Filtermedium für Motorluftfilter

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtermedium für Motorluftfilter, wobei das Filtermedium eine Trägerlage und eine Meltblownlage umfasst, und ein Filterelement mit einem derartigen Filtermedium.

Stand der Technik

Zu den wichtigen Qualitätskriterien bei den Luftfilter- medien zählen eine hohe Filtrationseffizienz, also das Abscheiden von großen und kleinen Partikeln sowie eine ausreichend hohe Staubspeicherkapazität. Bei den Motor luftfiltermedien ist zu beachten, dass der Motor bei voller Beanspruchung abhängig vom Hubraum zwischen 200 m ³ und 500 m ³ Luft pro Stunde ansaugt. Diese ist mit Schmutz- und Staubpartikeln belastet. Lässt das Fil terelement nicht genügend Luft passieren, kann der Motor seine volle Leistungsfähigkeit nicht entfalten. Motorluftfilterelemente sind dafür zuständig, den Motor mit gereinigter Luft zu versorgen, die für einen ein wandfreien Verbrennungsprozess notwendig ist. Das Motor luftfiltermedium hat bezüglich des Luftmanagements im Fahrzeug außerdem folgende Funktionen: Filtration der Motoransaugluft ; Verbesserung der Luftströmung für eine optimale Verbrennung und Motorakustik, wie das Dämpfen der Ansauggeräusche; Schutz von nachgelagerten Motortei len, beispielsweise eines Turboladers, vor Partikelbe- Schuss .

Um die Filtrationseffizienz zu erhöhen, werden Nanofa- serlagen eingesetzt (d.h. mit Faserdurchmesser kleiner 1,5 gm), die aber komplizierte Herstellungsverfahren er fordern und daher teuer sind. Ein weiterer Nachteil ist die geringe mechanische Stabilität der Nanofaserschicht .

Zusätzlich müssen die Motorluftfilter in den vom Fahr zeughersteller angegebenen Intervallen ausgetauscht wer den. Dies wird im Rahmen der Inspektionsarbeiten erle digt. Bei hohem Staubanteil in der Luft (oder bestimmter Laufleistung) empfiehlt es sich, den Filter früher zu ersetzen. Daher sollte idealerweise das Filtermedium (bzw. der Filter) so kostengünstig wie möglich sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fil termedium und ein Filterelement zu schaffen, das insbe sondere für Luftfilter von Motoren geeignet ist, eine sehr gute Effizienz und Staubspeicherkapazität aufweist, sowie mit Standard-Herstellungsverfahren leicht zu pro duzieren und entsprechend kostengünstig herzustellen ist .

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filtermedium für Motorluftfilter, umfassend eine Trägerlage und eine Meltblownlage, die Polyesterfasern enthält, wobei das Filtermedium elektrisch geladen ist.

Das Filtermedium ist besonders geeignet für Motorluft filter. Bisher wurden Motorluftfiltermedien nicht gela- den, weil bei hohem Staubanfall eine schnelle Entladung erfolgt und somit kein Unterschied in der Filtrationsef fizienz zu einem nichtgeladene Medium erkennbar war. Es wurde überaschenderweise festgestellt, dass das geladene Filtermedium der vorliegenden Erfindung eine bessere Ef fizienz und Staubspeicherkapazität hat im Vergleich zu nicht geladenen Medien. Daher kann die Meltblownlage mit größeren Faserdurchmessern hergestellt werden. Dies er möglicht eine kostengünstigere Herstellung sowie eine höhere Effizienz und Staubspeicherkapazität des Filter mediums bei gleichem Druckverlust.

Vorzugsweise enthalten die Polyesterfasern Polybutylen- terephthalat oder bestehen aus Polybutylenterephthalat- fasern .

Der mittlere Durchmesser dieser Meltblownfasern ist ins besondere 2 bis 8 gm, bevorzugt 2 bis 5 gm und besonders bevorzugt 3 bis 4 pm. Der mittlere Durchmesser wird mit der hier beschriebenen Methode gemessen.

Die erfindungsgemäße Meltblownlage hat eine Dicke von insbesondere 0,05 bis 0,90 mm bei 0, 005 bar Auflage druck, bevorzugt 0,10 bis 0,80 mm und besonders bevor zugt von 0,15 bis 0,70 mm.

Die Flächenmasse der Meltblownlage beträgt insbesondere 5 bis 90 g/m ² , bevorzugt 10-60 g/m ² , besonders bevorzugt 15-25 g/m ² .

Die Luftdurchlässigkeit der erfindungsgemäßen Meltblown lage beträgt insbesondere 50-3000 l/m ² s, bevorzugt 300 bis 2000 l/m ² s und besonders bevorzugt 800 bis 1300 1 /m ² s .

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Meltblownvlieses wird der in der Fachwelt bekannte Meltblownprozess ver wendet. Geeignete Polymere (insbesondere Polyester) sind zum Beispiel Polyethylenterephthalat oder Polybutylen- terephthalat . Bevorzugt umfasst die Meltblownlage Poly- butylenterephthalat-Fasern . Besonders bevorzugt besteht die Meltblownlage aus Polybutylenterephthalat-Fasern . Den Polymeren können je nach Anforderungen noch Additi ve, wie zum Beispiel Hydrophilierungsmittel , Hydropho bierungsmittel, Kristallisationsbeschleuniger oder Far ben, zugemischt werden. Die Meltblownlage kann während der Herstellung elektrisch geladen werden oder zusammen mit der Trägerlage geladen werden. Als Lademethoden kom men alle bekannten Methoden wie z.B. Corona-Ladung in Frage .

Zur Erhöhung der Ladungsstabilität können in der Fach welt bekannte Additive zugemischt werden, wie zum Bei spiel Bis-stearoyl-ethylendiamid .

Die Trägerlage kann eine nassgelegte Lage oder eine tro ckengelegte Lage sein.

Nassgelegte Lagen oder Papierlagen im Sinne der Erfin dung sind alle Lagen, die mit den in der Fachwelt be kannten Nasslegeprozessen zur Herstellung von Filterpa pieren erzeugt werden können. Die nassgelegte Lage kann natürliche Fasern, synthetische Fasern oder Mischungen davon enthalten. Beispiele für natürliche Fasern sind Zellulose, Baumwolle, Wolle und Hanf, wobei das einge setzte Zellulosematerial holzfreie und/oder holzhaltige Zellulose von Nadel- und/oder Laubbäumen, RegeneratZel lulose und fibrillierte Zellulose beinhalten kann.

Als Synthesefasern eignen sich zum Beispiel Polyester fasern (z.B. Polyethylenterephthalat- , Polybutylen- terephthalat- und PLA-fasern) , Polyolephinefasern, Po lyamidfasern, Polyacrylnitrilfasern und Mehrkomponen tenfasern mit unterschiedlichen Schmelzpunkten der ein zelnen Komponenten.

Die Synthesefasern in der nassgelegten Lage haben einen mittleren Faserdurchmesser von insbesondere 3 gm (0,1 dtex) bis 30 gm (10 dtex) , bevorzugt von 7 bis 20 pm, und die Schnittlänge beträgt vorzugsweise 3 mm - 20 mm, besonders bevorzugt 4 mm - 12 mm.

Die Trägerlage kann 100 Gew.% natürliche Fasern (basie rend auf die gesamte Menge von Fasern) umfassen. Die Trägerlage kann 30-45 Gew.% Synthesefasern und 70-55 Gew.% natürliche Fasern umfassen oder 100 Gew.% Synthe sefasern umfassen. Vorzugsweise umfasst die Trägerlage 100 Gew.% natürliche Fasern.

Die nassgelegte Trägerlage hat eine Dicke bei 0,005 bar Auflagedruck von insbesondere 0,1 mm bis 1,2 mm, bevor zugt 0,2 mm bis 0,9 mm, besonders bevorzugt 0,3 mm bis 0, 8 mm.

Die trockengelegte Trägerlage ist eine Lage, die mit den in der Fachwelt bekannten Trockenlegeprozessen zur Her stellung von Vlieslagen erzeugt werden kann. Bevorzugt ist die Vlieslage ein Spinnvlies oder kardiertes Vlies, das nur synthetische Fasern umfasst. Vorzugsweise be- steht die trockengelegte Trägerlage aus einer Spinn vlieslage. Die trockengelegte Trägerlage hat vorzugswei se bei 0, 005 bar Auflagedruck eine Dicke von 1 mm bis 3,0 mm. Besonders bevorzugt beträgt die Dicke der tro ckengelegte Trägerlage 1,2 mm bis 2,5 mm und insbesonde re 1,3 mm bis 2,1 mm.

Die trockengelegte Trägerlage umfasst Mono- und/oder Bi- komponenten- Synthesefasern. Vorzugsweise umfasst die trockengelegte Trägerlage (oder besteht aus) Monokompo- nent-Polyesterfasern und besonders bevorzugt Polyethyl- enterephthalatfasern . Als Synthesefasern eignen sich zum Beispiel Polyesterfasern (z.B. Polyethylenterephthalat- , Polybutylenterephthalat- und PLA-Fasern) , Polyolephinfa- sern, Polyamidfasern, Polyacrylnitrilfasern und Mehr komponentenfasern mit unterschiedlichen Schmelzpunkten der einzelnen Komponenten.

Bikomponentenfasern bestehen aus einem thermoplastischen Material mit mindestens einem Faseranteil mit einem hö heren Schmelzpunkt und einem zweiten Faseranteil mit ei nem niedrigeren Schmelzpunkt. Die physikalische Konfigu ration dieser Fasern ist dem Fachmann bekannt und be steht typischerweise aus einer Seite-an-Seite- oder Man- tel-Kern-Struktur .

Die Bikomponentenfasern können aus einer Vielzahl von thermoplastischen Materialien hergestellt werden, ein schließlich Polyolefinen (wie z.B. Polyethylenen und Po- lypropylenen) , Polyestern (wie Polyethylenterephthalat (PET), Polybutylenterephthalat (PBT), Polyamiden ein schließlich Nylon 6, Nylon 6,6, Nylon 6,12 usw. Bevor zugt werden die Bikomponentenfasern aus Polyestern her- gestellt. Besonders bevorzugt bestehen die Bikomponen tenfasern aus PET/coPET.

Die Mono- und Bikomponentenfasern der trockengelegten Trägerlage haben insbesondere einen mittleren Durchmes ser von 10 bis 50 gm, bevorzugt von 12 bis 40 gm und be sonders bevorzugt 14 bis 35 gm.

Die Trägerlage kann imprägniert sein, wobei die Art des Imprägniermittels vom Fachmann je nach Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Filtermaterials ausgewählt wird. Der Anteil des trockenen Imprägniermittels am Gesamtgewicht des Papiers beträgt typischerweise 0,5 Gew.% - 50 Gew.%, bevorzugt 5 Gew.% - 40 Gew.%. Als Imprägniermittel kom men die für Filterpapiere bekannten Substanzen zur An wendung, wie zum Beispiel Phenolharze oder Epoxydharze aus alkoholischen Lösungen, aber auch wässrige Dispersi onen zum Beispiel von Acrylaten, Phenolharzen, Polyvi nylchlorid, Polyvinylacetaten. Eine weitere mögliche Klasse von Imprägniermittel sind wässrige Lösungen von zum Beispiel Polyvinylalkohol, Melaminharz, Harnstoff harz. Zur Verbesserung der Benetzbarkeit und somit zur Steigerung der Durchflussrate kann die Imprägnierung durch geeignete Zusätze wie z.B. oberflächenaktive Sub stanzen oder Fluorkarbonharze hydrophil bzw. oleophil eingestellt werden.

Die Flächenmasse der Trägerlage (d.h. nass- oder tro ckengelegte Lage) beträgt insbesondere 50-350 g/m ² , be vorzugt 70-250 g/m ² und besonders bevorzugt 80-200 g/m ² .

Die Trägerlage (d.h. nass- oder trockengelegte Lage) hat eine Luftdurchlässigkeit von insbesondere 50-4000 l/m ² s, bevorzugt 100-3000 l/m ² s und besonders bevorzugt 200 bis 2800 1/m ² s .

Das Filtermedium kann entweder nur aus der Kombination der hier beschriebenen Trägerlage und Meltblownlage be stehen oder noch eine oder mehrere andere Lagen umfas sen .

Zur Herstellung des Filtermediums kann die Meltblownlage mit der Trägerlage verbunden werden. Dafür kann jedes dem Fachmann bekannte Verfahren benutzt werden, wie zum Beispiel Vernadelungsverfahren, Wasserstrahlvernade- lungsverfahren, thermische Verfahren (d.h. Kalanderver festigung und Ultraschall-Verfestigung) und chemische Verfahren (d.h. Verfestigung mittels Klebstoffe) . Bevor zugt wird die Meltblownlage mit der Trägerlage mittels Punktkalander oder Klebstoffen verbunden. Die Auftrags menge des Klebstoffs ist 2-10 g/m ² , bevorzugt 4-8 g/m ² .

Das erfindungsgemäße Filtermedium hat eine Flächenmasse von vorzugsweise 55 g/m ² - 440 g/m ² , bevorzugt von 80 bis 300 g/m ² und besonders bevorzugt von 90 bis 200 g/m ² . Bevorzugt beträgt die Luftdurchlässigkeit des Fil termediums 50 - 1200 l/m ² s, bevorzugt 100 bis 1000 l/m ² s und besonders bevorzugt 200 bis 900 l/m ² s.

Bevorzugt beträgt die Dicke des Filtermediums bei 0,005 bar Auflagedruck 0,4 bis 2,5 mm, besonders bevorzugt 0,45 bis 2 mm und noch bevorzugter 0,45 bis 1 mm.

Der maximaler Porendurchmesser (oder auch die größte Po rengröße) des erfindungsgemäßen Filtermediums liegt ins besondere bei 30-120 gm, bevorzugt bei 35-110 gm. Die Durchmesser von vielen Poren des erfindungsgemäßen Fil termediums liegen insbesondere bei 20-80 gm und bevor zugt bei 25-65 gm. Das Filtermedium hat einen H-Wert von insbesondere 1,00 bis 2,50, bevorzugt von 1,00 bis 2,00, und besonders be vorzugt von 1,00 bis 1,80. Der H-Wert berechnet sich aus : H-Wert= Größte Porendurchmesser/viele Poren-Durchmesser

Wenn der H-Wert in dem oben beschriebenen Bereich liegt, zeigt sich eine sehr gute Homogenität, so dass das Fil termedium eine sehr hohe Effizienz und Staubspeicherka- pazität für längere Zeit garantieren kann.

Das erfindungsgemäße Filtermedium hat eine Effizienz von insbesondere mindestens 99,00%, bevorzugt mindestens 99,70 und besonders bevorzugt mindestens 99,90%. Die hier angegebene Effizienz entspricht der Gesamteffizienz nach einem Druckanstieg auf 2000 Pa. Das ist zu unter scheiden von einer Anfangseffizienz.

Das erfindungsgemäße Filtermedium hat eine Staubspei- cherkapazität von insbesondere 70 bis 350 g/m ² , bevorzugt 100 bis 300 g/m ² und besonders bevorzugt von 125 bis 300 g/m ² .

Da das erfindungsgemäße Filtermedium eine ausgezeichnete Bruchkraft besitzt, muss es erst nach längeren Zeitin tervallen erneuert werden.

Filtermedien, die auch natürliche Fasern enthalten, wei- sen eine Bruchkraft in Maschinenrichtung (MD) von insbe sondere 60-200 N auf, bevorzugt 70-180 N und besonders bevorzugt 75-100 N. Filtermedien, die nur synthetische Fasern (und keine natürliche Fasern) enthalten, weisen eine Bruchkraft in Maschinenrichtung (MD) von 250-600 N auf, bevorzugt insbesondere 350-600 N und besonders be vorzugt 400-600 N.

Die Anströmrichtung ist bevorzugt von der Seite der Trä gerlage her, kann aber auch von der Seite der Meltblown- lage her sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Filterele ment, das das Filtermedium umfasst. Das Filterelement kann zusätzlich ein anderes Filtermedium umfassen, das sich vom erfindungsgemäßen Filtermedium unterscheidet, d.h. andere Eigenschaften hat.

Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet für das er findungsgemäße Filtermedium sind Motorluftfilter.

Prüfmethoden

Flächenmasse nach DIN EN ISO 536:2012-11.

Dicke nach DIN EN ISO 9073-2 (1997-02) bei 0,5 kPa Auf lagedruck mit 2500 mm ² Prüffläche (56,42 mm Durchmesser) .

Luftdurchlässigkeit nach DIN EN ISO 9237 (1995-12) bei

200 Pa Druckdifferenz.

Porengröße nach DIN ISO 4003 (1990-10), in Anlehnung auf

Grund Flachprobenmessung. Reagenzien: Ethanol vergällt (=Ethanol 100 L mit 1 L MEK (Methyl-Ethyl-Keton) als Vergällungsmittel) . Das Vlies wird luftdicht über einem Hohlraum, der mit einer LuftZuleitung und einem An schluss an ein Manometer (U-Rohr mit mm-Anzeige) verse- hen ist, eingespannt.

Vergälltes Ethanol wird über den Rand des oberen Probe halters zugegeben (nicht direkt auf die Probe sprit zen/ca. 4 mm Höhe) und gleichzeitig wird ein geringer Überdruck erzeugt. Der Überdruck wird langsam erhöht (ca. 5 mm WS/sec), bis die erste Luftblase sichtbar wird .

Dieser dazu notwendige Druck wird am Manometer (mm WS) abgelesen, und mit Hilfe der Oberflächenspannung des Ethanols (23°C) wird der größte Porendurchmesser, „größ te Pore", errechnet. Erhöht man den Überdruck so weit, dass über die gesamte Prüffläche (10 cm ² ) Luft hindurch tritt (annähernd gleichmäßige Verteilung der Luftblasen, jedoch keine Schaumbildung), so erhält man den Wert der vielen Poren. Dazu wird wieder der Überdruck der „vielen Poren" ermittelt und der entsprechende Porendurchmesser berechnet . Bruchkraft

- Für gesamtes Filtermedium (Träger + Meltblown; wo bei das Filtermedium natürliche Fasern umfasst) in Anlehnung an DIN EN ISO 1924-2 (2009-05) (Mess- streifen mit 100 mm Länge, 15 mm Breite; Abzugsge schwindigkeit 15 mm/min) .

- Für gesamtes Filtermedium (Träger + Meltblown; wo bei das Filtermedium keine natürlichen Fasern um- fasst) in Anlehnung an DIN EN ISO 29073 Teil 3 (1992-08) (Messstreifen mit 100 mm Länge, 50 mm Breite; Abzugsgeschwindigkeit 100 mm/min) . Effizienz und Staubspeicherkapazität

Die angegebenen Effizienzwerte wurden in Anlehnung auf

Grund Flachprobenmessung nach ISO 5011:2014 gemessen. Test Bedingungen:

- Teststaub ISO 12103-A2 (ISO Fine)

- Massenkonzentration: 1 g/m ³

- Anströmgeschwindigkeit 11,1 cm/s

- Filterflache : 100 cm ²

Die Gesamteffizienz und die Staubspeicherkapazität wer den gemessen, wenn ein Enddruck von 2000 Pa erreicht ist . Faserdurchmesser

Messprinzip: Mittels Rasterelektronenmikroskop werden

Bilder in definierter Vergrößerung aufgenommen. Diese werden mittels automatischer Software vermessen. Mess- stellen, die Kreuzungspunkte von Fasern erfassen und so mit nicht den Faserdurchmesser darstellen, werden manu ell entfernt. Faserbündel werden generell als eine Faser gewertet . Geräte:

Rasterelektronenmikroskop Phenom Fei mit dazugehöriger Software Fibermetric V2.1 Durchführung der Prüfung:

Probenahme: Vliesstoff an 5 Stellen über Bahnbreite (bei 1 , 8m)

Aufnahmen :

a. Probe besputtern;

b. Zufällige Aufnahme anhand von optischem Bild, die so gefundene Stelle wird mit 1000-facher Vergrößerung mit tels REM aufgenommen.

c. Faserdurchmesserbestimmung über „one click" Methode, es muss jede Faser einmal erfasst werden;

d. Durchschnittswert und Faserdurchmesserverteilung wird durch die von Fibermetric erhaltenen Daten mittels Excel ausgewertet. Somit wird pro Vlies der mittlere Faser durchmesser an mind. fünf Stellen erfasst. Die fünf Mit telwerte werden zu einem Mittelwert zusammengefasst. Dieser Wert wird als mittlerer Faserdurchmesser des Vlieses bezeichnet. Es werden mindestens 500 Fasern aus gewertet .

Bei spiele

Beispiel 1

Ein 20 g/m ² PBT ( Polybuthylenterephthalat ) Meltblown mit einer Dicke von 0,22 mm, einer Luftdurchlässigkeit von 650 l/m ² s und einem mittleren Faserdurchmesser von 3,5 pm wurde mit einer 135 g/m ² nassgelegten Papierlage mit Di cke 0, 68 mm mittels Punktkalander verbunden und mit Corona-Ladung geladen. Die hier benutzte Papierlage be steht aus Zellstoff und wurde vorher mit Harz impräg niert .

Das so erhaltene Filtermaterial hat eine Dicke von 0,75 mm, eine Luftdurchlässigkeit von 365 l/m ² s und eine Flä- chenmasse von 155 g/m ² . Der größte Porendurchmesser des

Filtermediums liegt bei 39 gm und der Durchmesser von vielen Poren liegt bei 27 gm. Beispiel 2

Ein 60 g/m ² PBT Meltblown mit einer Dicke von 0, 66 mm, eine Luftdurchlässigkeit von 1200 l/m ² s und einem mittle ren Faserdurchmesser von 4 gm wurde mit einem 130 g/m ² PET/CoPET Spinnvlies mit Dicke 1,47 mm mittels Punktkalander verbunden und mit Corona-Ladung geladen.

Das so erhaltene Filtermaterial hat eine Dicke von 2,00 mm, eine Luftdurchlässigkeit von 900 l/m ² s und eine Flä chenmasse von 190 g/m ² . Der größte Porendurchmesser des Filtermediums liegt bei 100 gm und der Durchmesser von vielen Poren liegt bei 58 gm.

Vergleichsbeispiel 1

Entspricht dem gleichen Filtermedium von Beispiel 1, wurde aber nicht mit Corona-Ladung geladen.

Vergleichsbeispiel 2

Entspricht dem gleichen Filtermedium von Beispiel 2, wurde aber nicht mit Corona-Ladung geladen.

Einige Vorteile des erfindungsgemäßen Filtermediums sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1