ES2742183T3 - Construcción compuesta de material textil para uso como medio de filtrado - Google Patents

Abstract

Una construcción compuesta de material de tela, para uso como un elemento o medio de filtro en aplicaciones acústicas que también proporciona una función protectora, en donde dicha construcción comprende una combinación de al menos una capa de nanofibras soportada por un tejido sintético de precisión tejido a ángulos rectos con monofilamento, en donde dicha al menos una capa de nanofibra está revestida sobre dicho tejido mediante un método de recubrimiento por electro-hilado y estando embebida en dicho tejido, formando así un elemento o medio de filtración único o unido por cohesión, en donde dicha capa de nanofibra está hecha de nanofibras que tienen un diámetro que varía de 100 a 900 nm, evitando la construcción compuesta el paso de partículas con un tamaño de partícula de 1-2 μm.

Description

DESCRIPCIÓN

Construcción compuesta de material textil para uso como medio de filtrado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

[0001] La presente invención se refiere a una construcción compuesta de material textil para uso como un elemento o medio de filtrado.

[0002] En la actualidad, las partículas que tienen un tamaño de partícula inferior a 1-2 micrones no se pueden separar por medio de materiales de tela filtrantes, debido a las limitaciones tecnológicas del proceso de tejido que impide que se tejan materiales de tela con una abertura de malla menor de 5 micrones.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

[0003] Por consiguiente, el objetivo de la presente invención es proporcionar una construcción compuesta de material textil que evite que pasen a su través partículas que tienen un tamaño de partícula de 1-2 micrones.

[0004] Dentro del alcance del objetivo mencionado anteriormente, un objetivo principal de la invención es proporcionar una construcción compuesta de material de tejido de este tipo que tenga propiedades de filtrado preciso y selectivo como las de tejidos de precisión, junto con una capacidad de filtrado de polvo.

[0005] Otro objeto más de la presente invención es proporcionar una construcción compuesta de material de tela de este tipo adaptada para aumentar la vida útil de los medios de filtración hechos de este modo.

[0006] Otro objeto más de la presente invención es proporcionar tal construcción compuesta de material de tela que tenga una impedancia acústica menor que la de materiales de tela con un tamaño de malla similar, para uso en aplicaciones acústicas que también proporcionen una función protectora, por ejemplo en un teléfono celular donde la tela también protege partes internas del teléfono de partículas magnéticas y de polvo, es decir, una tela con un tamaño de malla muy pequeño y una impedancia de tela baja, mientras que permite que el sonido pase a través de ella.

[0007] El objetivo y los objetos mencionados anteriormente, así como también otros objetos, que se harán más evidentes en lo sucesivo, se consiguen mediante una construcción compuesta de material textil para usar como un elemento o medio de filtro, caracterizada porque dicha construcción comprende una combinación de una o más capas de nanofibras y un tejido sintético de precisión tejido a ángulos rectos con monofilamento según la reivindicación 1.

[0008] La capa de nanofibras, en particular, está superpuesta o revestida sobre dicho tejido de monofilamento mediante un método de recubrimiento electro-hilado y se incrusta en dicho tejido de soporte formando así un elemento o medio de filtrado único o unido cohesivamente. Una capa de material adhesivo adicional, por ejemplo, un material de cola acrílica en solución acuosa, también se puede depositar sobre la construcción de tela anterior, para aumentar la unión cohesiva del material de tela y las nanofibras.

[0009] Por lo tanto, el material de tela anterior proporciona una membrana filtrante de resistencia estructural muy alta.

[0010] De acuerdo con un aspecto de la presente invención, también es posible depositar una capa de nanofibra en ambas caras del material de tela y/o unir a la misma una capa de tela adicional formando así una disposición de tela en sándwich que incluye en ella la capa de nanofibra, que es muy ventajosa en varias aplicaciones de filtrado, tales como acústicas, vehículos, productos de línea blanca, agua, aplicaciones de diagnóstico y filtrado médico que requieren medios de filtrado permeables y eficientes con un alto filtrado de partículas micrométricas conservando buenas propiedades de caudal.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0011] Otras características y ventajas de la presente invención se harán más evidentes a continuación a partir de la siguiente descripción detallada de una realización preferida, aunque no exclusiva, de la invención que se ilustra, por medio de un ejemplo indicativo, pero no limitativo, en los dibujos adjuntos, donde:

la figura 1 muestra esquemáticamente un aparato de electrohilado;

la Figura 2 muestra una tabla que muestra los parámetros caracterizantes del material de tejido de base PA 120.30 WO, junto con su eficiencia de filtrado;

la Figura 3 es otra tabla que muestra los parámetros de caracterización de un material filtrante acoplado o laminado que consiste en un material de tela nanofibras PA 120.30 WO;

la Figura 4 es otra tabla que muestra los parámetros de caracterización de un material de tejido base PES AM 120.34 WB;

la Figura 5 es otra tabla que muestra los parámetros de caracterización de un material laminado que consiste en un material de tejido nanofibras PES AM 120.34 WB, la capa de nanofibra siendo depositada en un solo lado del tejido;

la Figura 6 es otra tabla que muestra los parámetros de caracterización de un material laminado que consiste en un material de tejido nanofibras PES AM 120.34 WB, la capa de nanofibra siendo depositada tanto en un solo lado del tejido como en sus dos lados;

la Figura 7 es otra tabla que muestra los parámetros de caracterización de un material acoplado o laminado que consiste en un material de tela nanofibras PES AM 150.27, la capa de nanofibra se deposita en un solo lado del tejido recubierto con adhesivo;

las Figuras 8, 9 y 10 son fotos que muestran el elemento o los medios de filtrado que incluyen un material sintético de tela de precisión monofilamento con una capa de nanofibras dispuesta al azar; y

las figuras 11 y 12 son fotografías adicionales del elemento o medios de filtrado que incluyen un material sintético de tela de precisión monofilamento y una capa de nanofibra después de un ensayo de eficiencia de filtrado. DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERIDAS

[0012] Con referencia a las referencias numéricas de las figuras mencionadas anteriormente, la construcción compuesta de tela de acuerdo con la presente invención comprende un material de tela sintética de precisión de malla monofilamento lisa.

[0013] Debe señalarse que, debido a su estructura de malla muy uniforme y coherente, el tejido de la invención tiene una alta resistencia y buenas características de manejo, haciendo de dicho tejido compuesto un material de base ideal para aplicaciones de filtrado.

[0014] De hecho, dicho tejido compuesto tiene un peso, grosor, propiedades superficiales, resistencia a la temperatura, muy mejorados con respecto a los de tejidos anteriores de hilos múltiples, manteniéndose constantes las propiedades ventajosas anteriores a lo largo de la longitud total del rollo de tejido y de un lote de tela a otro lote de tela.

[0015] Sin embargo, el tejido de precisión de la invención se fabrica con un rango de tolerancia muy estrecho, proporcionando así un elemento o medios de filtrado con una eficiencia de filtrado y una permeabilidad al flujo de aire constantes, y esto, como se indica, con su tamaño de poro constante y propiedades constantes del monofilamento o hilo utilizado para tejerlo.

[0016] Además, el tejido de precisión tiene una muy buena resistencia a la intemperie, al agua y a la humedad, y puede fabricarse fácilmente a escala industrial.

[0017] El antedicho tejido de precisión de punto simple de hilo sintético monofilamento tejido a ángulos rectos puede estar hecho de poliéster, poliamida, polipropileno, polifenilsulfuro, PEEK, PVDF, PTFE, con un tamaño de malla en un rango de tamaño de malla de 2000 mm a 5 mm, y puede utilizarse como base de soporte para soportar la capa o membrana de nanofibras.

[0018] El tejido también puede estar hecho de polímeros orgánicos que comprenden: PA 6, PA 6/12, Poliaramidas, PUR, PES, PVA, PVAC, PAN, PEO, PS, polímeros conductores (politiofenos), polímeros a base de flúor, etc.

[0019] El tejido también puede estar hecho de biopolímeros que comprenden quitosano, queratina, colágeno, péptidos, etc.

[0020] La tela base se selecciona en base a su tamaño de malla y materiales, la cantidad de nanofibra depositada, el espesor de la capa depositada y el polímero formador de nanofibra en función de las características requeridas para la aplicación prevista.

[0021] También es posible electrohilar biopolímeros adaptados para aplicaciones médicas, no necesariamente de un tipo filtrante, que requieren una biocompatibilidad del material utilizado.

[0022] En el estudio de los medios de filtrado de membrana de tejido/nanofibra acoplados o laminados, se ha utilizado una gama de materiales de tejido de una clase Saati y una clase de polímero electrohilable.

[0023] En particular, las nanofibras y el sustrato se han diseñado de modo que proporcionen una eficacia máxima de filtrado con una pérdida de presión y permeabilidad aceptables.

[0024] En este sentido, debe señalarse que la palabra "filtro" significa en este documento cualquier sistema tridimensional en el que una dimensión geométrica puede considerarse principal con respecto a las otros dos.

[0025] En nanofibras, en particular, el diámetro es inferior a 1 micra, y del orden de nanómetros (100-900 nm).

[0026] Las propiedades de dichas nanofibras y material de tejido de nanofibras comprenden una gran superficie específica, una alta relación superficie / volumen, un pequeño tamaño de poro, una alta porosidad, un patrón tridimensional, una alta permeabilidad y una baja resistencia al flujo de aire, una buena separación de las partículas, una buena capacidad para rechazar materiales en polvo y propiedades físico-mecánicas mejoradas, lo que permite lograr una "ganancia" evidente en sí misma respecto al área activa de la fibra, propiedades de filtrado mejoradas y ventajas evidentes desde un punto de vista de flujo.

[0027] Las muy buenas propiedades multifuncionales antes mencionadas permiten usar dichas nanofibras dentro de un amplio rango de aplicaciones, tales como:

- materiales textiles técnicos;

- elementos o medios de filtración, para filtrar líquido y aire;

- materiales de tela de protección y barrera (en aplicaciones sanitarias, militares, artículos de tela, etc.);

- dispositivos y materiales biomédicos (vectores de liberación de fármacos, dispositivos hemostáticos, tejidos orgánicos especializados y materiales de vendaje);

- en campos médicos y de diagnóstico;

- en aplicaciones de absorción de sonido;

- como refuerzo de material compuesto;

- como una máscara cosmética para la piel (agentes de limpieza y terapias farmacológicas para la piel);

- disposiciones puente para materiales de tejido orgánico, como membranas porosas cutáneas, disposiciones tubulares para recuperar vasos sanguíneos y tejidos nerviosos, puentes tridimensionales para recuperar huesos y cartílagos.

[0028] Además, la construcción de tejido y nanofibra de acuerdo con la presente invención también se puede usar en un sistema para depositar nanofibras poliméricas sobre un sustrato de tejido mediante un proceso de electrohilado que puede aplicarse a una amplia gama de materiales poliméricos que también pueden modificarse agregando a los mismos aditivos adecuados, proporcionando así materiales de tela de rendimiento mejorado para ser utilizados en aplicaciones específicamente diseñadas.

[0029] Como se sabe, un proceso de electrohilado proporciona las siguientes grandes ventajas principales:

- una posibilidad de cambiar rápida y simplemente de una escala de laboratorio a una escala industrial;

- un alto rendimiento de producción;

- una buena repetibilidad;

- un control preciso del tamaño y el patrón de fibra;

- un control preciso de la cantidad de fibra depositada;

- un control fácil y rápido de la producción de fibra;

- una fácil modificación de las propiedades del material de tela simplemente añadiendo aditivos a la solución de partida;

- un bajo consumo de materias primas (con un patrón de trama de nanofibras muy ligero y, por consiguiente, una producción económica debido al ahorro de material);

- una temperatura ambiente del proceso, sin riesgo de degradar materiales y con un bajo costo operativo de consumo de energía, y una gran eficiencia económica;

- un fácil mantenimiento y servicio de los sistemas de proceso;

- características de funcionamiento altamente seguras.

[0030] Además, el proceso de electrohilado permite el "hilado en frío" de fibras poliméricas de tamaño nanométrico a partir de una solución polimérica concentrada sometida a un campo eléctrico externo adecuado.

[0031] Un aparato de electrohilado muy simple para realizar el proceso anterior, generalmente indicado por el número de referencia 1 en la figura 1, comprende esencialmente los siguientes tres elementos componentes principales:

una fuente de tensión, generalmente indicada por el número de referencia 2, adaptada para generar una alta diferencia de potencial (5-50 kV);

un dispositivo de matriz 3, es decir, un dispositivo que proporciona filamentos, que incluye una jeringa, un conjunto capilar y de boquilla, un recipiente relacionado, y así sucesivamente, del que se expulsa una solución polimérica y que funciona como un electrodo positivo; y

un colector 4 en el que se recogen las nanofibras electrohiladas y que funciona como contraelectrodo.

[0032] En este aparato, aplicando el campo eléctrico, la solución se carga, proporcionando así fuerzas electrostáticas opuestas a la tensión superficial, para generar un fenómeno de inestabilidad que forma un chorro.

[0033] Al evaporar rápidamente el disolvente, la sección transversal se reduce con una gran elongación del chorro que se convierte en un filamento delgado continuo, que comienza a solidificarse y se deposita sobre la superficie del colector.

[0034] En el aparato, el material sintético de tela monofilamento está dispuesto en el contraelectrodo, a una distancia adecuada dada del dispositivo de matriz.

[0035] Al aplicar una diferencia de potencial predeterminada entre los dos electrodos, las nanofibras se depositan por chorro directamente sobre el material de tela filtrante, o pueden también depositarse con un patrón orientado al azar, para formar sobre el tejido un patrón de trama con una alta relación superficie/volumen y un tamaño de poro muy pequeño, las nanofibras depositadas estando unidas a la tela por fuerzas químicas y físicas, lo que proporciona un ensamblaje integral con la misma

[0036] También se puede usar un pre-procesamiento por plasma del material de tela para mejorar aún más la adherencia de dichas nanofibras a la subcapa y su uniformidad de deposición.

[0037] Para aumentar aún más esta adherencia, es posible además proporcionar una distancia tal entre el dispositivo de matriz y el contraelectrodo sobre el que se soporta el sustrato, que dichas nanofibras no estén en estado seco cuando entren en contacto con la tela filtrante.

[0038] Los parámetros de proceso que deben ajustarse para lograr capas de nanofibras de diferentes propiedades son el tamaño de fibra, el tamaño promedio de los poros, el espesor de la capa depositada y el peso de la capa de nanofibras (g/m2).

[0039] El proceso de electrohilado se puede controlar ajustando los parámetros del proceso, las propiedades del material y las condiciones ambientales.

[0040] El diámetro de nanofibra, sus características y propiedades se pueden modular fácilmente ajustando más los parámetros del proceso.

[0041] La solución de partida se caracteriza por su viscosidad, concentración de polímero y conductividad y volatilidad eléctrica del disolvente.

[0042] Las condiciones ambientales se caracterizan por la humedad relativa, la temperatura y la presión, mientras que las condiciones del proceso se caracterizan por la diferencia de potencial aplicada, la distancia entre el dispositivo de matriz y la superficie de depósito, la distancia entre los electrodos, el flujo de la solución y la velocidad de depósito.

[0043] Al ensayar los resultados de la presente invención, ha sido posible detectar los parámetros más significativos del proceso inventivo, y los ensayos se han repetido variando los valores de dichos parámetros, hasta optimizar el producto final, para proporcionar fibras geométricamente homogéneas que tienen un tamaño y una construcción tales que proporcionan una distribución homogénea y uniforme del tamaño de poro con una alta eficiencia en el filtrado de partículas micrométricas, al tiempo que mantienen una alta permeabilidad controlada mediante la modulación del espesor de la capa y el tamaño de poro promedio.

Resultados experimentales

[0044] Las muestras de tejidos inventivos se han caracterizado con respecto a su eficiencia de filtrado utilizando un banco de pruebas de eficiencia de filtrado y un sistema Saati convencional para verificar las proporciones de partículas bloqueadas por los medios de filtrado, la resistencia al flujo del material laminado o acoplado, determinada midiendo su permeabilidad y la resistencia al paso del sonido determinada por las mediciones de impedancia acústica.

[0045] Se ha fabricado y caracterizado un lote de diferentes muestras de tejido hechas de nanofibras poliméricas PUR cubiertas de poliéster y nailon.

[0046] Los resultados más significativos se enumeran a continuación.

[0047] Tejido PA 120.30 WO cubierto de nanofibra.

Características del tejido base:

Tamaño de malla = 55 pm

Alta permeabilidad 5600 I / m A 2s

CA Fibrodat 111,9°

[0048] La tabla de la figura 2 muestra los parámetros que caracterizan la eficiencia de filtrado del tejido base inventivo.

[0049] La tabla de la figura 3 muestra los parámetros de caracterización de la tela material acoplado o laminado de nanofibras.

[0050] Una tela PES AM 120.34 WB pre-procesada por plasma cubierta de nanofibra

Características del tejido base.

Tamaño de malla = 47 |jm

Permeabilidad al aire 4500 I / m A 2s

[0051] La tabla de la figura 4 muestra además el parámetro de caracterización del tejido base.

[0052] La tabla de la figura 5 muestra los parámetros de caracterización de la tela material acoplado o laminado de nanofibras, con la capa de nanofibras depositada en un solo lado o cara de la tela, y la tabla de la figura 6 muestra los parámetros de caracterización de la tela material acoplado de nanofibras con la capa de nanofibras depositada en un solo lado del tejido y en los dos lados del tejido.

[0053] Una nanofibra negra repelente al agua cubrió el tejido PES AM 150.27.

Características del te jido base

[0054]

Tamaño de malla = 38 jm

Permeabilidad al aire 4500 I / m a 2s

Impedancia acústica = 47 MKS Rayls

[0055] La tabla de la figura 3 muestra los parámetros característicos del tejido material acoplado de nanofibra, con la capa de nanofibra depositada en una sola cara del tejido.

[0056] La construcción compuesta de material de tela según la presente invención tiene una permeabilidad mayor que la de las telas sintéticas de precisión monofilamento con valores similares del tamaño de malla: de hecho, siendo el tamaño de malla el mismo, la permeabilidad del elemento o medios de filtrado acoplados se incrementan en un factor de 2,5 respecto a la de un tejido sintético de precisión monofilamento.

[0057] La construcción compuesta de material de tela de la invención, además, proporciona medios de filtración que tienen una eficiencia de filtración del 99% hasta 2 jm , y en consecuencia una alta eficiencia de filtración para partículas que tienen un tamaño de partícula <5 jm (que es el límite de filtración de anteriores tejidos de filtrado de precisión).

[0058] Además, la construcción compuesta de material de tela de acuerdo con la presente invención proporciona una capacidad de rechazo de polvo, aunque limitada a las telas de filtración, y tiene una impedancia acústica menor que la de las telas sintéticas de precisión monofilamento que tienen similares valores de tamaño de malla: de hecho, siendo el mismo el tamaño de malla de apertura, la resistencia al paso del sonido de los medios de filtrado acoplados de la invención es menor en un factor de 1,5 que la de un tejido sintético de precisión monofilamento.

[0059] Otras características importantes de la construcción compuesta de material de tejido de la invención son que tiene una característica de filtrado eficiente de larga duración con una gran vida útil del recubrimiento de nanofibras.

Parámetros de caracterización morfológica del elemento de filtración de medios según la presente invención.

[0060] La morfología y la distribución del diámetro de los filamentos electrohilados se han caracterizado por una investigación SEM, que muestra que las nanofibras tienen diámetros que varían de 80 a 850 jm , dependiendo de la muestra seleccionada, y están interconectadas entre sí para definir un patrón de trama delgado con un tamaño de poro muy pequeño.

[0061] Las figuras 8, 9 y 10 muestran fotografías SEM de los medios de filtrado constituidos por un tejido sintético de precisión monofilamento y una capa de nanofibras dispuestas de manera aleatoria.

[0062] Las figuras 11 y 12 son fotografías SEM adicionales de los medios de filtrado constituidos por un tejido sintético de precisión monofilamento y una capa de nanofibras después de un ensayo de eficiencia de filtrado.

[0063] Debería ser evidente que las partículas contenidas en la solución de ensayo estaban firmemente bloqueadas por el componente de tela y atrapadas en el componente de nanofibra de los medios de filtración de la invención.

[0064] Se ha encontrado que la invención logra completamente el objetivo y los objetos propuestos.

[0065] De hecho, la invención ha proporcionado una construcción compuesta de material de tela para su uso como elemento o medio de filtro que permite evitar el paso de partículas con un tamaño de partícula de 1 a 2 micrones que, hasta ahora, no podían separarse por tejidos previos de filtrado, debido a las limitaciones tecnológicas antes mencionadas de los procesos de tejido anteriores, que no permiten fabricar tejidos con un tamaño de malla inferior a 5 micras.

[0066] Además, la construcción compuesta de tela según la invención proporciona un filtrado de precisión y selectivo como el de una tela de precisión típica junto con una capacidad de rechazo de polvo (aunque limitada debido al pequeño espesor de la capa de nanofibra).

[0067] Además, la construcción de tejido compuesto según la invención permite aumentar la vida útil promedio de los medios de filtración debido a la provisión de la capa de nanofibra que atrapa las partículas en su espesor.

[0068] Si el tamaño de los poros es el mismo, la permeabilidad es mayor, con una consiguiente menor caída de flujo / presión entre las porciones aguas arriba y aguas abajo de los filtros.

[0069] Además, la construcción de tejido compuesto de la invención tiene una impedancia acústica menor que la de tejidos anteriores que tienen valores similares de tamaño de malla, característica que es muy importante para aplicación acústica en la que el material textil también proporciona una función protectora para partes internas de aparato (tales como teléfonos celulares) contra partículas ferromagnéticas y en polvo.

[0070] Finalmente, la presente invención supera los límites de uso de las membranas de nanofibras debido a la pobre resistencia mecánica de éstas.

[0071] En la práctica de la invención, los materiales útilizados, y el tamaño y las formas contingentes, pueden ser cualesquiera, según los requisitos.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Una construcción compuesta de material de tela, para uso como un elemento o medio de filtro en aplicaciones acústicas que también proporciona una función protectora, en donde dicha construcción comprende una combinación de al menos una capa de nanofibras soportada por un tejido sintético de precisión tejido a ángulos rectos con monofilamento, en donde dicha al menos una capa de nanofibra está revestida sobre dicho tejido mediante un método de recubrimiento por electro-hilado y estando embebida en dicho tejido, formando así un elemento o medio de filtración único o unido por cohesión, en donde dicha capa de nanofibra está hecha de nanofibras que tienen un diámetro que varía de 100 a 900 nm,

evitando la construcción compuesta el paso de partículas con un tamaño de partícula de 1-2 pm.

2. Una construcción compuesta, según la reivindicación 1, caracterizada porque dicha capa de nanofibras está recubierta sobre un solo lado de dicho tejido o sobre ambos lados de dicho tejido.

3. Una construcción compuesta, según la reivindicación 1, caracterizada porque dicha capa de nanofibras se reviste sobre dicho tejido después de haber recubierto sobre dicho tejido un material adhesivo.

4. Una construcción compuesta, según la reivindicación 1, caracterizada porque dicha construcción comprende además una tela adicional proporcionando así una disposición de tela sándwich que incluye en ella dicha capa de nanofibra.