DE69214505T2 - Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters. Insbesondere betrifft die Erfindung ein hochwirksames Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters, das in der Lage ist, feine Teilchen mit hoher Sammeleffizienz zu sammeln.
  • Bei einem bekannten Verfahren wird ein Elektretfilter hergestellt durch Bildung eines Films bzw. einer Folie aus einem Ausgangs-Harzmaterial, Aussetzen der gebildeten Folie einer Homoladung, entweder vor oder nach dem Verstrecken der Folie, Spalten der geladenen Folie zur Bildung von Spaltgarnen und Sammeln der Spaltgarne, um sie zu einem Filter einer gewünschten Konfiguration zu formen.
  • Ein solches Verfahren, bei dem die Stufe der Folienspaltung anschließend an das Homoladen der Folie durchgeführt wird, leidet unter einem häufigen Reißen der Folie, da die Folienfestigkeit durch die Oberflächenoxidation oder feine Oberflächenungleichmäßigkeiten aufgrund des Homoladens verringert wird.
  • Das Homoladen der Folie führt auch zu einer erhöhten Haftung der Folie an Elektroden, was ebenfalls zu einem Reißen der Folie führen kann. Wenn die Folie einmal gerissen ist, verdreht sich die gerissene Folie, die elektrisch geladen ist, leicht, z.B. auf der Rolle, was zu verschiedenen Problemen bei dem Herstellungsverfahren führt.
  • Die vorliegende Erfindung möchte ein zuverlässiges hochwirksames und schnelles Verfahren liefern, das in der Lage ist, ein Elektretfilter mit verschiedenen ausgezeichneten Wirkungsweisen, einschließlich einer ausgezeichneten Sammeleffizienz, ohne Produktionsprobleme zu erzeugen.
  • Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters, wobei das Verfahren umfaßt
  • Bildung einer Folie, umfassend eine hochmolekulare Verbindung,
  • gegebenenfalls Verstrecken der Folie,
  • Aufspalten der gegebenenfalls verstreckten Folie zur Bildung von Spaltgarnen,
  • einheitliches Laden (Homoladen) der Spaltgarne, um geladene Spaltgarne zu erhalten, und
  • Formen der geladenen Spaltgarne zu einem Elektretfilter.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht der Vorrichtung, die angewandt wird zur Messung der Sammeleffizienz des Elektretfilters, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
  • Das Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters nach der vorliegenden Erfindung wird nun mehr im Detail beschrieben.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst eine Folie aus einem Ausgangs-Harzmaterial hergestellt, das eine polare, nicht-polare, kristalline oder amorphe hochmolekulare Verbindung oder ein Gemisch davon sein kann.
  • Beispiele für die hochmolekularen nicht-polaren Verbindungen umfassen Polyolefine, wie Polyethylen und Polypropylen, Polystyrol, Polyethylentetrafluorid und Ethylentetrafluorid/Propylenhexafluorid-Copolymere.
  • Polare hochmolekulare Verbindungen umfassen solche, die im Molekül eine polare Gruppe enthalten, ausgewählt aus z.B. einer Carboxylgruppe, Estergruppe, Amidgruppe, Hydroxylgruppe, Ethergruppe, Nitrilgruppe, Carbonylgruppe und einem Halogenatom, wie einem Chloratom. Beispiele für polare hochmolekulare Verbindungen umfassen Polyester, wie Polyethylenterephthalat und Polytetramethylenterephthalat; Polyamide, wie Nylon-6, Nylon-66 und Nylon-12: Polycarbonate; Polyacrylate, wie Polymethylmethacrylat und Polyethylacrylat; Acrylnitril/Styrol-Copolymerharze (AS-Harze); Acrylnitril/- Butadien/Styrol-Copolymerharze (ABS-Harze); Polyvinylchlorid; Polyvinylidenchlorid; Polyethylentrifluorid; Polyacetal und Polyacrylnitril.
  • Eine modifizierte nicht-polare hochmolekulare Verbindung, die hergestellt worden ist durch Pfropfcopolymerisieren eines Monomers mit einer polaren Gruppe darin mit einer nicht-polaren hochmolekularen Verbindung, kann ebenfalls als polare hochmolekulare Verbindung angewandt werden.
  • Beispiele für solche modifizierten nicht-polaren hochmolekularen Verbindungen umfassen solche, die hergestellt worden sind durch Pfropfcopolymerisieren von mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus ungesättigten Carbonsäuren und ihren Derivaten, mit einer nicht-polaren hochmolekularen Verbindung in Gegenwart eines radikalischen Polymerisationsinitiators, wie eines organischen Peroxids.
  • Typische ungesättigte Carbonsäuren und ihre Derivate, die zum Pfropfmodifizieren der nicht-polaren hochmolekularen Verbindungen angewandt werden können, umfassen Acrylsäure; Methacrylsäure; α-Ethylacrylsäure; ungesättigte Dicarbonsäuren, wie Maleinsäure, Fumarsäure, Itaconsäure, Citraconsäure, Tetrahydrophthalsäure, Methyltetrahydrophthalsäure, Endocisbicyclo[2,2,1]hepto-5-en-2,3-dicarbonsäure (Nadinsäure) und Methylendocisbicyclo[2,2,1]hepto-5-en-2,3-dicarbonsäure (Methylnadinsäure) und Derivate der ungesättigten Dicarbonsäuren, wie Säurehalogenide, Amide, Imide, Säureanhydride, Ester der ungesättigten Dicarbonsäuren. Illustrative Beispiele für die ungesättigten Dicarbonsäurederivate umfassen Maleoylchlorid, Maleinimid, Maleinsäureanhydrid, Citraconsäureanhydrid, Monomethylmaleinsäure und Dimethylmaleinsäure. Derartige ungesättigte Carbonsäuren und ihre Derivate können allein oder in Kombination von zwei oder mehreren verwendet werden. Von diesen sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ungesättigte Dicarbonsäuren und ihre Anhydride bevorzugt, und insbesondere bevorzugt sind Maleinsäure, Nadinsäure und ihre Anhydride.
  • Die modifizierte nicht-polare hochmolekulare Verbindung kann allgemein 0,05 bis 15 Gew.-% und vorzugsweise 0,5 bis 3 Gew.-% der ungesättigten Carbonsäure oder des Derivats davon enthalten. In anderen Worten kann die modifizierte nicht-polare hochmolekulare Verbindung in einem solchen Ausmaß modifiziert sein.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Folie hergestellt werden aus entweder einer einzigen hochmolekularen Verbindung oder einem Gemisch von zwei oder mehreren hochmolekularen Verbindungen, wie oben angegeben. Wenn ein Gemisch aus zwei oder mehreren hochmolekularen Verbindungen verwendet wird, kann es ein Gemisch aus polaren hochmolekularen Verbindungen, ein Gemisch aus nicht-polaren hochmolekularen Verbindungen oder ein Gemisch aus einer polaren und einer nicht-polaren hochmolekularen Verbindung umfassen. Die polare hochmolekulare Verbindung kann teilweise eine modifizierte nicht-polare hochmolekulare Verbindung umfassen.
  • Wenn ein Gemisch aus einer nicht-polaren und einer polaren hochmolekularen Verbindung für die Folienherstellung verwendet wird, können sie in einem Gewichtsverhältnis von nicht-polarer hochmolekularer Verbindung zu polarer hochmolekularer Verbindung von 60 bis 99:0,5 bis 39,5, und vorzugsweise 80 bis 95:1 bis 10, verwendet werden. Wenn die polare hochmolekulare Verbindung teilweise eine modifizierte nichtpolare hochmolekulare Verbindung umfaßt, macht die modifizierte nicht-polare hochmolekulare Verbindung im allgemeinen etwa 0,5 bis 20 Gew.-% und vorzugsweise etwa 4 bis 10 Gew.-% der gesamten Masse aus.
  • Die für die Folienherstellung verwendete hochmolekulare Verbindung kann gegebenenfalls z.B. einen Wärmestabilisator, einen Verwitterungsstabilisator, ein antistatisches Mittel, ein Gleitmittel, ein Anti-Blockierungsmittel, ein Schmiermittel, einen anorganischen oder organischen Füllstoff, einen Farbstoff oder ein Pigment enthalten.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die hochmolekulare Verbindung, wie oben beschrieben, zu einer Folie geformt, die anschließend gespalten wird, um netzartige Spaltgarne zu bilden. Die Spaltgarne werden dann einer Homoladung ausgesetzt, um elektretisierte Spaltgarne zu bilden, die zur Bildung des Elektretfilters verwendet werden.
  • Die Folienbildung aus der oben beschriebenen hochmolekularen Verbindung kann durchgeführt werden nach irgendeinem erwünschten üblichen Verfahren, das allgemein angewandt wird zur Herstellung einer Folie aus einem Harz, z.B. einem Blasfolienextrusionsverfahren, Breitbandextrusionsverfahren, unter Verwendung eines T-Spritzkopfs oder durch Kalandern.
  • Die gebildete Folie kann eine geeignete Dicke haben, die so ausgewählt ist, daß sie das Elektretfilterprodukt mit einem erwünschten Abscheidungsgewicht und Druckverlust ergibt. Die Folie kann allgemein eine Dicke von 10 bis 100 µm und vorzugsweise 20 bis 50 µm besitzen, um gegebenenfalls ein anschließendes Verstrecken der Folie auf das 6- bis 10-Fache der Länge zu ermöglichen.
  • Die Folie wird, gegebenenfalls nach Verstrecken, mit einer Spaltvorrichtung, z.B. einer Drahtrundungsrolle (wire fillet roll) oder einer mit Nadeln versehenen Rolle aufgespalten zur Erzeugung von Spaltgarnen.
  • Wenn die Folie verstreckt wird, kann die Folie in Arbeitsrichtung verstreckt werden bei einer Temperatur die nicht höher liegt als der Schmelzpunkt und höher als der Erweichungspunkt der zur Bildung der Folie verwendeten hochmolekularen Verbindung, z.B. bei einer Temperatur von 130ºC bis 150ºC, unter Anwendung von beispielsweise einer Rolle, einer heißen Platte oder eines Ofens. Die Folie kann allgemein auf das 5- bis 10-Fache in der Länge, vorzugsweise das 6- bis 8-Fache in der Länge, verstreckt werden, um eine gute Stabilität nach dem Verstrecken zu erreichen und das anschließende Aufspalten der verstreckten Folie zu erleichtern.
  • Die erhaltenen Spaltgarne können entweder direkt in die nächste Stufe geführt werden, ohne sie aufzuwickeln, oder sie können auf einen Pappzylinder oder eine Trommel aufgewickelt werden, bevor sie in die nächste Stufe geführt werden.
  • Anschließend wird das Spaltgarn der Homoladung ausgesetzt, so daß das Spaltgarn ein Elektret wird. Das Homoladen kann durchgeführt werden nach irgendeinem üblichen Elektretisierungsverfahren. Ein solches übliches Verfahren umfaßt z.B. eine thermische Elektretisierung, wobei die Spaltgarne erhitzt werden bis die Spaltgarne erweichen, und die erweichten Garne werden abgekühlt, wobei ein Hochspannungsgleichstrom an das Garn angelegt wird, um die Spaltgarne zu elektretisieren; eine Elektroelektretisierung, wobei die Spaltgarne auf ihrer Oberfläche mit einer Koronaentladung oder einem Hochspannungsstrompuls behandelt werden, um die Spaltgarne zu elektretisieren oder wobei die Spaltgarne auf ihren Hauptoberflächen zwischen Dielektrika gehalten werden, um einen Hochspannungsgleichstrom darauf aufzubringen und dadurch die Spaltgarne zu elektretisieren; eine Radioelektretisierung, wobei die Spaltgarne mit γ"-Strahlen oder Elektronenstrahlen bestrahlt werden; eine mechanische Elektretisierung, wobei die Spaltgarne einer plastischen Deformation unterworfen werden durch Anwendung eines Druckes, um die Spaltgarne zu elektretisieren und eine Autoelektretisierung, wobei die Spaltgarne mit Licht bestrahlt werden, wobei eine Spannung angelegt wird, um das Spaltgarn zu elektretisieren. Von den oben angegebenen Verfahren sind die Verfahren bevorzugt, bei denen die erhitzten oder nicht erhitzten Spaltgarne unmittelbar mit Koronaentladung behandelt werden und das Verfahren, bei dem die Spaltgarne zwischen einem Paar von nadelförmigen Elektroden sandwichförmig angeordnet werden, um die Koronaentladung durchzuführen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die so geladenen Spaltgarne auf eine Länge von beispielsweise 90 mm geschnitten und in eine Öffnung geführt, um Rohbaumwolle für ein Elektret zu erzeugen. Die die Elektretrohbaumwolle bildenden Fasern oder Garne können irgendeine erwünschte Größe besitzen, durch beispielsweise vorherige Auswahl der Dicke der zu spaltenden Folie, des Ausmaßes in dem die Folie verstreckt wird oder des Grades des Spaltens.
  • Anschließend werden die erhaltenen Elektretfasern gesammelt, um sie zu einer gewünschten Form zu formen und dadurch das Elektretfilter zu bilden.
  • Die Elektretfasern werden zu dem Elektretfilter geformt durch Weben, Wirken, Tuften oder Formen zu einem Vlieastoff nach einem geeigneten üblichen Verfahren. Typische Verfahren umfassen z.B. Nadeln, thermisches Binden und Ultraschallbinden.
  • Das erfindungsgemäß hergestellte Elektretfilter ist in der Lage feine Teilchen mit einer Teilchengröße von beispielsweise bis zu 1 µm mit hoher Effizienz zu sammeln und ist daher gut geeignet zur Verwendung z.B. als Luftfilter, als Filter für einen Luftreiniger, einen Vakuumreiniger oder eine Klimaanlage oder eine Maske.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun mehr im Detail durch die folgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele beschrieben.
    • Beispiele Beispiel 1
  • Eine Harzmasse wurde hergestellt durch Vermischen von 9000 g Polypropylen (HYPOL B200 von Mitsui Petrochemical Industries, Ltd., Fließfähigkeit: 0,5 g/10 min, gemessen nach ASTM D1238), 500 g Polycarbonat (Lexan 101 von General Electric) und 500 g Polypropylen, modifiziert mit Maleinsäureanhydrid (Pfropfmodifizierung mit Maleinsäureanhydrid: 3 Gew.-%).
  • Die erhaltene Harzmasse wurde in eine Blasfolienextrudiervorrichtung (von Toshiba Machine Co., Ltd.) eingespeist, um eine 30 µm dicke Folie bei 240ºC zu extrudieren. Die Folie wurde dann in Arbeitsrichtung auf das 6,6-Fache in der Länge bei 135ºC mit einer heißen Platte verstreckt und die verstreckte Folie mit einer Drahtrundungsrolle zu netzförmigen Spaltgarnen gespalten. Die erhaltenen Spaltgarne wurden geladen, indem die Spaltgarne zwischen Koronaentladungselektroden, die sich einem Abstand von 8 mm befanden, mit einer angelegten Spannung von 9 kV (Gleichstrom) während einer Verweilzeit von 0,5 s geladen und auf einen Pappzylinder aufgewickelt wurden. Das Verfahren, umfassend die Stufe der Blasfolienextrusion bis zu der Stufe des Aufwickelns auf den Pappzylinder, wurde in einer vorbestimmten Zeit (5 h) durchgeführt. Wenn die verstreckte Folie mit der mit Nadeln versehenen Rolle aufgespalten wurde, zerrissen die erhaltenen Spaltgarne häufig, da die Garne fein waren. Als Ergebnis wurden die gerissenen Spaltgarne auf der mit Nadeln versehenen Rolle aufgerollt und dann riß die Folie selbst durch die Spannung. Die Häufigkeit des Reißens der Folie aufgrund der Spannung ist in Tabelle 1 angegeben. Die so behandelten Spaltgarne wurden zu Spaltfasern von 90 mm geschnitten und mit einem Öffner behandelt, um eine Rohbaumwolle aus Elektretfasern zu erzeugen.
  • Die Rohbaumwolle aus Elektretfasern wurde in eine mattenbildende Vorrichtung zur Bildung einer Matte eingebracht, die dann zur Bildung eines Elektretfilters mit einem Abscheidungsgewicht von 100 g/m² und einer Dicke von 2 mm genadelt wurde. Die Häufigkeit des Reißens der Folie, das durch die Spannung während der Herstellung verursacht wurde, ist in Tabelle 1 angegeben.
  • Das erhaltene Elektretfilter wurde auf seine Sammeleffizienz nach dem unten beschriebenen Verfahren bewertet. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.
    • Bewertung der Sammeleffizienz
  • Die Sammeleffizienz wurde mit einer Bewertungsvorrichtung bewertet, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist.
  • Zunächst wurden NaCl-Teilchen mit einer Teilchengröße von 0,3 µm in einem Aerosolgenerator 1 (hergestellt von Japan Science Industries K.K.) in eine Kammer 3 zusammen mit sauberer Luft, die durch ein Luftfilter 2 hindurchgegangen ist, eingespeist. Als die Konzentration der NaCl-Teilchen in der Kammer 3 einen konstanten Wert von 2 bis 6x10&sup6; (Teilchen/ft³) erreichte, wurde eine Blasvorrichtung 4 eingeschaltet, um ein Ansaugen des Gases in die Kammer 3 durch den Strömungsgang 5 zu erreichen, wobei die Strömungsgeschwindigkeit durch ein den Durchstrom regulierendes Ventil 6 gesteuert wurde. In dem Strömungsweg 5 war ein Elektretfilter 8, das bewertet werden sollte, angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases wurde mit einem Strömungsmeßgerät 7 gemessen. Als die Strömungsgeschwindigkeit einen konstanten Wert von 0,5 m/s erreichte, wurden die Konzentration Cein und die Konzentration Caus der NaCl-Teilchen stromaufwärts und stromabwärts des Elektretfilters 8 mit Teilchenzählvorrichtungen 9a und 9b (KC-01A, Rion K.K.) gemessen.
  • Die Sammeleffizienz wird berechnet nach der folgenden Formel:
  • Sammeleffizienz = [1 - (Caus/Cein)] x 100 (%)
    • Vergleichsbeispiel 1
  • Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die wie in Beispiel 1 extrudierte und verstreckte Folie homogeladen wurde vor dem Aufspalten der Folie in die Spaltgarne. Die Häufigkeit des Reißens der Folie sowie die Sammeleffizienz des erhaltenen Elektretfilters wurden wie in Beispiel 1 bewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Homoladen nach dem Aufspalten der Folie durchgeführt. Daher leidet die Folie nicht an einer Abnahme der Folienfestigkeit aufgrund der Oxidation der Folienoberfläche oder der Bildung von feinen Oberflächenungenauigkeiten die durch das Homoladen bei einem üblichen Verfahren, bei dem das Homoladen vor dem Aufspalten der Folie durchgeführt wird, verursacht werden. Folglich reißt die Folie weniger leicht während der Herstellung, was zu verringerten Produktionsproblemen, wie Aufwickeln der gerissenen Folie auf Rollen führt. Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine zuverlässige hocheffiziente und schnelle Herstellung eines Elektretfilters mit verschiedenen ausgezeichneten Wirkungsweisen einschließlich der Sammeleffizienz, ohne daß Produktionsprobleme auftreten, wie sie bei den bekannten Verfahren auftreten.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters, wobei das Verfahren umfaßt
Bildung einer Folie, umfassend eine hochmolekulare Verbindung,
gegebenenfalls Verstrecken der Folie,
Aufspalten der gegebenenfalls verstreckten Folie zur Bildung von Spaltgarnen,
einheitliches Laden (homo charging) der Spaltgarne, um geladene Spaltgarne zu erhalten und
Formen der geladenen Spaltgarne zum Elektretfilter.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Folie mindestens eine hochmolekulare Verbindung umfaßt, ausgewählt aus nicht-polaren Verbindungen, polaren Verbindungen und modifizierten nichtpolaren Verbindungen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die modifizierte nichtpolare hochmolekulare Verbindung ein Pfropfcopolymer ist mit mindestens einer Verbindung, ausgewählt aus ungesättigten Carbonsäuren und Derivaten davon.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die modifizierte nichtpolare hochmolekulare Verbindung 0,05 bis 15 Gew.-% der mindestens einen Verbindung, ausgewählt aus ungesättigten Carbonsäuren und Derivaten davon, enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die ungesättigten Carbonsäuren und Derivate davon ungesättigte Dicarbonsäuren und Anhydride davon sind.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die ungesättigten Dicarbonsäuren und Anhydride davon mindestens eine Verbindung sind, ausgewählt aus Maleinsäure, Nadinsäure und Anhydriden davon.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Folie ein Gemisch aus einer nicht-polaren und einer polaren hochmolekularen Verbindung in einem Gewichtsverhältnis von 60 : 39,5 bis 99 : 0,5 umfaßt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Folie eine polare hochmolekulare Verbindung und 0,5 bis 20 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Folie, einer modifizierten nichtpolaren hochmolekularen Verbindung enthält.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Folie 10 bis 100 µm dick ist.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Folie um das 5- bis 10-Fache in der Länge gestreckt worden ist vor der Stufe des Aufspaltens.
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