EP3775346A1 - Verfahren zur herstellung eines textilen gebildes mit elektrostatisch geladenen fasern und textiles gebilde - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines textilen gebildes mit elektrostatisch geladenen fasern und textiles gebilde

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EP3775346A1
EP3775346A1 EP19712559.4A EP19712559A EP3775346A1 EP 3775346 A1 EP3775346 A1 EP 3775346A1 EP 19712559 A EP19712559 A EP 19712559A EP 3775346 A1 EP3775346 A1 EP 3775346A1
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EP
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fibers
polymer
fiber
textile
fiber type
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EP19712559.4A
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Ralph Berkemann
Fabian STAUSS
Frank ENDRISS
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Groz Beckert KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines textilen Gebildes, das triboelektrisch geladene Fasern aufweist, und ein textiles Gebilde. Es werden zumindest zwei separate Düsenbalken oder zumindest ein Multipolymer-Düsenbalken, jeweils für die Herstellung von Fasern aus verschiedenen Polymeren eingesetzt, wobei die Polymere einen geeignet großen Abstand in der triboelektrischen Reihe haben. Die aus den Polymeren hergestellten Fasern werden im Prozess zumindest bereichsweise durchmischt und triboelektrisch aufgeladen. Alternativ oder ergänzend werden die Fasern durch eine unkomplizierte Nachbehandlung triboelektrisch aufgeladen. Mit dem textilen Gebilde sind Filter mit Qualitätsfaktoren größer 0,2 herstellbar.

Description

[0001] Verfahren zur Herstellung eines textilen Gebildes mit elektrostatisch geladenen Fasern und textiles Gebilde.
[0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur vergleichsweise unkomplizierten Herstellung eines, vorzugsweise plissierbaren, textilen Gebildes, das elektrostatisch geladene Fasern aufweist, und ein textiles Gebilde das vorzugsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Das textile Gebilde wird hauptsächlich als Tiefenfiltermaterial eingesetzt. Filter, in denen dieses Tiefenfiltermaterial eingesetzt ist, zeichnen sich üblicherweise durch sehr gute Filtrationseigenschaften aus.
[0001] Aus dem Stand der Technik sind Methoden bekannt, mit denen Filtermaterialien mit elektrostatisch aufgeladenen Fasern hergestellt werden können. Durch die elektrostatische Aufladung der Fasern kann die Filtrationseffizienz von Filtrationsmaterialien, insbesondere bezüglich feiner Partikel, deutlich verbessert werden. Denn Partikel, die lediglich in die Nähe der elektrostatisch geladenen Fasern kommen, können von deren elektrischem Feld angezogen und infolgedessen vom Filter zurückgehalten werden, während der betreffende Partikel im Falle einer ungeladenen Faser nicht zurückgehalten worden wäre. Damit ändert sich das mechanische Filtrationsprinzip, das aussagt, dass feine Partikel nur mittels feiner Fasern ausgefiltert werden können. Denn es können feine Partikel auch mittels elektrisch geladener, grober Fasern ausgefiltert werden.
[0002] Eine bekannte Methode, um die Fasern von Filtermaterialien elektrostatisch zu laden ist die Aufladung der betreffenden Fasern mittels Koronaentladung. Mit den zur Zeit bekannten Verfahren, die eine Koronaentladung nutzen, ist jedoch keine ausreichend potente/effektive elektrostatische Aufladung der Fasern möglich.
[0003] Bei einer weiteren Methode werden Fasern mit Hilfe des Fenard Effekts
(Hydrocharging; s. EP 2 609 238 Bl) unter Verwendung von elektrisch geladenen
Wassertröpfchen geladen. Die Methode ist jedoch mit einem relativ großen Aufwand verbunden, da die hergestellten Faservliese üblicherweise aufwendig getrocknet werden müssen. [0004] US 8,372,175 B2 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Filtermaterials, in dem gröbere Fasern mittels eines Spinnvlies-Prozesses und feinere Fasern mittels eines Meltblow- Verfahrens hergestellt und im Herstellungsverfahren vermischt werden sollen. Nach der Herstellung des Vliesstoffes, können dessen Fasern, z.B. mit Hilfe von Koronaentladung oder mittels eines sogenannten Hydrochargings, elektrostatisch aufgeladen werden. Die bei Spinnvlies-Prozessen üblichen geringen Filamentgeschwindigkeiten unterscheiden sich deutlich von den sehr hohen Filamentgeschwindigkeiten bei Meltblow-Prozessen, d.h., die Filamentgeschwindigkeiten weichen sehr stark voneinander ab. Des Weiteren können die erheblichen Luftgeschwindigkeiten des Meltblownprozesses die Filamentschar erheblich negativ beeinflussen. Deshalb ist zu erwarten, dass bei der Durchmischung der Fasern sehr starke Turbulenzen auftreten und infolgedessen mit dem Verfahren keine hochwertigen, gleichmäßigen Vliesstoffe mit elektrostatisch geladenen Fasern hergestellt werden können.
[0005] Darüber hinaus sind aus EP 0 705 931 Al, DE 10 2004 036 440 Al, WO 2006/049664 Al und der nachveröffentlichten WO 2018/065014 Al Verfahren bekannt, in denen mindestens zwei verschiedene Arten von Polymeren zu zwei verschiedenen Fasertypen ausgesponnen werden. Die beiden Fasertypen werden am Ende des Spinnprozesses gemeinsam zu einem Vliesstoff verarbeitet. Dabei sind Reibungsprozesse zwischen den beiden Fasertypen und eine damit verbundene, zufällig erfolgende triboelektrische Aufladung unvermeidlich. Ohne eine Prozessführung und Materialauswahl, die gezielt auf eine intensive und nachhaltige triboelektrische Aufladung ausgerichtet ist, können die Fasern der erzeugten Vliesstoffe allerdings nicht intensiv und nachhaltig triboelektrisch aufgeladen werden.
Folglich können bei allen gezeigten Verfahren, allein durch den zufällig auftretenden triboelektrischen Effekt, keine hochwertigen Filter, insbesondere keine Filter mit
Qualitätsfaktoren größer 0,2, hergestellt werden.
[0006] Schließlich ist aus EP 1 208 900 Al ein Verfahren bekannt, in dem Stapelfasern, die aus mindestens zwei verschiedenen Polymeren bestehen, vermischt und anschließend kardiert oder vemadelt werden. Hierdurch werden die Fasern triboelektrisch geladen. Allerdings müssen vor dem Kardieren/V emadeln von den Stapelfasern mit vergleichsweise hohem Aufwand die Avivagen entfernt werden. Nachteilig ist auch, dass in diesem Verfahren nur vergleichsweise grobe Fasern eingesetzt werden können. Hinzu kommt, dass durch das Kardieren und insbesondere durch das Vemadeln Einstichkanäle gebildet werden, die sich ungünstig auf die Filtereigenschaften auswirken.
[0007] Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren zu finden, mit dem textile Gebilde, vorzugsweise zur Verwendung als Filtermaterial für einen Elektretfilter, hergestellt werden können, dessen Fasern schon bei der Herstellung und/oder durch eine geeignete unkomplizierte Nachbehandlung semipermanent elektrostatisch geladen werden können.
[0008] Für die Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von elektrisch geladenen, textilen Gebilden wird eine Düsenanordnung eingesetzt, die zumindest zwei separate
Düsenbalken aufweist. Alternativ kann auch mindestens ein Düsenbalken zum Einsatz kommen, mit dem mindestens zwei verschiedene Polymere gesponnen werden können (ein sog. Multipolymer-Düsenbalken). Das Verfahren wird bevorzugt mit genau zwei
Düsenbalken bzw. genau einem Multipolymer-Düsenbalken durchgeführt, mit dem genau zwei Polymere gesponnen werden können. Bei speziellen Anwendungen können in dem Verfahren aber auch drei oder mehrere Düsenbalken oder ein Multipolymer-Düsenbalken und weitere (beliebige) Düsenbalken zum Einsatz kommen.
[0009] Prinzipiell sind Düsenbalken bekannt, die mit Düsen mit einem linearen Aufbau, die auch als Exxon-Düsen bezeichnet werden, ausgestattet sind (nachfolgend: Exxon- Düsenbalken). Des Weiteren sind auch Düsenbalken bekannt, die Düsen mit einem
konzentrischen Aufbau aufweisen (nachfolgend: Düsenbalken mit konzentrischen Düsen). Eine spezielle Bauform der Düsen mit konzentrischem Aufbau, wird als Biax -Düsen (benannt nach der Firma„Biax“, die diese Düsen herstellt) bezeichnet.
Mit den Düsenbalken wird jeweils ein aus dem Stand der Technik bekannter
Schmelzspinnprozess üblicherweise ein Meltblow-Spinprozess , z.B. ein sogenannter Spun- Blown®-oder BIAX Spinprozess, oder alternativ ein Lösungsmittelspinnverfahren, wie z.B. ein Solutionblowverfahren, ein Elektroblowverfahren, ein Elektrospinnverfahren oder ein Zentrifügenspinnverfahren, durchgeführt. Dabei können entweder mit allen Düsenbalken dieselben Arten von Spinnprozessen durchgeführt werden oder es können auf den
Düsenbalken jeweils verschiedene Arten von Spinnprozessen durchgeführt werden.
[00l0]Bei der Verwendung von Düsenbalken, mit denen jeweils nur ein Polymer gesponnen werden kann, weist der erste Düsenbalken vorzugsweise konzentrische Düsen auf, z.B. Biax- Düsen, er kann aber auch Düsen mit einem linearen Aufbau (Exxon-Düsen) aufweisen. Als zweiter Düsenbalken (und ggf. dritter/weiterer Düsenbalken) kann wahlweise ein Düsenbalken, der mit Düsen mit einem linearen Aufbau (Exxon-Düsen) oder konzentrischen Düsen, z.B. Biax-Düsen, ausgestattet ist, eingesetzt werden. Alternativ kann auch jeweils für den ersten, zweiten und ggf. für weitere Düsenbalken ein Düsenbalken für
Lösungsmittelspinnverfahren, wie z.B. ein Solutionblowverfahren, ein Elektroblowverfahren, ein Elektrospinnverfahren oder ein Zentrifügenspinnverfahren, (einzeln oder in Kombination) eingesetzt werden.
[0011] Bei Meltblow-Spinprozessen (Meltblowing) wird die Schmelze eines Polymers durch die Kapillaröffungen eines Düsenbalkens gedrückt. Beim Austreten des Polymers aus den Kapillaröffüngen gelangt das Polymer in einen Gasstrom, üblicherweise in einen Luftstrom, mit sehr hoher Geschwindigkeit. Das austretende Polymer wird von dem Gasstrom
mitgerissen und dabei verstreckt, sodass Polymerfasem entstehen, die wesentlich kleinere Durchmesser haben, als die Durchmesser der Schmelze direkt nach dem Austritt aus der Kapilare. Bei Meltblow-Spinnprozessen entstehen längere Fadenstücke (d.h. längere Fasern), wobei aber im Vergleich zu Spinnvlies-Spinnprozessen wesentlich mehr Filamentabrisse auftreten können.
[0012] Alternativ kann auch ein Spinnverfahren mit einem bohrungslosen Düsenbalken, wie dies zum Beispiel in US 7,628,941 B2 (Polymer Group, Ine, später Avintiv Specialty
Materials Ine) in den Figuren 3 bis 5 beschrieben ist, zur Anwendung kommen.
[0013] Bei Lösungsmittelspinnprozessen wird statt der Schmelze eine Lösung eines Polymers in einem Lösungsmittel versponnen. Das Solutionblowverfahren, Elekroblowingverfahren, Elektrospinnverfahren und das Zentrifügenspinnverfahren wird bis auf diesen Unterschied weitgehend analog zu den Meltblow-Spinnprozessen durchgeführt.
[0014] Zur Durchführung des Verfahrens wird mit Hilfe des ersten Düsenbalkens die
Schmelze oder alternativ die Lösung eines ersten Polymers zu Fasern eines ersten Fasertyps ausgesponnen. Mit Hilfe (mindestens) eines zweiten Düsenbalkens wird die Schmelze oder alternativ die Lösung (mindestens) eines zweiten Polymers zu Fasern (mindestens) eines zweiten Fasertyps ausgesponnen. Ggf. wird mittels eines dritten Düsenbalkens ein drittes Polymer zu Fasern eines dritten Fasertyps ausgesponnen. Es können auch mittels weiterer Düsenbalken Fasern von weiteren Polymeren zu weiteren Fasertypen ausgesponnen werden. Alternativ wird ein Multipolymer-Düsenbalken eingesetzt, mit dem zwei oder mehr verschiedene Polymere gesponnen werden können. Zudem können in analoger Weise weitere Multipolymer-Düsenbalken und/oder weitere Düsenbalken eingesetzt werden, mit denen nur ein Polymer ausgesponnen werden kann.
[0015] Aus den Fasern aller Fasertypen, zumindest aber aus den Fasern des ersten Fasertyps und den Fasern des zweiten Fasertyps wird mittels einer Sammeleinrichtung das
erfindungsgemäße textile Gebilde ausgeformt. Nach Maßgabe der Erfindung werden das Polymer für die Herstellung des ersten Fasertyps und das Polymer für die Herstellung des zweiten Fasertyps und ggf. die Polymere für die Herstellung weiterer Fasertypen so gewählt, dass sich die aus diesen (mindestens) zwei verschiedenen Polymeren gesponnenen Fasern mittels triboelektrischer Effekte zwischen den (mindestens) zwei verschiedenen Fasertypen so gut aufladen lassen, dass mit den erzeugten textilen Gebilden Filter mit Qualitätsfaktoren von größer 0,2 herstellbar sind, wenn die Prozessparameter und ggf. die
Nachbehandlungsmethoden geeignet ausgewählt werden. Dabei ist es üblicherweise ausreichend, wenn ausschließlich triboelektrische Methoden zur elektrischen Aufladung zugrunde liegen.
[0016] Des Weiteren wird als das erste Polymer und/oder als das mindestens eine zweite Polymer ein Polymer verwendet, das mindestens ein Additiv enthält, das Radikale binden kann und/oder das mindestens ein Additiv enthält, das als inneres Gleitmittel wirken kann. Durch die Additive, einzeln oder vorzugsweise in Kombination, kann eine intensivere und nachhaltigere, üblicherweise semipermanente, triboelektrische Aufladung der Fasern des textilen Gebildes erreicht werden. Sofern im hergestellten textilen Gebilde mindestens zwei Fasertypen mit unterschiedlichen mittleren Faserdurchmessem vorliegen, wird in einer bevorzugten Variante für einen Fasertyp, der einen kleineren mittleren Faserdurchmesser aufweist, als der Fasertyp mit dem größten mittleren Faserdurchmesser, ein Polymer verwendet, das mindestens eines der oben beschriebenen Additive enthält (d.h. ein Additiv, das Radikale binden kann und/oder ein Additiv enthält, das als inneres Gleitmittel wirken kann). Entsprechend dieser Variante kann der betreffende Fasertyp entweder derjenige mit dem kleinsten mittleren Faserdurchmesser sein oder, falls mehr als zwei Fasertypen vorliegen, auch jeder andere Fasertyp, der nicht derjenige mit dem größten mittleren Faserdurchmesser ist.
[0017] Der Einfachheit halber werden nachfolgend immer zwei verschiedene Fasertypen beschrieben, die sich aufgrund von tribolelektrischen Effekten elektrisch aufladen lassen. Gemäß einer bevorzugten Variante kommen genau zwei verschiedene Fasertypen zum Einsatz. Im Sinne der Erfindung soll hierdurch jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass auch drei oder mehr Fasertypen, z.B. bestehend aus jeweils verschiedenen Polymeren, zum Einsatz kommen können, die sich bevorzugt in der Kombination aufgrund von triboelektrischen Effekten besonders intensiv und/oder nachhaltig aufladen lassen.
[0018] Die Reibungsprozesse durch welche die triboelektrische Aufladung erreicht werden soll, können vor und/oder bei der Ausformung des textilen Gebildes auftreten. Die triboelektrische Aufladung kann während des Spinnvorgangs und/oder beim Ablegen des textilen Gebildes auf einer geeigneten Auffangvorrichtung/ Ablagevorrichtung, wie z.B. einem Auffangband oder einer Auffangtrommel erfolgen. Alternativ oder ergänzend können die betreffenden Reibungsprozesse durch eine Nachbehandlung des bereits hergestellten textilen Gebildes herbeigeführt werden. Die Nachbehandlung kann dabei eine signifikante
triboelektrische Aufladung überhaupt erst herstellen oder eine bereits vorhandene
triboelektrische Aufladung verstärken.
[0019] Des Weiteren werden vorzugsweise beim Ausspinnen eines Polymers (zu Fasern eines einen Fasertyps) und eines mindestens einen anderen Polymers (zu Fasern eines mindestens einen anderen Fasertyps) die Prozessparameter derart ausgewählt, dass die Fasern des einen Fasertyps einen größeren mittleren Faserdurchmesser haben als die Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps.
[0020] Bei einer Verwendung eines solchen sogenannten bimodalen Vliesstoffs als
Filtermaterial dienen die feineren Fasern dazu, vor allem die feineren Partikel abzuscheiden, d.h., die Filtrationseffizienz bezüglich feinerer Partikel zu steigern. Die groben Fasern dienen einerseits dazu, die gröberen Partikel auszufiltem, andererseits gewährleisten die gröberen Fasern eine ausreichende mechanische Stabilität des bimodalen Vliesstoffs. Dies schließt auch ein, dass die feineren Fasern durch Mischen mit groben Fasern in einem solchen Vliesstoff einen gewissen Abstand voneinander haben. Bei einem Vliesstoff, der
ausschließlich aus den feineren Fasern bestehen würde, würden die feinen Fasern zu dicht beieinander liegen, d.h., ein solcher Vliesstoff würde, in einem Filter eingesetzt, einen zu hohen Druckverlust verursachen und generell bei einer Bestaubung oder wenn er von einem Medium, das Partikel enthält, durchströmt wird, sehr schnell blockieren.
[0021] Dabei können der eine Fasertyp und der mindestens eine andere Fasertyp, durch die die mechanische Struktur des textilen Gebildes gebildet wird, und die Fasertypen, die aus dem ersten Polymer und dem mindestens einen zweiten Polymer gebildet werden, durch die die tribolelektrischen Eigenschaften des textilen Gebildes bestimmt werden, jeweils übereinstimmen. Insbesondere kann der erste Fasertyp mit dem einen Fasertyp und
gleichzeitig der mindestens eine zweite Fasertyp mit dem mindestens einen anderen Fasertyp übereinstimmen. Oder es kann der erste Fasertyp mit dem mindestens einen anderen Fasertyp und gleichzeitig der mindestens eine zweite Fasertyp mit dem einen Fasertyp übereinstimmen. Auf diese Weise fallen jeweils die mechanischen und die triboelektrischen Eigenschaften zusammen, d.h., die groben und feinen Fasern bestehen aus unterschiedlichen Polymeren, die sich auch triboelektrisch aufladen können.
[0022] Die jeweiligen Fasertypen können alternativ auch ganz oder teilweise voneinander abweichen. In einer alternativen Variante kann z.B. der eine Fasertyp mit dem ersten Fasertyp übereinstimmen, während der mindestens eine andere Fasertyp mittels mindestens eines weiteren (dritten) Düsenbalkens zu einem weiteren (dritten) Fasertyp ausgesponnen wird und sich vom zweiten Fasertyp unterscheidet. Auf diese Weise kann ein textiles Gebilde erzeugt werden, das aus einem Gerüst aus weitgehend elektrisch ungeladenen, groben Fasern und zwei, üblicherweise dünneren Fasertypen besteht, die sich triboelektrisch gut aufladen lassen.
[0023] Damit sich die aus den beiden Polymeren gesponnenen Fasern gut oder zumindest hinreichend gut aufladen lassen, müssen das erste Polymer und das mindestens eine zweite Polymer üblicherweise in einer triboelektrischen Reihe einen ausreichend großen Abstand voneinander haben. Die meisten tribolektrischen Reihen machen allerdings keine
quantitativen Angaben bezüglich der triboelektrischen Eigenschaften der enthaltenen Stoffe, sondern durch die betreffenden triboelektrischen Reihen werden lediglich Reihenfolgen festgelegt, d.h., es wird lediglich eine Sortierung der betreffenden Stoffe vorgenommen. Ein großer Abstand zweier Stoffe in einer solchen triboelektrischen Reihe ist demnach zwar ein Hinweis darauf, dass eine merkliche Aufladung erfolgt, wenn sich die beiden Stoffe aneinander reiben. Eine quantitative Aussage ist jedoch nicht möglich.
[0024] Eine der wenigen Tabellen, in denen den enthaltenen Stoffe eine quantitative Größe bezüglich ihrer triboelektrischen Eigenschaften zugewiesen wird, ist die unten dargestellte Tabelle (Copyright 2009: AlphaFab, Ine.; Trifield.com). In der Tabelle wird jedem Stoff ein Zahlenwert zugeordnet, der beschreibt, wie stark und mit welcher Polarität sich der entsprechende Stoff auflädt, wenn es unter definiertem Energieeinsatz an einem Referenzstoff gerieben wird. Ein Stoff mit einem positiven Wert lädt sich dann positiv und ein Stoff mit einem negativen Wert negativ auf. Der Zahlenwert wird„Charge affinity“ genannt und wird nachfolgend als„Ladungsaffinität“ bezeichnet. Die Ladungsaffinität hat die Einheit nC/J und wird üblicherweise in Nanoamperesekunden/Wattsekunden angegeben.
[0025] Die Tabelle enthält eine weitere Spalte in der ein Korrekturfaktor angegeben ist: W (weak) bedeutet, dass die triboelektrische Aufladung geringer aus fällt, als gemäß dem Wert der Ladungsaffinität erwartet würde, N (normal) bedeutet, dass die Aufladung
erwartungsgemäß aus fällt. In der Tabelle ist im Original eine weitere Spalte enthalten, welche die Leitfähigkeit des jeweiligen Stoffes angibt. Diese Spalte musste aus Platzgründen weggelassen werden. Die genauen Messbedingungen zur Ermittlung der Ladungsaffinität sind auf htps://www.trifield.com/content/tribo-electric-series/ angegeben. Für Stoffe, die nicht in der Tabelle enthalten sind, sollen diejenigen Werte der Ladungsaffinität gelten, die unter Verwendung des auf der Seite www.trifield.com detailliert beschriebenen Messverfahrens ermittelt werden würden, oder die alternativ mit Hilfe eines ähnlichen Messverfahrens, dass im Rahmen der Messtoleranzen dieselben Werte liefert, ermittelt werden würden.
Tabelle 1 : Verschiedene Stoffe und deren Ladungsaffinitäten (Copyright 2009 AlphaLab, Ine.)
[0026] Vorzugsweise werden das erste Polymer und das mindestens eine zweite Polymer so gewählt, dass der Unterschied zwischen der Ladungsaffinität der Fasern des aus dem ersten Polymer gebildeten Fasertyps und der Ladungsaffinität der Fasern des aus dem mindestens einen zweiten Polymer gebildeten Fasertyps mindestens 15 nC/J, mindestens 30 nC/J, mindestens 50 nC/J, mindestens 70 nC/J, mindestens 85 nC/J, mindestens 100 nC/J oder mindestens 115 nC/J beträgt. Alternativ kann das erste Polymer und das mindestens eine zweite Polymer so gewählt werden, dass der Unterschied der Ladungsaffinität zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Polymer mindestens 15 nC/J, mindestens 30 nC/J, mindestens 50 nC/J, mindestens 70 nC/J, mindestens 85 nC/J, mindestens 100 nC/J oder mindestens 115 nC/J beträgt. Denn die Ladungsaffinitäten der Fasern lassen sich nur schwer ermitteln, die Ladungsaffinitäten werden aber in guter Näherung der Ladungsaffinität der Polymere, aus denen sie hergestellt sind, entsprechen. Unter dem Unterschied der
Ladungsaffinitäten soll immer ein positiver Zahlenwert verstanden werden, d.h. der Betrag der Differenz der beiden Ladungsaffinitäten.
Für die Herstellung eines der Fasertypen, vorzugsweise für die Herstellung eines Fasertyps, der nicht den größten mittleren Faserdurchmessser aufweist, kann vorteilhafterweise mindestens eines der Polymer kann Polypropylen, Polyactid, Polystyrol, Polyvinylchlorid oder ein Gemisch aus diesen Polymeren eingesetzt werden. Diese Polymere zeichnen sich durch vergleichsweise negative Werte (negative Werte mit hohem Betrag) der
Ladungsaffinität aus. Der aus den vorgenannten Polymeren hergestellte Fasertyp weist vorzugsweise den kleinsten mittleren Faserdurchmesser auf.
[0027] Für die Herstellung eines der Fasertypen, vorzugsweise für die Herstellung eines Fasertyps, der nicht den kleinsten mittleren Faserdurchmessser aufweist, kann ein Polyamid (z.B. Nylon), Polyurethan, Zellulose, Polycarbonat, ein Kunstharz, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, PVDF POM, PEEK, PAN, PMMA, Melamin oder ein Gemisch aus diesen Polymeren eingesetzt werden. Diese Polymere zeichnen sich durch vergleichsweise hohe, positive Werte der Ladungsaffinität aus. Der aus den vorgenannten Polymeren hergestellte Fasertyp weist vorzugsweise den größten mittleren Faserdurchmesser auf.
[0028] Bei einer geeigneten Kombination aus dem ersten Polymer und dem mindestens einen zweiten Polymer, z.B. wenn die Werte der Ladungsaffinitäten der beiden Polymere einen vergleichsweise großen Unterschied aufweisen, sowie einer geeigneten Anordnung der Düsenbalken, ist es möglich schon durch Reibungsprozesse, die bei der Herstellung des textilen Gebildes auftreten, eine triboelektrische Aufladung der Polymerfasem zu erreichen.
[0029] In einer bevorzugten Variante wird als das erste Polymer Polypropylen und als das zweite Polymer ein Polyamid verwendet. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zumindest das Polypropylen ein Additiv enthält, das Radikale binden kann und/oder ein Additiv enthält, das als inneres Gleitmittel wirken kann. Weiter hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Fasertyp, der aus dem Polypropylen gesponnen wurde, einen kleineren mittleren Fasedurchmesser hat, als der aus dem Polyamid gesponnene Fasertyp.
[0030] Ein Grund für die triboelektrische Aufladung beim Spinnen der Fasern kann in dem sogenannten„whipping“-Effekt gesehen werden, der bei Meltblow-Spinprozessen mit hohen Fadengeschwindigkeiten praktisch immer auftritt. Der„whipping“-Effekt zeichnet sich dadurch aus, dass die Fasern in einem bestimmten Abstand vom zugehörigen Düsenbalken eine Art Taumel / bzw. Peitschenbewegung ausführen, d.h., die Fasern bewegen sich nicht direkt in die Richtung vom zugehörigen Düsenbalken weg und zur Sammeleinrichtung hin, sondern sie führen zusätzlich schnelle und ausgeprägte Querbewegungen aus. Werden also die Düsenbalken so angeordnet, dass sich die Fasern des ersten Typs (bestehend aus einem ersten Polymer) in relativ kurzem Abstand, d.h. weit bevor die Fasern die Sammeleinrichtung erreichen, mit den Fasern des (mindestens einen) zweiten Typs (bestehend aus einem zweiten Polymer) mischen, finden aufgrund des„whipping“-Effekts, bereits während des Spinn- und Ablageprozesses (in-situ, d.h. bevor die Fasern des ersten Typs und die Fasern des
(mindestens einen) zweiten Typs die Sammeleinrichtung erreichen), intensive
Reibungsprozesse zwischen den beiden Fasertypen statt.
[0031] Als relativ kurzer Abstand, bezüglich des Abstands, an dem sich die beiden Fasertypen das erste Mal zumindest teilweise mischen, soll ein Abstand von höchstens 2 cm, höchstens 5 cm, höchstens lOcm oder höchstens 15 cm zwischen dem Punkt, an dem sich die beiden Fasertypen das erste Mal zumindest teilweise mischen, und dem von diesem Mischungspunkt weiter entfernten Düsenbalken derjenigen beiden Düsenbalken gelten, die zum Verspinnen des einen der Polymere und des mindestens einen anderen Polymers eingesetzt werden.
Dieser Düsenbalken wird nachfolgend als der weiter entfernte Düsenbalken bezeichnet. In analoger Weise kann auch als relativ kurze Distanz ein Abstand zwischen dem
Mischungspunkt und dem weiter entfernten Düsenbalken angesehen werden, die höchstens 5%, höchstens 10%, höchstens 20%, höchstens 30% oder höchstens 50% des Abstands zwischen der Sammeleinrichtung und dem weiter entfernten Düsenbalken beträgt.
[0032] Alternativ oder ergänzend können nach dem Spinn- und Ablageprozess auch die Elektreteigenschaften des textilen Gebildes weiter verbessert werden (oder ggf. überhaupt erst aktiviert werden) indem inline oder offline ein mechanisches Reiben der Fasern, die aus dem ersten Polymer bestehen, und der Fasern, die aus dem mindestens einen zweiten Polymer bestehen, aneinander verursacht wird.
[0033] Alternativ oder um die in den vorherigen Kapiteln beschriebene in-situ Aufladung zu erhöhen, können hierzu die Faserfreisträhle, z.B. höherfrequent, mechanisch und/oder pneumatisch und/oder durch ein (pulsierendes) elektrisches Feld angeregt werden. Hierzu könnte z.B. eine pulsierende Fuftströmung und/oder eine Anregung durch Ultraschall eingesetzt werden. Es können dazu aus dem Stand der Technik bereits bekannte Methoden verwendet werden, die eingesetzt werden, um höhere Vliesgleichmäßigkeiten zu erreichen.
[0034] Es hat sich gezeigt, dass eine besonders gute Verstärkung der triboelektrischen Aufladung dadurch erreicht werden kann, dass die erzeugten textilen Gebilde nachträglich hochfrequentem Schall/Ultraschall ausgesetzt werden. Hierzu kann Schall mit einer Frequenz größer 1 kHz, größer 10 kHz oder größer 15 kHz eingesetzt werden. Es kann Schall mit einer Frequenz von 1 kHz bis 100 kHz, mit einer Frequenz von 5 kHz bis 50 kHz oder mit einer Frequenz von 15 kHz bis 25 kHz zu Beschallung verwendet werden. Besonders gute triboelektrische Aufladungen konnten mit Frequenzen von ungefähr 20 kHz erreicht werden. Die Beschallungsdauer kann im Bereich von einer Sekunde bis 30 Minuten, vorzugsweise 10 Sekunden bis 10 Minuten, besonders vorzugsweise bei 30 Sekunden bis 3 Minuten liegen. Besonders gute Ergebnisse bei gleichzeitig geringem Aufwand konnten mit einer
Beschallungsdauer von ca. 1 Minute erreicht werden.
[0035] Für eine, vorzugsweise nachträgliche, Behandlung mit Schall/Ultraschall haben sich textile Gebilde, vorzugsweise Vliesstoffe, als besonders geeignet erwiesen, die eine vergleichsweise geringe strukturelle Integrität aufweisen, d.h., bei denen die Fasern, zumindest die feineren Fasern, vergleichsweise kleine Mittelwerte des Faserdurchmessers haben. Denn Fasern mit größeren Durchmessern kühlen langsamer ab, was zur Folge hat, dass sie bei der Bildung des textilen Gebildes, üblicherweise der Bildung eines Faservlieses durch Ablegen auf einer Auffangvorrichtung, stärker verkleben (bzw. überhaupt verkleben) als Fasern mit kleineren Durchmessern. Für eine gute triboelektrische Aufladung des textilen Gebildes durch eine nachträgliche Beschallung ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der Fasern bzw. zumindest einer der Fasertypen möglichst beweglich bleibt. Ein schwaches Verkleben der Fasern spielt dabei keine Rolle, sofern die betreffenden Verklebungen durch eine Schall-/Ultraschalleinwirkung nachträglich wieder gelöst werden können.
[0036] Dabei können alle Fasertypen so fein gewählt werden, dass praktisch alle Fasern beweglich bleiben, d.h., die Reibungsprozesse finden schwerpunktmäßig zwischen bewegten Fasern statt. Alternativ dazu kann auch ein Teil der Fasern gröber gewählt werden, wobei dann die gröberen Fasern, zumindest zu einem großen Teil, miteinander verkleben. Es hat sich herausgestellt, dass in einer solchen Konstellation nur die groben Fasern miteinander verkleben, aber praktisch keine feinen Fasern an den groben Fasern kleben bleiben. In diesem Fall finden folglich schwerpunktmäßig die Reibungsprozesse zwischen einem praktisch feststehenden Gerüst aus groben Fasern und sich bewegenden feinen Fasern statt.
[0037] Für plissierbare textile Gebilde bedeutet dies, dass sie üblicherweise eine für die Plissierbarkeit gerade ausreichende strukturelle Integrität aufweisen sollten. Die mittleren Faserdurchmesser des gröbsten Fasertyps betragen dann typischerweise 5 pm bis 50 pm, vorzugsweise 8 pm bis 25 pm und besonders vorzugsweise 10 pm bis 15 pm. Bei textilen Gebilden, die nicht plissierbar sein müssen, können die mittleren Faserdurchmesser des gröbsten Fasertyps noch kleiner sein, z.B. 0,2 pm bis 10 pm, 0,5 pm bis 5 pm oder 1 pm bis 3 pm. [0038] Um die Elektreteigenschaften zu verbessern (oder ggf. auch erst zu aktivieren) kann das fertiggestellte textile Gebilde auch gewalkt oder geknetet werden, z. B. indem es durch eine Schlaufe oder eine Öse gezogen wird. Dass textile Gebilde kann hierzu auch gereckt oder, z.B. mittels eines Filzprozesses, gestoßen werden. Des Weiteren kann das textile Gebilde, z. B. beim Krumpfen/Sanforisieren (vorzugsweise kalt und ohne Feuchtigkeit) gedehnt und/oder relaxiert werden. Eine weitere Möglichkeit, die Fasern zum Schwingen zu bringen oder anderweitig in Bewegung zu versetzen und infolgedessen Reibungsvorgänge auszulösen, besteht darin, das textile Gebilde Vibrationen oder einer Beschallung, z. B.
mittels Ultraschalls, auszusetzen. Zur Verbesserung seiner Elektreteigenschaften kann des Weiteren das textile Gebilde auch mit Gasen oder Dämpfen durchströmt werden.
[0039] Des Weiteren können auch unterstützend bekannte Verfahren zur elektrischen
Aufladung von Fasern in-situ verwendet werden, wie z.B. Hydrocharging oder eine
Koronaentladung .
[0040] Denkbar ist es auch, dass bei aus mit dem erfindungsgemäßen textilen Gebilde hergestellten Filtern während des Betriebs und/oder in Wartungspausen die Fasern derart in Schwingungen versetzt werden oder anderweitig bewegt werden, dass während des Betriebs und/oder während der Wartungspausen die im Filter enthaltenen Fasern (insbesondere paarweise die Fasern aus unterschiedlichen Stoffen) aneinander reiben und somit
triboelektrisch nachgeladen werden. Hierzu kann im Betrieb eine geeignete (z.B. eine turbulente) Fuftführung erzeugt werden und/oder eine Beschallung bzw. Vibration verwendet werden. In Wartungspausen können zudem alle übrigen Methoden zum triboelektrischen Nachladen der Fasern eingesetzt werden, die im vorherigen Absatz im Zusammenhang mit der Nachbehandlung des (frisch erzeugten) textilen Gebildes beschrieben sind.
[0041] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können also in einem einstufigen Prozess, ggf. in Verbindung mit einer vergleichsweise einfachen Nachbehandlung, textile Gebilde erzeugt werden, deren Fasern potent/effektiv elektrostatisch geladen sind. Das erfindungsgemäße (plissierbare) textile Gebilde besteht dementsprechend aus Fasern, die mit einem
Schmelzspinnverfahren oder mit einem Fösungsmittelspinnverfahren hergestellt sind. Die Fasern setzen sich aus einem ersten Fasertyp, der aus Fasern eines ersten Polymers besteht, und (mindestens) einem zweiten Fasertyp zusammen, der aus Fasern eines zweiten Polymers besteht. Die aus dem ersten Polymer hergestellten Fasern und/oder die aus dem mindestens einen zweiten Polymer hergestellten Fasern sind durch vor und/oder bei der Ausformung des textilen Gebildes auftretende Reibungsprozesse und/oder durch Reibungsprozesse im Zuge einer Nachbehandlung triboelektrisch so stark aufladbar, dass unter Verwendung des textilen Gebildes Filter mit Qualitätsfaktoren von größer 0,2 hergestellt werden können. Dabei enthält das erste Polymer und/oder das mindestens eine zweite Polymer mindestens ein Additiv, das Radikale binden kann, und/oder ein Additiv, das als inneres Gleitmittel wirken kann.
[0042] Unter Verwendung des textilen Gebildes als Filtermaterial können verbesserte Filter hergestellt werden, die über eine hohe Filtrationseffizienz und ein hohes
Partikelspeichervermögen (ein hohes Staubspeichervermögen im Falle von Luftfiltern) verfügen. Zudem kann das textile Gebilde Fasern mit einem größeren mittleren Durchmesser (gröbere Fasern) und mit einem kleineren mittleren Faserdurchmesser (feinere Fasren) enthalten. Dabei kann der Durchmesser der gröberen Fasern so groß gewählt werden, dass das Filtermaterial (Vliesmaterial) ohne Substrate, wie z.B. Spinnvliese, eingesetzt werden kann. Insbesondere sind Qualitätsfaktoren von größer 0,2 erreichbar. Der Qualitätsfaktor QF ist hierbei definiert als
QF = (-ln(DEHS Penetration/ l00))/Druckverlust in mmH20).
Die genaue Bestimmung der„DEHS Penetration“ (Durchdringungsfaktor eines unbeladenen Filters) und auch des Druckverlusts kann z.B. mit einem MFP 3000 Prüfstand der Firma Palas bei einer Durchströmgeschwindigkeit von 0,lm/s erfolgen.
[0043] Die Sammeleinrichtung ist bevorzugt ein mit einer Ansaugeinrichtung ausgestattetes Transportband oder eine Transporttrommel. Die die Fasern des ersten und des (mindestens) zweiten Fasertyps werden von der Ansaugeinrichtung des Transportbands bzw. der
Transporttrommel angesaugt und gemeinsam auf dem Transportband/auf der
Transporttrommel abgelegt.
[0044] Üblicherweise wird das textile Gebilde aus den Fasern des einen Fasertyps und den Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps mitels der Sammeleinrichtung so ausgeformt, dass vor und/oder während des Sammelns der Fasern, z.B. durch Ablegen der Fasern auf einem Auffangband oder einer Auffangtrommel, eine Durchmischung der beiden (oder weiterer) Fasertypen stattfindet. Durch das Sammeln der Fasern wird das textile Gebilde ausgebildet. Im fertigen textilen Gebilde sind dann die Fasern des einen Fasertyps mit den Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps zumindest bereichsweise durchmischt. Der Bereich kann aber so klein sein, dass quasi zwei (bzw. drei oder mehr, falls drei oder mehr Düsenbalken eingesetzt werden) diskrete Lagen vorliegen, die lediglich durch einen sehr dünnen Durchmischungsbereich zusammengehalten werden.
[0045] Bevorzugt werden die Prozessparameter, z.B. der Winkel zwischen den
Austrittsrichtungen der Düsenbalken für den einen Fasertyp und für den mindestens einen anderen Fasertyp oder die sonstige räumliche Anordnung dieser Düsenbalken und der zugehörigen Sammeleinrichtung, so gewählt, dass bei dem erzeugten textilen Gebilde, zumindest in einem Teilbereich, der Anteil der Fasern des einen Fasertyps und des mindestens einen anderen Fasertyps einen graduierten Verlauf aufweist. Vorzugsweise erstreckt sich dieser Teilbereich über mindestens 50%, 90% oder 98% des Volumens des textilen Gebildes.
[0046] Handelt es sich bei dem textilen Gebilde um einen Vliesstoff, der als
Tiefenfiltermaterial für ein elektrostatisch geladenes Filtermedium eingesetzt werden soll, dann wird der Gradient vorzugsweise so ausgebildet, dass auf derjenigen Seite des
Vliesstoffes, die im Filter auf der Anströmseite angeordnet werden soll, der Anteil der gröberen Fasern höher ist als der Anteil der feineren Fasern, und auf der Seite, die auf der Abströmseite angeordnet werden soll, der Anteil der feineren Fasern höher ist als der Anteil der gröberen Fasern. Dadurch wird erreicht, dass ein großer Anteil der groben Partikel, bereits im Bereich der gröberen Fasern zurückgehalten wird und die feineren Partikel verstärkt in den Bereichen zurückgehalten werden, in denen der Anteil der feineren Fasern relativ hoch ist. So wird vermieden, dass die Bereiche, in denen der Anteil der feineren Fasern relativ hoch ist, rasch mit groben Partikeln zugesetzt werden. Durch den graduellen Verlauf werden zudem Grenzflächen mit großen Faserdurchmesserunterschieden vermieden, die dazu neigen, dass sich Partikel an diesen anreichem und letztendlich Blockaden verursachen. Infolgedessen wird nahezu der gesamte Querschnitt der Struktur zur Filtration genutzt.
[0047] Wird ein erfindungsgemäßer Vliesstoff für die Herstellung eines plissierten Filters verwendet, kann als Tiefenfiltermaterial ein dünnerer Vliesstoff gewählt werden, der jedoch dieselbe Partikel oder Staubaufnahmekapazität hat, wie ein konventionell hergestellter, dickerer Vliesstoff. Bei plissierten Filtern tragen üblicherweise die Falze bzw. Kuppen der Falten nicht oder lediglich minimal zur Filtration bei. Infolgedessen ist Filtrationswirkung von aus den erfindungsgemäßen, dünnen Vliesstoffen hergestellten Filtern besser als bei aus dickeren Vliesstoffen hergestellten Filtern. Denn im Falle der dünneren Vliesstoffe ist die für die Filtration unwirksame Fläche der Falze/der Kuppen der Falten kleiner als im Fall der dickeren Vliesstoffe. [0048] Die Fasern des einen Fasertyps, d.h., die gröberen Fasern, werden bevorzugt derart ausgesponnen, dass der Mittelwert der Faserdurchmesser größer 10 pm, größer 15 pm, größer 25 pm oder größer 50 pm ist. Der Mittelwert der Faserdurchmesser kann in einem Bereich von z.B. 2 pm bis 200 pm, 5 pm bis 60 pm oder 10 pm bis 30 pm liegen. Bevorzugt liegt der Mittelwert der Faserdurchmesser im Bereich 5 pm bis 60 pm.
[0049] Die Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps, d.h. die feineren Fasern, werden bevorzugt derart ausgesponnen, dass der Mittelwert der Faserdurchmesser kleiner 11 pm, kleiner 5 pm oder kleiner 3 pm ist. Die Faserdurchmesser der kleinsten Fasern des zweiten Fasertyps können dabei minimale Durchmesser von bis zu 20 nm erreichen. Die betreffenden Fasern werden vorzugsweise mit einem Lösungsmittelspinnverfahren hergestellt.
[0050] Die Mittelwerte der Durchmesser der beiden Fasertypen sollen dann so weit auseinanderliegen, dass in der Gesamtverteilung der Faserdurchmesser zwei Maxima deutlich erkennbar sind. Eine solche Faserverteilung wird als„bimodale Faserverteilung“ bezeichnet.
[0051] Um eine solche bimodale Verteilung der Faserdurchmesser zu erreichen, kann ein ein Düsenbalken verwendet werden, der Düsen aufweist, die einen Durchmesser aus einem Bereich von 500 bis 850 Mikrometer haben, und ein anderer Düsenbalken verwendet werden, der Düsen aufweist, die einen Durchmesser aus einem Bereich von 100 bis 500 Mikrometer haben.
[0052] Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich bewährt, (als eines und als mindestens eines anderes Polymer für die Fasern des einen und mindestens einen anderen Fasertyps) generell Polymere einzusetzen, die Schmelzflussindizes
(nachfolgend: MFI; melt flow index) von kleiner 1000, kleiner 500 oder kleiner 300 haben. Die Ermittlung des MFI soll, falls möglich, gemäß ISO 1133 erfolgen. Ansonsten soll nach der ASTM Dl 238 vorgegangen werden. In der untenstehenden Tabelle sind weitere
Standardbedingungen für verschiedene Polymere aufgeführt. Sind in beiden Normen und in der angegebenen Tabelle keine Standardparameter für die Ermittlung des MFI des betreffenden Polymers vorhanden, soll auf vorhandene Tabellenwerke zurückgegriffen werden, wie z.B. das DIN Taschenbuch„Thermoplastische Formmassen“, die CAMPUS- Datenbank oder die Werkstoffdatenblätter der Hersteller des betreffenden Polymers. Da oftmals für dasselbe Polymer für die Ermittlung des MFI mehrere Parametersätze, insbesondere mehrere Prüftemperaturen und/oder Prüflasten, angegeben sind, soll in einem solchen Fall immer der Parametersatz mit der höchsten Temperatur und ggf. der Parametersatz gewählt werden, der neben der höchsten Temperatur zusätzlich die höchste Prüflast vorgibt.
Tabelle 2: Standardparameter für die Messung der MFIs verschiedener Polymere
[0053] Eine besonders intensive und langanhaltende statische Aufladung kann dadurch erreicht werden, dass als erstes Polymer und/oder als zweites Polymer ein Polymer verwendet wird, das mindestens ein Additiv enthält, das Radiale binden kann, d.h. einen sogenannten Radikalfänger. Als Radikalfänger kann z.B. einen Stoff aus der Gruppe der sterisch gehinderten Amine (sogenannte HALS: Hindered- Amine Light Stabilizers), wie z.B. das unter dem Handelsnamen bekannte Chimasorb® 944, eingesetzt werden. Als Alternative zu den HALs können aber auch Stoffe aus der Gruppe der Piserazine oder aus der Gruppe der Oxazolidone eingesetzt werden.
[0054] Es hat sich auch bewährt, mindestens ein Polymer zu verwenden, das mindestens ein Additiv enthält, das als inneres Gleitmittel (Migrationshilfsstoff) wirken kann, wie z.B. einen Stoff aus der Gruppe der Steramide. Als besonders geeignet hat sich Distearylethylendiamid erwiesen (sogenanntes EBS: Ethylene bis(stearamide), auch bekannt unter dem
Handelsnamen Crodamide® EBS).
[0055] Vorzugsweise werden Polymere eingesetzt, die mindestens eines der oben genannten Additive, das als Radikalfänger wirken kann, und gleichzeitig mindestens eines der oben beschriebenen Additive, das als inneres Gleitmittel wirken kann, enthalten. Eine besonders gute Wirkung dieser Zusätze/ Additive wurde in Verbindung mit Polypropylen beobachtet.
[0056] Die als Radikalfänger wirkenden Stoffe sind in der Lage, elektrostatische Ladungen vergleichsweise langfristig zu binden. Durch die inneren Gleitmittel wird bewirkt, dass sich Stoffe, die in der Lage sind, Ladungen langfristig zu binden, in einem geschmolzenen
Polymer leichter an die Oberfläche des Polymers bewegen können. Da eine elektrostatische Aufladung immer über die Oberfläche erfolgt, steht damit ein größerer Anteil dieser Stoffe für die Bindung der elektrostatischen Ladungen zur Verfügung. Die betreffenden Stoffe haben praktisch keine Wirkung, wenn sie sich im Innern des Polymers (der Polymerfaser) befinden. [0057] Des Weiteren kann mindestens ein Polymer eingesetzt werden, das mindestens ein weiteres Additiv enthält, das in der Lage ist, z.B. physikalisch, zusätzliche Ladungen zu binden, wie z.B. ferroelektrische Keramiken (z.B. Bariumtitanat) oder alternativ ein weiteres Additiv enthält, das dazu geeignet ist, zu verhindern, dass Ladungen, die sich bereits auf den betreffenden Fasern befinden, zu schnell abgegeben werden (d.h. das quasi einen Schutz der vorhandenen Ladungen bewirkt). Hierfür können auch vorteilhafterweise Flourchemikalien, wie z.B. fluorhaltiges Oxazolidinon, fluorhaltiges Piperazin oder ein Stearatester von
Perfluoralkoholen, eingesetzt werden.
[0058] Zur weiteren Verbesserung des Filters können den Fasern des ersten Fasertyps und/oder den Fasern des zweiten Fasertyps Feinstfasem (d.h. Fasern mit einem mittleren Faserdurchmesser von kleiner 1 Mikrometer) beigemengt werden. Alternativ oder zusätzlich können den Fasern des ersten Fasertyps und/oder den Fasern des zweiten Fasertyps auch Stapelfasern, z.B. mittels eines sogenannten Rando Webers, oder Partikel, wie z.B.
Aktivkohlepartikel, z.B. mittels einer Streurinne, beigemengt werden.
[0059] Die Beimengung erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren vor und/oder während der Ausformung des textilen Gebildes in der Sammeleinrichtung. Die Feinstfasem werden üblicherweise nicht als fertige Fasem/Partikel sondern mittels einer separaten
Spinneinrichtung, z.B. mittels einer Solution-Blow-Spinneinrichtung, welche die Feinstfasem direkt vor ihrer Beimengung erzeugt, zugegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausfühmngsbeispielen näher erläutert. Hierzu zeigen:
Fig. 1 Einen schematischen Aufbau einer Meltblow- Anlage mit einer Düsenanordnung, die aus einem Exxon- und einem Biax-Düsenbalken besteht,
Fig. 2 Einen schematischen Aufbau einer Meltblow- Anlage mit einer Düsenanordnung, die aus zwei Biax-Düsenbalken besteht,
Fig. 3 Einen schematischen Aufbau einer Anlage mit einer Düsenanordnung, die aus einem Solutionblow- und einem Biax-Düsenbalken besteht,
Fig. 4 Eine schematische Darstellung der Geometrie einer Meltblow- Anlage mit zwei
Düsenbalken,
Fig. 5 Ein schematischer Aufbau der im Versuch zur Herstellung und Ultraschall- Nachbehandlung eines Faservlieses verwendeten Anlage. [0060] Wie aus der Fig. 1 entnommen werden kann, wird beim mehrreihigen Biax- Düsenbalken 1 (mit einem konzentrischen Aufbau) ein flüssiges erstes Polymer 2 in die Polymerzuleitung 4 eingeleitet und tritt am Ende des Düsenrohrs 5 wieder aus. In die Biax- Düsen des Biax -Düsenbalkens 1 wird zudem komprimierte Heißluft 6 eingeleitet, die an der Austrittsöffnung 7 als Verstreckluft 8 wieder austritt. Das austretende erste Polymer 2 wird von der Verstreckluft 8 erfasst, wodurch eine Verstreckung der vom austretenden Polymer 2 gebildeten Polymerfasem bewirkt wird. Die Polymerfasem des Polymers 2 werden auf der Auffangtrommel 9 abgelegt.
[0061] Mit Hilfe des Exxon-Düsenbalkens 10 wird ein zweites Polymer 3, das typischerweise einen Wert der Ladungsaffinität aufweist, der sich vom Wert der Ladungsaffinität des ersten Polymers 2 stark unterscheidet, zu Polymerfasem gesponnen. Der mittels des Exxon- Düsenbalkens 10 durchgeführte Spinnprozess verläuft ganz ähnlich wie der mittels des Biax- Düsenbalkens 1 durchgeführte Spinnprozess. Der Exxon-Düsenbalken 10 weist jedoch, im Gegensatz zum Biax -Düsenbalken 1 , einen linearen Aufbau auf.
[0062] Die Polymerfasem des ersten Polymers 2 und des zweiten Polymers 3 mischen sich auf ihrem Weg zur Auffangtrommel 9 zum ersten Mal, zumindest teilweise, im
Mischungspunkt 11. Der Abstand des Mischungspunktes 11 von den beiden Düsenbalken 1 , 10 ist nicht maßstäblich gezeichnet und liegt im realen Prozess üblicherweise näher an den beiden Düsenbalken 1, 10 als in den Figuren dargestellt. Die bei der Vermischung
auftretenden Reibungsvorgänge führen bereits in-situ zu einer gewissen triboelektrischen Aufladung der Polymerfasem. Sofern diese triboelektrische Aufladung nicht ausreicht, können die Polymerfasem des erzeugten Faservlieses durch eine mechanische
Nachbehandlung, durch die intensive Reibungsvorgänge zwischen den Polymerfasem
(paarweise zwischen den Polymerfasem, die aus dem ersten Polymer 2 und die aus dem zweiten Polymer 3 bestehen) vemrsacht werden, triboelektrisch noch weiter aufgeladen werden.
[0063] In Fig. 2 ist ein ähnlicher Aufbau gezeigt, in dem jedoch zwei Biax -Düsenbalken 1 zum Einsatz kommen, wobei mit dem einen Biax -Düsenbalken 1 das erste Polymer 2 und mit dem anderen Biax Düsenbalken 1 ein zweites Polymer 3 zu Polymerfasem gesponnen werden. Fig. 3 zeigt einen analogen Aufbau, in dem ein Solutionblow-Düsenbalken 12 in Kombination mit einem Biax-Düsenbalken verwendet wird. [0064] In Fig. 4 ist schematisch dargestellt, wie prinzipiell die Geometrie einer Meltblow- Anlage, die einen ersten Düsenbalken 13 und einen zweiten Düsenbalken 14 aufweist, eingestellt werden kann. Um erstens eine intensive triboelektrische Aufladung der Fasern zu erreichen und um zweitens den Schichtaufbau der mit der Anlage erzeugten Faservliese gezielt einzustellen, wird erstens die Achse A, B oder C des zweiten Düsenbalkens 14 um einen Winkel Q bezüglich der Achse D des ersten Düsenbalkens 13 verkippt und/oder der Abstand des ersten Düsenbalkens 13 zu der Auffangtrommel 9 variiert. Typischerweise erfolgt eine Verkippung um 15° bis 60°. Zudem kann die Länge der Achse D, d.h., der Abstand des ersten Düsenbalkens 13 zu der Auffangtrommel 9, variiert werden.
[0065] Um hochwertige Faservliese zu erhalten, sind die Durchmesser der Kapillaren der Düsen sowie die Anzahl der Düsen, der jeweilige Polymerdurchsatz und die
Verstreckluftmengen so zu wählen, dass eine ausreichende Anzahl von, üblichweise feinen und groben, Fasern ausgesponnen wird und gleichzeitig ein möglichst homogenes Vlies erzeugt wird. Um eine intensive triboelektrische Aufladung der Polymerfasem zu erreichen, sollte der Mischungspunkt 11 zwar möglichst weit entfernt von der Auffangtrommel 9 liegen, der Mischungspunkt 11 darf aber andererseits nicht allzu weit entfernt von der
Auffangtrommel 9 gewählt werden, da sich sonst die Qualität, insbesondere die
Gleichmäßigkeit, der erzeugten Faservliese verschlechtert.
[0066] Durch eine geeignete Wahl der Parameter können generell jeweils Faservliese mit triboelektrisch geladenen Fasern und mit einem Lagenaufbau, mit einer teilweisen
Durchmischung (mit Gradientenstruktur) der beiden Fasertypen oder mit einer vollständigen Durchmischung (weitgehend homogenen nur geringe Gradientenstrukur) der beiden
Fasertypen hergestellt werden.
[0067] Wie nachfolgend näher ausgeführt, konnten, dem Wesen der Erfindung folgend, bereits Vliesstoffe hergestellt werden, mit denen mit Hilfe von tribo elektrischer Aufladung der Vliesstoffe Filter herstellbar waren, die wesentlich höhere Filtrationseffizienzen und Qualitätsfaktoren aufwiesen als Filter, die mit elektrisch ungeladenen aber ansonsten vom Aufbau her gleichen Vliesstoffen hergestellt wurden. Insbesondere wurden mit den betreffenden Filtern Qualitätsfaktoren erreicht, die wesentlich größer als 0,2 waren.
[0068] Prinzipiell wurde eine Meltblow- Anlage verwendet, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, d.h. eine Anlage mit einer Düsenanordnung, die aus einem Exxon-Düsenbalken 10 und einem Biax-Düsenbalken 1 besteht. Die genaue Geometrie der verwendeten Düsenanordnung ist in Fig. 5 gezeigt. Jeder der Düsenbalken verfügte über eine separate Polymerschmelze- Versorgung, in der Granulat des jeweiligen Polymers in einem Extruder aufgeschmolzen wurde. Die Polymerschmelze wurde anschließend zum zugehörigen Düsenbalken gefördert. Tabelle 3 zeigt die verwendete Versuchsanlagenkonfiguration und die verwendeten
Verfahrensparameter.
[0069] Wie bei Melt-Blown- Verfahren üblich, folgten die erzeugten Fasern einem (in Ausspinnrichtung) gerichten Luftstrom in Richtung eines Auffangbandes, das mit einer Sammelvorrichtung ausgestattet war. Die gesammelten Fasern formierten sich dort zu einem Vliesstoff, der der Bewegungsrichtung des Bandes folgend abgeführt und aufgewickelt wurde. Dabei wurde darauf geachtet, dass die erzeugten Vliesstoffe eine gerade noch ausreichende Integrität besaßen. Hierdurch wurde gewährleistet, dass ein möglichst hoher Anteil der Fasern nicht, oder zumindest nicht fest, miteinander verklebte, sondern beweglich blieb, bzw. die betreffenden Fasern nur so schwach verklebt waren, dass sie sich durch Ultraschalleinwirkung leicht lösen ließen. Hierdurch sollte ein gute triboelektrische
Aufladbarkeit erreicht werden. Des Weiteren wurde beim Mischen der groben und feinen Fasern darauf geachtet, dass eine Struktur mit einem günstigen Verhältnis von Effizienz zu Druckverlust entstand. In Tabelle 4 sind die grundlegenden Eigenschaften der so erzeugten Vliesstoffe aufgelistet.
Tabelle 3
Tabelle 4
[0070] Durch den reinen Spinnprozess wurde, zumindest bei den gewählten
Prozessparametem, keine signifikante triboelektrische Aufladung der erzeugten Vliessstoffe erreicht. Es ist aber wahrscheinlich möglich, die Prozessparameter derart zu wählen, dass bereits beim Spinnprozess (d.h. inline) eine signifikante triboelektrische Aufladung erfolgt. Alternativ oder ergänzend kann, um schon beim Spinnprozess eine triboelektrische Aufladung zu erreichen, während des Spinn- und Ablageprozesses eine (hinsichtlich der Schallintensität und Beschallungsdauer optimierte) Schallbehandlung durchgeführt werden.
[0071] Die Schallbehandlung der Vliesstoffe wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel erst nach deren Herstellung durchgeführt. Hierzu wurden die Vliesstoffe mittels einer Hochton- Kalotte Visaton G20SC, die in einem Abstand von ca. 520 mm zum betreffenden Vliesstoff angeordnet wurde, 1 min lang mit Schall mit einer Frequenz von 20 kHz beaufschlagt. Die Ansteuerung der Hochtonkalotte erfolgte mit einem Grundig Tongenerator TG4. Es ist auch denkbar, eine solche Beschallung nicht nur direkt bei der Vliesstoffherstellung sondern auch zur Regenerierung von Filtern einzusetzen, in denen die erfindungsgemäßen Vliesstoffe genutzt werden, sollte deren Filtrationseffizienz im Gebrauch nachgelassen haben. Der Druckverlust und die Filtrationseffizienz wurde bei 0,1 m/s mit einem Prüfstand MFP 3000 der Firma Palas gemessen. Die Messfläche betrug 100 cm2, als Aerosol wurde DEHS verwendet. Der Qualitätsfaktor wurde nach der Formel
Qualitätsfaktor= -ln(% DEHS Penetration/ l00))/Druckverlust in mmH20
berechnet. Die Messungen wurden jeweils an denselben Vliesstoffen mit und ohne
Ultraschallnachbehandlung (Schallanregung) durchgeführt. Durch die Ultraschallnachbehandlung konnten in Verbindung mit allen untersuchten Vliesstoffen die Qualitätsfaktoren um einen Faktor 50 bis 100 erhöht werden.
Tabelle 5

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines textilen Gebildes mit elektrostatisch geladenen
Fasern, vorzugsweise zur Verwendung als Filtermaterial für einen Elektretfilter, wobei in dem Verfahren eine Düsenanordnung verwendet wird, die zumindest zwei separate Düsenbalken aufweist oder zumindest einen Multipolymer-Düsenbalken aufweist, mit dem zumindest zwei verschiedene Polymere gesponnen werden können, und mittels des ersten Düsenbalkens ein erstes Polymer zu Fasern eines ersten Fasertyps ausgesponnen wird und mittels des mindestens einen zweiten Düsenbalkens ein mindestens eines zweites Polymer zu Fasern eines zweiten Fasertyps
ausgesponnen wird, oder mittels des zumindest einen Multipolymer-Düsenbalkens ein erstes Polymer zu Fasern eines ersten Fasertyps und ein zweites Polymer zu Fasern eines zweiten Fasertyps ausgesponnen werden, wobei die Fasern mittels eines Schmelzspinnprozesses und/oder mittels eines Lösungsmittelspinnprozesses ausgesponnen werden,
und das erste Polymer und das mindestens eine zweite Polymer derart gewählt werden, dass sich die aus dem ersten Polymer hergestellten Fasern durch
Reibungsprozesse mit den aus dem mindestens einen zweiten Polymer hergestellten Fasern triboelektrisch so stark aufladen lassen, dass unter Verwendung des textilen Gebildes Filter mit Qualitätsfaktoren von größer 0,2 herstellbar sind,
wobei die Reibungsprozesse vor und/oder bei der Ausformung des textilen Gebildes auftreten und/oder die Reibungsprozesse im Zuge einer Nachbehandlung
herbeigeführt werden,
wobei als das erste Polymer und/oder als das mindestens eine zweite Polymer ein Polymer verwendet wird, das mindestens ein Additiv enthält, das Radikale binden kann und/oder das mindestens ein Additiv enthält, das als inneres Gleitmittel wirken kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eines einen Fasertyps und die Fasern eines mindestens einen anderen Fasertyps derart
ausgesponnen werden, dass die Fasern des einen Fasertyps einen größeren mittleren Faserdurchmesser haben als die Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Fasertyp, der einen kleineren mittleren Faserdurchmesser aufweist, als der Fasertyp mit dem größten mittleren Faserdurchmesser, ein Polymer verwendet wird, das ein Additiv enthält, das Radikale binden kann und/oder das ein Additiv enthält, das als inneres Gleitmittel wirken kann.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des ersten Fasertyps und die Fasern des mindestens einen zweiten Fasertyps derart ausgesponnen werden, dass die Fasern des ersten Fasertyps einen größeren mittleren Faserdurchmesser haben als die Fasern des mindestens einen zweiten Fasertyps.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Düsenbalken konzentrische Düsen aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Gebilde, nachdem es ausgeformt wurde, mechanisch derart behandelt wird, dass sich die Fasern des textilen Gebildes untereinander reiben.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Gebilde, nachdem es ausgeformt wurde, mit Schall oder Ultraschall beaufschlagt wird, um es triboelektrisch zu laden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Gebilde,
nachdem es ausgeformt wurde, mit Schall oder Ultraschall beaufschlagt wird, der mindesten eine Frequenz aus dem Bereich 1 kHz bis 100 kHz enthält.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Gebilde, nachdem es ausgeformt wurde, mit Gasen oder Dämpfen durchströmt wird, um es triboelektrisch zu laden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor
und/oder während der Ausformung des textilen Gebildes die Fasern des einen
Fasertyps mit den Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps derart durchmischt werden, dass, zumindest in einem Teilvolumen des textilen Gebildes, die Anteile der Fasern des ersten Fasertyps und der Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps über den Querschnitt des textilen Gebildes einen Gradientenverlauf aufweisen.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als das eine Polymer für die Herstellung der Fasern des einen Fasertyps ein Polymer mit einem Schmelzflussindex von kleiner 800 eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung der Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps ein Düsenbalken mit konzentrischen Düsen verwendet wird, und als das mindestens eine andere Polymer ein Polymer mit einem Schmelzflussindex von kleiner 2000 eingesetzt wird oder eine Polymerlösung versponnen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Herstellung der Fasern des mindestens einen anderen Fasertyps ein Düsenbalken, der Exxon-Düsen aufweist, verwendet wird, und als das mindestens eine andere Polymer ein Polymer mit einem Schmelzflussindex von größer 300 eingesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen der Fasertypen mindestens eines der Polymere Polypropylen, Polylactid, Polyamid, Polystyrol, Polyvinylchlorid oder ein Gemisch aus diesen Polymeren eingesetzt wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen der Fasertypen mindestens eines der Polymere Nylon, Polyurethan, Zellulose, Polycarbonat, ein Kunstharz, Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, PVDF, POM, PEEK, PAN, PMMA, Melamin oder ein Gemisch aus diesen Polymeren eingesetzt wird.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Fasern des ersten Fasertyps und den Fasern des mindestens einen zweiten Fasertyps vor und/oder während der Ausformung des textilen Gebildes mittels der
Sammeleinrichtung Feinstfasem mit einem mittleren Faserdurchmesser von kleiner 1 pm beigemischt werden.
17. Textiles Gebilde bestehend aus Fasern, die sich aus einem ersten Fasertyp, der aus einem ersten Polymer besteht, und einem mindestens zweiten Fasertyp, der aus dem mindestens einen zweiten Polymer besteht, das sich vom ersten Polymer
unterscheidet, zusammensetzen, wobei die Fasern mittels eines
Schmelzspinnprozesses und/oder mittels eines Fösungsmittelspinnprozesses ausgesponnen sind,
wobei die aus dem ersten Polymer hergestellten Fasern und/oder die aus dem mindestens einen zweiten Polymer hergestellten Fasern, durch vor und/oder bei der Ausformung des textilen Gebildes auftretende Reibungsprozesse und/oder durch Reibungsprozesse im Zuge einer Nachbehandlung, triboelektrisch so stark aufgeladen sind, dass unter Verwendung des textilen Gebildes Filter mit Qualitätsfaktoren von größer 0,2 herstellbar sind,
wobei das erste Polymer und/oder das mindestens eine zweite Polymer mindestens ein Additiv enthält, das Radikale binden kann, und/oder ein Additiv enthält, das als inneres Gleitmittel wirken kann.
18. Textiles Gebilde nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eines einen Fasertyps derart ausgesponnen sind, dass der Mittelwert ihrer Faserdurchmesser größer als 7 pm ist.
19. Textiles Gebilde nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern eines mindestens einen anderen Fasertyps derart ausgesponnen sind, dass der Mittelwert ihrer Faserdurchmesser kleiner als 7 pm ist.
20. Filterelement aufgebaut mit einem textilen Gebilde, das mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 hergestellt wurde.
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