ES2210863T3 - Medio de filtracion con superficie estructurada. - Google Patents

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.

Antecedentes

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.

Sumario de la invención

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.

Breve descripción de los dibujos

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.

Descripción detallada de realizaciones preferidas

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.

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.

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.