DE2512885A1 - Verfahren zur herstellung eines elektrisch geladenen faserfilters - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines elektrisch geladenen faserfilters

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DE2512885A1 DE19752512885 DE2512885A DE2512885A1 DE 2512885 A1 DE2512885 A1 DE 2512885A1 DE 19752512885 DE19752512885 DE 19752512885 DE 2512885 A DE2512885 A DE 2512885A DE 2512885 A1 DE2512885 A1 DE 2512885A1
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Description

PATENTANWÄLTE HENKEL, KERN, FEILER& HÄNZEL BAYERISCHE HYPOTHEKtN- UND
" "£" η EDUARD-SCHMID-STRASSE 2 £gSgä^?£^^
e.ur£u «oScmS D-8000 MÜNCHEN 90 Postscheck= München «,« - se
Ν·ν· Verto 2 Ί. März 1975
Rotterdam, Niederlande
Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geladenen Fa-
serfilters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geladenen Faserfilters, dessen Fasermaterial aus einer hochmolekularen, nicht-polaren bzw. unpolarisierten (non-polar) Substanz besteht.
Ein derartiges Verfahren ist bekannt, doch ist dabei das Aufladen des Fasermaterials in einem elektrischen Feld zur Bildung eines aufgeladenen Faserfilters wegen des elektrischen Durchbruchs durch die Poren des Materials schwierig. Durch Abdeckung der Elektroden, zwischen denen die "Formierfeldstärke" (forming field strength) angelegt wird, mit einem Halbleitermaterial ergibt sich zwar die Möglichkeit, das Fasermaterial in einen höher aufgeladenen Zustand zu versetzen, doch ist damit gleichzeitig der Nachteil verbunden, daß dieser Zustand erst nach einer längeren Zeitspanne erreicht wird.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Gewährleistung einer schnellen Herstellung von elektrisch stark geladenen Faserfiltern.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geladenen Faserfilters, dessen Fasermaterial aus einer hochmolekularen, nicht-polaren Substanz besteht, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Folie aus dieser Substanz kontinuierlich zugeführt bzw. gefördert wird, daß die Folie gereckt wird, daß die gereckte Folie mit Hilfe von Koronaelementen gleichpolig aufgeladen wird, daß die gereckte und aufgeladene Folie fibrilliert bzw. aufgefasert wird, daß das Fasermaterial gesammelt wird und daß das so gesammelte Fasermaterial zii einem Filter der gewünschten Form geformt wird.
Da das Durchbruch- oder Durchschlagrisiko beim Aufladen eines festen Folienmaterials wesentlich geringer ist als bei einem offenen Fasermaterial, kann eine an sich bekannte, aber erheblich schneller und wirkungsvoller arbeitende Aufladevorrichtung mit Korona- bzw. Sprühentladungselementen angewandt werden.
In bevorzugter Ausführungsform wird die Folie durch Koronaentladungselemente, die zu beiden Seiten der Folie gleich große, aber entgegengesetzte Polaritäten führen, örtlich beidseitig aufgeladen. Infolgedessen wird die Folie mit der gleichen Koronaspannung nahezu doppelt so stark aufgeladen wie bei der einseitigen Aufladung.
Die Aufladung mit Hilfe von Koronaentladungselementen bringt es zusätzlich mit sich, daß die Folie kontinuierlich gefördert und zu einem gut auftrennbaren Material gereckt werden kann. Das Fibrillieren bzw. Auffasern des Materials kann auf verschiedene Weise erfolgen. Wenn für die sen Zweck eine Nadelwalze mit gegensinnig zur Folie lau-
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fenden I-Ietallnadeln verwendet wird, tritt überraschend kein nennenswerter Ladungsverlust auf.
Vorzugsweise wird das Fasermaterial lagenweise auf eine Auf nickel- oder Abzugswalze aufgewickelt und dann zu einem Filtertuch der gewünschten Dicke und Form verarbeitet, indem eine oder mehrere übereinanderliegende Lafen zusammen und gleichzeitig von der Walze abgenommen werden.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. ;",s zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung, bei welcher zur Herstellung einer leicht auftrennbaren, aufgeladenen Folie eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung angewandt wird,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer verbesserten zweiten Stufe zum Recken einer Folie, bei welcher die Folie auf beiden Seiten mit einer angelegten Ladung versehen werden kann,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Konstruktion der Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrensschritts, welche die Aufladung der Folie auf nahezu den doppelten Wert ermöglicht, und
Fig. 4 in vergrößertem Maßstab ein Beispiel einer Elektrodenanordnung, um der Folie eine Ladung aufzuprägen.
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In den Figuren sind gleiche Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Gemäß Fig. 1 wird eine Folie 1, wie durch den Pfeil angedeutet, entweder von einer Vorratsrolle oder unmittelbar von einem Extruder aus zwischen Walzen 3 und h in eine Reckvorrichtung eingeführt, um sie auftrennbar zu machen.
Bei dieser Anordnung wird der Folie 1 die elektrische Ladung von oben her aufgeprägt.
Die Reckvorrichtung weist feststehende Stangen 5 und 6, einen durch ein Heizelement 15 beheizten Block 8, zwei Walzen 9 und 10, eine durch Heizelemente 16 beheizte, gewölbte Platte 12 sowie zwei Walzen 13 und 14 auf. Eine Reckvorrichtung mit den eben beschriebenen Bauteilen ist in der niederländischen Patentanmeldung 71 13047 offenbart. Bei dieser Vorrichtung erfolgt das Recken in zwei Stufen, so daß sich diese Vorrichtung sehr gut für das Auffasern von Folien eignet, die schwierig aufzutrennen sind.
Bei der ersten Reckung, die zwischen der Stange 6 und den beiden Walzen 9 und 10 stattfindet, wird die Folie 1 in der Weise über die Kante 7 des Blocks 8 gezogen, daß die Folie 1 eine Längenzunahme von etwa 1 : 4 auf Kosten ihrer Dicke, aber kaum auf Kosten ihrer Breite erfährt.
Bei der zweiten Reckung, die zwischen den beiden Walzen 9 und 10 sowie den beiden Walzen 13 und 14 erfolgt, wird die Folie 1 derart über die gewölbte Platte 12 gezogen, daß sie eine weitere Längenzunahme von etwa 1 : 1,5 erfährt.
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Die Temperatur des Blocks 8 hängt weitgehend von der Laufgeschwindigkeit der Folie ab, und sie kann bei hohen Foliengeschwindigkeiten so gewählt sein, daß sie dicht unter der Schmelztemperatur der Folie 1 liegt.
Jiclitig ist dabei, daß die Folie 1 die vor der Kante 7 liegende Fläche des Blocks 8 nicht berührt, so daß eine vorzeitige und zu starke Erwärmung der Folie 1 verhindert wird. Die Lage der hinter der Kante 7 befindlichen Fläche 11 des Blocks 8 ist ebenfalls von Bedeutung, da diese Fläche dafür maßgeblich ist, wie schnell die von der Kante 7 ablaufende Folie 1 abkühlt.
Die Platte 12 wird auf eine Temperatur erwärmt, die nur geringfügig unter der Schmelztemperatur des Folienmaterials liegt, und da die Folie 1 mit einem erheblichen Teil an dieser gewölbten. Plattenfläche anliegt, wird die Folie 1 an dieser Stelle auf die höchste Temperatur beim Reckvorgang erwärmt.
Dieser Zustand ist schematisch durch die dreifache Flamme 16 an der Platte 12 im Unterschied zur einfachen Flamme 15 am Block 8 veranschaulicht.
ßine Aufladungsvorrichtung 18, die aus einer Anzahl dünner, sich über die an Kasse liegende gewölbte Platte 12 erstrekkender und an den Minuspol einer Stromversorgung angeschlossener Wolframdrähte 25 besteht, sprüht mittels des Sprühentladungs- oder Koronaeffekts eine negative Ladung auf die Oberseite der Folie 1 auf. Dies geschieht vorzugsweise an der Stelle, an welcher die Temperatur der Folie 1 auf der Platte 12 am höchsten ist.
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Es kann jedoch vorteilhaft sein, die Aufladungsvorrichtung mehr zum Anfang der Platte 12 hin anzuordnen. In diesem Fall erfährt die Folie 1 Über den folgenden Teil der Heizplatte hinweg eine teilweise Entladung. Genauer gesagt, gehen auf diese l/eise die Ladungen verloren, die der Folie in am wenigsten stabiler Weise aufgeprägt wurden. Hierdurch wird die Elektretfolie thermisch gealtert, und infolgedessen bleiben in ihr nur die Ladungen zurück, die ihr sehr stabil einverleibt wurden. Die Restladung besitzt einher bei Umgebungstemperatur eine außergewöhnlich hohe Beständigkeit. Tatsächlich wird auch die thermische Beständigkeit der verbleibenden Ladung erhöht. Darüber hiiiRus -<-rivd in überraschender Weise auch die Stabilität bzw. Beständigkeit gegen Feuchtigkeit erheblich verbessert.
Die Vorrichtung ist weiterhin mit einer Einrichtung 29 zur-Fibrillieren bzw. Auffasern der Folie 1 versehen.
Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Folie 1 zu Fasern 21 aufgefasert oder aufgespalten, indem sie über eine feste Stange 20 auf eine Nadelwalze 29 geführt wird. Indem der Nadelwalze 29 eine die Laufgeschwindigkeit der1 Folie 1 übersteigende Umfangsgeschv/indigkeit erteilt wird, wird diese Folie 1 hauptsächlich in Längsrichtung aufgefasert. Die auf diese Weise gebildeten Fasern 21 erfahren infolge ihrer elektrostatischen Ladung eine hohe Verteilung oder Auffächerung mit einem hohen Gleichmpßigkeitngrad, so daß eine gleichmäßig verteilte bzw. gut ausgebreitete Faserlage erhalten wird, die auf die Aufwickel- oder Abzugswalze 24 aufgerollt wird. Indem eine oder mehrere übereinanderliegende Lagen gemeinsam und gleichzeitig von der Walze abgenommen werden, kann ein Filter der gewünschten Form und Dicke gebildet werden.
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Ladungsrnessungen haben ergeben, daß sich dann, wenn auf der Platte 12 negative Ladungen auf der Oberseite der Folie erzeugt werden, an ihrer Unterseite positive Ladungen bilden. Diese Ladungen sind das Ergebnis der Ionisierung der zwischen Folie und unterseitiger Platte eingeschlossenen Luft. Hierbei v/erden in dieser Luft positive Ionen, gebildet, die an die Unterseite der negativ aufgeladenen Polie angezogen werden. Die positive Ladung ist 'J°".ier tatsächlich eine kompensierende Aufladung, die deshalb etwas niedriger ist als die aufgeprägte negative Ladung .
Diese unerwartete beidseitige Aufladung der Folie 1 kann bei eier Vervrendung in Faserfiltern von Bedeutung sein, da die ;leiste:'. rvuszuf Alternden Aerosolteilchen elektrisch aufgeladen sind, und ihre Ladung kann dabei sowohl positiv als auch negativ oder positiv und negativ sein.
Zu:.- Fersteilung einer Folie r die positiv ebenso stark auf- Γο'.ράΡ/Λ int wie negativ, muß die Aufladung auf beiden Seite:: erfolgen. Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsforr-, mit welcher dies erreicht werde?., kann.
An einer zweiten gewölbten Platte 17, die zwischen den beiden ualzenpaaren 9, 10 und 13, 14 angeordnet ist, können mittels einer weiteren Aufladungsvorrichtung 19 die positiven Ladungen der noch nicht mit einer Ladung beaufschlagten Seite d.er Folie 1 aufgeprägt werden.
Zuva Filtern von Aerosolteilchen, die einpolig aufgeladen sind, ist es dagegen am günstigsten, einpolig mit der entgegengesetzten Polarität aufgeladene Fasern zu verwenden. A\ich im Fall von zweipolig aufgeladenen Aerosolen kann
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daran gedacht werden, die Filtermatte aus abwechselnd positiv und negativ geladenen Faserlagen zu bilden. Die einpolige Aufladung kann auch mit Hilfe der Zweistufen-Aufladung gemäß Fig. 2 erreicht werden. Vorzugsweise wird in diesem Fall für die Platte 17 das gleiche Potential gewählt wie für die SprUhentladungsdrähte 25, während an die SprUhentladungsdrähte 30 eine Spannung angelegt wird, die gegenüber der Platte 17 ausreichend negativ ist.
Fig. 3 veranschaulicht eine bevorzugte Ausführungsform einer Aufladungseinrichtung 18, 19, bei welcher Koronaelemente zu beiden Seiten der gleich große, aber entgegengesetzte Ladungen tragenden Folie angeordnet sind. Diese Aufladung an der Einrichtung 18, 19 kann auf einen an sich bekannten Reckvorgang folgen. Falls die Aufladung bei 18, 19 jedoch mit dem Reckvorgang zusammenfällt, erfolgt das Aufladen vorzugsweise in einem nicht dargestellten Ofen.
Fig. 4 veranschaulicht in vergrößertem Maßstab eine der angewandten Aufladungsvorrichtungen 18, 19. Zwischen Sprühentladungsdrähten 25, 30 und gewölbten Platten 12, 17, über welche die Folie 1 geführt wird, ist ein Metallgitter 27 angeordnet, durch welches die mittels der dünnen Koronadrähte aufgeprägte Ladung besser verteilt wird. Die von der Folie aufgenommene Ladung wird durch das Potential des Gitters bestimmt. Bei einer niedrigen Durchlaufgeschwindigkeit (throughput rate) wird die Folie ungefähr auf das Potential des Gitters aufgeladen. Ein zusätzlicher Vorteil der angewandten Vorrichtung besteht darin, daß das Risiko eines dielektrischen Durchbruchs der Folie sowie einer Funkenentladung zu den blanken Teilen der Platten 12, 17 sehr gering ist, weil das Gitter die Koronadrähte sozusagen gegenüber der Folie abschirmt. Infolge
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der Anordnung dieses Gitters ist es auch möglich, die dünnen Koronadrähte gewünschtenfalls mit einem Wechselstrom anstelle eines Gleichstroms zu speisen.
Eine über den Koronadrähten 25, 30 angeordnete Metallplatte 26 ist mit den an Masse liegenden bzw. geerdeten Platten 12, 17 verbunden. Da die Platte 26 die Koronabildung beträchtlich erhöht, ist die Sprüh(entladungs)intensität bei Verwendung dieser oberen Platte wesentlich größer als bei einer Vorrichtung ohne diese Platte.
Bei einer vereinfachten Konstruktion der Aufladungsvorrichtung, welche eine etwas weniger gleichmäßige Aufladung gewährleistet, wird das Gitter weggelassen. In diesem Fall sollte die Platte 26 vorzugsweise über einen Anschluß 32 mit einer gegenüber der Platte 12, 17 positiven Spannung verbunden sein, da im Fall einer an der Platte 26 liegenden positiven Spannung keine hohe negative Koronaspannung an die dünnen Koronadrähte angelegt zu werden braucht. Tatsächlich kann die Koronaspannung halbiert werden, wenn das Potential ebenso groß wie das der Koronadrähte, aber entgegengesetzt dazu gewählt wird. Hierdurch wird wiederum das Risiko eines dielektrischen Durchbruchs in der Folie erheblich verringert, speziell dann, wenn die Folie sehr dünn ist.
Beispiel 1
Eine Folie aus isotaktischem Polypropylen mit einer Dicke von 45 V- und einer Breite von 5 cm wurde in einem Verhältnis von 1 : 6 über den Block 8 gereckt, dessen Temperatur 1100C betrug. In einer zweiten Stufe erfolte das Recken und Aufladen über der auf einer Temperatur von
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13O0C gehaltenen Platte 12 mit einem Reckverhältnis von 1 : 1,5. Die Fördergeschwindigkeit betrug dabei 12,2 m/min. In der über der Platte 12 angeordneten Aufladungsvorrichtung 18 waren die Koronadrähte 25 an -3,2 kV angeschlossen, während die obere Platte 26 an +3 kV lag. Der Abstand von den Koronadrähten 25 zur Platte 12 betrug 5 mm. Die Folie wurde mit einer 60 Reihen von Nadeln aufweisenden Nadelwalze fibrilliert bzw. aufgefasert, deren Nadeln jeweils 500 γ. voneinander entfernt waren. Das aufgeladene Fasermaterial wurde auf eine Breite von etwa 45 cm aufgefächert und auf der Walze 24 zu einem Filter mit einer Dicke von 3 mm aufgerollt.
Die Filtrier- bzw. Auffangwirksamkeit dieses Filters und eines gleichartigen, nicht-aufgeladenen Filters wurde mit einem heterodispersen NaCl-Aerosol bei einer Linearluftgeschwindigkeit von 10 cm/s und einer Aerosolkonzentration von 15 mgfclaCT/nr5 untersucht. Zu Vergleichszwecken wurde auch ein handelsübliches Filter aus Glasfasern von 1 bis
10 u geprüft. Filtergewicht Anfängliche
Eindringung (vo		 Druckabfall
) mm HpO
- 163 0,5 1,5
Aufgeladenes
Filter		 163 53 2,8
Nicht-aufgelade
nes Filter		 167 21 5,0
Filter mit Glas
fasern
Beispiel 2
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, doch erfolgte das Aufladen nunmehr mit der Sprühentladungsvorrichtung
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gemäß Fig. 3, vrobei die Spannung an den Koronadrähten -10 kV und am Gitter -2,3 kV betrug. Die Verarbeitung zu einem Filter erfolgte auf die gleiche Weise wie beim vorhergehenden Beispie]..
Filtergewicht Anfängliche Druckabfall g/m2 Eindringung (%) mm H9O
Aufgeladenes Filter' 163 0,3 1,1
ilicht-auf geladene s
Filter 163 53 2,8
-12-
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    / 1.»Verfahren zur Herstellung eines elektrisch geladenen ν—/Faserfilters, dessen Fasermaterial aus einer hochmolekularen, nicht-polaren Substanz besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie aus dieser Substanz kontinuierlich zugeführt bzw. gefördert wird, daß die Folie gereckt wird, daß die gereckte Folie mit Hilfe von Koronaelementen gleichpolig aufgeladen wird, daß die gereckte und aufgeladene Folie fibrilliert bzw. aufgefasert wird, daß das Fasermaterial gesammelt wird und daß das so gesammelte Fasermaterial zu einem Filter der gewünschten Form geformt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie beidseitig aufgeladen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie beim Recken erwärmt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie beim Recken aufgeladen wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie an dem Punkt aufgeladen wird, an welchem sie praktisch der höchsten Temperatur ausgesetzt ist.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie mittels einer gegensinnig zur Folie laufenden Nadelwalze fibrilliert bzw. aufgefasert wird.
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  7. 7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fasermaterial auf einer Aufwickel- oder Abzugswalze in Lagen gesammelt und zu einem Filter der gewünschten Dicke und Form verarbeitet wird, indem eine oder mehrere übereinanderliegende Lagen gemeinsam und gleichzeitig von dieser Walze abgenommen werden.
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