DE102012103739A1

DE102012103739A1 - Oleophobe Membranstrukturen mit einer prorösen polymeren Beschichtung

Info

Publication number: DE102012103739A1
Application number: DE102012103739A
Authority: DE
Inventors: YitHong Tee
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: BHA Altair LLC
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-05-02
Also published as: KR20130048133A; CA2775209A1; CN103085348A; US20130108845A1; JP2013095135A; GB201207142D0; GB2496224A

Abstract

Es ist eine Membranstruktur 12 geschaffen. Die Membranstruktur beinhaltet eine luftdurchlässige hydrophobe Membran 16, die eine erste Seite 17 und eine entgegengesetzte zweite Seite 18 aufweist. Auf die Membran 16 ist eine oleophobe konforme Beschichtung 28 aufgebracht. Außerdem ist auf die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran eine poröse polymere Beschichtung 29 aufgebracht. Auf die poröse polymere Beschichtung ist eine gemusterte Schicht 40 von Partikeln aufgebracht.

Description

HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
Das Gebiet der Erfindung betrifft allgemein zusammengesetzte Membranstrukturen und im Besonderen zusammengesetzte poröse Membranen mit oleophoben Eigenschaften und einer auf sie aufgebrachten porösen polymeren Beschichtung.
Es ist bekannt, dass eine poröse Membran wenigstens eine Eigenschaft haben kann, die durch das Material begrenzt ist, aus dem die Membran hergestellt ist. Beispielsweise weist eine poröse Membran, die aus einem expandierten Polytetrafluorethylen-(ePTFE)-Material hergestellt ist, das zur Verwendung in Artikeln wie z.B. Kleidungsstücken, Bekleidungsartikeln, Zeltwänden, Schlafsäcken und Verpackung, aber nicht darauf begrenzt, vorgesehen ist, eine ausgezeichnete Hydrophobiezität auf. Von daher gilt die ePTFE-Membran als bei einem relativ niedrigen Angriffsdruck wasserdicht. Aufgrund ihrer Porosität neigt dieselbe ePTFE-Membran aber dazu, Öl zu absorbieren. Die Absorption von Öl könnte die Hydrophobiezität in Bereichen der Membran, die das Öl absorbiert haben, bis zu einem Grad beeinträchtigen, so dass Teile der Membran nicht länger als wasserdicht gelten können.
Eine bekannte Methode zum Schutz einer ePTFE-Membran vor Verunreinigung durch Öl ist durch Koppeln eines kontinuierlichen hydrophilen Films mit der ePTFE-Membran, um eine Seite der ePTFE-Membran vor Öl zu schützen. Diese Struktur ist aber nicht luftdurchlässig, und der hydrophile Film muss Feuchtigkeit enthalten, damit die Feuchtigkeit durch die Membran geleitet werden kann. Die in dem hydrophilen Film vorhandene Feuchtigkeit verursacht, dass das Kleidungsstück schwerer wird. Eine Person, die ein Kleidungsstück trägt, das eine Membran mit dem hydrophilen Film trägt, kann sich unbehaglich fühlen, wenn der hydrophile Film mit dem Körper des Trägers in Kontakt kommt oder Feuchtigkeit gegen ihn einschließt, besonders in kühlen Umgebungen. Derartige Unbehaglichkeit wurde von Trägern als ein „nasses und klammes” Gefühl beschrieben. Eine derartige Unbehaglichkeit kann durch einen Mangel an sich durch das Kleidungsstück bewegender Luft oder Dampf, die dazu dienen könnten, die Feuchtigkeit vom Inneren des Kleidungsstücks weg zu transportieren, weiter verschlimmert werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform ist eine Membranstruktur geschaffen. Die Membranstruktur beinhaltet eine luftdurchlässige hydrophobe Membran, die eine erste Seite und eine entgegengesetzte zweite Seite hat. Auf die Membran ist eine oleophobe konforme Beschichtung aufgebracht. Des Weiteren ist auf die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran eine poröse polymere Beschichtung aufgebracht. Auf die poröse polymere Beschichtung ist eine gemusterte Schicht von Partikeln aufgebracht.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein Artikel geschaffen. Der Artikel beinhaltet eine erste Schicht und eine zweite Schicht. Die erste Schicht beinhaltet ein Flächengebilde bzw. einen Stoff und die zweite Schicht beinhaltet eine luftdurchlässige hydrophobe Membran, die eine erste Seite und eine entgegengesetzte zweite Seite hat. Über der Membran ist eine oleophobe konforme Beschichtung aufgebracht. Auf die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran ist eine oleophobe konforme Beschichtung aufgebracht. Auf die poröse polymere Beschichtung ist eine gemusterte Schicht von Partikeln aufgebracht.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung einer Membranstruktur geschaffen. Eine luftdurchlässige hydrophobe Membran, die eine erste Seite und eine entgegengesetzte zweite Seite hat, wird bereitgestellt. Die Membran wird mit einer oleophoben konformen Beschichtung beschichtet, um der Membran oleophobe Eigenschaften zu verleihen. Die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran wird/werden mit einer porösen polymeren Beschichtung beschichtet. Auf die poröse polymere Beschichtung wird eine gemusterte Schicht von Partikeln aufgebracht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines Teils einer beispielhaften Membranstruktur,
2 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der in 1 gezeigten Membranstruktur und entlang des Bereichs 2 entnommen,
3 ist eine vergrößerte Ansicht einer beispielhaften diskontinuierlichen gemusterten Schicht, die auf die in 2 gezeigte Membranstruktur aufgebracht ist,
4 ist eine auseinandergezogene Querschnittansicht der in 2 gezeigten Membranstruktur und entlang des Bereichs 4 entnommen,
5 ist eine vergrößerte Endansicht der in 4 gezeigten Membranstruktur und
6 ist ein Ablaufplan eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung der in 4 gezeigten Membranstruktur.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sehen eine Membranstruktur vor, die bei Artikeln, wie z.B. Kleidungsstücken, Bekleidungsartikeln, Zeltwänden, Schlafsäcken und Verpackung, aber nicht darauf begrenzt, verwendet werden kann, wobei die Membranstruktur vor Verunreinigung durch Öl geschützt und gleichzeitig luftdurchlässig und wasserdicht ist. Speziell weisen die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine Membranstruktur auf, die eine luftdurchlässige hydrophobe Membran mit einer ersten Seite und einer entgegengesetzten zweiten Seite beinhaltet. Über der Membran ist eine oleophobe konforme Beschichtung aufgebracht. Auf die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran ist eine poröse polymere Beschichtung aufgebracht. Auf die poröse polymere Beschichtung ist eine gemusterte Schicht von Partikeln aufgebracht. Dementsprechend ist die Membranstruktur derart behandelt, dass sie verschiedene erwünschte Funktionalitäten hat, so dass sie z.B. luftdurchlässig, wasserdicht, atmungsfähig und oleophob ist. Eine derartige Behandlung ermöglicht es auch, dass die Membranstruktur (eine) verbesserte mechanische Stabilität, Abriebbeständigkeit, Fähigkeit zur Oberflächenabsorption chemischer Stoffe, antistatische Eigenschaften, antimikrobielle Eigenschaften, Bioverträglichkeit und Foulingbeständigkeit aufweist.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer zusammengesetzten Membranstruktur bzw. Kompositmembranstruktur 12, die in Artikeln, wie z.B. Kleidungsstücken, Bekleidungsartikeln, Zeltwänden, Schlafsäcken und Verpackung, aber nicht darauf begrenzt, verwendet werden kann. Die zusammengesetzte Membranstruktur 12 ermöglicht den Wasserdampfdurchgang und ist windabweisend, wasserdicht und luftdurchlässig. Die zusammengesetzte Membranstruktur 12 hat auch (eine) verbesserte mechanische Stabilität, Abriebbeständigkeit, Fähigkeit zur Oberflächenabsorption chemischer Stoffe, antistatische Eigenschaften, antimikrobielle Eigenschaften, Bioverträglichkeit und Foulingbeständigkeit. Die zusammengesetzte Membranstruktur 12 ist zum Beispiel hydrophob, oleophob und bietet Schutz vor verunreinigenden Mitteln, wie z.B. Öl enthaltenden Körperfluiden in Form von Schweiß.
In der beispielhaften Ausführungsform wird der Begriff “Wasserdampfdurchgang” dazu verwendet, den Durchgang von Wasserdampf durch eine Struktur, wie z.B. die zusammengesetzte Membranstruktur 12, zu beschreiben. Der Begriff „wasserdicht“ wird benutzt, um zu beschreiben, dass eine zusammengesetzte Membranstruktur 12 von einer Angriffsflüssigkeit, wie z.B. Wasser, nicht „benetzt“ oder „durchnässt“ wird, und verhindert das Durchdringen einer Angriffsflüssigkeit durch die zusammengesetzte Membranstruktur 12. Der Begriff „windabweisend“ wird dazu verwendet, die Fähigkeit der zusammengesetzten Membranstruktur 12, eine Luftdurchdringung über mehr als etwa drei Kubikfuß pro Minute (CFM) pro Quadratfuß bei einem Differenzdruckgefälle von etwa 0,5 Zoll Wasser im Wesentlichen zu verhindern, wobei diese Struktur 12 aber eine gewisse Luftdurchlässigkeit hat, die das Verbessern eines Komfortniveaus für jemanden ermöglicht, der den laminierten Stoff trägt. Der Begriff „luftdurchlässig“ wird verwendet, um die Fähigkeit der zusammengesetzten Membranstruktur 12, eine relativ kleine Menge, z.B. weniger als etwa drei CFM pro Quadratfuß, Luft durch sie hindurch zu lassen, zu beschreiben. Der Begriff „oleophob“ dient zum Beschreiben eines Materials, das gegen Verunreinigung aufgrund von Absorbtion von Ölen, Fetten, Seife, Detergens oder Körperfluiden, wie z.B. Schweiß, beständig ist.
Die zusammengesetzte Membranstruktur 12 beinhaltet eine unbehandelte oder unmodifizierte hydrophobe Membran 16, die eine erste Seite 17 und eine entgegengesetzte zweite Seite 18 hat. Die Membran 16 ist porös und vorzugsweise mikroporös mit einer dreidimensionalen Matrix- oder gitterartigen Struktur mit einer Vielzahl von Knoten 22, die durch eine Vielzahl von Fibrillen 24 miteinander verbunden sind. Die Membran 15 ist aus einem beliebigen geeigneten Material, wie z.B. expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) oder einem PTFE-Stoff, aber nicht darauf begrenzt, hergestellt. In einer Ausführungsform wurde das ePTEFE wenigstens teilweise gesintert. Im Allgemeinen liegt die Größe einer Fibrille 24, die wenigstens teilweise gesintert wurde, im Bereich von etwa 0,05 Mikrometer bis etwa 0,5 Mikrometer im Durchmesser, gemessen in einer Richtung senkrecht zum Längsverlauf der Fibrille 24.
Die Oberflächen der Knoten 22 und der Fibrillen 24 definieren zahlreiche Verbindungsporen 26, die zwischen den entgegengesetzten Seiten 17 und 18 der Membran 16 in einem gewundenen Weg vollständig durch die Membran 16 hindurch verlaufen. In einer Ausführungsform reicht die durchschnittliche Größe S der Poren 26 in der Membran 16 aus, um als mikroporös zu gelten, wobei aber jede beliebige Porengröße verwendet werden kann. In einer beispielhaften Ausführungsform beträgt eine geeignete durchschnittliche Größe S für die Poren 26 in der Membran 16 etwa 0,01 Mikrometer bis etwa 10 Mikrometer. In einer weiteren Ausführungsform beträgt die durchschnittliche Größe S von Poren 26 zwischen etwa 0,1 Mikrometer bis etwa 5,0 Mikrometer.
In einer Ausführungsform wird die Membran 16 durch Extrudieren eines Gemischs von feinpulvrigen Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Partikeln (erhältlich bei DuPont unter dem Namen TEFLON^® feinpulvriges Harz) und Schmierstoffen hergestellt. Das Extrudat wird dann kalandriert. Das kalandrierte Extrudat wird dann in wenigstens einer und vorzugsweise in wenigstens zwei Richtungen „expandiert“ oder gedehnt, um die Fibrillen 24 zu bilden, die die Knoten 22 in einer dreidimensionalen Matrix- oder Gittertypstruktur verbinden. Der Begriff „expandiert“ soll weit genug über die Elastizitätsgrenze des Materials gedehnt, um den Fibrillen 24 eine bleibende Dehnung oder Längung zu verleihen, bedeuten. In einer Ausführungsform wird die Membran 16 erhitzt oder „gesintert“, um eine Restspannung in dem ePTFE-Material zu reduzieren und zu minimieren. In anderen Ausführungsformen ist die Membran 16 aber ungesintert oder teilweise gesintert, wie dies für die erwogene Verwendung der Membran 16 angemessen ist.
Zum Bilden einer geeigneten Membran 16, die eine offenporige Struktur hat, können auch andere Materialien und Herstellungsverfahren verwendet werden. Beispielsweise zählen zu anderen geeigneten Materialien Polyolefin, Polyamid, Polyester, Polysulfon, Polyether, Acryl- und Methacrylpolymere, Polystyrol, Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen, cellulosisches Polymer und Kombinationen davon. Weitere geeignete Fertigungsverfahren zur Herstellung einer porösen Membran beinhalten Verschäumen, Spalten oder Gießen geeigneter Materialien.
Es ist bekannt, dass ePTFE zwar ausgezeichnete hydrophobe Eigenschaften hat, aber nicht oleophil ist. Das heißt, das zur Herstellung der Membran 16 verwendete ePTFE ist dafür anfällig, durch Absorbieren von Öl verunreinigt zu werden. Wenn Öl absorbiert wird, gelten die mit Öl verunreinigten Regionen der Membran 16 als „verschmutzt”, weil die Poren 26 von einer angreifenden Flüssigkeit, wie z.B. Wasser, leicht benetzt werden können, und die Membran 16 wird nicht länger als wasserdicht betrachtet. Die Beständigkeit einer Membran 16, die verschmutzt wurde, gegen das Eindringen von Flüssigkeit kann verloren sein, wenn ein angreifendes Fluid oder eine angreifende Flüssigkeit die Membran „benetzen“ kann. Die Membran 16 ist normalerweise hydrophob, verliert ihre Beständigkeit gegen das Eindringen von Flüssigkeit aber, wenn eine angreifende Flüssigkeit eine Hauptseite der Membran 16 anfänglich berührt und benetzt und anschließend die Oberflächen, die die Poren 26 in der Membran 16 definieren, berührt und benetzt. Allmählich zunehmendes Benetzen der die Verbindungsporen 26 definierenden Oberflächen findet statt, bis die gegenüberliegende Hauptseite der Membran 16 durch die benetzende oder angreifende Flüssigkeit erreicht wird. Wenn die angreifende Flüssigkeit die Membran 16 nicht benetzen kann, wird die Beständigkeit gegen das Eindringen von Flüssigkeit beibehalten.
2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der zusammengesetzten Membranstruktur 12, entlang des Bereichs 2 (in 1 gezeigt) entnommen. In dem Ausführungsbeispiel sind jeweils eine erste Beschichtungsschicht 28 und eine zweite Beschichtungsschicht 29 auf der Membran 16 ausgebildet. Die erste Beschichtungsschicht 28 ist eine oleophobe konforme Beschichtung, die oleophobe und hydrophobe Eigenschaften der Membran 16 verbessern kann, ohne die Luftdurchlässigkeit der Membran 16 zu beeinträchtigen. Zum Beispiel kann die Beschichtungsschicht 28 die Oberflächenenergie der Membran 16 reduzieren, um eine Verringerung der Fähigkeit von Ölen und öligen Verunreinigungen, die Membran 16 zu benetzen und in die Poren 26 einzudringen, zu ermöglichen. Die Beschichtungsschicht 28 kann auch den Kontaktwinkel für Öle und/oder ölige Verunreinigungen relativ zur Membran 16 vergrößern. Die Beschichtungsschicht 28 beinhaltet miteinander verbundene oleophobe Fluorpolymerfeststoffe.
Die Beschichtungsschicht 28 kann zwar andere Fluorpolymermaterialien beinhalten, in einigen Ausführungsformen ist die Beschichtungsschicht 28 aber aus einer Beschichtungszusammensetzung hergestellt, die ein Fluorpolymer aufweist, das ein Polymer auf Acrylbasis mit Fluorkohlenstoff-Seitenketten hat. Es wurde festgestellt, dass die Seitenketten eine relativ niedrige Oberflächenspannung haben, so dass es daher erwünscht ist, diese von der Membran 16 weg verlaufen zu lassen. Zum Beispiel liegt das in der Beschichtungsschicht 28 verwendete oleophobe Fluorpolymer in einigen Ausführungsformen in Form einer stabilisierten wassermischbaren Dispersion aus Perfluor-Alkyl-Methacryl-Copolymer- und/oder Perfluor-Alkyl-Acryl-Copolymerfeststoffen, wie z.B. Dispersionen auf Wasserbasis von Zonyl^® 8195, 7040, 8412 und/oder 8300, erhältlich bei E.I. DuPont de Nemours and Company, Wilmington, Delaware, aber nicht darauf begrenzt, vor. Zu anderen geeigneten Fluorpolymeren zählen ein fluoriertes Acrylat, ein fluoriertes Methacrylat, ein fluoriertes n-Alkyl-Acrylat und ein fluoriertes n-Alkyl-Methacrylat, ohne darauf beschränkt zu sein. In einigen Ausführungsformen kann das oleophobe Fluorpolymer auch relativ kleine Mengen Aceton und Ethylenglykol oder andere wassermischbare Lösungsmittel und Tenside aufweisen, die in der Polymerisationsreaktion verwendet wurden.
Die Beschichtungszusammensetzung, die die Beschichtungsschicht 28 bildet, beinhaltet in einer Ausführungsform eine Menge des oleophoben Fluorpolymers im Bereich von etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% auf der Basis eines Gesamtgewichts der Beschichtungszusammensetzung. In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet die Beschichtungszusammensetzung ein oleophobes Fluorpolymer im Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 1,5 Gew.-%. Die Beschichtungszusammensetzung kann zwar andere Mengen eines anderen Lösungsmittels als Wasser beinhalten, in einigen Ausführungsformen beinhaltet die Beschichtungszusammensetzung, die die Beschichtungsschicht 28 bildet, eine Menge eines anderen Lösungsmittels als Wasser im Bereich von etwa 40 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%. Zum Beispiel beinhaltet die Beschichtungszusammensetzung in einigen Ausführungsformen eine Menge eines anderen Lösungsmittels als Wasser im Bereich von etwa 50 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-%. Die Beschichtungszusammensetzung kann zwar andere Mengen eines Stabilisierungsmittels beinhalten, in einigen Ausführungsformen beinhaltet die Beschichtungszusammensetzung, die die Beschichtungsschicht 28 bildet, aber eine Stabilisierungsmittelmenge im Bereich von etwa 5 Gew.-% bis 50 Gew.-%. Zum Beispiel beinhaltet die Beschichtungszusammensetzung in einigen Ausführungsformen eine Stabilisierungsmittelmenge im Bereich von etwa 15 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-%.
Die Beschichtungszusammensetzung, die die Beschichtungsschicht 28 bildet, hat eine Oberflächenspannung und einen relativen Kontaktwinkel, welche die Beschichtungszusammensetzung befähigen, die Poren 26 in der Membran 16 zu benetzen, so dass die Poren 26 mit den oleophoben Fluorpolymerfeststoffen in der Beschichtungszusammensetzung beschichtet werden. In einigen Ausführungsformen wird die Membran 16 aber mit einer Lösung benetzt, die ein Lösungsmittel enthält, bevor die Beschichtungszusammensetzung auf die Membran 16 aufgebracht wird. In derartigen Ausführungsformen passiert die Beschichtungszusammensetzung durch die Membranporen 26 und „durchnässt” Oberflächen der Membran 16. In einigen Ausführungsformen wird ein Stabilisierungsmittel und/oder ein Lösungsmittel zum Verdünnen einer Dispersion von oleophoben Fluorpolymerfeststoffen auf einen vorbestimmten Feststoffgehalt verwendet. Es kann erwünscht sein, ein Verhältnis des Stabilisierungsmittels zum Lösungsmittel zu erhöhen, um die Stabilität der Beschichtungszusammensetzung zu erhöhen. Es muss aber genug Lösungsmittel vorhanden sein, um das Benetzen der Membran 16 und das Fließen der Beschichtungszusammensetzung in die Membranporen 26 sicherzustellen.
Die Beschichtungszusammensetzung wird so auf die Membran 16 aufgebracht, dass im Wesentlichen alle Oberflächen der Knoten 22 und der Fibrillen 24 wenigstens teilweise benetzt werden, und so, dass die Membranporen 26 nicht verstopft werden. Die Beschichtungszusammensetzung haftet an und passt sich an die Oberflächen der Knoten 22 und der Fibrillen 24 an, welche die Membranporen 26 definieren. Es ist nicht notwendig, dass die Beschichtungszusammensetzung die gesamte Oberfläche eines Knotens 22 oder einer Fibrille 24 vollständig ummantelt oder kontinuierlich ist, um die Oleophobie der Membran zu erhöhen. Die Beschichtungszusammensetzung wird dann durch Erhitzen der Membran 16 aushärten gelassen, so dass das oleophobe Fluorpolymer fließt und verschmilzt und dass die Stabilisierungsmittel und Lösungsmittel entfernt werden. Während der Wärmeanwendung lässt die thermische Beweglichkeit des oleophoben Fluorpolymers das Fluorpolymer beweglich sein und um die Oberflächen der Knoten 22 und Fibrillen 24 herum fließen, an denen angreifen und haften und daher zusammenfließen, um die Beschichtungsschicht 28 zu bilden. Bei der relativ erhöhten Temperatur lässt die Beweglichkeit des oleophoben Fluorpolymers auch zu, dass sich die Fluorkohlenstoff-Seitenketten ausrichten, so dass sie in einer Richtung von der Oberfläche der Knoten 22 und Fibrillen 24 weg verlaufen.
Die Beschichtung 28 haftet an den Oberflächen der Knoten 22 und Fibrillen 24, welche die Poren 26 in der Membran 16 definieren, und passt sich an sie an. Die Beschichtung 28 ermöglicht eine Verbesserung oder Modifikation der Oleophobiezität des Materials der Membran 16 zur Beständigkeit gegen Verunreinigung durch die Absorption von verunreinigenden Stoffen, wie Ölen, Körperölen in Schweiß, fettigen Substanzen, Seife, detergensartigen Tensiden und anderen verunreinigenden Mitteln. Auch bleibt die zusammengesetzte Membranstruktur 12 dauerhaft beständig gegen das Eindringen von Flüssigkeit, wenn sie Reiben, Berührung, Falten, Biegen, scheuerndem Kontakt oder Waschen ausgesetzt wird.
Im Ausführungsbeispiel ist die zweite Beschichtung 29 eine poröse polymere Beschichtung, die auf die erste Seite 17 der Membran 16 aufgetragen wird, nachdem die Membran 16 mit der Beschichtung 28 behandelt worden ist. Alternativ kann die zweite Beschichtung 29 auf die zweite Seite 18 und/oder die erste Seite 17 aufgetragen werden. Die Beschichtung 29 kann ein poröses Polyurethan sein, wie z.B. ein Polyurethan, das an den Seiten 17 und/oder 18 haften kann. Beispielsweise erleichtert der Einschluss polarer Gruppen in die Beschichtung 29 das Anhaften der Beschichtung 29 auf den Seiten 17 und/oder 18. Zu einigen Typen geeigneter polarer Gruppen für diesen Zweck können Carbonsäuren, Amin, Ester, Amid, Hydroxyl, Urethan, Harnstoff und/oder Harnstoffgruppen zählen. Alternativ kann auch eine nichtpolare (z.B. Kohlenwasserstoff- oder Fluorkohlenwasserstoff-)Polymerbeschichtung verwendet werden.
Die Beschichtung 29 kann auch ein Vinylpolymer beinhalten. Beispielhafte Typen von Vinylmonomereinheiten, aus denen das Vinylpolymer synthetisiert werden kann, sind Styrol (Polystyrol oder ein Copolymer von Styrol), Vinylacetat (z.B. Poly(vinylacetat) oder ein Copolymer von Vinylacetat), Ethylen (z.B. Polyethylen oder ein Copolymer von Polyethylen), Propylen (z.B. Polypropylen oder ein Copolymer von Propylen), Vinyltoluol (z.B. Polyvinyltoluol oder ein Copolymer von Vinyltoluol), chlorhaltige Vinylmonomere, wie z.B. Vinylchlorid (z.B. Poly(vinylchlorid) oder ein Copolymer von Vinylchlorid) und/oder fluorhaltige Vinylmonomere, wie z.B. Vinylfluorid, Tetrafluorethylen, Perfluoralkoxy-Vinylmonomere und Vinylidenfluorid (z.B. Poly(vinylidenfluorid)), und Polymere oder Copolymere beliebiger derartiger Monomere. Das Vinylpolymer kann ein Homopolymer oder alternativ ein von zwei oder mehreren verschiedenen Typen von Vinylmonomeren (Einheiten) abgeleitetes Copolymer sein. Einige Beispiele für hierin erwogene verschiedene Arten von Copolymeren beinhalten alternierende Copolymere, Block-Copolymere, Propfcopolymere, statistische Copolymere und Kombinationen davon. Wenigstens ein Teil des Vinylpolymers kann von einem oder mehreren eine Acrylatgruppe enthaltenden Monomeren abgeleitet sein. In einer Ausführungsform ist das Vinylpolymer sowohl aus Nicht-Acrylat- als auch aus Acrylateinheiten zusammengesetzt. In einer weiteren Ausführungsform ist das Vinylpolymer vollständig aus Acrylateinheiten zusammengesetzt, wobei die Acrylateinheiten alle chemisch gleich (d.h. ein Homopolymer) oder chemisch verschieden sein können (d.h. ein Copolymer, ein Terpolymer oder ein höheres Polymersystem).
In einer Ausführungsform kann die Beschichtung 29 in einer festen Form sein, die z.B. als Film vorgeformt ist und die zur Aufbringung auf die Membran 16 bereit ist. Der hierin benutzte Begriff „feste Form“ der Zusammensetzung wird verwendet, um eine Form der Zusammensetzung zu bedeuten, die nicht fließt, nicht durch einen lokalen Druck eingedrückt werden kann und ihre Form unter typischen (standardgemäßen) Bedingungen starr behält. Die Zusammensetzung kann die Eigenschaften eines Thermo- oder Duroplasts haben. Alternativ kann die Beschichtung 29 vor oder während der Aufbringung der Beschichtung 29 auf die Membran 16 eine nichtfeste Form (z.B. eine Flüssigkeit oder Paste) haben. Die Beschichtung 29 hat, wenn sie nicht in fester Form vorliegt, hat aber die Eigenschaft, durch chemische Veränderung verfestigt werden zu können. Wie hierin beschrieben, ist die „chemische Veränderung“ eine Änderung der chemischen Bindungsstruktur der Beschichtung 29, wie sie durch Prozesse, wie Strahlung, Wärme oder chemisches Härten, erzielt werden kann. Dementsprechend besitzt die Beschichtung 29, wenn sie im nichtfesten Zustand ist, die geeignete chemische Funktionalität, um die Verfestigung zu ermöglichen. Der Verfestigungsprozess kann auch einfach das Trocknen der Beschichtung 29 (oder einer Lösung davon) auf der Membran 16 beinhalten.
3 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer diskontinuierlichen gemusterten Schicht 40, die von einer Vielzahl von Partikeln und einem polymeren Bindemittel, das auf die (in 1 und 2 gezeigte) Membranstruktur 12 aufgebracht ist, gebildet wird. 4 zeigt eine entlang des Bereichs 4 (in 2 gezeigt) entnommene auseinandergezogene Querschnittansicht der Membranstruktur 12, die die diskontinuierliche gemusterte Schicht 40 veranschaulicht, die auf der Membranstruktur 12 ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel sind Partikel, die zum Bilden der gemusterten Schicht 40 verwendet werden, ausgewählt, um die zusammengesetzte Membranstruktur 12 in Abhängigkeit von ihrer Endanwendung mit einer spezifischen Funktionalität zu versehen. Zum Beispiel sind die Partikel in einigen Ausführungsformen gewählt, um eine Abriebbeständigkeit, Fähigkeit zur Oberflächenabsorption chemischer Stoffe, ästhetische Eigenschaften und haptisch wahrnehmbare Eigenschaften bereitzustellen. Zu den geeigneten Partikeln können Titanoxidpartikel, Zirkoniumdioxidpartikel, Zinkoxidpartikel, Kohlenstoffpartikel, Aktivkohlepartikel und Gemische davon zählen, sie sind aber nicht darauf begrenzt. Im Ausführungsbeispiel sind die Partikel in einem polymeren Bindemittel dispergiert, das die Anhaftung der Partikel an der Membran 16 ermöglicht. Geeignete polymere Bindemittel können Polyurethanpolymere, cellulosische Polymere, Polyacrylatpolymere, Polyalkoholpolymere, Polyglykolpolymere und Gemische davon sein, sind aber nicht darauf begrenzt. Die polymeren Bindemittel werden nach der Aufbringung auf die Membran 16 gehärtet. Die Härtungstemperatur variiert je nach dem verwendeten polymeren Bindemittel. In einer Ausführungsform werden die polymeren Bindemittel bei einer Temperatur gehärtet, die im Bereich von etwa 80°C bis etwa 180°C liegt, in einer weiteren Ausführungsform von 100°C bis etwa 150°C reicht.
Die erste Beschichtungsschicht 28, wobei auch auf 4 Bezug genommen wird, wird so auf die Membran 16 aufgebracht, dass die Membran 16 eine oleophob behandelte Membran ist, und dann wird die zweite Beschichtung 29 auf die oleophob behandelte Membran aufgebracht. Die gemusterte Schicht 40 wird auf der ersten Seite 17 der Membran 16 ausgebildet. Alternativ wird die gemusterte Schicht 40 auf die erste Seite 17 und/oder die zweite Seite 18 (wie in 1 und 2 gezeigt) der Membran 16 aufgeformt, auf die die zweite Beschichtung 29 aufgebracht worden ist. Insbesondere wird die diskontinuierliche gemusterte Schicht 40 auf die zweite Beschichtung 29 aufgebracht. Im Ausführungsbeispiel wird die gemusterte Schicht 40 auf die Beschichtung 29 aufgebracht, z.B. aufgedruckt, aber nicht darauf begrenzt. Die gemusterte Schicht 40 kann mit bekannten Druckverfahren, wie z.B. Thermotransferdruck, Rollendruck, xerografisches Drucken, Flexodruck und Tiefdruck-Siebdruck und Kombinationen davon, aber nicht darauf begrenzt, auf die Beschichtung 29 aufgedruckt werden. Im Ausführungsbeispiel kann jedes beliebige Muster (z.B. regelmäßiges, unregelmäßiges und/oder diskontinuierlich) auf wenigstens dreißig Prozent der Oberfläche der Beschichtung 29 aufgebracht und/oder aufgedruckt werden.
5 zeigt eine vergrößerte Endansicht der Membranstruktur 12 und veranschaulicht, dass eine Flächengebildeschicht bzw. Stoffschicht 44 auf die Membran 16 laminiert sein kann. Zum Beispiel kann die Flächengebilde- bzw. Stoffschicht 44 auf die zweite Seite 18 der Membran 16 laminiert sein. Alternativ kann die Flächengebilde- bzw. Stoffschicht 44 auf die erste Seite 17 (wie in den 1, 2 und 4 gezeigt) und/oder die zweite Seite 18 der Membran 16 laminiert sein. Die Kombination von Flächengebilde- bzw. Stoffschicht 44 und Membran 16 kann zum Herstellen von Artikeln, wie z.B. Kleidungsstücken, Bekleidungsartikeln, Zeltwänden, Schlafsäcken und Verpackung, verwendet werden, ist aber nicht darauf begrenzt. Die oleophobe und bedruckte Membran 16 kann zum Beseitigen des Bedarfs für eine Futter-/Stützschicht für verschiedene Bekleidungsanwendungen verwendet werden, z.B. zweischichtige ungefütterte Jacken, Hosen und Hemden. Die Flächengebilde- bzw. Stoffschicht 44 kann aus einem Webstoff, Vliesstoff oder Gestrick hergestellt sein, das aus Fasern aufgebaut ist, die aus wenigstens einem der Folgenden hergestellt sind: Polyamiden, Polyestern, Polyolefinen, thermoplastischen Polyurethanen, Elastomeren, Polyetherimiden, Flüssigkristallpolymeren, Polyphenylethern, Polyphenylensulfiden, Baumwolle und Aramiden.
6 ist ein Fussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zur Herstellung einer Membranstruktur, wie z.B. der Membranstruktur 12 (wie in den 1, 2, 4 und 5 gezeigt). Im Ausführungsbeispiel wird eine luftdurchlässige hydrophobe Membran 16 (wie in den 1, 2, 3, 4 und 5 gezeigt) mit einer ersten Seite 17 (in den 1, 2 und 4 gezeigt) und einer zweiten Seite 18 (in den 1, 2 und 5 gezeigt) bereitgestellt, 602. Die Oberflächen der Membran 16 werden mit einer oleophoben konformen Beschichtung 28 (in 2 und 4 gezeigt) beschichtet 604, um der Membran 16 oleophobe Eigenschaften zu verleihen. Die erste Seite 17 und/oder die zweite Seite 18 der Membran 16 wird mit einer porösen polymeren Beschichtung 29 (in 2 und 4 gezeigt) beschichtet, 606. Eine gemusterte Partikelschicht wird auf die poröse polymere Beschichtung 29 aufgebracht, z.B. aufgedruckt, 608, um eine gemusterte Schicht 40 (in den 3, 4 und 5 gezeigt) zu bilden.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen ergeben eine Membranstruktur, die bei Artikeln, wie z.B. Kleidungsstücken, Bekleidungsartikeln, Zeltwänden, Schlafsäcken und Verpackung, aber nicht darauf begrenzt, verwendet werden können, wobei die Membranstruktur vor Verunreinigung durch Öl geschützt ist und gleichzeitig luftdurchlässig und wasserdicht ist. Insbesondere beinhalten die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine Membranstruktur, die eine luftdurchlässige hydrophobe Membran mit einer ersten Seite und einer entgegengesetzten zweiten Seite beinhaltet. Auf die Membran ist eine oleophobe konforme Beschichtung aufgebracht. Auf die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran ist eine poröse polymere Beschichtung aufgebracht. Auf die poröse polymere Beschichtung ist eine gemusterte Partikelschicht aufgebracht. Dementsprechend ist die Membranstruktur behandelt, um verschiedene erwünschte Funktionalitäten zu haben, wie z.B. um luftdurchlässig, wasserdicht, atmungsfähig und oleophob zu sein. Eine derartige Behandlung ermöglicht auch, dass die Membranstruktur eine verbesserte mechanische Stabilität, Abriebbeständigkeit, Fähigkeit zur Oberflächenabsorption chemischer Stoffe, antistatische Eigenschaften, antimikrobielle Eigenschaften, Bioverträglichkeit und Foulingbeständigkeit hat.
Ausführungsbeispiele der Membranstrukturen und Verfahren sind oben ausführlich beschrieben. Die Membranstrukturen und Verfahren sind aber nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen begrenzt, vielmehr können Komponenten der Strukturen und/oder Schritte der Verfahren unabhängig und separat von anderen hierin beschriebenen Komponenten und/oder Schritten genutzt werden. Zum Beispiel kann das System auch in Kombination mit anderen Strukturen und Verfahren verwendet werden und ist nicht auf die Ausführung nur mit der hierin beschriebenen Struktur begrenzt. Die beispielhafte Ausführungsform kann vielmehr in Verbindung mit vielen anderen Anwendungen realisiert und genutzt werden.
Spezifische Merkmale verschiedener Ausführungsformen können zwar in einigen Zeichnungen dargestellt sein und in anderen nicht, dies ist aber nur aus Gründen der Zweckmäßigkeit. Gemäß den Grundsätzen der Erfindung kann jedes Merkmal einer Zeichnung in Kombination mit jedem beliebigen Merkmal einer anderen Zeichnung in Bezug gesetzt und/oder beansprucht werden.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführung, zu offenbaren und um dem Fachmann die Ausführung der Erfindung, einschließlich der Herstellung und Verwendung von Geräten bzw. Systemen und der Durchführung eingebundener Verfahren, zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die fachkundigen Personen einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente beinhalten, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden zu dem Wortsinn der Ansprüche beinhalten.
Es ist eine Membranstruktur 12 geschaffen. Die Membranstruktur beinhaltet eine luftdurchlässige hydrophobe Membran 16, die eine erste Seite 17 und eine entgegengesetzte zweite Seite 18 aufweist. Auf die Membran 16 ist eine oleophobe konforme Beschichtung 28 aufgebracht. Außerdem ist auf die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran eine poröse polymere Beschichtung 29 aufgebracht. Auf die poröse polymere Beschichtung ist eine gemusterte Schicht 40 von Partikeln aufgebracht.
Bezugszeichenliste

12: Zusammengesetzte Membranstruktur
16: Membran
17: Erste Seite
18: Zweite Seite
20: Diskontinuierliche gemusterte Schicht
22: Knoten
24: Fibrillen
26: Poren
28: Beschichtungsschicht
29: Zweite Beschichtung
40: Gemusterte Schicht
44: Flächengebildeschicht /Stoffschicht

Claims

Membranstruktur (12), umfassend: eine luftdurchlässige hydrophobe Membran (16), die eine erste Seite (17) und eine entgegengesetzte zweite Seite (18) aufweist, eine oleophobe konforme Beschichtung (28), die über der Membran aufgebracht ist, eine auf wenigstens entweder die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran aufgebrachte poröse polymere Beschichtung (29), und eine auf die poröse polymere Beschichtung aufgebrachte gemusterte Schicht (40) von Partikeln.
Membranstruktur (12) nach Anspruch 1, wobei die oleophobe konforme Beschichtung (28) ein Fluorpolymer mit oleophoben Eigenschaften umfasst.
Membranstruktur (12) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die poröse polymere Beschichtung (29) ein poröses Polyurethan umfasst.
Membranstruktur (12) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemusterte Schicht (40) von Partikeln auf die poröse polymere Beschichtung (29) durch wenigstens eines der Folgenden aufgebracht ist: Thermotransferdruck, Rollendruck, xerografisches Drucken, Flexodruck und Tiefdruck-Siebdruck.
Membranstruktur (12) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemusterte Schicht (40) von Partikeln wenigstens eines der Folgenden umfasst: Titanoxidpartikel, Zirkoniumdioxidpartikel, Zinkoxidpartikel, Kohlenstoffpartikel und Aktivkohlepartikel
Membranstruktur (12) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gemusterte Schicht (40) von Partikeln ferner ein polymeres Bindemittel aufweist, das wenigstens eines der Folgenden umfasst: Polyurethanpolymere, cellulosische Polymere, Polyacrylatpolymere, Polyalkoholpolymere und Polyglycolpolymere.
Membranstruktur (12) nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (16) wenigstens eines der Folgenden umfasst: Polyolefin, Polyamid, Polyester, Polysulfon, Polyether, Acryl, Methacryl, Polystyrol, Polyurethan, Polypropylen, Polyethylen, expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE), PTFE-Gewebe und PTFE-Vliesstoff.
Membranstruktur (12), umfassend: eine luftdurchlässige hydrophobe Membran (16), die aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) hergestellt ist, wobei die Membran eine erste Seite (17) und eine entgegengesetzte zweite Seite (18) aufweist, eine oleophobe konforme Beschichtung (28), die über der Membran aufgebracht ist, wobei die genannte oleophobe konforme Beschichtung ein oleophobes Fluorpolymer im Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 1,5 Gew.-% und eine Menge eines Lösungsmittels im Bereich von etwa 50 Gew.-% bis etwa 75 Gew.-% aufweist, eine poröse polymere Beschichtung (29), die polar, auf die erste Seite der Membran aufgebracht ist, und eine gemusterte Schicht (40) von Partikeln, die auf wenigstens dreißig Prozent der Oberfläche der porösen polymeren Beschichtung aufgebracht ist.
Artikel, umfassend eine erste Schicht (44) und eine zweite Schicht, wobei die genannte erste Schicht ein Flächengebilde umfasst, wobei die zweite Schicht (12) umfasst: eine luftdurchlässige hydrophobe Membran (16), die eine erste Seite (17) und eine entgegengesetzte zweite Seite (18) umfasst, eine über der Membran aufgebrachte oleophobe konforme Beschichtung (28), eine auf wenigstens entweder die erste Seite und/oder die zweite Seite der Membran aufgebrachte poröse polymere Beschichtung (29) und eine auf die poröse polymere Beschichtung aufgebrachte gemusterte Schicht (40) von Partikeln.
Artikel nach Anspruch 9, wobei die oleophobe konforme Beschichtung (28) ein Fluorpolymer mit oleophoben Eigenschaften umfasst.