DE69405747T2

DE69405747T2 - Verminderung der porosität von materialien

Info

Publication number: DE69405747T2
Application number: DE69405747T
Authority: DE
Inventors: Colin Samuel Rusholme Manchester M14 5Hx Sinclair; Alan Wilmslow Cheshire Sk9 6Ej Tallentire
Original assignee: Rexam Medical Packaging Ltd
Current assignee: Amcor Flexibles Winterbourne Ltd
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1994-06-08
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2014-06-09
Also published as: JPH08512098A; FI955893A7; FI955893L; EP0705368B1; ATE158362T1; FI955893A0; DK0705368T3; GB9311946D0; US5695871A; WO1994029525A1; EP0705368A1; DE69405747D1; AU6853994A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verringerung der Offenheit von Material, um die Anzahl und/oder Größe von Hohlräumen zu verringern. Insbesondere betrifif sie die Behandlung luftdurchlässiger Materialien, insbesondere solcher mit vergleichsweise offenen Strukturen, die dadurch weniger offen gemacht werden. Die Erfindung betrifft auch das behandelte Material.
Die Erfinder des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes haben bereits ein Verfahren zur Behandlung eines porösen Materials durch selektives Einbringen einer Suspension eines Porenmodifikators in dessen größte Poren entwickelt. Somit offenbart die EP-A- 0.272.798 ein Verfahren zur Erhöhung der Sperreigenschaften, indem innerhalb der großen oder Transportporen Zonen mit großer Oberfläche erzeugt werden. Dies kann so erfolgen, daß es geringe oder keinerlei Auswirkungen auf die Durchlässigkeit des Materials hat. Die WO 93/14265 und die WO 93/24705 offenbaren weitere Techniken auf Basis der selektiven Ablagerung von Behandlungsmitteln innerhalb der Transportporen. Materialien mit sehr offenen Strukturen besitzen jedoch nicht direkt Poren und bleiben im allgemeinen bei den in der früheren Arbeit geoffenbarten Behandlungsarten im wesentlichen unverändert. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren bereit, das für solche offene Materialien angewandt werden kann. Selbstverständlich könnte sie auch auf weniger "offene", sondern eher "poröse" Materialien angewandt werden.
Spezielle Beispiele für "offene" Materialien, auf die die Erfindung anwendbar ist, sind nicht-kompakte (oder im wesentlichen nicht-kompakte) Fasermaterialien, die im wesentlichen oder weitgehend eine Matrix aus regelmäßigen, halbregelmäßigen oder statistisch verteilten Fasern umfassen oder daraus bestehen. Solche nicht-kompakten (oder im wesentlichen nicht-kompakten) Materialien werden hierin als Netzwerkmaterialien bezeichnet, und Beispiele dafür sind gewebte Materialien, Faservliesmaterialien, "geblasene" Materialien und Spinnvliese.
Die Art von "offenem" Material, mit dem sich die Erfindung besonders beschäftigt, weist im allgemeinen einen Hohlraumanteil von zumindest 50%, vorzugsweise zumindest 75% auf.
Die Offenheit eines Materials kann durch das Verhältnis zwischen dem (mittleren) Abstand der Fasern und dem (mittleren) Faserdurchmesser quantifiziert werden. Das Verhältnis ist bei einem kompakten Material klein, liegt bei einem offenen" Material, auf das die vorliegende Erfindung besonders anwendbar ist, aber deutlich über eins (z.B. zumindest 2, vorzugsweise zumindest 5, möglicherweise 10 oder mehr).
Es gibt viele Anwendungen für Materialien, die als Sperre gegen den Eintritt von in der Luif enthaltenen Teilchen (wie z.B. Mikroorganismen) fungieren, obwohl sie dennoch luftdurchlässig bleiben. Beispiele dafür sind Filtermedien, verschiedene Arten von Bekleidungsstücken, sowie Papier und papierartige Materialien zum Verpacken von sterilen medizinischen Instrumenten.
Es ist wünschenswert, Sperrprodukte aus Netzwerkmaterialien und anderen Materialien mit ähnlich offener Struktur herstellen zu können, und es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verringerung der Offenheit solcher Materialien bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung der Offenheit einer dimensionsstabilen Bahn aus luftdurchlässigem Material bereit, umfassend: (a) die Behandlung desselben, um expandierbare Teilchen in das Material einzubringen; und daraufhin (b) das Herbeiführen der Expansion der Teilchen, so daß diese in bestehende Hohlräume hinein expandieren, die dadurch verkleinert werden.
Die Bestandteile der Bahn (üblicherweise Fasern) sind im allgemeinen - sei es chemisch, mechanisch oder physikalisch - miteinander verbunden. Daher umfaßt die Volumszunahme der expandierenden Teilchen primär ihre Expansion in bestehende Hohlräume, die dadurch verkleinert werden. Wenn im Gegensatz dazu expandierbare Teilchen für nicht-verbundene Fasern angewandt und expandiert werden, besteht die Hauptwirkung darin, daß die Fasern auseinandergedrückt werden. Das Material expandiert und wird, wenn überhaupt, noch weiter geöffnet.
Das Ausgangsmaterial kann ein Netzwerkmaterial sein. Nach der Behandlung kann es ein poröses Material sein. Es kann dann weiterer Porenmodifikationsbehandlung unterzogen werden. Diese kann wie von den Erfindern des vorliegenden Anmeldungsgegenstandes bereits in EP-A-0.272.798, WO 93/14265 oder WO 93/24705, die durch Verweis hierin aufgenommen sind, geoffenbart beschaffen sein.
Die zu behandelnden Materialien können naßgelegte oder nicht-naßgelegte Materialien sein. Spezielle Beispiele für behandelbare naßgelegte Materialien sind Papier und papierartige Netzwerkmaterialien. Spezielle Beispiele für nicht-naßgelegte Materialien sind gewebte Materialien (z.B. Textilien), Faservliesmaterialien (z.B. Textilien), geblasene Materialien und Spinnvliese.
Allgemein umfassen die Materialien zur Behandlung gemäß vorliegender Erfindung Faserbestandteile, die eine "offene" Struktur definieren. Die expandierbaren Teilchen werden auf den Fasern des Materials gehalten, und ihre Expansion bewirkt, daß sie die offenen Räume zwischen den Faserbestandteilen belegen und daher deren Offenheit verringern.
Vorzugsweise werden die Teilchen durch Hitze expandiert und sind insbesondere thermoplastische Mikrokügelchen, die ein Gas, z.B. Butan, oder ein verdampfbares oder gaserzeugendes Material enthalten. Derartige thermoplastische Mikrokügelchen können durch Erhitzen, z.B. auf etwa 80ºC, um die thermoplastische Wand der Kugel zu erweichen und unter dem Gasdruck Expansion zu ermöglichen, expandiert werden.
Die Größe der zu verwendenden expandierbaren Teilchen kann je nach der Offenheit des behandelten Materials gewählt werden. Beispielsweise wurden thermoplastische Mikrokügelchen mit einer Größe von etwa 10 µm im Durchmesser eingesetzt, die beim Erhitzen eine vierfache Expansion des Durchmessers ergaben. Diese Zahlen dienen jedoch bloß als Beispiel; es könnten auch andere Größen der Mikrokügelchen und andere Expansionsgrade gewählt werden. Wenn die Teilchen zu klein sind, neigen sie dazu, von einem durch das Material hindurchgehenden Gasstrom mitgeführt zu werden und nicht innerhalb des Materials zu bleiben. Der zur Behandlung eines bestimmten Materials geeignete Größenbereich kann durch einfache Versuche gefunden werden. An einem solchen Material kann der Behandlungs- und Expansionsschritt vorgenommen und es kann dann mit dem Mikroskop untersucht und/oder seine Durchlässigkeits- oder Sperreigenschaifen beurteilt werden.
Die expandierbaren Teilchen können einheitliche Größe, eine bestimmte Größenverteilung oder statistische Größe aufweisen.
Die expandierbaren Teilchen können in das Material eingebaut werden, indem quer durch das Material eine Druckdifferenz aufgebaut und die Seite des Materials mit höherem Druck mit einer Suspension oder Dispersion der expandierbaren Teilchen in Luft (oder einem anderen Gas) behandelt wird. Während dieser Behandlung setzen sich die expandierbaren Teilchen auf den Fasern des Materials fest und werden festgehalten. Diese Teilchen können dann expandiert werden, sodaß sie einen beträchtlichen Teil des Freiraums zwischen den Fasern des Materials belegen und dadurch dessen Offenheit verringern. Das Ausmaß der Verringerung kann von Faktoren wie der Größe der expandierten Teilchen und ihrer innerhalb des Materials befindlichen Anzahl abhängen. Im allgemeinen wird die Behandlung so durchgeführt, daß ein Material erzeugt wird, das den Durchtritt von Gasen und Dämpfen zuläßt, aber als verbesserte Sperre für in der Luft befindliche Teilchen fungiert. Es ist natürlich möglich, an jedem Material mehr als eine Behandlung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.
Das behandelte Material kann selbst ausreichende Sperreigenschaften für bestimmte Anwendungen aufweisen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Materialien können jedoch Poren in einem bestimmten Größenbereich aufweisen und können so behandelt werden, daß in die Poren am oberen Ende des Größenbereichs ein Porenmodifikator eingebracht wird, so daß der Durchtritt von in der Luft befindlichen Teilchen durch diese Poren eingeschränkt wird, während die Poren am unteren Ende des Größenbereichs im wesentlichen keinen Porenmodifikator aufnehmen. Diese zweite Behandlung kann nach dem in der EP-A-0.272.798 geoffenbarten Verfahren durchgeführt werden.
Es liegt ebenfalls im Schutzumfang der Erfindung, das Material in Schritt (a) mit einem Gemisch aus expandierbaren Teilchen und einem Porenmodifikator zu behandeln. Dadurch kann die Notwendigkeit für zwei getrennte Behandlungsschritte, wie im vorhergehenden Absatz erwähnt, vermieden werden. Bei dem Mittel kann es sich um eines handeln, das sich mit den Mikrokügelchen verbindet, womit es als Bindemittel fungiert und/oder einen Oberflächenüberzug auf den expandierten Mikrokügechen ergibt. Vorzugsweise weist das Mittel unter den Bedingungen (insbesondere der Temperatur) des Expansionsschrittes Filmbildungseigenschaften auf. Es kann ein Latex verwendet werden.
Nachstehend werden einige Beispiele für die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die zum Einbringen expandierbarer Teilchen in eine Materialbahn verwendet wird.
Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, die zeigt, wie die Behandlung die Durchlässigkeit eines Materials für bakterielle Sporen beeinflußt;
Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Luftdurchlässigkeit über der Behandlungsintensität;
Fig. 4 ist eine grafische Darstellung der mittleren Größe der durchströmten Poren über der Behandlungsintensität;
die Fig. 5-9 sind Mikrofotografien von Materialien.
Eine geeignete Vorrichtung, um die Behandlung einer Ausgangsmaterialbahn durchzuführen, ist jene, die in Fig. 1 geoffenbart und in der EP-A-0.272.798 beschrieben wird. Sie umfaßt eine Behandlungskammer 1, in der eine Probe 2 zu behandelnden Materials wie gezeigt gehalten wird. Ein Flußregelungssystem 3 dient dazu, quer durch das Material 2 eine Druckdifferenz aufzubauen. An der anderen Seite ist ein Hudson- Zerstäuber 4 vorgesehen, der mit einer Luftzufuhrleitung 5 verbunden ist. Bei Betrieb wird im Zerstäuber 4 ein Aerosol erzeugt und durch das angelegte Vakuum durch das Material 2 hindurch gezogen.
Die folgenden Beispiele wurden unter Verwendung der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
Eingangsdruck des Zerstäubers: 20 psi (13,8 x 10&sup4; Pa)
Materialprobengröße: 78,5 cm²
Strömungsgeschwindigkeit durch das Material hindurch: 10 dm³.min&supmin;¹
Die verwendeten Mikrokügelchen werden unter dem Markennamen EXPANCEL von Nobel Industries (Schweden) vertrieben. Sie bestehen aus Isobutan enthaltenden thermoplastischen Hohlkügelchen.

Beispiel 1

Das Ausgangsmaterial war ein 100 g.m&supmin;² Polypropylen-Faservlies mit einer Luftdurchlässigkeit von 80.000 Bendtsen. Dieses als Bahn A bezeichnete Material wurde 30 s lang mit einem Aerosol behandelt, das mit dem Zerstäuber aus einer 40%-igen (w/v) Suspension von Mikrokügelchen in Wasser erzeugt wurde. Die Probe wurde dann Dampf ausgesetzt, um die Expansion der eingeschlossenen Mikrokügelchen herbeizuführen. Fig. 2 zeigt das Verhalten der unbehandelten und der behandelten Bahn A, wenn sie in der Luft befindlichen und mit Geschwindigkeiten im Bereich von 10&supmin;³ bis 10&supmin;¹ dm³.min&supmin;¹.cm&supmin;² strömenden Bacillus subtilis-Sporen ausgesetzt wurde. Aus Fig. 2 geht hervor, daß bei den verschiedenen untersuchten Strömunggeschwindigkeiten der prozentuelle Durchtritt von Sporen bei der behandelten Bahn im Vergleich zur unbehandelten Bahn A geringer ist. (Das Ausmaß der Verbesserung der Sperrwirkung bei Strömungsgeschwindigkeiten von 1,8 x 10&supmin;² bzw. 1,3 x 10&supmin;¹ dm³.min&supmin;¹.cm&supmin;² liegt beim 10&sup4;- bis 10²fachen.)
Die Fig. 5-9 sind vergrößerte Bilder von Bahn A nach verschiedenen Behandlungen.
Fig. 5 zeigt das Ausgangsmaterial. Es hat eine dreidimensionale Struktur mit großen Hohlräumen zwischen im allgemeinen einheitlichen Fasern.
Fig. 6 zeigt das Material nach der Anwendung von Mikrokügelchen, die als verdunkelte Verdickungen auf den Fasern sichtbar sind. Fig. 7 zeigt ein ähnliches Material nach der Expansion der Mikrokügelchen. Fig. 8 ist eine ähnliche Ansicht, die ein Material zeigt, das intensiver behandelt wurde.
Fig. 9 zeigt ein Material, wie in Fig.7 gesehen, das verwendet wurde, um Methylenblau- Teilchen aus einem Luftstrom zu filtern. Die dunklen Flecken sind festgehaltene Farbstoffteilchen. Auch das in Fig. 5 gezeigte unbehandelte Material wurde unter ähnlichen Bedingungen mit Methylenblau behandelt, es gibt aber keinen Hinweis darauf, daß irgendetwas festgehalten wurde. Daher ist klar, daß die Behandlung gemäß vorliegender Erfindung Sperreigenschaften verliehen hat.

Beispiel 2

Eine luftgelegte Zellulosefaservlies-Bahn mit 60 gm&supmin;² (als Bahn B bezeichnet) wurde unterschiedlich oft mit einem Aerosol behandelt, das aus einer Suspension von Mikrokügelchen in Kombination mit einem Porenmodifikator (Latexteilchen) behandelt wurde. Die Formulierung der Suspension ist nachstehend angeführt.
expandierbare Mikrokilgelchen 10% (w/v)
Latexteilchen 10% (w/v)
Wasser auf 100%
Fig. 3 ist ein Diagramm der Luftdurchlässigkeit über der Behandlungsintensität für Bahn B. Die schwarzen Punkte stellen die Daten dar, die für Proben ohne Expansion der Mikrokügelchen erhalten wurden, und die weiße Punkte jene, die für Proben nach der Expansion von Mikrokügelchen durch das Einwirken von Dampf erhalten wurden. Dieses Diagramm zeigt, daß ohne Expansion der Mikrokügelchen das Einbringen der Kombination der beiden Mittel in Bahn B zu einer geringfügigen Verringerung der Luftdurchlässigkeit von Bahn B führt (etwa 1,5fache Verringerung bei 180 s Behandlung). Bei Expansion der Mikrokügechen wird jedoch beobachtet, daß die Luftdurchlässigkeit mit steigender Behandlungsintensität rasch fällt (etwa 9fache Verringerung der Luftdurchlässigkeit bei 180 s Behandlung). Diese deutliche Verringerung der Luftdurchlässigkeit bei Expansion der Mikrokügeichen ist eine Folge einer Reduktion der Offenheit von Bahn B.
Fig. 4 ist ein Diagramm der mittleren Größe der durchströmten Poren über der Intensität der Behandlung für Bahn B. (Wie in Fig. 3 bezeichnen die schwarzen Punkte die Daten, die für Proben ohne Expansion der Mikrokügelchen erhalten wurden, und die weißen Punkte jene nach der Mikrokügelchen-Expansion unter Einwirkung von Dampf.) In Übereinstimmung mit der Reaktion hinsichtlich der Luftdurchlässigkeit wird ohne Mikrokügelchen-Expansion eine geringfügige Verringerung der mittleren Größe der durchströmten Poren beobachtet (etwa 1,3fache Reduktion bei 180 s Behandlung). Im Gegensatz dazu gibt es bei Mikrokügelchen-Expansion eine deutliche Verringerung der mittleren Größe der durchströmten Poren mit zunehmender Behandlungsintensität (etwa das 7,2fache bei 180 s Behandlung). Wiederum geht die Reaktion der mittleren Größe der durchströmten Poren auf die Mikrokügelchen-Expansion mit einer Reduktion der Offenheit von Bahn B einher.
In Tabelle 1 sind Sperrdaten angeführt, die sich für Bahn B ergeben, die mit der Kombination von Mikrokügelchen und Porenmodifikator behandelt wurde. (Die Tabelle zeigt Daten, die sich für Bahn B mit und ohne Mikrokügelchen-Expansion ergeben.) In Tabelle 1 ist der prozentuelle Durchtritt von in der Luft befindlichen Teilchen mit einer Größe von über 0,5, 1 und 2 µm bei einer fixen Behandlungs-Strömungsgeschwindigkeit von 0,35 dm³.min&supmin;¹.cm&supmin;² angeführt. Ohne Mikrokügelchen-Expansion ist bei einer Teilchengröße von 0,5 µm keine Sperrwirkungs-Verbesserung zu erkennen, und beim größten Schwellenwert der Teilchengröße (d.h. 2 µm) wird nur eine mäßige Reduktion des Durchtritts beobachtet (etwa das 1,4fache bei einer Behandlungsdauer von 180 s). Bei Mikrokügelchen-Expansion wird jedoch bei allen drei Teilchengrößen-Schwellenwerten eine beträchtliche Reduktion des prozentuellen Durchtritts beobachtet. Bei einem Teilchengrößen-Schwellenwert von 0,5 µm ist zu sehen, daß der prozentuelle Durchtritt bei 80 s Behandlungsdauer von etwa 75% auf 5% fällt (d.h. isfache Verbesserung), und beim 2 µm-Schwellenwert fällt der prozentuelle Durchtritt von etwa 43% auf 0%. Klarerweise sorgt eine Reduktion der Offenheit von Bahn B als Folge der Mikrokügelchen-Expansion für eine beträchtliche Verbesserung der Sperrwirkung. Tabelle 1 - Bahn B (60 g.m&supmin;²)

Claims

1. Verfahren zur Verringerung der Offenheit einer dimensionsstabilen Bahn aus luifdurchlässigem Material, umfassend (a) die Behandlung desselben, um expandierbare Teilchen in das Material einzubringen; und daraufhin (b) das Herbeiführen der Expansion der Teilchen, sodaß diese in bestehende Hohlräume hinein expandieren, die dadurch verkleinert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Bahn aus Fasern besteht, die miteinander verbunden sind, sodaß Dimensionsstabilität verliehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Material eine Matrix aus Fasern umfaßt und die Behandlung so durchgeführt wird, daß die Teilchen an den Fasern innerhalb des Materials angebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Material vor der Behandlung einen Hohlraumanteil von zumindest 50% aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin das Material vor der Behandlung Fasern umfaßt, die so angeordnet sind, daß das Verhältnis des mittleren Abstands der Fasern zum mittleren Faserdurchmesser zumindest 2 beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Teilchen gashältige, thermoplastische Mikrokügelchen sind.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Teilchen in das Material eingebracht werden, indem quer über das Material ein Druckunterschied aufgebaut wird und die unter höherem Druck stehende Seite des Materials mit den Teilchen in einem Trägergas behandelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, worin die Schritte (a) und (b) so durchgeführt werden, daß ein poröses Material erzeugt wird, das Poren aufweist, die zumindest teilweise von expandierten Teilchen begrenzt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, worin der Behandlungsschritt (a) auch zum Einbringen eines Porenmodifikators führt, der die Eigenschaften der resultierenden Poren beeinflußt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das Material nach dem Expandieren der Teilchen weiters mit einem Porenmodifikator behandelt wird.

11. Material, herstellbar durch Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auf eine dimensionsstabile Bahn aus luftdurchlässigem Ausgangsmaterial.