DE4303765C2

DE4303765C2 - Komposite Fluorkohlenstoff-Medien mit Träger

Info

Publication number: DE4303765C2
Application number: DE4303765A
Authority: DE
Inventors: Joseph G Adiletta
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1992-02-10
Filing date: 1993-02-09
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: FR2687160A1; GB2263883A; ITMI930220A1; GB9300552D0; GB2263883B; ITMI930220A0; DE4303765A1; US5366631A; IT1270864B; FR2687160B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf poröse Fluorpolymer-Medien und, spezieller, auf komposite, mikroporöse Fluorpolymer-Medien mit Träger, die für Filtration und analytische Anwendungen nützlich sind. Die vor liegende Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zur Herrichtung und zur Anwendung solcher Medien.

Viele analytische und Filtrationsanwendungen, die sich mit gasförmigen oder flüssigen Medien befassen, bedürfen der Verwendung von chemisch inerten Medien, die in der Lage sind, Partikel im Mikrometer- und Nanometerbereich zu entfernen. Für solche Zwecke verwendete, mikroporöse Medien sind typischerweise verhältnismäßig empfindliche Strukturen, die nicht in der Lage sind, eine bestimmte Form zu halten, und, die auch leicht beschädigt werden. Z. B. beschreibt US 4,431,545 ein hydrophiles, mikroporöses Filtersystem, das Ultrafiltrationsfähigkeiten besitzt d. h. die Fähigkeit, so feine Partikel wie ca. 0,001 bis ca. 10 µm zu entfernen. Ein bevorzugtes Filtermedium zur Anwendung in dem in US 4,431,545 beschriebenen System ist eine dünne (typischerwei se nur wenige mm dicke) mikroporöse Polyamid-Membran. Wegen der beschränkten Festigkeit und des Mangels an Stabilität ist es schwierig, mit dieser Membran zu arbeiten.

Einige der am chemisch inertesten Materialien, die für die Verwendung als mikroporöse Membranen verfügbar sind, enthalten jene als Teflon® bekannten Polymer-Materialien. Dieser Ausdruck steht für Fluorkohlen stoff-Harze wie polyperfluorierte Olefine, die aus zwei und drei Kohlen stoffatomen enthaltenden Monomeren gebildet sind, wie aus Tetrafluo rethylen (TFE) gebildeten Polymere, fluoriertem Ethylenpropylen (FEP) und Copolymeren hiervon. Es ist die chemische Reaktionsträgheit dieser Materialien, die sie für analytische und viele Filtrationsanwendungen verwendbar macht. Darüberhinaus besitzen Polytetrafluorethylen-(PTFE) Membrane bei der Verwendung zu analytischen Zwecken die erwünschten Eigenschaften, im allgemeinen einen weißen Hintergrund zu besitzen und naß durchscheinend zu sein. In den für den Gebrauch als Filtrations- oder analytischen Medien tauglichen Formen sind mikroporöse Membrane aus PTFE dünne, verhältnismäßig empfindliche Strukturen mit geringer innerer Festigkeit, die sehr geringe Biegemoduli besitzen. D. h., sie behal ten ohne Träger ihre Form nicht bei, hängen typischerweise haltlos in lockeren Falten, ungefähr wie ein dünnes Stoffstück sich in Falten legt, wenn es nicht unterstützt wird. Diese Nachteile schaffen Schwierigkeiten bei der Arbeit mit solchen Membranen. Deshalb macht das Fälteln solcher Medien zur Vergrößerung des in einem Filterelement verfügbaren Flächeninhalts oder sogar die Benutzung als einfacher Planarfilter solche Medien anfällig für leichtes Reißen oder, in Folge von statischen elek trischen Ladungen, für Zusammenkleben. Die mangelnde Verfügbarkeit von PTFE-Membranen im Handel in der Form von flachen Scheiben mit dünnen, feinporigen Medien, ein hochbegehrtes Filtrationsmaterial für viele Anwendungen, gibt einen zusätzlichen Hinweis auf die Schwierigkeit der Handhabung und des Arbeitens mit solch empfindlichen Materialien. Neben einem geringen Biegemodul und begrenzter Festigkeit neigen PTFE und ähnliche Membranmaterialien dazu, elektrostatisch aufgeladen zu werden. Solch ein Material klebt zusammen und macht es schwierig, eine flache oder planare Scheibenform aufrechtzuerhalten. Weiter ist es wegen des niedrigen Biegemoduls und der Schwierigkeit beim Abdichten von PTFE-Membranen mit Trägermaterialien, wie Polypropylenhülsen bzw -gehäuse, Filterstrukturen herzustellen, die diesen Membrantyp in einer solchen Hülse aufnehmen. Z. B. ist es in biomedizinischen An wendungen häufig wünschenswert, ein zugeschnittenes flaches oder plana res Filterstück in eine vorgeformte Trägerstruktur einzufügen und die Peripherie des Filterstücks mit der Trägerstruktur fest abzudichten. PTFE ohne Trägermaterial kann wegen seines niedrigen Biegemoduls nicht ohne weiteres in einer solchen Weise verwendet werden, da genaue Plazierung schwierig wird, ebenso wie das Abdichten der Membran mit der Träger struktur.

Gegenwärtig ist eine PTFE-Membran mit Träger von Palflex Products Corporation erhältlich. Die PTFE-Membran ist auf einen ringförmigen Polyolefin- oder Polyester-Gerüstkörper aufgezogen, der dazu dient, ausgeprägtes Biegen der Membran zu verhindern. Der äußere und innere Durchmesser des Gerüstkörpers ist 47 bzw 37 mm. Während eine solche Anordnung für PTFE-Membranen von ungefähr dieser Größe nutzbar ist, ist sie im einzelnen für größere PTFE-Membranen oder für nicht ringför mige Formen nicht besonders wirkungsvoll.

Das Auffinden tauglicher Materialien und Strukturen zum Tragen der leichten Teflonfilme hat einige Schwierigkeiten aufgeworfen. So haftet Teflon wegen seiner chemischen Reaktionsträgheit, sogar wenn eine Wärmeverbindung versucht wird, nicht leicht an anderen Materialien. Zusätzlich führt in bestimmten analytischen Verfahren, die Analysen umfassen, in denen durchscheinendes Teflon kritisch ist, die Anwesenheit irgendeiner Art von Nicht-Teflon-Material, wie ein als Kleber benutztes Material, potentiell ein Fremdkontaminat ein, das entweder auf Aus laugung oder auf Zersetzung zurückzuführen ist. Eine solche Kontamina tion wirkt häufig ungünstig auf die in einer Analyse verwendeten Medien ein. Dies trifft im besonderen zu, wenn Material wie Polypropylen be nutzt wird.

Ein im Zusammenhang mit anderen Polymer-Membranen ähnlicher Struktur und physikalischer Eigenschaften angewandter Weg, um eine brauchbare Widerstandsfähigkeit und eine größere Festigkeit zu erlangen, ist die dauerhafte Einlagerung eines Substrats, wie einer fibrösen Bahn (bzw Lage) oder Matte, in die Membranstruktur. Dies steigert sowohl die Widerstandsfähigkeit als auch das Biegemodul der Membran. Wäh rend solche intern gestärkten Membranen leichter gehandhabt werden können und reißfest sind, was für ein Filtrationsmaterial in den meisten Anwendungen verheerend wäre, besteht die Unzulänglichkeit solcher Medien in ihrem größeren Widerstand gegenüber der Durchströmung mit Flüssigkeit bzw Gas. D. h., solche Materialien zeigen häufig eine gegen über Membranen ohne Träger mehrfache Erhöhung des Druckabfalls durch die Membran. Zusätzlich können einige der für die Träger-Bahnen benutzten Materialien zu einer reduzierten chemischen Kompatibilität beitragen; d. h., das Medium kann ungenügende chemische oder physikali sche Widerstandskraft gegenüber chemische Reagenzien, Lösungsmittel und dergleichen besitzen.

Gegenwärtig sind viele Filtrationsverfahren auch durch andere als die oben erörterten physikalischen Eigenschaften der verwendeten Filtrations medien eingeschränkt. Z. B. können viele der gegenwärtig eingesetzten Filtrationsmedien nicht für Hochtemperatur-Anwendungen verwendet werden, weil die Materialien einerseits eine Tendenz zur Pyrolyse, son stiger Zersetzung, Sintern oder Schmelzen aufweisen. Würde ein Medium existieren, das die zuvor genannten Probleme überwinden würde und auch bei Hochtemperatur-Anwendungen benutzt werden könnte, so würde die hinzugewonnene Vielseitigkeit zu einer viel größeren kommerziellen Brauchbarkeit eines solchen Mediums führen.

Die vorliegende Erfindung stellt komposite, mit Trägern versehene mikro poröse Medien, gebildet aus Fluorpolymeren (bzw Verbundmaterialien), die vorzugsweise im wesentlichen vollständig oder vollständig aus Polyper fluorolefinen gebildet werden, zur Verfügung (so wie hier verwendet, bezieht sich der Ausdruck "Fluorpolymer" und ähnliche Ausdrücke auf aus Fluorkohlenstoff gebildete Polymere). Im einzelnen sind Fluorkohlen stoff-Harze, wie diejenigen, die aus Tetrafluorethylen (TFE), Hexafluor propylen (HFP), fluoriertem Ethylenpropylen (FEP), Harzen und Copoly meren hiervon gebildet werden, bevorzugt. Diese Materialien werden ganz allgemein der Kategorie Teflon® zugeordnet. Ganz besonders werden gänzlich aus PTFE oder aus PTFE und FEP gebildete Medien bevorzugt. Demzufolge können die Medien der vorliegenden Erfindung genausogut zur Filtration wie zu analytischen Anwendungen eingesetzt werden. Bei beiden müssen chemische und Partikelkontamination auf ein Minimum begrenzt werden und chemisch inertes Material ist wichtig. Darüberhinaus weisen die Medien der vorliegenden Erfindung ein höheres Biegemodul sowie Reiß- und Zugfestigkeit bezogen auf vergleichbare Medien ohne Träger auf, wobei ein vergleichsweise geringes Druckgefälle durch das Medium beibehalten wird. Die Medien der vorliegenden Erfindung, insbesondere wenn sie aus polyperfluorierten Polymeren gebildet sind, und ganz speziell diejenigen, die bedeutende Konzentrationen von PTFE beinhalten, können auch für Anwendungen benutzt werden, die höhere Temperaturen erfordern, als mit vielen anderen organischen Medien angewandt worden sind.

Die oben erwähnten Vorteile gegenüber bekannten Membranen mit Trägern werden mit der vorliegenden Erfindung, in der eine Bahn aus Fluorpolymer-Mikrofasern an einer mikroporösen Fluorpolymer-Membran befestigt ist, erlangt. Die komposite, mikroporöse Membran mit Träger ist frei von klebenden Komponenten. Die Membran ist an der Bahn allein an den Berührungsflächen von der Membran und der Bahn befe stigt. Viele der Charakteristiken bzw Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aufgrund eines kompositen, mikroporösen Mediums mit Träger erreicht, das eine typischerweise nicht-fibröse, direkt an einer Fluorpoly mer-Bahn aus Mikrofasern befestigte, mikroporöse Fluorpolymer-Membran beinhaltet.

Die komposite, mikroporöse Membran mit Träger der vorliegenden Erfindung kann mit einem Verfahren hergestellt werden, das die Kon taktierung einer mikroporösen Fluorpolymer-Membran mit einer Fluorpo lymer-Bahn aus Mikrofasern unter Anwendung von Hitze und Druck in einen Umfang einschließt, der ausreicht, die Bahn aus Mikrofasern an die mikroporöse Membran zu binden, wobei die Bahn aus Mikrofasern eine mit einem Fluorpolymer-Bindemittel gebundene Matte aus Fluorpolymer-Mikrofasern aufweist.

Die kompositen mikroporösen Medien oder Membrane der vorliegenden Erfindung können sowohl für Filtrations- als auch für analytische Medien eingesetzt werden. Beim Einsatz als Filtrationsmedium kann es zur Absonderung von Partikeln aus einem partikelhaltigem Medium verwendet werden. Die Medien können entweder flüssig oder gasförmig sein. Die Medien der vorliegenden Erfindung eignen sich für Anwendungen für Systeme zur Überwachung der Luftqualität in signifikantem Umfang. Bei solchen Filtrationsverfahren kommt ein partikelhaltiges Medium mit der Oberfläche des Kompositmaterials in Berührung, das die mikroporöse Membran der vorliegenden Erfindung bildet, wodurch das partikel-förmige Material aus dem Medium abgesondert und ein im wesentlichen partikel freies Filtrat erzeugt wird. Bei dem analytischen Verfahren, das die komposite mikroporöse Membran der vorliegenden Erfindung einsetzt, wird ein Analyt enthaltendes Medium, das typischerweise ein partikelhalti ges, Analyt enthaltendes Medium ist, durch Kontaktierung mit einer Oberfläche des kompositen, mikroporösen Mediums mit Träger der vor liegenden Erfindung behandelt wodurch ein im wesentlichen partikelfreies Filtrat gebildet wird, unter Gewinnung des Analyt. Der letztere wird danach unmittelbar auf der Membran analysiert oder für weitere Analyse gelöst und entfernt.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht mit einem Teilausschnitt eines Mediums der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine Bahn aus Mikrofasern an eine Oberfläche einer mikroporösen Membran angeheftet ist; und

Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung, in der eine mikrofibröse Bahn an entgegengesetzte Ober flächen einer mikroporösen Membran gebunden ist.

Die vorliegende Erfindung stellt ein komposites, mikroporöses Medium mit Träger zur Verfügung, das eine mikroporöse Fluorpolymer-Membran aufweist, die eine unmittelbar an mindestens einer Oberfläche hiervon befestigte Fluorpolymer-Bahn aus Mikrofasern besitzt.

Die vorliegende Erfindung sieht auch ein Verfahren zur Herstellung eines kompositen, mikroporösen Fluorpolymer-Mediums mit Träger vor, das aufweist: Kontaktieren einer mikroporösen Fluorpolymer-Membran mit einer Fluorpolymer-Bahn aus Mikrofasern und Behandlung der mikro porösen Fluorpolymer-Membran und der Bahn aus Mikrofasern mit ausreichender Wärme und Druck, um eine Bindung dazwischen zu bewir ken.

Die vorliegende Erfindung sieht weiter ein Verfahren zum Trennen eines Partikelmaterials aus einem Partikel enthaltendem fluiden Medium vor, das das Kontaktieren eines kompositen, mikroporösen Mediums mit Träger beinhaltet, das eine mikroporöse Fluorpolymer-Membran, die eine unmittelbar auf mindestens einer Oberfläche hiervon befestigte Fluorpoly mer-Bahn aus Mikrofasern aufweist, mit einem Partikel enthaltendem Fluid und Trennen des Fluids in Partikel und Filtrat.

Die mikroporösen Kompositmedien der vorliegenden Erfindung, oder die hieraus gebildeten Membranen, legen chemische Widerstandsfähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Festigkeit, hohe Leistungsfähigkeit und geringen Druckabfall an den Tag. Sie sind auch ganz einfach zu handha ben, ohne Einreißen oder Neigung zum Zusammenfalten oder Zusam menkleben. Die kompositen, mikroporösen Medien mit Trägern und Membranen der vorliegenden Erfindung werden in einem Verfahren hergestellt, das die Schritte des Befestigens oder Bindens einer Fluorpoly mer-Bahn aus Mikrofasern unmittelbar an mindestens eine Oberfläche einer mikroporösen Fluorpolymer-Membran beinhaltet. Beides, die Mem bran und die mikrofibröse Bahn sind kommerziell von der Pall Corpora tion erhältlich. Um eine ausreichende Haftung zwischen der Bahn aus Mikrofasern und der mikroporösen Membran zu bewirken, werden die Bahn und die Membran miteinander in Kontakt gebracht und mit ausrei chend Wärme und Druck behandelt, um Haftung zwischen den Einzel schichten hervorzurufen.

Die Bildung der kompositen mikroporösen Medien kann "im Batch- Verfahren" oder vorzugsweise in einem kontinuierlichen Prozeß ausgeführt werden. Die Kompositstruktur kann eine mit einer Oberfläche der mikro porösen Membran in Haftverbindung stehende mikrofibröse Bahn oder zwei auf entgegengesetzten Flächen in einer Sandwich-Anordnung befe stigte Bahnen umfassen.

Im Verfahren der Bildung der Medien werden die Fluorpolymer-Bahn(en) und die mikroporöse Membran ausreichend erhitzt und unter Druck gesetzt, um eine hinreichende Befestigung oder Haftung der mikrofibrö sen Bahn an die mikroporöse Membran hervorzurufen. Obwohl verschie dene Kombinationen aus Temperatur und Druck angewendet werden können, soll erfindungsgemäß das Kompositmedium mit genügend Wärme versorgt werden, um die "Schmelztemperatur" des Fluorpolymer-Materials zu erreichen. An diesem Punkt beginnt das Fluorpolymer-Material gerade weich und klebrig zu werden. Oberhalb der Temperatur beginnen viele der Materialien die Abmessungen zu verändern, zu fließen oder flüssig keitsähnliche Eigenschaften anzunehmen, zu Sintern oder sogar sich zu zersetzen. Jede dieser Transformationen ist generell unerwünscht, aber im besonderen bei der bevorzugten Ausführungsform, die die oben beschrie benen perfluorierten Polyolefine einsetzt. Um die ausreichende Befesti gung oder Haftung der mikrofibrösen Bahn an die mikroporöse Membran sicherzustellen, muß das geeignete Maß an beiden, Hitze und Druck, eingestellt werden. Die thermische Energie, um ausreichende Haftung zu erreichen aber die oben aufgezeigten ungünstigen Transformationen zu vermeiden, wird von einer Anzahl von Faktoren beeinflußt. Zuerst trägt die Beschaffenheit des Materials selbst zur speziellen Temperatur oder dem Temperaturbereich bei, der der Schmelztemperatur entspricht. Zusätzlich bestimmt die Masse von der Membran und der Bahn, und in bestimmtem Umfang die Durchmesser der Fasern, die thermische Ener gie, die zugeführt werden sollte sowie die Temperatur der Heizzone und die Zeit, die Membran und Bahn in der Heizzone verbringen. Wenn alle anderen Parameter beibehalten werden, ist die thermische Energie, um gerade die Schmelztemperatur zu erreichen direkt proportional zur zu erhitzenden Masse des Fluorpolymer-Materials. Darüberhinaus können, um die Schmelztemperatur des niedrigst "schmelzenden" Fluorpolymer- Materials, das eingesetzt wird, zu erreichen aber nicht zu überschreiten, die Temperatur und die Dauer der Erwärmung im entgegengesetzten Sinne variiert werden. Schließlich schwankt die aufgewendete thermische Energie auch abhängig von den Materialien, die für die mikroporöse Membran und die mikrofibröse Bahn eingesetzt werden. Wenn chemisch unähnliche Materialien für die Mikrofasern und die mikroporösen Mem branen ausgewählt werden, bedeutet dies, daß ein Minimum an Experi mentieren notwendig sein kann, um die beste Temperatur zu bestimmen. Mit "chemisch unähnlichen Materialien" sind zwei verschiedene Arten von Fluorpolymer-Materialien oder jene Fluorpolymer-Materialien gemeint, die unterschiedliche Arten von funktionellen Gruppen oder Atomen auf weisen. Es ist allgemein wegen der beiden Gesichtspunkte, der Wahl der Verarbeitungsbedingungen genauso wie des Wesens des Bindungsvorgangs, bevorzugt, dasselbe Material für den Einsatz als mikroporöse Membran und die Mikrofasern auszuwählen, die zur Bildung der Matte benutzt werden. Vorzugsweise ist dieses Material polyperfluoriertes Material sowie Teflonmaterial® und vor allem PTFE.

Wenn sowohl die mikroporöse Membran als auch die mikrofibröse Bahn aus Teflon® gebildet sind, ist ein brauchbarer Bereich für die ausgewähl te Schmelztemperatur ca. 204,4°C bis 371,1°C (ca. 400° bis ca. 700°F). Vorzugsweise wird eine Temperatur im Bereich von ca. 232,2°C bis 287,8°C (ca. 450° bis ca. 550°F) mit einer ganz besonders bevorzugten Temperatur bei ca. 246,1°C (ca. 475° Farenheit) verwendet. In denjenigen Ausführungen, in denen ein Kompositmedium aus einer zwischen zwei Bahnen angeordneten mikroporösen Membran gebildet wird (Sandwich), kann eine geringfügig höhere Temperatur, im Bereich von ca. 5 bis 10 %, angewendet werden.

Die im Prozeß der Befestigung der mikrofibrösen Bahn an die mikropo röse Membran verwendete Druckenergie muß ausreichend sein, um die Befestigung der Bahn an das Membranmaterial zu förden, aber nicht so groß, um ein übermäßiges Zusammenpressen der Bahn zu verursachen, was zu einer bedeutenden Erhöhung beim Druckabfall durch die Kom positmembran führt. Ein geeigneter Druck für das aus Teflon® und insbesondere im wesentlichen aus PTFE gebildete Kompositmedium ist ca. 34500 bis ca. 551600 N/m² (ca. 5 bis ca. 80 lbs/in²). Vorzugsweise beträgt der Druck ca. 275800 bis 413700 N/m² (ca. 40 bis ca. 60 lbs/ in²).

Das bevorzugte Verfahren zur Befestigung der mikrofibrösen Bahn an die mikroporöse Membran ist ein kontinuierlicher Prozeß und beinhaltet das in Kontaktbringen der Bahn mit der mikroporösen Membran und das Führen des zusammengesetzten Kompositmaterials zwischen einem Wal zenpaar. Wenn eine Bahn aus Mikrofasern nur an eine Oberfläche der mikroporösen Membran befestigt wird, besteht vorzugsweise eine der Walzen aus Gummi, wohingegen die andere Walze aus Metall besteht. In dieser Ausführungsform wird bevorzugt, die Walzen derart anzuordnen, daß der Gummi mit der mikroporösen Membran in Berührung gelangt. Beispiele für den verwendeten Gummi beinhalten synthetischen und Naturgummi sowie Silikongummi, EDPM, Hypalon® und Viton. Während jedes Metall, das gut Wärme leitet und nicht an der Bahn oder Mem bran klebt verwendet werden kann, wird rostfreier Stahl bevorzugt. Vorzugsweise wird eine aufgeheizte Metallwalze in der Weise benutzt, daß sowohl Druck als auch die gewünschte Wärmeenergie der Komposits truktur, die zwischen die Walzen hindurchgeführt wird, zugeführt werden.

Bei der Bildung der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der eine mikrofibröse Bahn an beide Oberflächen der mikroporösen Mem bran angeheftet oder befestigt wird, kann im bevorzugten kontinuierlichen Prozeß die Bahn auf jede Oberfläche der Membran hintereinander oder gleichzeitig aufgebracht werden. Obgleich die Kombination einer an einer Metallwalze anliegenden Gummiwalze, zwischen der die Bahn(en) und die Membranen hindurchgeführt werden können, zur Bildung jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, wird diese Walzenanordnung bevorzugt, wenn eine Bahn nur an einer einzigen Oberfläche der mikroporösen Membran befestigt werden muß, oder beim zumindest ersten Schritt, wenn Bahnen an der Membran in aufeinanderfolgenden, kontinuierlichen Schritten befestigt werden müssen. Zwei unmittelbar aneinander plazierte Metallwalzen können ebenso zur Herstellung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Diese Kombination wird jedoch bevorzugt, wenn die Ausführungsform hergestellt wird, in der die Bahnen an beiden Oberflächen der Membran befestigt werden müssen.

In einem kontinuierlichen Prozeß bei der Herstellung der Medien der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, fortlaufende Rollen der mikropo rösen Membran und der mikrofibrösen Bahn zu verwenden. Die Zufüh rung dieser Materialien ist vorzugsweise derart, daß sich die Bahn und die Membran unmittelbar bevor sie sich berühren in enger Nähe befin den. In der Ausführungsform, in der die Membran zwischen zwei Bahnen geschichtet zusammengesetzt wird, ist bevorzugt, daß jede Bahn die Membran im wesentlichen gleichzeitig berührt und zwischen demselben Walzenpaar hindurchgeführt wird.

Obgleich es bevorzugt ist, die mikroporöse Membran gleichzeitig mit den Bahnen auf beiden Seiten der mikroporösen Membran in Berührung zu bringen, wenn die "Sandwich"-Ausführungsform gebildet wird, können die zwei Bahnen aufeinanderfolgend auf die Membran aufgetragen und befestigt werden. Jedoch würde in einer solchen Situation Druck zuerst auf die zwei-Komponenten-Kompositstruktur angewendet werden, die jeweils aus einer einzigen Lage Membran und Bahn gebildet wird, und danach auf die drei-Komponenten-Sandwich-Struktur angewendet werden (d. h., auf das zwei-Komponenten-Medium und die zweite Bahn). Demge mäß muß der Druck sorgfältig derart gesteuert werden, daß in der endgültigen Kompositstruktur nicht die mikrofibröse Bahn, die zuerst auf die mikroporöse Membran aufgetragen wird, sofern dies nicht der ge wünschte Gegenstand ist, wesentlich stärker als die danach aufgetragene mikroporöse Bahn zusammengepreßt wird. Das bedeutet, daß, während des ersten Durchlaufs der zwei Komponenten, Druck und Temperatur so gewählt werden müssen, daß die Bahn hinreichend an die Membran gebunden, aber die Kompression minimiert wird, wobei zu berücksichti gen ist, daß die Bahn erneut zusammengepreßt wird, wenn bei der Herstellung des drei-Komponenten-Mediums eine zweite Bahn in Berüh rung gebracht und an die entgegengesetzte Seite der Membran befestigt wird. Sonst wird die Bahn, die zuerst an der Membran befestigt wurde, übermäßig zusammengedrückt und der Druckabfall durch das Medium erhöht sich deutlich.

Obwohl die obigen Ausführungen sich in erster Linie auf bevorzugte Verfahren zur Bildung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, können andere Techniken und Geräte verwendet werden. Z. B. kann, statt der Verbindung von zwei Walzen in einem kontinuierlichen Prozeß, eine Pressenanordnung verwendet werden, wie eine Plattenpresse, um das Medium in einem schrittweisen Prozeß zu bilden. Wiederum können dieselben Materialtypen (d. h. Gummi und Metall) dazu benutzt werden, um die Oberflächen der Presse zu bilden, die mit der mikropo rösen Membran und der mikrofibrösen Bahn in Berührung treten. Zu sätzlich können, obwohl Wärme und Druck vorzugsweise gleichzeitig auf die Bahn und die Membran angewendet werden, diese in getrennten Schritten eingebracht werden, wobei vorzugsweise zuerst die Wärme ange legt wird.

Das Biegemodul der Medien der vorliegenden Erfindung wird zum Teil durch die Menge des an die mikroporöse Membran gelagerten mikrofi brösen Materials bestimmt. Für einige Anwendungen wird lediglich eine minimale Dicke der Mikrofasern gewünscht, da allgemein ein absolut minimaler Anstieg beim Druckabfall gewünscht wird und nur ein minima ler Zuwachs beim Biegemodul benötigt wird. Diese Art von Struktur ist nützlich, wenn das hauptsächliche Interesse auf die Abdichtung der mikroporösen Membran gegenüber einer Stützstruktur zielt. Sehr typisch wird die Menge der an die mikroporöse Membran angelagerten Mikrofa sern soviel betragen, um eine Dicke der Trägerbahn aus Mikrofasern zur Verfügung zu stellen, die ungefähr das 15-fache oder mehr der Dicke der mikroporösen Membran selbst beträgt, mit einem typischen Bereich von ca. dem fünf- bis ca. dem 15-fachen der Dicke der Membran. Wenn eine signifikante Menge an Mikrofasern angelagert ist, kann das sich ergebende Kompositmaterial genügend steif oder brettähnlich sein, zur Benutzung als Filtermedium, das in der Lage ist, verhältnismäßig große Spannweiten ohne zusätzliche Stützung zu überbrücken. Typischerweise ist das Gewicht oder die Menge an Mikrofasern, die an der mikroporösen Membran pro 0,1 m² (1 ft²) angelagert werden, im Bereich von ca. 0,2 bis ca. 10 g.

Obgleich es möglich ist, ein höheres Biegemodul und deshalb eine höhere Festigkeit mit dem Dickermachen der mikroporösen Membran zu erreichen, ist ein solches Verdicken für viele Anwendungen unerwünscht, weil es den Druckabfall erhöht und in den meisten Anwendungen auch zu höheren Kosten führt.

Die von der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellte Komposits truktur kann darauf zugeschnitten werden, eine Reihe von Produkten mit veränderlichen, wünschenswerten Eigenschaften zu bilden. Z. B. kann, wenn es gewünscht wird, jeglichen Anstieg im Druckabfall zu minimieren, der vom Ankleben der mikrofibrösen Bahn an die Membran herrührt, eine sehr dünne Faserschicht an der Membran befestigt werden. Die sich ergebende Kompositstruktur wird im wesentlichen keinen Anstieg beim Druckabfall und eine begrenzte Erhöhung des Biegemoduls aufweisen. Jedoch wird sie viel leichter an einer typischen Filterstützstruktur zu befestigen sein.

Umgekehrt kann, wenn eine verhältnismäßig dicke Mikrofaserschicht an der Membran befestigt wird, die Bahn aus Mikrofasern als Vorfilter in Flüssigfiltrierungsanwendungen betrieben werden, um eine frühe Über lastung der verhältnismäßig feinen mikroporösen Membran zu verhindern, wodurch die Lebensdauer des Filters erhöht wird.

Die erfindungsgemäßen Kompositstrukturen können ebenso als Isolierungs strukturen, insbesondere für Kleidung, Anwendung finden. Durch sorgfälti ge Auswahl der mikroporösen Membran und der Mikrofasermenge, die an der Membran befestigt wird, kann eine günstige isolierende Struktur erreicht werden.

Die erfindungsgemäßen Kompositstrukturen, die ohne den Gebrauch von zugesetzten klebenden Komponenten gebildet werden können, besitzen den zusätzlichen Vorteil, im wesentlichen frei von einer Wanderung der Medien zu sein, die vorkommen kann, wenn Kleber in Filtermedien benutzt werden. Dieser Vorteil ist für viele Anwendungen bedeutsam, wie etwa die Filtration von Wasser, das für kritische Anwendungen in Indu strie und auf medizinischem Gebiet zur Verfügung gestellt wird, z. B. für Mikroelektronikfertigung und Wasser, das für Injektionen in Menschen benutzt wird.

Mikroporöse Membranen

Materialien, die für die Benutzung als mikroporöse Membranen brauch bar sind, beinhalten Fluorpolymere, vorzugsweise Polyfluorolefine, wie etwa Polyvinyliden-Difluorid (PVDF) und Polyvinylfluorid, und ganz besonders bevorzugt perfluorierte Polyolefine, wie diese aus Mononieren mit zwei bis fünf Kohlenstoffatomen gebildeten, und besonders diejenigen Monomere, die zwei oder drei Kohlenstoffatome besitzen. Diese Polyme re können entweder Homopolymere oder Copolymere sein. Beispiele von bevorzugten Fluorkohlenstoffarten beinhalten Teflonpolymere®, wie etwa die aus PTFE und FEP gebildeten; und deren Copolymere. Ganz beson ders wird PTFE bevorzugt. In den meisten Fällen wird eine nicht geweb te Membran als mikroporöse Membran eingesetzt. Die Porengrößen der eingesetzten mikroporösen Membran hängen zu einem gewissen Grad vom Zweck, zu dem das Medium benutzt wird, ab. Typischerweise besitzen brauchbare Materialien Porengrößen im mikroporösen Bereich, die sich von weniger als ca. 0,001 bis ca. 10 µm oder mehr erstrecken. Vorzugsweise werden die Porengrößen von ca. 0,05 bis ca. 5 µm besonders bevorzugt von ca. 0,4 bis ca. 5 µm, reichen. Für die Entnahme von Luft proben betragen die bevorzugtesten Porenabmessungen ca. 2 µm und kleinere Porengrößen werden bevorzugt, wenn die Medien als Filter verwendet werden.

Die Dicke der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Membran reicht geeigneterweise von ca. 33 bis ca. 63,5 µm (ca. 0,0013 bis ca. 0,0025 in). Diese Membranen können ebenso als hautfreie Membrane charak terisiert werden, die allgemein, von einer Oberfläche bis zu der anderen, einheitliche Porenabmessungen besitzen. Beispiele für brauchbare PVDF- Membrane, die verwendet werden können, besitzen die Typen, die in den US 4 203 847 und 4 203 848 beschrieben sind, und von den brauchbaren PTFE-Membranen können jene, allgemein in den US 3 953 566 und 4 187 390 beschriebene, verwendet werden. Viele dieser Materialien sind von Pall Corporation erhältlich.

Polymerbahnen aus Mikrofasern

Die Fasern, die die nicht gewebte Matte der Kompositmedien der vor liegenden Erfindung bilden, werden aus denselben Materialien gebildet, die für die Verwendung zu der mikroporösen Membran brauchbar und bevorzugt sind. Diese beinhalten Fluorpolymere, vorzugsweise Poly fluorolefine und besonders bevorzugt perfluorierte Polyolefine. Beispiele für solche Materialien beinhalten Polyvinyliden-Difluorid (PVDF), Polyvi nylfluorid, und Teflonmaterialien®, wie etwa Homopolymere und Copoly mere von TFE und FEP.

Die Abmessungen der Fasern, im besonderen ihre Durchmesser, bestim men zum Teil die Porencharakteristiken der Bahnen in dem sich erge benden Kompositmedium. Demgemäß sind die Abmessungen der Fasern, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, geeigneterweise ca. 4 bis 10 Denier. Vorzugsweise besitzen die Fasern Durchmesser von ca. 6 bis 8 Denier, besonders bevorzugt ca. 7 Denier. Die Auswahl des Faserdurchmessers wird zum Teil von der Verwendung abhängen, für die die Membran mit Träger vorgesehen ist.

Die Menge der Fasern, die für die Bahnen der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, reicht geeigneterweise von ca. 2 bis 100 mm. Vorzugs weise sind die Längen der Fasern ca. 7 bis 35 mm. Zusammengesetzt als Bahnen oder Matten, besitzen die mikroporösen Fasern geeigneterweise Gewichte von ca. 10,8 bis ca. 108,0 g/m² (1,0 bis 10,0 g/ft²), vorzugs weise ca 26,9 bis 91,5 g/m² (ca. 2,5 bis ca. 8,5 g/ft²), besonders bevor zugt ca. 37,7 bis ca. 43,1 g/m² (ca. 3,5 bis ca. 4 g/ft²).

Wie oben angedeutet kann ein herkömmlicher Prozeß zur Papierher stellung angewendet werden, um die in der vorliegenden Erfindung verwendete Bahn aus Mikrofasern anzufertigen. Ein geeigneter Prozeß ist im US 4 716 074 beschrieben. Typischerweise umfaßt der Prozeß die Schritte:

a) Herrichten einer stabilisierten Dispersion aus Fluorpolymerfasern, eines stabilisierenden Agens und eines flüssigen Trägers;
b) Anlagerung der Dispersion an einem Träger und Entfernen von wenigstens einem Teil des flüssigen Trägers;
c) Auftragen einer Emulsion eines Fluorkohlenstoff-Bindemittels auf die Faseranlagerung; und
d) Aushärten des Fluorkohlenstoff-Bindemittels.

Es ist bevorzugt, daß dasselbe Material, das zur Stabilisierung der Dis persion der Fasern eingesetzt wird, als Fluorkohlenstoffpolymer-Binde mittel dient. Materialien, die zur Verwendung als Fluorkohlenstoffpoly mer-Bindemittel geeignet sind, umfassen jene Materialien, die oben als für die Verwendung als dasjenige Material geeignet beschrieben wurden, aus denen die mikroporöse Membran und die Mikrofasern gebildet werden. Die bevorzugten Fluorkohlenstoffpolymer-Bindemittel enthalten, insbesondere, wenn die Fasern aus dem bevorzugten polyperfluorierten Olefin PTFE gebildet sind, fluorierte Ethylenpropylen-Copolymere, ins besondere Copolymere von TFE und HFP, wie etwa FEP Harz.

Geeigneterweise beträgt die Menge des Fluorkohlenstoff-Bindemittels ca. 10 Gew.-% bis ca. 100 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der verwendeten Fasern.

Vorzugsweise beträgt die Menge des Fluorkohlenstoff-Bindemittels ca. 25 Gew.-% bis ca. 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Fasern.

Die Verwendung der bevorzugten PTFE-Fasern zur Bildung der Matte in Kombination mit dem bevorzugten FEP Fluorkohlenstoff-Bindemittel sorgt für eine Bahn aus Fasern, die in Punkt-Kontakt aneinandergebunden sind. Die Bahn besitzt gewisse thermoplastische Eigenschaft, die die PTFE-Fasern per se nicht an den Tag legen. Es ist diese thermoplasti sche Eigenschaft, die beim Anheften der Bahn an die mikroporöse Membran die Anwendung von Wärme und Druck unterstützt.

Beispiele Testverfahren Luftwiderstandsmessungen:

Ein Gurley Densometer, der im allgemeinen dazu verwendet wird, die Porosität und Luftdurchlässigkeit zu bestimmen, wurde dazu benutzt, die Luftflußrate durch ein kleines, kritisches Gebiet zu messen. Die Ergeb nisse werden als Verhältnis der Sekundenzahl wiedergegeben, die von einem Luftvolumen von 100 cm³ benötigt werden, um ein Gebiet von 4,45 cm² (1 in²) des getesteten Materials zu durchströmen.

Test der Zugfestigkeit:

Im Gegensatz zu Metallen, die häufig bei Anwendung einer bestimmten Kraft oder Druck brechen oder reißen, neigen Kunststoffilme dazu, ausgeprägte Dehnbarkeit zu zeigen, bevor sie reißen. Weil eine Deforma tion jenseits von 3 bis 5% allgemein eine Verminderung der Leistungs fähigkeit vor dem Reißen bewirken wird, ist eine 3%ige Dehnung eine kritische Messung. Beides, die Zugfestigkeitsmessungen und die Bruchfe stigkeitsmessungen, die in Tafel 1 bzw 2 wiedergegeben sind, wurden nach ASTM anerkannten Verfahren ausgeführt. Die Bruchfestigkeit wurde unter Verwendung des Mullen Hydraulikverfahrens in lbs/in² (1 lb/in² = 6,895 × 10³ Pa) gemessen.

Beispiel 1(a). Herstellung eines kompositen, mikroporösen Mediums mit Träger unter Verwendung einer einzigen Bahn

Ein 30 cm breiter PTFE-Membranstreifen mit einer Dicke von 46 µm (0,0018 in) und einem mittleren Porendurchmesser von 0,3 µm wurde von einer fortlaufenden Rolle zugeführt. Eine nicht gewebte, aus PTFE-Fasern und einem FEP Fluorkohlenstoffpolymer-Bindemittel gebildete Bahn mit einer Breite von 30 cm, wurde von einer Rolle, die unterhalb und in Kontakt mit der Walze für die PTFE-Membran plaziert war, als fort laufender Streifen zugeführt. Die Fasern hatten einen mittleren Durch messer von 7 Denier und eine mittlere Länge von 6 mm. Die Enden der Bahn und der Membranstreifen wurden über leerlaufende Stützrollen in den Walzenspalt der heißen Kalander- oder Laminierungswalzen eingefädelt. Die PTFE-Membran hatte eine Dicke von ca. 51 µm (0,002 in) und die Teflon-Bahn® hatte eine Dicke von ca. 130 µm (0,005 in). Die Temperatur der Kalanderwalzen wurde auf 287,8°C (550°F) eingestellt. Die Walze, die mit der Bahn in Berührung kam, war verchromt, wohin gegen diejenige, die mit der Membran in Kontakt trat, aus Gummi gebildet war. Der Druck wurde langsam erhöht auf und dann gehalten bei 3,45 × 10⁵ Pa (50 lbs/in²), während die laminare Bahn auf die Förderwalze mit einem minimalen Grad an Spannung gezogen wurde, um ein Verformen der Poren zu verhindern. Es wurde eine Spannung der Bahn von 59,1 g/cm Breite (150 g/inch Breite) benutzt. Das Abkühlen der kompositen mikroporösen Struktur auf Umgebungstemperatur gestatte te dem Medium "sich zu setzen" und die Laminierung zu entspannen.

Beispiel 1(b). Herstellung eines kompositen mikroporösen Mediums mit Träger unter Verwendung von zwei Bahnen

Bei der Herstellung eines "Sandwich"-Komposit-Mediums, bei dem eine mikrofibröse Bahn an beide Oberflächen einer mikroporösen Membran befestigt wird, wurden, mit Ausnahme kleiner Unterschiede, dieselben Materialien, Geräte und Techniken benutzt. Insbesondere wurde eine zweite Rolle mit mikrofibröser Bahn benutzt, um die nicht gewebte Bahn der oberen Fläche der Membran zuzuführen. Für die Laminierung wur den, anstatt einer Metall- und einer Gummiwalze, zwei Metallwalzen eingesetzt und alle drei Komponenten wurden zwischen den Metallwalzen geführt. Die Walzen wurden auf eine Temperatur von 310°C (590°F) eingestellt, es wurde aber derselbe Druck wie in Beispiel 1(a) angewen det.

Beispiel 2. Vergleich der Eigenschaften von Teflon-Medien®

Tests wurden sowohl mit einer mikroporösen PTFE-Membran als auch mit fünf anderen, der vorliegenden Erfindung entsprechenden Medien, die mit Verfahren hergestellt wurden, wie jenen in den Beispielen 1(a) und 1(b) beschriebenen, durchgeführt. Die Ergebnisse werden in den Tafeln 1 bis 3 wiedergegeben.

In jeder der in den Proben (B) bis (F) verwendeten Bahnen wurde eine Matte aus PTFE-Fasern verwendet, die ein FEP-Bindemittel mit einer Konzentration von 45 Gew.-% FEP, bezogen auf das Gesamtgewicht von PTFE-Fasern, enthielt.

Die Ergebnisse für Zugfestigkeit, Bruchfestigkeit und Luftwiderstand werden jeweils in den Tafeln 1, 2 und 3 wiedergegeben.

Wie aus den Tafeln 1 und 2 entnommen werden kann, erhöhen die Medien gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Bahn aus Mikrofa sern besitzen, deutlich die Festigkeit der Medien. Die in Tafel 3 gezeig ten Werte weisen darauf hin, daß mit der Verbesserung von Festigkeit und Biegemodul oder Handhabbarkeit eine Erhöhung im Druckverlust durch das Medium einhergeht. Jedoch zeigen die Werte von Tafel 3, daß die Einbuße an Druckverlust im Verhältnis zu den verbesserten Festig keitseigenschaften relativ gering ist.

Claims

1. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger, gekennzeichnet durch eine mikroporöse Fluorpolymer-Membran, an der an mindestens einer Oberfläche hiervon eine Fluorpolymer-Bahn aus Mikrofasern unmittelbar befestigt ist, wobei die Bahn aus Mikrofasern eine mit einem Fluorpolymer-Bindemittel gebundene Matte aus Fluorpolymer- Mikrofasern aufweist.

2. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Fluorpolymer-Membran aus Polyfluorolefin gebildet ist.

3. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Fluorpolymer-Membran aus Polyperfluorolefin gebildet ist.

4. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Fluorpolymer- Membran aus Polytetrafluorethylen gebildet ist.

5. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte aus Fluorpolymer- Mikrofasern aus einem Polyfluorolefin gebildet ist.

6. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte aus Fluorpolymer- Mikrofasern aus Polyperfluorolefin gebildet ist.

7. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matte aus Fluorpolymer- Mikrofasern aus Polytetrafluorethylen PTFE gebildet ist.

8. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Polyfluorolefin aufweist.

9. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Polyperfluorolefin aufweist.

10. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel FEP aufweist.

11. Komposites, mikroporöses Medium mit Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Fluorpolymer- Membran und die Matte aus Fluorpolymer-Mikrofasern aus demselben Fluorpolymer gebildet sind.

12. Verfahren zur Herstellung eines kompositen, mikroporösen Fluorpolymer- Mediums mit Träger, kennzeichnet durch: Kontaktieren einer mikroporösen Fluorpolymer-Membran mit einer Fluorpolymer-Bahn aus Mikrofasern und Behandeln der mikroporösen Fluorpolymer-Membran und der Bahn aus Mikrofasern mit ausreichend Wärme und Druck, um eine Bindung zwischen diesen zu bewirken, wobei die Bahn aus Mikrofasern eine mit einem Fluorpolymer-Bindemittel gebundene Matte aus Fluorpolymer-Mikrofasern aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die mikroporöse Fluorpolymer-Membran und die Fluorpolymer-Bahn aus Mikrofasern aus einem Polyperfluorolefin gebildet sind.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Membran und die Bahn aus Mikrofasern auf eine Temperatur von ca. 204,4°C bis 371,1°C (ca. 400° bis 700°F) erhitzt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mikroporöse Membran und die Bahn aus Mikrofasern auf eine Temperatur von ca. 232,2°C bis 287,8°C (ca. 450° bis ca. 550° Fahrenheit) erhitzt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck ca. 34500 bis ca. 551600 N/m² (ca. 5 bis ca. 80 lbs/in²) beträgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn aus Mikrofasern an einer Oberfläche der mikroporösen Membran befestigt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mikrofibröse Bahn an beiden Oberflächen der mikroporösen Membran befestigt wird.

19. Verfahren zur Trennung eines Partikelmaterials aus einem Partikel enthaltenden Fluid, gekennzeichnet durch Kontaktieren eines kompositen mikroporösen Mediums mit Träger, das eine mikroporöse Fluorpolymer- Membran mit einer mindestens an einer Oberfläche hiervon unmittelbar befestigten Fluorpolymer-Bahn aus Mikrofasern besitzt, mit dem Partikel enthaltendem Fluid und Trennen des Fluids in Partikel und Filtrat, wobei die Bahn aus Mikrofasern eine mit einem Fluorpolymer-Bindemittel gebundene Matte aus Fluorpolymer-Mikrofasern aufweist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel ein Analyt sind, das nach der Trennung vom Filtrat weiter analysiert wird.