WO2007068408A1 - Filterbeutel für einen staubsauger sowie dessen verwendung - Google Patents

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WO2007068408A1
WO2007068408A1 PCT/EP2006/011842 EP2006011842W WO2007068408A1 WO 2007068408 A1 WO2007068408 A1 WO 2007068408A1 EP 2006011842 W EP2006011842 W EP 2006011842W WO 2007068408 A1 WO2007068408 A1 WO 2007068408A1
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filter
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Jan Schultink
Ralf Sauer
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    • Y10S55/02—Vacuum cleaner bags

Definitions

  • the present invention relates to a filter bag for a vacuum cleaner comprising at least three layers, wherein at least two layers, which consist of at least one nonwoven fabric layer and a nonwoven fabric layer, are connected by a welded connection, wherein a high bulk is set by the small number of welded joints per surface.
  • the invention further relates to the use of such a filter bag.
  • EP 0 960 645 B1 describes combinations of nonwovens which have a particularly long service life and dust removal capability.
  • EP 1 362 627 A1 describes filter bags with a multilayer structure in which the fiber diameter distributions in the coarse dust filter layer and in the fine dust filter layer have gradients.
  • EP 1 254 693 A2 describes a vacuum cleaner bag in which a prefilter layer made of a dry-laid, electrostatically active nonwoven fabric is present in front of a filter layer.
  • EP 1 197 252 A1 describes a filter medium made of a film-fiber nonwoven fabric which consists of dry-laid, electrostatically charged, fibrillated fibers which are joined together by ultrasonic welding.
  • a filter medium made of a film-fiber nonwoven fabric which consists of dry-laid, electrostatically charged, fibrillated fibers which are joined together by ultrasonic welding.
  • the production rate is higher compared to the needling of the batt with a scrim and the drag of the scrim can be avoided.
  • the film fiber nonwoven fabric can still be connected to further nonwoven fabric layers.
  • EP 1 197 252 A1 is above all that the dust feed this material is insufficient for use as a filter medium for vacuum cleaner bags.
  • the object of the present invention to provide a filter bag whose filter material compared to those described in the prior art, has a particularly low bulk density, in order to achieve a superior dust storage capacity.
  • the filter bag should continue to have a structure in which the
  • Vacuum cleaner with a filter material proposed which is characterized in particular in that it has a structure of at least three layers, wherein at least two layers, which consist of at least one nonwoven web and at least one nonwoven fabric layer are connected by welded joints, wherein in the welded joints with as little as possible Welded connections based on the entire flow-through surface of the filter bag, is worked.
  • this is achieved by virtue of the fact that, based on the total flow-through surface of the filter bag, an average of at most 19 welded joints per 10 cm 2 are present, preferably a maximum of 10 welded joints and particularly preferably a maximum of 5 welded joints.
  • the pressing surface portion of the weld pattern is at most 5%, preferably at most 2% and particularly preferably at most 1% of the area of the filter bag which can be flowed through.
  • the filter bag has the additional feature that the average total porosity is at least 65%, preferably at least 80%, very particularly preferably at least 95%.
  • the average median pore diameter (average median pore diameter) is at least 120 ⁇ m, more preferably at least 150 ⁇ m, more preferably at least 180 ⁇ m and most preferably at least 200 ⁇ m.
  • the measuring method for determining the average total porosity or the average median pore diameter according to the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 15 to 17.
  • the thickness and bulk (bulk) of the material is significantly increased for the same surface-related mass. Due to the low density (bulk density) of the composite, the material has a high dust storage capacity.
  • the present invention is not subject to any restrictions, provided that a maximum of 19 welds per 10 cm 2 , based on the flow-through surface of the filter bag, are present.
  • the welded joints can basically be distributed uniformly over the entire area, ie at equal intervals, or else also uneven.
  • the invention thus also includes embodiments in which welded joints are present only in certain areas in a higher number and in which then larger open areas, which are then separated by an increased number of welded joints from a next larger free area.
  • the essential criterion is always that the specified in claim 1 maximum number of welded joints is not exceeded.
  • the welded joints themselves can be designed in different geometries.
  • the nonwoven fabric layer of the invention which is present in a composite with the nonwoven fabric comprises all staple fibers and / or filaments known per se in the prior art.
  • Staple fibers in the sense of the invention are also understood to mean fibrillated film fibers (split fibers) and crimp fibers, the staple fibers in the sense of the invention may also be preferably charged electrostatically.
  • Crimpfasern especially those have proved to be favorable, which have a spatial structure, such as a zigzag, wave and / or spiral structure.
  • the advantage of such fibers is that they make the bulkiness of the medium even clearer can increase.
  • the crimping fiber can be a mechanically crimped, an autocrimping fiber and / or a bicomponent crimping fiber.
  • Autocrine fibers are e.g. in EP patent 0 854 943 and in PCT / GB 00/02998.
  • Bicomponent crimp fibers may be e.g. from Chisso Corporation in Japan and spiral type crimped polyester staple fibers from Gepeco in USA.
  • Staple fibers selected from natural fibers and / or man-made fibers may be used in the invention.
  • chemical fibers are, in particular, polyolefins and polyesters.
  • natural fibers are cellulose, wood fibers, kapok, flax.
  • the nonwoven fabric layer of the invention consists of loosely deposited fibers or filaments.
  • the methods for depositing are known from the prior art of nonwovens.
  • the main process stages are raw material processing -> web formation -> web bonding -> nonwoven finishing.
  • the loose, unbonded fiber web produced during web formation becomes part of it
  • Nonwoven fabrics web
  • the nonwoven fabric is formed from the nonwoven fabric and has sufficient strength to be wound into rolls, for example. This latter step thus does not occur in the production of the nonwoven fabric layer according to the invention, instead the nonwoven fabric is bonded to a nonwoven fabric layer.
  • the filter bag according to the invention is subject in terms of the arrangement of the layers and the number of layers in so far no restrictions with the proviso that in each case at least two layers of a nonwoven fabric layer and at least one nonwoven fabric layer, said two layers by a welded joint, preferably by an ultrasonic welded joint, as described above, are interconnected throughout.
  • the nonwoven fabric layer of the above-described composite is preferably a support or carrier layer and has a surface-related mass of at least 5 g / m 2 .
  • a scrim is favorably used.
  • a scrim is understood to mean any air-permeable material that can serve as a carrier or reinforcing layer. It may be a nonwoven fabric, a woven material or a netting.
  • the nonwoven fabric layer is made of a thermoplastic polymer to simplify the weldability with the nonwoven fabric layer.
  • scrims are spunbonded nonwovens. But it can also be dry or wet laid nonwoven fabrics, which have a sufficient mechanical stability.
  • the surface-related dimensions of such a nonwoven fabric according to the present invention is preferably between 10 and 200 g / m 2 , more preferably between 20 and 100 g / m 2 .
  • the basis weight in g / m 2 was determined according to DIN EN 29073-1.
  • the basis weight of the nonwoven fabric layer it should be mentioned that this has been determined indirectly via the composite of the nonwoven fabric layer and the nonwoven fabric layer, since it is not possible to determine the basis weight of the nonwoven fabric layer solely because of its loose structure. Therefore, the determination was made by a subtraction procedure, ie it was the area-related mass of the entire composite, ie the composite of the Nonwoven fabric and the nonwoven fabric layer, determined and then deducted the area-related mass of Vliesstoffläge, which can be determined separately, again.
  • the thickness of the composite of the nonwoven fabric layer and the nonwoven fabric layer described above is between 1 and 7 mm, preferably between 2 and 4 mm.
  • the thickness was determined according to EDANA 30.5-99 point 4.2.
  • the device used was a VDM 01, available from Karl Schröder KG in Weinheim. Since the measurements according to methods 4.1, 4.2 or 4.3 gave very different results, the measurements of the inventive composites, i. Composites, in principle carried out according to method 4.2.
  • the filter bag according to the invention can of course, as described above, in addition to the composite of the nonwoven fabric layer and the nonwoven fabric layer have further layers.
  • a filter bag according to the invention may be constructed from three layers, in which case the nonwoven layer is then sandwiched between two nonwoven fabric layers, which then act as a support or carrier layer.
  • the filter bag according to the invention can furthermore have, as required, still further fine filter layers with different filter properties.
  • Fine filter spunbond layers are used here as fine filter layers.
  • Fine-filter spunbonded layers according to the invention are corresponding layers which are suitable for depositing fine particles.
  • melt-blown spunbonding process meltblowing process
  • spunbonding process flash spinning process
  • electrostatic spunbonding process electrostatic spunbonding
  • the filter bag according to the invention is preferably characterized by a continuous ultrasonic welding connection through all layers, i. by the nonwoven fabric layer and the nonwoven fabric layer and the other layers, connected to each other.
  • the filter bag according to the invention also includes embodiments in which only welded joints of the nonwoven fabric layer with the nonwoven fabric layer are present and the further layers are either by gluing or by another
  • the invention also includes embodiments, e.g. in the form of a three-layer structure, in which case the further layer only comes to lie loosely on the composite on the nonwoven layer and the nonwoven fabric layer and only one edge-side connection is carried out.
  • the filter bag according to the invention is particularly suitable as a dust filter bag.
  • FIGS. 1 to 9 show a schematic detail of how the filter material of the filter bag according to the invention can be constructed.
  • FIG. 1 shows a two-layer structure of a layer 1 in the form of a nonwoven fabric layer, which is shown in FIG. 1
  • FIG 1 is a scrim. This Scrimlage 1 is through Ultrasonic welds connected to a Faservlies- läge 2. In Figure 1, the further required according to the invention position is not shown.
  • the structure of the structure of the embodiment shown in Figure 2 corresponds substantially to that of Figure 1, but with an additional layer of a fine filter medium 3, which here represents the third layer.
  • the preferred inflow side is indicated by arrows.
  • the fine filter layer 3 consists, e.g. from a melt-blown fleece.
  • FIG. 3 again shows a further example, starting from FIG. 2, with an additional protective layer 4, which is arranged downstream.
  • This protective layer 4 may be a scrim, preferably a spunbonded nonwoven.
  • the embodiment shown in FIG. 4 is composed of a layer of a nonwoven fabric 1 with a nonwoven fabric layer 2 fastened thereto by welding, as described above, wherein a layer of protective nonwoven fabric 4 is additionally connected upstream on the upstream side.
  • the nonwoven fabric 1 here is in particular a melt-blown nonwoven fabric.
  • FIG. 5 differs from FIG. 4 by an additional microfiber nonwoven fabric layer 3 arranged downstream.
  • FIG. 6 shows a laminate of two layers of nonwoven fabric 1 which are joined together by ultrasonic welding points and between which the nonwoven fabric layer 2 is located.
  • FIG. 8 shows an embodiment of the structure according to the invention, which starts from FIG. 7, but here now with a layer of a filter medium 3 arranged downstream.
  • FIG. 9 shows a structure starting from FIG. 8 with an additional layer 4 downstream.
  • the respective structures are described only schematically in the lamination sequence.
  • the structures described above are then preferably interconnected by ultrasonic welding.
  • Tables 1 to 11 now summarize the measurement results achieved by means of the embodiments of FIGS. 1, 3 and 4 described above in comparison to an embodiment according to EP 1 197 252 A1 , In the examples of Figures 1, 3 and 4, a composite was used, the 0.2
  • FIG. 13a shows in the form of a 3D graphic how the small number of welding spots affects the structure of the material.
  • a material is shown in Figure 13a, as it corresponds to the structure of Figure 7, i. it is a material that consists of a fiber-fleece layer that lies between two layers
  • FIG. 13a clearly shows the pillow-like configuration leading to the high bulkiness as described above.
  • 100% polypropylene split fibers were used as the nonwoven fabric layer.
  • the spunbonded nonwoven is also made of polypropylene.
  • the structure of the filter medium shown in FIG. 13b corresponds analogously to what has already been described in FIG. 13a, but with the difference that there are 2.5 weld points per cm 2 . This makes it clear that a significant advantage in terms of the bulkiness of the material is achieved by the inventive design in the form of a low number of welded joints.
  • FIG. 14 the embodiment according to the invention leads to a significant increase in the dust storage capacity compared with the filter media, as described in the prior art, which have 2.5 welding points per cm 2 .
  • the measurement results shown in FIG. 14 were carried out as follows: Vacuum cleaner used:
  • Test procedure The dust bag to be tested is installed in the device after the device has warmed up for 10 minutes.
  • the volume flow without dust load is after 1 min. Read the running time of the device. Then the first portion of 50 g of dust is sucked in within 30 seconds. After 1 min. the actual volume flow (in m 3 / h) is read off. This step is repeated for the following dust additions until 400 g of dust has been added.
  • FIG. 15 schematically illustrates the measuring principle for determining the average total porosity and the median pore diameter.
  • Figure 16 shows a device used in determining the average total porosity and pore diameter median.
  • Table 9 shows the measured values with regard to the average total porosity and the median of the pore diameter.
  • the measured values were determined according to the method given below.
  • the surface free energy of the wetting liquid 20 / sample 12 system is less than the free surface energy of the system air / sample 12, the pores of a sample spontaneously fill up with wetting liquid 20.
  • the wetting liquid 20 can be removed from the pores by increasing of the differential pressure 22 of an inert gas 18 to the sample 12 are removed. It has been shown that the required differential pressure 22 to displace the wetting liquid 20 from a pore is determined by the size of the pore (Akshaya Jena, Krishna
  • Equation 1 The correlation between the differential pressure 22 of the inert gas 18 and the pore size is determined by Equation 1 is reproduced,
  • p is the differential pressure 22 of an inert gas to the sample
  • Y is the surface tension of the wetting liquid 20
  • ⁇ is the contact angle of the wetting liquid 20 on the pore surface
  • D is the pore diameter whose definition for an irregular cross section is represented by the following equation (2).
  • the sample 12 When the sample 12 is applied to a membrane 25 and the pores of the sample 12 and the membrane 25 are filled with a wetting liquid 20, the Application of a pressure 23 on the sample 12 to a displacement 23 of the liquid from the pores of the sample 12 and to a flow 24 of the liquid 20 through the membrane 25. If the largest pore of the membrane 25 smaller than the smallest pore of interest Sample 12 is, while the liquid 20 is displaced from the pores of interest of the sample 12 and flow out of the membrane 25, however, the pressure 22 will not be sufficient to remove the liquid 20 completely from the pores of the membrane 25, the Gas will not be able to escape through the liquid-filled pores of the membrane 25. Thus, the diameter or the volume of the pores can be determined via the differential pressure 22 and the outflow volume of the liquid 20 (A.
  • the PMI liquid extrusion porosimeter 5 (FIG. 16) is based on the liquid extrusion methodology.
  • the sample chamber 6 of the porosimeter 5 consists of a cylindrical PVC container whose diameter is 45 mm and whose depth is 45 mm.
  • a relatively marmaschiges, open, made of stainless steel wire net 7 rests on a bar at the bottom of the sample chamber 6.
  • Below the net 7, the sample chamber 6 is up to a flexible tube 8 having a diameter of a few mm in diameter and having the underside of a cylindrical acrylic vessel 9, its diameter 40 mm and its depth 40 mm, connected.
  • the vessel 9 and its cover 10 are mounted on a balance 11 (manufacturer: Mettler, weight resolution 0.0001 g).
  • a cylindrical insert 13 (40 mm diameter, 40 mm height) is placed on the sample 12 within the sample chamber 6.
  • the upper side of the insert 13 has a notch for an O-ring 14.
  • a pneumatically operated device 15 having a piston 16 guided in a cylinder is mounted on the sample chamber 6.
  • the piston 16 is hollow to ensure a flow of the test gas 18 into the sample chamber 6.
  • a flat stainless steel disk 17 welded to the underside of the piston 16 presses the insert 13 against the O-ring 14 on top of the insert 13 to prevent test gas 18 from escaping. Control of the piston 16 occurs pneumatic. In this case, a separate feed of the test gas 18 and the gas 19 for operating the piston 16 takes place.
  • the wetting liquid used was Galwick, a perfluorinated polymer (oxidized and polymerized 1, 1, 2, 3, 3, 3, hexafluoropropene).
  • the liquid is inert, the surface tension is 16 dynes / cm. Because of the very low surface tension of the test fluid, the contact angle is close to 0 ° (Vibhor Gupta and AK Jena, "Substitution of Alcohol in Porometers for Bubble Point Determination", Advances in Filtration and Separation Technology, American Filtration and Separation Society, 1999, 13b, pp. 833-844). 4.
  • test execution, data acquisition and data reduction were carried out fully automated by using a computer and suitable software.
  • the execution of the test procedure after loading the sample chamber 6 with a sample 12 was carried out automatically, so that accurate and reproducible results could be obtained.
  • the sample chamber 6, the vessel 9 on the scale 11, the net 7 at the bottom of the sample chamber 6 and the insert 13 were cleaned with alcohol to remove impurities.
  • the o-rings 14 were also cleaned and greased.
  • a millipore membrane 25 having a maximum pore diameter of 0.45 ⁇ m was applied to the mesh 7. It is important to ensure that the membrane 25 is undamaged, ie no defects, cracks or other damage, as this may otherwise lead to falsifications of the measurement result.
  • Now wetting liquid 20 was added to the vessel 9, which via the tube 8 in the Probenkam- mer 6 flows. In this case, so much wetting liquid 20 was added that a liquid level in the sample chamber 6 is reached, so that the liquid 20 just completely covers the net 7. This ensures complete wetting of the membrane. After a certain time, a constancy of the display of the scale 11 turned on, whereby the achievement of a steady state could be detected.
  • Filter bags made from a filter bag material consisting of a composite of a fiber fleece layer enclosed between two nonwoven fabric layers were used for the measurement.
  • the nonwoven layers are made of polypropylene fibers.
  • the non-woven fabric layer consists of polypropylene staple fibers (split fibers with 60 mm length).
  • the filter material is connected by punctiform welds, which are introduced by means of ultrasonic welding. Three samples were tested with a different number of spot welds, namely 16, 70 and 95, each related to 100 cm 2 , evenly distributed over the surface. Circular samples 12 of 45 mm in diameter were then punched out of the filter bags. The samples 12 were weighed and the thickness determined according to EDANA 30.5-99 point 4.2 (see p.
  • the density P b was calculated. This bulk density corresponds to that of the dry sample.
  • the topsheet of Sample 12 was scored with a knife (Stanley knife). Each cut was 10 mm long and 1 mm wide. To a reasonable
  • samples 12 examined with a different number of cuts. Based on the results obtained with these samples 12, it was found that five sections per sample 12 are appropriate; Thus, all studies were performed with five sections per sample 12.
  • the arrangement of the five cuts was made in analogy to the arrangement of the points at a five on a cube.
  • the sample was placed in a vessel containing wetting liquid 20. At this time, the sample 12 absorbed the wetting liquid 20 and showed a tendency to swell. Care was taken not to immerse the sample 12 completely in the liquid 20 in order to avoid air bubbles in the sample 12.
  • the wetted sample 12 was subsequently applied to the membrane 25 within the sample chamber 6.
  • the O-ring 14 was applied to the sample 12 and the insert 13 to the O-ring 14.
  • sample 12 All information relating to sample 12, including the identification number, was stored in a computer. The units as well as the various functions to be measured have also been entered. Subsequently, the test was carried out.
  • the piston 16 was lowered computer controlled to press the insert 13 on the O-ring 14. To prevent leakage, a predetermined pressure was applied to the O-ring 14. The balance 11 was tared. Following was the test gas 18 slowly introduced through the piston 16 to the surface of the sample 12. The gas pressure 22 was computer-controlled, increased in small increments, thus an adjustment of a balance of the system was achieved before recording the data.
  • the computer stored the data of the pressure and weight change of the liquid by means of the balance 11. The results were also plotted to track the progress of the test. To obtain the results at the end of the test, the data was printed in various ways.
  • the measuring device 5 recorded the increase in the weight of the wetting liquid 20 displaced from the sample 12 via the scale 11 and converted the weight of the liquid 20 into the corresponding volume via the density. This result represents the cumulative pore volume. Also, from the gas pressure of the test gas 18 determined by the measuring device 5, which was used to displace the wetting liquid 20 from the pores of the sample 12, the pore diameter was calculated. Thus, the cumulative pore volume could be recorded as a function of the pore diameter.
  • the porosity P (in%) was calculated from the bulk density, p b and the total pore volume V according to equation (3).
  • the median of the pore diameter is defined so that 50% of the total pore volume is due to pores larger when the mean pore and 50% of the total pore volume are derived from pores smaller than the mean pore.
  • the arithmetic mean of several measurements of the samples used is given in Table 9 ( Figure 17).
  • Table 9 the filter material of the bag according to the invention has an extremely high average total porosity of up to 96.8%. As the number of welded joints increases, the total porosity then decreases to a value of 67.4%. Accordingly, the average meridian of the pore diameter decreases from 201.8 ⁇ m to 129.1 ⁇ m. As the results show, the filter bags according to the invention have an extremely high porosity, which ultimately leads to an above-average dust storage capacity.
  • the pore diameter and the pore volume of a sample are calculated from the measured gas pressure required to displace the wetting liquid from the pores and the measured volume of the displaced liquid from the pores.
  • the pores in the top and bottom nonwoven layers (spunbond layers) of the sample are much smaller than the pores of the fibrous web layer in the center layer. It can be seen from Equation 1 that the gas pressure needed to cause a liquid from the top and bottom applied layers must be much higher than that needed for the nonwoven layer.
  • the high pressure needed to displacing the liquid from the small pores of the top-applied spunbond layer will also displace liquid from the larger pores of the middle nonwoven layer; thus, the diameter of the small pores of the above-applied spunbond layer is measured as the diameter of the pores in the nonwoven fabric layer as the middle layer.
  • the determined pore volume will be close to the pore volume of the middle layer because the volume of the small pores in the very thin top and bottom layers
  • the test procedure used in this study also involves applying several cuts to the topsheet. Through the cuts large openings were inserted into the upper layer so that the test gas could pass through the small pores of the upper layer. There was no measurement of the diameter and the volume of the small pores in the upper layer. Thus, the displacement of the liquid from the middle layer occurred at low pressures that correlate with the large pores in the fibrous nonwoven layer.
  • the underlayer applied spunbond layer did not affect the test because the liquid that was displaced from the pores of the nonwoven layer by gas pressure simply flowed through the lower spunbond layer and thus the gas pressure was not suitable for displacing liquid from the underlayer. Thus, the diameter and volume of the pores in the nonwoven fabric layer were determined by this test.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Filterbeutel für einen Staubsauger umfassend mindestens drei Lagen, wobei mindestens zwei Lagen, die aus mindestens einer Vliesstofflage und einer Faservlieslage bestehen, durch eine Schweißverbindung verbunden sind, wobei durch die geringe Anzahl Schweißverbindungen pro Fläche eine hohe Bauschigkeit eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines derartigen Filterbeutels.

Description

Filterbeutel für einen Staubsauger sowie dessen
Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Filterbeutel für einen Staubsauger umfassend mindestens drei Lagen, wobei mindestens zwei Lagen, die aus mindestens einer Vliesstoffläge und einer Faservlieslage bestehen, durch eine Schweißverbindung verbunden sind, wobei durch die geringe Anzahl Schweißverbindungen pro Fläche eine hohe Bauschigkeit eingestellt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines derartigen Filterbeutels.
In den letzten Jahren sind zahlreiche Entwicklungen bekannt geworden, die sich damit beschäftigen, die seit langer Zeit im Stand der Technik bekannten ein- oder mehrlagigen Filtertüten aus Papier bzw. Papier und Tissue zu verbessern. Die DE 3 812 849 beschreibt Staubfilterbeutel mit einer Filterpapieraußenlage und einem innenliegenden schmelzgesponnenen Mikrofaser- Vliesstoff (Melt-Blown) . Eine mehrlagige Filtertüte aus Vliesstoffen (SMS) offenbaren beispielsweise US 4,589,894 und US 5,647,881. Diese Erfindungen beschäftigten sich hauptsächlich mit der Verbesserung der Staubabscheidung. In der EP 1 258 277 Bl und
EP 0 960 645 Bl sind Kombinationen von Vliesstoffen beschrieben, die eine besonders hohe Standzeit und Staubabscheidefähigkeit besitzen. Die EP 1 362 627 Al beschreibt Filtertüten mit einem mehrlagigen Aufbau, bei dem die Faserdurchmesserverteilungen in der Grobstaubfilterlage und in der Feinstaubfilterlage Gradienten aufweisen. In der EP 1 254 693 A2 wird ein Staubsaugerbeutel beschrieben, bei dem vor einer Filterschicht eine Vorfilterschicht aus einem trocken gelegten, elektrostatisch wirksamen Vliesstoff, vorhanden ist.
Weiterhin wird in der EP 1 197 252 Al ein Filtermedium aus einem Folienfaservliesstoff beschrieben, das aus trocken gelegten, elektrostatisch geladenen, fibrillierten Fasern besteht, die durch Ultraschallschweißen miteinander verbunden werden. Um eine ausreichende Festigkeit des Vliesstoffes zu erzielen, ist es wesentlich, dass mindestens zwei Ultraschall- schweißpunkte pro cm2 vorliegen. Dadurch wird erreicht, dass die einzelnen Fasern direkt miteinander durch Ultraschallschweißverbindungen verbunden sind. Als Vorteil eines solchen Filtermediums wird genannt, dass die Fertigungsgeschwindigkeit im Vergleich zum Vernadeln des Faserflors mit einem Scrim höher ist und der Luftwiderstand des Scrims vermieden werden kann. In der vorstehend erwähnten Anmeldung ist weiterhin noch vorgesehen, dass der Folienfaservliesstoff noch mit weiteren Vliesstofflagen verbunden werden kann. Nachteilig bei dem Filtermedium der
EP 1 197 252 Al ist vor allem, dass das Staubspei- chervermögen dieses Materials für die Anwendung als Filtermedium für Staubsaugerbeutel unzureichend ist.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Filterbeutel anzugeben, dessen Filtermaterial im Vergleich zu denen, die im Stand der Technik beschrieben sind, eine besonders geringe Rohdichte (bulk density) aufweist, um ein überlegenes Staubspeichervermögen zu erzielen. Der Filterbeutel soll weiterhin einen Aufbau aufweisen, bei dem die
Struktur und damit die verbundenen vorteilhaften Eigenschaften der unverfestigten Faserlage möglichst weitgehend erhalten bleiben.
Erfindungsgemäß wird ein Filterbeutel für einen
Staubsauger mit einem Filtermaterial vorgeschlagen, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass er einen Aufbau aus mindestens drei Lagen aufweist, wobei mindestens zwei Lagen, die aus mindestens einer Vliesstoffläge und mindestens einer Faservlieslage bestehen, durch Schweißverbindungen verbunden sind, wobei bei den Schweißverbindungen mit möglichst wenig Schweißverbindungen bezogen auf die gesamte durchströmbare Fläche des Filterbeutels, gearbeitet wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass, bezogen auf die gesamte durchströmbare Fläche des Filterbeutel, durchschnittlich maximal 19 Schweißverbindungen pro 10 cm2 vorhanden sind, bevorzugt maximal 10 Schweißverbindungen und besonders bevorzugt maximal 5 Schweißverbindungen. Der Pressflächenanteil des Schweißmusters beträgt dabei maximal 5 %, bevorzugt maximal 2 % und besonders bevorzugt maximal 1 % der durchströmbaren Fläche des Filterbeutels . In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Filterbeutel das zusätzliche Merkmal auf, dass die durchschnittliche Totalporosität (Average Total Poro- sity) mindestens 65 %, bevorzugt mindestens 80 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 95 % beträgt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt der durchschnittliche Median des Porendurchmessers (Average Median Pore Diameter) mindestens 120 μm, weiter bevorzugt mindestens 150 μm, weiter bevorzugt mindestens 180 μm und ganz besonders bevorzugt mindestens 200 μm.
Das Messverfahren zur Bestimmung der durchschnittIi- chen Totalporosität bzw. des durchschnittlichen Medi- ans des Porendurchmessers gemäß der vorliegenden Erfindung wird anhand der Figuren 15 bis 17 näher beschrieben.
Dadurch, dass nun eine geringe Anzahl von Schweißverbindungen, im Vergleich zum Filtermaterial nach der EP 1 197 252 Al, vorhanden ist, wird bei gleicher flächenbezogener Masse die Dicke und damit Bauschigkeit (bulk) des Materials deutlich erhöht. Durch die geringe Rohdichte (bulk density) des Verbundes weist das Material eine hohe Staubspeicherfähigkeit auf.
Bezüglich der Geometrie, d.h. der Verteilung der Schweißverbindungen auf der durchströmbaren Fläche des Filterbeutels, unterliegt die vorliegende Erfindung keinerlei Einschränkungen mit der Maßgabe, dass maximal 19 Schweißverbindungen pro 10 cm2, bezogen auf die durchströmbare Fläche des Filterbeutels, vorhanden sind. Die Schweißverbindungen können dabei grundsätzlich gleichmäßig, d.h. in gleichen Abständen, über die gesamte Fläche verteilt sein, oder aber auch ungleichmäßig. Die Erfindung umfasst damit auch Ausführungsformen, bei denen Schweißverbindungen lediglich in bestimmten Bereichen in einer höheren Anzahl vorhanden sind und bei denen dann größere freie Flächen entstehen, die dann wieder durch eine erhöhte Anzahl von Schweißverbindungen von einer nächsten größeren freien Fläche getrennt sind. Wesentliches Kriterium ist jeweils immer, dass die in Anspruch 1 angegebene maximale Zahl von Schweißverbindungen nicht überschritten wird. Die Schweißverbindungen selbst können dabei in unterschiedlichen Geometrien ausgebildet sein. So können punktförmige, linienför- mige, sternförmige oder auch balkenförmige Schweißverbindungen eingesetzt werden. In Bezug auf die ge- naue Ausgestaltung der Schweißverbindungen ist neben der Anzahl der Schweißverbindungen als limitierendes Kriterium lediglich noch der Pressflächenanteil des Schweißmusters zu beachten, der, wie bereits eingangs ausgeführt, maximal 5 %, bevorzugt maximal 2 % und besonders bevorzugt lediglich maximal 1 % beträgt.
Aus stofflicher Sicht umfasst die Faservlieslage der Erfindung, die mit der Vliesstoffläge in einem Verbund vorliegt, alle an und für sich im Stand der Technik bekannten Stapelfasern und/oder Filamente.
Unter Stapelfasern im Sinne der Erfindung werden auch fibrillierte Folienfasern (Splitfasern) und Crimpfa- sern verstanden, die Stapelfasern im Sinne der Erfindung können dabei auch bevorzugt elektrostatisch ge- laden sein.
Als Crimpfasern haben sich besonders diejenigen als günstig erwiesen, die eine räumliche Struktur aufweisen, wie z.B. eine Zickzack-, Wellen- und/oder eine Spiralstruktur. Der Vorteil derartiger Fasern ist, dass sie die Bauschigkeit des Mediums noch deutlich erhöhen können.
Die Crimpfaser kann dabei eine mechanisch gecrimpte, eine Autocrimpfaser und/oder eine Bikomponenten- crimpfaser sein. Autocrimpfasern sind z.B. in dem EP- Patent 0 854 943 sowie in der PCT/GB 00/02998 beschrieben. Bikomponentencrimpfasern können z.B. über Chisso Corporation in Japan und gecrimpte Polyester- Stapelfasern vom Spiraltyp bei Gepeco in USA bezogen werden.
Bei der Erfindung können Stapelfasern eingesetzt werden, die aus Naturfasern und/oder Chemiefasern ausgewählt sind. Beispiele für Chemiefasern sind insbeson- dere Polyolefine und Polyester. Beispiele für Naturfasern sind Cellulose, Holzfasern, Kapok, Flachs.
Die Faservlieslage der Erfindung besteht dabei aus lose abgelegten Fasern bzw. Filamenten. Die Verfahren zum Ablegen sind aus dem Stand der Technik der Vliesstoffe bekannt. Bei der Vliesstoffherstellung werden dabei die Hauptprozessstufen Rohstoffaufbereitung -> Vliesbildung -> Vliesverfestigung -> Vliesstoffver- edelung durchlaufen. Der bei der Vliesbildung erzeug- te, lockere, noch ungebundene Faserflor wird dabei
Faservlies (web) genannt (siehe Vliesstoffe, W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, Wiley-VCH, 2000) . Durch den Vliesbindeschritt entsteht aus dem Faservlies der Vliesstoff, der eine ausreichende Festig- keit aufweist, um z.B. zu Rollen aufgewickelt zu werden. Dieser letztgenannte Schritt erfolgt somit bei der Herstellung der Faservlieslage nach der Erfindung nicht, stattdessen wird das Faservlies an eine Vliesstoffläge gebunden. Der Filterbeutel gemäß der Erfindung unterliegt in Bezug auf die Anordnung der Lagen und die Anzahl der Lagen in soweit keinen Einschränkungen mit der Maßgabe, dass jeweils mindestens zwei Lagen aus einer Vliesstoffläge und mindestens einer Faservlieslage bestehen, wobei diese zwei Lagen durch eine Schweißverbindung, bevorzugt durch eine Ultraschweißverbindung, wie vorstehend beschrieben, durchgängig miteinander verbunden sind. Die Vliesstoffläge des vorste- hend beschriebenen Verbundes ist dabei bevorzugt eine Stütz- bzw. Trägerlage und weist eine flächenbezogene Masse von mindestens 5 g/m2 auf. Als Vliesstoffläge selbst wird günstigerweise ein Scrim verwendet. Unter einem Scrim wird dabei jedes luftdurchlässige Materi- al verstanden, dass als Träger- oder Verstärkungs- schicht dienen kann. Es kann ein Vliesstoff, ein gewebtes Material oder ein Netting sein. Vorzugsweise besteht es aus einem thermoplastischen Polymer, um die Verschweißbarkeit mit der Faservlieslage zu ver- einfachen. Beispiele für Scrims sind Spinnvliese. Es können aber auch trocken oder nass gelegte Vliesstoffe sein, die eine ausreichende mechanische Stabilität besitzen. Die flächenbezogene Maße einer derartigen Vliesstoffläge liegt gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugt zwischen 10 und 200 g/m2, besonders bevorzugt zwischen 20 bis 100 g/m2. Die flächenbezogene Masse in g/m2 wurde dabei nach DIN EN 29073-1 bestimmt. In Bezug auf die flächenbezogene Masse der Faservlieslage ist zu erwähnen, dass diese indirekt über den Verbund aus der Vliesstoffläge und der Faservlieslage bestimmt worden ist, da die Bestimmung der flächenbezogenen Masse der Faservlieslage alleine aufgrund ihrer losen Struktur nicht möglich ist. Die Ermittlung erfolgte deshalb durch ein Subtraktions- verfahren, d.h. es wurde die flächenbezogene Masse des gesamten Verbundes, d.h. des Verbundes aus der Vliesstoffläge und der Faservlieslage, ermittelt und dann die flächenbezogene Masse der Vliesstoffläge, die sich getrennt ermitteln lässt, wieder abgezogen.
Die Dicke des vorstehend beschriebenen Verbundes aus der Vliesstoffläge und der Faservlieslage liegt zwischen 1 und 7 mm, bevorzugt zwischen 2 und 4 mm. Die Bestimmung der Dicke erfolgte dabei nach EDANA 30.5-99 Pkt. 4.2. Als Gerät wurde dabei ein VDM 01, zu beziehen bei der Karl Schröder KG in Weinheim, verwendet. Da die Messungen nach Verfahren 4.1, 4.2 oder 4.3 zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führten, wurden die Messungen der erfindungsgemäßen Verbünde, d.h. Komposite, prinzipiell nach Verfahren 4.2 durchgeführt.
Der erfindungsgemäße Filterbeutel kann selbstverständlich, wie vorstehend beschrieben, außer dem Verbund aus der Vliesstoffläge und der Faservlieslage weitere Lagen aufweisen. So kann ein erfindungsgemäßer Filterbeutel z.B. aus drei Lagen aufgebaut sein, wobei hier die Faservlieslage dann sandwichartig zwischen zwei Vliesstofflagen, die dann als Stütz- bzw. Trägerlage fungieren, eingeschlossen ist. Der Filter- beutel nach der Erfindung kann weiterhin wie nach den Anforderungen noch weitere Feinfilterlagen mit unterschiedlichen Filtereigenschaften aufweisen. Als Feinfilterlagen werden hierbei Feinfilter-Spinnvlieslagen verwendet. Feinfilter-Spinnvlieslagen im Sinne der Erfindung sind entsprechende Lagen, die geeignet sind, feine Partikel abzuscheiden. Gebräuchliche Feinfaser-Spinnvliesstoffe entstehen nach dem Schmelzblas-Spinnvliesverfahren (Meltblowing- process) , dem Verdampfungs-Spinnvliesverfahren (Flashspinning-process) oder dem Elektrostatic-Spinn- vliesverfahren (Electrostatic spunbonding) . Auf das Buch Vliesstoffe von W. Albrecht, H. Fuchs, W. Kittelmann, Wiley-VCH 2000, Kapitel 4, wird inhaltlich verwiesen. Im Sinne der Erfindung können Feinfilterlagen aber auch aus trocken gelegten Vliesstoffen aus elektrostatisch geladenen Fasern bestehen.
Der Filterbeutel nach der Erfindung ist dabei bevorzugt durch eine durchgängige Ultraschallschweißverbindung durch alle Lagen, d.h. durch die Vliesstoff- läge und die Faservlieslage sowie die weiteren Lagen, miteinander verbunden. Der Filterbeutel nach der Erfindung umfasst aber auch Ausführungsformen, bei denen lediglich Schweißverbindungen der Vliesstoffläge mit der Faservlieslage vorliegen und die weiteren La- gen entweder durch Kleben oder durch ein weiteres
Verbindungsverfahren mit dem Verbund aus der Vliesstoffläge und der Faservlieslage verbunden sind. Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, z.B. in Form eines dreilagigen Aufbaus, wobei dann die weite- re Lage lediglich lose auf dem Verbund auf der Faservlieslage und der Vliesstoffläge zu liegen kommt und nur eine randseitige Verbindung durchgeführt wird.
Der Filterbeutel nach der Erfindung ist insbesondere als Staubfilterbeutel geeignet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 14 näher erläutert.
Die Figuren 1 bis 9 zeigen schematisch ausschnittsweise, wie das Filtermaterial des erfindungsgemäßen Filterbeutels aufgebaut sein kann.
Figur 1 zeigt dabei einen zweilagigen Aufbau aus einer Lage 1 in Form einer Vliesstoffläge, die in der
Figur 1 ein Scrim ist. Diese Scrimlage 1 ist durch Ultraschallschweißverbindungen mit einer Faservlies- läge 2 verbunden. In Figur 1 ist die weitere gemäß der Erfindung geforderte Lage nicht abgebildet.
Die Struktur des Aufbaus der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der aus Figur 1, jedoch mit einer zusätzlichen Lage eines Feinfiltermediums 3, die hier die dritte Lage darstellt. Die bevorzugte Anströmseite ist durch Pfeile gekennzeichnet. Die Feinfilterlage 3 besteht dabei z.B. aus einem Melt-Blown-Vlies .
Figur 3 zeigt wiederum ein weiteres Beispiel, ausgehend von der Figur 2, mit einer zusätzlichen Schutz- läge 4, die hier abströmseitig angeordnet ist. Diese Schutzlage 4 kann ein Scrim sein, bevorzugt ein Spinnvlies.
Die Ausführungsform, die in der Figur 4 gezeigt ist, ist aus einer Lage eines Vliesstoffes 1 mit einer durch Verschweißung daran befestigten Faservlieslage 2, wie vorstehend beschrieben, verbunden, wobei hier noch zusätzlich anströmseitig eine Lage eines Schutz- vlieses 4 vorgeschaltet ist. Der Vliesstoff 1 ist hierbei insbesondere ein Melt-Blown-Vliesstoff .
Figur 5 unterscheidet sich von Figur 4 durch eine zusätzliche abströmseitig angeordnete Mikrofaservlies- stoffläge 3.
Das Beispiel der erfindungsgemäßen Struktur, die in der Figur 6 gezeigt ist, geht von dem Aufbau nach Figur 5 aus, weist jedoch dann hier abströmseitig eine zusätzliche Schutzlage 4 auf. Figur 7 zeigt nun ein Laminat aus 2 Lagen durch Ultraschallschweißpunkte miteinander verbundenen Lagen Vliesstoff 1, zwischen dem sich die Faservlieslage 2 befindet.
Figur 8 gibt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Struktur wieder, die von der Figur 7 ausgeht, jedoch hier nun mit einer abströmseitig angeordneten Lage eines Filtermediums 3.
Figur 9 zeigt eine Struktur, die von Figur 8 ausgeht, mit einer zusätzlichen Lage 4 abströmseitig. In den vorstehend beschriebenen Figuren 1 bis 9 sind die jeweiligen Aufbauten lediglich schematisch der Schich- tenfolge nach beschrieben. Die vorstehend beschriebenen Aufbauten sind bevorzugt dann durch Ultraschall- Schweißverbindungen miteinander verbunden.
In den Tabellen 1 bis 11 (Figuren 10 bis 12) sind nun die Messergebnisse zusammengefasst, die mittels den in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nach den Figuren 1, 3 und 4 erzielt worden sind, im Vergleich mit einer Ausführungsform nach der EP 1 197 252 Al. Bei den Beispielen nach den Figuren 1, 3 und 4 wurde ein Verbund eingesetzt, der 0,2
Schweißpunkte pro cm2 aufweist. Bei den Vergleichs- beispielen wurden 2,5 Schweißpunkte pro cm2 gewählt. Wie aus den Tabellen 1 bis 11 hervorgeht, zeichnen sich die erfindungsgemäßen Materialien insbesondere dadurch aus, dass sie 15 bis 42 % dicker sind als die Vergleichsmaterialien. Es ist dabei besonders darauf hinzuweisen, dass dies dazu führt, dass die Bauschigkeit der erfindungsgemäßen Materialien ebenfalls um eine entsprechende Größe, nämlich um 15 bis 42 %, hö- her ist, als bei den Vergleichsbeispielen. Auf dieser extrem hohen Bauschigkeit beruht nun der überlegene Effekt der erfindungsgemäßen Materialien, die damit ein überdurchschnittlich hohes Staubspeichervermögen aufweisen (siehe auch Figur 14) .
Figur 13a zeigt nun in Form einer 3D-Grafik, wie sich die geringe Anzahl der Schweißpunkte auf die Struktur des Materials auswirkt. In Figur 13a ist dabei ein Material gezeigt, wie es dem Aufbau nach Figur 7 entspricht, d.h. es ist ein Material, das aus einer Fa- servlieslage besteht, die zwischen zwei Lagen aus
Spinnvlies durch Ultraschallschweißverbindungen verbunden ist. Im Beispielsfall nach der Figur 13a wurden ca. 0,2 Schweißpunkte pro cm2 verwendet. Figur 13a zeigt anschaulich die kissenartige Ausbildung, die zu der hohen Bauschigkeit wie vorstehend beschrieben, führt. Bei dem Beispielsfall nach Figur 13a wurden dabei als Faservlieslage 100 % Spaltfasern aus Polypropylen eingesetzt. Das Spinnvlies besteht ebenfalls aus Polypropylen. Der Aufbau des in der Fi- gur 13b dargestellten Filtermediums entspricht analog dem, wie er in Figur 13a schon beschrieben worden ist, jedoch mit dem Unterschied, dass hier 2,5 Schweißpunkte pro cm2 vorhanden sind. Dies macht deutlich, dass durch die erfindungsgemäße Ausbildung in Form einer niedrigen Anzahl von Schweißverbindungen ein deutlicher Vorteil in Bezug auf die Bauschigkeit des Materials erreicht wird.
Wie nun in Figur 14 dargestellt ist, führt die erfin- dungsgemäße Ausgestaltung zu einer deutlichen Erhöhung des Staubspeichervermögens gegenüber den Filtermedien, wie sie im Stand der Technik beschrieben sind, die 2,5 Schweißpunkte pro cm2 aufweisen. Die in der Figur 14 dargestellten Messergebnisse wurden wie folgt durchgeführt: Verwendeter Staubsauger:
Miele Performance 2300
Typ: HS 05
Modell: S749 Nr.:71683038
Leistungseinstellung: Maximum Größe der Filtertüten: 295 mm x 270 mm Prüfstaub: DMT Typ8
Prüfablauf: Der zu prüfende Staubbeutel wird, nachdem das Gerät 10 Minuten warmgelaufen ist, in das Gerät eingebaut. Der Volumenstrom ohne Staubbeladung wird nach 1 min. Laufzeit des Gerätes abgelesen. Anschließend wird die erste Staubportion von 50 g in- nerhalb von 30 sek eingesaugt. Nach 1 min. wird der sich einstellende Volumenstrom (in m3/h) abgelesen. Dieser Schritt wird für die folgenden Staubzugaben entsprechend wiederholt, bis 400 g Staub zugegeben worden sind.
Filtermedium:
Spinnvlies 17 g/m2 , Faservlies 50 g/m2,
Spinnvlies 17 g/m2
Schweißmuster :
1. 2,5 Punkte/cm2, gleichmäßig verteilt
2. 0,2 Punkte/cm2, gleichmäßig verteilt
Die in den Beispielen wiedergegebenen Messwerte wur- den durch die folgenden Bestimmungsmethoden ermittelt:
Dicke :
EDANA 30.5-99 Pkt. 4.2, Gerät: VDM 01, zu beziehen bei der Karl Schröder KG, Weinheim. Da die Messungen nach Verfahren 4.1, 4.2 oder 4.3 zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen, wurden die Messungen der erfindungsgemäßen Laminate prinzipiell nach Verfahren 4.2 (for bulky nonwovens with a maxi- mum thickness of 20 mm) durchgeführt.
Flächenbezogene Masse [g/cm2!: DIN EN 29073-1
Bauschiqkeit (bulk) [cm3/g] : Dicke (EDANA 30.5-99 Pkt. 4.2) /Flächenbezogene Masse (DIN EN 29073-1)
Rohdichte (bulk density) [g/cm3l: Flächenbezogene Masse (DIN EN 29073-1) Dicke (EDANA 30.5-99 Pkt. 4.2)
In Figur 15 ist schematisch das Messprinzip zur Ermittlung der durchschnittlichen Totalporosität und des Medians des Porendurchmessers illustriert.
Figur 16 zeigt eine Vorrichtung, die bei der Bestimmung der durchschnittlichen Totalporosität und des Medians des Porendurchmessers zum Einsatz kommt.
Tabelle 9 (Figur 17) gibt die Messwerte bezüglich der durchschnittlichen Totalporosität und des Medians des Porendurchmessers wieder.
Die Messwerte wurden dabei nach dem unten angegeben Verfahren ermittelt.
Zur Bestimmung der durchschnittlichen Totalporosität und des Medians des Porendurchmessers wurde die Methodik der Extrusion einer Benetzungsflüssigkeit ver- wendet. Die Messungen erfolgten mittels eines PMI- Flüssigkeits-Extrusions-Porosimeters . Im Folgenden wird dazu auf die Figuren 15 und 16 Bezug genommen.
1. Messprinzip
Da die freie Oberflächenenergie des Systems Benet- zungsflüssigkeit 20/Probe 12 geringer ist als die freie Oberflächenenergie des Systems Luft/Probe 12 füllen sich die Poren einer Probe spontan mit Benet- zungsflüssigkeit 20. Dabei kann die Benetzungsflüs- sigkeit 20 aus den Poren durch Erhöhung des differen- tiellen Drucks 22 eines Inertgases 18 auf die Probe 12 entfernt werden. Es wurde gezeigt, dass der benötigte differentielle Druck 22, um die Benetzungsflüssigkeit 20 aus einer Pore zu verdrängen, durch die Größe der Pore bestimmt wird (Akshaya Jena, Krishna
Gupta, „Characterization of Pore Structure of Filtration Media", Fluid Particle Separation Journal, 2002, 4 (3), S. 227-241). Die Korrelation zwischen dem dif- ferentiellen Druck 22 des Inertgases 18 und der Po- rengröße wird durch Gleichung 1 wiedergegeben,
p = 4 Y cos θ / D (1)
wobei p der differentielle Druck 22 eines Inertgases auf die Probe, Y die Oberflächenspannung der Benetzungsflüssigkeit 20, θ der Kontaktwinkel der Benetzungsflüssigkeit 20 auf der Porenoberfläche und D der Porendurchmesser ist, dessen Definition für einen unregelmäßigen Querschnitt durch folgende Gleichung (2) wiedergegeben wird.
D = 4 (Querschnittsfläche) / (Querschnittsumfang) (2)
Wenn die Probe 12 auf eine Membran 25 aufgebracht ist und die Poren der Probe 12 und der Membran 25 mit einer Benetzungsflüssigkeit 20 gefüllt sind, führt die Applikation eines Drucks 23 auf die Probe 12 zu einer Verdrängung 23 der Flüssigkeit aus den Poren der Probe 12 und zu einem Ausfließen 24 der Flüssigkeit 20 durch die Membran 25. Falls die größte Pore der Memb- ran 25 kleiner als die kleinste Pore von Interesse der Probe 12 ist, wird zwar die Flüssigkeit 20 aus den Poren von Interesse der Probe 12 verdrängt und aus der Membran 25 ausfließen, jedoch wird der Druck 22 nicht ausreichen, um die Flüssigkeit 20 vollstän- dig aus den Poren der Membran 25 zu entfernen, das Gas wird nicht in der Lage sein, durch die flüssigkeitsgefüllten Poren der Membran 25 hindurch auszuströmen. Somit kann über den differentiellen Druck 22 und das ausgeflossene Volumen der Flüssigkeit 20 der Durchmesser bzw. das Volumen der Poren bestimmt werden (A. Jena und K. Gupta, „A Novel Technique for Pore Structure Characterization without the Use of Any Toxic Material", Nondestructive Characterization of Materials XI, Hrsg.: Robert E. Green, Jr., B. Boro Djordjevic, Manfred P. Hentschel, Springer-Verlag,
2002, S. 813-821) .
2. Versuchsaufbau
Dem PMI-Flüssigkeits-Extrusions-Porosimeter 5 (Figur 16) liegt die Methodik der Flüssigkeits-Extrusion zugrunde. Die Probenkammer 6 des Porosimeters 5 besteht dabei aus einem zylinderförmigen PVC-Behälter, dessen Durchmesser 45 mm und dessen Tiefe 45 mm be- trägt. Ein relativ weitmaschiges, offenes, aus rostfreiem Stahldraht gefertigtes Netz 7 liegt auf einer Leiste am Boden der Probenkammer 6 auf . Unterhalb des Netzes 7 ist die Probenkammer 6 bis über einen wenige mm im Durchmesser betragenden flexiblen Schlauch 8 mit der Unterseite eines zylinderförmigen Acrylgefä- ßes 9, dessen Durchmesser 40 mm und dessen Tiefe 40 mm beträgt, verbunden. Das Gefäß 9 sowie seine Abdeckung 10 sind dabei auf einer Waage 11 (Hersteller: Mettler, Gewichtsauflösung 0,0001 g) aufgebracht. Ein zylinderförmiger Einsatz 13 (40 mm Durchmesser, 40 mm Höhe) wird auf der Probe 12 innerhalb der Probenkammer 6 aufgebracht. Die obere Seite des Einsatzes 13 weist dabei eine Kerbe für einen O-Ring 14 auf. Eine pneumatisch betriebene Vorrichtung 15, die einen in einem Zylinder geführten Kolben 16 aufweist, wird auf die Probekammer 6 montiert. Der Kolben 16 ist hohl, um einen Durchfluss des Testgases 18 in die Probenkammer 6 zu gewährleisten. Eine flache Scheibe 17 aus rostfreiem Stahl, die an die Unterseite des Kolbens 16 angeschweißt ist, drückt den Einsatz 13 gegen den O-Ring 14 auf der Oberseite des Einsatzes 13 an und verhindert so ein Entweichen von Testgas 18. Die Steuerung des Kolbens 16 erfolgt pneumatisch. Dabei erfolgt eine separate Einspeisung des Testgases 18 und des Gases 19 zum Betreiben des Kolbens 16.
3. Benetzungsflüssigkeit
Bei allen Versuchen wurde als Benetzungsflüssigkeit Galwick verwendet, ein perfluoriertes Polymer (oxi- diertes und polymerisiertes 1, 1, 2 , 3 , 3 , 3 , -Hexafluor- propen) . Die Flüssigkeit ist inert, die Oberflächenspannung beträgt 16 Dynes/cm. Wegen der sehr geringen Oberflächenspannung der Testflüssigkeit liegt der Kontaktwinkel nahe bei 0° (Vibhor Gupta und A. K. Je- na, „Substitution of Alcohol in Porometers for Bubble Point Determination", Advances in Filtration and Separation Technology, American Filtration and Separation Society, 1999, 13b, S. 833-844) . 4. Testgas
Bei allen Versuchen wurde trockene und gereinigte komprimierte Luft verwendet. Zur Entfernung von fes- ten Partikeln wurde die Luft gefiltert, die Feuchtigkeit wurde durch die dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannten Standardtrocknungsverfahren entfernt.
5. Automatisierte Testausführung, Datenerfassung und -management
Die Testausführung, Datenerfassung sowie die Datenreduktion wurden voll automatisiert durch die Verwen- düng eines Computers und einer geeigneten Software ausgeführt. Die Ausführung der Testprozedur nach Beladen der Probekammer 6 mit einer Probe 12 erfolgte automatisch, so dass akkurate und reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden konnten.
6. Testprozedur
a) Vorbereitung des Messinstruments
Die Probenkammer 6, das Gefäß 9 auf der Waage 11, das Netz 7 am Boden der Probekammer 6 und der Einsatz 13 wurden zur Entfernung von Verunreinigungen mit Alkohol gesäubert. Die O-Ringe 14 wurden ebenfalls gesäubert und gefettet. Eine Millipormembran 25 mit einem maximalen Porendurchmesser von 0,45 μm, wurde auf das Netz 7 aufgebracht. Dabei ist darauf zu achten, dass die Membran 25 unbeschädigt ist, d.h. keine Defekte, Risse oder sonstigen Beschädigungen aufweist, da dies sonst zu Verfälschungen des Messergebnisses führen kann. Nun wurde Benetzungsflüssigkeit 20 in das Gefäß 9 gegeben, die über den Schlauch 8 in die Probenkam- mer 6 fließt. Dabei wurde so viel Benetzungsflüssig- keit 20 zugegeben, dass ein Flüssigkeitsstand in der Probenkammer 6 erreicht wird, so dass die Flüssigkeit 20 das Netz 7 gerade vollkommen bedeckt. Dadurch ist eine vollkommene Benetzung der Membran gewährleistet. Nach einer gewissen Zeit stellte sich eine Konstanz der Anzeige der Waage 11 ein, woran das Erreichen eines stationären Zustands erkannt werden konnte.
b) Vorbereitung der Proben
Für die Messung wurden Filterbeutel aus einem Filterbeutelmaterial verwendet, das aus einem Verbund aus einer zwischen 2 Vliesstofflagen eingeschlossenen Fa- servlieslage besteht. Die Vliesstofflagen (Spunbond- lagen) sind aus Polypropylenfasern gebildet. Die Faservlieslage besteht aus Polypropylen-Stapelfasern (Splitfasern mit 60 mm Länge) . Das Filtermaterial ist dabei durch punktförmige Schweißverbindungen, die mittels Ultraschallschweißen eingebracht werden, verbunden. Es wurden 3 Proben untersucht mit einer unterschiedlichen Anzahl an Schweißpunkten, nämlich 16, 70 und 95, jeweils bezogen auf 100 cm2, die gleichmäßig über die Oberfläche verteilt sind. Aus den FiI- terbeuteln wurden dann kreisförmige Proben 12 von 45 mm im Durchmesser ausgestanzt. Die Proben 12 wurden gewogen und die Dicke nach EDANA 30.5 - 99 Pkt. 4.2 bestimmt (siehe hierzu S. 8, Z. 3-13), wobei sich nur schwer Aussagen über die Dicke treffen ließen, was auf die weiche Natur und die unebene Oberfläche der Probe 12 zurückzuführen ist . Die Rohdichte Pb wurde errechnet. Diese Rohdichte entspricht der der trockenen Probe. Die Oberschicht der Probe 12 wurde mit einem Messer (Stanley-Messer) eingeritzt. Jeder Schnitt war 10 mm lang und 1 mm breit. Um eine angemessene
Anzahl von Schnitten herauszufinden, wurden Proben 12 mit einer unterschiedlichen Zahl von Schnitten untersucht. Basierend auf den Ergebnissen, die mit diesen Proben 12 erhalten wurden, wurde gefunden, dass fünf Schnitte pro Probe 12 angemessen sind; somit wurden alle Untersuchungen mit fünf Schnitten pro Probe 12 ausgeführt. Die Anordnung der fünf Schnitte erfolgte dabei in Analogie zur Anordnung der Punkte bei einer Fünf auf einem Würfel.
c) Benetzung und Beladung der Probe
Die Probe wurde in ein Benetzungsflüssigkeit 20 enthaltendes Gefäß eingebracht. Dabei absorbierte die Probe 12 die Benetzungsflüssigkeit 20 und zeigte eine Tendenz zum Quellen. Dabei wurde darauf geachtet, die Probe 12 nicht komplett in die Flüssigkeit 20 einzutauchen, um Lufteinschlüsse in der Probe 12 zu vermeiden. Die benetzte Probe 12 wurde im Anschluss auf die Membran 25 innerhalb der Probenkammer 6 aufge- bracht. Der O-Ring 14 wurde auf die Probe 12 und der Einsatz 13 auf den O-Ring 14 aufgebracht.
d) Durchführung des Tests
Alle die Probe 12 betreffenden Informationen einschließlich der Identifikationsnummer wurden in einem Computer gespeichert. Die Einheiten sowie die verschiedenen zu messenden Funktionen wurden ebenso eingegeben. Im Anschluss daran wurde der Test durchge- führt.
Der Kolben 16 wurde computergesteuert abgesenkt, um den Einsatz 13 auf den O-Ring 14 zu drücken. Zur Vermeidung von Leckagen wurde ein vorbestimmter Druck auf den O-Ring 14 angelegt. Die Waage 11 wurde tariert. Im Anschluss wurde langsam das Testgas 18 durch den Kolben 16 zur Oberfläche der Probe 12 eingeleitet. Der Gasdruck 22 wurde computergesteuert, in kleinen Inkrementen erhöht, somit wurde eine Einstellung eines Gleichgewichts des Systems vor Aufzeich- nung der Daten erreicht. Der Computer speicherte die Daten des Drucks und der Gewichtsänderung der Flüssigkeit mittels der Waage 11. Die Ergebnisse wurden ebenso graphisch dargestellt, um den Fortschritt des Tests zu verfolgen. Zum Erhalt der Ergebnisse am Ende des Tests wurden die Daten in verschiedener Weise ausgedruckt .
7. Ergebnisse
Die Messvorrichtung 5 zeichnete über die Waage 11 die Zunahme des Gewichts der Benetzungsflüssigkeit 20, die aus der Probe 12 verdrängt wurde, auf und errechnete das Gewicht der Flüssigkeit 20 über die Dichte in das entsprechende Volumen um. Dieses Ergebnis rep- räsentiert das kumulative Porenvolumen. Ebenso wurde aus dem durch die Messvorrichtung 5 bestimmten Gasdruck des Testgases 18, das zur Verdrängung der Benetzungsflüssigkeit 20 aus den Poren der Probe 12 verwendet wurde, der Porendurchmesser errechnet. So- mit konnte das kumulative Porenvolumen als Funktion des Porendurchmessers aufgezeichnet werden. Die Porosität P (in %) wurde aus der Rohdichte, pb und dem totalen Porenvolumen V gemäß Gleichung (3) errechnet werden.
P = (V pb)xl00 (3)
Über die Messvorrichtung 5 konnte ebenso der Median des Porendurchmessers errechnet werden. Der Median des Porendurchmessers ist so definiert, dass 50 % des Gesamtporenvolumens aus Poren herrührt, die größer als die mittlere Pore und 50 % des Gesamtporenvolu- mens aus Poren herrührt, die kleiner als die mittlere Pore sind. Das arithmetische Mittel von mehreren Messungen der verwendeten Proben ist in Tabelle 9 (Figur 17) wiedergegeben. Wie aus Tabelle 9 hervorgeht, weist das erfindungsgemäße Filtermaterial des Beutels eine extrem hohe durchschnittliche Totalporosität von bis zu 96,8 % auf. Mit zunehmender Anzahl an Schweißverbindungen sinkt die Totalporosität dann ab auf ei- nen Wert von 67.4 %. Entsprechend verringert sich der durchschnittliche Meridian des Porendurchmessers von 201,8 μm auf 129,1 μm. Wie die Ergebnisse zeigen, weisen die erfindungsgemäßen Filtertüten eine extrem hohe Porosität auf, was letztlich zu einem überdurch- schnittlichen Staubspeichervermögen führt.
8. Diskussion der Messmethode
Bei der verwendeten Messmethodik wird der Porendurch- messer und das Porenvolumen einer Probe aus dem gemessenen Gasdruck, der zur Verdrängung der Benet- zungsflüssigkeit aus den Poren benötigt wird, sowie dem gemessenen Volumen der verdrängten Flüssigkeit aus den Poren errechnet . Die Poren in den oben und unten angebrachten Vliesstofflagen (Spunbondlagen) der Probe sind viel kleiner als die Poren der Faserflieslage in der Mittellage. Aus Gleichung 1 ist ersichtlich, dass der Gasdruck, der benötigt wird, um eine Flüssigkeit aus den oben und unten aufgebrachten Lagen zu verdangen, viel höher sein muss als derjenige, der für die Faservlieslage benötigt ist. Bei der Untersuchung der Filterbeutel wird eine Verdrängung der Flüssigkeit 20 aus den Poren der mittleren Faservlieslage nur dann erfolgen, nachdem die Flüssigkeit aus den Poren der oben aufgebrachten Spunbondschicht erfolgt ist. Der hohe Druck, der benötigt wird, um die Flüssigkeit aus den kleinen Poren der oben aufgebrachten Spunbondschicht zu verdrängen, wird ebenso Flüssigkeit aus den größeren Poren der mittleren Faservlieslage verdrängen; somit wird der Durchmesser der kleinen Poren der oben aufgebrachten Spunbondschicht als der Durchmesser der Poren in der Faservlieslage als mittlere Lage gemessen. Das bestimmte Porenvolumen wird nahe am Porenvolumen der mittleren Lage liegen, da das Volumen der kleinen Poren in der sehr dünn ausgeprägten oben und unten aufgebrachten
Schichten vernachlässigbar, verglichen mit dem großen Volumen der großen Poren in der dicken Mittelschicht ist.
Die Testprozedur, die bei dieser Untersuchung verwendet wurde, beinhaltet auch das Anbringen von mehreren Schnitten auf der Oberschicht. Durch die Schnitte wurden in die Oberschicht große Öffnungen eingefügt, so dass das Testgas an den kleinen Poren der Ober- schicht passieren konnte. Dabei erfolgte keine Messung des Durchmesser und des Volumens der kleinen Poren in der Oberschicht. Somit erfolgte die Verdrängung der Flüssigkeit aus der Mittelschicht bei kleinen Drücken, die mit den großen Poren in der Faser- vlieslage korrelieren. Die als Unterschicht aufgebrachte Spunbondschicht beeinflusste den Test nicht, da die Flüssigkeit, die aus den Poren der Faservlieslage über Gasdruck verdrängt wurde, einfach durch die untere Spunbondschicht durchfloss und der Gasdruck somit nicht geeignet war, um Flüssigkeit aus der Unterschicht zu verdrängen. Somit wurden der Durchmesser und das Volumen von den Poren in der Faservlieslage mit diesem Test ermittelt.

Claims

Patentansprüche
1. Filterbeutel für einen Staubsauger aus einem
Filtermaterial umfassend mindestens drei Lagen, wobei mindestens zwei Lagen, die aus mindestens einer Vliesstoffläge und mindestens einer Faser- vlieslage, enthaltend Stapelfasern und/oder Filamente, bestehen, durch eine Schweißverbindung verbunden sind, mit der Maßgabe, dass der Pressflächenanteil des Schweißmusters maximal 5 % der Oberfläche der durchströmbaren Fläche des FiI- terbeutels beträgt und dass, bezogen auf die gesamte durchströmbare Fläche des Filterbeutels, durchschnittlich maximal 19 Schweißverbindungen pro 10 cm2 vorhanden sind.
2. Filterbeutel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Totalporosität mindestens 65 % beträgt.
3. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden An- Sprüche dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Totalporosität mindestens 80 % beträgt.
4. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden An- Sprüche dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Totalporosität mindestens 95 % beträgt.
5. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche Median des Porendurchmessers mindestens 120 μm beträgt.
6. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittli- che Median des Porendurchmessers mindestens
150 μm beträgt.
7. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche Median des Porendurchmessers mindestens 180 μm beträgt.
8. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der durchschnittliche Median des Porendurchmessers mindestens 200 μm beträgt.
9. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durchschnittlich maximal 10 Schweißverbindungen pro 10 cm2 vorhanden sind.
10. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass maximal 5 Schweiß- Verbindungen vorhanden sind.
11. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindungen gleichmäßig über die durchströmbare Fläche des Filterbeutels verteilt sind.
12. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung ungleichmäßig über die durchströmbare Fläche des Filterbeutels verteilt sind.
13. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißverbindung sternförmig, punktförmig, balkenförmig und/oder linienförmig ausgebildet ist.
14. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressflächenanteil des Schweißmusters maximal 2 %, besonders bevorzugt maximal 1 %, beträgt.
15. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfasern eine Länge zwischen 1 und 100 mm, bevorzugt zwischen 3 bis 70 mm, besitzen.
16. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfaser eine Splitfaser und/oder Crimpfaser und/oder eine weitere Stapelfaser ist.
17. Filterbeutel nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Crimpfaser unterschiedliche räumliche Strukturen aufweist, bevorzugt vom Zickzack-, Wellen- und/oder Spiraltyp.
18. Filterbeutel nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Crimpfaser eine mechanisch gecrimpte, eine Autocrimpfaser und/oder eine Bikomponentenfaser ist.
19. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfaser eine elektrostatisch geladene Stapelfaser ist.
20. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfaser ausgewählt ist aus Naturfasern und/oder Chemiefasern.
21. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächenbezogene Masse der Faservlieslage zwischen 10 und 200 g/m2, bevorzugt zwischen 20 bis 100 g/m2, beträgt.
22. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesstoffläge eine flächenbezogene Masse von mindestens 5 g/m2 aufweist .
23. Filterbeutel nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesstoffläge ein Scrim, bevorzugt ein Spinnvlies oder eine Meltblownlage ist.
24. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus zwei Vliesstofflagen, zwischen denen die Faservlieslage angeordnet ist, besteht.
25. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund aus einer Vliesstoffläge und einer Feinfilter-Spinn- vlieslage, zwischen denen die Faservlieslage angeordnet ist, besteht.
26. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund mindestens eine weitere Feinfilter-Spinnvlieslage um- fasst .
27. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Feinfilter- Spinnvlieslagen unterschiedliche Filtereigenschaften aufweisen.
28. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abströmseitig eine Feinfilter-Spinnvlieslage angeordnet ist.
29. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Lagen aus Papier, Vliesmaterial und/oder Nanofasern gebildet sind.
30. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass alle Lagen durchgängig durch die Ultraschalschweißverbindung verbunden sind.
31. Filterbeutel nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Anordnung der Schweißverbindungen eine kissenartige Ausbildung vorliegt.
32. Verwendung des Filterbeutels nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Staubsaugerbeutel.
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