KR20230155511A - 보유된 고체를 갖는 중합체 복합 물품 및 형성 방법 - Google Patents

보유된 고체를 갖는 중합체 복합 물품 및 형성 방법 Download PDF

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에드워드 에이치 컬리
크리스틴 엠 스코티
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더블유.엘. 고어 앤드 어소시에이트스, 인코포레이티드
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Abstract

보유된 고체를 갖는 중합체 복합 물품이 개시되어 있다. 중합체 복합 물품은 복수의 기공을 포함하는 제1 다공성 중합체 및 보유된 고체를 갖는 복합 영역을 포함한다. 복합 영역은 일부 기공 내에 고정화되어 있는 보유된 고체의 적어도 일부를 갖는다. 보유된 고체가 고체 수착제 물질인 실시양태에서, 물품은 고체 수착제 상에 흡착될 수 있는 제1 다공성 중합체를 통해 이산화탄소를 수용하도록 구성된다.

Description

보유된 고체를 갖는 중합체 복합 물품 및 형성 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 5일에 출원된 미국 가출원 번호 63/157,442 및 2022년 1월 25일에 출원된 미국 가출원 번호 63/302,857에 대한 우선권을 주장하며, 각 출원의 개시내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
분야
본 개시내용은 보유된 고체를 갖는 중합체 복합 물품, 연행(entrainment)을 통해 중합체 복합 물품을 형성하는 방법, 및 중합체 복합 물품을 사용하는 방법에 관한 것이다. 보유된 고체가 고체 수착제 물질인 실시양태에서, 물품은 이산화탄소의 직접 공기 포집(DAC: direct air capture)을 위한 흡착을 포함하는 흡착의 목적으로 사용될 수 있다.
온실 가스 배출과 관련된 이산화탄소(CO2) 수준의 증가는 환경에 유해한 것으로 나타났다. Climate.gov 기사 "기후 변화: 대기 중 이산화탄소"에 보고된 바와 같이, 2019년 대기 중 평균 이산화탄소 수준은 409.8 ppm으로, 지난 800,000년 동안 기록된 최고 수준이다. 대기 중 CO2 증가율도 지난 수십 년 동안의 증가율보다 훨씬 높다.
기후 변화의 영향을 제한하기 위해, 가까운 미래에 CO2 배출량을 0으로 감소시키는 것뿐만 아니라 마이너스 CO2 배출량을 달성하는 것도 필요하다. 마이너스 배출량을 달성하기 위한 몇 가지 가능성이 존재하는데, 예를 들어, 연소 연도 가스(combustion flue gas)로부터의 CO2 포집 및 후속 CO2 격리를 위한 생체재료의 연소("BECCS") 또는 CO2의 직접 공기 포집("DAC")이 존재한다.
흡착에 의한 가스 분리는, 예를 들어, 가스 스트림으로부터 특정 성분을 제거하는 것과 같이 산업에서 많은 다양한 응용 분야를 갖고 있으며, 여기서 원하는 생성물은 스트림으로부터 제거된 성분, 잔류 고갈 스트림 또는 둘 모두일 수 있다. 따라서, 가스 스트림의 미량 성분과 주요 성분 둘 모두 흡착 공정의 표적이 될 수 있다. 한 가지 중요한 가스 분리 응용 분야는 가스 스트림, 예를 들어, 연도 가스, 배기 가스, 산업 폐가스, 바이오가스 또는 대기 공기로부터 CO2를 포집하는 것이다. 대기 공기는 CO2의 희석된 공급 스트림으로서 간주된다.
DAC로서 지칭되는 대기로부터 직접 CO2를 포집하는 것은 인위적인 온실 가스 배출을 완화하는 여러 수단 중 하나이며 상품 시장 및 합성 연료 생산을 위한 비화석, 위치 독립적 CO2 공급원으로서 매력적인 경제적 전망을 갖고 있다. 대기로부터 CO2 포집의 구체적인 이점에는 다음이 포함된다: a) DAC는 전 세계 온실 가스 배출량의 상당 부분을 차지하고 현재 경제적으로 실현 가능한 방식으로 배출 현장에서 포집할 수 없는 분산된 배출원(예를 들어, 차량 ... 육상, 해상 및 항공)의 배출량을 해결할 수 있고, b) DAC는 기존 배출량을 해결할 수 있으므로 진정한 마이너스 배출량을 생성할 수 있고, c) DAC 시스템은 배출원에 부착될 필요가 없지만 위치에 독립적일 수 있고 추가 CO2 처리 또는 사용 현장에 위치할 수 있다.
이러한 공정을 보다 효율적으로 개발 및 개선하여 대기로부터 CO2 제거량을 최대화하면서 공정에 필요한 에너지를 최소화하려는 동기가 증가하고 있다.
도 1은 전통적인 DAC 시스템(10)에 관련된 공정의 개략도이다. 비-CO2 희석제(18) 중의 CO2 분자(16)의 혼합물을 함유하는 투입 공급 스트림(11)이 제공된다. 예를 들어, 투입 공급 스트림(11)은 공기 스트림일 수 있다. 흡착 공정 동안, 투입 공급 스트림(11)은 흡착제(12)에 노출된다. CO2 분자(16)는 흡착제(12) 상에 흡착되는 반면, 비-CO2 희석제(18)는 흡착제(12)를 통과하여 시스템(10)으로부터 배출된다. 이어서, 흡착제(12)는 흡착제(12)로부터 CO2 분자(16)를 방출하기 위해 탈착 과정을 거친다. 탈착 과정에는 액체 물 또는 증기 형태의 수분, 또는 시스템에 전달되는 반응 또는 에너지를 통한 시스템 온도의 변화가 포함될 수 있다. 이러한 탈착 과정을 CO2를 반복적으로 흡착 및 탈착하는 주기적 과정을 정의하기 위해 "변동(swing)" 흡착이라 지칭한다. 수분 변동 흡착이 사용되는 경우, 흡착제(12)는 수증기 또는 액체 물 형태의 수분에 노출되어 CO2 분자(16)의 탈착을 야기할 수 있다. 온도 변동 흡착이 사용되는 경우, 흡착제(12)에 열이 가해져 CO2 분자(16)의 탈착을 야기할 수 있다. 이러한 수분 및/또는 온도 변동은 분자를 흡착제(12)에 보유하는 결합을 일시적으로 파괴하여 CO2 분자(16)가 방출될 수 있도록 한다. 탈착된 CO2 분자(16)는 흡착제(12)로부터 분리되어 산출물(14)로서 수집된다. 이어서, 수집된 CO2 분자(16)는 농축되어 사용 또는 저장되기 전에 추가로 필요한 공정을 거칠 수 있다. 사용되는 흡착제(12)는 고온 및 고습도 조건과 같은 CO2 분자(16)를 분리하는 데 필요한 환경을 반복적으로 견딜 수 있는 것이 중요하다.
DAC를 위한 확립된 물품 및 기술이 있다. 예는 수착제 물질을 지지하거나 이로 코팅된 단일체와 같은 기재를 포함하는 물품을 사용하는 것이다. 기재의 유형 및 사용되는 수착제를 변경하여 변형이 확립된다. 그러나, 이러한 기존에 확립된 물품 및 방법은 흡착 상태와 탈착 상태 사이를 효율적으로 순환하는 능력에 한계를 나타낸다. 또한 물품의 내구성에 대해서도 한계가 있다. 물품은 또한 고온 또는 고습도 수준의 환경 또는 이의 조합에 노출될 때 분해될 수 있으며, 이는 수명을 단축시킬 수 있다.
개요
연행된 중합체 복합 물품이 개시되어 있다. 연행된 중합체 복합 물품은 복수의 기공을 포함하는 다공성 중합체 및 고체 물질을 갖는 복합 영역을 포함한다. 복합 영역은 일부 기공 내에 연행되고 유지되고 고정화된 고체 물질의 적어도 일부를 갖는다. 물품이 고체 수착제 물질과 함께 연행되는 경우, 물품은 고체 수착제 상에 흡착될 수 있는 다공성 중합체를 통해 이산화탄소를 수용하도록 구성될 수 있다.
하나의 실시예("실시예 A")에 따르면, 수착제 중합체 복합 물품은 고체 수착제 및 제1 다공성 중합체를 갖는 제1 영역을 포함하고, 제1 다공성 중합체는 복수의 기공을 포함하고, 제1 영역은 제1 다공성 중합체의 기공 중 적어도 일부 내에 고정화된 고체 수착제의 적어도 일부를 갖고, 제1 영역은 제1 다공성 중합체를 통해 이산화탄소를 수용하고 이산화탄소를 고체 수착제 상에 흡착하도록 구성된다.
두 번째 실시예("실시예 B")에 따르면, 고체 수착제와 제1 다공성 중합체를 조합하는 방법은 복수의 기공을 갖는 제1 다공성 중합체를 제공하는 단계, 고체 수착제를 제공하는 단계, 수착제의 적어도 일부가 제1 다공성 중합체의 기공 내에 배치되도록 수착제와 제1 다공성 중합체를 조합하는 단계; 및 제1 다공성 중합체의 기공 내에 고체 수착제를 고정화하는 단계를 포함한다.
세 번째 실시예("실시예 C")에 따르면, 연행된 중합체 복합 물품은 복수의 노드, 인접한 노드를 연결하는 복수의 피브릴, 및 노드와 피브릴에 의해 획정된 복수의 기공을 포함하는 제1 다공성 중합체를 포함한다. 제1 다공성 중합체는 피브릴이 실질적으로 직선인 제1 상태, 피브릴이 실질적으로 물결 모양이거나 구부러져 있고 기공이 제1 상태에서보다 크기가 더 작은 제2 상태를 가지며, 복수의 고체 입자가 제1 상태의 기공 내에 보유되고 제2 상태의 기공 내에 고정화된다.
도 1은 DAC 시스템에 관련된 공정의 개략도이다.
도 2는 본 개시내용의 수착제 중합체 복합 물품의 입면도이다.
도 2a는 도 2의 제1 복합 물품의 제1 복합 영역의 개략적인 입면도이다.
도 2b는 도 2의 제1 복합 물품의 압축된 형태의 제1 복합 영역의 개략적인 입면도이다
도 2c는 도 2b의 제1 복합 물품의 추가 압축된 형태의 제1 복합 영역의 개략적인 입면도이다.
도 2d는 본 개시내용의 단부-밀봉 영역과 함께 도시된 도 2의 제1 수착제 중합체 복합 물품의 입면도이다.
도 3은 도 2의 수착제 중합체 복합 물품을 형성하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 4a는 고정화 단계 전의 수착제 중합체 복합 물품의 제1 영역의 입면도이다.
도 4b는 고정화 단계 후의 도 4a의 수착제 중합체 복합 물품의 제1 영역의 입면도이다.
도 5a는 조합 단계 동안 수착제 중합체 복합 물품의 제1 영역 및 제2 영역의 입면도이다.
도 5b는 고정화 단계 동안 도 6a의 수착제 중합체 복합 물품의 입면도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 실시예 1에 따른 다이아몬드 입자가 보유된 중합체 복합 물플의 SEM 이미지이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 실시예 2에 따른 산화철 입자가 보유된 중합체 복합 물품의 SEM 이미지이다.
정의 및 용어
본 개시내용은 제한적인 방식으로 판독해서는 안 된다. 예를 들어, 본 출원서에 사용된 용어는 해당 분야의 사람들이 그러한 용어에 부여하는 의미의 맥락에서 광범위하게 판독해야 한다.
부정확성이라는 용어와 관련하여, "약" 및 "대략"이라는 용어는 명시된 측정값을 포함하고 명시된 측정값에 합리적으로 근접한 임의의 측정값도 포함하는 측정값을 지칭하기 위해 상호 교환적으로 사용될 수 있다. 명시된 측정값에 합리적으로 근접한 측정값은 관련 기술분야에서 통상의 지식을 가진 개인이 이해하고 쉽게 확인할 수 있는 바와 같이 명시된 측정값으로부터 합리적으로 적은 양만큼 벗어난다. 이러한 편차는, 예를 들어, 측정 오류, 측정 및/또는 제조 장비 보정의 차이, 측정값 판독 및/또는 설정 시 인적 오류, 다른 구성요소, 특정 구현 시나리오, 사람 또는 기계에 의한 대상체의 부정확한 조정 및/또는 조작 등과 관련된 측정값의 차이를 고려하여 성능 및/또는 구조적 파라미터를 최적화하기 위해 이루어진 사소한 조정 등에 기인할 수 있다. 관련 기술분야에서 통상의 지식을 가진 개인이 그러한 합리적으로 작은 차이에 대한 값을 쉽게 확인할 수 없다고 판단되는 경우, "약" 및 "대략"이라는 용어는 명시된 값의 플러스 또는 마이너스 10%를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
본원에 사용된 "피브릴"이라는 용어는 길이 및 폭이 실질적으로 서로 상이한, 중합체와 같은 재료의 기다란 조각을 설명한다. 예를 들어, 피브릴은 폭(또는 두께)이 길이보다 훨씬 짧거나 작은 끈 또는 피브릴 조각과 유사할 수 있다.
본원에 사용된 "노드"라는 용어는 적어도 2개의 피브릴의 연결 지점을 설명하며, 여기서 연결은 2개의 피브릴이 영구적으로 또는 일시적으로 서로 접촉하는 위치로서 정의될 수 있다. 일부 예에서, 노드는 또한 피브릴보다 더 큰 부피의 중합체를 설명하는 데 사용될 수 있으며, 여기서 피브릴은 노드를 통해 동일한 피브릴의 명확한 연속 없이 시작되거나 종결된다. 일부 예에서, 노드는 피브릴보다 폭이 더 크지만 길이가 더 작다.
본원에 사용된 바와 같이, "노드" 및 "피브릴"은 그러나 반드시 그런 것은 아니지만 일반적으로 연결되거나 상호연결되어 있고, 예를 들어, 미세한 크기를 갖는 대상체를 설명하는 데 사용될 수 있다. "미세한" 대상체는 대상체 또는 대상체의 세부사항이 육안으로 보이지 않거나, 불가능하지는 않더라도, 예를 들어, 주사 전자 현미경(SEM)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 현미경 또는 임의의 적합한 유형의 확대 장치의 도움 없이 관찰하기 어려울 정도로 실질적으로 작은 적어도 하나의 치수(폭, 길이 또는 높이)를 가진 대상체로서 정의될 수 있다.
다양한 실시양태에 대한 설명
본 개시내용은 보유된 고체를 갖는 중합체 복합 물품, 연행을 통해 중합체 복합 물품을 형성하는 방법, 및 중합체 복합 물품을 사용하는 방법에 관한 것이다. 보유된 고체가 고체 수착제 물질인 실시양태에서, 물품은 공급원 스트림으로부터 하나 이상의 원하는 물질을 흡착 및 분리하는 데 사용될 수 있다. 공기와 같은 희석된 공급 스트림으로부터 이산화탄소를 DAC에 사용하기 위한 수착제 중합체 복합 물품이 아래에 설명되지만, 다른 흡착제 방법 및 적용에 사용될 수 있다. 이러한 방법에는 기타 가스 공급 스트림(예를 들어, 연소 배기가스) 및 액체 공급 스트림(예를 들어, 해수)을 포함한 다양한 투입물로부터 물질을 흡착하는 것이 포함되지만 이에 제한되지 않는다. 흡착된 물질은 이산화탄소로 제한되지 않는다. 다른 흡착된 물질은 다른 가스 분자(예를 들어, N2, CH4 및 CO), 액체 분자 및 용질이 포함될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 특정 실시양태에서, 투입물은 흡착된 물질을 백만분율(ppm) 정도로 함유하여 희석될 수 있다. 물품은 약제학적 용도 및 생물학적 용도를 포함한 다른 용도를 위해 다른 고체 물질을 보유할 수 있다.
도 2는 제1 예시적인 중합체 복합 물품, 구체적으로는 제1 복합 영역(28)을 포함하는 수착제 중합체 복합 물품(20)을 나타낸다. 제1 복합 영역(28)은 제1 다공성 중합체(22) 및 예시적으로 수착제 물질(24)을 포함하는 보유된 고체를 포함한다. 보유된 고체는 또한 선택적인 캐리어(26)를 포함할 수 있다. 제1 복합 영역(28)의 각 요소는 아래에 추가로 설명된다.
제1 복합 영역(28)의 제1 다공성 중합체(22)는 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE), 팽창 폴리에틸렌(ePE), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 다른 적합한 다공성 중합체 중 하나일 수 있다. 나노스펀, 멜트블로운, 스펀본드 및 다공성 캐스트 필름과 같은 부직포 재료가 다양한 다른 적합한 다공성 중합체 형태 중 하나일 수 있음을 이해할 것이다. 제1 다공성 중합체(22)는 제어된 온도 및 제어된 신장 속도로 중합체를 신장시켜 팽창될 수 있으며 이로 인해 중합체가 피브릴화될 수 있다. 팽창 후, 제1 다공성 중합체(22)는 복수의 노드(30) 및 인접한 노드(30)를 연결하는 복수의 피브릴(34)의 미세구조를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 제1 다공성 중합체(22)는 피브릴(34) 및 노드(30)에 의해 경계를 이루는 기공(32)을 포함한다. 예시적인 노드 및 피브릴 미세구조는 그 전체가 본원에 참조로 포함된 미국 특허 번호 3,953,566에 기재되어 있다. 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32)은 미세기공으로 간주될 수 있다. 그러한 미세기공은 단일 기공 크기 또는 기공 크기의 분포를 가질 수 있다. 평균 공극 크기는 특정 실시양태에서 0.1 미크론에서 100 미크론까지의 범위일 수 있다.
제1 복합 영역(28)의 수착제 물질(24)은 흡착을 통해 표면 상에 박막으로서 투입물로부터 원하는 물질을 담지하도록 구성된 표면을 갖는 기재이다. 수착제 물질(24)은 흡착 대상 물질에 따라 달라진다. 다양한 실시양태에서, 수착제 물질(24)은 이온 교환 수지(예를 들어, Dow Chemical Company로부터 입수 가능한 Dowex™ Marathon™ A 수지와 같은 강염기성 음이온 교환 수지), 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 금속-유기 골격체, 폴리에틸렌이민(PEI), 또는 또 다른 적합한 이산화탄소 흡착 물질, 예컨대 건조제(desiccant), 탄소 분자체, 탄소 흡착제, 흑연, 활성 알루미나, 분자체, 알루미노포스페이트, 실리코알루미노포스페이트, 제올라이트 흡착제, 이온 교환 제올라이트, 친수성 제올라이트, 소수성 제올라이트, 개질된 제올라이트, 천연 제올라이트, 포자사이트(faujasite), 클리노프틸로라이트(clinoptilolite), 모데나이트(mordenite), 금속-교환된 실리코-알루미노포스페이트, 단극성 수지, 양극성 수지, 방향족 가교된 폴리스티렌 매트릭스, 브롬화 방향족 매트릭스, 메타크릴산 에스테르 공중합체, 흑연 흡착제, 탄소 섬유, 탄소 나노튜브, 나노-물질, 금속염 흡착제, 과염소산염, 옥살산염, 알칼리 토금속 입자, ETS, CTS, 금속 산화물, 화학흡착제, 아민, 유기-금속 반응물, 하이드로탈사이트, 실리칼라이트, 제올라이트성 이마다졸레이트 골격체 및 금속 유기 골격체(MOF: metal organic framework) 흡착제 화합물, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 이산화탄소 흡착 물질이다.
수착제 물질(24, 24')은 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 코팅, 충전, 연행된 입자로서 및/또는 또 다른 적합한 형태로 제1 다공성 중합체(22) 내에 존재할 수 있다. 도 2의 도시된 실시양태에서, 캐리어(26) 상의 수착제 물질(24)의 고체 입자는 제1 다공성 중합체(22)에 연행되어 입자가 노드(30)와 제1 다공성 중합체(22)의 피브릴(34) 사이의 기공(32) 내에 점유되고 보유된다. 또한, 도 2d에 나타낸 바와 같이, 제1 다공성 중합체(22)가 수착제 물질(24')로 코팅되어 수착제 물질(24')이 제1 다공성 중합체(22)의 노드(30) 및/또는 피브릴(34) 상에 실질적으로 연속적인 코팅을 형성하는 것도 본 개시내용의 범위 내에 속한다. 또한, 제1 다공성 중합체(22)가 수착제 물질(24)로 충전되어 수착제 물질(24)이 제1 다공성 중합체(22)의 노드(30) 및/또는 피브릴(34)에 혼입되는 것도 본 개시내용의 범위 내에 속한다.
제1 복합 영역(28)의 선택적 캐리어(26)는 그것이 차지하는 영역의 표면적을 증가시키도록 구성되어 원하는 물질의 흡착을 위해 이용 가능한 증가된 표면적을 허용할 수 있는 물질이다. 캐리어(26)는 메조다공성 실리카, 폴리스티렌 비드, 다공성 중합체 베드 또는 구, 산화물 지지체 또는 또 다른 적합한 캐리어 물질을 포함할 수 있다. 캐리어(26)는 황산칼슘, 알루미나, 활성탄 및 흄드 실리카와 같은 다공성 무기 물질을 그 내부에 포함하는 다공성 필름을 추가로 포함할 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 캐리어(26)는 수착제 물질(24)로 코팅되거나 기능화되는 높은 표면적 입자로서 제1 복합 영역(28)의 기공(32)에 존재할 수 있다. 수착제 물질(24)로 코팅된 캐리어(26)의 조합은 흡착에 이용 가능한 표면적을 증가시킨다. 이들 실시양태에서, 노드(30) 및 피브릴(34)은 수착제 물질(24)로 코팅되거나 코팅되지 않을 수 있다. 노드(30) 및 피브릴(34)이 코팅되지 않은 경우, 제1 다공성 중합체(22)의 본래의 소수성을 보유할 수 있다.
수착제 중합체 복합 물품(20)의 제1 복합 영역(28)은 제1 면(72)(예를 들어, 도 2의 상부면) 및 제2 면(74)(예를 들어, 도 2의 하부면)을 포함한다. 수착제 중합체 복합 물품(20)은 제2 다공성 중합체(40)를 포함하는 제2 영역(36)을 추가로 포함하고, 여기서 제2 영역(36)은 제1 복합 영역(28)의 제1 면(72)에 인접하여 위치한다. 다양한 실시양태에서, 수착제 중합체 복합 물품은 또한 제3 다공성 중합체(48)를 포함하는 제3 영역(38)을 포함하고, 여기서 제3 영역(38)은 제1 복합 영역(28)의 제2 면(74)에 인접하여 위치한다. 이러한 방식으로, 제1 복합 영역(28)은 제1 면(72) 상의 제2 영역(36)과 제2 면(74) 상의 제3 영역(38) 사이에 개재될 수 있다. 제2 영역(36)의 제2 다공성 중합체(40)는 복수의 노드(42), 인접한 노드(42)를 연결하는 복수의 피브릴(46), 및 각각의 노드(42)와 피브릴(46) 사이에 각각 형성되는 복수의 기공(44)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 제3 영역(38)의 제3 다공성 중합체(48)는 복수의 노드(50), 인접한 노드(50)를 연결하는 복수의 피브릴(52), 및 각각의 노드(50)와 피브릴(52) 사이에 형성되는 복수의 기공(54)을 포함할 수 있다. 제2 다공성 중합체(40)의 기공(44) 및/또는 제3 다공성 중합체(48)의 기공(54)은 상기 추가로 설명된 바와 같이 미세기공으로 간주될 수 있다.
수착제 중합체 복합 물품(20)의 제1 복합 영역(28), 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)은 상이한 공정을 사용하여 형성될 수 있다. 특정 실시양태에서, 제1 복합 영역(28), 제2 영역(36), 및/또는 제3 영역(38)은 개별 층으로서 형성될 수 있고, 이어서 함께 결합될 수 있다. 이러한 경우에, 제1 복합 영역(28)의 제1 다공성 중합체(22), 제2 영역(36)의 제2 다공성 중합체(40) 및/또는 제3 영역(38)의 제3 다공성 중합체(48)는 별개의 구조일 수 있다. 다른 실시양태에서, 제1 복합 영역(28), 제2 영역(36), 및/또는 제3 영역(38)은 함께 형성될 수 있고, 이어서 특정 영역을 구별하기 위해, 아래에 추가로 설명되는 바와 같이, 상이한 코팅 공정 또는 표면 처리를 거칠 수 있다. 이러한 경우에, 제1 복합 영역(28)의 제1 다공성 중합체(22), 제2 영역(36)의 제2 다공성 중합체(40), 및/또는 제3 영역(38)의 제3 다공성 중합체(48)는 연속적 또는 일체형 구조일 수 있다.
수착제 중합체 복합 물품(20)의 제1 복합 영역(28), 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)은 상이한 정도의 소수성을 가질 수 있다. 소수성은 플라즈마 에칭 및 미세-지형적 특징의 적용을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 코팅 또는 표면 처리를 적용하는 것과 같은 다양한 방법을 통해 변경될 수 있다. 제1 복합 영역(28)은 제1 소수성을 가지며, 제2 영역(36)은 제2 소수성을 가질 수 있으며, 제3 영역(38)은 제3소수성을 가질 수 있다. 제1 소수성은 제2 소수성 및 제3 소수성 각각의 소수성보다 작다. 제2 소수성은 제3 소수성보다 크거나, 작거나, 동일할 수 있다. 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)의 더 큰 소수성은 각각의 영역(36, 38)을 통한 액체 물의 침투를 감소시켜 주변의 임의의 액체 물과 제1 복합 영역(28)의 성분 사이에 장벽을 형성할 수 있다. 이는 액체 물이 야기할 수 있는 제1 복합 영역(28) 내의 수착제 물질(24, 24')의 분해를 감소시켜 수착제 중합체 복합 물품(20)의 수명 및 내구성을 증가시킨다. 제1 복합 영역(28)의 제1 소수성에 비해 제2 영역(36)의 더 큰 소수성 및 제3 영역(38)의 더 큰 소수성은 제2 및 제3 영역(36, 38) 내의 수착제 물질(24, 24')의 부족으로부터 초래될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제1 복합 영역(28)은 코팅(미도시)으로 밀봉된다. 특정 경우에, 코팅은 상기 기재된 수착제 물질(24)과 유사한 탄소 흡착 물질이 되도록 구성된다.
제2 영역(36)의 제2 다공성 중합체(40) 및 제3 영역(38)의 제3 다공성 중합체(48)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE), 팽창 폴리에틸렌(ePE), 또는 기타 적절한 다공성 중합체 중 적어도 하나일 수 있다. 제2 영역(36)의 제2 다공성 중합체(40)는 제3 영역(38)의 제3 다공성 중합체(48)와 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 제1 복합 영역(28)의 제1 다공성 중합체(22), 제2 영역(36)의 제2 다공성 중합체(40), 및 제3 영역(38)의 제3 다공성 중합체(48)는 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
다양한 실시양태에서, 제2 영역(36)의 두께는 제1 복합 영역(28)의 두께보다 작고, 제3 영역(38)의 두께는 제1 복합 영역(28)의 두께보다 작다. 수착제 중합체 복합 물품(20)의 전체 두께는 약 0.1 mm 내지 약 5.0 mm일 수 있다. 특정 실시양태에서, 제1 복합 영역(28)의 두께는 전체 두께의 대부분, 예컨대 전체 두께의 약 70%, 약 80%, 약 90% 이상을 차지할 수 있다.
각각의 제1 복합 영역(28), 제2 영역(36) 및 제3 영역(38) 각각의 다공성 중합체(22, 40, 48)의 기공 특성은 가변적이다. 특정 실시양태에서, 제2 및 제3 영역(36, 38)은 제1 복합 영역(28)보다 더 적고/적거나 더 작은 기공(44, 54)을 가져서 제1 복합 영역(28) 내로의 원하는 분자(예를 들어, CO2)의 투과를 허용하면서 제1 복합 영역(28) 내로의 원하지 않는 유체(예를 들어, 물)의 투과를 선택적으로 제한할 수 있다. 대조적으로, 제1 복합 영역(28)은 흡착 및 탈착을 위해 제1 복합 영역(28)을 통한 CO2의 이동을 촉진하기 위해 제2 및 제3 영역(36, 38)보다 더 많은 및/또는 더 큰 기공(32)을 가질 수 있다.
또한, 기공 특성은 상이한 실시양태 간에 달라질 수 있다. 이러한 기공 특성의 변형은 수착제 중합체 복합 물품(20)의 전체 두께뿐만 아니라 제1 복합 영역(28), 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)의 개별 두께에 따라 달라질 수 있다.
도 2a는 도 2의 수착제 복합 물품(20)의 제1 복합 영역(28)의 개략적인 입면도이다. 이러한 실시양태에서, 수착제 중합체 복합 물품(20)(도 2)은 비교적 두껍고, 예를 들어, 대략 3 mm이고, 제1 복합 영역(28)은 수착제 중합체 복합 물품(20)의 전체 두께의 대부분을 차지하는 두께 T1을 갖는다. 수착제 중합체 복합 물품(20)은 비교적 큰 공극률(void fraction)을 보유하기 위해 원하는 양의 수착제 물질(24)(예를 들어, 약 60%의 수착제 물질(24))이 로딩될 수 있으며, 여기서 공극률은 제1 복합 영역(28)의 전체 부피에 대한 제1 복합 영역(28)의 공극 공간의 부피의 상대적인 비율이다. 이러한 방식으로, 수착제 중합체 복합 물품(20)은 구조가 비교적 개방되어 있고, 수착제 물질(24)에 대한 접근성은 상대적으로 높다. 이러한 실시양태에서 두께 T1로 인해 가스 확산에 필요한 거리가 더 멀 수 있지만, 수착제 물질(24)은 가스에 접근 가능한 상태로 유지된다. 가스의 확산에 필요한 거리는 두께 T1로 인해 본 실시예에서 더 멀어질 수 있지만, 수착제 물질(24)은 가스에 접근할 수 있는 상태로 유지된다. 그 결과, 수착제 물질(24)에 흡착되는 가스의 초기 동역학은 느릴 수 있지만, 수착제 물질(24)에 흡착되는 CO2의 평형은 본원에 설명될 바와 같이 더 얇은 실시양태에 비해 빠르게 도달할 수 있다.
도 2b는 도 2a의 제1 복합 영역(28)의 대안적인 실시양태이며, 여기서 수착제 복합 물품(20)(도 2)은 중앙 두께, 예를 들어, 대략 0.5 mm를 갖는다. 이러한 실시양태에서, 제1 복합 영역(28)은 수착제 중합체 복합 물품(20)의 전체 두께의 대부분을 차지하는 두께 T2를 갖는다. 이러한 경우, 제1 복합 영역(28)의 중합체(22)(도 2)의 양과 수착제 물질(24)의 양이 이전 실시양태에 비해 일정하다면, 공극률은 도 2a의 제1 복합 영역(28)의 공극률보다 상대적으로 더 작을 것이다. 따라서, 수착제 중합체 복합 물품(20)은 가스가 수착제 물질(24)에 접근 가능하지만, 도 2a의 실시양태의 수착제 물질(24)보다 상대적으로 덜 접근 가능한 다공성을 유지한다. 그 결과, 수착제 물질(24)에 흡착되는 가스의 초기 동역학은 더 짧은 확산 거리로 인해 더 빠를 수 있지만, CO2 흡착의 평형을 이루는 시간은 도 2a의 실시양태에 비해 증가할 것이다.
도 2c는 도 2a 및 도 2b의 제1 복합 영역(28)의 대안적인 실시형태이고, 여기서 수착제 중합체 복합 물품(20)(도 2)은 상대적으로 얇고, 예를 들어, 대략 0.1 mm이다. 이러한 실시양태에서, 제1 복합 영역(28)은 수착제 중합체 복합 물품(20)의 전체 두께의 대부분을 차지하는 두께 T3을 갖는다. 이러한 경우, 제1 복합 영역(28)의 중합체(22)(도 2)의 양과 수착제 물질(24)의 양이 이전 두 실시양태에 비해 일정하다면, 중합체(22) 및 사용 가능한 수착제 물질(24)은 수착제 복합 물품(20) 내에서 훨씬 더 응축될 것이다. 가스가 물품(20)을 통과하는 데 필요한 확산 거리는 수착제 중합체 복합 물품(20)의 압축된 두께로 인해 더 짧지만, 수착제 물질(24)은 또한 가스에 덜 접근 가능하다. 그 결과, 수착제 물질(24)에 대한 가스 흡착의 초기 동역학은 이전 실시양태보다 더 빠를 것이지만, 시스템이 CO2 흡착 평형에 도달하는 데 더 오래 걸릴 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 수착제 중합체 복합물(20)의 기공 특성은 각 층 내에서 달라질 수 있을 뿐만 아니라, 수착제 중합체 복합 물품(20)의 두께, 제1 복합 영역(28)의 두께, 수착제 물질(24)의 양 및 수착제 중합체 복합 물품(20) 내에서 사용되는 중합체(22)의 양을 포함하여 다양한 특성을 변화시킨 결과로서 다양한 실시양태에 걸쳐 달라질 수 있다. 이러한 방식으로, 확산 길이와 수착제 물질(24) 접근성 사이의 관계는 수착제 중합체 복합 물품(20)의 기능을 최대화하기 위해 달라질 수 있다.
제1 복합 영역(28), 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)의 소수성, 두께, 다공성 및 기타 특성을 변화시키는 능력은 수착제 중합체 복합 물품(20)의 내구성 및 순응성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)의 증가된 다공성은 이산화탄소와 같은 원하는 분자가 투과하도록 허용하면서 제1 영역으로의 유체의 투과를 감소시킬 수 있다. 또한, 상대적으로 얇고 가요성인 수착제 중합체 복합 물품(20)의 사용은 수착제 중합체 복합 물품(20)이 이산화탄소의 흡착 및 탈착을 위한 다양한 구성에 순응하도록 할 수 있다.
특정 경우에, 수착제 중합체 복합 물품(20) 전체(수착제 물질(24)을 갖는 제1 다공성 중합체(22))의 인장 강도는 제1 다공성 중합체(22) 단독(수착제 물질(24)이 없는)의 강도와 동일하거나 실질적으로 동일하다. 종래의 충전 공정에서, 제1 다공성 중합체(22)는 제1 다공성 중합체(22)의 미세구조에 얼마나 많은 충전제(이러한 경우, 수착제 물질(24))가 혼입되었는지에 따라 강도를 잃을 수 있다. 대조적으로, 본 개시내용에 있어서, 제1 다공성 중합체(22)는 수착제 물질(24)을 도입하기 전에 팽창되어 제1 다공성 중합체(22)가 제1 다공성 중합체(22)의 미세구조를 약화시키지 않으면서 완전히 형성될 수 있게 한다. 팽창 후에 첨가되는 수착제 물질(24)의 양은 제1 다공성 중합체(22)의 강도에 거의 내지 전혀 영향을 미치지 않으면서 증가되거나 감소될 수 있다. 따라서, 제1 다공성 중합체(22)는 수착제 물질(24)을 첨가하기 전의 제1 다공성 중합체(22)의 원래 인장 강도와 거의 동일한 수착제 물질(24)의 연행 후 인장 강도를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 수착제 복합 물품(20)에 제1 다공성 중합체(22)와 함께 수착제 물질(24)의 존재는 제1 다공성 중합체(22)의 강도를 저하시키지 않을 수 있다. 그 결과, 제1 다공성 중합체(22)의 강도를 제어할 수 있으며, 이는 이어서 수착제 물질(24)이 수착제 중합체 복합 물품(20) 내로 얼마나 많이 연행되는지에 관계없이 수착제 중합체 복합 물품(20) 전체의 강도를 제어할 수 있다. 인장 강도는 당업계에 공지된 바와 같이, 제1 다공성 중합체(22) 및/또는 수착제 중합체 복합 물품(20)을 신장시키고, 다양한 힘 값에서의 변형을 측정함으로써 측정될 수 있다.
도 2의 수착제 중합체 복합 물품(20)은 다양한 흡착 방법에 사용될 수 있다. 흡착 단계 동안, 투입 공급 스트림(도 1의 공급 스트림(11)과 유사)은 CO2 분자를 흡착하기 위해 수착제 중합체 복합 물품(20)을 가로질러 안내될 수 있다. 이어서, 탈착 단계 동안, 수착제 중합체 복합 물품(20)은 CO2 분자를 탈착하기 위해 수분 변동 및/또는 온도 변동 공정을 거칠 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 중합체 복합 물품(20)은 또한 흡착 이외의 다른 용도를 가질 수 있으며, 여기서 보다 일반적으로 제1 다공성 중합체(22)를 고체 입자와 함께 연행하는 것이 바람직하다. 이에는 다공성 중합체를 치료제와 함께 연행하는 것과 같은 약제학적 용도, 또는 다공성 중합체를 세포와 함께 연행하는 것과 같은 생물학적 용도가 포함될 수 있다.
도 2d는 추가적인 단부-밀봉 영역(21)을 갖는 도 2의 수착제 중합체 복합 물품의 추가의 입면도이다. 실시양태에서, 수착제 중합체 복합 물품(20)은 수착제 중합체 복합 물품(20)의 구성요소를 보호하기 위해 이러한 단부-밀봉 영역(21)을 포함한다. 예를 들어, 수착제 중합체 복합 물품(20)이 생산 또는 제조 목적과 같은 임의의 방식으로 절단되거나 분할되는 경우, 이는 제1 복합 영역(28)을 떠날 수 있고, 따라서 제1 복합 영역(28) 내의 수착제 물질(24, 24')은 수착제 중합체 복합 물품(20)의 특성에 해로울 수 있는 물 또는 증기와 같은 외부 환경 요소에 노출될 수 있다. 따라서, 단부-밀봉 영역(21)을 갖는 실시양태가 바람직할 수 있다. 도 2d에 도시된 바와 같이, 단부-밀봉 영역(21)은 제2 영역(36)의 중합체(40)와 제3 영역(38)의 중합체(48)를 연결할 수 있도록 위치되고 제1 복합 영역(28)의 노출된 중합체를 적어도 한 면에 덮는다.
도 2d의 도시된 실시양태에서, 단부-밀봉 영역(21)은 수착제 중합체 복합 물품(20) 상에 밀봉 물질(47)의 추가의 층을 적용함으로써 형성된다. 밀봉 물질(47)은 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)의 물질과 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 밀봉 물질(47)은 ePTFE(도 2a에 나타낸 바와 같이), ePE, 실리콘 엘라스토머, 또는 제1 복합 영역(28)을 보호하는 임의의 다른 적절한 비다공성 및/또는 소수성 물질일 수 있다. 다른 실시양태에서, 단부-밀봉 영역(21)은 제2 영역(36) 및 제3 영역(38)을 연장하고 영역(36, 38)을 함께 결합(예를 들어, 핀칭, 접착)하여 형성될 수 있다. 이러한 가장자리 밀봉 단계를 추가하면 복합물에 보유된 수착제(들)를 보호하고 또한 복합물의 앞쪽 가장자리(공기 중 잔해 및 고속 충격으로 인해 손상을 입을 가능성이 가장 높은 영역)를 강인화하여 복합물에 도움이 될 것이다.
도 3은 도 2의 수착제 중합체 복합 물품(20)의 제1 복합 영역(28)을 형성하는 방법(100)을 도시하는 흐름도이다. 블록(102)에서, 방법(100)은 먼저 제1 다공성 중합체(22)를 제공하는 단계를 포함한다. 제1 다공성 중합체(22)는 상기 언급된 바와 같이 ePTFE, PTFE, 또는 ePE, 또는 임의의 다른 적합한 다공성 중합체일 수 있다.
블록(104)에서, 방법(100)은 선택적인 캐리어(26)를 포함하는 입자(예를 들어, 분말) 형태의 고체 수착제 물질(24)을 제공하는 단계를 포함한다. 고체 수착제 물질(24)의 입자는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm, 보다 구체적으로 약 1 μm 내지 약 10 μm의 평균 입자 크기를 가질 수 있다.
블록(106)에서, 방법(100)은 다음으로 고체 수착제 물질(24) 및 제1 다공성 중합체(22)의 입자를 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32) 내에 배치되는 수착제 물질(24)의 입자의 일부와 조합하는 단계를 포함한다. 습식 연행 실시양태에서, 조합 단계는 수착제 물질(24)의 입자와 액체 캐리어(예를 들어, 물)로 구성된 슬러리(미도시)를 제1 다공성 중합체(22)에 전달하는 것을 포함한다. 제1 다공성 중합체(22)를 슬러리에 침지시켜 포화시킨 다음, 액체 캐리어를 제거하여 기공(32) 내에 수착제 물질(24)의 보유된 입자를 남길 수 있다. 이러한 습식 연행 공정은 액체 여과 공정과 유사할 수 있으며, 습식 연행 공정의 보유된 수착제 물질(24)은 여과 공정의 보유물과 유사하다. 건식 연행 실시양태에서, 조합 단계는 강제 기류(예를 들어, 양압 또는 음압 또는 이들의 조합)를 사용하여 건조 입자 형태의 고체 수착제 물질(24)의 입자를 제1 다공성 중합체(22)에 적용하는 것을 포함한다. 블록(106)의 조합 단계 후에, 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32)은 수착제 물질(24)의 입자를 보유할 수 있다. 그 결과, 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32)은 수착제 물질(24)의 입자로 패킹될 수 있다. 패킹의 양은 기공 크기, 입자 크기 및 공정과 관련된 압력 및 공정의 시간에 기반하여 변경될 수 있다. 유리하게는, 블록(106)의 습식 및 건식 연행 공정 둘 모두는 수착제 물질(24)의 입자의 물리적 및 화학적 구조를 보존할 수 있다. 따라서, 상기 언급된 바와 같이, 블록(106)의 습식 및 건식 연행 공정은 약물, 치료제 및 살아있는 세포를 포함하는, 본원에 기재된 수착제 물질(24)의 고체 입자를 이외의 다양한 고체 입자와 함께 사용하기에 적합할 수 있다.
블록(108)에서, 방법(100)은 제1 복합 영역(28)의 팽창 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32) 내에 수착제 물질(24)의 입자를 고정화하는 단계를 추가로 포함한다. 용매 수축 실시양태에서, 이러한 고정화 단계는 제1 다공성 중합체(22)와 수착제 물질(24)의 조합에 적합한 용매(예를 들어, 이소프로필 알코올(IPA))를 적용하여 제1 다공성 중합체(22)를 플러딩시키고, 후속적으로 용매를 증발시키는 것을 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b와 관련하여 아래에 나타내고 설명된 바와 같이, 이러한 용매의 적용 및 후속적인 용매의 증발은 피브릴(34)을 수축시켜 제1 복합 영역(28)의 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32)을 조이고 기공(32) 내에 고체 수착제 물질(24)의 입자를 포집하도록 구성된다. 열 수축 실시양태에서, 고정화 단계는 고체 흡착 물질(24)과 제1 다공성 중합체(22)의 조합에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다. 열을 가하면 피브릴(34)이 수축되어 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32)이 조여지고 고체 수착제 물질(24)의 입자가 기공(32) 내에 포집될 수 있다. 이러한 가열 단계는 용매를 증발시키고 피브릴(34)을 수축시키기에 충분히 높지만 수착제 물질(24)의 손상을 피할 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도, 예컨대 약 60℃ 내지 약 200℃에서 수행되어야 한다. 용매 수축 및 열 수축 공정을 둘 모두 수행하는 것도 본 개시내용의 범위 내에 있다. 고정화 단계는 제1 다공성 중합체(22)의 다공성을 감소시킬 수 있다. 블록(108)의 고정화 단계 후에, 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32)은 수착제 물질(24)의 입자로 단단히 패킹(예를 들어, 플러깅)될 수 있다.
또한, 다양한 실시양태에서, 고정화 단계는 제2 다공성 중합체(40)를 포함하는 제2 영역(36) 및/또는 제3 다공성 중합체(48)를 포함하는 제3 코팅 영역(38)과 같은 하나 이상의 코팅 영역(도 2)을 제1 다공성 중합체(22) 상에 부착하여 고체 수착제 물질(24)의 입자가 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32) 내에 포획되도록 할 수 있다. 특정 경우에, 다공성 중합체(40, 48)는 PTFE, ePTFE, ePE, 또는 상기 언급된 바와 같은 다른 적합한 다공성 중합체이다. 다양한 실시양태에서, 이러한 제2 영역(36) 및/또는 제3 영역(38)을 제1 다공성 중합체(22) 및 고체 수착제 물질(24) 상에 부착하는 것은 제2 영역(36) 및/또는 제3 영역(38)을 제1 복합 영역(28)에 적층하는 것을 포함할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 제2 영역(36) 및/또는 제3 영역(38)은 중합체 시트의 형태일 수 있다. 제2 영역(36) 및/또는 제3 영역(38)으로 코팅하여 고정화하는 개념은 도 5a 및 도 5b와 관련하여 아래에 추가로 설명된다.
도 4a는 블록(108)의 고정화 전의 수착제 중합체 복합 물품(20)의 제1 복합 영역(28)의 사시도이다(도 3). 제1 복합 영역(28)은 복수의 기공(32), 복수의 피브릴(34) 및 복수의 노드(30)를 갖는 제1 다공성 중합체(22)를 포함한다. 이러한 상태에서, 피브릴(34)은 실질적으로 직선이다. 복수의 기공(32)은 각각 기공 크기(60)를 포함한다. 제1 영역(28)의 제1 다공성 중합체(22)는 기공(32) 내에 위치된 수착제 물질(24)의 개별 영역을 포함한다. 수착제 물질(24) 및/또는 캐리어(26)의 고체 입자는 기공(32)에 느슨하게 패킹될 수 있지만 아직 고정화되지는 않을 수 있다.
도 4b는 도 3을 참조하여 설명된 블록(108)의 고정화 단계 후의 도 4a의 수착제 중합체 복합 물품(20)의 제1 복합 영역(28)의 사시도이다. 이러한 상태에서, 피브릴(34)은 구부러지고/구부러지거나 물결 모양이다. 복수의 기공(32)은 이제 각각 도 4a에서 참조된 기공 크기(60)보다 작은 기공 크기(62)를 갖는다. 이러한 피브릴(34)의 수축 및 기공(32)의 조임은 이제 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32) 내에 단단히 패킹된 수착제 물질(24) 및/또는 캐리어(26)의 고체 입자를 고정하는 데 도움이 된다. 고체 입자가 흡수 또는 흡착되도록 의도된 특정 경우에, 공정은 입자가 팽창 및 수축을 반복하게 할 수 있다. 구부러지거나 물결 모양의 피브릴은 길이를 저장하고 피브릴에 대한 파손(인장 파단) 없이 크기 또는 두께의 주기적인 변화를 허용한다.
수착제 중합체 복합 물품(20)을 형성하기 위한 도 3의 방법(100)의 또 다른 변형은 도 5a 및 도 5b를 참조하여 추가로 설명될 것이다.
도 5a는 블록(106)의 조합 단계 동안 수착제 중합체 복합 물품(20)의 일부의 개략도이다(도 3). 수착제 중합체 복합 물품(20)은 제3 영역(38)이 제1 복합 영역(28)의 하부 제2 면(74)에 인접하게 위치하여 하부 제2 면(74)이 밀봉되어 있고 상부 제1 면(72)이 개방되어 도시되어 있다. 수착제 물질(24)은 건조 입자 형태로 제공될 수 있고, 강제 유동(27) 내에 연행되어 제1 다공성 중합체(22)의 개방된 제1 면(72)을 통해 도입될 수 있다. 수착제 물질(24)은 밀봉된 제2 면(74)에 대해 그리고 노드(30)와 제1 다공성 중합체(22)의 피브릴(34) 사이에 포획되고, 이에 의해 제1 다공성 중합체(22)의 기공(32) 내에 수착제 물질(24)을 보유할 수 있다.
도 5b는 블록(108)의 고정화 단계 동안 수착제 중합체 복합 물품(20)의 개략도이다(도 3). 도 5a에서와 같이 제1 복합 영역(28)의 하부 제2 면(74)을 밀봉하는 제3 영역(38) 이외에, 수착제 중합체 복합물(20)은 제1 복합 영역(28)의 상부 제1 면(72)을 밀봉하는 제2 영역(36)을 추가로 포함하고, 이에 의해 제2 및 제3 영역(36, 38) 사이의 제1 복합 영역(28)의 중합체(20) 내에 수착제 물질(24)을 고정화한다.
실시예
실시예 1
Branca 등의 U.S. 5814405의 교시에 따라 제조된 ePTFE의 팽창 다공성 중합체 시트를 먼저 제공하였다. 2 내지 6 μm 크기의 다이아몬드 분진 입자를 70% IPA 30% H20 용매와 혼합하였다. 주사기를 사용하여, 다이아몬드 입자와 IPA의 혼합물을 ePTFE의 시트를 통해 당겨졌다. 이어서, 혼합물을 중합체 시트를 통해 다시 밀어냈다. 이 과정을 10회 반복하였다. 이러한 경우, 입자를 ePTFE 멤브레인에 주입하거나 연행하고, 용매를 건조하는 동안 피브릴이 수축하여 입자를 고정/잡아 이들이 비산하지 않도록 한다. 수축량은 건조 공정 동안 멤브레인의 제약(restraint)에 따라 달라질 수 있다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 본 실시예에서 생성된 중합체의 기공 내에 약 2 μm 내지 6 μm의 크기를 갖는 다이아몬드 입자가 고정되어 있는 다공성 중합체의 SEM 이미지이다. 도 6a 내지 도 6c에는 각각의 SEM 이미지의 배율 및 스케일을 나타내는 표기법으로 제시되어 있다. 도 6a는 (두 연속적인 수직 마커 사이의 거리가 50 μm를 나타내도록) 100× 배율로 이미지에 대해 500 μm의 길이를 나타내는 스케일이다. 이미지 하단에 표시된 것은 10.0 kV 5.5 mm×100 BSE-COMP 08/07/2020이다. 도 6b는 (두 연속적인 수직 마커 사이의 거리가 5 μm를 나타내도록) 1000× 배율로 이미지에 대해 50 μm의 길이를 나타내는 스케일이다. 이미지 하단에 표시된 것은 10.0 kV 5.5 mm×1.00k BSE-COMP 08/07/2020이다. 도 6c는 (두 연속적인 수직 마커 사이의 거리가 5 μm를 나타내도록) 1000× 배율로 이미지에 대해 50 μm의 길이를 나타내는 스케일이다. 이미지 하단에 표시된 것은 10.0 kV 4.8 mm×1.00k BSE-COMP 08/07/2020이다. 도 6b 및 도 6c는 제1 영역을 생성하기 위해 시트의 기공 내에 위치하는 중합체 시트 및 다이아몬드 입자와 동일한 (도 6a의) 샘플에서 촬영한 고배율 SEM이다. 도 6a 및 도 6b는 다이아몬드 입자로 충전된 및/또는 매립된 ePTFE의 표면 SEM 이미지를 나타낸다. 도 6c는 도 6a 및 도 6b에 나타낸 다이아몬드로 충전된 중합체의 단면도로, 다이아몬드 입자는 ePTFE 필름의 두께 전체에 걸쳐 관찰 가능하고, 느슨한 입자는 필름의 한 면에서 관찰 가능하다. 이들 이미지에서는 다이아몬드 입자(90)가 중합체의 피브릴(92) 사이의 기공(93) 내에 위치한다는 것이 도시되어 있다. 도 6c에서는 많은 다이아몬드 입자(90)가 중합체의 상부 표면을 향해 상부로 당겨졌고, 일부 다이아몬드 입자(90)는 중합체의 하부 표면을 향하여 느슨하게 존재한다.
실시예 2
Branca 등의 U.S. 5814405의 교시에 따라 제조된 ePTFE의 팽창 다공성 중합체 시트를 먼저 제공하였다. 약 0.5 μm의 평균 크기를 갖는 산화철 입자(약 2 내지 8 μm의 응집체를 가짐)를 액체 캐리어(수돗물)에 첨가하여 슬러리를 형성하였다. 다공성 중합체 멤브레인을 IPA 용매로 습윤시켰다. 실시예 1과 유사하게, 물 및 산화철 입자 슬러리를 멤브레인을 통해 당긴 후 다시 밀어냈다. 이 과정을 10회 반복하였다. 본 실시예에서, 샘플을 건조시킨 다음, 대략 200C의 온도에 노출시켰다. 이러한 상승된 온도는 멤브레인 내의 잔류 응력을 완화시킨다. 초기 팽창 특성이 더 높은 멤브레인은 팽창 특성이 낮은 다른 멤브레인보다 더 수축할 수 있다는 점에 유의해야 한다.
도 7a, 7b 및 7c는 본 실시예에서 생성된 중합체의 기공에 약 2 μm 내지 8 μm의 응집체가 보유되어 있고 < 0.5 μm 크기를 갖는 산화철 입자를 갖는 이러한 다공성 중합체의 샘플을 촬영한 SEM 이미지이다. 도 7a 내지 도 7c는 각각의 SEM 이미지의 배율 및 스케일을 나타내는 표기법으로 제시되어 있다. 도 7b 및 도 7c는 중합체 내에 위치하는 산화철 입자(94)와 함께 본 실시예의 동일한 샘플을 촬영한(도 7a에 나타냄) 고배율 SEM이다. 도 7a는 (두 연속적인 수직 마커 사이의 거리가 50 μm를 나타내도록) 100× 배율로 이미지에 대해 500 μm의 길이를 나타내는 스케일이다. 이미지 하단에 표시된 것은 10.0 kV 5.6 mm×100 BSE-COMP 08/07/2020이다. 도 7b는 (두 연속적인 수직 마커 사이의 거리가 5 μm를 나타내도록) 1000× 배율로 이미지에 대해 50 μm의 길이를 나타내는 스케일이다. 이미지 하단에 표시된 것은 10.0 kV 5.6 mm×1.00k BSE-COMP 08/07/2020이다. 도 7c는 (두 연속적인 수직 마커 사이의 거리가 5 μm를 나타내도록) 1000× 배율로 이미지에 대해 50 μm의 길이를 나타내는 스케일이다. 이미지 하단에 표시된 것은 10.0 kV 10.0 mm×1.00k SE+BSE 08/07/2020이다. 도 7a 및 도 7b는 제1 영역을 중합체 및 산화철 입자(94)와 함께 포함하는 중합체 시트의 표면의 SEM 이미지이다. 도 7c는 도 7a 및 도 7b에 나타낸 산화철로 충전된 중합체의 단면도로, 매립된 산화철 입자는 ePTFE 필름의 두께 전체에 걸쳐 관찰 가능하다. 이들 이미지에서는 산화철 입자(94)가 중합체의 피브릴(92) 사이의 기공(93) 내에 위치한다는 것이 도시되어 있다. 실시예 1의 더 큰 입자(90)와 비교하여(도 6c), 본 실시예 2(도 7c)의 더 작은 입자(94)는 ePTFE 시트를 통해 완전히 당겨지기 쉬웠다.
예언적 실시예 3
주입 공정을 돕기 위해 라미네이트를 사용하는 것이 구상된다. 실시예 1 및 2의 브랑카(Branca) 멤브레인과 같은 멤브레인은 한쪽 면에 적층된 추가 멤브레인을 가질 수 있다. 이러한 멤브레인은 매우 얇을 수 있으며 브랑카 멤브레인보다 훨씬 작거나 더 단단한 미세구조를 가질 수 있다. 입자는 해당 면으로부터 양압을 사용하거나 다른 면으로부터 음압을 사용하거나 둘 모두를 사용하여 브랑카 멤브레인 면으로부터 적용될 것이다. 고체 입자는 미세구조에 침투하여 더 조밀한 다공성 영역의 계면에서 멈춘다. 브랑카 멤브레인이 입자로 "가득 차면" 주입 과정을 종료하고 캡핑 영역 또는 수축 과정 또는 둘 모두로 이어서 진행할 수 있다. 구상된 이 과정은 본 개시내용에서 도 5a 및 도 5b를 참조하여 설명되며, 이러한 멤브레인과 함께 사용되어 적용될 수 있다.

Claims (23)

  1. 수착제 중합체 복합 물품으로서,
    고체 수착제 및 제1 다공성 중합체를 갖는 제1 영역을 포함하고, 제1 다공성 중합체는 복수의 기공을 포함하고, 제1 영역은 제1 다공성 중합체의 기공 중 적어도 일부 내에 고정화된 고체 수착제의 적어도 일부를 갖고, 제1 영역은 제1 다공성 중합체를 통해 이산화탄소를 수용하고 이산화탄소를 고체 수착제 상에 흡착하도록 구성된 것인 수착제 중합체 복합 물품.
  2. 제1항에 있어서, 고체 수착제는 이온 교환 수지, 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 금속-유기 골격체, 또는 폴리에틸렌이민(PEI)인 수착제 중합체 복합 물품.
  3. 제1항에 있어서, 제2 다공성 중합체를 갖는 제2 영역 및 제3 다공성 중합체를 갖는 제3 영역을 추가로 포함하고, 제2 영역의 제2 다공성 중합체 및 제3 영역의 제3 다공성 중합체는 소수성인 수착제 중합체 복합 물품.
  4. 제3항에 있어서, 제1 다공성 중합체, 제2 다공성 중합체, 및 제3 다공성 중합체는 동일한 것인 수착제 중합체 복합 물품.
  5. 제1항에 있어서, 제1 영역은 두께가 5.0 mm 미만인 수착제 중합체 복합 물품.
  6. 제1항에 있어서, 제1 영역의 제1 다공성 중합체는 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌, 또는 팽창 폴리에틸렌인 수착제 중합체 복합 물품.
  7. 제1항에 있어서, 고체 수착제가 제1 다공성 중합체의 기공 중 적어도 일부 내에 고정화된 후의 제1 다공성 중합체의 인장 강도가, 고체 수착제가 제1 다공성 중합체의 기공 중 적어도 일부 내에 고정화되기 전의 제1 다공성 중합체의 원래 인장 강도와 대략 동일하게 유지되는 것인 수착제 중합체 복합 물품.
  8. 제3항에 있어서, 제2 영역은 제1 영역의 제1 면에 배열되고, 제3 영역은 제1 영역의 제2 면에 배열되는 것인 수착제 중합체 복합 물품.
  9. 제3항에 있어서, 제2 영역 및 제3 영역의 제2 및 제3 다공성 중합체는 각각, 적어도 폴리테트라플루오로에틸렌, 팽창 폴리테트라플루오로에틸렌 및 팽창 폴리에틸렌 중 하나인 수착제 중합체 복합 물품.
  10. 고체 수착제와 제1 다공성 중합체를 조합하는 방법으로서,
    복수의 기공을 갖는 제1 다공성 중합체를 제공하는 단계,
    고체 수착제를 제공하는 단계,
    수착제의 적어도 일부가 제1 다공성 중합체의 기공 내에 배치되도록 수착제와 제1 다공성 중합체를 조합하는 단계; 및
    제1 다공성 중합체의 기공 내에 고체 수착제를 고정화하는 단계
    를 포함하는, 고체 수착제와 제1 다공성 중합체를 조합하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 수착제와 다공성 중합체를 조합하는 단계는, 수착제로 구성된 슬러리를 제1 다공성 중합체에 전달하는 것을 포함하는 것인 방법.
  12. 제11항에 있어서, 슬러리는 캐리어를 추가로 포함하는 것인 방법.
  13. 제10항에 있어서, 수착제와 제1 다공성 중합체를 조합하는 단계는, 강제 공기 유동 하에 건조 입자 형태의 수착제를 제1 다공성 중합체에 적용하는 것을 포함하는 것인 방법.
  14. 제10항에 있어서, 고체 수착제를 고정화하는 단계는
    제1 다공성 중합체와 수착제의 조합에 용매를 적용하는 단계; 및
    용매를 증발시키는 단계
    를 추가로 포함하는 것인 방법.
  15. 제14항에 있어서, 증발시키는 단계는 제1 다공성 중합체의 복수의 기공의 기공 크기를 수축시키는 것인 방법.
  16. 제10항에 있어서, 고정화하는 단계는 제1 다공성 중합체와 수착제에 열을 가하는 것을 포함하는 것인 방법.
  17. 제16항에 있어서, 제1 다공성 중합체와 수착제에 열을 가하는 것은, 제1 다공성 중합체의 복수의 기공의 기공 크기를 수축시키는 것인 방법.
  18. 제10항에 있어서, 고정화하는 단계는 수착제 물질을 갖는 제1 다공성 중합체에 제2 영역을 부착하는 것을 추가로 포함하는 것인 방법.
  19. 제18항에 있어서, 부착하는 공정은 수착제 물질을 갖는 제1 다공성 중합체에 제2 영역을 적층하는 것을 포함하는 방법.
  20. 연행된(entrained) 중합체 복합 물품으로서,
    복수의 노드, 인접한 노드를 연결하는 복수의 피브릴, 및 노드와 피브릴에 의해 획정된 복수의 기공을 포함하는 제1 다공성 중합체로서, 제1 다공성 중합체는
    피브릴이 실질적으로 직선인 제1 상태, 및
    피브릴이 실질적으로 물결 모양이거나 구부러져 있고 기공이 제1 상태에서보다 크기가 더 작은 제2 상태
    를 갖는 것인 제1 다공성 중합체; 및
    제1 상태의 기공에 보유되고 제2 상태의 기공에 고정화되는 복수의 고체 입자
    를 포함하는 연행된 중합체 복합 물품.
  21. 제20항에 있어서, 복수의 고체 입자는:
    캐리어; 및
    캐리어를 덮는 수착제 물질
    을 포함하는 것인 연행된 중합체 복합 물품.
  22. 제20항에 있어서, 고체 입자는 약 0.1 μm 내지 약 100 μm의 평균 입자 크기를 갖는 것인 연행된 중합체 복합 물품.
  23. 제20항에 있어서,
    제2 다공성 중합체 영역;
    제3 다공성 중합체 영역으로서, 제1 다공성 중합체는 제2 다공성 중합체 영역과 제3 다공성 중합체 영역 사이에 개재되어 있는 것인 제3 다공성 중합체 영역; 및
    제2 다공성 중합체 영역과 제3 다공성 중합체 영역 사이에 연장되는 단부-밀봉 영역
    을 추가로 포함하고, 제2 다공성 중합체 영역, 제3 다공성 중합체 영역, 및 단부-밀봉 영역은 협력하여 제1 다공성 중합체 내의 고체 입자를 보호하는 것인 연행된 중합체 복합 물품.
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