DE102008005504A1 - Beschichtetes asymmetrisches Membransystem mit oleophoben und hydrophilen Eigenschaften - Google Patents
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Abstract
Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Diese Erfindung betrifft allgemein asymmetrische poröse Membranen, deren Laminate und insbesondere asymmetrische poröse Membranen mit oleophoben Eigenschaften auf einer Seite und hydrophilen Eigenschaften auf einer gegenüberliegenden Seite.
- Es ist allgemein bekannt, dass eine poröse Membran wenigstens eine Eigenschaft aufweist, die durch das Material beschränkt ist, aus dem die Membran hergestellt ist. Eine aus einem Polytetrafluorethylen (PTFE)-Material hergestellte, poröse Membran kann beispielsweise ausgezeichnete hydrophobe Eigenschaften aufweisen, eine geringe Oberflächenenergie haben und extrem inert sein. Es kann deshalb schwierig sein, ein anderes Material chemisch oder mechanisch an das ePTFE-Material zu binden. Das
U.S. Patent Nr. 5,976,380 beschreibt beispielsweise das Binden einer hydrophilen Beschichtung auf die Oberfläche einer porösen PTFE-Membran durch Benetzen der Membran mit einer Lösung oder mit einem Benetzungsmittel, wie Methanol, Ethanol, Isopropanol oder Aceton, und das nachfolgende Aufbringen der Lösung unter Druck. - Schutzbekleidungen, die für die Verwendung gegen chemische und biologische Gefährdungen konzipiert wurden, wurden unter Verwendung vieler heutzutage verfügbarer hochentwickelter Materialien entwickelt. Die Joint Service Lightweight Integrated Suit Technology (JSLIST), die durch militärisches Personal getragen wird, besteht beispielsweise aus einer luftdurchlässigen, kohlenstoffbasierten, chemischen Schutzoberbekleidung mit einem wasserabweisend gemachten Baumwolle/Nylon-Ripstop-Gewebeoberstoff und einem kohlenstoffbasierten Trikot-Futter. Wenigstens einige der bekannten Schutzanzüge sind jedoch aufgrund der bei der Herstellung des Anzugs verwendeten Materialien schwer und unbequem, insbesondere diejenigen, die kohlenstoffbasierte Materialien verwenden und/oder eine geringe Transpirationsdurchlässigkeit und eine geringe Wasserdampfdurchlässigkeitsrate (MVTR; moisture vapor transmission rate) aufweisen.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Gemäß einem Aspekt wird eine poröse Membrananordnung bereitgestellt, die ein poröses Membransubstrat mit hydrophoben Eigenschaften umfasst. Das Membransubstrat umfasst eine erste Seite, eine gegenüberliegende zweite Seite und eine Vielzahl von sich dadurch erstreckenden Poren. Das Membransubstrat umfasst auch eine diskontinuierliche Schicht aus einer oleophoben Beschichtung, die so auf der ersten Seite aufgebracht ist, dass die Vielzahl von Poren in der ersten Seite im Wesentlichen frei sind von der oleophoben Beschichtung, und eine kontinuierliche Schicht aus einer aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung, die auf der zweiten Seite des Membransubstrats aufgebracht ist.
- Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Membrananordnung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines porösen Membransubstrats mit hydrophoben Eigenschaften, wobei das Membransubstrat eine erste Seite, eine gegenüberliegende zweite Seite und eine Vielzahl von sich dadurch erstreckenden Poren umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Bilden einer diskontinuierlichen Schicht aus einer oleophoben Beschichtung durch Aufbringen der oleophoben Beschichtung auf die erste Seite des Membransubstrats, so dass die Vielzahl von Poren in der ersten Seite im Wesentlichen frei sind von der oleophoben Beschichtung, und das Bilden einer kontinuierlichen Schicht aus einer aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung durch Aufbringen der aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung auf die zweite Seite des Membransubstrats.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer asymmetrischen porösen Membran. -
2 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines Bereichs der in1 gezeigten, permeablen Membran. -
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer asymmetrischen porösen Membran. - AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
- Eine asymmetrische poröse Membran gemäß einer beispielhaften Ausführungsform und ein Verfahren zur Herstellung der porösen Membran sind nachfolgend ausführlicher beschrieben. Die asymmetrische poröse Membran ist in einer beispielhaften Ausführungsform eine expandierte PTFE-Membran, die auf einer Seite eine oleophobe Beschichtung und auf der gegenüberliegenden Seite eine hydrophile Beschichtung aufweist. Die asymmetrische poröse Membran kann zur Herstellung eines chemischen Schutzlaminats verwendet werden. Die asymmetrische poröse Membran ist, falls mit geeigneten Textilgeweben kombiniert, wasserundurchlässig und stellt eine Barriere gegen chemische und biologische Kampfstoffe bereit, obwohl sie eine gute Wasserdampfdurchlässigkeit (MVTR) aufweist.
- Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist
1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer asymmetrischen porösen Membran10 , die ein Grundsubstrat12 umfasst. Das Membransubstrat12 kann aus irgendeinem geeigneten Material, beispielsweise PTFE, gebildet sein. Das aus PTFE gebildete Substrat12 weist aufgrund der Oberflächenspannungseigenschaften von PTFE hydrophobe Eigenschaften auf. Das Substrat12 weist eine erste Seite14 und eine gegenüberliegende zweite Seite16 auf. Die erste Seite14 des Substrats12 ist mit einem oleophoben Material18 behandelt, um der ersten Seite14 oleophobe Eigenschaften zu verleihen. Eine hydrophile Beschichtung20 ist auf der zweiten Seite16 aufgetragen, um der zweiten Seite16 hydrophile Eigenschaften zu verleihen. - Das oleophobe Material
18 kann irgendein geeignetes Material sein, wie ein fluoriertes Polymermaterial, das die oleophoben Eigenschaften verbessert, ohne die Gasdurchlässigkeit der Membran10 zu beeinträchtigen. Geeignete Beispiele für fluorierte Polymere umfassen fluorierte Urethanpolymere, Perfluoralkylacryl(methacryl)co-polymere und statistische Copolymere, die aus fluoriertem Acrylat(methacrylat), Butylacrylat oder einem vergleichbaren n-Alkylacrylat(methacrylat) bestehen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Fluorierte Polymere sind von DuPont unter dem Markennamen Zonyl® erhältlich. Das oleophobe Material18 ist so auf der ersten Seite14 des Substrats12 aufgetragen, dass die Membranporen im Wesentlichen kein oleophobes Material18 enthalten, wodurch das Substrat12 porös bleibt. - Die hydrophile Beschichtung
20 kann irgendeine geeignete Beschichtung, wie ein aminhaltiges, hydrophiles Polymer, sein. In der hydrophilen Beschichtung20 kann irgendein geeignetes, aminhaltiges, hydrophiles Polymer verwendet werden, bei spielsweise Polyvinylalkohol-Coamin-Polymere. Polyvinylalkohol-Coamin-Polymere sind unter dem Markennamen Erkol® von Celanese kommerziell erhältlich. Die hydrophile Beschichtung20 ist auf der zweiten Seite16 des Substrats20 als kontinuierliche dünne Schicht aufgetragen, welche die Oberfläche der zweiten Seite16 , einschließlich der Poren, bedeckt. In einer Ausführungsform kann die hydrophile Beschichtung20 unter Verwendung eines geeigneten Vernetzungspolymeres, wie beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, Polycup® 172, das von Hercules, Inc., Wilmington, Delaware kommerziell erhältlich ist, vernetzt werden, um dem Endartikel Waschbeständigkeit zu verleihen. - Unter Bezugnahme auf
2 umfasst das Membransubstrat12 eine dreidimensionale Matrix oder Gitterstruktur, die aus einer Vielzahl von Knoten30 , die durch eine Vielzahl von Fibrillen32 miteinander verbunden sind, gebildet ist. Die Oberfächen der Knoten30 und der Fibrillen32 definieren eine Vielzahl von Poren34 in dem Membransubstrat12 . Das Membransubstrat12 ist aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt und ist in der beispielhaften Ausführungsform aus wenigstens teilweise gesintertem, expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) hergestellt. Im Allgemeinen liegt die Größe einer Fibrille32 , die wenigstens teilweise gesintert wurde, im Bereich von etwa 0,05 Mikrometer (μm) bis etwa 0,5 μm im Durchmesser, bezogen auf eine Richtung senkrecht zu der Längsausdehnung der Fibrille. In der beispielhaften Ausführungsform hat das Membransubstrat12 ein Gewicht von etwa 0,1 bis etwa 1,0 Unzen pro Quadratyard. - Die Oberflächen der Knoten
30 und der Fibrillen32 definieren zahlreiche, miteinander verbundene Poren34 , die sich in einem gewundenen Weg vollständig durch das Membransubstrat12 zwischen gegenüberliegenden Hauptseitenoberflächen erstrecken. In der beispielhaften Ausführungsform ist die mittlere effektive Porengröße der Poren34 ausreichend, damit Gase durch das Membransubstrat12 hindurchgehen können und verhindert wird, dass Flüssigkeiten durch das Membransubstrat12 hindurchgehen. Eine geeignete mittlere effektive Porengröße D für die Poren34 liegt im Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa 10 μm und in einer anderen Ausführungsform im Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 5,0 μm. In der beispielhaften Ausführungsform weist das Membransubstrat12 eine Luftdurchlässigkeit von wenigstens etwa 0,10 Kubikfuß Luft pro Minute pro Quadratfuß des Membransubstrats12 auf, gemessen mittels ASTM D-737. Ferner hat das Membransubstrat12 in der beispielhaften Ausführungsform eine Wasserdampfdurchlässigkeit von mehr als etwa 22000 g/m2/Tag, gemessen mittels ISO 15496. - In der beispielhaften Ausführungsform wird das Membransubstrat
12 hergestellt durch Extrudieren einer Mischung von feinen Polytetrafluorethylen (PTFE)-Pulverpartikeln und einem Schmiermittel. Das Extrudat wird kalandriert und das kalandrierte Extrudat wird anschließend in wenigstens eine und vorzugsweise zwei Richtungen, MD und XD, „expandiert" oder gereckt, um Fibrillen32 zu bilden, welche die Knoten30 miteinander verbinden, um eine dreidimensionale Matrix oder Gitterstruktur zu definieren. „Expandiert" bedeutet ausreichend gereckt über die Dehnungsgrenze des Materials hinaus, um eine bleibende Verformung oder Dehnung in die Fibrillen32 einzuführen. Das Membransubstrat12 wird dann erwärmt oder „gesintert", um die Restspannung in dem Membranmaterial durch Umwandeln von Teilen des Materials von einem im Wesentlichen kristallinen Zustand in einen im Wesentlichen amorphen Zustand zu verringern oder zu minimieren. In einer alternativen Ausführungsform ist das Membransubstrat12 , soweit anwendbar für die vorgesehen Endverwendung der Membran, nicht gesintert oder teilweise gesintert. - In der beispielhaften Ausführungsform ist das Membransubstrat
12 aus einer Polytetrafluorethylen (PTFE)-Folie hergestellt, die unter Bildung einer offenporigen Membran, die als expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) bekannt ist, expandiert wurde. In alternativen Ausführungsformen werden gewebtes Polytetrafluorethylen und nicht-gewebtes Polytetrafluorethylen verwendet, um das Membransubstrat12 herzustellen. Andere Materialien und Verfahren können verwendet werden, um ein geeignetes Grundmembransubstrat12 , das eine offenporige Struktur aufweist, zu bilden. Beispielsweise umfassen andere geeignete Materialien Polyolefin, Polyamid, Polyester, Polysulfon, Polyether, Acryl- und Methacrylpolymere, Polystyrol, Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen und mit CaCO3 gefülltes Polyethylen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Andere geeignete Verfahren zur Herstellung einer porösen Membran umfassen die Verschäumung, das Schälen (engl. skiving) oder das Giessen irgendeines geeigneten Materials. -
3 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer anderen beispielhaften Ausführungsform einer asymmetrischen porösen Membran50 , die ein erstes Grundmembransubstrat52 und ein damit verbundenes zweites Grundmembransubstrat54 umfasst. Das Binden kann unter Verwendung irgendeines bekannten, geeigneten Klebestoffs oder eines thermischen Laminierverfahrens erfolgen, welche ermöglichen, dass die asymmetrische poröse Membran50 wie hierin beschrieben funktioniert. Das erste Membransubstrat52 weist eine erste Seite56 und eine gegenüberliegende zweite Seite58 auf. Das zweite Membransubstrat54 weist eine erste Seite60 und eine zweite Seite62 auf. Die zweite Seite58 des ersten Membransubstrats ist mittels eines Klebstoffs64 oder irgendeines anderen geeigneten Laminierverfahrens an die erste Seite60 des zweiten Membransubstrats54 gebunden. Die ersten und zweiten Membransubstrate52 und54 sind ähnlich zu dem oben beschriebenen Membransubstrat12 und umfassen Knoten30 und Fibrillen32 . - Die Membransubstrate
52 und54 können aus irgendeinem geeigneten Material, beispielsweise PTFE, auf ähnliche Weise wie das oben beschriebene Membransubstrat12 gebildet werden. Die aus PTFE gebildeten Substrate52 und54 weisen aufgrund der Oberflächenspannungseigenschaften von PTFE hydrophobe Eigenschaften auf. Das Membransubstrat52 ist mit einem oleophoben Material18 behandelt, um oleophobe Eigenschaften zu verleihen. Andere Materialien können verwendet werden, um die Grundmembransubstrate52 und54 , die eine offenporige Struktur aufweisen, zu bilden. Andere geeignete Materialien umfassen beispielsweise Polyolefin, Polyimid, Polyester, Polysulfon, Polyether, Acryl- und Methacrylpolymere, Polystyrol, Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen und mit CaCO3 gefülltes Polyethylen, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Andere geeignete Verfahren zur Herstellung einer porösen Membran umfassen die Verschäumung, das Schälen (engl. skiving) oder das Giessen irgendeines geeigneten Materials. - Das zweite Membransubstrat
54 wird mit einer hydrophilen Beschichtung20 gefüllt, bevor die zweite Membran54 an das erste Membransubstrat52 gebunden wird. Die hydrophile Beschichtung20 wird in einer beispielhaften Ausführungsform tauchbeschichtet auf das zweite Membransubstrat54 und in die Poren34 des Membransubstrats54 , bevor das zweite Substrat54 klebend auf das oleophob gemachte Membransubstrat52 laminiert wird. - Obwohl die Erfindung hinsichtlich verschiedener, bestimmter Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann klar, dass die Erfindung mit Abwandlungen innerhalb des Umfangs der Ansprüche ausgeführt werden kann.
-
- 10
- asymmetrische poröse Membran
- 12
- Membransubstrat
- 14
- erste Seite
- 16
- zweite Seite
- 18
- oleophobes Material
- 20
- hydrophobe Beschichtung
- 30
- Knoten
- 32
- Fibrillen
- 34
- Poren
- 50
- asymmetrische poröse Membran
- 52
- erstes Membransubstrat
- 54
- zweites Membransubstrat
- 56
- erste Seite
- 58
- zweite Seite
- 60
- erste Seite
- 62
- zweite Seite
- 64
- Klebstoff
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5976380 [0002]
Claims (20)
- Poröse Membrananordnung, umfassend: ein poröses Membransubstrat mit hydrophoben Eigenschaften, wobei das Membransubstrat eine erste Seite, eine gegenüberliegende zweite Seite und eine Vielzahl von Poren, die sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite erstrecken, umfasst; eine diskontinuierliche Schicht aus einer oleophoben Beschichtung, die so auf der ersten Seite aufgebracht ist, dass die Vielzahl von Poren in der ersten Seite im Wesentlichen frei sind von der oleophoben Beschichtung; und eine kontinuierliche Schicht aus einer aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung, die auf der zweiten Seite des Membransubstrats aufgebracht ist.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 1, wobei das poröse Membransubstrat expandiertes Polytetrafluorethylen, gewebtes Polytetrafluorethylen oder nicht-gewebtes Polytetrafluorethylen umfasst.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 1, wobei das poröse Membransubstrat expandiertes Polytetrafluorethylen umfasst.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 1, wobei die aminhaltige, hydrophile Polymerbeschichtung ein Polyvinylalkohol-Coamin-Polymer umfasst.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 1, wobei die oleophobe Beschichtung ein fluoriertes Polymer umfasst.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 5, wobei das fluorierte Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus fluorierten Urethanpolymeren, Perfluoralkylacrylcopolymeren, Perfluoralkylmethacrylcopolymeren und statistischen Copolymeren aus fluoriertem Acrylat, fluoriertem Methacrylat, fluoriertem n-Alkylacrylat und fluoriertem n-Alkylmethacrylat.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Poren von etwa 0,01 μm bis etwa 10 μm sind.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 1, wobei das poröse Membransubstrat umfasst: ein erstes poröses Membransubstrat mit einer ersten Seite, einer gegenüberliegenden zweiten Seite und einer Vielzahl von Poren, die sich dadurch erstrecken; und ein zweiten poröses Membransubstrat mit einer ersten Seite, einer gegenüberliegenden zweiten Seite und einer Vielzahl von Poren, die sich dadurch erstrecken, wobei die zweite Seite des ersten Membransubstrats an die erste Seite des zweiten Membransubstrats gebunden ist.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 8, umfassend eine diskontinuierliche Schicht aus einer oleophoben Beschichtung, die so auf dem ersten Membransubstrat aufgebracht ist, dass die Vielzahl von Poren in dem ersten Membransubstrat im Wesentlichen frei sind von der oleophoben Beschichtung.
- Poröse Membrananordnung nach Anspruch 9, umfassend eine aminhaltige, hydrophile Polymerbeschichtung, welche die Poren des zweiten Membransubstrats ausfüllt.
- Verfahren zur Herstellung einer porösen Membrananordnung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines porösen Membransubstrats mit hydrophoben Eigenschaften, wobei das Membransubstrat eine erste Seite, eine gegenüberliegende zweite Seite und eine Vielzahl von sich dadurch erstreckenden Poren umfasst; Bilden einer diskontinuierlichen Schicht aus einer oleophoben Beschichtung durch Aufbringen der oleophoben Beschichtung auf die erste Seite des Membransubstrats, so dass die Vielzahl von Poren in der ersten Seite im Wesentlichen frei sind von der oleophoben Beschichtung; und Bilden einer kontinuierlichen Schicht aus einer aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung durch Aufbringen der aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung auf die zweite Seite des Membransubstrats.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen eines porösen Membransubstrats das Bereitstellen eines porösen Membransubstrats aus expandiertem Polytetrafluorethylen, gewebtem Polytetrafluorethylen oder nicht-gewebtem Polytetrafluorethylen umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen eines porösen Membransubstrats das Bereitstellen eines Membransubstrats aus expandiertem Polytetrafluorethylen umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei die aminhaltige, hydrophile Polymerbeschichtung ein Polyvinylalkohol-Coamin-Polymer umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei die oleophobe Beschichtung ein fluoriertes Polymer umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 15, wobei das fluorierte Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus fluorierten Urethanpolymeren, Perfluoralkylacrylcopolymeren, Perfluoralkylmethacrylcopolymeren und statistischen Copolymeren aus fluoriertem Acrylat, fluoriertem Methacrylat, fluoriertem n-Alkylacrylat und fluoriertem n-Alkylmethacrylat.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Poren etwa 0,01 μm bis etwa 10 μm sind.
- Verfahren nach Anspruch 11, wobei das poröse Membransubstrat umfasst: ein erstes poröses Membransubstrat mit einer ersten Seite, einer gegenüberliegenden zweiten Seite und einer Vielzahl von sich dadurch erstreckenden Poren; und ein zweites poröses Membransubstrat mit einer ersten Seite, einer gegenüberliegenden zweiten Seite und einer Vielzahl von sich dadurch erstreckenden Poren, wobei die zweite Seite des ersten Membransubstrats an die erste Seite des zweiten Membransubstrats gebunden ist.
- Verfahren nach Anspruch 18, umfassend das Bilden einer diskontinulierlichen Schicht aus einer oleophoben Beschichtung durch Aufbringen der oleophoben Beschichtung auf das erste Membransubstrat, so dass die Vielzahl von Poren in dem ersten Membransubstrat im Wesentlichen frei sind von der oleophoben Beschichtung.
- Verfahren nach Anspruch 19, umfassend: Bilden einer kontinuierlichen Schicht aus einer aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung durch Aufbringen der aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung auf das zweite Membransubstrat, so dass die Poren des zweiten Membransubstrats mit der aminhaltigen, hydrophilen Polymerbeschichtung ausgefüllt sind; und Binden der zweiten Seite des ersten Membransubstrats an die erste Seite des zweiten Membransubstrats.
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