ES2928814T3 - Membrana compuesta y método para producir una membrana compuesta - Google Patents

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woven
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Mohammad Mokbul Hossain
Christoph Ellenberger
Matteo Camani
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Sefar AG
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Abstract

La invención se refiere a un método para producir una membrana compuesta, en el que se proporciona una malla tejida como capa de soporte, y sobre la capa de soporte se dispone una membrana con una estructura de poros, en el que la membrana se produce directamente sobre la malla tejida por electrohilado. de fibras superpuestas. De acuerdo con la invención, la membrana se produce con al menos dos fibras diferentes, estando hechas las primeras fibras con un primer material polimérico y las segundas fibras estando hechas con un segundo material polimérico, que es diferente al primer material polimérico, y las primeras fibras están térmicamente unidas a la malla tejida mientras que las segundas fibras no forman una unión térmica a la malla tejida. Además, la invención se refiere a una membrana compuesta respectiva. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Membrana compuesta y método para producir una membrana compuesta
La invención se refiere a un método para producir una membrana compuesta según la reivindicación 1.
La invención se refiere además a una membrana compuesta según la reivindicación 14.
Pueden extraerse una membrana compuesta genérica y un método para su producción de los documentos EP 3366 362 A1 o EP 3231 595 A1. La membrana compuesta conocida comprende una malla tejida como capa de soporte, y una membrana con estructura de poros dispuesta sobre la capa de soporte, en la que la membrana se produce directamente sobre la malla tejida mediante electrohilado ("electrospinning") con formación de fibras superpuestas. La capa de soporte y la membrana se unen mediante un proceso de fusión en caliente o por encolado.
Del documento US 2008/0220676 A1 se puede extraer una prenda que tiene una capa de tejido y una capa de nanofibras recubiertas. En un primer momento, se produce la capa de nanofibras que, posteriormente, recibe un recubrimiento líquido. Después, la capa de fibra así recubierta se une a una capa de tejido.
Puede extraerse un textil compuesto para una prenda de vestir que tiene una capa de tejido interior, una capa de tejido exterior y una capa de barrera que consiste en una membrana no tejida de fibras del documento WO 2013/043397 A2. La membrana de fibra está provista de un recubrimiento con plasma antes de ser unida a las capas de tejido.
El documento US 2013/0197664 A1 describe un medio filtrante con una membrana electrohilada que se aplica a una estructura de soporte. La estructura de soporte puede ser de metal, cerámica, fibra de vidrio, grafito o un material polimérico.
Para el rendimiento general y la estabilidad a largo plazo de una membrana compuesta, el tipo de unión entre la capa de soporte y la membrana es de especial importancia. Por ejemplo, la unión adhesiva puede reducir o bloquear parcialmente los orificios en la malla de soporte y en la membrana, lo que provoca una reducción significativa del rendimiento del flujo de paso y de la superficie específica de la membrana compuesta. Por otro lado, se requiere una conexión firme entre la capa de soporte y la capa de membrana para evitar el riesgo de deslaminación entre ambas capas. La deslaminación de la capa de la membrana suele producirse bajo diversas tensiones durante sus aplicaciones, lo que altera las formas y el estado iniciales. La adhesión inadecuada entre las fibras electrohiladas en la capa de membrana es también un problema importante.
Es un objeto de la invención proporcionar un método para producir una membrana compuesta y una membrana compuesta respectiva, mediante el cual se consigue una unión robusta y fiable, junto con una alta permeabilidad de la membrana compuesta.
El objeto se consigue según la invención, por un lado, mediante un método con las características de la reivindicación 1 y, por otro lado, mediante una membrana compuesta con las características de la reivindicación 14. Las realizaciones preferidas de la invención se especifican en las respectivas reivindicaciones dependientes.
Según la invención, se propone un método para producir una membrana compuesta, en el que se proporciona una malla tejida como capa de soporte, y sobre la capa de soporte se dispone una membrana nanofibrosa con una estructura posterior, en la que la membrana se produce directamente sobre la malla tejida por electrohilado de fibras superpuestas, en el que la membrana se produce con al menos dos fibras diferentes, estando las primeras fibras fabricadas de un primer material polimérico y las segundas fibras fabricadas de un segundo material polimérico, que es diferente al primer material polimérico, y las primeras fibras están unidas térmicamente a la malla tejida, mientras que las segundas fibras no forman una unión térmica con la malla tejida. El tratamiento térmico también mejora la adhesión entre las segundas fibras y las primeras fibras.
Según un aspecto de la invención, la membrana está fabricada de al menos dos tipos de fibras que son diferentes en sus materiales. La primera fibra está fabricada de un primer material polimérico, que permite una unión térmica a un material polimérico de la malla tejida. La unión entre la malla tejida y la primera capa de fibras podría establecerse inmediatamente por electrohilado directo de las primeras fibras y/o la unión térmica se lleva a cabo en una etapa distinta mediante la aplicación de calor y presión conjuntamente sobre las primeras fibras, las segundas fibras y la malla tejida.
La segunda fibra comprende un material polimérico diferente, en concreto con un punto de fusión diferente o más alto que el material polimérico de la primera fibra. En el método, la temperatura y la presión se ajustan de tal manera que, durante el establecimiento de la unión térmica de las primeras fibras a la malla tejida, no se alcance ni se supere el punto de fusión del segundo material de fibra.
Mediante este método de la invención, se puede fabricar una membrana compuesta que tiene una unión firme entre la capa de soporte y la capa de membrana debido a las características de las primeras fibras en relación con la malla tejida, así como una estructura robusta de la capa de membrana debido a las características de las segundas fibras. Como la unión térmica o similar a una soldadura se forma solo con una parte de las fibras, el número de orificios bloqueados por el material fundido se mantiene bajo. Así, se puede alcanzar una alta permeabilidad de la membrana compuesta.
La membrana compuesta producida por el método según la invención se distingue de otras membranas poliméricas, en concreto, por una estructura multicapa, reticulada en red, con reticulación tridimensional, en forma de nido o de rejilla, con una superficie específica elevada, y por tanto una proporción superficie específica/volumen elevada.
Según una variante preferida del método de la invención, se prevé que el electrohilado se lleve a cabo en condiciones definidas, en las que, al entrar en contacto con la malla tejida, el primer material polimérico de las primeras fibras no esté completamente curado y forme la unión a los filamentos de la malla tejida y/o a las segundas fibras. En concreto, cuando el electrohilado se realiza directamente sobre la malla de soporte, las primeras fibras siguen estando en estado parcialmente fundido al entrar en contacto con la malla tejida. En contacto directo con la malla tejida, el material de las primeras fibras se cura o endurece, al mismo tiempo que se establece la unión térmica con el material de la malla tejida tras la etapa de electrohilado. En concreto, para llevar a cabo esta etapa del método, la temperatura de la capa de soporte se calienta o se ajusta a una temperatura y presión definidas que permiten un tiempo suficiente para establecer esta unión térmica. Además, el tratamiento térmico crea un punto de unión entre las nanofibras y, por tanto, se puede obtener una gran fuerza de adhesión. El tratamiento térmico no produce degradación térmica ni cambios en la composición química de los materiales de membrana y de malla tejida.
Según otra realización preferida de la invención, la membrana electrohilada se produce directamente sobre la capa de soporte con al menos dos capas, una primera capa en contacto con la malla tejida que se produce sustancialmente con las primeras fibras y la segunda capa que se produce sustancialmente con las segundas fibras. En esta realización, los diferentes tipos de fibras no están igualmente distribuidos en la membrana. En concreto, se prevé que en la primera capa en contacto con la malla tejida, la tasa de las primeras fibras sea mayor que la tasa de las segundas fibras, mientras que, en la segunda capa, la tasa de las segundas fibras sea mayor que la tasa de las primeras fibras. Preferentemente, con un porcentaje de entre el 60 % y el 90 % de las primeras fibras de la primera capa se puede conseguir una unión térmica firme, mientras que la segunda capa está interconectada con la primera por la reticulación de las diferentes fibras.
En esta variante del método, se prefiere que la primera capa y la segunda capa se produzcan en la misma etapa o en dos etapas separadas y desplazadas en el tiempo. Dependiendo del tipo de materiales, la primera y la segunda capa pueden disponerse simultáneamente sobre la malla tejida o en momentos diferentes.
Como alternativa, la membrana se produce con una sola capa que incluye las primeras fibras y dichas al menos segundas fibras. En general, la membrana puede comprender una pluralidad de fibras diferentes fabricadas de diferentes materiales poliméricos. Las propias fibras pueden estar formadas preferentemente por un único material polimérico o pueden estar fabricadas de dos o más materiales poliméricos diferentes. El material de las primeras fibras se selecciona especialmente para crear una unión firme con el material contenido en la capa de soporte.
Preferentemente, el primer material polimérico de las primeras fibras difiere del segundo material polimérico de las segundas fibras en su estructura química y/o en sus propiedades físicas. El material polimérico puede comprender una estructura diferente de los hidrocarburos o del polímero. Un material que tenga la misma estructura química puede ser pretratado para establecer diferentes propiedades físicas y químicas.
Según una variante preferida del método de la invención, el primer material polimérico tiene un primer punto de fusión, que es inferior a un segundo punto de fusión del segundo material polimérico. Esta selección de los materiales poliméricos permite establecer una unión térmica a una temperatura definida con un material al menos parcialmente fundido de las primeras fibras, mientras que el material de las segundas fibras está todavía en un estado firme sin fundir. Esto permite, por un lado, una unión térmica fiable por parte de las primeras fibras a la malla tejida y también a las segundas fibras y, por otro lado, la formación de una estructura estable de la capa de membrana por parte de las segundas fibras.
Para conseguir una membrana compuesta de alta calidad, se prefiere además que la malla tejida comprenda al menos un primer filamento de un primer material filamentoso, que forma una unión térmica con las primeras fibras de la membrana. En concreto, la malla tejida puede comprender dos o más filamentos fabricados de diferentes materiales poliméricos. Al menos el material del primer filamento de la malla tejida se selecciona en concordancia con el material polimérico de la primera fibra de la membrana, de manera que la combinación de ambos materiales permita establecer una unión térmica. Con una distribución definida del primer filamento en la malla tejida se puede conseguir un patrón definido de uniones térmicas entre la malla tejida y la membrana. Esto permite un ajuste fino del grado o la fuerza de las uniones térmicas entre la malla tejida y la membrana.
En concreto, es ventajoso que la malla tejida comprenda unos primeros filamentos del primer material filamentoso y al menos un segundo filamento de un segundo material filamentoso, que no forma una unión térmica de la membrana. Opcionalmente, el primer filamento puede fabricarse con el primer y segundo material filamentoso.
Para producir la unión térmica, se prefiere, según una variante de la invención, que se realice una etapa de calandrado térmico o de recocido térmico. Estas etapas pueden llevarse a cabo después de colocar las capas de membrana sobre la malla tejida.
El riesgo de bloqueo de los orificios en la membrana compuesta puede reducirse aún más si, antes del electrohilado, la malla tejida se rocía con un material polimérico termoplástico y la unión térmica entre la membrana y la malla tejida se realiza mediante el material polimérico rociado. Así, no es necesario que las primeras fibras estén formadas completamente por el primer material polimérico. Además, el primer material polimérico para proporcionar la unión térmica podría estar dispuesto solo en la superficie de las primeras fibras. El primer material polimérico puede estar completamente recubierto en la superficie o, preferentemente, puede rociarse con un determinado patrón de puntos distantes entre sí. Por lo tanto, la combinación de las primeras fibras y la malla tejida rociada conduce a zonas de unión más extensas y conectadas en la membrana compuesta.
Para crear características específicas según un desarrollo posterior de la invención, la membrana compuesta se trata mediante una etapa de recubrimiento con plasma, en la que se aplica un recubrimiento superficial tanto a la capa de soporte con la malla tejida de monofilamentos como a la membrana electrohilada.
Mediante la adición o el recubrimiento de determinadas sustancias, se pueden crear características definidas de la membrana compuesta. En concreto, a la membrana y/o a la malla se les suministran propiedades antivirales, antimicrobianas y/o antifúngicas.
La invención también se refiere a una membrana compuesta que comprende una malla tejida como capa de soporte, y una membrana con una estructura de poros dispuesta sobre la capa de soporte, en la que la membrana se produce directamente sobre la malla tejida por electrohilado con formación de fibras superpuestas, en la que la membrana se produce con al menos dos fibras diferentes, las primeras fibras están fabricadas de un primer material polimérico y las segundas fibras están fabricadas de un segundo material polimérico, que es diferente al primer material polimérico, y las primeras fibras están unidas térmicamente a la malla tejida, mientras que las segundas fibras no tienen ninguna unión térmica con los filamentos de la malla tejida.
La membrana compuesta puede producirse mediante el método de la invención descrito anteriormente. Las realizaciones descritas y las ventajas de tales membranas compuestas pueden ser alcanzadas.
Una selección precisa de la capa de soporte, en concreto, de la finura de su hilo, el contenido de fibra en el primer y segundo filamento, la geometría, el patrón de tejido, la textura de la superficie, así como la proporción de superficies abiertas, puede tener una influencia considerable en la resistencia de la unión y también en la función de ventilación protectora final. Las cualidades de tracción de las capas de soporte dependen de la resistencia del filamento, la densidad de la malla, el patrón de tejido y el coeficiente de resistencia del filamento. Los monofilamentos del solicitante presentan características físicas de alta resistencia, como baja contracción, alta tenacidad y un nivel de módulo extremadamente alto. No se degradan fácilmente cuando se exponen a productos químicos destructivos y resisten en aplicaciones de alta temperatura tanto en ambientes húmedos como secos. Las propiedades de tracción se ven influidas además por la fuerza de unión del material compuesto, mientras que el grosor de la estera de nanofibras es menos importante para determinar la alta resistencia del elemento de ventilación de material compuesto.
La malla o tejido tiene preferentemente un diámetro de filamento o hilo de 10 pm a 1000 pm, más preferentemente de 15 pm a 80 pm, en concreto preferentemente de 30 pm a 150 pm y un orificio de malla de hasta 300 pm. Según la presente invención, una malla se define como un tejido de monofilamento. El término "malla" se utiliza como sinónimo de "tejido" o "textil" según la invención, que describen ambos la capa de soporte de la invención.
La membrana compuesta de la invención puede proporcionar una propiedad a prueba de polvo, muestra resistencia a la abrasión, es robusta, tiene alta estabilidad, muestra permeabilidad al vapor, es duradera, es permeable al aire y a los gases (alto flujo), alto rendimiento/caudal, puede ser lavada sin una pérdida significativa de la estructura o las propiedades, muestra una estabilidad térmica comparativamente alta, baja adsorción inespecífica (antiadhesión), superficies hidrofóbicas y/o oleofóbicas y excelente biocompatibilidad.
Según otra realización de la invención, es especialmente conveniente que el recubrimiento con plasma se deposite tanto en la membrana de nanofibras como en dicha al menos una capa de soporte. De este modo, se garantiza un uso flexible del elemento de ventilación protector, en el que las propiedades repelentes de aceite, grasa, patógenos, alérgenos, polvo y/o agua del elemento de ventilación protector pueden garantizarse independientemente de si la capa de soporte está dispuesta hacia el interior o el exterior del objeto ventilado.
Otra realización preferida según la invención es que el material sea al menos monoinsaturado y/o poliinsaturado, éteres, cetonas, aldehídos, alquenos, alquinos, amidas, aminas, nitrilos, tioéteres, ésteres del ácido carbónico, tioéteres, sulfonas, tiocetonas, tioaldehídos, sulfenos, sulfenamidas, fluoroacrilatos, siloxanos, epóxidos, uretanos, acrilatos, poliamida 6 (PA6), poliamida 6,6 (PA66), poliamida alifática, poliamida aromática, poliuretano (PU), poli(urea uretano), poli(alcohol vinílico) (PVA), poliacrilonitrilo (PAN), polilactida (PLA), policarbonato (PC), polibenzimidazol (PBI), poli(óxido de etileno) (PEO), poli(tereftalato de etileno) (PET), poli(tereftalato de butileno), polisulfona (PS), poli(cloruro de vinilo) (PVC), celulosa, acetato de celulosa (CA), polietileno (PE), polipropileno (PP), PVA/sílice, PAN/TÍO2, polieterimida (PEI), polianilina, poli(naftalato de etileno), caucho de estireno-butadieno, poliestireno, poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), poli(butileno de vinilo), poli(metacrilato de metilo) (PMMA), sus copolímeros, compuestos derivados y mezclas y/o combinaciones.
Para el material de recubrimiento se da especial preferencia a los materiales que, al utilizar un proceso de recubrimiento con plasma, liberan radicales o iones o partículas energéticas que contribuyen a crear una superficie oleofóbica y no polar similar al teflón (similar al politetrafluoroetileno) en el elemento de ventilación protector.
La membrana y/o la capa de soporte del material compuesto pueden estar fabricadas de poli(cloruro de vinilo) (PVDC), poli(fluoruro de vinilideno) (PVDF), polihexametilenadipamida (PA6.6), polidecanamida (PA12), polipropileno (PP), policaproamida (PA6), poli(tereftalato de etileno) (PET), etileno monocloro triflúor etileno (E-CTFE), etileno tetraflúor etileno (ETFE), polietileno (PE), polioximetileno (POM), policaprolactona (PCL), polisulfona (PS), quitosano (CH), polivinilbutiral (PVB), bromuro de 1-dodeciltrimetilamonio (DTAB), clorhexidina (CHX), bromuro de benciltrimetilamonio (BTAB), poliacrilato, PE de alta densidad, etileno-propileno fluorado (FEP), bicomponente (PA6/PA12), poli(tereftalato de butileno) (PBT), poliéter-éter cetona (PEEK), perfluoralcoxi (PFA), poliacrilonitrilo (fibras acrílicas) (PAN), bicomponente, retardante de llama de PET (PET/PBT), poliundecanamida (PA11), politetrafluoretileno (PTFE), polifenilensulfuro (PPS), polihexametilensebacinamida (PA6.10), aramida (AR), poli(naftalato de etileno) (PEN), poliamida-fibra de carbono (PA/CF), poliéster-fibra de carbono (PET/CF), poliéster-fibra cortada/metalfibra (PET/MT), fibra de carbono (CF), cobre (CU), poliimida (P84), cobre/plata (CU/a G), policarbonato (PC), poliamida alifática, poliamida aromática, poliuretano (PU), poli(alcohol vinílico) (PVA), polilactida (PLA), polibenzimidazol (PBI), poli(óxido de etileno) (PEO), poli(tereftalato de butileno), poli(cloruro de vinilo) (PVC), celulosa, acetato de celulosa (CA), polipropileno (PP), PVA/sílice, PAN/TiO2 , polieterimida (PEI), polianilina, poli(naftalato de etileno), caucho de estirenobutadieno, poliestireno, poli(butileno de vinilo), poli(metacrilato de metilo)(PMMA).
Además, se pueden tejer filamentos conductores durante el tejido y/o se pueden añadir aditivos al material de la membrana y/o a la capa de soporte para impartir propiedades adicionales, por ejemplo, una propiedad electrostática del material respectivo puede mejorar la adhesión de las partículas sólidas ultrafinas que se van a filtrar.
Según la invención, se prefiere que la capa de soporte esté firmemente conectada a la membrana. Esto puede evitar la deslaminación y/o un desplazamiento relativo de las capas. Para formar una membrana compuesta especialmente robusta, es ventajoso según la invención que la membrana esté dispuesta entre dos capas de soporte para aumentar la fuerza y la resistencia a la compresión del compuesto. Así, se pueden proporcionar al menos tres capas. En este caso, la membrana puede estar cubierta, al menos en parte, por capas de soporte en ambos lados, de manera que al menos dos capas de soporte pueden tener los mismos requisitos (disposición en sándwich) o diferentes propiedades (disposición híbrida), que pueden complementarse en su modo de funcionamiento. Por ejemplo, una primera capa de soporte puede estar diseñada con una propiedad hidrofóbica y/o oleofóbica, es decir, repelente al aceite, a la grasa y/o al agua, mientras que la segunda capa de nanofibras puede estar diseñada para repeler el sudor, la sangre, la purulencia, los alérgenos y los patógenos, en concreto como se ha definido anteriormente, y la tercera capa de soporte puede estar diseñada para ser ignífuga y/o antiestática.
La membrana compuesta de la invención puede fijarse e instalarse en un dispositivo de filtración mediante una costura o pegado o un elemento de bastidor. La costura o el pegado o el elemento de bastidor puede proporcionarse al menos en una zona circunferencial del material compuesto. El bastidor puede tener una propiedad firme o elástica y engloba la membrana compuesta. La costura puede ser un elemento separado o puede crearse calentando y moldeando o soldando el borde, con lo que se forma una conexión firme.
Según una realización de la presente invención, la membrana compuesta puede comprender uno solo o una combinación de los siguientes: prefiltro que se puede obtener "en el mercado" o que está fabricado de una sola o de una pluralidad de capas según la invención, es decir, membranas y/o capas de soporte; postfiltro que puede disponerse además o como alternativa al prefiltro en el material compuesto de la invención y puede diseñarse a partir de materiales y capas como se ha mencionado con respecto al prefiltro; membranas asimétricas y/o simétricas como una membrana de gradiente añadida (antes y/o después de la membrana compuesta) y/o como parte de la membrana compuesta de la invención.
Se prefiere especialmente que una pluralidad de capas de soporte y una pluralidad de membranas estén dispuestas alternativamente en el compuesto, dependiendo de los requisitos funcionales específicos de la aplicación. Las capas de soporte individuales y las membranas pueden, por ejemplo, diseñarse con diferente porosidad, distribución de poros, hidrofobicidad, oleofobicidad y diferente propiedad de repeler el polvo. Según un desarrollo adicional especialmente conveniente del compuesto de la invención, es ventajoso que la membrana se forme con un peso base de entre aproximadamente 0,05 g/m2 y aproximadamente 50 g/m2. El diámetro promedio de las fibras y el tamaño de los poros ya se pueden ajustar durante la producción de la membrana por el método de electrohilado y se pueden adaptar a los requisitos del elemento de ventilación protector según sea necesario. Preferentemente, el diámetro de los poros individuales difiere del diámetro promedio de los poros en no más del 500 %, preferentemente no más del 300 %, más preferentemente no más del 100 %. Las fibras se forman preferentemente en membranas con un diámetro de 40 nm a 1000 nm, especialmente preferible de 80 nm a 250 nm. Los diámetros de las fibras individuales de una membrana tienen preferentemente diámetros similares. En concreto, el diámetro de las fibras individuales difiere del diámetro medio de las fibras en menos de un 500 %, preferentemente en un 300 %, en especial preferentemente en menos de un 100 %. La membrana según la invención se puede utilizar, por ejemplo, para colchones, almohadas, edredones, ropa de cama, cojines, filtro de ventilación para equipos (eléctricos) (de entrada y/o de salida), mascarillas (quirúrgicas), batas (quirúrgicas), conjuntos de filtros en línea intravenosos, equipos de filtración a presión (por ejemplo, aerosoles nasales), en concreto en dispositivos médicos, ventilación de estancias y medios de barrera de ventilación para aplicaciones industriales.
La invención también se dirige a un producto de cama con al menos un elemento de ventilación protector con un material compuesto como el descrito en el presente documento. Un producto de cama comprende al menos los colchones, almohadas, edredones, ropa de cama, etc., descritos anteriormente.
La invención se dirige además a un aparato electrónico o eléctrico con una carcasa con al menos una membrana compuesta como se describe en el presente documento. Dichos aparatos comprenden al menos teléfonos móviles, reproductores multimedia portátiles, equipos de alta fidelidad, tabletas, ordenadores portátiles, dispositivos portátiles de cualquier tipo y televisores.
Además, el compuesto de la invención puede aplicarse en la tecnología de filtros, elementos de ventilación acústicos, filtros de ventilación, filtración de combustible, separación de agua, ropa, embalajes, juntas de construcción y electrónicas, zapatos, vendajes para heridas o mascarillas faciales. La porosidad individualmente ajustable de la membrana compuesta según la invención puede, por ejemplo, contribuir ventajosamente al depósito de los sólidos en una corriente de gas o proporcionar un soporte respiratorio activo, que puede ser utilizado en un tratamiento de heridas.
El término "membrana" y las expresiones "membrana de electrohilado", "capa de membrana", "capa de nanofibra", "capa nanofibrosa", "membrana de nanofibra", "estera de nanofibra" y "red de nanofibras" se utilizan indistintamente en este documento para referirse a un no tejido electrohilado. Una idea básica del método de la invención es formar una red de nanofibras a partir de una solución polimérica sobre una capa de soporte utilizando un aparato de electrohilado. En este caso, la membrana puede formarse con una porosidad definida, es decir, al menos con un tamaño de poro y/o una distribución de poros definida, ajustándose la densidad de fibras formadoras de membrana. Se puede ajustar el volumen proporcional de las fibras, así como el número promedio de fibras en un volumen determinado de la membrana. En este caso, la capa de soporte puede actuar, en concreto, como capa estabilizadora y/o protectora de la membrana. Por lo tanto, el compuesto de la invención es capaz de soportar una tensión mecánica significativa sin daños asociados con la formación del elemento de ventilación en formas y tamaños de filtro útiles.
Para un acoplamiento y una incorporación especialmente fiables de las capas compuestas individuales, puede ser ventajoso, según la invención, que la membrana se una a la capa de soporte mediante métodos bien conocidos en la técnica, incluidos, entre otros, la unión reactiva por fusión en caliente, la unión por láser, la soldadura por ultrasonidos, la laminación, el calandrado térmico o sus combinaciones. Por ejemplo, la unión por fusión en caliente puede realizarse con un adhesivo epoxi, de acrilato y/o de poliuretano. De este modo, se puede evitar la deslaminación de forma fiable.
Se prefiere especialmente que los puntos de conexión entre la capa de soporte y la membrana se proporcionen de forma puntual o lineal y que se distribuyan preferentemente de forma homogénea sobre el elemento de ventilación protector, lo que solo puede dar lugar a una ligera pérdida de porosidad o permeabilidad al aire.
Para un método de fabricación especialmente eficaz puede ser ventajoso, según un desarrollo posterior, que la membrana de electrohilado se produzca directamente sobre la capa de soporte, estando la membrana firmemente unida a la capa de soporte. En principio, es posible fabricar la membrana sobre un sustrato de recogida, por ejemplo una red no tejida de soporte o un tejido de soporte, mediante el método de electrohilado, y transferir la membrana en una segunda etapa a la capa de soporte deseada según la invención, por ejemplo un tejido, en un proceso de deslaminación-laminación.
El depósito directo de la membrana sobre la capa de soporte según la invención puede evitar complejos procesos de transferencia de la membrana. Además, la superficie de la capa de soporte puede ser modificada química y/o morfológicamente antes del proceso de electrohilado, por lo que la membrana puede adherirse con especial firmeza a la capa de soporte durante la formación de la membrana. La membrana puede tener un grosor de capa inferior a 100 |jm, en concreto inferior a 50 jm , y preferentemente puede tener un grosor de capa de 1 a 10 jm . Según la invención, una membrana con estos bajos espesores de capa puede contribuir ya a la columna de agua y a la permeabilidad al aire según la invención, en concreto cuando se proporciona sobre la capa de soporte del elemento de ventilación protector de la invención.
Según una realización del método de la invención, se proporciona al menos otra capa de soporte, que está igualmente conectada a la capa de membrana, estando la membrana dispuesta entre las capas de soporte. Para proteger la membrana, por ejemplo, contra las influencias mecánicas en un entorno agresivo que la perjudique, la membrana puede estar provista de capas de soporte por ambos lados.
En el caso de una disposición multicapa, una construcción denominada multicapa, la membrana compuesta puede estar formada por al menos dos capas de soporte y al menos dos capas de membrana, estando las capas de membrana dispuestas una encima de la otra. Preferentemente, al menos una capa de soporte está dispuesta entre la primera membrana y dicha al menos segunda membrana.
Mediante el recubrimiento con plasma, se aplica una película funcional ultrafina, en concreto una función hidrofóbica y/o oleofóbica, al elemento de ventilación protector, en concreto a las fibras individuales de la membrana y/o a las fibras o filamentos individuales de las capas de soporte. En este caso, se pueden conseguir espesores de capa especialmente finos, de unos pocos nm (nanómetros), en concreto menos de 80 nm, preferentemente de 5 nm a 40 nm. Los radicales generados durante la polimerización por plasma (polimerización por plasma dominada por radicales) son muy pequeños en relación con el diámetro de los poros y, por lo tanto, pueden penetrar fácilmente en los espacios entre fibras y filamentos. Por lo tanto, el diámetro de los poros de una capa de membrana según la invención no se ve alterado por un recubrimiento después de un depósito en fase gaseosa asistida por plasma, como, por ejemplo, el proceso PECVD. Estos polímeros plasmáticos pueden llevar incorporados grupos funcionales con flúor y/o sin flúor que, a diferencia de los fluorocarbonos clásicos, no contienen ácidos perfluoroalquílicos (PFOS, PFOA, etc.), que ya han sido identificados como una amenaza mundial para el medio ambiente. Además, los métodos basados en la química húmeda (rodillo, secado y curado ("pad-dry-cure"), etc.) que se utilizan habitualmente en el acabado textil no son adecuados para tratar la red de nanofibras, ya que los orificios (poros) pueden obstruirse.
Un aspecto preferido de los medios según la invención es que una membrana de electrohilado se produce directamente sobre la malla de monofilamento, estando la membrana firmemente conectada a la capa de soporte para su posterior procesamiento. El depósito de la membrana sobre la capa de soporte según la invención puede evitar complejos procesos de transferencia de la membrana. Además, la superficie de la capa de soporte puede ser modificada química y/o morfológicamente antes del proceso de electrohilado, por lo que la membrana puede adherirse con especial firmeza a la capa de soporte durante la formación de la membrana.
Una realización preferida de la membrana compuesta según la invención es que las membranas de electrohilado se forman preferentemente por depósito capa por capa y los polímeros de ambas capas pueden diferir en su naturaleza química y/o propiedades físicas, como el peso molecular. La capa intermedia (inferior) actúa finalmente como capa promotora de la adhesión y puede estar compuesta por materiales sensibles a la temperatura y a la presión, y la capa superior cumple funciones de filtración.
Otra realización preferida es que el depósito capa por capa se realiza preferentemente en una sola etapa utilizando al menos dos módulos de hilado electrónico, y cada módulo será alimentado con un polímero distinto y también los parámetros de hilado electrónico pueden ser controlados independientemente.
Una realización preferida de los medios según la invención es que la capa de soporte sea una malla de monofilamentos formada por al menos dos polímeros diferentes que tienen dos puntos de fusión diferentes adecuados para los tratamientos térmicos. Los dos polímeros difieren en su naturaleza química o en sus propiedades físicas, como el peso molecular.
Además, se prefiere que la malla de monofilamentos de la capa de soporte esté formada por dos capas de malla diferentes (por ejemplo, un tejido de doble capa), y al menos una capa está formada por filamentos adhesivos y/o polímeros de bajo punto de fusión.
Otra realización de los medios según la invención es que el primer filamento está formado por materiales del primer y/ segundo filamento. Así, se puede producir una malla de monofilamentos a partir de un filamento bicomponente. Las propiedades funcionales de ambos componentes pueden aprovecharse en un solo filamento.
En concreto, se prefiere que el primer filamento, el segundo filamento o el filamento bicomponente puedan producirse en formas con cualquier sección transversal y/o disposición geométrica. Las propiedades del filamento bicomponente dependen de:
• las propiedades de los dos componentes,
• su disposición en filamentos,
• la proporción relativa de los dos componentes,
• la finura del filamento final.
Una realización preferida de la membrana o medio compuesto según la invención es que la malla está tejida con diferentes patrones para obtener la máxima fuerza de unión durante los tratamientos térmicos.
Según otro desarrollo de la invención, el tratamiento térmico (recocido y/o calandrado) se lleva a cabo aplicando presión y/o temperatura a los materiales, lo que produce la soldadura del primer filamento/bicomponente y del segundo filamento para evitar el desplazamiento del monofilamento en el tejido y para estabilizar el sustrato de soporte.
En concreto, el tratamiento térmico (recocido y/o calandrado) se realiza aplicando presión y/o temperatura a los materiales, lo que provoca la soldadura de la red de nanofibras junto con el sustrato de soporte.
Además, el tratamiento térmico puede mejorar las propiedades mecánicas de la red de nanofibras mediante: • la mejora de la cristalinidad de las nanofibras,
• la creación de uniones o puntos de unión entre nanofibras en esteras,
• la mejora de la unión interfibrilar,
• la disminución del espesor del material compuesto o la mejora de la porosidad de las esteras de nanofibras, • el aumento de la resistencia a la tracción y el módulo.
Así, se pueden introducir nuevas propiedades en los materiales compuestos.
La invención garantiza:
• un método de fabricación robusto y fiable,
• la unión sin adhesivos,
• un proceso limpio adecuado para aplicaciones de alta gama, como la medicina, la sanidad, la alimentación, etc.,
• la eliminación de etapas de procesamiento adicionales, por ejemplo, la transferencia de la membrana a la malla,
• un proceso de alta uniformidad y alta eficiencia.
La invención se describe a continuación remitiéndose a las realizaciones preferidas, que se ilustran esquemáticamente en los dibujos adjuntos.
En los dibujos se muestra:
La figura 1
muestra una representación esquemática en sección transversal de una primera membrana compuesta según la invención con una sola capa,
La figura 2
muestra una representación esquemática en sección transversal de una segunda membrana compuesta según la invención en la disposición denominada "sándwich",
La figura 3
muestra una representación esquemática en sección transversal de una tercera membrana compuesta según la invención con una construcción multicapa, y
La figura 4
muestra una representación esquemática en sección transversal de una membrana compuesta según la invención en una disposición "híbrida" con dos capas de soporte diferentes.
La figura 1 muestra una vista en sección transversal de una membrana compuesta 10 según la invención con una capa de soporte 11. Preferentemente, la capa de soporte 11 puede adaptarse como una capa de malla. Sobre la capa de soporte 11 se dispone una membrana 12, que se forma según el método de electrohilado y se aplica sobre la capa de soporte 11. Para mejorar la adhesión de la membrana 12 a la capa de soporte 11, la membrana 12 se produce con al menos dos fibras diferentes, las primeras fibras están fabricadas de un primer material polimérico y las segundas fibras están fabricadas de un segundo material polimérico, que es diferente al primer material polimérico, y las primeras fibras están unidas térmicamente a la malla tejida de la capa de soporte 11, mientras que las segundas fibras no forman una unión térmica con la malla tejida. La unión puede estar formada por puntos de conexión definidos 13, que conectan las dos capas entre sí. Esto se puede realizar, en concreto, por la fusión en forma de las áreas de contacto de las primeras fibras.
Para que la membrana 12 se una firmemente a la capa de soporte 11 de la malla tejida, ésta se teje utilizando dos filamentos diferentes, en los que el material del primer filamento tiene un punto de fusión más bajo que el segundo filamento que forma la unión con las nanofibras. Además, el primer filamento puede estar fabricado de materiales del primer y segundo filamento y así se puede producir una malla tejida con un filamento bicomponente. Para obtener la máxima fuerza de unión durante el tratamiento térmico, la capa de malla de soporte puede tejerse con diferentes patrones para obtener más puntos de contacto con la capa de la membrana.
La membrana compuesta 10, en concreto la membrana de electrohilado 12, puede formarse con una porosidad definida. La superficie de la membrana compuesta 10 con las fibras puede recubrirse con un material de recubrimiento, que se aplica en concreto por el método de depósito con plasma. El recubrimiento de la superficie de las fibras se ilustra esquemáticamente en las figuras mediante los puntos y las líneas 14. Según la invención, la membrana compuesta 10 puede tener la superficie completamente recubierta por el polímero de plasma, lo que significa un recubrimiento de las fibras y filamentos individuales de la membrana 12 y la capa de soporte 11. También puede comprender fibras de la región que se encuentra en el interior de la membrana compuesta 10 o una región inferior dentro de los poros de la membrana 12. Así, no solo se puede recubrir la superficie exterior macroscópica, sino también la superficie interior microscópica, es decir, por ejemplo, las fibras interiores, no uniformes, en las que las fibras individuales están encapsuladas o cubiertas por el material de recubrimiento.
La figura 2 muestra la membrana compuesta 10 según la invención en una disposición denominada "sándwich". En este caso, la membrana 12 está dispuesta entre dos capas de soporte 11, como resultado de lo cual la capa de membrana 12 está protegida, de manera que el elemento de ventilación resultante es capaz de soportar tensiones mecánicas en la aplicación. En una realización de la disposición en sándwich, por ejemplo, se puede conseguir una permeabilidad al aire de 15,6 l/m2*s a 200 Pa. En principio, se puede conseguir una permeabilidad al aire de hasta 100 l/m2*s a 200 Pa en la disposición de sándwich, multicapa o híbrida. En cualquier disposición posible de las capas de una membrana compuesta 10, estas capas pueden disponerse una sobre otra por simple laminación. Sin embargo, las capas también pueden estar firmemente unidas entre sí a través de los puntos de conexión 13, como resultado de lo cual se puede lograr una resistencia mecánica especialmente fiable de la membrana compuesta 10.
La figura 3 muestra una disposición multicapa de la membrana compuesta de la invención. En esta disposición, las capas de soporte 11 y las capas de membrana 12 se alternan una encima de la otra.
Según la figura 3, se proporcionan dos capas de soporte 11 y dos capas de membrana 12. Sin embargo, una disposición multicapa también puede tener cualquier número de capas de soporte 11 y/o capas de membrana 12. De forma similar, también es posible proporcionar dos capas de membrana 12 directamente una encima de la otra entre dos o más capas de soporte 11. Incluso en el caso de una disposición multicapa, el recubrimiento con plasma puede proporcionarse preferentemente después del apilamiento de las capas sobre la superficie microscópica de todas las capas de membrana 12 y las capas de soporte 11 superpuestas. En consecuencia, el recubrimiento con plasma también puede proporcionarse sobre las superficies interiores de la membrana compuesta 10 en el caso de una construcción multicapa. Cada membrana 12 puede estar fabricada de al menos dos fibras diferentes según la invención.
La figura 4 muestra una realización de la membrana compuesta 10 según la invención en la que la capa de membrana 12 está dispuesta entre una primera capa de soporte 11 y una segunda capa de soporte 15. En principio, la primera capa de soporte 11 puede diseñarse en concreto como un tejido, mientras que la segunda capa de soporte 15 puede diferir de la primera capa de soporte 11 y, en concreto, puede proporcionarse como un material no tejido. Con una disposición "híbrida" de este tipo se pueden combinar ventajosamente las propiedades de diferentes materiales en la membrana compuesta 10, con lo que se pueden conseguir ventajosamente las propiedades filtrantes, protectoras y antibacterianas en el elemento de ventilación protector 10.
Según la figura 4, se puede proporcionar un recubrimiento con plasma sobre toda la superficie del elemento de ventilación protector 10, y la polimerización por plasma también tiene lugar dentro de la membrana compuesta 10 en capas más profundas. También es concebible prever una construcción multicapa con diferentes capas de soporte 11, 15 y capas de membrana 12 de diferente diseño, por ejemplo con diferente distribución del tamaño de los poros.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. - Un método para producir una membrana compuesta (10), en el que
se proporciona una malla tejida como capa de soporte (11), y
sobre la capa de soporte (11) se dispone una membrana (12) con estructura de poros, en la que la membrana (12) se produce directamente sobre la malla tejida por electrohilado de fibras superpuestas,
en el que
la membrana (12) se produce con al menos dos fibras diferentes, estando las primeras fibras fabricadas de un primer material polimérico y las segundas fibras fabricadas de un segundo material polimérico, que es diferente al primer material polimérico, y
las primeras fibras están unidas térmicamente a la malla tejida, mientras que las segundas fibras no forman una unión térmica con la malla tejida.
2. - El método según la reivindicación 1, en el que el electrohilado se lleva a cabo en condiciones definidas, en el que, al entrar en contacto con la malla tejida, el primer material polimérico de las primeras fibras no se curado completamente y forma una unión térmica con los filamentos de la malla tejida y/o con las segundas fibras.
3. - El método según la reivindicación 1 o 2, en el que la membrana electrohilada (12) se produce directamente sobre la capa de soporte con al menos dos capas, y una primera capa en contacto con la malla tejida se produce sustancialmente con las primeras fibras y la segunda capa se produce sustancialmente con las segundas fibras.
4. - El método según la reivindicación 3, en el que la primera capa y la segunda capa se producen en la misma etapa 0 en dos etapas separadas y desplazadas en el tiempo.
5. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la membrana (12) se produce con una sola capa que incluye las primeras fibras y dichas al menos segundas fibras.
6. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el primer material polimérico de las primeras fibras se diferencia del segundo material polimérico de las segundas fibras en cuanto a su naturaleza química y/o propiedades físicas.
7. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el primer material polimérico tiene un primer punto de fusión, que es inferior a un segundo punto de fusión del segundo material polimérico.
8. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la malla tejida comprende al menos un primer filamento de un primer material filamentoso, que forma una unión térmica con las primeras fibras de la membrana (12).
9. - El método según la reivindicación 8, en el que la malla tejida comprende el primer filamento del primer material filamentoso y al menos un segundo filamento de un segundo material filamentoso, que no forma una unión térmica con la membrana (12).
10. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que, para producir la unión térmica, se realiza una etapa de calandrado térmico o de recocido térmico.
11. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la membrana compuesta (10) se trata mediante una etapa de recubrimiento con plasma, en la que se aplica un recubrimiento superficial tanto a la capa de soporte (11) con la malla tejida de monofilamentos como a la membrana electrohilada (12).
12. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que, antes del electrohilado, la malla tejida se rocía con un material polimérico termoplástico y la unión térmica entre la membrana (12) y la malla tejida se realiza mediante el material polimérico rociado.
13. - El método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que la membrana (12) y/o la malla tejida están provistas de propiedades antivirales, antimicrobianas y/o antifúngicas.
14. - Una membrana compuesta, preferentemente producida según el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende
una malla tejida como capa de soporte (11), y
una membrana (10) con una estructura de poros dispuesta sobre la capa de soporte (11), en la que la membrana (12) se produce directamente sobre la malla tejida por electrohilado con formación de fibras superpuestas,
en el que
la membrana (12) se produce con al menos dos fibras diferentes, estando las primeras fibras fabricadas de un primer material polimérico y las segundas fibras fabricadas de un segundo material polimérico, que es diferente al primer material polimérico, y
las primeras fibras están unidas térmicamente a la malla tejida, mientras que las segundas fibras no tienen unión térmica con los filamentos de la malla tejida.
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