DE69736009T2

DE69736009T2 - Poröse strukturen und verfahren zu deren herstellung

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Publication number: DE69736009T2
Application number: DE69736009T
Authority: DE
Inventors: Wei-Chih Meriden CHEN; V. Ronald Guilford REPETTI; Jack Incline Village SLOVAK
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-09-08
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2017-09-09
Also published as: JP4731642B2; EP0951332A1; CA2265878A1; JP2001504398A; WO1998010855A1; BR9712026A; KR20000036031A; AU723880B2; EP1484099A2; US5882517A; EP0951332B1; DE69739930D1; AU4582697A; EP1484099A3; US5928588A; DE69736009D1; EP1484099B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen für die Trennung von unerwünschten Bestandteilen in Fluiden. Typischerweise enthalten Medien dieser Art Filterhilfsmittel und werden in Form von zylindrischen Blöcken mit hohlem Kern oder von flachen Platten hergestellt. Im Betrieb werden zu trennende Fluide durch die poröse Filterstruktur geleitet, wonach sie abgezogen werden.
Typische Trennmedien umfassen Kieselerde, Perlit, Aktivkohle, Zeolithe und dergleichen, um eine Filtration mit Adsorptionseffekten zu erreichen. Die Verwendung solcher Komponenten in Pulverform erzeugt oft einen hohen Druckabfall und/oder Kanalbildung. Demgemäß werden pulverförmige Filterhilfsmittel in nützliche Anwendungsformen gebracht, indem sie a) in dünne Medien wie etwa Papier eingebracht werden oder indem sie als dünne Vorbeschichtung auf ein Substrat abgelagert werden, um einen hohen Druckabfall zu vermeiden, oder b) indem sie mit einem Bindemittel kombiniert werden, so dass aus ihnen eine nützlich anwendbare poröse Struktur gebildet werden kann.
Geformte poröse Filterstrukturen, die aus den typischen Trennmedien hergestellt sind, könnten verbessert werden, wenn die Menge an Bindemittel von den üblichen 20 bis 40% reduziert werden könnte und wenn der gegossene Gegenstand aus der Hochdruck-Kompressionsform entnommen werden könnte, d.h. wenn er eine genügend hohe Grünfestigkeit hätte, und anschließend in einem selbsttragenden Zustand thermisch gebunden werden könnte. Poröse Filterstrukturen können durch einen Extrusionsprozess hergestellt werden, aber solche Prozesse sind langsam und erfordern für die kommerzielle Produktion eine große Anzahl von Extrudern. Ferner sind solche Prozesse beschränkt hinsichtlich der Form von anwendbaren Filterstrukturen, die so hergestellt werden können.
Filterstrukturen können durch feuchte Verarbeitung oder trockene Verarbeitung hergestellt werden. Ein Beispiel für das feuchte Verfahren findet sich in US Patent Nr. 5,443,735, erteilt für die Pall Corporation, das sich auf die Herstellung von sogenannten immobilisierten Kohlenstoffbetten bezieht. Verschiedene Verfahren werden beschrieben, von denen eines einen gepressten Radialfluss-Blockfilter erzeugt, indem eine feuchte Aufschlemmung von faserförmigen Materialien, Aktivkohle und eines Klebemittels gemischt werden, die Aufschlemmung in eine Form gepumpt wird, das freie Wasser herausgepresst wird, der gepresste Block aus der Form entnommen wird und der Block erwärmt wird, um Feuchtigkeit zu entfernen, und Filtermaterialien hinzugefügt werden. Ein anderes Verfahren erzeugt einen Axialflussfilter, wobei Kohlenstoffteilchen und fein pulverisiertes Polyethylenharz gemischt werden, die Mischung anschließend erwärmt wird, um das Polymer zu schmelzen und die Kohlenstoffteilchen zu verbinden. Die Erfindung basiert auf der Verwendung von kleinen Messingteilchen, um die Unterdrückung von Mikrobenwachstum im Wasser zu unterstützen.
Bei trockenem Verfahren werden die Komponenten zuerst trocken gemischt, gefolgt von einer Verdichtung und Erwärmung der trockenen Mischung in verschiedene Formen und Gestalten. Der gegenwärtige Stand der Trockenverfahren wird beispielhaft durch die folgenden Patente wiedergegeben. US Patent 4,664,683, erteilt für die Pall Corporation, lehrt die Verwendung von gepressten Kohlenstoffblöcken mit Teilchengrößen von etwa 200 bis 2000 μm. Der maximale Pressdruck beträgt 400 psi. Die Teilchengröße des pulverförmigen Polyethylenbindemittels beträgt etwa 8 bis 30 μm. Der bevorzugte Bindedruck beträgt von 0,3 bis 10 psi. Die Bindetemperatur liegt etwa 50 bis 90°F (28 bis 50°C) über der Vicat-Erweichungstemperatur. Diese Temperaturen sind gleich oder unterhalb der Schmelztemperatur des Bindemittels. Die Mischung aus Kohlenstoff und Bindemittel wird innerhalb der Form erhitzt und dann für 1 bis 2 Minuten gepresst. Der abgekühlte Kohlenstoffblock wird aus der Form entfernt und erweist sich als selbsttragend. Die Filterblöcke haben jedoch eine geringe physikalische Festigkeit aufgrund einer fehlenden effizienten Bindung zwischen dem Bindemittel und den Kohlenstoffteilchen.
US Patent 4,859,386, erteilt für Amway Corporation lehrt ein Verfahren zur Herstellung von geformten Komposit-Aktivkohlefiltern mit zwei Schalen einschließlich der Verwendung von Polyethylen mit ultra-hohem Molekulargewicht als Bindemittel, das einen sehr niedrigen Schmelzflussindex hat, in der Größenordnung von ≤ 1 Gramm/10 Minuten, bei einem Anteil von zwischen 10 und 35 Gew.%. Bindemittel mit einem hohen Schmelzflussindex werden dafür verantwortlich gemacht, dass sie die aktiven Stellen der Aktivkohle abdecken. Das Patent lehrt, dass die Blöcke, während sie noch in der Form sind, einer Erwärmung (175 bis 205°C) und einem Druck (30 bis 120 psi) unterzogen werden, um einen gebundenen integralen Kompositfilter zu bilden. Der Nachteil dieses Typs von Block ist die geringe physikalische Festigkeit aufgrund des niedrigen Schmelzflussindex des Bindemittels. Bei Temperaturen von nur wenigen Grad oberhalb der Schmelztemperatur (135 bis 138°C) hat der Block eine sehr schlechte physikalische Festigkeit. Das Verfahren beruht darauf, die Temperatur auf 175 bis 205°C zu erhöhen, um den Schmelzfluss zu erhöhen, der zunächst vermieden wird, um die Bindefestigkeit zu erhöhen.
US Patent Nr. 5,019,311 erteilt für die KT Corporation, lehrt einen ähnlichen Prozess, der ein Gemisch von herkömmlichen Bindemitteln mit mittleren und hohen Schmelzflussindices einsetzt. Diese herkömmlichen Bindemittel werden in eine "kontinuierliche Bahnmatrix" (Continuous web matrix – CWM) durch die Scherkräfte auseinandergezogen, die bei der Mischung des Materials vor der Extrusion auftreten, ohne Blockierung der aktiven Stellen, bei Temperaturen wesentlich oberhalb des Erwei chungspunktes des Bindemittels. Infolgedessen kann die benötigte Menge des Bindemittels signifikant auf etwa 8 bis 20 Gew.% reduziert werden. Während des Extrusionsprozesses sind die Medien in Kontakt mit der Trommel und der Schraube. Die extrudierten Medien sind sehr heiß und weich und müssen durch schnelle Abkühlung gehärtet werden, um ihre anschließende Handhabung zu erlauben. Das typische Bindemittel, Ethylenvinylacetatcopolymer (EVA), das in dieser Erfindung verwendet wird, wird bei einer Temperatur von minimal 145°C geschert, was wenigstens 30°C höher als die Schmelztemperatur (115°C) ist. Das Bindemittel wird gedehnt und über die Kohlenstoffteilchen ausgebreitet, um eine gute Bindefestigkeit zu ergeben. Dieser Prozess kann jedoch eine übermäßige Anzahl von Poren des Kohlenstoffs abdecken. Ferner ist die Absorptionsfähigkeit des Kohlenstoffs und die Adsorptionseffizienz sehr empfindlich abhängig von der Temperaturvariation und der Scherkraft in diesem Verfahren.
Während also bis jetzt Versuche unternommen worden sind, poröse Strukturen herzustellen, die Filterhilfsmittel mit kleinen Teilchengrößen enthalten, stellt die Technik keinen einfachen Prozess zur Verfügung, mit dem relativ geringe Mengen an Bindemittelharz mit kleinen Teilchen kombiniert werden können, um einen Block mit guter Grünfestigkeit und einem bevorzugt niedrigen Druckabfall während der Fluidtrennung oder Filtration zu erzeugen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen bereitzustellen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen mit feinen faserförmigen und teilchenförmigen Trennmaterialien und Bindemitteln bereitzustellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, poröse Strukturen mit feinen Trennmaterialien und Bindemitteln bereitzustellen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, poröse Strukturen bereitzustellen, die adsorbierende und nicht-adsorbierende Medien bereitstellen.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, poröse Strukturen vorzuschlagen, die größere Mengen an Trennmaterial und entsprechend kleinere Mengen an Bindemitteln enthalten, ohne Grünfestigkeit aufzugeben.
Es ist noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen bereitzustellen, die größere Mengen an Trennmaterialien und entsprechend geringere Mengen an Bindemitteln haben, ohne Grünfestigkeit aufzugeben.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen bereitgestellt, bei dem:
Eine Komponente ausgewählt wird, die eine primäre Trennfähikeit, Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit und Bindefähigkeit bereitstellt, wobei diese Komponente fibrilliert, faserig, nicht-absorbierend ist und wenigstens teilweise aus einem thermoplastischen Polymer hergestellt ist,
eine trockene Mischung mit dieser Komponente gebildet wird,
diese Mischung auf eine geeignete Oberfläche aufgebracht und eine gewünschte Dicke darauf aufgebaut wird,
die Mischung in die für die poröse Struktur gewünschte Form verdichtet wird,
die verdichtete poröse Struktur von der Oberfläche entfernt wird,
die Komponente, die die primäre Trennfähigkeit bietet, binden gelassen wird, indem das Gemisch auf eine Temperatur von bis zu etwa 20°C oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Polymers aufgeheizt wird, das die Bindefähigkeit liefert.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen bereitgestellt, bei dem:
Zwei Komponenten ausgewählt werden, die primäre Trennfähigkeit, Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit und Bindefähigkeit bereitstellen, wobei bei der Auswahl der zwei Komponenten diese zwei Komponenten die drei Fähigkeiten bereitstellen,
wobei die erste der Komponenten eine primäre Trennfähigkeit bereitstellt und aus Primärmedien ausgewählt ist, die absorbierend und nicht-schmelzend, nicht-absorbierend und nicht-schmelzend, oder nicht-absorbierend und schmelzend sind, und wobei die zweite der Komponenten, die die Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit bereitstellt, aus Grünsfestigkeitsmitteln ausgewählt ist, die fest und schmelzend, fest und nichtschmelzend, und flüssig sind,
unter der Bedingung, dass die erste Komponente, die ausgewählt ist, um primäre Trennfähigkeit bereitzustellen, nichtschmelzend ist, die zweite Komponente aus Grünfestigkeitsmitteln ausgewählt ist, die fest und schmelzend sind,
und unter der Bedingung, dass die erste Komponente, die ausgewählt ist, um primäre Trennfähigkeit bereitzustellen, nicht-absorbierend und schmelzend ist, die zweite Komponente aus Grünfestigkeitsmitteln ausgewählt ist, die flüssig sind, und solchen, die fest und nicht-schmelzend sind,
unter der Bedingung, dass die zweite Komponente Wasser ist, die erste Komponente, die ausgewählt ist, um primäre Trennfähigkeit zu liefern, eine zweikomponentige fibrillierte Faser ist,
und wobei wenigstens eine der Komponenten, die schmelzend ist, Bindefähigkeit liefert und wenigstens teilweise aus thermoplastischen Polymeren gebildet ist,
eine trockene Mischung mit den Komponenten gebildet wird,
die Mischung auf eine geeignete Oberfläche aufgebracht und in eine gewünschte Dicke darauf aufgebaut wird,
die Mischung in die für die poröse Struktur gewünschte Form verdichtet wird,
die verdichtete poröse Struktur von der Oberfläche entfernt wird,
die Komponenten durch Aufheizen der Mischung auf eine Temperatur von bis zu etwa 20°C oberhalb des Schmelzpunktes von irgendeiner der thermoplastischen Komponenten, die die Bindefähigkeit liefern, gebunden werden.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen bereitgestellt, bei dem:
Drei Komponenten ausgewählt werden, die primäre Trennfähigkeit, Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit und Bindefähigkeit bereitstellen, wobei die die Bindefähigkeit liefernde Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen und duroplastischen Polymeren, wobei bei der Auswahl der drei Komponenten jede Komponente wenigstens eine der Fähigkeiten bereitstellt,
eine trockene Mischung mit den Komponenten gebildet wird,
die Mischung auf eine geeignete Oberfläche aufgebracht und eine gewünschte Dicke darauf aufgebaut wird,
die Mischung in die für die poröse Struktur gewünschte Form verdichtet wird,
die verdichtete poröse Struktur von der Oberfläche entfernt wird,
die Komponente, die die primäre Trennfähigkeit liefert, gebunden wird, indem die Mischung auf eine Temperatur von bis zu etwa 20°C oberhalb des Schmelzpunktes irgendeiner thermoplastischen Komponente, die die Bindefähigkeit liefert, aufgeheizt wird oder die Mischung auf die Aushärtetemperatur von irgendeinem duroplastischen Polymer, das die Bindefähigkeit liefert, aufgeheizt wird.
1A-1Dbilden eine Folge von Schritten, die eine Maßnahme zum Komprimieren der Komponenten bei der Herstellung von porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen,
2A-2C stellen eine Folge von Schritten dar, die schematisch eine andere Maßnahme zum Komprimieren von Komponenten bei der Herstellung von porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen,
3A-3B sind Blockdiagramme, die verschiedene Kombinationen von Schritten für die Herstellung von porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen,
4 ist eine schematische Darstellung von verschiedenen Kombinationen von Komponenten und Verfahrensschritten für die Herstellung von porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung,
5A-5B bieten eine sequentielle schematische Darstellung von drei Komponenten, die für die Herstellung von porösen Strukturen kombiniert werden, vor der Kompression und Erwärmung in 5A und nach der Kompression und Erwärmung in 5B, gemäß der vorliegenden Erfindung,
6A-6B zeigen eine sequentielle schematische Darstellung von zwei Komponenten, die zur Herstellung von porösen Strukturen kombiniert sind, vor der Kompression und Erwärmung in 6A und nach der Kompression und Erwärmung in 6B und 6C, gemäß der vorliegenden Erfindung,
7A-7Bzeigen eine schematische sequentielle Darstellung einer Komponente für die Herstellung von porösen Strukturen, vor der Kompression und Erwärmung in 7A und nach der Kompression und Erwärmung in 7B, gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 ist ein vergrößerter Querschnitt, im Wesentlichen entlang der Linien 8-8 aus 7, einer Mehrkomponenten-Polymerfaser, die für die Herstellung von porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann,
9 zeigt zwei Mehrkomponenten-Polymerfasern, die für die Herstellung von porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, wobei ein Bereich der äußeren Polymerhüllen der Fasern miteinander verschmolzen dargestellt ist,
10 ist eine Teilansicht in seitlicher Draufsicht einer porösen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
11 ist eine vergrößerte Ansicht des in 10 eingekreisten Gebiets,
12 ist eine Teilansicht in seitlicher Draufsicht einer anderen porösen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
13 ist eine Teilansicht in seitlicher Draufsicht einer anderen porösen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
14 ist eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt, die eine andere poröse Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, die ein geschlossenes Ende hat,
15 ist eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt, die eine Form in Verbindung mit einer Mehrzahl von entfernbaren Hülsen für die Herstellung von vielschichtigen zylindrischen porösen Strukturen zeigt,
16 ist eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt, die einen Bereich eines Produktes einer vielschichtigen zylindrischen porösen Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
17A ist eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt, die eine Form in Verbindung mit einer Vorrichtung in schematischer Darstellung für die Herstellung von vielschichtigen zylindrischen porösen Strukturen zeigt,
17B ist eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt, die eine Form wie in 17A zeigt, die teilweise gefüllt ist,
17C ist eine seitliche Draufsicht, teilweise im Schnitt, die eine Form wie in Figur von 17A-B darstellt, wobei eine verdichtete vielschichtige zylindrische poröse Struktur gezeigt ist,
18 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung von vielschichtigen flachen porösen Schichtstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung, und
19 ist ein Querschnitt durch einen Bereich eines vielschichtigen, flachen porösen Schichtproduktes gemäß der vorliegenden Erfindung,
20 ist eine perspektivische Ansicht einer nichtfibrillierten Faserkomponente, die als eine Komponente der porösen Strukturen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann,
21 ist eine perspektivische Ansicht einer fibrillierten Faserkomponente, die als eine Komponente der porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, und
22 ist ein Graph, der, die Auswirkung eines wachsenden Anteils von hinzugefügten Polyethylenfasern auf die Grünfestigkeit der porösen Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung vergleicht.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von porösen Strukturen, die in Trennanwendungen, insbesondere Filtrationsanwendungen, verwendbar sind, und eine neue und nützliche Form von Blöcken oder anderen Konfigurationen daraus. Die porösen Strukturen umfassen 1) eine Komponente, die eine primäre Trennfähigkeit bereitstellt, oder Primärmedien (PM), 2) eine Komponente, die eine Grünfestigkeitsverstärkung liefert, oder Grünfestigkeitsmittel (GSA – green strength agents), und 3) eine Komponente, die Bindefähigkeit bereitstellt, oder Bindemittel (B). Eine oder mehrere Typen jeder Komponente können kombiniert werden. Optionale Komponenten (4) umfassen verschiedene Zusatzstoffe, wie weiter unten beschrieben wird. Die optionalen Zusatzstoffe verändern normalerweise nicht die Hauptfunktionen der PM, GSA und B. Jedoch kann der Zusatzstoff Teil des PM, GSA und/oder B werden, wenn der Beitrag des Zusatzstoffes signifikant ist.
In Bezug auf die primären Trennmedien können es eine oder mehrere Arten von Teilchen oder Fasern in Mischungen sein, die als poröse Matrix wirken. Vorzugsweise sind die Primärmedien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffteilchen, Kieselerde, Perlit, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Naturfasern und Kunstfasern. Pulverförmiger Kohlenstoff wird typischerweise ausgewählt, um eine poröse Kohlenstoffblockstruktur zu bilden, und weist Teilchengrößen von 10 bis 400 μm auf. Für eine allgemeine Beschreibung von geeignetem Kohlenstoff wird auf US Patent 4,859,386 verwiesen, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird. Aktivkohle ist erhältlich von Calgon, Barnebey und Sutcliffe etc. Teilchengrößen für andere teilchenförmige Medien sind Fachleuten allgemein gut bekannt und stellen daher keine Einschränkung für die Ausführung der vorliegenden Erfindung dar. In ähnlicher Weise können Faserdimensionierungen, d.h. Denier, Länge, Durchmesser und dergleichen, auch variiert werden, wie es bei Herstellung von verschiedenen porösen Strukturen auf Grundlage von faserförmigen Medien bekannt ist.
Hinsichtlich der Fasern umfassen die Naturfasern Cellulose, wie etwa Baumwolle und Holzfasern, Wolle, Jute, Hanf und die Kunstfasern umfassen Polyolefinfasern aus Monomeren mit zwei bis etwa vier Kohlenstoffatomen, wie etwa Polyethylen und Polypropylen, sowie Fasern aus Polyester, Kohlenstoff, Graphit, Glas, Acrylmaterialien, Rayon, Nylon und Aramid. In einigen Fällen können Mehrkomponentenfasern mit einem Polypropylen- oder Polyesterkern und einer niedriger schmelzenden Polyethylenhülle ausgewählt werden, wie weiter unten diskutiert wird. Solche Fasern sind kommerziell verfügbar und ein Beispiel ist eine Hülle aus hochdichtem Polyethylen (HDPE) und ein Kern aus Polypropylen (PP).
Die Primärmedien können auch gewisse Kunststoffpulver umfassen, einschließlich Polyolefinen, die aus Monomeren mit von 2 bis etwa 5 Kohlenstoffatomen gebildet sind, wie etwa Polyethylen und Polypropylen wie auch Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polykarbonat, Polysulfon, Nylon und Polyester. Es sollte jetzt klar sein, dass einige Arten von Primärmedien nicht-schmelzend sind, oder wenigstens bei der Herstellung der porösen Strukturen nicht schmelzen, während andere Arten schmelzen können und schmelzen, entweder teilweise oder vollständig. In Fällen, in denen die Primärmedien nicht nicht schmelzen, können adsorbierende poröse Medien hergestellt werden; es können jedoch sowohl adsorbierende als auch nicht-adsorbierende poröse Medien sowohl aus schmelzenden als auch aus nicht-schmelzenden Primärmedien hergestellt werden, wie weiter unten genauer beschrieben wird.
Beispiele adsorbierender nicht-schmelzender oder nichtgeschmolzener Primärmedien umfassen Aktivkohle, ionenaustauschende Harze, Aluminiumoxid und Zeolithe. Beispiele für nicht-adsorbierende nicht-schmelzende oder nicht-geschmolzene Primärmedien umfassen Naturfasern und Kunstfasern. Beispiele von nicht-adsorbierenden Medien, die aus schmelbaren Primärmedien hergestellt sind, umfassen Mehrkomponentenfasern.
Für das Grünfestigkeitsmittel können Fasern und Pulver eingesetzt werden. Während Pulver weniger effektiv sind, sind feine Fasern effektiver als grobe Fasern. Gerade oder geknickte Fasern sind weniger effektiv als fibrillierte Fasern. Weiche Fasern sind effektiver als feste Fasern. Die bevorzugten Fasern sind fibrilliert oder Mikrofasern, die aus der Gruppe ausgewählt sind bestehend aus Polyolefinfasern, wie etwa aus Polyethylen und Polypropylen, Polyestern, Nylon, Aramiden und Rayon. Diese Fasern fungieren zusätzlich als Bindemittel, wenn sie schmelzen, oder als Teil der porösen Matrix, abhängig von ihrer physikalischen und chemischen Natur und dem Porositätszustand. Der bevorzugte Durchmesser für diese Typen von Fasern beträgt weniger als 100 μm, ist aber nicht beschränkt. Die Menge an Grünfestigkeitsmittel und die Kompressionsdrücke sind Verfahrensvariablen für eine spezifische Formulierung.
Andere Typen von Grünfestigkeitsmitteln umfassen flüssige Grünfestigkeitsmittel wie zum Beispiel Latizes und Harzlösungen. Styrol-Butadien, Poly(etylen-vinylacetat), und Latizes vom Acrylattyp sind gute Kandidaten. Es können auch wässrige Harzlösungen, die aus wasserlöslichen Polymeren hergestellt sind, wie etwa Methylcellulose und Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrolydon, Acrylsäure, Polyethylenoxid, Polyethylenimin, Polyacrylamid, Naturkautschuk und Copolymere daraus verwendet werden, entweder separat oder in Mischungen. Es können auch kleine Mengen von Wasser verwendet werden, um trockene pulverförimige duroplastische Bindemittelharze weicher zu machen, wie etwa Phenolformaldehyd- und Melamin-Formaldehyd-Harzpulver, um die Grünfestigkeit zu erhöhen.
Das Bindemittel kann in Form von Pulver oder Fasern oder Gemischen daraus vorliegen, wobei thermoplastische und duroplastische Kunststoffe bevorzugt sind. Die faserförmigen Bindemittel können Mehrkomponentenfasern und fibrillierte Fasern umfassen und können auch gewisse Trenneigenschaften besitzen. Es ist bevorzugt, dass das Bindemittel einen mittleren Schmelzindex hat, um die physikalische Festigkeit zu verbessern, Schmelzfluss zu reduzieren und die zum thermischen Binden der Medien erforderliche Zeit zu verkürzen. Der bevorzugte Schmelzindex ist > 1g pro 10 Minuten (ASTM 1238 Methode) bis zu etwa 20g pro 10 Minuten für adsorbierende und absorbierende Medien.
Insbesondere werden die Pulvermaterialien aus der Gruppe ausgewählt, die aus Polymerpulvern besteht, die aus Monomeren mit von zwei bis fünf Kohlenstoffatomen resultieren, wie etwa die Polyolefine, zum Beispiel Polyethylen und Polypropylen, wie auch Epoxidharz, Phenolformaldehyd- und Melamin-Formaldehyd-Harzpulver. Solche Polymerpulver haben Teilchengrößen in der Größenordnung von etwa 10 bis 40 μm. Die faserförmigen Bindemittel umfassen Polymerfasern, wie etwa Polyolefine, die aus Monomeren mit von etwa 2 bis 5 Kohlenstoffatomen resultieren, zum Beispiel Polyethylen und Polypropylen, und Mehrkomponentenfasern mit verschiedenen Geometrien und Polymerkombinationen. Die Länge von solchen Arten von Fasern ist gewöhnlich kleiner als 0,5 Zoll. Die bevorzugte Länge ist kleiner als 0,25 Zoll. Der bevorzugte Faserdurchmesser ist geringer als 200 μm.
Zusätzliche thermoplastische Polymere, wie etwa Ethylenvinylacetat, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polykarbonate, Polysulfone, Polyester und Nylon können als Bindemittel verwendet werden. Die kristallinen Polymere geben gewöhnlich eine bessere physikalische Festigkeit und besser definierte Schmelztemperaturen. Die amorphen Polymere haben keine Schmelztemperaturen; die beste Art und Weise, die Temperatur zum Aushärten auszu wählen, besteht darin, mit Temperaturen von 5 bis 20°C über der Glasübergangstemperatur zu experimentieren. Die Schmelztemperaturen und Glasübergangstemperaturen können unter Anwendung von dynamischer Differenz-Kaloremetrie (DSC) bestimmt werden oder können von den Herstellern erhalten werden.
Zusätzlich zu den vorhergehend genannten Komponenten können die porösen Strukturen der vorliegenden Erfindung auch optionale Komponenten oder Zusatzstoffe enthalten, wie etwa kationisch geladene Harze, Ionenaustauschmaterialien, Perlit, Kieselerde, aktiviertes Aluminiumoxid, Zeolithe, Harzlösungen, Latizes, metallische Materialien und Fasern, Cellulose, Kohlenstoffteilchen, Kohlenstofffasern, Rayonfasern, Nylonfasern, Polypropylenfasern, Polyesterfasern, Glasfasern, Stahlfasern und Graphitfasern und dergleichen, einschließlich Gemischen daraus, um zusätzliche Eigenschaften und Merkmale bereitzustellen oder um die Kosten des Produkts zu reduzieren. Viele Fasern, wie etwa aus Polypropylen, Polyester, Nylon, Glas, Kohlenstoff, Stahl und Graphit sind gute Kandidaten, um die Zug- und Schlagfestigkeit zu verbessern. Die Anteile solcher optionalen Komponenten können von etwa 0,1 bis etwa 90 Gew.% reichen, mit einem damit einhergehenden geringerem Gehalt von Primärmedien.
Während einige der optionalen Komponenten auch als primäre Trennmedien oder Grünfestigkeitsmittel dienen können und daher in Mischungen vorhanden sein können, aus denen die porösen Strukturen hergestellt werden, werden sie in solchen Fällen eingesetzt, in denen verwendete Trennmedien oder Grünfestigkeitsmittel beispielsweise nicht dieselben sind, wie beispielsweise wenn die Trennmedien Kieselerde und die optionale Komponente Kohlenstofffasern sind oder wenn das Grünfestigkeitsmittel Polyolefinfasern und die optionale Komponente Glasfasern sind.
Kationisch geladene Harze können direkt auf die bestimmten Medien aufgesprüht werden, wie etwa Kieselerde und Kohlenstoff. Diese behandelten Medien adsorbieren kleine anionische Teilchen mit größerer Effizienz bei der wässrigen Trennfiltration. Solche Harze sind in früheren Patenten der Patentinhaberin diskutiert worden. Diese umfassen zum Beispiel US Patent 4,007,113 und 4,007,114, die kationische, kolloidale modifizierte Melaminformaldehydmedien betreffen, US Patent 4,305,782, das kationische, kolloidale modifizierte Siliziumdioxid-Fasern und Teilchen betrifft und US Patent 4,309,247, das celluloseartige Faser- und Teilchenmedien betrifft, die mit kationischen Epichlorhydrin/Polyamin- und Polyamid-Harzen behandelt sind.
Das bevorzugte Verfahren zum Ausführen der Erfindung ist die trockene Ablagerung der Komponenten, im Gegensatz zur feuchten Ablagerung oder feuchten Verarbeitung. Bei dem Verfahren der trockenen Ablagerung werden die Komponenten zuerst trocken gemischt, gefolgt von der Aufbringung der Mischung auf eine geeignete Oberfläche bei Umgebungstemperaturen. Die Definition einer "geeigneten Oberfläche" wie der Begriff hier verwendet wird umfasst das Einbringen in eine Form wie auch das Aufbringen auf eine andere Oberfläche, die den Aufbau oder die Bildung einer gewünschten Dicke der trockenen Mischung für die nachfolgende Verarbeitung erlaubt. Wenn die Mischung in einer Form aufgebracht wird, wird die gewünschte Dicke im wesentlichen dadurch erhalten, dass die Form gefüllt wird. wie weiter unten beschrieben wird, kann die Mischung auch auf eine flache Oberfläche mit einer gleichmäßigen und gewünschten Dicke aufgebracht werden. Daher ist die Ausführung des Verfahrens der Erfindung nicht dadurch beschränkt, ob eine Form verwendet wird oder nicht.
Die Definition von "trocken" umfasst auch minimale Mengen von Flüssigkeit innerhalb der Mischung. Diese Menge an Flüssigkeit verändert nicht die Erscheinung und die physikalische Handhabbarkeit in einer Weise, so dass es zu einer "feuchten" Mischung oder Verfahren käme, die dadurch definiert sind, dass sie herabtropfende Flüssigkeit zeigen oder eine andere Handhabung erfordern. Mithin beinhaltet das Verfahren der vorliegenden Erfindung nicht die Bildung einer feuchten Aufschlemmung von Komponenten; dementsprechend sind die Bildung von Vakuum oder andere Schritte für die Entfernung von Flüssigkeit nicht erforderlich.
Die Teilchengrößenverteilung der Mischung kann sehr gleichmäßig gehalten werden, indem eine fibrillierte Faserkomponente über die gesamte Struktur vorhanden ist. Mit anderen Worten verhindern die fibrillierten Fasern die Trennung oder Wanderung von großen und kleinen Teilchen. Die Mischung hat in diesem Zustand noch keine Grünfestigkeit.
Der nächste Schritt in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist die Verdichtung der trockenen abgelegten Mischung in verschiedene Formen und Gestalten. Solche Verfahrensweisen umfassen das Kalendrieren, Pressen, Kolbenformen, Spritzgussformen, das isostatische Pressen und Extrusion. Wenn die Mischung in eine Form eingebracht ist, wird sie durch Kolbenformen, isostatische Kompression und dergleichen komprimiert. Wenn die Mischung auf einer flachen Oberfläche aufgebracht ist, kann sie in ähnlicher Weise durch Kalendrieren oder andere Pressoperationen komprimiert und verdichtet werden, wodurch eine flache Platte gebildet wird, die in Fällen verwendet werden kann, in denen flache Plattenmedien erwünscht sind, oder es können scheibenförmige Teile aus solchen Platten zur endgültigen Verwendung in geeignet gestalteten porösen Strukturen geschnitten werden.
Isostatische Kompression umfasst entweder Nasshüllenpressen oder Trockenhüllenpressen. Wie bekannt ist setzen beide Ver fahren eine mit einem Fluid gefüllte Kammer ein, die hydraulisch gleichzeitig und gleichmäßig Druck auf alle Oberflächen des zu formenden Teils ausübt. Das zu komprimierende pulverförmige Material ist in einer geformten Membran eingekapselt, die als Hüllenwerkzeug bekannt ist und sowohl als Form für das Teil und als Barriere gegen die Hydraulikflüssigkeit dient. Der gleichmäßige Druck komprimiert das Pulver aus allen Richtungen genau in die Form des Hüllenwerkzeugs.
Beim Nasshüllenpressen wird Pulver in eine Gummiform gefüllt. Nach der Füllung wird die Form versiegelt und hydraulisch Druck angewendet. Sobald das Unterdrucksetzen abgeschlossen ist, muss die Form wieder geöffnet und das komprimierte Teil entfernt werden.
Beim Trockenhüllenformpressen wird das hydraulische Druckfluid durch eine Haupttrockenhülle innerhalb der Druckkammer abgedichtet und in diese Haupthülle ist eine separate Formtrockenhülle eingesetzt. Bei diesem Verfahren wird das Material in die Formhülle gefüllt, und nach dem Unterdrucksetzen kann die Formhülle aus der Druckkammer entfernt werden. Das Trockenhüllenverfahren vereinfacht die Operationen und erhöht die Produktionsgeschwindigkeit. Trockenhüllenkompression ist eine bevorzugte, aber nicht einschränkende Verfahrensweise, um den Schritt des Verdichtens durchzuführen.
Mit Bezug auf 1A wird die trockene Mischung von Komponenten zur porösen Strukturbildung in eine Gummiform, Hülle 21, gefüllt, die in einem Druckgefäß 22 gehalten ist. Das Gefäß 22 stellt eine hydraulisch aktivierte Kammer 23 bereit, um die Form 21 zu komprimieren. In 1B ist das Gefäß durch einen Deckel 24 verschlossen durch geeignete Mittel (nicht gezeigt), und die Gummiform 41 wird dann innerhalb der Kammer 23 komprimiert (1C). Nach der Kompression hat das Grünprodukt 25 genügend Grünfestigkeit, um ohne äußere Form selbst tragend zu sein, und wie in 1D gezeigt wird der Druck auf die Hülle 21 entspannt, das Gefäß 22 geöffnet und das Produkt 25 mit geeigneten Mitteln wie etwa einem Kolben 26 entfernt. Das Füllen der Gummiform wird mit Hilfe eines Trichters oder einer ähnlichen Füllvorrichtung erreicht, die allgemein mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet ist. Eine solche Vorrichtung muss dazu in der Lage sein, die Komponentenmischung 20 innerhalb der Form schnell und in abgemessenen Mengen zu verteilen. Da dies zum allgemeinen Fachwissen gehört, muss eine solche Vorrichtung nicht in detaillierter Weise beschrieben werden. Natürlich ist die vorhergehende Erläuterung wie auch die 1A-1Dnur schematisch und vereinfacht zur Darstellung einer Operationsweise.
Wie oben bemerkt kann die trocken ausgebrachte Mischung von Komponenten 20 zur Bildung von porösen Strukturen auch auf eine flache Oberfläche aufgebracht werden. Alternativ und mit Bezug auf 2A kann eine solche flache Oberfläche 30 einen beweglichen Gurt umfassen, der in geeigneter Weise gelagert ist und durch eine Kalendriervorrichtung läuft, die allgemein mit 31 bezeichnet ist. Die Mischung wird zunächst aufgebracht, um eine gewünschte Dicke bereitzustellen, die in 2A links von der Kalandriervorrichtung gezeigt. Sie wird dann zwischen gegenüberliegenden Kalandrierwalzen 32 und 33 gefördert, um eine verdichtete Platte von Grünprodukt 34 zu bilden. In diesem Zustand wird die Platte 34 von der ersten Oberfläche 30 abgenommen und zu einer Presse 35 weitergeleitet, die eine untere Tragplatte 36 und eine obere Werkzeugplatte 38 aufweist, wie schematisch in 2B dargestellt. Die letztere stellt eine Mehrzahl von Stanzen 39 bereit, die eine Mehrzahl von kleineren porösen Grünmedienprodukten stanzen oder schneiden, wie etwa Scheiben oder andere geeignete gestaltete Medien. Die Grünscheiben 34 werden dann zu einem Ofen 40 zur weiteren Verarbeitung in poröse Medien befördert.
Obwohl in 2A und 2B ein kontinuierlicher Prozess schematisch dargestellt ist, ist anzuerkennen, dass die Oberfläche 30 genauso die untere Platte einer Presse sein könnte. Die Kalandrierwalzen 31 würden durch eine obere Platte (nicht gezeigt) ersetzt, die die Mischung von Komponenten 20 zu der Platte aus Grünprodukt 34 komprimieren und verdichten würde. Natürlich wird das anschließende Schneiden des Grünprodukts durch die endgültige Form und Abmessungen der gewünschten porösen Medien vorgeschrieben, und daher kann die Platte selbst zur Verwendung in einer sogenannten "Plate and Frame" Vorrichtung oder dergleichen gestaltet werden, ohne dass sie einem Schneidvorgang wie in 2B dargestellt unterzogen wird.
Nach der Bildung des Grünprodukts 25 oder 34 besteht der nächste Schritt darin, die Primärmedien zu verfestigen, indem das Bindemittel innerhalb der porösen Struktur auf eine Temperatur gerade oberhalb des Schmelzpunktes des Polymerbindemittels geschmolzen wird, so dass ein selbsttragender Zustand aufrechterhalten wird. Dies ist wiederum schematisch in 2C für die Grünscheibenprodukte 34 dargestellt. Die bevorzugte Temperatur ist bis zu 20°C oberhalb des Schmelzpunkts des Bindemittels und besonders bevorzugt 10°C über dem Schmelzpunkt. Beispielsweise betragen die Binde- oder Klebetemperatur und -zeit für FA700(Quantum OSI) und 13040F (MiniFiber) Bindemittel aus hochdichtem Polyethylen etwa 140°C (ungefähr 5°C oberhalb der Schmelztemperatur und ungefähr 15°C oberhalb der Vikat-Erreichungstemperatur) und 40 Minuten. (Der Schmelzpunkt des Bindemittels wird mit einem dynamischen Differenzkalorimeter (differential scanning calorimeter) mit 5°C/Min. bestimmt). Bei dieser Erwärmungstemperatur ergibt die poröse Struktur die größte physikalische Festigkeit, ohne dass Probleme mit hohem Schmelzfluss verursacht werden, von dem angenommen wird, dass er die Kapazität und Effektivität durch Versiegeln der Poren der primären adorbtiven Trennmedien, wie Aktivkohle, reduziert.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen Merkmalen sind die porösen Strukturen während des Erwärmungsprozesses selbsttragend. Die Grünfestigkeitsmittel geben den porösen Strukturen auch Warmfestigkeit. Die besten Kombinationen von Zeit und Temperatur hängen von dem Typ oder der Mischung der Bindemittel ab. Die besten Bedingungen sind, dass sich der geringste Schmelzfluss und die höchste physikalische Festigkeit während eines möglichst kurzen Zeitraums ergibt. Andere thermische Verfestigungsprozesse wie Mikrowellen-, Radiofrequenz- und Infraroterwärmen können auch verwendet werden. Anders als im Stand der Technik wird während des Heizschrittes keine Scherkraft auf die Medien angewendet. Auch werden keine Polymerbindemittel mit ultrahohem Molekulargewicht eingesetzt.
Während das Erwärmen des Grünproduktes 25 in ausreichender Weise, um das Bindemittel schmelzen oder reagieren zu lassen, ein bevorzugter Schritt ist, umfasst die vorliegende Erfindung auch einen Prozess, bei dem das Produkt nach dem Kompressionsschritt fertig ist und keine Aufheizung oder separate Erwärmung benötigt. Beispiele für solche Produkte, die allein durch Kompression hergestellt werden, werden weiter unten in den Beispielen mit den Nummern 1 bis 20 präsentiert.
In der folgenden Tabelle 1 sind die Unterschiede zwischen den in den drei in der Einleitung zusammengefassten Patenten beschriebenen Prozessen und dem Prozess der vorliegenden Erfindung, die auf Cuno, Inc. übertragen worden ist, aufgelistet. Keines der drei ersten Produkte des Standes der Technik war vor oder während des thermischen Bindens selbsttragend.
Es können mehrere Schichten von Trennmedien durch Kallendrieren, Pressen oder isostatisches Komprimieren hergestellt werden. Die Mischungen jeder Schicht können hinzugefügt werden und aufeinanderfolgend gepresst werden, um die mehrschichtigen porösen Struturen unter verschiedenen Pressbedingungen herzustellen. Im Falle des isostatischen Prozesses können die Mischungen verschiedener Schichten gleichzeitig durch eine Einfüllvorrichtung hinzugefügt werden, die mit konzentrischen Mündungen versehen ist. Die Füllvorrichtung bewegt sich während des Füllens nach oben, ohne die separaten Schichten zu stören. Alternativ kann der Füllvorgang vorgenommen werden, indem die Hülsen entfernt werden, nachdem verschiedene Komponenten hinzugefügt sind.
Die Hinzufügung von nur etwa 1% eines hochfesten faserförmigen Materials kann die physikalische und die Schlagfestigkeit signifikant verbessern. Diese Art von Kompositstruktur vermindert Rissbildung bei den Produkten während des Transports und der Handhabung und verbessert die Stabilität des Produkts. Viele Fasern, wie etwa Polypropylen-, Polyester-, Glas-, Kohlenstoff- und Graphitfasern sind gute Kandidaten für solche Zwecke. Wenn die Medien zu flauschig und schwer zu prozessieren werden, wenn große Mengen faserförmigen Materials in dem Produkt verwendet werden, ist es bevorzugt, die Medien vorab zu kompaktieren. Die Form der vorkomprimierten Materialien kann in viele Formen wie zum Beispiel Platten-, Stangen-, Zylinder-, Pellet- und Brikettform gepresst werden.
Ein anderer Vorteil des isostatischen Kompressionsprozesses besteht darin, verschiedene Formen oder Muster von porösen Strukturen herzustellen. Insbesondere können Nuten mit verschiedenen Formen direkt in die Oberfläche der porösen Struktur geformt werden, wenn die Formhülle mit entgegengesetzten Mustern gestaltet ist. Die Oberflächennuten verbessern die Schmutzhaltekapazität in Trennanwendungen. Ferner kann dieser Prozess poröse Strukturen, typischerweise in Zylinderform, mit einem hohlen mittleren Kern herstellen, der an einem Ende abgedichtet werden kann, wenn ein kürzerer mittlerer Stift verwendet wird. Dieser Typ von Produkt macht Materialien und Arbeitsschritte überflüssig, die beim Anbringen einer Kappe am Ende der Struktur in einem typischen Herstellungsprozess eines zylindrischen Filters benötigt werden.
Die Verdichtung über isostatische Kompression liefert als weiteren Vorteil die Bildung von porösen Strukturen mit L/D (Länge zu Durchmesser) Verhältnissen von mehr als 3:1, im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahrensweisen der axialen Kompression die aus praktischen Gründen begrenzt sind auf L/D von 2 bis 3:1 wegen innerhalb der Struktur erzeugter axialer Dichtegradienten.
Zusammenfassend sind die Hauptbestandteile in den Formulierungen der porösen Strukturen: 1) Primärmedien (PM), 2) Grünfestigkeitsmittel (GSA), 3) Bindemittel (B) und 4) optionale Zusatzstoffe. Die optionalen Zusatzstoffe verändern normalerweise nicht die Hauptfunktionen von PM, GSA und B. Der Zusatzstoff kann jedoch Teil von PM, GSA und/oder B werden, wenn der Beitrag des Zusatzstoffes signifikant ist.
Bevor wir zu Beispielen zur Demonstration der Ausführung der vorliegenden Erfindung kommen, ist es notwendig, noch einmal auf die vorangegangen Komponenten einzugehen. Demgemäß sind in einigen Fällen minimal drei separate Komponenten vorhanden, ausschließlich optionaler Komponenten. Diese umfassen die Primärmedien PM, die Grünfestigkeitsmittel GSA und den Binder B, wie in dem Rechteck 50 der 3A und 3B dargestellt ist. Diese Komponenten werden anfangs trocken gemischt und dann komprimiert, Rechteck 51, entnommen, Rechteck 52, und entweder erwärmt, 3A Rechteck 53, oder nicht erwärmt, wie in 3B dargestellt. Beide Prozesse erzeugen nicht adsorbieren de und adsorbierende poröse Strukturen, zum Beispiel Filter oder Trennmedien, siehe Rechtecke 54 und 55 aus 3A und Rechtecke 56 und 58 aus 3B.
Mit Bezug auf das in 3A dargestellte Verfahren und mit Bezug auf 4 können die Primärmedien im Rechteck 60 sowohl Pulver 61 als auch Fasern 62 enthalten. Die Bindemittelmaterialien in Rechteck 63 können auch sowohl Pulver 64 als auch Fasern 65 enthalten. Schließlich können die Grünfestigkeitsmittel in Rechteck 66 ebenfalls Pulver 67 und Fasern 68 enthalten. Um die Erläuterung an dieser Stelle zu vereinfachen, sind Arten von Komponenten, die nicht-pulverförmig und nicht-faserig sind, wie etwa Harzlösungen, Latizes und Wasser, in 4 nicht dargestellt, wobei dies so zu verstehen ist, dass ihr Vorhandensein nicht notwendig ausgeschlossen ist. Der mit Bezug auf 4 zu bedenkende Punkt ist, dass das fertiggestellte Produkt 69 aus einer Kombination von Pulvern und Fasern resultieren kann, zum Beispiel: PM-Pulver 61, B-Pulver 64 und GSA-Fasern 68 wie auch Mischungen aus drei Fasern: PM 62, B 65 und GSA 68 usw..
Es ist auch zu bedenken, das PM-Pulver und -fasern im Allgemeinen nicht-schmelzend sind, aber aus schmelzbaren Materialien ausgewählt werden können. Entsprechend sind, während die B-Pulver und -fasern schmelzbar sind, die GSA-Pulver und -fasern im Allgemeinen nicht-schmelzend, können aber aus schmelzbaren Materialien ausgewählt werden. Ferner ist es nicht immer notwendig, drei separate Komponentenmaterialien auszuwählen, um ein PM-, B- und ein GSA-Material bereitzustellen. Zum Beispiel kann die für das PM ausgewählte Faser auch als GSA für ein Zweikomponentenprodukt 69 verwendet werden; oder wenn die für das PM ausgewählten Fasern Mehrkomponentenfasern (HDPE/PP) sind, können sie als B- und GSA-Material für ein einkomponentiges Produkt 69 verwendet werden etc.. In ähnlicher Weise kann die vorliegende Erfindung mit Mischungen aus mehr als ei nem PM und/oder mehr als einem B und/oder mehr als einem GSA ausgeführt werden, und es ist daher anzuerkennen, dass die porösen Strukturen 69 und die Prozesse der vorliegenden Erfindung nicht auf die Kombination einer einzelnen PM-Komponente, einer einzelnen B-Komponente und einer einzelnen GSA-Komponente beschränkt sind.
Nichtsdestoweniger weisen die porösen Strukturen der vorliegenden Erfindung zwischen 70 und 90 Gew.% PM, zwischen 8 und 20 Gew.% B und zwischen einem und 15 Gew.% GSA auf, auch wenn zwei oder drei der ursprünglich in der Mischung bereitgestellten Komponenten durch eine Komponente ersetzt werden. Wenn entweder B oder GSA eine Harzlösung oder dergleichen ist, die in 4 nicht dargestellt ist, ist es immer noch möglich, Pulver und/oder Fasern für die PM und für wenigstens eine andere Komponente B oder GSA auszuwählen.
Mit Bezug auf 5-7 ist eine weitere Erläuterung in der Erfindung für drei beispielhafte Komponentenmischungen schematisch dargestellt. In 5A ist zunächst die Mischung aus PM, bezeichnet mit 80, B, bezeichnet mit 81, und GSA, bezeichnet durch 82, dargestellt. In 5B ist zu bemerken, dass, nachdem die Mischung komprimiert und erhitzt worden ist, das Produkt 83, von dem nur ein Segment gezeigt ist, als erkennbare Komponenten PM 80 und GSA 82 aufweist, während das Bindemittelmaterial 81 geschmolzen ist und die beiden anderen Komponenten zusammenhält, um das Produkt 83 zu bilden. Ein typisches Beispiel (Beispiel 41) umfasst Kohlenstoffteilchen als PM, fibrillierte Polypropylenfasern als GSA und Polyethylenpulver als B. Nach thermischem Binden wirken die Polypropylenfasern dazu, die strukturelle Festigkeit des porösen Produkts 83 zu verstärken.
In 6A enthält die Mischung PM, bezeichnet mit 90, und eine zweite Komponente 91, die eine faserförmige Komponente darstellt und als GSA und B dient. In 6B ist zu bemerken, dass, nachdem die Mischung komprimiert und erwärmt worden ist, ein Teil der Fasern 91 geschmolzen ist und das Bindemittel 92 bildet, um die verbleibenden Fasern (GSA) und PM in dem Produkt 93 zu verbinden. Ein typisches Beispiel enthält Ruß als PM und fibrillierte Fasern, zum Beispiel aus Polyethylen, als GSA und B (Beispiele 17 bis 20). 6C zeigt das vollständige Schmelzen der Fasern 91, so dass die Primärmedien 90 und das Bindemittel 92 verbleiben. Abhängig von den ausgewählten Komponenten kann das Produkt 93 das in 6B oder in 6C dargestellte sein.
In 7A enthält die Mischung nur Fasern, wie etwa Mehrkomponentenfasern aus HDPE/PP, bezeichnet mit dem Bezugszeichen 91. Diese Fasern bilden PM, GSA und B (Beispiel 47). In 7B, nach Komprimieren und Erhitzen dieser Fasern, ist ein Teil der Fasern geschmolzen und bildet das Bindemittel 92 des Produkts 94 während der Großteil der Fasern nun PM 95 darstellt, die das Fasermatrixnetzwerk des Produkts 94 bilden. Ein typisches Beispiel ist ein Produkt, das aus der Kompression und Erhitzung von Mehrkomponentenfasern resultiert, wie etwa aus HDPE/PP. Solche Fasern sind in 8 und 9 dargestellt, wobei der innere Kern 96 aus PP und die äußere Hülle 98 aus HDPE ist. In 9 sind Teile der Hüllen 98, nachdem diese Fasern erhitzt worden sind, zusammengeschmolzen, um eine Matrix verbundener Fasern zu bilden, die sowohl Trennfähigkeit als auch Grünfestigkeit bereitstellt.
In 10-13 sind verschiedene Typen von Produkten, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, dargestellt. In 10 weist das Produkt 100 eine zylindrisches Element oder einen zylindrischen Körper 101 mit einem hohlen mittleren Kern 102 auf. Eine Mehrzahl von ringförmigen Nuten 103 sind in der äußeren Oberfläche 104 gebildet, um die effektive Oberfläche des Elements zu vergrößern. Vorzugsweise sind die Nuten mit gegenüberliegenden geneigten Flanken 105 versehen, wie in 10 und 11 dargestellt, um die Nuten zu verstärken und um eine saubere Trennung der Form 21 von dem Element 101 sicherzustellen.
Während solche ringförmigen Nuten 103 in einen zylindrischen Rohling eingearbeitet werden können, kann dieser Extraschritt und das damit einhergehende Abfallmaterial eliminiert werden, indem die Komponenten in einer Form wie zuvor beschrieben komprimiert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass es gleichfalls möglich ist, andere Außenoberflächen als umlaufende Nuten zu schaffen. Als Beispiel zeigt 12 ein anderes Produkt 110 mit einem zylindrischen Körper 111 mit einem hohlen mittigen Kern 112. Die äußere Oberfläche 113 trägt eine Mehrzahl von Längsnuten 114, die in axialer Richtung über einen Großteil der Länge des Körpers verlaufen. Typischerweise enden die Nuten an jedem Ende 115 der Kartusche.
Als anderes Beispiel für die äußere Gestaltung zeigt 13 ein Produkt 120, das einen zylindrischen Körper 121, einen hohlen mittigen Kern 122 hat und eine Vielzahl von nach innen gerichteten, geschlossenen Vertiefungen 123 in der äußeren Umfangsfläche 124 aufweist. Es ist natürlich anzuerkennen, dass andere äußere Gestaltungen leicht möglich sind und dass auch die Gesamtgestaltung des Produktes nicht auf Zylinderform beschränkt ist, sondern auch rechteckig, quadratisch oder anderweitig gestaltet sein könnte, um ein Innenvolumen eines spezifischen Gehäuses zu bilden. Demgemäß ist auch anzuerkennen, dass die vorliegende Erfindung Produkte umfasst, die unstetige äußere Oberflächen haben, welche ohne separate maschinelle Bearbeitung nach der Herstellung bereitgestellt werden, wie auch glatte äußere Oberflächen, d.h. ununterbrochene zylindrische oder andere Oberflächen, die durch relativ glatte Formoberflächen bereitgestellt werden.
Es ist auch möglich, röhrenförmige Produkte zu bilden, die einen hohlen Kern haben, der an einem Ende geschlossen ist, indem die Mischung der Komponenten in einer Form mit geschlossenem Ende verdichtet wird. Solche Struktur ist in 14 für das poröse Produkt 125 dargestellt, das einen zylindrischen Körper 126, einen Kern 128 und einen geschlossenen Boden 129 hat. Typischerweise werden hohle rohrförmige Produkte dieses Typs, die aus primären Verstärkungsmedien und einem Bindemittel hergestellt sind, Hohlzylinder, die an beiden Enden offen sind. Durch Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung existieren solche Einschränkungen nicht mehr.
Es ist auch möglich, mehrschichtige zylindrische poröse Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. In 15 ist ein Druckgefäß 130 dargestellt, das mit einer Gummiform, Hülle 131, versehen ist, die innerhalb der hydraulisch aktivierten Kammer 132 angeordnet ist. Die Kammer 132 ist am Boden durch einen Kolben 133 und oben durch einen abnehmbaren Deckel (nicht gezeigt) geschlossen, der in der Formöffnung 134 aufgenommen wird. Innerhalb der Gummiform sind eine Mehrzahl von zylindrischen Hülsen, zum Beispiel zwei Hülsen 135 und 136, wie auch ein mittiger Dorn 138 angeordnet, der einen hohlen Kern 139 in der porösen Struktur 140 (16) bildet.
Während die Verwendung eines Dorns für die Herstellung der porösen Strukturen nicht kritisch ist, weil das Verfahren der vorliegenden Erfindung für die Herstellung von vollen porösen Strukturen geeignet ist, wird ein Dorn bei der Herstellung von hohlen Strukturen verwendet, die wiederum in Fällen eingesetzt werden, in denen ein radialer Durchfluss durch die poröse Struktur erwünscht oder notwendig ist.
Wie aus 15 ersichtlich ist sind die Hülsen 135 und 136 konzentrisch zu dem Dorn 138 angeordnet und erlauben zusammen die Hinzufügung von drei verschiedenen Kombinationen von Kom ponenten 141, 142 und 143. Die Hülsen sind anfangs in der Gummiform 138 plaziert, so dass drei zylindrische Schalen von Komponenten gebildet werden können, wonach die Hülsen herausgezogen werden und die Form geschlossen wird und dann die Komponenten unter Druck verdichtet werden. Anschließend wird die Form geöffnet und das Grünprodukt 140 mit dem Kolben 133 entnommen, um es anschließend zum Schmelzen der Bindematerialien zu erwärmen.
In 16 ist ein Teil des resultierenden Produktes 140 dargestellt, das eine äußere Lage 141 aus einem Typ Medien, eine mittlere Lage 142 aus einem anderen Typ Medien und eine innere Lage 143 aus Medien aufweist, die von denen der mittleren Lage 142 verschieden sind und die die gleichen Medien wie die der äußeren Schicht 141 oder andere sein können. Die Vorteile sollten ersichtlich sein, wenn man die Tatsache bedenkt, dass das resultierende Produkt 140 variierende Porositäten oder Gradienten-Porositäten, von grob zu fein oder von fein zu grob, bereitstellen kann. Zusätzlich können verschiedene Typen von Primärmedien eingesetzt werden, wie etwa teilchenförmige oder faserförmige Medien, was auch für die beiden anderen Komponenten, nämlich das Bindematerial und das Grünfestigkeitsmittel gilt. Weiterhin ist, während sich die vorhergehende Beschreibung auf drei unterscheidbare Lagen bezieht, anzuerkennen, dass mehrlagige Produkte, die zwei Lagen oder mehr als diese drei Lagen haben, gemäß der vorliegenden Erfindung möglich sind.
Alternativ ist es auch möglich, mehrlagige zylindrische poröse Strukturen ohne die Verwendung von Hülsen herzustellen. In 17A ist wiederum ein Druckgefäß 130 dargestellt, das mit einer Gummiform, Hülle 131, versehen ist, die in einer hydraulisch aktivierten Kammer 132 angeordnet ist. Die Kammer 132 ist am Boden durch einen Kolben 133 und oben durch einen abnehmbaren Deckel 145 (17C) verschlossen, der in der Formöffnung 135 aufgenommen ist. Wenn die Form offen ist, wird eine Füllvorrichtung, Füller 146, eingeführt, der konzentrische Lagen von Kompositmedien wie hierin beschrieben abgibt.
Die Füllvorrichtung 146 stellt, wie dargestellt, eine offene Basis 148 und eine obere trichterartige Mündung 149 bereit. Die Füllvorrichtung 146 wird mit einer Quelle von Kompositmischungen gemäß der vorliegenden Erfindung versorgt, in diesem Falle mit zwei. Es ist so zu verstehen, dass die Füllvorrichtung 146 zum Zweck der Vereinfachung schematisch dargestellt ist und dass Einrichtungen zum Liefern von Kompositmischungen durch die Mündung und durch die Füllvorrichtung Fachleuten bekannt sind und nicht dargestellt werden müssen. Die Füllvorrichtung 146 stellt auch eine Außenwand 150 und eine innere Hülse 151 bereit, um zwei separate konzentrische Lagen 152 und 153 von Kompositmischungen zu liefern. Während nur zwei Lagen gezeigt sind, ist dies natürlich so zu verstehen, dass auch mehr Lagen möglich sind.
Die Füllvorrichtung 146 wird anfangs am Boden der Form, wie in 17A dargestellt, planiert und die Mischungen werden vorsichtig in die Form eingebracht, so dass die Lagen 152, 153 getrennt und unterscheidbar bleiben. Während die Füllvorrichtung langsam zurückgezogen wird (17B), fließen die Kamposite weiter in die Form und bilden im Wesentlichen ein mehrlagiges Vorprodukt vor der Verdichtung. Wenn die Füllvorrichtung die Materialabgabe abgeschlossen hat, wird der Zufluss abgeschaltet (durch geeignete Einrichtungen, die nicht dargestellt sind), wird die Füllvorrichtung entfernt und der Deckel 145 aufgesetzt, wonach die Mischungen einer isostatischen Kompression unterzogen werden können. Nach dem Pressen erscheint das Produkt 155 wie in 17C und wird aus der Form 130 ähnlich wie mit der hierin zuvor beschriebenen Methode entnommen. Während ein Dorn 138 für eine hohle Struktur dargestellt ist, können volle, mehrlagige Strukturen durch Fortlassen des Dorns hergestellt werden.
Es ist anzuerkennen, dass man mehrlagige Produkte mit zwei oder mehr Zonen oder Lagen mit unterschiedlichem Charakter durch aufeinanderfolgendes Komprimieren einer hinzugefügten Lage über eine zuvor hergestellte Struktur von zylindrischer Form oder anderer Form bilden kann. Während diese Ausführungsform in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, liegt es auf Grundlage der vorhergehenden Beschreibung innerhalb des Fachwissens, poröse Strukturen in dieser Weise zu bilden, und ist dies daher eine Alternative, die im Umfang der Erfindung enthalten ist. Aufeinanderfolgendes Komprimieren kann ausgeführt werden, indem eine zusätzliche Lage oder Lagen von Kompositmaterialien auf die komprimierte Struktur 155 aufgebracht werden, bevor sie aus der Form genommen wird oder nach der Entnahme, wobei im letzteren Fall die Struktur in einen anderen Apparat eingebracht oder in die Form zurückgebracht werden kann.
Außerdem können auch flache Platten oder lagenförmige Materialien hergestellt werden, insbesondere wenn die Komponentenmischung kallendriert oder anderweitig verdichtet wird, um solche Formen zu bilden. Ferner ist es auch möglich, zwei- oder mehrlagige flache Plattenprodukte zu bilden, indem aufeinanderfolgende Lagen von Komponentenmischungen auf die erste Lage aufgebracht werden. Auf diese Weise ist es möglich, Produkte mit verschiedenen Mischungen von Basiskomponenten zu bilden, wobei jede Lage eine spezifische Mischung eines oder mehrerer der Komponentenelemente sein kann, die die primäre Trennfähigkeit, Verstärkungsfähigkeit und Bindefähigkeit liefern. Die spezifische Mischung kann die gleiche wie in einer anderen Lage in dem Produkt sein oder davon verschieden sein. Ferner können solche Lagen eine glatte Außenfläche, zum Beispiel Ober- und Unterseite, haben oder sie können mit Nuten oder anderen Gestaltungen versehen sein, wie oben beschrieben worden ist.
In 18 ist eine Vorrichtung 160 schematisch dargestellt, die einen beweglichen Gurt 161 aufweist, der eine flache Oberfläche 162 bereitstellt, wobei der Gurt durch einen Motor 163 angetrieben wird. Über der Oberfläche 162 befindet sich ein erster Trichter 164, der einen ersten Typ von Medien 165 abgibt, welche durch einen Rakel oder eine Rolle 166 gleichmäßig verteilt werden. Stromabwärts des ersten befindet sich ein zweiter Trichter 168 um eine mittlere Lage von Medien 169 auszugeben, die wiederum durch eine Rolle 166 gleichmäßig verteilt wird. Noch weiter stromabwärts befindet sich ein dritter Trichter 170, der einen dritten Typ Medien 171 abgibt, der auch durch eine Rolle 166 gleichmäßig verteilt wird. Als Resultat wird ein Produkt gebildet, das auf dem Gurt durch nicht gezeigte Einrichtungen verdichtet werden kann, um das Grünprodukt 172 zu bilden, oder das anschließend verdichtet werden kann.
In 19 ist ein Teil des mehrlagigen flachen Produktes 175 im Querschnitt dargestellt, das eine erste Lage 165 eines Medientyps, eine mittlere Lage 169 eines anderen Medientyps und eine dritte Lage 171 mit Medien verschieden von denen der mittleren Lage 169 aufweist, die die gleichen Medien wie die der ersten Lage oder unterschiedlicher sein können. Wie bei dem zylindrischen schichtförmigen Produkt 140 kann das resultierende Produkt 175 variierende Porositäten oder Gradienten-Porositäten bereitstellen, von grob zu fein oder von fein zu grob. Ferner können verschiedene Typen von Primärmedien, Bindemittelmaterial und/oder Grünfestigkeitsmittel eingesetzt werden. Während sich die vorhergehende Beschreibung auf drei unterscheidbare Lagen bezieht, ist anzuerkennen, dass mehrlagige Produkte mit zwei Lagen oder mehr als drei Lagen gemäß der vorliegenden Erfindung möglich sind. Ähnlich mit der zu den 2B und 2C gegebenen Erklärung, kann das flache plattenförmige Grünprodukt 172 mit Werkzeugen in eine Vielzahl von Scheiben oder anders gestalteten Elementen geschnitten werden.
Es ist wiederum anzuerkennen, dass man auch mehrlagige Produkte mit zwei oder mehr Zonen oder Lagen unterschiedlichen Charakters bilden könnte, indem eine hinzugefügte Lage über einer zuvor hergestellte flache Struktur komprimiert wird. Dafür müßte nur der Schritt der Hinzufügung einer nachfolgenden Schicht aus anderen Kompositmedien ausgeführt werden, vor der Erwärmung, gefolgt von der Verdichtung aller Schichten. Zusätzliche Lagen könnten in dieser Weise hinzugefügt werden oder mehrere Lagen von Medien könnten in einem Schritt hinzugefügt und verdichtet werden, abhängig von der Konstruktion der verwendeten Vorrichtung.
Auf Grundlage der vorhergehenden Erläuterung faserförmiger Komponenten wird anzuerkennen sein, dass die Fasern Monofilamentfasern, wie durch die Faser 180 in 20 dargestellt, oder fibrillierte Fasern sein können, wie durch die Faser 181 in 21 dargestellt. Fibrillierte Fasern 181 stellen Fibrillen 182 bereit, die von Fasern 183 nach außen verlaufen. Fibrillierte Fasern sind als PM, als GSA und als Bindemittel B, wobei ein gewisses Schmelzen auftritt, nützlich verwendbar.
Gemäß dem bevorzugten Verfahren der vorliegenden Erfindung können verschiedene poröse Strukturen unter verschiedenen Press- und Erhitzungsbedingungen hergestellt werden, abhängig davon, ob die Primärmedien nicht-adsorbierend oder adsorbierend (oder absorbierend) sind. Die verschiedenen Kombinationen bei der Herstellung sind schematisch in 3A und 3B dargestellt. Es gibt neun Hauptfälle zur Herstellung nichtadsorbierender und vier Hauptfälle zur Herstellung von adsorbierenden porösen Strukturen, die in Tabelle II dargestellt sind, wenn verschiedene Materialkombinationen PM, GSA und B komprimiert und erwärmt werden.
Tabelle II Fälle zum Komprimieren und Erhitzen von Komponenten
Das Symbol O steht für das Vorhandensein des Bestandteils und das er nicht als Bindemittel fungiert. Das Symbol M steht für das Vorhandensein des Bestandteils und dafür, dass er als ein Bindemittel schmilzt oder reagiert.

Fall A1: Die Primärmedien und Grünfestigkeitsmittel schmelzen nicht oder reagieren nicht. Nur das Bindemittel schmilzt oder reagiert. (Beispiel 41).
Fall A2: Die Primärmedien schmelzen nicht oder reagieren nicht. Sowohl die Grünfestigkeitsmittel als auch das Bindemittel schmelzen oder reagieren. (Beispiele 21-23).
Fall A3: Das Grünfestigkeitsmittel schmilzt nicht. Primärmedien und Bindemittel schmelzen oder reagieren beide. (Beispiel 42).
Fall A4: Primärmedien, Grünfestigkeitsmittel und Bindemittel schmelzen alle. (Beispiel 43).
Fall A5: Entweder Primärmedien oder Bindemittel wirken als Grünfestigkeitsmittel. Nur das Bindemittel schmilzt oder reagiert. (Beispiel 44).
Fall A6: Das Grünfestigkeitsmittel schmilzt oder reagiert. Es wird kein Bindemittel benötigt. (Beispiele 17-20, wenn das PE schmilzt).
Fall A7: Sowohl die Primärmedien als auch das Grünfestigkeitsmittel schmelzen oder reagieren. (Beispiel 45).
Fall A8: Die Primärmedien schmelzen oder reagieren. Es wird kein Bindemittel benötigt. (Beispiel 46).
Fall A9: Die Primärmedien fungieren als Grünfestigkeitsmittel und Bindemittel. (Beispiel 47).

In einem weiteren Beispiel können Mehrkomponentenfasern mit Polyethylenhülle und Polypropylenkern als Primärmedien verwendet werden; wenn durch die Erwärmung jedoch die Polyethylenhülle geschmolzen wird, wirken sie auch als Bindemittel. Wenn kein Bindemittel vorhanden ist, müssen entweder PM und/oder GSA schmelzen oder reagieren (Fall A6, A7, A8 und A9). Formulierungen mit mehr als einer Art von PM, GSA und B sind durch die Kombinationen der neuen in Tabelle 2 gezeigten Grundfälle abgedeckt. Im Fall von adsorbierenden porösen Strukturen schmelzen oder reagieren die Primärmedien nicht mit anderen Bestandteilen, und daher können nur vier verschiedene Fälle für verschiedene Kombinationen (Tabelle II) gefunden werden.
Die adsorbtiven porösen Strukturen, z.B. Aktivkohlemedien, sollten mit minimalen Anteilen an Bindemitteln hergestellt werden, um das Abdecken der wirksamen Oberfläche zu reduzieren. Nicht-adsorbierende Medien unterliegen keinen solchen Einschränkungen. Der Anteil an Bindemitteln für nichtadsorbierende Medien kann erheblich höher als die für adsorbierende Medien verwendete Anteil sein, wenn eine höhere physikalische Festigkeit erforderlich ist.
Wenn die Medien keine Bindekraft durch Schmelzen oder Reagieren des Bindemittels benötigen, muss das Grünfestigkeitsmittel die poröse Struktur zusammenhalten, um die endgültige Festigkeit zu ergeben. Die Primärmedien (PM) und/oder die Grünsfestigkeitsmittel (GSA) sollten dafür verantwortlich sein, zu der Festigkeit beizutragen. Die poröse Struktur wird durch verworrene oder deformierte Fasern und Teilchen zusammengehalten. Für jedes der nicht-adsorbierenden und adsorbierenden Medien sind in Tabelle III zwei Fälle aufgelistet. Typische Feinmetallfasern und Teilchen sind ideale Kandidaten, um physikalische Festigkeit zu liefern.
Tabelle III Fälle von Zusammensetzungen ohne Bindemittel
Das Symbol O steht für das Vorhandensein des Bestandteils und dafür, dass er nicht als Bindemittel fungiert.
Um die praktische Ausführung der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurde eine Folge von Filterblöcken wie in den folgenden Beispielen detailliert beschrieben hergestellt. Alle Anteile sind als Gew.% angegeben, wenn nichts anderes gesagt ist.
Beispiele Nr. 1-20
Der Beitrag von fibrillierter Fasern, nämlich Polyethylen (PE), zur Grünfestigkeit des Kohlenstoffblocks wurde demonstriert durch Formulieren von Kohlenstoff, PE-Fasern und PE-Pulver unter Verwendung der folgenden Eingangsstoffe:

85% Kohlenstoff: Barnebey & Sutcliffe Typ 3049 Kohlenstoff, 80×325 mesh

4-15% PE-Fasern: Minifiber, 1304 F)

5-11% PE-Pulver: (Quantum Chemical, FASP007).
Wie zu sehen sein wird wurden die relativen Anteile von Pulver und Fasern, die zusammen 15 Gew.% Polyethylen (PE) ausmachen, in Beispielen 1 bis 20 variiert. Alle hergestellten Blöcke wogen 55 g und wurden mit einer Metallkolbenform unter verschiedenen Drücken zu Blöcken geformt. Die verwendete Form hatte 1,75 Zoll Außendurchmesser und 0,375 Zoll Innendurchmesser und die Verweilzeit betrug 15 Sekunden. Die Länge variierte leicht um etwa 2 bis 5%, abhängig von dem Formdruck, und betrug etwa 2,4 Zoll. Die Grünfestigkeit wurde gemessen, indem die porösen Strukturen senkrecht zur Blockachse mit einer Geschwindigkeit von 0,0238 Zoll/Sekunde komprimiert wurden. Die Effekte des Formdruckes und der Menge an PE-Fasern auf die Grünfestigkeit sind in Tabelle IV und 22 angegeben. Die vier Kurven aus 22 sind graphische Darstellungen von den in Tabelle IV präsentierten Datenpunkten, wobei jede Kurve bei 4% PE-Fasern beginnt und bis 15% ansteigt. Die betreffenden Grünfestigkeiten können von den Kurven abgelesen und miteinander verglichen werden.
Tabelle IV Effekt des Formdruckes und des PE-Faseranteils auf die Grünfestigkeit
Wie aus Tabelle IV ersichtlich sein sollte liefern höhere Formdruckwerte größere Grünfestigkeit, und die Grünfestigkeitswerte waren höher, wenn der PE-Faseranteil erhöht war, für Blöcke, die 85% Kohlenstoff aufweisen. Für die Zwecke der weiteren Verarbeitung ist eine akzeptable Grünfestigkeit für diese Blöcke etwa 20 Pfund.
Beispiele Nr. 21-24
Drei poröse Strukturen (Kohlenstoffblöcke) wurden unter Verwendung der folgenden Eingangsstoffe hergestellt:
4% PE-Fasern 13040F
11% PE-Pulver FASP007
85% Kohlenstoff: Barnebey & Sutcliffe Typ 3049 Kohlenstoff, 80×325 mesh
Eine Form mit gleicher Größe wie die in den Beispielen Nr. 1-20 eingesetzte wurde verwendet, wobei der Formdruck 8000 psi betrug und die Verweilzeit 15 Sekunden betrug, um Blöcke von 2,25 Zoll Länge zu produzieren, außer in Beispiel 24, das ein 9,75 Zoll Block hergestellt von der KX Corporation, der anschließend in 2,25 Zoll Blöcke geschnitten wurde. Der KX Corporation Block wies 85% Kohlenstoff und 15% Bindemittel auf. An 0,625 Zoll Scheiben, die von den 2,25 Zoll Blöcken abgeschnitten wurden, wurde durch Kompression mit einer Rate von 0,0238 Zoll/Sekunde ein Kollapstest durchgeführt. Die Blöcke hatten 1,75 Zoll Außendurchmesser und 0,375 Zoll Innendurchmesser. Die Beispiele 21-23 wurden bei 139°C für die in Tabelle V aufgeführte Zeitperiode auf 139°C erwärmt. Bewertungen für Methylenchloridreduktion wurden durchgeführt, um die Effektivität der verschiedenen Blöcke zu bewerten. In einen Speisestrom von 300 ml/Min. von Stadtwasser aus Meriden, Connecticut, wurde Methylenchlorid mit einer Konzentration von 300 ppb zugefügt. Die Durchbruchkonzentration wurde auf 15 ppb festgesetzt. Nach dem Experiment wurden Kollapstests an 0,625 Zoll Scheiben, die von den 2,25 Zoll Blöcken abgeschnitten wurden, durch Komprimieren senkrecht zu der Achse mit einer Rate von 0,0238 Zoll/Sek. durchgeführt. Die Resultate für beide Tests sind in Tabelle V dargestellt.
Tabelle V Methylenchlorid-Reduktion und Kollapstest der Kohlenstoffblöcke
Beipiele Nr. 25-29
Die gleiche Formulierung, die für Beispiele 21-23 verwendet wurde, wurde mengenmäßig vergrößert, um Blöcke von 290g herzustellen, die 12 Zoll Länge mit einem Außendurchmesser von 1,75 Zoll und einem Innendurchmesser von 0,375 Zoll haben. Es wurde der isostatische Kompressionsprozess gemäß der bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung einer Gummiform und unter Kompression durch hydraulischen Druck bei 2500 psi für 20 Sek. angewendet. Die Blöcke wurden anschließend für verschiedene Zeiträume bei 142° bis 143°C ausgeheizt und dann in Längen von 9,75 Zoll zum Testen geschnitten. Teststaub AC-fine (ACFTD) wurde für drei Tests eingesetzt: Grammaufnahme (gram life), Trübungsreduktionseffizienz und prozentuale Teilchenreduktion bei 0,6 GPM. Zwei 9,75 Zoll Produkte der KX Corporation aus unterschiedlichen Chargen wurden bewertet (Beispiele 28 und 29). Kollaps-Krafttests wurden ebenfalls durchgeführt und sind mit den anderen Testresultaten in Tabelle VI aufgeführt. Die Definitionen der in Tabelle IV verwendeten Parameter ist wie folgt:

a. ΔP, Differenzdruck (psid) über den Filter bei einem Strom von 0,6 GMP;
b. Grammaufnahme (gram life), ACFTD: Das kumulierte Gewicht (in Gramm) von Teststaub AC-fein (ACFTD), der dem Filter zugeführt wird, wenn der Differenzdruck um 20 psi erhöht wird bei einem Strom von 0,6 GPM;
c. Trübung, NTU: Nephelometrische Trübungseinheiten. Die Trübung ist eine Funktion der Konzentration und Teilchengröße von in Wasser suspendierten Feststoffen;
d. Prozentuale Reduktion der Teilchenanzahl zwischen 1-5 μm; der NSF (National Sanitation Foundation) Standard verwendet eine minimale Reduktion von diesem Teilchenbereich von 85% für eine Bewertung als Teilchenreduktionsklasse II.

Beispiele 30-33
Unter Verwendung der nachfolgend in Tabelle VII gezeigten Eingangsstoffe wurden vier poröse Strukturen (Kohlenstoffblöcke) hergestellt. Die Länge betrug etwa 2,42 Zoll, der Außendurchmesser war 1,75 Zoll und der Innendurchmesser 0,375 Zoll. Die Blöcke wurden bei einer Kraft von 6.000 lb geformt und bei 141°C für 45 Minuten ausgeheizt. Der radiale Luftströmungswiderstand wurde bei einem konstanten Luftstrom mit der Geschwindigkeit von 35 SCFH durch eine Scheibe von 0,625 Zoll eines Filterrings gemessen. In diesen Beispielen schmelzen sowohl PE-Fasern und PE-Pulver als Bindemittelmaterialien und kann der Effekt der Verstärkung von PP-Fasern durch Vergleich der Beispiele Nr. 31 bis 33 (1 bis 3% Fasern) mit Nr. 30 ersehen werden, bei dem keine Fasern enthalten waren, nämlich ein Anstieg von 50 bis 60% in der endgültigen Produktfestigkeit, wie durch die Kollapskrafttests belegt.
Beispiel Nr. 34
Es wurde einem Block von 55 g in einer Metallform mit 2,4 Zoll Auflendurchmesser, 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Anwendung einer Formkraft von 2000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
85% Kieselerde (Grefco, Dicalite 6000)
6% PE-Fasern 13040F
9% PE-Pulver FASP007.
Der Block wurde bei 142°C 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 35
Die Formulierung und die Formspezifikation aus Beispiel Nr. 34 wurden für Beispiel 35 wiederholt, außer dass ein Zusatz von 2,0 g des Harzes Kymene 557H (Hercules, 12,5 Festkörper) hinzugefügt wurde. Die poröse Struktur wurde bei 142°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 36
Ein Block von 55 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Auflendurchmesser, 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Anwendung von einer Formkraft von 2000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
80% Kieselerde (Grefco, Dicalite 6000)
5% Polypropylen (PP) Fasern (MiniFiber Y600F)
6% PE-Fasern 13040F
9% PE-Pulver FASP007.
Der Block wurde 142°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 37
Ein Block von 55 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser, 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Anwendung von einer Formkraft von 2000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
65% Kohlenstoff Typ 3049
4% PE-Fasern 13040F
11% PE-Pulver FASP007
20% Kieselerde (Grefco, Dicalite 6000).
Der Block wurde bei 142°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 38
Ein Block von 55 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser, 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Anwendung von einer Formkraft von 5000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
85% Cuno MicroKlean Schleifstaub, der aus ausgehärtetem harzförmigen Bindemittel und Cellulosefasern zusammengesetzt ist, gesiebt auf 120-400 mesh
8% PE-Fasern 13040F
7% PE-Pulver FASP007.
Der Block wurde bei 143°C für 50 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 39
Eine poröse Struktur von 20 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser, und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 4000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
23,5% Polypropylen-Fasern (Hercules, Typ T-153, 3 Denier, 3mm)
15,5% PE-Fasern 13040F
1,5% PE-Pulver FA700 (Quantum)
59,5% Kohlenstoff Typ 3049.
Die poröse Struktur wurde bei 140°C für 50 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 40
Eine poröse Struktur von 15 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
6,25 PE-Pulver FA700
31,25% PE-Fasern 1304F
62,5 Polypropylenfasern (Mikrofasern, NAT).
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 41
Eine poröse Struktur von 55 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
80% Kohlenstoff Typ 3049
8% PP-Fasern (MiniFiber Y600F)
12% PE-Pulver FA700.
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 42
Eine poröse Struktur von 20 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
50% Mehrkomponentenfasern mit HDPE-Hülle und PP-Kern (BASF, B1657)
30% PP-Fasern (MiniFiber, Y600F)
20% PE-Pulver FA700.
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 43
Eine poröse Struktur von 20 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
65% Mehrkomponentenfasern mit HDPE-Hülle und PP-Kern (BASF, B1657)
25% PE-Fasern (MiniFiber, Y600F)
10% PE-Pulver FA700.
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 44
Eine poröse Struktur von 15 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 2000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
70% PP-Fasern (Y600F)
30% PE-Pulver FA700.
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 45
Eine poröse Struktur von 20 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb in den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
85% Mehrkomponentenfasern mit HDPE-Hülle und PP-Kern (BASF, B1657)
15% PE-Fasern (13040F).
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 46
Eine poröse Struktur von 20 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
80% Mehrkomponentenfasern mit HDPE-Hülle und PP-Kern (BASF, B1657)
20% Polypropylen-Fasern Y600F (MiniFiber).
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 47
Eine poröse Struktur von 20 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
100 Mehrkomponentenfasern mit HDPE-Hülle und PP-Kern (BASF, B1657).
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 48
Eine poröse Struktur von 55 g wurde in einer Metallform mit 2,4 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Verwendung einer Formkraft von 6000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
84% Kohlenstoff Typ 3049
4% PE-Fasern (1304F)
1% PP-Fasern (MiniFiber Y600F)
11% PE-Pulver FA700.
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Beispiel Nr. 49
Eine Formulierung aus 66,5 g TOGO Kohlenstoff von Calgon (80×325 mesh), 28,5g Phenolharzpulver von Georgia Pacific GP 5485, und 3 g Wasser wurden mit einem Osterizer-Mixer bei der niedrigsten Geschwindigkeit für 30 Sek. durchmischt. Dann wurden 13g der Mischung einen einen Block von 1,75 Zoll Außen durchmesser, 0,375 Zoll Innendurchmesser und einer Dicke von 7/16 Zoll gegossen und für 130°C für 2 Stunden ausgebeizt.
Beispiel Nr. 50
Torusförmige Filter von 55 g wurden in einer Metallform mit 2,40 Zoll Außendurchmesser und 0,75 Zoll Innendurchmesser unter Anwendung einer Formkraft von 4000 lb und mit den folgenden Eingangsstoffen hergestellt:
60% Cuno MicroKlean Schleifstaub, der aus ausgehärtetem harzförmigen Bindemittel und Cellulosefasern zusammengesetzt ist, gesiebt auf 200 mesh 39,6 BTL Melamin-Formaldehyd-Harzpulver, Grade 412 0,4% Zitronensäure (Feststoff), 8% Lösung.
Die poröse Struktur wurde bei 141°C für 45 Min. ausgeheizt.
Die die Beispiele 34 bis 50 repräsentierenden porösen Strukturen wurde gegenüber einer Scheibe eines KX 1M Kohlenstoffblocks getestet und sind in Tabelle VIII aufgeführt. Der radiale Luftströmungswiderstand wurde bei einem konstanten Luftstrom bei einer Geschwindigkeit von 50 SCFH durch eine Scheibe von 0,625 Zoll eines Filtertorus gemessen.
Die für die Beispiele 34 bis 50 gemessenen Luftströmungswiderstandswerte und Kollapskraftwerte sind in Tabelle VIII dargestellt.
Tabelle VIII
Mithin sollte ersichtlich sein, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung von porösen Strukturen sehr effektiv ist. Die Erfindung ist besonders geeignet für die Herstellung von Kohlenstoffblockstrukturen, zum Beispiel Filtern, die einen hohen Gewichtsanteil von Trennmedien (Filter) und einen relativ niedrigen Gewichtsanteil von Bindemittel haben, aber ist nicht notwendig darauf beschränkt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann mit einem weiten Be reich von Vorrichtungen und Komponentenmaterialien ausgeführt werden. In ähnlicher Weise müssen die gemäß dem Verfahren hergestellten Trennmedien nicht auf pulverförmige Kohlenstoffmedien beschränkt sein. Genauso wenig ist die Form der porösen Strukturen der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise beschränkt, da flache Platten, flache Strukturen, zylindrische Strukturen, offen an beiden Enden oder geschlossen an einem Ende und praktisch jede geometrische Struktur, als Vollkörper und als Hohlkörper hergestellt werden können. Ferner können die äußeren Oberflächen der porösen Strukturen in weitem Umfang variiert werden.
Auf Grundlage der vorhergehenden Beschreibung sollte nun klar sein, dass die Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens die oben beschriebenen Aufgaben löst. Insbesondere sind die porösen Strukturen der vorliegenden Erfindung nicht notwendig auf solche auf Kohlenstoffbasis beschränkt; ebenso sind die Blöcke nicht auf die bevorzugten zylindrischen Formen mit hohlem Kern beschränkt. In ähnlicher Weise sind auch schichtförmige Produkte umfasst, die aus mehr als einer Komponentenmischung gebildet sind und die wenigstens zwei verschiedene Trenneigenschaften oder -charakterristiken haben. Daher soll der Umfang der Erfindung alle Modifikationen und Variationen umfassen, die in den Umfang der beigefügten Patentansprüche fallen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen, bei dem: Eine Komponente ausgewählt wird, die eine primäre Trennfähigkeit, Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit und Bindefähigkeit bereitstellt, wobei diese Komponente fibrilliert, faserig, nicht-absorbierend ist und wenigstens teilweise aus einem thermoplastischen Polymer hergestellt ist, eine trockene Mischung mit dieser Komponente gebildet wird, diese Mischung auf eine geeignete Oberfläche aufgebracht und eine gewünschte Dicke darauf aufgebaut wird, die Mischung in die für die poröse Struktur gewünschte Form verdichtet wird, die verdichtete poröse Struktur von der Oberfläche entfernt wird, die Komponente, die die primäre Trennfähigkeit bietet, binden gelassen wird, indem das Gemisch auf eine Temperatur von bis zu etwa 20°C oberhalb des Schmelzpunktes des thermoplastischen Polymers aufgeheizt wird, das die Bindefähigkeit liefert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine Komponente aus Kunstfasern und Gemischen daraus ausgewählt ist, wobei die Kunstfasern aus der Gruppe bestehend aus Fasern, die aus Polyolefinen, Polyestern, Acrylmaterialien, Rayon, Nylon, Aramiden hergestellt sind, und Mehrkomponentenfasern ausgewählt sind.
Verfahren zur Herstellung poröser Strukturen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt beinhaltet, eine Form mit der Mischung zu füllen, und der Schritt des Verdichtens durch isostatische Kompression der Mischung in die Form der porösen Struktur durchgeführt wird, die genügend Grünfestigkeit aufweist, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 3, das die zusätzlichen Schritte umfasst, die Form mit wenigstens einer zweiten trockenen Mischung der Komponenten um die poröse Struktur herum zu füllen und die zweite Mischung um die poröse Struktur isostatisch zu komprimieren, wodurch eine schichtförmige poröse Struktur bereitgestellt wird, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 3, wobei die Form der porösen Struktur zylindrisch ist und das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: Bereitstellen eines Dorns innerhalb der Form und wenigstens einer zylindrische Hülse, die konzentrisch zu dem Dorn angeordnet ist, wobei die Hülse und der Dorn separate Volumen definieren und wobei der Schritt des Aufbringens die Schritte umfasst, das zwischen der Form und der Hülse definierte Volumen mit einer ersten trockenen Mischung von Komponenten zu füllen und das zwischen der Hülse und dem Dorn definierte Volumen mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen, trockenen Mischung von Komponenten zu füllen, und Entfernen der Hülse aus der Form vor dem Schritt des Verdichtens.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 5, das die weiteren Schritte umfasst: Bereitstellen einer oder mehrerer zusätzlicher zylindrischer Hülsen konzentrisch mit dem Dorn, wobei die Hülsen zusätzliche separate Volumen definieren und wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt umfasst, das zwischen benachbarten Hülsen definierte Volumen mit einer zweiten trockenen Mischung von Komponenten zu füllen, und Entfernen der Hülsen aus der Form vor dem Schritt des Verdichtens.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 3, wobei die Form der porösen Struktur zylindrisch ist und wobei bei dem Verfahren zusätzlich ein Dorn innerhalb der Form bereitgestellt wird, und vor dem Schritt des Verdichtens das zwischen der Form und dem Dorn definierte Volumen mit wenigstens ersten und zweiten trockenen Mischungen von Komponenten in konzentrischen Schichten um den Dorn gefüllt wird, wobei die zweiten trockene Mischung von der ersten trockenen Mischungen verschieden ist.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 7, das die zusätzlichen Schritte umfasst, die Form mit wenigstens einer dritten trockenen Mischung von Komponenten um die poröse Struktur herum zu füllen und die zweite Mischung um die poröse Struktur isostatisch zu komprimieren, wodurch eine schichtförmige poröse Struktur ge schaffen wird, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt umfasst, die Mischung auf eine flache Trägerfläche aufzubringen, und der Schritt des Verdichtens den Schritt umfasst, die aufgebrachte Mischung zu einer Platte mit reduzierter Dicke zu pressen, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 9, das die zusätzlichen Schritte umfasst, wenigstens eine zweite, von der aufgebrachten Mischung verschiedene Mischung auf die verdichtete Platte aufzubringen und die zweite aufgebrachte Mischung zu pressen und die verdichtete Platte in eine schichtförmige Platte mit reduzierter Dicke zu verdichten, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 1, das den zusätzlichen Schritt umfasst, eine optionale Komponente hinzuzufügen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus kationisch geladenen Harzen, Ionenaustauschmaterialien, Perlit, Kieselerde, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Harzlösungen, Latizes, metallischen Materialien und Fasern, Cellulose, Kohlenstoffteilchen, Kohlenstofffasern, Rayonfasern, Nylonfasern, Polypropylenfasern, Polyesterfasern, Glasfasern, Stahlfasern und Graphitfasern ausgewählt ist, einschließlich Mischungen daraus in einer Menge von etwa 0, 1 bis etwa 90 Gew.% bei einer damit einhergehenden Abnahme der Menge von Primärmedien.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 11, das den zusätzlichen Schritt umfasst, die optionale Komponente, die aus der Gruppe bestehend aus Perliten, Kieselerde, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Cellulose, Rayonfasern, Nylonfasern und Kohlenstoffteilchen ausgewählt ist, kationisch zu laden.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 1, das den zusätzlichen Schritt umfasst, irgendeine der Komponenten kationisch zu laden, die eine oder mehrere der drei Fähigkeiten bieten, die teilchenförmige Medien umfassen.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen, bei dem: Zwei Komponenten ausgewählt werden, die primäre Trennfähigkeit, Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit und Bindefähigkeit bereitstellen, wobei bei der Auswahl der zwei Komponenten diese zwei Komponenten die drei Fähigkeiten bereitstellen, wobei die erste der Komponenten eine primäre Trennfähigkeit bereitstellt und aus Primärmedien ausgewählt ist, die absorbierend und nicht-schmelzend, nicht-absorbierend und nicht-schmelzend, oder nicht-absorbierend und schmelzend sind, und wobei die zweite der Komponenten, die die Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit bereitstellt, aus Grünsfestigkeitsmitteln ausgewählt ist, die fest und schmelzend, fest und nicht-schmelzend, und flüssig sind, unter der Bedingung, dass die erste Komponente, die ausgewählt ist, um primäre Trennfähigkeit bereitzustellen, nicht-schmelzend ist, die zweite Komponente aus Grünfestigkeitsmitteln ausgewählt ist, die fest und schmelzend sind, und unter der Bedingung, dass die erste Komponente, die ausgewählt ist, um primäre Trennfähigkeit bereitzustellen, nicht–absorbierend und schmelzend ist, die zweite Komponente aus Grünfestigkeitsmitteln ausgewählt ist, die flüssig sind, und solchen, die fest und nicht-schmelzend sind, unter der Bedingung, dass die zweite Komponente Wasser ist, die erste Komponente, die ausgewählt ist, um primäre Trennfähigkeit zu liefern, eine zweikomponentige fibrillierte Faser ist, und wobei wenigstens eine der Komponenten, die schmelzend ist, Bindefähigkeit liefert und wenigstens teilweise aus thermoplastischen Polymeren gebildet ist, eine trockene Mischung mit den Komponenten gebildet wird, die Mischung auf eine geeignete Oberfläche aufgebracht und in eine gewünschte Dicke darauf aufgebaut wird, die Mischung in die für die poröse Struktur gewünschte Form verdichtet wird, die verdichtete poröse Struktur von der Oberfläche entfernt wird, die Komponenten durch Aufheizen der Mischung auf eine Temperatur von bis zu etwa 20°C oberhalb des Schmelzpunktes von irgendeiner der thermoplastischen Komponenten, die die Bindefähigkeit liefern, gebunden werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die die primäre Trennfähigkeit liefernde erste Komponente ausgewählt ist aus: Primärmedien, die absorbierend und nicht-schmelzend sind und die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Perlit, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Kohlenstofffasern und Gemischen daraus, Primärmedien, die nicht-absorbierend und nicht-schmelzend sind und die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Kieselerde, Siliziumdioxid, Naturfasern ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cellulose, Wolle, Jute und Hanf und Gemischen daraus, und Glasfasern, oder Primärmedien, die nicht-absorbierend und schmelzend sind und die aus Kunstfasern und Gemischen daraus bestehen, wobei die Kunstfasern aus der Gruppe bestehend aus Fasern, die aus Polyolefinen, Polyestern, Acrylmaterialien, Rayon, Nylon, Aramiden hergestellt sind, und mehr Komponentenfasern ausgewählt sind.
Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei die die Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit liefernde zweite Komponente ausgewählt ist aus: Grünfestigkeitsmitteln, die fest und schmelzend sind und die aus Fasern ausgewählt sind, die aus Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyestern, Nylon, Aramide, Rayon hergestellt sind, und wobei die zum Binden verwendete Temperatur bis zu etwa 20°C höher als der Schmelzpunkt von solchen Grünfestigkeitsmitteln ist, Grünfestigkeitsmitteln, die fest und nicht-schmelzend oder nach dem Binden nicht geschmolzen sind und die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Fasern ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyestern, Nylon, Aramide, Rayon, und wobei die zum Binden verwendete Tempe ratur niedriger als der Schmelzpunkt dieser Grünfestigkeitsmittel ist, Grünfestigkeitsmitteln, die flüssig und die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Styrol-Butadien, Po-ly(Ethylen-Vinylacetat), Acrylat-Latizes, Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylsäure, Polyethylenoxid, Polyethylenimin, Polyacrylamid, Naturkautschuk und Copolymeren daraus, Wasser und Gemischen daraus.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt umfasst, eine Form mit der Mischung zu füllen, und wobei der Schritt des Verdichtens durch isostatische Kompression der Mischung in die Form der porösen Struktur durchgeführt wird, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 17, dass die zusätzlichen Schritte umfasst, die Form mit wenigstens einer zweiten trockenen Mischung der Komponenten um die poröse Struktur herum zu füllen und die zweite Mischung um die poröse Struktur isostatisch zu kompremieren, wodurch eine schichtförmige poröse Struktur bereitgestellt wird, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 17, wobei die Form der porösen Struktur zylindrisch ist und das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: Bereitstellen eines Dorns innerhalb der Form und wenigstens einer zylindrischen Hülse, die konzentrisch zu dem Dorn angeordnet ist, wobei die Hülse und der Dorn separate Volumen definieren und wobei der Schritt des Aufbringens die Schritte umfasst, das zwischen der Form und der Hülse definierte Volumen mit einer ersten trockenen Mischung von Komponenten zu füllen und das zwischen der Hülse und dem Dorn definierte Volumen mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen, trockenen Mischung von Komponenten zu füllen, und Entfernen der Hülse aus der Form vor dem Schritt des Verdichtens.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 19, das die weiteren Schritte umfasst: Bereitstellen einer oder mehrerer zusätzlicher zylindrischer Hülsen konzentrisch mit dem Dorn, wobei die Hülsen zusätzliche separate Volumen definieren und wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt umfasst, das zwischen benachbarten Hülsen definierte Volumen mit einer zweiten trockenen Mischung von Komponenten zu füllen, und Entfernen der Hülsen aus der Form vor dem Schritt des Verdichtens.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 17, wobei die Form der porösen Struktur zylindrisch ist und wobei bei dem Verfahren zusätzlich ein Dorn innerhalb der Form bereitgestellt wird, und vor dem Schritt des Verdichtens das zwischen der Form und dem Dorn definierte Volumen mit wenigstens ersten und zweiten trockenen Mischungen von Komponenten in konzentrischen Schichten um den Dorn gefüllt wird, wobei die zwei ten trockene Mischung von der ersten trockenen Mischung verschieden ist.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 19, das die zusätzlichen Schritte umfasst, die Form mit wenigstens einer dritten trockenen Mischung von Komponenten um die poröse Struktur herum zu füllen und die zweite Mischung um die poröse Struktur isostatisch zu komprimieren, wodurch eine schichtförmige poröse Struktur geschaffen wird, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt umfasst, die Mischung auf eine flache Trägerfläche aufzubringen, und der Schritt des Verdichtens den Schritt umfasst, die aufgebrachte Mischung zu einer Platte mit reduzierter Dicke zu pressen, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 23, das die zusätzlichen Schritte umfasst, wenigstens eine zweite, von der aufgebrachten Mischung verschiedene Mischung auf die verdichtete Platte aufzubringen und die zweite aufgebrachte Mischung zu pressen und die verdichtete Platte zu einer schichtförmigen Platte mit reduzierter Dicke zu verdichten, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 14, das den zusätzlichen Schritt umfasst, eine optionale Komponente hinzuzufügen, die aus der Gruppe bestehend aus kationisch geladenen Harzen, Ionenaustauschmaterialien, Perlit, Kieselerde, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Harzlösungen, Latizes, metallischen Materialien und Fasern, Cellulose, Kohlenstoffteilchen, Kohlenstofffasern, Rayonfasern, Nylonfasern, Polypropylenfasern, Polyesterfasern, Glasfasern, Stahlfasern und Graphitfasern ausgewählt ist, einschließlich Mischungen daraus in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 90 Gew.% bei einer damit einhergehenden Abnahme der Menge von Primärmedien.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 25, das den zusätzlichen Schritt umfasst, die optionale Komponente, die aus der Gruppe bestehend aus Perlit, Kieselerde, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Cellulose, Rayonfasern, Nylonfasern und Kohlenstoffteilchen ausgewählt ist, kationisch zu laden.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 14, das den zusätzlichen Schritt umfasst, irgendeine der Komponenten kationisch zu laden, die eine oder mehrere der drei Fähigkeiten bereitstellen, die teilchenförmige Medien umfassen.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen, bei dem: Drei Komponenten ausgewählt werden, die primäre Trennfähigkeit, Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit und Bindefähigkeit bereitstellen, wobei die die Bindefähigkeit liefernde Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen und duroplastischen Polymeren, wobei bei der Auswahl der drei Komponenten jede Komponente wenigstens eine der Fähigkeiten bereitstellt, eine trockene Mischung mit den Komponenten gebildet wird, die Mischung auf eine geeignete Oberfläche aufgebracht und eine gewünschte Dicke darauf aufgebaut wird, die Mischung in die für die poröse Struktur gewünschte Form verdichtet wird, die verdichtete poröse Struktur von der Oberfläche entfernt wird, die Komponente, die die primäre Trennfähigkeit liefert, gebunden wird, indem die Mischung auf eine Temperatur von bis zu etwa 20°C oberhalb des Schmelzpunktes irgendeiner thermoplastischen Komponente, die die Bindefähigkeit liefert, aufgeheizt wird oder die Mischung auf die Aushärtetemperatur von irgendeinem duroplastischen Polymer, das die Bindefähigkeit liefert, aufgeheizt wird.
Verfahren zur Herstellung poröser Strukturen nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt beinhaltet, eine Form mit der Mischung zu füllen, und der Schritt des Verdichtens durch isostatische Kompression der Mischung in die Form der porösen Struktur durchgeführt wird, die genügend Grünfestigkeit aufweist, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 29, das die zusätzlichen Schritte umfasst, die Form mit wenigstens einer zweiten trockenen Mischung der Komponenten um die poröse Struktur herum zu füllen und die zweite Mischung um die poröse Struktur isostatisch zu komprimieren, wodurch eine schichtförmige poröse Struktur bereitgestellt wird, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 29, wobei die Form der porösen Struktur zylindrisch ist und das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: Bereitstellen eines Dorns innerhalb der Form und wenigstens einer zylindrische Hülse, die konzentrisch zu dem Dorn angeordnet ist, wobei die Hülse und der Dorn separate Volumen definieren und wobei der Schritt des Aufbringens die Schritte umfasst, das zwischen der Form und der Hülse definierte Volumen mit einer ersten trockenen Mischung von Komponenten zu füllen und das zwischen der Hülse und dem Dorn definierte Volumen mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen trockenen Mischung von Komponenten zu füllen, und Entfernen der Hülse aus der Form vor dem Schritt des Verdichtens.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 31, das die weiteren Schritte umfasst: Bereitstellen einer oder mehrerer zusätzlicher zylindrischer Hülsen konzentrisch mit dem Dorn, wobei die Hülsen zusätzliche separate Volumen definieren und wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt umfasst, das zwischen benachbarten Hülsen definierte Volumen mit einer zweiten trockenen Mischung von Komponenten zu füllen, und Entfernen der Hülsen aus der Form vor dem Schritt des Verdichtens.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 29, wobei die Form der porösen Struktur zylindrisch ist und wobei bei dem Verfahren zusätzlich ein Dorn innerhalb der Form bereitgestellt wird, und vor dem Schritt des Verdichtens das zwischen der Form und dem Dorn definierte Volumen mit wenigstens ersten und zweiten trockenen Mischungen von Komponenten in konzentrischen Schichten um den Dorn gefüllt wird, wobei die zweiten trockene Mischung von der ersten trockenen Mischungen verschieden ist.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 31, das die zusätzlichen Schritte umfasst, die Form mit wenigstens einer dritten trockenen Mischung von Komponenten um die poröse Struktur herum zu füllen und die zweite Mischung um die poröse Struktur isostatisch zu komprimieren, wodurch eine schichtförmige poröse Struktur geschaffen wird, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 28, wobei der Schritt des Aufbringens den Schritt umfasst, die Mischung auf eine flache Trägerfläche aufzubringen, und der Schritt des Verdichtens den Schritt umfasst, die aufgebrachte Mischung zu einer Platte mit reduzierter Dicke zu pressen, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 35, das die zusätzlichen Schritte umfasst, wenigstens eine zweite, von der aufgebrachten Mischung verschiedene Mischung auf die verdichtete Platte aufzubringen und die zweite aufgebrachte Mischung und die verdichtete Platte zu einer schichtförmigen Platte mit reduzierter Dicke zu pressen, die genügend Grünfestigkeit hat, um selbsttragend zu sein.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 28, wobei die die primäre Trennfähigkeit liefernde Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffteilchen, Kieselerde, Perlit, aktiviertem Alu miniumoxid, Siliziumdioxid, Zeolithen, Naturfasern, Kunstfasern und Gemischen daraus, wobei die Naturfasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Cellulose, Wolle, Jute, und Hanf, und wobei die Kunstfasern aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Fasern besteht, welche aus Polyolefinen, Polyestern, Kohlenstoff, Graphit, Glas, Acrylmaterialien, Rayon, Nylon, Aramiden, Mehr-Komponentenfasern und Gemischen daraus hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 28, wobei die die Grünfestigkeitsverstärkungsfähigkeit liefernde Komponente aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Fasern besteht, welches aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Polyestern, Nylon, A-ramiden, Rayon, flüssige Grünfestigkeitsmitteln und Gemischen daraus ausgewählt sind, wobei flüssige Grünfestigkeitsmittel ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Styrol-Butadien, Poly(Ethylen-Vinylacetat), Acrylat-Latexen, Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose, Hydroxyethylcellulose, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Polyacrylsäure, Polyethylenoxid, Polyethylenemin, Polyacrylamid, Naturkautschuk und Copolymeren daraus, Wasser und Gemischen daraus.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 28, wobei die thermoplastische und duroplastische Polymerkomponente, die die Bindefähigkeit liefert, ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Polyolefinen, Epoxydharz, Phenolformaldehyd und Melamin-Formaldehyd-Harzpulvern und Polyolefinfasern.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 28, das den zusätzlichen Schritt umfasst, eine optionale Komponente hinzuzufügen, die aus der Gruppe bestehend aus kationisch geladenen Harzen, Ionenaustauschmate rialien, Perlit, Kieselerde, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Harzlösungen, Latizes, metallischen Materialien und Fasern, Cellulose, Kohlenstoffteilchen, Kohlenstofffasern, Rayonfasern, Nylonfasern, Polypropylenfasern, Polyesterfasern, Glasfasern, Stahlfasern und Graphitfasern ausgewählt ist, einschließlich Mischungen daraus in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 90 Gew.% bei einer damit einhergehenden Abnahme der Menge von Primärmedien.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 40, das den zusätzlichen Schritt umfasst, die optionale Komponente, die aus der Gruppe bestehend aus Perlit, Kieselerde, aktiviertem Aluminiumoxid, Zeolithen, Cellulose, Rayonfasern, Nylonfasern und Kohlenstoffteilchen ausgewählt ist, kationisch zu laden.
Verfahren zur Herstellung von porösen Strukturen nach Anspruch 28, das den zusätzlichen Schritt umfasst, irgendeine der Komponenten kationisch zu laden, die eine oder mehrere der drei Fähigkeiten bieten, die teilchenförmige Medien umfassen.