DE102009051105A1

DE102009051105A1 - Vliesmedium, Verfahren zu dessen Herstellung und aus diesem hergestelltes Filterelement

Info

Publication number: DE102009051105A1
Application number: DE200910051105
Authority: DE
Inventors: Nico Dr. Behrendt; Stefan Orendt
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2010-05-12
Also published as: US20100107578A1; US8414821B2

Abstract

Es wird ein Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von thermoplastischen Polymeren zum Erhalt von Nano- und Mikrofasern vorgestellt. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: Lösen des thermoplastischen Polymeren in einem entsprechenden Lösungsmittel; Zugeben eines thermoplastischen Elastomeren (TPE) zu dieser Lösung; und Einbringen der Lösung in ein elektrisches Feld und Verspinnen unter Einwirkung des elektrischen Feldes zu Nano- und Mikrofasern.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein ein Vliesmedium sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Vliesmediums. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Vliesmedium mit darauf abgelegten Nano- oder Mikrofasern. Ganz speziell betrifft sie ein mit diesem Vliesmedium hergestelltes Filterelement.
Stand der Technik
Elektrospinnverfahren zur Herstellung von polymeren Fasern aus Polymerlösungen sind seit langem bekannt [vgl. bspw. R. Dersch et al., Chemie in unserer Zeit, Vol. 39, pp. 26–35, 2005]. Eine Vielzahl von Polymeren kann nach diesem Prinzip zu Fasern versponnen werden. Das jeweilige Polymer wird dabei mittels eines Lösungsmittels in Lösung gebracht und durch das Anlegen einer Hochspannung werden Nano- bzw. Mikrofasern mit einem minimalen Durchmesser von bis zu 50 nm produziert.
Über das Verspinnen von thermoplastischen Polymeren, wie bspw. Polystyrol (PS), im elektrischen Feld liegen bisher ebenfalls etliche Publikationen vor.
Häufige Lösungsmittel, welche für das Elektrospinning verwendet werden, sind Tetrahydrofuran (THF – S. Megelski et al., Macromolecules Vol. 35 (22), 8456–8466, 2002 und J. S. Stephens et al., Applied Spectroscopy, Vol. 55 (10), 1287–1290), Dimethylformamid (DMF – S. Megelski et al., Macromolecules Vol. 35 (22), 8456-8466, 2002 und J. A. E. Senador et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 661, KK 5.9.1.-OKK5.9., 2001) und Methylethylketon (MEK – H. F. Jia et al., Biotechnology Progress, Vol. 18 (5), 1027–1032, 2002.
Die Verwendung von Nano- bzw. Mikrofasern, d. h., Fasern mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 10 bis 1000 nm, zur Beschichtung von Vliesmaterialien für die Verwendung als Filtermedien ist allgemein bekannt.
So sind beispielsweise die in den Dokumenten DE 100 63 518 A1 und 101 55 448 A1 dargelegten Verfahren zur Herstellung von Polystyrol-Nano-und Mikrofasern bzw. zur Beschichtung von Vliesmedien mit thermoplastischen PolymerNano- und Mikrofasern geeignet, um daraus Filtermedien mit relativ hoher Abscheideleistung und relativ niedrigem Luftwiderstand zu fertigen.
Bei der Verwendung dieser thermoplastischen Polymer-Nano- bzw. Mikrofasern als Beschichtung für Vliese zeigt sich jedoch, dass die durch das Elektrospinning-Verfahren aufgebrachten Fasern nur relativ schlecht auf dem Trägervlies haften. Dies trifft insbesondere auf strukturierte (genoppte) Medien zu. Die Auflagefläche für die Nanofasern ist sehr gering, da lediglich die Erhöhungen damit bedeckt werden. Im Fall solcher strukturierten Medien können schon geringe Kräfte (z. B. ein Auf- und Abrollen des beschichteten Vlieses) zum Ablösen der Nanofasern führen. Wird das beschichtete Vlies durch Plissierung oder ähnliche Verarbeitungsverfahren mechanisch beansprucht, werden die auf dem Trägervlies befindlichen Nano- bzw. Mikrofasern massiv geschädigt. Dies gilt insbesondere für abrasive Scherkräfte, wie sie beispielsweise durch verarbeitungsnotwendige Walzensysteme aufgebracht werden können.
Um die Schädigung der Nano- bzw. Mikrofasern weitestgehend zu minimieren, sind vielfach Konzepte mit Schmelzklebern oder Schmelzkleberschichten beschrieben worden, so z. B. in der EP 818 230 B1 . Wasserlösliche und stark hydrophile Polymere, wie Polyvinylalkohole, zeigen insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit eine hohe Klebrigkeit, wie z. B. in der DE 299 076 99 U1 beschrieben.
Weiterhin offenbart die EP 1 366 791 A1 ein Verfahren zur Herstellung von elektrostatisch gesponnenen Polymerfasern mit einem Vernetzungsmittel, wie z. B. Polyvinylalkohol oder Harnstoff-Formaldehyd-Harz. Durch das Vernetzungsmittel wird dabei die Klebewirkung (der ”Tack”) der Nano- bzw. Mikrofasern gesteigert.
In der EP 1 733 776 A2 werden gegen Wärme und Krafteinwirkung stabilisierte Polyvinylchlorid- bzw. Polyvinylalkohol-Nanofasern vorgestellt. Die Stabilisierung wird hierbei durch den Zusatz eines vernetzenden Polymers, wie z. B. Epoxidharze, erreicht.
Schließlich beschreibt die DE 44 02 857 A1 , dass ein Blend, bestehend aus zwei unverträglichen Polymeren, im elektrischen Feld versponnen wird. Die eine Blendkomponente besteht dabei aus einem bei Raumtemperatur klebrigen Polymer, die andere aus einem Polymer mit einem Erweichungsbereich, der oberhalb der Raumtemperatur liegt. Beim elektrostatischen Verspinnen eines solchen Elends entstehen klebrige Nanofasern, die sich dann mit dem Trägervlies relativ fest verbinden.
Die bekannten Lösungen zu dieser Problematik zielen folglich auf ein besseres Anhaften der Nano- bzw. Mikrofasern auf dem Trägervliesmedium ab. Das kann z. B. dadurch realisiert werden, dass Haftvermittler auf ein Vlies aufgebracht werden. Anschließend werden die Nano- bzw. Mikrofasern auf das mit Haftvermittler versehene Vlies abgelegt. Der Kleber sorgt somit für eine Anbindung von Vlies und Fasern. Bei diesem Lösungsansatz resultieren jedoch einige Nachteile:
Weist der Kleber eine zu niedrige Viskosität auf, d. h., ist er zu wässrig, zerlaufen diese Kleberpunkte, ohne für eine ausreichende Haftung zu sorgen. Besitzt er dagegen eine zu hohe Viskosität, ist also zu dickflüssig, liefern die Kleberpunkte keinen ausreichenden Tack und es kommt keine Anbindung der Fasern zustande.
Ein großer Nachteil im Fall der kleberbasierten Lösungen des Standes der Technik liegt auch in der häufig damit verbundenen Steigerung des Druckabfalls. Die verwendeten Kleber neigen dazu, flächenmäßig große Zonen zu bilden und somit die Poren des Filtermediums zu verstopfen. Dadurch wird der Luftwiderstand des Mediums beträchtlich gesteigert. Bei der Verwendung von aushärtbaren Systemen, wie z. B. Epoxidharzen, kommen noch weitere Ein flussgrößen, wie die Aushärtzeit, die Konzentration an Beschleuniger, Mischungsverhältnisse u. ä. hinzu, welche potentielle Fehlerquellen darstellen. Bei Verwendung von UV-härtenden Systemen besteht zusätzlich die Gefahr der Schädigung des Trägervlieses durch die UV-Strahlung.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nano- bzw. Mikrofasern bereit zu stellen, die die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeiden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung solcher Fasern bereit zu stellen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Vliesmedium zur Verfügung zu stellen, das mit diesen Fasern belegt ist.
Noch eine andere Aufgabe ist es, ein Filterelement bereit zu stellen, das ein solches Vliesmedium beinhaltet.
Diese und weitere Aufgaben werden durch das Verfahren nach Anspruch 1, das Vliesmedium nach Anspruch 11 und das Filterelement nach Anspruch 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Dabei zeigt:
1 eine REM-Aufnahme der erfindungsgemäß modifizierten Polystyrol-Nanofasern;
2 einen vergrößerten Ausschnitt aus 1;
3 grafisch den Einfluss verschiedener Estane^®-Konzentrationen auf Abscheideleistung und Druckabfall bei erfindungsgemäß behandelter genoppter Flächenware; und
4 schematisch ein Innenraumfilter mit einem erfindungsgemäßen Vliesmedium.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Wie bereits vorstehend erwähnt, zielen die bekannten Lösungen auf ein besseres Anhaften der Fasern auf dem Trägervliesmedium ab. Das kann z. B. durch das Aufbringen eines Haftvermittlers auf das Trägervlies und anschließendes Ablegen der Nano- bzw. Mikrofasern auf dem so behandelten Vlies erreicht werden. Der Kleber sorgt dann für eine Verbindung von Vlies und Fasern.
Im Folgenden wird ausschließlich der Begriff ”Nanofasern” verwendet. Es ist dem Fachmann jedoch klar, dass auch Mikrofasern in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Die vorgeschlagene Erfindung beschreitet einen anderen Weg zur mechanischen Stabilisierung von Nanofasern, ohne dabei Klebstoffe zu verwenden.
Erfindungsgemäß werden die thermoplastischen Polymer-Nanofasern mit einem thermoplastischen Elastomer (TPE) modifiziert. Dazu wird das TPE einfach zusammen mit dem verwendeten thermoplastischen Polymer in einem Lösungsmittel gelöst. Die Konzentration des TPE im Lösungsmittel beträgt zwischen 0,5 und 25 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 und 10 Gew.-%, weiter vorzugsweise 2 und 7,5 Gew.-%.
Das thermoplastische Polymer kann ausgewählt werden aus der Gruppe bestehend aus Polystyrol, Polyamid-6, Polyamid-6,6, Polyamid-6,10 und Blockcopolymer-Polyamiden, wie bspw. Polyamid-6/6,6/13,6, Polyetherimiden, Polycarbonaten, Polybutylenterephthalaten, Polyethylenterephthalaten, Polysulfonen, Polyethersulfonen sowie Polyolefinen wie Polypropylen und Polyethylen, wobei Polystyrol bevorzugt ist.
Als thermoplastische Elastomere können thermoplastische Polyurethane (TPU, wie z. B. Desmopan, Estane, Pellethane, Elastollan, Pearlthane), bevorzugt aromatische thermoplastische Polyurethane wie die aromatischen Polyesterbasierten thermoplastischen Polyurethane Estane^® 5778, Estane^® 5719 oder Estane^® 5702 F2/F3 der Firma Lubrizol Corporation, Schweiz, verwendet werden. Es sind jedoch auch andere thermoplastische Elastomere, wie Polystyrolcopolymere (Allruns, Europrene, Thermolast, Multiflex, Onflex), mischbare und unmischbare Elends aus Polyolefinen und Elastomeren (Sarlink, Santoprene, Milastomer, Forprene, Teknor Apex, Vyram, Dexflex, Hifax), thermoplastische Copolyamide (Pebax, Vestamid) und thermoplastische Copolyester (Arnitel, Hytrel, Pibiflex) verwendbar.
Mögliche Lösungsmittel sind Ameisensäure, Methylethylketon, Aceton, Tetrahydrofuran, Tetrahydronaphtalin und N-Methylpyrrolidon sowie Gemische der genannten Lösungsmittel.
Anschließend wird die Lösung mit bekannten Verfahren im elektrischen Feld bei einer Spannung von 10 bis 50 KV, vorzugsweise von 20 bis 30 KV, versponnen. Wie 1 zu entnehmen ist, bilden sich dabei Nanofasern aus, die von pfropfartigen Gebilden aus TPE im μm-Bereich unterbrochen sind, wobei die Anzahl der Gebilde variiert werden kann, d. h., das TPE wird während des Spinnprozesses in Form von ”rundlichen” Domänen in das Fasergespinst integriert. Diese TPE-Pfropfen, die in 2 vergrößert gezeigt sind, bewirken eine Steigerung der Elastizität, d. h. erfahren die Nanofasern eine mechanische Deformation, so reißen sie nicht, sondern die pfropfartigen TPEs dehnen sich aus und nehmen so die Energie auf.
Die in den Fasergespinsten enthaltenen pfropfartigen TPE-Domänen weisen einen Durchmesser von ungefähr 0,05 μm bis ungefähr 50 μm, bevorzugt von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 5 μm auf.
Rein physikalisch kann man sich derartige TPE-modifizierte PS-Fasergebilde als ein System von Seilen vorstellen, welche über Federn miteinander verbunden sind, wobei die Federn quasi als ”Deformationspuffer” wirken.
Werden die erfindungsgemäß beschichteten Vliese nun plissiert, führt die Krafteinwirkung nicht zum Zerreißen und/oder Einrollen der Nanofasern sondern lediglich zu einer reversiblen Dehnung des Nanofasernetzwerkes. Somit wird ein Großteil der Nanofasern – ohne Beeinträchtigung der Filterwirkung – von der Flächenware in den hergestellten Filter ”gerettet”.
Bei der erfindungsgemäßen TPE-modifizierten Nanofaserbeschichtung wird nun der Spinnlösung, bestehend aus thermoplastischem Polymer (bspw. Polystyrol) und einem Lösungsmittel (bspw. Methylethylketon), ein thermoplastisches Elastomer (bspw. Estane^®) zugesetzt.
Während des Verspinnens bilden sich dadurch neben den Nanofasern pfropfenartige TPE-Agglomerate, die bei Einwirkung einer mechanischen Spannung wie eine Feder wirken (vgl. 1 und 2). Diese modifizierten Nanofasern werden dann auf den Trägervliesen abgelegt, indem das Vliesmedium in bekannter Weise an den Elektroden, welche als Absprüheinrichtung für die Nanofasern fungieren, vorbeigeführt wird.
Die auf diese Art und Weise erhaltenen Nanofaserbeschichtungen sind gegen mechanischen Abrieb, wie er in der Weiterverarbeitung der beschichteten Vliese zu Filtermedien auftritt, deutlich beständiger.
Eine deutlich größere Menge an aufgetragenen Nanofasern kann so von der Flächenware in den Filter ”hinübergerettet” werden und die aus diesen Medien hergestellten Filter zeigen damit eine höhere Abscheideleistung im Vergleich zu den nicht modifizierten Nanofasern.
Der Herstellungsprozess kann dabei so geführt werden kann, dass das Verhältnis zwischen TPE-Domänen und Polystyrol-Fasern variiert werden kann, wobei die Anzahl der TPE-Domänen durch die Konzentration an TPE vorgegeben wird.
Ausführungsformen der Erfindung
Die nachfolgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung erläutern, sie ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt. Dies gilt ebenfalls für das in diesen Beispielen ausschließlich verwendete aromatische Polyester-basierte thermoplastische Polyurethan Estane^®, dem Fachmann ist klar, dass er auch die weiter oben genannten thermoplastischen Elastomere anstelle des Estane^® verwenden kann, wobei ähnliche bzw. identische Ergebnisse erhalten werden.
Beispiel 1:
Ein Standard-Vlies (C2; Hersteller: Irema-Filter GmbH) mit einer Breite von 80 cm, welches im Meltblown-Verfahren hergestellt wurde, verfügt über ein Flächengewicht von 100 g/m². Dieses Vlies wurde mit Nanofasern im Elektrospinning-Verfahren beschichtet. Die Spannung an den Elektroden betrug 25 kV. Als Beschichtungslösung wurde eine 10 Gew.-%-ige Polystyrollösung (Polysty rol: BASF 160 KH) in Methylethylketon (MEK) mit Zusatz von Estane^® (Lubrizol Corp.) verwendet. In den Versuchen für die Herstellung der nanobefaserten Filter wurden unterschiedliche Estane^®-Typen verwendet, die sich jeweils durch unterschiedliche Erweichungsbereiche sowie unterschiedliche mechanische Eigenschaften, z. B. Zugfestigkeiten unterscheiden. Die Kofler-Schmelztemperaturen betragen für Estane^® 5778 79°C, für Estane^® 5719 94°C und für Estane^® 5702 F2/F3 73°C, gemessen nach NOVEON. Die Zerreißfestigkeiten (tear resistance) betragen für Estane^® 5778 80 kN/m (ISO 34-1B), für Estane^® 5719 60 kN/m (DIN 53515) und für Estane^® 5702 F2/F3 45 kN/m (DIN 53515). Bei der Beschichtung des Referenzmediums, d. h. des Filters ohne eine Nanofaser (NF)-beschichtung und dem Filter mit NF-Beschichtung ohne TPE-Zugabe, wurde kein Estane^® verwendet. Allgemein bezieht sich die zugesetzte Menge an Estane^® auf die eingesetzte Menge an Polymer. Die Beschichtungsgeschwindigkeit betrug 4 m/min – bei dieser langsamen Geschwindigkeit sind die erfindungsgemäßen Effekte am deutlichsten zu beobachten, und die erzielte Nanofaserauflage betrug im Mittel 0,5 g/m². Bei anderen, bspw. höheren Geschwindigkeiten wird die Nanofaserauflage geringer, alle Effekte, insbesondere die zwischen den einzelnen Estane^®-Typen sind zwar noch vorhanden, aber nicht mehr so deutlich.
Die Vliese wurden anschließend plissiert und aus den plissierten Vliesen wurden Kabinenluftfilter, also Innenraumfilter 10 für den Kfz-Bereich gefertigt, wie sie bspw. in 4 mit dem gefalteten erfindungsgemäßen Vlies 12 und entsprechenden Seitenbandstreifen 14 gezeigt sind. Dem Fachmann ist dabei klar, dass auch andere Ausführungsformen, wie bspw. Rundelemente und dgl., realisiert werden können. Die geometrischen Daten dieser Filter sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

Filtergeometrie (L × B × H; mm) 230 × 238 × 30

Anströmfläche (m²) 0,05474

Medienfläche (m²) 0,613088

Faltenhöhe (mm) 28

Faltenabstand (mm) 5

Faltenanzahl 46

In Tabelle 2 ist der Einfluss von Standard-, d. h. nicht TPE-modifizierten und TPE-modifizierten Nanofasern auf Druckabfall und die NaCl-Abscheideleistung an einem Beispiel-Filter gezeigt. Der Filter mit den modifizierten Nanofasern zeigt eine deutlich höhere NaCl-Abscheideleistung im Vergleich zum Filter mit Standard-Nanofasern. Tabelle 2

	NaCl-Abscheidung [%] im Bereich von 0,5–1 μm	Druckabfall [Pa] bei 9 kg/min
Filter ohne NF-Beschichtung	38	53
Filter mit NF-Standard-Beschichtung ohne TPE	51	68
Filter mit NF-Beschichtung mit 2 Gew.-%*) 5702 F2 Estane^®	74	75
Filter mit NF-Beschichtung mit 2 Gew.-%*) 5719 Estane^®	71	81
Filter mit NF-Beschichtung mit 2 Gew.-%*) 5778 Estane^®	77	96

*) Die Angabe bezieht sich auf die eingesetzte Menge an Polymer für Nanofasern.

Beispiel 2:

Ein genopptes C2-Medium (Hersteller: Trema-Filter GmbH) mit einer Breite von 80 cm, welches im Meltblown-Verfahren hergestellt wurde, verfügt über ein Flächengewicht von 100 g/m². Dieses Vlies wurde mit Nanofasern im Elektrospinning-Verfahren beschichtet. Die Spannung an den Elektroden betrug 25 kV. Als Beschichtungslösung wurde eine 10 Gew.-%-ige Polystyrollösung (Polystyrol: BASF 160 KH) in Methylethylketon mit Zusatz von Estane^® 5702 F2 (Hersteller: Lubrizol Corp., Schweiz) verwendet. In den Versuchen für die Herstellung der nanobefaserten Filter wurden unterschiedliche Estane^®-Konzentrationen eingesetzt, um den Einfluss der Estane^®-Konzentration näher zu beleuchten. Bei der Beschichtung des Referenzmediums wurde kein Estane^® verwendet. Die zuge setzte Menge an Estane^® 5702 F2 bezieht sich auf die eingesetzte Polystyrol-Menge. Die Beschichtungsgeschwindigkeit betrug 4 m/min – bei dieser langsamen Geschwindigkeit sind die erfindungsgemäßen Effekte am deutlichsten zu beobachten (vgl. Seite 11) und die erzielte Nanofaserauflage betrug im Mittel 0,5 g/m². In Tabelle 3 ist der Einfluss von Standard-, d. h. nicht TPE-modifizierten, und TPE-modifizierten Nanofasern auf Druckabfall und die NaCl-Abscheideleistung an einem mit modifizierten Nanofasern belegten Beispiel-Vlies im Gegensatz zu einem Vlies mit NF-Standardbeschichtung gezeigt. Die mit den modifizierten Nanofasern belegten Vliese (Flächenware) zeigen eine deutlich höhere NaCl-Abscheideleistung im Vergleich zu Vliesen mit Standard-Nanofasern. Die Auflagefläche für die Nanofasern ist, wie bereits erwähnt, sehr gering, da lediglich die Erhöhungen der strukturierten Medien damit bedeckt werden (”Stegeffekt”). Im Fall solcher strukturierten Medien können daher schon geringe Kräfte (wie bspw. ein Auf- oder Abrollen) zum Ablösen der Nanofasern führen. Daher sind hier auch Messungen/Vergleiche an den Flächenwaren sinnvoll. Tabelle 3

	NaCl-Abscheidung [%] im Bereich von 0,5–1 μm	Druckabfall [Pa] bei 9 kg/min
Genopptes C2-Vlies mit NF-Standard-Beschichtung ohne Estane^®	63	71
Genopptes C2-Vlies mit NF-Beschichtung mit 2 Gew.-%*) 5702 F2 Estane^®	77	74
Genopptes C2-Vlies mit NF-Beschichtung mit 5 Gew.-%*) 5702 F2 Estane^®	80	75
Genopptes C2-Vlies mit NF-Beschichtung mit 7,5 Gew.-%*) 5702 F2 Estane^®	73	70

Beispiel 3:
Ein genopptes C2-Vliesmedium (Flächengewicht 120 g/m², Hersteller: Irema-Filter GmbH) wurde je mit Standard-Nanofasern und mit modifizierten Nanofasern beschichtet. Dieses Vlies wurde mit Nanofasern im Elektrospinning-Verfahren beschichtet. Die Spannung an den Elektroden betrug 25 kV. Als Beschichtungslösung wurde eine 10 Gew.-%-ige Polystyrollösung (Polystyrol: BASF 160 KH) in Methylethylketon mit Zusatz von Estane^® 5778 (Hersteller: Lubrizol Corp., Schweiz) verwendet. Bei der Beschichtung des Referenzmedi ums wurde kein Estane^® verwendet. Die zugesetzte Menge an Estane^® bezieht sich auf die eingesetzte Polystyrol-Menge. Die Beschichtungsgeschwindigkeit betrug 4 m/min – bei dieser langsamen Geschwindigkeit sind die erfindungsgemäßen Effekte am deutlichsten zu beobachten und die erzielte Nanofaserauflage betrug im Mittel 0,5 g/m². Aus NF-freien, mit Standard-NF-beschichteten und mit modifizierten Nanofasern beschichteten Vliesen wurden Luftfilter gefertigt, deren geometrische Daten in Tabelle 4 gezeigt sind. Tabelle 4

Filtergeometrie (L × B × H; mm) 298 × 204 × 30

Anströmfläche (dm²) 5,979

Medienfläche (m²) 0,486

Faltenhöhe (mm) 28

Faltenabstand (mm) 7

Faltenanzahl 43

In Tabelle 5 ist der Einfluss von Standard-, d. h., nicht TPE-modifizierten, und TPE-modifizierten Nanofasern auf Druckabfall und die NaCl-Abscheideleistung an einem Beispiel-Filter gezeigt. Der Filter mit den modifizierten Nanofasern zeigt eine deutlich höhere NaCl-Abscheideleistung im Vergleich zum Filter mit Standard-Nanofasern. Tabelle 5

	NaCl-Abscheidung [%] im Bereich von 0,5–1 μm	Druckabfall [Pa] bei 9 kg/min
Filter ohne NF-Beschichtung	35	66
Filter mit NF-Standard-Beschichtung ohne TPE	61	87
Filter mit NF-Beschichtung mit 2 Gew.-%*) 5778 Estane^®	87	93

Wie Beispiel 1 belegt, zeigen die Filter, welche mit Estane^®-modifzierten Nanofasern belegt wurden, eine deutlich höhere Abscheideleistung bei moderatem Druckverlust als die Filter, welche nur mit den Standard-Nanofasern belegt wurden.
Die Beispiele 2 und 3 belegen einen weiteren Vorteil der Erfindung. Werden Nanofasern auf ein genopptes Vliesmedium (z. B. genopptes C2 von Irema-Filter GmbH) abgelegt, wird ein Großteil der Nanofasern wieder zerstört bzw. gar nicht erst auf das Vlies abgelegt. Dies wird durch den ”Stegeffekt” derartiger Medien bedingt, d. h., lediglich die erhöhten Bereiche bilden für die Nanofasern einen tragenden Bereich, die Vertiefungen werden von den Nanofasern lediglich überspannt. Dadurch bedingt werden die Nanofasern, insbesondere über den Vertiefungen, schon durch geringe mechanische Beanspruchungen zerstört und stehen somit dem Filtrationszweck nicht mehr zur Verfügung.
Wie aus Beispiel 2 weiter hervorgeht, zeigen die modifizierten Nanofasern auf dem genoppten C2-Vlies bessere Leistungsdaten als die Standard-Nanofasern ohne thermoplastisches Elastomer. Dieses Ergebnis ist wiederum auf die mechanische Deformationspuffer-Wirkung der TPE-Domänen zurückzuführen.
Das Beispiel 3 zeigt, dass die erfindungsgemäß TPE-modifzierten Nanofasern auch im Fall der genoppten Vliesmedien eine Verbesserung der Leistungsdaten bewirken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10063518 A1 [0006]
- DE 10155448 A1 [0006]
- EP 818230 B1 [0008]
- DE 29907699 U1 [0008]
- EP 1366791 A1 [0009]
- EP 1733776 A2 [0010]
- DE 4402857 A1 [0011]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- R. Dersch et al., Chemie in unserer Zeit, Vol. 39, pp. 26–35, 2005 [0002]
- THF – S. Megelski et al., Macromolecules Vol. 35 (22), 8456–8466, 2002 [0004]
- J. S. Stephens et al., Applied Spectroscopy, Vol. 55 (10), 1287–1290 [0004]
- DMF – S. Megelski et al., Macromolecules Vol. 35 (22), 8456-8466, 2002 [0004]
- J. A. E. Senador et al., Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 661, KK 5.9.1.-OKK5.9., 2001 [0004]
- MEK – H. F. Jia et al., Biotechnology Progress, Vol. 18 (5), 1027–1032, 2002 [0004]
- ISO 34-1B [0044]
- DIN 53515 [0044]
- DIN 53515 [0044]

Claims

Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von thermoplastischen Polymeren zum Erhalt von Nano- und Mikrofasern, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Lösen des thermoplastischen Polymeren in einem entsprechenden Lösungsmittel; – Zugeben eines thermoplastischen Elastomeren (TPE) zu dieser Lösung; und – Einbringen der Lösung in ein elektrisches Feld und Verspinnen unter Einwirkung des elektrischen Feldes zu Nano- und Mikrofasern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoplastische Polymere ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Polystyrol, Polyamid-6, Polyamid-6,6, Polyamid-6,10 und Blockcopolymer-Polyamiden, wie bspw. Polyamid-6/6,6/13,6, Polyetherimiden, Polycarbonaten, Polybutylenterephthalaten, Polyethylenterephthalaten, Polysulfonen, Polyethersulfonen sowie Polyolefinen wie Polypropylen und Polyethylen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Ameisensäure, Methylethylketon, Aceton, Tetrahydrofuran, Tetrahydronaphtalin und N-Methylpyrrolidon sowie Gemische dieser Lösungsmittel.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das TPE ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Polyurethanen, Polystyrolcopolymeren, mischbaren und unmischbare Elends aus Polyolefinen und Elastomeren, Copolyamiden und Copolyestern.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoplastischen Polyurethane aromatische Polyester-basierte thermoplastische Polyurethane sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das TPE in einer Menge von 0,5 und 25 Gew.-%, vorzugsweise 0,5 und 10 Gew.-%, weiter vorzugsweise 2 und 7,5 Gew.%, bezogen auf die eingesetzte thermoplastische Polymer-Menge, zugegeben wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern im elektrischen Feld bei einer Spannung von 10 bis 50 kV, vorzugsweise von 20 bis 30 kV, versponnen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das TPE während des Spinnprozesses in Form von rundlichen Domänen in das Fasergespinst integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fasergespinst über pfropfartige TPE-Domänen mit einem Durchmesser von ungefähr 0,05 μm bis ungefähr 50 μm, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 5 μm, verfügt, welche durch netzwerkähnliche Strukturen verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugten Nano- und Mikrofasern auf ein Vlies abgelegt werden.
Vliesmedium, enthaltend eine faserige Beschichtung aus Nano- oder Mikrofasern, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.
Filterelement, enthaltend ein Vliesmedium nach Anspruch 11.
Verwendung des Filterelements nach Anspruch 12 als Kabinenluftfilter, Umluftfilter, Reinraumfilter, Abluftfilter, Wohnraumfilter, Motorzuluftfilter, Ansaugfilter, Kompaktluftfilter und/oder Staubsaugerfilter.
Thermoplastische Polymer-Nano- oder Mikrofasern, hergestellt nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10.