ES2210863T3 - Medio de filtracion con superficie estructurada. - Google Patents
Medio de filtracion con superficie estructurada.Info
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Abstract
Un medio de filtración que comprende: una pluralidad de capas polímeras estructuradas (12) que presentan una superficie estructurada (13) definida dentro de cada capa, estando la pluralidad de capas estructuradas configurada como un apilamiento, definiendo las superficies estructuradas una pluralidad de aberturas o pasos de entrada ordenados, que se abren a través de una cara del apilamiento, y unos recorridos de fluido ordenados correspondientes, dentro de la superficie estructurada, formando un volumen poroso y ordenado.
Description
Medio de filtración con superficie
estructurada.
La presente invención se refiere a un medio y un
dispositivo de filtrado que comprende al menos una capa que tiene
una superficie estructurada, o dotada de estructura, que define
caminos o recorridos para el flujo altamente ordenados.
Un sector importante del desarrollo de los medios
de filtración y de los dispositivos filtrantes para la extracción de
partículas de una corriente de fluido se ha encontrado en el área de
la tecnología de fibra no tejida. Desde el uso de tejidos derivados
de microfibras de soplado en fusión al de las fibras con tamaño de
fibra de microdeniers, la tendencia ha venido siendo disminuir el
tamaño de la fibra con el fin de incrementar el área superficial
disponible por unidad de volumen de la tela. Estas telas no tejidas
tienen generalmente una base polimérica y se unen por enredamiento,
consistiendo en telas de baja densidad que incorporan fibras con un
tamaño micrométrico o cuasi-micrométrico.
Los mecanismos fundamentales que gobiernan la
extracción de partículas de una corriente de fluido por un filtro
fibroso son la interceptación directa, el impacto inercial, la
difusión, y la atracción electrostática. La captación de partículas
por interceptación tiene lugar cuando una partícula que es
arrastrada por una línea o vena fluida gaseosa choca con la
superficie de filtrado y queda atrapada en ésta. El impacto inercial
se produce cuando las partículas se desvían de la corriente de
fluido para chocar con las fibras. En ambos casos, las partículas
que han impactado se adhieren a las fibras por fuerzas tales como
las fuerzas de Van der Waals. La captación por difusión tiene lugar
cuando el movimiento Browniano de partículas muy pequeñas aumenta la
probabilidad de que éstas entren en contacto con la superficie
filtrante. Este movimiento hace que las partículas se desvíen de las
venas fluidas y se recojan en las fibras de filtro individuales. La
captación electrostática es un mecanismo importante por el cual las
partículas cargadas son atraídas hacia superficies de recogida con
carga opuesta en virtud de la atracción coulombiana.
Los filtros de fluido fibrosos, en especial los
filtros de gases, combinan típicamente los cuatro mecanismos de
captura. Los filtros de tela no tejida incorporan las ventajas de
estos filtros fibrosos gracias a sus propiedades intrínsecas. Sin
embargo, también radican en sus propiedades intrínsecas ciertas
limitaciones de las telas no tejidas en su uso como medios de
filtración. Las telas no tejidas son, por definición, estructuras
formadas aleatoriamente que presentan un orden geométrico limitado.
El orden limitado está originado por la variabilidad entre las
fibras individuales y el grado de conformación de fibra a fibra
dentro de la tela. Este orden limitado se manifiesta en gruesas
irregularidades causadas por la formación de estructuras
macroscópicas conocidas como tejamaniles y nidos de fibras. Las
estructuras macroscópicas de la tela tienen concentraciones locales
de fibras que originan una variabilidad en el tamaño del poro así
como una variabilidad de masa a través de las telas. Como
consecuencia de ello, unas aberturas o pasos relativamente grandes
entre las fibras permiten a las partículas pasar a su través, lo que
debería haberse evitado, y las aberturas pequeñas se llenan o
saturan y pierden su eficacia. En el diseño de medios de filtro,
estas limitaciones se moderan mediante el uso de material adicional,
al coste de una mayor resistencia al flujo a través del filtro.
Estos efectos se pueden acumularse durante el uso en aplicaciones de
filtrado por la fuerza del fluido aplicado, que puede alterar la
estructura de la tela y, en consecuencia, la eficacia del
dispositivo de filtración. Además, la carga de presión de la tela,
por la que la tela se conforma mecánicamente para obtener un
producto, por ejemplo, una estructura plegada, puede provocar
también una deformación adicional de las fibras y la tela, dando
lugar a una disminución de la eficacia del filtrado.
Otras limitaciones de las telas no tejidas de
área superficial elevada como medios de filtración aparecen cuando
el filtro emplea capas planas y delgadas de tela no tejida, tales
como en los respiraderos, o cuando el filtro se sirve de capas
plegadas en una disposición más tridimensional, tal como en filtros
para salas, hornos o computadoras. A causa de sus respectivos usos,
la velocidad del fluido a través de la cara de los filtros de tipo
respiradero tiende a ser más baja, mientras que la velocidad del
fluido a través de la cara de los filtros de aire en circulación, es
decir, los filtros para salas, hornos o computadoras, tiende a ser
mayor. En ambas situaciones, sin embargo, el material de tela no
tejida lleva a cabo típicamente un filtrado con carga de la
superficie, lo que da lugar finalmente a un cegado o colmatado de la
superficie. En el colmatado superficial, las primeras capas
encontradas del material de filtro se saturan y se atascan con
materia en partículas extraída de la corriente de fluido. En
consecuencia, los filtros no están utilizando de forma eficaz la
mayor parte de su masa de filtrado, y, de esta forma, el rendimiento
del filtro se ve limitado basándose en el área superficial del
filtro en lugar de en el volumen del filtro.
El uso de capas múltiples para incrementar la
eficacia del filtro, especialmente en filtros de tipo respiradero,
puede provocar un incremento de la resistencia al flujo a través del
medio conforme el fluido pasa a través de las capas del filtro. La
resistencia al flujo es una función de la velocidad en la cara del
gas y de la relación entre el tamaño, orientación y número de
canales o pasos tortuosos a través del filtro. En general, un medio
de filtro con un área superficial distribuida más uniformemente
alcanzará una mayor eficacia global de filtrado, haciendo posible el
empleo de menos material y reduciendo, a su vez, la resistencia al
flujo a través del medio.
La resistencia al flujo a través de un medio de
filtro es una restricción general de diseño para cualquier
dispositivo de filtración. La resistencia al flujo es
particularmente problemática en aplicaciones de baja velocidad de
cara o de incidencia, debido a que la velocidad del flujo es baja
incluso antes del filtrado, y cualquier resistencia al flujo dentro
del filtro tendrá un efecto drástico en su salida. Esta resistencia
al flujo puede provocar problemas en todo el sistema global de
trasiego de fluido en el que se utiliza el filtro.
A menudo se emplean estructuras plegadas de telas
no tejidas de fibra más pequeña en las aplicaciones con velocidad de
incidencia mayor, a fin de reducir la resistencia al flujo y mejorar
la vida útil. Esto es debido a que hay más superficie de filtrado en
un volumen dado, incrementándose así el porcentaje de aberturas
superficiales por área de marco del filtro. Sin embargo, cuando la
tela no tejida está compuesta por microfibras, las estructuras
plegadas pueden en ocasiones reducir la abertura o paso de la tela
(véase la Patente norteamericana Nº 5.656.368, de Braun et
al.), y pueden verse limitadas por el tamaño de las microfibras
utilizadas, debido a que las fibras más pequeñas son más propensas a
causar el colmatado superficial. Las fibras mayores pueden provocar
que el filtro experimente una reducción en su capacidad global de
filtrado, debido a la disminución del área superficial de fibra
real.
Otros medios para mejorar la eficacia del filtro
pasan por el tratamiento de las fibras de filtro a fin de hacerlas
más atractivas o afines a las partículas o similares que se han de
extraer de una corriente de fluido. Los métodos de tratamiento
incluyen la carga electrostática, tanto pasiva como activa, de las
fibras, la aplicación de material pegajoso a las fibras, la
aplicación de aditivos químicos, tales como catalizadores u otros
agentes reactivos, así como la aplicación de otros tipos de
aditivos, que incluyen desodorizantes, agentes secantes,
desinfectantes, fragancias y agentes extractores de ozono. Si bien
existen métodos que pueden mejorar la captación de partículas por
las fibras, los filtros están aún sometidos a las deficiencias
asociadas a la casuística de los medios, tales como las limitaciones
de colmatado superficial y de resistencia al flujo anteriormente
descritas. Ejemplos de medios de filtro tratados incluyen productos
de filtro comerciales, conocidos como electretos, tales como los
disponibles en la 3M Company bajo el nombre comercial
"Filtrete".
Otros tipos de medios de filtro disponibles para
la extracción de partículas de una corriente de fluido incluyen
materiales tejidos y de punto. Estos tipos de materiales tienden a
presentar una estructura más ordenada, lo que les hace menos
susceptibles a las limitaciones inherentes a las telas no tejidas.
Sin embargo, estos materiales tienen sus propios problemas en lo que
respecta al control de la fidelidad o exactitud de la estructura,
como consecuencia de la variabilidad del material de fibra
constituyente, de la formación de la fibra y de la construcción de
la tela. Además, otros problemas incluyen limitaciones tales como la
formación de los poros lo suficientemente pequeños, los costes del
material constituyente y los costes de fabricación.
La presente invención supera las desventajas y
deficiencias de la técnica anterior al proporcionar un medio de
filtración o un dispositivo de filtración que es eficaz, es
susceptible de cargarse en profundidad, funciona con una baja
resistencia al flujo, y tiene una alta capacidad de recogida. Más
específicamente, la presente invención proporciona un medio de
filtración tal como se define en la reivindicación 1. El medio de
filtración de la presente invención comprende un apilamiento o
superposición de capas que tienen superficies estructuradas que
definen un conjunto altamente ordenado de aberturas de filtro y
recorridos de fluido a través del medio de filtración.
Las superficies estructuradas de las capas pueden
comprender rasgos que definen canales que forman los recorridos de
fluido, o bien pueden comprender rasgos tales como protuberancias
discretas que forman los recorridos del fluido. Las aberturas de
filtro definidas por las capas estructuradas apiladas extraen
partículas por exclusión. La extracción de partículas sin exclusión
se ve facilitada por el área superficial de los rasgos de superficie
estructurada.
El medio de filtración de acuerdo con la presente
invención tiene la ventaja de ser eficaz y ofrecer una alta
capacidad, debido a que se sirve de todo el volumen, al actuar como
un filtro en profundidad, o de lecho profundo, en lugar de como un
filtro superficial. Se fabrica de forma sencilla y económica a
partir de una gran variedad de materiales, incluyendo polímeros
baratos, flexibles o rígidos. Los rasgos de superficie estructurada
del medio de filtración son altamente controlables, predecibles y
ordenados, y pueden formarse con una gran fiabilidad y
reproducibilidad utilizando técnicas conocidas de
micro-reproducción y otras. El medio de filtración
puede producirse con una gran variedad de configuraciones con el fin
de satisfacer los requisitos de filtrado de una aplicación dada.
Esta variedad se pone en manifiesto en: posibilidades de los rasgos
de superficie estructurada - canales discretos, canales abiertos o
protuberancias; configuración de los canales - anchos, estrechos,
con forma de "V" y/o canales secundarios o
sub-canales; configuraciones del apilamiento - capas
enfrentadas unidas o no unidas, capas no enfrentadas, capas
añadidas, canales alineados, canales desalineados y/o
configuraciones de los canales; y aberturas de filtro - tamaño de
poro, configuración de los poros, o patrón de distribución de los
poros. Además, las capas pueden tratarse para la mejora del filtrado
o para otros propósitos.
Las ventajas anteriormente mencionadas se
consiguen con un medio de filtración formado a partir de al menos
una capa polímera que tiene, definida en ella, una superficie
estructurada. Las capas pueden ser configuradas a modo de un
apilamiento, definiendo las superficies estructuradas de las capas
una pluralidad de aberturas de entrada ordenadas, abiertas a través
de una cara del apilamiento, y recorridos de fluido
correspondientemente ordenados, o bien pudiendo consistir en una
única capa con una superficie estructura provista de una capa de
cubierta. En una disposición apilada o de cubierta, las capas
forman, como consecuencia de ello, un volumen poroso y ordenado. Los
recorridos de fluido ordenados del medio de filtración pueden estar
definidos por una pluralidad de canales de flujo formados dentro de
las superficies estructuradas de las capas, o bien pueden estar
definidos por una pluralidad de protuberancias discretas formadas
dentro de las superficies estructuradas de las capas.
Los múltiples canales de flujo se definen,
preferiblemente, mediante una serie de picos, cada uno de los cuales
tiene dos paredes laterales. Los picos pueden estar separados por un
suelo plano o por medio de picos secundarios, o
sub-picos, que forman canales secundarios dentro de
los canales de flujo. Los picos pueden tener cabezas que se
extienden más allá de los canales de flujo adyacentes. Los canales
de flujo de una capa que tiene una superficie estructurada pueden
ser todos ellos iguales entre sí o diferentes. Cada capa del medio
de filtración puede tener la misma configuración de canal de flujo,
o bien ésta puede ser diferente. Los canales de flujo de capas
adyacentes pueden estar alineados o desalineados.
En los pares de capas del medio de filtración,
las capas pueden estar enfrentadas entre sí, y las capas enfrentadas
pueden acoplarse una con otra. Las capas pueden presentar
superficies estructuradas definidas en ambas caras. Pueden añadirse
capas adicionales al apilamiento. Una capa de cubierta puede cubrir
una porción de la parte superior de la capa, y pueden situarse capas
adicionales entre capas adyacentes del apilamiento. Las capas del
apilamiento, o bien una capa y una capa de cubierta, pueden unirse
una con otra. Las capas pueden estar formadas a partir del mismo
material polímero o de materiales polímeros diferentes. El medio de
filtración puede ser tratado para mejorar la extracción de
partículas o para proporcionar otros beneficios, tales como
proporcionar repulsión al aceite y al agua, extracción de olores,
extracción de materia orgánica, extracción de ozono, desinfección,
desecado, e introducción de perfume. El tratamiento puede incluir la
carga de las capas para constituir un electreto, el revestimiento
superficial de las capas, o la adición de capas tratadas.
Las ventajas anteriormente mencionadas pueden
lograrse también mediante un método de filtrado que utiliza el medio
de filtración de la presente invención. Este método incluye
proporcionar el medio de filtración, colocar el medio de filtración
en un recorrido de flujo de fluido, hacer pasar un fluido a través
del medio de filtración, y extraer las partículas del fluido en el
medio de filtración. Este método puede comprender adicionalmente
cortar o rebanar una porción de un apilamiento de capas que tienen
superficies estructuradas en un espesor determinado con el fin de
utilizarla como medio de filtración, tratar una porción de las capas
al objeto de proporcionar beneficios en el filtrado, y dirigir un
flujo de fluido hacia un destino específico configurando para ello
los recorridos de flujo ordenados comprendidos en el medio de
filtración.
Además, estas ventajas pueden lograrse mediante
un método que utiliza el medio de filtración de la presente
invención. Este método proporciona al menos una capa que tiene una
superficie estructurada que define recorridos de flujo altamente
ordenados. El método puede proporcionar una pluralidad de capas que
tienen superficies estructuradas que definen recorridos de fluido
altamente ordenados, apilando la pluralidad de capas con superficies
estructuradas de modo que definan una pluralidad de aberturas de
entrada ordenadas que se abren a través de una cara del apilamiento,
y recorridos de fluido correspondientemente ordenados, y formando
así un volumen poroso y ordenado. El método incluye también la
colocación del volumen poroso ordenado en un recorrido de flujo de
fluido, hacer pasar el fluido a través del volumen poroso ordenado,
y extraer las partículas del fluido en el volumen poroso ordenado.
Este método puede también comprender adicionalmente unir una porción
de las capas, rebanar una porción de las capas en un espesor
determinado, tratar una porción de las capas para proporcionar
beneficios en el filtrado, y dirigir un flujo de fluido hacia un
destino específico configurando para ello los recorridos de fluido
ordenados comprendidos en el medio de filtración.
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un
apilamiento de capas que tienen superficies estructuradas que forman
un medio de filtración de acuerdo con la presente invención;
la Figura 2 es una vista desde un extremo de un
apilamiento de capas que tienen superficies estructuradas que forman
el medio de filtración de la Figura 1;
la Figura 3 es una vista en perspectiva del medio
de filtración formado a partir de capas que tienen superficies
estructuradas;
la Figura 4 es una ampliación de una porción del
medio de filtración mostrado en la Figura 3;
la Figura 5 es una vista desde un extremo de unas
capas apiladas que tienen superficies estructuradas, que ilustra una
configuración de capa alternativa que puede emplearse para un medio
de filtración de acuerdo con la presente invención;
la Figura 6 es una vista desde un extremo de unas
capas apiladas que tienen superficies estructuradas, la cual ilustra
otra configuración de capa alternativa que puede utilizarse para un
medio de filtración de acuerdo con la presente invención;
la Figura 7 es una vista desde un extremo de una
capa que tiene una superficie estructurada, que ilustra una
configuración de canal particular que puede utilizarse para el medio
de filtración de acuerdo con la presente invención;
la Figura 8 es una vista desde un extremo de una
capa que tiene una superficie estructurada, que ilustra otra
configuración de canal susceptible de emplearse en el medio de
filtración de acuerdo con la presente invención;
la Figura 9 es una vista desde un extremo de una
capa que tiene una superficie estructurada, que ilustra aún otra
configuración de canal que puede ser utilizada en el medio de
filtración de acuerdo con la presente invención;
la Figura 10 es una vista desde un extremo de un
apilamiento de capas que tienen superficies estructuradas, en el
cual las capas enfrentadas se acoplan entre sí por medio de canales
provistos de cabezas;
la Figura 11 es una vista desde un extremo de un
apilamiento de capas que tienen superficies estructuradas, con capas
adicionales interpuestas entre las capas enfrentadas y no
enfrentadas;
la Figura 12 es una vista en perspectiva de una
porción de una capa que tiene una superficie estructurada provista
de protuberancias discretas con forma de cabeza, formadas a modo de
conjunto ordenado; y
la Figura 13 es una vista frontal de una máscara
de respiración que utiliza el medio de filtración de acuerdo con la
presente invención.
Haciendo referencia a las figuras que se
acompañan, los componentes similares son designados con números de
referencia similares a través de las diversas figuras. Las Figuras 1
a 4 ilustran un medio de filtración 10 que incluye capas apiladas
12. Cada capa 12 tiene una superficie estructurada 13 sobre al menos
una de sus dos superficies principales, donde una superficie
estructurada 13 comprende una superficie con una cierta topografía
(las características o rasgos superficiales de un objeto, lugar o
región del mismo). En esta realización, las superficies
estructuradas 13 comprenden una pluralidad de canales 25 formados
dentro de las capas 12, preferiblemente como se muestra, de una
manera consistente y ordenada. Estos canales 25 están definidos por
una serie de picos 28 formados por paredes laterales 26, con o sin
un suelo plano 30 entre ellas. Las capas apiladas 12 forman,
conjuntamente, un medio de filtración 10 tridimensional, altamente
ordenado y poroso, en el cual un fluido, tal como el aire, puede
fluir a través del medio 10, por los caminos o recorridos de fluido
ordenados, según quedan definidos por los canales 25, de forma que
las partículas u otra materia pueden ser retiradas del fluido por
exclusión y/o adherencia a las superficies estructuradas. Con el
término "ordenado" se quiere significar que los recorridos
definidos a través del medio están predeterminados. Tal como se
ejemplifica más adelante, cada uno de los recorridos no necesita ser
igual que otro de la misma capa o de una capa diferente. Cada
recorrido está, sin embargo, predeterminado en el sentido de que
cada recorrido se establece por medio de un diseño predeterminado de
la superficie estructurada 13 de cada capa 12. Un medio poroso es un
medio que simplemente permite el flujo de fluido a través del medio
por más de un único recorrido de flujo. Las Figuras 3 y 4 son
ilustraciones de micrografía electrónica de una realización de un
medio de filtración 10 de acuerdo con la presente invención, las
cuales definen un conjunto altamente ordenado de canales 25
constituidos a partir de muchas capas 12.
Cada una de las capas 12 puede comprender un
material flexible, semirrígido o rígido, similar o diferente, el
cual se puede escoger en función de la aplicación particular del
medio de filtración 10. Preferiblemente, cada una de las capas 12
comprende un material polímero, debido a que tal material es
típicamente menos caro y debido a que dicho material polímero puede
conformarse de modo preciso con una superficie estructurada 13. El
uso de una capa polímera 12 con la forma de, por ejemplo, una capa
de película puede proporcionar una superficie estructurada que
define un gran número y una alta densidad de canales 25 de flujo de
fluido en una superficie principal de la misma. Así pues, un medio
de filtración poroso y altamente ordenado de la invención es
susceptible de ser fabricado con un alto grado de precisión y
economía.
Como se muestra en las Figuras 1 a 4, este medio
de filtración 10 se forma apilando una sobre otra las capas 12. De
esta forma, es posible apilar conjuntamente cualquier número de
capas 12 para formar un medio de filtración 10 que tenga una altura
adecuada y un área porosa diseñada basándose específicamente en la
aplicación particular. Una ventaja del apilamiento directo una sobre
otra de las capas 12 es que la segunda superficie principal 11 de
cada capa 12 proporciona una cubierta sobre los canales 25 de la
capa adyacente inferior 12. En consecuencia, cada canal 25 puede
convertirse en un recorrido discreto para el flujo de fluido a
través del medio de filtración 10.
Una capa 12 puede unirse a los picos 28 de una
parte o la totalidad de la superficie estructurada 13 de una capa
adyacente, con el fin de incrementar la creación de recorridos o
caminos discretos a partir de los canales 25. Esto puede realizarse
utilizando adhesivos convencionales que sean compatibles con los
materiales de las capas 12, o bien puede llevarse a cabo utilizando
unión por calor, unión por ultrasonidos, dispositivos mecánicos o
similares. Las uniones pueden proporcionarse completamente a lo
largo de los picos 28, con la superficie adyacente 11, o bien pueden
consistir en uniones por puntos proporcionadas de acuerdo con un
patrón ordenado, o bien aleatoriamente. De forma alternativa, las
capas 12 pueden ser simplemente apiladas unas sobre otras, con lo
que la integridad estructural del apilamiento mejora adecuadamente
la creación de canales de flujo discretos 25.
Con el fin de cerrar algunos de los canales 25,
aunque preferiblemente todos, de la capa 12 más superior, puede
proporcionarse también una capa de cubierta 20, tal como se muestra
en la Figura 1. Esta capa de cubierta 20 puede estar unida, o
dejarse sin unir, de la misma o de distinta manera que la unión
inter-capas descrita anteriormente. El material de
la capa de cubierta 20 puede ser el mismo o diferente que el
material de las capas 12.
Las realizaciones del medio de filtración 10
mostrado en las Figuras 1, 3 y 4 comprenden canales rectilíneos
ordenados. Estos canales pueden estar alineados en una disposición
conjunta precisa, es decir, los canales de cada capa se alinean con
los canales de las otras capas, por lo que presentan un patrón de
distribución de los poros regular y alineado. De forma alternativa,
estos canales pueden estar desalineados de una manera regular y
repetitiva, o bien pueden estar desalineados de una manera
controlada. Además, se contemplan otras configuraciones de canal y
de capa.
Las Figuras 3 y 4 ilustran una realización de
acuerdo con la presente invención en la que numerosas capas 12 del
medio de filtración 80 que tienen superficies estructuradas 13 son
apiladas de una manera controlada y ordenada, pero no necesariamente
de forma alineada. El apilamiento resultante de capas 12 ha sido
cortado, dando lugar a un volumen de profundidad controlada. La
Figura 4 muestra una ampliación de una porción del medio de
filtración 80 de la Figura 3. Cada superficie estructurada 13
comprende canales consistentes 25 definidos por picos 28 separados
por un suelo 30. El suelo 30 comprende canales secundarios 34. (Este
tipo de configuración de canal se describirá más adelante en
relación con la Figura 9.) El medio de filtración resultante 80
proporciona una superficie altamente ordenada y porosa a través de
la cual fluirá un fluido que ha de ser filtrado. Cada canal
disponible 25 proporciona entonces un recorrido de fluido a través
de la profundidad controlada del medio de filtración 80.
La Figura 5 ilustra una realización en la cual
cada capa 41 a 44 del medio de filtración 40 presenta una
configuración de canal diferente, y las capas 41 a 44 se han
dispuesto variando configuraciones repetidas unas con respecto de
otras. Como se puede observar, la capa 41 comprende canales anchos y
consistentes 47, la capa 42 comprende canales consistentes más
estrechos 48, la capa 43 comprende una configuración repetitiva de
un canal ancho 47 seguido de un canal estrecho 48, y la capa 44
comprende una configuración repetitiva de dos canales estrechos 48
seguidos de un canal ancho 47. Las configuraciones o patrones de
repetición de canal podrían ser también aleatorias, o bien la
selección de las capas que comprenden el apilamiento podría
realizarse según una configuración o de un modo aleatorio. En
cualquier caso, estas configuraciones aún crearían recorridos
ordenados, puesto que los tamaños de abertura y las estructuras de
los canales formados serían conforme a lo esperado. La Figura 6
ilustra una realización de un medio de filtración 45 en el cual los
canales 49 de cada capa 46 son consistentes, pero la relación que
guardan entre sí las capas 46 responde a una configuración alterna.
La elección de las configuraciones de canal, del número de canales
y/o de las relaciones entre capas dependen de la aplicación
particular para la que se desee el medio de filtración.
La Figura 11 ilustra una realización en la cual
el medio de filtración 60 comprende capas similares 62, 63 y 70 que
tienen canales 64 definidos por picos 65 dentro de la superficie
estructurada 61. Sin embargo, las capas 62, 63 y 70 difieren entre
sí en su orientación y patrón de repetición. La capa 62 es una capa
situada cara arriba, mientras que las capas 63 y 70 son capas
situadas cara abajo. Estas capas 62, 63 y 70 están todas ellas
dispuestas según una configuración de apilamiento que varía,
incluyendo las capas adicionales 66, 68 y 69. Como se ilustra, las
capas pueden disponerse de forma que se enfrenten entre sí, pueden
disponerse con sus caras posteriores en contacto, o bien pueden
situarse con la misma orientación. Además, la configuración repetida
de unas con respecto de otras puede proporcionar canales alineados o
canales desalineados, según muchas variantes. Como resulta evidente
de las Figuras 5, 6 y 11, las configuraciones de canal y de capa
disponibles con la presente invención proporcionan versatilidad y
adaptabilidad para satisfacer cualquier requisito de filtración.
Si bien la realización de la Figura 1 se muestra
provista de superficies estructuradas 13 que comprenden múltiples
picos 28 y suelos anchos 30, dispuestos de forma continua desde uno
de los bordes laterales 14 hasta el otro borde lateral 15, se
contemplan otras configuraciones de canal. En la mayor parte de los
casos, será deseable proporcionar una serie de picos 28
completamente desde uno de los bordes 14 de la capa 12 hasta el otro
borde 15; sin embargo, para algunas aplicaciones, puede ser deseable
extender los picos 28 sólo a lo largo de una porción de la
superficie estructurada 13, en cualquier capa dada 12. Además, una
aplicación específica para el medio de filtración 10 puede
determinar el número, tipo y tamaño de los canales 25 proporcionados
para satisfacer los requisitos de filtración.
Por ejemplo, como se muestra en la Figura 7, los
canales 16 se definen por medio de una serie continua de picos 18
que no están separados por un suelo. En consecuencia, las paredes
laterales 17 de cada pico sucesivo 18 convergen para definir una
línea en la base del canal 16. En la Figura 2 se muestra un medio de
filtrado 10' formado a partir de apilamientos de capas 12 que tienen
este tipo canal 16. En la Figura 8, los canales 25 quedan definidos
por una serie continua de picos 27 que están separados por un suelo
ancho y plano 30. Cada pico 27 ha sido aplanado en su parte
superior, facilitando con ello la unión con una capa adyacente. En
la Figura 9 (así como en las Figuras 3 y 4), existen canales anchos
32 definidos entre los picos 29, pero, en lugar de proporcionar un
suelo plano entre las paredes laterales 31 de los canales, se han
proporcionado una pluralidad de sub-picos, o picos
secundarios, 33 más pequeños. Estos picos secundarios 33 definen de
esta manera canales secundarios 34 entre ellos. Los picos
secundarios 33 pueden alcanzar o no el mismo nivel que los picos 29
y, como se ilustra, crear un primer canal ancho 32 que incluye
canales más pequeños 34 distribuidos en el mismo. Los picos 29 y los
picos secundarios 33 no necesitan estar uniformemente distribuidos
con respecto a sí mismos o unos con respecto de otros. Esta
configuración tiene la ventaja añadida de incrementar la cantidad de
área superficial de canal en la que puede incidir la materia en
partículas durante la filtración. Es más, los canales más pequeños
34 pueden utilizarse para controlar el flujo del fluido a través de
los canales más anchos 32.
Si bien las Figuras 1 a 11 ilustran canales
alargados y configurados linealmente, los canales pueden
proporcionarse en muchas otras configuraciones. Por ejemplo, los
canales podrían tener anchuras en sección transversal variables a lo
largo de la longitud del canal; es decir, los canales podrían
divergir y/o converger a lo largo de la longitud del canal. Las
paredes laterales de los canales podrían también ser contorneadas en
lugar de ser rectas en la dirección de la extensión del canal, o en
la altura del canal. En general, está contemplada cualquier
configuración de canal que pueda proporcionar al menos múltiples
porciones de canal discretas que se extiendan desde un primer punto
hasta un segundo punto dentro del medio de filtración.
El medio de filtración de superficie estructurada
puede resultar particularmente útil cuando es deseable hacer un
circular un fluido particular a través del medio con el fin de
influir sobre una característica del fluido por el contacto de éste
con la(s) superficie(s) estructurada(s). Esto
es, el fluido puede ser tratado al hacerse pasar a través de los
canales definidos por la(s) superficie(s). El
tratamiento del fluido podría incluir reacciones químicas,
catalíticas, y de ionización provocadas por constituyentes situados
sobre, dentro, o a través de las superficies de los canales. Las
reacciones de ionización pueden incluir reacciones provocadas por
haces-e, luz actínida y radiación ultravioleta. Los
tratamientos de separación, tales como por absorción de los
constituyentes del fluido sobre superficies de canal adecuadamente
preparadas, serán eficaces debido a la alta relación entre el área
superficial del canal y el volumen del canal. Los mismos atributos
podrían emplearse para permitir la captación o detección del paso de
un fluido, en la que la(s) capa(s)
superficial(es) actúan como el componente de interfaz de
fluido en un sistema sensor o detector. Un sistema de detección de
fluido podría controlar la conductividad del fluido, su pH,
temperatura o composición. De forma alternativa, un fluido influido
por el entorno circundante a medida que circula a través de los
canales podría ser controlado como parte de un sistema de detección
en el que el dispositivo funcionaría, en sí mismo, como un elemento
de un sistema sensor o de detección. La superficie de los canales de
flujo podría también dotarse de la funcionalidad para detectar o
responder a estas condiciones físicas. Podría utilizarse
calentamiento o enfriamiento para tratar térmicamente el fluido.
Podrían establecerse también corrientes de fluidos de diferentes
composiciones de forma que confluyeran unas con otras, interactuando
y tratándose entre sí como un medio para provocar una reacción,
dilución o mezclado. Puede utilizarse un dispositivo de observación,
detección o análisis, tal como un microscopio o espectrómetro,
distante del medio, con el fin de analizar el fluido a media que
éste pasa en una película delgada a través de los canales. En
cualquier caso, como con cualquiera de las realizaciones remarcadas,
la estructura puede ser de materiales flexibles, semirrígidos o
rígidos.
En otra realización del medio de filtración 50,
tal como se muestra en la Figura 10, la superficie estructurada 51
comprende canales 52 que están definidos por una serie de picos 54
provistos de cabezas 56 que se extienden más allá de, o sobrepasan,
los canales adyacentes 52. Si bien estos picos 54 y cabezas 56 se
muestran como una característica o rasgo con forma de seta, se
contempla cualquier configuración con forma de cabeza. Las capas
enfrentadas 58 y 59 que comprenden dichos canales 52 se apilan unas
sobre otras disponiendo de forma desalineada los canales 52 de las
capas 58 y 59, y acoplando los picos 54 y las cabezas 56 de una de
las capas 58 con los picos 54 y las cabezas 56 de la otra capa 59.
De esta forma, el pico 54 y la cabeza 56 de una de las capas 58 se
sitúa dentro de un canal 52 de la otra capa 59. Se apilan entonces
una sobre otra una pluralidad de estas capas acopladas 58 y 59, a
fin de formar un medio de filtración 50. Alternativamente, las capas
58 y 59 pueden ser capas no enfrentadas, apiladas conjuntamente de
tal forma que la superficie no estructurada 57 sirve como una tapa o
cubierta para una capa adyacente (no mostrada). Como con las otras
realizaciones expuestas anteriormente, las capas pueden unirse o no
entre sí como un apilamiento. La estructura de canal resultante de
esta realización tiene la ventaja de incrementar el área superficial
de canal en contacto con el fluido que está siendo filtrado,
mejorando de esta forma la extracción de las partículas.
Alternativamente, el medio de filtración 50 puede
estar formado a partir de capas apiladas 80 en las que las
superficies estructuradas 82 comprenden conjuntos ordenados de
protuberancias discretas 84 con forma de cabeza, como se muestra en
la Figura 12, en lugar de canales con forma de cabeza. Estas
protuberancias 84 pueden también estar formadas a modo de
estructuras con forma de seta, si bien se contemplan otras
estructuras con forma de cabeza. Las protuberancias 84 pueden estar
formadas según un conjunto alineado sobre la superficie estructurada
82, o bien pueden haberse formado en un conjunto desalineado o según
otro patrón ordenado. Las capas 80 que comprenden estas
protuberancias 84 pueden apilarse unas sobre otras enfrentando entre
sí las capas 80, y acoplándose las protuberancias 84 de una de las
capas 80, entre las protuberancias 84 de la otra capa 80,
similarmente a las capas 58 y 59 de la Figura 10. No es necesario
que las protuberancias de una de las capas sean las mismas que las
protuberancias de una capa adyacente. De forma alternativa, las
capas 80 pueden ser caras no enfrentadas, apiladas unas sobre otras
de tal manera que la superficie no estructurada 83 sirva como tapa o
cubierta para una capa adyacente. Tanto si las capas 58, 59 y 60 se
han formado a partir de canales provistos de cabezas como si se han
hecho con protuberancias discretas, se proporcionan recorridos de
fluido ordenados a través del medio de filtración 50. Estos tipos de
capas proporcionan la ventaja añadida de incrementar el porcentaje
de aberturas por unidad volumen sin disminuir el área superficial,
es decir, de disminuir el porcentaje de material con respecto al
área superficial de la cara, con lo que se mejora la eficacia del
filtrado sin incrementar la resistencia al flujo.
En algunas realizaciones de la presente
invención, las superficies estructuradas 13 de los medios de
filtración 10 son superficies micro-estructuradas
que definen canales de flujo discretos, incluyendo los contemplados
anteriormente. Tal como se utiliza aquí, la relación geométrica
denota la relación entre la longitud de un canal y su radio
hidráulico, entendiéndose por radio hidráulico el área de sección
transversal mojada de un canal dividida por su circunferencia de
canal mojada. Cuando una realización de la presente invención
comprende canales de flujo discretos, cada canal puede presentar una
relación geométrica mínima (longitud/radio hidráulico) de 10:1,
excediendo en algunas aplicaciones el valor aproximado de 100:1, y
ser en otras realizaciones de al menos en torno a 1000:1. En el
extremo superior, la relación geométrica podría ser indefinidamente
alta, pero generalmente sería menor que aproximadamente 1.000.000:1.
De la misma manera, en dichas realizaciones, un radio hidráulico de
un canal es, preferiblemente, no mayor que aproximadamente 300
\mum. En muchas realizaciones, puede ser menor que 100 \mum, y
podría ser menor que 10 \mum. Si bien cuanto más pequeño es
generalmente mejor para muchas aplicaciones (y el radio hidráulico
podría tener una dimensión sub-micrométrica), el
radio hidráulico no sería típicamente menor que 1\mum para la
mayor parte de las realizaciones. Estas relaciones se proporcionan a
modo de ejemplo y no se pretende que sean limitativas.
La superficie estructurada 13 de cada capa 12
puede asimismo estar provista de un perfil muy bajo. De esta forma,
se contemplan capas del medio de filtración en las que la capa
polímera estructurada tiene un espesor de menos de 5.000 micras, e
incluso cabe la posibilidad de que sea menor que 1.500 micras. Para
conseguir esto, los canales pueden definirse por medio de picos que
tengan una altura de aproximadamente entre 5 y 1.200 micras y que
presenten una distancia entre picos de aproximadamente 10 a 2.000
micas. Se comprende, sin embargo, que las alturas de pico y las
distancias entre picos específicas no son tan importantes como una
relación global entre el porcentaje de material y al área
superficial en el medio de filtrado resultante. Podría resultar
ventajoso, en ciertas aplicaciones en las que la resistencia al
flujo es crítica, incrementar el tamaño del poro, tal como mediante
el incremento de la sección transversal del canal, con lo que se
reduce el porcentaje de captura de partículas pero se incrementa el
flujo de fluido a través del filtro. En otras aplicaciones, podría
ser más ventajoso reducir el tamaño del poro e incrementar la
cantidad de poros para aprovechar, en particular, la exclusión de
partículas y el área superficial expandida, en oposición a los
mecanismos de captura de partículas. La presente invención ofrece la
ventaja particular de proporcionar la capacidad de adaptar el medio
de filtración a las necesidades del usuario de una forma muy
controlable y predecible, permitiendo con ello la producción de
estos tipos de medios de filtración de aplicación específica.
Las superficies
micro-estructuradas de utilidad en algunas
realizaciones de la presente invención proporcionan sistemas de
flujo en los cuales el volumen del sistema se encuentra altamente
distribuido. Esto es, el volumen de fluido que pasa a través de
dichos sistemas de flujo se distribuye sobre una gran superficie.
Esta característica es muy beneficiosa para muchas aplicaciones de
filtrado. Dichas superficies micro-estructuradas
pueden fabricarse mediante técnicas conocidas que incluyen
micro-reproducción, que, tal como se usa en esta
solicitud, significa la producción de una superficie
micro-estructurada a través de un procedimiento en
el que los rasgos de superficie estructurada conservan una identidad
o fidelidad de rasgo individual durante la fabricación, de producto
a producto, que no varía más que, aproximadamente, 50 \mum. Las
superficies micro-reproducidas se fabrican
preferiblemente de tal forma que los rasgos de superficie
estructurada conservan una identidad de rasgo individual durante la
fabricación, de producto a producto, que no varía más que,
aproximadamente, 25 \mum.
De nuevo con referencia a las Figuras 1, 3 y 4,
al menos algunos, si no todos los canales 25, desembocan en el lado
de cara 22 del medio de filtración 10, formando poros en la
superficie de cara 24. El fluido pasa al interior del medio de
filtración 10 por la superficie de cara 24, preferiblemente
circulando a través de los canales 25 y saliendo por el lado
posterior 23 del medio de filtración 10. Como mínimo, las
superficies estructuradas de la presente invención proporcionan
recorridos de fluido controlados y ordenados a través del medio de
filtración. La magnitud del área superficial disponible para los
propósitos de filtración viene, por tanto, determinada por el
volumen del medio de filtración. En otras palabras, los rasgos o
características de superficie estructurada de las capas del medio de
filtración, tales como la longitud de los canales y las
configuraciones de los canales, definen el área de superficie útil,
y no sólo la superficie de cara.
Una única capa provista de una superficie
estructurada puede también constituir un medio de filtro funcional
de acuerdo con la presente invención. Específicamente, su superficie
estructurada puede actuar extrayendo partículas de una corriente de
fluido por cualquiera de, o todos, los mecanismos de extracción
expuestos anteriormente, siempre y cuando el flujo de fluido que se
ha de tratar (ser filtrado) se haga circular a través de los
recorridos definidos por la estructura de la superficie. Los
mecanismos de extracción de partículas pueden, asimismo, ser
mejorados por cualesquiera de los tratamientos explicados
anteriormente. Por ejemplo, podría proporcionarse una única capa
provista de cualquiera de las superficies estructuradas descritas y
contempladas en esta solicitud, como capa superficial de cualquier
conducto, en la medida en que el fluido que ha de circular por el
conducto se dirige de modo que circule al menos en cierta cantidad
por dentro de la superficie estructurada.
Los mecanismos para la extracción de partículas
de que se dispone en los filtros fibrosos están también disponibles
en el medio de filtración de la presente invención, pero sin las
limitaciones inherentes a los medios de filtro fibrosos. La
interceptación directa depende del tamaño de los poros, y el tamaño
de los poros, a su vez, depende de los rasgos de la superficie
estructurada, tales como la sección transversal de los canales y su
configuración. En la presente invención, pueden producirse los
rasgos de superficie estructurada, tales como los canales, en una
amplia variedad de tamaños y configuraciones, de una manera
consistente, controlada y predecible de la que no se dispone en los
filtros fibrosos, y especialmente en los de tela no tejida. Un medio
de filtración de capas estructuradas apiladas proporciona una
superficie porosa altamente ordenada y mecánicamente estable sin la
variabilidad del tamaño de poro y las gruesas irregularidades de las
telas no tejidas. Cualquier variabilidad del tamaño de poro o
irregularidades se planifican y controlan basándose en las
necesidades finales de filtrado para las que se destina el medio de
filtración de la presente invención. Como consecuencia de ello, la
corriente de fluido es sometida a un tratamiento uniforme a medida
que pasa a través de la superficie de cara del medio de filtración,
mejorando de esta forma la eficacia del filtrado.
El impacto inercial y la interceptación por
difusión también tienen lugar en el medio de filtración de la
presente invención. Ambos dos mecanismos de extracción dependen del
área superficial disponible dentro del medio de filtración. En
filtros fibrosos, el área superficial de las fibras individuales
proporciona esta área superficial. En la presente invención (ya sea
de una única capa o de un apilamiento de capas), esta área
superficial viene proporcionada por el área superficial de los
rasgos de superficie estructurada, incluyendo canales cuya área
superficial está definida por la configuración y la longitud de los
canales. A medida que la corriente de fluido pasa a través de un
medio de filtración de capas apiladas, circulando por recorridos de
fluido ordenados, partículas más pequeñas que el tamaño del poro de
la superficie de cara impactarán en las paredes laterales, suelos,
cubiertas y otros rasgos característicos de las superficies
estructuradas, debido a su densidad o a su movimiento Browniano, tal
como se describió anteriormente para los filtros fibrosos. El uso de
superficies estructuradas que comprenden canales con varias
configuraciones de canal puede mejorar su capacidad. La restricción
del flujo de fluido a canales discretos con el uso de capas unidas
puede incrementar adicionalmente su capacidad, o bien ésta puede ser
incrementada adicionalmente al no restringir el flujo de fluido de
canal a canal. Se permitiría entonces el flujo de fluido entre
canales en una extensión limitada, incrementando de esta forma el
área superficial que entra en contacto con, o es adyacente a, la
corriente de fluido.
Sin embargo, a diferencia de los filtros
fibrosos, el medio de filtración de la presente invención no sirve
como un filtro de carga superficial que esté sujeto a un colmatado
superficial, sino que, en su lugar, sirve como un filtro de lecho
profundo que utiliza todo el volumen del medio de filtración para
mejorar su eficacia y capacidad de filtrado, pero aún funcionando
con una baja resistencia al flujo. Esta característica es debida al
bajo porcentaje de material que puede alcanzarse con la presente
invención, así como a una menor probabilidad de obstrucción del paso
de los canales, y a la consistencia de los poros y canales en toda
la extensión del área superficial de cara, consecuencia del
procedimiento de formación controlado y predecible. Esta capacidad
para servir como un filtro de lecho profundo puede mejorarse
adicionalmente con la elección de superficies estructuradas,
incluyendo la configuración de canal, tales como las que se
muestran en las Figuras 4, 9 y 10, en las que el área superficial
disponible dentro de cada canal se incrementa con canales
secundarios adicionales u otros aditamentos estructurales. En
consecuencia, la capacidad y la eficacia del medio de filtración de
la presente invención han sido ampliamente mejoradas con respecto a
las de un filtro fibroso que tiene la misma área superficial de
cara, tanto en aplicaciones de baja velocidad de cara o de
incidencia, como de alta velocidad de incidencia.
Ventajas adicionales del medio de filtración de
la invención incluyen la capacidad de ser fabricado, de forma
precisa y fiable, con amplios intervalos de tamaños de poro y
profundidades. Puede ser producido con los tamaños de rasgo,
densidad de material y materiales de base que se aplican en la
actualidad a los filtros de tela no tejida y fibrosos, pero ofrece
las ventajas añadidas que se han descrito aquí. Mientras que los
medios de filtro fibrosos tradicionales pueden plegarse o usarse
planos, el medio de filtración de la presente invención puede estar
formado en una gran variedad de configuraciones
auto-consistentes o auto-portantes.
Puede estar conformado en formas o perfiles, ser tendido o apoyado
sobre objetos, y soportar una fuerza aplicada sin aplastarse y
cerrar los canales. Además, la capacidad del medio de filtrado para
ser empleado de una forma tridimensional, en lugar de la forma plana
de los filtros fibrosos, ofrece todo un conjunto de nuevas
configuraciones de producto final, debido especialmente a su
capacidad para servir como elemento estructural rígido en un diseño.
El medio de filtración de la presente invención tiene también la
ventaja añadida de que no es susceptible de romperse debido a la
manipulación del medio de filtrado por, por ejemplo, doblado, manejo
manual o ensamblado. La rotura de la fibra en filtros fibrosos
tradicionales puede provocar un cierto número de problemas,
especialmente en aplicaciones en salas limpias. Otra ventaja es la
capacidad de las capas para formar superficies estructuradas, de
modo que se puede dirigir el recorrido del flujo de la forma
deseada.
Un ejemplo de uso del medio de filtración en un
producto final se muestra en la Figura 13. En ella se ilustra una
máscara de respiración que está provista de filtros dobles, en la
que se utiliza como los filtros el medio de filtración de la
presente invención. El uso del medio de filtración en este tipo de
aplicación reduce la voluminosidad y el peso de la máscara al
eliminar la necesidad de las cánulas o botes de filtro que
habitualmente se necesitan para obtener la necesaria capacidad de
filtrado de la máscara.
Con el fin de incrementar las capacidades de
filtrado o de conseguir un resultado deseado, el medio de filtración
de la invención puede tratarse de muchas formas. Un ejemplo de
tratamiento se muestra en la Figura 11. El medio de filtración 60
comprende un apilamiento de capas 62, 63 y 70. Interpuesta entre las
capas enfrentadas 62 y 63, se encuentra una capa adicional 66 que
actúa como una capa de cubierta para al menos algunos de los canales
64 de cada capa 62 y 63. Es posible proporcionar más de un tipo de
capa adicional entre agrupamientos subsiguientes de capas
enfrentadas, tal como se muestra por las capas adicionales 66 y 68.
Además, pueden proporcionarse las mismas capas adicionales 69, o
capas diferentes, entre las capas no enfrentadas 70, a fin de
mejorar la extracción de partículas o proporcionar otros beneficios.
Se contempla cualquier tipo, tamaño, configuración y relación de
rasgos de superficie estructurada para uso con las capas adicionales
66, 68 ó 69. Estas capas adicionales 66, 68 y 69 pueden estar
formadas del mismo o similar material que las otras capas
estructuradas 62, 63 ó 70, o bien pueden comprender otros materiales
que puedan proporcionar una extracción de partículas mejorada u
otros beneficios deseados, y que sean eficaces para el propósito
considerado.
Materiales que mejoran la extracción de
partículas o procuran otros beneficios deseados pueden incluir, ya
sea por sí solos o fijados a un sustrato: adsorbentes, tales como
carbono activado, zeolita o aluminosilicato para extraer moléculas
orgánicas o desodorizar; catalizadores desodorizantes, tales como
ácido de cobre-ascórbico para la descomposición de
sustancias malolientes; agentes secantes tales como gel de sílice,
zeolita, cloruro de calcio, o aluminal activo; un agente
desinfectante tal como un sistema germicida de UV (ultravioleta);
fragancias tales como el gloxal, ésteres de ácido
meta-acrílico o perfumes; o bien agentes extractores
del ozono, que incluyen metales tales como Mg, Ag, Fe, Co, Ni, Pt,
Pd o Rn, o bien un óxido fijado en un portador, tal como alúmina,
alúmina de sílice, zirconia, tierra diatomácea, zirconio de sílice o
titania. Es posible utilizar, en cualquier combinación, cualquiera
de los materiales relacionados, así como otros que no se han listado
pero que podrían ser adecuados para satisfacer un propósito deseado
y ser efectivos en la presente invención.
Otro tipo de tratamiento disponible para el medio
de filtración de la presente invención consiste en la carga
electrostática, ya sea pasiva, ya activa, del material de
filtración. La carga electrostática mejora la capacidad del medio de
filtración para extraer materia en partículas de una corriente de
fluido, al incrementar la atracción entre las partículas más
pequeñas que el tamaño de poro y el área superficial de las
superficies estructuradas, mejorando de esta forma el tercer
mecanismo de extracción de partículas. Las partículas que no chocan
y que pasan cerca de las paredes laterales son más fácilmente
atraídas desde la corriente de fluido, y las partículas que chocan
quedan adheridas más fuertemente. La carga electrostática puede
proporcionarse por medio de un electreto, que es una pieza de
material dieléctrico que tiene una carga eléctrica que persiste
durante periodos prolongados de tiempo. Los materiales que pueden
cargarse por electreto incluyen polímeros no polares, tales como el
politetrafluoroetileno (PTFE) y el polipropileno. En general, la
carga neta en un electreto es cero o próxima a cero, y sus campos se
deben a la separación de las cargas, y no están causados por una
carga neta. Por medio de una apropiada selección de los materiales y
tratamientos, puede configurarse un electreto que produzca un campo
electrostático exterior. Dicho electreto puede considerarse un
análogo electrostático de un imán permanente.
Se utilizan diversos métodos para cargar
materiales dieléctricos, cualquiera de los cuales puede emplearse
para cargar el medio de filtración de la presente invención,
incluyendo la descarga de corona, el calentamiento y enfriamiento
del material en presencia de un campo cargado, la electrificación
por contacto, el rociado de la tela con partículas cargadas, y la
incidencia sobre una superficie de chorros de agua o de corrientes
de gotas de agua. Además, la capacidad de carga de la superficie
puede aumentarse mediante el uso de materiales mezclados. Ejemplos
de métodos de carga se describen en las siguientes Patentes: la
Patente norteamericana Nº RE30.782, de Van Turnhout
et al., la Patente norteamericana Nº RE31.285, de Van Turnhout et al., la Patente norteamericana Nº 5.496.507, de Angadjivand et al., la Patente norteamericana Nº 5.472.481, de Jones et al., la Patente norteamericana Nº 4.215.682, de Kubik et al., la Patente norteamericana Nº 5.057.710, de Nishiura et al., la Patente norteamericana Nº 4.592.815, de Nakao, y la Patente norteamericana Nº 4.798.850, de Brown.
et al., la Patente norteamericana Nº RE31.285, de Van Turnhout et al., la Patente norteamericana Nº 5.496.507, de Angadjivand et al., la Patente norteamericana Nº 5.472.481, de Jones et al., la Patente norteamericana Nº 4.215.682, de Kubik et al., la Patente norteamericana Nº 5.057.710, de Nishiura et al., la Patente norteamericana Nº 4.592.815, de Nakao, y la Patente norteamericana Nº 4.798.850, de Brown.
Los tipos de carga activa incluyen el uso de una
película con una superficie metalizada en una de sus caras que tiene
una tensión elevada aplicada a ella. Esto podría llevarse a cabo en
la presente invención mediante la adición de dicha capa metalizada
de forma adyacente a una capa estructurada, o bien por la aplicación
de un revestimiento de metal sobre la superficie no estructurada de
una capa estructurada. El medio de filtración, que comprende dichas
capas metalizadas, puede montarse entonces en contacto con una
fuente de tensión eléctrica, dando lugar a un flujo eléctrico a
través de las capas del medio metalizado. Ejemplos de dicha carga
activa se describen en la Patente norteamericana Nº 5.405.434, de
Inculet.
Otro tipo de tratamiento disponible para el medio
de filtración de la presente invención es el uso de aditivos
fluoro-químicos en la forma de añadidos de material
o revestimientos de material, los cuales pueden mejorar la capacidad
del filtro para repeler el aceite o el agua, así como para
incrementar la capacidad del filtro para filtrar aerosoles
oleaginosos. Ejemplos de tales aditivos se encuentran en la Patente
norteamericana Nº 5.472.481, de Jones et al., en la Patente
norteamericana Nº 5.099.026, de Crater et al., y en la
Patente norteamericana Nº 5.025.052, de Crater et al.
Además, el medio de filtración puede ser
embebido, revestido o tratado de otra manera con una sustancia
pegajosa concebida para atraer y adherir en ella las partículas
incidentes. El medio de filtración puede ser también embebido,
revestido o tratado de otro modo con un reactivo químico u otro
compuesto, concebido para reaccionar de alguna manera con la
corriente de fluido, ya sea para favorecer la filtración, o para
producir un resultado adicional. Estos tipos de compuestos y
resultados son similares a los que se han relacionado anteriormente
para el tratamiento por capas añadidas. Estos compuestos pueden
incluir absorbentes, tales como el carbono activado, la zeolita o el
aluminosilicato, para la extracción de moléculas orgánicas o la
desodorización; catalizadores desodorizantes tales como el ácido de
cobre-ascórbico, para la descomposición de
sustancias malolientes; agentes secantes, tales como el gel de
sílice, la zeolita, el cloruro de calcio o el aluminal activo; un
agente desinfectante, tal como un sistema germicida de UV;
fragancias tales como el gloxal, ésteres de ácido
meta-acrílico o perfumes; o agentes extractores del
ozono, incluidos metales como Mg, Ag, Fe, Co, Ni, Pt, Pd o Rn, o
bien un óxido fijado sobre un portador, tal como alúmina, alúmina de
sílice, zirconia, tierra diatomácea, zirconio de sílice, o
titania.
La fabricación de superficies estructuradas y, en
particular, de superficies micro-estructuradas,
sobre una capa polímera, tal como una película polimérica, se
describe en las Patentes norteamericanas Nos. 5.069.403 y 5.133.516,
ambas de Marentic et al. Las capas estructuradas pueden ser
también micro-reproducidas de forma continua
utilizando los principios o etapas descritas en la Patente
norteamericana Nº 5.691.846, de Benson, Jr. et al. Otras
Patentes que describen superficies
micro-estructuradas incluyen las Patentes
norteamericanas Nos. 5.514.120, de Johnston et al.,
5.158.557, de Noreen et al., 5.175.030, de Lu et al. y
4.668.558, de Barber.
Las capas polímeras estructuradas producidas de
acuerdo con dichas técnicas pueden ser
micro-reproducidas. La provisión de capas
estructuradas micro-reproducidas es beneficiosa
porque las superficies se pueden fabricar en masa sin una variación
substancial de producto a producto y sin utilizar técnicas de
procesamiento relativamente complicadas. Los términos
"micro-reproducción" o
"micro-reproducido" hacen referencia a la
fabricación de una superficie micro-estructurada a
través de un procedimiento en el que los rasgos de superficie
estructurada conservan una fidelidad o identidad de rasgo individual
durante la fabricación, de producto a producto, que no varía más que
aproximadamente 50 \mum. Las superficies
micro-reproducidas se fabrican preferiblemente de
tal forma que los rasgos de superficie estructurada conservan una
fidelidad de rasgo individual durante la fabricación, de producto a
producto, que no varía más que 25 \mum.
Las capas del medio de filtración, para
cualquiera de las realizaciones de la presente invención, pueden
formarse a partir de una gran variedad de polímeros o copolímeros,
incluyendo polímeros termoplásticos, termoestables y curables. Tal
como se utiliza aquí, el término "termoplástico", en contraste
con "termoestable", se refiere a un polímero que se ablanda y
se funde cuando es expuesto al calor, y se vuelve a solidificar al
enfriarse, y que puede ser fundido y solidificado a lo largo de
muchos ciclos. Un polímero termoestable, por otro lado, se
solidifica irreversiblemente cuando se calienta y se enfría. Un
sistema de polímero curado, en el cual las cadenas de polímero se
interconectan y se enlazan de forma cruzada, puede formarse a
temperatura ambiente con el uso de agentes químicos o radiación
ionizante.
Los polímeros de utilidad para la formación de
cualquiera de las capas o artículos estructurados de la invención
incluyen, si bien no están limitados a ellos, poliolefinas, tales
como el polietileno y copolímeros de polietileno,
poli(difluoruro de vinilideno) (PVDF), y
politetrafluoroetileno (PTFE). Otros materiales polímeros incluyen
acetatos, éteres de celulosa, poli(alcoholes vinílicos),
polisacáridos, poliolefinas, poliésteres, poliamidas,
poli(cloruro de vinilo), poliuretanos, poliureas,
policarbonatos y poliestireno. Las capas estructuradas pueden ser
coladas a partir de materiales resinosos curables, tales como
acrilatos o resinas epoxídicas, y curadas a través de recorridos de
radicales libres promovidos químicamente, por exposición al calor,
rayos UV o radiación de haz de electrones.
Existen aplicaciones en las que se desea un medio
de filtro flexible. Puede impartirse flexibilidad a una capa
polímera estructurada utilizando polímeros que se describen en las
Patentes norteamericanas Nos. 5.450.235, de Smith et al., y
5.691.846, de Benson et al. No es necesario que se fabrique
toda la capa polímera de un material polímero flexible. Una porción
de la capa, por ejemplo, podría comprender un polímero flexible,
mientras que la porción estructurada, o una parte de la misma,
podría comprender un polímero más rígido. Las Patentes citadas en
este párrafo describen el uso de los polímeros de esta manera para
fabricar productos flexibles que tienen superficies
micro-estructuradas.
Los materiales polímeros que incluyen mezclas de
polímeros pueden ser modificados mediante el mezclado en fusión de
agentes activos plastificadores tales como surfactantes (agentes
tensoactivos) o agentes antimicrobianos. La modificación superficial
de las superficies estructuradas puede realizarse por medio de la
deposición de vapor o la inserción o injerto covalente de porciones
o mitades funcionales utilizando radiación ionizante. En las
Patentes norteamericanas Nos. 4.950.549 y 5.078.925 se describen
métodos y técnicas para la polimerización por inserción de monómeros
en polipropileno, por ejemplo, utilizando radiación ionizante. Los
polímeros pueden también contener aditivos que impartan diversas
propiedades a la capa estructurada polímera. Por ejemplo, pueden
añadirse plastificadores para disminuir el módulo elástico, a fin de
mejorar la flexibilidad.
El medio de filtración de la presente invención
comienza con los materiales deseados a partir de los cuales se han
de formar las capas. Se forman láminas adecuadas de estos materiales
con el espesor o espesores requeridos y que presentan la topografía
superficial deseada, a través de métodos tales como la
micro-reproducción (es decir, colando una película
sobre un rollo o cinta provista de un patrón). Una única capa con
una superficie estructurada puede actuar a modo de filtro, siempre y
cuando el flujo de gas que se ha de tratar se haga circular a través
de los recorridos de fluido definidos por la estructura de la
superficie. Pueden emplearse adicionalmente una única o múltiples
capas como filtros cuando se cubren o apilan. Las capas apiladas se
orientan conforme a un patrón o relación predeterminada, con o sin
capas adicionales, a fin de constituir un volumen de capas adecuado.
Estas capas pueden unirse entre sí, como se ha descrito
anteriormente, o bien pueden hacerse depender de modo que retengan
su relación sin unión entre ellas. El volumen de capas resultante se
convierte entonces, por rebanado o de otra forma, en un medio de
filtración con el espesor deseado. Este medio de filtración puede
montarse entonces, o ensamblarse de otro modo, en un formato final
utilizable. Pueden aplicarse cualesquiera tratamientos deseados,
como se ha descrito anteriormente, en cualquier etapa apropiada del
procedimiento de fabricación. Además, el medio de filtración de
acuerdo con la presente invención puede combinarse con otro material
filtrante, tal como una capa de material fibroso no tejido dispuesta
sobre la superficie de cara o de incidencia, o bien puede combinarse
con otro material no filtrante, con el fin de facilitar actividades
tales como el manejo, el montaje, el ensamblaje o el uso.
Realizaciones preferidas de la invención pueden
servirse de películas polímeras delgadas y flexibles que presenten
topografías rectilíneas y paralelas como elemento de soporte de la
micro-estructura. Para los propósitos de esta
invención, se hace referencia a una "película" como una lámina
delgada (de menos de 5 mm de espesor) y generalmente flexible de
material polímero. El valor económico de utilizar películas baratas
con superficies de película para soporte de
micro-estructura altamente definidas es grande.
Pueden utilizarse películas flexibles en combinación con un extenso
intervalo de otros materiales, y pueden emplearse carentes de
soporte o en combinación con un cuerpo de soporte cuando se desee.
El medio de filtro formado a partir de dichas superficies
micro-estructuradas y otras capas, si existen, puede
ser flexible para muchas aplicaciones, pero también puede estar
asociado con un cuerpo estructural rígido cuando las aplicaciones lo
requieran.
En las realizaciones en las que la capa o capas
estructurada(s) de un medio de filtro de la invención
incluye(n) canales micro-estructurados,
dichos dispositivos pueden emplear una multiplicidad de canales por
dispositivo. Como se muestra en algunas de las realizaciones
ilustradas anteriormente, dichas capas
micro-estructuradas pueden poseer fácilmente más de
10 ó 100 canales por capa. Algunas aplicaciones pueden tener más de
1.000 ó 10.000 canales por capa.
Si bien la presente invención se ha descrito con
referencia a realizaciones preferidas, no está limitada por dichas
realizaciones.
Claims (23)
1. Un medio de filtración que comprende:
una pluralidad de capas polímeras estructuradas
(12) que presentan una superficie estructurada (13) definida dentro
de cada capa, estando la pluralidad de capas estructuradas
configurada como un apilamiento, definiendo las superficies
estructuradas una pluralidad de aberturas o pasos de entrada
ordenados, que se abren a través de una cara del apilamiento, y unos
recorridos de fluido ordenados correspondientes, dentro de la
superficie estructurada, formando un volumen poroso y ordenado.
2. El medio de filtración de acuerdo con la
reivindicación 1, en el cual los recorridos de fluido ordenados se
definen por medio de una pluralidad de canales de flujo formados
dentro de las superficies estructuradas de las capas
estructuradas.
3. El medio de filtración de acuerdo con la
reivindicación 2, en el cual la pluralidad de canales de flujo viene
definida por una serie de picos, cada uno de los cuales tiene dos
paredes laterales.
4. El medio de filtración de acuerdo con la
reivindicación 3, en el cual las paredes laterales de los picos
adyacentes de los canales de flujo están separadas por un suelo
plano.
5. El medio de filtración de acuerdo con la
reivindicación 3, en el cual las paredes laterales de los picos
adyacentes de los canales de flujo están separadas por al menos un
sub-pico, o pico secundario, definiendo el pico
secundario una pluralidad de sub-canales, o canales
secundarios, dentro de cada canal de flujo, o en el cual los picos
comprenden cabezas que sobresalen o se extienden más allá de los
canales de flujo adyacentes, y las capas estructuradas que
comprenden canales de flujo con picos dotados de cabeza se enfrentan
entre sí, acoplándose los picos dotados de cabeza de una de las
capas estructuradas enfrentadas, a los picos dotados de cabeza de la
otra capa estructurada enfrentada.
6. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 2-5, en el cual un canal de flujo
de una capa estructurada está configurado de forma diferente a un
canal de flujo de la otra capa estructurada.
7. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 2-5, en el cual los canales de
flujo de una capa estructurada están desalineados con respecto a los
canales de flujo de una capa estructurada adyacente dentro del
apilamiento.
8. El medio de filtración de acuerdo con la
reivindicación 1, en el cual los recorridos de fluido ordenados
están definidos por una pluralidad de salientes o protuberancias
discretas formadas según un patrón ordenado, dentro de las
superficies estructuradas de las capas estructuradas, y en el cual
el patrón ordenado de protuberancias discretas consiste en un
conjunto esencialmente alineado.
9. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 1-8, en el cual al menos dos de las
capas estructuradas se enfrentan entre sí, acoplándose las
protuberancias discretas de las caras enfrentadas de un modo
ordenado.
10. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 1-9, en el cual al menos una
porción de la pluralidad de capas estructuradas están unidas
entre sí.
entre sí.
11. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 1-10, que comprende adicionalmente
una capa de cubierta que cubre al menos una porción de una de la
pluralidad de capas estructuradas.
12. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 1-11, que comprende además al menos
una capa adicional situada entre dos capas estructuradas adyacentes,
con el fin de mejorar el rendimiento de la filtración.
13. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 1-12, en el cual al menos una capa
es un electreto.
14. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 1-13, en el cual al menos una
porción de la pluralidad de capas estructuradas se trata con el
propósito de mejorar el rendimiento de la filtración.
15. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 1-14, en el cual al menos una
porción de la pluralidad de capas estructuradas están metalizadas o
presentan un revestimiento superficial.
16. El medio de filtración de acuerdo con la
reivindicación 15, en el cual las capas metalizadas se cargan
activamente conectándolas a una fuente de tensión.
17. Un método de filtrado que comprende:
(a) colocar el medio de filtración de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 1-16 en un
recorrido de flujo de fluido;
(b) hacer pasar el fluido a través del medio de
filtración; y
(c) extraer las partículas del fluido en el medio
de filtración.
18. Un medio de filtración que comprende:
(a) al menos una capa polímera estructurada que
tiene una primera superficie principal que presenta una superficie
estructurada definida dentro de la capa, proporcionando la
superficie estructurada, en combinación con al menos una capa
adicional, una pluralidad de aberturas de entrada ordenadas y una
pluralidad correspondiente de recorridos de fluido ordenados, y
habiéndose sometido al menos una porción de la superficie
estructurada a un tratamiento destinado a incrementar su capacidad
de extracción de partículas en comparación con una capa polímera
estructurada similar que carece de dicho tratamiento.
19. El medio de filtración de acuerdo con la
reivindicación 18, en el cual la capa estructurada comprende un
electreto.
20. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 18-19, en el cual al menos una
porción de la capa estructurada está cargada
electrostáticamente.
21. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 18-20, en el cual al menos una
porción de la capa estructurada se trata con una sustancia
pegajosa.
22. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 18-21, que comprende adicionalmente
una capa de cubierta que cubre al menos una porción de la capa
estructurada.
23. El medio de filtración de acuerdo con las
reivindicaciones 18-22, que comprende adicionalmente
una pluralidad de capas polímeras estructuradas, cada una de las
cuales tiene una primera superficie principal que tiene una
superficie estructurada definida dentro de la capa, estando la
pluralidad de capas estructuradas configuradas como un apilamiento,
definiendo las superficies estructuradas una pluralidad de aberturas
de entrada ordenadas que se abren a través de una cara del
apilamiento, y formando los recorridos de fluido ordenados
correspondientes un volumen ordenado y poroso.
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