DE10310435B3

DE10310435B3 - Filterelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10310435B3
Application number: DE10310435A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Czado
Original assignee: Helsa Werke Helmut Sandler GmbH and Co KG
Current assignee: Helsa Werke Helmut Sandler GmbH and Co KG
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2023-03-12

Abstract

Es wird ein hocheffizientes Filterelement mit verbesserter Abscheidungsleistung bei relativ geringem Luftwiderstand und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filterelementes beschrieben, das mindestens zwei Lagen aus einem luftdurchlässigen Trägmaterial aufweist, die an beiden sich gegenüberliegenden Seiten mit einer Faserschicht aus Nano- und/oder Mikrofasern einer bestimmten elektrischen Polarität beschichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie es beispielsweise als Luftfilter zur Anwendung gelangt, um eine Verbesserung des Komforts und der Sicherheit zu bewirken, in dem Luftverunreinigungen wie Ruß, Staub, Pollen, Insekten usw. zurückgehalten werden, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.

Hocheffiziente Filter (HEPA-Filter) sind in der Lage, feinsten Staub, d. h. feinste Partikel, die aufgrund ihrer Lungengängigkeit zu schweren Gesundheitsschädigungen führen können, nahezu vollständig abzuscheiden.

Beispielsweise beschreibt die JP-A 56024013 einen solchen HEPA-Filter hoher Leistungsfähigkeit.

Ein HEPA-Filter aus Polypropylen-Schmelzfasern ist in der US 4,824,451 beschrieben. Bei diesem bekannten NEPA-Filter weisen die Schmelzfasern einen Durchmesser von ca. 5 μm auf. Die Poren des Filtermediums sind kleiner als 30 μm. Die Fasern bilden ein Gewebe, das mit einem definierten Druck kalt kalandriert wird, um die Filterwirksamkeit zu verbessern. Das resultierende kalandrierte Gewebe weist Poren von < 20 μm auf.

Ein hochwirksames Filtermedium aus elektrostatisch geladenen Fasern aus einem nichtleitenden thermoplastischen Material offenbart die US 6,123,752 . Das thermoplastische Material weist einen spezifischen Widerstand > 10⁴ Ohm·cm auf, es besteht vorzugsweise aus Polypropylen. Die Fasern besitzen einen Durchmesser von < 5 μm und das Flächengewicht des Filtermediums beträgt < 60 g/m². Dieses bekannte Filtermedium ist für HEPA-Filter mit relativ kleinem Druckabfall geeignet.

Aus der US 6,156,086 ist eine Staubsauger-Filtertüte bekannt, wobei mindestens eine Seitenwand der Filtertüte ein Laminat aus einer Trägerschicht und einer Filterschicht aufweist. Bei der Filterschicht handelt es sich vorzugsweise um ein hochwirksames Mikrofaser-Filtermedium mit HEPA-Eigenschaften.

Ein Composit-Partikelfilter beschreibt die US 6,372,004 . Dort kommen Mono- oder Bikomponenten-Polymerfasern oder dergleichen zur Anwendung. Dieser bekannte Composit-Partikelfilter ist beispielsweise zum Einsatz bei Staubsauger-Filterbeuteln vorgesehen, er kann jedoch auch bei Fahrzeug-Frischluftfiltern oder bei Reinraumfiltern oder dergleichen zur Anwendung gelangen.

Bei bekannten hocheffizienten Filterelementen besteht jedoch der Mangel, daß die gewünschten hohen Abscheidungsraten entsprechend hohe Luftwiderstände des Filterelementes bedingen. Aus solchen hohen Luftwiderständen resultieren wiederum hohe Energiekosten zum Transport des zu filternden Mediums durch das Filterelement hindurch. Diese Energiekosten können die Anschaffungskosten des Filterelementes während seiner Einsatzzeit um ein Vielfaches übersteigen. Aus diesem Grunde werden HEPA-Filter üblicherweise in plissierter Form eingesetzt, um eine möglichst große Filterfläche in dem zur Verfügung stehenden Filtervolumen unterzubringen und den Luftwiderstand zu senken. Ein plissierter Filter aus einem mehrlagigen Filtermedium ist beispielsweise aus der DE 100 13 315 A1 bekannt, wobei das Filtermedium mindestens aus einer Filterpapierschicht mit einem Flächengewicht zwischen (30 und 100) g/m², einer Mikrofaser-Vliesschicht mit einem Flächengewicht von (5 bis 120) g/m² und einer Stützvliesschicht aus synthetischen polymeren Fasern mit einem Flächengewicht von (10 bis 120) g/m² besteht, und die Schichten verschmolzene Polymerbereiche enthalten, durch die die Schichten zusätzlich in sich selbst verfestigt und mit der Filterpapierschicht verbunden sind.

Ein Mangel der bekannten plissierten Filterelemente besteht darin, daß relativ viel Filtermaterial eingesetzt werden muß, um akzeptable Luftwiderstandswerte zu erzielen. Außerdem neigen diese bekannten Filterelemente zu Verstopfungen, woraus ein schwankender Luftdurchsatz resultiert, wie in der zuletzt genannten DE 100 13 315 A1 ausgeführt wird.

HEPA-Filter bestehen im allgemeinen aus Mikro-Glasfasermedien, die in Verdacht stehen, durch die Freisetzung von Glasfasern und Bindemittel Gesundheitsschäden zu verursachen. Typische Glasfaser- NEPA-Filter bestehen aus zirka (0,5 bis 1) μm starken Mikro-Glasfasermedien, die üblicherweise zu Faltenpacks mit einem Faltenabstand von zirka (3 bis 6) mm bei einer Faltenhöhe von (20 bis 80) mm plissiert werden. Dabei werden die Falten des Faltenpacks üblicherweise in der Art fixiert, daß beispielsweise Metallgitter in die Falten hineinragen oder daß die Falten mittels Distanzelementen wie Kunststoffraupen oder dergleichen voneinander separiert werden. Bei vielen Filteranwendungen stehen den Filtern nur sehr begrenzte Räume zur Verfügung, weshalb an die Filter sehr hohe Anforderungen gestellt werden, nämlich eine hohe Abscheidungsrate bei niedrigem Luftwiderstand, gepaart mit einer preisgünstigen Filterherstellung und einer langen Lebensdauer. Partikelfiltermedien weisen jedoch den Mangel auf, daß mit einer Verbesserung der Abscheidungsleistung der Luftwiderstand stark anwächst. Aus diesem Grunde ist ein Kompromiß zwischen Abscheidungsleistung und noch akzeptablem Luftwiderstand erforderlich. Noch schwieriger gestaltet sich dieser Kompromiß, wenn neben partikulären Verunreinigungen auch Schadgase – in einer nachgeschalteten Filterstufe, bei der es sich um einen Absorberfilter, wie beispielsweise einen Aktivkohlefilter handelt – aus dem zu filternden Medium, insbesondere aus der Luft entfernt werden sollen. Dieser zusätzliche Absorberfilter führt zu einer weiteren Erhöhung des Luftwiderstandes, weshalb unter Umständen der Zwang besteht, bei der Abscheidungsleistung für Partikel Abstriche zu machen. In diesem Zusammenhang wird noch einmal beispielhaft auf die obengenannte DE 100 13 315 A1 verwiesen, wo ausgeführt ist, daß durch ein plissiertes Filtermedium, das aus einem mit Mikrofasern beschichteten Papierfiltermedium und einem damit fest verbundenen Stützvlies besteht, bezüglich Luftwiderstand und Abscheidungsleistung Verbesserungen erreichbar sind.

Ein Filterelement der eingangs genannten Art ist aus der DE 101 09 474 C1 bekannt. Aus dieser Druckschrift ist außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes bekannt, wobei Nano- und/oder Mikrofasern aus einer Lösung gebildet werden, indem in einem Hochspannungsfeld auf die Lösung eine elektrostatische Kraft wirkt, die die Lösung zu den Nano- und/oder Mikrofasern auseinanderzieht, wobei die Oberflächenspannung, die Viskosität, die Leitfähigkeit und/oder die Ladung der Lösung durch Zusätze eingestellt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement der eingangs genannten Art, d. h. einen hocheffizienten Partikelfilter mit verbesserter Abscheidungsleistung bei gleichzeitig verringertem Luftwiderstand zu schalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Filterelementes sind in den Ansprüchen 2 bis 10 gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt außerdem die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen hocheffizienten Filterelementes verbesserter Abscheidungsleistung und reduziertem Luftwiderstand zu schaffen, das einfach und preisgünstig realisierbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 11 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 12 bis 28 gekennzeichnet.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, daß die Abscheidungsleistung des erfindungsgemäßen Filterelementes für Partikel wesentlich erhöht ist, ohne daß hierdurch gleichzeitig der Luftwiderstand in demselben Maße erhöht wird, wie das bei herkömmlichen Staubfiltermaterialien der Fall ist, bzw. der Luft-Durchströmwiderstand wird sogar gesenkt.

Bei dem luftdurchlässigen Trägermaterial des erfindungsgemäßen Filterelementes werden bevorzugt Spunbond- oder Meltblown-Vliese aus Polypropylen (PP) oder Polyester (PES) angewandt. Desgleichen ist es möglich, Spunbond- oder Meltblown-Vliese aus Polyamid und/oder Polyacryl zu verwenden. Das luftdurchlässige Trägermaterial wird mit den Nano- und/oder Mikrofasern beschichtet, wobei beispielsweise ein Verfahren zur Anwendung gelangt, wie es in der DE 100 63 518 A1 beschrieben ist. Dort wird ein Verfahren zum elektrostatischen Spinnen von Polymeren zur Herstellung von Nano- und/oder Mikrofasern beschrieben, wobei wenigstens eine leicht in die Gasphase überführbare Substanz mit einer Elektronegativität > 2 oder erhöhter molarer Masse einer Polymerlösung oder -schmelze zugesetzt und in einen Raum zwischen den Elektroden einer Spinnvorrichtung eingebracht wird. Die Nano- und/oder Mikrofasern können beispielsweise auch durch ein elektrostatisches Spinnverfahren aus einer Polymerschmelze oder -lösung erzeugt und zu einem Vlies abgelegt werden, wie in der DE 101 09 474 C1 offenbart ist. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein bahnförmiges Trägermaterial zwischen wenigstens zwei als Elektroden für ein elektrostatisches Feld ausgebildeten Absprüheinrichtungen hindurchgeführt und jede Seite des Trägermaterials mit den mittels der Absprüheinrichtungen erzeugten Nano- und/oder Mikrofasern mit entgegengesetzter Polarität beschichtet. Bei dem bahnförmigen Trägermaterial kann es sich um ein Gelege, Gewirke, Gestricke oder ein Vlies handeln.

Die nachöffentlichte ältere Patentanmeldung DE 101 36 256 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Herstellen von Fasern in einem elektrostatischen Spinnverfahren, mit einem Vorratsgefäß für eine Polymerlösung oder -schmelze, mit einer im Vorratsgefäß angeordneten Fördereinrichtung, mit wenigstens einer Absprühelektrode oder mit wenigstens einem Absprühblech, und mit einer Gegenelektrode. Die wenigstens eine Absprühelektrode oder das wenigstens eine Absprühblech ist in der Fördereinrichtung derartig angeordnet, daß die von der Fördereinrichtung aus dem Vorratsgefäß geförderte Polymerlösung oder -schmelze auf die wenigstens eine Absprühelektrode oder auf das wenigstens eine Absprühblech abläuft.

Außer Spunbond- oder Meltblown-Vliesen als luftdurchlässige Trägermaterialien können auch andere Trägermaterialien wie mechanisch durch Nadeln oder Wasserstrahlen verfestigte Vliese, chemisch verfestigte Vliese, Gittergelege, Gewirke und Gestricke zur Anwendung gelangen.

Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Mikrofaser-Vliesstoffen durch elektrostatisches Verspinnen von geschmolzenen oder in Lösung befindlichen Polymeren wird die Polymerlösung oder -schmelze also auf eine Elektrode aufgebracht und durch eine hohe elektrische Spannung aufgeladen. Wird in der Nachbarschaft eine Gegenelektrode vorgesehen, so wirken die elektrostatischen Kräfte auf die Polymerlösung oder -schmelze und ziehen feinste Fasern aus dieser heraus. Eine Verbesserung dieser bekannten Verfahrensweise zur Herstellung von Luftfiltermaterialien sind in der oben erwähnten DE 101 09 474 C1 , in der ebenfalls oben erwähnten DE 101 36 256 A1 sowie in der DE 101 36 255 A1 beschrieben. Hier ist die Absprühelektrodenanordnung von einer Anzahl Absprühdrähte gebildet, die auf einer Transporteinrichtung zum Transport durch ein Vorratsgefäß für eine Polymerlösung oder -schmelze voneinander beabstandet zueinander parallel angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filterelementes kann durch Zusätze, welche die Oberflächenspannung, die Viskosität, die Leitfähigkeit und/oder die Polarität bzw. Ladung der Lösung definiert beeinflussen, verbessert und in einfacher Weise definiert gesteuert werden.

Die Nano- und/oder Mikrofasern bilden sich aus der besagten Lösung, indem im elektrostatischen Hochspannungsfeld auf die Lösung eine elektrostatische Kraft wirkt, mittels welcher die Fasern aus der Lösung herausgezogen werden. Dabei wirkt die Oberflächenspannung und die Viskosität der Lösung der elektrostatischen Kraft entgegen und muß überwunden werden, um die Nano- und/oder Mikrofasern bilden zu können. Das wird erfindungsgemäß durch Zusätze erreicht, die die Oberflächenspannung der Lösung vermindern. Bei den Zusätzen zur Reduktion der Oberflächenspannung der Lösung handelt es sich um Tenside, vorzugsweise um pertluorierte Tenside.

Damit auf die Lösung zur Herstellung der Nano- und/oder Mikrofasern im elektrostatischen Hochspannungsfeld überhaupt eine elektrostatische Kraft wirken kann, müssen in der Lösung elektrische Ladungen vorhanden sein. Diese Ladungen werden durch Zugabe von Leittähigkeits-Zusätzen vermehrt bzw. stabilisiert d.h. eingestellt. Bei diesen Leitfähigkeitszusätzen handelt es sich im allgemeinen um organische Salze. Es hat sich erstaunlicherweise gezeigt, daß die Wirksamkeit dieser Zusätze stark von der Polarität der Lösung abhängig ist. Es ist deshalb vorteilhaft, stark polare Lösungsmittel zu verwenden, die jedoch nicht für alle gewünschten Polymere geeignet sind. In Fällen der zuletzt genannten Art hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Polarität der Lösung durch Zugabe von hochpolaren Substanzen zu steuern. Bei diesen hochpolaren Substanzen handelt es sich zum Beispiel um Acetamid.

Des weiteren hat es sich gezeigt, daß Zusätze zur Ladungsstabilität die in die Nano- und/oder Mikrofasern eingebrachten elektrischen Ladungen verbessert stabilisieren, woraus neben der erwünschten mechanischen Partikelabscheidung auch eine auf elektrostatischen Kräften beruhende Partikelabscheidung erfolgt, so daß die Effizienz des Partikel-Filtermediums erheblich verbessert ist.

Vorteilhaft ist es, die Lösung an die elektrische Polarität anzupassen, da eine Polymeriösung unter dem Einfluß einer positiven Hochspannung üblicherweise anders absprüht als unter dem Einfluß einer negativen Hochspannung. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise auch möglich, zwei unterschiedliche Polymere in unterschiedlichen Konzentrationen und mit voneinander verschiedenen Zusätzen anzuwenden und auf diese Weise ein an den jeweiligen Anwendungsfall genau richtig angepaßtes Komposit-Filterelement herzustellen.

Da das luftdurchlässige Trägermaterial erfindungsgemäß auf keiner Elektrode aufliegt, kann es auch nicht durch eine Elektrode selbst entladen werden und behält folglich eine höhere elektrostatische Aufladung, was sich – wie bereits weiter oben ausgeführt worden ist – auf die Partikel-Filtrationseigenschaften positiv auswirkt.

Ein Problem, das sich aus dem üblicherweise zeitlich langen Einsatz von Filterelementen ergeben kann, ist der Befall der Filterelemente mit Keimen, die unter Umständen durch das Filterelement hindurch wachsen können und folglich auf der Reinluftseite zu einer Kontamination führen können. Um einem solchen Befall mit Keimen vorzubeugen, ist es vorteilhaft, wenn der zu Nano- und/oder Mikrofasern zu verspinnenden Lösung keimtötende Substanzen zugegeben werden. Bei diesen keimtötenden Substanzen handelt es sich beispielsweise um Bakteriozide und/oder Fungizide. Auch organische oder anorganische Schwermetallsalze wie beispielsweise Kupfer- oder Silbersalze können zur Anwendung gelangen.

Nachdem bei dem erfindungsgemäßen Filterelement die Auftragsmenge der elektrostatisch hergestellten Nano- und/oder Mikrofasern auf dem luftdurchlässigen Trägermaterial ein Flächengewicht zwischen (0,05 und 20) g/m², vorzugsweise zwischen (0,1 und 10) g/m², weiter bevorzugt zwischen (0,1 und 5) g/m² besitzt, ist während des Herstellungsprozesses eine Qualitätskontrolle mit herkömmlichen Online-Meßverfahren, wie die Messung der Dicke oder die Messung des Flächengewichtes, wenig aussagefähig. Deshalb ist es vorteilhaft, der zu den Nano- und/oder Mikrofasern zu verspinnenden Lösung eine optische wirksame Substanz zuzugeben und diese während des Herstellungsverfahrens online zu erfassen. Bei der optisch wirksamen Substanz kann es sich um einen Farbstoff, einen Fluoreszenz-Farbstoff oder einen optischen Aufheller handeln. Der Anteil der optisch wirksamen Substanz in der Lösung beträgt – ähnlich wie der Anteil der gegebenenfalls der Lösung zugesetzten Bakteriozide und/oder Fungizide (0,01 bis 5) %. Die mit einer optisch wirksamen Substanz versehenen Nano- und/oder Mikrofasern auf dem luftdurchlässigen Trägermaterial, das heißt der solchermaßen beschichteten Träger wird beispielsweise mit UV-Licht angeregt und das reflektierte Licht bzw. die Fluoreszenz kann zur Bestimmung der Beschichtungsqualität online gemessen werden.

Da Nano- und/oder Mikrofasern mechanisch empfindlich sind und durch die weitere Verarbeitung wie beispielsweise ein Plissieren des Flächenmaterials aus luftdurchlässigem Trägermaterial und Nano- und/oder Mikrofasern auf dem Trägermaterial geschädigt werde können, ist es vorteilhaft, die Nano- und/oder Mikrofasern auf dem Trägermaterial mit einer luftdurchlässigen Schutzlage zu bedecken. Bei dieser Schutzlage kann es sich um ein Schutzvlies handeln. Um das Schutzvlies mit dem faserbeschichteten Trägermaterial bzw. -vlies zu verbinden, sind die üblichen Verfahren wie Laminieren, Kleben oder Verschweißen beispielsweise mittels Präge/Thermokalandern oder Ultraschallschweißen geeignet.

Gegenüber dem aus der oben abgehandelten DE 100 13 315 A1 bekannten plissierten Filter ergeben sich durch den Einsatz von Nano- und/oder Mikrofasern deutliche Verbesserungen bezüglich Materialeinsparung und vergleichsweise niedrigen Druckabfällen bei sonst gleichen Abscheidungsleistungen. Vorzugsweise werden erfindungsgemäß die Trägermaterialien bipolar mit Nano- und/oder Mikrofasern entgegengesetzter elektrischer Polarität beschichtet; eine derartige Technik kennt die zitierte DE 100 13 315 A1 nicht.

Im Vergleich zur ebenfalls oben abgehandelten DE 101 09 474 C1 werden erfindungsgemäß mindestens zwei mit Nano- und/oder Mikrofasern beschichtete luftdurchlässige Trägermaterialien mit Schutzlagen bzw. -vliesen miteinander verbunden, woraus deutlich höhere Partikel-Abscheidungsraten resultieren. Darüber hinaus ergeben sich durch antibakterielle Zusätze und durch Zusätze, die eine Online-Qualitätsmessung ermöglichen, wesentliche Vorteile bezüglich der Produktgleichmäßigkeit und folglich bezüglich der Einsatzdauer erfindungsgemäßer Filterelemente.

Zur weiteren Verdeutlichung der obigen Ausführungen wird auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele und die zugehörigen Tabellen hingewiesen:
Beispiel Filter 1:
Der Filter besitzt eine Größe von 280 mm × 200 mm × 50 mm (L, B, H) und folglich eine Anströmfläche von 0,056 m². Die Filtermedienfläche beträgt 0,72 m² und setzt sich aus 40 Falten mit einer Faltenhöhe von 45 mm und einem Faltenabstand von 7 mm zusammen. Das Filtermedium besteht aus einem Polypropylen-Abdeckvlies mit einem Flächengewicht von 15 g/m², zwei jeweils bipolar mit ca. 1 g/m² Nano- und Mikrofasern beschichteten Spinnvlies-Trägergeweben aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 60 g/m² und einem weiteren Abdeckvlies aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 15 g/m². Diese vier Lagen sind mittels Prägekalandern miteinander verbunden.
Die mit diesem Filter erreichbare Abscheidungsrate liegt bei 97 % für die (0,3 bis 0,5) μm-Fraktion von NaCl als Meßaerosol – gemessen bei einem Volumenstrom von 150 m³/h und einem damit einhergehenden Druckverlust von 42 Pa bei 23° C. Die Anströmgeschwindigkeit am Filter beträgt 0,74 m/sec, die Durchströmgeschwindigkeit durch das Filtermedium beträgt 5,75 cm/sec.
Detailliertere Angaben zur Abscheidungsleistung, d. h. zum Fraktionsabscheidegrad sind der Tabelle I weiter unten zu entnehmen.
Vergleichsbeispiel Filter 2:
Der Vergleichsfilter ist gemäß DIN EN 1822-1 als N10 Filter spezifiziert. Der Vergleichsfilter hat eine Größe von 180 mm × 200 mm × 50 mm und folglich eine Anströmfläche von 0,036 m². Die Filtermedienfläche beträgt 0,72 m2 und setzt sich aus 40 Falten mit einer Faltenhöhe von 45 mm und einem Faltenabstand von 4,5 mm zusammen. Das Filtermedium ist ein Glasfaserpapier mit einer Dicke von 0,5 mm.
Die mit diesem Vergleichsfilter erreichbare Abscheidungsrate liegt bei ca. 95 % für die (0,3 bis 0,5) μm-Fraktion von NaCl als Meßaerosol – gemessen bei einem Volumenstrom von 150 m³/h und einem damit einhergehenden Druckverlust von 195 Pa bei 23° C. Die Anströmgeschwindigkeit am Filter beträgt 1,15 m/sec und die Durchströmungsgeschwindigkeit durch das Filtermedium beträgt 5,77 cm/sec. Detailliertere Angaben zur Abscheidungsleistung, d. h. zum Fraktionsabscheidegrad des Vergleichsfilters sind der nachfolgenden Tabelle I zu entnehmen. Tabelle I: Fraktionsabscheidegrad (Partikelgröße in μm) von NaCl als Meßaerosol
Beispiel Flächenware 3:
Das Filtermedium besteht aus einem Polypropylen-Abdeckvlies mit einem Flächengewicht von 15 g/m², zwei jeweils bipolar mit ca. 0,5 g/m² Nano- und Mikrofasern beschichteten Spinnvlies-Trägergewebe aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 60 g/m² und einem weiteren Abdeckvlies aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 15 g/m². Diese vier Lagen sind mittels ca. 0,5 g/m² gesprühter Schmelzklebefasern zwischen jeder Schicht und durch anschließend leichtes Andrücken miteinander verbunden. Die damit erreichbare Abscheidungsrate liegt bei ca. 97 % für die (0,3–0,5) μm Fraktion von NaCl als Meßaerosol – gemessen an einem Stanzling mit einem Durchmesser von 10 cm, d. h. einer Anströmfläche von 78 cm² bei einem Volumenstrom von 45 l/min und einem damit einhergehenden Druckverlust von 95 Pa bei 23° C. Die Durchströmungsgeschwindigkeit durch das Filtermedium beträgt 9,6 cm/sec. Detaillierte Angaben zur Abscheidungsleistung, d. h. zum Fraktionsabscheidegrad sind der Tabelle II weiter unten zu entnehmen.
Beispiel Flächenware 4:
Das Filtermedium besteht aus einem Polypropylen-Abdeckvlies mit einem. Flächengewicht von 15 g/m², zwei jeweils bipolar mit ca. 0,5 g/m² Nano- und Mikrofasern beschichteten Vliesen, von denen das eine ein Meltblownvlies aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 25 g/m² und das andere ein Spinnvlies auf Polypropylen mit einem Flächengewicht von 60 g/m² ist, und einem weiteren Abdeckvlies aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 15 g/m². Die vier Lagen sind mittels ca. 0,5 g/m² gesprühter Schmelzklebefasern zwischen jeder Schicht und durch anschließend leichtes Andrücken miteinander verbunden.
Die damit erreichbare Abscheidungsrate liegt bei ca. 98 % für die (0,3–0,5) μm Fraktion von NaCl als Meßaerosol. – Gemessen an einem Stanzling mit einem Durchmesser von 10 cm, das heißt einer Anströmfläche vom 78 cm² bei einem Volumenstrom von 45 l/min und einem damit einhergehenden Druckverlust von 120 Pa bei 23°C. Die Durchströmungsgeschwindigkeit durch das Medium beträgt 9,6 cm/sec. Detaillierte Angaben zur Abscheidungsleistung, d.h. zum Fraktionsabscheidegrad sind der Tabelle II weiter unten zu entnehmen.
Flächenware 5:
Das Filtermedium besteht aus einem Polypropylen-Abdeckvlies mit einem Flächengewicht von 15 g/m², zwei jeweils bipolar mit ca. 0,5 g/m² Nano- und Mikrofasern beschichteten Meltblownvlies-Trägergeweben aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 25 g/m², und einem weiteren Abdeckvlies aus Polypropylen mit einem Flächengewicht von 15 g/m². Die vier Lagen des Filtermediums werden mittels ca. 0,5 g/m² gesprühten Schmelzklebefasern zwischen jeder Schicht und durch anschließend leichtes Andrücken miteinander verbunden. Die mit diesem Filtermedium erreichbare Abscheidungsrate liegt bei ca. 99,5 % für die (0,3–0,5) μm Fraktion von NaCl als Meßaerosol. – Gemessen an einem Stanzling mit einem Durchmesser 10 cm, das heißt mit einer Anströmfläche von 78 cm², bei einem Volumenstrom von 45 l/min und einem damit einhergehenden Druckverlust von 160 Pa bei 23° C. Die Durchströmungsgeschwindigkeit durch das Filtermedium beträgt 9,6 cm/sec. Detaillierte Angaben zur Abscheidungsleistung, das heißt zum Fraktionsabscheidegrad sind der Tabelle II unten zu entnehmen.
Flächenware Vergleichsbeispiel 6:
Die Vergleichs-Flächenware ist gemäß DIN EN 1822-1 als H11-Filter spezifiziert. Das Filtermedium ist ein Glasfaserpapier mit einer Dicke von 0,6 mm. Die mit diesem Filtermedium erreichbare Abscheidungsrate liegt bei ca. 98 % für die (0,3–0,5) μm Fraktion von NaCl als Meßaerosol – gemessen an einem Stanzling mit einem Durchmesser von 10 cm, das heißt mit einer Anströmfläche von 78 cm⁴, bei einem Volumenstrom von 45 l/min und einem damit einhergehenden Druckverlust von 300 Pa bei 23° C. Die Durchströmungsgeschwindigkeit durch das Filtermedium beträgt 9,6 cm/sec. Detaillierte Angaben zur Abscheidungsleistung, das heißt zum Fraktionsabscheidegrad sind der nachfolgenden Tabelle II zu entnehmen. Tabelle II: Fraktionsabscheidegrad (Partikelgröße in μm) von NaCl als Meßaerosol
Erfindungsgemäß sind als wasserlösliche Polymere geeignet:
Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidin, Polyethylenoxid und dessen Copolymere, Cellulosederivate, Stärke sowie Mischungen der aufgeführten Polymere.
In organischen Lösungsmitteln lösbare Polymere sind:
Polystyrole wie PS,SAN, SBS, ABS, etc., Polycarbonat, Polyvinylchlorid, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyvinylacetat, Polyvinylacetat, Polyvinylether, Polurethan, Polyamid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyacrylnitril, Poly-Cycloolefine, Cellulosederivate sowie Mischungen und Copolymere der aufgeführten Polymere-
Erfindungsgemäß zur Anwendung gelangende Thermoplaste sind:
Polyolefine, Polyester, Polyoxymethylen, Polychlortrifluorethylen, Polyphenylensulfid, Polyaryletherketon, Polyvinylidenfluorid sowie Mischungen der aufgeführten Polymere.

Claims

Filterelement, das mindestens eine Lage aus einem luftdurchlässigen Trägermaterial aufweist, das an seinen beiden sich gegenüberliegenden Seiten jeweils mit einer Faserschicht aus Nano- und/oder Mikrofasern entgegengesetzter elektrischer Polarität beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lagen aus mit Nano- und/oder Mikrofasern beschichtetem Trägermaterial vorgesehen sind, wobei die Beschichtungsmenge der Faserschichten der Lagen, zur Ausbildung eines progressiven Filterelementes, von der Anströmseite zur Abströmseite hin zunimmt.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen aus unterschiedlichen Trägermaterialien und/oder aus unterschiedlichen Nano- und/oder Mikrofasermaterialien bestehen.
Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano- und/oder Mikrofasern des beschichteten Trägermaterials der mindestens einen Lage mit einer luftdurchlässigen Schutzlage bedeckt sind.
Filterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzlage mit den Nano- und/oder Mikrofasern des beschichteten Trägermaterials der mindestens einen Lage zusammenlaminiert, zusammengeklebt, verschweißt, vernadelt oder vernäht ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Faserschicht aus Nano- und/oder Mikrofasern ein Flächengewicht zwischen (0,05 und 20) g/m², vorzugsweise zwischen (0,1 und 10) g/m², weiter bevorzugt zwischen (0,1 und 5) g/m², aufweist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano- und/oder Mikrofasern der mindestens einen Faserschicht einen Durchmesser zwischen (50 und 10.000) nm, vorzugsweise zwischen (100 und 3000) nm, weiter bevorzugt zwischen (150 und 1500) nm, aufweisen.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das luftdurchlässige Trägermaterial ein Flächengewicht zwischen (10 und 500) g/m², vorzugsweise zwischen (15 und 150) g/m² aufweist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das luftdurchlässige Trägermaterial ein Spunbond- oder Meltblown-Vlies aus Polypropylen, Polyester, Polyamid und/oder Polyacryl ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das luftdurchlässige Trägermaterial ein naß- oder trockengelegter Vliesstoff ist, der durch thermische und/oder chemische Bindung verfestigt ist.
Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das luftdurchlässige Trägermaterial aus einem Schaumstoff, einem Nadelvlies, oder aus Glas- oder Steinwolle besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Nano- und/oder Mikrofasern aus einer Lösung gebildet werden, indem in einem Hochspannungsfeld auf die Lösung eine elektrostatische Kraft wirkt, die die Lösung zu den Nano- und/oder Mikrofasern auseinanderzieht, wobei die Oberflächenspannung, die Viskosität, die Leitfähigkeit und/oder die Ladung der Lösung durch Zusätze eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösung als die Oberflächenspannung vermindernde Zusätze Tenside, vorzugsweise perfluorierte Tenside, zugegeben werden, und/oder daß die Ladung der Lösung durch Zugabe von Leitfähigkeitszusätzen eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitfähigkeitszusätze organische Salze verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nano- und/oder Mikrofasern in einem elektrostatischen Spinnverfahren aus der Lösung hergestellt werden, die einen Zusatz mindestens einer Substanz enthält, die wenigstens ein Oxydationspotential oder mehrere Oxydationspotentiale aufweist, die durch cyklovoltametrische Messungen ermittelbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösung keimtötende Substanzen zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als keimtötende Substanzen Bakteriozide und/oder Fungizide zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Bakteriozide und/oder Fungizide in der Lösung (0,01 bis 5) % beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösung eine optisch wirksame Substanz zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als optisch wirksame Substanz ein Farbstoff, ein Fluoreszenz-Farbstoff oder ein optischer Aufheller zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der optisch wirksamen Substanz in der Lösung auf (0,01 bis 5) % beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des elektrostatischen Spinnverfahrens der Lösung ein Zusatz mindestens einer Substanz oder mehrerer Substanzen zugegeben wird, die in ihrer Strukturformel über ein mindestens 2 Atome umfassendes ⫪-Elektronensystem verfügen, das mit wenigstens einer funktionellen Gruppe der Substanz in Resonanz treten kann.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein ⫪-Elektronensystem verwendet wird, das aus mehreren miteinander verbundenen Benzolkernen oder höheren Aromaten besteht.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungs-Zusatz ein unsubstituiertes Amin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungs-Zusatz ein mit mindestens einem aliphatischen oder aromatischen Rest substituiertes Amin aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungs-Zusatz ein polares Lösungsmittel mit einer Dieelektrizitätskonstanten > 10 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungs-Zusatz eine Amino-, Amido-, Immino-, Azzo-, Nitro-, Carboxy-, Hydroxy-, Thio-, Sulfo- und/oder Halogeno-Gruppe oder Metall aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß des Lösungs-Zusatz mindestens eine Substanz aus der Gruppe der Charge-Transfer Komplexe aufweist.