DE3504187C2 - Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Elektretfilters, mit dem wirkungsvoll in der Luft befindliche bzw. durch die Luft geförderte Schmutz- oder Staubteilchen mit Hilfe elektrostatischer Wirkung gesammelt werden.
Bekannte Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters umfassen beispielsweise:
  • (1) Es wird eine Menge geschichteter Fasern oder eine Elektrode mit einem elektrisch durchgängigen Film bedeckt und abwechselnd erhitzt und gekühlt, während ein elektrisches Hochspannungsfeld aufgebracht wird, um eine teilpermanente elektrische Ladung aufzubringen (vgl. US-PS 3 571 679).
  • (2) Ein Polymerfilm wird auf eine Temperatur nahe dessen Schmelzpunkt gebracht, und der erhitzte Film wird durch ein Hochspannungsfeld, das zwischen positiven und negativen, eine Ladung erzeugenden Elektroden vorgesehen ist, geführt, während der Film gespannt ist, um eine teilpermanente elektrische Ladung aufzubringen. Der geladene Film wird dann in feine Fasern gefasert, indem er über eine Nadelwalze geführt wird (vgl. US-PS 3 998 916). Insbesondere gibt die US-PS 3 998 916 an, daß Polypropylen als Fasermaterial geeignet ist, der Herstellungsprozeß wird bei Temperaturen von 100°C und mehr geführt.
  • (3) Polypropylenfasern werden durch ein Schmelzblasspinnverfahren in einem Hochgeschwindigkeitsheißluftstrom gebildet, wobei die Prozeßtemperaturen oberhalb des Schmelzpunktes der Polypropylenfasern liegen. Vor der Verfestigung der Fasern werden geladene Partikel aufgespritzt (vgl. JP 56-037 404 A2).
  • (4) Eine elektrische Ladung wird auf ein Filtermaterial aufgebracht, wobei eine Hochspannung quer zu einer beschichteten Anordnung von elektrisch leitenden Faserblättern aus Zellulosefasern oder dergleichen angelegt ist, die auf jeder Seite des Filtermaterials angeordnet ist, das seinerseits aus thermoplastischen Fasern wie etwa Polypropylen zusammengesetzt ist. Die Hochspannung wird mit Hilfe mindestens eines Paares von Coronaentladungsstangen erzeugt, die an gegenüberliegenden Seiten der Faserblätter angeordnet sind, und zwar in großer Nähe zu diesen (vgl. US-PS 4 375 718).
  • (5) Aus der DE-OS 30 38 381 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrets bekannt, bei dem Teflon aus Ausgangswerkstoff für die Elektretfasern verwendet wird. Die Fasern werden einer thermischen Vorbehandlung unterworfen, wobei die Temperatur zwischen der niedrigsten Kristallisationstemperatur und dem Schmelzpunkt des verwendeten Folienmaterials liegt.
  • (6) Schließlich beschreibt die US-PS 4 310 478 die Coronabehandlung von Polypropylenfilmen bei einer Temperatur von 20°C, also etwa bei Zimmertemperatur. Zwar ist angegeben, daß es unter Umständen nützlich sein kann, eine geringe Oberflächenspannung der Fasern zu erhalten, in anderen Fällen soll es aber ebenso vorteilhaft sein, eine hohe Oberflächenspannung der Fasern vorliegen zu haben.
Die herkömmlichen Verfahren nach (1), (2) und (3) haben den Nachteil, daß die Fasern beladen werden müssen, nachdem sie auf eine Temperatur nahe ihrem Schmelzpunkt erhitzt sind. Der Vorteil des Beladens bei Raumtemperatur oder auch des Kaltbeladens gegenüber dem Heißbeladen ist in Spalte 2, Zeilen 6 bis 64, der US-PS 4 375 718 dargestellt. Zusätzlich ist das Verfahren nach (1), das erfordert, daß die Elektroden mit einer weichen, leitfähigen Asbestzementschicht bedeckt sind, wegen der erforderlichen langen Zeitdauer, um in dem gewünschten Maß zu beladen, problematisch. Das Verfahren nach (2), bei dem eine Menge von geschichteten Fasern aus einem zuvor elektretisierten Filmmaterial gebildet ist, eignet sich hervorragend, um die Fasern mit einer teilpermanenten Ladung zu versehen, ist aber insofern problematisch, als daß der Herstellungsprozeß kompliziert ist, nämlich eine lange Zeit erfordert, und dazu kostspielig ist. Weiter ist bei dem Verfahren nach (2) die Dicke der herzustellenden Faser begrenzt.
Das Verfahren nach (3), bei dem die elektrostatische Beladung auf die Fasern aufgebracht wird, während sie noch geschmolzen sind, bringt insofern ein Problem mit sich, als die Ladung teilweise neutralisiert wird, bevor die Fasern verfestigen.
Das Verfahren nach (4) bietet den Vorteil, daß ein Faserblatt elektrostatisch in einer kurzen Zeit bei etwa Raumtemperatur beladen werden kann. Jedoch ist es mit gewissen Nachteilen verbunden, zu denen auch gehört, daß die Beträge der aufzubringenden elektrischen Ladungen von der Bedingung abhängig sind, daß ein Kontakt zwischen dem Filtermaterial und dem elektrisch leitfähigen Blatt besteht. Hinzu kommt die geringe Zuverlässigkeit der Filtrationswirkung, zurückzuführen auf die Tendenz, daß die elektrischen Ladungen nur auf der Faseroberfläche des Filtermaterials verbleiben, anstatt in das Innere der Faser einzudringen. Weiter leidet dieses Verfahren daran, daß eine Wanderung der geladenen Partikel (ionisierte Luft), die durch die Coronaentladung erzeugt werden, von dem elektrostatischen Zustand des Filtermaterials und des elektrisch leitfähigen Gewebes abhängt, die alle in ständigem Reibungskontakt mit den Walzkörpern oder dergleichen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters anzugeben, mit dem ladungsstabile Elektretfilter hergestellt werden können, ohne daß dafür ein längeres Aufladen erforderlich wäre.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, bei dem eine andauernde elektrische Ladung auf geschichtete Fasern bei ungefähr Raumtemperatur und in einer kurzen Zeitdauer aufgebracht wird. Das Aufbringen geschieht in einem Hochspannungsfeld mit einer Feldstärke zwischen 5 und 10 kV/10 cm, wobei ein ungewebtes Gespinst aus nichtpolaren Polypropylenfasern mit einer Viskositätszahl von 1,0 oder weniger verwendet werden. Dieses Gespinst wird in engen, vorzugsweise unmittelbaren Kontakt mit einer glattflächigen Grundelektrode gebracht, um es elektrostatisch zu beladen.
Mit anderen Worten besitzt die Faser eine Viskositätszahl von 1,0 oder weniger, die thermisch in dem Extruder und in der Düsenöffnung, bei dem Schmelzspinnverfahren verwendet werden, reduziert ist. Der Wert η, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, wird mit Hilfe einer Tetralinlösung bei 135°C gemessen und steht in bezug zu der Viskositätszahl des Polymers, das in dem Extruder und der Mehrlochspinndüse geschmolzen ist, nicht aber zu der Viskositätszahl des Ausgangspolymers. Wenn das Ausgangsmaterial auf eine Temperatur erhitzt wird, die den Schmelzpunkt übersteigt, werden Ketten von Ausgangspolymermolekülen aufgebrochen (thermische Reduktion) und deren Molekulargewicht und Viskosität reduziert. Die Faser, die eine Viskositätszahl von 1,0 oder weniger hat, kann wahlweise auf verschiedenen Wegen gestaltet werden, indem verschiedene Verfahren und verschieden geformte Düsenöffnungen verwendet werden, ohne eine Begrenzung der Erwärmungsbedingungen.
Mit Fasern, die einen η-Wert aufweisen, der 1,5 übersteigt, erhält man keine wirkungsvollen Elektretfilter, ohne daß man sie über einen langen Zeitraum einer Beladung unterwirft, während sie auf eine Temperatur nahe ihrem Schmelzpunkt in der herkömmlichen Weise erhitzt sind.
Die hier beschriebene Erfindung erbringt ein wirkungsvolles Elektretfilter unter Verwendung einer Faser mit einem Wert für die Viskositätszahl, die bei 1,0 oder darunter liegt, wobei eine elektrische Beladung über einen kurzen Zeitraum aufgebracht wird, der 10 Sekunden bei ungefähr Raumtemperatur nicht übersteigt.
Die Beladung wird wirkungsvoll auf beides, die inneren und die äußeren Bereiche der Fasern aufgebracht und verbleibt über einen langen Zeitraum stabil, wobei die Schmutz- bzw. Staubsammelfähigkeit auch nach einer Lagerhaltung in verstrecktem Zustand von einem halben Jahr aufrechterhalten ist. Die Erklärung für diese Vorteile ist ungewiß, jedoch stellt der Erfindung die Theorie auf, daß dann, wenn ein Harz einer thermischen Reduktion der Viskosität unterworfen wird, es pyrolysiert und durch Oxidation zersetzt, und Endbereiche der Polymerketten vergrößert werden und einen Zustand annehmen, der eine Beladung (Elektrisierung) erleichtert, und dieser über einen langen Zeitraum beibehalten wird. Die Fasern der Polypropylenserien, die bei dieser Erfindung Verwendung finden, können von der nicht verstreckten Art sein, bei der Molekülkomponenten beliebig angeordnet sind, oder von der verstreckten Art, bei der die Molekülkomponenten ausgerichtet sind. Es gibt nur eine geringe oder gar keine Begrenzung hinsichtlich der Polyolefinfaser unter jeglichem Aspekt, und der Durchmesser derselben kann beliebig oder gemäß dem Anwendungsfall, für den das Elektretfilter gedacht ist, bestimmt sein.
Auf der beigefügten Zeichnung zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der hier beschriebenen Erfindung.
Mit Bezug zu der einzigen Figur ist ein ungewebtes Gespinst 10 zu erkennen, das aus Schichten von polyolefinen Fasern besteht, so wie Polypropylen, die einen Wert η haben, der 1,0 oder weniger beträgt. Das Gespinst ist in einem elektrischen Hochspannungsfeld beladen, das durch Ausbildung einer positiven oder negativen Gleichspannung von 5 bis 10 kV/cm zwischen einer Entladungselektrode 12, die aus rostfreiem Stahl oder Wolframdrähten 14 besteht, die einen Durchmesser in der Bandbreite von 0,2 bis 1,5 mm haben, und einer Grundelektrode 16 mit glatter Oberfläche in Gestalt einer Trommel oder Platte vorgesehen. Bei praktischer Durchführung der hier beschriebenen Erfindung sind insbesondere Polyolefinfasern bevorzugt, die eine Viskositätszahl von nicht mehr als 1,0 haben, da solche Fasern eine beständigere und länger andauernde elektrostatische Beladung zu erreichen erlauben. Im Fall einer Viskositätszahl von 1,0 oder weniger dringen die elektrischen Ladungen in das Innere der Faser bei Raumtemperatur ein. Die Oberfläche der Grundelektrode, die aus Metall besteht und beispielsweise die Form einer Stahltrommel hat, ist vorzugsweise mit einer spiegelartigen glatten konvexen Oberfläche versehen, um so den Kontakt des ungewebten Gespinstes mit dieser zu maximieren, um die Wanderungen der elektrischen Ladungen in die Fasern zu verstärken. Weiter kann eine Vorbehandlung entweder durch positive oder durch negative Ionen, von der gleichen oder verschiedenen Polarität zu der des Koronaentladungselementes eine weitere Verbesserung erbringen. Beispiele für wirkungsvolle Vorbehandlungen schließen ein (1) eine Koronaentladungsbehandlung bei einer vergleichsweise niederen Spannung und (2) eine Behandlung durch eine Ionenbestrahlung. Die Vorbehandlung ist wirkungsvoll in einem Herabmindern der anfänglich ungleichen Verteilung der elektrischen Ladungen, die auf andere Weise während der nachfolgenden, zuvor beschriebenen Hochspannungsbehandlung auftreten kann. Dies ist wesentlich, da eine unerwartete Funkenbildung, die bei einer Spannung, die niedriger ist als die Abrißspannung, auftreten kann, verhindert wird, und eine stabile oder kontinuierliche Herstellung des Elektretfilters möglich ist. Darüber hinaus ist die Schmutz-/ Staubfilterung durch die so erreichte gleichförmige elektrostatische Ladung gleich wirkungsvoll über die Breite und Höhe des Filters.
Die hier beschriebene Erfindung erlaubt es bei etwa Raumtemperatur zu beladen (zu elektretisieren), wobei das Filtergespinst dem elektrischen Hochspannungsfeld zwischen zwei Elektroden lediglich 2 bis 10 Sek. ausgesetzt wird. Daher ist die Führungszeit für irgendeinen Punkt des Filtergewebes durch das Hochspannungsfeld, d. h. 2 bis 10 Sek., lediglich 1/20 bis 1/50 derjenigen Zeit, die bei herkömmlichen bekannten Verfahren erforderlich ist.
Die Elektrode oder das ungewebte Gespinst kann mit einem elektrisch durchlässigen Film bedeckt sein, jedoch kann eine solche Abänderung des Verfahrens typischerweise erfordern, daß die Gleichspannung 10 kV/cm übersteigt, entsprechend der Dicke des Filmes.
Beispiel 1
Ein ungewebtes Gespinst (nicht behandeltes Filter), das eine Dichte von 60 g/m² und eine Dicke von 0,7 mm aufweist, wurde aus Schichten von schmelzblasgesponnenen Polypropylenfasern gebildet, die einen Durchmesser von 12 µ und einen Wert η von 0,8 haben.
Dieses zuvor erwähnte ungewebte Gespinst wurde andauernd elektrostatisch geladen, in dem dieses durch ein elektrisches Hochspannungsfeld geführt wurde, das zwischen zwei Elektroden vorgesehen war, d. h. einer Entladungselektrode von 0,2 mm Durchmesser und einer trommelartigen Grundelektrode mit glatter Oberfläche, bei Raumtemperatur. Die Verweilzeit war 5 Sek., d. h., jeder Punkt des Gewebes blieb in einem engen unmittelbaren Kontakt mit der Grundelektrode für 5 Sek.
Beispiel 2
Ein ungewebtes Gespinst identisch zu dem in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß der Wert η der Polypropylenfasern 1,2 war, wurde bei Raumtemperatur in identischer Weise beladen.
Beispiel 3
Das Filtermaterial war ein ungewebtes Gespinst, das eine Dichte von 30 g/m² und Dicke von 0,3 mm hat, gebildet aus Schichten von schmelzgeblasenen gesponnenen Polypropylenfasern mit einem Wert η = 0,5 und Durchmessern von 0,5 bis 3 µ. Wenn sie zusammengeführt werden, verfilzen sich die Fasern der verschiedenen "Schichten" und haften nach der Abkühlung aneinander. Das Gespinst wurde einer Vorbehandlung durch eine Koronaentladung unterworfen bei einer relativ niedrigen Spannung von 6 kV/cm, worauf eine elektrostatische Ladung in der Weise des Beispiels 1 bei Raumtemperatur folgte. Es wurde keine Funkenbildung festgestellt und die Herstellung erfolgte ohne Unterbrechung. Eine Funkenbildung kann die Herstellung durch (1) Zerstörung der Drahtelektroden oder (2) Schmelzen von Bereichen des Filtermediums unterbrechen.
Kontrollbeispiel 1
Ein ungewebtes Gespinst der Art, das in Beispiel 1 verwendet ist, aber nicht elektrostatisch beladen, wurde in gleicher Weise hinsichtlich der Schmutz-/Staubsammelfähigkeit getestet.
Kontrollbeispiel 2
Ein ungewebtes Gespinst aus Polypropylenfasern mit einem Wert η = 1,7 aber ansonsten gleich dem in Beispiel 1 verwendeten Gespinst, wurde bei Raumtemperatur elektrostatisch geladen, gemäß dem Verfahren in Beispiel 1.
Das beladene Material wurde dann hinsichtlich der Staub-/ Schmutzsammelwirksamkeit in gleicher Weise getestet.
Kontrollbeispiel 3
Ein ungewebtes Gespinst der Art, das in Beispiel 1 verwendet wurde, wurde elektrostatisch in gleicher Weise beladen, mit Ausnahme einer Erhitzung auf 130°C. Wieder wurde das Material hinsichtlich der Schmutz-/Staubsammelfähigkeit getestet.
Kontrollbeispiel 4
Ein ungewebtes Gespinst ähnlich dem in Beispiel 3, aber ohne Vorbehandlung, wurde hinsichtlich des Schmutz-/ Staubsammelfähigkeit in gleicher Weise getestet.
Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Tests für die Schmutz-/Staubsammelfähigkeit der Filtermaterialien, hergestellt gemäß Beispielen, die für die hier beschriebene Erfindung repräsentativ sind, gegenüber Kontrollbeispielen. Die Tests zeigen, daß die Sammelwirksamkeit in beiden Fällen, sowohl in einem frühen Stadium wie auch nach einer Lagerung für sechs Monate.
Partikel aus Tabakrauch von 0,3 µ Durchmesser wurden zur Messung der Sammelfähigkeit verwendet. Luft wurde durch ein HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air, hochwirksam hinsichtlich teilchenbeladener Luft) geführt und in einen Kanal eingeführt, in dem das zu testende Filtermedium angebracht ist, bei einer vorgegebenen Windgeschwindigkeit (10 cm/Sek.). In den Kanal wurde Tabakrauch eingeführt, der in Luft verdünnt war. Die Anzahl der Rauchartikel, die einen Durchmesser von 0,3 Mikron hatten, ist mit einem Partikelzähler KC101 (Rion Company Ltd.) gezählt worden, vor und hinter dem zu testenden Filter.
Sammelwirksamkeit (%) = (n₁-n₂)/n₁×100
n₁ = Anzahl der Partikel vor dem Filter,
n₂ = Anzahl der Partikel hinter dem Filter.
Tabelle 1
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, ist die hier beschriebene Erfindung in bedeutender Weise nützlich für eine wenig teuere und wirkungsvolle Herstellung von Elektretfiltern, bei denen die elektrische Ladung nicht durch hohe Temperaturen neutralisiert wird, die bei herkömmlichen Beladungstechniken auftreten, die eine hohe Wirksamkeit im Aufsammeln von Schmutz/ Staub haben, und die ihre Aufsammelfähigkeit über eine lange Zeitdauer behalten.
Das offenbarte Verfahren ergibt einen Elektretfilter, der eine andauernde elektrostatische Ladung aufweist und aus Polymerfasern gebildet ist, die eine Viskositätszahl von 1,0 oder weniger besitzen. Die Fasern der erforderlichen Viskosität sind in ein ungewebtes Gespinst geformt und werden bei Raumtemperatur durch einen Spalt zwischen einer Entladungselektrode und einer Grundelektrode geführt, wobei sie eng gegen die Grundelektrode gepreßt werden. Die Grundelektrode weist vorzugsweise eine polierte Metalloberfläche für den Kontakt mit dem Gewebe auf.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Elektretfilters, mit den Schritten:
Schaffen eines ungewebten Gespinstes (10) aus nicht polaren Polypropylenfasern mit einer Viskositätszahl von 1,0 oder weniger;
Bereithalten einer Grundelektrode (16) und mindestens einer Entladungselektrode (12) in der Nähe der Grundelektrode (16) und Ausbilden eines Hochspannungsfeldes zwischen ihnen, wobei die Feldstärke zwischen 5 und 10 kV/cm beträgt; und
Führen des ungewebtene Gespinstes (10) durch das Hochspannungsfeld, wobei es mit der Grundelektrode (16) in Kontakt ist, um eine andauernde elektrostatische Beladung auf das Gespinst (10) aufzubringen, wobei weiter das Gespinst (10) bei der Führung durch das Hochspannungsfeld ungefähr auf Raumtemperatur bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gespinst (10) mit gasförmigen Ionen vorbehandelt wird, bevor es in das Hochspannungsfeld eintritt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gespinst (10) durch eine Bestrahlung mit Ionen vorbehandelt wird.
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