CN102179220A - 使用能够相变的流体的改进型处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及使用能够相变的流体的改进型处理系统。具体而言，提供了用于处理材料的设备和系统及方法。该设备包括容器，该容器包括设置在容器内的穿孔芯体和设置在芯体内的汲取管。汲取管在第一端口处与处理容器成流体连通，且具有定位在穿孔芯体的非穿孔区域内并在第一端口远端的至少一个开口。该系统包括容器，该容器包括设置在容器内的穿孔芯体和设置在芯体内的汲取管。汲取管在第一端口处与处理容器成流体连通，且具有定位在穿孔芯体的非穿孔区域内并在第一端口远端的至少一个开口。该系统还包括至少一个溶液供送源，该溶液供送源包括能够响应于温度和/或压力的变化而改变相态的溶剂。
Description
技术领域
本发明主要涉及用于处理材料的处理系统和方法。具体而言，本发明涉及一种用于利用能够相变的流体处理多孔片状材料(或片材)的系统和方法。
背景技术
加压处理容器用于改变材料的一种或多种性质，举例来说，该材料例如为诸如膜片的多孔片状材料。一种公知的处理容器具有穿孔的芯体(core)，多孔片状材料设置在该穿孔芯体上。在处理过程期间，处理溶液用来在其循环经过处理容器时将处理物质沉积或以其它方式结合到多孔片状材料中。
在溶液排出期间，溶剂易于改变相态(或相变)并导致在处理的多孔片状材料中的缺陷。例如，如果溶剂从气体或液体变成诸如冰或干冰的固体，则固体溶剂可沉积到多孔片状材料上并导致斑点或其它缺陷，该斑点或其它缺陷使得片状材料未经完全处理，且还可阻塞系统中的管线(line)。
发明内容
本文描述了一种用于处理材料的设备和系统。本发明的一方面为一种设备。该设备包括容器，而该容器具有用于与容器外部成流体连通的第一端口和第二端口。该设备还包括穿孔芯体。该穿孔芯体具有在穿孔芯体端部处的至少一个非穿孔区域。该穿孔芯体适于设置在容器内，使得穿孔芯体的内部与第一端口成流体连通而穿孔芯体的外部与第二端口成流体连通。穿孔芯体还适于设置成以便非穿孔区域定位在第一端口的远端处。该设备还包括汲取管(dip tube)。汲取管具有位于端部中的至少一个开口。汲取管适于设置在穿孔芯体内，且与第一端口成流体连通。汲取管适于设置成以便端部中的开口定位在穿孔芯体的非穿孔区域内。
本发明的另一方面为一种用于处理材料的系统。该系统包括至少一个溶液供送源(supply)。该溶液包括能够响应于压力和温度中的至少一个的变化而改变相态的溶剂。该系统还包括容器，该容器具有用于与容器外部成流体连通的第一端口和第二端口。该系统还包括穿孔芯体。该穿孔芯体具有位于穿孔芯体端部处的至少一个非穿孔区域。该穿孔芯体适于设置在容器内，使得穿孔芯体的内部与第一端口成流体连通而穿孔芯体的外部与第二端口成流体连通。穿孔芯体还适于设置成以便非穿孔区域定位在第一端口的远端处。该系统还包括汲取管。汲取管具有位于端部中的至少一个开口。汲取管适于设置在穿孔芯体内，且与第一端口成流体连通。汲取管适于设置成以便端部中的开口定位在穿孔芯体的非穿孔区域内。
本发明的另一方面为一种利用能够响应于容器内的压力和温度中的至少一个的变化而改变相态的流体来处理容器中的多孔片状材料的方法。该方法包括提供穿孔芯体用于收容多孔片状材料的步骤。该穿孔芯体具有位于穿孔芯体端部处的至少一个非穿孔区域。穿孔芯体适于设置成以便非穿孔区域定位在第一端口的远端。该方法还包括提供具有位于端部中的至少一个开口的汲取管的步骤。汲取管适于设置在穿孔芯体内。汲取管还适于设置成以便端部中的开口定位在穿孔芯体的非穿孔区域内。该方法还包括从容器排出流体以改变流体相态的步骤。该方法还包括从穿孔芯体的非穿孔区域通过汲取管提取流体的步骤。
附图说明
当参照附图研读如下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将更好理解，在附图中：
图1为本发明的系统的一个实施例的简图；
图2为本发明的系统的一个实施例的简图；以及
图3为本发明的汲取管的端部在排放过程期间的放大的截面视图。
零件清单
10容器
12第一端口
13第四端口
14第二端口
16穿孔芯体
18非穿孔区域
20汲取管
22开口
24溶液供送源
26多孔片状材料
28系统
30第三端口
32第三端口阀
34第一端口阀
36第二端口阀
38第五端口
40第五端口阀
42溶液累积物(buildup)
44溶解器
46泵
48旋风器(cyclone)
50袋滤室(bag house)
54穿孔
具体实施方式
本发明的一个方面包括用于处理多孔片状材料以改变或更改其一个或多个性质或特征的设备和系统。多孔片状材料设置在穿孔芯体上，且利用溶液在容器中进行处理，该溶液包括能够响应于压力和/或温度的变化而改变相态的至少一种溶剂。该溶液还可包括溶解在溶剂中的处理材料，但并不必需使用处理材料或其它溶质。因此，如本文所述，用语″溶液″可包括纯溶剂，以及包含溶解的溶质如处理材料的溶剂。一种适合的溶剂可为CO2。
在处理之后，当从容器中排出溶液时，温度和/或压力产生的变化导致溶剂改变相态以及所产生的流体累积在处理容器穿孔芯体的内部中。该累积物在其可导致多孔片状材料中的缺陷之前从芯体的内部除去。该系统尤其很好地适于利用溶解于在超临界状态下的二氧化碳(SCCO2)中的处理材料来处理开孔膜片，如扩展的聚四氟乙烯(ePTFE)膜片。
图1中示出了本发明的系统的一个实施例。该系统28包括至少一个溶液供送源24。该溶液包括能够响应于压力和温度中的至少一个的变化而改变相态的至少一种溶剂。该溶剂供给至处理容器10。处理容器10具有穿孔芯体16，该穿孔芯体16适于设置在容器10内，使得穿孔芯体16的内部与第一端口12成流体连通而穿孔芯体16的外部与第二端口14成流体连通。
穿孔芯体16具有位于穿孔芯体16端部处的至少一个非穿孔区域18。非穿孔区域18定位在第一端口12的远端处。在端部中具有至少一个开口22的汲取管20设置在穿孔芯体16内。汲取管20与第一端口12成流体连通，且适于设置成以便端部中的开口22定位在穿孔芯体16的非穿孔区域18内。
待处理的材料，举例来说，例如多孔片状材料26，可设置在穿孔芯体16上。如图1中所示，在一个实施例中，多孔片状材料26以卷筒(roll)的形式包绕穿孔芯体16。
多孔片状材料26通过经由第三端口30向处理容器10填充来自于溶液供送源24的溶液而进行处理。当使用图1的实施例中所示的构造时，第三端口30与第一端口12和第二端口14两者成流体连通，且溶液供送源24通过第一端口12和第二端口14两者向处理容器10供送溶液。当溶液经由第一端口12进入处理容器10时，该溶液经由汲取管20的开口22流入穿孔芯体16的内部区域中，且然后渗入多孔片状材料26。同时，溶液经由第二端口14进入处理容器10，且朝向多孔芯体16经多孔片状材料26扩散。这样，溶液可高效和完全地从卷绕卷筒的两侧渗入多孔片状材料26。
在处理容器10已充有溶液之后，可选的是通过使溶液循环可加强经由多孔片状材料26的渗透。参看图1，这可通过将溶液从溶液供送源24经由第一端口12泵送到穿孔芯体16的内部来实现。溶液经由穿孔芯体16沿轴向向外流动，穿过多孔片状材料26，并进入处理容器10中。通过容许溶液经由第四端口13离开处理容器10而回到溶液供送源24，完成了循环回路。通过打开第一端口阀34、第三端口阀32和第四端口阀6，同时关闭第二端口阀36和第五端口阀40，可实现这种循环。这样，溶液将相对于穿孔芯体16从内侧流至外侧。在本发明的备选方面，溶液从处理容器10朝向穿孔芯体16的内部沿轴向向内循环。这通过使用上述相同的阀排列使流动方向逆转并沿相反方向泵送而实现。
如图1中所示，在一个实施例中，第三端口30与第一端口12和第二端口14两者成流体连通，且因此，溶液可经由第一端口12和第二端口14供送至处理容器10。然而，并不必需如此，因为溶液可使用一个或多个单独的端口(未示出)而引入容器10中。
在溶液已在整个处理容器10内完全循环之后，通过打开第五端口阀40而将溶液经由第五端口38排放。在此排放步骤期间，容器10内的温度和/或压力通常会改变，且导致溶液和/或溶剂改变相态和将沉淀材料沉积在限定多孔片状材料26的孔隙(pore)的表面上。这种相变可在穿孔芯体16的非穿孔区域18内部中引起溶液累积物42。溶液累积物42主要为流体，且可包括溶液、溶剂、处理物质或这些的组合。
在排放期间，溶液累积物42通过流入汲取管20中的开口22且穿过第一端口12，借助于压差从穿孔芯体16的非穿孔区域18提取。在图1中所示的实施例中，溶液累积物42然后流动经过第二端口14，且然后进入处理容器10中，在该处，该累积物42最终可从处理容器10经由第五端口38排放。
如果溶液累积物42保持在穿孔芯体16中，则其可升高到高于穿孔芯体16的非穿孔区域18的水平(或高度)，且可穿过穿孔芯体16中的穿孔54而接触多孔片状材料26。这种接触可导致缺陷。在实施所述系统28和技术的一些实施例中可实现的优点在于对溶液累积物42的提取，使得该溶液累积物42不会流动穿过穿孔芯体16中的穿孔54和接触多孔片状材料26。在实施所述系统28和技术的一些实施例中可实现的另一优点在于对溶液累积物42当其为流体时的快速提取，使得该溶液累积物42能够在其随排放过程期间容器10中的温度和/或压力的变化而转变成固体之前从容器10中除去。图3示出了穿孔芯体16端部处的非穿孔区域18的放大的截面视图，汲取管20中的开口22设置在其中。如该视图中所示，在排放过程期间，溶液累积物42经由汲取管20中的开口22提取，使其可从穿孔芯体16的内部除去。
举例来说，如果溶剂为处于超临界状态的二氧化碳(SCCO2)，则溶液累积物42主要包括液态CO2。汲取管20的存在使得液态CO2能够以足以防止液态CO2升高到高于穿孔芯体16的非穿孔区域18的水平的速率从穿孔芯体16的非穿孔区域18除去。这防止了液态CO2流动穿过穿孔芯体16中的穿孔54并接触相邻的多孔片状材料26。这继而又防止干冰形成在多孔片状材料26上。此外，汲取管20的存在使液态CO2能够快速地从系统28中除去，使其在排放过程期间基本上不会凝固成干冰。由于多孔片状材料26上的干冰沉积物可在多孔片状材料26中引起缺陷，故期望有这种改善。在一个实施例中，多孔片状材料26为扩展的聚四氟乙烯(ePTFE)膜片，且通过汲取管20提取液态CO2防止了干冰(固态CO2)形成在ePTFE膜片上。
在一个实施例中，如图1和图2中所示，第一端口12和第二端口14彼此成流体连通。这可有助于在填充、循环和/或排放期间穿孔芯体16的内部区域与外部区域之间的压力平衡。然而，在备选实施例中(未示出)，第一端口和第二端口彼此并未成流体连通。
如图2中所示，可选的是，本发明的系统28可包括从业人员认为适合的附加构件。在各种实施例中，系统28可包括以下构件中的任一个或全部：用于向处理容器10填充溶液的泵46、用于从排放的溶液回收固体处理材料的旋风器48，以及用于从排出至大气的溶剂中捕获微粒的袋滤室50或其它过滤机构。
溶液可仅包括溶剂，或可包括具有溶解于其中的一种或多种处理物质的溶剂。如果使用处理物质，则其在进入处理容器10之前充分溶解于溶剂中。在一个实施例中，如图2中所示，处理物质在进入处理容器10之前通过溶解器44与溶剂混合。
溶剂可为适于实现或促进材料处理的任何溶剂，包括但不限于SCCO2、水、乙醇、异丙醇(IPA)、丙酮、甲醇、正丙醇、正丁醇、N-N-二甲基甲酰胺、丁酮，以及水溶性乙二醇醚和e系乙二醇醚及p系乙二醇醚。溶剂能够响应于温度变化、压力变化或温度和压力两者的变化而改变状态。
处理可能需要改变或更改多孔片状材料26的一种或多种性质或特征。处理物质可为将改变材料的至少一种性质或特征的任何物质，该性质或特征例如但不限于颜色、疏油性、亲水性、导电性、光反射性、离子传导性或多孔性。适合的处理物质的实例包括但不限于：聚乙烯亲核聚合物、封闭型异氰酸酯、有机官能化硅氧烷固体的分散体，例如可从Whitford Corporation(Frazer，Pennsylvania)获得的ECM/D6455亲水性丙酮涂料的分散体和/或同样从WhitfordCorporation获得的ECM/D6453亲水性涂料IPA，聚醚氨基甲酸乙酯聚合物固体如从Noveon，Inc.(Cleveland，Ohio)获得的
200，氨基甲酸乙酯或氟化氨基甲酸乙酯聚合物或含氟的聚合物，如氟化丙烯酸酯或氟化甲基丙烯酸酯聚合物，如全氟代烷基丙烯酸共聚物和/或全氟代烷基甲基丙酸烯共聚物，如可从Dupont(Wilmington，Delaware)获得的
8195，7040，8412和/或8300的水基分散体。
在填充、循环和排放期间，处理物质可沉积在多孔片状材料26上，或以其它方式与多孔片状材料26相互作用。因此，溶液的成分可在系统28填充、循环和排放时变化。
本发明的系统28尤其适于处理多孔片状材料26。举例来说，多孔片状材料26可为开孔膜片。更具体而言，系统28可用于处理多微孔的开孔膜片，如扩展的聚四氟乙烯(ePTFE)膜片。ePTFE膜片优选通过挤出聚四氟乙烯(PTFE)细粉颗粒(可从DuPont获得的名为
的细粉树脂)和润滑剂的混合物而制成。该挤出物然后压延。经压延的挤出物然后沿至少一个方向且优选为两个方向″扩展″或伸展，以便形成连接的三维矩阵或点阵类型结构中的节点的纤丝(fibril)。″扩展″意指充分伸展超过材料的弹性极限以将永久变形(permanent set)或延长引入纤丝中。膜片然后优选进行加热或″烧结″，以便减小和最大限度地减小膜片材料中的残余应力。然而，膜片在适于所构思的膜片用途时可为未烧结或部分烧结的。
其它适合的材料和方法可用于形成适合的多孔片状材料26。例如，可用于形成多孔片状材料26的其它适合的材料包括聚烯烃、聚酰胺、聚酯、聚砜、聚醚、丙烯酸和甲基丙酸烯的聚合物、聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯、聚乙烯、纤维素聚合物以及它们的组合。制造多孔片状材料26的其它适合的方法包括对任何适合的材料进行发泡、磨削或浇铸。
在本发明的一个方面，多孔片状材料26为多种多孔片状材料的叠层(laminate)。例如，多孔片状材料26可包括层叠到诸如多孔纺织基底的另一开孔材料上的ePTFE膜片。适合的多孔纺织基底的非限制性实例包括由尼龙、聚酯或聚丙烯制成的织造或非织造的织物。
具有改变或改性的性质或特征的多孔片状材料26具有许多用途。举例来说，结合了根据本发明制造的处理或改性的多孔片状材料26的层叠织物可用于衣服或服装。
本书面说明使用包括最佳模式的实例公开了本发明，且还使本领域的技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何所结合的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员所构思出的其它实例。如果这些其它实例具有与权利要求的书面语言并无不同的结构元件，或者如果这些其它实例包括与权利要求的书面语言无实质差异的同等结构元件，则认为这些实例处在权利要求的范围之内。
Claims (10)
1.一种用于处理材料(26)的系统(28)，所述系统(28)包括：
至少一个溶液供送源(24)，所述溶液包括能够响应于压力和温度中的至少一个的变化而改变相态的溶剂；
容器(10)，其具有用于与所述容器(10)的外部成流体连通的第一端口(12)和第二端口(14)；
穿孔芯体(16)，其在所述穿孔芯体(16)的端部处具有至少一个非穿孔区域(18)，所述穿孔芯体(16)适于设置在所述容器(10)内，使得所述穿孔芯体(16)的内部与所述第一端口(12)成流体连通以及所述穿孔芯体(16)的外部与所述第二端口(14)成流体连通，所述穿孔芯体(16)适于设置成以便所述非穿孔区域(18)定位在所述第一端口(12)的远端；以及
在端部中具有至少一个开口(22)的汲取管(20)，所述汲取管(20)适于设置在所述穿孔芯体(16)内且与所述第一端口(12)成流体连通，所述汲取管(20)适于设置成以便所述端部中的开口(22)定位在所述穿孔芯体(16)的非穿孔区域(18)内。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述容器(10)为大致圆柱形，且垂直地定向。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述溶液还包括用于施加到所述材料(26)中的至少一种处理物质，所述处理物质能够在预定的温度和压力下溶解于所述溶剂中。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述材料(26)为卷绕在所述芯体(16)上的多孔片状材料(26)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述溶剂为处于超临界状态的流体。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述流体为二氧化碳。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多孔片状材料(26)包括开孔膜片。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述开孔膜片为扩展的聚四氟乙烯(ePTFE)膜片。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述多孔片状材料(26)经受处理以改变选自由疏油性、亲水性、导电性、光反射性、离子传导性、多孔性以及颜色所构成的组中的至少一种性质。
10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述处理物质选自由氟化氨基甲酸乙酯聚合物和氟化丙烯酸酯聚合物所构成的组。
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