DE102007035583A1

DE102007035583A1 - Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern

Info

Publication number: DE102007035583A1
Application number: DE102007035583A
Authority: DE
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2007-07-30
Publication date: 2008-04-17
Also published as: US20080023125A1; JP2008088622A; GB0714821D0; US7964049B2; GB2440663A; GB2440663B

Abstract

Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern (Fiber-On-End-Materialien) und Verfahren für deren Herstellung werden zur Verfügung gestellt. Die Materialien können zur Herstellung einer Reihe von Fertiggegenständen verwendet werden.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der U.S. Provisional Application Nr. 60/837389 , eingereicht am 28. Juli 2006, die in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke als ein Teil hiervon umfasst ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft aus Fasern hergestellte End-on-End-Materialien und Verfahren zur Herstellung der Materialien. Die Erfindung betrifft ferner Gegenstände, welche die so hergestellten Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern (Fiber-On-End-Materialien) enthalten, und Verfahren, bei denen diese eingesetzt werden.
HINTERGRUND
Mikroporöse Membranen sind in der chemischen, Nahrungsmittel-, pharmazeutischen und Medizinindustrie verbreitet und werden dort verwendet, um erwünschte und unerwünschte Komponenten aus Verfahrensströmen zu separieren, zum Beispiel um Verunreinigungen durch Filtration zu entfernen oder wertvolle oder nützliche Partikel zu separieren und zu gewinnen. Mikroporöse Membranen werden auch in Spezialkleidung, wie z.B. Oberbekleidung, verwendet, wo sie für Atmungsfähigkeit sorgen und dennoch den Träger vor den Elementen wie Wind und Regen schützen. Sie werden auch bei der Herstellung von Schutzmasken und -bekleidung verwendet, um toxische Teilchen wie karzinogene Aerosole, Sporen und Bakterien besser aussperren zu können. Bei allen obigen Anwendungen wird die Leistungsfähigkeit durch die größten Poren in der Membran stark eingeschränkt, da die größte Pore die Teilchengröße bestimmt, die ausgesperrt werden kann, und der Großteil des Stroms wird an die größeren Poren geleitet, so dass die kleineren Poren der Membran eine höhere Porositätszahl verleihen können, jedoch zum Gesamtstrom wenig beitragen. Daher ist es wünschenswert, in der Lage sein zu können, poröse Membranen mit einer geringen oder ohne Porengrößenschwankung zu erzeugen.
Einheitliche Poren in Planfolien können durch viele verschiedene Herstellungsverfahren erzeugt werden. Zum Beispiel können einheitliche Kapillarporen durch Ionenbeschuss- und Ionenspurätzverfahren erzeugt werden. Sie können auch mittels Laserablation, Ionenstrahlätzen oder optischer Lithographie erzeugt werden. Alle diese Mikrofabrika tionsverfahren sind jedoch durch einen oder mehrere aus einer Reihe von Faktoren eingeschränkt, wie z.B. Kosten, eine beschränkte Anzahl von geeigneten Materialsubstraten, die Unfähigkeit, großflächige Membranen zu erzeugen, und niedrige Porosität.
Membranen ohne die obigen offenen Poren werden verwendet, um chemische Spezies zu separieren, indem die Diffusion einiger Spezies erlaubt und die anderer Spezies unterbunden wird. Das Leben selbst wird durch selektive Diffusion durch zelluläre Lipidmembranen erhalten, die Entsalzung wird weltweit angewandt, um Frisch- oder Trinkwasser aus Meer- oder Brackwasser zu gewinnen; ebenso kennt man die Gasreinigung, die Nierendialyse und viele andere chemische Trennungen als entropiegesteuerte Verfahren. Viele Materialien mit hoher Selektivität, die als Membranen verwendet werden könnten, werden nicht verwendet, da die Materialien ihrerseits schlechte physikalische Eigenschaften besitzen, die sie als großflächige Membran mit kommerziellem Nutzen ungeeignet machen.
Membranen und Flächengebildestrukturen können auch durch ein "Fiber-On-End"-Verfahren (FOE-Verfahren) erzeugt werden, bei dem Mehrkomponentenfasern mit Mikromerkmalen in einer bevorzugten Richtung zusammengesetzt und dann zusammen konsolidiert oder gesintert werden, um eine fehlerfreie Struktur zu erzeugen. Wenn diese feste Struktur in einer senkrecht zur Orientierung der Fasern liegenden Richtung geschnitten oder zerteilt wird, werden Membranen und Flächengebilde mit Mikromerkmalen erzeugt. Es hat sich gezeigt, dass Gefüge mit auf einem Ende stehenden Fasern für Membranen und Kapillaranordnungen nützliche Eigenschaften besitzen. Das Fertigen solcher Materialien per Hand ist möglich, für die kommerzielle Herstellung jedoch unpraktisch.
Ein Verfahren zur Herstellung der Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern besteht darin, vorgeschnittene thermoplastische Faserabschnitte in eine Höhlung einer Pressform zu legen. Die Form wird geschlossen und Wärme und Druck zugeführt, so dass die Wände der Fasern erweichen und miteinander verschmelzen. Die Menge an zugeführtem Druck und zugeführter Wärme wird von der Zusammensetzung und Struktur der Fasern abhängen. Wenn zu viel Druck angewandt wird, könnten Hohlfasern zusammenfallen oder die Kerne von Mantel-Kern-Fasern deformiert werden. Wenn unzureichend Druck angewandt wird, verschmelzen die Fasern eventuell nur teilweise, so dass Hohlräume und Defekte zurückbleiben. Die Anwendung von ausreichend Druck ist auch deshalb erwünscht, damit die Fasern nahe der Mitte zusammengedrückt werden, ein Zerdrücken der Fasern in der Nähe der Außenseite jedoch vermieden wird. Wärme wird auch von Außen zugeführt und durch die Fasermasse geleitet, um in die Mitte zu gelan gen. Durch vorsichte Wärmezufuhr und eine ausreichende Wärmeübertragungsrate kann es gelingen, eine Zersetzung, eine Verzerrung oder ein Schmelzen der Kerne der äußersten Fasern zu verhindern und dennoch die nahe der Mitte befindlichen Fasern zu verschmelzen.
Ähnliche Sorgfalt wird angewandt, wenn Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern mittels Bindemittel oder Lösungsmittel hergestellt werden. Damit das Bindemittel oder die Lösungsmittel in die Oberfläche diffundieren und, falls zutreffend, verdampfen können, ist eine ausreichende Zeitspanne notwendig. Wenn ein wärmeaktiviertes Bindemittel verwendet wird, kann die Wärmeübertragungsrate einschränkend wirken, und es wird darauf geachtet, sicherzustellen, dass die innersten Fasern vor den äußeren Fasern gehärtet werden.
Es wird deutlich, dass die Herstellung von Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern mit großen Abmessungen mit Hilfe dieses Verfahrens durch Wärmeübertragungsraten eingeschränkt wird und vermutlich eine sorgfältige Steuerung und Auswahl von Zeit und Temperatur erfordern würde.
In den europäischen Patentanmeldungen EP 195860 A1 und EP 167094 A1 werden parallele Fasern konsolidiert, indem die Fasern auf eine Trommel gewickelt und anschließend zu einem Festkörper verbunden oder thermisch verschmolzen werden, welcher später in einer Richtung senkrecht zu den parallelen Fasern gehobelt wird. Die Fasern müssen, nachdem sie konzentrisch zur Oberfläche der Wickeltrommel angeordnet worden sind, in radialer Richtung in Bezug auf ihre Wickelorientierung geschnitten werden. Dies erfolgt durch Abschneiden der konsolidierten Faserschicht, Flachpressen, Ausschneiden von Abschnitten aus der flachgepressten Schicht, Umorientierung der Abschnitte um neunzig Grad, Verschmelzen der Abschnitte zu einem Block, erneutes Schneiden der Blöcke zu Trapezoiden, Anordnen der Trapezoide um den Rand einer Trägertrommel herum und Abhobeln einer Schicht senkrecht zur Faserachse, um eine Membran zu bilden. In der EP 0167094 wird ein fester Zylinder aus Meer-Polymer bei einer Temperatur oberhalb des Meer-Schmelzpunktes hergestellt, dann axial in vier Segmente geschnitten, welche flachgepresst werden, bevor dünne Schnitte in dieses flachgepresste Segment geschnitten werden. Das Flachpressen eines dicken verschmolzenen Polymerblocks, der mit kleinen Polymerkernen verstärkt ist, erzeugt eine hohe Dehnspannung auf denjenigen Kernen, die an der kleineren inneren Krümmung des gevierteilten Abschnitts liegen, und eine hohe Kompressionsspannung auf Kernen, die näher an der äußeren größeren Krümmung liegen. Dies könnte zu einer starken Verzerrung der Kerne führen und uneinheitliche Kapillarstrukturen ergeben. Das Verfahren in der EP 195860 A1 und der EP 167094 A1 erfordert mehrere Handhabungsschritte und lässt sich nicht leicht auf einen großtechnischen, kontinuierlichen oder möglicherweise automatisierten Betrieb übertragen. Auch Wärmeübertragungsraten schränken die Geschwindigkeit ein, mit der jeder Verschmelzungsschritt mit thermoplastischen oder reaktiven Bindemitteln durchgeführt werden kann. Diese Eigenschaften schränken die Produktivität dieser Verfahren und die praktische Membrangröße ein.
Es wird daher nach wie vor ein Verfahren benötigt, das in der Lage ist, Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern mit großen Flächendimensionen, z.B. mit einer Breite von einem Meter oder mehr, in einer wenigstens teilweise kontinuierlichen oder automatisierten Weise herzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern, umfassend:

a. Anordnen einer Mehrzahl von Fasern parallel zueinander,
b. kontinuierliches Verschmelzen oder Verbinden der Fasern zu einem Band oder Gewebe, während die Fasern parallel zueinander gehalten werden,
c. kontinuierliches Falten oder Plissieren des Bands oder Gewebes,
d. Zusammenpressen und Verschmelzen des gefalteten oder plissierten Bands oder Gewebes zu einem Festkörper und
e. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem Festkörper.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern, umfassend:

a. Anordnen einer Mehrzahl von Fasern parallel zueinander,
b. Aufwickeln der Fasern auf einer sich drehenden Walze,
c. Drehen der Walze eine ausreichende Zeit lang, um Fasermaterial in einer erwünschten Dicke anzusammeln,
d. Erwärmen des angesammelten Fasermaterials, um dessen Fasern wenigstens teilweise miteinander zu verschmelzen,
e. Abkühlenlassen des wenigstens teilweise verschmolzenen Fasermaterials auf Umgebungstemperatur,
f. Schneiden des wenigstens teilweise verschmolzenen Fasermaterials,
g. Entfernen des geschnittenen Materials von der abgekühlten Walze,
h. Flachdrücken desselbigen, um ein Band oder eine Matte zu bilden,
i. gegebenenfalls Wiederholen der Schritte a bis einschließlich h, um weitere Bänder oder Matten zu bilden,
j. Bilden eines Stapels, der die Bänder oder aus einem oder mehreren Bändern oder einer oder mehreren Matten geschnittene Abschnitte enthält,
k. Zusammenpressen und Verschmelzen des Stapels zu einem Festkörper und
l. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem Festkörper.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern, umfassend:

a. Bereitstellen eines geformten Blocks, umfassend verschmolzene oder teilweise verschmolzene aufrecht stehende Fasern,
b. Ausschneiden trapezförmiger Abschnitte aus dem Block, so dass die Fasern im Wesentlichen senkrecht zur Basis des trapezförmigen Abschnitts orientiert sind,
c. Verschweißen der trapezförmigen Abschnitte, um einen Block zu bilden, der aus zwei konzentrischen Polygonen im Querschnitt besteht,
d. Befestigen des in Schritt c gebildeten Blocks auf einer Spindel,
e. kontinuierliches Drehen des Blocks und
f. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem sich kontinuierlich drehenden Block.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung poröser Membranen und Kapillaranordnungen, umfassend:

a. Bereitstellen eines geformten Blocks, umfassend verschmolzene oder teilweise verschmolzene aufrecht stehende Fasern,
b. Ausschneiden von Kreisabschnitten aus dem Block, so dass die Fasern im Wesentlichen senkrecht zum äußeren Bogen des Kreisabschnitts orientiert sind,
c. Verschweißen der Kreisabschnitte, um einen zylindrischen Block zu bilden, der aus zwei konzentrischen Kreisen im Querschnitt besteht,
d. Befestigen des in Schritt c gebildeten Blocks auf einer Spindel,
e. kontinuierliches Drehen des Blocks und
f. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem sich kontinuierlich drehenden Block.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Material mit auf einem Ende stehenden Fasern, das durch Abhobeln von Material mit einer erwünschten Dicke von einem Block, der eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten und miteinander verschmolzenen Fasern enthält, hergestellt wird, wobei wenigstens ein Schritt bei der Herstellung oder dem Hobeln des Blocks in kontinuierlicher Weise durchgeführt wird und wobei das abgehobelte Material gegebenenfalls mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird, um eine Komponente der Fasern zu lösen.
Gegenstände, die solche Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern enthalten, werden ebenfalls zur Verfügung gestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, welche die Falt-, Verschmelz- und Hobelverfahren veranschaulicht.
2 ist eine schematische Darstellung, welche die Erzeugung eines dünnen Festkörpers durch Einstellen der Faltdicke veranschaulicht.
3 ist eine schematische Darstellung, welche die Erzeugung eines Blocks durch Ausschneiden, Stapeln und Verschmelzen trapezförmiger Formen aus einer konsolidierten Matte zeigt.
4 ist eine schematische Darstellung, welche das Aufbringen einer Verkappungsfolie auf einen trapezförmigen Abschnitt zeigt.
5 ist eine schematische Darstellung, welche die Konsolidierung von drei Trapezoiden zu einem Triplett (5A) und von zwei Tripletts zu einem Hexagon (5B) zeigt. Die Pfeile geben die Bewegungsrichtung der Form an.
6 ist eine schematische Darstellung der in Beispiel 1 verwendeten Spinnleitung.
7 ist eine schematische Darstellung des in Beispiel 1 angewandten Hobelverfahrens.
8 zeigt Rasterelektronenmikroskopaufnahmen in drei Vergrößerungen der in Beispiel 1 erzeugten porösen Membran.
9 ist eine schematische Darstellung der Seitenansichten und Draufsichten des Drehhobelns eines durch Konsolidierung von sechs trapezförmigen Abschnitten hergestellten Blocks, wie er in 5 dargestellt ist.
10 ist eine schematische Darstellung eines zum Abhobeln geeigneten zylindrischen Blocks, hergestellt aus gestapelten verschmolzenen Matten mit festen Verkappungsfolien in zwei Richtungen [die Endverkappung vorne und hinten ist nicht gezeigt]. Ebenfalls gezeigt sind feste Verkappungsfolien zwischen den Wafern um den Block, quer zum Block und durch den Block hindurch.
11 ist eine schematische Darstellung eines Kreisabschnitts aus verschmolzenen Fasern, der eines der vielen Segmente ist, die aufeinander gestapelt werden, um den in 10 gezeigten Block zu bilden.
12 zeigt die Querschnitte von Hohlfasern mit inneren und äußeren Mänteln (12A) und die daraus hergestellte Membran mit auf einem Ende stehenden Fasern (12B).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Der Ausdruck „mit auf einem Ende stehenden Fasern" („Fiber-On-End") (FOE), so wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Anordnung von Fasern, die im Wesentlichen alle parallel zu einer gemeinsamen Achse und senkrecht zu einem optionalen Verarbeitungsmittel liegen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Mehrzahl von Fasern parallel zueinander angeordnet und zu einem Gewebe oder Band geformt, bei dem die parallele Faserorientierung erhalten bleibt. Das Gewebe oder Band wird gefaltet und verschmolzen, um einen Festkörper oder "Block" zu bilden. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Block” ein halbfertiges festes Material, das verschmolzene Fasern umfasst. Die Fasern können durch thermisches Verschmelzen der Fasern, durch Überziehen der Fasern mit einem Bindemittel oder durch Lösungsmittelbindung miteinander verbunden werden. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Faser" jegliches Material mit schlanker, gestreckter Struktur, wie z.B. Polymer- oder Naturfasern. Eine Faser ist im Allgemeinen dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Länge besitzt, die wenigstens das 100-fache ihres Durchmessers oder ihrer Breite beträgt. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Filament" eine Faser mit unbegrenzter oder extremer Länge, wie man sie in der Natur bei Seide vorfindet. So wie hierin verwendet, ist der Ausdruck "Garn" eine allgemeine Bezeichnung für einen kontinuierlichen Strang Textilfasern, -filamente oder -material in einer zum Stricken, Weben oder sonstigen miteinander Verflechten zur Bildung eines Textilstoffs geeigneten Form.
Der aus "Fibers an end" gebildete Feststoff wird durch Abnehmen einer dünnen Schicht, typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, senkrecht zur Faserorientierung, mit einer scharfen Klinge weiterverarbeitet, wobei eine Membran gebildet wird. Dieses Verfahren wird "Hobeln" genannt. Der Ausdruck "Membran", wie er hierin verwendet wird, ist eine eigenständige dünne Struktur, welche den Transport von damit in Kontakt kommenden Spezies, wie z.B. Gas, Dampf, Aerosol, Flüssigkeit und/oder Partikeln, vermitteln kann. Dickere Abschnitte können erwünscht sein, um die Foliendicke und charakteristischen Endanwendungen zu ermöglichen, und noch dickere Abschnitte können erwünscht sein, um zum Beispiel Leder- oder Spaltlederanwendungen zu ermöglichen; in Würfel geschnitten können solche Gegenstände zum Beispiel als Tabletten verwendet werden, die Materialien, wie z.B. Pharmazeutika, enthalten könnten. Eine poröse Membran kann durch Verwendung von Hohlfasern oder Mehrkomponentenfasern, bei denen eine Komponente herausgelöst wird, nachdem die Membran von dem Block abgehobelt worden ist, gebildet werden. So wie hierin verwendet, bezeichnet der Ausdruck "Mehrkomponentenfaser" Fasern, die zwei oder mehrere Komponenten enthalten (Bikomponentenfaser, Trikomponentenfaser usw.). Der Ausdruck "poröse Membran", wie er hierin verwendet wird, bedeutet eine Membran, die Öffnungen (Poren) enthält, welche die Membran vollständig durchziehen können oder nicht. Die Bezeichnung "Kapillaranordnung", so wie sie hierin verwendet wird, bedeutet bei dieser Erfindung eine Membran oder ein Flächengebilde, bei der/dem die Poren teilweise oder vollständig mit anderen Spezies gefüllt sein können.
Die Verfahren hierin können kontinuierlich oder teilkontinuierlich durchgeführt werden. Ein Beispiel für ein kontinuierliches Verfahren ist schematisch in 1 gezeigt, welches die kontinuierliche Produktion von großflächigen Membranen ohne die Wärmeübertragungseinschränkungen der Verfahren des Stands der Technik ermöglicht. Verschiedene Verfahren der Blockherstellung sind nachstehend beschrieben. Falls erwünscht, kann ein Block hergestellt und anschließend zum späteren Hobeln zur Seite gelegt werden.
Membranen und Kapillaranordnungen können durch Abhobeln von Schichten von einem verschmolzenen Block und gegebenenfalls Herauslösen von einer oder mehreren Faserkomponenten hergestellt werden. Die Hobelrichtung liegt typischerweise im Wesentlichen senkrecht zur Faserachse, obwohl einige Anwendungen ein Schneiden in einem gewissen Winkel zur Kapillarachse erfordern können.
Fasern
Zur Verwendung bei den Ausführungsformen der Erfindung geeignete Fasern können durch irgendeines der verschiedenen im Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden. In Abhängigkeit von dem oder den speziellen verwendeten Polymeren) können Fasern aus Lösung (zum Beispiel Polyharnstoffe, Polyurethane) oder aus einer Schmelze (zum Beispiel Polyolefin, Polyamid, Polyester) gesponnen werden. Materialien, Ausrüstung, Grundlagen und Verfahren betreffend die Erzeugung von Fasern sind im Detail bei Fourné, F., Synthetic Fibers, (Carl Hanser Verlag, 1999), übersetzt und herausgegeben von H. H. A. Hergeth und R. Mears, erörtert.
Hohlfasern sind gut bekannt; ihre Herstellung und Verwendungen sind zum Beispiel bei Fourné, S. 549, und von Irving Moch, Jr. in "Hollow Fiber Membranes, "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 4. Auflage, Band 13, Seiten 312–337 (John Wiley & Sons, 1996), erörtert.
Die Produktion von Zwei- und Mehrkomponentenfasern (zum Beispiel "Inseln im Meer" ("Islands in the sea") und Mantel-Kern-Fasern) ist zum Beispiel bei Fourné, S. 539–548 und 717–720, erörtert. Der Ausdruck "Islands in the sea" oder "Inseln im Meer", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet einen Typ Bikomponenten- oder Mehrkomponentenfaser, der auch als "Multiple Interface" oder "Filament in Matrix" beschrieben wird. Die "Inseln" sind Kerne oder Fibrillen mit endlicher Länge, wobei ein oder mehrere Polymere in einem "Meer" (oder in einer Matrix) eingebettet sind, die aus einem anderen Polymer besteht. Die Matrix wird oft herausgelöst, so dass Filamente mit einem sehr niedrigen Denier-Wert pro Filament zurückbleiben. Umgekehrt können die Inseln herausgelöst werden, so dass eine Hohlfaser zurückbleibt. Der Ausdruck "Mantel-Kern", so wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine Bi- oder Mehrkomponentenfaser aus zwei Polymerarten oder aus zwei oder mehreren Varianten desselben Polymers. Bei einer Bikomponenten-Mantel-Kern-Faser bildet ein Polymer einen Kern, und das andere umgibt diesen als Mantel. Mehrkomponentenfasern vom Mantel-Kern-Typ oder zwei oder mehrere Polymere können ebenfalls so hergestellt werden, dass sie einen Kern, einen oder mehrere innere Mäntel und einen äußeren Mantel enthalten. Wenn der Kern als Hohlraum ausgebildet ist, kann mehr als ein Hohlraum vorhanden sein, und mehr als ein Mantel kann den Hohlraum umgeben. Die Hohlräume können auch verschiedene Formen besitzen.
Viele Polymermaterialien können verwendet werden, um Membranen mit auf einem Ende stehenden Fasern durch die hierin beschriebenen Verfahren zu erzeugen. Die richtige Auswahl der Polymermaterialien wird von mehreren Faktoren abhängen. Ein Faktor ist das Konsolidierungsverfahren und die Bedingungen für das Verbinden der Fasern zu einem fehlerfreien FOE-Block. Wenn erhöhte Drücke und Temperaturen angewandt werden sollen, um die benachbarten Fasern in einem FOE-Bündel zu sintern, dann besitzt das Polymer, das den äußersten Mantel oder das Meer in einer Mehrkomponentenfaser bildet, vorzugsweise einen Schmelzpunkt oder Erweichungspunkt, der niedriger ist als der Schmelzpunkt des Polymers oder der Polymere, der/die den inneren Mantel, den Kern oder die Inseln in der Faser bildet/bilden. Es kann auch wünschenswert sein, dass die Glasübergangstemperatur oder der Erweichungspunkt oder die Formbeständigkeitstemperatur des inneren Mantels, des Kerns oder der inneren Insel höher ist als der Schmelzpunkt oder der Erweichungspunkt des Polymers des äußeren Mantels oder des Meer-Polymers.
Wenn eine der Polymerkomponenten später herausgelöst werden soll, um Poren zu erzeugen, dann sollte eine solche Komponente leicht in einem Lösungsmittel löslich sein. Es ist auch wünschenswert, dass die anderen Polymerkomponenten oder -phasen in der Faser in dem zum Lösen der löslichen Polymerkomponente verwendeten Lösungsmittel unlöslich oder dagegen beständig sind. Beispiele für lösliche Polymere und die Lösungsmittel, in denen sie löslich sind, sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Polyamide in Ameisensäure, Polyester in starken Alkalilösungen, Polyurethane in polaren Lösungsmitteln, wie z.B. Dimethylacetamid, Polystyrole und dessen Copolymere in aromatischen Lösungsmitteln, wie z.B. Toluol, und nichtpolaren Lösungsmitteln, wie z.B. Dichlormethan, und Polyvinylalkohol und einige Polyether und Polyethercopolymere in Wasser. Die Fachleute wissen, dass bestimmte Polymere, wenn auch nicht in reinen Lösungsmitteln löslich, in Lösungsmittelgemischen löslich sind. Diese Polymere können ebenfalls als die lösliche Komponente in den zur Erzeugung von Membranen durch die hierin beschriebenen Verfahren verwendeten Mehrkomponentenfasern verwendet werden.
Auch die mechanischen Eigenschaften müssen berücksichtigt werden, wenn die Polymerkomponenten ausgewählt werden. Eine ausreichende mechanische Flexibilität ist notwendig, damit die Fasern das Falten während des Faltvorgangs überleben. Wenn die Fasern zu einem Block verschmolzen worden sind, müssen sich die Materialien durch ein oder mehrere Hobelverfahren, die den Fachleuten bekannt sind, hobeln lassen.
Die Auswahl der faserbildenden Polymerkomponenten wird zum Teil von der Endanwendung des aus der Faser erzeugten FOE-Materials bestimmt werden. Wenn zum Beispiel die durch die hierin beschriebenen Verfahren verwendeten Membranen mit auf einem Ende stehenden Fasern bei der Herstellung von vor chemischen und biologischen Einflüssen schützenden Schutzanzügen verwendet werden sollen, dann sollten die Polymerkomponenten der Faser intrinsisch resistent gegen und undurchdringbar für toxische chemische und biologische Mittel sein. Wenn die Membranen zur Filtration oder Reinigung von Verfahrensströmen in der chemischen, biochemischen oder pharmazeutischen Industrie verwendet werden sollen, dann sind die Polymerkomponenten der Faser wünschenswerterweise gegen die in den Verfahrensströmen vorliegenden verschiedenen Spezies beständig. Wenn die Membranen mit auf einem Ende stehenden Fasern verwendet werden sollen, um eine oder mehrere hydrophobe, jedoch atmungsfähige Schichten in Einsatzjacken von Feuerwehrleuten zu erzeugen, dann kann es wünschenswert sein, Polymerkomponenten zu wählen, die intrinsische hydrophobe Eigenschaften sowie Feuerfestigkeitseigenschaften besitzen. Erwartungsgemäß wird es für die durch die hierin beschriebenen Verfahren erzeugten FOE-Membranen mehrere andere Anwendungen geben. Daher können die Polymerkomponenten der Vorläufer-Mehrkomponentenfaser so gewählt werden, dass die erwünschten Eigenschaften, die für diese spezielle Anwendung benötigt werden, erhalten werden.
Die Fachleute werden wissen, dass die Mehrkomponentenfasern aus einer großen Vielfalt von Polymermaterialien gesponnen werden können. Beispiele für Klassen von geeigneten Polymermaterialien sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Homopolymere, Copolymere und Mischungen aus: Polyolefinen, Polyestern, Polyamiden, Polyurethanen, Polyethern, Polysulfonen, Vinylpolymeren, Polystyrolen, Polysilanen und Polysulfiden und fluorierten Polymeren. Die Copolymere innerhalb einer jeden Klasse oder zwischen einer jeden Klasse aus den oben genannten Polymeren können statistische Copolymere oder Block-Copolymere sein. Spezielle Beispiele für Polyolefine sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, stereospezifische und statistische Homopolymere aus Ethylen und Propylen und deren Copolymere mit Buten, Isobutylen, Octen, Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen, Methacrylsäure, Acrylsäure, Vinylacetat, Vinylalkohol und Vinylchlorid, Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat oder Maleinsäureanhydrid. Ionomere, die aus Polyolefin-Copolymeren hergeleitet sind, wie z.B. Surlyn^®-Ionomerharze von DuPont^TM (E. I. du Pont de Nemours & Company, Inc., Wilmington, Delaware, USA) können ebenfalls als eine Komponente in der Mehrkomponentenfaser verwendet werden. Spezielle Beispiele für fluorierte Polymere sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Homopolymere und Copolymere von Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Tetrafluorethylen, Perfluorpropylvinylether und Hexafluorpropylen. Spezielle Beispiele für Polyamide (PA) sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Homopolymere und Copolymere von PA-6, PA-66, PA-610, PA-611, PA-612 und PA-1212 und deren N-alkylierte Analoga. Aus aromatischen Dicarbonsäuren, wie z.B. Terephthalsäure und Isophthalsäure, erhaltene Polyamide und diejenigen, die aus aromatischen Diaminen, wie z.B. meta-Xyloldiamin und para-Xyloldiamin, erhalten werden, können ebenfalls für die Bildung einer Mehrkomponentenfaser verwendet werden. Spezielle Beispiele für Styrolpolymere sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Polystyrol, Copolymere aus Styrol und 1,2-Butadien und 1,4-Butadien, Isopren und Isobutylen. Diese Copolymere können vollständig gesättigt, teilweise gesättigt oder ungesättigt sein. Eine teilweise oder vollständige Sättigung wird durch Reduktion der Doppelbindungen im Polymer erreicht. Ionomere (z. B. aus Säuren) und Ionomerensalze von Styrolmaterialien sind weitere Beispiele.
Geeignete thermoplastische Polyurethanelastomere, die verwendet werden können, um Fasern und anschließend Membranen herzustellen, sind u.a. diejenigen, die aus einem polymeren Glycol, einem Diisocyanat und wenigstens einem Diol- oder Diamin-Kettenverlängerer hergestellt sind. Diol-Kettenverlängerer sind bevorzugt, da die damit erzeugten Polyurethane niedrigere Schmelzpunkte haben als wenn ein Diamin-Kettenverlängerer verwendet wird. Polymere Glycole, die zur Herstellung der elastomeren Polyurethane geeignet sind, sind u.a. Polyetherglycole, Polyesterglycole, Polycarbonatglycole und Copolymere davon. Beispiele für solche Glycole sind u.a. Poly(ethylenether)glycol, Poly(triethylenether)glycol, Poly(tetramethylenether)glycol, Poly(tetramethylen-co-2-methyltetramethylenether)glycol, Poly(ethylen-co-1,4-butylenadipat)glycol, Poly(ethylen-co-1,2-propylenadipat)glycol, Poly(hexamethylen-co-2,2-dimethyl-1,3-propylenadipat), Poly(3-methyl-1,5-pentylenadipat)glycol, Poly(3-methyl-1,5-pentylennonanoat)glycol, Poly(2,2-dimethyl-1,3-propylendodecanoat)glycol, Poly(pentan-1,5-carbonat)glycol und Poly(hexan-1,6-carbonat)glycol. Geeignete Diisocyanate sind u.a. 1-Isocyanato-4-[(4-isocyanatophenyl)methyl]benzol, 1-Isocyanato-2-[(4-isocyanatophenyl)methyl]benzol, Isophorondiisocyanat, 1,6-Hexandiisocyanat, 2,2-Bis(4-isocyanatophenyl)propan, 1,4-Bis(p-isocyanato,alpha,alpha-dimethylbenzyl)benzol, 1,1'-Methylenbis(4-isocyanatocyclohexan) und 2,4-Tolylendiisocanat. Geeignete Diol-Kettenverlängerer sind u.a. Ethylenglycol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 2,2-Dimethyl-1,3-propylendiol, Diethylenglycol und Mischungen davon. Bevorzugte polymere Glycole sind Poly(triethylenether)glycol, Poly(tetramethylenether)glycol, Poly(tetramethylen-co-2-methyltetramethylenether)glycol, Poly(ethylen-co-1,4-butylenadipat)glycol und Poly(2,2-dimethyl-1,3-propylendodecanoat)glycol. 1-Isocyanato-4-[(4-isocyanatophenyl)methyl]benzol ist ein bevorzugtes Diisocyanat. Bevorzugte Diol-Kettenverlängerer sind 1,3-Propandiol und 1,4-Butandiol. Monofunktionelle Kettenabbruchmittel, wie z.B. 1-Butanol und dergleichen, können zugesetzt werden, um das Molekulargewicht des Polymers zu steuern.
Geeignete thermoplastische Polyesterelastomere sind u.a. die Polyetherester, die durch Umsetzung eines Polyetherglycols mit einem Diol mit niedrigem Molekulargewicht, zum Beispiel mit einem Molekulargewicht von weniger als etwa 250, und einer Dicarbonsäure oder einem Diester davon, zum Beispiel Terephthalsäure oder Dimethylterephthalat, hergestellt werden. Geeignete Polyetherglycole sind u.a. Poly(ethylenether)glycol, Poly(triethylenether)glycol, Poly(tetramethylenether)glycol, Poly(tetramethylen-co-2- methyltetramethylenether)glycol [erhalten durch Copolymerisation von Tetrahydrofuran und 3-Methyltetrahydrofuran] und Poly(ethylen-co-tetramethylenether)glycol. Geeignete Diole mit niedrigem Molekulargewicht sind u.a. Ethylenglycol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 2,2-Dimethyl-1,3-propylendiol und Mischungen davon; 1,3-Propandiol und 1,4-Butandiol sind bevorzugt. Geeignete Dicarbonsäuren sind u.a. Terephthalsäure, gegebenenfalls mit kleineren Mengen an Isophthalsäure, und Diester davon (z.B. < 20 Mol-%).
Geeignete thermoplastische Polyesteramidelastomere, die zur Bildung der Fasern und Membranen verwendet werden können, sind u.a. diejenigen, die in dem US-Patent Nr. 3 468 975 beschrieben sind. Zum Beispiel können solche Elastomere mit Polyestersegmenten hergestellt werden, die durch die Umsetzung von Ethylenglycol, 1,2-Propandiol, 1,3-Propandiol, 1,4-Butandiol, 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol, 1,5-Pentandiol, 1,6-Hexandiol, 1,10-Decandiol, 1,4-Di(methylol)cyclohexan, Diethylenglycol oder Triethylenglycol mit Malonsäure, Succinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, 2-Methyladipinsäure, 3-Methyladipinsäure, 3,4-Dimethyladipinsäure, Pimelinsäure, Suberinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure oder Dodecandionsäure oder Estern davon hergestellt werden. Beispiele für Polyamidsegmente in solchen Polyesteramiden sind u.a. diejenigen, die durch die Umsetzung von Hexamethylendiamin oder Dodecamethylendiamin mit Terephthalsäure, Oxalsäure, Adipinsäure oder Sebacinsäure und durch die Ringöffnungs-Polymerisation von Caprolactam hergestellt werden.
Thermoplastische Polyetheresteramidelastomere, wie z.B. diejenigen, die in dem US-Patent Nr. 4 230 838 beschrieben sind, können ebenfalls verwendet werden, um die Fasern und Membranen herzustellen. Solche Elastomere können zum Beispiel durch Herstellen eines mit Dicarbonsäure terminierten Polyamid-Vorpolymers mit geringem Molekulargewicht (zum Beispiel von etwa 300 bis etwa 15000) aus einem Polycaprolactam, Polyoenantholactam, Polydodecanolactam, Polyundecanolactam, Poly(11-aminoundecansäure), Poly(12-aminododecansäure), Poly(hexamethylenadipat), Poly(hexamethylenazelat), Poly(hexamethylensebacat), Poly(hexamethylenundecanoat), Poly(hexamethylendodecanoat), Poly(nonamethylenadipat) oder dergleichen und Succinsäure, Adipinsäure, Suberinsäure, Azelainsäure, Sebacinsäure, Undecandionsäure, Terephthalsäure, Dodecandionsäure oder dergleichen hergestellt werden. Das Vorpolymer kann dann mit einem hydroxyterminierten Polyether, zum Beispiel Poly(triethylenether)glycol, Poly(tetramethylenether)glycol, Poly(tetramethylen-co-2-methyltetramethylenether)glycol, Poly(propylenether)glycol, Poly(ethylenether)glycol oder dergleichen umgesetzt werden.
Faserausrichtung und Bindung
Eine Hauptaufgabe des FOE-Verfahrens ist, die ersponnenen Garne herzunehmen und die Fasern Seite an Seite mit hoher Packungsdichte auszurichten, wobei die Fasern so orientiert werden, dass sie in eine bevorzugte Richtung zeigen, und sie anschließend zu einem Block zu konsolidieren, der gehobelt werden kann, um eine Folie zu erzeugen. Dieser konsolidierte Block kann in Abhängigkeit von dem erwünschten Endprodukt viele Formen einnehmen. Zum Beispiel wird ein rechteckiger Block, bei dem die Fasern senkrecht zur Hobelfläche orientiert sind, beim geraden Hobeln einzelne Lagen Folie erzeugen. Auf ähnliche Weise wird ein zylindrischer Block, bei dem die Fasern strahlenförmig relativ zur Zylinderachse orientiert sind, beim Drehhobeln eine lange Endlosfolie bilden.
Die richtige Anordnung der Fasern wird der Erzeugung einer fehlerfreien FOE-Membran dienlich sein. Die Fasern werden vorzugsweise parallel zueinander in einer Richtung, die als die Faserrichtung oder -achse bezeichnet wird, mit geringer oder ohne Faserüberschneidung oder -überlappung angeordnet. Es wäre denkbar, dass Fasern, die nicht parallel zur Achse angeordnet sind, beim Konsolidieren und anschließenden Hobeln der Fasern Strukturfehler hervorrufen. Es existieren mehrere Verfahren zur Anordnung der Fasern; die Eignung eines jeden hängt von dem Orientierungsverfahren, dem Konsolidierungsverfahren und von der letztlichen Blockform, die erzeugt werden soll, und davon, welches das kosteneffizienteste Verfahren ist, ab. Typischerweise werden die ersponnenen Garne zunächst auf Spulen aufgewickelt. Die meisten (jedoch nicht alle) Anordnungsverfahren verwenden diese Spulen als Zuführung. Beispiele für Anordnungsverfahren sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Formen der Fasern zu einem Band, Weben von Garnen zu einem unidirektionalen Gewebe, Strangwickeln und auf einer Spule selbst.
Verunreinigungen auf der Oberfläche der Fasern könnten den Zusammenschluss von Fasern untereinander, d.h. Mantel mit Mantel, zu einem zusammenhängenden Block stören. Ohne diese gute Kohäsion könnten aus dem Block ausgeschnittene Membranen eine zu geringe Zugfestigkeit besitzen, um in ihrer Endanwendungsumgebung eine angemessene Leistung zu erbringen. Wasser, das beim Spinnen auf die Fasern aufgetragen wird, erleichtert die Handhabung der Fasern und ergibt eine saubere Oberfläche.
Band
Der Ausdruck "Band", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine dünne flache Anordnung von Fasern, die mehrere Zoll bis mehrere Fuß breit sein kann, die jedoch im Allgemeinen nur einige Fasern dick ist. Es ist wünschenswert, dass die Banddicke geringer als 0,2 Zoll (0,51 cm) ist, es ist jedoch bevorzugt, dass die Dicke geringer als 0,1 Zoll (0,25 cm) ist, und es ist besonders bevorzugt, dass die Dicke geringer als 0,05 Zoll (0,13 cm) ist. Die Fasern werden leicht zusammengeheftet, so dass das Band gehandhabt werden kann, ohne dass die einzelnen Fasern abgehen. Ein übliches textiles Verfahren zur Erzeugung eines Bands aus Material ist, Garnspulen zu verwenden und diese in einem Aufsteckgatter anzuordnen, was als Bündeln bezeichnet wird, wobei hunderte oder gar tausende von Spulen verwendet werden. Die jeweiligen Enden dieser Spulen werden in einem Kamm vereint und dann auf einem Dorn zu einem Bündel aufgewickelt. Sobald das Bündel gebildet ist, können die einzelnen Fasern, die das Bündel bilden, durch ein oder mehrere verschiedene Mittel zusammengeheftet oder verbunden werden, um eine flächengebildeartige Struktur zu erzeugen.
Die passende Garndichte des Bündels, die durch die Anzahl an Garnenden pro Breiteneinheit des Bündels definiert ist, wird von mehreren Faktoren abhängen, wie z.B. von der Anzahl an Faserenden in einem einzelnen Garnende und von dem Denier-Wert der Filamente. Wenn zum Beispiel der Denier-Wert der Filamente, die ein Garnende bilden, klein ist, wird eine größere Anzahl von Garnenden notwendig sein, um ein Bündel zu bilden, bei dem einige oder alle der Fasern an die benachbarten Filamente geheftet sind. Umgekehrt werden, wenn der Denier-Wert der Fasern hoch ist, weniger Garnenden zur Erzeugung eines teilweise zusammengehefteten Faserbündels notwendig sein. Eine optimale Garnendendichte ist wünschenswert. Eine geringe Garnendendichte kann ein schwach zusammengeheftetes Bündel erzeugen, und eine sehr hohe Garndichte wird beim Zusammenhaften der Fasern ein steifes Bündel ergeben. Die Fachleute werden feststellen, dass zur Erzeugung eines zusammengehefteten Faserbündels die Gesamtzahl an Garnenden, multipliziert mit dem Durchmesser der Garnenden, größer als die Breite des Bündels sein sollte.
Die Fasern können durch irgendeines von einer Reihe von Verfahren miteinander verbunden werden, einschließlich, ohne Einschränkung, das thermische Verschmelzen der Fasern, das Überziehen der Fasern mit einem Bindemittel und das Verbinden durch Lösungsmittel. Es gibt viele Wege, um Fasern thermisch zu verschmelzen. Zum Beispiel kann das Bündel, das die Fasern enthält, durch oder über eine Heizeinheit (Heizstrahler, Heißluft-Konvektionsofen, Mikrowellenofen usw.) geleitet werden, so dass die Fasern zusammenhaften können. Die Fasern in dem Bündel können auch zusammengeheftet werden, indem das Bündel durch ein oder mehrere Kalandrierwalzen geleitet wird, die angetrieben sein können oder nicht. Das Bündel kann auch durch beheizte oder unbe heizte Quetschwalzen geleitet werden, um die Dicke des Faserbündels zu steuern. Das verwendete Heizverfahren hängt von der Art der verwendeten zu verschmelzenden Faser und von der Bündeldichte ab, wie es im Stand der Technik gut bekannt ist. Es ist erwünscht, dass die Fasern in dem Bündel nur bis zu einem optimalen Grad zusammengeheftet werden. Wenn die Fasern schwach zusammengeheftet sind, können sie sich aus dem Bündel lösen und brechen. Gebrochene Fasern oder lose Enden können zu Fehlern in dem fertigen Produkt mit auf einem Ende stehenden Fasern führen. Ein Band kann aus einer Faserart oder aus zwei oder mehreren Arten von Fasern gebildet werden. Die Faserarten können sich auf vielerlei Weisen voneinander unterscheiden. Zum Beispiel können die Fasern in Größe oder Form ihres Querschnitts, in Größe, Form oder Anzahl der Kerne pro Faser oder in den Polymerkomponenten, aus denen die Fasern gebildet sind, variieren. Die Fasern können sich auch in ihren Eigenschaften unterscheiden, wie zum Beispiel in Farbe, chemischer Zusammensetzung, Oberflächenchemie und elektrischer Leitfähigkeit. Die unterschiedlichen Faserarten können während des Bündelverfahrens wahllos verteilt werden oder in einem wünschenswerten, sich wiederholenden oder sich nicht wiederholenden Muster verteilt werden.
Gewebe
Ein weiteres Verfahren zur Anordnung der Garne ist, sie zu einem unidirektionalen Gewebe zu verweben. Der Ausdruck "Gewebe", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet eine flächenförmige Textilstruktur, die durch Verknüpfen von Garnfasern oder Filamenten erzeugt wird. Ein "unidirektionales Gewebe" ist ein Gewebe, das mit einem Webmuster hergestellt ist, welches für eine Richtungsfestigkeit in nur eine Richtung ausgelegt ist. Die Garne können entweder in Schuss oder in Kettrichtung gewebt werden. Jedes Verfahren hat andere Vorteile. Das Weben der Garne in Kettrichtung ist mit einem geringeren Aufwand verbunden, da das Garn von einer einzigen Spule zugeführt werden kann; auch kann die Garndichte eingestellt werden. Alternativ erfordert das Weben des Garns in Schussrichtung (um ein "Uni-Schuss"-Gewebe herzustellen) eine große Zahl von Spulen, ähnlich wie bei der Bündelung; der Vorteil liegt jedoch darin, dass, wenn das Spulengestell einmal steht, das Gewebe mit einer höheren Geschwindigkeit erzeugt werden kann. In beiden Fällen ist das Querachsgarn eine in einer lockeren Webart eingewobene Bindefaser mit niedrigem Schmelzpunkt, welche das Gewebe zusammenhält. Bei einer Ausführungsform des hierin beschriebenen Verfahrens wird ein unidirektionales Schuss("Uni-Schuss")-Gewebe gewebt, welches eine hohe Faserdichte in der Schussrichtung, jedoch sehr wenige Kettfasern enthält, und die Kettfasern sind bei niedriger Temperatur schmelzende Fasern, die nach dem Webverfahren geschmolzen und somit verwendet werden, um die Schussfasern zusammenzuhalten.
Wie beim Band, können Webstoffe aus ein oder mehreren Faserarten bestehen. Die unterschiedlichen Faserarten können wahllos zu dem Gewebe verwebt werden oder derart verwebt werden, dass ein spezielles, sich wiederholendes oder sich nicht wiederholendes Muster erzeugt wird.
Spulenaufwicklung
Eine typische Wickelung besitzt einen Wickeldrehwinkel, so dass sich die Garne in diesem Winkel kreuzweise überlappen. Es ist jedoch auch möglich, die Garne in einem sehr kleinen Winkel aufzuwickeln, so dass die Fasern im Wesentlichen parallel zueinander liegen. Die Fasern können bis zu einer Höhe von 1 Zoll oder mehr aufgewickelt werden; eine Höhe von 1/16'' bis 1/4'' (1,6 mm bis 6,4 mm) ist jedoch für die weitere Verarbeitung von Vorteil. Diese Fasern können durch thermisches Verschmelzen der Fasern, durch Überziehen der Fasern mit einem Bindemittel oder durch Verbinden mittels Lösungsmittel miteinander verbunden werden. Für das thermische Verschmelzen kann die Spule in einen Ofen gegeben werden, wo die Fasern locker miteinander verschmolzen werden. Die Ofentemperatur wird von der Faserzusammensetzung abhängen. Das verschmolzene Fasermaterial kann dann von der Spule geschnitten und flach ausgelegt werden, um eine unidirektionale Fasermatte zu bilden. Für unsere Tests verwendeten wir im Allgemeinen verschmolzene Spulen mit 1/16'' (1,6 mm) und 1/8'' (3,2 mm) dick gewickelter Faser auf 6'' (15 cm) großen Spulenkernen. Die Spulen wurden 2 Stunden in einem Ofen bei 80–90°C erwärmt. Nach dem Abnehmen vom Kern war die Fasermatte mit hoher Faserdichte gut zusammengeheftet und dünn genug, um leicht flach ausgelegt werden zu können, damit anschließend Formen daraus geschnitten werden können, die als Coupons oder Prepregs bezeichnet werden.
Als Beispiel wurden die Fasern bis zu einer Dicke im Bereich von 1/32'' (0,8 mm) und 1/8'' (3,2 mm) auf einer Spule aufgewickelt. Die zum Verschmelzen der Fasern auf der Spule verwendete Temperatur richtet sich nach dem Schmelzpunkt des äußeren Fasermantels. Es ist wünschenswert, dass die Verschmelzungstemperatur etwa 15°C über oder unter dem Schmelzbeginn des Polymers liegt, welches den äußeren Mantel bildet. Der Beginn des Schmelzens eines Polymers kann mit Hilfe eines Differentialscanningkalorimeters ermittelt werden. Wenn das Polymer keinen Schmelzpunkt besitzt, dann kann die Verschmelzungstemperatur im Bereich der Erweichungstemperatur des Polymers liegen. Sobald die aufgewickelten Filamente durch Wärmebehandlung teilweise verschmolzen sind, kann die teilgesinterte faserartige Struktur in einer Richtung parallel zur Spulenachse geschnitten werden, wobei eine gewölbte oder flache Platte erhalten wird, welche Fasern enthält, die in einer bevorzugten Richtung verlaufen.
Strangwickeln
Die Fasern können auf einem Strangwickler aufgewickelt werden, um eine lockere Garnspule zu erzeugen. Dieses Garn kann dann direkt als ein Strang paralleler Fasern in eine Form gegeben und unter Wärme und Druck zu einem Block konsolidiert werden. Alternativ können die Fasern durch Überziehen der Fasern mit einem Bindemittel oder durch Verbinden mittels Lösungsmittel miteinander verbunden werden. In der Verbundstoffindustrie übliche Verfahren und Apparaturen können verwendet werden, um die in diesem Schritt erwünschten Strukturen zu erhalten und Coupons oder Prepregs zu schneiden.
Blockbildung und Hobeln
Die letztendlichen Bedingungen für den Block werden von dem erwünschten Produkt und von den Kosten des Zusammenbaus bestimmt werden. Für einen Block, von dem einzelne Flächengebilde abgehobelt werden sollen (gerades Hobeln), werden alle Fasern parallel zueinander angeordnet und üblicherweise senkrecht zur Hobelfläche orientiert. Bei manchen Anwendungen verbessert das Hobeln in einem Winkel zur Faserachse die Membranen weiter. Diese Art des Hobelns wird Flächengebilde mit der Fläche der zu hobelnden Oberfläche erzeugen. Für das gerade Hobeln geeignete Blöcke können durch eine Reihe von Verfahren erzeugt werden, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Falten mit anschließendem Verschmelzen und Stapeln mit anschließendem Verschmelzen. Ein Verfahrensschema ist in 1 veranschaulicht. Ein Band oder Gewebe 1, das aus einer Mehrzahl von parallelen verbundenen Fasern besteht, wird durch eine Faltzone 2 in eine Verschmelzungszone 3 geleitet, wo die Faltgebilde zu einem festen Block 4 verschmolzen werden. Die Membran mit auf einem Ende stehenden Fasern 5 kann (unter Verwendung eines Hobelmessers 6) kontinuierlich von dem Block abgehobelt werden, wenn dieser konsolidiert ist, oder der Block kann in Stücke zerteilt werden, die später z.B. für das Drehhobeln zusammengefügt werden, wie es nachstehend erläutert ist.
Falten
Ein verschmolzenes Band oder Gewebe kann einem kontinuierlichen Faltvorgang unterworfen werden, bei dem das Band oder Gewebe wiederholt gefaltet und dann gestapelt wird. Dieses Verfahren gleicht dem zur Herstellung von gefalteten Filtermedien oder Plisseefalten in Stoffen verwendeten Faltverfahren. Das Verfahren ist in 1 veranschaulicht. In dem nachstehenden Beispiel 1 wurden typische Bedingungen verwendet, wobei das Uni-Schuss-Gewebe mit einer Falthöhe von 0,5'' (1,3 cm) gefaltet wurde und die Falteinheit mit einer Geschwindigkeit von 30 Falten pro Minute bei 80°C und 30 psi (0,21 MPa) betrieben wurde.
Durch Wärme und Druck kann erreicht werden, dass diese Falten zusammenhaften, um eine Fasermatte zu bilden, bei der die Fasern typischerweise jetzt im Wesentlichen senkrecht zur Fasermattenoberfläche orientiert sind. Diese Fasermatte kann auf mehrere Arten verwendet werden. Sie kann in eine rechteckige Form gelegt und dann unter Wärme und Druck konsolidiert werden, um einen rechteckigen Block zu bilden, von dem Flächengebilde abgehobelt werden können. Außerdem kann die Fasermatte oder der daraus gebildete rechteckige Block in Abschnitte zerteilt werden (zum Beispiel Trapezoide oder andere Formen), welche als Vorbereitung für das Drehhobeln so zusammengesetzt werden können, dass die Fasern strahlenförmig orientiert sind, wie es nachstehend beschrieben ist.
Das Faltverfahren kann so angepasst werden, dass dünne Festkörper erzeugt werden (siehe zum Beispiel 2), wobei die Probleme der Wärmeübertragung oder Lösungsmitteldiffusion weiter verringert werden und die Anzahl an Schichten, die von dem Festkörper abgehobelt werden müssen, minimiert werden, wodurch die Produktivität gesteigert wird. In Fällen, wo eine dicke Membran erwünscht ist, zum Beispiel zur Herstellung einer Kapillaranordnung, kann die Membran fast in fertiger Form hergestellt werden, indem die Falthöhe an die erwünschte Dicke angepasst wird.
Stapeln
Im Spulenwickelverfahren können erzeugte Matten aus verschmolzenen Fasern übereinander gestapelt und anschließend schmelzbehandelt werden, um einen dreidimensionalen Block zu erzeugen. Dieser Block kann gehobelt werden, um einzelne Lagen Folie zu bilden, oder der Block kann in Stücke geschnitten werden, welche zu einem zylindrischen Block für das Drehhobeln zusammengefügt werden. Die Matte kann auch in Stücke geschnitten werden, die zusammengesetzt werden, um die Fasern in einer strahlenförmigen Richtung zu orientieren. Zum Beispiel können die trapezförmigen Abschnitte 7 aus der Matte ausgeschnitten werden (3A) und dann in einer hexagonal förmigen Form gestapelt werden (3B). Wenn sie unter ausreichend Wärme und Druck schmelzbehandelt werden, werden die einzelnen Abschnitte zu einem festen Block verschmelzen, der hobelfertig ist. Alternativ können mehrere solcher Blöcke aufeinander gestapelt und verschmolzen werden, um einen einzelnen großen Block zu bilden, von dem eine breitere Folie abgehobelt werden kann. Dieses Verfahren ermöglicht auch die Zugabe anderer Materialien während des Schmelzbehandlungsverfahrens. Zum Beispiel kann die Zugabe eines hochfesten Materials oder von Fasern zwischen den Segmenten (8 in 3B, 3C) in einer oder beiden Richtungen, durch den Block hindurch und/oder um ihn herum, jedoch vollständig von außen nach innen über die gesamte Blockdicke, zu einer abgehobelten Folie mit höherer Festigkeit in einer oder beiden Richtungen führen als wie sie durch die Fibers-On-End selbst erzielt werden kann.
Erzeugung eines zylindrischen Blocks für das Drehhobeln
Jedes der oben beschriebenen Verfahren kann zur Herstellung eines rechteckigen Blocks aus FOE-Material verwendet werden. Obwohl diese Blöcke in einem Verfahren, bei dem gerade gehobelt wird, zur Herstellung einzelner Lagen Folie verwendet werden können, gibt es Anwendungen, bei denen eine Endlosfolienrolle bevorzugt ist. Eine Endlosrolle kann durch Drehhobeln erzeugt werden, wobei ein zylindrischer Block um seine Achse gedreht wird und durch Abhobeln eine Folie erzeugt wird, welche die Breite des Blocks besitzt, jedoch sehr lang ist (6). In einem solchen zylindrischen Block sind die Fasern in einer im Wesentlichen strahlenförmigen Richtung von der Achse ausgehend orientiert. Wir haben ein Verfahren entwickelt, um rechteckige Blockabschnitte zu einer zylindrischen Form zusammenzusetzen, die sich für das Drehhobeln eignet.
Zunächst werden die Blöcke in Abschnitte geschnitten oder zerteilt. Bei einer Ausführungsform ist der Abschnitt ein trapezförmiger Abschnitt, wie er in 4A dargestellt ist. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "trapezförmiger Abschnitt", dass die aus dem Block ausgeschnittene Form einen trapezförmigen Querschnitt besitzt. In einer weiteren Ausführungsform ist der Abschnitt ein Kreisausschnitt. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Kreisabschnitt", dass die aus dem Block ausgeschnittene Form einen kreisförmigen Querschnitt besitzt, wie es in 11 gezeigt ist. Trapezförmige Abschnitte werden mit einer senkrecht zur Grundfläche des Trapezoids gerichteten Faserorientierung ausgeschnitten (4A). Die trapezförmigen Abschnitte werden verwendet, um einen Block herzustellen, dessen Querschnitt zwei konzentrische Polygone aufweist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden drei Trapezoide miteinander verschweißt, um ein Triplett zu bilden (5A), und anschließend werden zwei Tripletts miteinander verschweißt, um einen Block zu bilden, dessen Querschnitt zwei konzentrische Hexagone aufweist (5B) und der zum Hobeln auf einer Spindel montiert wird (9), um eine zylindrische äußere Oberfläche zu erzeugen und das schnelle Abhobeln einer Endlos-FOE-Membran zu ermöglichen. Analog könnte eine größere Zahl von trapezförmigen Abschnitten ausgeschnitten und auf diese Weise verschmolzen werden; zum Beispiel könnten acht Abschnitte ausgeschnitten, zwei Quadrupletts gebildet und durch Verschweißen von zwei Quadrupletts ein Block hergestellt werden, so dass ein Festkörper gebildet wird, dessen Querschnitt zwei Octagone aufweist. Alternativ können Kreisabschnitte ausgeschnitten und analog zusammengesetzt werden, wobei die Faserorientierung senkrecht zum äußeren Bogen ist (11), um einen zylindrischen Block zu bilden, dessen Querschnitt zwei konzentrische Kreise aufweist.
Es gibt viele Möglichkeiten zum Verschweißen der ausgeschnittenen Abschnitte. Die Abschnitte können durch Erwärmen in einem Ofen mit oder ohne Druck verschweißt werden. Die meisten anderen bekannten Kunststoffschweißverfahren können ebenfalls verwendet werden, einschließlich, ohne Einschränkung, Spiegelschweißen, Vibrationsschweißen und Ultraschallschweißen.
In einigen Fällen ist es bevorzugt, die herausgearbeiteten Oberflächen vor dem Schweißen zu verkappen. Das Aufsiegeln einer festen Folie 9 auf die Oberflächen (4B) schützt die Fasern und verhindert die Wanderung des Kernmaterials während des Schweißverfahrens.
Der in 11 gezeigt Kreisabschnitt besteht aus im Wesentlichen parallelen Fasern, wobei die längsten Fasern im Wesentlichen strahlenförmig orientiert sind. Diese Abschnitte (Sektoren) werden aus einer Lage verschmolzener Filamente, die auf der Garnspule in einem Ofen verschmolzen wurden, ausgestanzt, dann wie oben beschrieben flach ausgelegt. Sie könnten auch auf der Spule ausgestanzt werden, wobei eine kleine Krümmung auf den Abschnitten verbleibt, welche, falls erwünscht, geglättet werden kann, wenn alle Abschnitte unter Druck und Wärme verschmolzen werden, um den fertigen Block zu erzeugen. Zusammensetzung, Molekulargewicht und/oder Schmelzpunkt der Verkappungsfolien auf diesen Abschnitten, wie sie in 10 gezeigt sind, können variieren, je nachdem, welchen Nutzen die Auswahl im Hinblick auf die Verarbeitung zu einem Block oder das Hobeln oder das Produkt ergibt.
Die hierin beschriebenen Verfahren ermöglichen in der Praxis die Herstellung poröser Membranen oder Kapillaranordnungen mit beliebiger erwünschter Breite und Länge aus Fasern, die aufrecht stehend nebeneinander ("On End") angeordnet sind, wobei ein kontinuierliches und/oder automatisiertes Verfahren angewandt wird. Darüber hinaus können als Folge der kontinuierlichen Verarbeitung und der Reduzierung der Verarbeitungsschritte niedrigere Produktionskosten erzielt werden.
Wenn hier ein Bereich an numerischen Werten genannt ist, soll, sofern nichts anderes angegeben ist, der Bereich die Endpunkte davon und alle ganzen Zahlen und Bruchteile davon innerhalb des Bereichs umfassen. Es ist nicht beabsichtigt, dass, wenn ein Bereich angegeben ist, der Umfang der Erfindung auf spezielle Werte beschränkt ist.
Anwendungen
Zusätzliche Verarbeitungsschritte und die Endanwendungen werden zum Teil von der Beschaffenheit der ursprünglichen Fasern und von der Dicke der abgehobelten Schicht abhängen. Wenn die zur Herstellung der Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern verwendeten Fasern spezielle Eigenschaften besitzen, dann wird/werden auch die Membran oder die Kapillaren, die durch Hobeln des Materials gebildet wird/werden, spezielle Eigenschaften und einen einzigartigen Nutzen besitzen. Solche Eigenschaften können zum Beispiel eine spezielle Verteilung der Lochgrößen oder eine geometrische Anordnung verschiedener Mehrkomponentenfasern, um eine einzigartige Anordnung zu bilden, oder eine einzigartige Winkelstellung oder mehrere Winkelstellungen von Faserachsen oder ausgewählte Werte für die Leitfähigkeit oder Oberflächenenergie oder eine Oberflächenchemie oder ein optischer Index, eine Farbe oder eine Teilchendiffusion (selektive Permeation) sein. So wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Winkelstellung" den Winkel, den die Faserachsen in einem bestimmten FOE-Material mit der Senkrechten zur Oberfläche des FOE-Materials bilden. Zum Beispiel kann ein Gegenstand wenigstens zwei parallele Kapillaranordnungen enthalten, wobei die Kapillaren innerhalb einer jeden Anordnung im Wesentlichen alle in einem speziellen Winkel zur Senkrechten der Oberfläche der Anordnung angeordnet sind (d.h. die gleiche Winkelstellung besitzen), die Winkelstellung der Kapillaren in einer Anordnung unterscheidet sich jedoch von der Winkelstellung der Kapillaren in einer Anordnung unterscheidet sich von der Winkelstellung der Kapillaren in wenigstens einer anderen Anordnung.
Poröse Membranen und Kapillaranordnungen
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden poröse Membranen erzeugt. Wenn die ursprünglichen Fasern hohl sind (d.h. wenn der Kern aus Luft besteht), dann wird die Schicht oder Membran, die von einem verschmolzenen Block aus Fasern abgehobelt wird, porös sein und bei einem korrekt hergestellten Block Löcher mit einheitlicher Größe und im regelmäßigen Abstand besitzen. Wenn die ursprünglichen Fasern Bikomponentenfasern mit einem festen Kern sind, der aus einem Material hergestellt ist, das nach dem Spinnen aufgelöst werden kann, dann kann eine poröse Membran nach dem Abhobeln erzeugt werden, indem der Kern herausgelöst wird, wodurch Löchern entstehen. Ähnlich können, wenn jede Faser mehrere Kerne vom Typ "Inseln im Meer" besitzt, der eine Reihe von kleineren löslichen Faserkernen umfasst, angeordnet in einem Meer aus einem anderen Polymer, die Inseln herausgelöst werden, um Membranen mit kleineren Poren, d.h. mikroporöse Membranen, zu bilden.
Viele weitere Variationen sind möglich. Zum Beispiel könnte die ursprüngliche Faser ist Luft oder ein Feststoff, der, mit einem in der Mitte liegenden Kern, herauslösbar ist, einem inneren Mantel, der starr ist und eine spezielle Funktionalität beisteuert (z.B. Hydrophilie, Hydrophobie, Leitfähigkeit), und einem äußeren Mantel, der bei einer niedrigeren Temperatur verschmolzen werden kann als die Materialien des inneren Mantels oder des Kerns.
Als weiteres Beispiel könnte die ursprüngliche Faser eine Trikomponentenfaser sein mit einem in der Mitte liegenden Kern, der Luft oder ein herauslösbarer Feststoff ist, einem inneren Mantel, der in der Lage ist, in Gegenwart eines äußeren Reizes (z.B. Temperatur, Einwirkung von Chemikalien usw.) sein Volumen zu ändern, und einem äußeren Mantel, der bei einer niedrigeren Temperatur verschmolzen werden kann als die Materialien des inneren Mantels oder des Kerns. Eine aus solchen Fasern erzeugte Membran wäre in der Lage, ihre Porengröße und somit ihre Permeabilität zu ändern, jedes Mal wenn ein äußerer Reiz angelegt oder entfernt wird.
Als noch ein weiteres Beispiel kann ein Flächengebilde mit auf einem Ende stehenden Fasern oder eine Membran mit auf einem Ende stehenden Fasern hergestellt werden, bei dem/der die Wände der Kapillaren aktive oder reaktive chemische Reste auf der Oberfläche besitzen, wie z. B. Carbonsäuregruppen, Hydroxylgruppen, Amingruppen, Epoxidgruppen, Anhydridgruppen usw. Das Flächengebilde oder die Membran kann durch Erzeugung eines FOE-Blocks hergestellt werden, wobei eine Mehrkomponentenfaser verwendet wird, die einen in der Mitte liegenden Kern, welcher durch Auflösen entfernt werden kann, einen innersten Mantel, der die aktiven oder reaktiven chemischen Reste an der Oberfläche enthält, nachdem der in Mitte liegende Kern aufgelöst ist, und einen äußersten Mantel, der bei einer niedrigeren Temperatur verschmelzbar ist als die Materialien des innersten Mantels oder des Kerns, enthält. Alternativ könnte die Faser hohl sein und aus einem inneren Mantel mit den erwünschten Resten an der Oberfläche und einem äußeren Mantel, der bei einer niedrigeren Temperatur verschmelzbar ist als der innerste Mantel, hergestellt sein. Aus solchen Fasern erzeugte Membranen könnten zur Affinitätstrennung von Spezies verwendet werden, wenn diese durch die Kapillaren von einer oder mehreren FOE-Kapillaranordnungen fließen, wie z.B. bei den Membranchromatographieanwendungen, die von R. Ghosh in "Protein separation using membrane chromatography: opportunities and challenges," Journal of Chromatography, 952(1–2), S. 13–27, 2002, beschrieben wurden. Wie die Fachleute auf dem Gebiet der Chromatographie allgemein und der Membranchromatographie im Speziellen wissen, können die aktiven oder reaktiven chemischen Reste entlang der Kapillarwand verwendet werden, um andere reaktive Gruppen, wie z.B. Sulfonsäuregruppen, quaternäre Amingruppen, Metallionen, Enzyme, Proteine usw., anzugreifen oder zu pfropfen, welche selektiv an spezifische biologische und chemische Spezies binden werden, die gereinigt oder aus einem Verfahrensstrom entfernt werden müssen. Die Fachleute werden möglicherweise wissen, dass herkömmliche Membranen eine breite Porengrößenverteilung aufweisen. Aufgrund dieser Porengrößenschwankung wird der Fluidstrom von den größten Poren der Membran bestimmt, und kleine Poren tragen nicht viel zur Geschwindigkeit des Stroms insgesamt bei. Für Membranchromatographieanwendungen ist es wünschenswert, dass alle Poren mit aktiven Stellen zum Fluidstrom und somit zum Trennverfahren beitragen. Die bei den hierin beschriebenen FOE-Kapillaranordnungen erzielten einheitlichen Kapillarporen können einen gleichmäßigeren Fluss durch alle Poren der Membran ermöglichen und somit die Effizienz des Trennverfahrens erhöhen.
Einige Anwendungen können von einer bimodalen, trimodalen oder anderen kontrollierten Verteilung von Poren- oder Kerngrößen profitieren, wobei einige Löcher funktionalisiert sind, andere nicht. Dies kann durch Verwendung einer Mischung aus Faserdurchmessern oder Faserkomponentendurchmessern erreicht werden. Zum Beispiel können Hohlfasern mit gleichem Außendurchmesser, jedoch mit unterschiedlicher Wandstärke und somit unterschiedlicher Lochgröße, verwendet werden.
Beispiele für Anwendungen der hierin beschriebenen FOE-Membranen sind u.a., ohne Einschränkung, Filter mit definierter Größenverteilung zur Trennung von Teilchen nach Größe (zum Beispiel monodispers oder, falls Fasern mit zwei verschiedenen Durchmessern verwendet werden, bimodal), Chromatographiemembranen und adaptive Membranstrukturen, welche die Permeabilität als Reaktion auf einen Reiz ändern, und Kleidung, wie es nachstehend beschrieben ist.
Die porösen Membranen können als die lochhaltigen Komponenten adaptiver Sperrmembranstrukturen verwendet werden, wie es in den anhängigen US-Patentanmeldungen Nr. 11/118961 , 11/119484 , 60/729110 und 60/729193 beschrieben ist. Eine adaptive Membranstruktur umfasst erste und zweite Membranen mit Löchern und Mitteln, um auf einen angelegten Reiz zu reagieren, welcher die erste Membran in Kontakt mit der zweiten Membran bringt, in eine Position, in der die Löcher der ersten Membran außerhalb des Erfassungsbereichs oder im Wesentlichen außerhalb des Erfassungsbereichs der Löcher der zweiten Membran liegen, so dass dadurch die Permeabilität der Membranstruktur verändert wird. Bei einer alternativen adaptiven Membranstruktur ist die poröse Membran der vorliegenden Erfindung eine von zwei benachbarten Membranen, wobei die zweite Membran eine Reihe von hervorstehenden Elementen enthält und jedes hervorstehende Element so geformt und positioniert ist, dass es in ein Loch in der porösen Membran passt und greifen kann, wenn eine oder beide Membranen als Reaktion auf das Anlegen oder Entfernen eines Reizes aufeinander zu bewegt werden. Wenn ein hervorstehendes Element in sein entsprechendes Loch greift, tritt es in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Lochs, so dass zwischen dem hervorstehenden Element und seinem passenden Loch eine Versiegelung erzeugt wird, welche Permeationswege, Konvektion und/oder Diffusion unterbindet.
Beispiele für Gegenstände, in die adaptive Membranstrukturen in geeigneter Weise eingebaut werden können, sind u.a., ohne Beschränkung, Bekleidungsgegenstände (z.B. ein Schutzanzug, eine Schutzbedeckung, ein Hut oder eine andere Kopfbedeckung, eine Haube, eine Maske, ein Umhang, ein Mantel, eine Jacke, ein Hemd, Hosen, ein Handschuh, ein Stiefel, ein Schuh und eine Socke), eine Hülle (z.B. ein Zelt, ein Sicherheitsraum, ein Reinraum, ein Gewächshaus, eine Behausung, ein Bürogebäude oder ein Lagerbehälter) und eine Armatur zur Steuerung des Flusses von Gas, Dampf, Flüssigkeit und/oder Teilchen. Die Schutzbedeckung könnte eine Schutzbekleidung zum Schutz vor chemischen oder biologischen Einflüssen oder beidem sein, einschließlich, ohne Beschränkung, ein Overall, ein Schutzanzug, ein Mantel, eine Jacke, eine Schutzbekleidung für Spezialanwendungen, ein Handschuh, eine Socke, ein Stiefel, ein Schuh oder ein Stiefelüberzug, Hosen, eine Haube, ein Hut oder eine andere Kopfbedeckung, eine Maske und ein Hemd, ein medizinisches Bekleidungsstück, eine Operationsmaske, ein Arzt- oder Operationskittel oder ein Pantoffel.
Die Membranporen können auch chemisch funktionalisiert werden, damit besondere Eigenschaften verliehen werden, wie z.B. katalytische oder enzymatische Aktivität, Reaktivität, Adsorptionsvermögen, Hydrophilie, Hydrophobie und dergleichen.
Eine wie hierin beschrieben erzeugte poröse Membran kann auch verwendet werden, um andere anorganische, organische oder biologische Materialien entweder auf ihrer Oberfläche oder im Inneren ihrer Kapillarporen zu trägern. Diese Materialien können physikalisch geträgert oder chemisch auf die Membran gepfropft sein. Durch Einführung anderer Materialien auf der Membran oder der Innenseite ihrer Poren kann eine Verbundmembran gebildet werden, die für viele verschiedene Anwendungen verwendet werden kann, wie z.B. zur Filtration, Trennung, Reinigung, zum Schutz, zur Abtastung und zur Diagnose.
Poröse Membranen dieser Erfindung können auch als Matrizen für die Synthese oder Herstellung hochentwickelter Materialien verwendet werden. Die Kapillaren könnten die Orte für das Druckgießen oder die Replikation von Umkehrbildstrukturen sein. Die einheitlichen Kapillarporen der Membran können als winzige Reaktoren zur Synthese von Materialien, wie z.B. als Mikroröhren und Nanoröhren, verwendet werden. Diese kochentwickelten Materialien können in den Poren gelassen werden, um eine Verbundmembran zu ergeben, oder durch Auflösen der Membran in einem geeigneten Lösungsmittel gewonnen werden. Wenn die hochentwickelten Materialien bei sehr hoher Temperatur stabil sind, können sie durch Einäschern oder Verbrennen der äußeren Membran bei hoher Temperatur gewonnen werden.
Membranen mit gefüllten Poren oder Kapillaren
In einer weiteren Ausführungsform wird das hierin beschriebene Verfahren verwendet, um Membranen zu erzeugen, die gefüllte Poren oder Kapillaren enthalten. Zum Beispiel kann das Kernmaterial der verwendeten Mantel-Kern-Fasern auf Wunsch ungelöst bleiben, und das Kernmaterial könnte, abhängig von seiner Zusammensetzung, der Membran eine spezielle Funktionalität verleihen, wie z.B. Feuerbeständigkeit, antimikrobielle Aktivität, thermochrome Eigenschaften und dergleichen. Zum Beispiel könnte das Kernmaterial ein Polymer umfassen, das mit einer ausreichenden Menge an Flammschutzmittel, antimikrobiellem Mittel, Insektizid und Insektenschutzmitteln compoundiert ist, um einem Gegenstand, der diese Membran enthält, diese Eigenschaft zu verleihen. Ein paar Beispiele für Flammschutzmittel, die auf diese Weise eingearbeitet werden könnten, sind halogen- und phosphorhaltige Flammschutzmittel, einschließlich, ohne Beschränkung, Decabromdiphenyloxid, cyclische Phosphonatester, Triphenylphosphat, Poly(sulfonyldiphenylenphenylphosphonat) und Ammoniumpolyphosphat. Die Oberflächeneigenschaften können auch durch Verwendung von Kernmaterialien, die antistatische Mittel oder elektrisch leitende Materialien oder hydrophobe oder hydrophile Substanzen (z.B. Polymere oder Oligomer) enthalten, modifiziert werden.
Wenn das Material mit auf einem Ende stehenden Fasern derart gehobelt wird, dass eine dicke Schicht entsteht, können lange Kapillaren anstatt kürzerer Löcher erzeugt werden. Eine solche Kapillarmembran kann verwendet werden, um selektiv Flüssigkeiten aufzusaugen oder Fluide in gesteuerter Weise abzugeben. Eine solche Membran könnte zur gesteuerten Freisetzung von Arzneistoffen zum Beispiel in medizinischen Materialien, Vorrichtungen oder Implantaten, einschließlich, ohne Beschränkung, einer Bandage, einem Wundverband, Kathetern, Prothesen, Herzschrittmachern, Herzklappen, künstlichen Herzen, Knie- und Hüftgelenkimplantaten, Gefäßersatz, orthopädischen Vorrichtungen, Ohrkanal-Shunts, kosmetischer Implantate, implantierbarer Pumpen, Hernia-Patches und künstlicher Haut verwendet werden. Die Membran selbst könnte aus einem Material hergestellt sein, das, wenn implantiert, über längere Zeit hinweg im Körper absorbiert wird.
Eine Kapillarmembran könnte mit einer Reihe von funktionellen Materialien imprägniert werden. Die Bezeichnung "funktionelles Material", wie sie hierin verwendet wird, bedeutet eine Substanz, die in die Kapillaren der Membran gegossen wird, um erwünschte Eigenschaften zu verleihen, wie z.B., jedoch nicht beschränkt auf, Wärmeregulierung, antimikrobielle Aktivität, Feuerbeständigkeit, optische Eigenschaften, antistatische Eigenschaften und antikorrosive Eigenschaften. Das funktionelle Material könnte eine Flüssigkeit selbst sein, die durch Kapillarwirkung in die Löcher gesaugt wird oder in einer Lösung gelöst ist, wobei das Lösungsmittel verdampft wird, nachdem die Lösung die Membran imprägniert hat. Das funktionelle Material könnte auch als Teil oder als sämtliche Mantel- oder Kernkomponenten der zur Herstellung der Membran verwendeten Fasern versponnen werden.
Zum Beispiel sind Paraffinwachse Beispiele für Phasenänderungsmaterialien, die bei Wärmeregulierungsanwendungen verwendet werden. So könnte ein Paraffinwachs in Methylenchlorid gelöst und durch Aufsaugen in eine poröse Kapillarmembran eingebaut werden, wonach das Lösungsmittel verdampft werden würde, um das Paraffinwachs zurück zu lassen. Ein Gegenstand, der eine solche gefüllte Kapillarmembran enthält, würde in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur wünschenswerte Wärmeregulierungseigenschaften aufweisen. Repräsentative Beispiele für Gegenstände, die eine Kapillarmembran enthalten, welche ein Phasenänderungsmaterial beinhalten, sind u.a., ohne Beschränkung, Decken, Polster für Sitze im Haus oder im Auto, Bettzeug (wie z.B. Kissen, Kissenbezüge, Laken, Bettdecken, Bettüberzüge, Matratzen, Matratzenschoner), Tauchanzüge, Schuhwerk (wie z.B. Schuhe, Stiefel, Eislaufschuhe, Segeltuchschuhe und Pantoffeln), Zwischensohlen und Einsätze, Handschuhe und Fäustlinge, Hüte, Skimasken, Jacken, Mäntel, Parkas, Schneeanzüge, Skihosen und andere Hosen, Thermo unterwäsche und andere Unterbekleidung, Westen, Hemden, Blusen, Sweatshirts, Kleider und Topflappen.
Antimikrobielle und geruchsverhindernde Mittel können ebenfalls als funktionelle Füllstoffe in die hierin beschriebenen Materialien mit auf einem Ende stehenden Fasern eingebaut werden. Ein antimikrobielles Mittel ist ein Bakterizid, ein Fungizid (das auch eine Wirkung gegen Schimmelpilze besitzt) und/oder Antivirusmittel. Diese sind u.a. zum Beispiel Chitosan und dessen Derivate, Triclosan, Cetylpyrridiniumchlorid, Verbindungen auf Polybiguanid-Basis und die Alkyl- (insbesondere die Methyl-, Ethyl-, Propyl- und Butyl-) und Benzylester von 4-Hydroxybenzoesäure, die häufig als "Parabene" bezeichnet werden. Bei der Verwendung eines speziellen antimikrobiellen oder geruchsverhindernden funktionellen Füllstoffs mit einer speziellen Kapillarmembranstruktur wird ein Lösungsmittel notwendig sein, das den funktionellen Füllstoff auflösen wird, das jedoch die Membranstruktur unbehelligt lässt. Die antimikrobiellen und geruchsverhindernden Gegenstände der Erfindung finden Gebrauch in Anwendungen wie Kleidungsstücken, einschließlich, ohne Beschränkung, Einlagen und Zwischensohlen für Schuhwerk (wie z.B. Stiefel, Schuhe, Pantoffeln, Segeltuchschuhe), Handschuhe und Fäustlinge, Hüte, Hemden und Blusen, Oberbekleidung, Sweatshirts, Kleider, Unterbekleidung und medizinischer Gewänder; in der Gesundheitspflege, einschließlich medizinischer Tücher, antimikrobieller Wischtücher, Taschentücher und medizinischer Verpackungen.
Insektizide und Insektenschutzmittel können ebenfalls als funktionelle Füllstoffe verwendet werden. Beispiele sind u.a., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, N,N-Diethyl-m-toluamid ("DEET"); Dihydronepetalacton und Derivate davon; ätherische Öle, wie z.B. Citronellaöl, Backhousia-citriodora-Öl, Melaleuca-ericafolia-Öl, Callitrucollumellasis-(Blatt)-Öl, Callitrus-glaucophyla-Öl und Melaleuca-linarifolia-Öl; und Pyrethoid-Insektizide, wie z.B., ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Permethrin, Deltamethrin, Cyfluthrin, alpha-Cypermethrin, Etofenprox und Lambda-Cyhalthrin. Gegenstände, die ein insektizides und/oder insektenabwehrendes Material oder eine insektizide und/oder insektenabwehrende Verbindung enthalten und die aus einer gefüllten Kapillarmembranstruktur der Erfindung hergestellt sind oder diese enthalten, finden Gebrauch in Anwendungen wie z.B. Kleidungsstücken, einschließlich, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Hüten, Hauben, Hals- und Kopftüchern, Socken, Schuheinlagen, Hemden und Blusen, kurzen Hosen; Zelten, Planen und Bettzeug.
Mikrovorsprünge
Wenn die Fasern aus einem Kern bestehen oder vom "Inseln im Meer"-Typ mit einer Reihe von kleineren Faserkernen ("Inseln"), angeordnet in einem Meer aus einem anderen Polymer, sind, wobei das Meer in einem Lösungsmittel löslich ist, welches die Inseln nicht löst, dann kann das Meer geätzt werden, um eine Oberfläche zu bilden, die viele Mikrovorsprünge oder Haare besitzt. Eine solche Oberfläche kann so erzeugt werden, dass sie superhydrophobe Eigenschaften besitzt, welche zum Beispiel bei selbstreinigenden Oberflächen oder bei trockenbleibenden Materialien von Nutzen sind.
Alle obigen Beispiele besitzen einen höheren Wert und Nutzen als die Fasern selbst. Die hierin beschriebenen FOE-Materialien können neue Anwendungen finden bei der Filtration, als Schutzmembranen, Arzneistoffzufuhrmittel, selbstreinigende superhydrophobe Oberflächen und als viele andere aufregende neue Materialien.
BEISPIELE
In den folgenden Beispielen sind spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die Ausführungsformen der Erfindung, auf denen diese Beispiele beruhen, dienen lediglich zur Veranschaulichung und schränken den Umfang der angehängten Ansprüche nicht ein.
Die Bedeutung der Abkürzungen ist wie folgt: "h" bedeutet Stunde(n), "Min" bedeutet Minute(n), "m" bedeutet Meter, "cm" bedeutet Zentimeter, "mm" bedeutet Millimeter, "um" bedeutet Mikrometer, "g" bedeutet Gramm, "ml" bedeutet Milliliter, "psi" bedeutet Pounds pro Quadratzoll, "ksi" bedeutet Tausend Pounds pro Quadratzoll, "MPa" bedeutet Megapascal und "U/Min" bedeutet Umdrehungen pro Minute.

Surlyn^® ist eine eingetragene Marke von E. I. du Pont de Nemours and Company.
Elvamide^® ist eine eingetragene Marke von E. I. du Pont de Nemours and Company. Nucrel^® ist eine eingetragene Marke von E. I. du Pont de Nemours and Company.

BEISPIEL 1
Dieses Beispiel beschreibt ein Fiber-On-End-Verfahren im Labormaßstab, das verwendet wird, um mikroporöse Membranen zu erzeugen.
Mantel-Kern-Fasern wurden auf einer Endlosfaser-Spinnanlage gesponnen. Eine schematische Darstellung der Spinnanlage ist in 6 gezeigt. Das Spinnpaket wurde verwendet, um eine Mantel-Kern-Filamentstruktur zu erzeugen, wurde bereits in der US 2 936 482 und in nachfolgenden Patenten und Veröffentlichungen beschrieben. Der Mantel der Fasern wurde aus Surlyn^®-8150-Harz gebildet, welches ein Ethylen/ Methacrylsäure-Copolymer ist, bei dem die Methacrylsäuregruppen mit Natriumionen teilweise neutralisiert wurden, im Handel erhältlich von E. I. du Pont de Nemours and Company (Wilmington, Delaware, USA). Der Kern der Fasern wurde aus Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharz gebildet, ein Allzweck-Nylon-Multipolymerharz mit niedrigem Schmelzpunkt (T_m = 156°C), das ebenfalls von E. I. du Pont de Nemours and Company im Handel erhältlich ist.
Vor dem Faserspinnen wurden das Surlyn^®-8150-Harz und das Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharz 16 Stunden bei 60°C in einem Vakuumofen mit Hilfe eines trockenen Stickstoffstroms getrocknet. Die getrockneten Polymere (12 und 13) wurden in zwei getrennten, sich gemeinsam drehenden Doppelschneckenextrudern (14 und 15) geschmolzen. Der Extruder, der das geschmolzene Ionomer zuführte, wurde auf 255°C eingestellt, und derjenige, der das geschmolzene Elvamid^®-8061-Nylon-Multipolymerharz zuführte, wurde auf 200°C eingestellt. Beide Polymerschmelzenströme aus den entsprechenden Extrudern wurden in getrennte Zenith-Zahnradpumpen gespeist, welche dann die geschmolzenen Polymere dosiert an das Spinnpaket 16 abgaben. Die Geschwindigkeiten der beiden Zahnradpumpen wurden vorher so eingestellt, dass 11,2 g/Minute des Ionomers bzw. 4,8 g/Minute des Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharzes zugeführt wurden. Diese Fließgeschwindigkeiten ermöglichten es, dass der äußere Mantel in der Mantel-Kern-Faser nominal 70 Gew.-% und der Kern nominal 30 Gew.-% ausmachten. Das Spinnpaket wurde mit Hilfe des Heizblocks 17 auf 244°C erhitzt. Beide Polymerströme wurden in ihren jeweiligen Teilbereichen innerhalb des Pakets durch drei 200-Mesh-Siebe und ein 325-Mesh-Sieb filtriert. Nach der Filtration wurde das Copolyamid durch Düsen mit einem Durchmesser von 0,015'' (0,38 mm) und einer Länge von 0,030'' (0,76 mm) einem umgebenden Mantelpool aus Ionomer zudosiert, welcher so dosiert wurde, dass eine konzentrische Platzierung durch einen Versatz von 0,004'' (0,10 mm), gemessen von der flachen Metalloberfläche, welche die Kerndüsen und die Oberseite des Plateaus enthielt, erfolgte, wie es in der US 2 936 482 beschrieben ist. Mantel und Kern flossen dann eine Ansenkung mit einem Durchmesser von 0,0625'' (1,6 mm) und einer Länge von etwa 0,325'' (8,26 mm) hinab, bis sie eine Filamentformdüse mit einem Durchmesser von 0,012'' (0,30 mm) und einer Länge von 0,050'' (1,3 mm) erreichten. Insgesamt wurden 34 einzelne Mantel-Kern-Filamente an den Spinndüsenaustritten erzeugt.
Diese 34 resultierenden Filamente wurden in Umgebungsluft gekühlt (Quenchzone 18), es wurde ihnen ein Wasseroberflächenfinish (19) gegeben, und anschließend wurden sie in einer Führung etwa acht Fuß (2,4 Meter) unterhalb des Spinnpakets vereint. Das 34-Filament-Garn wurde durch ein Walzenpaar 20, das sich mit etwa 1200 Meter pro Minute drehte, von den Spinndüsen weg und durch die Führung gezogen. Von diesen Walzen wurde das Garn an einen herkömmlichen Aufwickler 21 geleitet und auf mehrere Spulen aufgewickelt. Der durchschnittliche Denier-Wert pro Filament für das Garn wurde gemessen und betrug 3,6.
Das Mantel/Kern-Garn wurde von den Spulen abgenommen und auf eine sich drehende beheizte Walze gewickelt, die auf 85°C eingestellt war. Die Drehgeschwindigkeit der Walze wurde auf etwa 58 U/Minute eingestellt. Der äußere Durchmesser der Walze wurde auf etwa 10,11'' (25,68 cm) veranschlagt. Beim Aufwickeln des Garns auf die sich drehenden Walze wurde es auch von einer oszillierenden Führung linear in Richtung parallel zur Achse des sich drehenden Zylinders verschoben. Die oszillierende Führung wurde von Mossberg Industries, Cumberland, Rhode Island, hergestellt. Die Oszillieramplitude der Führung wurde auf 5 Zoll (13 cm) eingestellt, so dass sich das Garn über eine Distanz von 5 Zoll (13 cm) auf der beheizten Walze verteilen konnte. Die lineare Geschwindigkeit der Führung wurde klein gehalten, um sicherzustellen, dass der Drehungswinkel extrem klein ist. Etwa 2800 Meter des Mantel-Kern-Garns wurden auf die beheizte Walze gewickelt. Nach dem Aufwickeln ließ man die Walze auf Raumtemperatur abkühlen. Dadurch war es möglich, dass jede Garnwicklung leicht mit ihren nächsten Nachbarn verschmolz und ein 5'' (13 cm) breites Band gebildet wurde. Dieses leicht verschmolzene Band wurde geschnitten, von der Walze genommen und flach auf einen Tisch gelegt. Das resultierende Band war 31,75'' (80,64 cm) lang, 5''(13 cm) breit und etwa 0,03'' (0,76 mm) dick. Es wog 38,24 g und bestand aus etwa 118500 Mantel-Kern-Filamenten, die alle parallel zur Längsachse des Bandes verliefen. Die Dichte des Bandes wurde auf etwa 0,49 g/cm³ veranschlagt. Die Garndichte des Bandes wurde auf 349 Garnenden/linearem Zoll veranschlagt. Insgesamt 4 Bänder wurden durch dieses Verfahren erzeugt. Durch Verwendung einer scharfen Klinge wurde jedes Band in zwei gleiche Hälften geschnitten, so dass 8 Bänder erhalten wurden, jedes mit einer Länge von 31,75'' (80,64 cm), einer Breite von 2,5'' (6,4 cm) und einer Dicke von 0,03'' (0,8 mm).
Jedes Band wurde anschließend in immer gleichen Abständen von 2,25'' (5,72 cm) auf sich selbst gefaltet, um Plisseefalten zu bilden. Das Falten erfolgte in Längsrichtung des Bandes, welche auch die Richtung der Orientierung der das Band bildenden Fasern war. Jedes gefaltete Band wurde anschließend 30 Minuten unter einem Druck von 8,5 lb (3,9 kg) in einem auf 85°C eingestellten Konvektionsofen komprimiert. Dies führte dazu, dass die Fasern in den gefalteten Bändern teilweise mit ihren Nachbarn verschmolzen. Auf jeder Platte wurden Markierungen angebracht, um die Richtung der Faserorientierung anzuzeigen. Dieses Verfahren ergab insgesamt 8 teilweise verschmolzene Platten, die eine Größe von etwa 2,5'' × 2,25'' × 0,45'' (6,4 cm × 5,72 cm × 1,14 cm) besaßen. Die so gebildeten 8 teilweise verschmolzenen Platten wurden aufeinander gestapelt, wobei sichergestellt wurde, dass die Faserorientierung in allen Platten in die gleiche Richtung zeigte. Der gesamte Stapel wurde in einem Konvektionsofen 60 Minuten auf 85°C erwärmt. Der erwärmte Plattenstapel wurde aus dem Ofen genommen und sofort zwischen zwei vorgeheizte Aluminiumplatten gelegt und dann in einer beheizten Carver-Hydraulikpresse zusammengepresst. Die Temperatur der Presse wurde auf 85°C eingestellt, und der Pressdruck betrug 15 psi (0,10 MPa). Nach 30-minütiger Kompression wurden die Heizelemente in der Hydraulikpresse abgeschaltet, und man ließ den Stapel auf Raumtemperatur abkühlen, während er noch immer unter einem Kompressionsdruck von 15 psi (0,10 MPa) stand. Durch dieses Verfahren der Kompression des Stapels aus vorkonsolidierten Platten war es möglich, diese zu verschmelzen und einen einzelnen Block mit einer Größe von 2,5'' × 2,25'' × 1,99'' (6,4 cm × 5,72 cm × 5,05 cm) und einer Dichte von 0,83 g/cm³ zu bilden. Dieser Block wurde mit Hilfe einer Bandsäge auf eine Endabmessung von 1,98'' × 1,98'' × 1,99'' (5,03 cm × 5,03 cm × 5,05 cm) gebracht. Der Block wog jetzt 105,7 g.
Dieser vorkonsolidierte Block wurde in die Höhlung einer Metallform gelegt, so dass die Richtung der orientierten Fasern in dem Block senkrecht zur vertikalen Wand der Formhöhlung lag. Die Formhöhlung war 2,0'' × 2,0'' (5,08 cm × 5,08 cm) im Quadrat, und die Höhe betrug 5'' (13 cm). Zwei Metallkolben wurden auf die offenen Enden der Formhöhlung gegeben, um den vorkonsolidierten Polymerblock dazwischen einzuzwängen. Die Form wurde zwischen eine Carver-Hydraulikpresse gegeben und ein Druck von 1000 psi (6,9 MPa) auf die Kolben gegeben. Anschließend wurde die Außenwand der Form mit Hilfe von dicht anliegenden kreisförmigen Watlow-Bandheizern, die um die Form gewickelt waren, erhitzt. Die Temperatur der Form wurde durch ein Thermoelement gemessen, das in die Formwand gesteckt wurde, und die Temperatur der Form wurde durch Temperatursteuermittel gesteuert. Nach dem Anschalten der Heizelemente dauerte es 40 Minuten, bis sich das Thermoelement bei 95°C stabilisiert hatte. Der Polymerblock wurde bei dieser Temperatur und 1000 psi (6,9 MPa) 2 Stunden gehalten, wonach die Heizelemente abgeschaltet wurden und man den Block abkühlen ließ, während er noch immer unter einem Druck von 1000 psi (6,9 MPa) gehalten wurde. Als der Block auf Raumtemperatur abgekühlt war, wurde er aus der Formhöhlung genommen. Die Abmessungen des Blocks betrugen am Ende 2,0'' × 2,0'' × 1,64'' (5,08 cm × 5,08 cm × 4,17 cm). Die Dichte des Blocks wurde auf 0,98 g/cm³ veranschlagt. Diese Dichte legt nahe, dass der Block vollständig konsolidiert war, mit nur wenigen oder keinen Hohlräumen im Block.
Dünne Folien mit unterschiedlichen Dicken wurden von dem vollständig konsolidierten Block wie in 7 gezeigt abgehobelt. Die Folien wurden auf einer Bridgeport-Senkrechtfräsmaschine abgehobelt, welche für diese spezielle Anwendung umgerüstet wurde. Eine keilförmige Wolframkarbitklinge, HB971, hergestellt von Delaware Diamond Knife, wurde als Schneidwerkzeug (22) verwendet. Die Schnittfläche lag senkrecht zur Orientierungsachse der zur Erzeugung des festen Polymerblocks verwendeten Fasern. Der Winkel zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der Klinge wurde fest auf 20 Grad eingestellt. Die Schnittgeschwindigkeit betrug 100 Zoll/Minute (254 cm/Minute). Die Klinge bewegte sich auf der Ebene der Schnittfläche in einer Richtung 45 Grad zum Werkstück (siehe 7). Dieser Winkel erzeugte sowohl Schnitt- als auch Pflugvektoren. Die Größe der abgehobelten Folie betrug 2,0'' × 1,64'' (5,08 cm × 4,17 cm). Folienproben mit drei verschiedenen Dicken wurden erhalten: 0,002'' (51 μm), 0,004'' (102 μm) und 0,006'' (152 μm).
Die abgehobelten Folienproben wurden 5–10 Minuten in konzentrierte Ameisensäure (90 Gew.-%) getaucht. Die Ameisensäure löste die Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharzphase in jeder Folie heraus und erzeugte dabei mikroporöse Membranen. Das Gewicht der Folienproben vor der Auflösung und nach der Auflösung der Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharzphase wurde gemessen. Die gravimetrische Analyse zeigte, dass die Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharzphase etwa 30 Gew.-% der Folien ausmachte. Die Dichte des Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharzes beträgt 1,07 g/cm³. Daher wurde die Porosität der Membranen auf 28% geschätzt. So erzeugte Membranproben wurden unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) analysiert. Die REM-Bilder zeigten zylindrische Poren in den Membranen (siehe 8). Die REM-Bilder zeigten auch die Abwesenheit von Nadellöchern oder anderen Fehlern in den Membranproben. Die Analyse der REM-Bilder (NIH 1,62-Bildanalysesoftware, entwickelt von National Institute of Health, Bethesda, MD) zeigte, dass die mittlere Porengröße der Membran 9,8 μm beträgt. Die mikroporösen Membranen dieses Beispiels wurden auch mit Hilfe eines Durchfluss-Kapillarporometers charakterisiert, der von Porous Materials Inc., Ithaca, NY, vertrieben wird. Die Porometerergebnisse ergaben einen mittleren Durchflussporendurchmesser von 11,4 μm.
BEISPIEL 2
Dieses Beispiel beschreibt die Bildung eines festen Blocks durch Falten und Konsolidieren eines unidirektionalen Gewebes.
Mantel-Kern-Fasern mit einem Mantel aus Surlyn^®-8150-Harz und einem Kern aus Elvamide^®-8061-Nylon-Multipolymerharz wurden wie in Beispiel 1 beschrieben gesponnen. Die Mantel-Kern-Fasern wurden zu einem unidirektionalen Gewebe mit einer Grundbindung verwebt. Das Gewebe besaß einen Count von 5 × 35,6, seine Breite betrug 18 3/16 Zoll [46,2 cm], und sein Gewicht lag bei 5,913 Unzen/Yard². Das unidirektionale Gewebe wurde in Faserrichtung zerschnitten, so dass mehrere Gewebebänder gebildet wurden, die 2,5'' (6,4 cm) breit und etwa 18'' (46 cm) lang waren. Durch Anwendung desselben Verfahrens wie in Beispiel 1 beschrieben wurde jedes Band anschließend per Hand in immer gleichen Abständen von 2,25'' (5,72 cm) auf sich selbst gefaltet, um Plisseefalten zu bilden. Das Falten erfolgte entlang der Faserrichtung. Vier solche gefalteten Bänder wurden aufeinander gestapelt und komprimiert und 30 Minuten bei 90°C unter einer Last von 8,5 Pound zusammengeheftet. Dieses Verfahren ergab eine vorkonsolidierte Platte mit einer Dichte von 0,42 g/cm³. Zehn solche vorkonsolidierten Platten wurden aufeinander gestapelt und unter einer Hydraulikpresse bei einer Temperatur von 90°C und einem angelegten Druck von 60 psi (0,41 MPa) zusammengeheftet. Der resultierende Block hatte eine Dichte von 0,95 g/cm³. Der Block wurde auf eine Abmessung von annähernd 2,0'' × 2,0'' × 2,17'' (5,1 cm × 5,1 cm × 5,51 cm) zugeschnitten und in einer Metallform (wie in Beispiel 1 beschrieben) bei einer Temperatur von 95°C und einem Druck von 1000 psi (6,9 MPa) weiter konsolidiert. Der resultierende Block besaß eine Dichte von 1,0 g/cm³ und war vollständig konsolidiert.
In den Beispielen 1 und 2 wurden teilkonsolidierte Faserbänder und ein unidirektional gewebtes Gewebe per Hand gefaltet. Das Falten und Konsolidieren kann auch kontinuierlich mit viel größeren Geschwindigkeiten unter Verwendung automatischer Maschinen erfolgen. Bei einem kommerziellen Verfahren könnte ein Endlos-Flächengebilde aus vorkonsolidiertem Faserbaum oder unidirektional gewobenem Gewebe kontinuierlich in eine Heizzone geleitet werden, in der das Flächengebilde auf eine erwünschte Temperatur erwärmt wird. Das erwärmte Flächengebilde kann dann durch eine handelsübliche Schwingmesser-Faltmaschine geführt werden, wie z.B. diejenige, die von JCEM GmbH, Schweiz, hergestellt wird. Die Maschine wird in dem Flächengebilde Falten in der erwünschten Breite erzeugen. Das gefaltete Flächengebilde könnte dann durch eine beheizte Kräuselkammer geschickt werden, wo die einzelnen Plissierfalten mit dem erwünschten Druck gegen die davor liegende Plissierfalte gedrückt wird. Die erhöhte Temperatur und der Druck in der Kräuselkammer werden das Zusam menheften ermöglichen, so dass eine feste Flächengebildestruktur gebildet wird, bei der die Fasern senkrecht zur Flächengebildeebene verlaufen und die Flächengebildedicke der Breite der Plissierfalten entspricht. Der Feststoff kann dann in erwünschte Formen geschnitten werden, welche dann bei erhöhter Temperatur und unter Druck weiter konsolidiert werden können, um hobelbare FOE-Blöcke zu bilden.
BEISPIEL 3
Falten und Konsolidieren eines unidirektionalen Gewebes an einer automatisierten Faltmaschine
Das in Beispiel 2 beschriebene unidirektionale Gewebe wurde an eine automatisierte Schwingmesser-Faltmaschine geleitet. Die Faltgeschwindigkeit wurde auf 30 Falten pro Minute eingestellt und die Faltenhöhe wurde auf 0,5'' (1,27 cm) eingestellt. Die resultierenden Falten wurden auf derselben Maschine kontinuierlich mit ihrem nächsten Nachbarn verschmolzen. Die Verschmelzungstemperatur betrug 80°C und der angelegte Druck 30 psi. Die resultierende konsolidierte Struktur war 18'' breit und 0,5'' dick.
BEISPIEL 4
Erzeugung einer Endlosmembran durch Drehhobeln verschmolzener trapezförmiger Abschnitte
Der Zusammenbau von Trapezoiden ist in den 4, 5 und 6 veranschaulicht. FOE-Blöcke wurden wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt. Die Blöcke wurden mit Hilfe herkömmlicher maschineller Bearbeitungsverfahren zu Trapezoiden gefräst. Die Blöcke wurden in einer Weise maschinell bearbeitet, welche die Fasern so orientierte, dass sie senkrecht zu den parallelen Oberflächen des Trapezoids stehen. Die schrägen Oberflächen des Trapezoids wurden in einem 60°-Winkel zu den parallelen Oberflächen gefräst. Jeder der trapezförmigen Blöcke maß an seiner längsten Seite L 2 Zoll (5 cm) (4A) und war 2'' (5 cm) dick. Sechs trapezförmige Blöcke werden für jeden kompletten Aufbau benötigt.
Jeder Block war mit einer auf die zwei schrägen Oberflächen gebundenen Verkappungsfolie ausgestattet. Das Verfahren zum Auftrag der Folie ist in 4B gezeigt. Die Verkappungsfolie 9 bestand aus 0,005'' (127 μm) dicker Surlyn^®-Harz-Folie. Eine Hydraulikpresse mit einer beheizten Bodenplatte wurde zur Bindung der Folien auf den Block verwendet. Die Bodenplatte 11 wurde auf 100°C erwärmt. Eine Lage Kapton^®-Polyimid-Folie, 0,005'' (127 μm) dick, wurde auf die Bodenplatte gelegt, um als Trennschicht 10 zu dienen. Eine Lage der Verkappungsfolie 9 wurde auf die Kapton^®-Polyimid-Folie gelegt und man ließ sie die Temperatur annehmen, was etwa 5 Sekunden dauerte.
Der trapezförmige Block wurde auf die Folie gesetzt, so dass die schräge Oberfläche mit der Folie in Kontakt war. Der Block wurde mit einer Kraft von 600 lb (2,7 Kilonewton) nach unten gegen die Folie gepresst, so dass ein Bindungsdruck von 200 psi (1,4 MPa) erzeugt wurde. Dieser Druck wurde 60 Sekunden aufrechterhalten. Dieses Verfahren wurde mit den anderen schrägen Oberflächen und für die verbliebenen 5 Trapezoide wiederholt.
Die einzelnen Trapezoide wurden anschließend mittels einer Branson-Vibrationsschweißmaschine, Modell Kiefel 240G, miteinander verschweißt. Diese Maschine besitzt eine obere Platte, die in Vertikalrichtung befestigt ist und horizontal vibriert. Die untere Platte bewegt sich vertikal, ist jedoch in Horizontalrichtung befestigt. Das Verschweißen der Trapezoide zu einem zylindrischen Block fand in zwei Schritten statt. Zunächst wurden die Trapezoide miteinander zu einem Triplett verschweißt (5A). Dann wurden zwei Tripletts miteinander verschweißt, um den fertigen Block zu bilden (5B).
Um ein Triplett zu bilden, wurden zwei Trapezoide in eine speziell entwickelte Halterung gegeben, die an die untere Platte befestigt war. Diese Halterung hielt die zwei Trapezoide fest, so dass sie sich während des Schweißverfahrens nicht bewegen konnten. Jedes Trapezoid wurde horizontal zu einer schrägen Oberfläche angeordnet, und die andere schräge Oberfläche wurde so angeordnet, dass ein drittes Trapezoid formschlüssig zwischen die zwei Trapezoide passt (5A).
Nachdem die Trapezoide fest in die Halterungen eingespannt worden waren, wurde die untere Platte angehoben und brachte die Trapezoide in Kontakt, wobei sie mit einer Kraft von 1800 lb (8,0 Kilonewton) zusammengedrückt wurden, was zu einem Bindungsdruck von 130* psi (0,90 MPa) führte. Das obere Trapezoid wurde mit 60 Hz mit einer Amplitude von 0,070'' (1,8 mm) 10* Sekunden vibriert (5A, die Vibrationsrichtung liegt senkrecht zum Blatt), so dass die drei Trapezoide jetzt zu einem Triplett verschweißt wurden. Ein zweiter Satz Trapezoide wurde durch Anwendung desselben Verfahrens zusammengeschweißt.
Anschließend wurden die Tripletts mittels der gleichen Vibrationsschweißmaschine wie zum Schweißen der Trapezoide verwendet verschweißt. Speziell entwickelte Halterungen wurden auf den oberen und unteren Platten befestigt, um die Tripletts während des Schweißens fest zu halten. Diese Halterungen hielten die Tripletts derart, dass die schrägen Oberflächen eines jeden Tripletts einander berühren würden, wenn die untere Platte angehoben wird.
Nachdem die Tripletts richtig positioniert und eingespannt worden waren, wurde die untere Platte angehoben und brachte die Tripletts miteinander in Kontakt (5B). Sie wurden mit einer Kraft von 1800 lb (8,0 Kilonewton) zusammengepresst, was zu einem Bindungsdruck von 257 psi (1,77 MPa) führte. Das obere Triplett wurde bei 60 Hz mit einer Amplitude von 0,070'' (1,8 mm) 13 Sekunden vibriert. Die Tripletts wurden dann zu einem einzigen Block 23 verschweißt, welcher aus sechs Trapezoiden bestand, jedes mit einer Faserorientierung in einer überwiegend sternförmigen Richtung.
In die Mitte des Blocks wurde ein Loch mit einem Durchmesser von 1,0'' (2,54 cm) gebohrt. Eine speziell hergestellt Spindel 24 wurde entwickelt, um den Block 23 anzutreiben, ohne eine zu hohe Kraft auf die Schweißverbindungen auszuüben. Die Spindel passte formschlüssig in das Loch mit 1,0'' Durchmesser und besaß eine Platte 25, welche an den Block geschraubt wurde, um diesen anzutreiben (9A). Die Spindel wurde in eine Standard-Metallbearbeitungsdrehbank eingespannt. Ein Hobelmesser wurde auf dem Spannschlitten der Drehbank befestigt. Das Messer hatte eine Wolframcarbidklinge, die in einem Winkel von 36° geschärft worden war. Es wurde mit einem Freiwinkel von 8° befestigt (9B). Der Block wurde mit 17 U/Minute gedreht und das Messer 0,002'' (51 μm) pro Umdrehung vorgeschoben. Dies erzeugte eine Folienenddicke von 0,002'' (51 μm).
BEISPIEL 5
Dies ist ein Beispiel für die Bildung einer Membran aus einer Hohlfaser mit innerem und äußerem Mantel, wobei der äußere Mantel thermisch zu einer Matrix verschmolzen wurde, während im inneren Mantel die hohlgeformte Pore erhalten blieb. Dies veranschaulicht auch, dass die Poren viele Querschnittsformen besitzen können. Der äußere Mantel der Faser bestand aus Nucrel^®0411HS-Ethylencopolymer, ein thermoplastisches Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer, das von DuPont hergestellt wird; und der innere Mantel bestand aus 3.14-IV-Polycaprolactam, und ihr Verhältnis betrug 40/60. Mikrophotographien der Ausgangs-Faserquerschnitte sind in 12A gezeigt.
Die Fasern wurden mit 3500 Meter/Minute als ein Zehn-Faser-Garn mit 45 Denier auf eine Spule gewickelt. Der Spinndüse wurde Polymer bei 255°C mit einer konzentrischen Mantel-Kern-Polymerkonfiguration zugeführt, welche durch eine Düsenöffnung geleitet wurde, wie es in US-Patent 5 439 626 , 6A und 4B, veranschaulicht ist. Diese Garne wurden anschließend von der Spule genommen und im Wesentlichen parallel angeordnet und in einen rechteckigen Schlitz gelegt und mit einem Stab, der in den Schlitz gelegt wurde, bei etwa 120°C und 780 psi gepresst, dann zu einem Block abgekühlt. Die Membranen wurden etwa neunzig Grad zur Faserachse abgehobelt; Mikrophotographien sind in 12B gezeigt. Die resultierende Membran war eine flexible Membran mit unelastischen Poren, deren Abmessung erhalten blieb, wenn die Membran gebogen oder gestreckt wurde.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern (Fiber-On-End-Material), umfassend der Reihe nach die Schritte: a. Anordnen einer Mehrzahl von Fasern parallel zueinander, b. kontinuierliches Verschmelzen oder Verbinden der Fasern zu einem Band oder Gewebe, während die Fasern parallel zueinander gehalten werden, c. kontinuierliches Falten oder Plissieren des Bands oder Gewebes, d. Zusammenpressen und Verschmelzen des gefalteten oder plissierten Bands oder Gewebes zu einem Festkörper und e. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem Festkörper.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hobelrichtung senkrecht zur Richtung der Fasern liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Fasern Hohlfasern umfasst und das abgehobelte Material eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Fasern Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 4, das ferner das Inkontaktbringen des abgehobelten Materials mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 4, das ferner das Inkontaktbringen der Membran mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine Membran mit Mikrovorsprüngen zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Mehrzahl von Fasern eine Mischung aus Fasern mit wenigstens zwei verschiedenen definierten Durchmessern umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei Schritt b ferner das Weben eines unidirektionalen Gewebes, welches die zur Verfügung gestellte Mehrzahl von Fasern und, in Querrichtung, Fasern, die bei einer niedrigeren Temperatur schmelzen als die zur Verfügung gestellte Mehrzahl von Fasern, umfasst, und die Zufuhr von ausreichend Wärme, um die Fasern einer zweiten Zusammensetzung zu schmelzen, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer der Schritte b und d ferner das Anwenden eines chemischen Lösungsmittels oder Bindemittels auf die Fasern umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem wenigstens einer der Schritte b und d ferner die Zufuhr von ausreichend Wärme umfasst, um die Fasern wenigstens teilweise zu verschmelzen, während ihre Geometrie im Wesentlichen beibehalten wird.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes aus aufrecht stehend nebeneinander angeordneten Fasern, umfassend der Reihe nach die Schritte: a. Anordnen einer Mehrzahl von Fasern parallel zueinander, b. Aufwickeln der Fasern auf eine sich drehenden Walze, c. Drehen der Walze eine ausreichende Zeit lang, um Fasermaterial in einer erwünschten Dicke anzusammeln, d. Erwärmen des angesammelten Fasermaterials, um dessen Fasern wenigstens teilweise miteinander zu verschmelzen, e. Abkühlenlassen des wenigstens teilweise verschmolzenen Fasermaterials auf Umgebungstemperatur, f. Schneiden des wenigstens teilweise verschmolzenen Fasermaterials, g. Entfernen des geschnittenen Materials von der abgekühlten Walze, h. Flachdrücken desselbigen, um ein Band oder eine Matte zu bilden, i. gegebenenfalls Wiederholen der Schritte a bis einschließlich h, um weitere Bänder oder Matten zu bilden, j. Bilden eines Stapels, der die Bänder oder aus einem oder mehreren Bändern oder einer oder mehreren Matten geschnittene Abschnitte umfasst, k. Zusammenpressen und Verschmelzen des Stapels zu einem Festkörper und l. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem Festkörper.
Das Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Hobelrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Faserrichtung liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Mehrzahl von Fasern Hohlfasern umfasst und das abgehobelte Material eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Mehrzahl von Fasern Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Inkontaktbringen des abgehobelten Materials mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 14, das ferner das Inkontaktbringen der Membran mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine Membran mit Mikrovorsprüngen zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Mehrzahl von Fasern gekennzeichnet ist durch eine bimodale, trimodale oder andere gesteuerte Verteilung der Faserdurchmesser oder Faserkomponentendurchmesser.
Ein Verfahren zur Herstellung von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern, umfassend der Reiche nach die Schritte: a. Bereitstellen eines geformten Blocks, umfassend verschmolzene oder teilweise verschmolzene aufrecht stehend nebeneinander angeordnete Fasern, b. Ausschneiden trapezförmiger Abschnitte aus dem Block, so dass die Fasern im Wesentlichen senkrecht zur Basis des trapezförmigen Abschnitts orientiert sind, c. Verschweißen der trapezförmigen Abschnitte, um einen Block zu bilden, der aus zwei konzentrischen Polygonen im Querschnitt besteht, d. Befestigen des in Schritt c gebildeten Blocks auf einer Spindel, e. kontinuierliches Drehen des Blocks und f. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem sich kontinuierlich drehenden Block.
Das Verfahren nach Anspruch 18, das ferner die Wiederholung der Schritte b und c, um wenigstens einen zusätzlichen Block zu bilden, das Stapeln der Blöcke übereinander und das Verschmelzen der Blöcke, um einen einzigen Block zu bilden, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die in Schritt b ausgeschnittenen trapezförmigen Abschnitte vor Schritt c mit einer Polymerfolie verkappt werden.
Das Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Mehrzahl von Fasern Hohlfasern umfasst und das abgehobelte Material eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Mehrzahl von Fasern Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 22, das ferner das Inkontaktbringen des abgehobelten Materials mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine poröse Membran oder Kapillaranordnung zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 23, das ferner das Inkontaktbringen der Membran mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine Membran mit Mikrovorsprüngen zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Mehrzahl von Fasern eine Mischung aus Fasern mit wenigstens zwei verschiedenen definierten Durchmessern umfasst.
Ein Verfahren zur Herstellung von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern, umfassend der Reihe nach die Schritte: a. Bereitstellen eines geformten Blocks, umfassend verschmolzene oder teilweise verschmolzene aufrecht stehend nebeneinander angeordnete Fasern, b. Ausschneiden von Kreisabschnitten aus dem Block, so dass die Fasern im Wesentlichen senkrecht zum äußeren Bogen des Kreisabschnitts orientiert sind, c. Verschweißen der Kreisabschnitte, um einen zylindrischen Block zu bilden, der aus zwei konzentrischen Kreisen im Querschnitt besteht, d. Befestigen des in Schritt c gebildeten Blocks auf einer Spindel, e. kontinuierliches Drehen des Blocks und f. Abhobeln von Material mit auf einem Ende stehenden Fasern mit einer erwünschten Dicke von dem sich kontinuierlich drehenden Block.
Das Verfahren nach Anspruch 26, das ferner die Wiederholung der Schritte b und c, um wenigstens einen zusätzlichen Block zu bilden, das Stapeln der Blöcke übereinander und das Verschmelzen der Blöcke, um einen einzigen Block zu bilden, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die in Schritt b ausgeschnittenen Kreisabschnitte vor Schritt c mit einer Polymerfolie verkappt werden.
Das Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Mehrzahl von Fasern Hohlfasern umfasst und das abgehobelte Material eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Mehrzahl von Fasern Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 30, das ferner das Inkontaktbringen des abgehobelten Materials mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 31, das ferner das Inkontaktbringen der Membran mit einem Lösungsmittel, welches eine Komponente der Mantel-Kern- oder "Inseln im Meer"-Fasern auflösen wird, umfasst, um eine Membran mit Mikrovorsprüngen zu erzeugen.
Das Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Mehrzahl von Fasern eine Mischung aus Fasern mit wenigstens zwei verschiedenen definierten Durchmessern umfasst.
Ein Material mit auf einem Ende stehenden Fasern, hergestellt durch Abhobeln von Material mit einer erwünschten Dicke von einem Block, umfassend eine Mehrzahl von Fasern, die parallel zueinander angeordnet und miteinander verschmolzen sind, wobei wenigstens ein Schritt bei der Herstellung oder dem Hobeln des Blocks in kontinuierlicher Weise durchgeführt wird und das abgehobelte Material gegebenenfalls mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird, um eine Komponente der Fasern zu lösen.
Das Material mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 34, das eine poröse Membran oder eine Kapillaranordnung ist.
Das Material mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 34, das eine Membran mit Mikrovorsprüngen ist.
Das Material mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 34, bei dem die Mehrzahl von Fasern eine Mischung aus Fasern mit wenigstens zwei verschiedenen definierten Durchmessern umfasst.
Das Material mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 34, wobei die Mehrzahl von Fasern Trikomponentenfasern umfasst, welche einen in der Mitte liegenden Kern, der Luft oder ein herauslösbarer Feststoff ist, einen inneren Mantel, der starr ist und eine spezielle Funktionalität beisteuert, und einen äußeren Mantel, der bei einer niedrigeren Temperatur verschmolzen werden kann als der innere Mantel oder die Kernmaterialien, enthalten.
Das Material mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 34, wobei die Mehrzahl von Fasern Trikomponentenfasern umfasst, welche einen in der Mitte liegenden Kern, der Luft oder ein herauslösbarer Feststoff ist, einen inneren Mantel, der in Gegenwart eines äußeren Reizes das Volumen ändert, und einen äußeren Mantel, der bei einer niedrigeren Temperatur verschmolzen werden kann als der innere Mantel oder die Kernmaterialien, enthalten.
Ein Fertigungsprodukt, umfassend das Material mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 1.
Das Fertigungsprodukt nach Anspruch 40, das eine adaptive Membranstruktur ist.
Das Fertigungsprodukt nach Anspruch 40, das ein Bekleidungsgegenstand oder eine Schutzbedeckung ist.
Der Bekleidungsgegenstand oder die Schutzbedeckung nach Anspruch 42, wobei der Bekleidungsgegenstand oder die Schutzbedeckung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehen aus einem Anzug, einem Hut, einer Haube, einer Maske, einem Umhang, einem Mantel, einer Jacke, einem Hemd, Beinkleider, Hosen, einem Handschuh, einem Stiefel, einem Schuh, einem Schuh- oder Stiefelüberzug, einer Socke, Regenbekleidung, Skihosen, einer Schutzhülle, einem Schutzoverall, einem Schutzanzug, einem Schutzmantel, einer Schutzjacke, einer Schutzbekleidung zur Spezialanwendung, einem Schutzhandschuh, einer Schutzsocke, einem Schutzstiefel, einem Schuh- oder ein Stiefelschutzüberzug, Schutzhosen, einer Schutzhaube, einem schützenden Hut oder einer anderen schützenden Kopfbedeckung, einer Schutzmaske und einem Schutzhemd, einem medizinisches Bekleidungsstück, einer Operationsmaske, einem Arzt- oder Operationskittel oder einem Pantoffel.
Die Schutzbedeckung nach Anspruch 43, die eine Schutzbekleidung oder eine Schutzhülle zum chemischen Schutz, biologischen Schutz oder für beides ist.
Die Schutzbedeckung nach Anspruch 44, die eine Schutzhülle ist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Zelt, einem Sicherheitsraum, einem Reinraum, einem Gewächshaus, einer Unterkunft, einem Bürogebäude oder einem Lagerbehälter.
Das Fertigungsprodukt nach Anspruch 40, das ein Filter oder ein Ventil zur Steuerung des Gas-, Dampf-, Flüssigkeits- und/oder Teilchenstroms ist.
Das Fertigungsprodukt nach Anspruch 40, das eine Apparatur zur Membranchromatographie ist.
Das Fertigungsprodukt nach Anspruch 40, das ein Sensor oder eine Diagnosevorrichtung ist.
Die poröse Membran oder Kapillaranordnung nach Anspruch 35, die Poren umfasst, welche ein funktionelles Material enthalten.
Die poröse Membran oder Kapillaranordnung nach Anspruch 49, wobei das funktionelle Material ein Flammschutzmittel, ein Insektizid oder ein Insektenschutzmittel, ein Phasenänderungsmaterial, ein antimikrobielles oder geruchsverhinderndes Mittel, ein Antistatikum, elektrisch leitende Materialien, eine hydrophobe Substanz, eine hydrophile Substanz oder ein Arzneistoff ist.
Ein Fertigungsprodukt, umfassend die Membran oder Kapillaranordnung mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 49, wobei das funktionelle Material ein Arzneistoff ist und das Produkt ein medizinisches Material, eine medizinische Vorrichtung oder ein medizinisches Implantat ist.
Die Membran oder Kapillaranordnung mit auf einem Ende stehenden Fasern nach Anspruch 35, die ferner aktive oder reaktive chemische Reste entlang den Kapillarwänden enthält.
Ein Verfahren zur Affinitätstrennung von Spezies in einem Fluid, umfassend das Durchfließenlassen des Fluids durch die Kapillaren von wenigstens einer Kapillaranordnung mit auf einem Ende stehenden Fasern gemäß Anspruch 35, die aktive oder reaktive chemische Reste entlang den Kapillarwänden enthält, welche selektiv an spezifische biologische und chemische Spezies binden, die gereinigt oder aus dem Fluid entfernt werden müssen.
Ein Gegenstand, der wenigstens zwei parallele Kapillaranordnungen gemäß Anspruch 35 umfasst, wobei die Kapillaren innerhalb einer jeden Anordnung im Wesentlichen die gleiche Winkelstellung besitzen und die Winkelstellung der Kapillaren in einer Anordnung sich von der Winkelstellung der Kapillaren in wenigstens einer anderen Anordnung unterscheidet.