СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЖИДКОСТЕЙ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ С ВЫСОКИМИ СКОРОСТЯМИ НА ПОРИСТЫХ НЕТКАНЫХ ПОДЛОЖКАХ
METHOD AND DEVICE FOR MOVING AND DISTRIBUTING WATER-BASED LIQUIDS AT HIGH SPEEDS ON POROUS NON-WOVEN SUBSTRATES

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Перенос жидкости с использованием поверхностей со смачиваемыми структурами является применимой и развивающейся областью в микроструйной технике. Простое изготовление материала в комбинации с потоком на открытой поверхности обещает незатратные виды применения в области микроструйной техники. Регулирование смачиваемости материала (пространственно) для управления взаимодействием жидкой и твердой фаз относительно конкретной задачи микроструйной техники является существенным не только для непроницаемых (жестких, а также эластичных) подложек, а также для пористых и волокнистых подложек. Предыдущие работы продемонстрировали однонаправленный перенос жидкости с использованием специальной технологии нанесения покрытия, в которой был создан градиент смачиваемости по толщине волокнистой подложки посредством по-разному выбранных степеней воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения. Эффективность такой пористой мембраны, ткани или бумаги, характеризующихся градиентами смачиваемости, зависит от сопротивления прониканию сквозь такие материалы; данное сопротивление возникает из-за эффекта взаимосвязи местного геометрического угла смежных волокон и угла контакта твердой и жидкой фаз. Однонаправленный перенос основан на основном наблюдении, что давление проникновения для переноса жидкости от гидрофильной стороны к гидрофобной стороне намного больше, чем давление, необходимое для вынужденного прохождения жидкости в другом направлении.
Работа этих устройств на основе нетканого материала и бумаги очень зависит от того, как пористая подложка регулирует поток жидкости в предпочтительном направлении, в то же время препятствуя потоку в обратном направлении. Обычно взаимодействие жидкостей с воздухом и твердым телом было исследовано как обширная проблема линии контакта трех фаз. Характеристика поверхности, приводящая к гидрофобности или гидрофильности подложки, создает смачиваемые структуры, которые обеспечивают подходящие применения для переноса жидкости на открытой поверхности. Показан перенос капли воды на супергидрофобные пути с использованием внешних сил, например, гравитации или электростатических сил. Пути, ограниченные поверхностным натяжением, обладают способностью безнасосного переноса жидкостей с низким поверхностным натяжением без использования внешней силы. При том, что с помощью нескольких проектов была сделана попытка создать контролируемый, однонаправленный перенос жидкости либо на поверхность волокнистой подложки, либо через толщину пористого материала, сочетание этих двух способов однонаправленного переноса не было продемонстрировано.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Супергидрофобная и супергидрофильная структурированная обработка, например, материалов принимающего слоя и подложки обеспечивает высокую скорость течения жидкости от целевой области. В частности, были продемонстрированы эксплуатационные характеристики клиновидных супергидрофильных путей на супергидрофобном материале субстрата, необязательно соединенных с супергидрофильным кольцевым ободком, и необязательно содержащие дренажные отверстия или вырезы в подложке для обеспечения быстрого движения жидкости сквозь подложку. Различные конструкции демонстрировали способность пропускания с расходом от 300 до 1700 мл/мин.
Технология, описанная в настоящем документе, переносит большие объемы жидкости на водной основе на поверхности подложки и распределяет жидкость вниз от слоя подложки в желаемые места в любой другой нижележащий слой. Целью этого проекта является распределение жидкости с увеличенным распространением от целевой точки (т.е., где жидкость распределена на верхней части). Более широкое поперечное распределение жидкости требуется для способствования более быстрому переносу в любые нижележащие слои. Эта технология помогает переносить жидкость в радиальном направлении от места введения быстрее, чем стандартные скорости капиллярного переноса в нетканых материалах. Для демонстрации этого эффекта, верхняя поверхность подложки была структурирована в виде пространственно-выбранных супергидрофильных и супергидрофобных областей. Супергидрофобные зоны помогают поверхности оставаться сухой, в то время как супергидрофильные зоны облегчают перенос жидкости, выполняя роль транспортных каналов. Форма супергидрофильных областей тщательно спроектирована для обеспечения быстрого безнасосного переноса жидкости вдоль верхней поверхности от точки введения жидкости в радиальном направлении наружу по большей площади распространения.
Настоящее изобретение относится к материалу для управления объемами жидкостей, который включает в себя пористую подложку, содержащую первую и вторую поверхности; и управляющую жидкостью структуру, расположенную на первой поверхности, причем структура содержит целевую точку, первый резервуар и первый клиновидный элемент переноса, причем первый резервуар соединен с целевой точкой посредством первого клиновидного элемента переноса для того, чтобы обеспечить перенос жидкости от целевой точки к первому резервуару независимо от гравитации, и причем первый клиновидный элемент переноса имеет клиновидную форму, которая расширяется от целевой точки к первому резервуару, причем первая поверхность является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем первый клиновидный элемент переноса является одним из перечисленного: a) супергидрофильным, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной.
Настоящее изобретение также относится к материалу для управления объемами жидкостей, который включает в себя пористую подложку, содержащую первую и вторую поверхности; и управляющую жидкостью структуру, расположенную на первой поверхности, причем структура содержит целевую точку, первый и второй резервуары, первый клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и первый резервуар, второй клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и второй резервуар, причем каждый клиновидный элемент переноса имеет клиновидную форму, которая расширяется от целевой точки к резервуару, и причем каждый клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от целевой точки к резервуару, независимо от гравитации, и соединитель, соединяющий первый и второй резервуары, причем первая поверхность является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем структура для управления жидкостью является одной из перечисленного: a) супергидрофильной, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной.
Настоящее изобретение также относится к материалу для управления объемами жидкостей, который включает в себя пористую нетканую подложку, содержащую первую и вторую поверхности; и управляющую жидкостью структуру, расположенную на первой поверхности, причем структура содержит целевую точку, первый и второй резервуары, причем каждый резервуар представляет собой вырез, выполненный с возможностью пропускания жидкости от второй поверхности в направлении оси z, первый клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и первый резервуар, второй клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и второй резервуар, причем каждый клиновидный элемент переноса имеет клиновидную форму, которая расширяется от целевой точки к резервуару, и причем каждый клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от целевой точки к резервуару, независимо от гравитации, и соединитель, причем соединитель представляет собой ободок, соединяющий резервуары, причем пористая нетканая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку, так что первая поверхность является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем структура для управления жидкостью является одной из перечисленного: a) супергидрофильной, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Вышеизложенные и другие признаки и аспекты настоящего изобретения, а также способ их достижения станут более очевидными, и само изобретение станет более понятным из следующего описания, прилагаемой формулы изобретения и сопутствующих графических материалов, где:
на фиг. 1A показан схематический вид в перспективе распространения и проникания жидкости на горизонтальной подложке с принимающим слоем под подложкой, где подложка является необработанной, причем расход составляет 1100 мл/мин;
на фиг. 1B графически изображено объемное распределение жидкости (измеренное за временной промежуток, составляющий 1 секунду), капающей из принимающего слоя по фиг. 1A, где точка (0,0) обозначает место введения, и где серая шкала обозначает собранный объем в мл;
2
на фиг. 2A показан схематический вид в перспективе распространения и проникания жидкости на горизонтальной подложке с принимающим слоем под подложкой, где подложка является супергидрофильной подложкой, которая подверглась УФ-обработке после покрытия TiO и перфторалкилметакрилатным сополимером (PMC), и где расход составляет 1100 мл/мин;
на фиг. 2B графически изображено объемное распределение жидкости (измеренное за временной промежуток, составляющий 1 секунду), капающей из принимающего слоя по фиг. 2A, где точка (0,0) обозначает место отслеживания текучей среды, и где серая шкала обозначает собранный объем в мл;
2
на фиг. 3A показан схематический вид в перспективе распространения и проникания жидкости на горизонтальной подложке с принимающим слоем под подложкой, где подложка является супергидрофобной подложкой, покрытой TiO и PMC, и где расход составляет 1100 мл/мин;
на фиг. 3B графически изображено объемное распределение жидкости (измеренное за временной промежуток, составляющий 1 секунду), капающей из принимающего слоя по фиг. 3A, где точка (0,0) обозначает место отслеживания текучей среды, и где серая шкала обозначает собранный объем в мл;
на фиг. 4A показан схематический вид в перспективе подложки, удерживаемой на месте поверх принимающего материала, где разные формы супергидрофильных смачиваемых областей образованы на поверхности, в остальном являющейся супергидрофобной;
на фиг. 4B показан схематический вид в перспективе модели по фиг. 4A, демонстрирующий точку отслеживания жидкости и места просачивания жидкости из принимающего слоя;
на фиг. 5A показан схематичный вид сверху конструкции четырехстороннего распределителя, содержащего прямоугольные супергидрофильные смачиваемые пути, каждый из которых оканчивается у круглого конечного резервуара, и небольшую центральную супергидрофильную целевую точку, выполненную с возможностью размещения непосредственно под точкой введения жидкости;
на фиг. 5B показан схематический вид в перспективе структуры, изображенной на фиг. 5A, где жидкость течет перпендикулярно на целевую точку с расходом 100 мл/мин;
на фиг. 6A показан схематичный вид сверху конструкции четырехстороннего распределителя, содержащего клиновидные супергидрофильные смачиваемые пути, каждый из которых оканчивается у круглого конечного резервуара, и небольшую центральную супергидрофильную целевую точку, выполненную с возможностью размещения непосредственно под точкой введения жидкости;
на фиг. 6B показан схематический вид в перспективе структуры, изображенной на фиг. 6A, где жидкость течет перпендикулярно на целевую точку с расходом 300 мл/мин;
на фиг. 7A показан схематичный вид сверху конструкции четырехстороннего распределителя, содержащего супергидрофильные смачиваемые клиновидные пути, где материал подложки был удален из мест, занятых конечными резервуарами в предыдущих примерах;
на фиг. 7B показан схематический вид в перспективе структуры, изображенной на фиг. 7A, где жидкость течет перпендикулярно на целевую точку с расходом 400 мл/мин;
на фиг. 8A показан схематичный вид сверху конструкции четырехстороннего распределителя, содержащего супергидрофильные смачиваемые клиновидные пути и супергидрофильный кольцевой ободок, соединяющий наружные концы путей;
на фиг. 8B показан схематический вид в перспективе структуры, изображенной на фиг. 8A, где жидкость течет перпендикулярно на целевую точку с расходом 600 мл/мин;
на фиг. 9 показан схематичный вид сверху конструкции четырехстороннего распределителя, содержащего супергидрофильные смачиваемые клиновидные пути и супергидрофильный кольцевой ободок, соединяющий наружные концы путей, где материал подложки был удален из мест внутри кольцевого ободка;
на фиг. 10A показан схематичный вид сверху конструкции четырехстороннего распределителя, содержащего супергидрофильные смачиваемые клиновидные пути и супергидрофильный эллиптический ободок, соединяющий наружные концы путей;
на фиг. 10B показан схематический вид в перспективе структуры, изображенной на фиг. 10A, где жидкость течет перпендикулярно на целевую точку с расходом 1100 мл/мин;
на фиг. 11A показан схематичный вид сверху конструкции четырехстороннего распределителя, содержащего супергидрофильные смачиваемые клиновидные пути и супергидрофильный эллиптический ободок, соединяющий наружные концы путей, где материал подложки был удален из мест внутри эллиптического ободка;
на фиг. 11B показан схематический вид в перспективе структуры, изображенной на фиг. 11A, где жидкость течет перпендикулярно на целевую точку с расходом 1700 мл/мин; и
на фиг. 11C графически изображено объемное распределение жидкости (измеренное за временной промежуток, составляющий 1 секунду), капающей из принимающего слоя по фиг. 11A и 11B, где точка (0,0) обозначает место введения, и где цветная шкала обозначает собранный объем в мл.
Повторное применение ссылочных позиций в настоящем описании и в графических материалах предназначено для представления одинаковых или аналогичных признаков или элементов настоящего изобретения. Графические материалы являются иллюстративными и не обязательно выполнены в масштабе. Некоторые их размеры могут быть преувеличены, тогда как другие могут быть преуменьшены.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Все процентные отношения указаны по весу от общего твердого состава, если явным образом не указано иначе. Все соотношения являются весовыми соотношениями, если явным образом не указано иначе.
Термин «супергидрофобный» относится к свойству поверхности очень эффективно отталкивать воду. Это свойство количественно определяется углом контакта с водой, превышающим 150°.
Термин «гидрофобный», используемый в данном документе, относится к свойству поверхности отталкивать воду под углом контакта с водой, составляющим от приблизительно 90° до приблизительно 120°.
Термин «гидрофильный», используемый в данном документе, относится к поверхностям с углами контакта с водой гораздо меньше 90°.
Используемый в данном документе термин «нетканое полотно» или «нетканый материал» означает полотно, имеющее структуру из отдельных волокон или нитей, которые переслаиваются, однако не идентифицируемым образом, как в случае трикотажного полотна. Нетканые полотна образуются в ходе многих процессов, таких, например, как процессов по технологии мелтблаун, спанбонд, процессов воздушной укладки, процессов по технологии коформ и процессов получения связанного кардочесанного полотна. Базовый вес нетканых тканей обычно выражают в унциях материала на квадратный ярд (унц./кв. ярд) или граммах на квадратный метр (г/кв. м), а диаметры волокна обычно выражают в микронах, или в случае штапельных волокон, денье. Следует отметить, для преобразования унц./кв. ярд в г/кв. м, необходимо унц. умножить на 33,91.
Используемый в данном документе термин «волокна спанбонд» относится к волокнам небольшого диаметра из молекулярно-ориентированного полимерного материала. Волокна спанбонд могут быть сформированы путем экструзии расплавленного термопластического материала в виде волокон из множества мелких, обычно круглых, капилляров фильеры, причем диаметр экструдированных волокон затем быстро уменьшают, как, например, в патенте США №4340563, выданном Appel и соавт., патенте США №3692618, выданном Dorschner и соавт., патенте США №3802817, выданном Matsuki и соавт., патентах США №№3338992 и 3341394, выданных Kinney, патенте США №3502763, выданном Hartman, и патенте США №3542615, выданном Dobo и соавт., и в патенте США №5382400, выданном Pike и соавт. Волокна спанбонд обычно не являются клейкими при их укладывании на собирающую поверхность и обычно являются непрерывными. Волокна спанбонд часто имеют диаметр приблизительно 10 микрон или больше. Тем не менее, полотна из тонких волокон спанбонд (имеющие средний диаметр волокон менее приблизительно 10 микрон) могут быть получены различными способами, включая, без ограничения, способы, описанные в переуступленном патенте США №6200669, выданном Marmon и соавт., и патенте США №5759926, выданном Pike и соавт.
Нетканые полотна мелтблаун изготавливаются из волокон мелтблаун. Используемый в данном документе термин «волокна мелтблаун» означает волокна, образованные путем экструзии расплавленного термопластичного материала через множество мелких, обычно круглых, капилляров экструзионной головки в виде расплавленных нитей или элементарных нитей в сходящиеся высокоскоростные потоки, как правило горячего, газа (например, воздуха), которые вытягивают элементарные нити расплавленного термопластичного материала с уменьшением их диаметра, который может доходить до диаметра микроволокна. После этого волокна мелтблаун переносятся высокоскоростным потоком газа и осаждаются на собирающую поверхность с образованием полотна из распределенных случайным образом волокон мелтблаун. Такой способ раскрыт, например, в патенте США №3849241, выданном Butin. Волокна мелтблаун представляют собой микроволокна, которые могут быть непрерывными или прерываемыми, и обычно их средний диаметр меньше 10 микрон (используя размер образца, равный по меньшей мере 10), и обычно являются липкими после нанесения на собирающую поверхность.
Используемый в данном документе термин «полимер» в целом включает без ограничения гомополимеры, сополимеры, такие как, например, блок-, привитые, статистические и чередующиеся сополимеры, тройные сополимеры и т.д., а также их смеси и модификации. Кроме того, если нет конкретных ограничений, выражение «полимер» будет включать все возможные геометрические конфигурации молекулы. Данные конфигурации включают без ограничения изотактические, синдиотактические и статистические симметрии.
Используемый в данном документе термин «многокомпонентные волокна» относится к волокнам или элементарным нитям, образованным из по меньшей мере двух полимеров, экструдированных из отдельных экструдеров, но скрученных вместе с образованием таких волокон. Многокомпонентные волокна также иногда называются «сопряженными» или «бикомпонентными» волокнами или элементарными нитями. Термин «бикомпонентные» означает, что два полимерных компонента образуют волокна. Полимеры обычно отличаются друг от друга, хотя сопряженные волокна могут быть изготовлены из одного и того же полимера, если полимер в каждом состоянии отличается от другого каким-либо физическим свойством, таким как, например, температура плавления, температура стеклования или температура размягчения. Во всех случаях полимеры расположены в специальным образом размещенных отдельных зонах в поперечном сечении многокомпонентных волокон или элементарных нитей и проходят непрерывно вдоль длины многокомпонентных волокон или элементарных нитей. Конфигурация такого многокомпонентного волокна может представлять собой, например, расположение оболочка/сердцевина, в которой один полимер окружен другим, или может представлять собой расположение бок о бок, секторное расположение, или расположение «остров в море». Многокомпонентные волокна раскрыты в патенте США №5108820, выданном Kaneko и соавт.; патенте США №5336552, выданном Strack и соавт.; и патенте США №5382400, выданном Pike и соавт. Для двухкомпонентных волокон или элементарных нитей полимеры могут присутствовать в соотношениях 75/25, 50/50, 25/75 или любых других желательных соотношениях.
Используемый в данном документе термин «практически непрерывные волокна» предназначен для обозначения волокон, которые имеют длину, которая превышает длину штапельных волокон. Термин предназначен для включения волокон, которые являются непрерывными, например, волокна спанбонд и волокна, которые не являются непрерывными, но имеют определенную длину, более приблизительно 150 миллиметров.
Используемый в данном документе термин «штапельные волокна» означает волокна, которые имеют длину волокна, которая в общем находится в диапазоне от приблизительно 0,5 до приблизительно 150 миллиметров. Штапельные волокна могут представлять собой целлюлозные волокна или нецеллюлозные волокна. Некоторые примеры подходящих нецеллюлозных волокон, которые могут быть использованы, включают без ограничения полиолефиновые волокна, полиэфирные волокна, нейлоновые волокна, поливинилацетатные волокна и их смеси. Целлюлозные штапельные волокна содержат, например, пульпу, термомеханическую пульпу, синтетические целлюлозные волокна, модифицированные целлюлозные волокна и т.п. Целлюлозные волокна могут быть получены из вторичных или переработанных источников. Некоторыми примерами подходящих источников целлюлозных волокон являются натуральные древесные волокна, такие как термомеханическая, беленая и небеленая пульпа мягких и твердых пород дерева. Вторичные или переработанные целлюлозные волокна могут быть получены из канцелярского мусора, газетной бумаги, оберточной бумаги, обрезков картона и т.д. Кроме этого, растительные волокна, такие как абака, лен, молочай, хлопок, модифицированный хлопок, хлопковый линтер, также могут использоваться в качестве целлюлозных волокон. Кроме того, могут использоваться синтетические целлюлозные волокна, такие как, например, искусственный шелк и вискоза. Модифицированные целлюлозные волокна обычно состоят из производных целлюлозы, образованных замещением соответствующих радикалов (например, карбоксила, алкила, ацетата, нитрата и т.д.) на гидроксильные группы вдоль углеродной цепи.
Используемый в данном документе термин «пульпа» относится к волокнам из природных источников, таких как древесные и недревесные растения. Древесные растения включают в себя, например, лиственные и хвойные деревья. Недревесные растения включают в себя, например, хлопок, лен, ковыль, молочай, солому, джут, коноплю и багассу.
В контексте настоящего документа, подразумевается, что «изделия на основе бумаги» включают в себя косметические салфетки, туалетную бумагу, полотенца, салфетки и т.п. Настоящее изобретение может применяться с изделиями на основе бумаги и с тонкой бумагой в общем, включая, без ограничения, традиционную тонкую бумагу из прессованного войлока; высокообъемную уплотненную трафаретную тонкую бумагу и высокообъемную неуплотненную тонкую бумагу.
Цель технологии, описанной в настоящем документе, заключается в переносе жидкости от целевой точки в желаемое место со скоростью 20 мл/с или больше. Технология, описанная в настоящем документе, предоставляет сверхсмачиваемые и менее смачиваемые покрытия для подложки, которые перенаправляют движение жидкости и эффективно используют поток, приводимый в движение давлением Лапласа, из-за кривизны менисков. Эта способность предоставлена конструкцией определенных структур, которые являются комбинацией гидрофобных, супергидрофобных, гидрофильных и супергидрофильных обработок и материалов пористой подложки, такой как нетканая подложка и принимающий материал. Определенные структуры улучшают способность пористой подложки переносить и распределять жидкости.
Переносимая жидкость может представлять собой любую жидкость при условии, что соответствующая поверхность содержит как смачиваемые, так и несмачиваемые области применительно к этой конкретной жидкости. Например, жидкость может представлять собой воду или спирт. Жидкость может представлять собой охлаждающую жидкость или биологический образец. Биологический образец может представлять собой кровь, плазму, мочу или любую ткань, растворенную или распределенную в жидкости или растворителе. Жидкость может представлять собой любой биохимический агент, растворенный или распределенный в жидком растворителе. Биохимические агенты могут включать в себя, но без ограничения, биомаркеры, белки, нуклеиновые кислоты, патогены, лекарственные вещества и/или токсины. Жидкость может представлять собой нефть или жидкое реактивное топливо. Жидкость может иметь высокое поверхностное натяжение, причем более высокое поверхностное натяжение соответствует более высокой скорости переноса. Жидкость может иметь водную основу или иметь не водную основу.
Хотя в настоящем документе описаны конкретные структуры в качестве примеров различных аспектов, подходящая структура 30 обычно включает в себя (как различным образом показано на фиг. 4A, 4B, 5A, 6A, 7A, 8A, 9, 10A и 11A) некоторое сочетание одной или более точек введения жидкости или целевых точек 35, клиновидных элементов 40 переноса, резервуаров 60, соединителей 80, ободков 85 и/или вырезов 90. Центральная или целевая точка 35 представляет собой место, в котором жидкость вводят в структуру 30. Клиновидный элемент 40 переноса переносит жидкость от целевой точки 35 к резервуару 60. Резервуар 60 представляет собой место, в котором жидкость собирается или проходит сквозь подложку 50, обычно расположенную у наружного конца 45 клиновидного элемента 40 переноса и в месте, удаленном от целевой точки 35. Соединитель 80 представляет собой элемент для обеспечения жидкостной связи между резервуарами 60, и может выполнять функцию увеличенного резервуара. В других аспектах соединитель 80 может представлять собой ободок 85 круглой, эллиптической или другой формы, обеспечивающий жидкостную связь между некоторыми или всеми резервуарами 60. Структура 30 может быть симметричной или асимметричной. За исключением вырезов 90, структурные элементы обычно являются гидрофильными или супергидрофильными. Конкретное расположение элементов может быть определено, учитывая природу переносимой жидкости.
Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, считается, что переносу жидкости способствует разница гидрофобности/гидрофильности между пористой подложкой 50 и управляющей жидкостью структурой 30. Например, если пористая подложка 50 по своей природе является супергидрофобной или приобрела супергидрофобность посредством обработки, управляющая жидкостью структура 30 может быть либо гидрофильной, либо супергидрофильной. Подобным образом, если пористая подложка 50 по своей природе является гидрофобной или приобрела гидрофобность посредством обработки, управляющая жидкостью структура 30 должна быть супергидрофильной. Нет необходимости в том, чтобы разница гидрофобности/гидрофильности существовала между супергидрофобностью и супергидрофильностью.
2
2
На фиг. 1A-3B показано поведение распространения и проникновения жидкости, распределенной на подложке 50 с различными модификациями поверхности, размещенной поверх принимающего слоя 70. Это размещение предлагает контрольный случай. Подложка 50, изображенная на фиг. 1A и 1B, является необработанной. Подложка 50, изображенная на фиг. 2A и 2B, подверглась УФ-обработке после покрытия TiO и перфторалкилметакрилатным сополимером (PMC), что сделало подложку 50 супергидрофильной. Подложка 50, изображенная на фиг. 3A и 3B, была покрыта TiO и PMC, что сделало подложку 50 супергидрофобной. На фиг. 1B, 2B и 3B показана структура объемного распределения жидкости, когда она капает с нижней части принимающего слоя 70. Распределение жидкости измеряют (за временной промежуток, составляющий 1 сек.) путем сбора жидкости, которая капает с принимающего слоя 70, в структурирующее устройство 110, состоящее из 54 (9×6) пробирок (1 см × 1 см), удерживаемых вертикально, как показано на фиг. 1A. Точка (0,0) обозначает место отслеживания 35 жидкости. Серая шкала обозначает собранный объем в мл.
На фиг. 1A-3B видно, что распределение жидкости на супергидрофильной подложке 50 более сконцентрировано у точки введения 35 жидкости, по сравнению с результатом, полученным для необработанной подложки 50; в случае супергидрофобной подложки 50, жидкость не проникает внутрь (см. фиг. 3B). В результате, показано, что равномерное покрытие (супергидрофильное или супергидрофобное) не достигает цели, которая заключается в переносе жидкости от целевой точки 35.
В конкретном аспекте, на фиг. 4A и 4B изображена модель, содержащая два отдельных слоя нетканых подложек (подложку 50 и принимающий слой 70), которые удерживаются вместе натяжением, приложенным с помощью концевого зажима 100 для обеспечения однородного контакта между двумя слоями 50, 70. Обе поверхности 54, 56 подложки 50 покрыты нанокомпозитным слоем, придающим поверхностям супергидрофобность. Супергидрофильные области были впоследствии структурированы на верхней поверхности 54. Падающая струя жидкости наносит жидкость на подложку 50 в центральной или целевой точке 35. Смачиваемые конструкции 30 на подложке 50 приводят к направленному переносу падающей струи жидкости вдоль супергидрофильных путей посредством капиллярных сил и инерции.
На фиг. 4A показана типичная структура 30 в виде радиальных спиц на верхней поверхности 54 подложки 50. Клиновидные элементы 40 переноса имеют форму спиц, проходящих в радиальном направлении наружу от центральной или целевой точки 35. Спицы и кольцевой ободок 85 являются супергидрофильными областями, структурированными на верхней поверхности 54, которая в остальном является супергидрофобной. Структура 30 включает в себя вырезы 90 на конце каждой спицы, где материал подложки был удален, предоставляя жидкости прямой доступ к принимающему слою 70 под ней. На фиг. 4B показана жидкость, падающая на верхнюю поверхность 54 в целевой точке 35, и жидкость, капающая из нижней поверхности принимающего слоя 70 в конкретных точках, соответствующих вырезам 90 в структуре 30 на верхней поверхности 54, где был удален материал подложки. Детали этих структур подробно рассмотрены в следующих абзацах.
Четырехсторонний распределитель с прямоугольными путями: первая смачиваемая структура или конструкция 30 включает в себя четыре смачиваемых прямоугольных пути 46, ориентированных в радиальном направлении под прямыми углами и проходящих от центральной супергидрофильной целевой точки 35 (фиг. 5A). Четыре круглых смачиваемых области в виде конечных резервуаров 60 на фиг. 5A расположены у наружных концов 45 путей 46. Эта четырехсторонняя конструкция путей помогает разделить падающую струю на смачиваемые пути. Часть падающей жидкости проникает внутрь и распространяется вниз к нижележащему слою сквозь центральную смачиваемую круглую зону. Остальная часть жидкости переносится вдоль четырех смачиваемых путей 46 к структурированным круглым конечным резервуарам 60. По достижении резервуаров 60 жидкость проникает вертикально вниз благодаря пористой природе материала подложки, и впоследствии капает с поверхности под конечными резервуарами 60. Эта конкретная конструкция способна пропускать поступающую жидкость с расходом до ~100 мл/мин, где число Рейнольдса для введенной жидкости составляет Re=734 и число Вебера составляет We=1,82. Дальнейшие увеличения расхода приводят к разливу жидкости на верхней поверхности 54 подложки.
Четырехсторонний распределитель с клиновидными путями: для получения более высокой скорости переноса, смачиваемые прямоугольные пути 46 конструкции, изображенной на фиг. 5A, заменены смачиваемыми клиновидными путями 40, конструкция которых изображена на фиг. 6A. Круглые конечные резервуары 60, как и ранее, расположены у наружного конца 45 клиньев 40. Увеличенная скорость переноса жидкости (по сравнению с прямоугольными путями 46) получена с помощью этой конструкции с клиновидными путями; трапециевидная форма линий с различной смачиваемостью (линий перехода между супергидрофобными и супергидрофильными областями на подложке 50) создает несбалансированный градиент давления Лапласа вдоль пути 40, что приводит к более быстрому переносу от точки столкновения 35 к конечным резервуарам 60. Эта конкретная конструкция с четырьмя клиновидными распределителями 40 способна пропускать жидкость с расходом до ~300 мл/мин, где число Рейнольдса для введенной жидкости составляет Re=202 и число Вебера составляет We=16,4. При более высоких значениях расхода жидкость не может полностью абсорбироваться нижележащим принимающим слоем 70 и неконтролируемо разливается по верхней поверхности 54 подложки. Дальнейшего улучшения можно достичь с помощью подходящей модификации ширины пути, угла клина или размера конечных резервуаров 60. Кроме этого, увеличение количества распределителей 40 позволяет конструкции справляться с увеличенным объемом жидкости.
Четырехсторонний распределитель с клиновидными путями и пробитыми отверстиями (вырезами) в подложке: в другом аспекте конструкции, изображенном на фиг. 7A и 7B, материал подложки удален там, где могли бы находиться конечные резервуары в структуре четырехстороннего распределителя, для формирования вырезов 90. Удаление материала подложки обнажает принимающий слой 70, находящийся под ним. Эта конкретная конструкция устраняет ограничение скорости течения, которое в ином случае обусловлено сопротивлением Дарси во время вертикального проникновения жидкости сквозь пористую подложку 50. Эта конструкция способна пропускать поступающую жидкость с расходом до ~400 мл/мин без утечек (число Рейнольдса для введенной жидкости Re=2936, число Вебера We=29.2). Подходящие модификации конструкции применительно к форме клина и размера выреза может еще больше увеличить максимальную скорость переноса.
Четырехсторонний распределитель с клиновидными путями и кольцевым ободком: на фиг. 8A и 8B изображен еще один аспект конструкции, в котором супергидрофильный кольцевой ободок 85 соединяет наружные концы 45 каждого супергидрофильного клина 40. Эта конструкция увеличивает общую площадь супергидрофильной поверхности, таким образом увеличивая точки распределения жидкости. Кольцевой ободок 85 также выполняет функцию внешней границы, сдерживая жидкость, распространяющуюся радиально. Конкретная конструкция, изображенная на фиг. 8A и 8B, способна переносить ~800 мл/мин (число Рейнольдса для введенной жидкости Re=4404, число Вебера We=65,7). Более высокие значения расхода возможны при более широком кольцевом ободке 85 и более широком клине путей 40.
Четырехсторонний распределитель с клиновидными путями внутри кольцевого ободка, содержащий несколько отверстий в подложке: На фиг. 9 изображен еще один аспект конструкции, в котором супергидрофильный кольцевой ободок 85 соединяет наружные концы 45 каждого супергидрофильного клина 40. Кольцевой ободок 85 также включает в себя несколько вырезов 90, где материал подложки был удален таким образом, чтобы обнажить принимающий слой 70 под ним. В этой конструкции вырезы 90 уменьшают сопротивление Дарси сквозь пористую подложку 50, таким образом способствуя более быстрому выпуску через подложку 50. Эта конструкция имеет измеренную пропускную способность жидкости ~1100 мл/мин. Более высокие значения расхода возможны при дальнейшей модификации размеров пути 40, кольцевого ободка 85 и отверстия/выреза 90.
Четырехсторонний распределитель с клиновидными путями внутри эллиптического ободка: для достижения улучшенных скоростей переноса на подложках с высоким соотношением сторон, другие аспекты конструкций могут быть лучше приспособлены к более высоким соотношениям сторон. На фиг. 10A и 10B показан один такой аспект, где супергидрофильный эллиптический ободок 87 соединяет наружные концы 45 каждого супергидрофильного клиновидного элемента
40 переноса. Целью такого аспекта конструкции является перенос жидкости на большее расстояние в продольном направлении. Эта конструкция включает в себя вышеописанные преимущества кольцевого ободка 85, одновременно распределяя жидкость по площади с большим соотношением сторон. Конструкция, изображенная на фиг. 10A, демонстрирует максимальную скорость переноса жидкости ~1200 мл/мин (число Рейнольдса для введенной жидкости Re=8074, число Вебера We=220,7). Дальнейшие увеличения расхода являются вероятными при подходящей модификации размеров эллиптического ободка 87 и клиньев 40.
Четырехсторонний распределитель с клиновидными путями внутри эллиптического ободка с несколькими отверстиями: на фиг. 11A-11C изображен еще один аспект конструкции, в котором супергидрофобный эллиптический ободок 87 соединяет наружные концы 45 каждого супергидрофильного клина 40. Эллиптический ободок 87 также включает в себя несколько вырезов 90, где материал подложки был удален таким образом, чтобы обнажить принимающий слой 70 под ним. В этой конструкции вырезы 90 уменьшают сопротивление Дарси сквозь пористую подложку 50, таким образом способствуя более быстрому выпуску через подложку 50. Это расположение демонстрирует способность переноса жидкости, составляющую ~1700 мл/мин (число Рейнольдса для введенной жидкости Re=8074, число Вебера We=220,7). Более высокие значения расхода возможны при дальнейших модификациях размеров пути 40, эллиптического ободка 87 и выреза 90. Объемное распределение жидкости, капающей с нижней части принимающего слоя 70, изображено на фиг. 11C. На фиг. 11B видно несколько мест под принимающим слоем 70, где капает жидкость. Это размещение обеспечивает значительно улучшенное распределение жидкости по сравнению с распределением, наблюдаемым при необработанной подложке (сравните фиг. 1B и 11C). В этой конструкции горизонтальное распространение составляет приблизительно ±4 см, что примерно вдвое больше, чем в случае необработанной подложки.
В различных других аспектах настоящего изобретения структура может включать в себя любое сочетание элементов, описанных в настоящем документе, включая несколько целевых точек, несколько резервуаров, несколько соединителей, несколько ободков, концентрические ободки и несколько вырезов. Структура может быть симметричной или асимметричной. Конкретное расположение элементов может быть определено, учитывая природу переносимой жидкости.
Технология согласно настоящему изобретению обеспечивает направленный перенос жидкости и качественное распределение жидкости на водной основе в желаемых местах с поверхности нетканого материала. Эта технология может использоваться для улучшения максимальной впитывающей способности подложки. Технология также может зависеть от ориентации и может применяться при отсутствии гравитации, например в открытом космосе. Кроме этого, супергидрофобное покрытие на нижней поверхности подложки помогает удерживать жидкость внутри подложки.
На практике до недавнего времени изготовление сверхотталкивающих композитных материалов, требующих полимеров с достаточно низкими значениями поверхностной энергии (т.е., для отталкивания воды, γ<<72 мН/м), требовало использования сильных растворителей для мокрого способа обработки, таким образом замедляя развитие всех систем на водной основе. Не содержащие фтора и совместимые с водой полимерные системы, способные обеспечивать низкую поверхностную энергию, были основной задачей для развития действительно экологически безвредных супергидрофобных покрытий. Водная дисперсия фторполимера с низкой поверхностной энергией (DuPont Capstone ST-100) была использована в супергидрофобном аэрозоле на водной основе, где была изучена корреляция между углом контакта и гидростатическим сопротивлением, но, как и ранее, наличие фторированных соединений в композитном материале все еще вызывает опасения относительно экологичности. В одно время Управление по охране окружающей среды (EPA) инициировало уменьшение производства многих опасных фторполимерных соединений; такие соединения обладают высоким риском распада на перфтороктановые кислоты (PFOA) и могут обладать чрезвычайно вредным влиянием на окружающую среду. PFOA, известная причина врожденных пороков,
может попадать в грунтовые воды, загрязняя водоемы и водную флору и фауну, со временем попадая в организмы людей, где может накапливаться до опасных уровней. Хотя фторполимеры с короткой цепью, изготовленные в ответ на инициативу EPA, такие как Capstone ST-100 компании DuPont, доступны и представляют меньший риск для окружающей среды; полное устранение потребности во фторе для сверхотталкивающих свойств было основной задачей этой работы; есть надежда, что однажды такие фторированные составы выведут из употребления и их заменят более экологичные, так называемые «зеленые» альтернативы.
2
2
2
Выбор частиц, имеющих наноразмеры, позволяет точно контролировать шероховатость поверхности и значительно уменьшать площадь контакта на поверхности раздела жидкой и твердой фаз; для гидрофобных поверхностей или поверхностей с низкой поверхностной энергией это преобразуется в повышенное сопротивление смачиванию жидкостью, позволяя твердой поверхности сохранять «карманы» с паром, которые ограничивают контакт жидкой/твердой фаз. Многие супергидрофобные поверхности, созданные в литературе, использовали наполнители из гидрофобных частиц, требуя использования неводных суспензий или других добавок. Хотя эти гидрофобные частицы способствовали созданию шероховатости отталкивающего материала, они не применимы в системе на водной основе без использования стабилизации наполнителя или поверхностно-активных веществ. Как было продемонстрировано, гидрофильная наночастица TiO обеспечивает достаточную шероховатость поверхности и совместима с водной смесью полиолефина и полимерного воска; полимер скрывает гидрофильность взвешенных частиц TiO, когда они находятся в рассеянном состоянии, таким образом заключая наночастицы в слабо гидрофобную оболочку, которая сохраняется после нанесения окончательной композитной пленки и удаления остаточной воды. Используя наночастицы с чрезвычайно малыми размерами (<25 нм), достигают шероховатости поверхности посредством направления углов контакта готового композита вверх в супергидрофобный режим. Кроме этого, выявлено, что TiO является нетоксичной добавкой для пищи, лосьонов для кожи и красящих пигментов, тем самым дополнительно усиливая заявление об уменьшении влияния составляющих этого композитного материала на окружающую среду и т.д.
Супергидрофильные/супергидрофобные структуры, описанные в настоящем документе, могут применяться с использованием любых подходящих составов покрытия, включая нефторированные составы, такие как описанные в опубликованных заявках на патент PCT № WO 2016/138272 и WO 2016/138277 и фторированные составы, такие как описаны в патенте США №9217094.
Настоящее изобретение относится к поверхности подложки, или к самой подложке, которая демонстрирует супергидрофобные характеристики при обработке составом, включающим гидрофобный компонент, частицу наполнителя и воду. Супергидрофобность может применяться либо ко всей поверхности в виде структур на всей поверхности, либо к материалу подложки, и/или непосредственно проникать сквозь толщину, направленную вдоль оси z, материала подложки.
В некоторых аспектах настоящего изобретения обработанная подложка представляет собой нетканое полотно. В других аспектах подложка представляет собой изделие на основе бумаги.
Подложка согласно настоящему изобретению может быть обработана таким образом, что она является супергидрофобной по направленной вдоль оси z толщине материала и регулируется таким образом, что только определенные области материала являются супергидрофобными. Такая обработка может быть спроектирована таким образом, чтобы управлять пространственной смачиваемостью материала, тем самым направляя смачивание и проникновение жидкости в материал; такие конструкции могут применяться для управления переноса жидкости и выпрямления потока.
Подходящие подложки согласно настоящему изобретению могут содержать нетканую материю, тканую материю, трикотажную материю или слоистые материалы, состоящие из этих материалов. Подложка может представлять собой салфетку или полотенце, как описано в настоящей заявке. Материалы и процессы, подходящие для получения такой подложки, в общем хорошо известны специалистам в данной области. Например, некоторые примеры нетканых материй, которые могут использоваться в настоящем изобретении, включают в себя, помимо прочего, полотна спанбонд, полотна мелтблаун, связанные кардочесанные полотна, полотна, полученные аэродинамическим холстоформованием, полотна коформ, нетканые полотна спанлейс или гидравлически скрепленные полотна и т.п. В каждом случае по меньшей мере одно из волокон, используемых для изготовления нетканой материи, представляет собой волокно, содержащее термопластичный материал. Кроме этого, нетканые материи могут представлять собой комбинацию термопластичных волокон и натуральных волокон, таких как, например, целлюлозные волокна (целлюлоза из мягких пород дерева, целлюлоза из твердых пород дерева, термомеханическая целлюлоза и т.д.). В общем, исходя из затрат и желаемых свойств, подложка согласно настоящему изобретению представляет собой нетканую материю.
При желании, нетканая материя также может быть связанной, используя технологии, хорошо известные в данной области, для улучшения износостойкости, прочности, сопротивления, эстетического внешнего вида, текстуры и/или других свойств материи. Например, нетканая материя может быть связана тепловым (например, связана структурами, высушена сквозной сушкой), ультразвуковым, клеевым и/или механическим (например, иглопробивным) способом. Например, различные технологии связывания структур описаны в патенте США №3855046, выданном Hansen; патенте США №5620779, выданном Levy и соавт.; патенте США №5962112, выданном Haynes и соавт.; патенте США №6093665, выданном Sayovitz и соавт.; патенте США на промышленный образец №428267, выданном Romano и соавт.; и патенте США на промышленный образец №390708, выданном Brown.
В другом аспекте подложка согласно настоящему изобретению сформирована из полотна спанбонд, содержащего однокомпонентные и/или многокомпонентные волокна. Многокомпонентные волокна представляют собой волокна, сформированные из по меньшей мере двух полимерных компонентов. Такие волокна обычно экструдированы из разных экструдеров, но сплетены вместе для формирования одного волокна. Полимеры соответствующих компонентов обычно отличаются друг от друга, хотя многокомпонентные волокна могут содержать отдельные компоненты подобных или идентичных полимерных материалов.
Отдельные компоненты обычно расположены в различных зонах в поперечном сечении волокна и проходят по существу по всей длине волокна. Конфигурация таких волокон может представлять собой, например, расположение бок о бок, расположение поверх друг друга или любое другое расположение.
При эксплуатации многокомпонентные волокна также могут быть разделяемыми. При изготовлении разделяемых многокомпонентных волокон отдельные сегменты, которые совместно образуют цельное многокомпонентное волокно, являются смежными и проходят вдоль продольного направления многокомпонентного волокна таким образом, чтобы один или несколько сегментов образовывали часть внешней поверхности цельного многокомпонентного волокна. Другими словами, один или несколько сегментов открыты вдоль внешнего периметра многокомпонентного волокна. Например, разделяемые многокомпонентные волокна и способы изготовления таких волокон описаны в патенте США №5935883, выданном Pike, и патенте США №6200669, выданном Marmon и соавт.
Подложка согласно настоящему изобретению также может содержать материал коформ. Термин «материал коформ» в целом относится к композитным материалам, состоящим из смеси или стабилизированной матрицы термопластичных волокон и второго нетермопластичного материала. Например, материалы коформ могут быть изготовлены с помощью процесса, при котором по меньшей мере одна головка экструдера для процесса мелтблаун расположена около желоба, через который в полотно добавляют другие материалы в процессе его формирования. К таким другим материалам могут относиться, помимо прочих, волокнистые органические материалы, такие как древесная или недревесная пульпа, такая как хлопок, вискоза, бумага вторичной переработки, распушенная пульпа, а также сверхвпитывающие частицы; неорганические впитывающие материалы, обработанные полимерные штапельные волокна и т.п. Некоторые примеры таких материалов коформ раскрыты в патенте США №4100324, выданном Anderson и соавт.; патенте США №5284703, выданном Everhart и соавт.; и патенте США №5350624, выданном Georger и соавт.
Дополнительно подложка также может быть выполнена из материала, текстурированного на одной или нескольких поверхностях. Например, в некоторых аспектах, подложка может быть выполнена из материала спанбонд или мелтблаун с двойной текстурой, такого как описан в патенте США №4659609, выданном Lamers и соавт., и патенте США №4833003, выданном Win и соавт.
В одном конкретном аспекте настоящего изобретения подложка выполнена из нетканой материи, полученной путем водоструйного скрепления. Процессы водоструйного скрепления и композитные полотна, полученные путем водоструйного скрепления, содержащие различные комбинации разных волокон, известны в данной области техники. При обычном процессе водоструйного скрепления используют струйные потоки воды с высоким давлением для переплетения волокон и/или нитей с образованием сильно переплетенной уплотненной волокнистой структуры, например нетканой материи. Полученные путем водоструйного скрепления нетканые материи из волокон штапельной длины и непрерывных нитей описаны, например, в патенте США №3494821, выданном Evans, и патенте США №4144370, выданном Boulton. Полученные путем водоструйного скрепления нетканые материи из нетканого полотна с непрерывными нитями и слоем пульпы описаны, например, в патенте США №5284703, выданном Everhart и соавт., и патенте США №6315864, выданном Anderson и соавт.
Из этих нетканых материй полученные путем водоструйного скрепления нетканые полотна со штапельными волокнами, скрепленные с термопластичными волокнами, особенно подходят в качестве подложки. В одном конкретном примере полученного путем водоструйного скрепления нетканого полотна штапельные волокна гидравлически скреплены с по существу непрерывными термопластичными волокнами. Штапель может представлять собой целлюлозное штапельное волокно, нецеллюлозные штапельные волокна или их смесь. К подходящим нецеллюлозным штапельным волокнам относятся термопластичные штапельные волокна, такие как полиолефиновые штапельные волокна, полиэфирные штапельные волокна, нейлоновые штапельные волокна, поливинилацетатные штапельные волокна и тому подобное, или их смеси. Подходящие целлюлозные штапельные волокна содержат, например, пульпу, термомеханическую пульпу, синтетические целлюлозные волокна, модифицированные целлюлозные волокна и т.п. Целлюлозные волокна могут быть получены из вторичных или переработанных источников. Некоторыми примерами подходящих источников целлюлозных волокон являются натуральные древесные волокна, такие как термомеханическая, беленая и небеленая пульпа мягких и твердых пород дерева. Вторичные или переработанные целлюлозные волокна получены из канцелярского мусора, газетной бумаги, оберточной бумаги, обрезков картона и т.д. Кроме этого, растительные волокна, такие как абака, лен, молочай, хлопок, модифицированный хлопок, хлопковый линтер, также могут использоваться в качестве целлюлозных волокон. Кроме того, могут использоваться синтетические целлюлозные волокна, такие как, например, искусственный шелк и вискоза. Модифицированные целлюлозные волокна обычно состоят из производных целлюлозы, образованных замещением соответствующих радикалов (например, карбоксила, алкила, ацетата, нитрата и т.д.) на гидроксильные группы вдоль углеродной цепи.
Одно особенно подходящее полученное путем водоструйного скрепления нетканое полотно представляет собой композитное нетканое полотно из полипропиленовых волокон спанбонд, которые являются по существу непрерывными волокнами, содержащими целлюлозные волокна, гидравлически скрепленные с волокнами спанбонд. Другое особенно подходящее полученное путем водоструйного скрепления нетканое полотно представляет собой композитное нетканое полотно из полипропиленовых волокон спанбонд, содержащих смесь целлюлозных и нецеллюлозных штапельных волокон, гидравлически скрепленных с волокнами спанбонд.
Подложка согласно настоящему изобретению может быть выполнена исключительно из термопластичных волокон или может содержать как термопластичные волокна, так и нетермопластичные волокна. В общем, когда подложка содержит как термопластичные волокна, так и нетермопластичные волокна, термопластичные волокна составляют от приблизительно 10% до приблизительно 90%, по весу подложки. В конкретном аспекте подложка содержит от приблизительно 10% до приблизительно 30% по весу термопластичных волокон.
2
2
2
2
2
2
2
В общем, нетканая подложка будет иметь базовый вес в диапазоне от приблизительно 5 г/м (грамм на квадратный метр) до приблизительно 200 г/м, обычно от приблизительно 33 г/м до приблизительно 200 г/м. Фактический базовый вес может превышать 200 г/м, но для многих применений базовый вес будет находиться в диапазоне от 33 г/м до 150 г/м.
Термопластичные материалы или волокна, составляющие по меньшей мере часть подложки, по существу могут представлять собой любой термопластичный полимер. К подходящим термопластичным полимерам относятся полиолефины, сложные полиэфиры, полиамиды, полиуретаны, поливинилхлорид, политетрафторэтилен, полистирол, полиэтилентерефталат, биоразлагаемые полимеры, такие как полимолочная кислота, и их сополимеры и смеси. К подходящим полиолефинам относятся полиэтилен, например полиэтилен высокой плотности, полиэтилен средней плотности, полиэтилен низкой плотности и линейный полиэтилен низкой плотности; полипропилен, например изотактический полипропилен, синдиотактический полипропилен, смеси изотактического полипропилена и атактического полипропилена и их смеси; полибутилен, например поли(1-бутен) и поли(2-бутен); полипентен, например поли(1-пентен) и поли(2-пентен); поли(3-метил-1-пентен); поли(4-метил-1-пентен); и их сополимеры и смеси. К подходящим сополимерам относятся неупорядоченные сополимеры и блок- сополимеры, образованные из двух или более разных ненасыщенных олефиновых мономеров, таких как сополимеры этилен/пропилен и этилен/бутилен. К подходящим полиамидам относятся нейлон 6, нейлон 6/6, нейлон 4/6, нейлон 11, нейлон 12, нейлон 6/10, нейлон 6/12, нейлон 12/12, сополимеры капролактама и алкиленоксиддиамина и т.п., а также их смеси и сополимеры. К подходящим сложным полиэфирам относятся полиэтилентерефталат, политриметилентерефталат, полибутилентерефталат, политетраметилентерефталат, полициклогексилен-1,4- диметилентерефталат, их изофталатные сополимеры, а также их смеси. Эти термопластичные полимеры могут использоваться для создания как по существу непрерывных волокон, так и штапельных волокон, согласно настоящему изобретению.
2
2
3
2
3
3
3
В другом аспекте подложка может представлять собой изделие на основе бумаги. Изделие на основе бумаги может иметь однородную или многоярусную структуру, и изделия на основе бумаги, изготовленные из него, могут иметь однослойную или многослойную структуру. Изделие на основе бумаги желательно обладает базовым весом от приблизительно 10 г/м до приблизительно 65 г/м и плотностью приблизительно 0,6 г/см или менее. Желательнее, базовый вес будет составлять приблизительно 40 г/м или менее, а плотность будет составлять приблизительно 0,3 г/см или менее. Наиболее желательно, плотность будет составлять от приблизительно 0,04 г/см до приблизительно 0,2 г/см. Если не указано иное, все количества и веса применительно к бумаге взяты в пересчете на сухое вещество. Прочности на разрыв в машинном направлении могут находиться в диапазоне от приблизительно 100 до приблизительно 5000 грамм на дюйм ширины. Прочности на разрыв в направлении, перпендикулярном машинному направлению,
составляют от приблизительно 50 грамм до приблизительно 2500 грамм на дюйм ширины. Впитывающая способность обычно составляет от приблизительно 5 грамм воды на грамм волокна до приблизительно 9 грамм воды на грамм волокна.
Традиционно прессованные изделия на основе бумаги и способы изготовления таких изделий хорошо известны в данной области техники. Изделия на основе бумаги обычно изготавливаются путем нанесения бумажной массы на перфорированную формирующую сетку, часто называемую в данной области техники длинной сеткой. После нанесения композиции на формирующую сетку, она обозначается термином
«полотно». Из полотна удаляют влагу путем сжатия полотна и высушивания при повышенной температуре. Конкретные технологии и обычное оборудование для изготовления полотен согласно только что описанному процессу хорошо известны специалистам в данной области техники. В обычном процессе целлюлозную композицию с низкой консистенцией подают из напорного бака под давлением, который содержит отверстие для нанесения тонкого слоя целлюлозной композиции на длинную сетку для формирования влажного полотна. Затем из полотна обычно удаляют влагу до консистенции волокон от приблизительно 7% до приблизительно 25% (на основании общего веса полотна) путем вакуумного обезвоживания и дополнительно высушивают посредством операций сжатия, при которых полотно подвергают воздействию давления, оказываемого противоположными механическими элементами, например цилиндрическими роликами. Обезвоженное полотно затем дополнительно сжимают и высушивают паровым барабаном, известным в данной области техники как американский сушильный барабан. Американский сушильный барабан может развивать давление с помощью механических средств, таких как противоположный цилиндрический барабан, давящий на полотно. Может использоваться несколько американских сушильных барабанов, при этом между барабанами необязательно возникает дополнительное давление. Сформированные листы считаются уплотненными, поскольку все полотно подвергается значительным механическим усилиям сжатия в то время, когда волокна влажные, и затем высушиваются в сжатом состоянии.
Один конкретный аспект настоящего изобретения использует технологию сквозной сушки воздухом без крепирования для формирования изделия на основе бумаги. Сквозная сушка воздухом может увеличить объем и мягкость полотна. Примеры такой технологии раскрыты в патенте США №5048589, выданном Cook и соавт.; патенте США №5399412, выданном Sudall и соавт.; патенте США №5510001, выданном Hermans и соавт.; патенте США №5591309, выданном Rugowski и соавт.; патенте США №6017417, выданном Wendt и соавт.; и патенте США №6432270, выданном Liu и соавт. Сквозная сушка воздухом без крепирования обычно включает следующие этапы: (1) формирование композиции из целлюлозных волокон, воды и, необязательно, других добавок; (2) нанесение композиции на движущуюся перфорированную ленту, тем самым формируя волокнистое полотно поверх движущейся перфорированной ленты; (3) воздействие на волокнистое полотно сквозной сушкой воздухом для удаления влаги из волокнистого полотна; и (4) удаление высушенного волокнистого полотна с движущейся перфорированной ленты.
Традиционные масштабируемые способы, такие как распыление, могут использоваться для нанесения супергидрофобного покрытия на поверхность. Некоторые технические затруднения обычно возникают при распылении дисперсий на водяной основе: Первой основной проблемой является недостаточное испарение текучей среды при распылении и высокая степень смачивания дисперсией покрытой подложки, что в обоих случая приводит к неравномерному покрытию из-за закрепления линии контакта и так называемого «эффекта кофейного пятна», когда вода в конце концов испаряется. Вторым основным затруднением является относительно большое поверхностное натяжение воды по сравнению с другими растворителями, используемыми для покрытия распылением. Благодаря своему высокому поверхностному натяжению, вода склонна образовывать неоднородные пленки при распылении, тем самым требуя повышенной осторожности для обеспечения равномерного покрытия. Это особенно важно для гидрофобных подложек, где вода склонна образовывать капли и скатываться. Было обнаружено, что лучшим подходом для нанесения водяных дисперсий согласно настоящему изобретению является образование чрезвычайно мелких капель при распылении и нанесение только очень тонких покрытий с тем, чтобы избежать насыщения подложки и изменения ориентации водородного связывания внутри подложки, что после высушивания приводит к тому, что целлюлозные подложки (например, бумажное полотенце) становятся жесткими.

В другом аспекте покрытия сначала наносятся распылением на подложку, такую как стандартная картонная или другая целлюлозная подложка; несколько проходов струи используются для достижения разных значений толщины покрытия. Напыленные пленки затем подвергаются высушиванию в печи при температуре, равной приблизительно 80°C, в течение приблизительно 30 мин для удаления всей излишней воды. После высушивания покрытия отличаются смачиваемостью (т. е. гидрофобные и гидрофильные). Подложки затем могут быть взвешены на микровесах (Sartorius LE26P) до и после нанесения покрытия и высушивания для определения минимального уровня покрытия, необходимого для придания супергидрофобности. Это «минимальное ограничение» не означает строго то, что образец будет
сопротивляться проникновению жидкостей, но вместо этого означает, что капля воды будет образовывать шарик на поверхности и беспрепятственно скатываться. Свойство отталкивания жидкости у подложек до и после нанесения покрытия может характеризоваться установлением гидростатического давления, определяющим давления проникновения жидкости (в см жидкости).
ПРИМЕРЫ
Следующие примеры предоставлены с иллюстративной целью для облегчения понимания изобретения и не должны быть истолкованы как ограничивающие изобретение примерами. Другие составы и подложки могут использоваться в пределах настоящего изобретения и представленной ниже формулы.
2
2
В конкретном примере пористая подложка, полипропиленовый спанбонд плотностью 12 г/м с 10% полипропиленовым SMS (спанбонд/мелтблаун/спанбонд), была покрыта частицами наполнителя TiO в гидрофобном матрице фторакрилового полимера (PMC) (20 вес. % в воде; DuPont, Capstone ST-100), используя распыление, для придания подложке супергидрофобности. Технология поверхностного структурирования, которую использовали ранее на твердых подложках, была адаптирована для HDPT. Обработка поверхности включает два основных этапа.
2
1. Покрытие распылением наночастиц TiO с PMC на подложку с последующим высушиванием в печи (Модель 10GC; Quincy Lab, Inc.) при 80°C в течение 2 часов для придания подложке супергидрофобности (CA~153±3°).
2. Выборочное воздействие на поверхность УФ излучения (390 нм, время воздействия ~60 минут) для придания супергидрофильности (CA<5°) открытым областям с использованием фотошаблона.
В первом конкретном аспекте материал для управления объемами жидкостей включает в себя пористую подложку, содержащую первую и вторую поверхности; и управляющую жидкостью структуру, расположенную на первой поверхности, причем структура содержит целевую точку, первый резервуар и первый клиновидный элемент переноса, причем первый резервуар соединен с целевой точкой посредством первого клиновидного элемента переноса для того, чтобы обеспечить перенос жидкости от целевой точки к первому резервуару независимо от гравитации, и причем первый клиновидный элемент переноса имеет форму клина, которая расширяется от целевой точки к первому резервуару, причем первая поверхность является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем первый клиновидный элемент переноса является одним из перечисленного: a) супергидрофильным, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной.
Второй конкретный аспект включает в себя первый конкретный аспект, причем структура дополнительно включает в себя второй резервуар и второй клиновидный элемент переноса, причем второй резервуар соединен с целевой точкой посредством второго клиновидного элемента переноса для того, чтобы обеспечить перенос жидкости от целевой точки ко второму резервуару независимо от гравитации, причем второй клиновидный элемент переноса имеет форму клина, которая расширяется от целевой точки ко второму резервуару, и причем второй клиновидный элемент переноса является одним из перечисленного: a) супергидрофильным, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной.
Третий конкретный аспект включает первый и/или второй аспект, причем первый и второй резервуары соединены посредством соединителя.
Четвертый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-3, причем соединитель включает в себя гидрофильную или супергидрофильную обработку.
Пятый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-4, причем соединитель представляет собой кольцевой ободок.
Шестой конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-5, причем соединитель представляет собой эллиптический ободок.
Седьмой конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-6, причем структура дополнительно включает в себя третий резервуар и третий клиновидный элемент переноса, причем третий резервуар соединен с целевой точкой посредством третьего клиновидного элемента переноса для того, чтобы обеспечить перенос жидкости от целевой точки к третьему резервуару независимо от гравитации, причем третий клиновидный элемент переноса имеет форму клина, которая расширяется от целевой точки к третьему резервуару, причем первый и второй резервуары не присоединены к третьему резервуару посредством соединителя, и причем третий клиновидный элемент переноса является одним из перечисленного:
супергидрофильным, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильным, когда первая поверхность является супергидрофобной.
Восьмой конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-7, жидкость, проходящая по клиновидному элементу переноса, приводится в движение давлением Лапласа.
Девятый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-8, причем первый клиновидный элемент переноса и первый резервуар включают в себя гидрофильную или супергидрофильную обработку.
Десятый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-9, причем пористая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку.
Одиннадцатый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-10, причем пористая подложка представляет собой нетканый материал.
Двенадцатый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-11, причем резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от второй поверхности в направлении оси z.
Тринадцатый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 1-12, причем резервуар представляет собой вырез, выполненный с возможностью пропускания жидкости от второй поверхности в направлении оси z.
В четырнадцатом конкретном аспекте материал для управления объемами жидкости включает в себя пористую подложку, содержащую первую и вторую поверхности; и управляющую жидкостью структуру, расположенную на первой поверхности, причем структура содержит целевую точку, первый и второй резервуары, первый клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и первый резервуар, второй клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и второй резервуар, причем каждый клиновидный элемент переноса имеет форму клина, которая расширяется от целевой точки к резервуару, и причем каждый клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от целевой точки к резервуару, независимо от гравитации, и соединитель, соединяющий первый и второй резервуары, причем первая поверхность является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем структура для управления жидкостью является одной из перечисленного: a) супергидрофильной, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной.
Пятнадцатый конкретный аспект включает в себя четырнадцатый конкретный аспект, причем соединитель представляет собой кольцевой ободок.
Шестнадцатый конкретный аспект включает в себя четырнадцатый и/или пятнадцатый аспект, причем соединитель представляет собой эллиптический ободок.
Семнадцатый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 14-16, причем пористая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку.
Восемнадцатый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 14-17, причем первый и второй резервуары выполнены с возможностью пропускания жидкости от второй поверхности в направлении оси z.
Девятнадцатый конкретный аспект включает в себя один или несколько из аспектов 14-18, причем первый и второй резервуары представляют собой вырезы, выполненные с возможностью пропускания жидкости от второй поверхности в направлении оси z.
В двадцатом конкретном аспекте материал для управления объемами жидкостей включает в себя пористую нетканую подложку, содержащую первую и вторую поверхности; и управляющую жидкостью структуру, расположенную на первой поверхности, причем структура содержит целевую точку, первый и второй резервуары, причем каждый резервуар представляет собой вырез, выполненный с возможностью пропускания жидкости от второй поверхности в направлении оси z, первый клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и первый резервуар, второй клиновидный элемент переноса, соединяющий целевую точку и второй резервуар, причем каждый клиновидный элемент переноса имеет форму клина, которая расширяется от целевой точки к резервуару, и причем каждый клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от целевой точки к резервуару, независимо от гравитации, и соединитель, причем соединитель представляет собой ободок, соединяющий резервуары, причем пористая нетканая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку, так что первая поверхность является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем структура для управления жидкостью является одной из перечисленного: a) супергидрофильной, когда первая поверхность является гидрофобной, b) супергидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной, и c) гидрофильной, когда первая поверхность является супергидрофобной.
Все документы, цитированные в данном документе, в соответствующей части включены в настоящий документ с помощью ссылки; цитирование любого документа не следует рассматривать как признание того, что это предыдущий уровень техники по отношению к настоящему изобретению. В той степени, в которой любое значение или определение термина в настоящем документе противоречит какому-либо значению или определению термина в документе, включенном при помощи ссылки, значение или определение, присвоенное термину в настоящем документе, имеет преимущественную силу.
Несмотря на то, что были проиллюстрированы и описаны определенные аспекты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть очевидным, что могут быть осуществлены различные другие изменения и модификации без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Поэтому предполагается, что прилагаемая формула изобретения должна охватывать все такие изменения и модификации, находящиеся в пределах объема настоящего изобретения.