DE4103853A1 - Polymerfolienfilter und herstellverfahren dafuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Polymerfolienfilter, das mindestens einen ersten porösen Filterbereich aufweist, der Poren aufweist, die entlang von Strahlenspuren durchgehend geätzt sind, und mindestens einen zweiten, nicht durchgehend porösen Bereich aufweist, der durch eine Wärmebehandlung schwer ätzbar ist.

Aus der US-PS 38 52 134 ist ein Polymerfolienfilter bekannt, das nur in vorgegebenen Bereichen durchgehende Poren aufweist. Dieses Filter wird derart hergestellt, daß die dichte Folie einer Partikelbestrahlung ausgesetzt wird, deren Spuren ätzfähige Gefügestörungen erzeugt. Diese Spuren werden durch eine ultraviolette Lichtbestrahlung in den vorgegebenen Bereichen sensibilisiert, wonach eine erste Vorätzung erfolgt, bis die sensibilisierten Spuren engporig durchgeätzt sind, die nicht sensibilisierten Spuren jedoch die Folie nur teilweise durchsetzen. Danach erfolgt eine die verbliebenen Spuren ausheilende Wärmebehandlung, wonach die engen Poren in einem weiteren Ätzschritt aufgeweitet werden. Auf diese Weise sind die nicht porösen Bereiche mit Sacklöchern bedeckt. Das fünfschrittige Verfahren ist recht aufwendig.

Weiterhin ist es aus der US-PS 34 38 504 bekannt, Polymerfilter, die nur in vorgegebenen Bereichen durchgehende Poren aufweisen dadurch herzustellen, daß die Folie durch eine strahlenundurchlässige Maske mit einer Spuren erzeugenden Partikelstrahlung bestrahlt wird, wonach die Ätzung der Spuren zu Poren erfolgt. Hierbei ist nachteilig, daß die Maske bereits bei der im Vakuum erfolgenden kostenaufwendigen Folienbestrahlung bereitgestellt werden muß und in den Vakuumraum eingebracht werden muß und dort mitlaufend mit der Folie bewegt werden muß und eine spätere Vorgabe der porösen Bereiche nicht möglich ist. Die mitlaufende Maskierung erschwert das Eindringen sehr feiner Maskierungsmuster.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Polymerfolienfilter zu offenbaren, das wesentlich einfacher beliebige Bereiche, auch mit feiner Strukturierung, vorgeben läßt, die nicht porös sind und wobei keine Sacklöcher entstehen.

Die Lösung besteht darin, daß der zweite Bereich frei von Porenansätzen geschlossen ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß die Polymerfolien in den porösen Bereichen auf eine wesentlich geringere Dicke abgeätzt werden, indem die Folie vorab mit einer die Folie mit durchdringenden Spuren durchziehenden härteren Strahlung behandelt wird und außerdem mit einer Strahlung beaufschlagt wird, die die Folie mit größerer Spurendichte, jedoch nur teilweise durchdringt. Durch die Wärmebehandlung heilen beide Arten von Strahlenspuren, so daß die ausgeheilten Bereiche beim nachfolgenden Ätzen praktisch unverändert bleiben, die dicht bestrahlte Schicht aufgelöst wird und die schwach bestrahlte verbleibende Folienschicht entlang der Spuren mit Poren durchätzt ist.

Das auf die vorstehende Weise hergestellte neuartige Erzeugnis ist bei geeigneter Strukturierung der porenfreien Bereiche außerordentlich tragfähig bei hoher Durchlässigkeit trotz geringer Porenweiten. Randseitig eines Filters lassen sich glatte tragfähige Bereiche ausbilden und im inneren Filterbereich werden vorteilhaft tragende, z. B. wabenartige Stegstrukturen ausgebildet, zwischen denen die dünnen porösen Bereiche liegen.

Die vorbeschriebenen neuartigen Membranen mit z. B. wabenartig angeordneten ausgeätzten Kammern mit einem porösen Boden eignen sich für eine völlig neuartige Anwendung, indem die Kammern so dimensioniert werden, daß sie Mikroorganismen aufnehmen können, die andererseits die engen Poren nicht durchdringen können.

Derartige Mikrokammermembranen eignen sich als Membran für mikrobielle und enzymatische Sensoren, die durch die exakte Plazierung der Mikroorganismen bzw. immobilisierten Enzyme und die hohe Durchlässigkeit der relativ kurzen Poren ein definiertes und schnelles Ansprechen aufweisen.

Weiterhin lassen sich die neuartigen Mikrokammermembranen zur Herstellung von Miniaturbioreaktoren verwenden, wobei besonders vorteilhaft jeweils zwei Membranen kammerseitig zueinandergerichtet angeordnet werden und filterseitig einerseits Nahrung zugeführt und Stoffwechselprodukte andererseits abgeführt werden.

Die Erfindung ist anhand der Fig. 1 bis 7 beispielhaft dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Aufsicht auf ein Membranenfilter mit dichtem Randbereich,

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt A zu Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Aufsicht auf eine Mikrokammermembrane,

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt B zu Fig. 3 in einer Anwendung mit mikrobiologischen Zellen,

Fig. 5 zeigt einen mikrobiologischen Reaktor unter Verwendung von Mikrokammermembranen vergrößert ausschnittweise,

Fig. 6 zeigt ein Verfahrensschema,

Fig. 7 zeigt eine erste Vorrichtung zur lokalen Wärmebehandlung.

Fig. 1 zeigt ein Rundfilter (RF) in Aufsicht, das in handelsüblicher Filtervorrichtung mit seinem nicht perforierten, umlaufenden Randbereich (R1) einzuspannen ist, wobei dieser durch seine hohe Festigkeit und seine glatte Oberfläche eine hohe Dichtigkeit bei erleichterter Handhabung erbringt. Da der Randbereich (R1) transparent ist gegenüber dem durch die Perforation matt erscheinenden Innenbereich (P1) ist eine Handhabung des Filters beim Entnehmen aus einer Verpackung und beim Einsetzen in einen Filterhalter mit einer Pinzette leicht und sicher am Rand zu erfassen, so daß eine Zerstörung der Perforation sicher vermieden wird. Auch der Dichtring, der in der Fassung auf dem Randbereich (R1) aufliegt und dort festgezogen wird, erzeugt keine Falten und Risse dort. Außerdem ist es vorgesehen, eine leicht identifizierbare Kennzeichnung (K1, K2) der jeweiligen Filterart entweder in dem äußeren Randbereich (R1) als matt erscheinende perforierte Markierungen (K1) oder in dem Innenbereich (P1) als durchsichtige unperforierte Markierungen (K2) anzubringen, indem diese bei der Herstellung des Filters durch eine entsprechende lokale Wärmebehandlung in dem Wärmeausheilschritt eingebracht werden, die dann durch die Ätzbehandlung sichtbar werden. Auf diese Weise ist es stets leicht möglich, die richtige Filterart für eine bestimmte Anwendung auszuwählen und einzusetzen, und ein Irrtum läßt sich ausschließen.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt A der Fig. 1 durch einen Filterausschnitt vergrößert. Der Randbereich (R1) ist porenfrei und der Innenbereich (P1) ist von geätzten Poren (P) durchzogen, die den Strahlenspuren entlang, senkrecht zur Filtererstreckung, in bekannter Weise ausgebildet sind. Die handelsüblichen Polymerfolien, die zur Filterherstellung verwandt werden, sind zwischen 4 und 50 Mikrometer dick und sie bestehen je nach dem Anwendungsgebiet aus einem Polyester, Polykarbonat oder einem anderen Polymer. Demgemäß sind die geeigneten bekannten Ätzmittel auszuwählen; auch die bekannten Vorbehandlungsverfahren zur Ätzratenerhöhung sind anwendbar, wobei bevorzugt erst die Ausheilung der Strahlenschäden durch den selektiven Erwärmungsprozeßschritt erfolgt, so daß eine Vorbehandlung in den ausgeheilten Bereichen (R1) keinen Angriffsansatz findet.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer Aufsicht auf ein Polymerfolienfilter, bei dem durch die selektive Wärmebehandlung Stützwände (SW) in wabenförmiger Anordnung ausgebildet sind, die Mikrokammern (MK) umgeben, deren Bodenbereich ein perforierter Innenbereich (P2) bildet.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt B gemäß Fig. 3 durch den vergrößerten Filterbereich.

In eine Polymerfolie einer Dicke (D) von z. B. 20 Mikrometer Stärke sind die Mikrokammern (MK) bis zu einer Kammertiefe (KT) von z. B. 15 Mikrometern eingeätzt, zwischen denen die Stützwände (SW) durch die Wärmeausheilung verblieben sind und deren Boden durch die mit einer durchdringenden Strahlung mit relativ geringer Bestrahlungsdichte vorbehandelten Folie Filterporen (P) hindurchgeätzt sind, so daß die Bodenbereiche den eigentlichen inneren Filterbereich (P2) bilden. Die Filterdicke (FD) ist aus der Foliendicke (D) und der etwa der Kammertiefe (KT) entsprechenden Reichweite der intensiven, nicht durchdringenden Strahlung bestimmt, der die Folie vor der Wärmebehandlung und der Ätzung ausgesetzt war.

In dem dargestellten Beispiel sind die Mikrokammern (MK) mit Hefezellen (HZ) gefüllt, deren Abmessungen (HD) von etwa 3 Mikrometern größer als die Porenweite (PW) von etwa 1 Mikrometer ist, so daß die Zellen dort eingeschlossen sind. Die Stützwände (SW) liegen z. B. an einer Elektrode (Pt) eines elektronischen Sensors an und außerhalb des Filters und in den Mikrokammern (MK) befindet sich ein Restmedium, das in bekannter Weise durch die Hefezellen zersetzt wird, so daß bekanntlich die Zersetzungsprodukte an der Elektrode detektiert werden können.

Die Hefezellen haben in den Mikrokammern allseitig Platz, da die Stützwände deren Volumen erhalten, wenn die Folie aufgespannt wird. Dies hat den Vorteil, daß die Hefezellen ungehindert arbeiten können, was bei den herkömmlichen Sonden, in denen die Zellen je nach der Spannung der Folie und dem Füllungsgrad des Raumes zwischen der Folie und der Elektrode unter Druck stehen, nicht gewährleistet ist. Darüber hinaus ist die Menge der Hefekultur durch die Mikrokammern recht genau bestimmt und auch das freie Medienvolumen, das diese umgibt, ist definiert und relativ klein, so daß die Sonde definiert und recht schnell anspricht, wenn sie in ein Testmedium gebracht wird und recht schnell in einer Normflüssigkeit normiert und geeicht werden kann, sobald sie in diese eingetaucht wird und eine geringe Hysterese aufweist.

Fig. 5 zeigt einen kleinen Randausschnitt aus einem biologischen Mikroreaktor, bei dem zwei Mikrokammermembranen (F1, F2) kammerseitig gegeneinandergerichtet aneinander angeordnet sind. Die Kammern sind mit mikrobiologischen Zellen (Z1) gefüllt, die die Poren (P1) nicht passieren können. Das Nährmedium (NM) wird von der einen Seite des Reaktors zugeführt und andererseits wird das die Stoffwechselprodukte enthaltene Medium (SM) abgeführt.

Die beiden Mikrokammermembranen (F1, F2) sind mit ihren unperforierten Randbereichen (RB) verschweißt bzw. in einem Spannmittel (SR) eingefaßt und zusammengedrückt.

Fig. 6 zeigt einen Verfahrensablauf schematisch.

Im ersten Verfahrensschritt (I) wird die Polymerfolie (F) von einem ersten Wickel (C1) auf einen zweiten Wickel (C2) mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit an einer Strahlenquelle (RI) vorbeigespult, die die durchdringende Strahlung aussendet.

Falls eine Mikrokammermembrane erzeugt werden soll, erfolgt in einem Zwischenschritt (IA), der jedoch auch mit dem ersten Schritt (I) kombiniert sein kann, eine zweite Bestrahlung mit einer Strahlenquelle (RII), die eine die Folie nicht durchdringende Teilchenstrahlung geringerer Energie abgibt.

Die bestrahlte Folie (F′) kann beliebig zwischengelagert werden und stellt ein selbständiges Handelsgut und Zwischenprodukt dar.

In einem zweiten Verfahrensschritt (II) wird die bestrahlte Folie (F′) einer der jeweiligen Verwendung gemäßen selktiven Wärmebehandlung (WB) unterzogen, wobei wieder eine Umspulung erfolgt.

In einem dritten Verfahrensschritt (III) wird die bestrahlte und wärmebehandelte Folie (F′′) in dem Ätzmedium (AM) bis zur Fertigstellung der Poren und ggf. Kammern behandelt, worauf in bekannter Weise eine Ätzunterbrechung und eine Spülung erfolgt.

Zum Schluß schließt sich ein Stanzschritt (W) an, in dem gemäß den ausgeätzten Mustern die Ronden ausgestanzt werden.

Fig. 7 zeigt schematisch eine erste Vorrichtung zur Wärmebehandlung der bestrahlten Folie (F′). Diese wird von einem Wickel (C′) durch den Zug einer angetriebenen Maskenwalze (MW) abgezogen, gegen den die Folie durch zwei umfangsmäßig versetzte Andruckwalzen (AR) umschlingend angepreßt wird, wonach sie auf einen neuen Wickel (C′′) aufgewickelt wird.

Die Maskenwalze (MW) trägt auf ihrer Oberfläche erhaben die Muster, mit denen die Wärmebehandlung durchzuführen ist, also die Randbereiche der Filtersonden und/oder die Muster der Stege der Mikrokammern. Die einzelnen Muster lassen sich auch unabhängig voneinander nacheinander auf die Folie anwenden, indem mehrere Maskenwalzen (MW) nacheinander umlaufen werden. Die Maskenwalze ist mit einem Thermostaten (TS) geheizt. Diese Vorrichtung hat den Vorteil, daß ein relativ schneller Foliendurchlauf erfolgen kann, da das geheizte Muster auf einen langen Umschlingungsweg auf die Folie einwirkt.

Die ausheilende Behandlung der Folie findet je nach Art des Folienmaterials bei Temperaturen oberhalb der Glastemperatur statt. Die Temperatur sollte jedoch 30 Grad unter der Schmelztemperatur liegen, da sonst nachteilige Veränderungen der Folie eintreten.

Claims (16)

1. Polymerfolienfilter, das mindestens einen ersten porösen Filterbereich (P1) aufweist, der Poren (P) aufweist, die entlang von Strahlenspuren durchgehend geätzt sind, und mindestens einen zweiten nicht durchgehend porösen Bereich (R1) aufweist, der durch eine Wärmebehandlung schwer ätzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (R1) frei von Porenansätzen geschlossen ist.

2. Polymerfolienfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite geschlossene Bereich (R1) ein umlaufender Randbereich des porösen Filterbereiches (P1) ist.

3. Polymerfolienfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Randbereich (R1) und/oder dem Filterbereich (P1) in Form von Kodierzeichen (K1, K2) des jeweiligen Filtertyps jeweils in der anderen Bereichsart porös oder geschlossen ausgebildet sind.

4. Polymerfolienfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Bereich (R1) den porösen Filterbereich (P1) als eine Stützstruktur durchsetzt.

5. Polymerfolienfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstruktur als Stützwände (SW) ausgebildet ist, die entlang den Spuren einer nicht durchdringenden Strahlung ausgeätzte Mikrokammern (MK) umgeben, die die Foliendicke (D) teilweise durchsetzen und an deren dadurch verbleibenden Bodenbereich sich der porös entlang den Spuren einer durchdringenden Strahlung durchgeätzte Filterbereich (P2) befindet.

6. Polymerfolienfilter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Mikrokammern (MK) mit einer Zellkultur (HZ) gefüllt sind, deren Zellabmessungen (HD) größer als eine Porenweite (PW) der Poren (P2) ist und daß die Mikrokammern (MK) eine Kammertiefe (K1) und eine Kammerweite (KW) aufweisen, die größer als die Zellabmessungen sind.

7. Polymerfolienfilter nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbereich (P2) eine Filterdicke (FD) aufweist, die wesentlich geringer als die Kammertiefe (KT) ist.

8. Polymerfolienfilter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie kammerseitig auf einer Platinelektrode (Pt) eines Sensors angeordnet ist, die Mikrokammern (MK) mit Hefezellen (HZ) gefüllt sind und die Platinelektrode (Pt) von einer Silber/Silberchlorid- Elektrolytzelle umgeben ist.

9. Polymerfolienfilter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Mikrokammern (MK) mit einer Zellkultur (Z1) gefüllt sind und diese mit einem weiteren Filter (F2) abgeschlossen umgeben ist und daß durch den Filterbereich (P2) der Mikrokammern (MK) und das weitere Filter (F2) einerseits ein Nährmedium (NM) zugeführt und andererseits ein Stoffwechselproduktemedium (SM) der Zellkultur (Z1) aus dem so gebildeten mikrobiologischen Reaktor abgeführt wird.

10. Polymerfolienfilter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Filter (F2) ebenfalls Mikrokammern (MK) enthält, die gegen die Mikrokammern (MK) der anderen Polymerfilterfolie (F1) gerichtet an dieser anliegend angeordnet und mit dieser zusammen randseitig mit den umlaufenden porenfreien Randbereichen (R1) eingespannt sind.

11. Polymerfolienfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Polyester, Polykarbonat, Polyimid, Polypropylen oder Polyvinylidenfluorid besteht.

12. Verfahren zur Herstellung einer Polymerfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in einem ersten Bestrahlungs-Verfahrensschritt (I) die Folie (F) mit einer sie durchdringenden Strahlung (RI) durchgehende Strahlungsspuren eingebracht werden, in einem Wärmebehandlungsschritt (II) Bereiche (R1) ätzresistent gemacht werden und danach in einem Ätzschritt (III) die vorbehandelte Folie (F′′) entlang der noch vorhandenen Strahlungsspuren zu Poren (P1, P2) durchgeätzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung (II) unmittelbar auf den Bestrahlungsverfahrensschritt (I) folgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (F) in dem Bestrahlungsverfahrensschritt (I, IA) außerdem mit einer diese nur teilweise durchdringenden Strahlung (RII) derart größerer Intensität als die der durchdringenden Strahlung (RI) beaufschlagt wird, so daß die mit der großen Intensität bestrahlten Tiefenbereiche soweit sie nachträglich nicht durch die Wärmebehandlung (II) nachfolgend ausgeheilt sind, in dem anschließenden Ätzschritt (III) sich vollständig herausätzen lassen.

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestrahlte Folie (F′) um mindestens eine thermostatisch auf eine Ausheiltemperatur geheizte umlaufende Maskenwalze (MW), diese teilweise umschlingend, unter einer Vorspannung herumgeführt wird, wobei die Maskenwalze (MK) solchen Bereichen der Folie (F′) entsprechend erhaben und gut wärmeleitend ausgebildet ist, in denen die Strahlenschäden auszuheilen sind.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß umfangsseitig einer angetriebenen Walze (MW, W) eine Wärmebehandlungszone angeordnet ist, über die die zu behandelnde Folie (F′) mittels zweier umfangsmäßig der Walze (MW, W) beabstandeter Andruckrollen (AR) die Walze (MW, W) teilweise umschlingend geführt ist, denen Folienabwickler (C′) und Folienaufwickler (C′′) vor- oder nachgeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungszone in einer erhabenen Maske auf der Walzenoberfläche besteht.