DE69717594T2

DE69717594T2 - Filtermaterial aus kunststoff und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE69717594T2
Application number: DE69717594T
Authority: DE
Inventors: Pierre Legare
Original assignee: Racal Corp Canada Inc
Current assignee: Thales Canada Inc
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1997-04-29
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2017-04-30
Also published as: DE69717594D1; WO1997040913A1; US5898981A; CA2224857C; ATE228879T1; EP0848636A1; CA2224857A1; EP0848636B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Filtermedien und insbesondere ein Verbundstoff-Filtermedium und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mediums.

Hintergrund der Erfindung

Frühe Filtermedien waren weitgehend aus natürlich vorkommenden Fasern wie zum Beispiel Wolle, Cellulose, Asbest oder aus sonstigen für gewöhnlich in der Natur zu findenden Fasern gewonnen. Heute spielen Wolle und Cellulose immer noch eine wichtige Rolle, wenngleich Asbest wegen seiner Toxizität schon längst nicht mehr verwendet wird.
Mit dem Auftauchen der Kunststoffpolymere sind auch neue Medien auf der Grundlage synthetischer Fasern möglich, die verbesserte Filtrationseigenschaflen zeigen. Gleichzeitig sind neue Probleme im Zusammenhang mit der Filtration aufgetreten, zum Beispiel bei der Filtration in Fahrzeuginnenräumen und bei Raumreinigungsgeräten, mit denen die Luftqualität in Wohnungen verbessert werden soll. Diese Anwendungen sind als Filtrationsproblem besonders schwierig, da sie sehr feine Teilchen auf eine Größe im Submikronbereich zerkleinern, während gleichzeitig angesichts begrenzter Gebläseleistungen ein sehr geringer Druckabfall erforderlich ist, und all dies bei einem höchst begrenzten Platzangebot. Die bevorzugte Filterkonstruktion hinsichtlich der erwarteten geringen Größe ist ein Faltenfilter, um eine größere Filtrationsfläche pro Volumeneinheit zu erzielen.
Die begrenzte Größe der zur Verfügung stehenden Fläche führt zu einer hohen Luftgeschwindigkeit in dem Filtermedium, was für den Konstrukteur eines solchen Mediums ein schwieriges Problem darstellt. Dies hat normalerweise bestimmte Abstriche hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bedeutet. Einer der grundlegendsten Abstriche bei der Filtration ist der Kompromiß zwischen dem Teilcheneinfangwirkungsgrad einerseits und dem Druckabfall andererseits.
Je weniger das Filtermedium den Luftstrom aufhält, umso höher ist die Abgabe von Strömung aus dem System, in dem der Filter installiert ist. Am Filtrationswirkungsgrad müssen oft Abstriche vorgenommen werden, um die Strömung innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten, um eine zufriedenstellende Leistung des Luftsystems zu erhalten.
Bei bestimmten Filtermedien, die normalerweise bei den obengenannten Anwendungen verwendet werden, wird ein geringer Druckabfall erzielt durch Verwendung relativ grober Fasern, normalerweise mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 10 um oder mehr. Es wurden sowohl runde als auch rechteckige Fasern verwendet, wobei letztere für gewöhnlich als Spaltfaserelektret bezeichnet werden. Diese Fasern sind wiederum elektrostatisch aufgeladen, um die Höhe des Teilcheneinfangwirkungsgrades für kleine Teilchen durch die Wirkung der elektrostatischen Ladungskräfte zu verbessern, die diese feineren Teilchen zu den Fasern hinziehen. In der Praxis hat sich gezeigt, daß diese Medien ihre Wirksamkeit mit der Zeit verlieren. In bestimmten Fällen geschieht dies rasch innerhalb von ein paar Tagen oder Wochen, vor allem unter dem Einfluß erhöhter Feuchtigkeit und Temperatur, oder unter dem Einfluß bestimmter Klassen von Aerosolen wie zum Beispiel Öl-Aerosole. Die Verwendung sehr dünner Medien mit niedrigem Flächengewicht, die feine Fasern mit einer Größe im Bereich von 1 bis 5 um umfassen, kann diese Tendenz signifikant verringern, wobei die Anforderung hinsichtlich des Druckabfalls immer noch berücksichtigt wird, jedoch auf Kosten einer geringen Aufnahmefähigkeit und somit einer viel kürzeren Lebensdauer des Filters als bei der Methode mit groben Fasern.
Da das wachsende Bewußtsein der mit bestimmten in der Luft schwebenden Teilchen verbundenen Gefahren den Bedarf an Filtrationslösungen erhöht, verbunden mit einer gestiegenen Sorge über die Häufigkeit der Entsorgung von gebrauchten Filtern, sind die Konstrukteure gezwungen, Medien zu entwickeln, die stabile Funktionseigenschaften in Kombination mit einer hohen Aufnahmefähigkeit besitzen, wobei gleichzeitig die Einschränkungen dieser Anwendungen mit hohem Volumenstrom hinsichtlich des Druckabfalls berücksichtigt werden. Somit besteht in der Technik ein Bedarf an einem Filtermedium und einem Verfahren zur Herstellung desselben, das die obengenannten Probleme lösen kann.
Die WO-A-9315248 offenbart ein elastisches Verbundstoff-Vlies mit einem elastomeren Netz, das mit einem Faservlies verschlungen ist. Bei einer Ausführungsform ist das Netzmaterial sandwichartig zwischen zwei Schichten von miteinander verschlungenen Fasern aus einer Polypropylen/Polyester-Mischung und schmelzgeblasenen Polypropylenfasern gelagert. Es wird nicht offenbart, daß sich dieses Gewebe zur Verwendung als Filtermedium eignet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

- Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Verbundstoff-Filtermediums gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2 zeigt ein Flußdiagramm, das die Herstellungsschritte veranschaulicht, mit denen das Verbundstoff-Filtermedium gemäß der bevorzugten Ausführungsform hergestellt wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Kurz gesagt umfaßt ein Verbundstoff-Filtermedium gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das ein verbessertes Aufnahmevermögen bei stabilen Filtrationseigenschaften bietet, ein flauschiges Vliesmaterial wie zum Beispiel ein triboelektrisches Mischfasermaterial, einen Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff mit einer ersten Seite aus schmelzgeblasenen Fasern und einer zweiten Seite aus Spinnvliesfasern, und ein Netzmaterial mit Öffnungen darin. Der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff wird mit dem triboelektrischen Mischfasermaterial kombiniert, indem Fasern so miteinander verschlungen werden, daß Teile der schmelzgeblasenen Fasern und der Spinnvliesfasern in die Masse des triboelektrischen Mischfasermaterials eingestreut werden, und ferner so, daß sich die ineinander verschlungene Kombination aus Mischfasern und schmelzgeblasenen Fasern und Spinnvliesfasern sowohl über als auch unter den ebenen Flächen des Netzmaterials befindet und auch durch die Öffnungen in dem Netzmaterial geführt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung der obengenannten Medien die folgenden Schritte: es wird ein triboelektrisches Mischfasermaterial auf die schmelzgeblasene Seite eines Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoffes gelegt, und das triboelektrische Mischfasermaterial wird dann mit dem Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff verschlungen. Schließlich wird das obige Material so auf ein Netz gelegt, daß die Materialseite aus dem triboelektrischen Mischfasermaterial mit dem Netz in Berührung kommt; und das Material wird dann mit dem Netz verschlungen.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das triboelektrische Mischfasermaterial durch ein anderes flauschiges Filtervlies ersetzt, beispielsweise durch elektrostatisch aufgeladene dielektrische Spaltfasern, die hergestellt wurden durch Fibrillieren eines elektrostatisch aufgeladenen Films. In noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff durch Schmelzblasmaterial allein ersetzt, das vom Gewicht her schwerer ist.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Verwendete Grundstoffe:

Anhand der Zeichnungen, und insbesondere anhand von Fig. 1, ist nun eine Querschnittsansicht eines Verbundstoff-Filtermediums 100 gemäß der Erfindung dargestellt. Die bei der Herstellung des Verbundstoff-Filtermediums 100 verwendeten Grundstoffe umfassen ein erstes Medium, vorzugsweise ein Mischfasermaterial aus einer Mischung von Modacryl- und Polypropylenfasern ungefähr im Verhältnis 50%/50%, vorzugsweise mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 15 bis 20 um.
Das erste Medium hat vorzugsweise ein Mischungsgewicht von 35 bis 300 g/m². Vor dem Mischen werden die Fasern gewaschen, um sämtliche Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, damit eine stabile triboelektrische Ladung gebildet werden kann. Die Mischung ermöglicht eine hohe, stabile positive Ladung und eine hohe, stabile negative Ladung auf einem mikroskopischen Niveau sowie insgesamt eine elektrische Neutralität. Wenngleich eine Mischung von Polypropylen- und Modacrylfasern ungefähr im Verhältnis 50%/50% wünschenswert ist, um eine gleichmäßige Ladungsverteilung in der Masse der Mischung zu unterstützen, kann an ihrer Stelle auch eine Mischung mit Unterschieden im Verhältnis der verwendeten Materialien verwendet werden. Zum Beispiel können Mischungsverhältnisse von Polypropylenfasern zu Modacrylfasern von 30 : 70 bis 80 : 20, mehr bevorzugt von 40 : 60 bis 70 : 30 verwendet werden, um das triboelektrische Mischfasermaterial zu bilden.
Die Mischung der zwei obigen Materialien wird während des Vliesherstellungsverfahrens elektrisch aufgeladen. Der Filtrationswirkungsgrad wird besonders verbessert durch elektrische Ladungen auf der Faser zum Einfangen von Teilchen mit einer Größe im Submikronbereich.
Ein Mischfasermaterial, das als das erste Medium verwendet werden kann, wird ausführlich erläutert in US-A-4,798,850 mit dem Titel "Blended-fibre filter material" (Mischfaser-Filtermaterial) von Richard Collin Brown. Das in diesem Patent beschriebene Produkt wird im Handel vertrieben unter dem Warenzeichen TECHNOSTAT®, das von der Hepworth Company hergestellt wird, oder als unter dem Warenzeichen Flo-Clean vertriebenes Produkt, das von der American Felt and Filter Company hergestellt wird.
Es sollte unbedingt angemerkt werden, daß bei der bevorzugten Ausführungsform zwar eine Mischung von Modacryl und Polypropylen verwendet wird, doch genauso gut auch andere Fasern verwendet werden können. Zum Beispiel kann eine Mischung von sauberen Polyolefinfasern und sauberen Fasern aus einem Additionspolymer verwendet werden, das vorzugsweise ein oder mehr halogensubstituierte Kohlenwasserstoffe umfaßt. Das Halogen ist vorzugsweise Fluor oder Chlor, und der Kohlenwasserstoff kann ein Polyolefin sein, vorzugsweise Polyethylen oder Polypropylen. Die Modacrylfasern könnten also beispielsweise durch Polyvinylchlorid, Polyvinylidenchlorid, Vinylchlorid-Vinylidenchlorid- Copolymer, chloriertes Polyvinylchlorid oder Polytetrafluorethylen ersetzt werden, während die Polypropylenfasern durch andere Polyolefinfasern wie zum Beispiel Polyethylen oder Ethylen-Propylen-Copolymer ersetzt werden könnten. Bei der bevorzugten Ausführungsform können die Modacrylfasern ein Copolymer sein, das 35 bis 85 Gew.-% Acrylnitrileinheiten umfaßt, wobei sich der Rest im wesentlichen aus anderen additionspolymerbildenden Einheiten zusammensetzt, wobei es sich um halogenierten Kohlenwasserstoff wie zum Beispiel Vinylchlorid oder Vinylidenchlorid handelt.
Angesichts des hohen Filtrationswirkungsgrades der obigen Mischung von Modacryl- und Polypropylenfasern zum Einfangen von Staubteilchen unter Verwendung von elektrostatischer Anziehung ist eines von mehreren bevorzugten Substraten bei der Durchführung dieser Erfindung von Nutzen. Ein weiteres solches Material wird hergestellt unter Verwendung einer Kombination von Polytetrafluorethylen- und Nylonfasern, die hergestellt werden von W. L. Gore Filtration, Elkton, Maryland, und unter dem Markennamen GORETRET vertrieben werden.
Wenngleich das erste Medium vorzugsweise ein triboelektrisches Mischfasermaterial gemäß obiger Beschreibung umfaßt, können anstelle des triboelektrischen Materials auch andere flauschige Vliesmedien verwendet werden, die elektrisch geladen sein können oder nicht. Ein solcher Ersatz ist ein Vlies aus Elektretfasern, die vor, während oder nachdem ein Vlies aus ihnen hergestellt wurde, elektrisch geladen werden. Ein spezifisches Beispiel ist ein Vlies aus elektrostatisch aufgeladenen dielektrischen Spaltfasern, die gebildet wurden durch Fibrillieren eines elektrostatisch aufgeladenen Films, wie dies beschrieben wird in den erneut erteilten US-Patenten Nr. 30,782 und 31,285. Die in diesen Patenten beschriebenen Fasern werden aus einem elektrostatisch aufgeladenen Film gebildet, der fibrilliert wurde, um Fasern mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt bereitzustellen. Die Fasern werden vorzugsweise aus einem dielektrischen Film gebildet, der durch Coronabehandlung aufgeladen und dann fibrilliert werden kann. Geeignete Filmmaterialien umfassen Polyolefine, wie zum Beispiel Polypropylen, lineares Polyethylen niedriger Dichte, Poly-1-buten, Polytetrafluorethylen, Polytrifluorchlorethylen, Polyvinylchlorid; aromatische Polyarene, oder sonstige Materialien, die in der Technik bekannt sind. Besonders bevorzugt sind Polypropylen und Polypropylen-Copolymere.
Ein zweiter Grundstoff bzw. ein zweites Medium, das bei der Herstellung des Verbundstoff-Filtermediums 100 verwendet wird, ist ein Schmelzblaspolypropylen, vorzugsweise mit einem Gewicht zwischen 5 und 20 g/m² und einer durchschnittlichen Fasergröße im Bereich von 1 bis 5 um. Ein dritter Grundstoff bzw. ein drittes Medium umfaßt vorzugsweise ein Polyester- oder Polypropylen- Spinnvliesmaterial, vorzugsweise in Form einer Schicht mit einem Gewicht von ungefähr 10 bis 18 g/m².
Ein vierter Grundstoff bzw. ein viertes Medium umfaßt ein extrudiertes Polypropylennetz. Das Netzmaterial ist vorzugsweise im wesentlichen eben und hat eine erste und eine zweite Hauptfläche. Es sei unbedingt angemerkt, daß auch andere Materialien wie Polyethylen oder Nylon für das Netzmaterial verwendet werden können. Es können verschiedene Netzkonfigurationen verwendet werden. Gute Ergebnisse wurden beobachtet mit einem 8,4 · 10&supmin;&sup4; m (0,033 Inch) dicken Netz mit Filamenten, die in einem Rautenmuster angeordnet sind, das einen Filamentschnittwinkel von 85 bis 88 Grad sowie eine Filamentzahl von 750 bis 790 Stränge pro Meter (19 bis 20 Stränge pro Inch) in beide Richtungen hat.

Herstellungsverfahren:

Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das Verbundstoff-Filtermedium 100 hergestellt durch Schmelzblasen der Polypropylenfasern auf ein Polyester- Spinnvlies, wenngleich stattdessen auch ein Polypropylen-Spinnvlies verwendet werden kann. Anschließend wird eine elektrostatische Ladung mit einem entsprechenden, in der Technik bekannten Ladegerät aufgebracht. Ein Beispiel für ein handelsübliches, auf ein Spinnvlies schmelzgeblasenes Polypropylen, das für die praktische Anwendung der Erfindung verwendet werden kann, wird hergestellt von der Hollingsworth and Vose Company, West Groton, Massachusetts und hat den Produktcode CM-004-001. Der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff wird in Rollenform gebracht, um zu dem nächsten Verfahrensschritt befördert zu werden.
Vorzugsweise werden Stapelfasern aus Polypropylen und Modacryl in dem oben bereits angegebenen Verhältnis gemischt und werden dann unter Verwendung eines geeigneten Geräts zum Blasen von Fasern oder mit irgendeinem anderen wohlbekannten Verfahren auf die Schicht aus Schmelzblasmaterial und Spinnvlies aufgebracht. Nach dem Aufbringen der Stapelfasern in dem gewünschten Gewicht werden die Mischfasern dann an der Substratschicht aus Schmelzblasmaterial und Spinnvlies befestigt, indem sie in einem ersten Nadelvorgang vorzugsweise durch eine Nadelmaschine geführt werden. Die Nadeln bewirken, daß die zwei Medien miteinander verschlungen werden. Bei diesem ersten Nadelvorgang werden die Nadeln in eine Richtung gestochen, in der sie als erstes mit den Mischfasern in Kontakt kommen. Bei einer herkömmlichen Vernadelung, wo die Nadeln nach unten stechen, würden die Medien so in die Nadelmaschine eingeführt werden, daß das Mischfasermaterial oben und der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff unten liegt. Alternativ kann anstelle eines triboelektrischen Mischfasermaterials auch ein anderes flauschiges Vliesmaterial wie zum Beispiel elektrostatisch aufgeladene dielektrische Spaltfasern verwendet werden.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird das Verbundstoff- Filtermedium 100 endbearbeitet durch Umdrehen des ineinander verschlungenen Mediums, so daß die Mischfaserschicht unten und der Schmelzblasmaterial/¬ Spinnvlies-Verbundstoff oben liegt, wobei die Spinnvliesschicht die oberste Schicht ist. Als nächstes wird das Medium mit der Mischfaserseite nach unten auf ein extrudiertes Kunststoffnetz gelegt. Das Netz und die Medien werden dann einem zweiten Nadelvorgang unterzogen, so daß die Medien an dem Netz befestigt werden, indem Nadeln so durch den Schmelzblasmaterial/Spinnvlies- Verbundstoff stechen, daß die Mischfasern und das Schmelzblasmaterial durch die Öffnungen in dem Netzmaterial geschoben werden. Aufgrund der Physik dieses Nadelvorgangs wird ein Teil des Schmelzblasmaterials mit dem Mischfasermaterial verschlungen. Wenn die Nadeln nach unten durch das Spinnvlies stechen, bekommen sie etwas von dem Schmelzblasmaterial auf der anderen Seite zu fassen und treiben es in die Mischfaser hinein und drücken das ineinander verschlungene Mischfaser- und Schmelzblasmaterial durch die Öffnungen in der Netzschicht.
Es sei an dieser Stelle unbedingt angemerkt, daß nach Durchführung dieses Vorgangs soviel Schmelzblas- und Mischfasermaterial durch die Öffnungen in dem Netz geführt ist, daß das Netz fast gar nicht mehr zu sehen ist. Nach diesem Schritt scheint sich das Netz in der Mitte der Medien zu befinden, wobei sich das Spinnvlies auf der einen Seite und das Mischfasermaterial und ein Teil des Schmelzblasmaterials auf der anderen Seite des Netzes befindet.
Genauso wichtig ist, daß in diesem Schritt nicht nur die Materialien zusammengefügt werden, sondern die Durchlässigkeit der fertigen Medien noch weiter erhöht wird. Nach dem ersten Nadelvorgang wird ein Frazier-Durchlässigkeitswert in der Größenordnung von 0,86-1,1 m³s&supmin;¹/m² (170-220 CFM) festgestellt, wenn man 70 g/m² Mischfasermaterial mit 5 g/m² Schmelzblasmaterial kombiniert. Nach dem zweiten Nadelvorgang zeigt sich jedoch, daß sich der Frazier- Durchlässigkeitswert auf 1,65-1,78 m³s&supmin;¹/m² (330-350 CFM) verbessert hat. Gleichzeitig hat das Netz dem Verbundstoff-Medium die Fähigkeit verliehen, sich falten zu lassen, und hat außerdem die Zugfestigkeit des Mediums erhöht.
Was ebenfalls wichtig ist, ist die Tatsache, daß die Nadeln bei dem zweiten Nadelvorgang dazu neigen, einen Teil des Schmelzblasmaterials in das Mischfasermaterial zu treiben, so daß es zu einer Wechselwirkung zwischen der Ladung auf dem Schmelzblasmaterial und der entgegengesetzten Ladung in dem triboelektrischen Material kommt. Da die Nadeln die Fasern nur in eine Richtung nach unten ziehen können (Stoßrichtung), wird das Schmelzblasmaterial nur in dem Mischfasermaterial verteilt, wenn es oben auf den Mischfasern liegt, wenn die Nadeln nach unten stechen.
Wenngleich das Material bei der bevorzugten Ausführungsform infolge der zum Zeitpunkt des Verfassens der vorliegenden Anmeldung zur Verfügung stehenden Produktionsanlagen umgedreht wurde, dürfte dem Fachmann klar sein, daß die Erfindung mit Hilfe raffinierterer Produktionsanlagen realisiert werden könnte. Zum Beispiel mit Hilfe von mehrfach stechenden Anlagen oder Anlagen, die Nadelmaschinen haben, die nach oben stechen, etc. An sich könnten einige der oben erörterten Schritte möglicherweise zur Anpassung an unterschiedliche Produktionsbedingungen modifiziert werden.
Die bei dem ersten und dem zweiten Nadelvorgang angewandte Vernadelungsdichte sollte vorzugsweise mindestens 3,9 · 10&sup5; Stiche/m² (250 Stiche/Inch²) betragen. Sobald es mit dem nachfolgend erläuterten Herstellungsverfahren hergestellt ist, wird das fertige Verbundstoff-Filtermedium 100 den in Fig. 1 gezeigten Querschnitt haben. Bei dem Abschnitt 102 handelt es sich um die Spinnvlies/Schmelzblasmaterial-Schicht mit etwas Mischfaser (siehe Schritt 204 unten). Die oberste Seite ist dabei das Spinnvlies. Bei dem Abschnitt 104 handelt es sich um das Netz, während der Abschnitt 106 die Mischfaser (Modacryl- und Polypropylenfasern) und schmelzgeblasenes Polypropylen umfaßt.
Es sei unbedingt angemerkt, daß nach dem zweiten Nadelvorgang (siehe Schritt 210 unten) etwas von dem in Abschnitt 102 zu findenden Polypropylen- Schmelzblasmaterial (sowie ein Teil der Spinnvliesfasern) durch die Öffnungen in dem Netzmaterial 104 mit den Mischfasern gedrückt wird und in dem gesamten Abschnitt 106 mit dem Mischfasermaterial verschlungen wird. Der Abschnitt 110, der das Netzmaterial 104 auf der Unterseite bedeckt, umfaßt Mischfasermaterial und Schmelzblasmaterial sowie Teile von Spinnvliesmaterial, die durch den Nadelvorgang nach unten getrieben wurden. Sobald das Netzmaterial 104 fertiggestellt ist, kommt es daher zwischen dem Spinnvliesmaterial 108 und den ineinander verschlungenen Mischfasern und Schmelzblasfasern 110 zu liegen.
Anhand von Fig. 2 werden nun die bei der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Herstellungsschritte in einem Flußdiagramm zusammengefaßt. In Schritt 202 wird die vorzugsweise im Verhältnis 50%/50% vorliegende Mischung von Polypropylen- und Modacryl-Mischfasern auf die Schmelzblasmaterialseite des Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoffes geblasen. Als nächstes wird in Schritt 204 der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff mit der Mischfaserauflage durch eine Nadelmaschine geführt, um die Materialien miteinander zu verbinden. Der Nadelvorgang wird vorzugsweise auf eine Vernadelung mit einer Dichte von mindestens 3,9 · 10&sup5; Stiche/m² (250 Stiche/Inch²) eingestellt.
Sobald Schritt 204 beendet ist, wird das Medium in Schritt 206 umgedreht, so daß die Mischfaser nun unten liegt. Als nächstes wird in Schritt 208 das Medium mit der Mischfaserseite nach unten auf das extrudierte Kunststoffnetz aufgelegt. In Schritt 210 werden das Medium aus Schritt 204 und das Netz durch einen zweiten Nadelvorgang geführt, wobei das Netz unten liegt. Auch bei dem zweiten Nadelvorgang wird wieder mit einer Stichdichte von mindestens 3,9 · 10&sup5; Stiche/m² (250 Stiche/Inch²) gearbeitet.
Bei dem fertigen Produkt ist das Netz fast nicht mehr zu sehen, weil durch den Nadelvorgang in Schritt 210 die Fasern durch die Öffnungen in dem Netz gedrückt werden. Die Fasern ragen aus der anderen Seite des Netzes hervor, was den Anschein erweckt, daß das Netz sandwichartig in der Mitte liegt.

Beispielhafte Ergebnisse der Leistungsfähigkeit

Ein Verbundstoff-Filtermedium gemäß der bevorzugten Ausführungsform wurde hergestellt aus einer Verbundstoffschicht, die 70 g/m² triboelektrisches Mischfasermaterial, 5 g/m² Schmelzblasmaterial, 12 g/m² Spinnvlies und ein 8,4 · 10&supmin;&sup4; m (0,033 Inch) dickes Kunststoffnetz umfaßt. Die folgenden Ergebnisse wurden erzielt:
Frazier-Luftdurchlässigkeit 0,86-1,0 m³s&supmin;¹/m² (170-200 CFM) nach dem ersten Nadelvorgang; nach dem oben beschriebenen zweiten Nadelvorgang verbessert sich der Wert für die Luftdurchlässigkeit auf 1,65-1,78 m³s&supmin;¹/m² (330- 350 CFM).
Wirksamkeit gegen Natriumchloridaerosol bei 85 Liter pro Minute (lpm), gemessen auf einer automatischen TSI-Filterprüfmaschine vom Typ 8110 von TSI Inc., Minneapolis, Minn.: 95-97%.
Wenn 35 Gramm Mischfaser anstelle der oben genannten 70 Gramm verwendet werden, liefern die Ergebnisse eine Frazier-Luftdurchlässigkeit von 2 m³s&supmin;¹/m² (400 CFM) und eine Wirksamkeit von 80%.
Die genannten Leistungsmerkmale sind typisch für die oben genannten Konstruktionen. Einzelne Merkmale des Filtermediums können an einzelne Anwendungsparameter angepaßt werden durch Verändern der Flächengewichte des Materials in den angegebenen Bereichen, Verwendung anderer Fasern anstelle des triboelektrischen Mischfasermaterials, etc.

Funktionen der verschiedenen für die Filtermedien verwendeten Materialien:

Das Mischfasermaterial, das triboelektrisch aufgeladen ist, verleiht die Fähigkeit zur Tiefenfiltration und trägt zu dem hohen Staubaufnahmevermögen des fertigen Produkts bei. Das Gleiche gilt auch für die anderen genannten flauschigen Vliesersatzstoffe, wie zum Beispiel elektrostatisch aufgeladene Spaltfasern. Das feine schmelzgeblasene Mikrofasermaterial trägt wiederum zu verbesserten mechanischen Filtrationseigenschaften bei, wodurch eine Beständigkeit gegen alterungsbedingte Leistungsverluste erzielt wird. Das Spinnvliesmaterial wirkt dagegen als Stützschicht für die Schmelzblasfasern. Schließlich läßt sich das Produkt durch das Netz (Gittergewebe) falten, geringfügig auf Kosten einer Verringerung der Durchlässigkeit.
Weil das Verbundstoff-Filtermedium 100 eine Struktur mit abgestufter Dichte hat, z. B. gröbere Mischfasern auf der Einlaßseite der Filtermedien, die übergehen in feinere Fasern, die mit den gröberen Fasern auf der Auslaßseite bzw. der stromabwärtigen Seite des Filters vermischt sind, ergeben sich gewisse Vorteile. Das resultierende Medium besitzt ein höheres Staubaufnahmevermögen als einfache Schmelzblas-, Spinnvlies-, Cellulose- oder sonstige ähnliche Materialien, die normalerweise für Filteranwendungen herangezogen werden, wo die Filtration vorwiegend eine Frage der Flächenbelastung ist. Die vorliegende Erfindung erlaubt Tiefenfiltration bei der Mischfasernadelfilzschicht, wobei das Aufnahmevermögen beträchtlich verbessert wird. Zweitens ist das resultierende Medium beständiger gegen feine Teilchen, z. B. unter 1 um, und gegen Wirksamkeitsverluste infolge einer zunehmenden Aufnahme von Teilchen. Drittens besitzt das resultierende Medium einen höheren Filtrationsindex, ein Maß für den Grad der erzielten Wirksamkeit gegen den Strömungswiderstand im Vergleich zu genau denselben Materialien, die durch eine einfache Schicht miteinander verbunden sind. Viertens, da die Schichten physisch miteinander verbunden sind, werden sie sich nicht trennen, weil es infolge von Temperaturschwankungen zu unterschiedlichen Expansions- und Kontraktionsgeschwindigkeiten kommt, was der Fall wäre, wenn die Materialien einfach als getrennte Schichten zusammengefaltet würden. Da die Gesamtstruktur ein Kunststoffnetz enthält, kann das Produkt für Anwendungen mit räumlichen Einschränkungen, zum Beispiel bei der Filtration der Kabinenluft in Fahrzeugen, gefaltet werden.
Die Folge der Kombination der Materialien in der obengenannten Weise ist ein 100% synthetisches Mehrkomponenten-Filtermedium aus Vlies, das eine überraschende Verbesserung im Durchlässigkeitswert bei dem erzielten Grad der Wirksamkeit zeigt. Die Teilcheneinfangstabilität verbessert sich ebenfalls in unterschiedlichem Maße, je nach der betrachteten Teilchengröße.
Die Erfindung wurde nun in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen beschrieben, doch ist es evident, daß viele Alternativen, Modifikationen, Permutationen und Variationen für den Fachmann angesichts der vorstehenden Beschreibung offensichtlich werden.

Claims

1. Filtermedium, das folgendes umfaßt:

ein Filtervlies (106);

einen Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff (102) mit einer ersten Seite aus schmelzgeblasenem Material und einer zweiten Seite (108) aus Spinnvliesmaterial, wobei der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff (102) dadurch an dem Filtervlies befestigt ist, daß das schmelzgeblasene Material mit dem Filtervlies verschlungen ist; und

ein Netzmaterial (104) mit Öffnungen, wobei das Netzmaterial (104) dadurch befestigt ist, daß etwas von dem Filtervlies und dem schmelzgeblasenen Material durch die Öffnungen in dem Netzmaterial (104) geführt ist.

2. Filtermedium (100) nach Anspruch 1, bei dem das Filtervlies (106) ein triboelektrisches Mischfasermaterial umfaßt.

3. Filtermedium (100) nach Anspruch 2, bei dem das triboelektrische Mischfasermaterial eine Kombination von sauberen Polyolefinfasern mit sauberen Fasern aus einem substituierten Additionspolymer umfaßt.

4. Filtermedium (100) nach Anspruch 2, bei dem das triboelektrische Mischfasermaterial eine Mischung von Modacryl- und Polypropylenfasern umfaßt.

5. Filtermedium (100) nach Anspruch 1, bei dem das Filtervlies (106) elektrostatisch aufgeladene dielektrische Spaltfasern umfaßt, die gebildet wurden durch Fibrillieren eines elektrostatisch aufgeladenen Films.

6. Filtermedium (100) nach Anspruch 1, bei dem das Filtervlies ein Gewicht im Bereich von 35 bis 300 g/m² hat.

7. Filtermedium (100) nach Anspruch 4, bei dem das triboelektrische Mischfasermaterial ein Gewicht im Bereich von 35 bis 100 g/m² und einen durchschnittlichen Faserdurchmesser im Bereich von 15 bis 20 um hat.

8. Filtermedium (100) nach Anspruch 4, bei dem der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff (102) Polypropylenfasern umfaßt, die auf ein Polyester- oder Polypropylen-Spinnvlies schmelzgeblasen sind.

9. Filtermedium (100) nach Anspruch 8, beidem die schmelzgeblasenen Polypropylenfasern ein Gewicht im Bereich von etwa 5 bis 20 g/m² haben und der durchschnittliche Faserdurchmesser im Bereich von 1 bis 5 um liegt.

10. Filtermedium (100) nach Anspruch 8, bei dem das Spinnvlies ein Polyester- oder Polypropylenspinnvlies mit einem Gewicht im Bereich von 10 bis 18 g/m² umfaßt.

11. Filtermedium (100) nach Anspruch 8, bei dem die schmelzgeblasenen Polypropylenfasern elektrostatisch aufgeladen sind.

12. Filtermedium (100) nach Anspruch 2, bei dem das schmelzgeblasene Ma¬ terial an dem Filtervlies vor der Befestigung zur Bildung einer Unterschicht zunächst auf das Spinnvliesmaterial geblasen ist.

13. Filtermedium (100) nach Anspruch 12, bei dem das Filtervlies auf die erste Seite des Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoffes aufgebracht ist, die das schmelzgeblasene Material aufweist, und das Filtervlies durch Vernadeln der Materialien miteinander mit dem schmelzgeblasenen Material verschlungen ist.

14. Filtermedium (100) nach Anspruch 13, bei dem das Netzmaterial (104) eine erste und eine zweite Hauptfläche umfaßt, die erste Hauptfläche mit dem Filtervlies (106) und dem schmelzgeblasenen Material, die miteinander verschlungen sind, in Kontakt gebracht ist, und das Filtervlies und das schmelzgeblasene Material so durch die Öffnungen in dem Netzmaterial (104) gezogen sind, daß die zweite Seite des Netzmaterials (104) im wesentlichen mit dem triboelektrischen Mischfasermaterial und dem schmelzgeblasenen Material bedeckt ist.

15. Filtermedium (100) nach Anspruch 14, bei dem das Filtervlies und das schmelzgeblasene Material durch die Öffnungen des Netzmaterials (104) geführt sind, indem sie mittels Vernadeln durch die Öffnungen gezogen werden.

16. Filtermedium (100) nach Anspruch 14, bei dem das Netzmaterial (104) ein extrudiertes Polypropylennetz umfaßt.

17. Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoff-Filtermediums (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

(a) es wird ein Filtervlies bereitgestellt;

(b) es wird ein Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff bereitgestellt;

(c) das Filtervlies wird auf die schmelzgeblasene Seite des Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoffes gelegt;

(d) das Filtervlies wird mit dem Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff verschlungen;

(e) es wird ein Netzmaterial (104) bereitgestellt;

(f) das Material von Schritt (d) wird, sobald es verschlungen ist, so auf das Netzmaterial (104) gelegt, daß die Filtervliesseite des Materials von Schritt (d) mit dem Netz in Berührung kommt; und

(g) das in Schritt (d) gebildete Material wird mit dem Netzmaterial (104) verschlungen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Filtervlies von Schritt (a) ein triboelektrisches Mischfasermaterial umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das Filtervlies von Schritt (a) ein Vlies aus elektrostatisch aufgeladenen dielektrischen Spaltfasern umfaßt, die gebildet wurden durch Fibrillieren eines elektrostatisch aufgeladenen Films.

20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem in Schritt (d) das Filtervlies mit dem Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff vernadelt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem in Schritt (g) das in Schritt (d) gebildete Material mit dem Netz vernadelt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff von Schritt (b) gebildet wird durch: Schmelzblasen von Polypropylenfasern auf ein Polyester- oder Polypropylen- Spinnvlies.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Schmelzblasmaterial/Spinnvlies-Verbundstoff elektrostatisch aufgeladen wird.