DE102014005241A1

DE102014005241A1 - Partikelfilterndes Material

Info

Publication number: DE102014005241A1
Application number: DE102014005241.9A
Authority: DE
Inventors: Gunter Risse; Helfried Haufe
Original assignee: Gmbu E V; Gmbu Ev Fachsektion Dresden
Current assignee: Gmbu E V; Gmbu Ev Fachsektion Dresden
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2014-10-09
Also published as: GB201406049D0; GB2514477A

Abstract

Bei bisherigen HME (humid and moisture exchanger, Wärme- und Feuchtigkeitstauscher) ist die Partikelfilterwirkung sehr gering bzw. nur mit viel Aufwand zu realisieren und nicht ausreichend stabil. Ziel der Erfindung ist die Realisierung einer wirksamen und zeitstabilen Partikelfilterfunktion von HME bei verringertem Aufwand. Erreicht wird das mit einem Filtermaterial, bei dem es sich um einen Schaumstoff handelt, in dem sich planare Strukturen aus einer viskosen Flüssigkeit befinden. Das Filtermaterial ist sowohl zur Partikelfilterung als auch zur Atemluft- bzw. Gasbefeuchtung geeignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermaterial zur Entfernung von Partikeln aus Gasströmen. Das Filtermaterial ist gleichzeitig zur Anfeuchtung eines Gasstroms anwendbar. Damit ist das Filtermaterial zum Beispiel zur Anwendung in künstlichen Nasen, auch HME (humid and moisture exchanger, Wärme- und Feuchtigkeitstauscher), geeignet.
Es ist erwünscht, dass HME für künstliche Nasen eine geringe Baugröße aufweisen, da sie einen möglichst guten Tragekomfort für den Patienten bieten sollen. Weiterhin wird angestrebt, den Funktionsumfang von HME um eine Partikelfilterfunktion zu erweitern. Aus dem geringen zur Verfügung stehenden Filtervolumen ergibt sich ein relativ kurzer Weg des Atemluftstromes durch den Filter, der sich nachteilig auf eine mögliche Partikelfilterwirkung auswirkt.
In DE4319458A1 wird ein Filtermaterial (Filtermembran) vorgeschlagen, bei dem eine möglichst große Filterfläche in einem HME-Gehäuse durch Faltung erzeugt werden soll. US-Patent 5848590 beansprucht einen Wärme/Feuchtigkeitstauscher mit Partikelfilterwirkung, bei dem die Filtereinheit aus einigen dünnen Gewebelagen besteht. DE202008013268U1 beansprucht einen HME-Filter mit einer wirkstoffhaltigen Einlage, welche Bakterien aus der Atemluft filtern soll. Erfahrungsgemäß ist die Filterleistung von derartigen Anordnungen stark begrenzt, da diese bei ausreichend geringem Atemwiderstand nur einen sehr kurzen Filterweg aufweisen.
Die Effizienz der Partikelabscheidung kann durch eine elektrostatische Ladung verbessert werden. Filter mit elektrostatischer Ladung werden zum Beispiel in EP 0011847 A1 und EP 0265163 A2 beansprucht. Ein Vorteil dieser Filter ist ein relativ geringer Luftwiderstand. Allerdings können sich die elektrostatische Ladung und damit die Filterwirkung durch die Einwirkung von Luftfeuchtigkeit oder bei langer Lagerung deutlich verringern. Wenn in derartigen Filtern eine Partikelfilterfunktion und außerdem die Funktion der Atemluftbefeuchtung realisiert werden sollen, müssen beide Funktionen räumlich voneinander getrennt werden. Das ist mit einem erhöhten Aufwand bei der Filterkonstruktion verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist eine zeitlich stabile Partikelfilterwirkung von HME und die Vereinfachung der Konstruktion von HME mit Partikelfilterfunktion. Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erreicht wird das mit einem Filtermaterial, welches zur gleichzeitigen Realisierung der Partikelfilterfunktion und der Atemluftbefeuchtungsfunktion, insbesondere von HME, geeignet ist. Bei dem erfindungsgemäßen Filtermaterial handelt es sich um einen Schaumstoff, in dem sich planare Strukturen befinden, welche aus einer Flüssigkeit gebildet sind, wobei die Flüssigkeit vorzugsweise eine viskose Flüssigkeit mit einer Viskosität von mehr als 1500 mPas, vorteilhafterweise von mehr als 5000 mPas, noch vorteilhafterweise von mehr als 10000 mPas, oder eine thixotrope oder eine struktruviskose Flüssigkeit ist. Die Flüssigkeit kann ebenfalls vorteilhafterweise ein oder mehrere Polymere in gelöster oder dispergierter Form enthalten, oder Komponenten, die zur Einstellung von Eigenschaften der Flüssigkeit, wie Viskosität, Adhäsionskraft und antimikrobiellen Eigenschaften, dienen, oder Komponenten, die der Flüssigkeit hygroskopische Eigenschaften verleihen, wobei es sich um anorganische Salze, wie CaCl₂ oder um eine organische Verbindung, wie Panthenol, handeln kann, oder Komponenten, die zur Einstellung von Eigenschaften der Flüssigkeit dienen, wie mehrwertige Alkohole, Carbonsäureamide, Polyamine, Polyalkohole, Polysaccharide, Polyanionen, Polykationen und/oder Polyionenkomplexe, polymeres Biguanid, Polyamin, quaternäres Ammoniumsalz, Silber und/oder Silberverbindungen. Die Flüssigkeit kann ebenfalls vorteilhafterweise nach dem Einbringen in den Schaumstoff in ein Gel, Sol und/oder Feststoff verändert sein. Insbesondere kann die Flüssigkeit Gelatine, Chitosan, und/oder Polyhexamethylenbiguanid und Wasser enthalten. Vorteilhafterweise bildet die Flüssigkeit zwischen den Stegen des Filtermaterials planare Strukturen aus. Der Schaumstoff kann zum Beispiel aus einem Polymer, wie Polyurethan, bestehen.
Es konnte zunächst erwartet werden, dass es im Bezug auf die Filterwirkung des erfindungsgemäßen Partikelfilters vorteilhaft ist, wenn die Zahl der Schaumstoffporen bezogen auf den Querschnitt des Schaumstoffs möglichst groß ist. Das hätte bedeutet, dass die Porengröße des Schaumstoffes möglichst klein sein müsste, um eine große Filterwirkung zu erreichen. Überraschend zeigte sich aber, dass es für die Filterwirkung vorteilhaft ist, wenn die mittlere Porengröße des Schaumstoffes nicht einen sehr kleinen Wert, sondern einen mittleren Wert besitzt, der im Bereich von 400 bis 700 μm liegt. Besonders vorteilhaft ist der Bereich der mittleren Porengröße des Schaumstoffes von 450 bis 550 μm. Es wird vermutet, dass bei dem Vorhandensein von Poren in diesem Größenbereich planare Strukturen mit Dimensionen entstehen, die besonders gut zur Bildung von Strömungswirbeln befähigt sind, welche die Abscheidung von Partikeln aus dem Gasstrom bewirken. Wahrscheinlich entstehen diese in ihrer Dimension vorteilhaften Strukturen in geringerer Zahl, wenn die mittlere Partikelgröße des verwendeten Schaumstoffs weniger als 400 μm beträgt.
Weiterhin wurde gefunden, dass ein vorteilhafter Mengenanteil der Flüssigkeit, welche in den Schaumstoff zur Herstellung des erfindungsgemäßen Partikelfilters eingebracht wird, bei 45 bis 80% liegt (bezogen auf das Gesamtgewicht des Filters). Ein besonders vorteilhafter Mengenanteil der Flüssigkeit, welche in den Schaumstoff zur Herstellung des erfindungsgemäßen Partikelfilters eingebracht wird, liegt bei 55 bis 70% (bezogen auf das Gesamtgewicht des Filters). In diesem Bereich des Mengenanteils der Flüssigkeit ist ein praxistauglicher Kompromiss zwischen der Filterwirkung und dem Strömungswiderstand gegeben.
Ebenfalls vorteilhafterweise kann die Flüssigkeit in den Schaumstoff eingebracht sein, indem der Schaumstoff im Kontakt mit der Flüssigkeit komprimiert und anschließend druckentlastet wurde.
Erfindungsgemäß wird das Filtermaterial als HME für künstliche Nasen verwendet, wobei es insbesondere als Wärme- und/oder Feuchtigkeitsaustauscher verwendet wird.
Es wurde gefunden, dass bei Anwesenheit einer ausreichenden Menge der viskosen Flüssigkeit in dem Schaumstoff eine deutliche Partikelfilterwirkung beobachtet werden kann.
Überraschend zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Filtermaterial bereits dann eine erhebliche Filterwirkung aufweist, wenn der Strömungswiderstand der Luft durch die eingebrachte Flüssigkeitsmenge noch nicht merklich vergrößert ist.
Wenn die in den Schaumstoff eingebrachte viskose Flüssigkeit Wasser enthält, kann der flüssigkeitsbeladene Schaumstoff zur Befeuchtung der Atemluft genutzt werden. Der viskosen Flüssigkeit können weitere Komponenten zugesetzt werden. Dabei kann es sich zum Beispiel um hygroskopische Salze, wie CaCl₂, handeln, die zur Verbesserung der Atemluftbefeuchtungsfunktion geeignet sind. Weiterhin können der viskosen Flüssigkeit Komponenten zugesetzt werden, die der Flüssigkeit eine antimikrobielle Wirksamkeit verleihen, wie zum Beispiel Polyhexanid oder Chlorhexidin. Dabei kann es sich zum Beispiel auch um Silber oder Silberverbindungen handeln. Weiterhin können der viskosen Flüssigkeit Komponenten zugesetzt werden, welche das Adhäsionsvermögen der Flüssigkeit und damit deren Haftung an der inneren Oberfläche des Schaumstoffes verbessern. Dabei kann es sich zum Beispiel um Polyole, Polysäuren, Polyamine, Polysaccharide, Carbonsäureamide, Hydroxycarbonsäuren oder deren Verbindungen handeln. Weiterhin können der viskosen Flüssigkeit Komponenten bzw. Wirkstoffe zugesetzt werden, welche in den Luftstrom übergehen und eine gesundheitsfördernde Wirkung auf den Träger des HME ausüben können. Eine viskose Flüssigkeit, die sich als besonders geeignet zum Einsatz für das erfindungsgemäße Filtermaterial erwiesen hat, kann auf Grundlage der Beschreibung in DE 102009006783 A1 hergestellt werden. Dabei handelt es sich um eine wässrige Lösung, in der sich Polyanionen und Polykationen befinden.
Es wurde gefunden, dass die viskose Flüssigkeit im inneren Volumen des erfindungsgemäßen Filtermaterials stabile planare (ebene, flächige) Strukturen ausbildet. Damit dieser Effekt sicher gewährleistet werden kann, sollte die Viskosität der eingesetzten Flüssigkeit größer als 1500 mPas (bei 20°C) sein. Vorteilhaft ist eine Viskosität von größer 5000 mPas. Besonders vorteilhaft ist eine Viskosität von 10000 mPas und größer. Es wird angenommen, dass die planaren Strukturen zur Bildung von Luftwirbeln beitragen, die zu einer verbesserten Abscheidung von Partikeln innerhalb des Filtervolumens führen. Wenn die planaren Strukturen in ausreichender Zahl innerhalb des Schaumstoffs vorhanden sind, kann eine deutliche Partikelfilterwirkung des betreffenden Materials beobachtet werden.
Um das Einbringen der Flüssigkeit in den Schaumstoff mit geringem technischen Aufwand realisieren zu können, ist es vorteilhaft, wenn es sich um eine thixotrope Flüssigkeit oder eine strukturviskose Flüssigkeit handelt, welche unter Einwirkung von Scherkräften eine verringerte Viskosität aufweist. Nach dem Einbringen der Flüssigkeit in den Schaumstoff, nach Beendigung der Scherbelastung, kann bei einer derartigen Flüssigkeit die Viskosität wieder ansteigen und einen Wert erreichen, der für die Stabilität von planaren Strukturen vorteilhaft ist. Eine solche Flüssigkeit kann Komponenten enthalten, die bekanntermaßen geeignet sind, die Thixotropie oder Strukturviskosität einer Flüssigkeit zu bewirken oder zu verbessern. Das können zum Beispiel Schichtsilikate und/oder nanoskalige Partikel sein, es kann sich aber auch um faserförmige Partikel handeln, wobei die zugesetzten Partikel auch oberflächlich chemisch modifiziert oder beschichtet sein können. Bei den Partikeln kann es sich zum Beispiel um mikrokristalline Cellulose, kolloidales SiO₂, kolloidale Aluminium-Magnesiumsilikate oder Tone handeln. Ein gebräuchliches Mittel zur Beschichtung von Partikeln, die zur Herstellung thixotroper Mischungen genutzt werden, sind zum Beispiel Fettsäuren. Bei den thixotropen Flüssigkeiten kann es sich um wässrige Lösungen handeln, die wasserlösliche oder wasserdispergierbare Polymere oder Hydrokolloide enthalten, wie zum Beispiel Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol, Polyacrylsäure, Proteine, Polysaccharide und deren Verbindungen, wie Hydroxyethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose. Dabei kann sich auch um Naturstoffe oder abgewandelte Naturstoffe handeln, wie zum Beispiel Chitosan. Weiterhin kann die Flüssigkeit im erfindungsgemäßen Filtermaterial Polymerverbindungen enthalten, wie Polyacrylate, Polymethacrylate und Polyacrylatblockcopolymere mit alternierenden hydrophilen und hydrophoben Blöcken. Weiterhin können spezielle organische Gelbildner enthalten sein, wie Polyolfettsäureester, Alkylmonosaccharidfettsäureester oder Phosphorsäureester.
Die Partikelfilterwirkung nimmt mit der Menge der in den Schaumstoff eingebrachten viskosen Flüssigkeit zu. Gleichzeitig erhöht sich der Strömungswiderstand der Luft im Schaumstoff. Es ist deshalb notwendig, die Menge der in den Schaumstoff eingebrachten viskosen Flüssigkeit so zu wählen, dass der gewünschte Strömungswiderstand nicht überschritten wird. Auf diese Weise kann die optimale Menge der in den Schaumstoff eingebrachten viskosen Flüssigkeit auf unkomplizierte Art und Weise für die jeweilige Anwendung bestimmt werden. Die notwendige Menge der viskosen Flüssigkeit, die zur Realisierung der optimalen Partikelfilterwirkung in einen Schaumstoff eingebracht werden sollte, kann vom Fachmann anhand der Messung des Filtermaterial-Durchlassgrades des erfindungsgemäßen Partikelfilters bestimmt werden. Eine dazu geeignete Vorgehensweise wird von Dreller u. a., beschrieben. (S. Dreller u. a., Zur Frage des geeigneten Atemschutzes vor luftübertragenen Infektionserregern, Gefahrstoffe – Reinhaltung der Luft, 66 (2006) Nr. 1/2 Januar/Februar).
Zur Beurteilung des potentiellen Eintrages von Gefahrstoffen bzw. Krankheitserregern durch Atemschutzfilter werden nach DIN EN 143 die Gesamtleckage und der Filtermaterial-Durchlassgrad mit einem fein zerstäubten Kochsalz-Aerosol gemessen. Mehr als 99% der NaCl-Partikel des Aerosols sind < 1 μm und ca. 70% < 0,1 μm. Damit werden der Größenbereich isolierter Viren (ca. 0,01 μm bis 0,3 μm) annähernd und der Bereich der größten Durchlässigkeit solcher Filtermedien vollständig abgedeckt.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt 1 den Schaumstoff im unbehandelten Ausgangszustand und 2 den Schaumstoff mit planaren Strukturen, welche durch das Einsaugen der Flüssigkeit im Inneren des Schaumstoffes entstanden sind.
Ausführungsbeispiel 1
Entsprechend DE 102009006783 A1 werden 24 g einer 10%igen Polyacrylsäurelösung in einem zylindrischen Glasgefäß von 20 mm Durchmesser vorgelegt. Dazu werden 120 mg Chitosan (low molecular weight, Fluka) gegeben. Die Mischung wird mittels eines Ultraschallprozessors mit Ultraschall behandelt. Dabei löst sich das Chitosan auf. Dieser Lösung werden 10 g Glycerin zugesetzt. In dieser Mischung werden 350 mg Weizenfaser HT, welche mit 10% Palmitinsäure beschichtet wurden, dispergiert.
Von der so hergestellten Flüssigkeit werden 3,5 g in eine Schaumstoffhülse (Durchmesser 28 mm, Höhe 31 mm, Wandstärke 7 mm) eingesaugt. Anschließend erfolgt ein Trockenprozess bei 90°C bis zu einem Gesamtgewicht von 3 g.
In der Schaumstoffhülse haben sich planaren Strukturen aus der Flüssigkeit zwischen den Schaumstoffstegen ausgebildet, die gleichzeitig die Partikelfilterfunktion und die Atemluftbefeuchtungsfunktion realisieren. Das Wasseraufnahmevermögen der so präparierten Schaumstoffhülse, ermittelt durch Durchströmen von Wasserdampf bis zum konstanten Gewicht, beträgt 20%, bezogen auf die viskose Flüssigkeit. Die Bestimmung der Partikelfilterwirkung der wie beschrieben präparierten Schaumstoffhülse unter Verwendung von NaCl-Aerosol belegen ein Verhältnis der Filterwirkung der beschichteten Schaumstoffhülse zu einer unbeschichteten Schaumstoffhülse von 2 zu 1.
Ausführungsbeispiel 2
Entsprechend DE 102009006783 A1 werden 24 g einer 10%igen Polyacrylsäurelösung in einem zylindrischen Glasgefäß von 20 mm Durchmesser vorgelegt. Dazu werden 120 mg Chitosan (low molecular weight, Fluka) gegeben. Die Mischung wird mittels eines Ultraschallprozessors mit Ultraschall behandelt. Dabei löst sich das Chitosan auf. Anschließend werden 0,1 g dieser Lösung einer Flüssigkeit zugesetzt, welche aus 8 g Wasser 0,2 g gelöster Gelatine besteht, und die entstehende Lösung mit 10 g Calciumcarbonat vermischt. Nach einer Stunde wird die so gebildete viskose Masse intensiv mit 29,9 g Glycerin und 0,3 g Panthenol verrührt und anschließend mit 2,18 g einer 10%igen Lösung von Chitosan in 5%iger Essigsäure verrieben. Die weitere Verarbeitung erfolgt so, wie im Ausführungsbeispiel 1 beschrieben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4319458 A1 [0003]
US 5848590 [0003]
DE 202008013268 U1 [0003]
EP 0011847 A1 [0004]
EP 0265163 A2 [0004]
DE 102009006783 A1 [0013, 0019, 0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 143 [0017]

Claims

Filtermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Filtermaterial um einen Schaumstoff handelt, in dem sich planare Strukturen befinden, welche aus einer Flüssigkeit gebildet sind.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit eine Viskosität von mehr als 1500 mPas aufweist.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Flüssigkeit um eine thixotrope Flüssigkeit oder um eine strukturviskose Flüssigkeit handelt.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass es zur gleichzeitigen Realisierung der Partikelfilterfunktion und der Atemluftbefeuchtungsfunktion von HME geeignet ist.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit ein Polymer oder mehrere Polymere in gelöster oder dispergierter Form enthält.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Schaumstoff handelt, in dem sich eine Flüssigkeit mit einer Viskosität von mehr als 5000 mPas befindet.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Schaumstoff handelt, in dem sich eine Flüssigkeit mit einer Viskosität von mehr als 10000 mPas befindet.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Komponenten enthält, die zur Einstellung von Eigenschaften der Flüssigkeit, wie Viskosität, Adhäsionskraft und antimikrobiellen Eigenschaften, dienen.
Filtermaterial nach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Komponenten enthält, die der Flüssigkeit hygroskopische Eigenschaften verleihen, wobei es sich um anorganische Salze, wie CaCl₂ oder um eine organische Verbindung, wie Panthenol, handelt.
Filtermaterial nach 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Komponenten zur Einstellung von Eigenschaften der Flüssigkeit um mehrwertige Alkohole, Carbonsäureamide, Polyamine, Polyalkohole, Polysaccharide, Polyanionen, Polykationen und/oder Polyionenkomplexe, polymeres Biguanid, Polyimin, quaternäres Ammoniumsalz, Silber und/oder Silberverbindungen handelt.
Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Gelatine, Chitosan und/oder Polyhexamethylenbiguanidhydrochlorid enthält.
Filtermaterial nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Gelatine, Chitosan und/oder Polyhexamethylenbiguanidhydrochlorid und Wasser enthält.
Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit zwischen den Stegen des Filtermaterials planare Strukturen bildet.
Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit in ein Gel, Sol und/oder Feststoff verändert ist.
Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaumstoff ein Polymer ist.
Filtermaterial nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer Polyurethan ist.
Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als 40 Vol.-% des Schaumstoffs mit planaren Strukturen gefüllt ist.
Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit durch Komprimierung und Druckentlastung in den Schaumstoff eingebracht ist.
Verwendung eines Filtermaterials nach Anspruch 1 als HME für künstliche Nasen.
Verwendung eines Filtermaterials nach Anspruch 19 als Wärme- und/oder Feuchtigkeitsaustauscher.