DE102011077439A1

DE102011077439A1 - Filtriereinheit für flüssige Medien und ihre Herstellung

Info

Publication number: DE102011077439A1
Application number: DE102011077439A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schlick Gerhard; Dr. Binkle Olaf
Original assignee: Itn Nanovation AG
Current assignee: Itn Nanovation AG
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-12-13
Also published as: SA112330606B1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung einer Filtriereinheit für flüssige Medien mit mindestens einer keramischen Filtermembran sowie mindestens einer polymerbasierten Halterung, in der die mindestens eine keramische Filtermembran festgelegt ist, wobei die mindestens eine keramische Filtermembran in einem Schritt (a) innerhalb einer Form angeordnet wird, in einem Schritt (b) zur Herstellung der Halterung die Form mit einem Prepolymer so weit befüllt wird, bis zumindest eine Seite der mindestens einen keramischen Filtermembran in das Prepolymer eingetaucht ist; und in einem Schritt (c) das Prepolymer ausgehärtet und nach einer Aushärtzeit die entstandene polymerbasierte Halterung mit der darin festgelegten mindestens einen Filtermembran entnommen wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch besonders aus, dass die mindestens eine keramische Filtermembran beim Befüllen der Form mit dem Prepolymer eine Temperatur TK aufweist, die mindestens 5 °C unter der Temperatur TP des Prepolymers liegt, die das Prepolymer zu diesem Zeitpunkt aufweist, oder im Verlauf von Schritt (b) oder (c) eine solche Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen keramischen Filtermembran und dem diese umgebenden Prepolymer eingestellt wird. Weiterhin wird eine Filtriereinheit beschrieben, die nach einem solchen Verfahren hergestellt werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Filtriereinheit für flüssige Medien, insbesondere für die Wasseraufbereitung, mit mindestens einer keramischen Filtermembran sowie mindestens einer polymerbasierten Halterung, in welcher die mindestens eine keramische Filtermembran festgelegt ist.
Konventionelle Kläranlagen enthalten in der Regel ein Absetzbecken, in dem Grobbestandteile aus dem Abwasser entfernt werden, ein Belebungsbecken und ein Nachklärbecken. Im Belebungsbecken werden Mikroorganismen eingesetzt, um die im Abwasser enthaltenen organischen Stoffe zu zersetzen. Im Nachklärbecken werden diese Mikroorganismen üblicherweise durch Sedimentation wieder vom Abwasser getrennt und gegebenenfalls, zumindest teilweise, in das Belebungsbecken zurückgeführt. Allerdings ist dabei eine vollständige Abtrennung der Mikroorganismen, insbesondere durch Sedimentation, in der Regel nicht möglich, so dass diese mit dem Abwasser in die Umwelt gelangen können. Aus diesem Grund wird das aus dem Belebungsbecken stammende, aufgereinigte Abwasser mit Filtriereinheiten weiterbehandelt, um vorhandene Mikroorganismen zuverlässig abzutrennen.
Während für Filtriereinheiten im Bereich der Mikrofiltration bisher üblicherweise Polymerfiltermembranen, wie sie beispielsweise aus der EP-A1-602560 , der WO-A-03/037489 oder der WO-A-04/091755 bekannt sind, verwendet wurden, haben sich in den letzten Jahren vermehrt auch Filtriereinheiten mit Filtern auf Keramikbasis durchgesetzt. Von der Anmelderin entwickelte Filtriereinheiten mit Filtermembranen auf Keramikbasis sind in der WO 2010/015374 A1 beschrieben.
Grundsätzlich sind keramische Filtermembranen zum einen aufgrund ihrer im Vergleich zu Polymerfiltermembranen ungleichmäßigeren Oberfläche, die durch das Brennen der extrudierten keramischen Rohlinge hervorgerufen wird, und zum anderen aufgrund ihrer Brüchigkeit aufwendiger in der Verarbeitung. Insbesondere die Bereitstellung einer adäquaten flüssigkeitsdichten Halterung für die entsprechenden keramischen Filtermembranen bereitete bisher oftmals Schwierigkeiten.
Bei der Verwendung von polymerbasierten Halterungen, wie sie in der WO 2010/015374 A1 beschrieben sind, resultieren Schwierigkeiten zudem aus der Kombination von Werkstoffen mit deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Temperaturwechselbelastungen können zu thermomechanischen Spannungen an der Grenzfläche zwischen Polymer und keramischer Filtermembran führen. Dabei können selbst geringe Unterschiede in der Schwindung bzw. Ausdehnung der verschiedenen Werkstoffe zu Zug- und/oder Druckbelastungen und gegebenenfalls zu Defekten führen.
Es ist bekannt, zur Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von polymeren Formteilen an die keramischer oder metallischer Werkstoffe, Füllstoffe in das Ausgangsmaterial, aus dem das polymere Formteil hergestellt wird, einzuarbeiten. Der Zusatz von Füll- bzw. Verstärkungsstoffen beeinflusst jedoch im Allgemeinen die Fließeigenschaften des Ausgangsmaterials, d.h. dessen Verarbeitungsverhalten. Auch besteht die Gefahr von Entmischungen.
Weitere Probleme bei der Verwendung von Filtriereinheiten mit polymerbasierten Halterungen können sich aus dem Quellverhalten von Polymeren in Wasser ergeben, das sowohl von der Art und Beschaffenheit des Polymers als auch von der Wassertemperatur abhängt. Das Quellen des Polymers, also die Einlagerung von Wasser in die Polymermatrix, führt im Allgemeinen zu einer Ausdehnung des Bauteils in Verbindung mit einer Abnahme der Festigkeit. Genau wie die durch Temperaturwechselbelastungen verursachten mechanischen Spannungen kann die Einlagerung von Wasser die Stabilität einer Filtriereinheit herabsetzen und sich insbesondere auch negativ auf die flüssigkeitsdichte Festlegung von keramischen Filtermembranen auswirken.
Durch Einlagerung von Füllstoffen in ein Bauteil können die beim Quellen auftretenden Volumenänderungen des Bauteils reduziert werden, da der Füllstoff selbst nicht quillt. Auf der anderen Seite können Füllstoffe eine Quellung aber auch beschleunigen, da es sich bei Füllstoffen um Fehlstellen handelt (gilt insbesondere auch im Fall von porösen Füllstoffen).
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, Filtriereinheiten mit Keramikmembranen und polymeren Halterungen bereitzustellen, welche die genannten Nachteile nicht oder nur in geringerem Ausmaß aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Filtriereinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 dargestellt. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Filtriereinheiten für flüssige Medien, insbesondere für die Aufbereitung von Wasser, herstellen, die mindestens eine keramische Filtermembran sowie mindestens eine polymerbasierte Halterung für die mindestens eine keramische Filtermembran aufweisen. Insbesondere lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Filtriereinheiten herstellen, wie sie in der bereits eingangs erwähnten WO 2010/015374 A1 , insbesondere in 1 der WO 2010/015374 A1 , beschrieben sind. Der Inhalt dieser Druckschrift wird deshalb hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
In der WO 2010/015374 A1 sind insbesondere Filtriereinheiten mit keramischen Flachmembranen beschrieben, grundsätzlich lassen sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aber keramische Filtermembran jedweder Geometrie verarbeiten, also auch keramische Membranen mit runder oder zylindrischer Geometrie.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst wie gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung solcher Filtriereinheiten stets zumindest die folgenden Schritte:

– In einem Schritt (a) wird mindestens eine keramische Filtermembran in einer Form angeordnet. Bevorzugt werden zwei oder mehr keramische Filtermembranen in der Form angeordnet, insbesondere parallel und mit einem definierten Abstand zueinander. Die Positionierung mehrerer Membranen in der Form kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Positionierungsmittel (z.B. Rechen oder Stützrahmen) erfolgen. Bevorzugt einsetzbare Filtermembranen wie die in der WO 2010/015374 A1 beschriebenen weisen innenliegende Filtratabführkanäle auf sowie auf mindestens einer Schmalseite, vorzugsweise auf zwei gegenüberliegenden Schmalseiten, Austrittsöffnungen. Diese Austrittsöffnungen werden gegebenenfalls vor oder auch nach dem Anordnen der mindestens einen Filtermembran in der Form verschlossen. Wie in der WO 2010/015374 A1 beschrieben, kann als Mittel zum Verschließen der Austrittsöffnungen beispielsweise ein Silikonkissen verwendet werden, das ebenfalls in der Form positioniert wird. Durch dieses wird verhindert, dass die Austrittsöffnungen der Abführkanäle mit dem Prepolymer (noch nicht ausgehärtetes Gemisch aus gegebenenfalls noch reaktiven oder teilweise reaktiven Ausgangskomponenten) verstopft werden.
– Zur Herstellung der Halterung wird in einem Schritt (b) die Form mit einem Prepolymer so weit befüllt, bis zumindest eine Seite der mindestens einen keramischen Filtermembran in das Prepolymer eingetaucht ist, insbesondere die Seite mit den verschlossenen Austrittsöffnungen.
– In einem Schritt (c) wird das Prepolymer ausgehärtet und die entstandene polymerbasierte Halterung mit der darin festgelegten mindestens einen Filtermembran wird nach einer Aushärtzeit aus der Form entnommen.

Besonders zeichnet sich ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch aus, dass die mindestens eine keramische Filtermembran beim Befüllen der Form mit dem Prepolymer eine Temperatur T_K aufweist, die mindestens 5 °C unter der Temperatur T_P des Prepolymers liegt, die das Prepolymer zu diesem Zeitpunkt aufweist, oder im Verlauf von Schritt (b) oder (c) eine solche Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen keramischen Filtermembran und dem diese umgebenden Prepolymer eingestellt wird.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass sich eine derartige Verfahrensführung positiv auf die Eigenschaften der resultierenden Filtriereinheit auswirkt. Beobachtet wurden insbesondere eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber durch Temperaturschwankungen verursachten mechanischen Belastungen sowie des Weiteren verbesserte Dichtigkeitseigenschaften.
Bekanntlich härtet ein Prepolymer aus, indem seine Bestandteile miteinander vernetzen. Dabei kommt es häufig zu einer Erwärmung der verwendeten prepolymeren Massen durch exotherme Reaktionswärme. Der Verlauf der Aushärtung, insbesondere auch deren Geschwindigkeit, lässt sich maßgeblich durch die Temperaturführung bei der Aushärtung beeinflussen, beispielsweise durch Beheizung der verwendeten Form beschleunigen. In der Regel wird darauf geachtet, dass innerhalb einer Form möglichst keine Temperaturdifferenzen bestehen, um eine möglichst gleichmäßige Aushärtung des in der Form enthaltenen Prepolymers zu gewährleisten. Zur Herstellung der in der WO 2010/015374 A1 beschriebenen Filtriereinheiten wurde daher bislang immer darauf geachtet, dass die in der Form angeordneten Filtermembranen die gleiche Temperatur aufweisen, wie das sie umgebende Prepolymer. Wurden beispielsweise Prepolymere mit einer Verarbeitungstemperatur von 50 °C verwendet, so wurden die Filtermembranen auf diese Temperatur gebracht, bevor sie in der Form positioniert wurden.
Im Gegensatz dazu wird beim erfindungsgemäßen Verfahren gezielt darauf geachtet, dass die oben definierte Temperaturmindestdifferenz zwischen der mindestens einen keramischen Filtermembran und dem diese umgebenden Prepolymer besteht oder eingestellt wird.
Es wird vermutet, dass die beobachteten positiven Effekte dieser Verfahrensführung darauf zurückzuführen sind, dass das Prepolymer in direkter Umgebung der kühleren Keramikmembran langsamer und unvollständiger vernetzt. Mit zunehmenden Abstand von der Kontaktfläche zwischen Prepolymer und Filtermembran steigt die Temperatur des Prepolymers an, so dass die Vernetzungsgeschwindigkeit und der Vernetzungsgrad zunehmen. Es stellt sich somit, ausgehend von der Kontaktfläche, ein Gradient hinsichtlich des Grads der Vernetzung ein.
Grundsätzlich zeigt ein weniger stark vernetztes Polymer eine höhere Elastizität als ein stark vernetztes. Im vorliegenden Fall bedeutet das, dass die entstehende polymerbasierte Halterung Bereiche unterschiedlicher Elastizität aufweist, wobei die mindestens eine Filtermembran von einem elastischeren Bereich der polymerbasierten Halterung umgeben ist. Das könnte begründen, warum bei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filtriereinheiten thermomechanische Spannungen, ausgelöst durch die temperaturinduzierte Schwindung bzw. Dehnung der Halterung, weniger Schäden verursachen als bei klassisch hergestellten.
Hinzu kommt, dass weniger stark vernetzte Polymere grundsätzlich auch ein erhöhtes Quellverhalten in flüssigen Medien wie Wasser zeigen. Entsprechend sollte es in den Bereichen der Halterung, in denen die Filtermembran festgelegt ist, zu einer verstärkten Quellung kommen. Es wird angenommen, dass durch die stärkere Quellung die Haftung zwischen Keramik und gehärtetem Prepolymer unterstützt wird. In der Folge treten weniger häufig Adhäsionsbrüche auf, was die beobachtete verbesserte Flüssigkeitsdichtigkeit der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Filtriereinheit erklären könnte.
In bevorzugten Ausführungsformen wird zwischen der mindestens einen keramischen Filtermembran und dem diese umgebenden Prepolymer eine Temperaturdifferenz von mindestens 10 °C, bevorzugt mindestens 15 °C, insbesondere mindestens 20 °C, eingestellt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird darauf geachtet, dass die Differenz zwischen T_K und T_P beim Befüllen der Form oder unmittelbar nach ihrer Einstellung maximal ist und danach kleiner wird, bevorzugt im Verlauf von Schritt (c) gegen Null geht. Dies wird im einfachsten Fall realisiert, indem die mindestens eine keramische Filtermembran vor dem Befüllen der Form durch Temperierung auf eine Temperatur T_K gebracht wird, die mindestens 5 °C unter der Temperatur T_P des Prepolymers liegt, und nach dem Befüllen die Temperatur T_K nicht mehr aktiv beeinflusst wird. Die Temperaturen T_K und T_P nähern sich dann zwingend aneinander an. Der Zeitraum, bis sich T_P und T_K aneinander angeglichen haben, hängt u.a. von den Wärmekapazitäten der beteiligten Komponenten ab sowie von ihren jeweiligen Massen und Volumina und der Größe der Kontaktflächen, über die ein Wärmeaustausch zwischen den Komponenten erfolgen kann. Weiterhin kann über eine Temperierung des Prepolymers, beispielsweise durch Verwendung einer beheizten Form, Einfluss genommen werden.
Methoden zur Temperierung von Substraten wie keramische Filtermembranen sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann die mindestens eine Filtermembran vor Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Klimakammer temperiert werden. Da die Bearbeitungstemperaturen von Prepolymeren meist im Bereich von 30 °C bis 80 °C liegen, reicht es aber oft schon aus, die keramischen Filtermembranen vor Verfahrensbeginn bei Raumtemperatur zu lagern, um die geforderte Temperaturdifferenz zwischen T_K und T_P zu realisieren.
Grundsätzlich ist es im Übrigen durchaus möglich, die temperierten keramischen Filtermembranen erst nach dem Einbringen des Prepolymers in der Form anzuordnen, die Schritte (a) und (b) des Verfahren also in umgekehrter Reihenfolge vorzunehmen. Das erwähnte Verschließen der Austrittsöffnungen der Filtratabführkanäle wäre in dieser Reihenfolge allerdings schwieriger zu realisieren.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die mindestens eine Filtermembran aktiv gekühlt.
In der Folge kann die Angleichung der Temperaturen der mindestens einen Filtermembran und des Prepolymers verlangsamt werden. Es kann bevorzugt sein, auf diese Weise die Temperatur T_K der keramischen Filtermembranen während des gesamten Verfahrens oder zumindest abschnittsweise konstant zu halten. Weiterhin kann es bevorzugt sein, auf diese Weise die Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen keramischen Filtermembran und dem diese umgebenden Prepolymer während des gesamten Verfahrens oder zumindest abschnittsweise konstant zu halten
Insbesondere auch die erwähnte Einstellung der Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen keramischen Filtermembran und dem diese umgebenden Prepolymer im Verlauf von Schritt (b) oder (c) kann mittels aktiver Kühlung erfolgen.
Zur Temperierung von Filtermembranen, wie sie in der WO 2010/015374 A1 beschrieben sind, kann beispielsweise über die innenliegenden Filtratabführkanäle dieser Membranen ein Kühlkreislauf aufgebaut werden, durch den Kühlflüssigkeit geleitet werden kann. Verbunden werden können parallele Filtratabführkanäle beispielsweise über das erwähnte Mittel zum Verschließen der Austrittsöffnungen der Filtratabführkanäle, beispielsweise ein entsprechend ausgebildetes Silikonkissen, das derart ausgebildet ist, dass die parallelen Filtratabführkanäle nach Ankopplung des Silikonkissens in kommunizierender Verbindung miteinander stehen. Eine weitere Möglichkeit wäre, die mindestens eine Filtermembran in dem Bereich, der nicht von dem Prepolymer umschlossen wird, zu kühlen, beispielsweise mit einer Kühlmanschette.
Durch eine derartige Maßnahme kann die Größe des Bereichs, in welchem sich der Vernetzungsgradient ausbildet, aktiv beeinflusst werden.
Es ist bevorzugt, dass zwischen T_K und T_P während Schritt (b), vorzugsweise bis zum Ende von Schritt (c), mindestens 5 °C, bevorzugt mindestens 10 °C, insbesondere mindestens 20 °C, Differenz bestehen.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Form beim Befüllen mit dem Prepolymer eine Temperatur T_F aufweist, die gleich oder größer T_P ist, bevorzugt mindestens 5 °C. Dadurch wird gewährleistet, dass das Prepolymer, nachdem es in die Form eingebracht wurde, an den Kontaktstellen mit der Innenwandung der Form nicht zu schnell abkühlt. Bevorzugt wird die Temperatur T_P während Schritt (b) und/oder Schritt (c) konstant gehalten.
In bevorzugten Ausführungsformen kann die Temperatur T_F der Form während des gesamten Verfahrens oder zumindest abschnittsweise konstant gehalten werden. Dies kann beispielsweise während der Aushärtzeit des Prepolymers bevorzugt sein, um ein schnelles Abkühlen des Prepolymers zu verhindern.
Dem Fachmann ist bekannt, welche Prepolymere sich zur Herstellung von polymerbasierten Halterungen von Filtriereinheiten eignen. Grundsätzlich eignen sich alle gießfähigen Harze. Das Prepolymer sollte allgemein aus Komponenten bestehen, die nach der Aushärtung eine Beständigkeit gegen Oxidationsmittel wie beispielsweise Chlor (Cl₂) oder Ozon (O₃) sowie eine Hydrolysebeständigkeit gegen Wasser gewährleisten.
Besonders bevorzugt kommen vorliegend als Prepolymer Harze zum Einsatz, die nicht über eine Kondensationsreaktion aushärten sondern über eine Polyaddition oder eine radikalische Polymerisation.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Prepolymer um mindestens ein Harz aus der Gruppe mit gesättigte Polyester, ungesättigte Polyester, Polyether, Polyacrylate, Polyvinylharze, Maleinatharze, Polycaprolactane, Polyurethane, Epoxidharze, Ketonharze, Aminoharze, Phenolharze und Silikonharze. Besonders bevorzugt werden Epoxidharze oder Polyurethane, insbesondere Mischungen aus einem Polyesterpolyol und einem Polyetherpolyol mit einem Isocyanathärter, eingesetzt.
Die Temperatur T_K der keramischen Filtermembran liegt zumindest zu Beginn des Verfahrensschritts (b) – in Abhängigkeit von dem verwendeten Harz – bevorzugt zwischen 1 °C und 50 °C, besonders bevorzugt zwischen 5 °C und 40 °C, insbesondere 10 °C und 30 °C.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens beträgt die Aushärtzeit des Prepolymers in Verfahrensschritt (c) vor Entnahme der polymerbasierten Halterung mit der darin festgelegten mindestens einen Filtermembran 1 bis 12 Stunden, vorzugsweise 1 bis 6 Stunden, insbesondere 1 bis 3,5 Stunden. Im Allgemeinen ist das Prepolymer nach dieser Zeit zu einem strukturfesten Formkörper ausgehärtet.
In besonderes bevorzugten Ausführungsformen schließt sich an den Verfahrensschritt (c) eine Wärmebehandlung an. In einem ersten Schritt wird dabei die Filtriereinheit bei einer Temperatur zwischen 30 °C und 50 °C, vorzugsweise bei etwa 40 °C, für einen Zeitraum zwischen 12 Stunden und 3 Tagen, vorzugsweise 24 Stunden und 2 Tagen, gelagert. In einem zweiten Behandlungsschritt erfolgt anschließend eine Lagerung bei einer Temperatur zwischen 50 °C und 70 °C, vorzugsweise bei etwa 60 °C, für einen Zeitraum zwischen 12 Stunden und 3 Tagen, vorzugsweise 24 Stunden und 2 Tagen.
Während der Wärmebehandlung verbessert sich mit besonderem Vorteil die Hydrolyse- und Quellbeständigkeit der polymerbasierten Halterung und damit die Haltbarkeit der gesamten Filtriereinheit im Anwendungsbereich.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte oder herstellbare Filtriereinheiten sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. In Übereinstimmung mit den obigen Ausführungen handelt es sich dabei bezüglich des Aufbaus insbesondere um Filtriereinheiten, wie sie in der WO 2010/015374 A1 beschrieben sind.
Die erfindungsgemäßen Filtriereinheiten weisen in der Regel stets eine polymerbasierte Halterung mit einer darin festgelegten keramischen Filtermembran auf. Sie zeichnen sich insbesondere durch den beschriebenen Gradienten in Bezug auf den Vernetzungsgrad des Polymers der polymerbasierten Halterung aus.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können einzelne Merkmale jeweils für sich oder zu mehreren in Kombination miteinander bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Ausführungsbeispiel
Es wurde ein Prepolymer aus den zwei folgenden Komponenten hergestellt:

– Polyolmischung (Harz): Gemisch aus einem verzweigten Polyol mit Ester- und Ethergruppen sowie einem Polyetherpolyol; Rußpartikel (Farbstoff und UV-Schutz); Entschäumer und Zeolith-Paste (Trocknungsmittel)
– Isocyanat (Härter): Desmodur^® VKS 20 F (Diphenylmethan-4,4‘-diisocyanat mit Anteilen Polydiphenylmethan-4,4‘-diisocyanat)

Harz und Härter wurden im Verhältnis 100:57,5 gemischt. Bei diesem Mischungsverhältnis ist im ausgehärteten Zustand ein T_G-Wert von mehr als 60 °C zu erwarten.
Zur Herstellung von Filtriereinheiten der Art, wie sie in der 1 der WO 2010/015374 A1 dargestellt ist, wurden 5 keramische Flachfiltermembranen (6,5 mm dick), eingespannt in einen Stützrahmen, welcher die spätere Anordnung der Membranen festlegt, bei 20 °C über Nacht gelagert. Die Filtermembranen waren in einem Abstand von 10 mm parallel zueinander und senkrecht stehend angeordnet. Eine erste Schmalseite der temperierten Membranen wurden in einer auf 40 °C temperierten Form positioniert. Zur Herstellung der Halterung wurde unmittelbar im Anschluss die Form mit dem hergestellten Prepolymer, temperiert auf 35 °C, mittels einer Spritzgusspistole befüllt. Die Temperaturdifferenz zwischen den keramischen Filtermembranen und dem Prepolymer betrug 15 °C. Danach ließ man das Prepolymer aushärten. Nach einer Aushärtzeit von 40 min wurde die Form samt den eingegossenen Membranen gewendet und der Vorgang für eine zweite, der ersten gegenüberliegenden Schmalseite der Membranen, wiederholt. Nach einer weiteren Aushärtzeit von 3 h 20 min wurde die entstandene Halterung mit den darin festgelegten 5 Filtermembranen der Form entnommen und der Stützrahmen entfernt.
Um den Effekt des Temperaturunterschieds auf die Elastizität sowie die Haltbarkeit zu demonstrieren, wurde die so hergestellte Filtriereinheit einem Temperaturwechselbeständigkeitstest (TWB-Test) in einem Klimaschrank unterzogen.
Folgendes Temperaturprofil wurde dabei innerhalb von 2 h durchlaufen:

– 40 °C (spannungsfreie Ausgangsbasis)
– 60 °C (entspricht Temperaturen bei Reinigung)
– 0 °C (Minimaltemperatur beim Transport)
– 5 °C (Extremtemperatur beim Transport)
– Raumtemperatur

Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von polymerer Halterung (α_therm = 120–130 ppm/K) und Keramikmembran (α_therm = 3–8 ppm/K) entstanden während dieses Tests thermomechanische Spannungen, insbesondere an der Grenzfläche zwischen der Halterung und der Keramik. Nach Abschluss des Tests wurde die Filtriereinheit sowohl im Hinblick auf Defekte (Risse) als auch bezüglich ihrer Dichtigkeit untersucht.
In einem weiteren Test wurde die Länge einer gemäß obiger Vorschrift hergestellten Filtriereinheit mit 35 Keramikmembranen bei 20 °C bestimmt (508,9 mm), anschließend wurde die Filtriereinheit über knapp ein Jahr in 40°C warmes Wasser eingelagert, um die Längenänderung durch die Polymerquellung zu erfassen. Nach 339 Tagen war die Länge auf 511,1 mm angestiegen (gemessen bei 20°C). Im Durchschnitt verlängerte sich das Polymer je Membransegment (6,5 mm) um 63 ppm, die Keramik verlängert sich um maximal 6–16 ppm. Dadurch wirkten enorme Zugkräfte auf das Interface Keramik/Polymer. Da die weniger stark vernetzte Zone um die Keramikplatte etwas stärker quoll, als das Bulkpolymer, konnte ein Teil der Zugspannungen kompensiert werden. Zusätzlich nahm die Elastizität des Polymers durch Wassereinlagerung zu, Materialkriechen wurde erleichtert. Makroskopisch konnte kein Adhäsionsbruch zwischen Keramik und Polymer festgestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1602560 A1 [0003]
WO 03/037489 A [0003]
WO 04/091755 A [0003]
WO 2010/015374 A1 [0003, 0005, 0011, 0011, 0012, 0013, 0013, 0016, 0028, 0045]
WO 2010015374 A1 [0040]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Filtriereinheit für flüssige Medien, insbesondere für die Aufbereitung von Wasser, mit mindestens einer keramischen Filtermembran sowie mindestens einer polymerbasierten Halterung, in der die mindestens eine keramische Filtermembran festgelegt ist, umfassend die Schritte (a) die mindestens eine keramische Filtermembran wird in einer Form angeordnet; (b) zur Herstellung der Halterung wird die Form mit einem Prepolymer so weit befüllt, bis zumindest eine Seite der mindestens einen keramischen Filtermembran in das Prepolymer eingetaucht ist; (c) das Prepolymer wird ausgehärtet und nach einer Aushärtzeit wird die entstandene polymerbasierte Halterung mit der darin festgelegten mindestens einen Filtermembran entnommen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine keramische Filtermembran beim Befüllen der Form mit dem Prepolymer eine Temperatur T_K aufweist, die mindestens 5 °C unter der Temperatur T_P des Prepolymers liegt, die das Prepolymer zu diesem Zeitpunkt aufweist, oder im Verlauf von Schritt (b) oder (c) eine solche Temperaturdifferenz zwischen der mindestens einen keramischen Filtermembran und dem diese umgebenden Prepolymer eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturdifferenz von mindestens 10 °C, bevorzugt mindestens 15 °C, insbesondere mindestens 20 °C, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz beim Befüllen der Form mit dem Prepolymer oder unmittelbar nach ihrer Einstellung maximal ist und danach kleiner wird, bevorzugt im Verlauf von Schritt (c) gegen Null geht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Filtermembran gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen T_K und T_P während Schritt (b), vorzugsweise bis zum Ende von Schritt (c), mindestens 5 °C, bevorzugt mindestens 10 °C, insbesondere mindestens 20 °C, Differenz bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form beim Befüllen mit dem Prepolymer eine Temperatur T_F aufweist, die gleich oder größer T_P ist, bevorzugt mindestens 5 °C, insbesondere mindestens 10 °C, größer ist als T_P.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Prepolymer um ein Harz handelt, das über eine Polyaddition oder eine radikalische Polymerisation aushärtet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Prepolymer handelt, welches sich in einem Temperaturbereich zwischen 1 °C und 50 °C, bevorzugt zwischen 5 °C und 40 °C, insbesondere zwischen 10 °C und 30 °C, verarbeiten und aushärten lässt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Schritt (c) eine Wärmebehandlung, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 30 °C und 70 °C, insbesondere zwischen 40 °C und 60 °C, anschließt.
Filtriereinheit, hergestellt oder herstellbar gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.