Bereiche voneinander beabstandet sind, wobei die kissenartigen Bereiche zu einer Seite der ebenen Bereiche hin verschoben sind.

16. Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-14, bei dem das Vlies eine Vielzahl von Falten umfaßt, die quer über das Vlies verlaufen.

17. Verfahren zur Herstellung von Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem nichtgeladene schmelzgeblasene Endlosfasern und elektrisch geladene Stapelfasern kombiniert werden, so daß die elektrisch geladenen Fasern regellos unter die Endlosfasern verteilt sind, und daß das Vlies ein Gewicht von 40 g/m² bis 150 g/m² besitzt.

18. Verfahren zur Herstellung des Filtermaterials von Anspruch 15, umfassend die folgenden Schritte:

(1) Kombination von nichtgeladenen schmelzgeblasenen Endlosfasern und elektrisch geladenen Stapelfasern, so daß die elektrisch geladenen Fasern regellos unter die Endlosfasern verteilt sind,

(2) Sammeln der Kombination von Endlosfasern und Stapelfasern auf einer Auffangvorrichtung, die ein kissenbildendes Sieb mit Öffnungen darin und ein hinter dem kissenbildenden Sieb angeordnetes Rückhaltesieb umfaßt, so daß sich die kissenartigen Bereiche in den Öffnungen des kissenbildenden Siebes sammeln und die kissenartigen Bereiche von dem Rückhaltesieb zurückgehalten werden; so daß das Vlies ein Gewicht von 40 g/m² bis 150 g/m² besitzt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das kissenbildende Sieb eine Reihe von kreisrunden Öffnungen besitzt.

20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das kissenbildende Sieb eine Reihe von sechseckigen Öffnungen besitzt.

21. Verfahren zur Herstellung des Filtermaterials von Anspruch 16, umfassend die folgenden Schritte:

(1) Kombination von nichtgeladenen schmelzgeblasenen Endlosfasern und elektrisch geladenen Stapelfasern, so daß die elektrisch geladenen Fasern regelos unter die Endlosfasern verteilt sind,

(2) Sammeln der Kombination von Endlosfasern und Stapelfasern auf einer Auffangvorrichtung, die eine Vielzahl von parallelen Stangen umfaßt, und

(3) Entnahme eines Vlieses mit einem Vielzahl von Falten darin; so daß das Vlies ein Gewicht von 40 g/m² bis 150 g/m² besitzt.