DE2362036A1

DE2362036A1 - Mikroporoese filtermedien

Info

Publication number: DE2362036A1
Application number: DE2362036A
Authority: DE
Inventors: Bruce Saul Goldberg
Original assignee: Amerace Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1972-12-13
Filing date: 1973-12-13
Publication date: 1974-06-20
Also published as: DE2362036C2; FR2210428A1; IT1000311B; JPS5953085B2; JPS5046577A; GB1458198A; CH593091A5; LU69000A1; BE808536A; AU6343473A; BE872153Q; GB1458199A; CA1085531A; US3862030A; CH592467A5; FR2210428B1

Description

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r/ma

AMERACE CORPORATION, New York, N.Y. / USA

Mikroporöse Filtermedien

Die Erfindung' betrifft im allgemeinen mikroporöse Filtermedien und insbesondere mikroporöse flüssigkeitsdurchlässige Filtermedien, welche dazu geeignet sind, um ultrafeine oder mikroskopische Teilchen aus dem Medium zu entfernen, in welchem sie suspendiert sind. Die erfindungsgemäßen Filtermedien sind z.B. besonders gut dazu geeignet, um Teilchen mit Submikro-Dimensionen, z.B. Bakterien, kolloidale Substanzen und dergleichen aus flüssigen oder gasförmigen Umgebungen .zu entfernen, worin sie im allgemeinen suspendiert sind. Die Größe von solchen gefilterten

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Teilchen ist nominal ein λι oder weniger, wenn sie anhand des Durchmessers des zuletzt filtrierbaren Teilchens gemessen wird. Wenn daher z.B. ein Teilchen eine längliche Gestalt hat, dann entspricht der wenigstens filtrierbare Durchmesser nicht der Hauptachse des Teilchens, sondern der Länge der Nebenachse des Teilchens. Demgemäß soll die hierin verwendete Bezeichnung "sub-mikron" gefilterte Teilchen bezeichnen, deren wenigstens filtrierbare Durchmesser nominal ein ,u oder weniger beträgt. .

Die bekannten Filtermedien, die auf dem Gebiet der Submikro-Teilchen verwendet werden können, können gewöhnlich in zwei Kategorien eingeordnet werden, das heisst in Filter des Oberflächentyps und in Filter des Tiefentyps. Die Filter des Oberflächentyps sind allgemein gesprochen dünne Filme oder Membranen, welche Poren mit im wesentlichen der gleichen Größe und Konfiguration haben, die sich von der einen Oberfläche des Filterelements zu der anderen erstrecken und die im wesentlichen in der Weise arbeiten, daß sie die suspendierten Materialien in der Flüssigkeit oder in dem Gas, welches durch das Filterelement strömt, auf der stromaufwärts Oberfläche des Films oder der Membrane einfangen. Membranfilter des Oberflächentyps mit ultrafeinen oder mikrodimensionierten Poren werden z.B. in den US-PS'en 1.421.341; 1.693.890; 1.72O.670; 2.783.894; 2.964.777 und 2.944.017 beschrieben. Obgleich die Membranen der Filter des Oberflächentyps dazu imstande sind, ein Filterelement mit extrem kleiner Porengröße und relativ gleichförmiger Porengrößeverteilung zu ergeben, müssen sie doch extrem dünn sein, so daß sie demgemäß nur sehr teuer herstellbar sind. Dazu kommt noch, daß sie aufgrund ihrer extremen Dünne eine relativ geringe physikalische Festig-

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keit haben/ so daß sie sorgfältig gehandhabt werden müssen und daß sie beim Aussetzen an die Wärme strukturell instabil sind.

Demgegenüber haben Filter des Tiefentyps im allgemeinen eine annehmbare Dicke mit einer Reihe von Poren unterschiedlicher Länge, so daß sie weniger brüchig sind als die Membranen von Filtern des Oberflächentyps. Die Filter des Tiefentyps arbeiten in der Weise, daß sie die suspendierten Teilchen oder die Verunreinigungen im Filter selbst, d.h. entlang der sich —in -Längsrichtung erstreckenden Oberflächen der Innenwände., der Poren selbst einfangen. Filter des Tiefentyps, die dazu imstande sind, sub-mikrondimensionierte Teilchen zu entfernen, können einmal'aus keramischen Materialien, die voluminös, brüchig und sehr teuer sind hergestellt werden oder andererseits aus Platten oder Tafeln, die aus Massen von Fasern oder anderen Teilehen hergestellt sind und die durch mechanisch verknüpfte 'Mehrfachschichten von solchen Materialien zusammengehalten werden, oder durch Bindung mehrerer Schichten zusammen oder durch Bindung einer Schicht eines solchen Materials auf permeable s· Substrat. Beispiele des letztgenannten Filter des Tiefentyps finden sich in den US-PS*eh 3.258.056; 3.246.767; 3.353.682. Obgleich die dort beschriebenen mikroporösen Filter des Tiefentyps im allgemeinen billiger herzustellen und leichter zu handhaben sind als keramische Filter und auch erheblich weniger brüchig und wärmeempfindlich sind als die Membranfilter des Oberflächentyps, sind sie doch noch mit bestimmten Kachteilen behaftet, die auf die inherente Natur ihrer Konstruktion zurückzuführen sind. Da sie z.B. aus vielen Fasern oder Körnern eines teilchenförmigen Materials zusammengesetzt sind, sind die bekannten Filter des Tiefentyps gegenüber einem Oberflächenabrieb sehr stark empfindlich, so daß die Teilchen des Filtermaterials selbst häufig weggebrochen

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werden können und in dem Filterelement eingeschlossen werden/ was zu einem frühen verstopfen und zu einer Beendigung des Gebrauchszeit des Filters führt. Alternativ kann es auch vorkommen, daß die abgeschliffenen Teilchen des Filtermaterials sich stromabwärts des Filterelements bewegen, wodurch eine Verunreinigung des Filtratmediums bewirkt wird. Ein weiterer Nachteil der bekannten Filter des Tiefentyps besteht .darin, daß das filtrierte Material in dem Filterelement okludiert wird, so daß es schwierig, wenn nicht unmöglich ist, solche Filterelemente durch ein Rückspülen zu säubern. Darüberhinaus können Filter des Tiefentyps normalerweise nicht dazu verwendet werden, um Bakterien zu filtrieren, da die Bakterien in dem Filtermaterial selbst eingeschlossen werden, anstelle daß sie an der Oberfläche des Filters gesammelt werden. Hierdurch wird eine leichte Probeabnahme der filtrierten Bakterien zur Analyse unmöglich gemacht. Da weiterhin Bakterien aktive lebende Organismen sind, können sie sich durch das Filter des Tiefentyps vollständig durcharbeiten, was zu einer Verunreinigung des Filtrats führt..

Hauptziel der Erfindung ist es daher, verbesserte mikroporöse Filtermedien zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande sind, Teilchen mit Submikron-Dimensionen wirksam aus dem Medium zu entfernen, in welchem sie suspendiert sind.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, mikroporöse Filtermedien zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande sind, suspendierte Teilchen mit . Submikron~Dimensionen trotz der Tatsache zu filtern, daß die Größenverteilung der Poren in dem mikroporösen Filterteilen nicht gleichförmig von 0,01 ,u

/ bis etwa 100 ,u variiert.

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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein mikroporöses Filterelement zur Verfügung zu stellen, das dazu fähig ist, Teilchen mit Submikron-Dimensionen aus dem Medium, in dem sie suspendiert sind, zu entfernen, wobei das Filterelement sowohl als Filter des Oberflächentyps als auch als Filter des Tiefentyps arbeiten soll, ohne daß es die Nachteile der beiden Typen zeigt»

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung mikroporöse Filtermedien zur Verfügung zu stellen, die dazu imstande sind, Teilchen mit submikron Dimensionen aus dem Medium, in welchem sie suspendiert sind, zu entfernen, wobei die Filtermedien verbesserte Festigkeitseigenschaften haben sollen, leicht zu handhaben sein sollen, eine verbesserte Permeabilität haben sollen und relativ billig herstellbar sein sollen.

Durch die vorliegende Erfindung wird nun die Herstellung eines geeigneten mikroporösen Materials und die Verwendung eines solchen Materials als flüssigkeitspermeablesFiltermedium mit Submikron-Dimensionen in Betracht gezogen. Das erfinduhgsgemäße mikroporöse Material enthält eine polymere harzartige Matrix, die einen anorganischen Füllstoff aufweist, der durch die Matrix hindurch dispergiert ist und ein Netzwerk von Mikro-Hohlräumen oder Poren, die in der harzartigen Matrix gebildet sind, zwischen den Teilchen des dispergierten Füllstoffes und der harzartigen Matrix und. zwischen benachbarten Teilchen des dispergierten Füllstoffes, wobei die Größenverteilung von solchen Poren relativ nichtgleichförmig ist.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Mikrophotographie erläutert, die die Oberfläche eines erfindungsgemäßen mikroporösen Filtermediums in 1200-facher Vergrößerung zeigt.

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Gemäß der Erfindung können die erfindungsgemäßen Filtermedien aus polymeren oder mikroporösen Kunststoffplatten bzw. Folien hergestellt werden, die aus einem Gemisch hergestellt worden sind, das die folgenden wesentlichen Bestandteile enthält:

1. Ein thermoplastisches Harzbindemittel, · z.B. ein Polyvinylchlorid-Harz ,

2. ein Lösungsmittel, z.B. Cyclohexanon, das das Harzbindemittel weich macht oder solubilisiert und das dazu beiträgt, einige der Poren zu bilden,

3. einen anorganischen Füllstoff wie Siliciumdioxid-Hydrogel oder ausgefälltes hydratisiertes Siliciumdioxid oder jeden beliebigen anderen Träger oder jedes andere Substrat für flüchtige Stoffe, das dazu imstande ist, eine kontrollierte Menge von flüchtigen Stoffen aufzufangen, wonach die flüchtigen Stoffe bei kontrollierten Bedingungen entfernt werden können, um das angestrebte System von Mikroporen zurückzulassen, wie es weiter unten genauer erläutert werden wird und

4. ein flüchtiges Nichtlösungsmittel, das als Porenbildner wirkt, z.B. Wasser, das dazu imstande ist, durch den anorganischen Füllstoff absorbiert zu werden.

Bei der Durchführung der Erfindung wird vorzugsweise ein Vinylchlorid-Harzbindemittel des "EP"-Typs oder des leicht verarbeitbaren Typs eingesetzt. Ein EP-Harz ist durch Harzteilchen charakterisiert, die porös und hochabsorbierend sind, gegenüber handelsüblichen Harzteilchen, die ein hartes, glänzendes und perlenartiges Aussehen haben. Ein gutes Bei-

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spiel für ein geeignetes thermoplastisches Harzbindemittel ist ein nicht-weichgemachtes Gamma-Vinylchlorid-Homopolymerharz wie es beispielsweise von der B.F. Goodrich Company unter dem Warenzeichen Geon 103 EP vertrieben wird. Das Vinylchlorid-Harzbindemittel kann auch ein Copolymeres aus Vinylchlorid und einer geringer Menge (z.B. bis zu etwa 15 %) eines ittonoäthylenischen Monomeren, z.B. Vinylacetat, Vinylidenchlorid, Propylen oder Äthylen sein. Beispiele für Copolymere der letzteren Art, die für die Erfindung geeignet sind, sind Propylen-modifizierte Vinylchloridharze wie sie beispielsweise von der Air Products Company unter dem Warenzeichen Airco 401 vertrieben werden oder Vinylacetat- modifizierte Vinylchloridharze, wie sie ebenfalls von der Air Products Company unter dem Warenzeichen Excambia 6240 vertrieben werden. Naturgemäß können auch andere thermoplastische harzartige Bindemittel verwendet werden, so lang das thermoplastische Harz ein Material ist, das 1) mit einem Lösungsmittel in einen teigartigen, halbweichgemachten Zustand umgewandelt v/erden kann, so daß es während es sich in dem halbweichgemachten Zustand befindet leicht durch Extrudierung oder Kaländrierung verformt werden kann und die resultierende Gestalt bei jeder Temperatur, bei der am Schluß das arbeiten erfolgt, seine Gestalt beibehält, nachdem das Lösungsmittel entfernt worden ist und eine nachfolgende Endweichmachung erfolgt ist und das 2) bei den Gebrauchsbedingungen chemisch und physikalisch stabil ist, das heisst, daß das Harz, wenn es als Filtermedium verwendet werden soll, einem Angriff der Flüssigkeiten oder der Gase mit denen es in Berührung kommt widerstehen sollte, daß es zäh genug sein sollte und eine angemessene Zugfestigkeit haben sollte und daß es dazu imstande sein sollte, den Umgebungstemperaturen bei der Verwendung als

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Filtermedium zu widerstehen.

Anstelle von Siliciumdioxid-Hydrogel oder ausgefälltem hydratisiertem Siliciumdioxid kann als Füllstoff auch jedes beliebige andere relativ unlösliche, anorganische feste Material verwendet werden, das dazu imstande ist, mindestens 30 Teile Wasser oder anderer flüchtiger Stoffe je 100 Teile des nicht-flüchtigen Materials zu halten und das dazu imstande ist, diese flüchtigen Stoffe beim Erhitzen auf eine geeignete Temperatur unterhalb des Zersetzungspunktes des beim Verfahren verwendeten thermoplastischen Harzes wieder abzugeben. Auf diese Weise ergibt die Dehydratisierung oder die Entfernung flüchtiger Stoffe und die Schrumpfung des Füllstoffmaterials in der halbsteifen endweichgemachten Platte die Bildung des gewünschten Systems von Mikroporen innerhalb der Platte mit sich. Beispiele für leichter verfügbare Füllstoffmaterialien, die den vorstehenden Erfordernissen genügen, sind Aluminiumhydroxid, Eisen(II)-Hydroxid, hydratisierende absorbierende Tone oder Diatomenerden, Borax und Acetyl-Salizylsäure. Naturgemäß sollte es sich bei dem verwendeten Material um ein solches handeln, das während der Lösungsmittelentfernungsphase des Prozesses aus der extrudierten und kalandrierten Kunststoffplatte nicht ohne weiteres extrahiert wird.

Das verwendete Lösungsmittel sollte eine geeignete solvatisierende oder weichmachende Wirkung auf das harzartige Bindemittel (z.B. Polyvinyl-Chlorid) ausüben und dazu imstande sein, durch den Füllstoff (z.B. Siliciumdioxid) leicht absorbiert zu werden. Im allgemeinen werden organische Lösungsmittel bevorzugt. Typische organische Lösungsmittel, die geeigneterweise verwendet werden können, sind z.B. Aceton, Ä'ther, Dimethylformamid, Orthochlorbenzol, Nitrobenzol, Tetrahydrofuran und solche Ketone wie Methyl-cyclohexanon, Methyl-Ä'thyl-Keton und Methyl-Isopropyl-Keton.

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Cyclohexanon ist ein besonders bevorzugtes Lösungsmittel, da es dazu imstande ist, das Polyvinylchlorid richtig weich zu machen und in Wasser nur geringfügig löslich ist. Darüberhinaus hat es die Fähigkeit, durch das Siliciumdioxid, leicht absorbiert zu werden und es besitzt einen genügend hohen Siedepunkt, daß eine Weichmachung und Extraktion bei Temperaturen oberhalb Raumtemperatur gestattet wird.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen flüssigkeitspermeablen mikroporösen Filtermedien werden das thermoplastische Harzbindemittel und der anorganische Füllstoff (sowohl das Bindemittel als auch der Füllstoff liegen vorzugsweise in der Form von fein verteilten Teilchen vor) in einem Trockenmischer bei Raumtemperatur .oder oberhalb miteinander vermischt. Nach dem Erhalt eines homogenen pulverförmigen Gemisches wird ein Lösungsmittel für das Harz (z.B. Cyclohexanon) in einer genügenden Menge zugesetzt, das ein knetbarer koherenter Teig gebildet wird, der dazu imstande ist, zu einer gleichförmigen, im wesentlichen abgeflachten Platte bzw. Folie der gewünschten Dicke durch Extrusion, Kalandrierung oder eine andere geeignete Verformungsmethode verformt zu werden. Demgemäß kann das Lösungsmittel in einer Menge von etwa 1,5 bis etwa 3 Gew.-Teile je Gewichtsteil Harz verwendet werden, wobei ein Bereich von etwa 2 bis 2,7 Gew.-Teile je Gewichtsteil Harz besonders bevorzugt wird. Wenn das Füllstoffmaterial ausgefälltes, hydratisiertes Siliciumdioxid ist, dann werden auch bevorzugte Mengen eines Nichtlösungsmittels (Wasser) zu dem Gemisch während der Bildung des Teiges gegeben. Alternativ kann auch Siliciumdioxid-Hydrogel anstelle von ausgefälltem, hydratisiertem Silicium-

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dioxid verwendet werden, in welchem Falle das Nichtlösungsmittel (Wasser) schon als absorbierter Stoff in der Siliciumdioxid-Komponente enthalten ist (das heisst Siliciumdioxid-Hydrogel ist im allgemeinen ein Siliciumdioxid, das etwa 50 bis etwa 75 % absorbiertes Wasser enthält).

Bei einer anderen alternativ bevorzugten Methode zur Herstellung der erfindungsgemäßen flüs'sigkeitspermeablen mikroporösen Filtermaterialien kann der Füllstoff ausgefälltes, hydratisiertes Siliciumdioxid sein, wie es z.B. von der PPG Corporation unter dem Warenzeichen Hi SiI 233 vertrieben wird. Dieses Produkt kann mit dem Vinylchloridharz-Bindemittel, dem Lösungsmittel und bevorzugten Mengen eines Nichtlösungsmittels (Wasser) in einer Niederscher-Mischvorrichtung oder in einem Mischer ohne die Zuführung von Wärme vermengt werden, wodurch ein feuchtes stabiles freifließendes Pulver anstelle eines Teiges erhalten wird. Das Pulver kann sodann in einen Extruder gebracht werden, wo es unter Hochscher-Kräften und bei mäßig erhöhten Temperaturen in einen Teig überführt wird, der nachfolgend zu einer gleichförmigen Platte bzw. Folie kalandriert oder sonstv/ie verforint werden kann. Die vorstehende Methode zur Bildung eines feuchten fließfähigen Pulvers anstelle eines Teiges und die damit erzielten Vorteile werden in der US-PS 3.696.061 beschrieben.

In jedem Falle wird die resultierende Platte bzw. Folie sodann direkt in eine Extraktionsflüssigkeit oder ein Bad eingeführt, die dazu imstande ist, das Lösungsmittel aus der gebildeten Platte bzw. Folie herauszuextrahieren und das Lösungsmittel in der Platte bzw. Folie durch die Extraktionsflüssigkeit zu ersetzen, ohne daß ein nennenswertes Auflösen oder Anquellen der harzartigen Bindemittel-Matrix in der Platte bzw. Folie erfolgt. So kann z.B. die kalandrierte oder verformte Platte bzw. Folie auf ein Transportsieb oder

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eine andere geeignete Trägereinrichtung gebracht werden und durch ein Extraktionsbad,welches Wasser enthält,mit einer Temperatur von etwa 48,9 bis 82,2°C (120 bis 18Ö°F) geleitet werden. Je nach der Dicke, dem Konzentrationsgradienten, der Badtemperatur, der Lösungsmittelart und anderen Faktoren wird die Platte bzw. Folie in dem Extraktionsbad so lange belassen, bis im wesentlichen das gesamte Lösungsmittel aus der Platte bzw. Folie herausgelaugt oder entfernt worden ist und durch die Exträktionsflüssigkeit (Wasser) ersetzt worden ist. Die extrahierte mikroporöse Platte bzw. Folie wird sodann getrocknet um die Extraktionsflüssigkeit zu entfernen, beispielsweise in der Weise, daß man die extrahierte Platte bzw. Folie durch einen Trockenluftofen mit einer Temperatur von etwa 65,6 bis 149°C (150 bis 200°F) leitet, wodurch die Extraktionsflüssigkeit aus der Platte bzw. Folie abgedampft wird. Die Entfernung der Extfaktionsflüssigkeit aus der. Platte bzw. Folie zusammen mit den Siliciumdioxid-oder Füllstoffteilchen, die ein schrumpfendes Volumen haben, da sie nunmehr nicht langer absorbiertes Lösungsmittel oder eine Extraktionsflüssigkeit enthalten (welche das Lösungsmittel während der Extraktion ersetzt hat), führt nun zur Bildung eines dimensionsstabilen mikroporösen Systems im Inneren und durch die Platte bzw. Folie hindurch. Wenn einmal die Mikroporenstruktur gebildet worden ist, dann kann die getrocknete, dimensionsstabile Platte bzw. Folie sodann zu der für die Filterzwecke angestrebten Größe und Konfiguration zurechtgeschnitten werden, was vorzugsweise dann geschieht, nachdem die Platte bzw. Folie auf Raumtemperatur abgekühlt worden ist.

Die Natur des auf die vorstehende Weise gebildeten Mikroporösen Systems ergibt sich bei der Betrachtung der Zeichnung. Diese ist eine Mikrophotographie, die mit einer 1200-fachen Vergrößerung auf der Oberfläche einer typischen Probe eines erfindungsgemäßen mikroporösen Filtermediums aufgenommen

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worden ist. Das endweichgemachte polymere harzartige Bindemittel bildet eine dimensionsstabile Matrix 10, durch welche hindurch Teilchen 12 des Siliciumdioxid-Füllstoffmaterials dispergiert sind. Wie aus der Mikrophotographie eindeutig hervorgeht, können die Mikroporen in der Form von 1) Hohlräumen 14, die sich durch die Matrix 10 hindurch erstrecken, 2) von Hohlräumen 10, die sich zwischen den Siliciumdioxid-Teilchen 12 und der Maxtrix 10 erstrecken und von 3) Hohlräumen 18, die sich zwischen angrenzenden oder benachbarten Siliciumdioxid-Teilchen 12 erstrecken, vorliegen. Darüberhinaus wird ersichtlich, daß die Größe der einzelnen Poren oder Hohlräume 14, 16 und 18 über einen relativ weiten Bereich variieren kann. Wenn man z.B. die bekannte Quecksilber-Intrusions-Methode zur porosimetrischen Bestimmung der Porengröße und der Porengrößevertexlung anwendet, dann ist es nicht unüblich, bei einem typischen Beispiel eines erfindungsgemäßen mikroporösen Filtermaterials Poren oder Hohlräume mit einer Größe von etwa 0,01 ,u bis ungefähr 100,u und einem mittleren Porendurchmesser von etwa 0,1 ,vl zu finden. Darüberhinaus stellt man fest, daß diese willkürliche Verteilung von variierenden Porengrößen sich nicht nur in den zweiDimensionen der Mikrophotographie erstreckt, sondern auch in der dritten Dimension oder der Dicke-Dimension des mikroporösen Filtermaterials. Wenn man daher annimmt, daß die in der Mikrophotographie dargestellte Probe eine begrenzte Dicke "T" besitzt, die sich senkrecht zu der Ebene der Zeichnung erstreckt, dann variiert die willkürliche Verteilung der Poren- oder Mikrohohlraumgröße in ähnlicher Weise entlang der "T"-Dimension. Somit können die erfindungsgemäßen Filtermedien als eine Schicht eines mikroporösen Materials mit einer Dicke "T" charakterisiert werden, die eine Vielzahl von Oberflächen, z.B. der in der Mikrophotographie dargestellten Art enthalten, die aufeinandergelegt sind und zueinander integral sind, wobei jede Oberfläche eine willkürliche Porenverteilung oder Hohlräume

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mit variierender Größe enthält. Auf diese Weise wird ein mikroporäses Filterelement zur Verfügung gestellt, das anstelle von ausgeprägten Poren mit relativ gleichförmiger Größe/ die sich von einer Oberfläche des Filterelements zu sainer anderen Oberfläche erstrecken, tatsächlich eine Vielzahl von gewundenen Faden enthält, deren jeweilige Längen vielfach größer sind als die Dicke "T" des Elements und deren jeweilige Durchmesser entlang ihrer Länge willkürlich variieren. Aus diesem Grunde nimmt man an, daß die erfindungsgemäßen mikroporösen Filtermedien des sub-mikron-Typs dazu imstande sind, suspendierte Stoffe wie Bakterien aus flüssigen oder gasförmigen Medien,in denen sie suspendiert sind, wirksam herauszufiltrieren oder, zu entfernen und zwar trotz der Tatsache, daß die Porengröße der in den Filtermedien enthaltenen Mikrohohlräume über eine relativ große Verteilung variieren und eine erhebliche Anzahl von Poren enthalten, die eine größere Größe habevals die Teilchen der filtrierenden Stoffe.

Eine weitere Charakterisierung der erfindungsgemäßen Filtermedien des Submikron-Typs kann in der Weise erfolgen, daß sie als mikroporöse Filterelemente betrachtet werden, die aus einem Filter des Tiefentyps bestehen, die aus seiner begrenzten Vielzahl von integrierten übereinandergelegten Filterschichten des Oberflächentyps bestehen, wobei jede Schicht eine willkürliche Verteilung von nicht-gleichförmig dimensionierten Mikrohohlräumen oder Poren besitzt. Der Vorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß die erfindungsgemäßen Filterelemente dazu imstande sind, als Filter des Oberflächentyps zu arbeiten und doch die verbesserten strukturellen und physikalischen Festigkeitseigenschaften der Filter des Tiefentyps besitzen. So wurde z.B. bei der Filtrierung von Bakterien oder ähnlich dimensionierten suspendierten Teilchen festgestellt, daß ein vorwiegend der

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letzteren Art auf der leitenden oder stromaufwärts-Oberfläche vorliegt und daß Bakterien oder solche anderen Teilchen, die ihren Weg unterhalb die leitende Oberfläche des Elements aufgrund der willkürlich bre.iten Porengrößeverteilung nicht machen können, unmittelbar unterhalb der Oberfläche des FiI tenements eingefangen oder eingeschlossen werden. Die erfindungsgemäßen Filtermedien können daher dazu verwendet werden, um präzis Teilchen mit Submikron-Dimensionen wie z.B. Bakterien herauszufiltrieren, was bislang vollkommen unerwartet war, da Teilchen dieser Art und Natur mit jeder beliebigen anderen Form von Filtern entfernt werden konnten als Dünnfilm- oder Membranfilter des Oberflächentyps, die eine nahezu gleichförmige Porengrößeverteilung besitzen. Die vorstehende Konstruktion gestattet es ferner, daß das Filterelement durch ein Rückspülen gesäubert werden kann, wodurch die Gebrauchszeit verlängert werden kann.

Die Erfindung wird in Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Nach der folgenden Arbeitsweise wurden Submikron-Filtermedien gemäß der Erfindung hergestellt. Es wurde eine mikroporöse Platte bzw. Folie hergestellt, in dem 15,9 Kg Hi SiI 233, ein ausgefälltes hydratisiertes Siliciumdioxid mit einer Teilchengröße von etwa 20 % durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,105 mm und einer ölabsorption von 135 g 01/100 Siliciumdioxid und 11,3 Kg Geon 103 EP F Polyvinylchlorid-Harz in einem Niederscher-Flüssigkeits—Feststoffmischer ungefähr 3 Min. lang vermischt wurden. Sodann wurden unter weitergeführtem Durchbewegen 22,9 Kg Lösungsmittel (Cyclohexanon) über einen Zeitraum von 20 Min. mittels einer Pumpe zugefügt. Zu dem Gemisch wurde sodann

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Wasser in einer Menge von 21,9 Kg in dem Mischer über einen Zeitraum von 20 Min. zugefügt, wodurch ein feuchtes freifließendes Pulver eerhalten wurde. Das Pulver wurde sodann in einen Schneckenextruder mit einer Zylindertemperatur von ungefähr 48,9 C eingeführt und zwischen den Walzen des Kalanders geleitet, wodurch eine im wesentlichen flache gleichförmig dimensionierte Platte bzw. Folie erhalten wurde. Letztere wurde sodann durch ein Wasser-Extraktionsbad mit 76,7°C geleitet und hierauf 6 Min. in einem Heißluftofen bei 107⁰C getrocknet. Aus der resultierenden im wesentlichen abgeflachten halbstarken Platte bzw. Folie wurde ein Filterelement mit einer Dicke von 45,7 · 10 cm und einem Durchmesser von 47 mm herausgeschmitten und durch' Eintauchen in ein Dampfbad über einen Zeitraum von etwa 60 Minuten hitzesterilisiert*. Das sterilisierte Filterelement wurde sodann auf ein Filtergehäuse montiert und 100 can Wasser, die 800 Bakterien Escherchia CoIi mit einer durchschnittlichen Breite von 0,5 ,u und einer durchschnittlichen Länge von 2,5 .u wurden durch das obige Filter geleitet. Das Filtrat wurde sowohl durch eine Zählungstechnik als auch durch eine Wachstumsinnoculierung in EMB, BBL und Trypticase-Soja-Brühe analysiert. In sämtlichen Fällen wurde weder eine Bakterienzahl noch irgendein Wachstum beobachtet. Der Durchsatz oder die Fließgeschwindigkeit des Filterelements wurde durch herkömmliche Methoden unter einem Druckgradienten von 0,70 Ätü als 1,51 l/Min/O,O9m. gemessen. , .

Beispiel 2

Nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde ein frisches Filterelement hergestellt. Eine Suspension von 800 Bakterien Staphylococcus Aureus (mit einer mittleren Größe von 0,75 ,u) in 100 ecm Wasser wurde sodann durch das Filter geleitet. Das resultierende Filtrat wurde durch Zählungstechniken als

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auch durch eine Innoculierung auf eine ausgewählte Enterococcen-Brühe, Trypticase-Soja-Brühe und eine Staph-Agar-100-Grühe analysiert. In sämtlichen Fällen v/urde weder eine Bakterienzahl noch irgendein Wachstum beobachtet.

Beispiel 3

Ein frisches Filterelement wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt und dazu verwendet um 800 Bakterien Enterobacteria bacilli (durchschnittliche Größe 0,5 ,u in der Breite und 2 ,u in der Länge) in 100 ecm Wasser zu filtrieren. Das resultierende Filtrat v/urde durch eine Bakterienzahl analysiert und auch auf EMB, BBL und Tryptikase-Soja-Brühen innoculiert. Es wurde weder eine Bakterienzahl noch ein Bakterienwachstum in den Brühen festgestellt.

Beispiel 4

Ein frisches Filterelement wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt und dazu verwendet um 800 Enterococcen Bakterien (durchschnittliche Größe 0,75 .n) in 100 ecm Wasser zu filtrieren. Das resultierende Filtrat wurde gezählt und auf eine ausgewählte Enteröcoccus-, Trypticase-Soja-Brühe und auf einen Staph-Agar-110 innoculiert. In allen Fällen wurde weder eine Bakterienzahl noch ein Wachstum festgestellt.

Beispiel 5

Ein frisches Filterelement v/urde gemäß Beispiel 1 hergestellt. Ungefähr 200 Bakterien, ausgewählt aus den 4 Bakterienarten der Beispiele 1 bis 4 (insgesamt etwa 80O) wurden in 100 ecm Wasser miteinander vermischt. Die erhaltene Flüssigkeit wurde nodr.nn durch das Filterelement geleitet. Das resultierende Filtrat wurde.auf die einzelnen

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oben genannten Brühen der Beispiele 1 bis 4 innoculiert. Es wurde weder ein Bakterienwachstum noch eine Bakterienzählung festgestellt.

Besipiel 6

Ein frisches Filterd.ement wurde gemäß Beispiel 1 hergestellt und ohne eine Sterilisierung in einem Filtergehäuse montiert. 100 ecm Wasser mit einer 0,1 %-igen Suspension von pulverförmigem Ruß wurden durch das Filtermuster unter einem Druckgradienten von 0,70 Atü geleitet. Das resultierende Filtrat wurde im Mikroskop betrachtet, wobei keine Rußteilchen festgestellt wurden.

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß eine gesteigerte Fließgeschwindigkeit erhalten werden kann ohne daß man die Größengrenze der kleinsten Teilchen die filtriert werden können erhöht und somit ohne eine Verminderung der Retentionskraft des Filters« Eine bevorzugte Methode zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit ohne Einbußen hinsichtlich der Retentionskraft besteht darin, daß man die mikroporösen . Submikron-Filtermedien in der Weise herstellt, daß man eine zuvor hergestellt Menge eines wiedergemahlenen mikroporösen Materials anstelle eines Teils der kombinierten Menge des Bindemittels und der Füllstoffbestandteile während der Herstellung des mikroporösen Plattenmaterials, aus welchem die Filtermedien erhalten v/erden, verwendet. Im allgemeinen sollte die Menge des wiedergemahlenen mikroporösen Materials, die zugesetzt werden muß, etwa 15 bis etwa 30 % des ursprünglichen Gesamtgewichts der trockenen Bestandteile, das heisst des Bindemittels und des Füllstoffs, ersetzen. Die Teilchengröße des wiedergemahlenen mikroporösen Materials kann innerhalb geeigneter Grenzen variieren und ist nicht besonders kritisch. So hat sich z..B. eine Teilchengröße

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von etwa 90 % durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,210 mm als zufriedenstellen erwiesen. Dies wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.

Beispiel 7

Es wurden die Arbeitsweisen des Beispiels 1 unter Verwendung der folgenden Bestandteile und der angegebenen Mengen durchgeführt.

Harz (Geon 103 EP F 10) 9,07 Kg

Siliciumdioxid (Hi SiI 233) 12,7 Kg

Lösungsmittel

(Cyclohexanon) 23,9 Kg

Wasser 21,9 Kg

Es wurden jedoch 5,44 Kg des gemäß Beispiel 1 hergestellten mikroporösen Plattenmaterials, das zu einer Teilchengröße von 0,210 mm wiedergemahlen worden war, zu dem Gemisch in dem Niederscher-Mischer gegeben, bevor das feuchte, pulverförmige Gemisch extrudiert worden war. Es wurde in Plattenform kalandriert, extrahiert und getrocknet. Es wurden sodann

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mehrere Filtermuster mit einer Dicke von 45,7 · 1O cm hergestellt und zur Filtrierung der Bakteriensuspensionen der Beispiele 1 bis 5 verwendet. In allen Fällen wurden in den resultierenden Filtraten weder eine Bakterienzahl noch ein Wachstum festgestellt. Die Fließgeschwindigkeit oder die Durchsatzrate der Filtermuster, die zum Teil aus dem wiedergemahlenen Produkten des Beispiels 1 wurden bei einem Druck-

2 gradienten von 0,70 Atü als O,8 g/Min/O,09m gemessen. Somit wären sie 100 % größer als die entsprechenden Werte beim Filtermedium des Beispiels 1.

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Bei den Beispielen 1 und 7 betrug das Verhältnis von Wasser zu Lösungsmittel 0,955/1. Es wurde festgestellt, daß eine Zunahme des Verhältnisses von Wasser zu Lösungsmittel auf die Fließgeschwindigkeit des Filtermediums gemäß der Erfindung erhöht. Dies wird in den folgenden Beispielen gezeigt: .

Beispiel 8

Nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurden flache Platten-Filtermedien mit einer Dicke von 45,7 · 10 cm aus einem Gemisch mit folgender Zusammensetzung hergestellt: 11,3 Kg Geon 103 EP, 15,9 Kg Hi SiI 233, 22,7 Kg Wasser und 22,7 Kg Cyclohexanon (Verhältnis von Wasser zu Lösungsmittel 1/1). Die Durchflußgeschwindigkeit durch die resultierenden Filtermuster wurde bei einem Druckdifferential von 0,70 Atü

2
als 1,0 g/Min/O,09m gemessen.

Beispiel 9

Die Arbeitsweise des Beispiels 8 wurde wiederholt, wobei jedoch das Wasser/Lösurigsmittelverhältnis auf 1,12/1 erhöht wurde (25,6 Kg Wasser und 22,7 Kg Cyclohexanon). Die Fließgeschwindigkeit durch die resultierenden Filtermuster wurde zu 2,8 g/Min,
0,70 Atü gemessen.

2
wurde zu 2,8 g/Min/O,09m bei einem Druckgradienten von

Weitere Beispiele veranschaulichen, daß die Wirkungen auf die Fließgeschwindigkeit der Filtermedien, die aus einer-Mischung hergestellt worden sind, die zum Teil ein wiedergemahlenes mikroporöses Plattenmaterial wie.in Beispiel 7 verwendet haben und die Wirkung auf die Fließgeschwindigkeit der Verwendung von höheren Wasserlösungsmittelverhältnissen wie in den Beispielen 8 und 9 kumulierend sind.

-20-

409825/0891.

Beispiel 10

Gemäß der Arbeitsweise des Beispiels 7 wurden flache Plattenmaterial-Filtermedien mit einer Dicke von 25,7*10 aus einem Gemisch mit folgender Zusammensetzung hergestellt

9,07 Kg Geon 10= EP, 12,7 Kg Hi SiI 233, 5,44 Kg wiedergemahlenes Produkt des mikroporösen Materials des Beispiels 1, 22,7 Kg Wasser und 22,7 Kg Cyclohexanon (Wasser/Lösungsmittel-Verhältnis 1/1). Die Fließgeschwindigkeit durch die resultierenden Filtermedien wurde bei einem Druckgradienten von 0,70 Atü als 2,0 g/Min/O,09m gemessen^

Beispiel 11

Die Arbeitsweise des Beispiels 10 wurde wiederholt, wobei jedoch das Wasser/Lösungsmittelverhältnis auf 1,12/1 erhöht wurde (25,6 Kg Wasser, 22,7 Kg Cyclohexanon). Die Fließgeschwindigkeit durch die resultierenden Filtermuster wurde bei einem Druckgradienten von 0,70 Atü als 3,2 g/Min/

O,O9 m gemessen. Es ist festgestellt worden, daß im allgemeinen eine Zunahme des Verhältnisses Wasser zu Lösungsmittel zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeitseigenschaften, insbesondere der Zugfestigkeit der resultierenden Filtermedien führt. Demgemäß werden Wasserlösungmittelverhältnisse im Überschuß über 1,5/1 nicht empfohlen, es sei denn die Filtermedieii werden strukturell verstärkt, beispielsweise in der Weise, daß ein Substrat oder eine Unterlage aus einem hochpermeablen Papier oder einem gewebten oder nicht-gewebten faserartigen Material auf das Plattenmaterial aus dem die Filtermedien hergestellt werden, aufgeheftet werden. Eine solche Aufheftung kann unter Verwendung von bekannten Klebstoffen oder alternativ in der Weise geschehen, daß die strukturelle Unterstützung dirokt an der Kalandrierungsstation an das mikroporöse Teil angeheftet wird.

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Wenn dies erfolgt, dann können höhere Wasser/Lösungsmittel— Verhältnisse verwendet werden, um höhere Fließgeschwindigkeit zu erzielen, da die hierdurch eingebüßte mechanische Festigkeit durch ein geeignetes Unterstützungsmaterial, das an das erfindungsgemäße mikroporöse Plattenmaterial angehefter ist, kompensiert oder wiedergewonnen wird. Naturgemäß soll das hierzu verwendete Plattenmaterial lediglich die Festigkeit des mikroporösen Filtermediums erhöhen,ungeachtet ob man hohe oder niedrige Wasser/Lösungsmittelverhältnisse anwendet oder es soll als Vorfilter arbeiten.

Aus dem Beispiel 1 bis 6 wird ersichtlich, daß erfindungsgemäß wirksame flüssigkeitspermeable mikroporöse Submikron-Filtermedien hergestellt v/erden können, in dem man ungefähr 1,4 Gew.-Teile Füllstoff (Siliciumdioxid) je Gewichtsteil des thermoplastischen Harzbindemittels verwendet. Dies ist jedoch nicht besonders kritisch und es können mit zufriedenstellenden Ergebnissen Verhältnisse von Füllstoff zu Harzbindemittel verwendet werden, die so niedrig sind wie etwa 1:1 und so hoch wie etwa 2:1. Im allgemeinen steigert eine Erhöhung des Verhältnisses von Füllstoff zu Bindemittel auch die Durchflußgeschwindigkeit oder die Durchsatzrate der mikroporösen Filtermedien. Dies ist darauf zurückzuführen, daß höhere Verhältnismengen des Füllstoffmaterials gegenüber dem polymeren Bindematerial dazu neigen, eine erhöhte Porengröße sowie eine größere Porosität zu ergeben. Dies wird in den nachstehenden Beispielen erläutert.

Beispiel 12

Nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde ein frisches Filterelement mit einer Dicke von 4 5,7·10 cm aus einem Gemisch mit folgender Zusammensetzung hergestellt; 9,07 Kg Geon 103 EP, 18,1 Kg Hi SiI 233, 23,0 Kg Cyclohexanon und 28,8.Kg Wasser (Verhältnis Füllstoff zu Bindemittel = 2:1 und Verhältnis von Wasser zu Lösungsmittel = 1,25 : 1). Die Durchflußgeschwindigkeit durch das Filter-

409825/0891 ~²²~

rauster v.'urde unter einem Druckgradienten von 0,70 Atü

2
als 9 g/Min/O,09m gemessen.

Beispiel 13

Nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 wurde ein flaches Plattenfiltermaterial mit einer Dicke von 45,7«10 cm aus einem Gemisch mit folgender Zusammensetzung hergestellt: 9,07 Kg Geon 103 EP, 18,1 Kg Hi SiI 233, 27,0 Kg Wasser und 24,7 Kg Cyclohexanon (Verhältnis Füllstoff zu Bindemittel =2:1 und Verhältnis von Wasser zu Lösungsmittel = 1,05 : 1). Die Fließgeschwindigkeit durch das resultierende Filtermuster wurde unter einem Druckunter-

2 schied von 0,70 Atü als 8 g/Min/O,09 cm gemessen. Es wird ersichtlich, daß die erhöhte Permeabilität des gemäß Beispiel 13 hergestellten Submikron-Filtermediums

ist
nicht ganz so hoch wie die Permeabilität des Filtermediums, das gemäß Beispiel 12 hergestellt ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß beim letzteren Produkt das Verhältnis Wasser zu Lösungsmittel etwa 1,25 : 1 betrug, während bei dem ersteren Produkt das Verhältnis Wasser zu Lösungsmittel etwa 1,05 : 1 betrug. Dies deutet darauf hin, daß die gesteigerte Permeabilität der erfindungsgemäßen Sub_mik_rOn-Filtermedien erhalten v/erden kann, indem man unabhängig von irgendeiner Zunahme des Verhältnisses Wasser zu Lösungsmittel das Verhältnis von Füllstoff zu Bindemittel erhöht und umgekehrt.

Der Einfachheit halber sind in der folgenden Tabelle die Wirkungen der Veränderung des Verhältnisses von Wasser zu Lösungsmittel der vorstehenden Beispiele zusammengestellt.

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2362Ü36

Tabelle 1

Fließgeschwindxgkeit gegen das Verhältnis Wasser / Lösungsmittel

Verhältnis von Wasser Fließgeschwindxgkeit des Wassers zu Lösungsmittel _g/QfQ9 _m2

mit einer Dicke von 45,7*10 cm

Bexspxel	1	0,955
Beispiel	8	1,00
Bexspxel	9	1,12
Bexspxel	7	0,955
Bexspxel	10	1,00
Bexspxel	11	1,12
Bexspxel	12	1,25
Bexspxel	13	1,05

0,4 1,0 2,8 0,8 2,0 3,2 9,0 8,0

Zusätzlich zu der Verwendung des wiedergemahlenen mikroporösen Materials anstelle eines kombinierten Teils der Füllstoff- und Bindemittelbestandteile, oder.einer Erhöhung des Verhältnisses von Füllstoff zu Bindemittel, oder einer Erhöhung des Verhältnisses von Wasser zu Lösungsmittel hat es sich ergeben, daß zu Erhalt von Submikron-Filtermedien mit verbesserten Fließgeschwindigkeiten oder einer verbesserten Permeabilität auch Variationen der Teilchengröße des thermoplastischen polymeren Bindemittels einen nennenswerten Effekt auf die Fließgeschwindxgkeit ausüben. Es geht aus den folgenden Beispielen hervor.

Bexspxel 14

Die Arbeitsweise des Beispiels 8 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, daß als thermoplastisches Harzbindemittel Escambia

-24-

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2362Ü36

6240 mit einer Teilchengröße von etwa 70 % durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von O,074 mm verwendet wurde. Auf diese Weise wurde eine mikroporöse flache Platte hergestellt, aus der ein Filtermuster mit einer Dicke von 45,7 · 10 cm hergestellt wurde. Die Fließgeschwindigkeit durch dieses Filter wurde unter einem Druckgradienten von 0,7o Atü zu 5,0 g/Min/

2
0,08m bestimmt.

Beispiel 15

Die Arbeitweise des Beispiels 8 wurde erneut wiederholt, wobei als thermoplastisches harzartiges Bindemittel ein Propylen-modifiziertes Polyvinylchlorid (Airco 4O1) mit einer Teilchengröße von 10 % durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm verwendet wurde. Auf diese Weise wurde eine mikroporöse flache Platte hergestellt, aus der ein Filtermuster mit einer Dicke von 45,7 · 10 cm erhalten wurde. Die Fließgeschwindigkeit durch das letztere wurde unter einem Druckgradienten von

O,70 Ato zu 2,5 g/Min/O,09m festgestellt. Die nachfolgenden Beispiele 14 und 15 zeigen, daß eine Abnahme der Teilchengröße des Bindemittelmaterials zu einer Erhöhung der Fließgeschwindigkeit führt. Die Wirkung der Teilchengröße des Harzbindemittels auf die Fließgeschwindigkeit ist in Tabelle 2 zusammengestellt.

-25·

A09825/0891

Tabelle 2

Wirkung der Teilchengröße des Bindemittels auf die Fließgeschwindigkeit

Verhältnis von Durchflußge-Wasser zu Lösungs- schwindigkeit ~ mittel in g/Min/O,O9m

bei einer Platte mit einer Dicke von 45,7 cm unter 0,70 Atü

Teilchengröße des Harzes

Beispiel 8

1 ,oo

2o% durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,105 mm

Beispiel 14

1 ,oo

5,oo

7o% durch ein Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,074 mm

Beispiel 15

1 ,oo

2,5

10% durch ein

Sieb mit einer lichten
Maschenweite von 0,074 mm

Mit weiterer Bezugnahme auf die Leistung (Retentionskapazität) der erfindungsgemäßen Filtermedien, zeigen die Beispiele 2 bis 5 eindeutig, daß die erfindungsgemäßen mikroporösen Filtermedien hinsichtlich der Leistung zur Entfernung bon Submikron-Teilchen wie z.B. Bakterien aus einer flüssigen Umgebung sehr gut geeignet sind.

-26-

409825/0891

Wie aus Beispiel 7 hervorgeht ist es erfindungsgemäß möglich, die Fließgeschwindigkeit der Filtermedien des Beispiels 1 um 100 % zu erhöhen, ohne daß Leistungseinbußen in Kauf genommen werden müssen. Um noch weiter zu zeigen, daß selbst eine weitere Verbesserung der.Fließgeschwindigkeit durch die Filtermedien der Beispiele 8 bis 15 keinen nennenswerten Einfluß auf die Filterleistung ausübt, wurden Filtermuster der einzelnen vorstehenden Beispiele hergestellt und in einem Rauchbildner Modell Q 127 von Air Techniques DOP (Di Octyl Phthalat) untersucht. Bei diesem Test werden DOP-Aerosole mit einer genauen Größe von 0,3/U mit einer Konzentration von 100,ng/l (2 χ 1O

3 '

Teilchen/28,3 dm ) durch jedes Filtermuster mit einer Geschwindigkeit von 32. X/Min.und einem Druckgradienten von 12,7 cm Hg geleitet. Das resultierende Filtrat wurde analysiert um den Prozentsatz der entfernten Aerosole mit der Größe von 0,3,u zu bestimmen. Zu Vergleichs ζ v/ecken wurde ein Muster eines bekannten Subrnikron-Filter des Tiefentyps (das heisst Wilkerson 1237-2F) mit untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3

Leistung der Filtermedien zur Entfernung von DOP-Aerosolen mit 0,3,u.

DOP-Entfernung, %

Beispiel 8 99,997

Beispiel 9 99,996

Beispiel 1o 99,998

Beispiel 11 99,986

Beispiel 12 9 7,OOO

Beispiel 13 99,920

-27-409825/0891

Fortsetzung von Tabelle 3

DOP-Entfernung, %

Beispiel 14 Beispiel 15 Wilkerson 1237-2F

99	,994
99	,996
99	,997

Wie bereits oben zum Ausdruck gebracht wurde, besteht ein wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung in der zur Verfügungstellung eines Submikron-Filtermediums mit verbesserter Festigkeit, so daß dieses während der Handhabung oder des Gebrauchs nicht so leicht beschädigt wird. Die erfindungsgemäßen Submikron-Filtermedien wurden in einer Instron-Zugfestigkeitsvorrichtung nach der ASTM-Norm Nr. D882 auf die mechanische Festigkeit untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse.sind in Tabelle 4 zusammengestellt:

Tabelle 4

Mechanische Festigkeitseigenschaften

	1	Zugfestigkeit,	Dehnung, %
	8	Kg/cm³
Beispiel	9	34,5	21, ο
Beispiel	.7	31,6	18,ο
Beispiel	1o	26,7	2o,o
Beispiel	11	34,5	22,ο
Beispiel	12	32,3	19,ο
Beispiel	13	25,2	15,ο
Beispiel	17,6	3o,o
Beispiel	19,7	28fO

40-9825/0-89 1 ~²³~

Fortsetzung von Tabelle 4

Zugestigkeit, Dehnung, %

Kg/cm³

Beispiel 14 25,7 19,ο

Beispiel 15 36,6 15,ο

Eine Zunahme des Verhältnisses von Wasser zu Lösungsmittel vermindert etwas die mechanische Festigkeit der erfindungsgemäßen Submikron-Filtermedien. Die gleichen Ergebnisse werden erhalten, wenn man das Verhältnis Siliciumdioxid zu Harz oder das Verhältnis von Füllstoff zu Bindemittel erhöht. Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, haben daher die Submikron-Filter, hergestellt gemäß Beispiel 12 und 13, die niedrigsten Zugfestigkeiten der untersuchten Beispiele,

sie
obgleich immer noch zufriedenstellend sind. Weiterhin haben die Filtermedien der Beispiele 12 und 13 die höchste prozentuale Dehnung der untersuchten Beispiele. Dies ist für die Praxis für solche Fälle anzustreben, v/o die Filtermedien gefaltet oder aufeinandergelegt werden, um in Filterpatronen oder auf anderen Trägereinrichtungen verwendet zu werden, da eine höhere prozentuale Dehnung auf eine größere Flexibilität hinweist und daher eine solche Faltung oder Aufeinanderlegung erleichtert wird, ohne daß die Gefahr besteht, daß das Filtermedien-Plattenmaterial rissig wird oder aufsplittert.

Es wird somit ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Submikron-Filtermedien in Plattenform in einem weiten Dickenbereich hergestellt werden können. Weiterhin können die resultierenden mikroporösen Filterplatten fast in jeder gewünschten Gestalt hergestellt v/erden, wie sie z.B. bereits oben genannt wurden (z.B. als flache Platte oder als gefaltetes oder aufeinandergelegtes Produkt). Somit kann

-29-409825/0891

z.B. das erfindungsgemäße Filtermaterial nach den bekannten Methoden geformt und· abgedichtet v/erden, um in Filterpatronen verwendet zu werden oder es kann mit normalen Papierschneideeinrichtungen für Platten- oder Rahmenfilter zugeschnitten v/erden. Weitere Gestalten und Formen der erfindungsgemäßen Filtermaterialien und unterschiedliche Maßnahmen zur Montierung oder Unterstützung der Filtermedien sind für den Fachmann ersichtlich.

Zusätzlich zu der sehr guten Retentionskraft, der Permeabilität und der mechanischen Festigkeit sind die erfindungsgemäßen Submikron-Filtermedien gegenüber einer Oxidation, starken Säuren, milden Alkalien und Alkoholen beständig. Sie können einerHitzesterilisierung leicht widerstehen, wodurch diese besonders zur Filtrierung von Bakterien und von verwandten Mikroorganismen geeignet werden. Schließlich sind die er'findungsgemäßen Submikro-Filtermedien mikroporös und ihrer Natur nach hydrophil, so daß sie die Möglichkeit haben, suspendierte nicht-polare Flüssigkeiten von polaren Flüssigkeiten abzutrennen. So läßt z.B. ein Filter oder eine Platte, die mit Wasser benetzt ist, weiterhin Wasser hindurch, jedoch keine suspendierten Kügelchen oder Aerosole von Öl, Benzol und dergleichen.

-30-

40982 5/089 1

Claims

24 791 3D Paten ta nsprüche

1. Filtermedien, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein mikroporöses Teil umfassen und daß das mikroporöse Teil eine polymere harzartige Matrix mit durch die Matrix hindurch dispergierten Teilchen eines anorganischen Füllstoffs und ein Netzwerk von darin gebildeten Poren
enthält, wobei die Poren innerhalb der hartartigen Matrix zwischen den Teilchen des anorganischen Füllstoffs und
der harzartigen Matrix und zwischen benachbarten Teilchen des anorganischen Füllstoffs gebildet sind, wobei die
Größenverteilung der Poren nicht-gleichförmig durch einen vorgewählten Bereich variiert, wobei das mikroporöse Teil gegenüber dem Fließen eines Stroms eines fließfähigen
Mediums durchlässig und gegenüber den in dem Strom des
fließfähigen Mediums suspendierten Teilchen undurchlässig ist und wobei die Größe dieser Teilchen erheblich kleiner ist als die obere Grenze, die den vorgewählten Bereich der Porengrößenverteilung definiert.

2. Filtermedien nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der vorgewählte Bereich der Porengrößenverteilung von etwa 0,01 ,u bis etwa 100,u bestimmt
porosimetrisch durch eine Quecksilber-Intrusion variiert.

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2362Ü36

3. Filtermedien nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
weniger beträgt.

zeichnet, daß die Größe der Teilchen etwa 1 .u oder

4. Filtermedien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit des Stroms
des fließfähigen Mediums durch das mikroporöse Teil sich
von etwa 1,51 bis etwa 3,41 l/Min./o,o9m (0,4 bis 9 gallon/ min/sq.ft.), gemessen unter einem Druckgradienten von 0,70 Atü durch ein mikroporöses Teil mit einer Dicke von etwa
0,5 mm (0,02 inches) erstreckt.

5. Filtermedien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus einem Polyvinylchloridharz besteht.

6. Filtermedien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen des anorganischen Füllstoffs aus Siliciumdioxid sind.

7. Filtermedien nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß das. miktrporöse Teil eine relativ dünne im wesentliche abgeflachte halbsteife Platte ist.

8. Filtermedien nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η ζ e ich η e t, daß die relativ dünne im wesentlich abgeflachte halbsteife Platte so angepasst ist, daß sie gefaltet werden kann, um ein aufeinandergelegtes Filterelement zu ergeben.

9. Filtermedien nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein relativ permeables Unterstützungsteil vorgesehen ist, das an das mikroporöse Teil angeheftet ist.

-32-

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2362Ü36

10. Masse, die zu einem mikroporösen Submikron-Filtermedium verarbeitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gemisch von folgendem darstellt:

einem polymeren harzartigen Bindemittel, einem anorganischen Füllstoff, wobei der Füllstoff in einer Menge von etwa 1 Gew.-Teil je Gewichtsteil des Bindemittels bis etwa 2 Gew.-Teile je Gewichtsteil des Bindemittels vorhanden ist,

einem Lösungsmittel, wobei das Lösungsmittel in einer Menge von etwa 1,5 Gew.-Teile je Gewichtsteil Bindemittel bis etwa 3 Gew.-Teile je Gewichtsteilbindemittel vorhanden ist und

einem Nichtlosungsmittel, wobei das Nichtlosungsmittel in einer Gewichtsmenge vorhanden ist, die derjenigen des Lösungsmittels gleich oder größer ist.

11. Masse, nach Anspruch 1c-, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere harzartige.Bindemittel feinverteiltes Polyvinylchlorid ist und daß der anorganische Füllstoff feinverteiltes Siliciumdioxid ist.

12. Masse, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel aus der Klasse Aceton, Äther, Dimethylformamid, Orthochlorbenzol, Nitrobenzol, Tetrahydrofuran und solchen Ketonen wie Methylcyclohexanon, Methyl-Äthyl-Keton und Methyl-Isopropyl-Keton ausgewählt ist.

13. Masse, nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Nichtlosungsmittel Wasser ist.

-33-

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_ "3 ^ —

2362Ü3B

1.4. Masse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Teilchengröße des harzartigen Bindemittels von etwa 20 % durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,105 mm (140 mesh) bis zu etwa 70 % durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,074 mm (200 mesh) erstreckt.

15. Masse nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmenge des in der Masse vorhandenen Füllstoffs zwar doppelt so groß ist wie die Gewichtsmenge des Bindemittels.

16. Masse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmenge des in der Masse vorhandenen Nichtlosungsmittels etwa genau so groß ist wie die Gewichtsmenge des Lösungsmittels.

17. Masse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmenge des in der Masse vorhandenen Nichtlosungsmittels die etwa 1 bis etwa 1,5-fache Gewichtsmenge des Lösungsmittels ist.

18. Masse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmenge des in der Masse vorhandenen Nichtlosungsmittels etwa der Gewichtsmenge des Lösungsmittels gleich ist.

19. Masse nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtsmenge des in der Masse vorhandenen Nichtlosungsmittels etwa die 1 bis 1,5-fache Gewichtsmenge des Lösungsmittels ist.

20. Masse nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gewichtsmenge des in der Masse vorhandenen Nichtlösunc.s:aittels von etv/a der 1 bis 1,3-fachen Gewichtsmenge des Lösungsmittels erstreckt«

409825/0891 -34-

21. Masse nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gewichtsinenge des in der Masse vorhandenen Nichtlösungsmittels von etwa der 1 bis etwa 1,3-fachen Gewichtsmenge des Lösungsmittels erstreckt.

22. Verfahren zur Herstellung von Submikron-Filtermedien, dadurch gekennz eichnet, daß man folgende Stufen durchführt

a) man bildet die Masse gemäß Anspruch 10,

b) man extrudiert oder verformt diese Masse bei Raumtemperatur oder oberhalb davon zur Bildung einer im wesentlichen abgeflachten Platte,

c) man leitet diese abgeflachte Platte durch ein Extraktionsmedium um das Lösungsmittel in der Platte durch das Extraktionsmedium zu ersetzen und

d) man entfernt das Extraktionsmedium aus der Platte.

23. Verfahren zur Herstellung von mikroporösen Submikron-Filtermedien, dadurch gekennzeichnet, daß man folgende Stufen durchführt

a) man vermahlt den gemäß Anspruch 2 2 hergestellten Gegenstand zu feinverteilten Teilchen,

b) man bildet die Masse des Anspruchs 10 wobei etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% der kombinierten Menge des Bindemittels und des Füllstoffes durch eine gleiche Menge der unter a) genannten feinverteilten Teilchen ersetzt,

c) man extrudiert oder verformt die in b) definierte Masse bei Raumtemperatur oder oberhalb davon zu einer im wesentlichen abgeflachten Platte,

-34-

409825/0891

d) man leitet die abgeflachte Platte durch ein Extrak'tionsmedium um das Lösungsmittel in der Platte durch das Extraktionsmedium zu ersetzen und

e) man .entfernt das Extraktionsmedium aus der Platte.

2&. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße des gemahlenen Gegenstands etwa 90 % durch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,210 mm (70 mesh) beträgt.

25. Masse, die zu mikroporösen Submikron-Filtermedien verarbeitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gemisch aus folgenden darstellt:

a) einem Bindemittel, wobei das Bindemittel ein feinverteiltes Polyvinylchlorid-Harz ist,

b) einem Füllstoff, wobei der Füllstoff feinverteiltes Siliciumdioxid ist,

c) einem Lösungsmittel und

d) einem Nichtlösungsmittel, wobei das Nichtlösungsmittel in der Masse in der 1,05- bis etwa 1,25-fachen Gewichtsmenge des Lösungsmittels vorhanden, ist.

26. Masse nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff in der Masse in der etwa doppelten Gewichtsmenge des Bindemittels vorhanden ist.

27. Masse nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel in der Masse in der etwa 2,5- bis 2,8-fachen Gewichtsmenge des Bindemittels vorhanden ist.

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28. Verfahren zur Herstellung von mikroporösen Submikron-Filtermedien, dadurch gekennzeichnet, daß man die folgenden Stufen durchführt:

a) man bildet die Masse gemäß Anspruch 25,

b) man extrudiert oder verformt diese Masse bei Raumtemperatur oder oberhalb davon zu einer im wesentlichen abgeflachten Platte,

c) man leitet diese abgeflachte Platte durch ein Extraktonsmedium, um das Lösungsmittel in der Platte durch das Extraktonsmedium zu ersetzen und

d) man entfernt das Extraktionsmedium aus der Platte.

29. Verfahren, dadurch gekennzeichne t, daß man folgende Stufen ausführt:

a) man bildet ein mikroporöses Teil, das eine polymere harzartige Matrix-einschließt, die durch die Matrix hindurch dispergierte Teilchen eines anorganischen Füllstoffs und im Inneren der Matrix zwischen den Teilchen des anorganischen Füllstoffs und der Matrix und zwischen benachbarten Teilchen des anorganischen Füllstoffs gebildete Poren enthält, wobei die Größenverteilung der Poren nicht gleichförmig durch einen vorgewählten Bereich variiert und

b) man verwendet das mikroporöse Teil als für fließfähige Medien durchlässiges Filterelement,um suspendierte Teilehen aus einem Strom eines fließfähigen Mediums zu entfernen,, wobei die Größe der suspendierten Teilchen im wesentlichen niedriger ist als die obere Grenze des vorgewählten Bereiches der Porengrößenverteilung.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgewählte Bereich der Porengrößenverteilung nicht gleichförmig von etwa 0,o1 ,u bis etwa 100,u variiert:.

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31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der suspendierten Teilchen etv/a 1 ,u oder weniger ist.

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L e e r s e i f e