CN107847870B - 混合灌封树脂及其用途 - Google Patents

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Abstract

本文中描述一种热塑性混合灌封树脂、一种混合树脂灌封型膜、一种膜分离模块、一种流体分离装置、所述膜分离模块及所述流体分离装置的制造方法以及所述膜分离模块及所述流体分离装置的使用方法。所述混合树脂灌封型膜包括：至少一个极性膜，其具有两个端部区域及一个中间区域；及混合树脂，其包括非极性热塑性聚合物及极性热塑性聚合物；其中用所述混合灌封树脂涂布所述两个端部区域中的至少一个，在所述端部区域与所述中间开口区域之间形成不透流体的密封，并且其中所述极性热塑性聚合物按重量计占混合树脂的1％或更多。

Description

混合灌封树脂及其用途
相关申请
本申请主张2015年7月9日提出申请的美国临时申请第62/190,617号的权益。上述申请的完整教示以引用方式并入本文中。
背景技术
使用热固性粘合剂或密封剂来灌封用于最常见应用的膜，所述热固性粘合剂或密封剂在被施加到纤维时是液态的(低粘度状态)且接着在固化之后凝固于在纤维周围。一些实例是环氧树脂及丙烯酸树脂。这些材料起作用乃是因为其最初呈低粘度液体形式，其可渗透于纤维之间且渗透到纤维之表面孔隙中，其一旦凝固便可形成强粘结。一些密封剂也与纤维材料形成化学粘结。但基于密封剂或粘合剂的灌封往往极脏，且在施加溶剂时频繁地脱落颗粒或浸出杂质。因此，这些并非“洁净”应用(需要高纯度制造环境的应用)的优选，例如对于半导体工业中所使用的流体来说。
已使用热塑性塑料来灌封中空纤维以克服热固性粘合剂及密封剂的缺点。洁净应用(例如半导体)中所使用的膜是使用热塑性聚合物(或者被称为灌封树脂)来灌封。使用特殊技术(如螺旋形层压或离心灌封)以熔融液态将热塑性树脂施加到膜，且随后在冷却之后立即凝固于膜周围，从而形成不透流体的密封。通常，热塑性树脂在物理上及/或在化学上与膜材料相容以促进灌封树脂与膜的粘结以确保粘结的完整性。一旦膜被灌封在一起，便将其粘结到是过滤器装置的一部分的壳体中。灌封材料也必须在物理上及/或在化学上与壳体材料相容以便形成足够强粘结。
当壳体、灌封树脂及膜在物理上及/或在化学上彼此不相容时，可出现过滤器装置的结构缺陷及膜与灌封材料之间的密封故障。因此，需要研发当期望将在物理上及/或在化学上彼此不相容的壳体与膜结合在一起时可用于应用的灌封材料。
发明内容
本发明针对发现由不具有类似物理性质及/或化学性质的材料(例如，一个是极性的且另一个是非极性的)构造而成的膜及体可通过混合灌封树脂的使用而以流体方式被密封并粘结。具体来说，本发明针对混合热塑性树脂、灌封型膜、膜分离模块、制作膜分离模块的方法及使用膜分离模块的方法，上述所有方面均使用本文中所描述的混合热塑性灌封树脂。混合灌封树脂允许较为灵活地设计具有由不同材料(例如，一个是极性的且另一个是非极性的)构造而成的膜及壳体的膜分离模块，同时维持过滤工业的高结构完整性要求。
附图说明
依据对本发明的示范性实施例的以下更特定描述，前述内容将变得显而易见，如附图中所图解说明，在附图中贯穿不同视图相似参考符号指代相同部分。图式未必成比例，替代地，重点放在图解说明本发明的实施例上。
图1A到B图解说明容纳本发明中所使用的极性膜及灌封树脂的壳体的示范性实施例。
图2A是根据本发明的优选实施例的在形成中空纤维膜阵列的过程中所使用的设备的透视图。
图2B图解说明用于实施图2A的过程的成品中空纤维膜阵列的俯视图。
图3是根据本发明的示范性实施例的形成中空纤维膜模块的过程中所使用的设备的示意性表示。
图4是展示根据本发明的示范性实施例的中空纤维膜的通过施加熔融热塑性塑料而来的螺旋形绕组密封面的详细透视图。
图5图解说明用于本发明的示范性实施例中所使用的离心密封的示范性壳体。
图6是从灌封树脂拉拽的中空纤维膜的图片。
图7是图解说明表4中的拉伸测试的结果的图片。
具体实施方式
虽然已参考本发明的示范性实施例特定地展示并描述了本发明，但所属领域的技术人员应理解，可在不背离随附权利要求书所涵盖的本发明范围的情况下对其形式及细节作出各种改变。
虽然描述各种组成及方法，但应理解本发明并不限于所描述的特定分子、组成、设计、方法或协议，这是因为这些可能会变化。还应理解，描述中所使用的术语仅出于描述特定版本目的，并不打算限制本发明的范围，本发明的范围将仅受随附权利要求书限制。
还必须注意，如在本文中及在随附权利要求书中所使用，单数形式“一(a)”、“一(an)”及“该(所述)”包含复数个参考物，除非上下文另有清楚规定。因此，举例来说，提及一个“膜”指代一或多个膜及所属领域的技术人员已知的其等效形式等。除非另有定义，否则本文所使用的所有技术术语及科学术语均具有与所属领域的技术人员通常所理解的含义相同的含义。与本文中所描述的方法及材料类似或等同的方法及材料可用于实践或测试本发明的若干版本。本文所提及的所有公开案均以其全文引用方式并入。不应将本文中的内容解释为承认本发明无权早于根据现有发明的此类揭示内容。“任选的”或“任选地”意指随后所描述的事件或情形可发生或可不发生，且本描述包含其中该事件发生的例子及其中该事件不发生的例子。本文中的所有数值均可由术语“约”修饰，不论是否明确指示。术语“约”通常指代所属领域的技术人员认为等效于(即，具有相同功能或结果)所述值的数值范围。在一些版本中，术语“约”指代所述值的±10％，在其它版本中术语“约”指代所述值的±2％。虽然就“包括”各种组分或步骤(解释为“包含但不限于”的含义)方面描述组成及方法，但组成及方法也可“本质上由各种组分及步骤组成”或“由各种组分及步骤组成”，此术语应被解释为定义本质上封闭式成分基团。
过滤装置、膜材料及用于形成膜模块的方法
本发明针对发现由不具有类似物理及/或化学性质(例如，一个是极性的且另一个是非极性的，或者一个是亲水的且另一个是疏水的)的材料构造而成的膜及壳体可通过使用包括极性热塑性聚合物及非极性热塑性聚合物的混合热塑性灌封树脂而被密封地结合在一起，但不会损害膜的结构完整性。因此，本发明针对：热塑性混合灌封树脂、混合树脂灌封型膜、膜分离模块、流体分离装置、形成膜分离模块及流体分离装置的方法以及使用膜分离模块及流体分离装置的方法，以上所有均使用本文中所描述的混合灌封树脂来将在物理上及/或在化学上不相容的聚合物组件密封地结合在一起。
本文中展示，并入到非极性热塑性灌封树脂中的仅少量极性热塑性聚合物可足以在非极性热塑性聚合物组件(例如，壳体)与极性热塑性组件(例如，一或多个膜)之间形成桥梁。此桥梁允许两个在物理上及/或在化学上不相容的材料被密封地结合以在用于分离/过滤应用(特定来说，用于半导体制造工业中)的具有适合结构完整性的壳体中形成不透流体的密封。
本发明展现出优于现有技术的诸多优势，所述优势包含：(1)膜强粘附到灌封树脂；(2)灌封树脂无缝粘结到膜及壳体两者；(3)膜的降级最小；(4)可在较低温度下实现灌封；(5)也可在较高温下实现灌封；(6)膜形状的微小变化将不会对灌封产生影响；及(7)包装密度较高。
在一个示范性实施例中，本发明是(1)热塑性混合灌封树脂，其包括非极性热塑性聚合物及极性热塑性聚合物，其中极性热塑性聚合物按重量计占混合树脂的总重量百分比的大于约1％；或(2)包括极性基团的改性热塑性聚合物，其中所述极性基团按重量计占改性热塑性聚合物的总重量的约0.1％或更多。
在另一示范性实施例中，极性热塑性聚合物按重量计占混合树脂的总重量百分比的大于约5％(例如，按重量计混合树脂的总重量百分比的约5％到约100％)。在另一示范性实施例中，极性热塑性聚合物按重量计占混合树脂的总重量的约5％与约50％之间。在另一示范性实施例中，极性热塑性聚合物按重量计占混合树脂的总重量百分比的约5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。
在另一示范性实施例中，改性热塑性聚合物包括按重量计占改性热塑性聚合物的总重量的从约0.1％到约75％的极性基团。在另一示范性实施例中，混合树脂包括非极性热塑性聚合物及改性热塑性聚合物，其中改性热塑性聚合物按重量计占混合树脂的总重量的约1％到约100％。
在这些水平下，如本文中所描述，混合树脂能够密封地结合极性组件与非极性组件以形成膜分离模块及包括所述膜分离模块的装置，与其中组件是由相同材料构造而成的膜分离模块相比，所述膜分离模块具有结构完整性。举例来说，可通过执行以下测试中的至少一个来评估灌封有本发明的混合树脂的膜模块或包括灌封型膜的装置的结构完整性：拉拽测试、气溶胶测试及气泡测试，如下文更完备地描述。灌封型膜将具有膜与混合树脂的良好粘合性且将无可能导致装置故障的缺陷。
混合树脂的非极性热塑性聚合物组分通常选成与壳体的聚合物相同的聚合物。举例来说，如果壳体是由聚乙烯构造而成，那么非极性热塑性聚合物将也是聚乙烯。
本发明的混合树脂使得极性组件与非极性组件能够密封结合：膜与树脂以及灌封型膜与装置壳体。下文为简单起见，提到使用混合树脂来结合极性膜与非极性壳体。所属领域的技术人员将容易认识到，很容易使用下文所描述的材料及方法结合非极性膜与极性壳体。
如本文中所使用，“极性热塑性聚合物”被定义为：由极性重复单元(例如，用以形成聚酰胺的酰胺单元)构成的聚合物树脂；或经过极性化学基团(例如，经过酸酐改性的聚乙烯)改性或由非极性重复单元与极性重复单元(例如，聚(乙烯-共-乙酸乙烯酯)及聚(乙烯-共-乙烯醇))的共聚合形成的非极性聚合物树脂。在适用于本发明的经过极性基团改性或与极性基团共聚合的非极性热塑性聚合物(例如，经过酸酐改性的聚乙烯)中，极性基团按重量计占极性热塑性聚合物总重量的约0.1％到按重量计占极性热塑性聚合物总重量的约75％。
如本文中所使用的“改性热塑性聚合物”是指经过极性基团改性或与极性基团共聚合或由重复单元形成的热塑性聚合物。在另一示范性实施例中，混合树脂包括按重量计占混合树脂总重量的约1％到约100％的极性热塑性聚合物。
可并入到非极性热塑性聚合物树脂中以形成混合灌封树脂的适合极性热塑性聚合物的实例包含但不限于：聚乙烯马来酸酐、乙烯乙烯醇、乙烯乙酸乙烯酯、乙烯丙烯酸及聚丁二烯马来酸酐。
如本文中所使用，“非极性热塑性聚合物”被定义为不含任何极性基团或重复单元或者具疏水性的聚合物树脂。用于混合物中的非极性树脂的实例包含：低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚(四氟乙烯-共-全氟(烷基乙烯基醚))、
Figure BDA0001573841200000051
全氟烷氧基烷烃(PFA)或全氟甲基烷氧基(MFA)。
混合物可用于均质地或非均质地灌封。在特定情形中，均质混合物可通过以下方式形成：均质地混合极性树脂及非极性树脂的团粒或粉末，并在挤出机或离心灌封设备中进行熔融。接着，可将均质熔融物用于灌封。在其它情形中，可使用合适模具单独地熔融非极性树脂且接着将其施加到膜，以作为(举例来说)极性膜与非均质混合物中的非极性树脂熔融物之间的“粘结”层。
膜可由可易于由所属领域的技术人员识别的若干种不同聚合物材料构造而成。举例来说，如美国专利第5,695,702号、美国专利第7,308,932号及美国专利第8,091,618号(所述所有专利以引用方式并入本文中)中所描述，中空纤维膜可由超高分子量聚乙烯构造而成。适合极性膜的实例包含但不限于：由极性聚合物构造而成的膜，例如聚酰胺(例如，尼龙6(NYLON 6)、尼龙66)、聚酰亚胺酰胺(例如，
Figure BDA0001573841200000052
)、聚酰亚胺、聚砜、醋酸纤维素、聚乙烯醇、聚丙烯酸酯；或含有极性基团的膜，例如酰胺、丙烯酸酯、磺酰胺、硫醇、胺类；或含有带电荷或可离子化基团的膜，例如磺酸基团、季铵基团、硫酸盐基团、羧酸基团等。
另外，膜可被构造成各种形状。举例来说，膜可以是中空纤维、平板或褶板。当膜是多个膜时(例如，多个中空纤维)，可使用上文所描述的混合树脂将所述多个膜捆绑在一起。多个中空纤维膜可被布置成基本上平行的阵列。
如本文中所使用，“混合树脂灌封型膜”是指灌封有混合树脂的单个膜或多个捆绑式膜(例如，布置成基本上平行阵列的多个中空纤维膜)。另外，同一混合树脂也可用于将膜或多个膜密封到壳体。
本文中描述且图2到4中以示范性实施例方式展示形成混合树脂灌封型膜及包括混合树脂灌封型膜的膜分离模块的方法。
在图2A中，通过将连续长度的中空纤维膜11缠绕于具有圆形横截面的旋转心轴12上来制作阵列21。心轴的周长经选择以是中空纤维膜元件的所要长度的整数倍，中空纤维膜元件构成成品阵列。控制器13驱动心轴，控制器13能够控制心轴的旋转速度及施加到中空纤维膜的张力。控制器包含纤维进料机构14，纤维进料机构14使滑轮15平行于心轴的中心轴线移动且当中空纤维膜被缠绕时导引中空纤维膜以控制邻近纤维分段之间的间隔。所缠绕中空纤维膜布置于单个层中，其中绕组彼此基本上平行，彼此连续接触或均匀地间隔开。
当合适长度的中空纤维膜11累积于心轴12上时，控制器13停止绕组操作，且胶带22的一或多个胶条以平行于心轴的旋转轴线且垂直于个别中空纤维分段的中心轴线的定向而被施加到沿着心轴的长度定位的中空纤维膜分段的外表面。可使用一个以上胶带胶条，胶条之间的圆周间隔等于阵列21中的膜纤维的所要轴向长度。胶带从缠绕于心轴上的第一中空纤维膜分段延伸到最后中空纤维膜分段且优选地延伸超出纤维阵列的每一端约1cm。
可使用切割导引件(未展示)沿着胶带22的整个长度的中间来分割中空纤维膜分段，使得中空纤维膜11仍通过现在减半的胶带胶条结合在一起。以此方式，产生一或多个中空纤维膜阵列，其中纤维元件通过胶带在其端部处固定到彼此，借此使得易于从心轴12将其去除。应注意，在此论述中，矩形中空纤维膜阵列21的边缘23被界定为由构成阵列的个别中空纤维膜元件的端部部分形成的两个表面；阵列的端部24由阵列中的第一中空纤维膜元件及最后中空纤维膜元件的最外表面界定。图2B展示根据以上程序形成的阵列的平面图。在其中一个纤维阵列不含有充足数目个中空纤维以制作所要膜面积的中空纤维膜模块的情形中，可借助粘合剂或其它粘结机构将若干阵列端对端地拼接在一起以形成较大阵列。可以上文所描述的方式将任何数目个阵列如此拼接在一起以形成在阵列两端的边缘处具有胶带延伸部的较大阵列。
中空纤维膜可被布置成基本上平行的阵列，如图2B中所图解说明。一旦呈现图2的基本上平行阵列，制作中空纤维膜模块的下一操作便是将纤维阵列缠绕成束且在阵列21的边缘23中的一或多个处对应地形成一对管板43。此过程在图3及4中予以示意性地展示且被称为“螺旋形层压”。使用单个螺杆挤出机31来将热塑性密封聚合物进料到双槽挤出模具32，双槽挤出模具32产生两个呈条带形式的聚合物挤出物35。适合长度的热塑性管41安装于定位于挤出模具下方的可拆卸缠绕心轴42上，其中心轴的旋转轴线平行于连接挤出模具的两个出口的线。使用步进马达(未展示)来调整旋转速度以及心轴与模具之间的距离。使用安装于可伸缩滑动器(未展示)上的一组气体加热器33来在制作管板之前对管41进行预热。上文所描述的各种元件的功能是由可编程的基于微处理器的控制器34调节。
为了将来自模具的熔融热塑性聚合物挤出物35维持在均匀温度，优选地以恒定速度操作挤出机31。维持均匀纤维间隔及管板宽度需要纤维进料速率保持恒定且挤出模具与聚合物挤出物和管板43的接触点之间的距离保持恒定。先前所描述的控制器34结合上文所论述的设备利用所属领域的技术人员所熟知的反馈控制机构来实现此结果。
在缠绕阵列21及形成管板43之前，必须使用加热器33来对管41进行预热。获得管板与管之间的良好粘结需要此步骤。使缠绕心轴42及管开始旋转且激活气体加热器，使得热气流冲击于将形成管板的管的部分上。在适合时间之后，去除加热器且将聚合物挤出物35施加到管。
在聚合物挤出物35在管41上累积大约半匝之后，将中空纤维膜阵列21的前边缘定位成在管下方且平行于管，其中胶带22的经延伸胶条的粘合剂侧面向管。接着，随着过程控制器34调整缠绕心轴42及管的旋转速度及位置，使胶带与管板43的管外侧接触且允许胶带缠绕于管上。在中空纤维阵列上维持微小张力以使纤维与聚合物挤出物保持接触。当阵列的后边缘被缠绕上时，胶带延伸部被紧固到先前纤维层以形成纤维束44。在整个阵列缠绕于心轴上之后，可终止施加聚合物挤出物。另一选择为，管板可取决于模块组装过程的其余部分的要求而累积到较大直径。在此情形中，缠绕心轴随着熔融管板被允许冷却而继续旋转。经密封纤维束的端部部分可经修剪以暴露纤维腔且可执行进一步机械加工以提供将纤维束密封到适合壳体中的构件，或纤维束可被轮廓化以提供适合于以热塑性方式将纤维束粘结到具有相同或类似树脂材料的压力壳体的组件的细节，以便产生中空纤维模块。
也可经由离心方法产生膜分离模块。通过离心方法进行的灌封包括以下步骤：将膜(如果膜是中空纤维，那么布置成基本上平行的阵列)放置到例如图5中所见的容纳壳体1中。容纳壳体1安装于旋转轴件2上的基本上中心位置中。壳体具有两个端部5及5’，当容纳壳体1绕旋转轴件2的轴线转动时，所述两个端部5及5’收集熔融灌封树脂。可将热量施加到容纳壳体以防止灌封树脂在到达端部5及5’之前固化或凝固。接着，将容纳壳体冷却且灌封树脂凝固，从而形成具有灌封树脂的束形膜。
本发明还涉及形成本发明的混合树脂灌封型膜的方法。在一个方面中，所述方法包括：首先，(a)提供具有第一端部区域、第二端部区域及中间开口区域的至少一个极性膜；(b)使至少一个极性膜的第一端部区域或第二端部区域中的至少一个与包括非极性热塑性聚合物及极性热塑性聚合物的熔融混合树脂的挤出物接触，其中将熔融混合树脂地加热到充分高于其熔点，使得熔融混合树脂在至少一个极性膜周围流动，并且其中极性热塑性聚合物按重量计占熔融混合树脂的总重量百分比的5％或更多；及(c)使熔融混合树脂冷却以在至少一个极性膜的端部区域与中间区域之间形成不透流体的密封。
在另一示范性实施例中，在步骤(b)之前，至少一个极性膜是布置成基本上平行的中空纤维膜阵列的多个中空纤维，所述中空纤维膜阵列缠绕于基本上平行于平行中空纤维膜阵列的轴上，从而形成中空纤维膜束。
在另一示范性实施例中，熔融混合树脂被引导到中空纤维膜束的两个端部区域上。
在又一示范性实施例中，接触至少一个极性膜的第一端部区域或第二端部区域中的至少一个包含将与熔融混合树脂组合的至少一个极性膜放置到密封容器中且使密封容器绕基本上垂直于平行中空纤维膜阵列的轴线转动，使得熔融混合树脂被推到两个端部区域。
在又一方面中，至少一个极性膜具有第一端部区域及第二端部区域，其中根据上述方法单独地灌封至少一个极性膜的第一端部区域及第二端部区域两者。
将膜及混合树脂束密封到壳体中的示范性方法如下。首先，将壳体两端上的内表面加热到接近其熔点或加热到恰好在熔点处且立即将其浸没到一杯熔融混合树脂中。优选地，利用此预处理来处理管的每一端部至少两次。接着，将膜及混合树脂束插入到壳体中。接着，将壳体的一端与束一起放置于容纳于容器中的一池熔融混合树脂中。将中空管固持于所定义垂直位置中，将混合树脂维持在熔融状态中，使得其流动到膜周围的空间中且垂直悬挂于纤维上，从而完全填充束与壳体之间的间隙空间。
一旦装置的第一端部被灌封且熔合成包括膜、壳体及混合树脂的一体式终端块，便灌封装置的第二端部。过程涉及在加热杯中利用外部加热块或其它热源来加热灌封树脂直到熔融物变得澄清且不再夹带气泡为止(约150℃到约265℃)。在已灌封端部冷却之后，接着对其进行切割且暴露出中空管的腔。接着，进一步使用加热枪来抛光已灌封表面，熔融掉任何斑驳的或粗糙的已灌封表面。对于具有大量中空管(例如，2000个或更多个)的模块来说，模块可能有灌封缺陷，所述缺陷可使用洁净焊铁熔合并封闭受损区域来修复。
适用于灌封膜的另一种方法包含：在将束密封到壳体中之前，在第一步骤中将束灌封于金属模具中。模具略小于最终将放置束的热塑性壳体的内径，且可由铝或镍或类似合金形成。在灌封及冷却之后，去除模具。通过切割打开一体式终端块中的中空管的端部，如上文所描述。在膜的两个端部均被灌封之后，将所形成的一体式终端块结构插入到经预处理的外壳壳体管或端盖中，且在短加热程序中一体式终端块熔合到壳体管或端盖。
最后，将混合树脂灌封型膜粘结到热塑性壳体中。应理解，认为任何热塑性壳体都可用于本发明中，这是因为本文中所描述的混合树脂可在因极性差异而在物理上及/或在化学上彼此不同或彼此不相容的壳体与膜之间形成相容桥梁。壳体可由以下热塑性聚合物构造：例如但不限于：低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚丁二烯、聚(四氟乙烯-共-全氟(烷基乙烯基醚))、
Figure BDA0001573841200000091
全氟烷氧基烷烃(PFA)或全氟甲基烷氧基(MFA)及尼龙。可在美国专利申请第7,308,932号及美国专利申请第8,091,618号中找到对适用于本发明中的壳体的进一步描述，上述申请以其全文引用的方式并入。
膜分离模块在被并入到流体分离装置中时可具有多个连接器，所述多个连接器可引入待分离的液体进料并可提取渗透物及渗余物。
流体分离装置的实例可参见图1A到B。图1A是流体分离装置的外部视图。图1B图解说明膜且在液体流进入及排出流体分离装置时的待分离液体流。流体分离装置包括壳体110，壳体110包括膜112。膜112在两个端部区域108a及108b处被灌封。这些端部区域108a到108b形成在端部区域108a到108b与中间开口区域107之间不透流体的密封。中间开口区域107不被灌封且必须保持开口，使得渗透物106可行进穿过膜102，如下文所论述。端部区域108a到108b不允许液体穿过，且因此是“不透流体的”。
液体进料在主动连接器101处进入壳体，且被引入到壳体内部的膜102。膜102将壳体内的空间分离成第一容积103a及第二容积103b。在液体进料暴露于膜102之后，渗透物(是穿过膜102的微孔结构的材料)立即进入第二容积103b，且渗余物(未穿过膜102的材料)进入第一容积。在经由连接器105从壳体提取之后，可接着立即收集渗余物或对渗余物进行进一步过滤。渗透物经由不同连接器106排出，在连接器106处渗透物可被浓缩、废弃或重新循环回到系统中。可在美国专利第5,762,789号中找到过滤模块及形成所述壳体的过程的其它实例，所述美国专利以引用方式并入本文中。
可使用以下测试中的一个或其组合来评估灌封型膜的结构完整性：
(1)拉拽测试–灌封呈中空纤维形状的膜且从灌封材料进行手动拉拽。如果纤维脱离已灌封束，而在其位置中留下洁净空隙，那么认为灌封不合格。如果纤维从灌封物边缘断裂，在灌封物中留下纤维，那么认为灌封良好或粘合性良好。未通过拉拽测试的灌封型膜的实例可参见图6。孔601是纤维602最初被灌封到膜但被拉出的所在。
(2)气溶胶测试–灌封呈中空纤维形状的膜且将膜安装于夹具中(例如，用于测试的临时壳体)且利用来自纤维外部的气溶胶颗粒来查验膜。可使用颗粒检测器来测量通过束的腔侧的气溶胶颗粒的数目。如果灌封具备整体性，那么在查验之后穿过束的颗粒数目类似于先前。如果灌封较差，在利用气溶胶查验时可看到较高数目个颗粒。由于纤维缺陷也可导致此不合格，因此有必要使用下文所描述的气泡测试来确定缺陷是纤维缺陷还是灌封缺陷。
(3)气泡测试–灌封呈中空纤维形状的膜，且将膜安装于夹具上，且接着利用水或异丙醇(IPA)弄湿膜。束的开口腔端部中的一个是堵塞的且另一开口腔端部填充有水或IPA。利用来自纤维外部的空气给束增压。会观察到气泡通过纤维。在显微镜下观察到的这些气泡可被看做来自纤维内部或纤维壁与灌封材料之间的纤维外部。如果气泡来自纤维内部，那么这被视为气体扩散或纤维缺陷。然而，如果气泡来自纤维外部，那么这被视为灌封缺陷。
实例1-使用HDPE树脂的聚酰胺(尼龙)中空纤维螺旋形层压
如上文所描述地形成由平行尼龙中空纤维(NHF)组成的垫层。通过上文所描述的螺旋形层压过程使用高密度聚乙烯(HDPE)树脂(Dow DMDA8965NT，熔融指数-66g/10mlin(ASTM 1238))来在不同温度下灌封垫层。允许已灌封纤维冷却直到灌封材料凝固为止。利用刀片切割灌封物任一侧上的多余纤维且对灌封物进行机械加工以暴露纤维腔。接着，使用拉拽测试、气溶胶完整性测试及气泡测试来测试纤维以确定粘合性及完整性。
表1展示纤维在不同温度下的灌封性能。
表1
模具温度(℃) 拉拽测试 气溶胶完整性 气泡测试
235 未通过 未通过 未通过
240 未通过 未通过 未通过
250 未通过 通过/未通过* -
260 通过/未通过* 通过/未通过* -
265 通过 大部分通过 通过/未通过*
*通过/未通过指示不规律性
从以上实验，可观察到在HDPE的情况下NHF展示出较差灌封直到260℃为止且在265℃处展示出一些灌封改进。然而，基于以上结果，由于所观察到的束完整性的频繁故障可总结出尼龙与HDPE之间的界面可能不相容。认为温度>265℃可解决此问题。然而，当在高于265℃(例如，在此温度下，已灌封束有时通过测试，且有时不通过)的温度下灌封尼龙时，也观察到类似不规律性。随此而来的是，纤维严重降级且灌封材料中存在大空隙。
实例2-使用HDPE、AHDPE及HDPE与AHDPE混合物的聚酰胺(尼龙)中空纤维离心灌封
使用离心灌封、使用以下程序来形成NHF的灌封型模块。每一模块由20圈长4英寸、外径750微米且内径450微米的尼龙中空纤维组成。将纤维放置于长5英寸且内径半英寸的聚氟烷氧基(PFA)管中。接着，将管放置到离心块中。在离心夹具中存在两个块，每一端部处一个。将灌封材料倾倒到每一块的顶部上的圆柱形树脂存贮室中。
接着，将离心夹具放置到热转动设备中。将所述设备加热到175℃下达2小时。接着，使夹具在500rpm下转动且15分钟之后停止加热。当温度达到50℃时，停止转动。接着，从转动设备去除夹具并获得灌封型模块。接着，灌封型模块经受拉拽测试。在HDPE、酐高密度聚乙烯(AHDPE)及HDPE与AHDPE的不同混合物下重复上述过程，如表2所展示。
表2
样本# 灌封材料(％wt) 酐基团(％按FTIR计) 手动拉拽测试
1 HDPE(100) 0 未通过
2 AHDPE(100) 1 通过
3 HDPE:ADHPE(50:50) 0.5 通过
4 HDPE:ADHPE(80:20) 0.2 通过
5 HDPE:ADHPE(90:10) 0.1 通过
6 HDPE:ADHPE(95:5) 0.05 通过
来自表2的结果表明HDPE并非是适合用于尼龙纤维的灌封材料。AHDPE单独或AHDPE与HDPE(分别为，按重量计低至5％:按重量计95％)的混合物可给出灌封材料与尼龙中空纤维之间的经显著改进粘结，如所图解说明，这是因为不能从已灌封树脂拉拽出纤维。
实例3–使用HDPE与AHDPE混合物的聚酰胺(尼龙)中空纤维螺旋形层压
如上文所描述地形成平行尼龙中空纤维垫层。使用按重量计90％的HDPE树脂(DowDMDA8965NT，熔融指数-66g/10mlin)与按重量计10％的AHDPE(两种H化学品，熔融指数-20g/10min(ASTM-1238))混合物通过上文所描述的螺旋形层压过程来在不同温度下灌封垫层。允许已灌封纤维冷却直到灌封材料凝固为止。利用刀片切割掉灌封物任一侧上的多余纤维且对灌封物进行机械加工以暴露纤维腔。接着，使用拉拽测试、气溶胶测试及气泡测试来测试纤维以确定粘合性及完整性。
表3展示灌封纤维在不同温度下的性能。
表3
模具温度(℃) 拉拽测试 气溶胶完整性 气泡测试
235 通过 通过 通过
240 通过 通过 通过
250 通过 通过 通过
255 通过 通过 通过
260 通过 通过 通过
265 通过 通过 通过
表3中的结果展示，与如表1中所图解说明地仅利用HDPE的灌封相比，将AHDPE添加到HDPE从而通过增强灌封材料与纤维的表面相互作用能改进束完整性。
实例4–离心灌封及对已灌封纤维的拉伸测试
使用实例2中所描述的方法灌封NHF。将纤维的灌封物修剪到0.1英寸的相同长度(参见图3)。接着，使用英斯特朗(Instron)测试仪从灌封物拉拽灌封而来的纤维。测量从灌封物拉拽出纤维或使纤维断裂的最大应力与应变以确定灌封物对尼龙纤维的强度。从灌封物拉拽纤维所需的应力与应变越大，灌封应越强。
表4图解说明使用拉伸测试测量的中空纤维与灌封材料之间的粘结强度。图7图解说明对表4中所列示的已灌封纤维的拉伸测试的结果。
表4
Figure BDA0001573841200000121
Figure BDA0001573841200000131
如从表4可见，使用AHDPE或HDPE/AHDPE混合物灌封的NHF在最大负荷下的拉伸应变及在最大负荷下的拉伸应力极类似于尼龙中空纤维的拉伸应变及拉伸应力。在不遵循任何特定理论的情况下，假定此情形的原因是这两个条件的最大应力及应变对应于纤维的断裂。因此，纤维的灌封是强的，甚至在HDPE中混合5％的AHDPE也是如此。在使用HDPE灌封NHF的情形中，最大应力及应变远低于ADPE或HDPE/AHDPE混合物，这是因为纤维从灌封材料滑落。因此，HDPE到NHF的灌封较差。以上结果出乎意料，这是因为在HDPE中仅混合5％(wt％)的AHDPE(按FTIR计，仅含有1％的酐基团)(这对应于混合物中低至0.05％的酐基团含量)却产生了如此显著的灌封强度增加，以至于无纤维从灌封物滑落。
尽管已关于一或多个实施方案展示及描述了本发明，但所属领域的技术人员在阅读并理解本说明书及随附图式后旋即将想到等效变更及修改。本发明包含所有此类修改及变更且仅受随附权利要求书范围限制。另外，虽然可能已关于数种实施方案中的仅一个揭示了本发明的特定特征或方面，但此特征及方面可与其它实施方案的一或多个其它特征及方面组合，这对于任何给定或特定应用来说可是被期望且有利的。此外，在术语“包含”、“具有(having、has、with)”或其变化形式用于详细描述或权利要求书中的任一个中的程度上，这些术语意在具备包含性，在此方面类似于术语“包括”。此外，术语“示范性”仅意指实例含义而非最佳含义。还应了解，出于简单及便于理解目的而以特定尺寸及/或相对于彼此的定向而图解说明本文中所描绘的特征及/或元件，且实际尺寸及/或定向可基本上不同于本文中所图解说明的尺寸及/或定向。
所有专利、已公开申请及本文中所引用的参考文献的教示以其全文引用方式并入。
虽然已参考本发明的示范性实施例展示并描述了本发明，但所属领域技术人员应理解，可在不背离随附权利要求书中所涵盖的本发明范围的情况下对其形式和细节作出各种改变。

Claims (11)

1.一种混合树脂灌封型膜，其包括：
至少一个膜，其由第一材料构造而成且具有第一端部区域、第二端部区域及中间区域；
热塑性混合灌封树脂，其包括：(1)非极性热塑性聚合物及极性热塑性聚合物，其中所述极性热塑性聚合物按重量计占所述热塑性混合灌封树脂的总重量百分比的大于0.05％；或(2)包括极性基团的改性热塑性聚合物，其中所述极性基团按重量计占所述改性热塑性聚合物的总重量的0.1％或更多；
其中所述第一端部区域及所述第二端部区域中的至少一个用所述热塑性混合灌封树脂封装且通过所述热塑性混合灌封树脂密封结合到由第二材料构造而成的壳体，其中所述第一材料和所述第二材料在物理上或在化学上不相容。
2.根据权利要求1所述的混合树脂灌封型膜，其中所述至少一个膜是中空纤维、平板或褶板。
3.根据权利要求2所述的混合树脂灌封型膜，其中所述至少一个膜是中空纤维。
4.根据权利要求1所述的混合树脂灌封型膜，其中所述至少一个膜是多个膜。
5.根据权利要求1所述的混合树脂灌封型膜，其中所述至少一个膜是聚酰胺、聚酰亚胺酰胺、聚酰亚胺、聚砜、醋酸纤维素、聚乙烯醇或聚丙烯酸酯。
6.一种膜分离模块，其包括：
至少一个膜，其由第一材料构造而成，
其中所述至少一个膜具有第一已灌封端部区域、第二已灌封端部区域及中间开口区域，并且
其中所述第一已灌封区域及所述第二已灌封区域是以热塑性混合灌封树脂封装的；及
壳体，其由第二材料构造而成、通过所述热塑性混合灌封树脂密封结合到所述膜，其中所述第一材料和所述第二材料在物理上或在化学上不相容；
其中所述两个已灌封端部区域经过所述热塑性混合灌封树脂封装，在所述两个已灌封端部区域与所述中间开口区域之间形成不透流体的密封，且其中所述热塑性混合灌封树脂包括：(1)非极性热塑性聚合物及极性热塑性聚合物，其中所述极性热塑性聚合物按重量计占所述热塑性混合灌封树脂的总重量百分比的大于0.05％；或(2)包括极性基团的改性热塑性聚合物，其中所述极性基团按重量计占所述改性热塑性聚合物的总重量的0.1％或更多。
7.根据权利要求6所述的膜分离模块，其中所述至少一个膜是中空纤维、平板或褶板。
8.根据权利要求6所述的膜分离模块，其中：(1)所述第一材料是极性材料且所述第二材料是非极性材料；或(2)所述第一材料是非极性材料且所述第二材料是极性材料。
9.一种流体分离装置，其包括：
壳体，其具有：
第一端部及第二端部；
分离元件，其容置于所述壳体内以将所述壳体的内部划分成第一容积及第二容积，所述分离元件包括根据权利要求6到8中任一权利要求所述的膜分离模块及在所述膜模块上游及下游的一系列流动通路，且其中所述膜模块通过所述混合树脂粘结到所述壳体；
第一连接器，其位于所述第一端部处、用于将流体进料引入到所述壳体的所述内部；
第二连接器，其用于从所述壳体的所述内部去除渗透物；
中心导管，其附接到所述第一连接器且在所述壳体内纵向延伸到所述第二端部，以便引导所述第一连接器与所述第二端部之间的所有流动；
其中所述第二端部与所述第一容积流体连通，
其中所述第二容积与所述第二连接器流体连通，并且
其中进料到所述第一连接器中的流体经过所述分离元件处理，形成所述渗透物，所述渗透物由所述第二连接器收集并去除。
10.根据权利要求9所述的流体分离装置，其中所述壳体是非极性壳体且所述膜是极性膜；或所述壳体是极性壳体且所述膜是非极性膜。
11.一种用于在根据权利要求9所述的流体分离装置内过滤液体的方法，其包括：
(a)将待过滤液体引入到所述壳体的所述第一连接器中；
(b)使所述待过滤液体通过所述分离元件以将所述液体分离到所述第一容积及所述第二容积中，其中在所述第二容积中收集所述渗透物；以及
(c)通过所述第二连接器从所述第二容积去除所述渗透物。
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