Filterelement mit Beschichtung zur Oberflächenfiltration

Die Erfindung bezieht sich auf ein eigenstabiles, durchströmungsporöses Filterelement mit einer porösen Beschichtung zur Oberflächenfiltration an seiner Zuströmoberfläche.

Derartige Filterelemente sind mit einer Reihe von unterschiedlich aufgebauten Beschichtungen bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filterelement mit einer Oberflä- chenfiltrations-Beschichtung, die auch für erhöhte Temperaturen und/oder erhöh- te Beständigkeit gegen chemischen Angriff brauchbar ist, zur Verfügung zu stellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Beschichtung des Filterelements auf:

(a) einen ersten Bestandteil aus Partikeln und/oder Fasern;

(b) einen anorganischen Binderbestandteil, welcher die Partikel und/oder Fasern des ersten Bestandteils aneinander bindet;

(c) einen Kleber, mittels welchem die porösen Beschichtung an das restliche Filterelement gebunden ist; (d) und einen zweiten Bestandteil, welcher als Antihaftbestandteil das Anhaften ausgefilterten Materials an der porösen Beschichtung abschwächt und das Abreinigen des Filterelements erleichtert.

Die Bindung der Beschichtung an das restliche Filterelement muss nicht aus- schließlich durch den Kleber erfolgen, aber der Kleber ist am Zustandekommen dieser Bindung im erheblichem Maße beteiligt. Andererseits kann der Kleber zusätzlich auch an der Bindung der Partikel und/oder Fasern des ersten Bestandteils aneinander beteiligt sein. Der Kleber hat eine elastizitätssteigernde Wirkung für die Beschichtung und für den übergang zwischen dem Hauptkörper des Filter- elements und der Beschichtung.

Bevorzugte Partikel für den ersten Bestandteil sind Kieselgur-Partikel, Zeolit- Partikel, Polyvinylpyrrolidon-Partikei und Mischungen davon; unter diesen sind Kieselgur-Partikel ganz besonders bevorzugt. Bevorzugte Fasern für den ersten Bestandteil sind Keramikfasern. Die genannten bevorzugten Stoffe müssen nicht 100 % des ersten Bestandteils ausmachen; es reicht, wenn der erste Bestandteil einen oder mehrere der als bevorzugt genannten Stoffe zu einem erheblichen Anteil enthält. Andererseits ist bevorzugt, dass der erste Bestandteil im wesentlichen nur aus einem der als bevorzugt genannten Stoffe oder Mischungen davon besteht. Alternativ ist aber auch bevorzugt eine Mischung aus Keramikfasern und einer als bevorzugt genannten Art von Partikeln oder mehreren der als bevorzugt genannten Arten von Partikeln.

Der Binderbestandteil kann Wasserglas aufweisen oder daraus bestehen. Es ist allerdings bevorzugt, wenn der Binderbestandteil nicht Wasserglas ist. Der Binderbestandteil ist vorzugsweise Sol-basiert, besonders günstig basiert auf einem wässrigen SoI. Der Binderbestandteil weist vorzugsweise vernetztes SiO ₂ oder vernetztes SiO ₂ -Derivat oder vernetztes TiO ₂ oder vernetztes TiO ₂ -Derivat oder vernetztes ZrO ₂ oder vernetztes ZrO ₂ -Derivat oder eine Mischung mehrerer der zuvor genannten Stoffe auf; diese Stoffe ergeben Bindekräfte von primär physikalischer Natur in der fertigen Beschichtung. Vernetztes SiO ₂ ist ganz besonders bevorzugt. Auch bei dem Binderbestandteil muss dieser nicht zu 100 % aus einem der als bevorzugt genannten Stoffe oder einer Mischung von mehreren dieser Stoffe bestehen. Es ist allerdings bevorzugt, wenn der Binder- bestandteil im wesentlichen aus einem der als bevorzugt genannten Stoffe oder einer Mischung mehrerer dieser Stoffe besteht. SiO ₂ -Derivat bedeutet einen Stoff, welcher außer den Siliziumatomen und den Sauerstoffatomen noch organische Reste enthält. Analog bei TiO ₂ und ZrO ₂ .

Vorzugsweise ist der Kleber ein organischer Dispersionskleber. Wässrige Dispersionen sind besonders bevorzugt.

Vorzugsweise ist der Antihaftbestandteil Polytetrafluorethylen - im folgenden kurz

PTFE genannt - und/oder Polyethylen - im folgenden kurz PE genannt - und/oder Silicon. Ganz besonders bevorzugt ist PTFE. Ganz besonders bevorzugt ist der

Fall, dass der Antihaftbestandteil im wesentlichen nur aus PTFE besteht. Eine

besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Beschich- tung nach dem Sol-Gel-Verfahren aufgebracht ist.

75 Eine weitere günstige Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass bei der Beschichtung der erste Bestandteil und der Antihaftbestandteil im Gewichtsverhältnis 2:1 bis 1 :20, vorzugsweise 1 ,5:1 bis 1 :15, stärker bevorzugt 1 ,5:1 bis 1 :10, stärker bevorzugt 1 ,5:1 bis 1 :5, stärker bevorzugt 1 ,5:1 bis 1 :2, vorhanden sind. Das gilt ganz besonders für Partikel als ersten Bestandteil und ganz besonders so für Kieselgur als ersten Bestandteil und PTFE als Antihaftbestandteil.

Noch eine weitere günstige Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Beschichtung (im wesentlichen nur) Kieselgur als erster Bestandteil und (im wesentlichen nur) PTFE als Antihaftbestandteil im Gewichtsverhältnis 1 :1 bis 1 :2 85 enthält.

Der Hauptkörper des Filterelements, d.h. das unter der Beschichtung befindliche Grundgerüst des Filterelements, ist vorzugsweise aus untereinander verbundenen, besonders bevorzugt aus versinterten, Kunststoffteilchen aufgebaut. 90 Polyethylenteilchen sind besonders günstig.

Diejenige Variante des erfindungsgemäßen Filterelements, bei welcher Partikel als erster Bestandteil der Beschichtung vorhanden sind, läßt sich besonders günstig zur Flüssigkeitsfiltration oder zur Abscheidung von ölnebeln aus einem

95 Gasstrom verwenden. Ganz besonders wird hier die Filtration von Kühlschmierstoff ins Auge gefasst; Kühlschmierstoffe sind ölige Flüssigkeiten oder Emulsionen von schmierenden Stoffen in insbesondere Wasser, die bei der mechanischen bzw. schleifenden bzw. schneidenden bzw. andersartig abtragenden (z.B. Funkenerosion) Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden. Der Kühl- ioo Schmierstoff wird in der Regel im Kreislauf umgepumpt und enthält, wenn er die Stelle der Werkstückbearbeitung verlässt, abgeschliffene, abgeschnittene oder abgetragene Teilchen des bearbeiteten Werkstücks. Diese müssen herausgefiltert werden, ehe der Kühlschmierstoff erneut im Kreislauf zu dem Werkstück gelangt. Vorzugsweise wird die Filtration mittels des erfindungsgemäßen Filter-

105 elements, welches in ein Bad des Kühlschmierstoffs einfach eingetaucht ist, durchgeführt. Die ausgefilterten Fremdteilchen bleiben an der Außenoberfläche des Filterelements an der Beschichtung hängen, der filtrierte Kühlschmierstoff

wird aus dem Inneren des Filterelements abgesaugt. Zur periodischen Abreini- gung des Filterelements wird in geeigneten Zeitabständen die Pumpzirkulation 110 kurz unterbrochen und durch einen kurzzeitigen Flüssigkeitsstrom, aus gereinigtem Kühlschmierstoffs in Gegenrichtung ersetzt, wodurch die außen an der Be- schichtung angesammelten, ausgefilterten Fremdteilchen nach unten in das Kühlschmierstoff-Bad fallen und z.B. von dort mittels einer Schlammausbringvorrichtung entfernt werden können.

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Aufgrund der Lehre der Erfindung kann man Filterelemente herstellen, die Fremdteilchen mit einer Größe von mehr als 5 μm, stärker bevorzugt mit einer Größe von mehr als 3 μm, im wesentlichen vollständig aus einer Flüssigkeit ausfiltern. Im Fall des Kühlschmierstoffs wird damit erreicht, dass die Bearbeitungsgenauigkeit

120 des Werkstücks sehr hoch ist, weil extrem sauberer Kühlschmierstoff der Bearbeitungsstelle zuströmt. Erfindungsgemäße Filterelemente für die Gasfiltration können hergestellt werden, die Fremdteilchen mit einer Größe von mehr als 3 μm, stärker bevorzugt mit einer Größe von mehr als 1 μm, im wesentlichen vollständig ausfiltern. Die bevorzugte durchschnittliche Porengröße der Beschichtung liegt im

125 Bereich 0,5 bis 10 μm, stärker bevorzugt 1 bis 8 μm, stärker bevorzugt 1 ,5 bis 7 μm.

Diejenige Variante des erfindungsgemäßen Filterelements, bei dem (weit überwiegend oder im wesentlichen ausschließlich) Fasern als erster Bestandteil der Beschichtung vorhanden sind, läßt sich besonders günstig zur Gasfiltration 130 einsetzen. Aber auch erfindungsgemäße Filterelemente, bei denen (weit überwiegend oder im wesentlichen ausschließlich) Partikel als erster Bestandteil oder eine Mischung von Partikeln und Fasern als erster Bestandteil der Beschichtung vorhanden sind, lassen sich zur Gasfiltration einsetzen.

135 Insgesamt läßt sich das erfindungsgemäße Filterelement besonders günstig bei Einsatzsituationen verwenden, bei denen es auf Beständigkeit gegen erhöhte Temperatur und/oder auf Beständigkeit gegen chemischen Angriff ankommt. Das Filterelement kann so ausgebildet sein, dass es einer Dauereinsatztemperatur bis 180 ⁰ C standhält, oder kann so ausgebildet sein, dass es einer Dauereinsatztem-

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peraturbeständigkeit seien Filtern von Verbrennungsabgasen, Filtern zur Produkt- 145 abscheidung aus einem Gasstrom (z.B. Sprühtrockner, Trockner in der Lebensmittelindustrie) und Werkstoffrückgewinnung aus einem Gasstrom (z.B. Katalysator bei Wirbelbettreaktoren) genannt.

Statt "erster Bestandteil" könnte man auch "Hauptbestandteil" sagen. Der zweite 150 Bestandteil erfüllt mehr eine Hilfsfunktion, weil er das Anhaften ausgefilterten Materials an der porösen Beschichtung abschwächt und das Abreinigen des Filterelements erleichtert.

In einer günstigen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Filterelement ein 155 durch z.B. stoßartigen Gegenstrom abreinigbares Filterelement. Hierfür ist es gut, wenn der Hauptkörper so viel Elastizität hat, dass sich seine Wände beim Abreini- gungsstoß etwas verformen. Durch die elastizitätssteigernde Eigenschaft des Klebers kann auch die Beschichtung derartige Verformungen vertragen, ohne abzublättern.

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Die Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

165 Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt eines Filterelements;

Fig. 2 zeigt im Schnitt einen Ausschnitt eines Filterelements anderer Ausführungsform.

Bei dem in Fig. 1 als Ausschnitt dargestellten Filterelement 2 besteht der Haupt- 170 körper aus Polyethylenteilchen 4, die an ihren Kontaktstellen 6 zusammengesintert sind. Die Poren 8 zwischen den Teilchen 4 haben eine durchschnittliche Größe von beispielsweise 10 bis 60 μm. Der Hauptkörper kann z.B. die Gestalt eines hohlen, flachen Quaders mit zick-zack-artig verlaufenden Wänden an den zwei größten Seiten und einer offenen Seite zum Abströmen der gereinigten 175 Flüssigkeit oder des gereinigten Gases sein. Eine Alternative ist die Gestalt eines hohlen Zylinders mit gewellter Umfangsseite und einer offenen Stirnseite.

Die Beschichtung 10 des Filterelements besteht im wesentlichen aus Kieselgur- Partikeln 12, welche über vernetztes SiO ₂ 14 gebunden und mittels eines

180 organischen Dispersionsklebers 16 an ihren Kontaktstellen zu Polyethylenteilchen 4 an den Hauptkörper gebunden sind, sowie PTFE-Partikeln 18. Die Kieselgur- Partikel 12 sind so klein, dass die Poren zwischen ihnen im Durchschnitt unter 3 μ m groß sind. Bei der Herstellung des Filterelements 2 von Fig. 1 wird zunächst der Hauptkörper produziert und dann auf dessen Zuströmoberfläche die Be-

185 Schichtung in entweder eher dünnflüssiger Konsistenz oder eher dickflüssiger bis breiiger Konsestenz aufgebracht, z.B. durch Sprühen, Aufrollen, Aufpinseln etc. Die aufzubringende Beschichtungsmasse besteht im wesentlichen aus Kieselgur- Partikeln, einem SiO ₂ -SoI, PTFE-Partikeln, organischem Dispersionskleber, Wasser und einer kleinen Menge Tensid, Benetzungshilfe oder Schaumverhüter.

190 All diese Bestandteile sind problemlos am Markt erhältlich. Die Beschichtungsmasse ist emulsionsstabil. Nach dem Aufbringen der Bes ^' chichtungsmasse kommt es, in der Regel unter Anwendung leicht erhöhter Temperatur, zu einer SoI-GeI- Reaktion und schließlich, nach dem Verdunsten allen Wassers, zur Ausbildung der Beschichtung in festem Aggregatzustand. Bei der Sol-Gel-Reaktion und beim

195 Verdunsten des Wassers erfolgt eine Vernetzung der SiO ₂ -Phase und dadurch eine Bindung der Kieselgur-Partikel aneinander.

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Das Gewichtsverhältnis Kieselgur zu PTFE liegt für besonders gute Ergebnisse im Bereich 1 :1 bis 1 :2.

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Das in Fig. 2 im Ausschnitt dargestellte Filterelement 2 unterscheidet sich von dem Filterelement 2 gemäß Fig. 1 durch eine andere Beschichtung 10. Jetzt besteht die fertige Beschichtung 10 im wesentlichen aus Keramikfasern 22, vernetz- tem SiO ₂ 24, organischem Dispersionskleber 26 und PTFE-Teilchen 28. Kiesel- 205 gur-Partikel 12 in geringerer Menge als bei Fig. 1 sind ebenfalls vorhanden. Was die Beschichtungsmasse im aufzubringenden Zustand anlangt, gelten die im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gemachten, weiteren Aussagen (weitere Bestandteile, Konsistenz etc).

210 Die Poren zwischen den Keramikfasern 22 haben im wesentlichen eine gleiche Größe wie die Poren zwischen den Kieselgur-Partikeln 12 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Die Keramikfasem 22 haben typischerweise einen Durchmesser von wenigen μm und eine Länge von 10 bis 30 μm; sie bestehen chemisch typischerweise im wesentlichen aus SiO ₂ /Al ₂ O ₃ .

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Kieselgur ist eine gängige Bezeichnung für ein Material, welches typischerweise zu 70 bis 90 % aus amorpher Kieselsäure und zu 3 bis 12 % aus Wasser besteht.

Im Fall von Silicon als Antihaftbestandteil würden die Figuren im wesentlichen un- 220 verändert aussehen. Im Fall von PE als Antihaftbestandteil wären die PE-Partikel größer als die gezeichneten PTFE Partikel 18 oder 28 und hätten z.B. eine Größe, die etwas kleiner ist als die Größe der Kieselgur-Partikel 12. Im Fall von Wasserglas als anorganischer Binderbestandteil würden die Figuren im wesentlichen unverändert aussehen.

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