Brevet FR2647692A1 — publié le 19901207

TISSU FILTRANT GAUFRABLE La présente invention concerne un tissu filtrant cohérent perméable à l'air comprenant des fibres de verre et un liant et destiné à être gaufré et froncé pour former un filtre à air. On utilise des filtres à air sous forme de feuilles ou de tissus froncés constitués par des fibres de verre dans différentes installations du fait de leur rapport surface à volume important. Pour obtenir une efficacité maximale, il est important de maintenir pendant l'utilisation une distance adéquate entre les fronces adjacentes; on y parvient à l'aide d'une pièce d'écartement ou élément séparateur séparé que l'on ajoute au filtre, ou en pratiquant dans la feuille ou le tissu lui-même des gaufrages ou déformations, par exemple des ondulations, qui servent à maintenir une distance entre les plis adjacents après le froncement. Mathews et autres ont proposé antérieurement, dans le brevet U.S. No. 3035965, de former un papier de fibres de verre de diamètre inférieur à 2, 5.e revêtues d'un polymère thermoplastique; cependant, ce papier était dépourvu de fibres torsadées coupées de diamètre plus important. Dans le brevet U.S. Ne.4318774, Powell décrit un non tissé composite de fibres de verres et de fibres textiles avec un liant thermoplastique. Dans le brevet U.S. N .4286977, Klein dàrit un filtre à air qui comprend des fibres de verre de faible diamètre, des fibres textiles et un liant thermoplastique. Dans le brevet GB-A-874383 (1961), Buckman décrit un filtre à air froncé comportant des pièces d'écartement gaufrées constituées par du papier filtre imprégné de résine synthétique. Le bulletin N.815 E de la société Flanders Filter Inc. (1987) décrit également un filtre à air ondulé et froncé. On pense qu'il a été courant de réaliser un tel gaufrage ou une telle déformation au cours de la formation du tissu ou feuille, tandis que celui- ci est encore au stade humide d'une machine à papier à table plate. Les tentatives faites pour gaufrer le tissu ou feuille après le séchage n'ont pas été couronnées de succès du fait que le tissu ou feuille a tendance à se fendre ou se fissurer ce qui détruit sa cohésion et son efficacité. Du fait que la plupart des fabricants de filtres ne fabriquent pas eux-mêmes le tissu filtrant ou feuille filtrante mais souhaitent cependant disposer d'un gaufrage présentant une variété de motifs et d'écartements afin d'adapter le tissu aux filtres froncés conçus de façon individuelle pour des utilisations particulières, il existe une demande concernant un tissu filtrant ou feuille filtrante uniforme, à surface sèche et lisse, constitué par des fibres de verre, et qui puisse être gaufré ou déformé au moyen d'un appareillage simple et peu coûteux tel qu'une paire de cylindres de gaufrage présentant la configuration souhaitée. On a maintenant constaté qu'une feuille sèche de matériau filtrant à base de fibres de verre présentant certaines caractéristiques critiques peut être gaufrée facilement à l'état humide sans fissuration ni fragmentation par simple chauffage à une température comprise entre 93,3 et 176,7 C (200 et 350 F) et passage entre des cylindres de gaufrage. La feuille est un tissu filtrant cohérent, thermoformable, perméable à l'air qui comprend un mélange de fibres de verre consistant essentiellement en (1) 5 à 35% en poids de fibres torsadées coupées ayant une longueur moyenne de 3 à 19 mmn et un diamètre moyen de 6 à 20 pm, et (2) en laine de verre constituant le complément et ayant une longueur moyenne de fibre de 0,1 à 5 nmmn et un diamètre moyen de fibre de 0,2 à 6 pm, en même temps qu'un liant polymère thermoplastique capable de subir une réticulation par chauffage à une température de 137,8 C (280 F) ou plus, la quantité de liant étant de 2 à-30% en poids par rapport au total du mélange de fibres de verre et du liant, ledit tissu ayant une épaisseur de 0,3 à 1 mm (0, 012 à 0,040 pouce), une résistance à la traction dans la direction de déplacement de la feuille dans la machine (DM) de 700 à 4377,5 N/m de largeur (4 à 25 lb/in. de largeur) et une résistance à la traction dans la direction perpendiculaire (DP) de 350 à 2101 N/m de largeur (2 à 12 lb/in. de largeur) ainsi qu'un poids de base de 6,25 à 15,65 kg/m2 (40 à 100 lb/3000 sq.ft). Dans un mode de réalisation préféré, la feuille présente un allongement d'au moins 2% sans fissuration ni fragmentation lors d'un gaufrage à 93,3 C (200 F) sur une protubérance ayant une section droite en forme de segment de cercle ayant une hauteur de 2 mm et une largeur de 8,5 mm, et elle conserve un allongement permanent d'au moins 1,0% dans la partie gaufrée après ledit gaufrage même lorsqu'elle est chauffée ultérieurement à 137,8 C (280 F) ou plus pour accélérer ou achever la réticulation, puis refroidie à la température ambiante. v. De préférence, le mélange de fibres consiste essentiellement en 8 à 15% en poids de fibres torsadées coupées, le complément étant constitué par de la laine de verre, et la quantité de liant est comprise entre 3 et 6% en poids. De préférence également, le tissu filtrant a un poids de base de 8,6 à 11,7 kg/m2 (55 à 75 lb/3000 sq.ft.) et il conserve un allongement permanent de 1 à 5% dans la partie gaufrée après la réticulation et le refroidissement. Dans un autre mode de réalisation, ledit mélange de fibres consiste en (1) 8 à 15% en poids de fibres torsadées coupées qui ont une longueur moyenne de 6 à 13 mm, (2) en laine de verre constituant le complément et ayant une longuer moyenne de fibre de 1 à 3 mmn, la quantité de liant constituant 3 à 6% en poids, ledit tissu a une épaisseur de 0,3 mmn à 1 mmn, une rigidité de Gurley dans la direction de déplacement du tissu dans la machine (DM) de 1500 mg ou plus, et il conserve un allongement permanent de 1 à 5% dans la partie gauffrée après la réticulation et le refroidissement. Dans d'autres modes de réalisation préférés, le mélange de fibres de verre contient 8 à 15% en poids de fibres torsadées coupées qui ont une longueur moyenne de 6 à 13 mm, la composition de liant constitue 3 à 6% en poids du total, le tissu a un poids de base de 8,6 à 11,7 kg/m2 (55 à lb/3000 sq.ft.), une rigidité de Gurley d'au moins 1500 mg, et il conserve, après gaufrage à 93,3 C (2000F) sur une protubérance ayant une section droite en forme de segment de cercle ayant une hauteur de 2 mm et une largeur de 8,5 mm, un allongement permanent de 1 à 5% même lorsqu'il est chauffé ensuite à 137,8'C (280 F) ou plus pour accélérer ou achever la réticulation, puis refroidi à la température ambiante. La formation de stries sur le tissu sec pour faciliter le pliage pour former des fronces est effectuée de préférence sur le tissu non chauffé avant le chauffage et le gaufrage. Un certain degré de réticulation du liant peut apparaître pendant l'étape de gaufrage, en fonction de la température à laquelle le tissu est chauffé et de la durée nécessaire pour l'étape de gaufrage; il peut se produire une réticulation supplémentaire par un chauffage additionnel après le gaufrage et/ou même après l'obtention du tissu sous forme froncée. D'autres caractéristiques du tissu apparaîtront dans la description suivante. Les fibres de verre du tissu comprennent un mélange de deux types ou classes de fibres, à savoir des fibres de verre coupées et de la laine de verre présentant les dimensions et les proportions citées ci-dessus. On obtient facilement des fibres de ce type à partir de sources variées. On peut préparer le mélange grâce à des techniques et des appareillages conventionnels. On peut utiliser un mélange à sec, mais il est préférable d'utiliser un mélange humide dans lequel les fibres sont dispersées dans un milieu aqueux dans un batteur ou triturateur ou dans un bac de mélange à cisaillement élevé, de préférence avec addition d'un acide pour faciliter et favoriser la séparation des fibres de verre. Le liant nécessaire pour communiquer au produit la cohésion et d'autres propriétés physiques nécessaires peut être mélangé au mélange de fibres pendant ou après la préparation du mélange. Dans un mode de réalisation préféré, le mélange de fibres est tout d'abord mis sous forme d'un tissu ou feuille sur une machine à papier à table plate, après quoi le tissu ou feuille est saturé par une dispersion aqueuse de liant. L'excès d'eau est alors éliminé par aspiration sufi'la machine à papier à table plate et le tissu ou feuille est séché de la façon habituelle sur des cylindres sécheurs chauffés. Le liant est sous forme d'une matière thermnoplastique comme un polymère ou copolymère de vinyle ou de vinylidène qui est susceptible de réticulation lorsqu'il est chauffé à utè.température de 137,8 C (280 F) ou supérieure. L'aptitude à la réticulation peut être obtenue par incorporation d'un agent de réticulation capable de réagir avec les groupes vinyle résiduels ou avec d'autres fractions réactives telles que les groupes carboxyle dans le polymère ou copolymère thermoplastique, ou par mélange avec le polymère ou copolymère de vinyle ou de vinylidène d'une seconde résine ou matière polymère capable de subir une réticulation lorsqu'elle est chauffée, telle qu'une résine urée- formaldéhyde, une résine mélamine-formaldéhyde, une résine phénolformaldéhyde, une résine époxy ou analogue. Pour obtenir de meilleurs résultats il est souhaitable que le liant thermoplastique ait une température de transition vitreuse (Tg) de +10 C à +50 C et qu'il soit capable de conserver sa thermoplasticité lorsqu'il est chauffé à une température atteignant 137,8 C (280 F). Parmi les liants ou produits réticulables appropriés on trouve les copolymères du chlorure de vinyle, du chlorure de vinylidène, de l'acétate de vinyle, des esters acryliques, de l'acrylonitrile, et analogues; l'aptitude à la réticulation est apportée par des comonomères qui ont des groupes carboxyle pendants, par exemple, ou par des mélanges avec une résine urée-formaldéhyde ou d'autres matières thermodurcissables. La réticulation peut être activée par chauffage à une température élevée d'au moins 137,8.C (280 F). Les exemples suivants sont destinés à illustrer la nature de l'invention sans en limiter la portée. Un mélange de filaments ou fibres de verre torsadés coupés (diamètre 6,5 pm) et de microfibres ou laine de verre soufflées à la flamme (diamètre 0, 65-2,7 pm) a été préparé à partir des constituants suivants: Fibres de Dimètr LoQnur verre nominal nominalp pm pm code 104 0,4 0,2-1 code 106 0,65 0,5-0,8 code 110 2,7 0,8-1,2 DE 1/2"636 6,5 12,5 Les codes 104, 106 et 110 désignent des microfibres de verre produites par la société Manville Corp. à partir d'un verre de borosilicate de type 475. Les fibres DE 1/2" 636 sont fabriquées par la société Owens-Corning à partir d'un verre E conventionnel. On a préparé trois mélanges de fibres différents selon les parties en poids suivantes: Fibres de verre A a C code 104 4,4 2,5 8,4 code 106 70,5 60,6 46,3 code 110 15,7 17,4 36 DE 1/2" 636 9,4 9,5 11,3 Les fibres ont été mélangées pour former une suspension à un niveau de solides de 5% dans de l'eau réglée à pH 2,7 avec de l'acide sulfurique. La suspension a été formée dans un bac de mélange à cisaillement élevé. Après la dispersion initiale et le mélange, la suspension a été diluée à 2% en poids et introduite de façon dosée dans la caisse de tête d'une machine à papier à table plate dans laquelle elle a subi une dilution supplémentaire jusqu'à une teneur en solides d'environ 0,1 à 0,5% pour garantir une distribution uniforme des fibres. Après la formation initiale d'un matelas de fibres sur la"toile de la machine à papier à table plate, chacun des mélanges A et B a été saturé avec une dispersion aqueuse contenant 3 à 5% en poids de liant. Le liant consistait en un mélange de 30 parties en poids d'un copolymère de chlorure de vinylidène et d'ester acrylique (GEON 660X14) ayant une température de tradition vitreuse (Tg) de 14 C, et de 70 parties en poids d'un copolymère de chlorure de vinyle et d'ester acrylique (GEON 460X47) ayant une température de transition vitreuse de 46 C, ces deux copolymères étant munis de groupes fonctionnels amide latéraux autoréticulants réactifs à la chaleur de façon inhérente, activés à une température de 137,8 C (280 F). De tels copolymères sont disponibles auprès de la société B.F. Goodrich Co. L'excès de liant et d'eau a été éliminé sur la toile de la machine à papier à table plate et le tissu de fibres de verre et de liant a été séché de la façon habituelle sur des cylindres sécheurs chauffés à la vapeur. On a ainsi préparé trois tissus différents ayant trois poids de base différents de 8,6, 9,7 et 10,9 kg/m2 (55, 62 et 70 lb/3000 sq.ft.). Le mélange C a été traité aussi de la manière décrite ci-dessus sauf que le liant consistait en 15 parties en poids de GEON 660X14 et en 85 parties en poids de GEON 460X47; le tissu obtenu avait un poids de base de 10,9 kg/m2 (70 lb/3000 sq.ft.). Les caractéristiques des quatre tissus étaient les suivantes: Mode opératoire Mélange de fibres A B C D liant, % poids TAPPI T 413-80* 5,5 5,5 5,5 5,4 poids de base TAPPI T 41079 kg/m2 8,6 9,7 10,9 10,9 lb/3000 sq.ft. 55 62 70 70 calibre, TAPPI T 411-76 mm 0,48 0,56 0,63 0,63 in. 0,019 0,022 0,025 0,025 traction (DM)** TAPPI T 494-70 N/m de largeur 1400 1926 2276 1681 lb/in.de largeur 8,0 11, 0 13,0 9,6 allongement** (DM), % TAPPI T 494-70 1,6 1,6 1,5 1,1 traction (DP)** TAPPI T 494-70 N/m de largeur 963 1400 1751 1191 lb/in. de largeur 5,5 8,0 10,0 6,8 allongement** (DP),%* TAPPI T 494-70 1,9 1,9 2,2 1,4 rigidité de Gurley (DM), mg TAPPI T 543-84 1800 2600 3400 2967 * TAPPI désigne une organisation qui publie des essais normalisés utilisés dans l'industrie du papier; la lettre "T" et ne nombre qui la suit identifient le mode opératoire normalisé qui est utilisé pour effectuer l'essai. ** à 22,2 OC (72"F). Chaque feuille'a pu 4tre chauffée par des rayons infrarouges & une température de 148,9 C (3000F), puis rapidement introduite alors qu'elle était encore chaude entre deux cylindres de gaufrage en polyuréthane, pour subir sans fissuration ni fractionnement un gaufrage sur une nervure ou protubérance ayant une section droite en forme de segment de cercle de 2 mm de hauteur:t de 8,5 mm de largeur. Chaque feuille a pu aussi être striée et pliée pour former des fronces d'environ 2,54 cm à 23 cm de hauteur, les côtés opposés des fronces étant maintenus à distance les uns des autres par les gaufrages avec une densité de fronces de 4 àl2 fronces pour 2,54 cm. Après les étapes de formation desestries et de gaufrage, la température du tissu a été portée à plus de 137,8 C (280 F) pour provoquer une réticulation du liant et améliorer ainsi la rigidité et les caractéristiques de conservation de forme du tissu filtrant. Dans chaque filtre froncé et plié fini, la distance entre les fronces s'est maintenue dans différentes conditions et les différents filtres ont présenté une grande efficacité de filtration de l'air, conmme le montrent les résultats d'essai suivants: A B C D Résistance à l'air man H20 (ASTM F-778-82) 38 38 46 34,5 Pénétration DOP, % (ASTM D2986-71)* 0,005 0,009 0,001 0,015 * norme ASTM utilisant le dioctylphtalate (DOP) En général, lorsqu'ils sont gaufrés et totalement réticulés, les produits de la présente invention présentent une résistance à l'air (ASTM F-778-82) de 0,5 à 70 mm H20 et une pénétration DOP (ASTM D2986-71) de 0 à 99%. Lorsque la teneur en liant du produit selon l'invention est inférieure à 7%, les filtres construits avec un matériau d'étanchéité approprié peuvent subir avec succès l'essai normalisé UL 900, classe 1 (norme établie par Underwriters Laboratories, et acceptée dans l'industrie). 1 1 1. Tissu filtrant cohérent, thermoformable, perméable à l'air, caractérisé en ce qu'il comprend: un mélange de fibres de verre consistant essentiellement en (1) 5 à 35% en poids de fibres torsadées coupées ayant une longueur moyenne de 3 à 19 mm et un diamètre moyen de 6 à 20 pm, et (2) en laine de verre constituant le complément et ayant une longueur moyenne de fibre de 0,1 à 5 mm et un diamètre moyen de fibre de 0,2 à 6 pm, et un liant polymère thermoplastique capable de subir une réticulation par chauffage à une température de 137,8 C (280 F) ou plus, la quantité de liant étant de 2 à 30% en poids par rapport au total du mélange de fibres de verre et du liant, ledit tissu ayant une épaisseur de 0,3 à 1 mm (0,012 à 0,040 pouce), une résistance à la traction dans la direction de déplacement de la feuille dans la machine (DM) de 700 à 4377, 5 N/m de largeur (4 à 25 lb/in. de largeur) et une résistance à la traction dans la direction perpendiculaire (DP) de 350 à 2101 N/m de largeur (2 à 12 lb/in. de largeur) ainsi qu'un poids de base de 6,25 à 15, 65 kg/m2 (40 à 100 lb/3000 sq.ft). 2. Tissu filtrant thermoformable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente un allongement d'au moins 2% sans fissuration ni fragmentation lors d'un gaufrage à 93,30C (200CF) sur une protubérance ayant une section droite en forme de segment de cercle ayant une hauteur de 2 mm et une largeur de 8,5 mm, et en ce qu'il conserve un allongement permanent d'au moins 1,0% dans la partie gaufrée après la réticulation et un refroidissement à la température ambiante. 3. Tissu filtrant thermoformable selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit mélange de, fibres consiste essentiellement en 8 & 15% en poids de fibres torsadées coupées, le complément étant constitué par de la laine de verre, et la quantité de liant étant comprise entre 3 et 6% en poids. 4. Tissu filtrant thermoformable selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il a un poids de base de 8,6 à 11,7 kg/m2 (55 à 75 lb/3000 sq.ft.) et conserve un allongement permanent de 1 à 5% dans la partie gaufrée après la réticulation et le refroidissement. 5. Tissu filtrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange de fibres consiste en (1) 8 à 15% en poids de fibres torsadées coupées qui ont une longueur moyenne de 6 à 13 mm, (2) en laine de verre constituant le complément et ayant une longueur moyenne de fibre de 1 à 3 mm, la quantité de liant constituant 3 à 6% en poids, et en ce que ledit tissu a une épaisseur de 0,3 mm à 1 mm, une rigidité de Gurley dans la direction de déplacement du tissu dans la machine (DM) de 1500 mg ou plus, et conserve un allongement permanent de 1 à 5% dans la partie gaufrée après la réticulation et le refroidissement.