СПОСОБ СТРУКТУРИРОВАНИЯ СМАЧИВАНИЯ И МОДЕЛИ ДЛЯ БЕЗНАСОСНОГО ПЕРЕНОСА И ТОЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕМАМИ ЖИДКОСТЕЙ НА ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛАХ И ЧЕРЕЗ НИХ Российский патент 2021 года по МПК B01L3/00 

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 проникновению 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 при проникновении для переноса жидкости от гидрофильной стороны к гидрофобной стороне намного больше, чем давление, необходимое для вынужденного прохождения жидкости в противоположном направлении.

Принцип этих (часто на основе бумаги) способов 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. Модификация поверхности, приводящая к гидрофобности или гидрофильности подложки, формирует смачиваемые структуры, которые обеспечивают подходящее применение 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. В то время как с помощью нескольких моделей из уровня техники была сделана попытка создать контролируемый, однонаправленный перенос жидкости либо на поверхность волокнистой подложки, либо через толщину пористого материала, сочетание этих двух способов контролируемого, однонаправленного переноса не было продемонстрировано.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Пористые материалы обладают присущей им способностью переносить жидкость посредством капиллярного действия. Сочетание этого действия со структурированием посредством смачивания упрощает управляемый перенос на пористые подложки, который продемонстрировал пригодное применение для производства низкозатратных диагностических устройств для развивающихся стран.

Супергидрофильная обработка снизу и/или сверху супергидрофобного материала подложки, в клиновидных структурах, может направлять поток жидкости для появления в плоскости x-y сверху и/или снизу подложки, а также через z-направление в сторону от точки поражения. Это было продемонстрировано на бумажном полотенце высокой плотности (HDPT) с относительно низкими скоростями подачи жидкости.

В настоящем изобретении описан перенос измеренных объемов жидкости на пористые, проницаемые подложки. Продемонстрировано управление жидкостью с помощью более быстрого бокового и поперечного переноса в необходимых областях бумажного полотенца с использованием моделей с различной смачиваемостью. В качестве моделей по настоящему изобретению могут использоваться модели с различной смачиваемостью на любых подложках (бумага/нетканые материалы), пока существует поперечная проницаемость. В частности, модели продемонстрированы с использованием бумажного полотенца высокой плотности (HDPT), причем подложка выбрана из-за ее легкой доступности. В способе, описанном в настоящем изобретении, применяют этот направленный перенос уникальным образом, обеспечивая больше контроля над диодным свойством пористых подложек. Производственный процесс очень прост и разные элементы модели могут быть выполнены с минимальными модификациями, что приводит к разным применениям. Характеристики смачиваемости объединены для увеличения скорости переноса на разных основных элементах модели. Этот метод может использоваться относительно любого волокнистого элемента, в том числе бумажных и тканевых подложек.

Настоящее изобретение относится к материалу для управления объемами жидкости, содержащему пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности; и клиновидный элемент переноса, расположенный на одной из первой и второй поверхностей, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с первым резервуаром, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в первый резервуар независимо от гравитации, и причем первый резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость, причем поверхность, на которой расположен клиновидный элемент переноса, представляет собой одну из гидрофобной или супергидрофобной, и причем 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 жидкости, содержащему пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности; и клиновидный элемент переноса, расположенный на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с резервуаром, расположенным на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в резервуар независимо от гравитации, и причем резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость, причем вторая поверхность представляет собой одну из гидрофобной или супергидрофобной, и причем 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 жидкости, содержащему пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности, причем первая поверхность предусматривает обработку, приводящую к гидрофобности или супергидрофобности первой поверхности; и клиновидный элемент переноса, расположенный на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с резервуаром, расположенным на второй поверхности, причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности, противоположной узкому концу клиновидного элемента переноса, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в резервуар независимо от гравитации, и причем резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость, причем 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.

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. 1 схематически показаны измерения высоты гидростатического давления для разных состояний покрытия HDPT;

на фиг. 2 схематически изображено то, что при распределении капли воды на стороне с супергидрофобным покрытием горизонтального HDPT жидкость проникает внутрь спустя несколько секунд и распределяется радиально на нижней поверхности, которая является супергидрофильной;

на фиг. 3 схематически показаны три разные конфигурации модели на основе положения клина на HDPT: В случае I показана конфигурация, где смачиваемый клиновидный элемент переноса вместе с круглым резервуаром размещен на нижней части HDPT, в случае II показаны смачиваемый клиновидный элемент переноса и резервуар, размещенные на верхней стороне HDPT, причем смачиваемый резервуар находится снизу, и в случае III показаны смачиваемые клиновидные элементы переноса и резервуары, размещенные встык на обеих сторонах HDPT;

на фиг. 4 схематически изображены радиус и высота капли, измеренные с виду сверху, сбоку и снизу соответственно, причем на виде снизу показано то, как капля возникает в начале смачиваемого клиновидного элемента переноса;

на фиг. 5 схематически изображены виды сверху и сбоку типичного случая I события переноса, где капля воды (0,1 мл) распределяется на левом конце клиновидного элемента переноса и после проникновения через противоположную (нижнюю) сторону проходит вправо, где она накапливается и, наконец, капает из резервуара (масштабная метка обозначает 1 см); и

на фиг. 6 схематически изображены перенос жидкости и механизмы распределения с пористых материалов для конфигураций модели с различной смачиваемостью.

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 чрезмерно увеличены, тогда как другие могут быть максимально уменьшены.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Все процентные содержания указаны по весу всего твердого состава, если конкретно не указано иное. Все соотношения являются соотношениями по весу, если конкретно не указано иное.

Термин «супергидрофобный» относится к свойству поверхности очень эффективно отталкивать воду. Это свойство количественно определяется углом контакта с водой (CA), 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, но 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 полотен 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, что для преобразования унц./кв. ярд в г/кв. м, необходимо унц./кв. ярд умножить на 33,91.

Используемый в данном документе термин «волокна спанбонд» относится к волокнам малого диаметра молекулярно ориентированного полимерного материала. Волокна спанбонд могут быть сформированы путем экструзии расплавленного термопластического материала в виде волокон из множества мелких, обычно круглой формы капилляров фильеры, причем диаметр экструдированных волокон затем быстро уменьшают как, например, в патенте США № 4 340 563, выданном Appel и соавт., и в патенте США № 3 692 618, выданном Dorschner и соавт., в патенте США № 3 802 817, выданном Matsuki и соавт., в патентах США № 3 338 992 и № 3 341 394, выданных Kinney, в патенте США № 3 502 763, выданном Hartman, в патенте США № 3 542 615, выданном Dobo и соавт., и в патенте США № 5 382 400, выданном Pike и соавт. Волокна спанбонд обычно не являются клейкими при их укладывании на собирающую поверхность и являются в целом непрерывными. Волокна спанбонд часто имеют диаметр 10 микрон или более. Тем не менее, полотна из мелких волокон спанбонд (со средним диаметром волокна менее приблизительно 10 микрон) могут быть получены посредством различных способов, в том числе, но без ограничения, описанных в патенте США № 6 200 669, главным образом переуступленном Marmon и соавт., и в патенте США № 5 759 926, главным образом переуступленном Pike и соавт.

Нетканые полотна по технологии мелтблаун получают 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 обычно 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 № 3 849 241, выданном Buntin. Волокна мелтблаун представляют собой микроволокна, которые могут быть непрерывными или прерываемыми, и обычно они имеют средний диаметр менее 10 микрон (с использованием размера образца по меньшей мере 10), и обычно являются клейкими при нанесении на собирающую поверхность.

Используемый в данном документе термин «полимер» в целом включают 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, термин «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 одного волокна. Многокомпонентные волокна также иногда называются «сопряженными» или «бикомпонентными» волокнами или элементарными нитями. Термин «бикомпонентный» 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 включать, например, расположение оболочка/сердцевина, в котором один полимер окружен другим, или расположение бок о бок, секторное расположение, или расположение «остров в море». Многокомпонентные волокна раскрыты в патенте США № 5 108 820, выданном Kaneko и соавт.; патенте США № 5 336 552, выданном Strack и соавт.; и патенте США № 5 382 400, 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 средствами 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 применяется в области изделий из тонкой бумаги и тонкой бумаги в целом, в том числе, но без ограничения, традиционной тонкой бумаги из прессованного войлока, высокообъемной уплотненной трафаретной тонкой бумаги и высокообъемной неуплотненной тонкой бумаги.

Управляемый перенос жидкости на пористые материалы может иметь много применений. Применение технологий, описанных в данном документе, обеспечивает более эффективное использование материалов в продукте, что в результате отображается в экономии затрат и лучших характеристиках продукта.

Такая эффективность достигается посредством безнасосного и направленного переноса жидкости в трех направлениях (x, y, z) в пределах пористых материалов. Эта технология позволяет распределить объемы жидкости, нанесенные на одну сторону пористого материала, из другого местоположения на противоположной стороне материала и на расстоянии от исходного места нанесения. В технологии используются конкретные структуры из гидрофильного, супергидрофильного, гидрофобного и супергидрофобного материалов, как описано в данном документе.

Решение согласно настоящему изобретению является новым поскольку, в отличие от стандартных механизмов капиллярного затекания, которые переносят жидкость через пористую подложку, в технологии, описанной в данном документе, применяются структуры с различной смачиваемостью на поверхности, чтобы активизировать градиенты давления Лапласа для направленного переноса жидкости вдоль верхней или нижней поверхности пористой подложки. Кроме того, путем выполнения более широкого участка гидрофильной или супергидрофильной области или резервуара жидкость перемещается от подложки в необходимом местоположении в сторону от исходного места нанесения.

Не ограничиваясь какой-либо конкретной теорией, считается, что переносу жидкости способствует разница гидрофобности/гидрофильности между пористой подложкой и управляемой жидкостью структурой. Например, если пористая подложка по своей природе является супергидрофобной или приобрела супергидрофобность посредством обработки, управляемая жидкостью структура может быть либо гидрофильной, либо супергидрофильной. Подобным образом, если пористая подложка по своей природе является гидрофобной или приобрела гидрофобность посредством обработки, управляемая жидкостью структура должна быть супергидрофильной. Нет необходимости в том, чтобы разница гидрофобности/гидрофильности существовала между супергидрофобностью и супергидрофильностью.

Жидкость может быть перенесена по верхней части и затем через пористую подложку или через нижнюю часть пористой подложки и затем вдоль нее. Модели характеризуются способностью распределять жидкость из желаемого местоположения. В одном аспекте жидкость переносится только вдоль нижней поверхности, оставляя верхнюю поверхность сухой.

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.

Жидкость после вхождения в контакт с пористым материалом должна преодолеть давление при проникновении, чтобы выйти с другой стороны. Подложки, которые требуют более низкого давления при проникновении, способствуют проникновению этой жидкости. Для определения давления при проникновении, необходимого для достижения z-направленного переноса через HDPT, осуществляют стандартное измерение гидростатического давления. Гидростатическое давление H определяет давление при проникновении, как показано на вставке по фиг. 1.

Путем придания пористой подложке супергидрофобности пористая подложка может быть выполнена так, чтобы выдерживать конечное гидростатическое давление до того, как жидкость начнет проникать через толщину пористой подложки к необработанной поглощающей стороне. Давление, которое может выдержать подложка до проникновения жидкости, зависит по меньшей мере частично от того, распыляют ли супергидрофобный раствор на одну или обе стороны подложки. На фиг. 1 показано измерение гидростатического давления (H) для трех различных конфигураций покрытия HDPT. Если обе стороны имеют супергидрофобное покрытие, давление при проникновении является наибольшим, как наблюдается в самой верхней точке на графике на фиг. 1 (случай A). Если жидкость сталкивается сначала с супергидрофобным покрытием, проникновение на другую сторону происходит при низком H (случай C). Более высокое давление при проникновении достигается, если жидкость сначала сталкивается с подложкой с супергидрофобной стороны (случай B). Посредством поперечного перемещения жидкость распространяется сбоку на поверхность со стороны воздуха для случая C на фиг. 1.

Как проиллюстрировано на фиг. 2, если капля 20 воды распределена на верхней поверхности 24 с супергидрофобным покрытием HDPT 30, жидкость проникает после нескольких секунд и распространяется радиально на нижней поверхности 26, которая не имеет покрытия и тем самым является супергидрофильной.

На фиг. 3 изображен один элемент 40 переноса структуры с различной смачиваемостью, расположенной на поверхности подложки 50, которую обработали, чтобы она стала супергидрофобной. Подложка 50 имеет две противоположные поверхности: первую поверхность 54, выполненную с возможностью приема жидкости, и вторую поверхность 56, выполненную с возможностью распределения жидкости. Элемент 40 переноса обычно имеет форму клина с узким концом 42 и широким концом 45. Резервуар 60 представляет собой более широкую часть, расположенную на широком конце 42 элемента 40 переноса и находящуюся в жидкостной связи с элементом 40 переноса. Элемент 40 переноса и резервуар 60 обработаны или иным способом сформированы, чтобы быть супергидрофильными. Узкий конец 42 элемента 40 переноса расположен таким образом, что жидкость 20 наносится на элементе 40 переноса на узком конце 42.

Три компоновки проиллюстрированы на фиг. 3. В случае I первая поверхность 54 представляет собой верхнюю поверхность и является супергидрофобной. Супергидрофильный элемент 40 переноса расположен на второй или нижней поверхности 56 с супергидрофобной основой. Жидкость 20 наносят на первую поверхность 54 в точке, противоположной узкому концу 42 элемента 40 переноса. Жидкость проходит через подложку 50, чтобы выйти через узкий конец 42 элемента 40 переноса. Градиент давления Лапласа используется для переноса жидкости по направлению вдоль элемента 40 переноса к резервуару 60, также расположенному на нижней поверхности 56. Жидкость затем распределяется посредством смещения под действием гравитации с подложки в резервуар 60, которую на месте удаляют с места нанесения.

В случае II супергидрофильный элемент 40 переноса и резервуар 60 расположены на первой или верхней поверхности 54 подложки, причем задние области верхней поверхности 54 являются супергидрофобными. Cупергидрофильный резервуар 60 также расположен на нижней поверхности 56 напротив резервуара 60 на верхней поверхности 54. Остальная часть нижней поверхности 56 является супергидрофобной. Жидкость 20 наносят на первую поверхность 54 на узком конце 42 элемента 40 переноса. Градиент давления Лапласа используется для переноса жидкости по направлению вдоль элемента 40 переноса к резервуару 60, также расположенному на верхней поверхности 54. Жидкость проходит через подложку 50 для вхождения в контакт с резервуаром 60 на нижней поверхности. Жидкость затем распределяется посредством смещения под действием гравитации с подложки 50 в резервуаре 60 на нижней поверхности, причем ее на месте удаляют с места первоначального нанесения.

В случае III супергидрофильный элемент 40 переноса и резервуар 60 расположены на супергидрофобных основах верхней и нижней поверхностей 54, 56. Элемент 40 переноса и резервуар 60 на верхней поверхности 54 выровнены с элементом 40 переноса и резервуаром 60 на нижней поверхности 56. Жидкость наносят на первую поверхность 54 на узком конце 42 элемента 40 переноса. Градиент давления Лапласа используется для переноса жидкости по направлению вдоль обоих элементов переноса 40 в резервуары 60. Жидкость может проходить через подложку 50 от верхней поверхности 54 до нижней поверхности 56 в любой точке вдоль элемента 40 переноса и резервуара 60 в итоге в резервуар 60 на нижней поверхности. Жидкость затем распределяется посредством смещения под действием гравитации с подложки 50 в резервуаре 60 на нижней поверхности, причем ее на месте удаляют с места первоначального нанесения.

В настоящем изобретении описан перенос жидкости в волокнистых подложках для разных скоростей потока при введении по каплям. Предыдущие исследования бумажных подложек продемонстрировали, что жидкости при распределении на одном конце прямоугольного пути смачивания (на несмачиваемой основе) перемещаются в конкретном направлении путем задействования капиллярного свойства подложки. Настоящее изобретение способствует гибкости при управлении жидкостью путем направленного переноса жидкости в трех направлениях на пористой подложке и в ее пределах (т.е. вдоль поверхности, а также по ее толщине). Различие смачиваемости между супергидрофобными и супергидрофильными областями и формы путей с ограничением смачивания на подложке используются для управления переносом жидкости на открытой поверхности. Цель заключается в размещении жидкости, которая распределяется в одной точке на подложке и появляется на другой стороне подложки на расстоянии, смещенном от исходной точки впрыска или расположения.

Для подложки HDPT с супергидрофобной верхней и супергидрофильной нижней поверхностями (достигается посредством воздействия УФ без фотошаблона) капля жидкости, распределенная на верхней части подложки, сначала проникает к нижней поверхности и затем радиально переносится за счет капиллярного эффекта вниз, как показано на фиг. 2. Этот способ переноса жидкости подобен режиму «прохождения» (случай C на фиг. 1) жидкостного диода. Следует отметить, что боковой перенос жидкости не достигается в этом случае, а жидкость появляется с нижней стороны и при дальнейшем накапливании жидкости сверху, смещается на нижнюю сторону места распределения.

Более сложный способ переноса наблюдается в конфигурациях модели, показанных на фиг. 3, где вертикальный направленный перенос (проникновение на другую сторону HDPT) связан с быстрым, направленным (боковым) переносом вдоль клиновидного пути или элемента переноса, управляемым посредством градиента давления Лапласа. Если клиновидный супергидрофильный элемент переноса находится на супергидрофобной основе поверхности, устанавливается резкое различие смачиваемости. Распределяемая жидкость (или скопленная вследствие проникновения с другой стороны подложки) остается ограниченной в пределах линии различной смачиваемости и образует асимметричное скопление жидкости на пути. Полученная выгнутость мениска жидкости создает градиент давления Лапласа, что приводит к быстрому, планарному, однонаправленному переносу жидкости от узкого к широкому концу клиновидного элемента переноса. Разные конфигурации модели, показанные на фиг. 3, демонстрируют различные скорости, с которыми жидкость переносится горизонтально (на стороне, контактирующей с воздухом) и вертикально (через подложку).

Вертикальный перенос зависит от давления при проникновении в z-направлении, тогда как боковой (x-y) перенос управляется градиентом давления Лапласа, образованным на основе выгнутости зоны контакта жидкости/газа. В случае I верхняя поверхность 54 полностью супергидрофобна, тогда как супергидрофильный, клиновидный элемент 40 переноса находится на нижней поверхности 56 в супергидрофобной основе. Широкая круглая супергидрофильная область или резервуар 60 расположены на конце клиновидного элемента 40 переноса для способствования накоплению жидкости и сбросу (посредством смещения при накапливании там жидкости). В случаях II и III супергидрофильный клиновидный элемент 40 переноса присутствует на верхней поверхности 54, тогда как нижней поверхности 56 придана супергидрофильность в необходимых областях (фиг. 3). В случае II нижняя поверхность 56 выполнена супергидрофильной только под круглым резервуаром 60. В случае III нижняя поверхность 56 имеет супергидрофильный, клиновидный элемент 40 переноса и резервуар 60, выровненные с такими же элементами на верхней поверхности 54.

На фиг. 4 изображены радиус и высота капли 20, измеренные с видов сверху и сбоку соответственно. На фиг. 5 изображен вид сверху и сбоку типичного случая I события переноса. Капли 20 воды (0,1 мл) распределены на узком конце 42 клиновидного элемента 40 переноса и после проникания через противоположную (нижнюю) сторону 56 они проходят к широкому концу 45, где они накапливаются и наконец капают из резервуара 60. Масштабная сетка обозначает 1 см.

В случае I, если жидкость 20 нанесена на верхнюю поверхность 54 подложки 56, противоположную узкому концу 42 клиновидного элемента 40 переноса (на нижней поверхности 56), капля постепенно всасывается в подложку 50. Как только капля возникает на узком конце 42 клиновидного элемента 40 переноса на нижней поверхности 56, она транспортируется сбоку к широкому концу 45, поскольку там создается градиент давления Лапласа. Когда капля проникает через подложку 50, зависимые от времени радиус капли (r) и высота (h) измеряются с видов сверху и сбоку соответственно, как показано на фиг. 4.

Вместе с переносом жидкости, просачивание жидкости из конкретного положения управляется, в том числе размещением резервуара 60 в необходимом местоположении. Клиновидный элемент 40 переноса способствует переносу жидкости, которая накапливается на конце 60 резервуара клиновидного элемента 40 переноса в виде свисающей капли жидкости. Свисающая капля наконец отсоединяется от подложки 50, когда вес скопленной жидкости превышает силу поверхностного натяжения. Просачивание жидкости наблюдается во всех случаях
(I, II и III на фиг. 3), но события просачивания качественно отличаются следующим образом (см. фиг. 6, на которой цифровые обозначения элементов, которые показаны на фиг. 3, опущены для ясности):

1) В случае I жидкость проникает через толщину подложки 50 в точке распределения. Жидкость переносится на нижнюю поверхность 56 подложки 50 из-за более низкого давления при проникновении, которое она может преодолеть (случай C на фиг. 1). Под подложкой 50 на узком конце 42 клиновидного элемента 40 переноса жидкость подвергается воздействию градиента давления Лапласа, с помощью которого она переносится к широкому концу 45 клиновидного элемента 40 переноса, который показан как конец справа на фиг. 3 и 6. Конец резервуара 60 элемента 40 переноса выполняет функцию временного места хранения благодаря своей повышенной способности удерживания жидкости. При увеличенном накоплении объема жидкости в резервуаре 60 капля смещается под собственным весом.

2) В случае II жидкость сначала переносят сбоку на верхней части клиновидного элемента 40 переноса к резервуару 60 на широком конце и затем она проникает через подложку 50 на нижнюю сторону 56; скапливаемая жидкость смещается с резервуара 60 нижней поверхности. В этом случае жидкость распределена на области, которая имеет супергидрофильную верхнюю 54 и супергидрофобную нижнюю поверхность 56. Поскольку давление Лапласа, воздействующее на скопление жидкости на верхней части резервуара 60 не достигает высокого давления при проникновении, капля должна преодолеть его (случай B на фиг. 1), чтобы проникнуть на другую сторону, жидкость не может проникнуть на нижнюю поверхность 56 в месте распределения. В то же время горизонтальный градиент давления Лапласа задействован, и в результате жидкость переносится безнасосным способом к широкому концу 45 клиновидного элемента 40 переноса по верхней поверхности 54 подложки 50. При большом скоплении в верхней части резервуара 60 вес и давление Лапласа скопления жидкости наконец преодолевают барьер гидростатического давления, в результате этого жидкость проникает на нижнюю поверхность 56 и наконец капает.

3) В случае III верхняя и нижняя поверхности 54, 56 имеют клиновидные элементы переноса 40, выровненные друг с другом таким образом, что каждая поверхность 54, 56 является зеркальным отображением другой. Поскольку оба элемента переноса 40 были подвержены УФ, подложка 50 стала супергидрофильной по всей глубине вдоль клиновидного элемента 40 переноса. Таким образом, жидкость переносится к широкому концу 45 в виде пленки. Подобно предыдущим случаям с помощью увеличенного веса висящей капли она наконец сжимается.

В таблице 1 показано время для разных промежуточных этапов для достижения жидкостью широкого конца 45 элемента 40 переноса и просачивания с нижней стороны 56 подложки 50. Для такого же объема жидкости, нанесенного на верхнюю часть подложки 50 на узком конце 42 клиновидного элемента 40 переноса, жидкость достигает широкого конца 45 клиновидного элемента 40 переноса быстрее в случае II, чем в случае I или III. Это происходит, поскольку в случае II проникновение к нижней поверхности 56 происходит на более позднем этапе только с конца резервуара 60, который является супергидрофильным с обеих сторон. Тем не менее, большое скопление жидкости (которое имеет относительно небольшую выгнутость), образованное на конце резервуара 60, оказывает небольшое давление Лапласа, это приводит к относительно низкой скорости проникновения. Следовательно, в случае II просачивание с конца резервуара 60 начинается позже, чем в случаях I или III. В случае I жидкость преодолевает более низкое гидростатическое давление в точке распределения (точка C на фиг. 1) и быстро всасывается. Сжимание происходит от нижней поверхности 56 после переноса жидкости к широкому концу 45. В случае III клиновидный элемент 40 переноса является супергидрофильным по глубине подложки 50 из-за воздействия УФ с обеих сторон. Следовательно, жидкость переносится к широкому концу 45 элемента 40 переноса в виде жидкой пленки с толщиной, сопоставимой с толщиной подложки 50. Из-за большого объема переносимой жидкости через элемент в случае III клиновидному элементу 40 переноса требуется больше времени для смачивания. Таким образом, используя разные конфигурации модели, жидкость может быть перенесена на пористые подложки 50 и через них с разной скоростью.

Таблица 1. Время, необходимое для жидкости, чтобы завершить разные этапы способа (все временные интервалы указаны в секундах, и с этого момента жидкость нанесена на верхнюю часть поверхности)

В технологии, описанной в данном документе, достигается безнасосный и направленный перенос жидкости в трех направлениях в пределах тонких пористых материалов. Эта технология позволяет распределить объемы жидкости, нанесенные на одну сторону пористого материала, из другого местоположения на противоположной стороне и на расстоянии порядка нескольких сантиметров от исходного местоположения. Кроме стандартных механизмов капиллярного затекания, которые переносят жидкость через пористую подложку, в настоящей технологии применяются структуры с различной смачиваемостью на поверхности, чтобы активизировать градиенты давления Лапласа для быстрого направленного переноса жидкости вдоль верхней или нижней поверхности пористой подложки. Также путем выполнения более широкого участка супергидрофильной области (резервуара) жидкость перемещается от подложки в необходимом местоположении в сторону от исходного места. Описаны три разных модели, которые переносят жидкость на и через пористую подложку или через и под пористую подложку. Две модели характеризуются способностью распределять жидкость из желаемого местоположения, тогда как одна из конфигураций имеет преимущество переноса жидкости только на нижнюю поверхность, оставляя верхнюю поверхность сухой. Модели с контролируемой смачиваемостью по настоящему изобретению могут быть использованы как основные узлы любой системы безнасосного управления жидкостью с применением подложек.

Технология, описанная в данном документе, сочетает направленный боковой и объемный перенос жидкостей по поверхности пористой подложки и сквозь ее объем соответственно. Объем распределенной жидкости управляется надлежащим образом, как в пространстве, так и во времени. Посредством подходящих модификаций модели (описано в случаях I, II, III) также возможно точно контролировать боковой перенос по верхней, нижней или обеим поверхностям подложки. Посредством изменения степени бокового распределения можно контролировать время нахождения жидкости на подложке и под ней. Общая скорость переноса может управляться путем регулирования пористости 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 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.

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 TiO₂ обеспечивает достаточную шероховатость поверхности и совместима с водной смесью полиолефина и полимерного воска; полимер скрывает гидрофильность взвешенных частиц TiO₂, 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 TiO₂ 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 №WO2016/138272 и WO2016/138277, и фторированные составы, такие как описаны в патенте США № 9 217 094.

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 модели могут применяться для управления переносом 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 № 3 855 046, выданном Hansen; патенте США № 5 620 779, выданном Levy и соавт.; патенте США № 5 962 112, выданном Haynes и соавт.; патенте США № 6 093 665, выданном Sayovitz и соавт.; патенте США на промышленный образец № 428 267, выданном Romano и соавт.; и патенте США на промышленный образец № 390 708, 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 с формированием 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 № 5 935 883, выданном Pike, и патенте США № 6 200 669, 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 № 4 100 324, выданном Anderson и соавт.; патенте США № 5 284 703, выданном Everhart и соавт.; и патенте США № 5 350 624, 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 № 4 659 609, выданном Lamers и соавт., и патенте США № 4 833 003, 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 № 3 494 821, выданном Evans, и патенте США № 4 144 370, выданном Boulton. Полученные путем водоструйного скрепления нетканые материи из нетканого полотна с непрерывными нитями и слоем пульпы описаны, например, в патенте США № 5 284 703, выданном Everhart и соавт., и патенте США № 6 315 864, 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 тому подобное. 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.

В общем, нетканая подложка будет иметь базовый вес в диапазоне от приблизительно 5 г/м² (грамм на квадратный метр) до приблизительно 200 г/м², обычно от приблизительно 33 г/м² до приблизительно 200 г/м². Фактический базовый вес может превышать 200 г/м², но для многих применений базовый вес будет находиться в диапазоне от 33 г/м² до 150 г/м².

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.

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/м² до приблизительно 65 г/м² и плотностью приблизительно 0,6 г/см³ или менее. Желательнее, базовый вес будет составлять приблизительно 40 г/м² или менее, а плотность будет составлять приблизительно 0,3 г/см³ или менее. Наиболее желательно, плотность будет составлять от приблизительно 0,04 г/см³ до приблизительно 0,2 г/см³. 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 № 5 048 589, выданном Cook и соавт.; патенте США № 5 399 412, выданном Sudall и соавт.; патенте США № 5 510 001, выданном Hermans и соавт.; патенте США № 5 591 309, выданном Rugowski и соавт.; патенте США № 6 017 417, выданном Wendt и соавт.; и патенте США № 6 432 270, 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 жидкости 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^oC, 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.

В конкретном примере на пористую подложку в форме бумажного полотенца высокой плотности (HDPT) от бренда KLEENEX 50606 плотно скрученных полотенец при 38 г/м², доступных у Kimberly-Clark, наносили покрытие частицами наполнителя TiO₂ в гидрофобной матрице фторакрилового полимера (PMC) (20 вес.% в воде; DuPont, Capstone ST-100) с использованием распыления для придания подложке супергидрофобности. Технология поверхностного структурирования, которую использовали ранее на твердых подложках, была адаптирована для HDPT. Обработка поверхности включает два основных этапа:

1. Покрытие распылением наночастиц TiO₂ с PMC на подложку с последующим высушиванием в печи (Модель 10GC; Quincy Lab, Inc.) при 80^oC в течение 2 часов для придания подложке супергидрофобности (CA ~ 153 ±3^o).

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 жидкости содержит пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности; и клиновидный элемент переноса, расположенный на одной из первой и второй поверхностей, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с первым резервуаром, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в первый резервуар независимо от гравитации, и причем первый резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость, причем поверхность, на которой расположен клиновидный элемент переноса, представляет собой одну из гидрофобной или супергидрофобной, и причем 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 первый конкретный аспект, причем клиновидный элемент переноса и первый резервуар расположены на второй поверхности, и причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности, противоположной узкому концу клиновидного элемента переноса.

Третий конкретный аспект включает первый и/или второй аспект, причем жидкость, проходящая по клиновидному элементу переноса, перемещается давлением Лапласа.

Четвертый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-3, причем пористая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку.

Пятый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-4, причем клиновидный элемент переноса включает в себя локализированную гидрофильную или супергидрофильную обработку.

Шестой конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-5, причем клиновидный элемент переноса и первый резервуар расположены на первой поверхности.

Седьмой конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-6, причем он дополнительно включает второй клиновидный элемент переноса и второй резервуар, расположенные на второй поверхности.

Восьмой конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-7, причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности на узком конце клиновидного элемента переноса.

Девятый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-8, причем клиновидный элемент переноса и первый резервуар расположены на первой поверхности, причем он дополнительно включает второй резервуар, расположенный на второй поверхности, противоположной первому резервуар.

Десятый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-9, причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности на узком конце клиновидного элемента переноса.

Одиннадцатый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 1-10, причем пористая подложка представляет собой нетканый материал.

В двенадцатом конкретном аспекте материал для управления объемами жидкости содержит пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности; и клиновидный элемент переноса, расположенный на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с резервуаром, расположенным на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в резервуар независимо от гравитации, и причем резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость, причем вторая поверхность представляет собой одну из гидрофобной или супергидрофобной, и причем 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.

Тринадцатый конкретный аспект включает двенадцатый конкретный аспект, причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности, противоположной узкому концу клиновидного элемента переноса.

Четырнадцатый конкретный аспект включает двенадцатый и/или тринадцатый аспект, причем жидкость, проходящая по клиновидному элементу переноса, перемещается давлением Лапласа.

Пятнадцатый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 12-14, причем пористая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку.

Шестнадцатый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 12-15, причем клиновидный элемент переноса включает в себя локализированную гидрофильную или супергидрофильную обработку.

В семнадцатом конкретном аспекте материал для управления объемами жидкости содержит пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности, причем первая поверхность предусматривает обработку, приводящую к гидрофобности или супергидрофобности первой поверхности; и клиновидный элемент переноса, расположенный на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с резервуаром, расположенным на второй поверхности, причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности, противоположной узкому концу клиновидного элемента переноса, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в резервуар независимо от гравитации, и причем резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость, причем 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.

Восемнадцатый конкретный аспект включает семнадцатый конкретный аспект, причем пористая подложка представляет собой нетканый материал.

Девятнадцатый конкретный аспект включает семнадцатый и/или восемнадцатый аспекты, причем резервуар предусматривает супергидрофильную обработку.

Двадцатый конкретный аспект включает один или несколько из аспектов 17-19, причем он дополнительно включает второй клиновидный элемент переноса и второй резервуар, расположенные на первой поверхности.

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.

Изобретение относится к способам переноса жидкости через пористые материалы. Материал для управления жидкостью содержит пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности; и клиновидный элемент переноса, расположенный на одной из первой и второй поверхностей, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с первым резервуаром, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в первый резервуар независимо от гравитации, и причем первый резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость. Поверхность, на которой расположен клиновидный элемент переноса, представляет собой одну из гидрофобной или супергидрофобной, и 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. Технический результат – повышение эффективности контролируемого однонаправленного переноса жидкости. 3 н. 17 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.

1. Материал для управления объемами жидкости, причем материал содержит:

пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности; и

клиновидный элемент переноса, расположенный на одной из первой и второй поверхностей, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с первым резервуаром, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в первый резервуар независимо от гравитации, и причем первый резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость,

причем поверхность, на которой расположен клиновидный элемент переноса, является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем 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.

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что клиновидный элемент переноса и первый резервуар расположены на второй поверхности, и причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности, противоположной узкому концу клиновидного элемента переноса.

3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что жидкость, проходящая по клиновидному элементу переноса, перемещается давлением Лапласа.

4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что пористая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку.

5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что клиновидный элемент переноса включает в себя локализированную гидрофильную или супергидрофильную обработку.

6. Материал по п. 1, отличающийся тем, что клиновидный элемент переноса и первый резервуар расположены на первой поверхности.

7. Материал по п. 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй клиновидный элемент переноса и второй резервуар, расположенные на второй поверхности.

8. Материал по п. 6, отличающийся тем, что подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности на узком конце клиновидного элемента переноса.

9. Материал по п. 1, отличающийся тем, что клиновидный элемент переноса и первый резервуар расположены на первой поверхности, дополнительно содержит второй резервуар, расположенный на второй поверхности, противоположной первому резервуару.

10. Материал по п. 9, отличающийся тем, что подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности на узком конце клиновидного элемента переноса.

11. Материал по п. 1, отличающийся тем, что пористая подложка представляет собой нетканый материал.

12. Материал для управления объемами жидкости, причем материал содержит:

пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности; и

клиновидный элемент переноса, расположенный на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с резервуаром, расположенным на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в резервуар независимо от гравитации, и причем резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость,

причем вторая поверхность является либо гидрофобной, либо супергидрофобной, и причем 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.

13. Материал по п. 12, отличающийся тем, что подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности, противоположной узкому концу клиновидного элемента переноса.

14. Материал по п. 12, отличающийся тем, что жидкость, проходящая по клиновидному элементу переноса, перемещается давлением Лапласа.

15. Материал по п. 12, отличающийся тем, что пористая подложка включает в себя гидрофобную или супергидрофобную обработку.

16. Материал по п. 12, отличающийся тем, что клиновидный элемент переноса включает в себя локализированную гидрофильную или супергидрофильную обработку.

17. Материал для управления объемами жидкости, причем материал содержит:

пористую подложку, имеющую первую и вторую поверхности, причем первая поверхность предусматривает обработку, приводящую к гидрофобности или супергидрофобности первой поверхности; и

клиновидный элемент переноса, расположенный на второй поверхности, причем клиновидный элемент переноса имеет узкий конец и широкий конец, причем широкий конец соединен с резервуаром, расположенным на второй поверхности, причем подложка выполнена с возможностью размещения жидкости на первой поверхности, противоположной узкому концу клиновидного элемента переноса, причем клиновидный элемент переноса выполнен с возможностью пропускания жидкости от узкого конца к широкому концу в первый резервуар независимо от гравитации, и причем резервуар выполнен с возможностью пропускания жидкости от подложки в z-направлении, противоположном поверхности, на которой распределена жидкость,

причем 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.

18. Материал по п. 17, отличающийся тем, что пористая подложка представляет собой нетканый материал.

19. Материал по п. 17, отличающийся тем, что резервуар предусматривает супергидрофильную обработку.

20. Материал по п. 17, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй клиновидный элемент переноса и второй резервуар, расположенные на первой поверхности.