DE102009006586A1 - Single or multiple filter medium i.e. hydraulic filter medium, for separating aqueous fluid i.e. water, from e.g. fuel, of e.g. diesel internal combustion engine, in motor vehicle, has impregnated agent measuring contact angle with water - Google Patents
Single or multiple filter medium i.e. hydraulic filter medium, for separating aqueous fluid i.e. water, from e.g. fuel, of e.g. diesel internal combustion engine, in motor vehicle, has impregnated agent measuring contact angle with water Download PDFInfo
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft Filtermedien zur Trennung einer wässrigen Flüssigkeit von einer nicht wässrigen Flüssigkeit eines Flüssigkeitsgemisches, insbesondere zur vollständigen Abtrennung von Wasser aus Kraftstoffen und Ölen.The The invention relates to filter media for separating an aqueous Liquid from a non-aqueous liquid a liquid mixture, in particular for the complete Separation of water from fuels and oils.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Zur Reinigung sowohl von Schmierflüssigkeiten und Kraftstoffen für Verbrennungsmotoren wie z. B. Diesel- und Benzinmotoren für Kraftfahrzeuge aller Art, als auch zur Reinigung von Hydraulikölen werden üblicherweise Öl-, Kraftstoff- und Hydraulikfiltermedien und daraus hergestellte Filterelemente eingesetzt. Neben der Abtrennung von festen Partikeln aus dem Flüssigkeitsstrom haben diese Filtermedien oft die Aufgabe, gleichzeitig auch das in diesen Flüssigkeiten vorhandene Wasser möglichst vollständig abzuscheiden. Einerseits steht z. B. bei modernen Kraftfahrzeugen durch die zunehmende Anzahl von Aggregaten im Motorraum immer weniger Platz für die benötigten Filterelemente zur Verfügung, andererseits steigen aber auch die Anforderung hinsichtlich Einsatzdauer und Abscheideleistung laufend an. So fordern z. B. moderne Dieselmotoren von Personen- und Lastkraftwagen immer höhere Einspritzdrücke zur optimalen Verbrennung des Kraftstoffs. Die jetzigen Dieselmotoren arbeiten mit einem Einspritzdruck von ca. 2000 bar. Für die nächste Motorengeneration sind bereits Drücke bis zu 3000 bar im Gespräch. Bei diesen Drücken führen auch kleinste Wassertropfen im Kraftstoff innerhalb kurzer Zeit zu Schäden im Einspritzsystem, insbesondere in den Kraftstoffpumpen und Einspritzdüsen. Ähnlich ist die Situation bei Flugzeugmotoren, in denen geringe Mengen von Wasser ebenfalls zu erheblichen Schäden führen können.to Cleaning both lubricating fluids and fuels for internal combustion engines such. B. diesel and gasoline engines for motor vehicles of all kinds, as well as for the cleaning of Hydraulic oils are usually oil, Fuel and hydraulic filter media and filter elements made therefrom used. In addition to the separation of solid particles from the liquid stream These filter media often have the task, at the same time also the water present in these liquids as possible completely separate. On the one hand is z. B. in modern motor vehicles less and less due to the increasing number of engines in the engine compartment Space for the required filter elements available, On the other hand, however, the requirement for service life also increases and separation performance on. So z. B. modern diesel engines Passenger and truck ever higher injection pressures for optimum combustion of the fuel. The current diesel engines work with an injection pressure of approx. 2000 bar. For the next generation of engines are already pressures up to 3000 bar in conversation. At these pressures also carry the smallest drops of water in the fuel inside short time to damage in the injection system, in particular in the fuel pumps and injectors. Similar is the situation in aircraft engines where small amounts of water can also cause significant damage.
Zur Entfernung des Wassers aus Kraftstoffen und ölen sind in den letzten Jahren im Wesentlichen zwei unterschiedliche Systeme entstanden. Das eine System bindet das Wasser mittels starker Absorptionsmittel und entfernt es so aus dem Flüssigkeitsstrom, während das zweite System die fein verteilten Wassertropfen durch unterschiedliche Methoden zu großen Tropfen zusammenführt und diese dann z. B. durch Schwerkraft ausscheidet.to Removal of water from fuels and oils are in Essentially, two different systems have been used in recent years emerged. The one system binds the water by means of strong absorbents and it removes it from the liquid flow while the second system the finely distributed water droplets through different Methods to large drops and merges these then z. B. excretes by gravity.
In
der Druckschrift
Das
Patent
Daher wurden Anstrengungen unternommen, das Wasser nicht zu binden, sondern in große Tropfen zu überführen und über die Schwerkraft laufend auszuscheiden.Therefore Efforts have been made not to bind the water but into big drops and over to excrete gravity continuously.
Eine
Methode dabei ist, das Öl-Wasser- bzw. Kraftstoff-Wasser-Gemisch
durch ein Filtermittel durchzuleiten, das zwar für das Öl
bzw. den Kraftstoff durchlässig ist, jedoch nicht für
Wasser. Dadurch sammeln sich an der angeströmten Oberfläche
des Filtermittels Wassertropfen, die sich mit der Zeit vergrößern
und über die Schwerkraft nach unten in einen Wassersammler
fließen. Die Offenlegungsschrift
Je größer die im Filtermaterial erzeugten Wassertropfen sind, desto leichter und vollständiger ist deren Abscheidung. Daher werden meist mehrere Lagen unterschiedlicher Filtermaterialien verwendet. Die erste Lage ist so beschaffen, dass sie leicht vom Wasser benetzt wird, für das Öl bzw. den Kraftstoff jedoch leicht durchlässig ist. Dadurch werden die kleinen Wassertropfen zunächst an der ersten Lage festgehalten und mit weiteren Tröpfchen zu einem großen Tropfen vereint. Dieser wird dann, wenn er eine bestimmte Größe erreicht hat, mit dem Flüssigkeitsstrom mitgerissen und an einer zweiten Filterlage, die für Wasser undurchlässig ist, Öl und Kraftstoff jedoch passieren lässt, abgeschieden. Ein sehr gutes Material für die erste Filterlage sind Glasfasern.The larger the drops of water produced in the filter material, the easier and more complete is their deposition. Therefore, multiple layers of different filter materials are usually used. The first layer is designed so that it is easily wetted by water, but the oil or fuel is slightly permeable. As a result, the small drops of water are first held on the first layer and with more droplets combined into one big drop. This is when it has reached a certain size, entrained with the liquid flow and on a second filter layer, which is impermeable to water, but oil and fuel pass, deposited. A very good material for the first filter layer are glass fibers.
Allerdings
haben sie den Nachteil, dass sie leicht zerbrechen und Bruchstücke
in den Flüssigkeitsstrom gelangen können. Hier
verursachen sie dann durch ihre Härte Schäden
am Fördersystem und am Motor.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein glasfaserfreies Filtermedium und ein Filterelement zur Verfügung zu stellen, das es insbesondere ermöglicht, Wasser aus Kraftstoff und Ölen möglichst vollständig zu entfernen und das die oben beschriebenen Nachteile nicht hat.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a glass fiber-free filter medium and to provide a filter element that it in particular, allows water from fuel and oils as completely as possible and remove the has not described above disadvantages.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.These The object is achieved by the features of claim 1 and 9 solved. Advantageous embodiments The invention are described in the further claims.
Detailierte Beschreibung der Erfindung, AusführungsbeispieleDetailed description of the invention, embodiments
Das erfindungsgemäße Filtermedium besteht aus einem porösen Flächengebilde mit einer Luftdurchlässigkeit von 2–1000 l/m2s und einer Flächenmasse von 20–300 g/m2, das mit einem duroplastisch aushärtbaren, hydrophilen Harz imprägniert ist. Der Gehalt an Imprägniermittel im erfindungsgemäßen Filtermedium beträgt 5–60 Gew.%. Das duro plastisch aushärtbare Harz stammt aus der Gruppe der Phenolharze, Epoxidharze, Melamin-Formaldehydharze und/oder Harnstoff-Formaldehyd-Harze und hat im ausgehärteten Zustand einen Kontaktwinkel gemessen mit destilliertem Wasser von höchstens 50° sofort und höchstens 45° nach 2 min, und im ungehärteten aber getrockneten Zustand vorzugsweise von höchstens 40° sofort und von höchstens 35° nach 2 min.The filter medium according to the invention consists of a porous sheet with an air permeability of 2-1000 l / m 2 s and a basis weight of 20-300 g / m 2 , which is impregnated with a thermosetting curable, hydrophilic resin. The content of impregnating agent in the filter medium according to the invention is 5-60 wt.%. The duro plastically curable resin comes from the group of phenolic resins, epoxy resins, melamine-formaldehyde resins and / or urea-formaldehyde resins and in the cured state has a contact angle measured with distilled water of at most 50 ° immediately and at most 45 ° after 2 min, and in the uncured but dried state preferably of at most 40 ° immediately and at most 35 ° after 2 min.
Als poröses Flächengebilde kommen die in der Filtration üblichen Materialien zum Einsatz, wie z. B. Papiere aus reiner Zellulose, Papiere aus einer Mischung aus Zellulose und synthetischen Stapelfasern, nassgelegte Vliese aus synthetischen Stapelfasern, trockengelegte Vliese aus Stapelfasern, Vliese aus endlosen Synthesefasern, Filze und Schäume.When porous fabrics are common in filtration Materials used, such. B. Papers of pure cellulose, Papers made from a mixture of cellulose and synthetic staple fibers, Wet-laid nonwovens made from synthetic staple fibers, laid down dry Nonwovens made of staple fibers, nonwovens made of endless synthetic fibers, felts and foams.
Als Synthesefasern kommen z. B. Polyesterfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern, Polycarbonatfasern, Polyacrylnitrilfasern, Polyphenylensulfidfasern, Polyvinylalkoholfasern, Mehrkomponentenfasern, Lyocellfasern oder Viskosefasern in Frage. Die Länge und Dicke der Fasern richtet sich nach den geforderten Eigenschaften des Mediums und wird vom Fachmann je nach Anforderung ausgewählt.When Synthetic fibers come z. B. polyester fibers, polypropylene fibers, Polyamide fibers, polycarbonate fibers, polyacrylonitrile fibers, polyphenylene sulfide fibers, Polyvinyl alcohol fibers, multicomponent fibers, lyocell fibers or Viscose fibers in question. The length and thickness of the fibers depends on the required properties of the medium and is selected by the skilled person as required.
Intensive Untersuchungen waren nötig, um das geeignete Imprägniermittel für das erfindungsgemäße Filtermedium zu finden. Phenolharze und Epoxidharze sind für die Imprägnierung von Filtermaterialien schon lange bekannt. Allerdings sind die üblicherweise verwendeten Harze nach dem Härten nicht mehr hydrophil. Stark hydrophile Phenolharze haben den Nachteil, dass die mit ihnen imprägnierten Filtermedien nur mehr eine sehr geringe Nasssteifigkeit auf weisen. Nach umfangreichen Untersuchungen stellte sich heraus, dass die für das erfindungsgemäße Filtermedium geeigneten Imprägniermittel folgende Eigenschaften erfüllen müssen: das Imprägniermittel darf beim Trocknen keinen Film bilden, muss aber härtbar sein. Der Kontaktwinkel des gehärteten Imprägniermittels darf höchsten 50° sofort und höchstens 45° nach 2 Minuten gemessen betragen. Ferner darf das gehärtete Imprägniermittel nach 24 h Wassereinlagerung nicht mehr quellen oder erweichen als ein Film aus einem Standardharz. Unter einem Standardharz ist ein für die Imprägnierung von Filtermaterialien üblicherweise verwendetes und bewährtes Phenol-Resol-Harz wie z. B. Prefere 94 3195 der Fa. Dynea zu verstehen. Überraschenderweise hat sich bei den Untersuchungen jedoch herausgestellt, dass der Kontaktwinkel alleine nicht ausreicht, um eine Imprägniermittelauswahl für das erfindungsgemäße Filtermedium zu treffen. Zusätzlich zum Kontaktwinkel ist es wichtig, dass es einem Wassertopfen möglich ist, Dieselkraftstoff auf einem gehärteten Imprägniermittelfilm zu verdrängen. Diese Eigenschaft, die beim erfindungsgemäßen Filtermedium die Bildung großer Wassertropfen bewirkt, korreliert nicht immer mit dem Kontaktwinkel.Intensive investigations were necessary in order to find the suitable impregnating agent for the filter medium according to the invention. Phenolic resins and epoxy resins have long been known for the impregnation of filter materials. However, the resins commonly used are no longer hydrophilic after curing. Heavily hydrophilic phenolic resins have the disadvantage that the filter media impregnated with them only have a very low wet stiffness. After extensive investigations, it has been found that the impregnating agents which are suitable for the filter medium according to the invention must fulfill the following properties: the impregnating agent must not form a film during drying, but must be curable. The contact angle of the hardened impregnating agent shall not exceed 50 ° immediately and not more than 45 ° after 2 minutes. Further, after 24 hours of water retention, the cured impregnant must not swell or soften as a film of a standard resin. Under a standard resin is one for the impregnation of Fil termaterialien commonly used and proven phenolic resole resin such. B. Prefere 94 3195 Fa. Dynea to understand. Surprisingly, however, it has been found in the investigations that the contact angle alone is not sufficient to make an impregnating agent selection for the filter medium according to the invention. In addition to the contact angle, it is important that a water plug be able to displace diesel fuel on a cured impregnant film. This property, which causes the formation of large drops of water in the filter medium according to the invention, does not always correlate with the contact angle.
Aus
der anfangs großen Auswahl von Imprägniermitteln
haben sich nur Phenolharze, Epoxidharze, Melamin-Formaldehyd-Harze,
Harnstoff-Formaldehydharze sowie Mischungen daraus als geeignet
erwiesen. Diese Harze sind aber auch nur dann geeignet, wenn sie
die genannten Anforderungen hinsichtlich Kontaktwinkel, Verdrängung
des Dieselkraftstoffs und Wassereinlagerung erfüllen. Die
erfindungsgemäßen Filtermedien haben im Vergleich
zu gleichen Filtermedien, die jedoch mit einem üblichen,
nicht hydrophilen Phenolharz imprägniert wurden, die gleiche Nasssteifigkeit
nach Schlenker und den gleichen Berstdruck nach Mullen. Sie unterscheiden
sich jedoch deutlich in der Tropfeneinsinkzeit. Die Tropfeneinsinkzeit
wird bei imprägnierten porösen Medien an Stelle
des Kontaktwinkels zur Charakterisierung verwendet, da sich auf
porösen Untergründen die Kontaktwinkel nicht verlässlich
bestimmen lassen. Die erfindungsgemäßen Filtermedien
haben eine Tropfeneinsinkzeit nach
Das Vermögen, Dieselkraftstoff aus einem dieselgetränkten Medium mit Wasser zu verdrängen, ist zwischen dem erfindungsgemäßen Medium und einem vergleichbaren Medium, das mit einem nicht hydrophilen Phenolharz imprägniert wurde, deutlich unterschiedlich. Im erfindungsgemäßen Medium unterwandert der Wassertropfen den Dieselkraftstofffilm und verdrängt ihn vom Medium, während der Wassertropfen auf dem Vergleichsmedium den Dieselkraftstoff nicht verdrängen kann, sondern auf der Medienoberfläche stehen bleibt. Dadurch, dass Wasser im erfindungsgemäßen Filtermedium den Dieselkraftstoff von der Faseroberfläche verdrängen kann und sich selbst gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt, bleibt Wasser so lange auf und im erfindungsgemäßen Filtermedium gebunden, bis sich über das Sammeln von weiterem Wasser aus der zu reinigenden Flüssigkeit große Tropfen gebildet haben. Diese Tropfen werden dann durch das erfindungsgemäße Medium mit dem Flüssigkeitsstrom durchgedrückt und auf der Gegenseite über Schwerkraft abgeschieden. Zur besseren Abscheidung kann nachfolgend noch eine hydrophobe Filterschicht angebracht sein, an der entlang die Tropfen herunterlaufen, während die nun wasserfreie Flüssigkeit durch sie hindurch fließt. Die hydrophobe Filterschicht kann durch einen geeigneten Abstandshalter wie z. B. ein Gitter von dem erfindungsgemäßen Filtermedium getrennt sein. Dadurch, dass sich die mechanischen Eigenschaften wie z. B. Berstdruck, Nassteifigkeit, Luftdurchlässigkeit des erfindungsgemäßen Filtermediums nicht von einem vergleichbaren Medium, das mit einem nicht hydrophilen Standardharz imprägniert wurde, unterscheiden, kann es wie bei der Filterherstellung verarbeitet werden. Das erfindungsgemäße Filtermedium kann auf den üblichen Maschinen gefaltet, geprägt, gewellt, rilliert, usw. werden.The Fortune, diesel fuel from a diesel soaked To displace medium with water is between the invention Medium and a comparable medium containing a non-hydrophilic Phenol resin was impregnated, significantly different. In the medium according to the invention, the water droplet infiltrates the diesel fuel film and displaces it from the medium, while the water drops on the comparison medium the Diesel fuel can not displace, but on the Media interface stops. By having water in the filter medium according to the invention the diesel fuel from the fiber surface and can displace itself evenly on the surface distributed, water stays on so long and in the invention Filter medium is bound to accumulate over the collection of more Water from the liquid to be cleaned large Drops have formed. These drops are then through the inventive Pressed medium with the liquid flow and deposited on the opposite side by gravity. to better deposition can subsequently still a hydrophobic filter layer be attached, along which the drops run down while the now anhydrous liquid flows through them. The hydrophobic filter layer can be replaced by a suitable spacer such as B. a grid of the invention Separate filter media. Because of that the mechanical Properties such. B. Bursting pressure, Nigteifigkeit, air permeability the filter medium according to the invention not of a comparable medium containing a non-hydrophilic standard resin impregnated, it can, as in the filter production are processed. The filter medium according to the invention can be folded on the usual machines, embossed, be wavy, grooved, etc.
Das erfindungsgemäße Filtermedium kann für sich allein oder in Kombination mit anderen Medien wie z. B. Papier, Synthesevliese, Membranen, Schäume, Gitter usw. eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind dabei Kombinationen des erfindungsgemäßen Filtermediums mit Medien, deren Faserdurchmesser weniger als 5 μm beträgt. Die Reihenfolge der einzelnen Medien in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen richtet sich nach den Anforderungen an den Gesamtverbund und wird vom Fachmann entsprechend festgelegt. Die Verbindung zwischen dem Träger und dem erfindungsgemäßen Filtermedium kann durch die üblichen Verbindungstechniken wie z. B. Kleben, Ultraschallverschweißen oder thermischem Verschweißen geschehen.The Filter medium according to the invention can for alone or in combination with other media such. Paper, Synthetic mats, membranes, foams, lattices, etc. used become. Particularly preferred are combinations of the invention Filter medium with media whose fiber diameter is less than 5 μm is. The order of the individual media in the flow direction the liquid is judged by the requirements to the overall composite and is determined by the expert accordingly. The connection between the carrier and the invention Filter medium can by the usual bonding techniques such as As bonding, ultrasonic welding or thermal Welding done.
Beschreibung der Prüfmethoden:Description of the test methods:
Bis
auf die Messung des Kontaktwinkels im ungehärteten Zustand
wurde sowohl der Imprägniermittelfilm als auch das erfindungsgemäße
Filtermedium vor der Prüfung 10 min. bei 165°C
gehärtet. Anschließend wurden die Prüflinge
nach
KontaktwinkelmessungenContact angle measurements
Als Kontaktwinkel wird der Winkel bezeichnet, den der Rand eines Flüssigkeitstropfens auf der Oberfläche eines Feststoffes zu dieser Oberfläche bildet. Je geringer der Kontaktwinkel ist, desto stärker wird der Feststoff durch die Flüssigkeit benetzt. Wird Wasser als Testflüssigkeit verwendet, so bezeichnet man den Feststoff als umso hydrophiler, je kleiner der Kontaktwinkel ist.When Contact angle is the angle the edge of a drop of liquid on the surface of a solid to this surface forms. The lower the contact angle, the stronger the solid is wetted by the liquid. Becomes Water used as test liquid, so called the more hydrophilic the solid, the smaller the contact angle is.
Für
die Messungen nach der vorliegenden Lehre wurde als Testflüssigkeit
destilliertes Wasser verwendet. Der Festkörper, an dem
der Kontaktwinkel gemessen wurde, war ein geschlossener, glatter
und trockener Film der zu prüfenden Imprägnierung.
Sowohl das destillierte Wasser als auch die zu prüfenden
Imprägniermittelfilme wurden vor der Messung 24 h lang
bei im Normklima nach
- Luftdurchlässigkeit nach
DIN EN ISO 9237 - Berstfestigkeit nach Mullen nach
DIN EN ISO 2758 - Flächenbezogene Masse nach
DIN EN ISO 536 - Biegesteifigkeit nass nach Schlenker nach
DIN 53864 - Tropfeneinsinkzeit mit destilliertem Wasser nach
AATCC 18 (American Association of Textil Chemists and Colorists)
- Air permeability after
DIN EN ISO 9237 - Bursting strength according to Mullen
DIN EN ISO 2758 - Area-related mass after
DIN EN ISO 536 - Flexural rigidity wet according to Schlenker
DIN 53864 - Drop inink time with distilled water after
AATCC 18 (American Association of Textile Chemists and Colorists)
Wassereinlagerung:Water retention:
Ein Film des gehärteten hydrophilen Imprägniermittels wird 24 h lang bei Raumtemperatur in destilliertes Wasser gelegt. Anschließend werden die Trübung und die Weichheit des Filmes mit der eines gleich behandelten Films eines Standardharzes verglichen.One Film of the cured hydrophilic impregnating agent is placed in distilled water at room temperature for 24 hours. Subsequently, the haze and the softness of the film with that of a like treated film of a standard resin compared.
Beispiel 1example 1
Papier mit einer Flächenmasse von 100 g/m2 und einer Luftdurchlässigkeit von 880 l/m2s wurde auf einer Schrägsiebpapiermaschine hergestellt, auf dem Laborfoulard imprägniert und im Umlufttrockenofen 10 min bei 165°C getrocknet. Die Imprägnierung erfolgte mit einem hydrophilen Phenolresolharz Typ EXP 3E 2013 A2 der Fa. Dynea. Der Gehalt an Imprägniermittel betrug 20,4 Gew.% bezogen auf das imprägnierte Medium. An diesem Medium wurde dann die Tropfeneinsinkzeit, der Berstdruck, die Luftdurchlässigkeit, die Flächenmasse und die Biegesteifigkeit nass gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.Paper with a basis weight of 100 g / m 2 and an air permeability of 880 l / m 2 s was prepared on a Schrägsiebpapiermaschine, impregnated on the laboratory foulard and dried in a convection oven for 10 min at 165 ° C. The impregnation was carried out with a hydrophilic phenolic resole resin type EXP 3E 2013 A2 from Dynea. The content of impregnating agent was 20.4% by weight, based on the impregnated medium. The droplet sinking time, the bursting pressure, the air permeability, the basis weight and the bending stiffness were then measured wet on this medium. The results are shown in Table 1.
VergleichsbeispielComparative example
Papier
aus Beispiel 1 wurde unter gleichen Bedingungen wie im Beispiel
1 mit einem Standard-Phenol-Resolharz des Typs Prefere 94 3195 von
Dynea imprägniert. Der Gehalt an Imprägniermittel
betrug 20,7 Gew.% bezogen auf das imprägnierte Medium.
An diesem Medium wurde dann die Tropfeneinsinkzeit, der Berstdruck,
die Luftdurchlässigkeit, die flächenbezogene Masse
und die Biegesteifigkeit nass gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle
1 dargestellt. Tabelle 1
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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