JP2008521972A - Ptfe膜 - Google Patents

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Abstract


PTFE膜に上昇した圧力を適用することによってPTFE膜の寸法の安定性を改良するための方法である。このプロセスは、既存の方法を使用して作られてたPTFE膜に関連する通常の緩和応力を減少する、および/または、除去する。

Description

本発明は改良された通気性の膜に関し、特に、改善された熱安定性の特性を有するポリテトラフルオロエチレン(PTFE)膜に関する。
本出願は、米国以外の全ての国を指定国とする出願人である米国国内企業のドナルドソン社、ならびに、米国のみを指定国とする出願人であり全て米国国民であるKirit Patelの名におけるPCT国際特許出願として2005年11月23日に出願され、その全体が参照として本明細書に合体される、2004年11月24日に出願された米国仮特許出願第60/631,087号の優先権を主張する。
PTFE膜、特に、伸ばされた(expanded)PTFE膜は、通気性の防水織物を作るために広く使用されている。しかしながら、米国特許第3,315,020号(以下、第’020号特許と略す)で記載されたPTFE膜を含む多くのPTFE膜は、製造プロセスに関連する圧力に依存して寸法的に不安定なものである。第’020号特許は、一方向および2軸方向に引張ってPTFE膜を伸ばし、その結果、消防用衣類および多くの工業用ろ過用途において経験されるような特に上昇された温度で、かなりの寸法の不安定を有する膜をもたらす工程を記載している。
現在の伸ばされたPTFE膜の寸法の不安定性は、PTFE膜が異なった材料の層を含む複合材料構造物に使用されるような適用において重大な問題を引き起こす場合がある。これらの異なった材料のそれぞれは、多くの従来のPTFE膜の寸法変化に比べてはるかに少ない程度の寸法変化を示す。そのような場合において、複合材料構造物のコンポーネントとしてPTFE膜を組み込む製品は、伸張と収縮とが異なる速度のため、上昇した周囲温度条件のもとで、種々の層の層間剪断力を引き起こす場合がある。上記記載された条件の結果としての影響は、しばしば、もろい、および/または、魅力的でない製品となることである。さらに、製品の欠陥は、種々の層が剥離することによって通常より早まって起こる場合がある。
米国特許第3,315,020号
したがって、PTFE膜の寸法の安定性を改良する必要性が存在している。
発明の概要
本発明は、PTFE膜の寸法の安定性を改良する方法および本発明の方法を使用して作られる寸法的に安定したPTFE膜に方向づけらる。本明細書で記載されたプロセスは、従来の既存の方法を使用して作られたPTFE膜に通常、関連している緩和応力(relaxation stress)を減少する、および/または、除去する。
本発明はPTFE膜の寸法の安定性を改良する方法に一部方向づけられている。ある例では、本方法は、予め設定された露出時間、PTFE膜を上昇した温度に晒す工程と、同時に、予め設定された露出時間、PTFE膜を上昇した圧力に晒す工程とを含んでおり、寸法の安定性への影響は、少なくとも一部が、温度と、圧力と、露出時間との組み合わせによって決定される。
特に、本発明は、予め設定された露出時間、上昇した温度にPTFE膜をさらし、かつ予め設定された露出時間、PTFE膜を高圧に晒すことによって、PTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法に、一部方向づけらている。このプロセスの間、PTFE膜は、同時に上昇した温度と上昇した圧力にさらされ、寸法の安定性への影響が、温度と、圧力と、露出時間との組み合わせによって少なくとも一部が決定される。
本発明のいくつかの例では、膜が約325℃以上の温度まで昇温され、または他の例では、約340℃以上の温度まで昇温される。通常、温度は、約325℃以上で約400℃未満の温度にまで昇温され、しばしば、約350℃以上で約360℃未満の温度にまで、ときどき、約360℃以上で約380℃未満の温度にまで昇温される。
約335℃を超える、または、約350℃を超える温度を有するローラーなどの装置を使用して膜は上昇した温度にまで加熱され得るが、他の加熱方法を使用することもできる。通常、ローラーあるいは他の装置の温度は、処理の間、PTFE膜の所望のピーク温度より少なくとも10℃、より一般的には少なくとも約20℃高い。したがって、いくつかの例では、膜は、約360℃を超える温度を有するローラーを使用して上昇した温度まで加熱される。
上記記載したように、PTFE膜は、加熱されると同時に、上昇した圧力下で同時に圧縮されるべきである。本発明のほとんどの例において、膜は約325℃以上の上昇した温度まで加熱され、同時に少なくとも1ポンド/平方インチの圧力で圧縮される。いくつかの例では、膜は少なくとも約325℃の上昇した温度まで加熱され、同時に5ポンド/平方インチの圧力で圧縮される。また他の例では、膜は少なくとも約325℃の上昇した温度まで加熱され、同時に少なくとも20ポンド/平方インチの圧力で圧縮される。
膜が上昇した温度まで昇温される時間は、例によって変更可能であるが、一般に、1秒未満、例えば、0.1〜1.0秒である。いくつかの例では、上昇した温度の時間は、0.05〜0.5秒である。膜が上昇した圧力に晒される時間は、また、例によって変更可能であるが、一般に、1秒未満、例えば、0.1〜1.0秒未満である。いくつかの例では、上昇した圧力の時間は0.05〜0.5秒である。上昇した温度の時間が上昇した圧の時間と同じであることは、必要ではない。
本発明に従って作られたPTFE膜は、一方向にあるいは二方向に伸ばされた未処置のPTFE積層体に対して改良された寸法の安定性を示す。いくつかの実施例では、収縮は、機械方向に10パーセント未満であり、しばしば機械方向へ5パーセント未満である。また、得られたPTFE膜は、通常、好ましい通気性、気孔率、および通気性の織物を作るのに適切な他の特性を有する。例えば、ある実施例では、PTFE膜は0.7バールで少なくとも4リットル/分・平方センチメートルの空気透過率を有する。
本発明の上記の要約は、本発明のそれぞれの議論された実施例を記載することを意図するものではない。このことは、以下に示す図と詳細な説明の目的である。
本発明は、添付の図面と以下に示す関連する本発明の様々な実施例の詳細な記載を考慮してより完全に理解され得る。
本発明は、PTFE膜の寸法の安定性を改良するための方法および本発明の方法を使用して作られた寸法的に安定したPTFE膜に方向づけられる。本明細書に記載されたプロセスは、従来の既存の方法を使用して作られたPTFE膜に通常関連する緩和応力を減少する、および/または、除去する。
特に、本発明は、上昇した温度と圧力にPTFE膜を晒すことによってPTFE膜の寸法の安定性に一部影響を与える方法に方向づけられる。本発明に基づいて熱で処理される膜は、本明細書に参照として合体される例えば、米国特許第3,953,566号公報、米国特許第4,187,390号公報、米国特許第4,194,041号号公報の技術に基づいて作り得る。本発明のプロセスの間、PTFE膜は、同時に上昇した温度と上昇した圧力に晒され、寸法の安定性への影響は、少なくとも一部が、温度と圧力と露出時間との組み合わせによって決定される。
PTFEが重合される場合、PTFEは約344℃の融点と通常95%オーダーの結晶化度を有する、鎖が伸びた結晶形態(chain-extended crystalline)に規定される。溶融後、PTFEは低い配向形態で再結晶化されるが、元の高い結晶化度は回復されない。融点は約332℃に低下し、融解熱は約2/3まで低下する。最初の溶融後のこの不可逆的なシフトの再現性は、熱で安定化された膜の寸法の安定性を可能とするものである。
上記着目されたように、結晶融点、通常は大気圧で約327℃(621°F)より上の温度までPTFEの一方向および/また2軸方向に繊維形成された膜を晒すことによって、内蔵された応力はかなり減少され、PTFE膜は改善された寸法の安定性を有する。いくつかの例において、条件に依存するが、325℃より上の上昇した温度が適切であり、他の例では、327℃より上の温度が使用され、他の例では、340℃より上の温度まで昇温される。通常、温度は少なくとも約320℃で約450℃より下の温度まで昇温され、しばしば、少なくとも約330℃の温度まで、時々、少なくとも約360℃の温度まで昇温される。PTFE膜は、また、加熱されながら同時に圧縮されるべきである。本発明の大抵の例では、膜は、約327℃より上の温度まで加熱され、同時に、少なくとも1ポンド/平方インチの圧力下で圧縮される。いくつかの例では、膜は、約327℃より上の温度まで加熱され、同時に、少なくとも5ポンド/平方インチの圧力下で圧縮される。また他の例では、膜は327℃より上の温度まで加熱され、同時に少なくとも20ポンド/平方インチの圧力下で圧縮される。
膜が上昇した温度まで上げられる時間は、例に依存して変えられ得るが、一般に、0.1〜1.0秒など、約1秒未満である。いくつかの例では、上昇した温度の時間は、約0.05〜0.5秒である。ある例では、時間は、0.5秒未満、0.1秒未満、または0.01秒未満でさえあり得る。
他の加熱法を使用することもできるが、340℃を越える温度を有するローラーを使用して膜を上昇した温度にまで加熱することができる。ローラーの温度は、処理の間、PTFE膜の所望のピーク温度より通常、少なくとも10℃、より一般的には少なくとも20℃高い。
熱と圧力に晒した後で、得られたPTFE膜は、好ましい通気性、気孔率、および他の通気性の織物、例えば、通気性の多層の織物を作るのに適した特性を有する。例えば、ある実施例では、処理されたPTFE膜は、0.7バールで少なくとも4リットル/分・平方センチメートルの空気透過率を有する。また、いくつかの例では、PTFE膜は、少なくとも0.10MFPのコールタ・ポロメータ(Coulter Porometer)を有し、より好ましくは、少なくとも0.20MFP、更により好ましくでは、少なくとも0.25MFPを有する。
得られたPTFE膜は、積層体を含み、例えば、衣服に使用される、多くの適切な用途を有する。上着と消防衣類は、寸法的安定したPTFEから作られる積層体を利用することができる衣服の例である。得られるPTFEは、また、空気またはガスのろ過、液体のろ過、化学的な塊のろ過などのろ過にも適合している。
本発明に基づいて処理されたPTFE膜は、一方向または二方向に伸ばされた、未処理のPTFE積層体に対して改善された寸法の安定性を示す。いくつかの実施例では、収縮は、機械方向へ10パーセント未満、しばしば機械方向へ5パーセント未満である。
PTFE膜をこの上昇した温度まで加熱するときの1つの問題は、膜の収縮が起こり、寸法的な欠損をもたすことである。以下に、靱性を加えながら、寸法の不安定さを最小にするプロセスを記載する。加熱の温度、圧力、および時間は、所望の寸法的安定したPTFE膜を供給するために調整される。本発明のある実施例では、プロセスは、駆動される加熱されたスチール製ロール、ゴム製ニップ・ロール、およびゴム製ニップに沿ったアイドル・ロールを使用することを含む。
以下のプロセス範囲は、この一般的な実施例において、各処理プロセスの変数に対して最適なセッティングを確立する。最初に、温度に関して推奨される加熱温度は、一般に約340℃以上でありかつ一般に400℃未満である。しかしながら、有効範囲は、これらの値の外に広がる場合がある。大抵の例において、温度範囲は、約350℃から390℃であり、しばしば、約360℃から380℃までである。上記説明したように、PTFE膜の温度を約327℃の結晶融点に、またはその結晶融点以上に昇温する上げることは好ましく、昇温は、327℃にまたはそれ以上に加熱されたロールを使用してなされ得る。PTFE膜が加熱されたロールに接触する時間が長ければ長いほど、(一般に)加熱されたロールの所望温度は低くなる。
通常、膜が上昇した温度下で保たれる持続時間は、加熱されたスチール製ロールの温度に依存するが、通常はかなり短く、典型的には、ほんの10分の1秒あるいは千分の1秒以下である。より長い持続時間およびより短い持続時間が、ある環境下において十分である場合もありえるが、0.10〜1.0秒の持続時間は、いくつかの例において満足するものであり、ほとんどの例では、0.05〜0.50秒の持続時間は適切なものである。
PTFE膜が維持される圧力は、一般に、少なくとも1ポンド/平方インチ(PSI)であり、より典型的的には5PSIより大きく、さらに典型的には20PSIより大きい。膜が上昇した圧力の下で保たれる持続時間は、通常、上昇した温度での持続時間と同じである。
一般的な方法に基づいて、調整され拡張されたPTFE膜の長さは、例えば、ロール形態では、2つの表面の間に挟まれ、少なくともその表面の1つは、上昇した温度まで加熱される。PTFE膜は、周知のように、しばしば、2個のシリンダまたはロール間に挟まれる。ロールの1つまたは両方は加熱され得る。
ここで、図1を参照すると、図1は、コア15上に巻かれたPTFE膜10の長さを示している。処理装置は、アイドル・ロール20、ロール30とロール40の間に形成されたニップ、第2のアイドル・ロール50を含んでいる。また、図1は、コア65に巻かれた寸法的に安定したPTFE膜60の長さを示している。
最初の実施例において、二軸方向に伸ばされたPTFE膜の拡張された長さ、例えば、コア15上のPTFE膜10は、ニップ・ロール、例えば、ロール30の一方の側面の上に配置され、アイドル・ロール、例えば20と、ニップロール、例えば30との上に載っている。PTFE膜10は、ニップロール、例えば、30に対して、膜ロール10/15が配置されているちょうど正反対の位置の近くまで移動する。巻取りロール、例えば、コア65は、ニップロール30とアイドル・ロール、例えば第2のアイドル・ロール50の間に、その側で配置される。膜10がニップ・ロール30の周りに配置されると、ニップ・ロール30は、ニップ・ロール30が第2のロール、例えば、回転する加熱されたスチール製のロールである、ロール40に接触するまで下ろされる。いったん接触すると、ニップロール30はPTFE膜10を加熱されたスチール製ロールの上に運び、PTFE膜10を熱に晒し、圧縮される間その動きを限定する。膜10がニップロール30とスチール製のロール40との間で圧縮されると、結晶温度を超える温度に晒され、その結果、セットされたまたは安定化されたPTFE膜を得る。
以下の例は、標準の伸ばされたPTFE膜(商業的にドナルドソン社からTetratex TX2230の名称で入手可能である)の試験結果を、本発明に基づいて熱処理された後の同じ膜と比較して示している。
標準の伸ばされたPTFE膜は、図1に示すセットアップされた装置を使用することで327℃を越える温度まで加熱され、同時に、少なくとも20ポンド/平方インチの圧力で圧縮される。
表1に示されたように、熱および圧力処理された膜は、本発明に基づいて処理された後で、機械方向と横断方向の両方の方向に極めてわずかしか収縮しない。さらに、空気透過率においていくらかの減少があるが、熱と圧力で処理された膜は、透過率と細孔分布に対して比較的高い値をまだ有している。
図2は、本発明に基づいて作られたPTFE膜の2つの走査電子顕微鏡写真を示しており、2つの顕微鏡写真は、異なった照明条件のもとで取られたものである。
下記に示す表2は、上記と同じ方法で処理された、熱と圧力で処理された膜の追加例の試験結果を示している。
本発明は上記に記載された特別の例に限定されて考慮されるべきものではなく、むしろ、添付の特許請求の範囲中に公正に設定されたものとして、本発明の全ての態様を含むことが理解されるべきである。本発明が適用できる多数の構造とともに様々な変更、同等のプロセスは、本発明が本明細書のレビューに基づいて方向付けられる当業者にとって容易に理解されるであろう。
本発明に従って安定したPTFE膜を形成するために使用する装置の概略を示す図である。 本発明に従って作られたPTFE膜の2つの電子顕微鏡写真を示す図である。

Claims (20)

  1. PTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法であって、
    a)予め設定された露出時間、PTFE膜を前記PTFE膜の融点より上に上昇した温度に晒す工程と、
    b)予め設定された露出時間、前記PTFE膜を上昇した圧力に晒す工程と、
    を有し、
    前記PTFE膜は、前記上昇した温度と前記上昇した圧力とに同時に晒され、
    前記PTFE膜の寸法の安定性への影響は、少なくとも一部が、前記温度と圧力と露出時間との組み合わせによって決定されることを特徴とする方法。
  2. 前記PTFE膜が約327℃より上の温度まで上昇されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  3. 前記PTFE膜が約340℃より上の温度まで上昇されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  4. 前記PTFE膜が約340℃より上で約400℃未満の温度まで上昇されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  5. 前記PTFE膜が約350℃より上で約360℃未満の温度まで上昇されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  6. 前記PTFE膜が約360℃より上で約380℃未満の温度まで上昇されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  7. 前記PTFE膜が約325℃より上で約400℃未満の温度まで上昇されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  8. 前記PTFE膜が約340℃より上の温度を有するローラを用いて上昇した温度に加熱されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  9. 前記PTFE膜が約360℃より上の温度を有するローラを用いて上昇した温度に加熱されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  10. 前記PTFE膜が約327℃より上の温度まで加熱され、同時に、少なくとも1ポンド/平方インチの圧力の下で圧縮されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  11. 前記PTFE膜が約327℃より上の温度まで加熱され、同時に、少なくとも5ポンド/平方インチの圧力の下で圧縮されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  12. 前記PTFE膜が約327℃より上の温度まで加熱され、同時に、少なくとも20ポンド/平方インチの圧力の下で圧縮されることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  13. 前記予め設定された露出時間が0.1〜1秒であることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  14. 前記予め設定された露出時間が0.05〜0.5秒であることを特徴とする請求項1に記載のPTFE膜の寸法の安定性に影響を及ぼす方法。
  15. 請求項1に記載の方法を用いて製造されたPTFE膜。
  16. 前記PTFE膜は、0.7バールで少なくとも4リットル/分・cm2の空気透過率を有することを特徴とする請求項15に記載のPTFE膜。
  17. 前記PTFE膜は、少なくとも0.25MFPのコールタ・ポロメータ(Coulter Porometer)を有することを特徴とする請求項15に記載のPTFE膜。
  18. 前記PTFE膜は、機械方向に10%未満の収縮を有することを特徴とする請求項15に記載のPTFE膜。
  19. 前記PTFE膜は、機械方向に5%未満の収縮を有することを特徴とする請求項15に記載のPTFE膜。
  20. PTFE膜の処理方法であって、
    a)少なくとも一方向に配向されている、配向したPTFE膜を提供する工程と、
    b)前記PTFE膜を1秒未満の期間の少なくとも340℃の温度と、少なくとも1ポンド/平方インチの圧力に、同時に晒す工程と、
    を有すること特徴とする方法。
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