DE69210047T2 - Elektrostatisches filterfaservlies mit eingelegtem futter - Google Patents

Elektrostatisches filterfaservlies mit eingelegtem futter

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausbilden eines Elektretvliesfilters und Produkte eines solchen Verfahrens.
  • Vliesmatten aus Elektretfasern werden normalerweise aus lose zusammenhängenden Fasern ausgebildet. Die Fasern können elektrostatisch geladen werden, bevor, während oder nachdem sie zu einer Vliesmatte ausgebildet werden. Beispielsweise ist in der US-A-4588537 ein Laden nach Ausbildung beschrieben, durch das eine lockere Vliesmatte geladen wird, die durch vielfältige Verfahren ausgebildet wird, zu denen Kardieren und Schmelzblasen gehören. Die Matten werden unter Kompression geladen, wonach sie wieder in ihre ursprüngliche Lockerheit zurückkehren können. Diese Patentschrift erklärt, daß vorgeladene Fasern vorzugsweise bipolar sind, so daß sie Kräuseln tendenziell widerstehen, was durch Vorkräuseln verhindert wird, wenn das Ladeverfahren dieser Patentschrift zum Einsatz kommt.
  • Fasern können auch während ihrer Ausbildung geladen werden, was in der US-A-4215682 offenbart ist, wobei schmelzgeblasene Fasern mit Ionen oder Elektronen bombardiert werden, unmittelbar nachdem sie aus den Schmelzblasöffnungen extrudiert sind. Die Fasern erstarren an der Atmosphäre äußerst schnell und werden als halbzusammenhängende Masse verschlungener Mikrofasern aufgefangen. Beschrieben wird, daß die Matten vorzugsweise offen sind, um einen geringen Druckabfall für das Filter durchlaufende Flüssigkeit vorzusehen.
  • Ein besonders wirksames Verfahren zum Ausbilden eines Vlieselektretfaserfilters ist in der US-RE-30782 beschrieben. Die Elektretfasern in dieser Patentschrift werden aus einem koronageladenen Film ausgebildet, der fibrilliert wird, um die geladenen Fasern zu bilden. Anschließend können die geladenen Fasern zu einer Vliesmatte durch gebräuchliche Verfahren ausgebildet werden, z. B. Kardieren oder aerodynamische Vliesbildung. Dieses Ladeverfahren sieht eine besonders hohe Dichte injizierter Ladungen vor. Probleme treten jedoch beim Ausbilden von Matten aus diesen vorgeladenen Fasern auf. Im allgemeinen sind die Fasern recht groß und nicht gekräuselt. Außerdem leisten sie Widerstand gegen Biegen. Teilweise infolge dieser Eigenschaften widersetzen sich die Fasern der Ausbildung zu einer gleichmäßigen zusammenhängenden Matte, besonders bei geringen Flächengewichten. Diesem Problem widmet sich teilweise die US-A-4363682, die den Einsatz solcher fibrillierter Fasermatten für Gesichtsmaskenanwendungen vorschlägt. Um eine stärker zusammenhängende Matte sowie eine Matte vorzusehen, die gegen Faserablösung beständig ist, schlägt diese Patentschrift eine Nachprägebehandlung vor. Dieses Nachprägen schweißt die Außenflächenfasern zusammen, was vermeintlich eine stärker zusammenhängende und bequemere Matte zur Verwendung als Gesichtsmaske vorsieht. Diese Behandlung führt aber auch tendenziell zu einer stärker verdichteten Matte, was den Druckverlust über das Filter erhöhen würde.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Elektretvliesfilter bzw. -nonwovenfilter mit gleichmäßigen Filtrationseigenschaften sowie ein Verfahren zum Ausbilden eines solchen Filters vorzusehen.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren und Filter gemäß den Ansprüchen gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird ein gleichmäßiges Elektretfasermattenfilter gewonnen durch Ausbilden einer Matte aus geladenen Fasern, Auflegen der geladenen Fasermatte auf ein offenes, im wesentlichen nicht dehnbares Futter-bzw. Trägermaterial aus Mull bzw. Scrim und anschließendes Vernadeln des zusammengesetzten Materials, um eine sehr gleichmäßige Filtermatte vorzusehen.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden näher im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahrensanordnung; und
  • Fig. 2 ein Diagramm der prozentualen Verringerung des Variationskoeffizienten dreier Eigenschaften als Funktion des Nennflächengewichts für erfindungsgemäße Filter und Vergleichsfilter ohne Verwendung eines Futters.
  • Fig. 1 stellt eine Vorrichtungsanordnung 1 zur praktischen Ausführung der Erfindung dar. Die fibrillierten Fasern werden zu einer Vliesmattenschicht 10 durch eine Karde bzw. Streichmaschine 2 ausgebildet. Danach kann die Filtermattenschicht 10 zu einem Randomisierer 3 geführt werden, um das Flächengewicht zu erhöhen. Typischerweise ist der Randomisierer ein Satz aus ineinandergreifenden metallischen Drahtwalzen (z. B. mit V-Nuten). Zusätzlich könnte eine (nicht gezeigte) zweite Filtermattenschicht von der Karde 2 abgewikkelt, ähnlich behandelt und dann mit der Filtermattenschicht 10 verbunden werden. Dies gestattet eine größere Flexibilität in der Auswahl von Flächengewichten. Das Futter bzw. der Träger 11 wird von einer Vorratsspule 4 auf die Filtermattenschicht 10 zugeführt. Das Futter 11 könnte jedoch auch vor der Karde 2' zugeführt werden, so daß die Filtermattenschicht 10' auf das Futter 11 gelegt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine zweite Karde 2' so verwendet, daß das Futter eine Mittelschicht zwischen zwei äußeren Vliesfilterschichten ist. Dies ist in Fig. 1 durch eine zweite Kardenanordnung mit identischer Numerierung gezeigt. Gleichermaßen könnte eine zweite Filtermattenschicht von der Karde 2' abgewickelt und mit der Filtermattenschicht 10' verbunden werden. Die beiden Filtermattenschichten 10 und 10' können unterschiedliche Flächengewichte haben. Die Verwendung zweier Filtermattenschichten führt zu besonders gleichmäßigen Filtern mit geringer Veränderlichkeit.
  • Die vorgeladenen Fasern werden vorzugsweise durch die Verfahren ausgebildet, die in den US-RE-30782 und 31285 beschrieben sind. Die Fasern an sich werden aus einem (z. B. durch eine Koronaentladungselektrode) elektrostatisch geladenen Film gebildet, der fibrilliert wurde, um Fasern mit im wesentlichen rechtwinkligem Querschnitt vorzusehen.
  • Danach werden die Filtermattenschicht 10 und das Futter 11 zu einer Vernadelstation 5 geführt, an der die Filtermattenschicht 10 mit dem Futter durch die Wirkung von Nadeln verbunden wird, um das Filter 12 auszubilden. Die Nadeln durchdringen vorzugsweise zunächst eine Mattenschicht, um Fasern quer und sicher nach unten in das Futter zu verschieben und dazu beizutragen, daß die Fasern in das Futter eingreifen, und in der bevorzugten Ausführungsform in die Fasern einer darunter liegenden Filtermattenschicht 10'. Die Nadeln können so angeordnet sein, daß sie das zusammengesetzte Filter 12 mit etwa 10 bis 300 Durchdringungen je cm² durchdringen. Dabei führen jedoch höhere Vernadelungsdichten tendenziell zur Verdichtung des Filters 12, was den Druckverlust über das Filter erhöht. Vorzugsweise erfolgt das Vernadeln mit weniger als 75 Durchdringungen je cm². Anschließend wird das vernadelte verbundene zusammengesetzte Material auf eine Aufwickelspule 6 zur nachfolgenden Verarbeitung aufgenommen.
  • Matten, die typischerweise aus Kardierabläufen hervorgehen, sind mit größeren Faserorientierungsmengen in die Maschinenrichtung anisotrop, wodurch sich allgemein Matten in diese Richtung stabil handhaben lassen. Matten mit geringerem Flächengewicht lassen sich aber weniger leicht handhaben. Eine Praxis zur Verbesserung der Handhabbarkeit von Vliesmatten bestand in der Vergangenheit darin, die Matten zu vernadeln, um die Zwischenfaserbindung zu erhöhen. Festgestellt wurde jedoch, daß dies die Gleichmäßigkeit von Elektretmatten stört. Besonders problematisch zeigte sich diese Störung der Mattengleichmäßigkeit, wenn ein Randomisierer zur Erhöhung des Nennflächengewicht der Matte verwendet wird.
  • Unerwartet wurde festgestellt, daß der Einsatz von Vernadelbehandlungen an einer fibrillierten Elektretvliesmatte die Gleichmäßigkeit der Elektretmatte stark erhöhen kann, wenn die Matte mit einem darunter liegenden Futterträger vernadelt wird. Besonders gute Gleichmäßigkeitsergebnisse zeigen sich dort, wo zwei Matten mit einem Futter zwischen den beiden Matten vernadelt werden. Der Variationskoeffizient dieser Filtermatten mit Futterträger sinkt merklich im Vergleich mit ähnlichen Matten, die ohne den Futterträger hergestellt sind.
  • Das Futtermaterial kann jedes bekannte Verstärkungsmaterial, und zwar gewebt oder nichtgewebt (Vlies), sein. Allgemein sind Vliesfutter im Hinblick auf Kosten und Offenheitsgrad bevorzugt. Vorzugsweise ist das Futtermaterial außerdem polymer und zur Recycling-Fähigkeit vorzugsweise aus einem Polymer ausgebildet, das mit dem Material der Elektretvliesmatte verträglich ist. Ein Futter aus Vliesmaterial wird allgemein zur Erhöhung von Zugeigenschaften behandelt, z. B. durch Thermoprägen, Kalandrieren, Schallbindung, Bindemittelfasern o. ä. Ein typisches Futtermaterial wäre eine Polypropylen-Spinnvliesmatte.
  • Die vorgeladenen Elektretfasern werden vorzugsweise aus einem dielektrischen Film ausgebildet, der koronageladen und anschließend fibrilliert werden kann. Zu geeigneten Filmbildungsmaterialien gehören Polyolefine, z. B. Polypropylen, Linearpolyethylen niedriger Dichte, Poly-1-buten, Polytetrafluorethylen, Polytrifluorchlorethylen, oder Polyvinylchlorid, aromatische Polyarene, z. B. Polystyren, Polycarbonate, Polyester und Copolymere sowie Mischungen daraus. Bevorzugt sind Polyolefine, die frei von verzweigten Alkylradikalen und deren Copolymeren sind. Besonders bevorzugt sind Polypropylen und Polypropylencopolymere. Verschiedene bekannte Funktionszusätze können mit den dielektrischen Polymeren oder Copolymeren gemischt sein, z. B. Poly(4-methyl-1-penten) gemäß der Lehre in der US-A-4874399, ein Fettsäuremetallsalz gemäß der Offenbarung der US-A-4789504 oder Partikeln gemäß der US-A- 4456648.
  • Das offenbarte Verfahren gilt außerdem auf andere Verfahren zur Ausbildung geladener Fasern zu Matten anwendbar, zu denen aerodynamische Vliesbildung bzw. Blasen, elektrostatische Beschichtung, Rando-Matten u. ä. gehören. In diesen Mattenausbildungsverfahren treten ähnliche Probleme bei der Ausbildung geladener Fasern zu gleichmäßigen Matten auf.
    • Beispiele
  • Ein fibrilliertes Vliesfaserfilter wurde mit der anhand von Fig. 1 beschriebenen Vorrichtung unter Verwendung eines Randomisierers und eines Futters hergestellt (Beispiele C1 bis C5). Das Futter wurde zwischen zwei Filtermattenschichten von den Karden 2 und 2' angeordnet. Die Fasern waren fibrillierte Polypropylenelektrete, die gemäß der US-RE-30782 ausgebildet waren. Diese Filter wurden mit ähnlichen Filtern ohne Futtereinlage verglichen. Die Futtereinlage war ein handelsübliches Spinnvlies mit einem Flächengewicht von etwa 10 g/m² (Lutrasil , zu beziehen von der Firma Karl Freudenberg, Kaiserslautern, Deutschland).
  • Das Flächengewicht (BW) der Filter wurde durch Wiegen einer Scheibe mit einer Fläche von 100 cm² bestimmt und in Gramm/m² umgewandelt. Die Durchdringung und der Druckabfall der Medien wurde mit einer automatischen Filterprüfmaschine TSI Typ 8110 der Firma TSI Inc., Minneapolis, MN auf der Grundlage einer Prüffläche von 50 cm² und einer Luftgeschwindigkeit von 0,2 m/s gemessen. Die Luft enthielt ein NaCl-Aerosol, wobei als Durchdringung das Verhältnis der NaCl-Konzentration hinter und vor dem Filter geteilt durch 100 gilt. Der Variationskoeffizient (COV), definiert als Verhältnis zwischen Standardabweichung und Flächengewicht, wurde anhand von Stichprobenkontrollen von Filtereigenschaften an mindestens 7 Stellen des Filters berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 und 2 dargestellt.
  • Der Qualitätsfaktor Q ist mathematisch durch den Ausdruck
  • Q=-ln(%P/100)/ΔP
  • definiert, worin %P die prozentuale Durchdringung ist, ΔP den Druckabfall in Pascal bezeichnet und ln den Logarithmus naturaus darstellt. Dieser Wert ist stets positiv und steigt bei verringerter Durchdringung. Umgekehrt verringert sich der Q- Wert bei zunehmendem Druckabfall. Allgemein ist Q ein Index, der nicht vom Flächengewicht abhängt. Somit kann Q zum Vergleich der Filtrationsleistung von Filtern mit unterschiedlichen Flächengewichten verwendet werden. TABELLE I TABELLE II
  • #1 Die Flächengewichte wurden angepaßt, um das Vliesfutter auszuschließen.
  • Die COV-Werte für Matten mit vergleichbarem Flächengewicht verringerten sich für die erfindungsgemäßen Beispielmatten 1 bis 11 signifikant in Vergleich zu ähnlichen Matten, die ohne Verstärkungsfutter hergestellt waren (Vergleichsbeispiele C1 bis C5). Die stärksten Rückgänge in den COV-Werten wurden bei geringeren Flächengewichten beobachtet (z. B. unter etwa 120 gim²). Diese Verbesserung ist grafisch in Fig. 2 zusammengefaßt, worin die y-Achse die prozentuale COV-Verringerung der Beispiele mit Futtereinlage im Vergleich zu den Beispielen ohne Futter darstellt. Die x-Achse bezeichnet die Nennflächengewichte der verglichenen Matten. Die Balken A stellen das Flächengewicht, die Balken B die Durchdringung und die Balken C den Druckabfall dar.

Claims (14)

1. Verfahren zum Ausbilden eines Elektretvliesfilters mit den folgenden Schritten:
a) Bereitstellen elektrostatisch geladener dielektrischer Fasern, die durch Fibrillieren einer Matte oder eines Films gebildet sind, in mindestens einer Vliesfiltermattenschicht (10 oder 10'), gekennzeichnet durch
b) Verbinden mindestens einer Vliesfiltermattenschicht mit einem Verstärkungsfutter (11) und
c) Vernadeln (5) der mindestens einen Vliesfiltermattenschicht (10 oder 10') und des Verstärkungsfutters (11), um ein Filter mit gleichmäßigem Flächengewicht, Druckabfall und gleichmäßiger prozentualer Durchdringung durch das Filter auszubilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die elektrostatisch geladenen Fasern im wesentlichen rechtwinklige Querschnitte haben.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das Verstärkungsfutter (11) eine Innenschicht zwischen zwei äußeren Vliesfiltermattenschichten (10, 10') ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mindestens eine Vliesfiltermattenschicht (10 oder 10') durch Kardieren ausgebildet ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches ferner den Schritt aufweist, daß die kardierte Filtermattenschicht (10 oder 10') vor dem Verbinden mit der Futterverstärkung (11) randomisiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektrostatisch geladene Faser eine Polypropylenpolymeroder -copolymerfaser ist und die Futterverstärkung ein Polypropylenpolymer- oder -copolymer-Spinnvlies ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die fibrillierte Matte oder der fibrillierte Film elektrostatisch geladen wird.
8. Gleichmäßige(s) Elektretvliesfilter oder -filtermatte mit mindestens einer Vliesfiltermattenschicht (10 oder 10') aus elektrostatisch geladenen dielektrischen Fasern, dadurch gekennzeichnet, daß die Vliesfiltermattenschicht (10 oder 10') mit einem Verstärkungsfutter (11) durch Vernadeln verbunden ist, wobei die elektrostatisch geladenen dielektrischen Fasern aus einem Film aus einem filmbildenden Polymer fibrilliert sind, wobei das Vernadeln eine Gleichmäßigkeit des Flächengewichts, des Druckabfalls und der prozentualen Durchdringung der Vliesfiltermattenschicht ergibt.
9. Elektretvliesfilter oder -filtermatte nach Anspruch 8, wobei die elektrostatisch geladenen Fasern Polypropylenpolymere oder -copolymere sind.
10. Elektretvliesfilter oder -filtermatte nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Verstärkungsfutter (11) eine Mittelschicht zwischen zwei äußeren Vliesfiltermattenschichten (10 oder 10') ist.
11. Elektretvliesfilter oder -filtermatte nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Vliesfilterschicht (10 oder 10') eine kardierte Matte ist.
12. Elektretvliesfilter oder -filtermatte nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Vliesfiltermattenschicht (10 oder 10') randomisiert ist.
13. Elektretvliesfilter oder -filtermatte nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die mindestens eine Vliesfiltermattenschicht ein Gesamtflächengewicht von weniger als 120 g/m² hat.
14. Elektretvliesfilter oder -filtermatte nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der fibrillierte Film elektrostatisch geladen ist.
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