<Desc/Clms Page number 1>
GECONSOLIDEERD POREUS METAALVEZELVLIES De uitvinding betreft een geconsolideerd poreus niet geweven vlies uit metaalvezels. Ze betreft tevens werkwijzen ter vervaardiging van dit vlies.
Poreuze gesinterde metaalvezelvliezen zijn algemeen bekend. De metaalvezels zijn b. v. roestvaste staalvezels die verkregen werden door gebundeld trekken of door een snij- of verspaanbewerking of uit een smelt. Zoals bekend bezitten deze vezels doorgaans een onregelmatig oppervlakterelief met een aantal scherp afgelijnde oneffenheden, groeven, scherpe randen als gevolg van o. m. een nagenoeg veelhoekige dwarsdoorsnede. Het gebruik van deze vezels en de vliesvorming langs droge weg is op zichzelf bekend uit b. v. het U. S.-octrooi 3 469 297 of 3 505 038. De vezels hebben een dwarsdoorsnede-oppervlakte die ligt tussen 3. 10-6 mm2 en 1. 8. 10-2 mm2 en bij voorkeur tussen 1. 2. 10-5 en 3. 10-3 mm2, liefst zelfs tussen 5. 10-5 en 7. 5. 10-4 mm2.
De vinding heeft o. m. tot doel poreuze geconsolideerde vliezen te verschaffen met een relatief lage porositeit en met daaraan gekoppeld een bevredigend filtrerend vermogen. Dit betekent dat, niettegenstaande een relatief gering vezelgewicht per m2 (b. v. als gevolg van een geringe vliesdikte) toch voldoende lage porositeiten, m. a. w. relatief lage 1 ucht-doorlaatbaarheden kunnen verwezenlijkt worden.
Aansluitend, en in tegenstelling tot het discontinu sinterproces in ovens volgens de stand van de techniek heeft de uitvinding tot doel een specifiek continu consolidatieproces te verschaffen. In het bijzonder is het de bedoeling dat met deze specifieke consolidatiemethode in continu een universele, economische en soepele vervaardigingswijze verschaft wordt, die in principe de toepassing toelaat van eenvoudiger en minder dure sinterinrichtingen. Meer bepaald moet deze nieuwe werkwijze in continu de realisatie toelaten van nieuwe specifieke filterstructuren met speciale filtereigenschappen, omvattende
<Desc/Clms Page number 2>
de volgens de vinding beoogde geconsolideerde metaalvezelvliezen.
De vinding verschaft dus een geconsolideerd poreus metaalvezelvlies waarbij de vezels in hun onderlinge kontaktzones tenminste gedeeltelijk door mechanische verstrengeling geconsoli-deerd zijn en tenminste buiten deze kontaktzones in hoofdzaak hun ongeconsolideerd oorspronkelijk oppervlakterelief behouden. Het vlies volgens de vinding omvat bij voorkeur vezels die een onregelmatig oppervlak bezitten met scherp afgelijnde oneffenheden. Tenminste een deel van de vezels bezit ter hoogte van de onderlinge kontaktpunten een enigszins afgeplatte dwarsdoorsnede. Naast de consolidatie door verstrengeling is het vaak aangewezen tegelijk een eigenlijke sinterbinding in tenminste een deel van de vezelkontaktpunten te realiseren.
De vinding betreft ook een werkwijze voor het continu consolideren van een poreus metaalvezelvlies zoals hierboven omschreven. Het metaalvezelvlies wordt volgens deze werkwijze continu tussen samenwerkende draaiende drukrollen doorgeleid en onder invloed van warmtetoevoer (ter vermindering van de buigmodulus en v10eigrens van de vezels) tussen deze rollen plastisch samengedrukt en verdicht.
In een eerste uitvoeringsvorm bevinden de drukrollen zich op een verschillende electrische potentiaal zodat een electrische stroom dwars doorheen het vlies gestuurd wordt in de kontaktzone met de rollen. Deze stroom creërt een weerstandsverhitting voor het plaatselijk verzachten en voor het min of meer versinteren van de vezels in hun onderlinge kontaktpunten. Door het plaatselijk verzachten van de vezels kunnen ze onder invloed van de druk in de kontaktpunten gemakkelijker om elkaar heen gebogen worden ten behoeve van een onderlinge verstrengeling en verankering.
<Desc/Clms Page number 3>
Volgens een tweede uitvoeringsvorm wordt een koud verdicht vezelvlies in een tunneloven opgewarmd ter vermindering van de buigmodulus van de vezels en bij deze temperatuur door warmwalsen geconsolideerd en vervolgens kontinu afgekoeld.
De verkregen geconso1 ideerde metaa1veze1v1 iezen zijn in het bijzonder geschikt als filtermedium.
Een en ander zal thans toegelicht worden aan de hand van bepaalde uitvoeringsvormen van de vinding onder verwijzing naar bijgaande figuur. Bijkomende kenmerken en voordelen zullen daarbij verduidelijkt worden.
Na het consolideren volgens de vinding bewaren de vezels 2 in het geconsolideerde vlies 1 grotendeels hun ruw, onregelmatig oppervlak met scherp afgelijnde oneffenheden 3 zoals geschetst in de figuur. Bij een klassiek sinterproces verdwijnen vee1 van die oorspronkelijke oppervlaktegroeven of ribben hetgeen resulteert in een oppervlak met een soort bamboestructuur. Uit de figuur blijkt ook dat de vezels als gevolg van de zeer hoge druk aan de onderlinge kruisingspunten sterker in elkaar verstrengelen en hierdoor verankeren in het vlies. De gelijnde metallografische structuur, als gevolg van het draadtrekken, blijft grotendeels bewaard na het consolideren. Dit is in tegenstelling tot een klassiek sinterproces.
Met de eerste uitvoeringsvorm verloopt de vervaardiging in continu van het poreuze geconsolideerde vlies volgens de vinding als volgt. Op een transportband wordt een relatief hoogporeus metaalvezelvlies aangebracht en na een eventuele lichte voorverdichtingsbewerking met behulp van een wals, continu doorheen de eigenlijke consolidatie-inrichting gevoerd.
Een geschikte inrichting is beschreven en geillustreerd in figuur 7 van de octrooiaanvraag PCT/BE93/00079. Ze omvat in wezen een stel samenwerkende metalen drukrollen tussen dewelke van uit een electrische bron "E" een potentiaa1verschi1 wordt aangelegd zodat een electrische stroom gaat vloeien dwars
<Desc/Clms Page number 4>
doorheen de dikte van het vlies in de smalle en haaks op de doorlooprichting verlopende strookvormige kontaktzone met de rollen. Het potentiaalverschil wordt gestuurd in functie van de aard en karakteristieken van het vlies. De electrische stroom, hetzij gelijkstroom of wisselstroom, heeft in feite het effect van een weerstandsverhittingsbewerking, met als gevolg dat de vezels in hun kontaktpunten eventueel aan elkaar kunnen gaan sinteren.
Daar de kontakttijd echter relatief kort is, zijn zeer hoge drukken vereist. Deze hoge drukken resulteren dan in een hoge verdichting en een plaatselijk platdrukken, in elkaar drukken of insnoeren van de vezels.
Het is in de praktijk virtueel onmogelijk dezelfde bindingskenmerken te realiseren met een klassiek discontinu ("batch") sinterproces in een oven daar de aldaar toe te passen drukkrachten over grote vlakken veel te hoog zouden moeten oplopen. Ook zou het onmogelijk zijn dezelfde sinterbindingskenmerken en de lage porositeiten te bereiken via het koudwalsen dat doorgaans uitgevoerd wordt ter verdichting van de gesinterde poreuze vezelstructuren na een klassieke sinterbewerking, hetzij in een discontinu, hetzij in een continu proces. De koudwalsdrukken zouden dermate hoog moeten oplopen dat de poreuze vliesstructuur de kans loopt stukgedrukt te worden.
Bij de tweede uitvoeringsvorm wordt het vlies kontinu tussen twee samenwerkende walsrollen doorgeleid naar een transportband en daarbij koud verdicht. Men kan tegelijk het vlies ontgassen door de rollen aan de ingang te monteren van een onderdrukkamer waar de lucht wordt weggezogen. Van uit deze voorverdichtingsen ontgassingsinrichting wordt het vlies toegevoerd aan een tunneloven waar het op de gewenste temperatuur gebracht wordt voor het verlagen van de vloeigrens van de vezels en aansluitend warmgewalst tussen een rollenpaar dat zich bevindt nabij het einde van de tunneloven. De gewenste temperatuur ligt tussen 1/3 en 2/3 van de smelttemperatuur (in K) van het vezelmateriaal.
Dit verhitting-en warmwalsproces zal bij
<Desc/Clms Page number 5>
voorkeur gebeuren in een beschermgas-atmosfeer teneinde oxydatie van de vezels te vermijden. Daartoe kan men een doorvoerkamer inschakelen tussen de ontgassingskamer en de tunneloven voor toevoer van een beschermgas (bv. argon). Analoog kan men aan de uitgang van de tunneloven een eerste afkoelingskamer laten aansluiten onder beschermgas vooraleer men een finale koeling toelaat aan de atmosfeer op kamertemperatuur. Het aldus geconsolideerde vlies wordt dan in panelen gesneden of opgewikkeld op een doorn met relatief grote diameter. Deze uitvoeringswijze biedt het voordeel t. o. v. de weerstandsverhitting tussen rollen dat ze in een doorgang op grotere vliesbreedten kan uitgevoerd worden.
Volgens deze tweede uitvoeringsvorm worden de vezels ook in hun geheel verhit in tegenstelling tot de eerste waarbij ze slechts ter plaatse van de onderlinge kontaktpunten verhit worden.
Voorbeeld Een gebruikelijk metaalvezelvlies uit door gebundeld trekken verkregen Fecralloy-vezels met een equivalente diameter van 22 Am werd in continu geconsolideerd met de werkwijze volgens de eerste uitvoeringsvorm via weerstandsverhitting. Het vlies had een gewicht van 1050 g/m2 en de doorvoersnelheid tussen de rollen bedroeg 1 m/min. De rolbreedten bedroeg 40 mm, hun diameter 400 mm en de drukkracht bereikte ongeveer 6. 5 kN. De dikte van het geconsolideerde vlies bedroeg nagenoeg 0, 4 mm hetgeen overeenkomt met een porositeit van nagenoeg 68 %.
Zijn treksterkte was vergelijkbaar met deze van een conventioneel (discontinu) in een vacuümoven gesinterd vlies van dezelfde samenstelling (zelfde vezelsoort, vezeldiameter en zelfde vliesgewicht per m2). De luchtdoorlaatbaarheid in 1/dm2. min bij 200 Pa bedroeg 165. Het uitzicht van het geconsolideerde vliesoppervlak was zeer analoog aan dat geschetst in de figuur.
In plaats van door gebundeld trekken verkregen vezels kan men ook staalwol of anderszins door schaven of snijden verkregen metaalvezels toepassen. Dergelijke vezels en vliezen hiermee
<Desc/Clms Page number 6>
verkregen zijn b. v. beschreven in U. S.-octrooi 3 505 038. Ook kunnen metaalvezels ingezet worden die verkregen zijn rechtstreeks uit de smelt (zoals o. a. bekend uit U. S.-octrooi 3 845 805 of G. B.-octrooi l 455 705) of die verkregen zijn via het reduceren van metaal oxyde-mengsels (U. S.-octrooi 3 671 228 en U. S.-octrooi 4 312 670). De vliesvorming kan ook langs natte weg doorgevoerd worden zoals bekend uit, of analoog aan U. S.octrooi 3 127 668.
Ook kunnen meerdere op elkaar gelegde vezelvlieslagen geconsolideerd worden waarbij b. v. de vezeldiameter verschilt van een laag tot een andere laag. Het vliesgewicht kan liggen tussen 100 g/m2 en 4000 g/m2.
De toe te passen metaalvezellegering is niet beperkt tot roestvaste staalsoorten. Nikkel-, Inconel-, Hastelloyi-vezels, corrosie-, abrasie-, en/of hoog-temperatuurbestendige metaalvezels (uit b. v. FeCrAlloy'-legeringen) komen eveneens in aanmerking.
Het geconsolideerd vlies volgens de vinding kan voor heel wat toepassingen in aanmerking komen, b. v. als filtermedium. In eerste instantie wordt gedacht aan filters voor luchtkussenzakken (zgn. air bags) die heden in de stuurkolommen of instrumentenpanelen (dash board) van sommige auto's gemonteerd worden en die als stootkussen dienen tussen inzittenden en het stuur of dash board bij frontale botsingen. In deze "air bags" zijn op heden vaak gesinterde metaalvliesfilters opgenomen voor filtratie van het plots expanderende gas dat vrijkomt en de luchtzak snel opblaast bij detectie van een schok. Deze vezelfilters moeten natuurlijk goed bestand zijn tegen drukgolven.
De hechte filterstructuur volgens de vinding is hiertoe uitermate geschikt.
Men kan de karakteristieken van de relatief dunne filterstructuren met een vrij lage porositeit in het algemeen ook aanpassen om ze toe te passen als oppervlaktefilter. Men kan er ook
<Desc/Clms Page number 7>
sol-gel-suspensies (b. v. ZrOJ op afzetten voor gebruik als anorganische membraanfilters in micro- of ultra-filtratie, hetzij met tangentiële (cross flow) of dwarsgerichte ("dead end") doorstroming.
Indien vezels met weerstand tegen hoge temperaturen - zoals b. v. FeCrAlloy-vezels ingezet worden, kunnen de gesinterde laminaten volgens de vinding ook gebruikt worden als vlak of buisvormig membraan voor oppervlakte-stralingsbranders of als regenereerbare filter voor roetdeeltjes uit b. v. dieseluitlaatgassen.
Men kan de vezels voor of na het consolideren bedekken met b. v. katalytisch actieve stoffen zodat het vlies dan als katalysator kan toegepast worden. Voor het vlot en bij relatief lage temperaturen verwijderen van roetdeeltjes, die tegengehouden worden in dieseluitlaatfilters, komen vezelbekledingen in aanmerking bestaande uit oxydatieve katalysatoren.
Geconsolideerde vliezen volgens de vinding, omvattende vezels uit nikkel of nikkellegeringen kunnen ook als electroden ingezet worden. De geconsolideerde vliezen uit roestvaste staalvezels kunnen desgewenst met nikkel bedekt worden in een stroomloos electrochemisch proces.
Filtersystemen op maat kunnen ontworpen worden waarin een combinatie van een of meer geconsolideerde vliezen volgens de vinding in vlakke vorm of in buisvorm gemonteerd worden en al dan niet gecombineerd met andere filtermedia.
Met de tweede uitvoeringswerkwijze via warmwalsen in een tunneloven kunnen de vliezen gelamineerd en verenigd worden met diverse draadnetten aan de buitenkant van het vlies of tussen opeengestapelde vliezen.
<Desc / Clms Page number 1>
The invention relates to a consolidated porous non-woven non-woven fabric of metal fibers. It also relates to methods of manufacturing this web.
Porous sintered metal fiber membranes are generally known. The metal fibers are b. v. stainless steel fibers obtained by bundled drawing or by a cutting or machining operation or from a melt. As is known, these fibers generally have an irregular surface relief with a number of sharply defined irregularities, grooves, sharp edges as a result of, inter alia, an almost polygonal cross section. The use of these fibers and the fleece formation in a dry way is known per se from b. v. US patent 3 469 297 or 3 505 038. The fibers have a cross-sectional area between 3.10-6 mm2 and 1. 8. 10-2 mm2 and preferably between 1. 2. 10-5 and 3.10-3 mm2, preferably even between 5.10-5 and 7.5.10-4 mm2.
One of the aims of the invention is to provide porous consolidated membranes with a relatively low porosity and, with this, a satisfactory filtering capacity. This means that, despite a relatively low fiber weight per m2 (e.g. due to a small nonwoven thickness), sufficiently low porosities, i.e. a. W. relatively low air permeability can be achieved.
Subsequently, and in contrast to the discontinuous sintering process in ovens according to the prior art, the object of the invention is to provide a specific continuous consolidation process. In particular, it is the intention that this specific consolidation method continuously provides a universal, economical and flexible manufacturing method, which in principle permits the use of simpler and less expensive sintering devices. More specifically, this new method must continuously allow the realization of new specific filter structures with special filter properties, including
<Desc / Clms Page number 2>
the consolidated metal fiber fleeces intended according to the invention.
The invention thus provides a consolidated porous metal fiber fleece in which the fibers in their mutual contact zones are at least partially consolidated by mechanical entanglement and at least outside these contact zones substantially retain their unconsolidated original surface relief. The web of the invention preferably comprises fibers which have an irregular surface with sharply defined irregularities. At least a part of the fibers has a somewhat flattened cross section at the mutual contact points. In addition to consolidation by entanglement, it is often advisable to simultaneously realize an actual sinter bond in at least part of the fiber contact points.
The invention also relates to a method for continuously consolidating a porous metal fiber fleece as described above. According to this method, the metal fiber fleece is continuously passed between co-operating rotating pressure rollers and is plastically compressed and compacted between these rolls under the influence of heat supply (to reduce the flexural modulus and yield limit of the fibers).
In a first embodiment, the pressure rollers are at a different electrical potential so that an electric current is sent across the fleece into the contact zone with the rollers. This current creates a resistance heating for local softening and more or less sintering of the fibers in their mutual contact points. By locally softening the fibers, they can be bent around each other more easily under the influence of the pressure in the contact points for mutual entanglement and anchoring.
<Desc / Clms Page number 3>
According to a second embodiment, a cold-compressed fibrous web is heated in a tunnel oven to reduce the flexural modulus of the fibers and consolidated at this temperature by hot rolling and then continuously cooled.
The resulting consolidated metal fiber fibers are particularly suitable as a filter medium.
All this will now be elucidated on the basis of certain embodiments of the invention with reference to the accompanying figure. Additional features and benefits will be clarified.
After consolidation according to the invention, the fibers 2 in the consolidated fleece 1 largely retain their rough, irregular surface with sharply defined irregularities 3 as outlined in the figure. In a classic sintering process, cattle1 disappear from those original surface grooves or ribs, resulting in a surface with a kind of bamboo structure. The figure also shows that, as a result of the very high pressure at the mutual intersection points, the fibers intertwine more strongly and thus anchor in the fleece. The lined metallographic structure, due to the wire drawing, is largely preserved after consolidation. This is in contrast to a classic sintering process.
In the first embodiment, the continuous production of the porous consolidated web according to the invention is as follows. A relatively highly porous metal fiber fleece is applied to a conveyor belt and, after a possible light pre-compaction operation with the aid of a roller, is continuously fed through the actual consolidation device.
A suitable device is described and illustrated in figure 7 of the patent application PCT / BE93 / 00079. It essentially comprises a set of co-operating metal pressure rollers between which a potential difference is applied from an electric source "E" so that an electric current starts to flow transversely
<Desc / Clms Page number 4>
through the thickness of the fleece in the narrow strip-shaped contact zone with the rollers running at right angles to the direction of flow. The potential difference is controlled according to the nature and characteristics of the fleece. The electric current, either direct current or alternating current, in fact has the effect of a resistance heating operation, with the result that the fibers in their contact points may eventually sinter together.
However, since the contact time is relatively short, very high pressures are required. These high pressures then result in high compaction and local flattening, squeezing or constriction of the fibers.
In practice it is virtually impossible to realize the same bonding characteristics with a classic batch batch process in a furnace, since the pressure forces to be applied there over large surfaces should rise far too high. Also, it would be impossible to achieve the same sinter bonding characteristics and low porosities via the cold rolling which is typically performed to compact the sintered porous fiber structures after a classic sintering operation, either in a batch or in a continuous process. The cold-rolling pressures should rise to such an extent that the porous fleece structure runs the risk of being crushed.
In the second embodiment, the fleece is continuously passed between two co-operating rollers to a conveyor belt and thereby cold-compacted. At the same time, the fleece can be degassed by mounting the rollers at the entrance of a vacuum chamber where the air is sucked away. From this pre-densification and degassing device, the web is fed to a tunnel oven where it is brought to the desired temperature to lower the yield strength of the fibers and then hot rolled between a pair of rollers located near the end of the tunnel oven. The desired temperature is between 1/3 and 2/3 of the melting temperature (in K) of the fiber material.
This heating and hot rolling process will assist
<Desc / Clms Page number 5>
preferably in a shielding gas atmosphere to avoid oxidation of the fibers. For this purpose, a feed-through chamber can be connected between the degassing chamber and the tunnel oven for the supply of a shielding gas (eg argon). Analogously, a first cooling chamber can be connected at the outlet of the tunnel furnace under shielding gas before final cooling is allowed to the atmosphere at room temperature. The thus-consolidated fleece is then cut into panels or wound on a mandrel of relatively large diameter. This embodiment offers the advantage t. o. v. the resistance heating between rollers that it can be carried out in a passage at larger fleece widths.
According to this second embodiment, the fibers are also heated in their entirety, in contrast to the first, in which they are heated only at the mutual contact points.
Example A conventional metal fiber fleece of bundled Fecralloy fibers having an equivalent diameter of 22 Am was continuously consolidated by the method of the first embodiment via resistance heating. The web had a weight of 1050 g / m2 and the throughput between the rolls was 1 m / min. The roll widths were 40 mm, their diameter 400 mm, and the compression force reached about 6.5 kN. The thickness of the consolidated fleece was approximately 0.4 mm, which corresponds to a porosity of approximately 68%.
Its tensile strength was comparable to that of a conventional (discontinuous) vacuum-sintered fleece of the same composition (same fiber type, fiber diameter and same fleece weight per m2). The air permeability in 1 / dm2. min at 200 Pa was 165. The appearance of the consolidated fleece surface was very analogous to that outlined in the figure.
Instead of bundled fiber fibers, it is also possible to use steel wool or other metal fibers obtained by planing or cutting. Such fibers and membranes with this
<Desc / Clms Page number 6>
obtained b. v. described in US patent 3 505 038. Metal fibers can also be used which have been obtained directly from the melt (as known, for example, from US patent 3 845 805 or GB patent 1 455 705) or which have been obtained by reducing metal oxide mixtures (US patent 3 671 228 and US patent 4 312 670). The web formation can also be effected wet as known from, or analogous to, U.S. Patent 3,127,668.
Several superimposed non-woven layers can also be consolidated, whereby b. v. the fiber diameter differs from one layer to another layer. The nonwoven weight can be between 100 g / m2 and 4000 g / m2.
The metal fiber alloy to be used is not limited to stainless steels. Nickel, Inconel, Hastelloyi fibers, corrosion, abrasion, and / or high temperature resistant metal fibers (from FeCrAlloy alloys, for example) are also eligible.
The consolidated fleece according to the invention can be considered for many applications, b. v. as a filter medium. Initially, filters for air cushion bags (so-called air bags) are currently installed in the steering columns or instrument panels (dash board) of some cars and that serve as a cushion between occupants and the steering wheel or dashboard in frontal collisions. These "air bags" have often included sintered metal fleece filters for filtering the suddenly expanding gas that is released and inflates the air bag quickly upon detection of a shock. These fiber filters must of course be resistant to pressure waves.
The tight filter structure according to the invention is extremely suitable for this.
The characteristics of the relatively thin filter structures with a fairly low porosity can generally also be adjusted to use them as a surface filter. You can also go there
<Desc / Clms Page number 7>
sol-gel suspensions (eg ZrOJ on deposits for use as inorganic membrane filters in micro or ultra filtration, either with tangential (cross flow) or transverse ("dead end") flow.
If fibers with resistance to high temperatures - such as b. v. FeCrAlloy fibers are used, the sintered laminates according to the invention can also be used as a flat or tubular membrane for surface radiation burners or as a regenerable filter for soot particles from b. v. diesel exhaust fumes.
The fibers can be covered with b before or after consolidation. v. catalytically active substances so that the web can then be used as a catalyst. Fiber coatings consisting of oxidative catalysts are suitable for the smooth removal at relatively low temperatures of soot particles which are retained in diesel exhaust filters.
Consolidated webs according to the invention, comprising fibers from nickel or nickel alloys, can also be used as electrodes. The consolidated nonwovens of stainless steel fibers can, if desired, be covered with nickel in an electroless electrochemical process.
Custom filter systems can be designed in which a combination of one or more consolidated membranes according to the invention are mounted in flat form or in tubular form and whether or not combined with other filter media.
With the second method of execution via hot rolling in a tunnel oven, the webs can be laminated and joined with various wire nets on the outside of the web or between stacked webs.