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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein ein- oder mehrlagiges Filtermaterial, bei dem mindestens eine Lage mit einem thermisch härtbaren Bindemittel getränkt ist, sowie ein aus einem derartigen Filtermaterial hergestelltes Filterelement.
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Hintergrund der Erfindung
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Filtermaterialien für den Automobilbereich und für industrielle Anwendungen bestehen in der Regel aus Zellulose und/oder Synthesefasern. Sie werden hauptsächlich zur Filtration von Kraftstoffen, Ölen, Gasen, Wasser und Gemischen daraus eingesetzt. Dabei werden hohe Anforderungen bezüglich der Berstfestigkeit und Steifigkeit im nassen und im trockenen Zustand gestellt. Außerdem sollen sie aggressiven Umgebungsbedingungen und hohen Temperaturen widerstehen.
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Als Basismaterial für diese Filter werden poröse Bahnen aus Zellulose, Glasfasern, Synthesefasern oder einer Mischung aus diesen verwendet. Da sich die Auswahl der geeigneten Faserarten hauptsächlich an den Anforderungen nach der Porosität, Luftdurchlässigkeit und Dicke des erzeugten Filtermaterials orientiert, sind die ausgewählten Faserarten in Bezug auf die Festigkeit meist nicht optimal.
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Um dennoch die benötigte Festigkeit und Steifigkeit besonders im nassen Zustand zu erreichen und die Filtermaterialien beständig gegen aggressive Einflüsse auch bei hohen Temperaturen zu machen, werden sie mit einem Bindemittel behandelt. Als geeignete Bindemittel haben sich seit vielen Jahren z. B. Phenolresolharze, Phenolnovolakharze, Epoxidharze, Acrylatharze oder Mischungen und Modifikationen daraus bewährt.
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Zum Einsatz kommen diese Bindemittelsysteme als Lösungen oder Dispersionen, mit denen die porösen Bahnen getränkt und anschließend getrocknet werden. Geeignete Lösemittel sind niedrige Alkohole und Ketone wie z. B. Methanol, Ethanol, Isopropanol, Aceton aber auch Wasser.
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Als Imprägnierverfahren kommen alle gängigen Verfahren wie z. B. Tauchimprägnierung, ein- oder beidseitiger Walzenauftrag, Curtain Coater oder Sprühauftrag in Frage.
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Während des Trocknens kommt es zur teilweisen Härtung des Bindemittels, die über die Höhe der Trocknungstemperatur und die Dauer der Trocknung gesteuert wird. Durch den eingestellten Härtungsgrad wird eine gewisse Anfangsfestigkeit des Filtermaterials erreicht, die für dessen Weiterverarbeitung notwendig ist. Besonders wichtig ist die Anfangsfestigkeit, wenn das Filtermaterial in Längsrichtung rilliert ist. Es muss steif genug sein, dass die Rillierung bestehen bleibt, darf aber nicht zu spröde sein, damit es bei der Weiterverarbeitung, z. B. beim Falten, nicht bricht. Zur Herstellung von Filterelementen wird das Filtermaterial meist geprägt und zu einem Faltenbalg gefaltet. Filtermaterial, das einen hohen Härtungsgrad aufweist, ist spröde und bricht leicht während dieses Verarbeitungsschrittes. Um das Brechen des Filtermaterials während des Prägens und Faltens zu vermeiden, wird das Filtermaterial kurz vor der Prägewalze in einer Vorwärmzone auf Temperaturen zwischen 60°C und 120°C erhitzt. Dadurch wird das Bindemittel im Filtermaterial wieder etwas flexibler und besser verformbar.
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Nach dem Vorgang des Prägens und Faltens wird der Faltenbalg in einen Härtungsofen gegeben, um das Bindemittel vollständig auszuhärten. Dadurch wird die für die Anwendung notwendige Festigkeit und Steifigkeit sowohl im trockenen als auch im nassen Zustand erreicht und das Filtermaterial wird beständig gegen aggressive Einflüsse bei hohen Temperaturen. Das Maß der Aushärtung beeinflusst ganz entscheidend die Eigenschaften des fertigen Filterelementes. Bei zu geringer Aushärtung ist das Filtermaterial nicht genügend steif und fest, um im späteren Gebrauch seine Form beizubehalten und somit die geforderten Filtereigenschaften über einen vorher bestimmten Zeitraum zu erfüllen. Außerdem ist das ungenügend ausgehärtete Filtermaterial nicht ausreichend beständig gegen aggressive Einflüsse.
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Die Aushärtung des Bindemittels erfolgt meist in Heißluftöfen und ist eine Funktion von Härtungstemperatur und Härtungsdauer. Je höher die Temperatur ist, desto kürzer ist die Härtungsdauer. Unter der Härtungsdauer im Sinne dieser Lehre ist der Zeitraum zu verstehen, der benötigt wird, um an jeder Stelle des Faltenbalgs die benötigte Härtungstemperatur zu erreichen. Die Härtungsdauer ist im Allgemeinen länger als die tatsächliche Reaktionsdauer zur Aushärtung des Bindemittels, da durch die Faltenbalggeometrie die Temperaturverteilung im Faltenbalg sehr unterschiedlich ist.
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Die Lufttemperatur des Heißluftofens kann zur Einstellung der Härtungstemperatur nur sehr bedingt herangezogen werden, da die Dicke des Filtermaterials, die Faltenhöhe und der Abstand der einzelnen Falten einen großen Einfluss haben, wie schnell die heiße Luft alle Stellen des Faltenbalgs auf die benötigte Härtungstemperatur aufheizt. Ein Faltenbalg aus einem dicken Filtermaterial und mit tiefen Falten, die nahe beieinander stehen, braucht länger bis er an jeder Stelle auf die benötigte Härtungstemperatur aufgeheizt ist, als ein Faltenbalg aus einem dünnen Filtermaterial und mit weniger tiefen Falten, die weit auseinander stehen.
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Eine Temperaturmessung direkt am Faltenbalg ist nicht möglich, da die Innenseiten der Faltenbasis, die am längsten für die Aufheizung brauchen, für eine Messung meist nicht zugänglich sind. Außerdem ist der Heißluftofen rundherum vollkommen abgeschlossen, damit eventuell entstehende giftige Dämpfe, wie z. B. Phenol und Formaldehyd, vollständig abgesaugt werden können und nicht in die Hallenluft gelangen.
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In der bisherigen Praxis werden die Faltenbälge daher immer länger als nötig im Härtungsofen belassen, um ganz sicher zu gehen, dass auch jede Stelle des Faltenbalges völlig ausgehärtet ist. Nachteilig an dieser Methode ist ein gewisser Durchsatzverlust, der bisher zu Gunsten der Endqualität des Filterelementes in Kauf genommen werden muss.
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Es besteht daher ein dringendes Bedürfnis, die Härtungstemperatur direkt am Faltenbalg zu bestimmen, um damit den Durchsatz durch den Härtungsofen zu steigern, ohne jedoch gleichzeitig die Endqualität des Filterelementes negativ zu beeinflussen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Filtermaterial insbesondere für Kraftfahrzeug- und Industriefilter bereitzustellen, an dem die vollständig erfolgte Aushärtung direkt erkennbar ist. Weiterhin soll ein aus einem derartigen Filtermaterial hergestelltes Filterelement geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung, Ausführungsbeispiele
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Beim erfindungsgemäßen Filtermaterial ist mindestens eine Lage des Filtermaterials mit einem thermisch aushärtbaren Bindemittel getränkt. Geeignete Bindemittel sind z. B. Phenolresolharze, Phenolnovolakharze, Epoxydharze, Acrylatharze oder Mischungen daraus. Die mindestens eine Lage bildet ein poröses, vorzugsweise faseriges Flächengebilde.
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Die mindestens eine Lage des Filtermaterials ist zusätzlich mit einem Indikator versehen. Dieser Indikator hat im nicht ausgehärteten Zustand des erfindungsgemäßen Filtermaterials eine erste Farbe und in einer bevorzugten Ausführung eine erste Farbe, die sich deutlich von der Grundfärbung der mindestens einen Lage des Filtermaterials unterscheidet. Nach Erreichen einer vorgegebenen Härtungstemperatur ist die thermische Aushärtung des Bindemittels abgeschlossen und der Indikator erfährt einen sichtbaren Farbumschlag, d. h. eine Farbänderung. Die Farbe nach dem vollständigen Aushärten unterscheidet sich deutlich von der Farbe des Indikators vor dem Aushärten und von der Grundfärbung der mindestens einen Lage. Dadurch kann am Filterbalg, der aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial hergestellt wird, eindeutig und auf einfache Weise erkannt werden, ob das Bindemittel des Filtermaterials an jeder Stelle des Faltenbalges vollkommen ausgehärtet ist.
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Der Indikator kann direkt in das Bindemittel zugegeben und mit diesem vermischt werden. Alternativ wird das poröse Flächengebilde zumindest teilweise auf einer oder auf beiden Seiten mit dem Indikator beschichtet. Die Beschichtung kann in bevorzugter Weise in der Form eines Druckes erfolgen und in besonders bevorzugter Weise in Form eines Aufdrucks feiner Linien in Längsrichtung des erfindungsgemäßen Filtermaterials.
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Als Indikator eignen sich alle üblichen thermisch sensiblen Farbstoffe und/oder Farbpigmente, die im nicht gehärteten Zustand des erfindungsgemäßen Filtermaterials eine bestimmte Farbe haben und in einer bevorzugten Ausführung eine Farbe, die sich deutlich von der Grundfärbung des porösen Filtermaterials unterscheidet und die bei Erreichen von Temperaturen von 120°C bis 220°C einen deutlich erkennbaren Farbumschlag in eine andere Farbe erfahren, die wiederum von der Grundfärbung des erfindungsgemäßen Filtermaterials abweicht. Bevorzugte Farbtöne des Indikators im nicht ausgehärteten Zustand des erfindungsgemäßen Filtermaterials sind orange und grün und besonders bevorzugt sind die Farbtöne weiß und rot. Bevorzugte Farbtöne des Indikators im ausgehärteten Zustand des erfindungsgemäßen Filtermaterials sind die Komplementärfarben zum nicht ausgehärteten Zustand und besonders bevorzugt sind die Farbtöne blau und schwarz. Bevorzugt ist ein Farbumschlag zwischen 120°C und 220°C, insbesondere zwischen 130°C und 200°C und besonders bevorzugt zwischen 160°C und 180°C. Wenn es für die Einstellung eines bestimmten Farbtons sowohl vor als auch nach der Aushärtung erforderlich ist, können auch noch andere Farbstoffe und/oder Farbpigmente und/oder Indikatoren zugemischt werden.
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Unter Farbstoffen werden üblicherweise Stoffe verstanden, die in einem Lösemittel, beispielsweise Wasser, löslich sind. Bei Farbpigmenten handelt es sich um nicht lösliche Stoffe.
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Bevorzugt ist der Indikator derart beschaffen, dass er nach Erreichen der vorgegebenen Härtungstemperatur einen deutlich erkennbaren und irreversiblen Farbumschlag erfährt.
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Wenn die Indikatoren auf eine oder beide Oberflächen zumindestens teilweise aufgebracht werden, können die in der Papierstreicherei oder der Druckerei üblichen Verfahren, wie z. B. Rakelauftrag, Luftbürstenauftrag, Schaberauftrag, Flexodruck, Siebdruck oder Tiefdruck angewendet werden.
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Sollten die Indikatoren nicht von selbst auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen Filtermaterials haften, so können sie entweder direkt in das Bindemittel für die Imprägnierung mit eingearbeitet werden oder sie werden selbst vor der Beschichtung oder dem Druck mit einem Bindemittel gemischt. Geeignete Bindemittel für die Beschichtung und/oder für den Druck sind z. B. wässrige Kunstharzdispersionen, ölige Alkydharze oder lösemittelhaltige Kunstharze.
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Das poröse Flächengebilde des erfindungsgemäßen Filtermaterials kann z. B. durch das Nasslegeverfahren, das Luftlegeverfahren, das Meltblown-Verfahren oder das Spinnvliesverfahren hergestellt werden. Außerdem kann es aus einem offenporigen Schaum bestehen.
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Unter dem Nasslegeverfahren wird das übliche Verfahren zur Erzeugung von Papieren verstanden, bei dem eine Suspension von Zellulose- und/oder Kurzschnittfasern mit Wasser hergestellt wird und diese Suspension, die zusätzlich noch die zur Papierherstellung üblichen Hilfsmittel enthalten kann, auf einem Sieb verteilt und entwässert wird. Das so gebildete poröse Flächengebilde wird anschließend getrocknet und aufgewickelt.
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Im Luftlegeverfahren werden die Zellulose- und/oder Kurzschnittfasern in einem Luftstrom verwirbelt und ebenfalls auf einem Sieb abgelegt. Anschließend wird das poröse Flächengebilde mittels Vernadeln, Wasserstrahlvernadeln, Hitzeanwendung, usw. verfestigt und aufgewickelt.
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Beim Spinnvliesverfahren wird ein thermoplastisches Polymer in einem Extruder aufgeschmolzen und durch eine Spinndüse gedrückt. Die in den Kapillaren der Spinndüse gebildeten Endlosfasern werden nach Austritt aus der Düse verstreckt, in einem Ablagekanal verwirbelt und auf einem Siebband bahnförmig abgelegt. Anschließend wird das Vlies mit einem Kalander unter Anwendung von Druck und Temperatur verfestigt.
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Beim Meltblown-Verfahren wird ein thermoplastisches Polymer in einem Extruder aufgeschmolzen und durch eine Spinndüse gedrückt. Die in den Kapillaren der Spinndüse gebildeten Endlosfasern werden nach Austritt aus der Düse mit heißer Luft verstreckt und auf das Siebband bahnförmig abgelegt.
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Polymere für das Meltblown- und Spinnvliesverfahren sind vorzugsweise Polyolefine, Polyester, Polyamide, Polyphenylensulfid, Polycarbonat oder Copolymere oder Mischungen davon.
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Geeignete Fasern für den Nasslege- und Luftlegeprozess sind z. B. Zellulose, Regeneratzellulose, Polyesterfasern, Polyolefinfasern, Polyamidfasern, Multikomponentenfasern, Glasfasern, Kohlefasern.
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Die erfindungsgemäßen Filtermaterialien haben je nach Einsatzzweck typischerweise eine Flächenmasse nach DIN EN ISO 536 von 10–400 g/m2, eine Luftdurchlässigkeit nach DIN EN ISO 9237 von 2–10000 l/m2s und eine Dicke nach DIN EN ISO 534 von 0,1–5,0 mm.
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Das erfindungsgemäße Filtermaterial kann sowohl ein- als auch mehrlagig sein, wobei sich der Indikator in oder auf mindestens einer Lage befindet.
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Beispiel 1:
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Auf die Siebseite eines mit einem Phenolresolharz als Bindemittel imprägnierten und aus Zellstofffasern bestehenden Filterpapiers mit einer Flächenmasse nach DIN EN ISO 536 von 121 g/m2, einer Luftdurchlässigkeit nach DIN EN ISO 9237 von 250 l/m2s und einer Dicke nach DIN EN ISO 534 von 0,49 mm wurde im Labor die unverdünnte, handelsübliche wässrige Suspension des Indikators thermoCRYPT Blau 150, zu beziehen über die Firma Prechel, 68723 Schwetzingen, mittels eines Glasstabs in Form von feinen Linien aufgebracht. Das Papier ist unter der Bezeichnung L4-6iSG3 bei der Fa. Neenah Gessner, Bruckmühl erhältlich. Das so behandelte Filterpapier wurde dann bei 140°C im Umlufttrockenofen für 5 Minuten gehärtet und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Beispiel 2:
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Auf die Siebseite eines mit einem Phenolresolharz als Bindemittel imprägnierten und aus Zellstofffasern bestehenden Filterpapiers mit einer Flächenmasse nach DIN EN ISO 536 von 121 g/m2, einer Luftdurchlässigkeit nach DIN EN ISO 9237 von 250 l/m2s und einer Dicke nach DIN EN ISO 534 von 0,49 mm wurde im Labor die unverdünnte, handelsübliche wässrige Suspension des Indikators thermoCRYPT Blau 150, zu beziehen über die Firma Prechel, 68723 Schwetzingen, mittels eines Glasstabs in Form von feinen Linien aufgebracht. Das Papier ist unter der Bezeichnung L4-6iSG3 bei der Fa. Neenah Gessner, Bruckmühl erhältlich. Das so behandelte Filterpapier wurde dann bei 160°C im Umlufttrockenofen für 5 Minuten gehärtet und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
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Ergebnis: Während die Indikatorlinien des Beispiels 1 lediglich einen schwachen irreversiblen Farbumschlag von weiß nach blau zeigten, war der irreversible Farbumschlag von weiß nach blau bei Beispiel 2 vollständig ausgebildet. Der Indikator ist daher geeignet, das Erreichen der Härtungstemperatur im Bereich von 160°C anzuzeigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 536 [0031]
- DIN EN ISO 9237 [0031]
- DIN EN ISO 534 [0031]
- DIN EN ISO 536 [0033]
- DIN EN ISO 9237 [0033]
- DIN EN ISO 534 [0033]
- DIN EN ISO 536 [0034]
- DIN EN ISO 9237 [0034]
- DIN EN ISO 534 [0034]