DE60100985T2

DE60100985T2 - Mehrlagiger Filter und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE60100985T2
Application number: DE60100985T
Authority: DE
Inventors: Jan Schultink; Bas Schultink
Original assignee: Airflo Europe NV
Current assignee: Airflo Europe NV
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2021-03-03
Also published as: CA2439300C; ZA200208206B; WO2002070107A2; EP1236494A1; EP1236494B1; DE60100985D1; CN1244391C; CA2439300A1; NZ527814A; CN1457266A; WO2002070107A3; CZ20032598A3; US7094270B2; AU2002240938B2; ES2208481T3; DK1236494T3; US20040083695A1; PL363317A1; JP2004532098A; PT1236494E

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen mehrlagigen Filter zum Entfernen von festen Partikeln bzw. Teilchen, die in einem Strom von Umgebungsluft mitgerissen werden. Genauer betrifft sie einen mehrlagigen Filter, der wenigstens eine nicht vorgebondete, stromaufwärts angeordnete Lage und eine nicht vorgebondete, stromabwärts angeordnete Lage umfasst, die zum Filtern von Partikeln aus Umgebungsluft nützlich sind.
Der Begriff "vorgebondet" bedeutet hier, dass eine Filtermediumzusammensetzung, wie thermisch bondbare Schmelzfasern oder klebend bindbare Fasern, in einer solchen Weise behandelt wird, dass der Bindemechanismus aktiviert wird, um auf diese Weise ein separates, freistehendes, zusammenhängendes und typischerweise selbsttragendes Vlies dieser Filterzusammensetzung zu bilden. Ein solches vorgebondetes Vlies kann mechanisch durch Prozesse, wie Aufwickeln auf eine Rolle, Abwickeln von einer Rolle, Schneiden und Ähnliches, mechanisch verarbeitet werden.
Der Begriff "Lage" bedeutet hier ein Band, das aus nicht vorgebondetem Filtermaterial als eine Lage einer einheitlichen Lagenstruktur gebildet ist. Im Gegensatz dazu bedeutet eine "Schicht" ein separates, vorgebondetes, selbsttragendes Vlies aus Filtermaterial.
Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
In der letzten Zeit wurde die Technik zum Filtern von Partikeln aus Gasen sowohl in herkömmlichen Anwendungen, wie verbraucherorientiertem Staubsaugen von Schmutz und Staub, als auch in sehr anspruchsvollen industriellen Anwendungen, wie ein Entfernen von spezifischen Teilchengrößenanteilen einer breiten Vielzahl von Verschmutzungen, von inert bis biochemisch empfindlich, aus Gasen unter anderem hoch entwickelt. Es ist nun sehr anerkannt, dass die verschmutzenden Partikel in einem Gasstrom eine große Vielfalt von Größen, geometrischen Formen, z. B. länglich und sphärisch, und chemi schen und physischen Zusammensetzungen, z. B. geruchsfreie und geruchsabgebende Partikel, haben können.
Folglich hat sich die Filtrationstechnologie entwickelt, um Filtermedien bereitzustellen, die zum optimalen Filtem von spezifischen Anteilen der verschmutzenden Partikel angepasst sind. Auch hat diese Technologie Techniken zum Maximieren verschiedener Leistungscharakteristika von Filtern entwickelt, wie ein Aufrechterhalten eines geringen Druckabfalls über den Filter und ein Erhöhen der Filterlebensdauer, um so die Zeitdauer zwischen dem Austauschen von Filterelementen zu erweitern.
Der herkömmliche Ansatz, um diese Ziele zu erreichen, bestand darin, ein mehrschichtiges Filtermedium bereitzustellen, das aus getrennten, individuell entworfenen Schichten zusammengesetzt ist, die jede für sich das Erzielen in erster Linie einer und manchmal mehrerer spezifischer Filtertunktionen vorgesehen waren. Beispielsweise wird ein sehr offenes, poröses und dünnes Scrim häufig verwendet, um darunter liegende Filterschichten vor Abrasion durch sich schnell bewegende, große und harte Partikel zu schützen; eine poröse und voluminöse Schicht wird typischerweise verwendet, um wesentliche Mengen an hauptsächlich großen Partikeln einzufangen bzw. zu speichern, und eine Schicht mit geringer Porosität und aus Filamenten mit ultrafeinem Durchmesser wird üblicherweise zum Entfernen der kleinsten Partikel zum Erhöhen der Filtrationseffizienz vorgesehen. Aus der großen verfügbaren Auswahl werden separate Filterschichten ausgewählt und in einer vorher ausgewählten Anordnung kombiniert, dann als Gruppe angeordnet, um einen mehrschichtigen und daher multifunktionalen Filter zu bilden. Die eine oder mehreren benachbarten Schichten können aneinander gebondet sein, oder die Schichten können ungebondet sein. Wahlweise können die einzelnen Schichten zwischen Abdeckungen, typischerweise aus Papier, für strukturelle Integrität und einfache Handhabung angeordnet sein.
Ein Nachteil des zuvor genannten Mehrschichtsystems zum Konstruieren von multifunktionalen Filtern besteht darin, dass ein wiederholtes Bearbeiten der Filtermedien vorhanden ist, was übermäßig sein kann. Das heißt, dass Filtermaterial in einer gegebenen Schicht wird zuerst verarbeitet, um eine einzelne Schicht zu bilden, dann wird es bearbeitet, um diese Schicht in dem mehrschichtigen Filter zusammenzusetzen. Jeder Schritt führt zu einer weiteren Verdichtung und Abdeckung bzw. Bedeckung, selbst nur geringen, des finalen Filterprodukts. Dies neigt dazu, den Druckabfall durch den Filter zu erhöhen und die Staubspeicherkapazität zu reduzieren, wodurch die Lebensdauer eingeschränkt wird, Die WO 01/03802 offenbart einen mehrlagigen Filter, umfassend wenigstens eine nicht vorgebondete stromaufwärts angeordnete Lage und eine nicht vorgebondete stromabwärts angeordnete Lage. Wie jedoch nachher im einzelnen gezeigt wird (2), tritt in diesem mehrlagigen Filter ein verhältnismäßig hoher Druckabfall über den mehrlagigen Filter auf. Außerdem ist auch die Lebensdauer dieses Filters gering.
Daher ist es das der Erfindung zugrunde liegende objektive Problem, einen mehrlagigen Filter bereitzustellen, bei dem der Druckabfall über den Filter gering gehalten wird und der eine lange Lebensdauer hat.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dieses objektive Problem wird durch einen mehrlagigen Filter zum Filtern eines Stroms an Umgebungsluft gelöst, umfassend wenigstens eine nicht vorgebondete, stromaufwärts angeordnete Lage und eine nicht vorgebondete, stromabwärts angeordnete Lage, wobei das Verhältnis des absoluten Porenvolumens von stromaufwärts angeordneter Lage zu stromabwärts angeordneter Lage RAPV > 2 und die absolute projizierte Faserüberdeckung bzw. Faserbedeckung der stromaufwärts angeordneten Lage und der stromabwärts angeordneten Lage APFC > 95%.
Aufgrund der Parameter dieses mehrlagigen Filters wird der Druckabfall über das Filtermedium gering gehalten und die Lebensdauer des Filters wird erhöht.
Weiterhin ermöglicht diese Erfindung, einen mehrlagigen Filter bereitzustellen, der aus wenigstens zwei gestapelten Lagen an Filtrationsmaterial aufgebaut ist, die zusammen gebondet sind, um eine einheitliche Lagenstruktur zu bilden. Die Zusammensetzung des Filtrationsmaterials in jeder gegebenen Lage ist vorausgewählt, um eine gewünschte Filterfunktion durchzuführen. Beispielsweise können feine (d. h. mit kleinem Durchmesser) und dicht gepackte Fasern ausgewählt sein, um sehr kleine Staubpartikel, wie solche von etwa fünf Mikrometern und kleiner, zu speichern. Zusätzlich können auch elektrosta tisch geladene Fasern verwendet werden, um den Durchgang dieser und sogar kleinerer Partikel zu verhindern. In gleicher Weise können voluminöse ("bulky") hochporöse Medien, die entwickelt wurden, um eine große Staubspeicherkapazität zu haben, verwendet werden, um Schmutzpartikel mittlerer und großer Größe einzufangen bzw. zu halten.
Da der mehrlagige Filter der Erfindung nicht vorgebondete Lagen umfasst, wird das Bonden wenigstens einer und vorzugsweise aller Lagen, um die einheitliche Struktur zu bilden, erst begonnen, nachdem das Stapeln aller Lagen einer gewünschten mehrlagigen Filterstruktur vollendet wurde. Die resultierende Struktur ist ein einzelner Körper, der aus verschiedenen Arten von Filtrationsmaterial zusammengesetzt ist, die als unterschiedliche Lagen erscheinen.
Daher wird die Lagenstruktur gebildet, indem ein Stapel von Lagen aus ausgewählten Filtrationsmaterialien aufgebaut wird. Da die Lagen nicht vorgebondet sind, sind die Komponenten jeder Lage, d. h. Fasern, Körnchen bzw. Granulat etc., im Allgemeinen lose durch mechanische oder Air-Laying-Verfahren auf die darunter liegende Schicht abgelegt. Innerhalb einer Lage ist die Zusammensetzung an Filtermaterial größtenteils gleichmäßig und es gibt eine "verschwommene" ("fuzzy") Grenzfläche zwischen den Lagen.
Vorzugsweise umfasst der mehrlagige Filter der zuvor genannten Art ein Verhältnis von mittlerem Porendurchmessern von stromaufwärts- zu stromabwärts angeordneter Lage RPD in dem Bereich von 4 < RPD < 10.
Aufgrund dieses Verhältnisses ist die Staubhaltekapazität der stromaufwärts angeordnete Lage stark vergrößert, so dass die stromaufwärts angeordnete Lage als Vorfilter für die stromabwärts angeordnete Lage dient, ohne den Druckabfall über den mehrlagigen Filter zu erhöhen.
Zusätzlich aber nicht ausschließlich kann ein solcher mehrlagigen Filter einen mittleren Porendurchmesser der stromaufwärts angeordnete Lage PDU mit PDU > 60 μm, vorzugsweise in dem Bereich 80 μm < PDU < 200 μm umfassen.
Alle zuvor diskutierten mehrlagigen Filter können stromaufwärts angeordnete Lagen mit einem relativen Porenvolumen RPVU > 94%, vorzugsweise RPVU > 96%, einer Dichte ADU < 0,05 g/cm³ und einer Dicke D in dem Bereich von 0,5 mm < D < 2,5 mm umfassen. Ein Auswählen dieser Parameter resultiert in einer stromaufwärts angeordneten Lage mit dem gewünschten RAPV und APFC.
Weiterhin können diese mehrlagigen Filter auch stromabwärts angeordnete Lagen mit einem relativen Porenvolumen RPVD umfassen, das kleiner als RPVU ist, einer Dichte („apparent density") ADD in dem Bereich von 0,07 g/cm³ < ADD < 0,14 g/cm³ und einer Dicke D in dem Bereich von 0,1 mm < D < 0,4 mm. Ein Auswählen dieser Parameter resultiert in einer stromabwärts angeordnete Lage mit dem gewünschten RAPV und APFC.
Weiterhin kann die stromaufwärts angeordnete Lage jedes der zuvor diskutierten mehrlagigen Filter vorzugsweise Fasern mit einer Länge in dem Bereich von 0,1 mm bis 3,0 mm umfassen.
Aufgrund einer solchen Struktur kann die stromaufwärts angeordnete Lage voluminöser gemacht werden, um eine größere Straubhaltekapazität bereitzustellen.
Vorzugsweise können die zuvor diskutierten mehrlagigen Filter eine stromaufwärts angeordnete Lage mit einem Staubrückhaltevermögen DR bezüglich Staubpartikeln mit einem Durchmesser, der dem mittleren Porendurchmesser der stromabwärts angeordneten Lage entspricht, von DR > 99% umfassen.
Dieses Merkmal vermeidet ein Verstopfen der stromabwärts angeordnete Lage und hält damit einen geringen Druckabfall durch den Filter aufrecht und erhöht weiterhin die Lebensdauer des mehrlagigen Filters.
Zusätzlich aber nicht ausschließlich kann dieser Effekt in einem mehrlagigen Filter erhöht werden, indem die Orientierung der Fasern in Flussrichtung in der stromaufwärts angeordneten Lage höher als in der stromabwärts angeordneten Lage ist. Eine solche Struktur verbessert weiterhin ein Aufrechterhalten des Druckabfalls durch den Filter.
Die zuvor diskutierten mehrlagigen Filter können eine stromaufwärts angeordnete Lage aus trockengelegten, thermisch bondbaren Schmelz-, Bikomponenten- oder Monokomponenten-Polymerasem und eine stromabwärts angeordnete Lage aus Meltblown-Fasem umfassen. In diesem Aspekt besteht eine einzelne Lage aus einer einzigen Art von Filtermedium, z. B. 100% Bikomponenten-Polymerfasern, Meltblown-, Stapelfasern oder Spunbond-Filamenten.
Alternativ kann der mehrlagige Filter eine stromaufwärts angeordnete Lage mit einer Zusammensetzung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 100 Gew.-% Bikomponenten-Polymertasem, einer Mischung aus wenigstens 10 Gew.-% Bikomponenten-Polymertasern mit einer komplementären Menge von natürlichen Fasern, wie Fluff-Pulp-Fasern oder Kokon-Fasem, Stapelfasern oder eine Mischung daraus, oder eine Mischung aus wenigstens 10 Gew.-% thermisch bondbaren Monokomponenten-Polymerschmelzfasern mit einer komplementären Menge an Fluff-Pulp-Fasem, Stapelfasern oder einer Mischung daraus, umfassen.
In diesem Aspekt besteht eine einzelne Lage aus einer Mischung von Medien, wie einem Air-Laid, üblicherweise einer gleichmäßigen Mischung aus Bikomponenten-Polymerfasern und Fluff-Pulp(FP)-Fasern.
Da es auch erwünscht ist, eine Lagenstruktur bereitzustellen, können benachbarte Lagen in einem Stapel unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Trotzdem kann die Zusammensetzung einer Lage in dem Stapel wiederholt werden, wobei jedoch wenigstens eine Lage aus einer anderen Zusammensetzung zwischen den Lagen derselben Zusammensetzung vorhanden sein sollte.
Diese Struktur des mehrlagigen Filters unterscheidet sich von der herkömmlicher Mehrschichtfiltrationsmedien, die durch Schichten einer Mehrzahl von individuellen Filtermediumschichten, die jeweils vorgebondet wurden, um ein selbsttragendes Vlies vor dem Bilden der mehrlagigen Schichtstruktur zu bilden, gebildet sind.
Eine solche einheitliche Lagenstruktur stellt eine Zahl signifikanter Vorteile gegenüber herkömmlichen Filtermedien bereit. In einem Aspekt kann die einheitliche Lagenstruktur voluminöser gemacht werden, um eine größere Staubspeicherkapazität als eine Schichtstruktur aus einzelnen, vorgebondeten Schichten mit Zusammensetzungen, die jeweils den Lagen der einheitlichen Struktur entsprechen, bereitzustellen. Dies liegt daran, dass jeder Teil des herkömmlichen Filtermediums wenigstens zweimal komprimiert wird: einmal, wenn die einzelne Schicht durch Bonden gebildet wird und ein zweites Mal, wenn die einzelnen Schichten geschichtet werden, um den Filter zu bilden.
Vorzugsweise können die Bikomponenten-Polymertasern dieser Struktur einen Mantel aus einem Polymer und einen Kern aus einem anderen Polymer mit einem Schmelzpunkt höher als der des einen Polymers aufweisen. Der Kern kann Polypropylen umfasse und der Mantel kann Polyethylen umfassen.
Zusätzlich kann der Kern exzentrisch bezüglich des Mantels angeordnet sein. In einer solchen Struktur kräuseln sich die Fasern mit dem Ergebnis, dass die Voluminösität der Lage weiter erhöht wird.
Vorzugsweise und alternativ können die zuvor diskutierten mehrlagigen Filter eine stromaufwärts angeordnete Lage umfassen, die weiterhin Fasern, ausgewählt aus wenigstens ungeladenen Split-Film-Fasern, geladenen Split-Film-Fasern oder gemischten elektrostatischen Fasern, hat.
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung nun einen mehrlagigen Filter bereit, umfassend wenigstens zwei nicht vorgebondete Lagen, wobei jede Lage unabhängig wenigstens ein Filtrationsmaterial umfasst und von der benachbarten Lage verschieden ist, wobei die Lagen zusammen gebondet sind, um eine einheitliche Lagenstruktur zu bilden, die eine erste Randoberfläche, die zum Empfangen von in Luft mitgerissenen Partikeln ausgebildet ist, und eine zweite Randoberfläche, die zum Auslassen von gefilterter Luft ausgebildet ist, aufweist, wobei dieser mehrlagige Filter einen reduzierten Druckabfall und eine verlängerte Lebensdauer aufweist.
Alle zuvor diskutierten mehrlagigen Filter können in Staubsaugerbeuteln und allgemeiner in Vakuumfiltern verwendet werden. Unter "Vakuumfilter" ist eine Filterstruktur gemeint, die zum Betrieb vorgesehen ist, indem ein Gas, vorzugsweise Luft, das üblicherweise trockene, feste Partikel mit sich reisst, durch die Struktur geführt wird. In dieser Anmeldung wurde die Konvention angenommen, die Seitenlagen und Schichten der Struktur bezüglich der Richtung des Luftstroms zu bezeichnen. Das heißt beispielsweise, die Filtereinlassseite ist "stromaufwärts" und die Filterauslassseite bzw. Filterentladeseite ist "stromabwärts". Manchmal werden hier die Begriffe "vor" und "hinter" verwendet, um die relativen Positionen von Strukturelementen als stromaufwärts bzw. stromabwärts zu bezeichnen. Natürlich wird es einen Druckgradienten über den Filter während der Filtration geben, der manchmal als "Druckabfall" bezeichnet wird. Staubsauger verwenden üblicherweise beutelförmige Filter. Normalerweise ist die stromaufwärts angeordnete Seite eines Staubsauerbeutelfilters die Innenseite, und die stromabwärts angeordnete Seite ist außen.
Zusätzlich zu Staubsaugerbeuteln kann die neue Filterzusammensetzung in Anwendungen, wie Heizungsventilations- und Klimatisier(HVAC)-Systemen, Fahrzeugkabinenluftfiltem, Hocheffizienz- (sogenannte "HEPA") und Reinraumfiltern, Emissionskontrollbeutelhausfiltem, Atemfiltern, Operationsgesichtsmasken und Ähnlichem, verwendet werden. Optional kann der mehrlagige Filter in solchen Anwendungen mit einem zusätzlichen Kohlefilter oder einer Schicht, die Teilchen enthält, in Reihe mit dem mehrlagigen Filter der Erfindung verwendet werden, z. B., um Gerüche oder toxische Verunreinigungen zu absorbieren. Weiterhin können gewisse Anwendungen, wie HEPA- und Reinraumfilter, zusätzliche Schichten in Reihe mit dem mehrlagigen Filter der Erfindung verwenden, wie eine Polytetrafluorethylen(PTFE)-Membran mit geringer Porosität, angeordnet an einer Randoberfläche einer geeigneten einheitlichen Lagenstruktur als mehrlagiger Filter.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Filters der obigen Art bereit, umfassend die Schritte

(a) Legen eines Filtrationsmaterials auf einen Träger, um die nicht vorgebondete, stromaufwärts angeordnete Lage zu bilden,
(b) Ablegen der nicht vorgebondeten, stromabwärts angeordnete Lage auf die stromaufwärts angeordnete Lage, und
(c) Bonden der Lagen, um einen mehrlagigen Filter mit einer einheitlichen Lagenstruktur zu bilden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der neuen Filterzusammensetzung mit einer einheitlichen Lagenstruktur aus zwei Lagen zeigt.
2 ist eine schematische Darstellung, die den Druckabfall des mehrlagigen Filters von 1 und eines mehrlagigen Filters des Stands der Technik zeigt
3 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der neuen Filterzusammensetzung mit einer einheitlichen Lagenstruktur aus drei Lagen zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der neuen Filterzusammensetzung mit einer einheitlichen Lagenstruktur aus vier Lagen zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der neuen Filterzusammensetzung mit einer einheitlichen Lagenstruktur aus fünf Lagen zeigt.
6 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der neuen zweilagigen Filterzusammensetzung aus 1 in Kombination mit einer daran anliegenden Filterschicht zeigt.
7 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der neuen dreilagigen Filterzusammensetzung von 3 in Kombination mit einer daran anliegenden Filterschicht zeigt.
8 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der neuen vierlagigen Filterzusammensetzung von 4 in Kombination mit einer daran anliegenden Filterschicht zeigt.
9 ist eine schematische Darstellung, die einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der neuen fünflagigen Filterzusammensetzung von 5 in Kombination mit einer daran anliegenden Filterschicht zeigt.
10 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die die zweilagige Filterzusammensetzung von 6, gebondet an eine anliegende Filterschicht mit einem Klebemittel oder einer mittels Ultraschall gebondeten Schicht, zeigt.
11 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die die dreilagige Filterzusammensetzung von 7, gebondet an eine anliegende Filterschicht mit einem Klebemittel oder einer mittels Ultraschall gebondeten Schicht, zeigt.
12 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die die vierlagige Filterzusammensetzung von 8, gebondet an eine anliegende Filterschicht mit einem Klebemittel oder einer mittels Ultraschall gebondeten Schicht, zeigt.
13 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, die die fünflagige Filterzusammensetzung von 9, gebondet an eine anliegende Filterschicht mit einem Klebemittel oder einer mittels Ultraschall gebondeten Schicht, zeigt.
14 ist eine schematische Darstellung eines Inline-Prozesses zum Herstellen eines mehrlagigen Filters gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im folgenden und bevor die bevorzugten Ausführungsbeispiele explizit diskutiert werden, werden verschieden Filtermaterialzusammensetzungen, die in geeigneter Weise in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ausführlicher beschrieben: Bezüglich der Diskussion unten wurde der DIN 44956-2-Test verwendet, um die Zunahme an Druckabfall von fünf unterschiedlichen Beispielen an Staubsaugerbeutelkon struktionen nach einer Staubladung mit feinem Staub mit den folgenden Graden zu bestimmen: 0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 und 2,5 Gramm.
Luftdurchlässigkeit nach Feinstaubbeladungstest: Der Staubbeladungsteil von DIN 44956-2 wird mit 0,5 Gramm Zuwächsen von 0 bis 2,5 g/(m² s) für sieben Beutel jeder Probe durchgeführt. Die Druckabfallwerte wurden jedoch nicht nochmals aufgezeichnet. Die maximalen andauernden Luftdurchlässigkeitswerte wurden dann bei den Beuteln bestimmt, welche die bestimmten Staubbeladungsgrade aufweisen.
Standardstaubsaugerfilterpapier
Dieses Material, das manchmal als "Standardpapier" bezeichnet wird, wurde herkömmlicherweise als eine einzelne Schicht verwendet, bei der es Staubfiltration und -einschließung sowie die Festigkeit und den Abrasionswiderstand bereitstellt, wie es für einen Staubsaugerbeutel erforderlich ist. Dieses Material ist auch fest genug, um eine einfache Herstellung auf einer Standardbeutelherstellungsvorrichtung zu ermöglichen. Dieses Papier setzt sich überwiegend aus ungebleichtem Wood-Pulp mit 6–7% einer synthetischen Faser, wie Poly[ethylenterephthalat] (PET)-artiger Polyester, zusammen, und wird durch das Nasslegeverfahren hergestellt. Das Standardpapier hat typischerweise ein Flächengewicht von 30–80 g/m² und häufig etwa 50 g/m². Die PET-Fasern haben typischerweise eine Feinheit von 1,7 dtex und Längen von 6–10 mm. Dieses Papier hat eine Luftdurchlässigkeit in dem Bereich von etwa 200–500 l/(m² s) und eine mittlere Porengröße von etwa 30 mm. Die Leistung, bestimmt nach dem DIN 44956-2-Test, beträgt jedoch nur etwa 86%. Ein weiteres Charakteristikum ist, dass die Poren schnell mit Staub verstopfen und die Staubspeicherkapazität weiter durch die sehr dünne Papierdicke von nur etwa 0,20 mm beschränkt ist.
Spunbond-Nonwoven
Ein Nonwoven aus Spunbondpolymerfasern kann als zweite Filtrationslage in der Struktur eingesetzt werden. Die Fasern können aus einem beliebigen spunbondfähigen Polymer sein, wie Polyamide, Polyester oder Polyolefine. Das Flächengewicht des Spunbond-Nonwoven sollte etwa 10–100 g/m² und vorzugsweise etwa 30–40 g/m² sein. Das Spunbond-Nonwoven sollte eine Luftdurchlässigkeit von etwa 500–10.000 l/(m² × s) und vorzugsweise etwa 2.000–6.000 l/(m² s), gemessen nach DIN 53887, betragen. Das Spunbond kann auch elektrostatisch geladen sein.
Scrim oder Trägervlies
Scrim bezeichnet allgemein ein sehr offenes, poröses Papier oder Nonwoven mit leichtem Flächengewicht. Das Flächengewicht des Scrim beträgt typischerweise etwa 10–30 g/m² und häufig etwa 13–17 g/m². Das Scrim, manchmal als Stützvlies bezeichnet, hat üblicherweise eine Luftdurchlässigkeit von etwa 500–10.000 l/(m² s). Es wird in erster Linie dazu verwendet, andere Lagen oder Schichten vor Abrasion zu schützen. Das Scrim kann auch die größten Partikel filtern. Das Scrim, wie auch jede andere Lage der Filterzusammensetzung, kann elektrostatisch geladen sein, unter der Voraussetzung, dass das Material geeignete dielektrische Eigenschaften aufweist.
Nassgelegtes Papier mit hoher Staubkapazität
Nassgelegtes Papier mit hoher Staubkapazität, hier häufig als "nassgelegtes Kapazitätspapier" bezeichnet, ist voluminöser ("bulkier"), dicker und durchlässiger als Standardstaubsaugerbeutelfilterpapier. Es führt mehrere Funktionen durch. Diese umfassen einen Widerstand gegenüber Stoßbelastung, Filtern von großen Schmutzpartikeln, Filtern eines signifikanten Anteils von kleinen Staubpartikeln, Speichern bzw. Zurückhalten von großen Mengen an Partikeln, wobei der Luft ein einfaches Durchströmen erlaubt wird, dadurch ein Bereitstellen eines geringen Druckabfalls bei hoher Partikelbeladung, was die Lebensdauer des Staubsaugerbeutels erhöht.
Das nassgelegte Kapazitätspapier umfasst üblicherweise eine Fasermischung aus Wood-Pulp-Fasern und synthetischen Fasern. Es umfasst typischerweise bis zu etwa 70% Wood-Pulp und entsprechend mehr synthetische Fasern, wie PET, als das zuvor beschriebene Standardpapier. Es hat eine größere Dicke als das Standardpapier von etwa 0,32 mm bei einem typischen Flächengewicht von 50 g/m². Die Porengröße ist sehr viel größer, die mittlere Porengröße kann größer als 160 μm sein. Damit kann das Papier sehr viel mehr Staub in seinen Poren halten, bevor es verstopft. Das Flächengewicht des nassgelegten Kapazitätspapiers beträgt typischerweise etwa 30–150 g/m² und vorzugsweise etwa 50–80 g/m².
Das nassgelegte Kapazitätspapier hat eine Feinstaubpartikelfiltrationsleistung von etwa 66–67%, bestimmt nach DIN 44956-2. Es ist wesentlich, dass das nassgelegte Kapazitätspapier eine Luftdurchlässigkeit aufweist, die höher als die des Standardfilterpapiers ist. Die untere Grenze der Durchlässigkeit sollte damit vorzugsweise wenigstens etwa 500 l/(m² s), weiter bevorzugt wenigstens 1000 l/(m² s) und am meisten bevorzugt wenigstens etwa 2000 l/(m² s) betragen. Die obere Grenze der Durchlässigkeit ist so definiert, dass sichergestellt wird, dass das Papier einen Hauptteil der Staubpartikel größer als etwa 10 mm filtert und zurückhält. Entsprechend kann das stromabwärts angeordnete sekundäre bzw. zweite Hochleistungsfiltermedium feine Partikel sehr viel länger ausfiltern und aufnehmen, bevor sich eine wesentliche Druckabfallszunahme über bzw. durch den Filter zeigt. Dementsprechend sollte die Luftdurchlässigkeit des nassgelegten Kapazitätspapiers vorzugsweise höchstens 8000 l/(m² s), weiter bevorzugt höchsten etwa 5000 l/(m² s) und am meisten bevorzugt höchstens 4000 l/(m² s) betragen. Daraus erkennt man, dass das nassgelegte Kapazitätspapier außergewöhnlich gut als Mehrzweckfiltrationslage entworfen ist, um stromaufwärts der sekundären Hocheffizienzfiltrationslage angeordnet zu werden.
Trockengelegtes Papier mit hoher Staubkapazität
Trockengelegtes Papier mit hoher Staubkapazität, hier manchmal als "trockengelegtes Kapazitätspapier" bezeichnet, wurde nicht als Filter in Staubsaugerbeuteln verwendet. Trockengelegtes Papier wird nicht aus einer Wassersuspension bzw. einem Wasserbrei gebildet, sondern wird mittels einer Air-Laying-Technik und vorzugsweise mittels eines Fluff-Pulpverfahrens hergestellt. Wasserstoffbinden, was eine große Rolle bei gegenseitiger Anziehung molekularer Ketten spielt, ist bei fehlendem Wasser nicht wirksam. Damit ist bei gleichem Flächengewicht trockengelegtes Kapazitätspapier üblicherweise wesentlich dicker als Standardpapier und als nassgelegtes Kapazitätspapier. Bei dem typischen Gewicht von 70 g/m² beträgt die Dicke z. B. 0,90 mm.
Die trockengelegten Kapazitätspapiergebilde können in erster Linie durch zwei Verfahren gebondet werden. Das erste Verfahren ist Latexbonden, bei dem das Latexbindemittel aus wasserbasierten Dispersionen appliziert wird. Imprägniertechniken, wie Versprühen oder Eintauchen und Quetschen (Volarwalzenanwendung, "padder roll application"), in beiden Fällen gefolgt von einem Trocken- und Wärmehärteverfahren, können verwendet werden. Das Latexbindemittel kann auch in diskreten Mustern, wie Punkten, Rauten, Gitterschnitte oder Wellenlinien mittels Gravurrollen, gefolgt von einem Trocknen und Härten aufgebracht werden.
Das zweite Verfahren ist das thermische Bonden, z. B. durch Verwenden von Bindefasern. Bindefasern, hier manchmal als " thermisch bondbare Schmelzfasern" bezeichnet, sind in dem "Nonwoven Fabric Handbook" (Ausgabe 1992) definiert als "Fasern mit geringerem Erweichungspunkt als andere Fasern in dem Vlies. Unter Applizierung von Wärme und Druck wirken sie als Bindemittel." Diese thermisch bondbaren Schmelzfasern schmelzen im Allgemeinen an Orten vollständig, an denen ausreichend Wärme und Druck für das Vlies appliziert werden, wodurch die Matrixfasern an ihren Überkreuzungspunkten aneinander haften. Beispiele umfassen Co-Polyesterpolymere, die bei Erwärmung einem großen Bereich fibröser Materialien anhaften.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann thermisches Bonden durch ein Hinzufügen von wenigstens 20%, vorzugsweise bis zu 50% einer Bikomponenten-("B/C")-Polymerfaser zu dem trockengelegten Vlies erzielt werden. Beispiele von B/C-Fasern umfassen Fasern mit einem Kern aus Polypropylen ("PP") und einem Mantel eines wärmeempfindlicheren Polyethylens ("PE"). Der Begriff "wärmeempfindlich" bedeutet, dass die thermoplastischen Fasern bei einer Temperatur von 3–5°C unter dem Schmelzpunkt weich und klebrig oder wärmeschmelzbar werden. Das Mantelpolymer sollte vorzugsweise einen Schmelzpunkt im Bereich von etwa 90–160°C und das Kernpolymer sollte einen höheren Schmelzpunkt aufweisen, vorzugsweise um wenigstens etwa 5°C höher als der des Mantelpolymers. Beispielsweise schmilzt PE bei 121°C und PP schmilzt bei 161–163°C. Dies hilft beim Bonden des trockengelegten Vlieses, wenn es zwischen dem Walzenspalt eines thermischen Kalanders oder in einem Durchströmofen ("through-air oven") geführt wird, indem thermisch gebondete Fasern mit geringerer Wärme und geringerem Druck erhalten werden, um eine weniger kompakte, offenere und atmungsfähigere Struktur herzustellen. In einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kern von dem Kern/Mantel der B/C-Faser exzentrisch in Bezug auf den Mantel angeordnet. Je näher der Kern an einer Seite der Faser angeordnet ist, desto eher wird sich die B/C-Faser während des thermischen Bondschritts kräuseln und dabei das Volumen des trockengelegten Kapazitätspapiers erhöhen. Dies wird natürlich seine Staubspeicherkapazität vergrößern. Daher sind in einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel der Kern und der Mantel Seite an Seite bzw. längsseits in der B/C-Faser angeordnet und das Bonden wird mittels eines Durchströmofens erzielt. Ein thermischer Kalander, der das Vlies stärker komprimieren würde, als beim Durchströmbonden, ist in diesem Fall weniger bevorzugt. Andere Polymerkombinationen, die in Kern/Mantel- oder Seite-an-Seite-B/C-Fasern verwendet werden, umfassen PP mit niedrigschmelzenden Co-Polyesterpolymeren und Polyester mit Nylon 6. Die trockengelegte Hochkapazitätslage kann auch im Wesentlichen vollständig aus Bikomponentenfasem gebildet sein. Andere Variationen von Bikomponentenfasern können zusätzlich zu "Mantel/Kern" verwendet werden, wie Seite-an-Seite"-, "Islands in the sea"- und "Orange"-Ausführungsbeispiele, offenbart in "Nonwoven Textiles", Jirsak, O., und Wadsworth, L. C., Carolina Academic Press, Durham, North Carolina, 1999, S. 26–29, dessen gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Allgemein liegt die mittlere Porengröße von trockengelegtem Kapazitätspapier zwischen der Porengröße von Standardpapier und nassgelegtem Kapazitätspapier. Die Filtrationsleistung, wie sie durch den DIN 44956-2-Test bestimmt wird, beträgt etwa 80%. Trockengelegtes Kapazitätspapier sollte etwa das gleiche Flächengewicht und die gleiche Durchlässigkeit wie das oben beschriebene nassgelegte Kapazitätspapier aufweisen, d. h., in einem Bereich von etwa 500–8000 l/(m² s), vorzugsweise etwa 1000–5000 l/(m² s) und am meisten bevorzugt etwa 2000–4000 l/(m² s). Es weist eine exzellente Staubspeicherkapazität auf und hat den Vorteil, dass es bezüglich Gewicht und Dicke sehr viel gleichmäßiger als die nassgelegten Papiere ist.
Verschiedene bevorzugte Ausführungsbeispiele von trockengelegtem Kapazitätspapier werden in Betracht gezogen. Eines ist eine latexgebondete Fluff-Pulp-Faserzusammensetzung. Das heißt, die Fasern, die dieses Papier umfassen, bestehen im Wesentlichen aus Fluff-Pulp. Der Begriff "Fluff-Pulp" bedeutet eine Nonwovenkomponente des Filters dieser Erfindung, die durch mechanisches Zerkleinern von Pulprollen, d. h. fibröses Material aus Holz oder Baumwolle, dann aerodynamisches Transportieren des Pulp zu Vliesbildekomponenten von Maschinen für Air-Laying oder Trockenbilden ("dry forming"). Eine Wiley-Mühle kann verwendet werden, um den Pulp zu zerkleinern. So genannte Dan-Web- oder M- und J-Maschinen sind zum Trockenbilden nützlich. Eine Fluff-Pulp-Komponente und die trockengelegten Lagen aus Fluff-Pulp sind isotrop und sind damit charakterisiert durch ungeordnete Faserorientierungen in den Richtungen aller drei orthogonalen Dimensionen. Das heißt, sie weisen einen großen Anteil von Fasern auf, die weg von der Ebene des Nonwoven und insbesondere senkrecht zu der Ebene orientiert sind, verglichen mit dreidimensionalen anisotropen Nonwoven. Fasern aus Fluff-Pulp, die in dieser Erfindung verwendet werden, sind vorzugsweise etwa 0,5–5 mm lang. Die Fasern werden durch ein Latexbindemittel zusammengehalten. Das Bindemittel kann entweder als Pulver oder Emulsion appliziert werden.
Das Bindemittel ist in dem trockengelegten Kapazitätspapier üblicherweise in dem Bereich von etwa 10–30 Gew.-% und vorzugsweise von etwa 20–30 Gew.-% Bindemittelfeststoffen, basierend auf dem Gewicht der Fasern, vorhanden.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das trockengelegte Kapazitätspapier eine thermisch gebondete Mischung aus Fluff-Pulp-Fasem und wenigstens Splitfilmfasern oder Bikomponentenpolymertasern. Die Mischung aus Fluft-Pulp-Fasern umfasst noch bevorzugterweise Fluff-Pulp-Fasern und Bikomponentenpolymerfasern.
Splitfilmfasern
Splitfilmfasern sind im Wesentlichen flache, rechteckige Fasern, die bevor oder nachdem sie in die zusammengesetzte Struktur der Erfindung aufgenommen worden sind, elektrostatisch geladen werden. Die Dicke der Splitfilmfasern kann zwischen 2–100 Mikrometern liegen, die Breite kann zwischen 5 und 500 Mikrometern liegen und die Länge kann zwischen 0,5 und 15 mm liegen. Die bevorzugten Dimensionen der Splitfilmfasern sind jedoch eine Dicke von etwa 5 bis 20 Mikrometern, eine Breite von etwa 15 bis 60 Mikrometern und eine Länge von etwa 0,5 bis 8 mm.
Die Splitfilmfasern der Erfindung sind vorzugsweise aus einem Polyolefin, wie Polypropylen. Es kann jedoch ein beliebiges Polymer, das zur Herstellung von Fasern geeignet ist, für die Splitfilmfasern der zusammengesetzten Struktur der Erfindung verwendet werden. Beispiele geeigneter Polymere umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf Polyolefine, wie Homopolymere und Copolymere von Polyethylen, Polyterephthalaten, wie Poly(ehtylenterephthalat) (PET), Poly(butylentherephthalat) (PBT), Poly(cyclohexyl-dimethylenterephthalat) (PCT), Polykarbonat und Polychlortrifluorethylen (PCTFE). Ande re geeignete Polymere umfassen Nylon, Polyamide, Polystyrene, Poly-4-methylpenten-1, Polymethylmethacrylate, Polyurethane, Silikone, Polyphenylensulfide. Die Splitfilmfasem können auch eine Mischung aus Homopolymeren oder Copolymeren umfassen. In der vorliegenden Anmeldung wird die Erfindung beispielhaft mit Splitfilmfasern aus Polypropylen erläutert.
Die Verwendung von PP-Polymeren mit verschiedenen Molekulargewichten und Morphologien in geschichteten Filmstrukturen wurde nachgewiesen, um Filme mit einer geeigneten Ausgewogenheit mechanischer Eigenschaften und Sprödigkeit herzustellen, die zur Herstellung von Splitfilmfasern benötigt wird. Diese PP-Splitfilmfasem können anschließend auch mit der geeigneten Stärke an Crimp bzw. Kräuselung versehen werden. Alle Dimensionen der Splitfilmfasern können natürlich während der Herstellung der Fasern verändert werden.
Ein Verfahren zur Herstellung der Splitfasern ist in dem US-Patent Nr. 4,178,157 offenbart. Polypropylen wird geschmolzen und in einem Film extrudiert, der dann in einen großen Schlauch (Ballon) geblasen wird, in den Umgebungsluft eingebracht wird oder der ein Eindringen ermöglicht, gemäß herkömmlicher Blase-Streck-Technik. Ein Aufladen des Ballons mit Luft dient dazu, den Film abzuschrecken und die molekulare Struktur der PP-Molekularketten biaxial zu orientieren, was in einer erhöhten Festigkeit resultiert. Der Ballon stürzt dann zusammen, und der Film wird zwischen zwei oder mehr Paaren von Rollen gestreckt, in denen der Film in der Walzenspalte von zwei sich berührenden Rollen gehalten wird, wobei verschiedene Drücke zwischen den beiden sich berührenden Rollen appliziert werden. Dies ergibt ein zusätzliches Strecken in der Maschinenrichtung, was dadurch erreicht wird, dass die zweite Gruppe von Rollen mit einer höheren Oberflächengeschwindigkeit betrieben wird als die erste Gruppe. Das Resultat ist eine noch größere molekulare Orientierung des Films in der Maschinenrichtung, die anschließend die lange Dimension der Splitfilmfasern wird.
Der Film kann bevor oder nachdem er abgekühlt wurde, elektrostatisch aufgeladen werden. Obwohl verschiedene elektrostatische Aufladetechniken verwendet werden können, um den Film aufzuladen, haben sich zwei Verfahren als am geeignetsten herausgestellt. Das erste Verfahren umfasst ein Durchführen des Films etwa in der Mitte eines Zwischenraums von etwa 1,5 bis 3 Inch zwischen zwei Gleichstrom-Korona-Elektroden.
Koronastäbe mit Emitterpins aus metallischem Draht können verwendet werden, bei denen eine Koronaelektrode ein positives Gleichstromspannungspotential von etwa 20 bis 30 kV und die gegenüberliegende Elektrode eine negative Gleichstromspannung von etwa 20 bis 30 kV aufweist.
Das zweite bevorzugte Verfahren verwendet die elektrostatische Ladetechniken, die in dem US-Patent Nr. 5,401,456 (Wadsworth und Tsai, 1995) beschrieben wurden, die als Tantret-Technik I und -Technik II bezeichnet werden, die hier weiter beschrieben werden. Es hat sich gezeigt, dass die Technik II, bei der der Film an isolierten Rollen hängt, wenn der Film um den inneren Umfang von zwei negativ geladenen Metallschalen mit einem positiven Koronadraht jeder Schale geführt wird, die größten Spannungspotentiale auf die Filme überträgt. Allgemein können mit der Technik II positive 1000 bis 3000 Volt oder mehr auf eine Seite der Filme übertragen werden und mit ähnlichen Größenordnungen mit negativen Vorzeichen auf die andere Seite des geladenen Films.
Die Technik I, bei der Filme eine Metallrolle mit einer Gleichstromspannung von –1 bis –10 kV berühren und ein Draht mit einer Gleichstromspannung von +20 bis + 40 kV etwa 1 bis 2 Inch oberhalb der unter negativer Vorspannung stehenden Rolle angeordnet wird, wobei jede Seite des Films nacheinander dieser Rollen-Draht-Ladekonfiguration ausgesetzt wird, resultiert in geringerem Spannungspotential, wie auf den Oberflächen der Filme gemessen wurde. Der Technik I werden typischerweise Spannungen von 300 bis 1500 Volt auf der Filmoberfläche mit allgemein gleichen, aber entgegengesetzten Polaritäten auf jeder Seite erzielt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die höheren Oberflächenpotentiale, die mit der Technik II erreicht werden, nicht zu einer besseren messbaren Filtrationsleistung der Vliese aus den Splitfilmfasern führen. Daher und da es einfacher ist, den Film einzuführen und durch die Technik-I-Vorrichtung zu führen, wird dieses Verfahren vorwiegend genutzt, um die Filme vor dem Splitprozess aufzuladen.
Die abgekühlten und gestreckten Filme können heiß oder kalt elektrostatisch aufgeladen werden. Der Film wird dann gleichzeitig gestreckt und in schmale Breiten gespalten, typischerweise bis zu etwa 50 Mikrometern. Die gespaltenen, flachen Filamente werden dann mit einem Tau aufgenommen, das in einer kontrollierten Anzahl von Kräuselungen pro Zentimeter gekräuselt wird und dann in die gewünschte Stapellänge geschnitten wird.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das trockengelegte Papier mit hoher Staubkapazität eine Mischung Fluff-Pulp-Fasern, Bikomponentenpolymerfasern und elektrostatisch geladenen Splitfilmfasem. Vorzugsweise sind die Fluft-Pulp-Fasern in etwa 5–85 Gew.-%, weiter bevorzugt etwa 10–70 Gew.-% und am meisten bevorzugt in etwa 40 Gew.-% vorhanden, die Bikomponentenfasern in etwa 10–60 Gew.-% , weiter bevorzugt in etwa 10–30 Gew.-% und am meisten bevorzugt etwa 40 Gew.-%. Diese trockengelegte Papier mit hoher Staubkapazität kann thermisch gebondet sein, vorzugsweise bei hohen Temperaturen von 90–160°C, weiter bevorzugt bei einer Temperatur, die geringer als 110°C ist und am meisten bevorzugt bei etwa 90°C.
Gemischte elektrostatische Fasern
Andere bevorzugte Ausführungsbeispiele des trockengelegten Kapazitätspapiers umfassen ein thermisch gebondetes Papier mit 100% "gemischten elektrostatischen Fasern", eine Mischung aus 20–80% gemischten elektrostatischen Fasern und 20–80% B/C-Fasern und eine Mischung aus 20–80% gemischte elektrostatische Fasern, 10–70% Fluff-Pulp- und 10–70% B/C-Fasern. Filter aus "gemischten elektrostatischen Fasern" werden durch ein Mischen von Fasern mit sehr unterschiedlichen triboelektrischen Eigenschaften und ein Reiben dieser gegeneinander oder gegen Metallteile von Maschinen, wie Drähte oder Kardierzylinder während des Kardierens, hergestellt. Dies macht eine Faserart bezüglich der anderen Faserarten positiver oder negativer geladen und verbessert die Coulomb-Anziehung für Staubpartikel. Die Herstellung von Filtern mit diesen Arten von gemischten elektrostatischen Fasern wird in dem US-Patent Nr. 5,470,485 und der europäischen Patentanmeldung Nr. EP 02 246 811 A2 gelehrt.
In dem US-Patent 5,470,485 besteht das Filtermaterial aus einer Mischung aus (I) Polyolefinfasern und (II) Polyacrylnitrilfasern. Die Fasern (I) sind Bikomponenten-PP/PE-Fasern des Kem/Mantel- oder Seite-an-Seite-Typs. Die Fasern II sind "halogenfrei". Die (I)-Fasern weisen auch einige "halogen-substituierte Polyolefine" auf, während die Acrylnitrilfasern kein Halogen aufweisen. Das Patent erwähnt, dass die Fasern gründlich mit nichtionischem Detergens, mit Alkali oder Lösungsmittel gewaschen und dann gut gespült werden müssen, bevor sie zusammengemischt werden, so dass sie keine Schmiermittel oder antistatischen Mittel mehr haben. Obwohl das Patent lehrt, dass das produzierte Faservlies vernadelt werden sollte, können diese Fasern auch auf Mengen von 5–20 mm geschnitten werden und mit thermischen Bikomponenten-Bindefasern ähnlicher Länge gemischt werden, und auch mit dem möglichen Hinzufügen von Fluff-Pulp, so dass trockengelegtes, thermisch gebondetes Papier in dieser Erfindung verwendet werden kann.
Die EP 02 246 811 beschreibt den triboelektrischen Effekt, wenn zwei verschiedene Arten von Fasern gegeneinander gerieben werden. Sie lehrt, ähnliche Arten von Fasern zu verwenden, wie das US-Patent 5,470,485, außer dass die -CN-Gruppen der Polyacrylnitrilfasern durch Halogen (vorzugsweise Fluor oder Chlor) substituiert werden. Nach einer ausreichenden Menge von Substitutionen von -CN durch Cl-Gruppen können die Fasern als "modacrylisch" bezeichnet werden, wenn das Copolymer 35–85 Gew.-% Acrylnitrileinheiten umfasst. Die EP 0 246 811 lehrt, dass das Verhältnis von Polyolefin zu substituiertem Acrylnitril (vorzugsweise modacrylisch) von 30 : 70 bis 80 : 20 nach Oberfläche und weiter bevorzugt von 40 : 60 bis 70 : 30 reichen kann. In gleicher Weise lehrt das US-Patent 5,470,485, dass das Verhältnis von Polyolefin zu Polyacrylnitrilfasern in dem Bereich von 30 : 70 bis 80 : 20 bezüglich einer Oberfläche des Filtermaterials ist. Damit können diese Bereiche der Verhältnisse von Polyolefin zu acrylischen oder modacrylischen Fasern in den obengenannten Proportionen in dem trockengelegten, thermisch gebondeten Kapazitätspapier verwendet werden.
Meltblownvlies
Ein synthetisches Polymertaser-Meltblownvlies kann wahlweise als eine Lage zwischen einer Mehrzwecklage und einer Hocheffizienzfiltrationslage eingesetzt werden. Die Meltblownvlieslage erhöht die gesamte Filtrationsleistung durch Einfangen von Partikeln, die durch die Mehrzweckfiltrationslage hindurchgingen. Die Meltblownvlieslage kann wahlweise auch elektrostatisch aufgeladen werden, um zu dem Filtern von Feinstaubpartikeln beizutragen. Die Aufnahme einer Meltblownvlieslage bringt eine Zunahme an Druckabfall bei einer gegebenen Staubbeladung mit sich, verglichen mit Zusammensetzungen, die keine Meltblownvlieslage aufweisen.
Das Meltblownvlies weist vorzugsweise ein Flächengewicht von etwa 10–50 g/m² und eine Luftdurchlässigkeit von etwa 100–1500 l/(m² s) auf.
Hochvoluminöse Meltblown-Nonwoven
Eine andere Entdeckung aus der jüngsten Forschung, verbesserte Staubsaugerbeutel zu entwickeln, war die Entwicklung eines hochvoluminösen ("high bulk") MB-Vlieses oder -Lage, das stromaufwärts des Filtrationsgrad-MB-Vlieses als ein Vorfilter statt eines nassgelegten Kapazitätspapiers oder trockengelegten Kapazitätspapiers verwendet werden könnte. Der hochvoluminöse MB-Vorfilter kann in einem Meltblownvertahren hergestellt werden, der eine gekühlte Abschreckluft bzw. Kühlluft mit einer Temperatur von etwa 10°C verwendet. Im Gegensatz dazu verwendet herkömmliches MB üblicherweise Raumluft bei einer Umgebungstemperatur von 33–45°C. Auch der Sammelabstand zwischen dem MB-Düsenausgang zu dem Vliesaufnahmeband wird in dem hochvoluminösen MB-Prozess auf 400–600 mm vergrößert. Für eine normale MB-Herstellung beträgt der Abstand normalerweise 200 mm. Außerdem wird ein hochvoluminöses MB-Nonwoven unter Verwendung einer Strecklufttemperatur mit geringerer Temperatur von etwa 215–235 °C statt der normalen Strecklufttemperatur von 280–290°C und einer geringerer MB-Schmelztemperatur von 200–225°C, verglichen mit 260–280°C für die Filtrationsgrad-MB-Herstellung, hergestellt. Die kältere Abschreckluft, geringere Strecklufttemperatur, geringere Schmelztemperatur und der größere Sammelabstand kühlt die MB-Filamente stärker ab. Das Abführen von Wärme resultiert in einem geringeren Recken der Filamente und damit in größeren Faserdurchmessern als man sie in typischen Filtrationsgrad-MB-Vliesn finden würde. Die kühleren Filamente schmelzen mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit thermisch zusammen, wenn sie auf dem Kollektor abgelegt werden. Damit würde das hochvoluminöse Meltblown-Nonwoven eine offenere Fläche aufweisen. Selbst mit einem Flächengewicht von 120 g/m² beträgt die Luftdurchlässigkeit des hochvoluminösen Meltblown-Nonwovens 806 l/(m² s). Im Gegensatz dazu hat ein sehr viel leichteres (z. B. 22 g/m²) Filtrationsgrad-MB-PP-Vlies eine maximale Luftdurchlässigkeit von nur 450 l/(m² s). Die Filtrationsleistung des hochvoluminösen MB-Nonwovens, wie sie durch den DIN 44956-2-Test bestimmt wird, betrug 98%. Wenn die beiden mit dem hochvoluminösen MB-Nonwoven auf der Innenseite des Beutels zusammen angeordnet wurden, betrug die Luftdurchlässigkeit immer noch 295 l/(m² s) und die Filtrationsleistung des Paars betrug 99,8%. Das hochvoluminöse Meltblown-Nonwoven kann ungeladen sein oder wahlweise elektrostatisch aufgeladen, unter der Voraussetzung, dass das Nonwoven aus einem Material mit geeigneten dielektrischen Eigenschaften ist.
Das hochvoluminöse MB-Nonwoven dieser Erfindung sollte von dem "Filtrationsgrad-MB", das auch in der mehrlagigen Vakuumfilterstruktur dieser Offenbarung verwendet wird, unterschieden werden. Das Filtrationsgrad-MB-Vlies ist ein herkömmliches Meltblown-Nonwoven, das allgemein durch ein geringeres Flächengewicht von typischerweise etwa 22 g/m² und eine geringe Porengröße charakterisiert ist. Zusätzliche typische Charakteristika von Filtrationsgrad MB-Nonwoven aus Propylen sind in Tabelle I gezeigt. Ein bevorzugtes hochvoluminöses MB-Nonwoven aus Polypropylen umfasst optimalerweise etwa 5–20 Gew. % Ethylenvinylacetat. Ein Filtrationsgrad MB-Nonwoven hat allgemein eine hohe Staubentfernungsleistung, d. h. größer als etwa 99%.
Tabelle 1
Hochvoluminöses MB-Nonwoven ist in der Filterleistung ähnlich wie die trockengelegten und nassgelegten oben genannten Kapazitätspapiere. Daher ist ein hochvoluminöses MB-Nonwoven gut geeignet, um große Mengen an großen Staubpartikeln zu entfernen und große Staubmengen zu halten bzw. zurückzuhalten. Dementsprechend ist eine hochvoluminöse MB-Nonwovenlage geeignet, um stromaufwärts und als Vorfilter der Filtrationsgrad-MB-Lage in einer Vakuumfilterstruktur dieser Erfindung angeordnet zu werden.
(Modulares) Spunblown-Nonwoven
Eine neue Art von Meltblow-Technologie, wie sie in G. Ward, "Nonwovens World", Sommer 1998, S. 37–40 beschrieben wird, ist verfügbar, um ein (modulares) Spunblown-Nonwoven herzustellen, das geeignet ist, als eine Grobfilterlage in der vorliegenden Erfindung verwendet zu werden. Wahlweise kann das Spunblown-Nonwoven als Filtrationsgrad-Meltblownvlieslage, wie sie in der neuen Struktur erwünscht ist, verwendet werden. Spezifikationen des (modularen) Spunblown-Nonwoven sind in Tabelle II gezeigt.
Das Verfahren zum Herstellen des (modularen) Spunblown-Nonwoven ist allgemein ein Meltblownvertahren mit einer gröberen modularen Düse und bei dem eine kältere Streckluft verwendet wird. Diese Bedingungen erzeugen ein grobes Meltblownvlies mit höherer Festigkeit und Luftdurchlässigkeit bei vergleichbarem Flächengewicht von herkömmlichen Meltblownvliesn.
Mikrodenier-Spunbond-Nonwoven
Ein Spunbond ("SB")-Nonwoven, hier manchmal als Mikrodenier-Spunbond bezeichnet, kann ebenfalls in dieser Erfindung in der gleichen Weise wie die zuvor genannte Grobfilterlage oder die Filtrationsgrad-Meltblownvlieslage verwendet werden. Spezifikationen von Mikrodenier-Spunbond sind in Tabelle II aufgelistet. Ein Mikrodenier-Spunbond ist insbesondere charakterisiert durch Filamente mit einem Durchmesser von kleiner als 12 μm, was 0,10 Denier für Polypropylen entspricht. Zum Vergleich haben herkömmliche SB-Vlies für Wegwert- bzw. Einwegartikel typischerweise Filamentdurchmesser von durchschnittlich 20 μm. Ein Mikrodenier-Spunbond kann von der Reifenhauser GmbH (Reicofil III), Koby Steel, Ltd., (Kobe-Kodoshi Spunbond Technology) und Ason Engineering, Inc. (Ason Spunbond Technology) erworben werden.
Tabelle II
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
Repräsentative Produkte gemäß der vorliegenden Erfindung sind in 1, 3–13 schematisch dargestellt, die im Folgenden ausführlich beschrieben werden. In den Figuren ist die Luftrichtung durch den Pfeil A angegeben.
In 1 ist ein einheitlicher mehrlagiger Filter 36 aus zwei Lagen dargestellt. Die stromaufwärts angeordnete (Dreckluftseite) Lage 37 ist eine trockengelegte FP-Kapazitätslage mit dem allgemeinen Gewicht von 10–150 g/m², typischen Gewichtsbereich von 20–80 g/m² und mit einem bevorzugten Gewicht von 75 g/m². Die FP-Schicht 37 hat verschiedene Mischungen an Pulp-Fasern und Bikomponenten-(B/C)-Fasern. Die Bikomponentenfasern umfassen 60% PE und 40% PP. Die stromabwärts angeordnete Lage 38 ist eine Hochleistungs-MB-Komponente mit einem Gewicht von 5–100 g/m², vorzugsweise 24 g/m². Die unabhängig zusammengesetzten Lagen 37 und 38 treffen sich an der Grenzfläche 36A. Diese Grenzfläche unterscheidet sich von der in einer Schichtstruktur bzw. einem Laminat aus zwei vorgebondeten Schichten in einer Mehrschichtzusammensetzung. Aufgrund der Tatsache, dass das Bilden einer vorgebondeten Schicht nicht erforderlich ist, um die einheitliche Struktur 36 herzustellen, kann wenigstens eine der Lagen 37 und 38 ausreichend locker sein, dass sie nicht als freistehendes Vlies zur Aufnahme als eine Schicht in einer herkömmlichen Mehrschichtzusammensetzung gebildet werden kann.
Die stromaufwärts angeordnete Lage hat ein absolutes Porenvolumen von 21,4 cm³/g, die stromabwärts angeordnete Lage von 7,7 cm³/g, was ein Verhältnis des absoluten Porenvolumens RAPV = 2,78 ergibt. Die absolute projizierte Faserbedeckung, d. h. die Einheitsfläche, die durch die Fasern bedeckt ist, wenn senkrecht auf die Lage gesehen wird, der stromaufwärts angeordneten Lage APFC ist 97,7%, die APFC der stromabwärts angeordneten Lage ist 99,3%.
Um die Staubhaltekapazität zu optimieren, wird ein Verhältnis von mittlerem Porendurchmesser von stromaufwärts angeordneter Lage zu stromabwärts angeordneter Lage von 6,21 realisiert, wobei der mittlere Porendurchmesser der stromaufwärts angeordneten Lage 87 Mikrometer beträgt, die mittlere Porengröße der stromabwärts angeordneten Lage 14 Mikrometer beträgt.
Um die obigen RAPV- und APFC-Werte zu erhalten, umfasst die stromaufwärts angeordnete Lage eine Dicke von 1,7 mm, eine Dichte von 0,044 g/cm³ und ein relatives Porenvolumen von 94,4%. Die stromabwärts angeordnete Lage umfasst eine Dicke von 0,21 mm, eine Dichte von 0,11 g/cm³ und ein relatives Porenvolumen von 87,4%. Es versteht sich, dass diese Werte nur beispielhaft sind; insbesondere können die obigen RAPV- und APFC-Werte auch mit unterschiedlicher Dicke, Dichte und relativem Porenvolumen erhalten werden.
2 illustriert den stark verbesserten Druckabfall über den Filter in Abhängigkeit von der Staubmenge, die durch den mehrlagigen Filter gefiltert wird. Die obere Kurve zeigt den mehrlagigen Filter mit den oben diskutierten Charakteristika. Die untere Kurve zeigt einen Filter des Stands der Technik, der aus einem Spunbond als stromaufwärts ange ordneter Lage und einem Meltblown als stromabwärts angeordneter Lage besteht. Die stromaufwärts angeordnete Lage des Stands der Technik hat ein absolutes Porenvolumen von 6,9 g/cm³, die stromabwärts angeordnete Lage von 8,1 g/cm³, woraus sich ein Verhältnis von absolutem Porenvolumen RAPV = 0,85 ergibt. Die absolute projizierte Faserbedeckung der stromaufwärts angeordneten Lage ist APFC = 69,3%. Die APFC der stromabwärts angeordneten Lage ist 92,3%.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) hat dieselbe Struktur, wie das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel umfasst jedoch eine stromaufwärts angeordnete Lage in Form einer trockengelegten FP-Kapazitätslage mit einem Gewicht von 50 g/m². Die FP-Schicht hat verschiedene Mischungen an Pulp-Fasern und Bikomponenten-(B/C)-Fasem. Die Bikomponentenfasern umfassen 60% PE und 40% PP. Die stromabwärts angeordnete Lage ist eine Hochleistungs-MB-Komponente mit einem Gewicht von 24 g/m². Die stromaufwärts angeordnete Lage hat ein absolutes Porenvolumen von 22,7 cm³/g, die stromabwärts angeordnete Lage von 7,7 cm³/g, was ein Verhältnis des absoluten Porenvolumens RAPV = 2,95 ergibt. Die absolute projizierte Faserbedeckung der stromaufwärts angeordneten Lage APFC ist 99,9%. Die APFC der stromabwärts angeordneten Lage ist 99,3%.
Um die Staubhaltekapazität zu optimieren, wird ein Verhältnis von mittlerem Porendurchmesser von stromaufwärts angeordneter Lage zu stromabwärts angeordneter Lage von 5,93 realisiert, wobei der mittlere Porendurchmesser der stromaufwärts angeordneten Lage 83 Mikrometer beträgt, die mittlere Porengröße der stromabwärts angeordneten Lage 14 Mikrometer beträgt.
Um die RAPV- und APFC-Werte zu erhalten, umfasst die stromaufwärts angeordnete Lage eine Dicke von 1,2 mm, eine Dichte von 0,042 g/cm³ und ein relatives Porenvolumen von 94,7%. Die stromabwärts angeordnete Lage umfasst eine Dicke von 0,21 mm, eine Dichte von 0,11 g/cm³ und ein relatives Porenvolumen von 87,4%.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) umfasst die stromaufwärts angeordnete Lage Splitfilmfasern und „gemischte elektrostatische Fasern". Splitfilmfasem und "gemischte elektrostatische Fasern" werden nicht in allen Variationen der stromaufwärts angeordneten Lage verwendet, aber wenigstens 10% und vorzugsweise wenigs tens 20% B/C-Fasern oder andere Arten von thermisch bondbaren Schmelzfasern sollten verwendet werden, um ein passendes thermisches Bonden zu erzielen. Im Allgemeinen werden wenigstens 10% und vorzugsweise wenigstens 20% Pulp-Fasern verwendet, um die Abdeckung und Filtrationsleistung zu verbessern. Die Lage kann frei von B/C-Fasern oder anderen Arten von thermisch bondbaren Schmelzfasem sein, wenn ein Latexbindemittel verwendet wird.
3 stellt einen einheitlichen mehrlagigen Filter 39 aus drei Lagen dar. Die erste Lage 40 ist eine grobe trockengelegte Komponente aus 100% B/C-Fasern. Sie dient in erster Linie als Vorfilter und schützt das stromabwärts angeordnete Filtermaterial. Der breiteste Gewichtsbereich beträgt 10-100 g/m² mit einem typischen Gewichtsbereich von 20–80 g/m² und einem bevorzugten Gewicht von 50 g/m². Die stromaufwärts angeordnete Lage 41 ist eine trockengelegte FP-Kapazitätskomponente wie in den oben diskutierten Ausführungsbeispielen. Die stromabwärts angeordnete Lage 42 besteht aus MB-Medien mit hoher Filtrationsleistung oder anderen Materialien mit ultrafeinen Faserdurchmessern, wie modularem Spunblown oder Mikrodenier-Spunblown.
4 ist eine graphische Darstellung eines einheitlichen Mehrlagenfilters 43 aus vier Lagen von Material. Die erste Lage 44 ist zusammengesetzt aus trockengelegtem FP oder 100% B/C-Fasern. Der breiteste Gewichtsbereich beträgt 10–100 g/m², das typische Gewicht beträgt 20–80 g/m² und das Zielgewicht ist 50 g/m². Die stromaufwärts angeordnete Lage 45 ist eine trockengelegte FP-Kapazitätslage wie in den obigen Ausführungsbeispielen diskutiert wurde. Alternativ kann die Lage 45 wenigstens 10% und vorzugsweise wenigstens 20% B/C-Fasern, 10% und vorzugsweise wenigstens 20% Pulp-Fasern umfassen und kann verschiedene Mengen von geladenen oder ungeladenen Splitfilmfasern umfassen. Sie kann verschiedene Mengen von "gemischten elektrostatischen Fasem" umfassen. Wenigstens 10% und vorzugsweise wenigstens 20% B/C-Fasern oder andere Arten von thermisch bondbaren Schmelzfasern sollten verwendet werden, um ein passendes thermisches Bonden zu erzielen. Im Allgemeinen werden wenigstens 10% und vorzugsweise wenigstens 20% Pulp-Fasem verwendet, um die Bedeckung und Filtrationsleistung zu steigern. Die Lage kann frei von B/C-Fasern oder anderen Arten von thermisch bondbaren Schmelzfasern sein, wenn Latexbindemittel verwendet wird. Die stromabwärts angeordnete Lage 46 umfasst MB-Filtermedien wie im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsbeispielen diskutiert wurde. Die Außenlage 47 ist ein trockengelegtes FP aus Air-laid-Pulp und B/C-Fasem.
5 ist eine graphische Darstellung eines einheitlichen Mehrlagenfilters 48 aus fünf Materiallagen. Die erste Lage 49 ist aus trockengelegtem FP oder 100% B/C-Fasern zusammengesetzt. Der breiteste Gewichtsbereich ist 10–100 g/m², das typische Gewicht ist 20–80 g/m² und das Zielgewicht ist 50 g/m². Die stromaufwärts angeordnete Lage 50 ist eine trockengelegte FP-Kapazitätskomponente wie oben diskutiert. Die stromaufwärts angeordnete Lage 50 ist eine trockengelegtes FP-Kapazitätskomponente wie oben diskutiert. Die Komponente 51 umfasst Kohlekörnchen bzw. Kohlegranulat oder Kohlefasern, um Gerüche zu absorbieren und Schadstoff- und toxische Gase aus der Luft zu entfernen. Die Komponente 52 ist ein MB-Medium mit hoher Filtrationsleistung wie bezüglich der obigen Ausführungsbeispiele diskutiert wurde. Die Komponente 53 ist ein trockengelegtes FP, das aus Air-Laid-Pulp und B/C-Fasem zusammengesetzt ist.
6 stellt einen einheitlichen mehrlagigen Filter 54 derselben Konstruktion, wie in 1 gezeigt, dar, die aus zwei Lagen 55, 56 zusammengesetzt ist, die an eine äußere Trägerschicht 57 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht zwischen 10 und 100 g/m² gebondet ist.
7 stellt eine einheitliche Filterzusammensetzung 58 derselben Konstruktion, wie in 3 gezeigt, dar, die aus drei Lagen 59, 60 und 61 zusammengesetzt ist, die an eine äußere Schicht 62 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht zwischen 10 und 100 g/m² gebondet ist.
8 stellt eine einheitliche Filterzusammensetzung 63 derselben Konstruktion, wie in 4 dar, die aus vier Lagen 64–67 zusammengesetzt ist, die an eine äußere Schicht 68 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht von 10–100 g/m² gebondet ist.
9 stellt eine einheitliche Filterzusammensetzung 69 derselben Konstruktion, wie in 5 dar, die aus fünf Lagen 71–75 zusammengesetzt ist, die an eine äußere Schicht 76 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht von 10–100 g/m² gebondet ist.
10 stellt eine Schichtstruktur aus einer einheitlichen Filterzusammensetzung 77 derselben Konstruktion, wie in 2 gezeigt, dar, die aus zwei Lagen 78, 79 zusammengesetzt ist, an eine äußere Trägerschicht 81 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht zwischen 10 und 100 g/m² gebondet ist, abgesehen davon, dass die äußere Schicht mittels Klebstoff oder einem Klebemittel 80 gebondet ist, bei dem letzteres ein Latexbindemittel oder ein Hotmeltklebemittel sein könnte.
11 stellt eine Schichtstruktur einer einheitlichen Filterzusammensetzung 82 derselben Konstruktion, wie in 3 gezeigt, dar, die aus drei Lagen 83–85 zusammengesetzt ist, an eine äußere Schicht 87 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht zwischen 10 und 100 g/m² gebondet ist, abgesehen davon, dass die äußere Schicht mittels Klebstoff oder einem Klebemittel 86 gebondet ist.
12 stellt eine Schichtstruktur einer einheitlichen Filterzusammensetzung 87A derselben Konstruktion, wie in 4 dar, die aus vier Lagen 88–91 zusammengesetzt ist, an eine äußere Schicht 93 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht von 10-100 g/m² gebondet ist, abgesehen davon, dass die äußere Schicht mittels Klebstoff oder einem Klebemittel 92 gebondet ist.
13 stellt eine Schichtstruktur einer einheitlichen Filterzusammensetzung 94 derselben Konstruktion, wie in 5 dar, die aus fünf Lagen 95–99 zusammengesetzt ist, an eine äußere Schicht 101 aus Papier, Scrim oder Nonwoven mit einem Gewicht von 10-100 g/m² gebondet ist, abgesehen davon, dass die äußere Schicht mittels Klebstoff oder einem Klebemittel 100 gebondet ist.
Wenn ein Bonden zwischen Schichten in den Ausführungsbeispielen der 10–13 angegeben ist, können herkömmliche Verfahren zum Zwischenschichtbonden, wie Ultraschallbonden statt oder in Verbindung mit dem oben erwähnten Klebstoff-/Klebemittel-Bonden verwendet werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines Ausführungsbeispiels der neuen Filterzusammensetzung mit einer einheitlichen Lagenstruktur aus MB- und FP-Zusammensetzungen ist in 14 gezeigt. Der dargestellte Prozess stellt ein Produkt bereit, das an einem Scrim, Papier oder Nonwoven angeordnet bzw. laminiert ist, um die Handha bung, das Halten oder Verpacken zu vereinfachen. Es ist auch möglich, einen unlaminierten mehrlagigen Filter bereitzustellen, in dem das Scrim, Papier oder Nonwoven durch ein Trägerband ersetzt wird, um die nicht vorgebondeten Lagen durch das Verfahren zu führen. Die einheitliche Filterzusammensetzung besteht zum Schluss aus wenigstens zwei Lagen, wobei jede Lage mehr als eine Art von Faser oder anderem Material enthalten kann, und besteht im Allgemeinen aus drei bis fünf Lagen, die thermisch oder latexgebondet sind. Das elektrostatische Laden der Filterzusammensetzung wird vorzugsweise In-line durch das "kalte" elektrostatische Tantret-Aufladeverfahren durchgeführt, obwohl MB-Fasem In-line bei Austritt aus der MB-Düse "heiß" aufgeladen werden können. Auch können die Splitfilmfasern, die während ihrer Herstellung elektrostatisch aufgeladen wurden, durch die FP-Applikatoren eingeführt werden. Außerdem können "gemischte elektrostatische Fasern", die aufgrund unterschiedlicher triboelektrischer Eigenschaften gegensätzliche Polaritäten aufweisen, nachdem sie gegeneinander gerieben wurden, durch die FP-Applikatoren in die Zusammensetzung aufgenommen werden.
Nun Bezug nehmend auf 14 ist eine optionale Abwickelvorrichtung 1 bei dem Anfangspunkt der Linie angeordnet, um das Einführen einer optionalen Trägerschicht 2 zu ermöglichen, die ein Scrim, Papier oder Nonwoven sein kann. Die Komponenten 1, 2, 4 und 5 sind insoweit optional, als die erfinderische einheitliche Filterzusammensetzung an ein Scrim, Papier oder Nonwoven nur zur Vereinfachung der Handhabung, des Faltens oder des Verpackens laminiert wird. Ein Förderband 3 erstreckt sich über die gesamte Länge der Linie; es kann jedoch auch in kürzere Abschnitte geteilt sein, wobei ein Förderbandabschnitt die Anordnung von Lagen in die nächsten Abschnitte einführt, wie es in dem Prozess erforderlich ist. Auch an dem Startpunkt der Linie ist ein optionaler Klebemittelapplikator 4, um ein Klebemittel 5 in Form von Klebstoff oder Hotmelt-Klebemittel abzugeben. Diese Klebemittelapplizierstation kann verwendet werden, eine Trägerschicht an die einheitliche Lagenstruktur der neuen Zusammensetzung In-line zu laminieren. Es sollte jedoch festgestellt werden, dass der Applikator 4 nicht für das Vorbonden von Lagen innerhalb der einheitlichen Struktur vorgesehen ist.
Als nächstes gibt es, wie in 14 gezeigt, wenigstens eine und vorzugsweise zwei FP-Applikatoreinheiten 6 und 8. Die hauptsächliche Funktion der FP-Applikatoreinheiten an dem Beginn der Linie besteht darin, trockengelegte Lagen 7 und 9 herzustellen und auf der optionalen Klebemittellage 5 oder auf dem Förderband 3, wenn die optionale Trägerschicht 2 und das Klebemittel 5 nicht verwendet werden, abzulegen. Die trockengelegten Lagen 7 und 9 haben unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften, um die Erfordernisse des Endprodukts zu erfüllen. In jeder Hinsicht besteht die Rolle der Lagen 7 und 9 in erster Linie darin, die MB- oder verwandten Filtermedienlagen 12 und 14 zu tragen und zu schützen. In dem illustrierten Ausführungsbeispiel setzen sich die FP-Lagen 7 und 9 hauptsächlich aus "Pulp" und Bikomponenten-(BIC)-Fasem zusammen. Verschiedene Arten von B/C-Fasern können, wie oben beschrieben, verwendet werden. Beispielsweise hat eine bevorzugte Art einen Kern aus einer Faser mit höherem Schmelzpunkt, wie PP, und einen Mantel aus einer Faser mit geringerem Schmelzpunkt, wie PE. Andere bevorzugte Zusammensetzungen von "Pulp" und BIC-Kern/Mantel-PP/PE sind 50% "Pulp"/50% B/C-Fasern in Lage 7 und 25% "Pulp"/5% B/C-Fasern in Lage 9. Wenn im Abschnitt 23 kein Latexbindemittel angewendet wird, sollten wenigstens 20% B/C-Fasern oder andere Arten von thermischen Bindefasern verwendet werden. Wenn andererseits Latexbindemittel nachfolgend in Abschnitten 23 und 27 appliziert wird, dann können 100% "Pulp"-Fasern durch die FP-Applikatorköpfe 6 und 8 appliziert werden. Es ist auch möglich, 100% B/C-Fasern von dem FP-Applikator 6 oder -Applikator 8 oder von beiden Applikatorköpfen 6 und 8 zu applizieren.
In zusätzlichen Ausführungsbeispielen können statt 100% B/C-Fasern reguläre Monokomponentenstapelfasern aus PP, PET, Polyamid und andere Fasern für bis zu 80% der B/C- oder thermischen Bindefasern substituiert werden, die durch einen der FP-Applikatorköpfe 6, 8, 15, 18 und 20 appliziert werden können. Viele Arten von thermisch bondbaren Fasern, die vollständig schmelzen und auch als "Schmelzfasern" ("melt fibers") bekannt sind, können auch statt der B/C-Fasern verwendet werden, ausgenommen in trockengelegten Lagenkomponenten, bei denen 100% B/C-Fasern verwendet würden.
14 illustriert weiterhin einen optionalen Verdichter bzw. Kompaktor 10, der die Dicke des Vlies reduziert und die Faser-an-Faser-Adhäsion der FP-Lagen 7 und 9 erhöht. Es sollte berücksichtigt werden, dass das umfassende Vorbonden, das typischerweise verwendet wird, um die Schichten einzeln zu erzeugen, nicht das Ziel dieses optionalen Verdichtungsschritts ist, der in diesem erfinderischen In-line-Prozess verwendet wird. Der Verdichter 10 kann ein Kalander sein, der erwärmt sein kann oder nicht. Die MB oder verwandten Filtermedien 12 und 14 können durch einen oder mehrere MB-Düsen 11 und 13 auf die FP-Lagen 7 und 9 abgelegt werden. Die hauptsächliche Funktion der MB-Komponente besteht darin, als Hochleistungsfilter zu dienen, d. h., kleine Prozentzahlen von Partikeln kleiner Größer (weniger als etwa 5 Mikrometer) zu entfernen. Die Spezifizierungen der Filtrationsgrad-MB-Medien und verwandten Arten von Filtermedien mit ultrafeinen Faserdurchmessern sind in Tabelle I gegeben.
Der Prozess kann wenigstens einen oder mehrere MB-Düsen 11 und/oder einen oder mehrere verwandten Feindenier-Faserapplikatoren 13 (ultrafeine Faserdurchmesser), bezeichnet als X, umfassen. Wenn beispielsweise zwei identische MB-Einheiten verwendet werden, sind die Einheiten 11 und 13 gleich. Andere Variationen, die unter die Breite dieser Erfindung fallen, umfassen ein Vorhandensein der ersten Einheit als ein (modulares) Spunblown- oder Mikrodenier-Spunbond-(SB)-System als erstes, um einen Filtergradienten von gröberen zu feineren Hochleistungsfiltern zu bilden. Eine weitere beabsichtigte Variation besteht darin, ein oder mehrere (modulare) Spunblown- oder Mikrodenier-SB-Systemen in Serie zu verwenden. Eine weitere Variation besteht darin, zuerst ein Mikrodenier-SB- gefolgt von einem Spunblownsystem zu verwenden.
Die nächste in 14 gezeigte Vorrichtungskomponente ist ein weiterer FP-Applikator 15, der ein FP-Vlies auf die Lage 14 (oder auf die Lage 12, wenn eine zweite MB-Lage 13 nicht umfasst ist) ablegt. Dann bewegt sich die nicht-vorgebondete Anordnung von Lagen mit Lage 16 als oberste durch einen weiteren optionalen Verdichter 17. Als nächstes wird das Zwischenprodukt unter eine oder mehrere zusätzliche FP-Einheiten 18 und 20 befördert. Die FP-Applikatorköpfe 15 und 18 fügen die trockengelegte Kapazitätslage in die Struktur ein. Der FP-Applikator 20 ist hauptsächlich dazu entworten, ein sehr offenes (d. h. voluminöses) FP in erster Linie für Staubspeicherkapazität als Filter herzustellen. Die sehr offene FP-Lage 21 ist vorzugsweise aus 100 % Bikomponenten-B/C-Faser oder Mischungen aus B/C mit Verhältnissen von B/C zu "Pulp" hergestellt, die als höher charakterisiert sind als zur Herstellung grober Vorfilter-FP-Vliese normalerwise verwendet. Eines oder beide der FP-Lagen 16 und 19 können auch Splitfilmfasern und "gemischte elektrostatische Fasem" umfassen. Wenn keine B/C-Fasern oder andere Arten von thermischen Bondfasern in dem FP-Lagen 16 und 19 verwendet werden, dann sollte Latexbindemittel bei den Einheiten 23 und 27 appliziert werden, um die Lagen zu bonden. Wenn B/C-Fasern oder andere Arten von thermischen Bondfasern in einem der FP-Applikatorköpfe 15 und 18 umfasst sind, dann kann Latexbindemittel immer noch bei den Einheiten 23 und 27 appliziert werden.
Das Zwischenprodukt der obersten Lage 21 bewegt sich dann durch einen weiteren Verdichter 22 und danach durch einen Abschnitt der Produktionslinie, in dem die bisher losen, ungebondeten Lagen einem oder mehreren Bindeprozessschritte unterworfen werden, die kumulativ wirksam sind, um die einheitlichen Lagenstruktur des mehrlagigen Filters zu bilden. Vorzugsweise sind alle Filterkomponenten, die in die einheitliche Lagenstruktur aufgenommen sein werden, in dem Zwischenprodukt in diesem Stadium vor dem Binden der Lagen zusammen aufgenommen.
Mit weiterer Bezugnahme auf 14 kann man sehen, dass die Bindeschritte beginnend in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Latexbindemittel 24, das von dem Applikator 23 appliziert wird, stattfinden. Das Latex kann aus einer flüssigen Dispersion oder Emulsion gesprayt werden, durch eine Walze oder Gravurapplikation appliziert werden, oder als trockenes Pulver auf das Substrat gesprayt werden und dann thermisch geschmolzen oder daran gebondet werden. Das Latex dient auch als Abdichtmittel, indem es Staub eliminiert, der von den Außenoberflächen der FP-Lage austreten kann. Nach dem Hinzufügen von Latexbindemittel bei 23 bewegt sich das Zwischenprodukt durch eine Heizeinheit 25, die das Latexbindemittel trocknet und aushärtet, um die Zusammensetzung zu bonden. Die Heizeinheit kann ein geheizter Kalander, oder ein Infrarot-Mikrowellen- oder Konvektionsofen sein. Eine Kombination von diesen kann auch verwendet werden. Ein Durchströmofen wird bevorzugt. Wenn B/C-Fasern oder andere Arten von thermischen bondbaren Schmelzfasern in dem Zwischenprodukt vorhanden sind, dann können die Öfen 25 und 29 dazu dienen, diese Fasern thermisch zu schmelzen, um das Bonden und das Bilden der einheitlichen Struktur fortzusetzen.
Nach dem Ofen 25 wird das Zwischenprodukt durch das System 26 abgekühlt, und dann wird ein zweites Latexbindemittel bei 27 appliziert. Wie dargestellt, sind der Bewegungsweg und die Sprayeinheit 27 so angeordnet, um das Latexbindemittel auf die gegenüberliegende Seite der ersten Applikation zu applizieren. Das Zwischenprodukt umfassend das zweite Latexbindemittel 28 wird dann durch einen zweiten Durchströmofen 29 und durch einen weiteren Abkühlabschnitt 30 geführt. Als nächstes wird der vollständig gebondete mehrlagige Film eine einheitliche Lagenstruktur in der Station 31 zum kal ten elektrostatischen Aufladen, vorzugsweise ein Tantret-J-System, aufgeladen. Zuletzt wird der mehrlagige Film 32 auf eine gewünschte Breite oder mehrere Breiten auf der Schlitzvorrichtung 33 geschlitzt und durch die Winde 34 aufgerollt. Obwohl das elektrostatische Aufladen so dargestellt wird, dass es gegen Ende des Prozesses stattfindet, ist es auch beabsichtigt, ein Aufladen in einem Stadium vor der Applizierung von Latexbindemittel durchgeführt werden kann, unter der Voraussetzung, dass das Bindemittel und die nachfolgenden Prozessschritte die Ladung von dem Zwischenprodukt nicht wesentlich abziehen.

Claims

Mehrlagiger Filter zum Filtern eines Stroms von Umgebungsluft, umfassend wenigstens eine nicht-vorgebondete stromaufwärts angeordnete Lage und eine nichtvorgebondete stromabwärts angeordnete Lage, wobei das Verhältnis des absoluten Porenvolumens von stromaufwärts angeordneter Lage zu stromabwärts angeordneter Lage RAPV > 2, und die absolute projizierte Faserbedeckung der stromaufwärts angeordneten Lage und der stromabwärts angeordneten Lage APFC > 95%.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des mittleren Porendurchmessers von stromaufwärts zu stromabwärts angeordneter Lage RPD 4 < RPD < 10 ist.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 2, wobei der mittlere Porendurchmesser der stromaufwärts angeordneten Lage PDU > 60 μm vorzugsweise 80 μm < PDU < 200 μm
Mehrlagiger Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die stromaufwärts angeordnete Lage ein relatives Porenvolumen RPVU > 94%, vorzugsweise RPVU > 96%, eine Dichte ADU < 0,05 g/cm³ und eine Dicke D in dem Bereich von 0,5 mm < D < 2,5 mm aufweist.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 4, wobei die stromabwärts angeordnete Lage ein relatives Porenvolumen RPVD, das kleiner als das RPVU ist, eine Dichte ADD in dem Bereich von 0,07 g/cm³ < ADD < 0,14 g/cm³ und eine Dicke D in dem Bereich von 0,1 mm < D < 0,4 mm aufweist.
Mehrlagiger Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die stromaufwärts angeordnete Lage Fasern mit einer Länge in dem Bereich von 0,1 mm bis 3,0 mm umfasst.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 6, wobei die Orientierung der Fasern in Flussrichtung in der stromaufwärts angeordneten Lage höher als in der stromabwärts angeordneten Lage ist.
Mehrlagiger Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die stromaufwärts angeordnete Lage ein Staubrückhaltevermögen DR bzgl. Staubpartikel mit einem Durchmesser, der dem mittleren Porendurchmesser der stromabwärts angeordneten Lage entspricht, von DR > 99% aufweist.
Mehrlagiger Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die stromaufwärts angeordnete Lage trockengelegte, thermisch bondbare Schmelz-, Bikomponenten- oder Monokomponenten-Polymertasem und die stromabwärts angeordnete Lage Meltblownfasern umfasst.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 9, wobei die stromaufwärts angeordnete Lage eine Zusammensetzung aufweist, die aus der Gruppe bestehend aus 100 Gew.-% Bikomponenten-Polymertasern, einer Mischung von wenigstens etwa 10 Gew.-% Bikomponenten-Polymertasern mit einer komplementären Menge von natürlichen Fasern, Stapelfasern oder einer Mischung von diesen, und einer Mischung von wenigstens etwa 10 Gew.-% mit einer komplementären Menge an Fluff-Pulp-Fasern, Stapelfasern oder einer Mischung von diesen ausgewählt ist.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 10, wobei die Bikomponenten-Polymertasem einen Mantel aus einem Polymer und einen Kern aus einem anderen Polymer mit einem höheren Schmelzpunkt als der des einen Polymers aufweisen.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 11, wobei der Kern Polypropylen und der Mantel Polyethylen ist.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 12, wobei der Kern exzentrisch bzgl. des Mantels angeordnet ist.
Mehrlagiger Filter nach Anspruch 9, wobei die stromaufwärts angeordnete Lage weiterhin Fasern umfasst, die aus wenigstens ungeladenen Splitfilmfasern, geladenen Splitfilmfasern oder gemischten elektrostatischen Fasern ausgewählt wurden.
Staubsaugerbeutel umfassend einen mehrlagigen Filter gemäß einem der vorliegenden Ansprüche.
Verfahren zum Herstellen eines mehrlagigen Filters gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, umfassend die Schritte (a) Legen eines Filtrationsmaterials auf einen Träger, um die nicht vorgebondete stromaufwärts angeordnete Lage zu bilden, (b) Ablegen der nicht-vorgebondeten stromabwärts angeordneten Lage auf die stromaufwärts angeordnete Lage, und (c) Bonden der Lagen, um einen mehrlagigen Filter mit einer einheitlich in Lagen angeordneten Struktur zu bilden.
Mehrlagiger Filter, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 16.
Staubsaugerbeutel, umfassend einen mehrlagigen Filter, hergestellt durch das Verfahren nach Anspruch 16.