CZ2005389A3 - Způsob zhotovení svazku umělohmotných porézních dutých vláken dloužením v kapalné nebo plynné lázni - Google Patents

Abstract

Způsob zhotovení svazku umělohmotných porézních dutých vláken dloužením v kapalné nebo plynné lázni, při němž se vytvoří přadeno prekurzorových vláken, která se dlouží řízenou rychlostí při kontrolované teplotě lázně.V dalším provedení způsobu zhotovení svazku umělohmotných porézních dutých vláken dloužením, se vytvoří přadeno prekurzorových vláken, která se posléze v dloužícím zařízení dlouží řízenou rychlostí a za řízené teploty v kapalném nebo plynném s následujícím případným dalším zpracováním.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zhotovení svazku umělohmotných porézních dutých vláken dloužením, při němž se vytvoří přadeno prekurzorových vláken, která se posléze v dloužícím zařízení dlouží řízenou rychlostí a za řízené teploty v kapalném, plynném nebo v kombinaci předešlých s následujícím případným dalším zpracováním.

Dosavadní stav techniky

Dloužené membrány jsou jedním z typů membrán používaných ve filtračních a kontaktorových zařízeních. Natažením původně neporézní fólie z plastu, např. polypropylenu nebo polyetylénu, se ve stěně vytvoří mikroskopické póry, jejichž prostřednictvím probíhá filtrace nebo se vytváří mezifázová plocha. Membrány se s výhodou vyrábějí jako dutá vlákna s mikroporézními stěnami, přičemž jedno medium se nachází vně vlákna a druhé proudí dutinou vlákna. Tak je možno umístit do malého objemu filtračního nebo kontaktorového zařízení velkou výměnnou plochu. Výchozí polotovar takového porézního dutého vlákna, nazývaný prekurzor, se vyrobí extruzí vytlačením kruhovým otvorem opatřeným centrálním trnem - a poté se upraví na žádaný průměr. Vlastní výroba porézního dutého vlákna pak probíhá dloužením prekurzoru.

Nejznámější a nejvíce používaný způsob průmyslového dloužení prekurzoru je kontinuální: Prekurzor obíhá několik otáčejících se paralelních válců, přičemž rychlosti otáčení válců jsou nastaveny tak, aby došlo k požadovanému prodloužení prekurzoru. Prodloužení může probíhat za tepla nebo za studená v několika krocích, jejichž počet je dán počtem použitých válců. Tento známý způsob je popsán např. v patentových spisech US 5,294,338, US 5,547,756 a US 4,405,688. Nevýhodou tohoto způsobu je tzv. zažehlování dutého vlákna v důsledku nežádoucího prokluzu vlákna na válcích. Tření mezi dutým vláknem a válcem způsobuje narušení ústí pórů a tím vede ke snížení filtračního efektu. Dojde li v provozu k přetržení prekurzoru, je nutné opětovné časově náročné zprovoznění linky. Současně je možné dloužit jenom poměrně malý počet vláken.

Jsou známé diskontinuální dloužící postupy. Vlákna se pro dloužení uspořádají buď do svazku nebo do přadena. Svazek vláken tvoří jedno nebo více vláken nařezaných nebo jinak upravených do svazku. Přadeno vznikne tak, že se vlákno namotá okolo dvou podpor (Ming-Chien Yang , Ming-Tze Chou, Effect of post-drawing on the mechanical and mass transfer properties of polyacrylonitrile hollow fíber membranes , Journal of Membrane Science 116 ,1996, 279-291). Dloužení svazků nebo přaden probíhá tak že se od sebe vzdalují jejich konce (viz např. v J.E. Mark Thermoelastic Results on Rubberlike Networks and Their Bearing on the Foundations of Elastic Theory, J. POLYMER SCI.: Macromolecular Reviews, vol. 11. 135 - 159, 1976 nebo V. Marcián, Studium struktury nekrystalických oblastí polyproylenových vláken a jej vplyvu na vlastnosti fyzikálně modifikovaného systému, Kandidátská disertačná práca, Výzkumný ustav chemických • · • · · · • · · · • « • 4

Β ··· vláken νο Svitě, 1983). Tato diskontinuální dloužící zařízení nebo jejich části se vkládají do termostatů nebo podobného zařízení, které umožňuje kontrolovat teplotu dloužení.

Tento postup však není vhodný pro dloužení velkého množství vláken a to proto že pracný, vyžaduje značný měrný objem a měrnou energii pro výrobu jednotky produkce a kontrola dloužícího procesuje obtížná.

Jiný postup výroby membrány typu duté vlákno s nekonstantní porozitou je navržen ve zveřejněné patentové přihlášce US 2003/0111407 Al. Sestává se ze dvou kroků: Nejprve se prekurzor ovine kolem alespoň dvou opor, čímž vytvoří přadeno, načež se zvětšuje vzájemná vzdálenost těchto opor. Po tomto dloužení se vlákna zpracovávají standardním způsobem. Na takto zhotovených vláknech jsou dva druhy vzájemně odlišných úseků. Úseky, které se nacházely při dloužení v prostoru mezi oporami mají plnou žádoucí porozitu, zatímco úseky, které obepínaly opory nemají porozitu žádnou nebo jen omezenou. Je to proto, že v těchto místech opásání způsobuje tažná síla tření mezi vlákny nebo mezi vlákny a oporou, což omezuje dloužení. Po dloužení je nutno výsledná vlákna zpracovat s ohledem na střídající se porézní a neporézní úseky. Nevýhodou popsaného způsobu je kromě toho poměrně složitá manipulace, nerovnoměrná kvalita vlákna a poměrně vyšší spotřeba prekurzoru.

Ve všech uvedených patentech je vznik pórů během dloužení umožňován separací dvou typů nadmolekulárního uspořádání téhož polymerního materiálu, a to oblastí krystalických a oblastí amorfních. Všechny zmíněné patenty jsou proto úspěšně realizovatelné pouze na krystalizujících polymerech, jako jsou polypropylén, vysokohustotní polyetylén (HDPE), polymetylpenten a řada dalších. V těchto případech je prekurzor připravován bez jakýchkoliv plniv nebo přísad jednoduše tak, že během zvlákňování je tavenina nad vytlačovací hlavou chlazena právě tak intenzivně, aby v dutém vláknu vznikal vysoký podíl již zmíněné tvrdě elastické struktury.

Dloužení prekurzoru není jedinou technologií, jak připravit membránu v podobě dutých vláken. Výrobci membrán používají i další známé postupy, jako jsou roztokové srážení, termogelace a případně i další. Jejich společným znakem je nutnost odstraňování jedné z fází vstupujících na počátku do technologického procesu, ať už jsou to rozpouštědla, anebo se rozpouštějí a odplavují pevné částice. Taková výroba je proto ekologicky méně přívětivá, neboť musí zahrnovat recyklaci rozpouštědel. Dloužení prekurzoru proto bývá považováno za velmi perspektivní technologii přípravy mikroporézních membrán typu duté vlákno.

Vynález si proto klade za úkol navrhnout způsob zhotovení porézních dutých vláken, který by omezil nevýhody výše uvedených způsobů.

Podstata vynálezu

Uvedený úkol se řeší dloužením prekurzorových vláken v kapalném nebo plynném prostředí, přičemž v okolí vláken je vytvořeno proudění, kolmo nebo podél vláken. Podstata nového způsobu spočívá vtom, že dloužení probíhá za přesně dané teploty. Proudění zaručuje stejnou teplotu pro všechna vlákna po celé délce prekurzoru. Při využití teplotního gradientu, to je prekurzor se dlouží podle předem připravené teplotní křivky, je teplotní změna v okolí prekurzoru pomalejší, zato je homogenní po celé délce prekurzoru.

• ·

V extrémním případě, může být lázeň požívaná pro dloužení nebo stabilizaci rozdělena do několika na sobě nezávislých komor udržujících potřebnou teplotu prouděním média kolmo nebo podélně na vlákna. Toto uspořádání je výhodné při potřebě teplotně kontrolovat konkrétní úseky vlákna nebo při použití velké lázně kdy je reakce na změnu teploty příliš pomalá.

Při standartním procesu výroby membrán dloužením musí prekurzor projít studeným a teplým dloužením s následnou stabilizací. V některých případech je možné zmíněné operace sloučit, nicméně operační čas se výrazně nezmění. Proto je lepší naopak procesy oddělit a zintensivnit časově náročnou stabilizaci. Na jednom stroji tak probíhá dloužení za studená v kapalném prostředí a za tepla v plynném prostředí a v dalším stroji se membrána stabilizuje. Stabilizace je proces mechanicky nenáročný. Přenášení prekurzoru stroji je prováděno pomocí teleskopického ráhna. Takové ráhno je uzpůsobeno tak aby vlákno nepřišlo do styku s mastnotou (dotek rukou) a čímkoli s jinou teplotou než má samo vlákno. Takovým to rozložením výroby se dosáhne optimálního využití zařízení při minimálních provozních a pořizovacích nákladech.

V některých případech, kdy teplotní charakteristika dloužení nebo stabilizace vyžaduje vyšších teplot je přidat do lázně aktivní složku. Z ekonomických důvodů se používá voda, taje bezpečně použitelná pro teploty pod 90°C. Vhodně zvolenou aktivní složkou se zvýší bod varu. Další možností použití aktivní složky - je provést hydrofilizaci v průběhu stabilizace membrány.

Příklady provedení vynálezu

Podstatu vynálezu dále objasňují následující příklady jeho provedení:

Příklad 1

Nepórézní extrudované PP duté vlákno - prekurzor - se připraví k upnutí do dloužícího stroje. Na vzniklém přadenu vláken se provede se dloužení o 5 až 100 % za normální nebo zvýšené teploty. Po tomto studeném dloužení se napnuté přadeno zafixuje pomocí stavitelného ráhna a přenese do stroje pro horké dloužení. Zde se provede ohřev přadena v předehřáté vodní lázni na teplotu horkého dloužení, následuje horké dloužení o 50 až 1000 % v této lázni. Přadena membrán se sejmou pomocí stavitelného ráhna a vloží se do termofixační lázně, směsi vody a přídavku snižujících bod varu vody. Potom se přadeno membrány sejme z ráhna a následně se nařeže na svazky potřebné délky.

Příklad 2

Prekurzor byl připraven z HDPE polymeru Yuzex 7200( hustota 964 kg/m3, tavný index 5,0) při teplotě vytlačování 160°C a teplotě vytlačovací hlavy 150°C přes hubici o průměru 19 mm a trn o průměru 14 mm. Výsledný prekurzor měl vnější průměr 400 pm a tloušťku stěny 60 pm. Z něj bylo navinuto přadeno o výchozí délce 1400 mm. Studené dloužení činilo 30 % při rychlosti dloužení 50 cm/min. Horké dloužení bylo provedeno při 63°C při rychlosti dloužení 20 cm/min až na délku předena 3500 mm. Termofixace byla provedena při teplotě 98°C po dobu 30 min. Ze střední části přadena byl zhotoven svazek membrány o propustnosti pro vzduch 116 l/m².s.bar a propustnosti pro vodu 340 l/m².hod.bar.. Pevnost vláken v tahu činila 4N/ vlákno.

Claims (5)

1. Patentové nároky

   1. Způsob zhotovení umělohmotných porézních dutých vláken dloužením v kapalné nebo plynné lázni vyznačující se tím, že v lázni je vytvořeno proudění media ve směru vláken nebo kolmo na vlákna.
2. 2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že lázeň je tvořena několika komorami se vzájemně na sobě nezávislým prouděním média v komorách.
3. 3. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že studené, horké dloužení a popřípadě i stabilizace probíhá v oddělených lázních, popřípadě i strojích.
4. 4. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že k manipulaci s vlákny je použito distanční ráhno.
5. 5. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že lázeň je tvořena aktivní složkou a vhodným teplotně vodivým inertním médiem.