DE69839386T2

DE69839386T2 - Faserstrukturen mit feinen teilchen

Info

Publication number: DE69839386T2
Application number: DE69839386T
Authority: DE
Inventors: H. Gunter Charlotte GROEGER; Jason R. Highview MALONE
Original assignee: Fiberweb LLC
Current assignee: Fiberweb LLC
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2018-01-23
Also published as: US5972808A; EP0907506A1; WO1998033644A1; EP0907506B1; JP2001511223A; EP0907506A4; DE69839386D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine faserige Struktur mit immobilisierten Teilchen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Trägerteilchen für sorptive Imprägniermittel sind bekannt. Beispiele sind herkömmliche sorptive Imprägniermittel, wie Kupfer- und Silbersalze, auf Aktivkohle-Teilchen.
Faserige Strukturen, die funktionell aktive Teilchen enthalten, sind im Handel erhältlich. Aus diesen Strukturen hergestellte Filtermedien und Filter umfassen sorptive Teilchen zur selektiven Entfernung bestimmter Bestandteile einer Flüssigkeit oder eines Gases, das durch diese Filter geleitet wird. Eine gute Leistung mit einem niedrigen Druckabfall resultiert in vorteilhafter Weise aus der Verteilung der sorptiven Teilchen in einer dreidimensional beabstandeten Anordnung. Die tragende faserige Struktur wird vorteilhaft durch Faser-Faser-Bindungen stabilisiert, und die aktiven Partikel sind an der faserigen Struktur gebunden oder in deren Zwischenräumen eingeschlossen.
Feine aktive Teilchen können in vorteilhafter Weise mehr Oberfläche für eine gewünschten Verwendung liefern als ein vergleichbares Volumen von größeren Teilchen, doch muss der Zutritt eines Gases oder einer Flüssigkeit, das (die) durch die faserige Struktur geleitet wird, zu den feinen Teilchen gewährleistet sein. Hier treten Schwierigkeiten auf, wenn die aktiven Teilchen fein sind, besonders wenn sie eine Größe im Submikron-Bereich haben. Beispielsweise ist eine Kontrolle der Bewegung der feinen Teilchen bei der Einführung der feinen Teilchen in oder auf eine faserige Struktur aufgrund der Beweglichkeit oder der unregelmäßigen Bewegung der feinen Teilchen schwierig. Feine, bewegliche Teilchen neigen auch dazu, die verfügbare faserige Oberfläche zu bedecken, und können so eine anschließende Faser-Faser-Bindung beeinträchtigen.
Die Immobilisierung von feinen, beweglichen Teilchen zur Vermeidung eines Verlusts während des Gebrauchs ist sehr erwünscht. Zur Immobilisierung muss eine ausreichende Oberfläche zur Abscheidung der feinen Teilchen vorhanden sein. Ein äquivalentes Volumen von feinen Teilchen benötigt jedoch eine größere Oberfläche zur Abscheidung, als ein äquivalentes Volumen von Teilchen üblicher Größe, beispielsweise mit einem durchschnittlicher Durchmesser im Bereich von etwa 300 bis 500 Mikron. In einer faserigen Struktur von Makrofasern steht gewöhnlich keine ausreichende Faser-Oberfläche zur Verfügung, um eine brauchbare Beladung der feinen aktiven Teilchen durch Bindung an die Oberfläche zu erzielen. Außerdem steht die Forderung nach einem ausreichend niedrigen Druckabfall der faserigen Struktur gewöhnlich im Konflikt mit einer ausreichenden Faser-Oberfläche. Auch wenn eine überschüssige Faser-Oberfläche vorliegt, muss die Immobilisierung ausreichend wirksam sein, damit ein Verlust während des Gebrauchs minimiert wird.
Somit besteht ein Bedürfnis nach einer verbesserten faserigen Struktur mit einer dreidimensionalen Anordnung eines immobilisierten aktiven Materials. Eine solche faserige Struktur wäre nützlich für den Gebrauch und würde eine höhere Oberfläche für die Immobilisierung von feinen, beweglichen Teilchen als aktives Material liefern, und hätte trotzdem einen akzeptabel niedrigen Druckabfall. Eine solche faserige Struktur würde in vorteilhafter Weise die feinen aktiven Teilchen für ein Gas oder eine Flüssigkeit zugänglich machen, das (die) durch die faserige Struktur geleitet wird, wobei aber der Verlust der feinen aktiven Teilchen während des Gebrauchs minimal wäre.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine faserige Struktur gemäß Anspruch 1. So basiert eine verbesserte faserige Struktur in vorteilhafter Weise auf einer faserigen Matrix und Platzhalter-Teilchen (surrogate particles), die von der faserigen Matrix getragen werden. Der Ausdruck "Platzhalter-Teilchen" bezeichnet Teilchen, die als Träger für funktionell aktive Teilchen wirken.
Erfindungsgemäß sind die Platzhalter-Teilchen in vorteilhafter Weise in einer dreidimensionalen Anordnung verteilt und fixiert. Mit dem Ausdruck "fixiert" ist eine Bindung an oder ein Einschluss in den Zwischenräumen der faserigen Matrix gemeint. Vorzugsweise weist die faserige Matrix eine allgemein gleichmäßige Struktur auf, und die dreidimensionale Anordnung ist ebenfalls im Allgemeinen gleichmäßig.
Erfindungsgemäß werden die feinen aktiven Teilchen von wesentlich größeren Platzhalter-Teilchen getragen, und die Abscheidung der feinen, beweglichen aktiven Teilchen auf den fixierten Platzhalter-Teilchen erfolgt selektiv. Die selektive Abscheidung beruht in vorteilhafter Weise auf einer bevorzugten Anziehung zwischen den feinen, beweglichen Teilchen und den fixierten Platzhalter-Teilchen. Das zur Abscheidung ausgewählte Verfahren bewirkt in vorteilhafter Weise die Immobilisierung der feinen aktiven Teilchen auf den Platzhalter-Teilchen.
Eine ausreichende Oberfläche für die Abscheidung, und die Zugänglichkeit zu den immobilisierten feinen Teilchen für eine Flüssigkeit oder ein Gas werden durch eine geeignete Auswahl der Platzhalter-Teilchen begünstigt, wobei beispielsweise die durchschnittliche Größe der feinen Teilchen und die physikalische Struktur der Platzhalter-Teilchen in Betracht gezogen werden. Weiterhin wird die Zugänglichkeit durch die Abscheidung der feinen Teilchen als Monoschicht auf den einzelnen Platzhalter-Teilchen und eine allgemein gleichmäßige, dreidimensionale Anordnung der Platzhalter-Teilchen begünstigt; daher werden diese Eigenschaften bevorzugt.
Die funktionell aktiven feinen Teilchen werden auf in einer dreidimensionalen Anordnung fixierten Platzhalter-Teilchen mit einer hohen verfügbaren Oberfläche immobilisiert. Erfindungsgemäß erfährt die faserige Struktur durch die immobilisierten feinen Teilchen einen nützlichen Verfahrensvorteil, oder eine analytische Verwendung, und/oder eine Filtrationsfunktion.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es wird auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen, die sehr illustrativ ist, und die einen Teil der Beschreibung der vorliegenden Erfindung bildet.
1 ist eine Querschnittsansicht einer faserigen Struktur mit Platzhalter-Teilchen gemäß der Erfindung; und
2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Platzhalter-Teilchens mit immobilisierten feinen aktiven Teilchen, die in einem Zwischenraum einer faserigen Struktur ähnlich der von 1 eingeschlossen und an deren Fasern gebunden ist.
DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie vorstehend erwähnt, beruht die erfindungsgemäße faserige Struktur in vorteilhafter Weise auf einer synthetischen faserigen Matrix, in der Platzhalter-Teilchen in einer dreidimensionalen Anordnung verteilt und fixiert sind. Die Struktur ist gewöhnlich ein Vlies und kann unter Verwendung von Verbundfasern, einem Gemisch aus Strukturfasern und schmelzbaren Fasern, Pulverklebungen und nach anderen geeigneten Verfahren zur Bindung der Platzhalter-Teilchen an die faserige Struktur hergestellt werden. Die Platzhalter-Teilchen können auch mittels physikalischer Verfahren, wie Nadeln und Verknäuelung durch Wasserstrahlen, fixiert und so eingeschlossen werden.
In jedem Fall enthält die faserige Matrix eine faserige Strukturkomponente, und vorteilhafterweise bewirkt die Strukturkomponente auch dann eine strukturelle Integrität, wenn die faserige Matrix stark mit Platzhalter-Teilchen beladen ist. Wird für die Fixierung der Platzhalter-Teilchen Wärme angewendet, kann die Wärme vorteilhaft in Form von Strahlungswärme, wie IR-Wärme, angewendet werden, so dass die Bindung ohne Kompression oder druckinduzierte Verformung der Platzhalter-Teilchen/faserigen Matrixstruktur erfolgt; die Bindungstemperatur ist typischerweise eine erhöhte Temperatur im Bereich von etwa 130 bis 200°C, obwohl in Abhängigkeit von Faktoren, wie dem speziellen Material zur Bindung der Platzhalter-Teilchen an die faserige Matrix, eine erhöhte Temperatur außerhalb dieses Bereiches geeignet sein kann.
Um eine punktuelle Kontaktbindung der Platzhalter-Teilchen an die faserige Matrix zu erzielen, ist die faserige Matrix vorzugsweise aus Verbundfasern mit einer strukturellen Faserkomponente und einer heißklebbaren Faserkomponente hergestellt. Allgemein schmilzt die strukturelle Komponente bei einer Temperatur von mindestens etwa 30 bis 50°C höher als die heißklebbare Komponente. Vorzugsweise hat die heißklebbare Faserkomponente eine hohe Fähigkeit zur Bindung der Platzhalter-Teilchen an die faserige Matrix. Die Bindung wird vorzugsweise dadurch erzielt, dass die heißklebbare polymere Faserkomponente auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher sie klebrig wird oder schmilzt, bei welcher aber in jedem Fall eine Adhäsion erfolgt. In vorteilhafter Weise erfolgt durch das Erhitzen auch eine Stabilisierung der Bahnstruktur durch eine Faser-Faser-Bindung an den Kreuzungspunkten der Fasern. Ein "Punktschweißen" erfolgt durch die Adhäsion am Kontaktpunkt einzelner Platzhalter-Teilchen mit einzelnen Matrixfasern. Die punktuelle Kontakt bindung vermindert in vorteilhafter Weise eine unerwünschte Beschichtung der Platzhalter-Teilchen mit dem Bindematerial, und somit auch eine unerwünschte Verminderung der für eine Abscheidung und Immobilisierung der feinen, beweglichen aktiven Teilchen zur Verfügung stehenden Oberfläche der Platzhalter-Teilchen.
Ein Beispiel für brauchbare Verbundfasern sind konzentrische Mantel-Kern-Fasern. Geeignete Verbundfasern umfassen auch exzentrische Mantel-Kern-Fasern und Fasern mit einer Seite-an-Seite-Struktur. Derartige Verbundfasern sind als Zweikomponenten- oder heterofile Fasern bekannt. Der Fachmann auf dem Gebiet weiß, dass eine Vielzahl von Faserstrukturen aus vielen Bestandteilen mit einem bei einer niedrigeren Temperatur schmelzenden Bestandteil existiert oder hergestellt werden kann, und kann diese Faserstrukturen aus vielen Bestandteilen als brauchbare Verbundfasern auswählen.
Brauchbare Fasern können in einer Vielzahl von Formen vorliegen, einschließlich gekräuselten und nichtgekräuselten geschnittenen Stapelfasern, Kurzschnitt-Stapelfasern, kontinuierlichen Filamenten und Gemischen davon. In vorteilhafter Weise kann die erfindungsgemäße Vliesstruktur aus gekräuselten Stapelfasern trockengeformt werden, wodurch sie locker ist. Zusätzlich können auch durch Spinnen gebundene Bahnstrukturen und schmelzgeblasene Bahnstrukturen verwendet werden.
Die Strukturfasern sollen in einer ausreichenden Menge vorhanden sein, um eine Matrixstruktur und eine ausreichende Oberfläche für die Fixierung der Platzhalter-Teilchen zu erhalten. Typischerweise ist die faserige Matrix im Vergleich zu der Beladung der Platzhalter-Teilchen in einer kleineren Menge vorhanden. Obwohl eine faserige Bahn mit Platzhalter-Teilchen etwa 5 Gew.-% bis 80 Gew.-% Strukturfasern, basierend auf dem kombinierten Gewicht der Platzhalter-Teilchen und der Strukturfasern, enthalten kann, sind gewöhnlich nur etwa 10 bis 25 Gew.-% Strukturfasern enthalten, außer wenn Platzhalter-Teilchen mit niedriger Dichte verwendet werden.
Die Matrixstruktur ist vorzugsweise im Wesentlichen gleichmäßig, um die bevorzugte, dreidimensionale, im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung und Beabstandung der Platzhalter-Teilchen mit ausreichenden Zwischenräumen zu ermöglichen. Zusätzlich zur Förderung einer im Wesentliche gleichmäßigen Verteilung und Abscheidung der aktiven Substanz auf den fixierten Platzhalter-Teilchen fördert dies auch den Zugang einer Flüssigkeit oder eines Gases zu den immobilisierten feinen aktiven Teilchen. Durch die dreidimensionale, beabstandete Anordnung der Platzhalter-Teilchen können gewundene Strömungswege erhalten werden. Die Anwendung von Kompressionskraft oder eines anderen Drucks, um die Fixierung der Platzhalter-Teilchen an der Matrix-Struktur zu fördern, bewirkt das Gegenteil und sollte daher vermieden werden.
Eine erfindungsgemäße offene, im Wesentlichen gleichmäßige Vliesstruktur kann vorteilhaft aus gekräuselten Stapelmakrofasern mit einem durchschnittlichen Durchmesser von mehr als 10 Mikron trockengeformt werden. Der durchschnittliche Durchmesser beträgt in Abhängigkeit von der vorgesehenen Anwendung gewöhnlich etwa 12 bis 25 Mikron. Falls erwünscht, können Strukturfasern mit signifikant unterschiedlichen Durchmessern bei der Bildung der faserigen Matrix kombiniert werden.
Für die Trocken-Ablege-Verarbeitung weist die Strukturfaser im Allgemeinen ein Längen-Durchmesser-Verhältnis auf, das im unteren Bereich begrenzt ist. Im oberen Bereich können Fasern mit gleichmäßiger Länge verwendet werden. Für die Nass-Ablege-Verarbeitung wird, falls angewendet, ein geeignetes Längen-Durchmesser-Verhältnis der Strukturfaser ausgewählt.
Brauchbare faserige Strukturen können mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 50 mm hergestellt werden. Abhängig von Überlegungen, auch über die endgültige Anwendung, können jedoch, falls gewünscht, viel dickere Strukturen hergestellt werden. Es können auch gestapelte Faserstrukturen hergestellt werden.
Die faserige Matrix kann auch eine strukturell vorteilhafte Menge an Versteifungsfasern mit einer Titer pro Filament von 6 bis 10.000 Denier umfassen, insbesondere wenn die Platzhalter-Teilchen relativ groß sind. Zusätzlich kann die faserige Matrix Mikrotiter-Fasern enthalten. Diese Versteifungsfasern oder Mikrotiter-Fasern können Verbundfasern, Nichtverbundfasern oder ein Gemisch davon darstellen. Die faserige Matrix kann in Abhängigkeit von dem gewünschten Ergebnis andere Fasern oder Filamente oder Fibrillen enthalten.
Die Platzhalter-Teilchen können beliebige organische oder anorganische Teilchen sein, die als Träger für feine aktive Teilchen geeignet sind. Besonders brauchbare Platzhalter-Teilchen sind porös und haben raue oder unregelmäßige Oberflächen, die eine vergrößerte Oberfläche für die Abscheidung ergeben. Ein vorteilhaftes Hohlraumvolumen für Platzhalter-Teilchen beträgt mehr als etwa 50%, in vorteilhafter Weise etwa 60 bis 65%, bevorzugt mehr als 70%, und besonders bevorzugt etwa 90% oder mehr. Die Platzhalter-Teilchen fördern die selektive Abscheidung von feinen, beweglichen Teilchen auf den Platzhalter-Teilchen gegenüber der faserigen Matrix, oder sie können in geeigneter Weise modifiziert werden. Die Platzhalter-Teilchen können eine geeignete funktionelle Aktivität für den Einsatz, z. B. eine Sorptionsaktivität, haben, aber erfindungsgemäß ist dies keine Anforderung für die Platzhalter-Teilchen. Die Platzhalter-Teilchen können daher im Hinblick auf den gewünschten Einsatz funktionell inaktiv sein. Brauchbare Platzhalter-Teilchen umfassen Kohleteilchen wie Aktivkohle, Zeolith-Teilchen, Aluminiumoxid-Teilchen, wie aktiviertes Aluminiumoxid, polymere Teilchen, wie beispielsweise Styrolpolymere, und Absorbens-Teilchen, z. B. handelsübliche Superabsorbens-Teilchen. Die vorstehende Beschreibung soll geeignete Teilchen für die Verwendung als Platzhalter-Teilchen bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung beschreiben, aber nicht darauf beschränkt sein.
Besonders geeignete Platzhalter-Teilchen sind poröse Teilchen mit niedriger Dichte; sie haben Poren und Oberflächen-Vertiefungen mit einem Durchmesser im Bereich von 1 bis 100 Mikron, die durch kleinere Poren verbunden sind. Diese Poren und Oberflächen-Vertiefungen ergeben in vorteilhafter Weise eine innere Oberfläche für die Abscheidung von feinen Teilchen mit einer Durchschnittsgröße im Bereich von etwa 0,01 bis 10 Mikron, insbesondere als Monoschicht, und anschließend für eine Zugänglichkeit der immobilisierten feinen Teilchen. 1 cm³ dieser Platzhalter-Teilchen ergibt einen Rauminhalt von etwa 75 bis 1.500 m² verfügbare Oberfläche. Polymere Teilchen dieses Typs sind von Biopore Corporation erhältlich. Zum Vergleich ergibt 1 cm³ eines durchlässigen Vlieses mit einem durchschnittlichen Faserdurchmesser von 15 Mikron nur etwa 0,2 m² verfügbare Oberfläche. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass funktionell aktive, feine Teilchen auf einem Substrat mit einer hohen verfügbaren Oberfläche abgeschieden werden, insbesondere auf einer durchlässigen dreidimensionalen Anordnung von fixierten Platzhalter-Teilchen mit einer hohen verfügbaren Oberfläche. Der Ausdruck "hohe verfügbare Oberfläche" bezeichnet mindestens etwa 5, bevorzugt mindestens etwa 25 m² verfügbare Oberfläche pro cm³. Die vorliegende Erfindung beschränkt sich natürlich nicht auf die Verwendung von Platzhalter-Teilchen mit hoher verfügbarer Oberfläche.
Erfindungsgemäß sind die Platzhalter-Teilchen in einer vorteilhaft beabstandeten, im Allgemeinen gleichmäßigen dreidimensionalen Anordnung an die faserige Matrix gebunden oder in deren Zwischenräumen eingeschlossen. Eine Heißverklebung begrenzt in vorteilhafter Weise die Wanderung der Platzhalter-Teilchen innerhalb der Struktur und auch deren Verlust aus der Struktur. Die Bindung einzelner Platzhalter-Teilchen an die faserige Matrix an mehr als einem Punkt ist vorteilhaft. Eine Heißverklebung kann beispielsweise durch Zugabe von auf eine geeignete erhöhte Temperatur erhitzten Platzhalter-Teilchen zu der Faserbahn erfolgen, oder durch Erhitzen der Bahn auf eine geeignete erhöhte Temperatur nach dem Zusatz der Platzhalter-Teilchen zu der Bahn. Die immobilisierten Platzhalter-Teilchen können sich nur auf der Oberfläche der Bahn, oder innerhalb der Bahn, oder auf der Oberfläche der Bahn und innerhalb der Bahn befinden. Durch eine Heißverklebung der Platzhalter-Teilchen/faserigen Matrixstruktur ohne Anwendung von Druck kann in vorteilhafter Weise die Verkleinerung oder Verformung des Abstands zwischen den Platzhalter-Teilchen vermieden werden.
Die Platzhalter-Teilchen haben gewöhnlich eine Durchschnittsgroße im Bereich von etwa 100 Mikron bis etwa 1 mm bis 10 mm, vorzugsweise etwa 0,3 mm bis 2 mm. Sie können in Form von Perlen, Granulaten usw. vorliegen, und können in ihrer Form von sphärischen Teilchen bis unregelmäßig geformten Teilchen variieren. Allgemein haben die Platzhalter-Teilchen eine geeignete Größe, so dass sie in die Bahnstruktur eingebaut werden können. Die Platzhalter-Teilchen können jedoch auch dadurch fixiert werden, dass sie auf eine erhöhte Temperatur erhitzt und dann zu der Faserbahn gegeben werden.
Die faserige Matrix kann zu etwa 20 zu 95 Gew.-% mit Platzhalter-Teilchen, bezogen auf das kombinierte Gewicht der Platzhalter-Teilchen und der Matrixfasern, beladen sein. Bei der Wahl der Beladung sollte darauf geachtet werden, dass eine geeignete Oberfläche für die Abscheidung der ausgewählten Menge an feinen, beweglichen aktiven Teilchen auf den Platzhalter-Teilchen zur Verfügung steht. Eine höhere gewichtsmäßige Beladung eines Typs von Platzhalter-Teilchen als eines anderen Typs von Platzhalter-Teilchen ergibt nicht unbedingt eine größere Oberfläche für die Abscheidung. Eine hohe Beladung von Platzhalter-Teilchen mit geringer Dichte kann beispielsweise eine große verfügbare Oberfläche für die Abscheidung ergeben und trotzdem nur einen geringen Gewichtsanteil ausmachen, beispielsweise 25 Gew.-%. Werden Platzhalter-Teilchen mit einer ähnlichen Dichte wie Aktivkohle, Zeolith oder Aluminiumoxid gewählt, wird die faserige Matrix gewöhnlich mit etwa 50 bis 90 Gew.-% Platzhalter-Teilchen beladen, natürlich insbesondere in Abhängigkeit von der erforderlichen Oberfläche für die Abscheidung. Allgemein gesagt, ergibt eine mit einem relativ hohen Volumen an Platzhalter-Teilchen beladene faserige Matrix gewundene Strömungswege in der faserigen Matrix.
Erfindungsgemäß tragen die fixierten Platzhalter-Teilchen immobilisierte, feine aktive Teilchen. Obgleich eine Vielzahl von feinen Teilchen mit brauchbaren Funktionen verwendet werden kann, ist eine typische erfindungsgemäße Funktion der vorteilhaften feinen Teilchen in einer faserigen Struktur eine vorteilhafte Verarbeitung, z. B. eine Veränderung, ein Wechsel oder eine chemische Modifikation eines oder mehrerer Bestandteile einer Flüssigkeit oder eines Gases, das mit den feinen Teilchen in Kontakt kommt; eine brauchbare Analyse; oder eine brauchbare Filtration oder Trennung zu bewirken. Brauchbare Verarbeitungsaspekte umfassen die Abtötung oder Inaktivierung oder Abschwächung von gefährlichen Bakterien und Viren und die chemische Modifikation unerwünschter anorganischer Verunreinigungen. Brauchbare diagnostische Tests umfassen DNA-Tests. Die Funktion der feinen aktiven Teilchen kann durch die funktionelle Aktivität der Platzhalter-Teilchen oder die funktionelle Aktivität einer anderen Substanz oder eines anderen Materials verbessert werden.
Die erfindungsgemäß verwendeten feinen aktiven Teilchen sind durch ihre Mobilität oder durch ungleichmäßige Bewegungen gekennzeichnet, wenn sie in einer Flüssigkeit oder einem Gas suspendiert sind, weshalb sie eine durchschnittliche Größe im Bereich von etwa 0,01 bis 10 Mikron haben. Obwohl aktive Teilchen im Submikron-Bereich bevorzugt werden, können erfindungsgemäß feine Teilchen bis zu einer durchschnittlichen Größe von 100 Mikron verwendet werden. In jedem Fall liegt die durchschnittliche Größe der aktiven Teilchen im Bereich von etwa 0,01 bis 0,0001 der durchschnittlichen Größe der Platzhalter-Teilchen. Bei einer relativ höheren durchschnittlichen Größe der aktiven Teilchen ist daher eine höhere durchschnittliche Größe der Platzhalter-Teilchen erforderlich.
Erfindungsgemäß weisen die Platzhalter-Teilchen vorteilhaft Poren oder Vertiefungen, oder Poren und Vertiefungen mit einer Größe auf, dass die innere Oberfläche der Platzhalter-Teilchen für die feinen aktiven Teilchen zugänglich ist und diese dort abgeschieden werden können, und dass anschließend ein Zugang zu den immobilisierten feinen Teilchen möglich ist. Die durchschnittliche Porengröße ist daher größer als die durchschnittliche Größe der feinen Teilchen, so dass ein Verstopfen der Poren durch die feinen Teilchen minimiert wird und das Gas oder die Flüssigkeit die immobilisierten feinen Teilchen kontaktieren kann. Neben der Zugänglichkeit sind die feinen Teilchen auch vorteilhaft in einer Monoschicht abgeschieden. Deshalb wird es besonders bevorzugt, dass die für die Abscheidung verfügbare Oberfläche mindestens gleich groß oder etwas größer ist als die Oberfläche, die für die Abscheidung in einer Monoschicht benötigt wird. Daher ist die relative durchschnittliche Größe der feinen aktiven Teilchen bedeutsam im Hinblick darauf, ob bestimmte Platzhalter-Teilchen eine ausreiche Oberfläche für die Abscheidung, insbesondere in einer Monoschicht, und auch für die anschließende Zugänglichkeit der immobilisierten feinen Teilchen, liefern oder nicht. Natürlich wird bei der Abscheidung die gesamte verfügbare Oberfläche verwendet, d. h. sowohl die innere als auch die äußere Oberfläche der Platzhalter-Teilchen.
Beispielhafte funktionell brauchbare organische und anorganische Verbindungen in Form von feinen Teilchen umfassen Materialien für die Verarbeitung, Analyse, Filtration und Trennung. Verarbeitungsaspekte umfassen feine Teilchen als Modifikatoren für anorganische Verunreinigungen und biozide feine Teilchen bei Anwendungen für die öffentliche Gesundheit und medizinische Anwendungen, ferner chemisch reaktive feine Teilchen für chemische Anwendungen, und katalytische feine Teilchen für die Katalyse, usw.. Beispielhafte feine teilchenförmige Verarbeitungsmaterialien umfassen Silicate, synthetische amor phe Kieselsäure und Aluminiumoxid. Es können feine aktive Teilchen für Analysen bei medizinischen, veterinärmedizinischen und anderen Diagnosen eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzliche können feine aktive Teilchen, wie Aktivkohlepulver, bei der Filtration eingesetzt werden. Es können auch feine aktive Teilchen verwendet werden, die eine gute Trennung durch Entfernen einer Komponente aus einer anderen Komponente bewirken. Die feinen aktiven Teilchen werden je nach der Verwendung oder der erwünschten Funktion ausgewählt. Die vorstehende Beschreibung soll bezüglich der brauchbaren feinen Teilchen repräsentativ, aber nicht beschränkend sein. Die feinen aktiven Teilchen können alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren anderen funktionell aktiven Substanzen verwendet werden. Zusätzlich zu den Platzhalter-Teilchen kann die faserige Struktur auch für den Bedarf einer selektiven Abscheidung auf den Platzhalter-Teilchen andere Teilchen enthalten, die wesentlich größer als die Platzhalter-Teilchen sind, wobei diese optionalen großen Teilchen funktionell aktiv sein können.
Erfindungsgemäß wird eine funktional wirksame Menge der feinen aktiven Teilchen nach der Fixierung auf den fixierten Platzhalter-Teilchen immobilisiert. So wird bei einer Fixierung der Platzhalter-Teilchen durch Bindung und auch im Fall einer Faser-Faser-Bindung die Bindung nicht durch die feinen Teilchen, die die Eindungs-Oberfläche der Fasern bedecken, beeinträchtigt. Die Beladung mit der feinen Teilchen hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der beabsichtigten Verwendung und der vergleichbaren Wirksamkeit der chemischen oder physikalischen Eigenschaften der feinen Teilchen bei der beabsichtigten Funktion. Dementsprechend wird eine relativ größere Menge von relativ weniger wirksamen feinen Teilchen verwendet, während eine relativ kleinere Menge von relativ stärker wirksamen feinen Teilchen ausreichend ist, um eine vergleichbare funktionelle Aktivität zu erreichen. In jedem Fall ist erfindungsgemäß eine funktionell wirksame Menge der feinen Teilchen immobilisiert; trotzdem zeichnet sich die faserige Struktur durch einen annehmbar niedrigen Druckabfall aus.
Erfindungsgemäß werden die feinen, beweglichen aktiven Teilchen vorzugsweise selektiv auf den fixierten Platzhalter-Teilchen abgeschieden. "Selektiv" bedeutet, dass die Abscheidung auf den Platzhalter-Teilchen wesentlich größer, vorzugsweise im Wesentlichen ausschließlich ist als auf anderen verfügbaren Oberflächen der faserigen Struktur. Um eine selektive Abscheidung zu erreichen, können die Platzhalter-Teilchen und die feinen aktiven Teilchen eine chemische oder physikalische spezifische gegenseitige Affinität aufweisen; dementsprechend vermindert, wenn die Platzhalter-Teilchen durch Bindung an der faserigen Struktur fixiert werden, eine Kontaktpunkt-Bindung vorteilhaft eine unerwünschte Maskierung einer Anziehungskraft durch das gebundene Material. Es kann daher aus einer Vielzahl von Verfahren und Techniken zur selektiven Abscheidung ausgewählt werden, ab hängig von Faktoren, wie der Basis für die selektive Abscheidung, den chemischen und physikalischen Eigenschaften der feinen Teilchen und der Platzhalter-Teilchen, und der Notwendigkeit der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität der faserigen Matrix. Brauchbare Verfahren zur aktiven Abscheidung umfassen die chemische oder physikalische Modifikation, das Aufpfropfen, die Plasmabehandlung, die elektrische Ladung, elektrische Abscheidung, die chemische Bindung und andere geeignete Verfahren. Wird bei einem Abscheidungsverfahren Wärme angewendet, sollte die Temperatur niedriger sein als die Temperatur, bei der das gewünschte Produkt, einschließlich der faserigen Matrix, nachteilig beeinflusst wird. Die Abscheidung sollte selektiv sein und effizient erfolgen, damit ein Verlust der feinen, beweglichen aktiven Teilchen vermieden und deren Immobilisierung maximiert wird.
In Abhängigkeit von dem Abscheidungsverfahren, den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Platzhalter-Teilchen und der feinen aktiven Teilchen und anderen Faktoren können die feinen aktiven Teilchen auf verschiedene Weise an und in den Platzhalter-Teilchen immobilisiert werden. Die Immobilisierung kann durch eine attraktive Assoziation mit oder eine physikalische Haftung oder chemische Bindung oder eine andere Bindung an die Platzhalter-Teilchen erfolgen. In jedem Fall muss bei der Immobilisierung der Zugang zu den feinen aktiven Teilchen bestehen bleiben, und sie muss so stark sein, dass bei der Verwendung ein Verlust der feinen aktiven Teilchen minimiert wird; weiterhin muss die Art der Immobilisierung der Größe der feinen Teilchen angemessen sein. Bei einer chemischen Bindung kann in Abhängigkeit von der Oberflächen-Chemie, beispielsweise der Bindungsstellen der Platzhalter-Teilchen, und der Größe und Chemie der feinen Teilchen eine kovalente chemische Bindung eine geeignete Wahl darstellen. Um die Immobilisierung zu bewirken, können die Platzhalter-Teilchen und/oder die feinen Teilchen chemisch oder physikalisch modifiziert sein, dass sie eine spezifische gegenseitige Anziehung aufweisen, beispielsweise durch anziehende Ladungen.
1 zeigt einen Schnitt 20 durch eine erfindungsgemäße faserige Vliesstruktur. Eine Vielzahl von einzelnen Fasern 22 bildet eine offene Bahn 24 und definiert eine obere Oberfläche 26 und eine untere Oberfläche 28 der Bahn. Vorzugsweise ist die faserige Matrix der Bahn im Wesentlichen gleichmäßig, und die Platzhalter-Teilchen 30 sind im Wesentlichen gleichmäßig in einer dreidimensional beabstandeten Anordnung in der Bahn verteilt. Alternativ können die Platzhalter-Teilchen nur auf der Oberfläche der Bahn oder auf der Oberfläche der Bahn und in der Bahn abgeschieden sein.
Die faserige Struktur von 1 wird vorzugsweise trocken aus einer gekräuselten Makro-Stapelfaser gebildet. Durch trockene Formgebung und insbesondere durch Karden wird in vorteilhafter Weise eine offene, im Wesentlichen gleichmäßige faserige Struktur erzeugt, so dass ein unterschiedliches Material, wie die Platzhalter-Teilchen 30, anschließend kontrolliert eingebracht und beabstandet werden können, wobei ein Zugang und gewundene Strömungswege in der teilchenbeladenen Struktur für den Gas- oder Flüssigkeitsdurchtritt gebildet werden.
Die Platzhalter-Teilchen werden vorteilhaft in einer voneinander beabstandeten Anordnung fixiert. Wie in 2 dargestellt, sind die Platzhalter-Teilchen vorteilhaft in Zwischenräumen der faserigen Matrix eingeschlossen und an die faserige Matrix gebunden. Das repräsentative Platzhalter-Teilchen 30 hat eine unregelmäßige Oberfläche mit Vertiefungen 40 unterschiedlicher Größe. In den Vertiefungen 40 sind feine aktive Teilchen immobilisiert, dargestellt als Punkte oder kleine Kreise, die auf den Wänden der Vertiefungen und in denselben abgeschieden sind. Obgleich dies in 2 wegen der Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt ist, sind feine aktive Teilchen zusätzlich auf der äußeren Oberfläche der Platzhalter-Teilchen immobilisiert. Geeignete Platzhalter-Teilchen haben Poren und/oder Vertiefungen, die groß genug sind, um die abzuscheidenden feinen aktiven Teilchen aufzunehmen, wobei der Zutritt eines Gases oder einer Flüssigkeit zu den immobilisierten feinen Teilchen gewährt ist. Es ist nicht vorteilhaft, dass die relative durchschnittliche Größe der feinen Teilchen so nahe an der durchschnittlichen Porengröße liegt, dass die feinen Teilchen die Poren verstopfen, da ein Verstopfen die Verfügbarkeit und die Wirksamkeit der immobilisierten feinen Teilchen, das beabsichtigte funktionelle Ergebnis zu erzielen, vermindert. Erfindungsgemäß erfolgt die selektive Abscheidung der feinen aktiven Teilchen auf den Platzhalter-Teilchen wegen der bevorzugten Anziehung zwischen den feinen aktiven Teilchen und den Platzhalter-Teilchen, wobei die feinen aktiven Teilchen auf den fixierten Platzhalter-Teilchen immobilisiert werden. In vorteilhafter Weise erfolgt die Abscheidung auf der verfügbaren Oberfläche der Platzhalter-Teilchen in einer Monoschicht. Auf diese Weise wird eine hohe Beladung der feinen aktiven Teilchen und ihre Zugänglichkeit in einem relativ kleinen Volumen erhalten.
Wie ebenfalls in 2 dargestellt ist, stellen die Fasern 22 vorzugsweise Mantel-Kern-Verbundfasern mit jeweils einem Kern 56 und einem Mantel 58 mit niedrigem Schmelzpunkt dar. Die Platzhalter-Teilchen sind vorzugsweise an vielen Stellen 66 an die Fasern gebunden, wobei die Bindung vorzugsweise lokalisiert ist und eine Faser-an-Faser-Bindung an den Kreuzungspunkten der Fasern die Bahnstruktur stabilisiert. Da die Bindung vor der Abscheidung der feinen aktiven Teilchen erfolgt, wird sie nicht dadurch beeinträchtigt, dass eine Bedeckung der Bindefläche der Fasern durch die feinen aktiven Teilchen erfolgt. Weiterhin würde, wenn die feinen aktiven Teilchen auf den Platzhalter-Teilchen immobilisiert und die Platzhalter-Teilchen danach in der faserigen Struktur abgeschieden würden, die Bindung der Platzhalter-Teilchen an die faserige Struktur die immobilisierten feinen akti ven Teilchen nachteilig bedecken und auch die Poren und Vertiefungen, die die immobilisierten feinen aktiven Teilchen enthalten, blockieren und verstopfen, wobei das Ausmaß beispielsweise von der angewendeten Bindungstechnik abhängen würde.
Eine erfindungsgemäße faserige Struktur kann mit einer oder mehreren anderen Schichten in Kontakt stehen. Diese Schichten können ein Vlies darstellen, einschließlich teilweise verdichteter Vliese oder schmelzgeblasener Bahnen, gewebter Stoffe, Strickstoffe, poröser Membranen usw.. Diese Schichten können an die erfindungsgemäße Struktur laminiert oder in geeigneter Weise anderweitig daran befestigt sein und können, falls gewünscht, eine nutzbare Funktion ausüben.
Die Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen faserigen Struktur umfassen die pharmazeutische, medizinische und biotechnologische Verarbeitung und Filtration, die Blutverarbeitung, einschließlich der Verarbeitung von Vollblut und Blutbestandteilen, die Nahrungsmittel- und Getränke-Verarbeitung und -Filtration, die diagnostische medizinische und veterinärmedizinische Verwendung, sowie die Luft- und Flüssigkeitsfiltration und -trennung. Wichtig bei diesen Anwendungen ist die Immobilisierung der feinen aktiven Teilchen, und dass der Zutritt eines Gases oder einer Flüssigkeit zu den immobilisierten feinen Teilchen gewährleistet ist.
Die faserige Struktur kann unbearbeitet oder in verschiedenen Formen und Vorrichtungen verwendet werden. Die faserige Struktur kann einzeln oder zusammen mit anderen Geweben, Filtern, Filmen, Kunststoffen und Membranen verwendet werden.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen faserigen Struktur gemäß 1 werden gekräuselte Fasern durch eine Kardiermaschine gekämmt, wobei eine offene Vliesbahn 20 auf einem Endlosband gebildet wird. Platzhalter-Teilchen 30 werden beispielsweise aus einer Schüttelvorrichtung auf die Bahn 20 aufgebracht. Die Bahn 20 hat einen geeigneten Öffnungsgrad, und die Platzhalter-Teilchen 30 haben eine geeignete Größe und Gewicht, damit sie in der Bahn eingeschlossen werden können. Anschließend wird Wärme, vorzugsweise ohne Druck, in die Struktur der Platzhalter-Teilchen und der faserigen Matrix eingeführt, so dass eine Bindung der Platzhalter-Teilchen an die Matrixstruktur und eine Faser-Faser-Bindung erfolgt. Auf diese Art wird eine faserige Matrix gebildet, und anschließend werden die Platzhalter-Teilchen in einer dreidimensionalen Anordnung verteilt und an einer stabilisierten faserigen Matrix fixiert.
Es können auch andere Verfahren zur Fixierung der Platzhalter-Teilchen angewendet werden. Ein Heißklebeschritt kann bei einer ausreichend hohen Temperatur, die niedriger ist als der Schmelzpunkt der strukturellen Fasern, über einen geeigneten Zeitraum durchgeführt werden, um eine Bindung der Platzhalter-Teilchen an die strukturellen Fasern zu bewirken. Anschließend wird die faserige Struktur abgekühlt.
Erfindungsgemäß werden anschließend feine, bewegliche aktive Teilchen zu der stabilisierten Struktur der Platzhalter-Teilchen und der faserigen Matrix gegeben, und durch eine bevorzugte Anziehung zwischen den feinen, beweglichen Teilchen und den fixierten Platzhalter-Teilchen werden die feinen beweglichen Teilchen selektiv auf den Platzhalter-Teilchen abgeschieden und darauf sowie darin immobilisiert. Es wird ein mit den vorstehend angegebenen Überlegungen übereinstimmendes Verfahren einer geeigneten Abscheidung ausgewählt; daher können die Platzhalter-Teilchen und die feinen aktiven Teilchen vor der Abscheidung mit gegenseitig anziehenden Ladungen oder Kräften versehen werden. Somit betrifft die Erfindung auch ein Verfahren, nach dem eine stabilisierte faserige Matrix mit fixierten Platzhalter-Teilchen hergestellt und anschließend bei geeigneten Abscheidungsbedingungen feine, bewegliche aktive Teilchen unter Verwendung geeigneter Abscheidungsbedingungen selektiv auf den Platzhalter-Teilchen abgeschieden und immobilisiert werden.

Claims

Faserstruktur, umfassend eine Fasermatrix und funktionell aktive feine Teilchen, die in einer dreidimensionalen Anordnung von Trägerteilchen getragen werden, wobei die Trägerteilchen eine ausreichende Größe aufweisen, um eingeschlossen zu werden, und in Zwischenräumen der Fasermatrix eingeschlossen sind, wobei die durchschnittliche Größe der funktionell aktiven feinen Teilchen im Bereich von etwa 0,01 bis 0,0001 der durchschnittlichen Größe der Trägerteilchen liegt und wobei die funktionell aktiven feinen Teilchen auf den stationären Trägerteilchen selektiv gegenüber der Fasermatrix abgeschieden und auf den Trägerteilchen immobilisiert sind, und wobei die Trägerteilchen Poren aufweisen, und wobei ein Teil der immobilisierten feinen Teilchen in den Poren abgeschieden ist und wobei die Fasermatrix weiterhin Verbundfasern mit einer durch Hitze verbundfähigen Faserkomponente umfasst, und wobei die Trägerteilchen durch die durch Hitze verbundfähige Komponente an die Fasermatrix gebunden ist.
Faserstruktur nach Anspruch 1, wobei die feinen Teilchen auf den stationären Trägerteilchen als Monolayer abgeschieden sind.
Faserstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die durchschnittliche Größe der feinen Teilchen im Bereich von etwa 0,01 bis 10 Mikron liegt.
Faserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Immobilisierung der feinen Teilchen durch Anziehungskräfte oder Bindung an die Trägerteilchen erfolgt.
Faserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Trägerteilchen ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Rußteilchen, Zeolithteilchen, Aluminiumoxidteilchen, polymeren Teilchen und Absorbensteilchen.
Faserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dreidimensionale Anordnung eine allgemein gleichmäßige, dreidimensional beabstandete Anordnung ist und vorzugsweise gewundene Strömungswege umfasst.
Faserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die feinen Teilchen zumindest eine verarbeitende Funktion, eine analytische Funktion und/oder eine sorptive Funktion aufweisen.
Faserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend mindestens eine Schicht, die auf oder in der Faserstruktur angeordnet ist.
Faserstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Trägerteilchen eine verfügbare Oberfläche von mindestens 5 m²/cm³, vorzugsweise mindestens 25 m²/cm³, aufweisen.