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Hintergrund
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Die
Erfindung bezieht sich auf die Nutzung von Schaumprozessen zur Herstellung
von Vliesstoffbahnen, die spezielle Rohstoffe verwenden, und zur
Herstellung von speziellen Endprodukten. Schaumprozesse sind im
Grunde offenbart in den
US-Patenten 3,716,449 ,
3,871,952 und
3,938,782 (deren Beschreibungen hier
als Referenzen angeführt
sind) und in der anhängigen
amerikanischen Anmeldung Serien-Nr. 08/923,900 eingereicht am 4. September
1997 (atty. dkt. 30–441)
und in der amerikanischen Anmeldung Serien-Nr. 09/098,458 eingereicht
am 17. Juni 1998 (atty. dkt. 30–476),
deren aller Beschreibungen hier als Referenz angeführt sind.
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Schaumprozesse
werden normalerweise zur Herstellung von planaren Formen mit gleichmäßiger Dicke,
d. h. zweidimensional gestalteten Formen während der Bahnformation eingesetzt.
Gemäss
der vorliegenden Erfindung wird eine dreidimensionale gestaltete
Form erzeugt, indem eine dreidimensionale Form während der Bahnbildung aus ein
oder mehreren Schaumschichten eingesetzt wird. Bei Benutzung einer
dreidimensionalen Form, z. B. einer Drahtgewebeform, kann zum Beispiel
ein Plissee- oder Rillenfilterprodukt direkt aus einem Schaum gebildet
werden, der Fasern oder Partikel aufweist, die beim Auftragen in
eine Form das Produkt bilden. Eine große Vielfalt Produkte kann bei
Benutzung der Schaumprozesse und der hier dargestellten dreidimensionalen
Formen hergestellt werden. Zum Beispiel dreidimensionale Formen
und Schaumprozesse sind verwendbar, um eine große Vielfalt Filterprodukte
herzustellen, inklusive plissierte Flüssigkeits- und Luftfilter,
plissierte Heizungs- und/oder Klimaanlagen-(HVAC)-Filter für Automobile,
geformte Atemschutzmasken-Filter und Bakterienfilter, laminierte Reinigungsprodukte
mit Superabsorbent-Mittelschichten, etwa ein Wischmop, der zur Aufnahme
eines Reinigungsmop-Kopfes geformt ist, und andere Produkte.
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Die
vorliegende Erfindung kann benutzt werden, um nachfolgende mechanische
Plissierschritte oder Frässchritte
zu eliminieren, die zuvor eingesetzt wurden, um Falten und Rillen
in einem zweidimensionalen planaren Bahnbogen zu erzeugen, der durch Benutzung
von zweidimensionalen planaren Formen und Schaumprozessen erzeugt
wurde. Im Besonderen wird durch die vorliegende Erfindung der Prozess nach
dem Stand der Technik unnötig,
maschinell Rillen und andere Formen zu schneiden, um ein dreidimensionales
planar geformtes Produkt zu bilden, nachdem es durch Schaumprozesse
gebildet worden ist. Durch die vorliegende Erfindung wird die bisherige
Notwendigkeit einer Prozessanlage vermieden, die die im Wesentlichen
planaren, von zweidimensionalen Formen gestalteten Bahn-Zwischenprodukte
in ein dreidimensionales Endprodukt umformt. Die vorliegende Erfindung
eignet sich insbesondere zur Verwendung bei der Produktion von Plissee-
und Rillen-Filterpapieren, insbesondere solchen, die in Automobilen
Einsatz finden.
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Der
Schaumprozess der Bahnbildung wird zur Herstellung von Produkten,
z. B. Bahnen, eingesetzt, die Partikel oder Fasern verwenden, z.
B. Kurzschnittfasern, synthetische Fasermaterialien, Fasern von
mechanischem Faserstoff oder chemischem Zellstoff oder andere Bahnmaterialien.
Bei Benutzung des Schaumprozesses ist es möglich, dreidimensionale, nicht
planare Bahnen aus einer Vielfalt von Fasern, Partikeln oder Kombinationen
von Fasern und Partikeln herzustellen.
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Eine
Anwendung der Erfindung bezieht sich auf die Produktion von Plissee-
oder Rillen-Filterpapier, insbesondere zur Verwendung in Automobilen. Die
Verwendung von Filterpapier in Automobilen begann vor ungefähr 40 bis
50 Jahren, und heute gehört
es zur Standardausstattung in jedem Auto mit einem Verbrennungsmotor.
Die Anwendungen für
Filterpapiere können
heute in folgende Sortenkategorien eingeteilt werden: Auto-Luft, Öl, Heavy-Duty-Air (HDA),
Kraftstoff-Medien und Fahrgastzellenluft. Das Auto-Luftmedien/Filterpapier
ist derart konstruiert, dass es die mit Luft in den Motor eintretenden
Partikel einfängt.
Das HDA-Filterpapier hat dieselbe Funktion, ist aber für eine anspruchsvollere
Umgebung mit großen
Mengen Staub in der Luft konstruiert (z. B. Erdbewegungsmaschinen
usw.). Ein Ölmedien/Filterpapier
ist dazu konstruiert, die Partikel aus dem in den Motor eintretenden Ölstrom zu
entfernen. Das Kraftstoffmedien/Filterpapier ist zum Herausfiltern
von Partikeln aus Benzin- oder Dieselkraftstoff konstruiert, bevor
er in den Motor eintritt. Das Fahrgastzellenluftmedien/Filterpapier
ist dazu konstruiert, die externen Partikel einzufangen, bevor sie
in die Fahrgastzelle oder in das Abteil gelangen, wo die Fahrgäste sitzen.
Für solche
Filterpapiere gibt es auch andere Anwendungen.
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Automobil-Filterpapiere
sind bisher durch Nassprozesse hergestellt worden, die von der ersten Hälfte des
20. Jahrhunderts datieren. Im Nassprozess werden Fasern unter Umrührung in
einem Pulper aufgelöst.
Die Fasern werden dann in einer Flüssigkeitsaufschlämmung durch
Entstipper und Refiner zur Papiermaschine gepumpt. Die Entstipper
und Refiner dispergieren die Fasern und geben ihnen eine bessere
Oberfläche
zur Erzeugung von Bindefähigkeit.
Die Hauptbestandteile der Papiermaschine sind Nasspartie und Trockenpartie.
Zwischen Pulper und Nasspartie werden auch verschiedene Typen von
die Nass- und Trockenfestigkeit
erhöhenden Chemikalien
zugesetzt. Die Nasspartie umfasst einen Stoffauflauf und Entwässerungselemente.
Typisch hat der Stoffauflauf ein flaches Lang-, Schrägsieb oder
poröses
Element des Zylindertyps. Die Entwässerungselemente sind dazu
konstruiert, Wasser aus der Aufschlämmung abzusaugen, um sie von
einer Faserkonsistenz von etwa 0,05% auf eine Faserkonsistenz von
25 auf einem bewegten Sieb (porösen
Element) zu entwässern.
Nach der Nasspartie gelangt das Medium in die Trockenpartie. Die
Aufgabe besteht hier darin, das Filtermedium von 25% auf eine Faserkonsistenz
von ungefähr
98–99%
zu trocknen.
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Das
Filtermedium wird nun entweder „online" auf der gleichen Papiermaschine imprägniert oder aufgerollt
und auf einer getrennten Imprägniermaschine „offline" getrocknet. Die
Aufgabe des Imprägnierungsprozesses
besteht nun darin, das Medium vollständig mit einem Harz oder einem
Latex (warmhärtend
oder thermoplastisch) zu sättigen,
und dem Medium dadurch seine endgültige mechanische Festigkeit
zu verleihen sowie es in ein Filter umwandelbar zu machen. Der Imprägnierungsprozess
umfasst im Wesentlichen eine von Trocknern gefolgte Imprägniereinheit.
Die Imprägniereinheit
kann eine Leimpresse, Walzenstreichmaschine, ein Curtain Coater oder
dergleichen sein, und die Trockner können jeden konventionellen
Kontakt-/Nicht-Kontakt-Typs sein. Wenn das Medium einen Feuchtegehalt
von ungefähr
0–15%
erreicht, werden die Öl-
und die HDA-Mediumtypen gerillt, was ihnen eine kontinuierliche
S-Form im Maschinenrichtung gibt. Das Rillen des Mediumtyps vergrößert die Gesamtfiltrierfläche und
hilft, die nachfolgend gebildeten Falten beim Plissieren des Mediums
und Bilden des Filterelements auseinander zu halten.
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Nach
der Imprägnierung
wird das Medium vor dem Verpacken und Versenden an einen Kunden in
verschiedene Streifenbreiten geschnitten. Beim Kunden wird das Medium
maschinell auf konventionellen Plissiermaschinen plissiert, was
den Medium seine endgültige
physikalische Konfiguration verleiht, bevor ein das Filterpapier
enthaltende Filterelement gebaut wird. Wie die Enden des Mediums
versiegelt, das Medium weiter polymerisiert werden und welche Merkmale
besonders wichtig sind, hängen
vom Kunden und der Endnutzung ab, und diese Details sind konventionell.
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Der
Prozess der US-Patentanmeldung Serien-Nr. 09/098,458 bespricht die
Herstellung eines planaren Bogens von Filterpapier durch den Schaumprozess,
und anschließend
wird der Bogen gerillt und plissiert, um das eigentliche Filtermaterial herzustellen.
Die vorliegende Erfindung bildet das Filterpapier in einer Form,
die gerillt, plissiert oder gerillt und plissiert ist. Es gibt keine
Notwendigkeit, nachfolgende mechanische Schritte durchzuführen zum
Plissieren, Rillen oder sonst wie zum Aufprägen dreidimensionaler Formen
auf dem dem Formverfahren entnommen Bahnprodukt.
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Das
Formen von Produkten aus einem Faser- oder Partikelschaum weist
gegenüber
Nassprozessen Vorteile auf. Man hat zum Beispiel Filterpapier durch
einen Wasserprozess hergestellt. In jenem Prozess werden Fasern
in einer Flüssigkeitssuspension
auf eine gerillte Form aufgegeben. Die Tiefe der Flüssigkeitsaufschlämmung ist
relativ seicht. Bald nach Einführung
der Fasersuspension sinkt die Aufschlämmungsoberfläche unter
den oberen Teil des unteren Formelements ab, und der hermetische
Verschluss geht verloren, wodurch der Sog von unter der Formelement
die Entfernung von Wasser aus der faserigen Aufschlämmung verhindern
kann. Wenn der Verschluss verloren ist, wirkt sich der Sog hauptsächlich auf
den Teil der Form aus, der keinen Kontakt mit den suspendierten
Fasern hat. Folglich ist die Faserformation am Boden der Form langsam
und nicht optimal. Zusätzlich
gibt es die Möglichkeit,
dass die oberen Teile der Form eine kleinere Anzahl von Fasern sammeln
würden
als die unteren Teile, weil die Fasern in der Flüssigkeitsaufschlämmung geneigt sind,
sich am Boden der Form abzusetzen und zu konzentrieren. Im Gegensatz
dazu umfassen die hier beschriebenen Schaumprozesse ein oder mehrere Schaumschichten,
die jeweils eine relativ tiefe Schaumschicht in einer dreidimensionalen
Form bilden. Wegen der Tiefe des Schaums ist es unwahrscheinlich,
dass die Oberfläche
des Schaums unterhalb von Spitzen in den unteren Formoberflächen absinken
wird. Außerdem
kann ein oberes Formelement dazu benutzt, die Oberfläche des
Schaums derart zu gestalten, dass sie der Form des darunter liegenden
unteren Formelements entspricht, und dadurch vermieden wird, dass
sich die Spitzen eines unteren Formelements durch die gesamte Schaumschicht
hindurcherstrecken.
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Den
Nassprozessen haftet ein anderes Problem an, falls das Filterpapier
durch Benutzung mehrerer verschiedener Schichten, Materialien, Substrate
oder Kombinationen derselben hergestellt ist. Beim Auftrag auf eine
vorausgehende Schicht (oder Schichten) in dünnflüssigen Suspensionen, sind nachfolgende
Schichten geneigt, die Fasern einer vorausgehenden Schicht am Boden
der Rillen auszurichten. Dies hat zur Folge, dass das Endprodukt
eine unebene Dicke hat, was wiederum einen Rückgang der Filtrierfähigkeit
bewirkt. Schaumprozesse eignen sich besser zum Aufeinanderschichten
von unterschiedlichen Schäumen,
wo jede Schaumschicht eine unterschiedliche Konsistenz von Fasern
oder Partikeln hat. Die Schaumschichten sind geneigt, zufällig orientierte
Fasern zurückzuhalten,
was oft wünschenswert
ist. Wahlweise können
die Fasern im Schaum parallel zum Strömungspfad in der Schaumeinspritzdüse orientiert
sein. Durch vertikale Einspritzung des Schaums aus der Düse in die
Form ist es möglich,
die generell vertikale Faserorientation in dem in der Form abgesetzten
Schaum beizubehalten. Die vertikale Faserorientation in einem Bahn-Endprodukt
kann vorteilhaft sein, um relativ dicke Bahnen und relativ poröse Bahnen
zu formen.
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Bei
diesen Nass- und Schaumprozessen nach dem Stand der Technik gibt
es potenzielle Probleme, die einerseits durch Formen in Nassprozessen
und andererseits durch getrenntes Plissieren und Rillen des Filterpapiers
in Schaumprozessen verursacht werden. Erstens, eine höhere Anzahl
Prozessschritte verursacht höhere
Herstellungskosten. Durch das Kombinieren mehrerer Prozessschritte
in einem wird der Gesamtprozess kürzer und folglich weniger teuer.
Zweitens, mechanische Änderungen am
geformten Filterpapier können
die Festigkeit des Endproduktes herabsetzen. Das Biegen eines geformten
planaren Filterpapiers zur Bildung von Falzen und Rillen verursacht
Beanspruchung an den gebogenen Teilen, und durch schnelle Verschlechterung
kann diese Beanspruchung die Qualität des Endprodukts reduzieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Schaum-Bahnherstellungsprozess, der
Formen zum Gestalten und Trocknen des Schaum zu dreidimensionalen
Produkten, etwa dreidimensionalen Filtern benutzt. Diese Produkte
können
einlagig, geformt durch einmalige Auftragung von Schaum, oder ein Laminat
sein, das aus mehreren Schichten unterschiedlicher Schäume geformt
ist. Vereinfacht beschrieben besteht der Schaum aus einer Aufschlämmung von
Luft, Wasser, Tensid und Fasern oder Partikeln. Der Typ von Fasern,
Partikeln oder Kombination von Fasern und Partikeln hängt von
dem herzustellenden Produkt ab. Zum Beispiel können die Fasern im Schaum Kurzschnittfasern
sein, die eine durchschnittliche Länge von 0,05 mm (Millimeter) oder
weniger haben. Beim Aufgeben des Schaums in die Form fügen sich
die Fasern oder Partikel zu einer dreidimensionalen Form. Wenn sich
der Schaum in der Form absetzt, werden Wasser und Luft (die in Form
von Luftbläschen
vorliegt, die eine große
Vielfalt unterschiedlicher Durchmesser haben) durch die Form abgezogen,
entfernt und wiederverwendet. Die Fasern oder Partikel im Schaum
setzen sich in der Form ab, um das Bahnprodukt zu bilden. Die Fasern oder
Partikel werden in der Form getrocknet, und das vervollständigte dreidimensionale
Produkt wird aus der Form entfernt. Das Bahnprodukt kann aus einer Kombination
von Fasern und Partikeln oder gänzlich aus
Partikeln gebildet werden, die aus dem Schaum abgelagert sind.
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Die
Einführung
des Schaums in dreidimensionale Formen wird vorsichtig durchgeführt, um
vom Wasserprozess bekannte Probleme zu vermeiden. Diese Probleme
können
teilweise verhindert werden, weil die Faserkonsistenz des Schaums
1% bis 10% ist (und bei Schäumen
mit Superabsorbens 20% sein kann) und höher als die typische Konsistenz
von 0,01% bis 0,5% der Aufschlämmung
beim konventionellen Wasserprozess ist. Als Folge der höheren Konsistenz
lässt die
Verwendung des Schaumprozesses das Formen dickerer Produkte, etwa
dickerer Filterpapiere oder dickerer Papierschichten in einem einzigen
Schritt zu. Wenn höhere
Konsistenzen bei Flüssigkeitsprozessen
eingesetzt werden, sind die Fasern geneigt, sich anzusammeln und
vor der Bahnformation Flocken zu bilden. Flockenbildung verschlechtert
die Qualität
des Endprodukts wegen der damit verbundenen Schwankungen der Dicke und
anderen Eigenschaften des Filterpapiers, die wiederum Schwankungen
der Filtrierfähigkeit
innerhalb ein und desselben Produkts verursachen.
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Zusätzlich erfordert
der Schaum viel weniger Flüssigkeit
als der Flüssigkeitsprozess,
was den Wasserverbrauch erheblich reduziert. Eine Verringerung des
Wasserverbrauchs verringert die Größe der Ausstattung, die zur
Beförderung
von Flüssigkeit stromabwärts der
Form notwendig ist. Nachdem der Schaum von der Form abgezogen ist,
kann der Schaum im Wesentlichen wiederverwendet werden. In der Regel
werden dem wiederverwendeten Schaum nur Fasern und Partikel und
möglicherweise ein
Tensid zugesetzt, bevor er in eine andere Form abgesetzt wird.
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Nachdem
Schaum in ein unteres Formelement eingeführt worden ist, wird bei einer
Ausführungsform
ein komplementäres
oberes Formelement darauf gesetzt. Bevorzugt ist das obere Formelement im
Wesentlichen das Gegenteil des unteren Formelements, so dass die
Kämme des
oberen Formelements im Wesentlichen in die Rillen des unteren Formelements
passen. Auf ähnliche
Weise passen die Rillen des oberen Formelements im Wesentlichen auf
die Kämme
des unteren Formelements. Das obere Formelement kann benutzt werden,
um sicherzustellen, dass die oberen Teile des unteren Formelements
mit Schaum bedeckt und somit verschlossen sind. Durch Sicherstellung,
dass der Schaum über den
oberen Teilen des unteren Formelements bleibt, werden der Verlust
des Verschlusses und die oben beschriebenen mit Sog verbundenen
Probleme vermieden. Zusätzlich
kann das obere Formelement dazu benutzt werden, den Schaum mit Druck
zu beaufschlagen, was den Druck auf die Oberfläche des Schaums erhöht und zur
Entfernung von Schaum aus der Filterschicht beiträgt.
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Nachdem
die Filterschicht im Wesentlichen geformt ist, wird das obere Formelement
entfernt, und das Filterpapier kann entweder zum Trockenschritt
oder einem Schritt geleitet werden, wo eine andere Schicht von Schaum
aufgetragen wird. Obwohl wesentlich das gleiche Schaummaterial mit
einem neuen Stoffauflauf auf eine oben beschriebene Weise aufgetragen
werden könnte,
kann ein anderes Schaummaterial aufgetragen werden. Zusätzliche Schichten,
zum Beispiel drei oder mehr Schichten, könnten auf die geformten Schichten
aufgebracht werden. Die Anzahl potenzieller Schichten wird teilweise
durch die gewünschten
Eigenschaften des Endproduktes bestimmt.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Produktionsmaschine eine Maschine des Chargentyps, wo jede
Charge zumindest ein unteres Formelement aufweist. Für jede Charge
gibt es eine Wanne, die zum Beispiel fünf Zeilen und fünf Spalten
untere Formelemente umfasst. Nachdem die gewünschte Menge Schaum mittels
eines Stoffauflaufs auf die unteren Formelemente in der Wanne aufgetragen
ist, wird ein Einsatz mit einer entsprechenden Anzahl oberer Formelemente
auf den Schaum gesetzt. Jene Wanne und Einsatz bewegen sich die
Fertigungsstraße
entlang, und eine leere Wanne beginnt den Chargenprozess vom neuen.
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In
einer anderen Ausführungsform
ist die Produktionsmaschine eine Maschine des kontinuierlichen Typs,
wo das untere und das obere Formelement in ein bewegtes Sieb, das
auch als poröses
Element bezeichnet wird, und ein Walzensystem integriert sind. Das
das untere Formelement bewegende Sieb enthält mehrere untere Formelemente
auf solche Weise, dass wenn sich das untere Formelement z. B. seitlich
oder drehend bewegt, sich dem Stoffauflauf neue untere Formelemente öffnen. Dem
Chargenprozess ähnlich
trägt der
Stoffauflauf Schaum in unteren Formelementen auf, die auf dem, die
unteren Formelemente bewegenden Sieb angebracht sind. Danach wird
ein komplementäres
oberes Formelement, das an einem Band für obere Formelemente befestigt
ist, auf ein entsprechendes, Schaum enthaltendes unteres Formelement
gesetzt.
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Nachdem
eine Schicht geformt ist, wird in einer weiteren Ausführungsform
die Form geöffnet.
Ein den oben beschriebenen ähnliches
Verfahren kann solcherart ausgeführt
werden, dass eine weitere Schicht gebildet wird. Wahlweise kann/können die zuletzt
gebildete/n Schicht oder Schichten durch einen Blastrockenofen oder
eine ähnliche
Anlage gefahren werden, um den Trockenprozess zu fördern.
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In
einer noch weiteren Ausführungsform
werden mehrere getrennte Schichten Schaum in das untere Formelement
aufgetragen, bevor das obere Formelement auf den Schaum gesetzt
wird. Nach dem Absetzen einer Schaumschicht kann jeweils etwas Schaum
durch das untere Formelement abgezogen werden, ohne das obere Formelement
darauf zu setzen. Durch das Entfernen von etwas Schaum kann sichergestellt
werden, dass sowohl der Schaum eine vernünftige Höhe in der Form beibehält als auch
die gesamte Prozesszeit reduziert wird. Wahlweise kann die Entfernung
von Schaum erfolgen, nachdem alle Schichten abgesetzt worden sind.
In dieser Ausführungsform
ist das obere Formelement nützlich,
wenn die Höhe
des Schaums niedriger als die Höhe
des unteren Formelements ist. In solchen Verhältnissen ohne ein oberes Formelement
könnte
der Verschluss verloren gehen, wenn sich im Schaum ein Spalt bildet,
wenn sich die oberen Teile des unteren Formelements aufwärts durch
den Schaum hindurcherstrecken. Das obere Formelement verhindert
Spalte im Schaum, indem es den Schaum in das untere Formelement
hinunterdrückt,
den Schaum im unteren Formelement gleichmäßig verteilt und sicherstellt,
dass die Schaumschicht eine gleichmäßige Dicke beibehält. Ein
oberes Formelement ist auch vorteilhaft, um eine bessere Entwässerung
des Schaums zu erreichen durch Anbringen von Druck, der den Schaum durch
das untere und obere Formelement hindurchzwingt, bei denen es sich
typisch um ein Drahtgeflecht handelt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
werden die Schaumschichten in schneller Folge in ein Formelement
ohne große
Verzögerung
zwischen Schicht-Auftragungen
abgesetzt. Dies kann zum Beispiel durch Benutzung von Mehrfach-Stoffaufläufen getan
werden, wobei jeder Stoffauflauf unterschiedlichen Schaum mit eigenständigen Eigenschaften
aufträgt.
Wahlweise kann dies durch Benutzung eines einzigen Stoffauflaufs
erfolgen, der unterschiedliche Schäume mit eigenständigen Eigenschaften
aufzubringen vermag. Im zweiten Beispiel werden die eigenständigen Schaumschichten
nach wie vor hintereinander aufgebracht, doch der gleiche Stoffauflauf wird
für alle
Schichten benutzt.
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Die
Anwendung der vorliegenden Erfindung bietet mehrere Vorteile, und
die folgende List erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit
der Vorteile. Erstens, der Prozess ist relativ schnell, und empfindliche oder
reaktive Substanzen, wie Aktivkohle, Geruch beseitigende Substanzen,
Salze, Superabsorbens-Produkte usw., können ohne wesentliche Verschlechterung
oder wesentlichen Verlust von Eigenschaften verwendet werden. Zweitens,
der Prozess kann in Maschinen entweder des Chargen- oder kontinuierlichen
Typs betrieben werden, was Flexibilität bei der Konstruktion der
Ausstattung oder Anlage bietet. Drittens, der Prozess verwendet
Schaum, wodurch sich die Möglichkeit
ergibt, mehrere Schichten aufzubringen, ohne verschiedene Schichten
zu vermischen. Viertens, durch den Prozess wird es unnötig, das
Filterpapier nach Formation zu rillen oder zu plissieren. Weil das
Papier nach der Formation einer Biegung nicht ausgesetzt ist, ist
das Risiko des Bruchs von Filterschichten minimal. Fünftens,
der Prozess ist anwendbar mit jeder Kurzfaser, z. B. Fasern von
50 mm oder weniger, etwa synthetischen Fasern, mechanisch aufbereitetem
Holzstoff oder chemisch aufbereitetem Faserstoff.
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Der
vorliegende Prozess hat Vorteile gegenüber Thermoformtechniken, die
fürs Formen
von Filtern eingesetzt werden. Thermoformen ist ein Nachformverfahren
zum Formen eines Filterelements. Thermoformverfahren sind in Verbindung
mit der vorliegenden Erfindung unnötig, die ein Filterelement
mit Hilfe derselben Form gestaltet, in dem der faserige Schaum zu
einem dreidimensionalen Faserelement erstarrt ist. Außerdem ergibt
der mit dem vorliegenden Prozess verwendete Schaum ein gleichmäßigeres
Filterprodukt als die Nass- oder Trocken-Faserprozesse, die typisch mit Prozessen
verbunden sind, wo Thermoformen involviert ist. Thermoformen kann jedoch
auf das Bahnprodukt angewandt werden, das der Form entnommen und
mit der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit der Produktion von
Filterpapieren beschrieben wurde, kann die Erfindung auf die Herstellung
anderer dreidimensionaler Produkte mit Schaum angewandt werden.
Die vorliegende Erfindung bietet andere Vorteile, die bei Betrachtung
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen einem vom Fach einleuchten.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach dem Stand der
Technik zur Herstellung von Filterpapier.
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Automobilfilters, das erfindungsgemäßes Filterpapier
verwendet.
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung von
Filterpapier.
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4 ist eine schematische Darstellung einer
Anlage zur Herstellung von Filterpapier.
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Wanne, die mehrere untere Formelemente
beinhaltet.
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6 ist
eine schematische Darstellung eines unteren Formelements.
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7 ist
eine schematische Darstellung einer Anlage zur Herstellung von Filterpapier.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Prozesses nach dem Stand der
Technik, der Schaum verwendet, um Filterpapier online herzustellen.
Zunächst
wird die Bahn bei Benutzung des Schaumprozesses geformt, wie bei 10 angedeutet ist,
wobei eine Aufschlämmung
aus Luft, Wasser, Tensid und Fasern mit einem sich bewegenden porösen Förderelement
in Kontakt gebracht wird, und dann Schaum von der Aufschlämmung durch
das Element entfernt wird, um eine Vliesstoffbahn zu bilden. Die
Fasern sind Kurzschnittfasern und haben eine Länge von 50 Millimetern oder
weniger. Die Fasern können
aus synthetischen Materialien, von mechanischem Holzstoff, chemischem
Faserstoff und anderen Fasermaterialien gebildet sein. Trocknung und
andere konventionelle Schritte werden ebenfalls bei der Verarbeitung
des Schaums durchgeführt.
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Die
restlichen Schritte in 1 lassen sich auf Wasserprozesse
anwenden, wobei die Imprägnierung
mit konventionellen Harzen oder Latexen zur Verbesserung der Eigenschaften
der Bahn bei 11 stattfindet, und konventionelles Rillen
gewünschtenfalls
durchgeführt
wird, wie bei 12 angedeutet ist. Die Schritte 10, 11,
und 12 werden typisch auf der Bahnproduktionsanlage durchgeführt. Die
konventionellen Plissier- 13 und Harzabbindungsschritte 14 werden an
einer Stelle durchgeführt,
wo das eigentliche Filterpapier hergestellt und vielleicht in konventionelle Töpfe eingebaut
wird. Der gleiche Prozess, der in 1 dargestellt
ist, kann offline durchgeführt
werden, wobei Imprägnierung
und Rillen auf einer Anlage getrennt von der Stelle erfolgt, wo
Schaum-Bahnformation stattfindet (nicht dargestellt).
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2 stellt
schematisch und einfach ein dreidimensionales Filter 20 für Automobile
dar, das durch Verwendung von erfindungsgemäß hergestelltem Filterpapier
gefertigt werden kann. Das Filterpapier 21 ist durch den
Schaumprozess hergestellt, und konventionelle Rillen 22 und
konventionelle Falten 23 sind schematisch dargestellt.
Das plissierte und gerillte Filterpapier 21 wird dann in
einen geeigneten Topf 24 eingesetzt. Der Mechanismus zur
Anordnung des Filterpapiers 21 im Topf 24 und
die Einzelheiten des Topfs, inklusive der Tatsache, wie das Filterpapier 21 im
Topf angeordnet wird, ist konventionell und hängt von der Anwendung oder
besonderen Vorlieben eines Kunden ab.
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3 stellt
schematisch eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Schritt 30 ist der Gleiche
wie Schritt 10 in 1, mit der
Ausnahme, dass die für
die Bahnformation in Schritt 30 benutzte Form eine dreidimensionale
Form, etwa eine siebumrahmte Form ist, während die in Schritt 10 benutzte Form
im Wesentlichen planar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Form Rillen und Falten. Das Durchführen dieser Prozessschritte
während
der Bahnformation macht es unnötig,
jene Schritte nach der Bahnformation durchzuführen, wie sie beim Prozess
nach dem Stand der Technik erforderlich sind. Andere, konventionelle
Prozessschritte können
nach der Schaum-Bahnformation
mit Rillen und Falten durchgeführt
werden. Ein Trocknungsschritt 31 und ein Heizschritt 32 können eingesetzt werden,
um die Fasern oder Partikel in der Form zu trocknen und/oder zu
erhitzen, nachdem der Schaum aus der Form abgezogen ist. Beim Erzeugen
des Schaums kann etwas thermoplastische Fasern oder Partikel dem
Schaum zugesetzt worden sein, um solche später im Prozess wärmebehandeln
zu können. Beim
Erwärmen
des geformten Produkts können
die Fasern oder Partikel verschmolzen oder eingeschmolzen werden,
um dem Produkt Festigkeit und andere gewünschte Eigenschaften zu verleihen.
Ein Prozess dieser Art wird als Thermoformen bezeichnet. Außerdem können in
Prozessschritt 33 konventionelle Harze oder Latexe zugesetzt
werden, um die Eigenschaften der Bahn zu verbessern. Zusätzlich kann
nach dem Imprägnierschritt 33 ein
Harz-Abbindungsschritt 34 erfolgen. Die Schritte 30, 31 32 und 33 werden
typisch auf der Bahnproduktionsanlage durchgeführt, doch der Harz-Abbindungsschritt 34 wird
typisch an einer Position durchgeführt, wo das aktuelle Filterpapier
hergestellt und vielleicht sogar in konventionelle Töpfe eingebaut
wird.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist schematisch in den 4A, 4B, 5 und 6 dargestellt,
wo ähnliche
Teile mit den gleichen Ziffern bezeichnet sind. Die 4A und 4B stellen
einen Chargenprozess für Schaum-Bahnformation mit
Rillen und Falten dar. Wie 4A zeigt,
wird das untere Formelement mit Schaum gefüllt, und anschließend trägt ein oberes Formelement
dazu bei, den Schaum aus den Formelementen abzuziehen, wie in 4B dargestellt
ist. 5 stellt eine Wanne dar, die ein einziges Formelement
zur Verwendung in einem Chargenprozess enthält. 6 stellt
ein einzelnes unteres Formelement mit sowohl Rillen als auch Falten
dar.
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Wie
in den 4A und 4B dargestellt ist,
liegt die Wanne 102 auf einem porösem Formelement 110,
etwa einem dreidimensionalen Drahtgeflecht, das eine, einer gewünschten
Produktform (nicht dargestellt) entsprechende Form aufweist. Unterhalb
jeder Wanne 102 gibt es eine Sauganordnung 106,
die sich an den Boden eines jeden Formelements 104 und
an die Saugleitung 108 anschließt. Die Sauganordnung 106 ermöglicht die
Schaumentfernung während
der Bahnformation aus jedem Formelement 104, während die
Saugleitung 108 für
die Gesamt-Schaumentfernung aus allen Formelementen 104 in
der Wanne 102 sorgt. Unter weiterer Bezugnahme auf die 4A und 4B,
trägt der Stoffauflauf 114,
z. B. eine zur Form vertikale Schaumdüse, Schaum 116 in
jedem Formelement 104 (nicht dargestellt in den 4A und 4B)
in der Wanne 102 auf. Die Fasern im Schaum haben in der
Regel eine zufällige
Orientation, wenn er vom Stoffauflauf in die Wanne 102 fließt. Diese
zufällige Faserorientation
kann wünschenswert
sein, um dem Bahnprodukt strukturellen Rückhalt zu verleihen. Wahlweise
kann die Stoffauflaufdüse
so ausgewählt sein,
dass sie veranlasst, dass die Fasern im Schaum parallel zum Strömungspfad
durch die Düse orientiert
werden. Wenn die Düse
den Schaum vertikal in die Wanne 102 aufträgt, sind
die Fasern in der Wanne und dem Bahnprodukt in der Regel vertikal orientiert.
Solch eine vertikale Orientation von Fasern kann für Dicke
und Porosität
des Bahnprodukts erwünscht
sein.
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Nachdem
der Schaum in das untere Formelement aufgetragen ist, wird der Einsatz 118 mit
dem oberen Formelement auf den Schaum 116 in Formelementen 104 aufgesetzt.
Der Einsatz 118 hat den komplementären Formen der unteren Formelemente 104 entsprechende
Formelement-Formen, so dass der Verschluss in den oberen Teilen
des unteren Formelements 104 erhalten bleibt. Der obere
Einsatz 118 und die Wanne 102 bilden einen Verschluss
um den Schaum. Durch Aufrechterhalten des Verschlusses wird ermöglicht,
dass die Saugleitung 108 Schaum während der Bahnformation ohne
Verlust des Sogs zu einigen Teilen des unteren Formelements 104 entfernt.
Der Einsatz 118 kann etwas Druck aufwenden, um die Entfernung
von überschüssigem Schaum
durch die Sauganordnung 106 zu erzwingen. Der Einsatz 118 kann
einen Gebläse-Ausgang enthalten,
um Luftdruck auf die Oberfläche
des Schaums aufzuwenden und um dadurch den Schaum dazu zu zwingen,
sich besser dem unteren Formelement anzupassen. Überdies kann eine andere Saugleitung
Schaum aufwärts
durch die oberen Formelemente in das obere Formelement einsaugen und
den Schaum entfernen, der das Drahtgeflecht der oberen Formelemente
durchfließt.
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Die
Wanne 102 kann mehrere untere Formelemente 104 beherbergen.
Zum Beispiel 5 zeigt fünf Zeilen 120 und
fünf Spalten 122 von
unteren Formelementen 104. In diesem Beispiel gibt es fünfundzwanzig
untere Formelemente. Diese Ausführungsform
hat jedoch zumindest ein Formelement 104 und kann jede
endliche Anzahl Formelemente 104 in der Wanne 102 aufweisen. 6 stellt
schematisch ein unteres Formelement 104 dar. Ein Einsatz 118 mit oberen
Formelementen hätte
obere Formelemente, die jeweils mit dem unteren Formelement zusammenpassen.
Die Sauganordnung 106 befindet sich unterhalb des Formelements 104,
und die Sauganordnung 106 befindet sich in der Mitte zwischen
Formelement 104 und Saugleitung 108 (die Sauganordnung 106 ist
als Leitung oder ähnlicher
Ausrüstungsgegenstand
in den 5 und 6, und als Kasten in den 4A und 4B und 7 abgebildet). Zusätzlich ist
die dreidimensionale Natur der Form 104 durch Falten 126 und
Rillen 124 dargestellt. Der Schutzumfang der Erfindung
ist jedoch nicht auf Formen und Formelemente begrenzt, die allein
aus Rillen oder Falten bestehen. Weil das untere Formelement 104 Rillen 124 und 126 Falten
hat, kann das Produkt eine dreidimensionale Form aufweisen, ohne
nachfolgend Rillen 124 und Falten 126 hinzuzufügen.
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7 zeigt
schematisch eine andere Ausführungsform,
wo ein kontinuierlicher Prozess eine Schaum-Bahnformation mit Rillen
und Falten erzeugt. Den 4A, 4B, 5,
und 6 ähnlich
sind ähnliche
Gegenstände
sind mit den gleichen Ziffern in 7 bezeichnet.
Eine Reihe einzelner unterer Formelemente 104 ist am porösen Förderelement 128 befestigt
dargestellt. Das Förderelement 128 rotiert
im Uhrzeigersinn um Walzen 130, was einen kontinuierlichen
Betrieb der Anlage ermöglicht. Wenn
das (poröse)
Förderelement 128 ein
leeres unteres Formelement 104 unter den Stoffauflauf 114 bewegt,
trägt der
Stoffauflauf 114 Schaum 116 in dieses untere Formelement 104 auf.
Eine Sauganordnung 106 ist an unteren Formelementen 104 befestigt,
und während
des Prozesses entfernt die Saugleitung 108 überschüssigen Schaum.
Das (poröse)
Förderelement 128 bewegt
das gefüllte,
Schaum 116 enthaltende untere Formelement 104 in
Kontakt mit einem der oberen Formelemente 136, das eine
gegenüber
dem unteren Formelement 104 komplementäre Form aufweist. Das obere
Formelement 136 ist am Band 132 befestigt, das
entgegen den Uhrzeigersinn um Walzen 134 rotiert.
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Das
Förderelement 128 setzt
die Bewegung des unteren Formelements 104 fort, wenn das
obere Formelement entfernt ist, und das Bahnprodukt im Formelement 104 wird
durch einen Trockner 138 und ein Heizgerät 140 getrocknet.
Ein Luftgebläse 142 kann
Luft durch das untere Formelement 104 hindurchzwingen,
um das Filterprodukt 143 zu entfernen. Das Heizgerät 140 kann,
aber nicht unbedingt, zum Thermoformen des dreidimensionalen Produkts benutzt
werden, während
es noch im Formelement ist. In Bezug auf das Thermoformen kann der
zum Formen des Produkts verwendete Schaum thermoplastische Fasern
oder Materialien, so genannte Bindemittel, enthalten. Der Schaum
wird in die Form gespritzt, und das resultierende Produkt wird bereits thermoplastische
Fasern oder Partikel enthalten. Wenn das Produkt durch das Heizgerät 140 geleitet wird,
werden diese Fasern oder Partikel im Inneren des Produkts verschmolzen
oder eingeschmolzen, um dem Produkt nach dem Formierschritt Festigkeit und
andere Eigenschaften zu verleihen. Überdies kann ein Thermoformierschritt,
zusätzlich
zur Wärmebehandlung,
auch eine Behandlung mit Druck beinhalten, die mittels eines Gebläses oder
einer speziell konstruierten Druckform durchgeführt werden kann.
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Mehrfach-Stoffaufläufe sind
im beispielhaftem Stoffauflauf 114 untergebracht, und jener
Stoffauflauf 114 kann während
der Produktion mehr als eine Schicht Schaum auftragen. Mehrere Schichten von
Schaum können
verwendet werden, um ein Faser-Filterelement 143 herzustellen,
wo jede Schicht ein unterschiedliches Fasermaterial oder eine unterschiedliche
Faserdichte haben kann. Außerdem müssen sowohl
der Einsatz 118 als auch die oberen Formelemente 136 auf
die Wanne 102 und das untere Formelement 104 erst
im letzten Schritt der Bahnformation positioniert werden, z. B.
wenn die Höhe der
Schaumschicht niedriger als die Höhe des unteren Formelements
ist. Zudem könnten
mehrere Schichten Schaum 116 aufgebracht werden, bevor der
Einsatz 118 auf die Wanne 102 oder das obere Formelement 136 auf
das untere Formelement 104 platziert werden. Zusätzlich können Menge
und Timing, d. h. Prozessstelle der Schaumentfernung durch Saugleitung 108 geändert werden.
Wenn zum Beispiel mehrere Schichten Schaum 116 aufgetragen
werden, kann Schaumentfernung nicht erfolgen, bevor alle Schichten
von Schaum abgesetzt sind. Des Weiteren kann das untere Formelement 104 nur Rillen 124,
d. h. ohne Falten 126, auf solche Weise enthalten, dass
das Produkt nur geringfügige
Abweichungen von im Wesentlichen Planaren aufweist. Wahlweise kann
das untere Formelement 104 jeder beliebigen dreidimensionalen
Form sein, um bei der Schaum-Bahnformation eingesetzt zu werden.
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Es
sollte sich auch verstehen, dass die einfachste Ausführungsform
des oberen Formelements ein dünner
Film z. B. aus Plastik oder Gummi ist, der auf die Schaumschicht/-schichten
gelegt wird. Der einzige Zweck des Films ist zu verhindern, dass
die oberen Teile des unteren Formelements der Atmosphäre ausgesetzt
werden, um konstante Vakuumverhältnisse
in der Form aufrechtzuerhalten.
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Während die
Erfindung im Zusammenhang mit dem beschrieben worden ist, was man
derzeit für die
praktischste und bevorzugteste Ausführungsform hält, sollte
es sich verstehen, dass die Erfindung nicht auf die dargestellte
Ausführungsform
begrenzt werden sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen
und gleichwertige Anordnungen decken soll, die vom Gedanken und
Schutzumfang der beigefügten Ansprüche erfasst
werden.