ES2290180T3 - Banda filtrante fibrosa electrostatica y metodo para producir la misma. - Google Patents
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Abstract
Un medio filtrante electreto no tejido, que comprende una banda filtrante no tejida de fibras fibriladas y cargadas electrostáticamente, unidas entre sí ultrasónicamente en una pluralidad de puntos distribuidos a través de dicha banda filtrante no tejida, siendo la superficie total ocupada por dichos puntos menor del 5% de la superficie de dicha banda filtrante no tejida y siendo al menos 2 el número de puntos por centímetro cuadrado.
Description
Banda filtrante fibrosa electrostática y método
para producir la misma.
La presente invención se refiere a un medio
filtrante electreto no tejido que ha sido consolidado
ultrasónicamente en una pluralidad de puntos. La presente invención
además se refiere a un proceso para producir el medio filtrante no
tejido.
Las bandas no tejidas de fibras electretas
típicamente están formadas por fibras asociadas débilmente. Los
filtros pueden cargarse electrostáticamente antes, durante o después
de formar la banda no tejida. En la Patente Reeditada de EE.UU. n.º
30.782 (Van Turnhout et al.) se describe un método
particularmente eficaz de formar un filtro fibroso electreto no
tejido. En esta patente las fibras electretas se forman a partir de
una película cargada por efecto corona que se fibrila para formar
las fibras cargadas. Con las fibras cargadas se puede formar
después por métodos comunes, tales como cardado o tendido al aire,
una banda no tejida. Este método de carga proporciona una densidad
particularmente elevada de cargas inyectadas. No obstante, se
encuentran problemas con las bandas formadas a partir de estas
fibras fibriladas precargadas. Las fibras generalmente son bastante
grandes y onduladas. Además tienen resistencia al doblado. Debido en
parte a estas propiedades, las fibras oponen resistencia a formar
una banda uniforme y consistente, particularmente con pesos base
bajos. La Patente de EE.UU. n.º 5.230.800 propone punzonar con
agujas la banda filtrante de fibras fibriladas en un cañamazo de
refuerzo para producir un filtro que tenga propiedades
sustancialmente uniformes a través de la banda. No obstante, el uso
obligatorio en este método de un cañamazo de refuerzo puede producir
una caída adicional de presión del filtro. Asimismo, sería deseable
mejorar aún más la uniformidad obtenida. Además, debido al
punzonado con agujas, la velocidad de fabricación del medio
filtrante resulta sustancialmente limitada.
La Patente de EE.UU. n.º 4.363.682 proporciona
un método alternativo para hacer una banda más uniforme. A fin de
proporcionar una banda más consistente, además de que resista el
desprendimiento de fibras, esta patente propone un tratamiento de
postestampado. Se supone que este postestampado suelda entre sí las
fibras superficiales externas proporcionando una banda más
consistente y confortable para su uso como máscara facial. No
obstante, este tratamiento también tenderá a producir una banda más
densa, lo que aumentaría la caída de presión en el filtro.
La Patente de EE.UU. n.º 5.143.767 describe una
etapa de estampado térmico por puntos para reforzar una banda no
tejida de fibras dieléctricas, fibriladas y cargadas
electrostáticamente, a fin de obtener una banda de alta resistencia
que no se pulverice. La relación de estampado mencionada en esta
patente de EE.UU. está entre el 2% y el 35% de la superficie total
del filtro. La Patente de EE.UU. n.º 5.143.767 también menciona que
podría considerarse el uso de soldadura ultrasónica, en lugar del
estampado térmico de la banda no tejida. No obstante, según la
Patente de EE.UU. n.º 5.143.767 tal soldadura sería difícil y no
sería posible hacer filtros delgados. Asimismo, se supone que los
filtros tendrían escasa resistencia. Además, dado que los equipos
ultrasónicos generalmente están limitados a anchuras de banda
bastante estrechas, se presentarían dificultades adicionales al
producir una banda filtrante que tuviera unas dimensiones que
superasen la anchura de los equipos ultrasónicos típicos.
La Patente de EE.UU. n.º 5.900.305 enseña el uso
de técnicas de soldadura ultrasónica para laminar por puntos una
pluralidad de bandas filtrantes no tejidas de fibras fundidas y
sopladas, a fin de producir un filtro de gran eficiencia, y
describe la colocación de varias unidades ultrasónicas unas junto a
otras para que se pueda soldar el material laminar a través de toda
su anchura. Las distintas unidades se accionan después mediante un
solo controlador. Parece que una disposición de este tipo no sería
adecuada para consolidar una banda filtrante no tejida, con objeto
de producir un filtro con propiedades uniformes a través de su
superficie.
La Patente de EE.UU. n.º 5.436.054 menciona el
estampado, la soldadura ultrasónica y el punzonado con agujas para
unir entre sí una red de vellones reticulados de películas
electretas, divididas parcialmente, a fin de mejorar la estabilidad
dimensional del filtro electreto. No obstante, no se dan detalles
particulares de estos métodos.
Por consiguiente, un deseo de la presente
invención es facilitar un método adicional para proporcionar un
medio filtrante electreto no tejido que tenga propiedades uniformes
a través de su superficie y que pueda producirse a mayor velocidad
y por lo tanto a menor coste. Además es deseable proporcionar un
medio filtrante electreto no tejido que pueda convertirse
fácilmente y con mínimos costes de fabricación en un filtro plegado.
El medio filtrante electreto no tejido preferiblemente puede
producirse con una gama amplia de pesos base y preferiblemente
tiene poca caída de presión. Deseablemente, el rendimiento del medio
filtrante se mejora en cuanto a, por ejemplo, la eficiencia de
filtración y la capacidad de carga de partículas del medio
filtrante.
En un aspecto, la presente invención proporciona
un medio filtrante electreto no tejido que comprende una banda
filtrante no tejida de fibras fibriladas y cargadas
electrostáticamente, unidas entre sí ultrasónicamente en una
pluralidad de puntos distribuidos a través de la banda filtrante no
tejida. La superficie total ocupada por los puntos es menor del 5%
de la superficie de la banda filtrante no tejida, preferiblemente la
superficie ocupada por los puntos está en el intervalo del 0,2% al
2%, más preferiblemente del 0,5% al 1.5%. La forma de los puntos no
está limitada particularmente, pero generalmente es cuadrada,
rectangular o circular. El tamaño de cada uno de los puntos
individuales típicamente es menor de 10^{-2} cm^{2} y
preferiblemente está en el intervalo de 10^{-3} a 10^{-2}
cm^{2}. El número de puntos por cm^{2} es al menos 2 y
típicamente está en el intervalo de 2 a 5. El número de puntos
necesarios por cm^{2} generalmente dependerá del peso base de la
banda filtrante no tejida, requiriendo más puntos un peso base bajo
y requiriendo generalmente menos puntos un peso base elevado.
Se ha encontrado que un medio filtrante
electreto no tejido según la presente invención tiene propiedades
filtrantes sumamente uniformes a través de la banda y puede
producirse a mayor velocidad que con un método que incluya
punzonado con agujas, minimizando de este modo los costes de
fabricación. Además, para mantener uniformes las propiedades
filtrantes no es necesario el uso de una capa de cañamazo y para
hacer un filtro plegado puede usarse convenientemente el medio
filtrante electreto no tejido soldando ultrasónicamente una malla
al medio filtrante, la cual proporcionará al medio la rigidez
necesaria para que se pueda plegar el medio filtrante. Además se ha
encontrado que el medio filtrante electreto no tejido tiene buena
resistencia y buena estabilidad dimensional, resultando adecuado
para diversas aplicaciones filtrantes. Por ejemplo, se ha
encontrado que en una banda que tenga un peso base de al menos 50
g/m^{2}, basta soldar ultrasónicamente para obtener una banda
estable dimensionalmente, sin necesidad de ninguna capa soporte
adicional, tal como una malla o un cañamazo, reduciéndose pues la
caída de presión.
En un aspecto adicional de la presente invención
se proporciona un método para producir un medio filtrante como el
descrito anteriormente. Según el método de la presente invención,
para producir el medio filtrante se producen fibras dieléctricas
fibriladas y cargadas electrostáticamente. Esto puede llevarse a
cabo fácilmente con los métodos que han sido descritos en la
Patente Reeditada de EE.UU. n.º 30.782 (Van Turnhout et al.)
y en la Patente Reeditada de EE.UU. n.º 31.285 (Van Turnhout et
al.). El método descrito en esas patentes comprende alimentar
una película de una sustancia apolar de elevado peso molecular,
estirar la película, cargar homopolarmente la película estirada,
con ayuda de elementos de efecto corona, y fibrilar la película
estirada y cargada. Los materiales adecuados de formación de la
película incluyen poliolefinas, tales como polipropileno,
polietileno lineal de baja densidad,
poli-1-buteno,
politetrafluoroetileno, politrifluorocloroetileno; o
poli(cloruro de vinilo); polihidrocarburos aromáticos; tales
como poliestireno; policarbonatos; poliésteres; y copolímeros y
mezclas de los mismos. Las poliolefinas preferidas son las que no
tengan radicales alquílicos ramificados y los copolímeros de las
mismas. Son particularmente preferidos el polipropileno y los
copolímeros de polipropileno. Con los polímeros o copolímeros
dieléctricos pueden mezclarse diversos aditivos funcionales
conocidos en la técnica, tales como
poli(4-metil-1-penteno),
como se enseña en la Patente de EE.UU. n.º 4.874.399, una sal
metálica de ácido graso, como se describe en la Patente de EE.UU.
n.º 4.789.504, o materiales particulados, como en la Patente de
EE.UU. n.º 4.456.648.
La película puede cargarse por cualquiera de los
modos conocidos. Por ejemplo, la película puede cargarse local y
bilateralmente por medio de elementos de efecto corona que tengan el
mismo potencial, pero opuesto, en cada lado de la película. De este
modo la película se carga a casi el doble de tensión que mediante
una carga unilateral, con la misma tensión del efecto corona. El
material de la película polimérica cargada puede fibrilarse de
diversos modos. Por ejemplo, puede usarse un rodillo con agujas
haciendo pasar las agujas metálicas sobre la película. Después
pueden cortarse las fibras continuas a la longitud deseada.
Con las fibras obtenidas, cargadas
electrostáticamente, puede formarse después una capa de banda no
tejida, mediante cardado o tendido al aire o cualquier otro proceso
de formación de bandas. Además, para aumentar el peso base de la
banda filtrante no tejida puede tratarse con un aleatorizador o
someterse a una operación de solapamiento transversal.
Para consolidar la banda filtrante no tejida se
unen las fibras entre sí ultrasónicamente en la pluralidad de
puntos (al menos 2 por cm^{2}) que ocupan menos del 5% de la
superficie de la banda filtrante no tejida. Para efectuar esa
consolidación, la banda filtrante no tejida generalmente se
transporta a través de un interespacio que se mantiene entre una
unidad ultrasónica vibratoria y una herramienta conjugada de un
dispositivo ultrasónico. El interespacio, es decir, la distancia
existente entre la unidad vibratoria y la herramienta conjugada del
dispositivo ultrasónico, generalmente se mantiene constante mientras
se consolida la banda filtrante no tejida. Con relación a esto, por
"constante" se quiere decir que el interespacio no debería
desviarse más del 20% del valor deseado, preferiblemente no más del
10%. Si la banda filtrante no tejida tiene unas dimensiones que
superen los 30 cm a 50 cm, se prefiere poner varios dispositivos
ultrasónicos en paralelo, unos junto a otros, a lo largo de la
dirección de la banda que sea perpendicular a la dirección con la
que se transporte la banda. Aunque hoy día se dispone de brazos que
tienen una anchura de hasta 60 cm, tales brazos pueden no
proporcionar la uniformidad deseada. Para producir una banda
sumamente uniforme cuando se ponen en paralelo dos o más brazos,
preferiblemente se controla de modo independiente el interespacio
existente en cada uno de los dispositivos ultrasónicos individuales
(disposición brazo-yunque). Es decir, el
interespacio de cada uno de los dispositivos ultrasónicos se
controla independientemente del interespacio de otro dispositivo
ultrasónico.
Un dispositivo ultrasónico que es
particularmente adecuado para usarse en relación con la presente
invención ha sido descrito en el documento WO 96/14202 y está
disponible comercialmente en Herrmann Ultraschalltechnik de
Alemania. Un dispositivo ultrasónico de esta clase comprende una
unidad vibratoria montada rígidamente y una herramienta conjugada
que preferiblemente es un tambor giratorio. Se mantiene un
interespacio entre la unidad vibratoria (brazo de soldadura) y la
herramienta conjugada (yunque) y este interespacio puede ajustarse
antes de y durante la operación de soldadura ultrasónica, mediante
un dispositivo de ajuste que también está montado rígidamente. El
interespacio existente entre la herramienta conjugada y la unidad
vibratoria se mantiene constante mediante un controlador que
gobierna el dispositivo de ajuste en respuesta a una medición que es
indicativa de un cambio del interespacio. Por ejemplo, el
interespacio puede controlarse mediante un sensor inductivo que
esté montado en el tambor giratorio de yunque. Las señales del
sensor se transmiten de modo inalámbrico al controlador, el cual
detecta la diferencia respecto a un valor de objetivo y compensa los
cambios mediante el dispositivo de ajuste. Alternativamente puede
incluirse en la unidad vibratoria un sensor de fuerza para medir la
fuerza de soldadura a intervalos regulares, por ejemplo una vez por
revolución del tambor de yunque. El controlador puede comparar a
continuación con un valor de objetivo la fuerza medida y si es
necesario ajustar el interespacio mediante el dispositivo de
ajuste. Este método puede denominarse control de fuerza del
interespacio. En el método de control de fuerza, el interespacio
puede fluctuar porque la fuerza de soldadura dependerá del espesor
de la banda, así como de la distancia existente entre el brazo y el
yunque. Como consecuencia de las variaciones de espesor de la
banda, el interespacio puede fluctuar para mantener una fuerza
objetivo de soldadura. En esta invención el método preferido es el
de control de fuerza. Otro método que puede emplearse para mantener
constante el interespacio es el de control de tensión. En este
método la unidad vibratoria y la herramienta conjugada forman parte
de un circuito de baja tensión. Brevemente, antes de que la unidad
vibratoria tocase al tambor de yunque, el circuito se cerraría y el
controlador recibiría una señal para que retirase mediante el
dispositivo de ajuste la unidad vibratoria hasta una posición
programada. A continuación se baja de nuevo la unidad vibratoria,
automáticamente y paso a paso, hasta que sea necesario el siguiente
retroceso. Este bucle asegura el mantenimiento de un interespacio
pequeño y preciso entre el brazo y el yunque.
Como se ha mencionado anteriormente, la
herramienta conjugada, es decir, el yunque, del dispositivo
ultrasónico preferiblemente es un tambor giratorio. La superficie
de este tambor giratorio generalmente tiene un patrón que produce
un patrón deseado de puntos en la banda filtrante no tejida, con el
que se consolidan las fibras de la banda. El patrón puede ser un
patrón irregular con el que los puntos se distribuirán de modo
irregular a través de la banda. El patrón también puede ser regular
o un patrón irregular repetitivo. En los dibujos posteriores se
ilustran ejemplos de patrones que pueden usarse.
La banda filtrante no tejida puede transportarse
sobre una capa de cañamazo a través del interespacio existente
entre la unidad vibratoria y la herramienta conjugada del
dispositivo ultrasónico, si se desea una capa de cañamazo. El
material del cañamazo generalmente comprenderá un material
termoplástico tal que la capa de cañamazo pueda pegarse en los
puntos ultrasónicamente a la banda filtrante no tejida,
simultáneamente con la consolidación en dichos puntos de la banda
filtrante no tejida. El material de la capa de cañamazo puede ser
cualquier cañamazo conocido de refuerzo, tejido o no tejido.
Generalmente, los cañamazos no tejidos son preferidos en términos
de coste y grado de abertura. El material del cañamazo
preferiblemente también es polimérico y, a efectos de
reciclabilidad, preferiblemente está formado por un polímero pegable
ultrasónicamente con el material de la banda electreta no tejida.
El cañamazo del materia no tejido se tratará generalmente para
aumentar sus propiedades en tracción, por ejemplo mediante
termoestampado, calandrado, pegado sónico, fibras aglutinantes, o
similares. Un material típico de cañamazo sería una banda no tejida
de polipropileno hilado con autoencolado. Una capa de cañamazo
alternativa que puede usarse en esta invención está descrita en la
Patente de EE.UU. n.º 5.800.769. El cañamazo descrito en esta
última patente tiene zonas abiertas individuales y discontinuas que
tienen un área media en sección transversal, vista desde el plano
del medio filtrante, de al menos 0,25 mm^{2}, comprendida
generalmente entre 0,25 mm^{2} y 10 mm^{2}. El peso de este
cañamazo generalmente está entre 0,1 g/m^{2} y 0,4 g/m^{2}. El
cañamazo descrito en la Patente de EE.UU. n.º 5.800.769 y que se
usa preferiblemente en esta invención es una banda laminada
transversalmente de fibras de polietileno que pueden pegarse
ultrasónicamente con facilidad al medio filtrante de esta invención.
Cuando la banda filtrante no tejida se transporta sobre la capa de
cañamazo, la última generalmente soportará a la banda filtrante. No
obstante, también es posible incluir una capa de cañamazo entre dos
o más capas de bandas no tejidas que luego pueden consolidarse con
y pegarse a la capa de cañamazo en el dispositivo ultrasónico.
Alternativamente, la banda filtrante no tejida
también puede transportarse sobre una banda de papel que no se vea
afectada por la operación de soldadura ultrasónica. Esta banda de
papel puede recogerse después de la operación de soldadura
ultrasónica, dejando una banda filtrante consolidada
ultrasónicamente y sin capa de cañamazo.
Si se desea un medio filtrante electreto no
tejido y plegable, el medio filtrante no tejido puede laminarse con
una malla que proporcione la rigidez necesaria para poder plegarlo.
Con el término malla en relación con la presente invención se
quiere decir una red muy abierta de fibras bastante gruesas.
Generalmente, las fibras de una malla tendrán un espesor
comprendido entre 0,5 y 1,5 mm, definiendo entre ellas generalmente
zonas abiertas con forma regular y un área media en sección
transversal comprendida entre 1 mm^{2} y 20 mm^{2}. Una ventaja
adicional del método de fabricación de la presente invención es que
el medio filtrante no tejido puede laminarse con una malla de este
tipo simultáneamente con la consolidación ultrasónica de la banda.
En particular, la malla típicamente comprenderá un material
termoplástico y la malla puede transportarse, junto con la banda
filtrante no tejida, a través del interespacio de los dispositivos
ultrasónicos en los que se pegan ultrasónicamente entre sí las
fibras de la banda en la pluralidad de puntos. Al mismo tiempo se
pegará ultrasónicamente en esos puntos la malla termoplástica a la
banda filtrante no tejida. El medio filtrante electreto no tejido,
obtenido de ese modo, puede plegarse por cualquiera de las técnicas
de plegado conocidas y que sea adecuada para la fabricación de un
filtro plegado. Por consiguiente, puede producirse un medio
filtrante electreto no tejido y plegable, con propiedades uniformes
y de modo conveniente y económico. En particular, el método de la
presente invención es más conveniente y económico que los métodos de
la técnica anterior, en los que el material de la malla necesita
encolarse o laminarse de otro modo con la banda filtrante en una
etapa separada de laminación.
\newpage
El medio filtrante electreto no tejido de la
presente invención además puede laminarse con capas filtrantes
adicionales. Por ejemplo, el medio filtrante electreto no tejido
puede laminarse con una capa filtrante no tejida de microfibras
fundidas y sopladas (melt blown microfibers - capa BMF). La ventaja
de un material laminar de este tipo sería que el medio filtrante
electreto no tejido actuaría como prefiltro de la capa filtrante no
tejida de microfibras fundidas y sopladas, la cual se obstruiría
fácilmente de otro modo. En este caso, el medio filtrante electreto
no tejido de la presente invención, que generalmente es una
estructura más abierta que la capa BMF, recogería las partículas
mayores de un fluido a filtrar y la capa BMF filtraría las
partículas que pasasen el medio filtrante electreto no tejido de la
invención. El método de la presente invención permite la producción
conveniente, económica y fiable de un material laminar de esta clase
porque la capa BMF puede pegarse ultrasónicamente a la banda
filtrante no tejida, mientras esta última se consolida
ultrasónicamente. Además, se ha encontrado que la banda filtrante
de la invención tiene mayor eficiencia, proporcionando de este modo
un prefiltro más eficaz y proporcionando mayor duración a una
disposición filtrante que incluya un prefiltro de esta clase.
La invención se ilustra adicionalmente con
referencia a los dibujos siguientes, sin intención de limitar la
invención a los mismos.
La Figura 1 es una representación esquemática y
parcial de un dispositivo ultrasónico que comprende unidades
vibratorias y una herramienta conjugada en forma de tambor
giratorio.
La Figura 2 es una vista parcial ampliada del
tambor giratorio mostrado en la Fig. 1.
La Figura 3 es una representación esquemática de
una segunda realización de un tambor giratorio.
La Figura 4 es una representación esquemática de
una parte ampliada de la segunda realización del dispositivo
ultrasónico, que comprende un tambor giratorio como el mostrado en
la Fig. 3.
La Figura 5 es una vista plana de un medio
filtrante electreto no tejido, unido ultrasónicamente, obtenido
usando un dispositivo ultrasónico que comprende una configuración de
tambor giratorio según las Figs. 1 y 2.
La Figura 6 es una vista plana de un medio
filtrante electreto no tejido, unido ultrasónicamente, obtenido
usando un dispositivo ultrasónico que comprende una configuración de
tambor giratorio según las Figs. 3 y 4.
La Figura 7 es una vista lateral del equipo de
unión ultrasónica de un medio filtrante electreto no tejido según
la Fig. 1.
La Figura 8 es una vista lateral de una segunda
realización de la unión ultrasónica de un medio filtrante electreto
no tejido y una malla termoplástica.
La Figura 9 es una vista lateral de una tercera
realización de la unión ultrasónica de un medio filtrante no
tejido, con una malla termoplástica y un cañamazo.
La Figura 10 es una vista lateral de un
dispositivo ultrasónico según la Fig. 1, que comprende varias
unidades vibratorias ultrasónicas dispuestas unas junto a
otras.
La Figura 11 muestra una vista lateral de uno de
los dispositivos ultrasónicos según la Fig. 10, que muestra un
método de control de un interespacio.
La Figura 12 muestra un diagrama de la
eficiencia respecto al tamaño de partículas de polvo en un medio
filtrante no tejido según la invención, en comparación con un medio
filtrante punzonado con agujas.
La Figura 1 muestra un dispositivo 10 para la
unión ultrasónica de un medio filtrante electreto no tejido 12. Los
componentes básicos del dispositivo son unas unidades vibratorias
14, 16 en forma de brazos de soldadura accionados por unidades
accionadoras. Típicamente hay varios brazos de soldadura 14, 16
dispuestos unos al lado de otros que permiten realizar la unión
ultrasónica de un medio filtrante electreto no tejido 12
relativamente ancho. Los brazos de soldadura 14, 16 cooperan con
una herramienta conjugada o un yunque, que en esta realización
tiene la forma de un tambor giratorio 18. En la figura 1 sólo se
muestran el propio tambor 18 y su eje 20. El tambor giratorio 18
tiene una superficie externa 22, esencialmente cilíndrica, que está
provista de una multiplicidad de salientes 24. Durante la unión
ultrasónica, el medio filtrante electreto no tejido se mueve en la
dirección de la flecha 26 y el tambor giratorio en la dirección de
la flecha 28. Los brazos de soldadura 14, 16 y los salientes 24 del
tambor giratorio 18 están dispuestos de manera que forman un pequeño
interespacio (con el medio filtrante situado entre los brazos de
soldadura 14, 16 y los salientes 24 del tambor), siendo el
interespacio tan pequeño que en los puntos de los salientes 24 la
densidad de energía es lo bastante elevada para realizar la
soldadura ultrasónica.
\newpage
La Figura 2 muestra una vista ampliada de la
superficie 22 del tambor giratorio 18 y de los salientes 24. Estos
salientes están formados integralmente con la superficie 22 del
tambor giratorio, generalmente por métodos conocidos, tales como
mecanizado, soldadura por arco eléctrico, y similares. El tambor
giratorio tiene hasta un metro o más de longitud y un diámetro de
varios decímetros.
En las Figs. 3 y 4 se muestra un método
alternativo. El tambor giratorio 18, con su eje 20, está provisto
de una ranura espiral 30, como puede verse en la Fig. 3. Por
separado se fabrica una banda metálica 32 de una longitud
sustancial mediante métodos convencionales conocidos, tales como el
mecanizado o el estampado. Típicamente, desde un rollo de
alimentación se desenrolla una banda de una anchura 34 determinada y
se hace pasar a través de un equipo de estampación. Las
configuraciones que se muestran en las Figs. 3 y 4 se han estampado
creando una secuencia de salientes 36 que pueden tener una sección
transversal trapezoidal. La Fig. 4, similar a la Fig. 1, muestra
una parte del tambor giratorio 18 con una ranura de desarrollo en
espiral (no mostrada) en la que se ha insertado la banda 32. Esto
se hace de manera que los salientes 36 junto con la superficie
superior 38 formen un patrón que sea similar al patrón representado
en la Fig. 2, en el que los salientes 24 se han hecho encima de la
superficie 22 del tambor giratorio 18.
La banda 32 se enrolla espiralmente en la ranura
del tambor giratorio 18 para conseguir una configuración escalonada
de salientes 36, como puede verse en la Fig. 4. La intención es
tener 2 salientes adyacentes 40, 42 de una fila situados de manera
que el saliente 38 de la fila siguiente quede colocado entre los
salientes 40 y 42, preferiblemente en el centro de los mismos. Los
patrones de soldadura resultantes en la banda filtrante pueden
verse en las Figs. 5 y 6. La Fig. 5 muestra la vista plana del medio
filtrante electreto no tejido y unido ultrasónicamente 44 con una
disposición sustancialmente regular de los puntos de soldadura 46.
La Fig. 6 muestra el medio filtrante correspondiente 48 con puntos
de soldadura dispuestos según un patrón algo irregular, pero
repetitivo. Debido al enrollamiento en espiral de la banda 32, el
punto de soldadura 50, por ejemplo, no queda colocado exactamente
entre los puntos de soldadura 52, 54 de la fila posterior. Por lo
tanto es diferente el aspecto de un medio filtrante 48 producido
con un tambor giratorio según las Figs. 3 y 4. Eso no tiene una
importancia considerable a efectos de la funcionalidad del medio
filtrante electreto.
El tamaño y el número de salientes 24 según las
Figs. 1 y 2 y el tamaño y el número de salientes 36, 38 según las
Figs. 3 y 4 es tal que la superficie total ocupada por los salientes
es menor del 5% de la superficie del tambor giratorio, con lo que
resulta aproximadamente el mismo porcentaje en el medio filtrante no
tejido y unido ultrasónicamente. Según la invención, el número de
puntos soldados por cm^{2} en el medio filtrante no tejido
debería ser mayor de 2. En el caso de las Figs. 3 y 4, por ejemplo,
las bandas 32 tendrán una anchura de 0,6-1,0 mm,
preferiblemente 0,8 mm. Además, la superficie específica del extremo
de los salientes 36, 38 puede ser circular, elíptica, cuadrada,
rectangular o de otra forma. En una realización particular sería
preferida una configuración cuadrada que tuviera la misma dimensión
que la anchura de la banda, concretamente 0,6-1,0
mm, preferiblemente 0,8 mm. La distancia existente entre dos
salientes adyacentes, como por ejemplo entre los salientes 40 y 42
de la Fig. 4, puede ser del orden de 6-10 mm,
preferiblemente 7 mm, y la distancia entre bandas adyacentes puede
estar en el intervalo de 4-6 mm, preferiblemente 5
mm. Ésta es pues la distancia existente entre dos vueltas
adyacentes de la ranura espiral, como se representa en la Fig. 3. En
principio se aplica lo mismo a la realización representada en las
Figs. 1 y 2 en la que los salientes están mecanizados,
electroerosionados o generados de otro modo. Las dimensiones son
idénticas en principio. Las cifras dadas anteriormente sólo sirven
como pauta general para una configuración preferida, siendo la
característica decisiva, no obstante, que la superficie específica
total de las partes de contacto de los salientes esté por debajo del
5% de la superficie del tambor giratorio, preferiblemente por
debajo del 2%, y que el número de puntos por cm^{2} sea al menos
2.
Las Figs. 7-9 muestran vistas
laterales del equipo usado para la unión ultrasónica de las fibras y
de otros componentes del medio filtrante electrostático no tejido.
El medio filtrante 12 se obtiene generalmente con un equipo 60
conocido que produce una banda filtrante no tejida de fibras
fibriladas y cargadas electrostáticamente. Estas fibras son guiadas
hacia el dispositivo ultrasónico 10, como el representado en las
Figs. 1-4 y descrito anteriormente. La unidad
vibratoria en forma de brazo de soldadura 14 se acciona por medio de
la unidad 62 que incluye todas las características necesarias para
generar las vibraciones ultrasónicas, además de medios para
controlar el interespacio. El brazo de soldadura 14 se corresponde
con la herramienta conjugada, o yunque, que tiene la forma de un
tambor 18 que gira en la dirección 28 explicada anteriormente. La
banda tratada ultrasónicamente 44 es recogida por el rodillo 64. La
banda tratada ultrasónicamente 44 pasa a través de un par de
rodillos 66, 68 que simultánea o adicionalmente también pueden
hacerse cargo de la función de cortar la banda 44, por ejemplo, en
los 2 lados que pueden no soldarse o ser inútiles, y además puede
haber cuchillas de corte adicionales a lo largo de la anchura de la
banda 44 para generar partes menores de la banda tratada
ultrasónicamente 44 que sean enrolladas por el rodillo 64.
La entrada de la banda no tratada 12 en la
unidad ultrasónica 10 se representa con más detalle en la sección
ampliada A. Puede verse que el brazo de soldadura 14 con su extremo
inferior 70 y el saliente 24 del tambor giratorio 18 forman un
interespacio 72. Además, puede verse que la banda entrante 12 es
significativamente más gruesa que la banda saliente tratada
ultrasónicamente 44. Al entrar en el interespacio 72 se comprime la
banda entrante 12 como puede verse por las partes 74 y 76. Esta
compresión bien tiene lugar automáticamente o bien con ayuda de
medios de guiado adicionales (no representados). Además, el brazo de
soldadura 14 puede ser significativamente más ancho que el saliente
24. Generalmente no hay ninguna estructura en la superficie
inferior 70 del brazo de soldadura 14.
La configuración en sección transversal de la
banda tratada ultrasónicamente 44 se muestra en la parte ampliada
B. Las fibras de la banda 44 han sido unidas ultrasónicamente en la
parte 78 y hay superficies de transición 80 y 82 suaves entre la
parte soldada y la parte normal de la banda 44. Además, puede verse
que el espesor de la banda tratada ultrasónicamente 44 es
significativamente menor que el de la banda original 12 que resulta
del tratamiento ultrasónico. También puede verse que la parte
soldada 78 tiene muescas en ambos lados, el lado superior y el lado
inferior, aunque sólo los salientes 24 están en contacto con la
banda 12 en el lado inferior, sin embargo, se produce una
compresión total que hace que se comprima la parte superior de modo
que se observan superficies de transición en ambos lados 80 y
82.
La Fig. 8 muestra una disposición alternativa
del equipo ultrasónico. Aquí también se obtiene la banda original
12 en la unidad 60 y se guía hacia el dispositivo ultrasónico 10,
que se muestra en disposición invertida. El tambor giratorio 18
está en el lado superior y el brazo de soldadura 14 y la unidad
accionadora correspondiente 62 están en el lado inferior. La
diferencia esencial es que además de la banda no tratada
originalmente, se guía una segunda capa 84 por el dispositivo
ultrasónico 10 usando el rodillo dispensador 86 y dos rodillos de
guiado 88 y 90. Esta capa adicional 84 es una malla sobre la que
puede pegarse la banda ultrasónicamente. La malla 84 y la banda 12
se unen proporcionando la configuración 92 que es recogida por el
rodillo enrollador 64 y los rodillos de guiado 66 y 68.
La diferencia respecto a la realización mostrada
en la Fig. 7 puede verse de nuevo con las dos partes ampliadas C y
D. La banda original 12 y la malla 84 son guiadas hacia el
interespacio 72 creado por el brazo de soldadura y el saliente 24
del tambor 18 para generar el material laminar 92. Aquí también
puede verse un guiado y una compresión de la banda 12 y la malla 84
en las partes 74 y 76. La compresión tiene lugar fundamentalmente
en la banda original 12, mientras que la malla sólo se comprime
ligeramente durante el procedimiento de soldadura ultrasónica. La
vista ampliada D muestra una configuración similar a la de la vista
B de la Fig. 7, mostrando también la parte 78 comprimida por la
soldadura ultrasónica y las zonas de transición 80 y 82.
La Fig. 9 muestra una tercera configuración del
equipo ultrasónico, cuyas referencias numéricas son las mismas que
en las figuras precedentes. La característica añadida aquí es que
desde el rodillo 96 se alimenta una tercera capa 94. Ésta es una
capa de cañamazo. En este caso el dispositivo ultrasónico 10 otra
vez está colocado en el mismo sentido que en la Fig. 7, lo cual
depende esencialmente de la practicabilidad existente en el
proceso. La parte E en principio es comparable a las partes A y C de
las Figs. 7 y 8 respectivamente. La parte F muestra de nuevo que
hay una configuración de tres capas en la que se combinan la malla
84, la banda filtrante 12 y el cañamazo 94 en el material laminar
98, el cual es recogido después por el rodillo 64 de la misma manera
descrita anteriormente. Debería observarse que hay tres
configuraciones típicas, aunque puede considerarse una
multiplicidad de variaciones adicionales, por ejemplo una
multiplicidad de capas que incluyan capas de fibras hiladas con
autoencolado o fibras fundidas y sopladas.
La Fig. 10 proporciona una vista lateral del
equipo ultrasónico según las figuras precedentes que muestra el
tambor giratorio 18 con su eje 20 en el lado inferior y los brazos
de soldadura 14 con unidades accionadoras 62 en el otro lado,
estando dispuestos todos ellos de modo que la banda 12 pueda pasar
entre los mismos. El equipo ultrasónico incluye cuatro dispositivos
vibratorios ultrasónicos individuales 100, 102, 104, 106 que
funcionan independientemente entre sí. Cada uno de ellos está
equipado, dentro de la unidad accionadora 62, con un sensor 108,
que controla el interespacio existente entre el brazo y el yunque, y
un accionador 110. El sensor 108 y el accionador 110 están
conectados eléctricamente mediante cableados eléctricos 112 y 114 a
una unidad de control electrónico 116 que asegura que el
interespacio 72 se mantenga dentro de tolerancias suficientemente
pequeñas para asegurar una unión ultrasónica de los componentes de
la banda 44 o del material laminar 92, 98 y que impide que el brazo
y el yunque se toquen entre sí. Estos controles se manejan
independientemente para cada sistema vibratorio ultrasónico
individual 100, 102, 104 y 106. La unidad de control 116 está
conectada a su vez a una unidad central de alimentación de energía
118.
La Fig. 11 muestra un sistema vibratorio
ultrasónico individual, p. ej. el componente 100 de la Fig. 10. Hay
diferentes tipos de control que pueden utilizarse, siendo el más
preferido el denominado control de fuerza. Las dos finalidades
principales de este equipo son generar las vibraciones para la
soldadura ultrasónica y asegurar el control del interespacio 72
existente entre el tambor giratorio 18 y el brazo de soldadura 14.
Como se muestra en la Fig. 10, la unidad accionadora 62 comprende un
sensor 108 y un accionador 110. En la Fig. 11 se muestran detalles
adicionales para la explicación del control del interespacio 72. El
accionador 110 proporciona la vibración del brazo de soldadura 14.
Además, un sensor de fuerza 108 está en contacto con el accionador
110 o directamente con el brazo de soldadura 14. Su objeto es captar
la fuerza que el brazo de soldadura esté ejerciendo sobre material
a unir. Este sensor puede ser de cualquier tipo, por ejemplo algún
tipo de piezosensor. La señal de fuerza se pasa a la unidad de
control electrónico 116 a través de la conexión eléctrica 112. Si
la unidad de control electrónico 116 identifica que la fuerza medida
está por debajo de un valor de umbral preestablecido, todo el
sistema, que comprende el accionador 110, el sensor 108 y el brazo
de soldadura 14, se mueve hacia abajo mediante los medios
accionadores 120 que están conectados eléctricamente a la unidad de
control electrónico 116 a través del cableado 122. El accionador 110
está conectado a través del sistema de cableado 124 de manera que
es posible un movimiento relativo entre la unidad de control 116 y
el accionador 110. El brazo de soldadura 14 también está conectado
eléctricamente a la unidad de control electrónico a través del
cableado 126 que también es flexible. El tambor giratorio 18 está
conectado en su eje 20 a la unidad de control electrónico 116 a
través del cableado 128. Tan pronto como el brazo 14 haga contacto
con el saliente o con cualquier otra parte del tambor giratorio 18
se crea un cortocircuito eléctrico que se capta a través de los
cableados 126, 128. La unidad de control electrónico 116 asegura
entonces que se restablezca un interespacio mínimo 72.
Según el proceso de la invención, los materiales
a unir ultrasónicamente se hacen pasar a través del interespacio 72
(no mostrado, véanse las figuras precedentes) y el mecanismo de
control funciona de la manera siguiente: si el sensor 108 capta una
fuerza que sea demasiado baja se mueve el accionador 110 hacia abajo
mediante los medios accionadores 120 hasta que se obtenga el valor
de umbral de la fuerza. Lo mismo sucede en la dirección opuesta
cuando la fuerza sea demasiado elevada. Por consiguiente se asegura
un control continuo del interespacio 72 usando sistemas de control
electrónico convencionales. Además, el control adicional de la
conductividad existente entre el brazo de soldadura 14 y el tambor
giratorio 18 asegura que se mantenga un interespacio mínimo,
impidiendo pues que se toquen entre sí el brazo y el yunque.
Un método alternativo de controlar el
interespacio es captar la distancia existente entre el brazo de
soldadura 14 y la superficie del tambor giratorio 18 mediante un
sensor que esté colocado dentro del tambor giratorio 18. En el
documento WO 96/14202 se encuentran detalles adicionales de modos de
controlar el interespacio.
La invención se describirá más ampliamente
mediante los siguientes ejemplos y resultados de ensayos:
Ejemplo
1
Se usó una capa de cañamazo 94 (véase la Fig. 9)
que comprendía un material hilado con autoencolado y no tejido,
producido de manera conocida a partir de fibras pegadas térmicamente
de modo múltiple y dispuestas aleatoriamente. El peso base de este
material hilado con autoencolado y no tejido era de 10 g/m^{2}. La
banda hilada con autoencolado se combinó con un material no tejido
del material filtrante electreto que consistía en fibras
dieléctricas fibriladas o divididas y cargadas electrostáticamente
cuyas dimensiones típicas eran de 10 por 40 micrómetros en una
vista lateral. El peso base de este material no tejido era de unos
30 g/m^{2}. Como materiales de esta capa filtrante electreta se
usaron productos distribuidos bajo la denominación 3M
Filtrete^{TM} de Minnesota, Mining and Manufacturing Company. Las
dos capas, la capa de cañamazo con un peso base de 10 g/m^{2} y
la capa filtrante electreta con un peso base de 30 g/m^{2}, se
unieron después ultrasónicamente usando un proceso como el mostrado
en la Fig. 8 y utilizando un equipo como el descrito en la presente
memoria, con un tambor giratorio de las dimensiones dadas
anteriormente según las Figs. 3 y 4, con las zonas superiores 38 de
las bandas 32 de 0,81 x 0,81 mm y una separación entre dos salientes
adyacentes 38 de 6,9 mm y una distancia entre 2 filas adyacentes de
4,83 mm. Esto produjo una parte de área unida ultrasónicamente de la
banda filtrante del 1,5% del área total del tambor giratorio, que
correspondía aproximadamente al 2% del área de la banda, debido al
hecho de que la parte de fibras unidas ultrasónicamente es
ligeramente mayor en área que la parte del tambor giratorio. El
número de puntos por cm^{2} es aproximadamente 2,3. El material
laminar del medio filtrante y del cañamazo, pegado de este modo, se
adhirió a una malla termoplástica o estructura reticular de
soporte. Esta malla consiste en fibras que tienen un diámetro de
unos 0,45 mm. Las aberturas de la estructura de soporte tienen
forma de rombo y un tamaño de unos 3,6 x 4,1 mm. El espesor de la
estructura de soporte es de unos 0,85 mm. Las fibras consisten en
polipropileno u otros polímeros. La malla o estructura reticular de
soporte se adhirió al material laminar del medio filtrante y el
cañamazo utilizando adhesivos empleados convencionalmente. Después
se plegó la estructura así obtenida y se formó un filtro con un
altura de pliegues de 25 mm, una separación de pliegues de 9,4 mm y
unas dimensiones totales del filtro de 290 x 100 mm, resultando 31
pliegues. A continuación se montó apropiadamente esta construcción
en un armazón mediante encolado o moldeo por inserción.
Ejemplo
2
Este Ejemplo sólo difiere del Ejemplo 1 en el
peso básico del medio filtrante electreto no tejido, que se eligió
que fuese de 40 g/m^{2} para que junto con el del cañamazo de 10
g/m^{2} se obtuviese un peso básico total de 50 g/m^{2}.
Ejemplo
3
El Ejemplo 3 es similar al Ejemplo 2 salvo que
además de una capa de cañamazo, también se soldó a la banda
ultrasónicamente una malla que tenía un peso de 50 g/m^{2}. Esta
configuración se unió ultrasónicamente según el proceso ilustrado
en la Fig. 9.
Ejemplo
4
El Ejemplo 4 difiere del Ejemplo 3 por el hecho
de que se omitió el cañamazo. El peso básico de la banda se eligió
que fuese de 50 g/m^{2}, la malla era como se ha descrito
anteriormente y el tratamiento ultrasónico se hizo como se describe
en la Fig. 8.
Ejemplo
comparativo
Se creó mayor número de Ejemplos Comparativos de
la misma manera que respecto a los Ejemplos 1-4,
difiriendo esencialmente en que se usó un proceso de punzonado con
agujas en lugar del pegado ultrasónico. Como muestras comparativas
se eligieron las que mostraban la misma caída de presión que los
Ejemplos 1-4. Por consiguiente, se compararon
filtros que tenían esencialmente el mismo rendimiento inicial.
Con los filtros de muestra anteriormente
descritos se realizaron mediciones comparativas.
Se midió la eficiencia según la norma de ensayos
DIN 71 460, parte 1.
La medición de la eficiencia se llevó a cabo
como sigue: según el apartado \NAK4.4 de DIN 71 460 se introdujo
un polvo de ensayo "grueso" según DIN ISO 5011. Se midió este
polvo con un contador de partículas antes y después de su entrada a
través del filtro a ensayar. Los contadores de partículas tienen la
capacidad de determinar partículas de distintos tamaños de
partícula que varían entre 0,5 y 15 micrómetros al menos. La
relación dentro de este intervalo de partículas es la eficiencia en
porcentaje. Se tuvo en cuenta todo lo estipulado según DIN 71 460,
\NAK1-4.4.2. Es particularmente importante que los
filtros a ensayar sean idénticos en cuanto a su tamaño y su
configuración a lo establecido anteriormente para los diversos
ejemplos.
Los resultados pueden tomarse de la Fig. 12. Se
muestran los Ejemplos 1, 2 y 4 comparados con el Ejemplo
Comparativo. Puede verse que para el intervalo ensayado de tamaños
de partícula comprendido entre 0,1 y 10 micrómetros la eficiencia
aumenta en unos 10 puntos porcentuales.
Además se determinó el polvo capturado en los 4
ejemplos en comparación con el ejemplo de referencia. También en
este caso, los ensayos se llevaron a cabo siguiendo la norma de
ensayos DIN 71 460 parte 1.
La determinación del polvo capturado se realizó
como sigue: se tuvo en cuenta todo lo estipulado en la norma DIN 71
460, parte 1, que era relevante para la determinación del polvo
capturado, especialmente el apartado \NAK6.3. La medición se
efectuó desde una caída inicial de presión, hasta que la caída de
presión aumentó hasta un nivel de 25, 50, 75 y 100 Pa
respectivamente. Se pesaron los filtros antes y después del ensayo.
En este caso específico se tuvieron en cuenta las relaciones entre
los Ejemplos 1-4 y el Ejemplo Comparativo y se
determinó el porcentaje de aumento del polvo capturado con respecto
al Ejemplo Comparativo. Para el peso también se aplicó la norma DIN
ISO 5011.
Los resultados se enumeran en la Tabla 1, los
cuales muestran la carga adicional comparada con el tipo de agujas
del Ejemplo Comparativo. Las distintas etapas son las resultantes de
un aumento de la caída de presión de 25, 50, 75 y 100 Pa
respectivamente. Puede verse que la mejora más significativa se
obtuvo con el Ejemplo 4, el cual no incluía capa de cañamazo.
Claims (13)
1. Un medio filtrante electreto no tejido, que
comprende una banda filtrante no tejida de fibras fibriladas y
cargadas electrostáticamente, unidas entre sí ultrasónicamente en
una pluralidad de puntos distribuidos a través de dicha banda
filtrante no tejida, siendo la superficie total ocupada por dichos
puntos menor del 5% de la superficie de dicha banda filtrante no
tejida y siendo al menos 2 el número de puntos por centímetro
cuadrado.
2. Un medio filtrante electreto no tejido según
la reivindicación 1, en el que el número de puntos por centímetro
cuadrado es al menos 8.
3. Un medio filtrante electreto no tejido según
la reivindicación 1, en el que la superficie total ocupada por
dichos puntos está entre el 0,2% y el 2% de la superficie total de
dicha banda filtrante no tejida.
4. Un medio filtrante electreto no tejido según
la reivindicación 1, en el que el tamaño de cada uno de dichos
puntos no es mayor de 10^{-2} cm^{2}.
5. Un medio filtrante electreto no tejido según
la reivindicación 1, en el que dicho medio filtrante además incluye
una capa de cañamazo que está pegada ultrasónicamente en dichos
puntos a dicha banda filtrante no tejida.
6. Un medio filtrante electreto no tejido según
la reivindicación 1, en el que dicho medio filtrante además incluye
una malla que está pegada ultrasónicamente en dichos puntos a dicha
banda filtrante no tejida.
7. Un medio filtrante electreto no tejido según
la reivindicación 1, en el que dicho medio filtrante además
comprende una capa de fibras fundidas y sopladas y no tejidas que
está pegada ultrasónicamente en dichos puntos a dicha banda
filtrante no tejida.
8. Un medio filtrante electreto no tejido según
la reivindicación 1, que tiene una anchura y una longitud de 30 cm
o más cada una.
9. Un método de fabricación de un medio
filtrante electreto no tejido, que comprende las etapas de:
- (a)
- cargar electrostáticamente una película polimérica;
- (b)
- fibrilar una película cargada electrostáticamente así obtenida, formando fibras fibriladas y cargadas electrostáticamente;
- (c)
- formar con las fibras dieléctricas fibriladas y cargadas electrostáticamente una banda filtrante no tejida;
- (d)
- consolidar dicha banda filtrante no tejida uniendo entre sí ultrasónicamente dichas fibras fibriladas dieléctricas en una pluralidad de puntos distribuidos a través de dicha banda filtrante no tejida, de modo que la superficie total ocupada por dichos puntos sea menos del 5% de la superficie de dicha banda filtrante no tejida y el número de puntos por centímetro cuadrado sea al menos 2.
10. Un método según la reivindicación 9, en el
que dicho método incluye la etapa de transportar a través de una
estación de soldadura ultrasónica la banda filtrante no tejida,
comprendiendo dicha estación de soldadura ultrasónica dos o más
dispositivos ultrasónicos que están colocados unos al lado de otros
en la dirección perpendicular a la dirección en la que se
transporta la banda filtrante no tejida, siendo transportada dicha
banda filtrante no tejida a través de un interespacio existente
entre una unidad vibratoria ultrasónica y una herramienta conjugada
de los dispositivos ultrasónicos y controlándose de modo
independiente entre sí el tamaño de dicho interespacio de cada uno
de dichos dos o más dispositivos ultrasónicos.
11. Un método según la reivindicación 10, en el
que dicha herramienta conjugada es un tambor giratorio que tiene
una superficie con un patrón para producir un patrón deseado de
dichos puntos en dicha banda filtrante no tejida.
12. Un método según la reivindicación 9, en el
que dicha banda filtrante no tejida se forma sobre una capa de
cañamazo y, mientras se unen entre sí en dichos puntos dichas fibras
fibriladas dieléctricas, dicha capa de banda no tejida también se
une en dichos puntos a dicha capa de cañamazo.
13. Un método según la reivindicación 9, en el
que simultáneamente con la unión ultrasónica de dichas fibras
fibriladas dieléctricas se une una malla a dicha banda filtrante no
tejida.
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