DE2032072C3 - Elektrostatisches Spinnverfahren zur Herstellung von Filtermaterial - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein elektrostatisches Spinnverfahren zur Herstellung von Filtermaterial aus Spinnlösungen.

Es sind Verfahren bekannt, nach denen Spinnfasern verschiedener Art auf Textilmaschinen wie Krempelmaschinen oder Nadelmaschinen zu Faservliesen verarbeitet werden, deren Faserstruktur so beschaffen ist, daß Staubteilchen, die in einem das Vlies durchströmenden Gas enthalten sind, von den Fasern zurückgehalten werden, woraus sich eine Verwendung solcher Vliese als Luftfilter ableiten läßt. Die Wirksamkeit solcher Filter ist zu einem wesentlichen Teil von der Feinheit und Dichte der Fasern abhängig. Einen anderen bedeutenden Einfluß auf die Filterwirkung hat die elektrostatisehe Aufladung der Fasern, die im Inneren des Vlieses starke, inhomogene elektrische Felder erzeugt, durch die geladene und aucii ungeladene Staubteilchen zur Abscheidung an der Faseroberfläche gebracht werden, wo sie durch Haftkräfte festgehalten werden. Aufladungen dieser Art können z. B. durch Reibung des Fasermaterials während der Verarbeitung zum Vlies erzeugt werden. Es ist bekannt, daß man zu diesem Zweck auch Fasergemische verwendet, die aus verschiedenartigem Material bestehen, das sich bei gegenseitiger Reibung unterschiedlich auflädt, wobei Potentialunterschiede und inhomogene elektrische Felder zwischen den Fasern entstehen.

Aus der deutschen Patentschrift 6 89 870 geht hervor, daß die Herstellung von Fasern aus faserbildenden Flüssigkeiten mit Hilfe elektrischer Felder im Prinzip schon seit längerer Zeit bekannt ist Insbesondere befaßt sich die DT-PS 6 89 870 mit dem Problem, wie man durch Verspinnen in elektrischen Feldern parallelorientierte Faserbündel erzeugen kann, die zur Weiterverarbeitung für textile Zwecke geeignet sind. Dieses Problem wird im wesentlichen dadurch gelöst, daß an der Gegenelektrode eine so hohe Feldstärke erzeugt wird, daß kurz vor der Gegenelektrode ein Abstoßungseffekt eintritt, so daß ein Anlagern der Fasern an der Gegenelektrode verhindert wird. Dieses Verfahren geht im übrigen von einem Stand der Technik aus, wie er z. B. in der US-PS 19 75 504 beschrieben ist. Die US-PS 19 75 504 ist ebenfalls auf die Herstellung von bündeiförmigen Garnen gerichtet. Es werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben, die zu einem Fadenbündel mit parallel orientierten Einzelfasern führen. Als fasererzeugende Elektrode wird ein umlaufendes, von der Spinnlösung benetztes Zahnrad verwendet. Es liegt auf der Hand, daß man auf diesem Wege kein gleichmäßiges Vlies herstellen kann. Da es in beiden Patentschriften um die Herstellung von textlien Garnen geht, wird dieses Problem auch gar nicht angeschnitten.

Aus der US-PS 34 06 660 ist ferner eine ringförmige Sprühelektrode zur Zerstäubung von Flüssigkeiten bekannt. Die Anordnung findet Verw.ndung zur Übertragung des Bildfarbstoffes bei der Elektrophotographie. Während es hier um die ultrafeine Zerstäubung geht, muß beim Spinnvorgang darauf geachtet werden, daß ein zusammenhängender Faden erzeugt wird. Ein Spinnprozeß, bei dem die Fäden häufig abreißen, so daß es zu einer Anhäufung von fadenfragmenten kommt, wäre technisch unbrauchbar. Aus diesem Grunde muß ein Zerstäubungseffekt, wie es in der US-PS 34 06 660 beschrieben ist, beim Verspinnen im elektrischen Feld auf alle Fälle vermieden werden. Die Aerosolherstellung durch elektrostatisches Versprühen und das Verspinnen von Polymerlösungen in elektrischen Feldern sind physikalisch grundverschieden. Die in der US-PS 34 06 660 enthaltene Lehre ist daher auf das vorliegende Problem nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eineF Filtermaterials mit höchster Faserfeinheit und hoher elektrostatischer Aufladung in einem einzigen Arbeitsgang zu entwickeln.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die Spinnlösung durch leitfähig machende Zusätze auf einen Leitfähigkeitswert im Bereich von 10 ^q Ohm-' cm-' bis 10⁴ Ohm¹ cm¹ eingestellt und ein flächiges Wirrvlies gleichmäßiger Dicke abgeschieden wird.

Als Spinnflüssigkeiten werden dabei Lösungen von Hochpolymeren in leicht verdampfenden organischen Lösungsmitteln eingesetzt. Es wurde festgestellt, daß die Faserdicke durch die elektrische Leitfähigkeit der Spinnflüssigkeit beeinflußt werden kann. Die Faserdicke wird größer bei kleinerer Leitfähigkeit der Spinnflüssigkeit. Die Leitfähigkeit kann durch angemessene Zugabe ionenbildender organischer Salze zur Spinnflüssigkeit in den meisten Fällen auf den gewünschten Wert eingestellt werden. Auch durch geeignete Wirkung verschiedener Lösungsmittel oder der gelösten Substanzen kann die Leitfähigkeit verändert werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man sehr dünne und stark elektrisch aufgeladene Fasern in

großer Zahl, die sich gleichmäßig verteilt auf dem leitfähigen Träger niederschlagen und dort ein fertiges Vlies bilden, das nach dem Abschalten der Anlage abgehoben werden kann. Es lassen sich auf diesem Wege Fasern mit Stärken unter 1 μ herstellen. Die ,"asern sind häufig bandförmig ausgebildet und zeigen im Elektronenmikroskop eine stark poröse Oberflächenstruktur.

Zürn Verspinnen der Flüssigkeiten wird zweckmäßig eine rotierende Ringelektrode verwendet, die mit ihrem unteren Teil in die Flüssigkeit eintaucht und fortlaufend benetzt wird. Die von der Lackspritztechnik her bekannten Elektrodenformen, wie rotierende Glocken, Scheiben oder feststehende Sprühkanten sind für das Spinnverfahren nicht geeignet, da der Abs>prühVorgang nach kurzer Zeit durch die am Sprührand eingetrocknete Flüssigkeit blockiert wird. Bei der hier verwendeten Ringelektrode wird die benutzte Oberfläche immer wieder vollständig durch das Flüssigkeitsbad gezogen, von angetrockneten Rückständen gereinigt und neu benetzt.

Da Vliese aus sehr dünnen Fasern weich und berührungsempfindlich sind, ist es in vielen Fällen vorteilhaft, die obere und untere Grenzschicht durch dünnere gasdurchlässige Trägerschichten zu schützen. Zu diesem Zweck wird das Fasermaterial auf Niederschlagselektroden «.„ beiden Seilen der Ringelektrode abgeschieden und die Oberfläche der Niederschlagselektroden mit einer selbsttragenden, gasdurchlässigen Trägerschicht bedeckt. Die Trägerschicht besteht dabei vorteilhaft aus einem Gewebe oder Faservlies gröberer Struktur, das in konventioneller Weise hergestellt wird. Bei der erfindungsgeinäßen Filterherstellung wird die Niederschlagselektrode mit diesem Gewebe abgedeckt und dann direkt mit der Feinfaser auf elektrostatischem Weg besprüht.

Die Filterwirkung der Faservliese für kleinste Staubteilchen beruht zu einem bedeutenden Anteil auf der Wirkung elektrischer Felder zwischen den Fasern. Zur Erhöhung der Feldstärke ist es notwendig, größere Potentialunterschiede innerhalb des Vlieses zu erzeugen. Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung lassen sich die größten Potentialunterschiede dadurch herstellen, daß die Filterschicht aus Faserteilschichten mit positiver und negativer Ladung zusammengesetzt wird, wobei die Ladung der Teilschichten durch Versprühen der Fasersubstanz mit wechselnder Polarität der Sprühelektrode erzeugt wird.

Wegen der schlechten Leitfähigkeit der trockenen dünnen Faser bleiben die auf diese Weise erzeugten Ladungen innerhalb der Schichten über Monate erhalten.

Die Wirksamkeit der Faserfilter läßt sich weiterhin dadurch verbessern, daß grobe und feine Fasern in das Vlies eingearbeitet werden, wobei die groben Fasern ein mechanisch festeres Gerüst und die feinen Fasern überwiegend den für die Filterung wirksamen Anteil liefern. Diesen Effekt kann man dadurch erzielen, daß nacheinander verschiedene Spinnlösungen mit höherer und niedrigerer Leitfähigkeit versprüht und die gebildeten Fasern auf der gleichen Unterlage niedergeschlagen werden.

Als Spinnlösung hat sich eine Lösung von Polycarbonat in Methylenchlorid bewährt. Andere geeignete Hochpolymere sind z. B. Polystyrol oder Celluloseester. Als Lösungsmittel können neben Methylenchlorid auch Chloroform oder Tetrachlorkohlenstoff eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Anlage zur Herstellung von Faservliesen unter Einwirkung starker elektrischer Felder und

F i g. 2 die ringförmige Sprühelektrode.

Grundsätzlich besteht die gesamte Anlage aus einer Sprühelektrode 1, von der die Sprühflüssigkeit abgesprüht wird, und Niederschlagselektroden 2, auf denen sich die elektrisch geladene Faser niederschlägt. Die Spannung zwischen den Elektroden liegt bei Werten zwischen 50 und 200 kV. Die elektrische Versorgung der Anlage erfolgt aus der Hochspannungsquelle 3. Das niedergeschlagene Fasermaterial 4 wird auf beweglichen Elektroden, z. B. Transportbändern 5 aus der Sprühzone herausgeführt. Der Abstreifer 6 dient zur kontinuierlichen Entfernung des niedergeschlagenen Fasermaterials. Die zu verspinnenden Lösungen befinden sich im Vorratsbehälter 7, aus dem die Spinnflüssigkeit von der Ringelektrode 8 kontinuierlich entnommen und in den Sprühraum 9 geführt wird, wo der Spinnvorgang stattfindet. Die entstehenden Lösungsmitteldämpfe werden durch einen Abzugskanal 10 abgezogen.

Fig.2 zeigt die Ringelektrode in Seitenansicht. Die Ringelektrode 8 ist auf Rollen 11, 12, 13 drehbar gelagert und taucht mit dem unteren Teil in die Spinnflüssigkeit 14 ein. Der Antrieb erfolgt durch die isolierende Welle 15 mit Hilfe des Getriebes 16 (F i g. 1).

Bei der Rotation in Pfeilrichtung wird eine dünne Flüssigkeitsschicht an der Ringoberfläche in den Außenraum getragen und kann dort unter dem Einfluß des elektrischen Feldes abgesprüht werden. Am freiliegenden Teil des Ringes bilden sich unter der Einwirkung des Feldes auf die Flüssigkeitshaut zahlreiche Flüssigkeitsspitzen 17 aus, die am Ende in dünne Spinnfäden übergehen. Die Spinnfäden lösen sich ab und verfestigen sich durch Verdunstung des Lösungsmittels. Beim Ablösen sind die Fäden stark aufgeladen und bewegen sich infolge ihrer Ladung im elektrischen Feld auf die Niederschlagselektrode hi.i, wo sie abgeschieden werden und sich zu einem Vlies formieren.

Auf die Ausbildung dünner, trockener Fäden hat ferner die Lufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit einen deutlichen Einfluß. So wurde festgestellt, daß die günstigsten Bedingungen für die Herstellung guter Filtervliese bei Lufttemperaturen zwischen 2O⁰C und 30⁰C mit einer relativen Feuchte von weniger als 40% liegen.

Beispiel 1

Eine Spinnflüssigkeit wird aus einer 10%igen Lösung von Polystyrol (Molekulargewicht- 180 000) in Methylenchlorid angesetzt. Die elektrische Leitfähigkeit der Lösung liegt bei κ = 2.10~⁷ Ohm-'cm '. Als Sprühelektrode wird eine Ringelektrode nach F i g. 2 mit dem Durchmesser von 1 m verwendet. Der Abstand zu den beiderseits des Ringes angeordneten Niederschlagselektroden beträgt je 0,5 m. Zwischen Ring und Niederschlagselektroden liegt eine Spannung von 12OkV, wobei der Ring positiv ist. Während des Sprühvorganges rotiert der Ring mit der Geschwindigkeit von 30 Umdr./Min. Auf den Niederschlagselektroden, die mit dünnen, gut luftdurchlässigen, in herkömmlicher Weise vorgefertigten Vliesen aus Cellulose bedeckt sind, entsteht nach wenigen Minuten ein 2 bis 3 mm dickes Vlies aus trockenen, porösen Polystyrolfasern unterschiedlicher Stärke, im Mittel ca. 20 μηι stark. Durch Abnehmen des so beschichteten Trägervüeses

von den Elektroden und durch Aufeinanderlegen zweier Schichten derart, daß sich die von dem Trägervlies nicht bedeckten Flächen berühren, erhält man ein sofort einsatzfähiges Luftfilter, dessen Durchlässigkeit für Raumluftstaub mit einem Teilchendurchmesser größer als 0,5 μιη verschwindend ist.

Beispiel 2

Eine 12%ige Lösung von Polycarbonat (Molekulargewicht um 50 000) in Methylenchlorid hat eine Leitfähigkeit von κ = 1.10-⁸OhIn^-1Cm"¹. Durch Zugabe weniger Tropfen einer konzentrierten Lösung von Dimethylu. tradezylbenzylammoniumbromit in Methanol zu I I Spinnflüssigkeit wird die Leitfähigkeit auf I.IO-⁶ Ohm-'cm-' erhöht. Diese Spinnflüssigkeit wird in der Vorrichtung nach Beispiel 1 versprüht. Man erhält ein Faserfilter, dessen Faserstärke im Mittel bei 5 bis '10 μιη liegt und dessen Fasern bandförmiges Aussehen haben. Die Oberfläche jeder Faser ist von Poren von 0,1 bis 0,2 μιη Größe durchsetzt. Die Filterwirkung ist praktisch vollkommen für Staubteilchen größer als 0,3 μ.

Beispiel 3

ίο Eine 12%ige Lösung von Polyacrylnitril in Dimethylformamid besitzt die extrem hohe Leitfähigkeit von 1.10 ⁴ Ohm¹ cm-'. Mit positiver Ringelektrode nach Beispiel 1 versprüht, liefert die Spinnflüssigkeil ein äußerst feinfasriges Vlies mit Faserslärken von 0,4 μιη und sehr guter Filterwirkung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektrostatisches Spinnverfahren zur Herstellung von Filtermaterial aus Spinnlösungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinnlösung durch leitfähig machende Zusätze auf einen Leitfähigkeitswert im Bereich von 10~⁹ Ohm-' cm"¹ bis 10"⁴ Ohm-' cm*¹ eingestellt und ein flächiges Wirrvlies gleichmäßiger Dicke abgeschieden wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Versprühen der Flüssigkeiten eine rotierende Ringelektrode verwendet wird, die mit ihrem unteren Teil in die Flüssigkeit eintaucht und fortlaufend benetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial auf Niederschlagselektroden zu beiden Seiter, der Ringelektrode abgeschieden wird und die Oberfläche der Niederschlagselektroden mit einer selbstiragenden, gasdurchlässigen Trägerschicht bedeckt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschicht aus Faserteilschichten mit positiver und negativer Ladung zusammengesetzt wird, wobei die Ladung der Teilschichtcn durch Versprühen der Fasersubstanz mit wechselnder Polarität der Sprühelektrode erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander verschiedene Spinnlösungen mit höherer und niedrigerer Leitfähigkeit versprüht und die gebildeten Fasern auf der gleichen Unterlage niedergeschlagen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangssubstanz eine Lösung von Polycarbonat in Methylenchlorid verwendet wird.