DE69210422T2 - Filtertuch-schichtstoff - Google Patents

Filtertuch-schichtstoff

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Description

  • Die Erfindung betrifft Membran-Schichtstoffe, die sich als Filter bei der Filterung von Feststoffen aus Fluidströmen eignen, beispielsweise für Industriegasströme.
  • Stoffilter werden häufig zum Separieren von Feststoffteilchen aus einem Industriefluidstrom verwendet. Wenn der auf dem textilen Stoff basierende Filterträger das teilchenförmige Material ansammelt, nimmt sein Strömungswiderstand gegenüber dem Fluid zu. Wird dieser Widerstand beträchtlich, so muß der Filter regeneriert werden, indem der Teilchenstoff unter Verwendung verschiedener Verfahren beseitigt wird. Die am meisten üblichen Reinigungsverfahren sind das Impulsstrahl-, das Gegenluftstrom- und das Schüttelverfahren.
  • Die Impulsstrahlmethode verwendet einen kurzzeitigen Druckluftimpuls. Der Luftstoß wird in den offenen Oberteil des Beutels eingeleitet. Die eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Luftmasse expandiert das Filter kräftig. Anschließend implodiert der Beutel gegen seinen Käfig und nimmt dann wieder den Filterdienst auf. Während dieser raschen Bewegung löst sich der angesammelte Staubkuchen von dem Filter, um zur Beseitigung in den Trichter zu fallen.
  • Die Gegenluftstromsysteme verwenden einen schwachen Luftstrom von der sauberen Seite zur Staubseite hin. Während der Reinigungsphase muß das gesamte Abteil gegenüber einem Vorwärtsluftstrom gesperrt werden. Das Rückspülen der Luft bringt den Beutel zum Kollabieren. Der zerbrochene Staubkuchen wird durch den offenen Boden des Sammeltrichters gespült.
  • Schüttelreinigungsmechanismen werden ebenfalls bei Filterbeuteln eingesetzt, die im Inneren Staub sammeln. Der geschlossene Oberteil des Beutels wird an einem Schwingarm angebracht. Die sinusförmige eingeleitete Welle verlagert den Staubkuchen innerhalb des Beutels, so daß er schließlich durch den offenen Boden in den Trichter fällt. Das Abteil der Beutel wird während dieses Reinigungsvorgangs aus dem Filterdienst ausgespart.
  • Schüttelfiltergehäuse werden in der gesamten Welt für sämtliche Arten von industrieller Filterung eingesetzt. Die Anwendungen reichen von dem Sammeln pulverisierter Milchprodukte bis zu dem für den Emissionsschutz vorgesehenen Einfangen von Feinstaub aus großen Öfen in der Metallveredelungsindustrie. Die meisten dieser Sammler verwenden gewebte Filterträger geringen Gewichts von 0,13 - 0,33 kg/m² (4 - 10 oz/yd²).
  • Eine der hauptsächlichen Ausfallarten bei diesen Filtern, wenn diese für Metalle und Minerale eingesetzt werden, ist die Hydrolyse- Beeinträchtigung durch Säuren und Feuchtigkeit in den Gasströmen Um die chemische Beständigkeit zu verbessern, können folglich gewebte Polyacrylonitril-(PAN)Materialien eingesetzt werden.
  • Konventionelle gewebte Polyester- und Acrylstoffe sind für sich genommen schlechte Filtermittel, weil sich auf der Oberfläche der Filtriermedien ein Primär-Staubkuchen aufbauen muß. Der Kuchen verbessert die Wirksamkeit des Filters im Vergleich zu einem reinen Filter, allerdings erhöht der Kuchen auch den Druckabfall an dem Filter. Sogar bei dem oben beschriebenen Schüttelreitügungsmechanismus geben die Beutel nicht sämtlichen an dem Beutel angesammelten Staub frei. Im Verlauf der Zeit wird diese eingefangene Schicht aus Staub dick genug, damit auch nach einem Schüttelvorgang ausreichend Staub an dem Beutel verbleibt, um einen hohen Druckabfall an dem Filter hervorzurufen. Dieser erhöhte Druckabfall führt zu Prozeßproblemen, so daß der Kuchen von dem Beutel entfernt werden muß. Die Beutel müssen abgenommen und entweder gewaschen oder ersetzt werden. Die sauberen Beutel ergeben dann die gleichen Emissionsprobleme, wie sie bei den neuen Beuteln gegeben waren. Das Beutelgehäuse ist so lange uneffizient, bis sich auf sämtlichen Beuteln ein neuer Staubkuchen aufgebaut hat.
  • Schichtstoffmembran-Filtermedien haben aufgrund illrer verbesserten Filterleistung zunehmende Aufmerksamkeit erlangt. Zum Reduzieren der Emission auf Werte von nahezu Null ist kein Primärkuchen erforderlich, und nahezu sämtlicher angesammelter Staub wird bei jedem Schüttelvorgang entfernt, was dazu beiträgt, einen andauernd geringen Druckabfall an dem Laminat während der Lebensdauer des Beutels aufrechtzuerhalten. Eingesetzt wurden zwei Schichtlaminate aus Membranen aus porösem expandierten Polytetrafluorethylen (PTFE) sowie eine Reihe unterschiedlicher Unterlagen. Einige Beispiele sind: bei Hochtemperatur-Impulsstrahl-Anwendungen wurden Glasfaserunterlagen eingesetzt, bei Niedertemperatur-Impulsstrahlverfahren wurden Unterlagen aus Polyesterfilz eingesetzt. Unterlagen aus zu Filz verarbeitetem Acryl oder PTFE wurden ebenfalls bei Impulsstrahlverfahren eingesetzt, bei denen Hydrolyse ein potentielles Problem darstellen konnte. In Filtriersystemen mit Niederenergiereinigung (Schüttler und Gegenluftstrom) wurde als Unterlage gewebter Polyesterstoff eingesetzt.
  • In jüngerer Zeit gibt es einen zunehmenden Bedarf an reinigbaren Filtermedien hoher Effizienz für niedrige Temperatur (unterhalb 135ºC), die chemisch resistent und mit geringer Energie reinigbar sind. Ein Laminat, welches eine Membran aus expandiertem porösen PTFE enthält, erfüllt die meisten dieser Kriterien, jedoch besteht eine Schwierigkeit in der Auffindung eines Unterlagenmaterials, welches sich für die Reinigung bei niedrigerer Energie in chemisch aggressiver Umgebung eignet. Einem solchen Bedarf wird ein Laminat aus einer Membran aus expandiertem porösen PTFE und einem gewebten Acrylstoff gerecht.
  • Wenn hitzehärtbare Fasern als Unterlagenmaterial verwendet werden, benötigt man ein Klebemittelsystem. Klebemittel können außerdem sogar bei thermoplastischen textilen Unterlagen bei dem Laminiervorgang deshalb von Vorteil sein, weil die Bindung an thermoplastischen Fasern die Qualität des Laminats spürbar beeinträchtigen kann. Während die Verwendung von Klebemitteln notwendig ist, um eine gute Verbindung zu schaffen, stellt ihr Einsatz auch einige Probleme dar. Die Schüttelreinigungssysteme erfordern flexible, durchlässige Beutel, und Klebemittel stehen diesen Eigenschaften häufig entgegen. Beispielsweise können Pulverbeschichtungs-Klebemethoden zu einem ungleichmäßigen Klebstoffüberzug führen, der dazu führt, daß das Material eine nicht konsistente Permeabilität erhält. Pulver läßt auch eine Klebemittelwanderung zu, welche möglicherweise die Reinluftseite der Filtermedien verunreinigt. Lösungsmittelfreie Klebstoffe werden chemisch angegriffen, so daß solche Laminate sich nicht für aggressive chemische Umgebungen eignen. Flüssige Klebemittel haben die Neigung, durch Kapillarwirkung sowie die hydrophile Beschaffenheit einiger Unterlagenfasern in den Stoff eingezogen zu werden. Dies führt zu einer unangemessenen Menge von Klebstoffen auf der Oberfläche, um eine zufriedenstellende Bindung mit der Membran zu bilden. Es führt außerdem zu einem steifen Laminat deshalb, weil die gesponnenen und Filament-Garne gebunden werden. Diese Saugwirkung läßt sich vermeiden durch Zugabe von Klebstoffverdickern, allerdings werden hierdurch die chemische Überlegenheit und die Langzeit-Klebwirkung beeinträchtigt.
  • Die Laminate gemäß der vorliegenden Erfindung sind so ausgestaltet, daß die oben beschriebenen Klebstoffprobleme gelöst und flexible Laminate erhalten werden.
  • Erfindungsgemäß ist eine Membran aus expandiertem porösen Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einem Klebemittel an einem Stoff aus synthetischem Polymer angeklebt, welches ein öl- und wasserbeständiges Polymer enthält, welches in einer Weise vorhanden ist, daß es das Klebemittel daran hindert, nennenswert in den Stoff eingesaugt zu werden, so daß das Substrat flexibel bleibt.
  • Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines repräsentativen erfindungsgemäßen Laminats 10.
  • Fig. 2 zeigt einen seitlichen Querschnitt eines Beutelgehäuses mit Filterkuchen an den Beutelwänden.
  • Fig. 3 zeigt eine seitliche Querschnittansicht eines Beutelgehäuses, indem die Filterkuchen abgeschüttelt werden.
  • Bezugnehmend auf Fig. 1, verwendet die Erfindung eine Membran 11 aus porösem Polytetrafluorethylen (PTFE). Die Membran kann gemäß einer Reihe verschiedener bekannter Verfahren hergestellt werden, wird jedoch vorzugsweise durch Expandieren von Polytetrafluorethylen hergestellt, wie dies in den US-Patenten 4 187 390; 4 110 239 und 3 953 566 beschrieben ist, um expandiertes Polytetrafluorethylen zu erhalten. Mit "porös" ist gemeint, daß die Membran eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 0,05 Kubikmetern pro Minute und Quadratmeter (m/min) bei 20 mm Wassersäule besitzt. Membranen mit Luftdurchlässigkeiten von 200 m/min bei 20 mm Wasser oder darüber können verwendet werden. Die Poren sind Mikroporen, gebildet durch die Knoten und Fibrillen des expandierten PTFE.
  • Die Membran besitzt vorzugsweise eine Luftdurchlässigkeit von mindestens 7,7 m/min bei 20 mm Wassersäule (Frazier-Zahlen 1 bis 10).
  • Das Textilsubstrat 14, auf das die Membran 11 auflaminiert ist, kann aus einer Reihe unterschiedlicher Stoffe bestehen, beispielsweise Aramid, Copolyimid, Polyimiden, Modacryl, Polyester, Polypropylen, vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine Polyacrylonitril- (PAN-)Faser, die zu einem drei mal eins (3x1) Köperstoff verwebt ist, der zwischen 0,2 und 0,3 kg/m² wiegt. Der Stoff kann gewebt, gestrickt, ungewebt oder dergleichen sein. Man kann Stoffe unterschiedlicher Gewichte einsetzen, indem man die Gewebeart, die Garnzahl oder die Fadenzahl ändert.
  • Das Behandeln des Textilsubstrats 10 mit einem öl- und wasserbeständigen Polymer 13 vor dem Aufbringen einer Klebstoffbeschichtung 12 ist wichtig für die Herstellung eines Laminats 10, welches flexibel bleibt. Die freie Oberflächenenergie des Stoffs reduziert sich durch eine solche Abstoßungsbehandlung. Das Vorhandensein von öl- und wasserbeständigem Material bewirkt, daß das Klebemittel sich an der Oberfläche "aufperlt" und verhindert ein Eindringen des Klebemittels in die Kapillare des Gewebes. Der beschichtete Stoff kann mit Wärme behandelt werden, um mögliches Wasser des Klebemittels zu verdampfen, so daß lediglich Klebstoffpartikel auf der Oberfläche verbleiben.
  • Das öl- und wasserbeständige Polymer kann eines aus einer Vielfalt von Fluorpolymeren sem. Fluorpolymere mit Acryl-Urethan- oder anderen Einheiten in dem Gerüst, die fluorierte organische (vorzugsweise Alkyl-)Seitenketten haben, bilden um die Fasern herum einen Film, der die wasser- und ölbeständigen Eigenschaften ergibt. Handelsübliche öl- und wasserbestandige Polymere beinhalten Zepel -Fluorpolymer, Teflon- AF -Fluorpolymere und Milease - oder ScotchGard -Wasser/Öl- Abweiser. Die Polymere werden derart aufgebracht, daß die Luftdurchlässigkeit des Stoffs nicht in nennenswertem Umfang beeinträchtigt wird.
  • Der zum Laminieren der porösen expandierten PTFE-Membran auf den Stoff verwendete Klebstoff kann eine aus einer Reihe von fluorchemischen Dispersionen oder synthetischen Latexen sem. Vorzugsweise sollte das Klebemittel eine ähnliche oder noch bessere chemische Beständigkeit und thermische Beständigkeit aufweisen als die zum Weben des Stoffs verwendeten Garne. Mögliche Klebemittelsysteme beinhalten wässrige anionische Dispersionen von:
  • 1. Butadien-Acrylonitril-Copolymere
  • 2. Copolymere auf der Basis von Acrylestern
  • 3. Vinyl- und Vinyliden-Chloridpolymere und -Copolymere, hergestellt durch Emulsions-Polymerisation,
  • 4. Styrol-Butadien-Copolymere,
  • 5. Terpolymere von Butadien, Styrol und Vinylpyridin.
  • Sämtliche von ihnen ergeben eine angemessene Bindung der Membran an dem Material, wobei das gesamte Laminat in hohem Maße chemisch beständig bleibt. Unterschiedliche Beschichtungsverfahren für das Material mit dem Klebstoff vor dem Laminieren sind möglich. Aber unabhängig davon, welches Beschichtungsverfahren verwendet wird, verhindert das öl- und wasserbeständige Polymer, daß das Klebemittel in den Stoff einsickert. Wenn die Dochtwirkung nicht verhindert wird, versteift sich der Stoff vielmehr als roher Stoff, nachdem das Klebemittel ausgehärtet ist. Das Klebemittel wird nicht aufgebracht, um die Luftdurchlässigkeit des Verbundmaterials wesentlich einzuschränken.
  • Nachdem der Stoff mit dem Klebstoff behandelt und überzogen ist, wird die Membran aus expandiertem porösen PTFE auf die Klebstoffseite des beschichteten Stoffs aufgetragen. Dann werden Leitungswärme und ausreichend Druck auf die Membranseite aufgebracht, damit das Klebemittel in die Poren der Membran fließt. Ist das Klebemittel kreuzvernetzbar, vernetzt das Klebemittel aufgrund der Wärme, was zu einer mechanischen Anbindung der Membrane an dem Substrat führt. Der kreuzvernetzbare Klebstoff ist thermisch und chemisch ausreichend stabil, um den Härten der Beutelgehäuseumgebung zu widerstehen, die typischerweise in mehreren Jahren bei Temperaturen von bis zu 127ºC in Beisein korrosiver Gase wie HCl, HF und H,SO&sub4; bestehen.
  • Im Betrieb läßt sich das laminat 10 zu einem Filterbeutel formen, um in einem Beutelgehäusebetrieb eingesetzt zu werden. Bezugnehmend auf Fig. 2 und 3 ist in Fig. 2 das Laminat 10 zu einem Filterbeutel geformt, in Fig. 2 und 3 bei 20 dargestellt. Eine Reihe derartiger Beutel wird in eine abgeschlossene Umhüllung 21 eingebracht, die üblicherweise als Beutelgehäuse bezeichnet wird. In das Beutelgehäuse tritt bei einem Eingang 22 schmutzige Luft ein und strömt in die Beutel 20. Die Luft strömt durch den jeweiligen Beutel und hinterläßt einen Kuchen 23 aus Teilchenmaterial (Fig. 2) an den Wänden des Beutels. Dann gelangt reine Luft über einen Ausgang 24 nach außen.
  • Um den Kuchen 23 von dem Beutel zu entfernen, wird ein Schüttelarm in Betrieb gesetzt. Dies führt zu einer wellenförrnigen Bewegung in den Beuteln (in Fig. 3 angedeutet), wodurch der Kuchen 23 abgelöst wird, so daß er aus dem offenen Ende 26 des Beuteis 20 herausfällt. Die herabfallenden Kuchenteilchen sind bei 27 dargestellt. Die Teilchen fallen auf den Boden und werden über den Trichter 28 entfernt.
    • BEISPIEL
  • Ein Polyacrylonitril-Garn wurde zu einem 3x1-Köpergewebe mit Multifilament-Garnen in der Maschinenrichtung und versponnenen Garnen quer zur Maschinenrichtung verarbeitet. Der Stoff besaß eine Garnzahl von 76 x 70 Fäden pro Zoll und ein Gewicht von 0,189 kg/m² (0,6 Unzen pro Quadratyard).
  • Von diesem Stoff wurde ein 15 cm x 15 cm großer Flecken mit einem Wasserabweiser überzogen. Auf den Flecken wurde solange mit einer Aerosol-Dose eines ScotchGard -Stoffprotektors gesprüht, bis der Stoff scheinbar gesättigt war. Die nasse Probe wurde dann 5 Minuten lang bei 100ºC in einen Ofen eingebracht. Nach dem Abkühlen wurde die hinzugekommene Beschichtung zu 5,5 Gew.-% gemessen.
  • Der behandelte Streifen wurde dann mit einem Klebemittel überzogen. Eine wässrige Acryl-Latexlösung mit insgesamt 25 % Festteilchen wurde mit Hilfe einer Druck-Handsprühpistole auf den Streifen gesprüht. Dieser Überzug wurde dann über Nacht in Umgebungsbedingungen getrocknet. Der Klebemittelüberzug wurde zu 2,75 Gew.-% gemessen.
  • Der beschichtete Stoff wurde dann kombiniert mit einem Stück einer porösen expandierten PTFE-Membran einer Luftdurchlässigkeit von 8,64 m/min bei 20 mm Wassersäule (18 cfm/ft&sub2; bei 0,5 Zoll Wassersäure), so daß die Membrane die beschichtete Oberfläche kontaktierte. Der erhaltene Streifen wurde in eine Aluminiumfolien-Umhüllung eingebracht und dann in eine Hydraulikpresse mit erwärmten Platten eingelegt. Die Probe wurde derart in die Presse eingelegt, daß die Stoffseite auf der Platte lag, die Umgebungstemperatur aufwies. Eine weitere Platte, die auf 215ºC (420ºF) erhitzt war, wurde gegen die Membranseite gepreßt. Die Platten wurden geschlossen und auf einen Druck von 287 kPa gebracht (1500 lbs über eine Fläche von 6" x 6"). Nach einer Verweilzeit von 0,2 Minuten wurde die Presse geöffnet, und die Probe wurde aus der Aluminiumfolien-Umhüllung entnommen. Das erhaltene Laminat wies eine gute Bindung zwischen dem Acrylstoff und der PTFE-Membrane auf. Das Laminat war imstande, einem hydrostatischen Druck von 48,2 kPa (7 psi) von der Stoffseite her ohne Lecken standzuhalten. Die mechanische Festigkeit des Laminats war größer als die von rohem Stoff, obschon das Laminat immer noch geschmeidig war und mühelos zu Filterbeuteln vernäht werden konnte. Das Laminat wog 0,2 kg/m² (5,8 oz/yd²) und war 0,38 mm (0,15 Zoll) dick. Die Luftdurchlässigkeit des Laminats betrug 3,26 m/min bei 20 mm Wassersäule (6,8 cfm/ft² bei 0,5 Zoll (1,27 cm) Wassersäule).
  • Die Daten über die Luftdurchlässigkeit wurden dadurch erhalten, daß die zu prüfende Probe einem Luftstrom ausgesetzt und die Luftgeschwindigkeit gemessen wurde, die man benötigt, um 0,5 Zoll (1,27 cm) Wassersäulendruck zu erhalten.

Claims (7)

1. Poröser Verbundstoff, umfassend eine Schicht aus einer porösen Polytetrafluorethylen-Membrane, die mit einem Klebemittel an einem Stoff aus einem synthetischen Polymer angeklebt ist in Beisein eines ölund wasserbeständigen Polymers in der Weise, daß ein nennenswertes Einziehen des Klebemittels in den Stoff verhindert wird.
2. Poröser Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das synthetische Polymer ein hitzegehärtetes Polymer ist.
3. Poröser Verbundstoff nach Anspruch 1, bei dem das synthetische Polymer Polyacrylonitril ist.
4. Poröser Verbundstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das ölund wasserbeständige Polymer eine Beschichtung zwischen dem Klebemittel und dem Stoff ist.
5. Poröser Verbundstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem das öl- und wasserbeständige Polymer den Stoff durchdringt.
6. Poröser Verbundstoff nach Anspruch 1 in Form eines Filterbeutels.
7. Verfahren zum Filtern von teilchenförmigem Material aus einem Luftstrom, bei dem ein Filterbeutel aus dem porösen Verbundstoff nach Anspruch 1 gebildet wird, der Beutel in ein Gehäuse zur Luftfilterung eingebracht und Luft durch den Beutel hindurchgeführt wird.
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