ES2238216T3

ES2238216T3 - Bolsa filtrante de polvo que contiene un velo de nanofibras.

Info

Publication number: ES2238216T3
Application number: ES00108098T
Authority: ES
Inventors: Dietmar Emig; Albrecht Klimmek; Ernst Raabe
Original assignee: FiberMark Gessner GmbH
Current assignee: Neenah Gessner GmbH
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-04-26
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-04-26
Also published as: US6395046B1; EP1048335B1; DE19919809C2; CA2305004C; DE19919809A1; CA2305004A1; ATE293002T1; DK1048335T3; DE50010028D1; EP1048335A1

Abstract

Bolsa filtrante de polvo, que comprende por lo menos un estrato de material de soporte y por lo menos un estrato de velo fibroso, caracterizada porque el por lo menos un estrato de velo fibroso tiene un estrato de velo de nanofibras con un diámetro medio de las fibras de 10 a 1.000 nm, un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 0, 05 a 2 g/m2 y una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 1.500 a 20.000 l/m2xs, y el por lo menos un estrato de material de soporte tiene una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de más que 70 l/m2xs, una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 20 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 10 N/15 mm de anchura de franja.

Description

Bolsa filtrante de polvo que contiene un velo de nanofibras.

El invento se refiere a una bolsa filtrante de polvo, que comprende por lo menos un estrato de velo fibroso y por lo menos un estrato de material de soporte.

Los requisitos establecidos en cuanto a los rendimientos de filtración de las bolsas filtrantes, que se emplean en las modernas aspiradoras de polvo, se aumentaron manifiestamente en los últimos años. Aquí se atribuye, sobre todo al sector de la separación de partículas finas, una importancia cada vez mayor, puesto que esto corresponde no solamente a la concienciación higiénica aumentada, sino que - frente al antecedente del número constantemente creciente de personas alérgicas y, entre éstas, en particular las personas alérgicas al polvo doméstico - el aire expulsado por las aspiradoras de polvo debe tener un contenido lo más escaso que sea posible de portadores de alergenos. Con el fin de alcanzar la meta de la mejora en la separación de partículas finas, en los últimos años se emprendieron numerosos esfuerzos, que estaban dirigidos al desarrollo de nuevos materiales, nuevas construcciones de bolsas y nuevos sistemas de filtración. Por ejemplo, se produjeron bolsas filtrantes de tres estratos o, por el contrario, se utilizaron como filtros de separación por soplado unos elementos filtrantes de partículas finas conectados posteriormente. Las desventajas de estas versiones han de verse, o bien en la insuficiente mejoría de la separación de partículas finas, o en un gran aumento de la resistencia de filtración, que conduce a un reducido rendimiento de aspiración de los aparatos.

Un gran progreso en la mejora en la separación de partículas finas lo constituyó hace algunos años el desarrollo de velos de fibras finas, obtenidos por soplado de una masa fundida (en inglés meltblown), y su utilización en especiales bolsas para aspiradoras de polvo. Estos componentes de fibras finas hacen posible un manifiesto alivio de las personas alérgicas al polvo doméstico mediante un aire más limpio, expulsado por la aspiradora de polvo. Así, hoy en día, en los Estados Unidos de América ya se produce aproximadamente un 25%, con una tendencia a aumentar, de las bolsas filtrantes de polvo con un estrato de fibras, obtenido por soplado de una masa fundida. La constitución fundamental de tales bolsas está contenida en el documento de patente alemana DE 38.12.849, y en los documentos de patentes de los EE.UU. US 5.080.702 y US 4.589.894. Como se divulga en el documento DE 38.12.849, tales estratos de fibras, obtenidos por soplado de una masa fundida, tienen típicamente un diámetro de las fibras de 0,5 a 18 \mum, un peso por unidad de superficie de 10 a 50 g/m^{2} y una permeabilidad al aire de 200 a 1.500 l/m^{2}xs. Desde el punto de vista actual, estas bolsas filtrantes de polvo tienen sin embargo una desventaja. Aunque se consigue un alto rendimiento de separación en el filtro, se plantean límites a esta tecnología, por cuanto que una separación, mejorada más aún, de partículas finísimas hace necesario imperativamente un aumento del peso por unidad de superficie de la capa filtrante de partículas finas, lo cual al mismo tiempo influye muy negativamente sobre la resistencia a la filtración y, por consiguiente, al rendimiento de aspiración de los aparatos. Estos efectos negativos aumentan en la misma medida con la que se mejora la separación de partículas finísimas. Además, mediante el aumento del peso por unidad de superficie del estrato obtenido por soplado desde una masa fundida, con el fin de mejorar la separación de partículas finísimas, se dificulta la elaboración de estas combinaciones de filtros, puesto que el estrato obtenido por soplado desde una masa fundida, debido a su constitución, posee grandes fuerzas de retroceso, que dificultan el plegamiento del estratificado del filtro para dar una bolsa filtrante de polvo dispuesta en una forma aplanada, especialmente en la zona del fondo enrollado que cierra a la bolsa.

Una tecnología distinta, que pasa a emplearse sobre todo en Europa a causa de las características constructivas de tipo distinto de las aspiradoras de polvo europeas, contiene el concepto de los microfiltros para el aire de salida, que están conectados detrás de la bolsa filtrante de polvo por el lado del aire de salida. Unos filtros muy valiosos para el aire de salida han consistido entretanto en construcciones de cajitas con elementos filtrantes plegados. La desventaja técnica de estas versiones costosas se encuentra asimismo en una resistencia de filtración, aumentada en comparación con la de los sistemas sin microfiltros para el aire de salida, para el sistema filtrante total a base de una bolsa de filtro y un filtro para el aire de salida, con lo cual también en este caso se perjudica grandemente el rendimiento de aspiración de los aparatos. A esto se añade el hecho de que, a causa del grado de paso de polvo de las bolsas filtrantes, con una duración creciente del funcionamiento, aumenta el grado de obstrucción del filtro para el aire de salida, que está conectado a continuación, con lo que resulta un perjuicio adicional para el rendimiento de aspiración del aparato. Con el fin de excluir estas desventajas, se emprendieron hasta ahora numerosos intentos de ajustar al alto nivel alcanzado el rendimiento de separación del sistema filtrante, sobre todo para partículas finas, y al mismo tiempo reducir manifiestamente el perjuicio para el rendimiento de aspiración, pero sin conseguir el éxito deseado hasta
ahora.

El documento de solicitud de patente europea EP-A-0338479 describe unos filtros que tienen un estrato a base de fibras finas, con un peso por unidad de superficie de 10-50 g/m^{2}.

El invento se basa en la misión de producir una bolsa filtrante de polvo con un grado especialmente bueno de separación de polvo para partículas finísimas con un tamaño inferior a los 0,5 \mum, que al mismo tiempo posea una pequeña resistencia inicial del filtro y una pequeña tendencia a la obstrucción, con lo que se conserve un alto rendimiento de aspiración de la aspiradora del polvo, incluso en el caso de un llenado creciente de la bolsa filtrante de polvo durante la utilización.

El problema planteado por esta misión se resuelve mediante una bolsa filtrante de polvo, que comprende por lo menos un estrato de material de soporte y por lo menos un estrato de velo fibroso, siendo el por lo menos un estrato de velo fibroso un estrato de velo de nanofibras con un diámetro medio de las fibras de 10 a 1.000 nm, preferiblemente de 50 a 500 nm, un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 0,05 a 2 g/m^{2}, preferiblemente de 0,1 a 0,5 g/m^{2}, y una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 1.500 a 20.000 l/m^{2}xs, preferiblemente de 2.000 a 10.000 l/m^{2}xs, y teniendo el por lo menos un estrato de material de soporte una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de más que 70 l/m^{2}xs, preferiblemente de 200 a 900 l/m^{2}xs, una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 20 N/15 mm de anchura de franja, preferiblemente de más que 35 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 10 N/15 mm de anchura de franja, de modo preferido de más que 18 N/15 mm de anchura de franja.

El concepto utilizado de "nanofibras" pone en claro que las fibras tienen un diámetro en el intervalo de los nanómetros, especialmente de 10 a 1.000 nm, preferiblemente de 50 a 500 nm.

Los velos de nanofibras, empleados conforme al invento, consisten, condicionado por su fabricación, usualmente en polímeros solubles en agua, solubles en un disolvente orgánico, o polímeros termoplásticos.

Polímeros solubles en agua, especialmente preferidos, son los de poli(alcohol vinílico), poli(vinil-pirrolidona), poli(óxido de etileno) o sus copolímeros, celulosa, metilcelulosa, propilcelulosa, almidón o mezclas de ellos.

Polímeros solubles en un disolvente orgánico, especialmente preferidos, son los de poliestireno, policarbonato, poliamida, poliuretano, poliacrilato, polimetacrilato, poli(acetato de vinilo), poli(vinil-acetal), poli(vinil-éter), acetato de celulosa, o los copolímeros o mezclas de ellos.

Polímeros termoplásticos especialmente preferidos son los de polietileno, polipropileno, poli(buteno-1), poli(metilpenteno), poli(clorotrifluoroetileno), poliamida, poliéster, policarbonato, polisulfona, poli(éter-sulfona), poli(sulfuro de fenileno), poli(acrilonitrilo), poli(cloruro de vinilo), poliestireno, poli(aril-éter-cetona), poli(fluoruro de vinilideno), poli(oximetileno), poliuretano, o los copolímeros o mezclas de ellos.

El velo de nanofibras, que constituye el componente decisivo para un alto grado de separación de polvos finos, se produce preferiblemente hilando un polímero termoplástico en estado fundido, o un polímero disuelto en un apropiado disolvente, a partir de boquillas en un campo eléctrico fuerte para dar fibras finísimas, y depositándolas en forma de una estructura laminar sobre un substrato, que es guiado por encima de un electrodo opuesto. Este procedimiento se conoce como procedimiento eléctrico de hilatura. El diámetro de las fibras se puede controlar mediante los parámetros del proceso, a saber la viscosidad de la masa fundida en el caso de materiales termoplásticos, o bien la concentración y la viscosidad de la solución de polímero. Los pesos por unidad de superficie del velo de nanofibras son determinados, por una parte, por el flujo de masa a través de las boquillas y, por otra parte, por la velocidad con la que el substrato se mueve por debajo de las boquillas. La permeabilidad al aire del velo de nanofibras es influenciada por el espesor de las fibras y la densidad de empaquetamiento de las mismas.

La producción de nanofibras a partir de diferentes polímeros ha sido descrita por Darell H. Reneker e Iksoo Chun en la publicación "Nanometre diameter fibres of polymer, produced by electrospinning" [Fibras de un polímero con un diámetro del orden de nanómetros producidas por hilatura eléctrica], Nanotechnology 7, 1996, páginas 216-
223.

Puesto que el velo de nanofibras, utilizado conforme al invento, a causa de su pequeño peso por unidad de superficie posee una pequeña resistencia mecánica, y puede ser difícil una elaboración ulterior como estructura laminar autosustentadora, es depositado de modo preferido directamente durante su producción sobre el estrato de material de soporte y/o sobre un elemento de sustentación adicional de la bolsa filtrante de polvo, mediando formación de un material compuesto de dos estratos.

En una preferida forma de realización de la bolsa filtrante de polvo conforme al invento, el estrato de material de soporte consiste en un velo de hilatura. De modo preferido, el velo de hilatura tiene un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 15 a 100 g/m^{2}, de modo especialmente preferido de 20 a 40 g/m^{2}. Además, también es ventajoso que el velo de hilatura tenga una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 100 a 8.000 l/m^{2}xs, de modo especialmente preferido de 1.000 a 3.000 l/m^{2}xs. Preferentemente, los velos de hilatura que se utilizan consisten en un polímero de polietileno, polipropileno, poliéster o poliamida, o bien en copolímeros de éstos.

Las anteriores propiedades físicas del velo de hilatura se pueden ajustar durante el procedimiento de producción del velo de hilatura, en el que un polímero termoplástico se funde dentro de un extrusor y se comprime a través de una boquilla de hilatura, y los filamentos continuos, formados en los capilares de la boquilla de hilatura, se estiran y se depositan sobre un tamiz para dar una estructura laminar. El peso por unidad de superficie del velo de hilatura se puede ajustar por medio de la descarga de polímero desde la boquilla de hilatura y de la velocidad del tamiz de deposición. La permeabilidad al aire del velo de hilatura es dependiente de la densidad de empaquetamiento, que se controla de modo esencial por medio del espesor de los filamentos. El ajuste del diámetro de los filamentos se efectúa por medio del estiramiento de los hilos obtenidos a partir de una masa fundida, que se controla al hilar por medio de la regulación de la temperatura y de la velocidad de retirada. La resistencia a la rotura del velo de hilatura es determinada por los materiales escogidos para la producción del velo de hilatura. Eventualmente, la resistencia a la rotura se puede aumentar mediante un calandrado parcial o una soldadura por ultrasonidos, mediando formación de modelos de puntos o rejillas. En este caso, los filamentos se fusionan unos con otros en los puntos de cruce. También por medio de una consolidación por toda la superficie mediante una calandria, se pueden consolidar aún más los velos de hilatura.

En otra forma preferida de realización, se emplea un papel de filtro como estrato del material de soporte en las bolsas filtrantes de polvo conformes al invento. Se prefiere en este caso un papel de filtro con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 40 a 90 g/m^{2}, de modo especialmente preferido de 42 a 60 g/m^{2}. Son ventajosos también los papeles de filtro con una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 entre 70 y 900 l/m^{2}xs, de modo especialmente preferido entre 120 y 400 l/m^{2}xs. Además, es ventajoso asimismo un papel de filtro con una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de 25 a 70 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de 15 a 45 N/15 mm de anchura de franja. Los papeles de filtro especialmente apropiados para la utilización como estrato de material de soporte consisten en:

\bullet: materiales celulósicos de fibras largas y cortas, o

\bullet: mezclas de materiales celulósicos de fibras largas y cortas con fibras sintéticas, o

\bullet: mezclas de materiales celulósicos de fibras largas y cortas con fibras de vidrio, o

\bullet: mezclas de los materiales celulósicos de fibras largas y cortas con fibras sintéticas y con fibras de vidrio.

Los anteriores parámetros físicos del papel de filtro se pueden ajustar durante la fabricación del papel. Al realizar la fabricación del papel, usualmente las fibras empleadas se dispersan en agua, luego se separan del agua mediante un tamiz, y de esta manera se produce simultáneamente una estructura laminar. La banda continua húmeda de papel, que se ha formado, se seca a continuación. El peso por unidad de superficie del papel de filtro se puede ajustar por medio de la cantidad dosificada de las fibras y de la velocidad de la máquina papelera. La permeabilidad al aire del papel de filtro se determina por la densidad de empaquetamiento, que se puede controlar por medio de los diferentes diámetros de fibras de los materiales celulósicos, de las fibras sintéticas o de las fibras de vidrio, que se utilizan, así como por medio de la relación de mezcladura de los diferentes tipos de fibras. Una influencia sobre la permeabilidad al aire la tiene también el peso por unidad de superficie, es decir que un peso creciente por unidad de superficie reduce la permeabilidad al aire. La resistencia a la rotura del papel de filtro se puede controlar mediante una fibrilación, la denominada molienda, de los materiales celulósicos y mediante la incorporación de agentes aglutinantes. En este caso, el agente aglutinante se puede impregnar o aplicar por rociadura sobre la banda continua de papel. A continuación, el agente disolvente o diluyente del aglutinante, en la mayor parte de los casos agua, se evapora, y la banda continua de papel se seca de nuevo. Los agentes aglutinantes se pueden emplear también en la masa de papel, es decir que los agentes de consolidación se añaden a las fibras dispersas y se fijan a la superficie de las fibras, antes de que se efectúe la formación de hojas sobre el tamiz de la máquina papelera, y a continuación la banda continua se seca de un modo usual. Una posibilidad adicional es la aplicación por rociadura del agente aglutinante en forma disuelta o dispersa sobre la banda continua húmeda de papel, antes de que la banda continua sea secada.

En una forma preferida de realización de la bolsa filtrante de polvo conforme al invento, el elemento de sustentación es un velo.

Velos apropiados como elementos de sustentación pueden ser p.ej. velos tendidos en seco, velos tendidos en húmedo o velos de hilatura, que pueden estar constituidos por un material celulósico, por fibras y/o filamentos sintéticos o por mezclas de ellos.

Otra forma preferida de realización de las bolsas filtrantes de polvo comprende velos obtenidos por soplado desde una masa fundida como elementos de sustentación, que pueden estar constituidos por un material termoplástico, preferiblemente por un polímero de poliolefina, poliamida, poliéster, policarbonato, o por copolímeros o mezclas de ellos.

Los velos obtenidos por soplado desde una masa fundida consisten por lo general en fibras largas y finas de diámetro no uniforme, y se pueden producir en un procedimiento de soplado desde una masa fundida (p.ej. el procedimiento de Exxon). En este caso, el material termoplástico se funde en un extrusor, se transporta con una bomba de hilatura a través de los capilares de la boquilla de hilatura por soplado desde una masa fundida, y al salir se estira con aire caliente y se deposita en forma de una banda continua sobre un tamiz colector.

En una forma preferida de realización, el elemento de sustentación es un velo tendido en seco con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 10 a 50 g/m^{2}, preferiblemente de 20 a 30 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,10 a 2,0 mm, preferiblemente de 0,20 a 1,0 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 700 a 12.000 l/m^{2}xs, preferiblemente de 1.200 a 5.000 l/m^{2}xs, y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 5 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 1 N/15 mm de anchura de franja.

Las propiedades físicas antes mencionadas se pueden ajustar durante la producción del velo tendido en seco. El peso por unidad de superficie se puede controlar por medio del número o bien de la cantidad de las fibras y de la velocidad del equipo de deposición. La permeabilidad al aire se puede ajustar por medio del diámetro de las fibras, el tipo de las fibras, lisas o rizadas, mediante el mezclamiento de diferentes tipos de fibras y por medio de la densidad de empaquetamiento. La densidad de empaquetamiento es ajustada en este caso por medio del proceso de deposición y por medio del tratamiento ulterior de la banda continua, p.ej. por consolidación mediante punción con agujas, o prensado mecánico entre rodillos. Para el ajuste de la resistencia a la rotura es apropiada una rociadura o impregnación de las fibras con agentes aglutinantes. También una aglutinación térmica por medio de las fibras termoplásticas incorporadas durante la producción, con un subsiguiente tratamiento térmico de la banda continua, se adecua para el ajuste de la resistencia a la rotura.

De acuerdo con otra ventajosa forma de realización, el elemento de sustentación es un velo tendido en húmedo con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 6 a 40 g/m^{2}, preferiblemente de 10 a 20 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,05 a 0,35 mm, preferiblemente de 0,08 a 0,25 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 500 a 4.000 l/m^{2}xs, preferiblemente de 700 a 2.000 l/m^{2}xs, y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 5 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 2 N/15 mm de anchura de franja.

Los velos tendidos en húmedo se producen de la misma manera que los papeles de filtro antes descritos. De igual manera que en el caso de los papeles de filtro, se pueden ajustar también los parámetros físicos de los velos tendidos en húmedo.

También se puede considerar como especialmente apropiado un velo de hilatura como elemento de sustentación con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 8 a 40 g/m^{2}, preferiblemente de 13 a 25 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,05 a 0,30 mm, preferiblemente de 0,07 a 0,20 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 700 a 12.000 l/m^{2}xs, preferiblemente de 1.200 a 5.000 l/m^{2}xs, y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 7 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 3 N/15 mm de anchura de franja.

Finalmente, una forma de estructuración preferida adicional del elemento de sustentación consiste en un velo obtenido por soplado desde una masa fundida con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 6 a 60 g/m^{2}, preferiblemente de 10 a 25 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,06 a 0,50 mm, preferiblemente de 0,23 a 0,35 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 300 a 2.000 l/m^{2}xs, preferiblemente de 500 a 1.200 l/m^{2}xs, y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 2 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 1 N/15 mm de anchura de franja.

Las anteriores características como productos de los velos obtenidos por soplado desde una masa fundida se pueden ajustar durante su producción de la siguiente manera. El peso por unidad de superficie se controla por medio de la producción de polímero y la velocidad del tamiz de deposición. La permeabilidad al aire se establece a partir de la densidad de empaquetamiento de las fibras, que a su vez se controla por medio del diámetro de las fibras y la energía de choque de las fibras sobre el tamiz de deposición. El espesor del velo obtenido por soplado desde una masa fundida se ajusta por medio del diámetro de las fibras, que se controla por medio de la relación entre la velocidad del polímero al salir desde los capilares y la velocidad del aire soplado y del grado de estiramiento de los filamentos, que resulta de ello. También por medio de las temperaturas de la masa fundida en el polímero y del aire soplado se puede influir sobre el grado de estiramiento de los filamentos y por consiguiente sobre el diámetro de la fibras, la densidad de empaquetamiento y la permeabilidad al aire del velo. La energía de choque de las fibras sobre el tamiz de deposición se puede controlar por medio de la velocidad del aire soplado y la distancia entre la boquilla para soplar desde masa una fundida y el tamiz de deposición. Para influir sobre la resistencia a la rotura, las fibras se pueden soldar parcialmente, p.ej. en forma de un modelo de puntos o rejillas. Además, también es posible introducir agentes aglutinantes por impregnación o rociadura con el fin de aumentar la resistencia mecánica.

En una determinada forma de realización, se utilizan para la constitución de la bolsa filtrante de polvo conforme al invento exclusivamente los estratos, que consisten en materiales insolubles en agua. Los materiales, que se hinchan bajo la acción del agua, se pueden emplear también en este caso, siempre y cuando que al hincharse no se pierda su función de soporte, sustentación y/o filtración. Las bolsas filtrantes de polvo, que consisten exclusivamente en materiales insolubles en agua, son apropiadas de igual manera para las utilizaciones en húmedo y en seco.

En una preferida forma de realización de la bolsa filtrante de polvo, el estrato de material de soporte es la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo, y el elemento de sustentación es la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, realizándose que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el elemento de sustentación mediando formación de un material compuesto de dos estratos, está orientado hacia el estrato de material de soporte.

En otra forma de ejecución de la bolsa filtrante de polvo conforme al invento, el estrato de material de soporte es la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo, y el elemento de sustentación es la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, realizándose que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el elemento de sustentación mediando formación de un material compuesto de dos estratos, está apartado del estrato de material de soporte.

De acuerdo con otra forma de realización conforme al invento de la bolsa filtrante de polvo, el estrato de material de soporte es la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo, y el elemento de sustentación es la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, estando depositado tanto sobre el estrato de material de soporte como también sobre el elemento de sustentación en cada caso un estrato de velo de nanofibras, mediando formación de un material compuesto de dos estratos.

En este caso, la bolsa filtrante de polvo puede estar estructurada de tal manera que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el elemento de sustentación, esté apartado del estrato de material de soporte, y que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el estrato de material de soporte, esté orientado hacia el elemento de sustentación.

Además, la bolsa filtrante de polvo puede estar construida en este caso también de modo tal que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el elemento de sustentación, esté apartado del estrato de material de soporte, y que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el estrato de material de soporte, esté apartado del elemento de sustentación.

Se prefieren en este caso también las bolsas filtrantes de polvo, en las que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el elemento de sustentación, está orientado hacia el estrato de material de soporte, y el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el estrato de material de soporte, está orientado hacia el elemento de sustentación.

Son apropiadas además en este caso también las bolsas filtrantes de polvo, en las que el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el elemento de sustentación, está orientado hacia el estrato de material de soporte, y el estrato de velo de nanofibras, depositado sobre el estrato de material de soporte, está apartado del elemento de sustentación.

Finalmente, otra forma de ejecución preferida de la bolsa filtrante de polvo conforme al invento se establece mediante el recurso de que el estrato de material de soporte forma la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo, y el elemento de sustentación forma la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, depositándose, tanto sobre ambas caras del material de soporte como sobre ambas caras del elemento de sustentación, en cada caso un estrato de velo de nanofibras, mediando una respectiva formación de un material compuesto de tres estratos.

Seguidamente se exponen de nuevo de una manera individual las disposiciones preferidas de los estratos.

1

En la lista anterior, se exponen las capas individuales en el orden de sucesión desde la cara de afluencia de la corriente. Las flechas simbolizan, como consecuencia de ello, la dirección de circulación del aire.

Para la producción de bolsas en bruto y acabadas a partir de las composiciones para filtros conformes al invento, se pueden utilizar procedimientos en sí conocidos.

Estos procedimientos de producción comprenden, en la mayor parte de los casos, dos fases de trabajo, que se efectúan en equipos mecánicos dispuestos por separado:

a): Fabricación de la bolsa en bruto

b): Confección para formar la bolsa acabada.

Para la fabricación de la bolsa en bruto, el estrato o el material compuesto de dos estratos, que deben formar el estrato exterior en la bolsa filtrante, se proporciona en forma de rollo a la máquina de fabricación de bolsas. Delante de un puesto de desenrollamiento, esta banda continua se introduce en la máquina mediando aplicación de una tensión de tracción constante y se conforma para dar una manguera, que es cerrada con una costura longitudinal. A continuación, la manguera se corta a la longitud correspondiente y uno de los extremos de la manguera se cierra para dar un fondo. Esto se realiza en el tambor plegador de fondos mediante formación de una brida, que es rebatida y pegada consigo misma. La máquina para la producción de bolsas en bruto está provista de una disposición de alimentación para los estratos, que deben pasar a situarse en el interior de la bolsa filtrante de polvo. Las bandas continuas de estos estratos se aportan a la banda continua saliente del estrato exterior, antes de la formación de la manguera. Se obtiene por consiguiente una bolsa en la bolsa. La bolsa en bruto así obtenida es provista, en una máquina confeccionadora dispuesta por separado, de una placa de sostén correspondiente al modelo de aspiradora de polvo que esté previsto, y concretamente, en la mayor parte de los casos, sobre el fondo de brida previamente formado (expresión
especializada = fondo en bloque). El segundo extremo de manguera, todavía abierto, es cerrado en forma de un fondo enrollado mediante rebatimiento y pegamiento de la manguera.

Las bolsas filtrantes de polvo conformes al invento se pueden emplear para la separación efectiva de polvos finísimos en las más diferentes aspiradoras de polvo, no siendo reducido el rendimiento de aspiración en comparación con los aparatos habituales. En lo que se refiere al tamaño y a la forma de las bolsas filtrantes, no existen limitaciones de ninguna clase. Éstas son apropiadas por lo tanto para aspiradoras de polvo industriales, de suelos y manuales. Un aspecto principalmente importante debería ser la eliminación efectiva del polvo doméstico alergeno.

Descripción de los métodos de ensayo

Seguidamente se exponen los métodos para la caracterización de los materiales y componentes del filtro:

Peso por unidad de superficie:: EN ISO 536 (g/m^{2})

Espesor:: EN ISO 534, presión de teclas: 20 kPa (mm)

Permeabilidad al aire:: EN ISO 9237 (L/m^{2}xs)

\quad: La permeabilidad al aire de los velos de nanofibras se calculó de acuerdo con la siguiente fórmula, puesto que estos velos, como estrato individual para el método de medición, no tenían ninguna resistencia mecánica suficiente.

1/LD_{NF} = 1/LD_{V} - 1/LD_{T}

En esta fórmula, LD representa la permeabilidad al aire, NFV representa el velo de nanofibras, V representa el material compuesto de dos estratos a base de un velo de nanofibras y un elemento de sustentación o de un velo de nanofibras y un estrato de material de soporte, y T representa el soporte en este material compuesto de dos estratos, o bien como el elemento de sustentación o como el estrato de material de soporte.

Resistencia a la rotura:: EN ISO 1924-2 (en N/15 mm de anchura de franja)

Diámetro de las fibras:: Microscopía óptica y electrónica de barrido; comparación de los diámetros de fibras con una escala de medición reflejada

Grado de paso de polvo y resistencias de filtración:

Palas, descritos en las citas de:

a): W. Willemer, W. Mölter, Praxisnahe Überprüfung von Staubfiltern [Comprobación cercana a la práctica de filtros de polvo], Chemietechnik 15 (\underline{1986}), fascículo 12, páginas 20-26

b): W. Mölter, C. Helsper, Fast and Automated Testing of Filter Media [Ensayo rápido y automático de medios de filtración], Filtech Conference, del 23 al 25.09.1987, Utrecht/Holanda

Velocidad de afluencia de la corriente:: \\[2.1mm]{}\hskip0,1cm 25 cm/segundo

Aire de ensayo:: 200 mg de polvo de ensayo por metro cúbico

Polvo de ensayo:: SAE fine, distribución de tamaños de partículas: 0-80 \mum

Tiempo de paso del polvo:: 10 minutos

Recuento de las partículas:: Palas PCS 2000; intervalo de medición 0,25 a 10 \mum

Fracción de partículas que se evaluó para la determinación del grado de paso de polvo: 0,25 a 0,30 \mum, promedio de empolvamiento de 10 minutos.

Resistencia de filtración \DeltapI:: Resistencia de filtración antes del empolvamiento

Resistencia de filtración \Deltap2:: Resistencia de filtración después del empolvamiento

\quad: Este valor es la escala para la tendencia a la obstrucción y el tiempo de vida útil del filtro, puesto que de esto depende directamente el rendimiento de aspiración de la aspiradora de polvo.

Los siguientes Ejemplos 1-3 muestran las sobresalientes propiedades técnicas de filtración de las combinaciones de filtros conformes al invento, en comparación con los habituales materiales para filtros en bolsas filtrantes de polvo.

Ejemplo 1

Una solución al 7% de un poli(alcohol vinílico) con un peso molecular medio de 200.000 y un grado de saponificación de 98% se hiló a través de un capilar de 0,8 mm, en un campo eléctrico de corriente continua con una tensión de 30 kV entre el capilar y el electrodo opuesto conectado a tierra, para dar nanofibras. La distancia entre el capilar y el electrodo opuesto era de 6 cm. El velo de nanofibras se depositó sobre un material para soplado desde una masa fundida de polipropileno, que estaba situado sobre el electrodo opuesto. El diámetro medio de las fibras del velo de nanofibras era de aproximadamente 380 nm, y la permeabilidad al aire calculada era 4.200 l/m^{2}xs.

Para el ensayo de la capacidad de separación de polvo con ayuda de los métodos de ensayo antes descritos, el estrato obtenido por soplado desde una masa fundida, sobre el que se había depositado el velo de nanofibras mediando formación de un material compuesto de dos estratos, se aplicó sobre un estrato de material de soporte, situado en el exterior a base de un papel de filtro, de tal manera que el estrato de nanofibras pasó a situarse entre el soporte y el estrato obtenido por soplado desde una masa fundida.

La siguiente Tabla recopila los resultados de los ensayos.

2

Ejemplo de referencia 1

El estrato obtenido por soplado desde una masa fundida del Ejemplo 1 se aplicó sobre el estrato exterior de papel de filtro del Ejemplo 1, sin ningún velo de nanofibras depositado sobre él, y este sistema de filtro se investigó con los métodos de ensayo antes descritos en lo que se refiere a su capacidad de separación de polvo.

La siguiente Tabla recopila los resultados de los ensayos.

3

Al realizar la comparación con el material de referencia se pone de manifiesto que mediante una capa superior de velo de nanofibras con un peso por unidad de superficie de 0,1 g/m^{2}, el paso de polvo, para partículas con un tamaño de 0,25 a 0,30 \mum, se reduce desde 4,36 a 1,94%, sin que se modifiquen de manera significativa las resistencias de filtración. Esto corresponde a una reducción de estas finas partículas de polvo en torno aproximadamente 55% en el aire filtrado.

Ejemplo 2

De acuerdo con el procedimiento descrito en el Ejemplo 1, un velo de nanofibras a base de un poli(alcohol vinílico) se depositó sobre un velo de polipropileno, obtenido por soplado desde una masa fundida. El diámetro medio de las fibras del velo de nanofibras era de aproximadamente 400 nm, y la permeabilidad al aire que se calculó era de 7.400 l/m^{2}xs.

Para el ensayo de la capacidad de separación de polvo con ayuda de los métodos de ensayo antes descritos, el estrato obtenido por soplado desde una masa fundida, sobre el que se había depositado el velo de nanofibras mediando formación de un material compuesto de dos estratos, se aplicó sobre un estrato de velo de hilatura a base de polipropileno, de tal manera que el velo de nanofibras formaba el estrato de afluencia de la corriente del sistema de filtro.

La siguiente Tabla recopila los resultados de los ensayos.

4

Ejemplo de referencia 2

El estrato obtenido por soplado desde una masa fundida del Ejemplo 2 se aplicó sobre elestrato exterior de velo de hilatura del Ejemplo 2 sin ningún velo de nanofibras depositado sobre él, y este sistema de filtro se investigó con los métodos de ensayo antes descritos, en lo que se refiere a su capacidad de separación de polvo.

La siguiente Tabla recopila los resultados de los ensayos.

5

Mediante el velo de nanofibras de la bolsa filtrante de polvo conforme al invento en el Ejemplo 2, con unas resistencias de filtración prácticamente constantes, el paso de partículas con un tamaño de 0,25 - 0,30 \mum se redujo desde 2,66 hasta 0,44%. Esto corresponde a una reducción de las partículas finas de polvo en el aire filtrado de aproximadamente 83%.

Ejemplo 3

De acuerdo con el procedimiento descrito en el Ejemplo 1, un velo de nanofibras a base de un poli(alcohol vinílico) se depositó sobre un elemento de sustentación a base de materiales celulósicos, que se había producido de acuerdo con el procedimiento de tendido en húmedo. El diámetro medio de las fibras del velo de nanofibras era de aproximadamente 420 nm y la permeabilidad al aire que se calculó era de 2.800 l/m^{2}xs.

Para el ensayo de la capacidad de separación de polvo con ayuda de los métodos de ensayo antes descritos, el elemento de sustentación sobre el que se había depositado el velo de nanofibras mediando formación de un material compuesto de dos estratos, se aplicó sobre un estrato exterior de papel de filtro, de tal manera que el velo de nanofibras pasó a situarse entre el soporte situado en el exterior y el elemento de sustentación.

La siguiente Tabla recopila los resultados de los ensayos.

6

Ejemplo de referencia 3

El estrato de elemento de sustentación del Ejemplo 3 se aplicó, sin ningún velo de nanofibras depositado sobre él, sobre el estrato de papel de filtro situado en el exterior, y este sistema de filtro se investigó con los métodos de ensayo antes descritos en lo que se refiere a su capacidad de separación de polvo.

La siguiente Tabla recopila los resultados del ensayo.

7

Mediante el velo de nanofibras aplicado sobre el soporte de papel, el paso de polvo para partículas con un tamaño de 0,25 a 0,30 \mum se redujo desde 27,89 hasta 8,95%. Esto corresponde a una reducción de aproximadamente 68%. El velo de nanofibras, que se había aplicado, aumentaba sólo de una manera limitada la resistencia de filtración del filtro empolvado (\Deltap1), mientras que la resistencia de filtración del filtro empolvado (\Deltap2) estaba prácticamente inalterada.

Los Ejemplos precedentes muestran que la utilización de velos de nanofibras específicos en bolsas filtrantes de polvo da lugar a que se retengan de una manera eficiente las partículas finísimas en el intervalo de tamaños de 0,25 a 0,3 \mum, sin aumentar en tal caso la resistencia de filtración \Deltap2. El rendimiento de aspiración de la aspiradora de polvo permanece prácticamente inalterado, a pesar del manifiesto mejoramiento del grado de separación en comparación con los Ejemplos de referencia.

Claims

1. Bolsa filtrante de polvo, que comprende por lo menos un estrato de material de soporte y por lo menos un estrato de velo fibroso, caracterizada porque el por lo menos un estrato de velo fibroso tiene un estrato de velo de nanofibras con un diámetro medio de las fibras de 10 a 1.000 nm, un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 0,05 a 2 g/m^{2} y una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 1.500 a 20.000 l/m^{2}xs, y el por lo menos un estrato de material de soporte tiene una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de más que 70 l/m^{2}xs, una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 20 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 10 N/15 mm de anchura de franja.

2. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el estrato de velo de nanofibras se ha depositado directamente sobre el estrato de material de soporte, mediando formación de un material compuesto de dos estratos.

3. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque adicionalmente está contenido un elemento de sustentación, sobre el que se ha depositado el estrato de velo de nanofibras mediando formación de un material compuesto de dos estratos.

4. Bolsa de filtración de polvo de acuerdo con una o varias de las precedentes reivindicaciones, caracterizada porque el estrato de material de soporte consiste en un velo de hilatura.

5. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizada porque el velo de hilatura tiene un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 15 a 100 g/m^{2}.

6. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 4 ó 5, caracterizada porque el velo de hilatura posee una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 100 a 8.000 l/m^{2}xs.

7. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el estrato de material de soporte consiste en un papel de filtro.

8. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizada porque el papel de filtro tiene un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 40 a 90 g/m^{2}.

9. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, caracterizada porque el papel de filtro posee una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 70 a 900 l/m^{2}xs.

10. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 7 a 9, caracterizada porque el papel de filtro posee una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de 25 a 70 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de 15 a 45 N/15 mm de anchura de franja.

11. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 3 a 10, caracterizada porque el elemento de sustentación consiste en un velo.

12. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizada porque el velo es un velo tendido en seco, un velo tendido en húmedo, un velo de hilatura o un velo obtenido por soplado desde una masa fundida.

13. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque el velo es un velo tendido en seco con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 10 a 50 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,10 a 2,0 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 700 a 12.000 l/m^{2}xs y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 5 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 2 N/15 mm de anchura de franja.

14. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque el velo es un velo tendido en húmedo con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 6 a 40 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,05 a 0,35 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 500 a 4.000 l/m^{2}xs y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 5 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 2 N/15 mm de anchura de franja.

15. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque el velo es un velo de hilatura con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 8 a 40 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,05 a 0,30 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 700 a 12.000 l/m^{2}xs y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 7 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 3 N/15 mm de anchura de franja.

16. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque el velo es un velo obtenido por soplado desde una masa fundida con un peso por unidad de superficie de acuerdo con la norma ISO 536 de 6 a 60 g/m^{2}, un espesor de acuerdo con la norma ISO 534 de 0,06 a 0,50 mm, una permeabilidad al aire de acuerdo con la norma ISO 9237 de 300 a 2.000 l/m^{2}xs y una resistencia a la rotura de acuerdo con la norma ISO 1924-2, en dirección longitudinal de más que 2 N/15 mm de anchura de franja, y en dirección transversal de más que 1 N/15 mm de anchura de franja.

17. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 3 a 16, caracterizada porque el estrato de material de soporte forma la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo, y el elemento de sustentación forma la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, realizándose que el estrato de velo de nanofibras en el material compuesto de dos estratos está con el elemento de sustentación orientado hacia el estrato de material de soporte.

18. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 3 a 16, caracterizada porque el estrato de material de soporte forma la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo, y el elemento de sustentación forma la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, realizándose que el estrato de velo de nanofibras en el material compuesto de dos estratos está con el elemento de sustentación apartado del estrato de material de soporte.

19. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 3 a 16, caracterizada porque el estrato de material de soporte forma la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo, y el elemento de sustentación forma la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, depositándose tanto sobre el estrato de material de soporte como también sobre el elemento de sustentación en cada caso un estrato de velo de nanofibras, mediando formación de un material compuesto de dos estratos.

20. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizada porque el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el elemento de sustentación está apartado del estrato de material de soporte y el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el estrato de material de soporte está orientado hacia el elemento de sustentación.

21. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizada porque el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el elemento de sustentación está apartado del estrato de material de soporte y el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el estrato de material de soporte está apartado del elemento de sustentación.

22. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizada porque el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el elemento de sustentación está orientado hacia el estrato de material de soporte y el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el estrato de material de soporte está orientado hacia el elemento de sustentación.

23. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con la reivindicación 19, caracterizada porque el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el elemento de sustentación está orientado hacia el estrato de material de soporte y el estrato de velo de nanofibras depositado sobre el estrato de material de soporte está apartado del elemento de sustentación.

24. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 3 a 16, caracterizada porque el estrato de material de soporte forma la cara exterior de la bolsa filtrante de polvo y el elemento de sustentación forma la cara de afluencia de la corriente, situada en el interior, de la bolsa filtrante de polvo, depositándose, tanto sobre ambas caras del estrato de material de soporte como también sobre ambas caras del elemento de sustentación, en cada caso un estrato de velo de nanofibras mediante respectiva formación de un material compuesto de tres estratos.

25. Bolsa filtrante de polvo de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque todos los estratos consisten en materiales insolubles en agua.