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Die Erfindung betrifft ein Filtervlies gemäß Anspruch 1 sowie ein Filterelement gemäß Anspruch 11.
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Die Reinigung von Gasströmen, insbesondere die Abtrennung von feinsten Flüssigkeitströpfchen, beispielweise in Form von Nebel, aus Gasen oder Gasgemischen ist in verschiedenen Produktionsprozessen notwendig. Hierbei sollen insbesondere Öl, Schadstoffpartikel und Aerosole, aus einem Gasstrom entfernt werden. Bekannte Filter und enthaltene Filtervliese sind meist teuer in der Herstellung und weisen nur sehr geringe Standzeiten auf.
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Beispielweise
EP 2 058 041 A1 offenbart ein mehrlagiges Filterelement mit einer Glasfaservlieslage und einer Nanofaservlieslage zur Abtrennung von Verunreinigungen aus einem Gasstrom. Die Verwendung von Filtervlieslagen mit einheitlichen Fasern ist meist verbunden mit einem hohen Druckverlust und einer niedrigen Standzeit.
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Aufgabe der Erfindung ist es somit ein Filtervlies bereitzustellen, welches einen Druckverlust gegenüber dem Stand der Technik reduziert und höhere Standzeiten aufweist.
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Hauptmerkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 und Anspruch 11 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft ein Filtervlies, insbesondere zur Verwendung in einem Filterelement zur Flüssigkeitsabscheidung aus einem Gasstrom, umfassend zumindest zwei unterschiedliche Fasersorten, wobei zumindest eine erste Fasersorte aus groben Fasern besteht und eine zweite Fasersorte aus feinen Fasern besteht, wobei Fasern der ersten oder zweiten Fasersorte oleophil sind und Fasern der entgegengesetzten ersten oder zweiten Fasersorte oleophob sind.
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Ein derartiges Filtervlies ermöglicht, insbesondere die Abscheidung von Öl aus einem Gasstrom. Durch die Kombination von zwei unterschiedlichen Faserdurchmessern, nämlich in Form von feinen und groben Fasern sowie zweier unterschiedlicher Fasereigenschaften, nämlich einer oleophilen beziehungsweise oleophoben Oberflächenbeschaffenheit der zumindest zwei Fasersorten innerhalb einer Filtervlieslage wird die Abscheidung von Verunreinigungen, insbesondere Öl, aus einem Gasstrom erleichtert. Insbesondere wird hierdurch der Druckverlust reduziert, wodurch Energie eingespart, die Standzeit erhöht und die Trenneffizienz verbessert wird.
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Durch die unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten und Faserabmessungen der ersten und zweiten Fasersorte kann die Benetzungsverteilung einer Flüssigkeit, insbesondere Öl, im Filtervlies beeinflusst werden und die Flüssigkeit gezielt geführt werden. Hierdurch entstehen keine Flüssigkeitsinseln im Filtervlies und das Filtervlies weist eine geringere Sättigung auf, welches wiederrum den Druckverlust gegenüber dem Stand der Technik reduziert. Durch die geringere Druckdifferenz wird die Standzeit des Filtervlieses erhöht.
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Sofern hier Fasern eine oleophile oder oleophobe Eigenschaft zugeordnet wird, charakterisiert dies insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit und somit deren Eigenschaft gegenüber umgebenen Medien, beispielsweise einem Gasstrom und darin enthaltenen Verunreinigungen. Es sind auch Oberflächen eingeschlossen, die einen vermehrt oleophilen oder oleophoben Charakter aufweisen, ohne dass kleinere Oberflächenabschnitte mit anderer Eigenschaft ausgeschlossen werden.
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Das Filtervlies umfasst zumindest zwei unterschiedliche Fasersorten. Eine Fasersorte umfasst grobe Fasern, wobei die Angabe grob auf den mittleren Durchmesser der Fasern bezogen ist, welcher zumindest größer ist als der mittlere Durchmesser derjenigen Fasern der feinen Fasersorte. Eine der Fasersorten weist dabei eine hauptsächlich oleophile Oberfläche auf. Die entsprechend entgegengesetzte Fasersorte weist eine hauptsächlich oleophobe Oberfläche auf.
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Die groben Fasern dienen insbesondere der Festigkeit und der Ableitung des Öls, die feinen Fasern der zweiten Fasersorte beeinflussen insbesondere die Ölabscheidung positiv.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Fasersorte feine Fasern mit einem mittleren Durchmesser auf, der kleiner oder gleich 2,5 µm ist, bevorzugt 0,1 bis 2 µm, besonderes bevorzugt 0,6 bis 0,7 µm.
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Vorzugsweise weist die erste Fasersorte grobe Fasern mit einem mittleren Durchmesser größer oder gleich 3 µm, bevorzugt von 3 bis 8 µm, besonders bevorzugt von 3,5 bis 5 µm auf. Diese Abmessungen sind besonders vorteilhaft.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die mittlere Faserlänge der ersten und/oder zweiten Fasersorte wenige Millimeter, vorzugsweise <1 bis 100 mm.
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Vorzugsweise können die groben Fasern der ersten Fasersorte oleophil sein. Diese oleophile Eigenschaft betrifft die Oberflächenbeschaffenheit der Fasern. Dabei kann die Faser an sich oleophil oder oleophob ausgebildet sein und eine oleophile Oberfläche aufweisen, welche beispielweise durch eine Beschichtung erzielt wird.
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Vorzugsweise können die feinen Fasern der zweiten Fasersorte oleophob sein. Diese oleophobe Eigenschaft betrifft insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit der Fasern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die oleophilen Fasern der ersten und/oder zweiten Fasersorte Mikroglasfasern. In einer Gasatmosphäre sind Glasfasern und Mikroglasfasern oleophil, beziehungsweise zumindest deren Oberfläche.
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Vorzugsweise bestehen die oleophilen Fasern der ersten und/oder zweiten Fasersorte aus Borosilikatglas.
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Bevorzugterweise sind die groben Fasern der ersten Fasersorte oleophil beziehungsweise weisen eine oleophile Oberflächenbeschaffenheit auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die oleophoben Fasern der ersten oder zweiten Fasersorte eine oleophobe Beschichtung auf. Hierdurch können Fasern eingesetzt werden, die Eigenschaften von unterschiedlichen Materialien oder Fasertypen verbinden. Beispielweise können Glasfasern mit oleophoben Materialien beschichtet werden, wodurch Fasereigenschaften von Glasfasern, beispielweise Feinheit, Festigkeit, Länge und Durchmesser, mit einer oleophoben Oberflächenbeschaffenheit kombiniert werden. Hierdurch können insbesondere oleophobe Fasern mit geringerem Faserdurchmesser erhalten werden. Kommerziell erhältliche oleophobe Polymerfasern weisen meist einen mittleren Durchmesser von 5 µm und größer auf. Im Gegensatz dazu sind Glasfasern kommerziell erhältlich mit einem mittleren Durchmesser bis zu 400 nm. Durch die bevorzugte Verwendung von Glasfasern mit einem Durchmesser kleiner gleich 2,5 µm und Beschichtung mit einem oleophoben Material, so dass oleophobe Fasern erhalten werden, kann eine deutlich verbesserte Abscheideeffizienz erhalten werden.
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Vorzugsweise werden hierfür Mikroglasfasern mit oleophoben Materialien beschichtet, beispielweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK), C6 basierte Fluorkohlenwasserstoffe. Eine entsprechende Beschichtung kann insbesondere nasschemisch oder durch PVD und CVD- Verfahren aufgebracht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die oleophobe Beschichtung nur oberflächlich auf Fasern aufgebracht. Dies bedeutet die Beschichtung dringt nicht in das Basis-Fasermaterial ein.
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Vorzugsweise bedeckt die oleophobe Beschichtung die Fasern zu 70 bis 100 %. Dies gewährleistet eine ausreichend oleophobe Oberflächeneigenschaft gegenüber unbedeckten Bereichen einer als Basis eingesetzten Faser aus einem anderen Material, beispielweise Glas.
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Besonders bevorzugt sind die oleophoben Fasern der ersten oder zweiten Fasersorte im Wesentlichen vollständig mit einer oleophoben Beschichtung beschichtet.
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In einer alternativen Ausführungsform bestehen die oleophoben Fasern vorzugsweise aus oleophoben Materialien, wie beispielweise Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Fluorcarbone oder Polyethylenimin.
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Vorzugsweise weist das Filtervlies einen Anteil an 5 bis 75 % oleophobe Fasern auf, besonders bevorzugt 10 bis 35 %.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Porosität des Filtervlieses 75 bis 99 %.
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Vorzugsweise weist das Filtervlies eine Dicke von 0,2 bis 2 mm auf. Die Filtervliesdicke ist beispielweise gemäß DIN EN ISO 9073-2:1997-02 ermittelbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Luftdurchlässigkeit des Filtervlieses 20 l/m2s bis 2500 l/m2s. Die Luftdurchlässigkeit eines Filtervlieses lässt sich beispielweise gemäß ISO 9237:1995-06 ermitteln.
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Vorzugsweise weist das Filtervlies ein Flächengewicht von 25 bis 200 g/m2 auf. Das Flächengewicht ist gemäß ISO 536:2012-07 bestimmbar.
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Weiterhin bevorzugt weist das Filtervlies eine mittlere Porengröße von 2 µm bis 200 µm auf. Die mittlere Porengröße ist gemäß ASTM F316 messbar.
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Ferner ist die Feinheit des Filtervlieses vorzugsweise 1 bis 50 µm.
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Die vorgenannten Parameter definieren einzeln und in Kombination zueinander ein leistungsfähiges Filtervlies, zur Abscheidung von Flüssigkeiten aus einem Gasstrom. In Kombination mit der Größe der Fasern und deren Oberflächenbeschaffenheit wird ein Filtervlies erhalten, welches einen reduzierten Druckverlust im insbesondere Öl-benetzten Zustand, verbesserte Filtereffizienz und erhöhte Standzeit aufweist.
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Vorzugsweise enthält das Filtervlies zumindest ein Bindemittel. Hierdurch werden die Fasern miteinander verbunden und das Filtervlies stabilisiert. In einer bevorzugten Weiterbildung weist das Filtervlies ein oder mehrere Bindemittel auf. Bevorzugterweise ist das oder sind die Bindemittel ausgewählt aus der Gruppe: der Acrylate, Vinylchoride, Latex und Latexderivate, beispielweise Butadienlatex, Epoxide und oder Mischungen hieraus.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Filtervlies zusätzlich oder alternativ zumindest eine Bindefaser auf. Die eine oder mehrere Bindefasern sind bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe: Polyethylenterephthalat (PET), Polycaprolacton (PCL), Polyvinylacetat (PVAc), Kopolymer aus Polyethylenterephthalat oder Kombinationen hieraus. Alternativ ist die Bindefaser beispielweise eine Bikomponentenfaser.
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Zudem umfasst die Erfindung ein Filterelement zur Reinigung eines mit flüssigen und/oder festen Partikeln behaftetes Medium mit mindestens einer Filterlage bestehend aus einem Filtervlies gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. Ein Filterelement ist hierbei ein Bauteil, welches zumindest ein Filtervlies aufweist. Neben dem einen Filtervlies können weitere Trennmittel und auch weitere Filtervlieslagen vorgesehen sein.
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Vorzugsweise weist das Filterelement mehrere Filterlagen auf. Insbesondere besteht mindestens eine dieser Filterlagen aus einem erfindungsgemäßen Filtervlies. Weitere Filterlagen mit derselben oder anderen Zusammensetzung können vorgesehen sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen alle Filterlagen aus einem erfindungsgemäßen Filtervlies.
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Durch mehrere Filterlagen aus einem Filtervlies kann die Effizienz des Filterelements erhöht werden.
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Vorzugsweise weist das Filterelement 2 bis 25 besonders bevorzugt 2 bis 15 Lagen auf, die insbesondere jeweils aus dem erfindungsgemäßen Filtervlies bestehen.
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Ein Verfahren zur Herstellung eines Filtervlieses, insbesondere zur Verwendung in einem Filterelement zur Flüssigkeitsabscheidung aus einem Gasstrom, umfassend zumindest zwei unterschiedliche Fasersorten, wobei zumindest eine erste Fasersorte aus groben Fasern besteht und eine zweite Fasersorte aus feinen Fasern besteht umfasst vorzugsweise folgende Schritte:
- • Bereitstellung zumindest zweier unterschiedlicher Fasersorten, in Form einer ersten und einer zweiten Fasersorte, wobei die Fasern der ersten und zweiten Fasersorte jeweils aus Mikroglasfasern bestehen,
- • Oleophobisierung der ersten oder zweiten Fasersorte,
- • Suspendieren der ersten und zweiten Fasersorte in Lösungsmittel,
- • Vlieslegung mittels Nassvliesverfahren mit Lösungsmittelentfernung zur Herstellung eines Rohvlieses,
- • Trocknung des Rohvlieses.
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Durch die Verwendung zweier unterschiedlich feiner beziehungsweise grober Fasersorten, bezogen auf den mittleren Faserdurchmesser, z.B. auf Basis von Mikroglasfasern und anschließender Oleophobisierung einer der Fasersorten wird nach Vlieslegung ein Filtervlies mit optimierten Trenneigenschaften und Effizienz erhalten.
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In einer bevorzugten Weiterbildung wird das Rohvlies nach Vlieslegung und vor der Trocknung mit wenigstens einem Bindemittel getränkt. Hierdurch werden die Fasern des Filtervlieses zueinander verbunden und das Filtervlies stabilisiert.
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Vorzugsweise ist das Lösungsmittel, in dem die erste und zweite Fasersorte suspendiert werden, Wasser.
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In einer bevorzugten Weiterbildung werden zusätzlich zu Fasern der ersten und zweiten Fasersorte weitere Bestandteile im Lösungsmittel suspendiert, beispielweise geschnittene Fasern (Chopped strands) oder Bindefasern.
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Vorzugsweise erfolgt die Oleophobisierung der Fasern der ersten oder zweiten Fasersorte durch Beschichtung mittels PVD, CVD oder nasschemischer Abscheidung. PVD steht für physikalische Gasphasenabscheidung. CVD steht für chemische Gasphasenabscheidung, insbesodnere handelt es sich hierbei um ein Plasmaverfahren.
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Bei der Oleophobisierung mittels nasschemischen Verfahren wird beispielweise Fluorcarbon als Beschichtungsmaterial, insbesondere ein mit C6-Fluorcarbon modifiziertes Polymer, zu einer Konzentration von 20 bis 30 % in Wasser dispergiert
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Ein wie oben beschriebendes Filtervlies, umfassend zumindest zwei unterschiedliche Fasersorten, wobei zumindest eine erste Fasersorte aus groben Fasern besteht und eine zweite Fasersorte aus feinen Fasern besteht, wobei Fasern der ersten oder zweiten Fasersorte oleophil sind und Fasern der entgegengesetzten ersten oder zweiten Fasersorte oleophob sind, wird vorzugsweise in einem Filterelement zur Flüssigkeitsabscheidung aus einem Gasstrom verwendet.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
- 1 einen Ausschnitt aus einem Filtervlies
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Filtervlies mit Fasern der ersten Fasersorte 1, die gröber sind als die Fasern der zweiten Fasersorte 2. Vorzugsweise sind die Fasern der ersten Fasersorte oleophil und somit unbehandelt. Weiter bevorzugt sind die Fasern der zweiten Fasersorte 2 olephob beschichtet.
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Beispiele:
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Oleophobisierung:
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Trockene Glasfasern (1. oder 2. Fasersorte) werden in einem nasschemischen Verfahren oleophobisiert. Eine Menge an Glasfasern wird in eine essigsaure wässrige (pH5) Oleophobisierungslösung (0,1 bis 12 g/L oleophobes Polymer) für 5 bis 60, besonders bevorzugt 20 - 30 Minuten eingetaucht. Die Fasern werden anschließend von der Flüssigkeit getrennt (Abnutschen). Die oleophobisierten Fasern werden bei 150 bis 180°C getrocknet.
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Beispielzusammensetzungen erfindungsgemäße Filtervliese:
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- a)
- 5-85% 2. Fasersorte (feine Fasern),
- 5-85% 1. Fasersorte (grobe Fasern)
- b)
- 5-85% 2. Fasersorte (feine Fasern) oleophob,
- 5-85% 1. Fasersorte (grobe Fasern) oleophil.
- c)
- 5-85% 2. Fasersorte (feine Fasern) oleophil,
- 5-85% 1. Fasersorte (grobe Fasern) oleophob.
- d) 5-85% 2. Fasersorte (feine Fasern) oleophob,
- 5-85% 1. Fasersorte (grobe Fasern) oleophil,
- 10% Chopped strands
Chopped strands: geschnittene Glasfasern - mittlere Länge 4 bis 12 mm, mittlere Durchmesser 5,5 µm
- e)
- 70 % 1. Fasersorte,
- 20 % 2. Fasersorte oleophob,
- 10 % Chopped strand,
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Beispiele für Fasersorten:
- 1. Fasersorte: B39 Fasern sind Glasfasern mit einem mittleren Durchmesser 5 µm.
- 2. Fasersorte: B06 Fasern sind Glasfasern, die einen mittleren Durchmesser 0,65 µm aufweisen.
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Herstellungsbeispiel:
- 5-85 % Faser 1 + 5-85% Faser 2 + 10% (Chopped strand oder Bindefaser) werden in Wasser (7,5-13 g/L) unter Rühren suspendiert und mittels Nassvliesverfahren zu einem fortlaufenden Filtermaterial hergestellt. Nach der Vlieslegung wird ein Bindemittel (bspw. Acrylat 1-7%) zugesetzt. Die Trocknung erfolgt in einem kontinuierlichen Prozess mit einer Temperaturrampe von 60 - 210°C für 1 Minute.
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Die Prozentangaben beziehen sich auf den Gew.%-Anteil an einer bestimmten Fasersorte zum Gesamtgewicht des Filtervlieses.
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Alle Merkmale, die für das Filtervlies, das Filterelement, das Verfahren oder die Verwendung beschrieben wurden, sind auf die anderen Erfindungsgegenstände übertragbar.
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Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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