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Die
Erfindung betrifft Kunststofffasern, ein Verfahren zum Herstellen
einer Kunststofffaser sowie die Verwendung der Kunststofffasern
zur Herstellung von Textilien und Teppichböden, Filtern,
beispielsweise zur Gas-, Luft- und Flüssigkeitsfiltration
oder in Zigarettenfiltern, Sensoren, Kondensatormikrofonen, Datenspeichern
oder Membranen.
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Mathias
Becker, „Neue ultradünne Polymerfasern und Kompositfasern
durch Elektrospinnen und Coelektrospinnen von Polymerlösungen
und Polymerschmelzen aus Einzel- und Mehrdüsenanordnungen",
DER ANDERE VERLAG, Tönning, 2006 beschreibt das
Grundprinzip des Spinnens von Kunststofffasern im elektrischen Feld.
Insoweit wird auf diese Dissertation in vollem Umfang Bezug genommen.
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Wie
der
DE 10 2004
060 593 A1 entnommen werden kann, werden Elektretfilter üblicherweise
so hergestellt, dass eine elektretfähige Substanz auf das
Trägermaterial aufgebracht, aufgeschmolzen und in einem
elektrischen Feld aufgeladen wird.
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Aus
der
US 5,191,905 A ist
ein Zigarettenfilter bekannt, in dem magnetische Fasern und Elektretfasern
zum Filtern von Feinstaub genutzt werden.
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US 5,162,608 A beschreibt
eine Druckwalze mit einer Elektretbeschichtung, die mit einer Entwicklersubstanz,
magnetische Teilchen enthaltend, in Kontakt kommt.
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US 4,258,730 A beschreibt
eine Ummantelung eines Zigarettenfilters, die einen Schalter mit
einem Elektretkörper und einem magnetischen Körper beinhaltet,
zur Verbesserung der Effizienz des Zigarettenfilters.
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Auch
die
JP 08038934 A betrifft
einen Luftfilter. Bei diesem wird eine Mischung verschiedener Pulver
in einen Behälter eingefüllt. Es entsteht dadurch
eine sehr geringe Kontaktfläche des Elektretmaterials mit
der einströmenden Luft.
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In
den meisten dieser Ausgestaltungsformen wirken die magnetischen
und die Elektretkomponenten aus unterschiedlichen Richtungen auf
dieselben zu filternden Partikel. Zudem können die aus
dem obengenannten Stand der Technik bekannten Elektretmaterialien,
gerade wenn sie als Fasern vorliegen, üblicherweise mit
einer Spannung von höchstens 500 V aufgeladen werden. Selbst
bei einem langsamen Abbau der Ladung werden diese Materialien deshalb
schnell wirkungslos.
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Die
bekannten Meltblown-Fasern sind relativ teuer. Zudem verlieren Polymere
ihre Oberflächenladung zu schnell. Bisher werden Oberflächen üblicherweise über
Balkenelektroden aufgeladen. Ein Ladungsabfall wird dabei in Kauf
genommen.
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Es
ist also die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Einwirkung von
magnetischem Material oder beschichteten Teilchen und Elektretmaterial
aus derselben räumlichen Richtung zu ermöglichen
und das Elektretmaterial mit einer möglichst hohen Spannung aufladen
zu können.
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Diese
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform
gelöst durch Kunststofffasern mit einer innerhalb der Faser dispergierten
Elektretausrüstung, die magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetische
Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung in einer Menge in einem
Bereich von 0,01 bis 6 Gew.-% und Elektretmaterial in einer Menge
in einem Bereich von 0,1 bis 99 Gew.-% jeweils bezogen auf die Faser
enthält.
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Hohe
Gehalte an Teilchen in der erfindungsgemäßen Faser
sind besonders zur Herstellung von Elektretmembranen geeignet.
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Vorteilhafterweise
enthält die erfindungsgemäße Faser jedoch
magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetische Teilchen mit anorganischer
Beschichtung in einer Menge in einem Bereich von 0,01 bis 1 Gew.-%
und Elektretmaterial in einer Menge in einem Bereich von 0,1 bis
10 Gew.-%, Niedrige Gehalte an Teilchen in der erfindungsgemäßen
Faser sind besonders für Textilien oder zur Herstellung
von Filtern, beispielsweise Luft- und Flüssigkeitsfiltern oder
Zigarettenfiltern, Sensoren, Kondensatormikrofonen oder Datenspeichern
geeignet.
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Magnetische
Teilchen im Sinne der Erfindung umfassen vorteilhafterweise Teilchen
mit einer magnetischen Suszeptibilität bei 25°C
von wenigstens 0,1 und höher oder mindestens –0,1
und weniger. Unter magnetischen Teilchen im Sinne der Erfindung
werden darüber hinaus Teilchen verstanden, die diamagnetisch,
ferrimagnetisch, paramagnetisch, superparamagnetisch, antiferromagnetisch,
oder ferromagnetisch sind, oder ferromagnetische Domains aufweisen,
die zwar somit als solche für sich ferromagnetisch sind,
wobei aber die magnetischen Momente der Domains unterschiedliche
Richtungen aufweisen und sich somit ganz oder teilweise aufheben,
so dass nach Außen hin kein oder nur ein schwächeres magnetisches
Moment messbar ist.
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Elektretmaterial
im Sinne der Erfindung ist ein Material, dass dielektrisch ist und
ein permanentes elektrisches Dipolmoment aufweisen kann. Hierbei
kann es sich beispielsweise um Polymere wie Polytetrafluorethylen,
Polytetrafluorethylenpropylen, Polypropylen, Polyethylenterephthalat,
Polyvinylidenfluorid und einige seiner Copolymeren handeln.
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Viele
Partikeln, die durch das vom Elektretmaterial aufgebaute elektrische
Feld wandern, tragen eine elektrische Ladung. Wird eine elektrische Ladung
bewegt, so wird neben dem elektrischen Feld ein magnetisches Feld
erzeugt, welches mit dem Magnetfeld der magnetischen Pigmente Wechselwirken kann.
So wird beispielsweise Feinstaub durch vorhandene magnetische Teilchen
im Vergleich zu bekannten Filtermaterialien wesentlich effizienter
abgeschieden.
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Das
Verhältnis von Breite zu Länge der magnetischen
Teilchen, das Aspektverhältnis, liegt vorzugsweise in einem
Bereich von 0,5 bis 2. Dadurch weisen die magnetischen Teilchen
eine höhere mechanische Stabilität auf, als solche
Teilchen, die eine länglichere Form haben wie beispielsweise
Fasern.
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Der
mittlere Teilchendurchmesser der magnetischen Teilchen und/oder
Teilchen mit anorganischer Beschichtung liegt vorzugsweise in einem
Bereich von 5 bis 50000 nm, insbesondere in einem Bereich von 5
bis 500 nm. Dadurch ist eine homogenere Verteilung der Teilchen
in der Faser möglich.
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Es
ist besonders bevorzugt, wenn magnetische Teilchen und/oder nichtmagnetische
Teilchen mit anorganischer Beschichtung in der Faser in einem Bereich
von 0,1 bis 0,5 Gew.-% vorhanden sind. Gleichermaßen ist
es besonders bevorzugt, wenn die Teilchen aus Elektretmaterial in
einem Bereich von 0,6 bis 3 Gew.-% in der Faser vorhanden sind.
Der Vorteil dieser Verteilung ist, dass die anorganischen Partikel
durch die Polymerpartikel voneinander weitgehend isoliert werden,
was nur bei einem Überschuss von Polymer gewährleistet
ist. Dadurch wird eine bessere Ladungserhaltung und Ladungstrennung
erreicht. Alternativ können beide Inhaltsstoffe auch in
höheren Konzentrationen eingesetzt werden.
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Die
ferromagnetischen Teilchen bestehen vorzugsweise aus einem Material,
das ausgewählt ist aus der Gruppe Eisen, Kobalt, Nickel,
Fe2O3, Fe3O4, CrO2,
Bariumferrit, Gadolinium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Terbium,
Al-Ni-Co-Legierung, Sm-Co-Legierung, Nd2Fe14B, Ni-Fe-Legierung, Ni-Cu-Co-Legierung,
Manganarsenid, Europiumoxid, Seltenerdenlegierung, Permalloy, Siliciumeisen, Mn-Zn-Ferrite,
Supermalloy, Bariumoxid, Nd-Fe-B-Legierung oder einer Mischung derselben.
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Bei
der Filtration von Luft durch Vlies- oder andere Filtermedien werden
Staubpartikel an dem Filtermedium abgeschieden. Kleine und kleinste
Partikel, Feinstaub und Nanopartikel, passieren das Filtermedium
jedoch oft ungehindert und werden somit nicht abgetrennt. Das erfindungsgemäße
Ziel ist es also, auch diese Partikel abzuscheiden. Meist tragen die
Staubpartikel entweder eine positive oder eine negative Ladung,
was sich für die Staubabscheidung ausnutzen lässt.
Bisher wird dies über die elektrische Aufladung von Beschichtungen
des Filtermediums durchgeführt. Die vorliegende Erfindung
nutzt genau diesen Effekt der Staubpartikel. Bekanntermaßen
ist ATO ein Halbleiter und kann geladene Staubpartikel durch elektrische
Anziehungskräfte binden. So wird bei beschichteten Glimmerpartikeln
durch die Beschichtung mit Antimon-dotiertem Zinnoxid eine bessere
Ladungserhaltung erreicht.
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Die
nichtmagnetischen Teilchen umfassen beispielsweise, insbesondere
bestehen aus, Schichtsilikaten. Zudem sind die erfindungsgemäßen
Teilchen nichtmagnetisch. Bevorzugt bestehen die Teilchen aus Glimmer.
Der Vorteil von Glimmer ist, dass es sich hier um Plättchen
handelt, die sich zum Teil flach auf der Faseroberfläche
ablegen. Es ist daher die ganze Oberfläche des Plättchens
wirksam.
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Die
anorganische Beschichtung insbesondere der Glimmerteilchen weist
vorteilhafterweise eine Schichtdicke in einem Bereich von 1 bis
200 nm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 100 nm, ganz besonders
bevorzugt 12 bis 30 nm auf. Die Beschichtungdicke ist vorteilhafterweise
möglichst gering. Die Beschichtung ist dann amorph, was
zu einer besseren Ladungsspeicherung führt. Zudem wird
dadurch weniger Beschichtungsmaterial benötigt, wodurch diese
Teilchen wirtschaftlicher hergestellt werden können.
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Die
anorganische Beschichtung enthält vorzugsweise ein Material
ausgewählt aus der Gruppe Antimon-dotiertes Zinnoxid, Siliziumoxid,
Titandioxid oder Mischungen derselben. Besonders bevorzugt besteht
die Beschichtung daraus. Ganz besonders bevorzugt besteht die Beschichtung
aus Antimon-dotiertem Zinnoxid, einem Gemisch aus Antimon-dotiertem
Zinnoxid und Siliziumoxid oder einem Gemisch aus Titandioxid, Siliziumoxid
und Antimon-dotiertem Zinnoxid. Diese Materialien sind Halbleiter und
können dadurch Staubpartikel durch elektrische Anziehungskräfte
binden. Durch die Beschichtung wird eine bessere Ladungserhaltung
erreicht.
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Siliziumoxid
und Zinnoxid im Sinne der Erfindung umfasst mindestens eines aller
bekannten Oxide von Silizium beziehungsweise Zinn.
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Hohe
Gehalte an Teilchen in der erfindungsgemäßen Elektretausrüstung
sind besonders zur Herstellung von Elektretmembranen geeignet.
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Das
Gewichtsverhältnis von Elektretmaterial zu magnetischen
Teilchen und/oder nichtmagnetischen Teilchen mit einer anorganischen
Beschichtung beträgt vorteilhafterweise mindestens 1,2:1,
da so eine besonders gute Abscheidecharakteristik von Staub verwirklicht
werden kann.
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Das
Elektretmaterial ist vorzugsweise anorganisch oder organisch, insbesondere
ausgewählt aus der Gruppe Methylsiloxan, Fluoralkylsilan,
Fluorpolyurethan, Fluorpolyacrylat, Polytetrafluorethylen, Polytetrafluorethylenpropylen,
Polypropylen, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid, Copolymere dieser
vorgenannten Polymere, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Bariumtitanat
oder Carnaubawachs.
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Ganz
besonders bevorzugt umfasst das Elektretmaterial Fluor-haltige oder
Fluor-freie Polymere, wie beispielsweise Baygard AFF® der
Lanxess AG, Fluor-haltige oder Fluor-freie Acrylpolymere bzw. -copolymere,
wie beispielsweise Dicrylan® AC
der Firma Huntsman Textile Effects, Fluorhaltige oder Fluor-freie
Polyurethane, wie beispielsweise Alberdingk® U2101
der Alberdingk Boley GmbH, Fluor-haltiges oder Fluor-freies Polyethylen,
wie beispielsweise Permanol® HDL
der Dick Peters B. V. oder Fluoralkylsilane oder deren Salze, wie
beispielsweise Dynasilan® F8815
der Degussa AG.
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Die
erfindungsgemäßen Fasern umfassen neben den Teilchen
und dem Elektretmaterial weitere Polymere, insbesondere Thermoplaste
und/oder Elastomere. Thermoplaste im Sinne der vorliegenden Erfindung
umfassen beispielsweise Polyolefine, insbesondere Polyethylen, Polypropylen
sowie deren Copolymere; Vinylpolymere, insbesondere Polyvinylalkohole
und/oder Polyvinylacetat; Polyamide; Polyester; Polyether; Polyacrylate,
insbesondere Polymethylmethacrylat; Polycarbonate; Polyphenylensulfid; Polysulfone;
Polysiloxane; so auch Polyurethane und Ionomere.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen der Fasern,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine Schmelze aus Fasermaterial,
magnetischen Teilchen und/oder nichtmagnetische Teilchen mit anorganischer
Beschichtung und Elektretmaterial zu einer Kunststofffaser in einem
elektrischen Feld verspinnt.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich im
Unterschied zum Stand der Technik erstmals magnetische Komponenten
und Elektretkomponenten innerhalb der Fasern erstmals so positionieren,
dass sie im Wesentlichen aus derselben Richtung auf Partikel einwirken
können. So können sich bewegende, elektrisch geladene
Teilchen, welche dadurch auch ein magnetisches Moment erhalten, besonders
effektiv angezogen werden, da das elektrische Feld und das magnetische
Feld aus derselben Richtung einwirken können. Durch das
erfindungsgemäße Verfahren lassen sich die Fasern
mit besonders hohen elektrischen Spannungen aufladen. So beträgt
die Spannung vorteilhafterweise mindestens 0,5 kV, insbesondere
liegt die Spannung in einem Bereich von 1 bis 1000 kV, insbesondere
in einem Bereich von 10 bis 50 kV. Durch das erfindungsgemäße Verfahren
wurde weiterhin überraschenderweise gefunden, dass so hergestellte
Fasern eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich
verbesserte Ladungserhaltung aufweisen.
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In
der Faser können gegebenenfalls übliche Additive
wie Bindemittel, Farbstoffe oder ähnliche Bestandteile
enthalten sein.
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Erfindungsgemäß sind
die magnetischen Teilchen und/oder Teilchen mit einer anorganischen Beschichtung
in den erfindungsgemäßen Fasern im Wesentlichen
in das Elektretmaterial eingebettet.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe gelöst durch die Verwendung der erfindungsgemäßen
Fasern zur Herstellung von Textilien und Teppichen, Filtern, beispielsweise
zur Gas-, Luft- und Flüssigkeitsfiltration oder in Zigarettenfiltern,
Sensoren, Kondensatormikrofonen, Datenspeichern oder Membranen.
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Ausführungsbeispiele:
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Die
beschriebenen Fasern befanden sich nach der Herstellung in direkter
Nachbarschaft einer Balkenelektrode R23 ATR mit einem Hochspannungsgenerator
KNH 124 der Eltex Elektrostatik GmbH mit einer Spannung von 20 kV,
wodurch die Oberflächenladung induziert werden konnte.
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Beispiel 1:
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97
Gew.-Teile einer 20%igen Lösung eines Polyamid 6, Ultramid
B3 der BASF AG, in Ameisensäure und 2 Gew.-Teile wässrige
Fluorpolymerdispersion Baygard AFF® der
Lanxess AG wurden mit 1 Gew.-Teil einer ca. 20%igen ethanolischen
Dispersion des nichtmagnetischen Eisenoxidpigments der Bühler
AG, Schweiz (V306 MP) mit einer Partikelgröße
von ca. 30 nm gemischt. Die Mischung wurde durch elektrostatisches
Spinnen aus einer Kanüle mit einem Innendurchmesser von
0,3 mm und einem Elektrodenabstand von 20 cm unter Anlegen einer Spannung
von 30 kV zu ultradünnen Fasern mit einem mittleren Durchmesser
von ca. 50 nm bis 100 nm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über
eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
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Beispiel 2:
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95
Gew.-Teile einer 20%igen Lösung eines Polyamid 6, Ultramid
B3 der BASF AG, in Ameisensäure und 4 Gew.-Teile wässrige
Fluorpolymerdispersion Baygard AFF® der
Lanxess AG wurden mit 1 Gew.-Teil einer ca. 20%igen ethanolischen
Dispersion des Magnetpigments der Bühler AG, Schweiz (V306
MP) mit einer Partikelgröße von ca. 30 nm gemischt.
Die Mischung wurde durch elektrostatisches Spinnen aus einer Kanüle
mit einem Innendurchmesser von 0,3 mm und einem Elektrodenabstand
von 20 cm unter Anlegen einer Spannung von 30 kV zu ultradünnen
Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 50 nm bis 100 nm
verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über eine
Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
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Beispiel 3:
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95
Gew.-Teile einer 20%igen Lösung eines Polyamid 6, Ultramid
B3 der BASF AG, in Ameisensäure und 4 Gew.-Teile wässrige
Fluorpolymerdispersion Baygard AFF® der
Lanxess AG wurden mit 1 Gew.-Teil Magnetpigment Ferronan 8500 der
Firma Nano Chemonics mit einer Partikelgröße von
ca. 20 bis 30 nm gemischt. Die Mischung wurde durch elektrostatisches
Spinnen aus einer Kanüle mit einem Innendurchmesser von
0,3 mm und einem Elektrodenabstand von 20 cm unter Anlagen einer
Spannung von 23 kV zu ultradünnen Fasern mit einem mittleren Durchmesser
von ca. 50 nm bis 100 nm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über
eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
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Beispiel 4:
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99
Gew.-Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, und 1 Gew.-Teil
eines magnetischen Eisenoxidpigmentpulvers, Magnetpigment 345 der
BASF AG, Partikelgröße < 1 μm, wurden bei 190°C
in einem Extruder gemischt und über das melt blowing Verfahren
zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser von ca. 2 μm
bis 5 μm verarbeitet. Die hergestellten Fasern konnten über
eine Balkenelektrode wie oben beschrieben aufgeladen werden.
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Beispiel 5:
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98
Gew.-Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, 1 Gew.-Teil
der mikronisierten PTFE-modifizierten Polyethylenwaches LancoTM TF 1780 EF der Lubrizol Coating Additives
GmbH, Ritterhude und 1 Gew.-Teil eines magnetischen Eisenoxidpigmentpulvers,
Magnetpigment 345 der BASF AG, Partikelgröße < 1 μm,
wurden bei 190°C in einem Extruder gemischt und über
das melt blowing Verfahren zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser
von ca. 2 μm bis 5 μm verarbeitet. Die hergestellten
Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben
aufgeladen werden.
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Beispiel 6:
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99
Gew.-Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, und 1 Gew.-Teil
Minatec 30CM einer Mischung aus Titandioxid und Siliziumdioxid und Antimon-dotiertem
Zinkoxid mit einer Partikelgröße von 50 bis 60 μm
wurden bei 190°C in einem Extruder gemischt und über
das melt blowing Verfahren zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser
von ca. 2 μm bis 5 μm verarbeitet. Die hergestellten
Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben
aufgeladen werden.
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Beispiel 7:
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98
Gew.-Teile einer Polypropylenschmelze der Firma Aldrich, 1 Gew.-Teil
der mikronisierten PTFE-modifizierten Polyethylenwaches LancoTM TF 1780 EF der Lubrizol Coating Additives
GmbH, Ritterhude und 1 Gew.-Teil Minatec 30CM einer Mischung aus
Titandioxid und Siliziumdioxid und Antimon-dotiertem Zinkoxid mit
einer Partikelgröße von 50 bis 60 μm
wurden bei 190°C in einem Extruder gemischt und durch Extrusion über
eine Düse mit 0,3 mm Innendurchmesser und gleichzeitigen
Druckluftaustritt aus Kanälen am äußeren
Rand der Kanüle zu Fasern mit einem mittleren Durchmesser
von ca. 20 μm bis 100 μm verarbeitet. Die hergestellten
Fasern konnten über eine Balkenelektrode wie oben beschrieben
aufgeladen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004060593
A1 [0003]
- - US 5191905 A [0004]
- - US 5162608 A [0005]
- - US 4258730 A [0006]
- - JP 08038934 A [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Mathias Becker, „Neue
ultradünne Polymerfasern und Kompositfasern durch Elektrospinnen und
Coelektrospinnen von Polymerlösungen und Polymerschmelzen
aus Einzel- und Mehrdüsenanordnungen”, DER ANDERE
VERLAG, Tönning, 2006 [0002]