CN1191769A - 制造管状薄膜组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制造管状薄膜组件的方法,它包括将至少一条纤维材料带螺旋缠绕到心轴上,制造出至少一层半渗透薄膜用的管状支承件,其特征在于,在螺旋缠绕时,将所述的带子通过所述心轴的加热区域,使得该带子截面宽度上的纤维突起压平和顺滑,这样就可制成在整个长度上都具有光滑内壁的管子。

Description

制造管状薄膜组件的方法

本发明涉及一种制造管状薄膜组件的方法以及所制造的管状薄膜组件。具体地说，是一种制造半渗透性薄膜用管状支撑件的方法。

制造薄膜组件的方法和设备已为人所知，例如，在英国专利1325673中就记载了至少在一条带子的搭接部分处封合上缠绕的多层多孔管子的方法，并且在英国专利1325672(1969年7月16日)中，记载了一种缠绕多孔管子，然后再向已成管子中连续浇注液体涂料以形成半渗透性薄膜的方法。可以用热熔化和熔合搭接部分或用粘接剂来封合搭接部分。此外，如果被粘接的不只一层，那么可以采用在一个无纺材料的很小区域上分布的热塑点将各层先粘在一起，然后加热将两层粘在一起。

在上述专利中还指出，用来浇铸薄膜的层可用改良剂处理，以获得适于薄膜使用的表面特性。当使用涂料后，这样的改良剂将改善表面光洁度及层间张力。

在上述专利中还指出，在缠绕前可能需要对无纺带的内表面加热，但这种情况是针对制造两层管子，在缠绕前需要加热，将无纺材料做成的外层带子通过加热器来加热。而无纺材料做成的内层带子在缠绕前不需要经过加热器。加热步骤的目的是为了使以前施加的热熔化粘接剂发粘，使用该粘接剂将两层粘在一起。

美国专利4214612，题目为“反渗透(反渗透薄膜)用无纺材料管”和以色列专利43500，题目为“制造反渗透用无纺材料管的方法”(两者都是授予WavinB.V.)，也都是该领域技术状态的一部分。该美国专利公开了一种无纺材料管子，该管子将薄膜固着在管子的内壁，用来薄膜渗透，管子是由螺旋缠绕的可热封合成纤维无纺带做的，无纺带的边呈搭接关系，提供了搭接部分，可用超声波振动密封在整个厚度和宽度上均匀加热，从而完全热封上搭接部分，沿无纺带边上要避免在管子内侧突起纤维末端形成的尖锐的纤维，这样就可获得光滑的内表面以及一个非常均匀一致的内直径，将管子内侧薄膜的损伤降低至最小。

以色列专利更加概括，有两个独立的权利要求：

1)一种支撑薄膜用的无纺材料管由可热封合成纤维无纺材料带制成，所述的管子是将带子连续搭接或相邻缠绕而制成，用热封将连续搭接处或相邻的各圈连在一起，其特征在于至少有一圈的边位于另一圈之下或与之相连接，用超声波密封将它与另一圈连接起来。

2)一种制造支撑薄膜用的无纺材料管的方法，该管子是用可热封的合成纤维无纺材料带制成，所述管子是将带子连续搭接或相邻缠绕而成的，用热封将连续搭接或相邻的各圈连在一起，其特征在于至少有一圈的自由边位于另一圈之下或与之相连接，用超声波密封，将它与另一圈连接起来。

在上述专利中，已经提到用超声波密封或加热来熔合搭接区域，这种方法能形成光滑的内表面。在这些专利中，“光滑的内表面”一词仅指搭接部分，这只是薄膜支撑管子的很小区域。

该领域的现有技术还包括这样的方法，即将给定长度的一个或多个无纺材料带用柔性带连续缠绕到带有心轴的缠绕没备上。对于本领域内的普通技术人员来说，这些缠绕设备是熟知的。如果在制造管子时连续地浇铸出薄膜，那么心轴的末端应包括配料器和暗冒口，形成薄膜的聚合物溶液通过配料器和暗冒口挤压到缠绕的管子的内表面，其宽度由暗冒口和制成的管子内表面之间的间隙决定。该心轴(例如可用不锈钢制成)直径应保证可形成直径为5mm至1250mm的管子，但是最好在6到25mm。浇铸薄膜的速度和供给浇铸液的速度要求一致，以免过量或耗空浇铸液。

此外，在前述的英国专利1325672中讲述了一种管子成形系统和薄膜浇铸系统。具体地说，心轴部分包括两个中空的同心管。内层管的内腔用于将浇铸液吸到心轴末端，聚合物溶液在此挤压出去，以形成薄膜，同心管结构的另一个通道用来通冷却材料(如冷却水)以控制浇铸液的温度，并降低由于管子沿心轴部分摩擦所产生的温度。在制管和向管内浇铸薄膜的最后一步，将管子切断，并浸入水中(最好是冷水)，使附着在无纺材料内部的液态聚合物胶化，形成一层固态的非对称薄膜。

此外，薄膜也可以是对称的，但最好是不对称的。不对称薄膜可以是一种微滤网(MF)或超级滤网(UF)，或是一种用更紧密的UF或毫微滤网(NF)经涂覆的UF或MF，也可以是一种反渗透(RO)薄膜。

为了机械强化管子，特别是一层的管，在这些管子的外表面可以缠绕一个或多个加强的细丝或带子，这些细丝和带子能方便地至少部分封合到无纺材料管子上。这些细丝或带子最好是热塑性材料。也可以用玻璃丝。

这些管子制成连续长度，然后切成一定尺寸。所切管子的长度可以在10cm到10m不等。最佳长度是60cm到4.0m。推荐的一些长度是60cm，120cm，3.6m。

管子的外径可以在0.5到10cm之间。最佳的直径是1.0到2.0cm。

这些管子不需要进一步的支承就能挺立在模子内，或者，如果用高压的话，它们可以用圆柱形多孔支承体来支承，该多孔支承体是由不锈钢、聚砜等工程塑料或碳复合材料制成的，这些支承管子上的孔常常是沿着长度方向钻出小孔制得的。

一些热封或热熔合的设备是用电热、高频波或超声波。

对于PH值和温度稳定的薄膜，制造毫微滤网和反渗透薄膜所依附的超级滤网支撑可以是芳香聚砜、聚醚砜、聚醚酮、多芳基聚砜、聚醚醚酮和多氟聚合物。毫微滤网或反渗透薄膜可以按照以下引作参考文献的专利制造。它们是美国专利4690765，4690766，4788596，4767645，4833014，5024765和5049282。

制造微滤网或毫微滤网和毫微滤网或反渗透薄膜所依附的该溶剂稳定支撑包括在下列专利文献中：US 5028337(溶剂稳定支撑)，4906379，5039421，5205934，5151182.一种溶剂稳定薄膜是在聚丙烯腈上形成交联非对称超级滤网薄膜，聚丙烯腈可以用碱和热处理来交联。

没有特殊的PH值和化学稳定性要求的毫微滤网和反渗透薄膜也包括在这个专利中。这样的薄膜可以参考下列专利：US 4767645，4833014，4259183。

连续制管同时在管子内浇铸薄膜的工艺是通过活塞或圆柱形冒口完成的，活塞或圆柱形冒口是心轴的一部分，管状薄膜是在心轴上形成的。活塞与制成的管有小间隙，它设置在无纺管内，并与管子同心。活塞的端部有一孔，薄膜浇铸液通过该孔浇入，涂覆管子。管子相对于活塞移动时，薄膜就在活塞的外侧和管子的内侧之间形成。

该领域现有技术的这些专利都包括在本发明中，本发明不仅参考了已成形管状薄膜，也参考了制造这些管状薄膜的设备和方法。实际上正如所述的那样，管状薄膜可以用所提及专利权利要求的设备制造，除此之外，在无纺材料带子缠绕后，还使用独创的加热和加压步骤来光整无纺材料带子的内表面。

在日本专利62129108中，记载了用于制造薄膜的管状支撑，它的制造方法是将热粘性纤维缠绕在轴上，再缠绕第二个带子覆盖位第一个带子的边，加热熔化局部带子，封合上带子的边。例如可将聚丙烯/聚乙烯纤维管子(2.8cm宽，70μm厚)缠绕在轴(直径12.0mm)上。将相同的带子(2.8cm宽，150μm厚)用同样的方法缠绕在第一根带子上，加热到160℃。已备好的管子支撑的内表面用聚合物溶液涂覆，再放到水中胶化，形成非对称的薄膜。管状薄膜可以反复承受压力，不会分离成层状。

在上述方法中，没有提到在弯曲或缠绕状态的支撑条或带上采用加热和加压的方法来平整管状支撑的内表面，薄膜就是在该管状支撑上浇铸成的。

在日本专利6201412中，提及了一种在平的支撑上进行的热处理，就是将浇铸薄膜用的平面置于热源处，例如120℃到500℃的热板处。这种方法不用在最终成形的薄膜上钻孔。一种实施例为：聚酯无纺纤维以3.5mm/s的速度在160℃的热板下方5mm处通过，然后用含聚合物的涂料涂覆。着色检测而在薄膜上形成的孔完全被热处理消除了。

根据本发明，这种方法不能用于制造管状薄膜，因为这种方法不能在弯曲或缠绕的状态下使用。在弯曲的过程中，平直的纤维即便是在用上述方法处理后，又会突起。

本发明是为了解决由于突起的纤维而形成的小孔问题。实际上，缠绕并封合形成管状结构的带状材料由纤维组成，纤维表面粗糙，或在表面上有突起，这样就会在该支承上制成的最终微滤网或超级滤网或毫微滤网或反渗透薄膜上形成小孔，这就降低了薄膜的选择能力。

为了解决小孔问题，在现有技术中已经认识到在缠绕前需要加热或加压，或者是加热和加压。在所有的这些现有技术中，为了制造平的薄膜或者支承材料的平的带都是在弯曲或螺旋状缠绕前，进行加热或加压，或者加热和加压的。但是当无纺材料是由聚丙烯或聚乙烯或聚丙烯/聚乙烯等聚烯烃类制成时，在许多情况下，这还不足以防止突起的纤维形成小孔。这种问题产生在弯曲过程中，在此过程中，即便是以前压延或压平的带状材料，弯曲的纤维会折弯从平面上伸出。

当需要用具有良好的化学和热稳定性的单层管来制造化学特性和热特性稳定的超级滤网、毫微滤网和反渗透薄膜时，纤维突起和小孔的问题尤其难于控制。要制造单层，无纺材料必须足够厚，以得到所需的刚度。如果使用较厚的无纺材料，小孔会更多，这就意味着纤维的密度应较低，以获得较高的水流动性。对于厚的开口支承，有很多突起纤维，对于这样的材料，即便是在缠绕前预先压延带状材料的平直表面，现有技术的方法也不能获得无小孔的薄膜。

本发明的目的就是为了克服上述的问题。本发明人发现，在缠绕之后对螺旋状缠绕带加压和加热，压平或光整突起的纤维，这样纤维就不再会大量地集中或有方向性地突起，就能明显地降低小孔的问题。

本发明提供了一种制造管状薄膜组件的方法，它包括：将至少一条纤维材料制成的带子缠绕在心轴上，从而形成制造半渗透薄膜用的至少一层的管状支承件，其特征在于，在螺旋缠绕的过程中，将所述的带子经过心轴上的一个加热区，沿着带子的截面宽度方向上压平或光整突起的纤维，这样就可制成在整个长度上都具有光滑内孔的管子。

本发明还提供了一种制造方法，制造所述管子时将所述的无纺材料带螺旋缠绕，缠绕时带子的边至少是相邻的，然后将所述的相邻的边连接和热封制成所述的管状支承，连接和热封可以采用从超声波密封，加热和熔合构成的方法组中选择出来的任一种方法。

本发明也提供了一种制造多层管状支承件的方法，它包括，用一条无纺材料带制成没有搭接边的第一内管，然后将另一务无纺纤维材料带螺旋缠绕，缠绕时至少要有相邻的边，将所述的另一条带的至少相邻的边连接和热封，从而形成第二管状支承件，将第一内管和第二外管连接起来。

在本发明的一个推荐实施例中，上面提到的加热是用热气枪实现的。

在本发明的另一个推荐实施例中，上面提到的加热是用超声波装置实现的，可以是红外射线或其他能量传送装置。

在本发明的另一个推荐实施例中，上面提到的加热是用通电装置实现的。

在推荐的例子中，单层管是用一条多孔无纺材料制成的，无纺材料最好是聚烯烃、聚丙烯或两者的混合物。为了得到足够的机械刚度，使管子可以插入到圆柱形支承管内和从其中抽出，无纺材料的厚度至少在0.3到0.8mm之间。如果厚度为0.5mm，以透气性表示的渗透性应该是2毫巴下87dm³/s.m²。德国CarlFreudenberg公司生产了一种这样的支承，命名为Viledon-Nonwovens可用作反渗透和超滤。推荐的级别为FO 2435/V28210。

也可以用较薄的无纺材料，但是必须加以强化，可以用第二层强化，也就是用粘接点将第二层与第一层连接在一起，这就降低了渗透性，也可以用加强带或细丝。无论如何，当使用多于一层时，就提高了制造的复杂性和费用，降低了最终形成的薄膜系统的流动性。

如果使用较厚的无纺材料，因为厚度提高了水或溶液的流动阻力，所以必须提高渗透性。为便于操作，最终的管子必须有一定的机械强度和刚度，但同时为便于缠绕又必须有一定的韧性。这样，无纺材料的厚度不能太厚，但也不能太薄。上面给出了推荐例子的最佳条件，但是本发明并不局限于推荐的实施例。

其他市场买得到的无纺材料的例子是：

聚酯类的Hollytex(Ahlstrom Filtration公司)

杜邦公司(DuPont)的Tyvek-Spun结合聚烯烃(bond polyolefins)

Awa的聚丙烯/聚乙烯无纺材料

Carl Freudenberg的聚酯、聚丙烯或聚丙烯/聚乙烯之类的无纺材料

每个带子上搭接部分的纤维最好是彼此熔合在一起。比较接近两个带子界面的纤维局部熔合，可以将两个带子彼此熔合在一起，但熔合带比较薄弱时，就不推荐这种方法。

搭接带的宽度和搭接带封合部分的宽度可以在整个搭接部分完全封合，也可以部分封合。这样，熔合的区域可以是在100％到5％。搭接边的宽度和搭接区熔合部分的宽度可以在0.1到5mm之间，但是最好是在0.4到2.0mm之间。

在美国专利3746591中记载了一种制造半渗透薄膜管的方法。这个专利涉及将多孔的纤维带螺旋缠绕成单层管子，用热或溶剂封合该带的搭接部分。在缠绕之前或之后，也可以用改良剂处理带的表面，改变表面和薄膜之间的表面光洁度和层间张力，使得薄膜的表面更加好。

在本发明中，采用加热预处理而不是用改良剂来平整突起的纤维，特别是在完成缠绕和封合之前，带子处于弯曲状态进行加热预处理。如果是弯曲前在平直的结构上进行加热，弯曲后纤维会再起来。在管子制成后、而在以连续方式向管子内浇铸之前，进行平整是难于实现的。

在美国专利3769128中，记载了一种生产半渗透薄膜组件的方法。该专利涉及制造管状薄膜，其制造方法是，当薄膜带湿润时，将半渗透性的带子螺旋缠绕到渗透性的心轴上，用可溶于水的化合物连续封合缠绕态薄膜带的邻接边，或者将压敏粘接带在拉伸状态下缠绕到边上。本专利并没有教导或启示本发明，因为本发明涉及缠绕多孔的无纺材料管子，随后在该管子中浇铸形成薄膜。

在美国专利5256230中，公开了用加热的导杆缠绕浸渍树脂纤维。该专利涉及到将浸渍树脂纤维缠绕到心轴上的方法和设备，其中用加热的导杆协助缠绕操作。该专利与本发明是不同的，它对本发明没有任何的教导和启示。在此专利中，公开了缠绕浸渍树脂纤维，而不是薄膜的多孔支承。在本发明中，记载了缠绕无纺材料带以制造薄膜的多孔支承。而且，本发明在弯曲状态下采用了加热的步骤，来压平突起的纤维。在弯曲前的平直状态下加热并不能防止弯曲时纤维“跳起”。

因而，现有技术的公开文献中并没有对本发明中新颖的方法有教导或启示。

将结合一些推荐实施例，并参考下面的例子和所附的示意图来介绍本发明，这样就能完全的明白本发明。

要强调的是，现在以具体地参考附图所示的细部结构仅是作为范例，目的是对本发明的最佳实施例进行说明性的讨论，指出这些细部结构是因为它们是最有用的，并可以更好地理解本发明的原理和概念。从这点来说，除了对本发明的基本结构必须的以外，不必要更加详细地说明本发明的结构细节，结合附图的说明使本技术领域的人员容易明白，实际上本发明可以体现为多种形式。

例1

如图1所示，热塑性无纺材料的管状薄膜缠绕形成管子时，用柔性带系统6将无纺材料带2缠绕在心轴4上，边缠绕边向前移动该带，同时用热气枪8加热，由于缠绕弯曲状态的带子的拉伸所形成的压力将无纺材料内表面上突起的纤维压平和光整，从而在整个管子上形成光滑的内孔，然后利用热熔或熔化方法如超声波密封12将已绕成管子的带子10的搭接边熔合，形成永久的圆形管状结构；制成管子后，利用同心放置在刚绕成的管子18内的突出件14和暗冒口16，或者在制成管子并切成一定尺寸之后的独立成批加工工序中，在内管结构上连铸出微滤网或超级滤网薄膜。

如图1所示，本发明教导可以在熔合或热封搭接边之前或此期间，用加热和加压来压平和光整呈弯曲状态的无纺材料内表面。

例2

将27mm宽，0.5mm厚混合型聚烯烃无纺材料带，Viledon FO 2435，绕在直径为12.8mm在心轴上。无纺材料绕在心轴上，搭接边为2mm，速度为25mm/sec.在与心轴的接触点处，用加热枪将无纺材料加热到120℃。加热区域是缠绕态带子上超过29mm的宽度。在加热点处，由于缠绕带子而加在无纺带上的张力会在无纺材料上产生压力。这种压力大约为10巴。在心轴上第一个搭接点处，管子的搭接区域用超声波焊机来热封。

一种薄膜浇铸涂料，其成分为70％NMP内含25％Udel 1700聚砜和5％氯化锌，在5巴的压力下吸入到心轴的内管(直径为7.0mm)中。通过心轴内外管之间的外部第二通道，温度为20℃的水可以流入，冷却浇铸溶液。浇铸溶液通过安装在心轴端部上浇铸冒口的孔压入，涂覆管子的内表面。当管子经过冒口和管子之间的空隙时，就形成了厚度为0.3mm的湿润薄膜。内层涂覆后成形的管子送入到冷水池中，使薄膜胶化。在送入冷水池之前，用金刚石锯将管子切成规定的3.6m长。在冷水池中保持24小时后，将管状薄膜移去，在水池中放置48小时，漂洗去残余的溶液。

用高分子重量着色检测生成的薄膜，来检查小孔的数目。可以发现1m2的区域内不超过5个小孔。

例3

重复实施例2的步骤，区别在于，在超声波密封之前，不对缠绕态无纺材料进行加热。生成的管状薄膜在1.0m2的面积上有540个孔。这就说明加热步骤的重要性。

例4

再次重复步骤2，区别在于，在平直的无纺材料缠绕之前就对它加热。生成的薄膜在1.0m2的薄膜面积上有210个孔。这说明了对处于缠绕或弯曲状态的无纺材料加热的重要性。

对于本领域的技术人员来说这很清楚，本发明并不局限于前面的实施例和附图所述的细部结构，只要不偏离发明的本质，本发明可以用其它形式来实施，因此本发明的实施例和例子从各方面来说都只能认为是说明本发明而不是用来限制本发明的，因此，该权利要求相等同的意义和范围内所作变化都应包括在由所附的权利要求、而不是前面的描述所规定的本发明内。

Claims (12)

1.一种制造管状薄膜组件的方法，它包括将至少一条纤维材料带螺旋缠绕到心轴上，制造出至少一层半渗透薄膜用的管状支承件，其特征在于，在螺旋缠绕时，将所述的带子通过所述心轴的加热区域，使得沿该带子截面宽度上的纤维突起压平和光滑，这样就可制成在整个长度上都具有光滑内壁的管子。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述管子至少是以邻接边缘的方式螺旋缠绕所述的纤维材料带子，并以由超声波密封，加热和熔合或胶粘所构成的方法组中选出的一种方法连接和热封该邻接边缘以制成该管状支承的。

3.根据权利要求1所述的制造多层管状支承件的方法，其特征在于，它包括用一条无纺材料带子制成第一内管，制造时至少要有相邻的边，然后螺旋缠绕另一条无纺材料带子，缠绕时至少也要有相邻的边，将所述的另一条带至少相邻的边连接和热封上，制成第二外层管状支承件，并将所述的第一内管和第二外管连接起来。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的加热是采用热气枪。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述区域的加热是采用超声波装置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述区域的加热是采用电装置。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于对所述区域的加热是采用红外线、微波或相似的射线源。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当所述区域在所述心轴上处于拉伸状态时，对其进行加热，从而制成所述的管状支承。

9.根据权利要求2和3所述的方法，其特征在于所述的连接和热封包括滴加至少一种热封粘接剂。

10.根据权利要求2和3所述的方法，其特征在于所述的热密封是用超声波焊机完成的。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的纤维材料是多孔的和无纺的材料。

12.一种管状薄膜组件，其特征为它是按权利要求1的方法制备的。

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