DE69935264T2 - Filtermaterial und Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungs-Schwebstofffilter gemäß Anspruch 1.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Filtermittel, insbesondere auf zusammengesetzte polymere Faserfilter und auf die Technologie für deren Herstellung.
  • Die Herstellung von Filtermaterialien, die in der Lage sind, Partikel von einer Größe von 0,1-10 Mikron abzufangen und deren steigende Verwendung steht in Zusammenhang mit wachsend strengen Anforderungen an Qualität und Verlässlichkeit von hergestellten Gebrauchsprodukten, ebenso wie mit der raschen Entwicklung von moderner Technologie und von Produktionsprozessen, wie zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, Elektronik, Luftfahrt, Automobilindustrie, elektrochemische Industrie, Biotechnologie, Medizin, etc.
  • Die wichtigsten industriellen Herstellungsmethoden für solche Materialien schließen die Herstellung aus Polymerlösungen (V. P. Dubyaga et al., Polymer Membranes, "Chemistry" Publishing House, Moskau, 1981 (auf Russisch); V. E. Gul und V. P. Dyakonova, Physical and Chemical Principles of Polymer Films Manufacture, Higher School Publishing House, Moskau, 1978, (auf Russisch), das deutsche Patent DE 3,023,788 , „Kationisches Absorptionsmittel zur Entfernung von sauren Farbstoffen) etc., aus Abwasser – hergestellt aus Aminoplastpräkondensat und Amin-Amid-Verbindung"), aus Pulver und Pulver-Polymer-Zusammensetzungen (P. B. Zhivotinskiy, Porous Partitions and Membranes in Electrochemical Equipment, "Chemistry" Publishing House, Leningrad, 1978 (in Russisch); Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Wiley, New York, 1987, Ausgabe 8, S. 533), aus makromonolithischen Schichten (I. Cabasso und A. F. Turbak, "Synthetic membranes", Ausg. 1, ACS Symposium, Ser. 154, Washington DC, 1981, S. 267), und aus Fasern und Dispersionen aus fasrigen Polymeren (T. Miura, "Totally dry unwoven system combines air-laid and thermobonding technology", Unwoven World Ausg. 73 (März 1988) S.46) ein. Die letztgenannte Methode ist die am weitesten verbreitete, da sie die Herstellung von Materialien mit dem optimalen Kosten-Qualitäts-Verhältnis ermöglicht.
  • Es besteht ebenfalls großes Interesse an der Ausweitung der traditionellen Verwendungen von Filtermaterialien, insbesondere um die Funktion des Abfangens von Mikropartikeln in gasförmigen und flüssigen Medien mit der Absorption von molekularen Mischungen zu kombinieren, zum Beispiel bei der Entfernung von Merkaptanen, als Substrat für katalytische Reaktionen, in der Verbesserung des bakteriellen Effekts des Filtermaterials, etc. Die Erfüllung dieser zusätzlichen Funktionen wird durch die Einführung von einer Art von Füllstoffen oder funktionellen Gruppen in die Fasermatrix, wodurch die Bildung einer zusätzlichen festen Phase ermöglicht wird, möglich, d.h. als ein Ergebnis der Herstellung von zusammengesetzten Filtermaterialien.
  • Zur Zeit werden polymere Hochleistungs-Filtermaterialien aus synthetischen Fasern mit Hilfe einer Technologie hergestellt, die in vielen Punkten der in der Zellstoff- und Papierindustrie verwendeten, traditionellen Technologie ähnelt. Ein langer Faserfaden wird in Stücke von einer gegebenen Länge geschnitten, die dann einigen grundlegenden und zusätzlichen von 50 möglichen Verfahren unterzogen werden, die chemische Verarbeitung zur Modifikation von Oberflächeneigenschaften, Mischen mit bindenden und stabilisierenden Zusammensetzungen, Kalandrieren, Trocknen, etc. einschließen können. (O. I. Nachinkin, Polymer Microfilters, "Chemistry" Publishing House, Moskau, 1985 (auf Russisch), S. 157-158). Die Komplexität eines solchen technologischen Prozesses behindert die Herstellung von Materialien mit stabilen Eigenschaften für die folgende Verwendung, führt zu hohen Herstellungskosten von Filtermaterialien, und schließt praktisch die Herstellung von Zusammensetzungen mit gegenüber Feuchtigkeit empfindlichen Füllstoffen, thermale Verarbeitung, aus.
  • Filtermaterialien mit niedriger Leistung (Klasse ASHRAE) werden durch Melt-Blow oder Spinnverfahren hergestellt.
  • Es existiert jedoch ebenfalls ein Verfahren für die Herstellung von ultradünnen synthetischen Fasern (und Vorrichtungen für deren Herstellung), das die Kombination des Vorgangs der Faserherstellung mit der Bildung eines mikroporösen Filtermaterials ermöglicht und somit die Anzahl an technischen Verfahren reduziert, die Notwendigkeit für wässrige Reaktionsmittel aufhebt und die Stabilität von Eigenschaften des hergestellten Produkts erhöht (siehe zum Beispiel U.S.-Patent Nr. 2,349,950). Gemäß diesem Verfahren, das als „elektrokapillares Verspinnen" bekannt ist, werden Fasern von einer bestimmten Länge gebildet, und zwar während die Polymerlösung unter elektrischem Einfluss aus Kapillaröffnungen fließt und auf einen Rezeptor fällt, um so ein ungewebtes Polymermaterial zu bilden, dessen grundlegende Eigenschaften wirksam verändert werden können.
  • Mit diesem Verfahren findet die Faserbildung in den Lücken zwischen den einzelnen unter negativem Potential stehenden Kapillaren und einer geerdeten Anti-Elektrode in Form eines dünnen Drahts, d.h. in Anwesenheit eines heterogenen Felds, begleitet von Koronaentladung, statt. Der Prozess der Lösungsmittelverdampfung findet jedoch sehr schnell statt, und als Ergebnis dessen unterliegt die Faser variierenden elektrischen und aerodynamischen Kräften, was zu Anisotropie entlang der Faserbreite und zur Bildung von kurzen Fasern führt.
  • Die Herstellung von Filtermaterialien mit hoher Qualität aus solchen Fasern ist damit unmöglich, da die elektrische Ladung der Fasern gering ist, so dass der Herstellungsvorgang des Filtermaterials nicht von elektrischen Kräften gesteuert wird und demzufolge das Filtermaterial nicht gleichmäßig ist.
  • Die Verwendung einer Vorrichtung zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens wird durch eine Anzahl an technischen Schwierigkeiten verkompliziert:
    • 1. Kapillaröffnungen werden durch Polymerschichten blockiert, die sich bei jeder beliebigen Abweichungen von den technologischen Verfahrensbedingungen – Konzentration und Temperatur der Lösung, atmosphärische Feuchtigkeit, Stärke des elektrischen Felds, etc – bilden.
    • 2. Das Vorhandensein einer großen Anzahl solcher Bildungen führt zu einem vollständigen Stillstand des technologischen Prozesses, oder es bilden sich Tropfen als Folge des Risses der zuvor genannten Schichten.
    • 3. Das Vorhandensein eines elektrischen Felds von hoher Stärke im Bereich der Niederschlagselektrode begrenzt die Produktivität des Verfahrens.
  • Deshalb ist die Herstellung von synthetischen Fasern mit diesem Verfahren nur mit einer sehr beschränkten Anzahl an Polymeren, wie zum Beispiel Zelluloseacetat und niedermolekulare Polycarbonaten, möglich, die gegenüber den oben beschriebenen Nachteilen nicht anfällig sind.
  • Es muss beachtet werden, dass solch ein wichtiger Parameter von Filtermaterialien wie Monodispersität der Poren (und die resultierende Trennungseffizienz des Produkts) in diesem Fall schwach abhängig von den Fasercharakteristika ist und größtenteils von dem rein probabilistischen Prozess der Faseraufschichtung bestimmt wird.
  • Moderne Filtermaterialen unterliegen strengen, häufig widersprüchlichen Anforderungen. Zusätzlich zu der hohen Effizienz bei der Trennung von heterogenen Flüssig- und Gassystemen sollen sie für niedrigen, hydro- (oder aero-)dynamischen Widerstand des Filters, gute mechanische Festigkeit und technische Eigenschaften (z.B. Faltbarkeit), chemische Stabilität, gute Schmutzabsorptionsfähigkeiten und universelle Anwendbarkeit in Kombination mit niedrigen Kosten sorgen.
  • Die Herstellung solcher Produkte beruht zwingend auf der Verwendung von langen und dünnen Fasern von hoher Qualität mit einem isometrischen Querschnitt, die monodisperse Poren enthalten und hohe Porosität aufweisen. Der praktische Wert dieses Produkt kann stark erhöht werden, da mögliche Anwendungen auf Grund der Bildung von zusätzlichen Phasen, d.h. in der Herstellung der oben erwähnten zusammengesetzten Filtermaterialien, erweitert werden.
  • Zur Zeit gibt es eine große Nachfrage nach Hochleistungs-Schwebstofffiltern (HEPA), die gemäß Definition in der Lage sind 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auszufiltern. Diese Anforderung wird zum Beispiel von Filtern auf Glasfaserbasis erfüllt, allerdings auf Kosten eines hohen Druckabfalls, nämlich in einem Bereich von 30-40 mm H2O.
  • Die US-Patente 4,874,659 und 4,178,157 behandeln beide Hochleistungs-Schwebstofffilter, die in der Lage sind, 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auszufiltern, gekennzeichnet durch einen niedrigeren Druckabfall im Bereich von 5-10 mm H2O. Diese Filter bestehen aus ungewebten Bahnen (4,874,659) oder geschnittenen Schichten (4,178,157) aus Polyolefinen, wie Polyethylen oder Polypropylen, die teilweise durch Erhitzen auf ungefähr 100° C geschmolzen und anschließend einem überaus starken elektrischem Feld ausgesetzt werden, welches das Polymer elektrisch auflädt. Das Ergebnis ist ein Filtermedium, das durch dicke Fasern (10-200 μm) im Durchmesser, niedrige Porosität und elektrische Aufladung gekennzeichnet ist. Die letztgenannte Eigenschaft sorgt dafür, dass diese Filter die Eigenschaften von Hochleistungs-Schwebstofffiltern (HEPA) aufweisen. Dennoch gibt es bei solchen Filtern einige Einschränkungen. Da diese Filter auf der elektrischen Aufladung beruhen, ist die Leistung solcher Filter stark durch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst, die zu einer Ladungsableitung führen kann. Zweitens sind solche Filter aufgrund ihrer Arbeitsweise und auf Grund der Tatsache, dass sie relativ dünn sind, durch ein niedriges Verhältnis zwischen Staubbeladung (das Gewicht von Staub pro Filterbereich, das zu einem Anstieg um Faktor 2 beim Druckabfall führt) und Filtergewicht pro Bereich von ungefähr 0,8 gekennzeichnet, wobei die Staubbeladung solcher Filter typischerweise bei ungefähr 50-80 g/m2 liegt und ihr Gewicht pro Bereich ungefähr 80-130 g/m2 beträgt.
  • US-A-4043331 bezieht sich auf ein Produkt, das eine Matte an organischen Fasern umfasst, die durch elektrostatisches Verspinnen eines organischen Materials und Auffangen der gesponnenen Fasern auf einem geeigneten Empfänger hergestellt wurde.
  • US-A-4143196 betrifft einen Prozess für die Herstellung von Faserfiltern, wobei das Fasermaterial elektrostatisch aus dem flüssigen Zustand aufgesprüht und als Faservlies auf einem leitenden Träger abgeschieden wird. Bei den verwendeten Ausgangsmaterialien handelt es sich um hohe Polymere in leichtflüchtigen Lösungsmitteln. Die erhaltenen Filter weisen im Wesentlichen verbesserte Eigenschaften auf.
  • US-A-5240479 beschreibt ein faltbares Filtermedium, das für eine Verwendung in einem Beatmungsgerät für Menschen verwendet wird und ein Filtermaterial einschließlich eines polymeren „melt-blown" Materials, wie Polypropylen, umfasst. Eine laminierte Konstruktion für das Filtermaterial ist offenbart, die eine Vielzahl an Schichten des „melt-blown" Polypropylen umfasst, die mit Haftmittel aneinander laminiert wurden. Vorzugsweise ist das Filtermedium glasfrei. Schutzschichten umschließen die Schichten von „melt-blown" Polypropylen. Herstellungsmethoden für gefaltetes Material sind offenbart, wobei das Haftmittel zwischen den Schichten in einem bestimmten Muster gepresst wird, um für erhöhte Steifheit in Längsrichtung des gefalteten Filtermediums zu sorgen. Ebenso sind Herstellungsmethoden offenbart, bei denen das Filtermedium gefaltet wird, bevor das Haftmittel ausgehärtet ist und das Haftmittel kann anschließend aushärten, während das Filtermedium im gefalteten Zustand gehalten wird. Andere offenbarte Herstellungsmethoden beinhalten die Erwärmung des Filtermediums und möglicherweise seine Komprimierung im Anschluss an die Faltung, um so steifere Falten und schärfere Faltenspitzen zu bilden.
  • US-A-4874659 offenbart eine elektrische Faserbahn mit polarisierten Ladungen auf ihrer Oberfläche und vorzugsweise Ladungen in geordneter Ausrichtung darauf verteilt. Solche Bahnen werden gebildet um Staub zu sammeln. Bahnen mit einer polarisierten Ladung, selbst in dieser Höhe, sind dennoch stabil wenn sie eine maximale Ausrichtungsenergie von Depolarisierung von mindestens 0,2 eV aufweisen. Eine solche Elektretbahn kann durch ein Verfahren erhalten werden, das die Platzierung einer Faserbahn zwischen einer Elektrode zum Anwenden von Spannung ohne Kontakt und einer Masseelektrode, die einander gegenüberliegen und Elektrizität (Spannung >3 kV; Stromdichte >1 × 10-6 mA/cm2) zwischen den Elektroden liefern, umfasst, vorausgesetzt, dass die Faserbahn ein Gewicht von weniger als 80g/cm2 und einen Abdeckfaktor von mindestens 60 % aufweist. Die Elektret-Faserbahn ist bei einer Vielzahl von Anwendungen nützlich, wie Filtermaterialien, vor allem für das Auffangen von Mikrostaub; Kleidung und Möbelauskleidung für industrielle Reinräume; adsorbierende Materialien; und medizinische Materialien wie Masken und Bazillensammler.
  • DE 3035039 bezieht sich auf Filterdichtungen zur Behandlung von durch radioaktiven Staub kontaminierter Luft – einschließlich Mikrofasern mit porigen Hüllen auf festem Kern.
  • Deshalb ist das Hauptziel der vorgeschlagenen technischen Lösung die Beseitigung der oben angeführten Mängel von bereits bekannten Lösungen für Filteranwendungen (vorrangig gerichtet auf die Herstellung von Mikrofiltern aus Polymerfasern) und anderes, einschließlich der Anwendung als Mikrofiltermittel, d.h. die Herstellung von Mitteln und die Erfüllung der oben aufgelisteten Anforderungen für technische Mittel für die Herstellung von Mikrofiltermaterialien mit neuen Verbrauchereigenschaften.
  • Der Hochleistungs-Schwebstofffilter der vorliegenden Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
  • Eine Vorrichtung zur Umwandlung eines verflüssigten Polymers in eine Faserstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann folgendes beinhalten: (a) eine im Wesentlichen flache Niederschlagselektrode; (b) einen ersten Mechanismus zur Ladung des verflüssigten Polymers auf ein erstes elektrische Potential relativ zu der Niederschlagselektrode; (c) einen zweiten Mechanismus zur Bildung einer Oberfläche auf dem verflüssigten Polymer mit ausreichend hoher Krümmung um zu ermöglichen, dass mindestens einen Strahl des verflüssigten Polymers durch das erste elektrische Potential zu der Niederschlagselektrode gezogen wird; wobei die ersten und zweiten Mechanismen so konzipiert sind, dass eine ungewebte Hochleistungs-Schwebstoff-Faserstruktur, die in der Lage ist 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auszufiltern erhalten werden kann, wenn eine Vielzahl von Fasern aus der Niederschlagselektrode abgeschieden werden.
  • Im Besonderen kann der erste Mechanismus zur Aufladung des verflüssigten Polymers auf ein erstes elektrische Potential relativ zu der Niederschlagselektrode sowohl eine (i) Hochspannungsquelle; und (ii) einen mit dem verflüssigten Polymer gemischten Charge Control Agent enthalten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann der erste Mechanismus zur Aufladung des verflüssigten Polymers auf ein erstes elektrische Potential relativ zu der Niederschlagselektrode des weiteren eine (iii) Quelle für ionisierte Luft enthalten, die mit dem verflüssigten Polymer in Kontakt ist.
  • Der zweite Mechanismus kann von mindestens einem rotierenden Rad ausgeführt werden, das über einen Rand mit einer Vielzahl an Vorsprüngen verfügt und wobei jeder Vorsprung mit einer Vertiefung zur Aufnahme eines verflüssigten Polymers gebildet wird.
  • Gemäß weiterer Merkmale in der beschriebenen Vorrichtung zur Herstellung der beanspruchten Struktur ist jedes des mindestens einen Rads relativ zu der Niederschlagselektrode geneigt oder schließt einen dielektrischen Kern ein.
  • Gemäß weiterer Merkmale in der beschriebenen Vorrichtung zur Herstellung der beanspruchten Struktur wird der zweite Mechanismus von einem Mechanismus zur Erzeugung von Gasblasen oder durch einen rotierenden Riemen, der eine Vielzahl and Vorsprüngen aufweist, ausgeführt.
  • Die grundlegende Vorrichtung zur Herstellung der beanspruchten Struktur schließt ein geerdetes, sich bewegendes Band ein, das als Niederschlagselektrode dient, und eine Sammelelektrode zur negativen Aufladung einer Polymerlösung mit Bezug auf das sich bewegende Band und zur Erzeugung von Gebieten mit hoher Oberflächenkrümmung in der Polymerlösung.
  • In einer Ausführungsform der Vorrichtung werden die Gebiete mit hoher Oberflächenkrümmung dadurch gebildet, dass die Polymerlösung durch eine Düsenleiste gepresst wird. Die Düsen der Sammelelektrode werden längs in zylinderförmige Löcher eingesetzt, die in Abständen in einer negativ geladen Deckplatte der Sammelelektrode platziert sind. Die Quelle von Lösungsmitteldämpfen wird mit den Löchern verbunden. In einer alternativen Konfiguration sind die Düsen durch ein System von offenen Kanälen mit dem Lösungsmittelgefäß verbunden.
  • In einer der Umsetzungen ist das Gerät mit einer zusätzlichen geerdeten Elektrode (oder alternativ einer Elektrode mit Unterpotential von derselben Polarität wie die Hochspannungselektrode, aber mit niedrigerer Spannung) versehen, die parallel zu der Oberfläche der Düsen der Sammelelektrode platziert wird und die in senkrechter Richtung zur Ebene der Düsen der Sammelelektrode verschiebbar ist.
  • Um den Herstellungsprozess zu verbessern, kann die zusätzliche Elektrode in Form eines einzelnen, sich über den Raum zwischen den Elektroden erstreckenden Drahtes vorgesehen sein.
  • Die zusätzliche Elektrode kann ebenfalls die Form einer Lochplatte mit Flansch aufweisen; in diesem Fall bilden die Oberfläche der zusätzlichen Elektrode, der Flansch und die Sammelelektrode einen geschlossenen Hohlraum und die Öffnungen der perforierten Platte sind koaxial zu den Öffnungen der Sammelelektrode.
  • Vorzugsweise schließt eine Vorrichtung zur Herstellung des beanspruchten Filters auch einen Aerosolgenerator ein, der in Form einer durch Poren aufweisenden, elektrisch leitenden Unterteilung in zwei Teile unterteilten Hohlapparats (verflüssigte Unterschicht) vorgesehen ist, der mit einer vorwiegend positiven Hochspannungsquelle verbunden ist. Der untere Teil des Hohlraums bildet eine Druckkammer, die mit einem Kompressor verbunden ist und der obere Teil des Hohlraums ist mit dispersiblem Füllstoff gefüllt, wie zum Beispiel Polymerpulver.
  • Alternativ kann der Aerosolgenerator in Form eines Sprühvorrichtung mit Schlitz vorgesehen sein, der mit einer positiven Hochspannungsquelle und einem Speiser von Pulver verbunden ist, der wiederum mit einem Ejektor zur Versorgung der Sprühvorrichtung mit Schlitz mit Pulver ausgestattet ist.
  • Das Verfahren zu Herstellung des zusammengesetzten Filtermaterials der vorliegenden Erfindung mit den folgenden Vorgängen (Vorgangsstadien) (a) Herstellung einer Polymerlösung aus einem Polymer, einem organischen Lösungsmittel und löslich machenden Zusatzstoffen, zum Beispiel durch Mischen bei erhöhten Temperaturen; (b) Einfüllen der Polymerlösung in die Sammelelektrode und Einführen des dispersiblen Füllstoffes in den Hohlraum des elektrisch geladenen Aerosolgenerators, zum Beispiel aus einem Polymer mit derselben chemischen Zusammensetzung, die auch der Polymer in der Lösung aufweist (c) Versorgung der Sammelelektrode mit negativer Hochspannung und Bildung von hydrostatischem Druck, um den Ausstoß der Polymerlösung durch die Düsen der Sammelelektrode zur Herstellung von Polymerfasern mit einer negativen elektrischen Ladung zu ermöglichen; (d) Transfer der zuvor genannten Fasern unter der Wirkung von elektrischen und inerten Kräften an die Niederschlagselektrode und chaotische Annordnung der Fasern auf deren Oberfläche zur Umwandlung der Fasern in ein ungewebtes Polymermaterial; (e) Verschiebung des oben beschriebenen Polymermaterials mit Hilfe der Niederschlagselektrode, gefolgt von Wechselwirkung des Polymermaterials mit der elektrisch geladenen Aerosolwolke die im Aerosolgenerator aus dem dispersiblen Füllstoff unter positiver hoher Spannung und hohem Luftdruck gebildet wurde, begleitet vom Eindringen der Aerosolwolke in die Struktur des negativ geladenen, nicht gewebten Polymermaterials, um ein homogenes zusammengesetztes Filtermaterial zu bilden.
  • Somit kann ein Verfahren zur Umwandlung eines Polymers in eine ungewebte, elektrogesponnene Hochleistungs-Faserstruktur, die in der Lage ist 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auszufiltern die folgenden Schritte umfassen: (a) Verflüssigen des Polymers wodurch ein verflüssigtes Polymer hergestellt wird; (b) Zusetzen eines Agens zur Ladungskontrolle zu dem verflüssigten Polymer; (c) Vorsehen einer Niederschlagselektrode; (d) Aufladen des verflüssigten Polymers auf ein erstes Potential relativ zu der Niederschlagselektrode; und (e) Bilden einer Oberfläche auf dem verflüssigten Polymer von ausreichend hoher Krümmung, so dass mindestens ein Strahl des verflüssigten Polymers durch die erste Differenz im elektrischen Potential zu der Niederschlagselektrode gezogen wird, wodurch die ungewebte Faserstruktur gebildet wird, die in der Lage ist, 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auf der Niederschlagselektrode auszufiltern.
  • Die Verflüssigung kann durch Auflösen des Polymers in einem Lösungsmittel stattfinden, wodurch eine Polymerlösung hergestellt wird.
  • Das Verfahren kann des Weiteren den folgenden Schritt umfassen: (f) Bereitstellen von Lösungsmitteldämpfen in der Nähe der Oberfläche mit hoher Krümmung.
  • Beispiele für Charge Control Agents sind bikationische Amide, Phenol- und Urylsulfidderivate, Metallkomplexverbindungen, Triphenylmethane, Dimethylmidazol und Ethoxytrimethylsilane.
  • Die Bildung auf der Oberfläche mit hoher Krümmung kann ausgeführt werden, indem das verflüssigte Polymer zum Austreten aus einer Düse gebracht wird, wobei die Oberfläche mit hoher Krümmung einen Wulstrand des verflüssigten Polymers darstellt.
  • Alternativ wird die Bildung auf der Oberfläche mit hoher Krümmung ausgeführt, indem ein Vorsprung, der eine Spitze aufweist, mit dem verflüssigten Polymer benetzt wird, wobei die Oberfläche mit hoher Krümmung eine Oberfläche des verflüssigten Polymers angrenzend an die Spitze darstellt.
  • Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt des Bewegens der Niederschlagselektrode umfassen, und zwar auf solche Weise, dass die ungewebte Faserstruktur als Bahn auf der Niederschlagselektrode gebildet wird.
  • Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt des Vibrierens der Oberfläche mit hoher Krümmung umfassen.
  • Das Vibrieren kann bei einer Frequenz zwischen ungefähr 5000 Hz und ungefähr 30 000 Hz durchgeführt werden.
  • In einem bevorzugten Verfahren folgt auf die Aufladung des verflüssigten Polymers auf ein erstes elektrisches Potential relativ zu der Niederschlagselektrode ein erneutes Aufladen des verflüssigten Polymers auf ein zweites elektrisches Potential relativ zu der Niederschlagselektrode, wobei das zweite elektrische Potential von ähnlicher Größe, in Bezug zu dem ersten elektrischen Potential ist, aber umgekehrte Vorzeichen aufweist. Vorzugsweise schwankt die Ladung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Potential in einer Frequenz von ungefähr 0,1-10 Hz, vorzugsweise ungefähr 1 Hz.
  • Das Verfahren kann des Weiteren die folgenden Schritte umfassen: Aufladen eines Füllstoff-Pulvers auf ein zweites elektrisches Potential relativ zu der Auffangoberfläche, wobei das zweite elektrische Potential das umgekehrte Vorzeichen zu dem ersten elektrischen Potential aufweist, wodurch ein geladenes Füllstoffpulver erzeugt wird; und (g) Schritt, bei dem die ungewebten Faserstruktur auf der Niederschlagselektrode dem aufgeladenen Pulver ausgesetzt wird, wodurch das geladene Füllpulver an die ungewebte Faserstruktur angezogen wird.
  • Das Verfahren kann des Weiteren die folgenden Schritte umfassen: Hinzufügen eines Zusatzstoffes ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem die Viskosität reduzierenden Zusatzstoff, einem die Leitfähigkeit regulierendem Zusatzstoff und einem Zusatzstoff zur Regulierung der Oberflächenspannung der Faser zu dem verflüssigten Polymer.
  • Ein Beispiel für den die Viskosität reduzierenden Zusatzstoff ist Polyoxyalkylen, für den die Leitfähigkeit regulierenden Zusatzstoff ist es ein Aminsalz und ein Beispiel für den Zusatzstoff zur Regulierung der Oberflächenspannung der Faser ist ein oberflächenaktiver Stoff.
  • Das verflüssigte Polymer kann relativ zu der Niederschlagselektrode negativ geladen sein und das aufgeladene Pulver kann positiv relativ zu der Niederschlagselektrode geladen sein.
  • Die vorliegende Erfindung besteht in einem Hochleistungs-Schwebstofffilter umfassend ungewebte Fasern eines Polymers, wobei der Filter in der Lage ist 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde und einem Druckabfall von ungefähr 0,75 mm H2O bis ungefähr 13 mm H2O und einem Verhältnis von Staubbeladung zu Filtergewicht pro Bereich von 1 zu 1,8 auszufiltern.
  • Vorzugsweise ist der Filter im Wesentlichen elektrisch neutral.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Fasern einen Durchmesser von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 10 μm.
  • In einer anderen Ausführungsform haben mindesten 90 % der Fasern einen Durchmesser im Bereich von 0,1 μm und ungefähr 20 μm.
  • Vorzugsweise haben mindestens 90 % der Poren, die zwischen den Fasern gebildet werden, einen Durchmesser im Bereich von 0,2 μm und 20 μm.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung ist hierin lediglich beispielhaft beschrieben, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, wobei:
  • 1 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung zur Herstellung des Filters der vorliegenden Erfindung ist, einschließlich zwei alternativen, elektrisch geladenen Aerosolgeneratoren;
  • 2a eine Draufsicht der Sammelelektrode der Vorrichtung aus 1 ist;
  • 2b ein seitlicher Querschnitt der Sammelelektrode von 2a ist;
  • 3 und 4 seitliche Querschnitte der alternativen auf Düsen basierenden Sammelelektrode sind;
  • 5 ein seitlicher Querschnitt eine Sammelelektrode basierend auf einem rotierenden Rad ist;
  • 6 ein seitlicher Querschnitt einer Sammelelektrode basierend auf auf- und abgehenden Nadeln ist;
  • 7 ein Elektron-Mikrograph eines Filters gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
  • 8 ein Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform eines Geräts ist, das für die Herstellung eines Filters in Schichten gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Stützschicht und einer Vorfilterschicht, die eine Mittelschicht eines Hochleistungs-Schwebstofffilters umgeben, angepasst ist.
  • 9a ein Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer solchen Vorrichtung ist, einschließlich eines Luftionisierers, um die Aufladung des verflüssigten Polymers zu steigern und damit den homogeneren Niederschlag desselben auf einer Niederschlagselektrode zu ermöglichen.
  • 9b eine vergrößerte Ansicht von Kreis I der 9a ist und einen Luftionisierier in größerem Detail zeigt;
  • 10 ein Querschnitt eines Mechanismus zur Bildung einer Oberfläche von ausreichend hoher Krümmung auf dem verflüssigten Polymer, um die Anziehung von mindestens einem Strahl des verflüssigten Polymers von der Niederschlagselektrode über die Erzeugung von Blasen in dem verflüssigten Polymer zu bewirken, ist;
  • 11 ein Querschnitt einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einschließlich einer Vielzahl von geneigten runden Rädern ist;
  • 12a-b seitliche Schnitte und Querschnitte eines Rades einschließlich eines dielektrischen Kerns sind;
  • 13 ein Querschnitt einer Vorrichtung einschließlich einer Vielzahl von geneigten runden Rädern in einer unterschiedlichen Konfiguration ist;
  • 14 eine Seitenansicht eines Rades einschließlich Hohlräumen zur Sammlung von verflüssigtem Polymer ist; und
  • 15 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Mechanismus zur Bildung einer Oberfläche mit ausreichend hoher Krümmung auf dem verflüssigten Polymer darstellt, die einen rotierbaren Riemen aus einem leitfähigen Material versehen mit einer Vielzahl an Vertiefungen, die parallel zu der Niederschlagselektrode rotieren, einschließt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochleistungs-Schwebstofffilter, auf den hierin auch als ungewebte Polymerstruktur Bezug genommen wird. Im Speziellen kann die vorliegende Erfindung verwendet werden, um einen zusammengesetzten, ungewebten Filter herzustellen.
  • Ein besseres Verständnis der Grundlagen und des Betriebs der vorliegenden Erfindung ist mit Bezug auf die Zeichnungen und die begleitende Beschreibung möglich.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Hochleistungs-Schwebstofffilter vorgesehen, der ungewebte, elektrogesponnene Fasern eines Polymers umfasst. Der Filter gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, mindestens 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auszufiltern und hat einen Druckabfall von 13 mm H2O, bevorzugt ungefähr 10 mm H2O, bevorzugter ungefähr 5 mm H2O, am bevorzugtesten ungefähr 2 mm H2O, optimal ungefähr 0,75 mm H2O.
  • Der Filter gemäß der vorliegenden Erfindung hat ein Verhältnis von Staubbeladung zu Filtergewicht pro Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 1,8. Zum Beispiel erleidet ein Filter gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Gewicht von 100 Gramm/m2 und einem Verhältnis von Staubbeladung zu Filtergewicht pro Bereich von 1,5 einen Anstieg bei seinem Druckabfall um Faktor 2 wenn die Staubbeladung 150 Gramm/m2 beträgt.
  • Es ist anzumerken, dass die unter dem Punkt Hintergrund beschriebenen, in den US Patenten 4,874,659 und 4,178,157 offenbarten Filter durch ein Verhältnis von Staubbeladung zu Filtergewicht pro Bereich von weniger als 0,8 gekennzeichnet sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Filter im Wesentlichen elektrisch neutral und damit sind seine Charakteristika als Filter sehr viel weniger von Luftfeuchtigkeit beeinflusst, wie die unter dem Punkt Hintergrund beschriebenen, in den US Patenten 4,874,659 und 4,178,157 offenbarten Filter, deren Leistung auf den damit verbunden Aufladungen beruht. Der Filter der vorliegenden Erfindung wird typischerweise innerhalb von 5-10 Minuten nach seinem Absetzen auf einer Niederschlagselektrode neutral, wie im Folgenden weiter beschrieben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die Fasern einen Durchmesser von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 20 μm. Alle Fasern mit einem Durchmesser von ungefähr 0,1-0,5 μm, ungefähr 0,5-2 μm, ungefähr 2-5 μm und ungefähr 5-20 μm fallen in den Schutzumfang der Erfindung und können durch die Wahl geeigneter Prozessparameter, wie im Folgenden detaillierter beschrieben, erhalten werden. Es ist anzumerken, dass die unter dem Punkt Hintergrund beschriebenen in den US Patenten 4,874,659 und 4,178,157 offenbarten Filter durch Durchmesser im Bereich von mehr als 10 bis 200 μm gekennzeichnet sind.
  • In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben mindesten 90 % der Fasern einen Durchmesser im Bereich von 0,1 μm und 20 μm. Vorzugsweise haben die zwischen den Fasern gebildeten Poren zu mindestens 90 % einen Durchmesser im Bereich von 0,2 μm und 20 μm. Diese Merkmale des Filters gemäß der vorliegenden Erfindung werden durch das Herstellungsverfahren wie weiter unten im Detail beschrieben hervorgerufen. Die unter dem Punkt Hintergrund beschriebenen Filter weisen nicht die beschriebene Homogenität bei Faser- und Porendurchmessern auf.
  • 7 stellt eine 4000-fache Vergrößerung des hierin beschriebenen Filters dar. Es ist zu beachten, dass viele der gezeigten Fasern eine Dicke von 1 μm aufweisen (entspricht 4 mm im Elektronenmikrograph) und dass die Abweichung niedrig ist. Solche Vergrößerungen wurden verwendet, um die oben aufgelisteten Merkmale und Bereiche zur Beschreibung der physikalischen Eigenschaften des Filters gemäß der vorliegenden Erfindung zu ermitteln, die den Filter gemäß der vorliegenden Erfindung von Filtern nach dem Stand der Technik unterscheiden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Filter des Weiteren mit einem Füllstoff ausgestattet, der, wie oben und weiter unten im Detail beschrieben, für die Entfernung von Merkaptanen, als Substrat für katalytische Reaktionen, in der Erhöhung der bakteriziden Wirkung des Filtermaterials, etc. von Nutzen ist.
  • Das technologische Verfahren zur Herstellung des zusammengesetzten Filtermaterials gemäß der vorliegenden Erfindung schließt zwei grundlegenden Stadien ein, die gleichzeitig stattfinden. Das erste besteht aus der Bildung und dem Absetzen von ultradünnen Fasern auf einer sich konstant bewegenden Oberfläche (Basis) (typischerweise in einem Bereich von 0,1-10 μm) aus der Polymerlösung, die unter der Wirkung eines elektrischen Felds aus den Kapillaröffnungen heraus fließt.
  • Der zweite Vorgang besteht in der Einführung von mikrodispergierten Partikeln von Füllstoff einer bestimmten Zusammensetzung in die Faserstruktur (Matrix), die zuvor in der ersten Herstellungsphase gebildet wurde.
  • Eine grundsätzliche Variante der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung (1) schließt einen Hochspannungs-Sammelelektrode 1, hergestellt als ein Bad und gefüllt mit der Polymerlösung (oder geschmolzenem Polymer) und ausgestattet mit einer Basis 2 und einer Abdeckung 2' ein. Der Sammelelektrode wird mit einem Speiser 3 (in 2b gezeigt) durch eine flexible Leitung, dergestalt installiert, dass sie eine vertikale Bewegung erlaubt, und einer Hochspannungsquelle 4 von negativer Polarität verbunden.
  • Spinndüsen 5 mit Düsen 6, die über Kapillaröffnungen verfügen, werden wie auf einem Schachbrett in mit Gewinden versehene Öffnungen, die sich in der Abdeckung 2 der Sammelelektrode befinden (2) geschraubt. Da die Höhe der Spinndüsen leicht geringer als die Breite der Abdeckung 2' ist und die Länge jeder Düse 6 die Breite der Abdeckung 2' übertrifft, wird der Düsenteil über der Abdeckung 2' auf der Achse von zylinderförmigen Vertiefungen 7 platziert, die durch ein System von offenen Kanälen 8 miteinander verbunden sind (2a). Das Lösungsmittel wird von einem Gefäß 9 in dieses Kanalsystem eingespeist.
  • Eine Niederschlagselektrode 10 befindet sich in gewissem Abstand (z.B. ungefähr 15-50 cm) oberhalb der Abdeckung 2'. Die Niederschlagselektrode 10 ist in Form einer sich konstant bewegenden Oberfläche (wenn in Betrieb), zum Beispiel einem Band bestehend aus elektrisch leitfähigem Material, konzipiert. Die Niederschlagselektrode 10 ist geerdet. Die Wellen 11 und 12, die mit einem elektrischen Motor verbunden sind (in den Zeichnungen nicht dargestellt) sind für den Antrieb der Niederschlagselektrode 10, ebenso wie dafür, die Niederschlagselektrode 10 unter Spannung zu halten und für die vorausgehende Kompression des Materials auf Niederschlagselektrode 10 verantwortlich.
  • Ein Teil der Niederschlagselektrode 10 wird um Welle 13 gewickelt, die einen großen Durchmesser aufweist und damit in den rechteckigen Hohlraum des elektrisch geladenen Aerosolgenerators hineinreicht. Der Hohlraum des elektrisch geladenen Aerosolgenerators ist durch eine Poren aufweisende, leitende Unterteilung 15 in zwei Teile geteilt. Der letztere ist mit einer Hochspannungsquelle 16 von positiver Polarität verbunden. Der untere Teil 14 des elektrisch geladenen Aerosolgenerators, der Druckkammer 17 bildet, ist mit einem Kompressor (nicht in den Figuren gezeigt) verbunden. Ein mikrodispersibler Füllstoff wird auf die Oberfläche der porenhaltigen Teilung 15 in dem oberen Teil des Generators gegossen. Die gesamte in 1 dargestellte Vorrichtung ist vorzugsweise in einem hermetisch versiegelten Behälter enthalten, der mit einer Saugeinheit und einer Ablagerungskammer zum Auffangen und zur Neuzirkulation der Lösungsmitteldämpfe ausgestattet ist (in den Zeichnungen nicht dargestellt).
  • Der elektrisch geladene Aerosolgenerator kann auch in Form einer Sprühvorrichtung mit Schlitz 18 vorgesehen sein, der durch eine Leitung mit einem Speiser 19 für den Ausstoß eines trockenen Pulvers und einer Quelle an positiver Hochspannung 16 verbunden ist. Die Verwendung der Sprühvorrichtung mit Schlitz mit einer Aufladung von Aerosol im Feld der Koronaentladung ist im Falle von metallischen Pulvern (einschließlich Graphitpulver) und Pulvern, die nicht leicht zu verflüssigen sind, bevorzugt.
  • In Versuchen wurde herausgefunden, dass durch Hinzufügen einer kleinen Menge (ungefähr 2-3 %) eines Pulvers, wie Polypropylenpulver, Epoxypulver und/oder Phenolformaldehydpulver zu der grundlegenden Polymerschicht in Filtern mit hoher Faltbarkeit und durch weiteres Hinzufügen von ungefähr 5-6 % eines weiteren Pulvers wie Talkpulver, Zinkpulver und oder Titanoxidpulver und anschließendem Erhitzen des pulverbeladenen Filters auf ungefähr 70-80% der Schmelztemperatur des in der Grundschicht verwendeten Polymers Leistung erzielt werden kann.
  • Die Geschwindigkeit, in der die oben genannten Pulver erhitzt werden ist abhängig von der Dispersion des Pulvers und den spezifischen Erwärmungseigenschaften. Für Pulver mit hoher Dispersion (mittlerer quadratischer Durchmesser von 1-5 μm) ist nur geringe Erwärmung nötig. Grobkörnigere metallische Pulver und Oxidpulver hingegen benötigen höhere Temperaturen.
  • Die Richtung der Faserzuführung auf der vertikalen Oberfläche kann umgekehrt werden und die Ausmaße der Sammelelektrode und die Anzahl an Kapillaren kann mit Hilfe der Vorrichtung aus 3 minimiert werden. Die Vorrichtung besteht aus einem Sammelelektroden-Rahmen 20, der aus einem dielektrischen Material hergestellt wurde und einen beispielsweise zylinderförmigen Zentralkanal 21 aufweist. Dieser Kanal ist durch eine Leitung mit einem Speiser (in der Zeichnung nicht dargestellt) verbunden und mit einer Öffnung 22 versehen, um den Gasaustausch mit der Atmosphäre zu erleichtern. Eine Schiene 23 mit Spinndüsen 5 und Düsen mit Kapillaröffnungen ist in unteren Teil des Rahmens 20 installiert. Die Düsen sind mit einer Hochspannungsquelle (in der Zeichnung nicht dargestellt) verbunden. Die Abdeckung 24 mit Öffnungen 25 ist vor der Schiene angebracht. Die Düsen 6 sind in diesen Öffnungen mit koaxialem Abstand angebracht. Die Innenfläche der Abdeckung und die Schiene bilden einen Hohlraum 26, der über eine Leitung mit einem Sättiger (in der Zeichnung nicht dargestellt) verbunden ist.
  • In einer Anzahl an Fällen kann der Vorgang der Herstellung des zusammengesetzten Filtermaterials durch Anwendung der in 4 gezeigten Vorrichtung verbessert werden. Hierbei dient ein dielektrischer Flansch 28 als Basis für eine geerdete Lochplatte 27 (oder alternativ eine Platte mit Unterpotential, von der selben Polarität wie die Hochspannungselektrode, aber mit niedrigerer Spannung), die mit einem bestimmten Zwischenraum C, z.B. von ungefähr 0,5-3 cm parallel zu den Oberflächen der Sammelelektrode 20 und der Schiene 23 angeordnet ist. Die Platte 27 ruht so auf dem Flansch, dass sie vertikale Bewegung zur Regulierung der Größe des Zwischenraums C ermöglicht. Die Öffnungen 29 der Lochplatte sind koaxial zu den Öffnungen der Düsen der Sammelelektrode. Die Innenfläche der Lochplatte 27 und die Schiene 23 bilden einen Hohlraum 26, der über eine Leitung mit einem Sättiger verbunden ist.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung funktioniert in ihrer grundlegenden Form wie folgt: Die Polymerlösung läuft von dem Speiser 3 (2b) in das Sammelelektrodenbad 1 und unter der Wirkung von hydrostatischem Druck wird die Polymerlösung durch die Kapillaröffnungen der Düsen 6 gepresst. Sobald sich eine Außenwulst in der Polymerlösung bildet, beginnt die Verdampfung des Lösungsmittels. Dieser Vorgang geht einher mit der Bildung von Kapseln mit einer semisteifen Hülle, deren Ausmaße einerseits durch hydrostatischen Druck, die Konzentration der ursprünglichen Lösung und dem Wert der Oberflächenspannung und auf der anderen Seite durch die Konzentration des Lösungsmitteldampfes im Bereich der Kapillaröffnungen bestimmt werden. Letzterer Parameter wird durch die Wahl des Bereichs mit freier Verdampfung von Abdeckung 2' und der Lösungsmitteltemperatur optimiert. Alternativ oder zusätzlich wird er weiter durch Abdecken der Vorrichtung und Ergänzen deren Atmosphäre mit Lösungsmitteldampf (z.B. mittels eines Lösungsmitteldampfgenerators) optimiert.
  • Ein elektrisches Feld, einhergehend mit einer unipolaren Koronaentladung im Bereich von Düse 6, wird zwischen der Abdeckung 2' und der Niederschlagselektrode 10 durch Aktivieren der Hochspannungsquelle 4 erzeugt. Da die Polymerlösung eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweist, werden die oben beschriebenen Kapseln aufgeladen. Coulombsche Abstoßungskräfte innerhalb der Kapseln führen zu einem starken Anstieg des hydrostatischen Drucks. Die semisteifen Hüllen werden gedehnt und eine Anzahl von Punkt-Mikrorissen (von 2 bis 10) werden auf der Oberfläche einer jeden Hülle gebildet. Ultradünne Strahle der Polymerlösung werden durch diese Öffnungen nach außen gesprüht. Da sich diese Strahle mit hoher Geschwindigkeit im Inter-Elektroden-Intervall bewegen, beginnen sie, Lösungsmittel zu verlieren und bilden Fasern, die chaotisch auf der Oberfläche der sich bewegenden Niederschlagselektrode 10 abgeschieden werden und so eine bahnartige Fasermatrix bilden. Da die Polymerfaser auf der Oberfläche hohen elektrischen Widerstand aufweist und das Materialvolumen in physikalischem Kontakt mit der Oberfläche der Niederschlagselektrode gering ist, konserviert die Fasermatrix die negative elektrische Ladung für einen relativ langen Zeitraum, nämlich ungefähr 5 bis 10 Minuten. Es ist anzumerken, dass der elektrische Widerstand durch spezielle Zusatzstoffe reguliert werden kann.
  • Wenn Druckluft in die Druckkammer 17 des elektrisch geladenen Aerosolgenerators 14 eingeführt wird und die Hochspannungsquelle 16 aktiviert wird, wird der mikrodispersible Füllstoff verflüssigt und nimmt eine positive elektrische Ladung an. Unter der Wirkung von elektrischen und aerodynamischen Kräften bewegen sich die Partikel des Füllstoffs zu der Oberfläche der Niederschlagselektrode 10, welche die Fasermatrix hält. Als ein Ergebnis der Wirkung der Coulombschen Kräfte interagieren die Partikel des Füllstoffes mit der Fasermatrix, dringen in ihre Struktur ein und bilden ein zusammengesetztes Material.
  • Wenn das Band der Niederschlagselektrode 10 zwischen den Wellen 11 hindurchläuft, findet eine erste Komprimierung des Materials statt, begleitet von der Neuverteilung der Filterpartikel im Matrixvolumen. Kugelförmige Partikel, die einzig durch die elektrischen Kräfte an das Fasermaterial anhaften bewegen sich entlang Pfaden mit geringstem Widerstand in Mikrozonen mit einer minimalen Volumendichte an Matrixmaterial, wobei sie große Poren füllen und somit die Homogenität der Zusammensetzung und den Grad der Mikrodispersität der Poren verbessern.
  • Die mikrodispersiblen Pulver aus den folgenden Materialien können als Füllstoffe verwendet werden: ein Polymer von der selben chemischen Zusammensetzung wie in der Matrix, Polymerlatexarten, Glass oder Teflon, ebenso wie aktive Füllstoffe, welche die Herstellung von zusammengesetzten Mikrofiltermaterialien mit neuen Verbrauchereigenschaften ermöglichen. Diese neuen Materialien können als Adsorptionsmittel, Indikatoren, Katalysatoren, Ionenaustauscherharze, Pigmentbakterizide, etc. Anwendung finden.
  • Die Verwendung eines elektrisch geladenen Aerosolgenerators, wie oben mit der verflüssigten Schicht beschrieben, ermöglicht hohe Produktivität des Prozesses und Produkthomogenität. Allerdings können mehrere Pulver nur schwer verflüssigte Schichten bilden: metallische Pulver, vor allem katalytische Metalle, können lediglich im Feld einer unipolaren Koronaentladung elektrischer Präzipitation ausgesetzt werden. Deshalb ist es in diesen Fällen ebenso wie in einem Fall, in dem es notwendig ist, genaue Mengen an Füllstoff zu ermitteln, sinnvoll, eine Sprühvorrichtung mit Schlitz 18 als elektrisch geladenen Aerosolgenerator (1) zu verwenden.
  • Wenn Druckluft von einem Kompressor in den Trockenpulverspeiser zugeführt und die Hochspannungsquelle aktiviert wird, so wird der pulverisierte Füllstoff in die Sprühvorrichtung mit Schlitz 18 abgegeben. Die Aerosolwolke aus den Öffnungen der Sprühvorrichtung mit Schlitz wird im unipolaren Koronaentladungsfeld aufgeladen und unter der Wirkung von elektrischen und aerodynamischen Kräften an die Niederschlagselektrode übertragen, wo sie mit der Fasermatrix wie oben beschrieben interagiert.
  • Die Funktionsweise der in 3 beschriebenen Vorrichtung entspricht in den wesentlichen Aspekten jener der Grundvorrichtung. Der Hauptunterschied ist wie folgt: Lösungsmitteldampf von dem Sättiger wird unter leichtem Überdruck in den Hohlraum 26 geleitet und tritt über eine Öffnung 25 aus, wobei er die Ränder der Öffnungen der Düsen 6 passiert. Alternativ oder zusätzlich wird die Vorrichtung abgedeckt und zu deren Atmosphäre Lösungsmitteldampf (z.B. mittels eines Lösungsmitteldampfgenerators) hinzugefügt.
  • Der Vorteil dieser Konfiguration liegt darin begründet, dass sie die Möglichkeit zur einfachen räumlichen Neu-Orientierung und Faserzufuhr in jede beliebige Richtung bietet und dass sie auf kompakte Art und Weise mit einer kleinen Anzahl an Kapillaren hergestellt werden kann. Eine Vorrichtung dieser Art ist nicht sinnvoll in Installationen, deren Ziel hoher Durchfluss ist, und zwar auf Grund von Schwierigkeiten bei der Erzielung von homogener Verteilung der Dampf-Luft-Mischung durch eine große Anzahl an Öffnungen und auf Grund der möglichen Kondensation von Dampf in Leitungen und dem daraus resultierenden Herabfallen von Tropfen.
  • Die Intensivierung des Herstellungsprozesses der Fasermatrix und eine Reduktion der Faserbreite zur Herstellung von Filtermaterialien mit einer minimalen Porengröße führt auf der einen Seite dazu, dass die Stärke des elektrischen Feldes erhöht werden sollte, um Werte von einer Größe zu erzielen, die annähernd jener entspricht, in der es zu elektrischen Entladungen zwischen den erscheinenden Fasern und der Niederschlagselektrode 10 käme und auf der anderen Seite dazu, dass die Konzentration an Lösungsmitteldämpfen im Inter-Elektroden-Intervall erhöht wird um die Fähigkeit der Konsolidation der Faserbildung beizubehalten. Die Lösungsmitteldämpfe im Inter-Elektroden-Intervall können zum Beispiel durch Abdecken der Vorrichtung und Hinzufügen von Lösungsmitteldampf (z.B. mittels eines Lösungsmitteldampfgenerators) zu deren Atmosphäre erhöht werden. Die optimale Stärke des elektrischen Felds sowohl zwischen der Sammelelektrode 1 und der Niederschlagselektrode 10 als auch zwischen dem elektrisch geladenen Aerosolgenerator und der Niederschlagselektrode 10 liegt zwischen ungefähr 2,5 KV/cm und ungefähr 4 KV/cm.
  • Ein Anstieg in der durchschnittlichen Stärke und Heterogenität des elektrischen Felds, der zu einer Koronaentladung führt, kann durch Installation einer oder mehrerer geerdeter Elektroden (oder alternativ Unterpotential-Elektroden von der selben Polarität wie die Hochspannungselektrode, aber mit niedrigerer Spannung), die zum Beispiel in Form von Drähten ausgeführt sind, realisiert werden. Diese Lösung ermöglicht eine Erhöhung in der Produktivität des Prozesses um das 1,5- bis 2-fache, führt jedoch nicht zur Bildung kurzer Fasern mit unterschiedlichen Stärke- und Größenparametern. Der negative Effekt der Verwendung einer linearen, geerdeten Elektrode anstelle einer flächigen, geerdeten Elektrode, wodurch ein nicht-homogenes elektrisches Feld erzeugt wird, kann durch Erhöhung der Lösungsmitteldampfkonzentration im Bereich der Faserbildung reduziert werden, was in offenen Vorrichtungen jedoch schwierig ist und den Lösungsmittelverbrauch und manchmal die Feuergefahr erhöht. Die Erhöhung der Lösungsmitteldämpfe im Inter-Elektroden-Intervall kann zum Beispiel durch Abdecken der Vorrichtung und Hinzufügen von Lösungsmitteldampf (z.B. mittels eines Lösungsmitteldampfgenerators) zu deren Atmosphäre erzielt werden.
  • Dieser Nachteil kann durch Anwendung der oben beschriebenen und in 4 dargestellten Vorrichtung überwunden werden.
  • Durch die Aktivierung der Hochspannungsquelle 4 im Zwischenraum C wird ein homogenes elektrisches Feld erzeugt, dessen Stärke auf einfache Weise auf 10-15 KV/cm erhöht werden kann. Unter diesen Bedingungen steigt die Wirkung des elektrischen Felds auf den Strahl der Polymerlösung signifikant an. Die austretende Faser ist dünner und über ihre Länge homogener. Die Anfangs-Fasergeschwindigkeit steigt ebenfalls an und im Anschluss tritt die Faser durch die Öffnungen 29 der Lochplatte 27 und wird auf der Oberfläche der Niederschlagselektrode wie oben beschrieben angeordnet. Eine Änderung der Größe des Zwischenraums C ermöglicht die Regulierung der Faserdicke und der Produktivität der Vorrichtung, ebenso wie des Grads der Materialporosität.
  • Die vorliegenden Verfahren können verwendet werden, um die beanspruchten Polymerfaserstrukturen aus einem viel breiterem Spektrum an Polymeren herzustellen, als dies nach dem Stand der Technik aus US Patent 2,349,950 möglich ist.
  • Bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass es für das Ziel, eine ungewebte Hochleistungs-Schwebstofffilterstruktur zu erhalten, die in der Lage ist 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auszufiltern und die des Weiteren die oben beschriebenen Merkmale aufweist, einer verbesserten Aufladung des Polymers bedarf. Die verbesserte Aufladung wird durch die vorliegenden Erfindung durch Mischen des verflüssigten Polymers mit einem Charge Control Agent (z.B. einem dipolaren Zusatzstoff) zur Bildung von zum Beispiel einem polymeren, dipolaren Zusatzstoffkomplex, der anscheinend besser mit ionisierten Luftmolekülen, die unter dem Einfluss des elektrischen Felds gebildet wurden interagieren, bewirkt. Es wird auf nicht beschränkende Art und Weise angenommen, dass die Zusatz-Aufladung, die den neu gebildeten Fasern zugeordnet wird, für ihren homogeneren Niederschlag auf der Niederschlagselektrode verantwortlich ist, wobei eine Faser besser an ein lokales Maximum angezogen wird, bei dem es sich um eine lokale Position handelt, die von älteren, präzipitierten Fasern, die ihre Ladung für 5-10 Minuten, wie bereits erwähnt, beibehalten, am wenigsten belegt ist. Der Charge Control Agent wird typischerweise im Grammäquivalent pro Literbereich hinzugefügt, das heißt im Bereich von ungefähr 0,01 bis ungefähr 0,2 Normal pro Liter, abhängig vom jeweiligen molekularen Gewicht des verwendeten Polymers und des verwendeten Control Agent.
  • Die US Patente 5,726,107; 5,554,722; und 5,558,809 lehren die Verwendung von Charge Control Agents in Kombination mit Polykondensierungsprozessen unter Verwendung von Schmelzspinnen und anderen Prozessen, in denen keine Niederschlagselektrode verwendet wird in der Herstellung von Elektret-Fasern, bei denen es sich um Fasern handelt, die durch eine permanente elektrische Ladung gekennzeichnet sind. Ein Charge Control Agent wird auf solche Weise hinzugefügt, dass er in die geschmolzenen oder teilweise geschmolzenen Fasern inkorporiert ist und darin inkorporiert bleibt, um so die Fasern mit elektrostatischer Ladung zu versehen, die über längere Zeiträume, wie Monate, nicht abgeleitet wird.
  • In starkem Kontrast dazu binden die Charge Control Agents gemäß der vorliegenden Erfindung vorübergehend an die Außenfläche der Fasern und die Ladung wird deshalb kurz darauf abgeleitet (innerhalb von Minuten). Das liegt darin begründet, dass keinerlei Polykondensation stattfindet, so dass es keine chemische Interaktion zwischen dem Agent und dem Polymer gibt und des Weiteren darin, dass eine niedrige Konzentration an Charge Control Agent verwendet wird. Der entstehende Filter ist deshalb im Wesentlichen ladungsfrei.
  • Somit schließt ein Mechanismus zur Aufladung des verflüssigten Polymers auf ein erstes elektrische Potential in Bezug auf die Niederschlagselektrode gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine Hochspannungsquelle wie beschrieben ein.
  • Geeignete Charge Control Agents schließen ein, sind jedoch nicht darauf beschränkt: mono- und polyzyklische Radikale die zum Beispiel über -C=C-, =C-SH- oder -CO-NH-Gruppen an das Polymermolekül binden können, einschließlich dikationische Amide, Phenol- und Urylsulfidderivate, Metallkomplexverbindungen, Triphenylmethane, Dimethylimidazol und Ethoxytrimethylsilane. Zusätze zur Steuerung der Leitfähigkeit, wie unten weiter beschrieben, können ebenfalls verwendet werden.
  • Die Funktionalität von beispielsweise dikationischen Amiden wurde in Versuchen bewertet. Zu diesem Zweck wurde eine 14 % Lösung eines verzweigten Polycarbonatpolymers (MG = ca. 110 000) in Chloroform hergestellt (Viskosität von 180 cP). Die obige Lösung wurde nach Zugabe von steigender Konzentration von dikationischem Säureamid in Kombination mit einer Vorrichtung wie in 3 dargestellt und mit Bezug darauf beschrieben, verwendet, um Filter zu präzipitieren, die daraufhin auf ihre physikalischen und funktionalen Eigenschaften untersucht wurden.
  • Die Untersuchung schloss die Abschätzung des Faserdurchmessers und der Gleichmäßigkeit der Verteilung ebenso wie Messungen des Druckabfalls ein. Das Hinzufügen von steigenden Mengen an dikationischem Säureamid führte zu keiner Veränderung am Faserdurchmesser hatte jedoch durchschlagende Wirkung auf die Gleichmäßigkeit der Verteilung, was wiederum zu einer Reduktion der Werte des Druckabfalls solcher Filter führte, wie in der unten angeführten Tabelle 1 beispielhaft dargestellt. TABELLE 1
    Konzentration an dikationischem Säureamid (N·10-2) Druckabfall für 100 g/m2 Filter (mm H2O)
    0 22
    0,1 22
    0,2 18
    0,3 6
    0,5 5
    0,6 5
    0,7 6
    1,0 5
  • Aus Tabelle 1 ist klar ersichtlich, dass der hinzugefügte Charge Control Agent das Filterprodukt mit Bezug auf den Druckabfall verbessert. Es ist des Weiteren klar, dass der Einfluss des Charge Control Agent seine höchste Wirksamkeit bei einer niedrigen Konzentration erreicht und dass die Steigerung seiner Konzentration über diesen Wert hinaus die Qualität des Produkts in Bezug auf den Druckabfall nicht weiter verbessern kann.
  • In einem ähnlichen Versuch wurde zum Beispiel die Funktionalität von zum Beispiel Metallkomplexverbindung (Eisen-Salicylsäure-Komplex) in Versuchen bewertet. Zu diesem Zweck wurde eine 12% Lösung eines Polysulfon-Polymers (MG = ca. 80 000) in Chloroform hergestellt (die Viskosität lag bei 140 cP, die Leitfähigkeit betrug 0,32 μS).
  • Die oben genannte Lösung wurde nach Zugabe von steigender Konzentration Metall-Komplex-Verbindung in Kombination mit einer Vorrichtung wie in 3 dargestellt und mit Bezug darauf beschrieben verwendet, um Filter zu präzipitieren, die daraufhin auf ihre physikalischen und funktionalen Eigenschaften untersucht wurden. Die Untersuchung schloss die Abschätzung des Faserdurchmessers und der Gleichmäßigkeit der Verteilung ebenso wie Bewertungen des Druckabfalls ein. Wie zuvor führte Hinzufügen von steigenden Mengen an dikationischem Säureamid zu keiner Veränderung am Faserdurchmesser, hatte jedoch durchschlagende Wirkung auf die Gleichmäßigkeit der Verteilung, was wiederum zu einer Reduktion der Werte des Druckabfalls solcher Filter führte, wie in der unten angeführten Tabelle 2 beispielhaft dargestellt. TABELLE 2
    Konzentration des Eisen-Salicylsäure-Komplex (N·10-2) Druckabfall für 100 g/m2 Filter (mm H2O)
    0 18
    0,1 9
    0,2 3
    0,3 3
    0,5 3
    0,6 3
    0,7 3
    1,0 3
  • Aus Tabelle 2 ist klar ersichtlich, dass der hinzugefügte Charge Control Agent das Filterprodukt in Bezug auf den Druckabfall angeht verbessert. Es ist des Weiteren klar, dass der Einfluss des Charge Control Agent seine höchste Wirksamkeit bei einer niedrigen Konzentration erreicht und dass die Steigerung seiner Konzentration über diesen Wert hinaus die Qualität des Produkts in Bezug auf den Druckabfall nicht weiter verbessern kann.
  • Dieses Phänomen lässt sich durch die Sättigung der Polymerfaseroberfläche durch den Charge Control Agent und darüber hinaus durch den Verlust von Zugangsladung an die umgebende Atmosphäre erklären.
  • Die Aufladung (oder deren Abwesenheit) kann durch eine bestimmte Vorrichtung, nämlich ein Messgerät zur Messung von Stärken elektrischer Felder gemessen werden. Der Schlusswert der elektrischen Aufladung oder die Verlustgeschwindigkeit haben keine Auswirkung auf die homogene Faserverteilung. Für diesen Zweck ist lediglich die Anfangsgeschwindigkeit der Aufladung von Bedeutung. Die für die Ladungsableitung benötigte Zeit beträgt ungefähr ein paar Minuten.
  • Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und das hierin offenbarte Verfahren unterscheiden sich von den in den US Patenten 4,043,331 und 4,127,706 von Martin et al. und in US Patent 1,975,504 von Anton Formhals offenbarten dadurch, dass sie die Herstellung einer ungewebten Hochleistungs-Schwebstofffilter-Faserstruktur ermöglicht, die in der Lage ist 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/Sekunde auszufiltern und die des Weiteren physikalische Merkmale aufweist, die in den Ansprüchen beansprucht und weiter oben beschrieben sind. Die in den oben erwähnten Patenten offenbarten Vorrichtungen und Verfahren sind lediglich in der Lage, Filter mit niedrigerer Leistung bereitzustellen, welche die Anforderungen von Hochleistungs-Schwebstofffiltern wie hierin beschrieben nicht erfüllen können.
  • Vorzugsweise folgt auf die Aufladung des verflüssigten Polymers auf ein erstes elektrisches Potential relativ zu der Niederschlagselektrode ein erneutes Aufladen des verflüssigten Polymers auf ein zweites elektrisches Potential relativ zu der Niederschlagselektrode, wobei das zweite elektrische Potential von ähnlicher Größe ist, aber umgekehrte Vorzeichen in Bezug zu dem ersten elektrischen Potential aufweist. Vorzugsweise schwankt die Ladung zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Potential in einer Frequenz von ungefähr 0,1-10 Hz, vorzugsweise ungefähr 1 Hz. Die Ladungsschwankung führt zu Prozessproduktivität, homogenerer Verteilung von präzipitierten Fasern und einer Ausbeute an Filtern mit verbesserten Eigenschaften, wie oben beschrieben.
  • Für die vorliegende Erfindung geeignete Polymere schließen Polysulfon, Polyphenylsulfon, Polyethersulfon, Polycarbonat im Allgemeinen, ABS, Polystyrol, Polyvinylidenfluorid, nachträglich chloriertes Polyvinylchlorid und Polyacrylnitril ein. Geeignete Lösungsmittel schließen unter anderem Chloroform, Benzen, Aceton und Dimethylformamid ein. Die optimale Konzentration der Lösung hängt von dem spezifischen verwendeten Polymer und Lösungsmittel ab. Im Allgemeinen gilt: je höher die Polymerkonzentration in der Lösung, desto höher ist die Prozessausbeute und desto niedriger ist die Porosität des Produkts. Es wurde gefunden, dass Konzentrationen zwischen ungefähr 10 % und ungefähr 12 % für die in der Sammelelektrode 1 verwendeten Polymerlösungen ideal sind. Geschmolzene Polymere, wie beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Polyolefine, einschließlich Polyethylen und Polypropylen, sind ebenfalls für den Prozess gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet.
  • Es wurde gefunden, dass es vorteilhaft ist, gewisse Zusatzstoffe zu den Lösungen dieser Polymere hinzuzufügen. Aminsalze wie Tetraethylammoniumbromid und Benzyltriethylammoniumbromid werden verwendet, um die Leitfähigkeit der Polymerlösung wie oben beschrieben zu regulieren. Kleine Mengen von hochmolekularen (Gewicht in der Größenordnung von 500 000) Polyoxyalkylen-Zusatzstoffen wie Polyethylenglykol und Polyvinylpyrrolidon fördern die Bildung der Polymerlösungsstrahlen durch Reduktion der intermolekularen Reibung. Oberflächenaktive Stoffe, wie Dimethylimidazol und Ethoxytrimethylsilane erhöhen die Dicke und Gleichmäßigkeit der Fasern. Dank der Verwendung von Zusatzstoffen, welche die Viskosität und Oberflächenspannung reduzieren, ist es möglich, die Polymerkonzentration auf bis zu ungefähr 17-18% zu erhöhen.
  • Der Filter der vorliegenden Erfindung kann aus einem verflüssigten Polymer und nicht nur aus einer Polymerlösung hergestellt werden. Unter einem verflüssigten Polymer versteht man ein Polymer, dass durch ein beliebiges Mittel in flüssigen Zustand, einschließlich Auflösen des Polymers in einem Lösungsmittel, wie oben beschrieben, und Schmelzen des Polymers, versetzt wurde.
  • Es ist ebenso möglich, die Bildung einer Oberfläche auf dem verflüssigten Polymer einzuschließen, die genügend Krümmung aufweist um den oben besprochenen Prozess der aufgeladenen Kapseln zu initiieren, was zur Bildung der Strahlen des verflüssigten Polymers führt, die zu Fasern werden und sich auf der Niederschlagselektrode 10 absetzen. Wie oben besprochen, werden die Fasern durch Verdampfung des Lösungsmittels gebildet, wenn es sich bei dem verflüssigten Polymer um eine Polymerlösung handelt. Handelt es sich bei dem verflüssigten Polymer um eine Schmelze, werden die Fasern durch Verfestigung der Strahlen gebildet.
  • In dem oben beschriebenen Prozess sind die stark gekrümmten Oberflächen die Wulsträder der aus den Düsen 6 austretenden Polymerlösung. Andere Mechanismen zur Bildung dieser stark gekrümmten Oberflächen sind in 5 und 6 dargestellt. 5 zeigt eine Variante der Sammelelektrode 1, in der die Polymerlösung, die in einem Behälter 33 gelagert ist, mittels einer Pumpe 32 durch eine Zuführleitung 31 in eine Abgabekammer 36 gepumpt wird. In der Abgabekammer 36 ist ein rundes Rad 30 aus elektrisch leitfähigem Material drehbar angebracht. Auf dem Rand 38 des Rads 30 befinden sich dreieckige Vorsprünge 40, die aus einem Material bestehen, das mit der Polymerlösung benetzt wird. Die Spitzen 42 der Vorsprünge 40 zeigen vom Rad 30 aus radial nach außen. Das Rad 30 ist durch die Quelle 4 negativ aufgeladen. Da die Polymerlösung an Kammer 36 geliefert wird, dreht sich das Rad 30 und jeder der Vorsprünge 40 wird nacheinander mit einer Schicht der Polymerlösung beschichtet, die dadurch negative Aufladung annimmt. Die Oberfläche des die Spitze 42 umgebenden Teils dieser Polymerlösung stellt die stark gekrümmte Oberfläche dar, aus der die geladenen Strahlen austreten. Polymerlösung, die im Lauf des Absetzens der Fasern auf der Niederschlagselektrode 10 nicht verbraucht wird, wird über eine Auslassleitung 35 mittels einer Pumpe 34 in den Behälter 33 zurückgeführt. Die optimale Konzentration an Polymerlösung, die in dieser Variante der Sammelelektrode 1 verwendet wird, betrug im Allgemeinen zwischen ungefähr 14% und ungefähr 17%.
  • 6 ist eine Teildarstellung, im Querschnitt, die dem Querschnitt von 2b von einer Variante der Sammelelektrode 1 ähnelt, in der die Düsen 6 durch auf- und abgehende Nadeln 40 ersetzt werden, die aus einem elektrisch leitfähigen Material, dass mit der Polymerlösung benetzt wurde, gemacht sind. Jede Nadel 40 ist mit einem Mechanismus 42 zum Anheben und Absenken der Nadel 40 ausgestattet. Wenn eine Nadel 40 abgesenkt wird, wird deren geschärfte Spitze 44 benetzt und mit der Polymerlösung beschichtet. Die Oberfläche der Polymerlösung ist an der Spitze 44 stark gekrümmt. Wenn eine Nadel 40 in Richtung einer Niederschlagselektrode 10 angehoben wird, führt die hohe Spannungsdifferenz zwischen der Nadel 40 und der Niederschlagselektrode 10 dazu, dass Strahle der Polymerlösung aus der die Spitze 44 umgebenden Polymerlösung austreten und in Richtung Niederschlagselektrode 10 strömen. Es ist anzumerken, dass in dieser Variante der Sammelelektrode 1 lediglich die Nadeln 40 und damit die Polymerlösung auf denselben, von der Quelle 4 negativ aufgeladen werden.
  • In 6 wird ebenfalls ein Lautsprecher 50 gezeigt, der Teil eines Systems zur Erzeugung akustischer Vibrationen in der Luft oberhalb der Sammelelektrode 1 ist. Der Lautsprecher 50 sendet einen Ton in einer Einzelfrequenz, vorzugsweise im Bereich zwischen ungefähr 5000 Hz und ungefähr 30 000 Hz in Richtung der Nadeln 40. Es wurde gefunden, dass die so in den stark gekrümmten Oberflächen der Polymerlösung auf den Spitzen 44 ausgelösten Vibrationen die Emission von Strahlen an Polymerlösung in Richtung der Niederschlagselektrode 10 anregen.
  • 8-15 zeigen zusätzliche bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens, die für die Herstellung des Filters gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
  • Deshalb ist, wie in 8 gezeigt, eine dreifache Konfiguration der oben beschriebenen Vorrichtung mit einigen weiter unten beschriebenen Modifikationen zur Bildung eines vielschichtigen Filters mit einer Stützschicht und einer Vorfilterschicht, die eine Mittelschicht eines Hochleistungs-Schwebstofffilters umgeben, vorgesehen. Somit wird die Sammelelektrode 1 gemäß dieser Konfiguration durch drei Sammelelektroden 100a, 100b und 100c ersetzt, wobei jede für die Präzipitation einer der obigen Schichten des in Schichten aufgebauten Filters konzipiert ist. Über eine geeignete Hochspannungsquelle sind die Sammelelektroden 100a, 100b und 100c zum Beispiel mit einem negativen Potential versehen, zum Beispiel -100 KV. Die Niederschlagselektrode 10 ist gemäß dieser Ausführungsform durch eine modifizierte Version mit drei unabhängigen Niederschlagselektroden 102a, 102b und 102c und einem umlaufenden Band 104, das um kontinuierlich laufende Wellen 106 gewickelt ist, ersetzt. Der Einsatzort der Niederschlagselektroden 102a, 102b und 102c wird so gewählt, dass sie sich über den Sammelelektroden 100a, 100b und 100c befinden und durch unabhängige Quellen an Hochspannung werden sie mit positiven, negativen und negativen Potentialen versehen, zum Beispiel jeweils (+1)-(+5), (-1)-(-2) and (-2)-(-5) KV, was zur Erzeugung von Potentialdifferenzen von zum Beispiel 101-105, 98-99 und 95-98 KV mit ihren jeweiligen Sammelelektroden 100a, 100b und 100c führt. Diese Potentialdifferenzen in Kombination mit dem Potentialabfall mit Abstand und mit variablen Polymerlösungen sind ausreichend um deutliche Änderungen an den abgeschiedenen Fasern, wie im Folgenden dargestellt, zu verursachen.
  • In Elektrodensystemen wie Punktplatte mit unterbrochenem, nicht gleichmäßigem elektrischen Feld ist der Stärkeabfall im in der Nähe der Plattenelektrode gelegenen Bereich klein, so dass das relative Potential einen ausreichenden beschleunigenden oder verlangsamenden Effekt bewirken kann.
  • Somit bilden Fasern aus dem Paar 100a-102a eine Vorfilterstruktur oder Schicht, die aus relativ verfeinerten und grobkörnigen (z.B. 8-10 μμ Fasern) mit großem Volumen (Porosität 0,96), niedrigem aerodynamischem Widerstand und hoher Staubbeladungkapazität (40-50 % der Gesamtmasse) besteht.
  • Fasern aus Paar 100b-102b bilden einen Hochleistungs-Schwebstofffilter aus feinen Fasern (z.B. 1-3 μm im Durchmesser), mit niedriger Porosität (z.B. ungefähr 0,85-0,88), höherem aerodynamischem Widerstand und einer Staubbeladungkapazität von z.B. ungefähr 20-30 %.
  • Fasern aus Paar 100c-102c hingegen bilden einen Stützfilm oder eine Stützschicht um den vielschichtigen Filter mit mechanischer Stärke und technischen Eigenschaften wie Faltbarkeit zu versehen, gekennzeichnet durch grobkörnige Fasern (10-20 μm im Durchmesser) Porosität von 0,9-0,92 und Staubbeladungkapazität von ungefähr 20-30 %.
  • Diese Version der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kombiniert tatsächlich drei einzelne Vorrichtungen wie hierin beschrieben, von denen jede etwas veränderte Eigenschaften aufweist, zu einer einzigen Vorrichtung, welche die kontinuierliche Herstellung von drei- (oder mehr-)schichtigen Filterstrukturen ermöglicht, wobei jede der drei oder mehr Lagen verschiedene Eigenschaften aufweist und einem anderen Zweck dient. Jede geeignete Zahl, z.B. von 2 bis 10, an kombinierten Vorrichtungen ist für verschiedene Anwendungen vorgesehen. In jedem Fall wird gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung jede der Schichten vollständig abgeschieden bevor eine weitere Schicht abgeschieden wird; deshalb sind die Eigenschaften der Vorrichtung so ausgewählt, dass die Effizienz des Niederschlags so hoch wie nötig ist, um den Niederschlag einer Schicht in jeder der Phasen in einer einzelnen Runde abzuschließen (z.B. durch Steuern der Länge jedes Abschnitts oder jeder einzelnen Vorrichtung). Der daraus resultierende Filter 105 wird über eine zusätzliche, rotierende Welle 107 gerollt.
  • Wie in 9a-b gezeigt wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ionisierte Luft, die von einem Luftionisierer 110 erzeugt wurde, einschließlich einem Lufteinlass 112, einer geerdeten Netzstruktur 114, einer ionisierenden Elektrode 116 zur Erzeugung eines Potentials von z.B. 15 KV/cm und einem Luftauslass 117, wie im Stand der Technik wohl bekannt, verwendet, um die Aufladung des verflüssigten Polymers (oder der Fasern) zu erhöhen und dadurch homogeneren Niederschlag desselben/derselben an der Niederschlagselektrode zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist in einem mit Ionisierter Luft über einen Ionisierer 110 versorgten Gehäuse 122 ein Bad 118 enthalten, in dem das verflüssigte Polymer 119 aufbewahrt wird und von wo aus Aliquoten desselben mittels eines rotierenden Rads 120 gesammelt werden, das dreieckige Vorsprünge 122 wie oben mit Bezug auf 5 detaillierter beschrieben (Rad 30) aufweist. Wie zuvor kann die Erhöhung der Lösungsmitteldämpfe im Inter-Elektroden-Intervall zum Beispiel durch Abdecken der Vorrichtung und Hinzufügen von Lösungsmitteldampf (z.B. mittels eines Lösungsmitteldampfgenerators) zu deren Atmosphäre erzielt werden.
  • Wie in 10 gezeigt ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Mechanismus zur Bildung einer Oberfläche auf dem verflüssigten Polymer von ausreichend hoher Krümmung vorgesehen, um zu ermöglichen, dass mindestens einen Strahl des verflüssigten Polymers durch das erste elektrische Potential zu der Niederschlagselektrode gezogen wird, wobei im verflüssigten Polymer gebildete Gasblasen (vorzugsweise lösungsmittelgesättigter Dampf) die benötigten Oberflächen darstellen.
  • Zu diesem Zweck ist eine Sammelelektrode oder Bad 130 vorgesehen, in dem der verflüssigte Polymer 132 (in diesem Fall typischerweise aber nicht zwingend ein geschmolzener Polymer) aufbewahrt wird mit einem Mechanismus 134 versehen, der komprimiertes Gas freisetzt, wobei dieser Mechanismus typischerweise in Form einer Leitung 136 ausgestattet mit einer Vielzahl an Blasen 137 erzeugenden Öffnungen 138 vorgesehen ist. Wenn die Oberfläche des verflüssigten Polymers erreicht wird, bilden die Blasen eine Oberfläche auf dem verflüssigten Polymer von ausreichend hoher Krümmung, um dafür zu sorgen, dass mindestens einen Strahl des verflüssigten Polymers von der Niederschlagselektrode angezogen wird.
  • Wie in 11 und 12a-b und 13 gezeigt, sind gemäß einer weiteren Ausführungsform in der Abgabekammer 146 eine Vielzahl an runden Rädern 140 drehbar angebracht Auf dem Rand 148 der Räder 140 befinden sich dreieckige Vorsprünge 150, die aus einem von der Polymerlösung benetztem, leitfähigem Material bestehen. Die Spitzen 152 der Vorsprünge 150 zeigen von den Rädern 140 aus radial nach außen. Die Räder 140 sind durch die Quelle 149 negativ geladen. Die Räder 140 sind in geneigter Orientierung mit Bezug auf eine Niederschlagselektrode 160 vorgesehen, sodass die Polymerlösung an Kammer 146 abgeben wird, Räder 140 rotieren und jeder der Vorsprünge 150 nacheinander mit einer Schicht der Polymerlösung bedeckt wird, die daraufhin negative Ladung annimmt, aber auf Grund der geneigten Orientierung, sind im Allgemeinen Vorsprünge 150, die nicht in die Polymerlösung getaucht sind, gleichmäßiger von der Elektrode 160 entfernt verteilt, als dies im Vergleich mit der vertikalen Konfiguration, die zum Beispiel in 5 gezeigt wird, der Fall ist. Das wiederum führt zu einem homogeneren Faserniederschlag und homogenerer Faserdicke oder homogeneren Faserdurchmesser. Um Überlagerungseffekte der elektrischen Felder während der Umsetzung dieser Konfiguration mit einer Vielzahl von Rädern 140 zu vermeiden, bestehen Kerne 162 von Rädern 140 aus dielektrischer Substanz, während äußere Ränder 148 derselben, einschließlich der Vorsprünge 150, aus einer elektrischen Substanz bestehen. In einer etwas anderen Konfiguration, die in 13 gezeigt wird, ist der Überlagerungseffekt durch Auswahl einer geeigneten, nicht abschirmenden Anordnung der Radneigungen vermieden.
  • Wie in 14 gezeigt wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform jeder der Vorsprünge 150 mit einem Hohlraum 151 zum Aufnehmen des verflüssigten Polymers gebildet, um so die Aufnahme einer gemessenen Menge an verflüssigten Polymer zu erleichtern. Der Vorteil dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie den Prozess der Faserbildung verzögert, so dass ein Vorsprung nur Fasern bildet, wenn er im Begriff steht, wieder in das verflüssigte Polymer einzutauchen, so dass alle Fasern von einem ähnlichen Ort und mit ähnlichem Abstand in Bezug auf die Niederschlagselektrode gebildet werden, wodurch verbesserte Homogenität erzielbar ist.
  • Wie in 15 gezeigt, schließt gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ein Mechanismus zur Bildung einer Oberfläche auf dem verflüssigten Polymer von ausreichend hoher Krümmung, um zu ermöglichen, dass mindestens einen Strahl des verflüssigten Polymers durch das erste elektrische Potential zu der Niederschlagselektrode gezogen wird, einen rotierbaren Riemen 170 aus einem leitfähigen Material versehen mit einer Vielzahl an Vorsprüngen 171 ein, der um mindestens zwei Wellen 172 läuft und mit einer Quelle 174 verbunden ist. Vorsprünge 171 sind in Richtung einer Niederschlagselektrode 176 ausgerichtet, so dass, wenn der Riemen 170 durch einen Behälter 178 einschließlich einem verflüssigten Polymer läuft, sich Aliquoten desselben über Vorsprünge 171 ansammeln um damit eine Oberfläche auf dem verflüssigten Polymer von ausreichend hoher Krümmung zu bilden, damit mindestens ein Strahl des verflüssigten Polymers von der Niederschlagselektrode 176 angezogen wird. Da das Feld senkrecht zu der Umlaufrichtung des Riemens 170 ausgerichtet ist, kann der Riemen 170 mit höheren Geschwindigkeiten rotiert werden, was zu einer noch homogeneren Polymerfaserverteilung über die Elektrode 176 führt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Riemen 170 direkt vor dem Eintritt in den Behälter 178 durch einen Abstreifer 180 von den Überresten an Polymer gereinigt, der zum Beispiel aus einem adsorbierenden Material besteht.
  • Deshalb ist der Abstand zwischen dem rotierenden Riemen und der Niederschlagselektrode an allen Orten konstant, so dass die Stärke des elektrischen Felds, die an jedem Ort wirkt, ähnlich ist, was zu einer gleichmäßigen Faserdicke führt. Des Weiteren ist es auf Grund fehlender Zentrifugalkraft in Richtung der Niederschlagselektrode möglich, die Geschwindigkeit des umlaufenden Riemens zu erhöhen, um dadurch die Massenverteilung zu verbessern und die Produktivität zu erhöhen.

Claims (4)

  1. Ein Hochleistungsfilter umfassend ungewebte, elektrogesponnene Fasern eines Polymers, wobei der Filter mindestens 99,97 % von 0,3 μm großen Partikeln in der Luft bei einem Luftstrom von 5 cm/s und mit einem Druckabfall von ungefähr 9,75 mm H2O auf ungefähr 13 mm H2O und mit einem Verhältnis zwischen Staubbeladung und Filtergewicht pro Bereich von ungefähr 1 zu ungefähr 1,8 ausfiltern kann.
  2. Der Hochleistungsfilter aus Anspruch 1, wobei der Filter im Wesentlichen elektrisch neutral ist.
  3. Der Hochleistungsfilter aus Anspruch 1, wobei diese Fasern einen Durchmesser von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 10 μm aufweisen.
  4. Der Hochleistungsfilter aus Anspruch 1, wobei zumindest ungefähr 90% dieser Fasern einen Durchmesser in einem Bereich von 0,1 μm bis 20 μm aufweisen.
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