DE102019006686A1

DE102019006686A1 - Hohlfasermembran sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Hohlfasermembran

Info

Publication number: DE102019006686A1
Application number: DE102019006686.3A
Authority: DE
Inventors: Lars Bostan; Ompe Aimé Mudimu; Thomas Säger; Martina Lehmann
Original assignee: Makcs GmbH; Faserinstitut Bremen eV; Technische Hochschule Koeln
Current assignee: Makcs GmbH; Faserinstitut Bremen eV; Technische Hochschule Koeln
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Durch die Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen, mit der mindestens eine, vorzugsweise ein Vielzahl, miniaturisierter und dimensionsstabiler Hohlfasermembran reproduzierbar herstellbar ist. Das wird dadurch erreicht, dass ein Kunststoff zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität der Hohlfasermembran (17) vor einer Spinndüse (13) mit einer vorbestimmten Menge an mindestens einem körnigen natürlichen und/oder einem körnigen synthetischen Füllstoff versetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Hohlfasermembran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 sowie eine Hohlfasermembran gemäß dem Anspruch 12.
Die Verwendung von porösen Hohlfasern als Hohlfasermembranen in Membranverfahren hat in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen. Der Innendurchmesser einer Hohlfasermembran beträgt nur wenige Millimeter. Dadurch weisen sie gegenüber herkömmlichen Flachmembranen eine deutlich höhere Packungsdichte und somit eine größere zur Verfügung stehende Oberfläche auf, was zu einem besseren Stofftransport führt. So ist beispielsweise eine Verbesserung in der Sauerstoffanreicherung von Blut gegenüber herkömmlichen Flachmembranen um einen Faktor 30 erreichbar.
Der Wirkungsgrad von Hohlfasermembranen wird im Wesentlichen von den Oberflächen/Volumenverhältnis bestimmt, welches mit sinkendem Hohlfaseraußendurchmesser steigt. Durch die Miniaturisierung der Hohlfaser kann bei einer gleichbleibenden Trennleistung die Membranmodulgröße der Hohlfasermembranen verringert werden.
Alternativ lässt sich bei einem gleichbleibenden Volumen des Membranmoduls die Trennleistung wesentlich steigern.
Die Fasern können für die Miniaturisierung jedoch nicht beliebig in ihrem Durchmesser reduziert werden. Zum einen wird ab einem bestimmten Faserdurchmesser bei gleichbleibender Faserlänge der Druckverlust zu groß und die Trennleistung sinkt. Zum anderen müssen eine Dimensionsstabilität und eine ausreichende mechanische Stabilität gegeben sein. Die Wandstärke der Faser kann nicht beliebig verkleinert werden, da mit einer sinkenden Wandstärke die Wahrscheinlichkeit für Fehlstellen in der Wandung (Leckagen) steigt.
Hohlfasermembranen der hier angesprochenen Art können für die Ultrafiltration, für die Mikrofiltration, für die Umkehrosmose oder Gastrennung, für die Wasseraufbereitung oder in der Medizin für die Dialyse und Blutwäsche bzw. Blutfraktionierung verwendet werden. Als besonders vorteilhaft haben sich die hier beschriebenen Hohlfasermembranen für den Einsatz in Oxygenatoren erwiesen. Oxygenatoren sind Teile einer Herz-Lungen-Maschine (HLM) und dienen zur Sauerstoffanreicherung im Blut. HLM werden bei akuten schweren Lungenversagen oder kurzzeitig bei Operationen eingesetzt, wenn die Sauerstoffversorgung der Organe durch den Körper nicht sichergestellt werden kann. Dabei fließt das zunächst sauerstoffarme und kohlendioxidreiche Blut außen an den Hohlfasermembranen vorbei, während im Inneren der Hohlfasermembranen, vorzugsweise im Gegenstrom, Sauerstoff strömt. Durch die hohe Permeabilität der Wandung der Hohlfasermembran wird zum einen Sauerstoff an das vorbeifließende Blut übertragen und zum anderen Kohlendioxid in den Sauerstoffstrom transferiert. Zum Betrieb der Oxygenatoren wird, insbesondere bei der Operation von Kindern, eine große Menge an Fremdblut benötigt. So wird beispielsweise für den Betrieb herkömmlicher Oxygenatoren 300 ml Blut benötigt. Da jedoch Kinder bzw. Neugeborene lediglich über ca. 500 ml Eigenblut verfügen, ist der prozentuale Anteil des Fremdbluts zum Eigenblut bei der Benutzung eines Oxygenators besonders hoch. Die Nutzung dieser großen Mengen an Fremdblut stellt ein hohes Gesundheitsrisiko dar und ist daher zu vermeiden.
Durch eine Miniaturisierung der Hohlfasermembran könnte die notwendige Menge an Fremdblut, die für den Betrieb des Oxygenators benötigt wird, reduziert werden; sofern die Trennleistung wenigstens konstant bleibt. Dadurch könnte der Anteil des Fremdbluts und das Gesundheitsrisiko reduziert werden.
Bisher werden hochporöse Hohlfasern für die Anwendung in Oxygenatoren überwiegend mittels phasenumkehrinduzierten Spinnverfahren hergestellt. Hierzu zählt auch die thermisch induzierte Phasentrennung (TIPS). Dieses Verfahren wird zur Herstellung von Oxygenator-Hohlfasern eingesetzt und weist im Wesentlichen vier Prozessschritten auf, nämlich: 1. die Herstellung einer Lösung aus einem Thermoplast und einem Verbindungsmittel, 2. die Überführung der Lösung in die gewünschte Hohlfasergeometrie, 3. die Abkühlung sowie 4. dem Entfernen des Verbindungsmittels. Darüber hinaus sind auch Spinnverfahren bekannt, die keine induzierte Phasenumkehr verwenden.
Bei einem Schmelzspinnverfahren zur Herstellung von hochporösen Hohlfasern wird dem Spinnverfahren ein Kaltverstrecken der Faser nachgeschaltet (MSCS). Dieses Verfahren für die Herstellung von porösen Hohlfasermembranen lässt sich mit folgenden Prozessschritten beschreiben: 1. Ausspinnen der Hohlfaser bei einem hohen Spinnverzug, 2. spannungsloses Tampern, 3. Kaltverstrecken, 4. Heißverstrecken und 5. Thermofixierung, wobei die Schritte 3. bis 5. in einem Prozessschritt durchgeführt werden.
Mit den bekannten Verfahren zur Herstellung von porösen Hohlfasermembranen lassen sich keine kleineren Durchmesser für die Hohlfasern realisieren. Insbesondere beim TIPS-Verfahren bildet sich eine Haut über die Oberfläche der Membran, wodurch die Permeabilität reduziert wird. Außerdem sind die bekannten Verfahren aufgrund der verschiedenen Prozessschritte sehr aufwendig und somit kostenintensiv. Darüber hinaus sind die Verfahren durch die Verwendung von Lösungsmitteln sowie Weichmachern gesundheitsschädlich. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren besteht darin, dass die Membranen eine sehr geringe mechanische Stabilität aufweisen und somit nicht dimensionsstabil sind. Dies ist jedoch insbesondere für die Miniaturisierung der Fasern besonders wichtig. Durch die bekannten Verfahren zur Herstellung poröser Hohlfasermembranen lassen sich die Eigenschaften wie Porengröße, Permeabilität, Wandstärke und dergleichen nicht kontrollieren. Die Trennleistung bzw. die Permeabilität einer Hohlfasermembran lässt sich somit nur näherungsweise mit dem bekannten Verfahren einstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Hohlfasermembran zu schaffen, die besonders klein ist und gleichzeitig eine hohe Dimensionsstabilität aufweist. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der eine miniaturisierte und dimensionsstabile Hohlfasermembran reproduzierbar herstellbar ist.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 beschrieben. Demnach ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Herstellung einer Hohlfasermembran mindestens einen Behälter für die Aufnahme eines Kunststoffes, vorzugsweise eines Kunststoffgranulats, aufweist. Bei diesem Kunststoff kann es sich bevorzugt um Polypropylen oder Polymethylpenten oder einem anderen Polyolefin handeln. Außerdem ist der Vorrichtung ein Extruder zugeordnet, mit dem der Kunststoff durch eine Spinndüse gepresst wird. Dabei wird eine Hohlfaser ausgebildet. Dazu kann die Spinndüse ein Mittel zur Beaufschlagung des Kunststoffs mit einem Liquid bzw. Flüssigkeit oder Gas aufweisen. Außerdem ist der Vorrichtung eine Verstreckungseinrichtung zugeordnet. Nachdem die Hohlfaser aus der Spinndüse ausgetreten ist, wird sie von der Einrichtung zum Verstrecken verstreckt. Durch diesen Verstreckungsprozess erfährt die Hohlfaser durch die Ausrichtung der Kunststoffmoleküle in der Wandung der Hohlfaser einen Festigkeitsanstieg. Erfindungsgemäß ist dem Kunststoff zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität der Hohlfasermembran vor der Spinndüse eine vorbestimmte Menge an mindestens einem Bestandteil bzw. einem körnigen natürlichen und/oder einem körnigen synthetischen Füllstoff zuführbar, wobei durch Einrichtung zum Vertrecken der Verstreckungsgrad der Hohlfasermembran einstellbar ist. Dieser Bestandteil bildet mit dem Kunststoff einen Verbund. Diese Zuführung des, insbesondere mineralischen, Bestandteils zu dem Kunststoff führt während des Verstreckens zu Mikrorisse an den Grenzflächen zwischen den Füllstoffen und dem Kunststoff bzw. der polymeren Umgebung. Dadurch bildet sich eine poröse Struktur in der Wandung der Hohlfaser; die Hohlfasermembran entsteht. Durch Variation der Menge und der Art des zugeführten Bestandteils kann die Größe und die Anzahl der Mikrorisse in der Wandung der Hohlfasermembran eingestellt werden. Durch diese kontrollierte Zugabe des Bestandteils lässt sich somit die Porosität bzw. Permeabilität der Hohlfasermembran exakt einstellen. Weitere Einstellfaktoren können die Verstreckungstemperatur, der Verstreckungsgrad, die Fixiertemperatur und die Fixierspannung sein. Darüber hinaus wird eine Stabilität erreicht, welche auch bei einer Miniaturisierung der Hohlfasern eine Dimensionsstabilität ermöglicht.
Für die gezielte Zugabe des Bestandteils zu dem Kunststoff kann der Vorrichtung eine entsprechende Einrichtung zugeordnet sein. Durch diese Verknüpfung der spezifischen Materialeigenschaften der Verbindung und die darauf angepasste Vorrichtung kann eine maßgeschneiderte Hohlfasermembran hergestellt werden. Der Außendurchmesser der Hohlfasermembran kann 120 µm und der Innendurchmesser 80 µm betragen. Die Porengröße bzw. die Mikrorisse können einen mittleren Durchmesser von 10 nm bis 500 nm, vorzugsweise 50 nm bis 200 nm, insbesondere 100 nm aufweisen. Durch die Vorrichtung lässt sich nicht nur die Hohlfasermembran für beispielsweise Oxygenatoren miniaturisieren, vielmehr lässt sich eine Hohlfaser im Schmelzspinnverfahren herstellen und zwar mit einer definierten Gasdurchlässigkeitsrate in einem 1-stufigen Prozess.
Als Bestandteil bzw. Füllstoff für die Hohlfaser wird mindestens Kreide verwendet. Die Korngröße der Kreide kann dabei zwischen 0,5 µm und 5,0 µm, vorzugsweise zwischen 1,0 µm und 2,5 µm, betragen. Der Anteil der Kreide, bzw. der Füllstoffgehalt, an dem Gemisch aus Kunststoff und dem mineralischer Bestandteil kann 20 bis 70 %, vorzugsweise 20 bis 50 %, betragen. Bei dem verwendeten Kunststoff kann es sich beispielsweise um thermostabilisiertes Polypropylen Polymethylpenten oder einem anderen Polyolefin handeln.
Bevorzugterweise kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Spinndüse nicht nur eine einzige Hohlfaser herstellt, vielmehr kann die Spinndüse derart ausgebildet sein, dass sie eine Vielzahl, insbesondere 5 bis 40, vorzugsweise 10 bis 20 oder 18, Öffnungen aufweist, zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Hohlfasern. Durch die erhöhte Stabilität der einzelnen Hohlfasern ist es möglich, eine Vielzahl von Hohlfasern gleichzeitig herzustellen und zu verstrecken. Dadurch kann das gesamte Herstellungsverfahren effizienter bzw. weniger kostenaufwendig gestaltet werden. Ein besonderer Vorteil dieser gleichzeitigen Herstellung einer Vielzahl von Hohlfasern besteht darin, das die einzelnen Fasern alle die gleiche Qualität aufweisen. Dies ist insbesondere für die Weiterverarbeitung der Hohlfasern in Hohlfasermembranmatten für beispielsweise Oxygenatoren extrem vorteilhaft. Die Herstellungsrate der Hohlfaser lässt sich durch die Beimischung des Minerals zu dem Kunststoff vervielfachen.
Bevorzugterweise kann es vorgesehen sein, dass durch eine Steuereinrichtung und ein Heizmittel eine Spinntemperatur, insbesondere die Temperatur des Kunststoffs oder der Spinndüse, einstellbar ist, vorzugsweise auf eine Temperatur von 160°C bis 250°C, insbesondere von 190°C bis 210°C. Da auch die Temperatur des Kunststoffs ausschlaggebend für die Stabilität der Faserbildung ist, kann durch eine Variation dieses Temperaturparameters auch die Eigenschaft der Hohlfasermembran beeinflusst werden.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass durch eine Steuereinrichtung und ein Heizmittel eine Verstreckungstemperatur einstellbar ist, vorzugsweise auf eine Temperatur von 20°C bis 145°C, insbesondere von 70°C bis 90°C. Durch diese Steuereinrichtung zur Regelung der Verstreckungstemperatur der Hohlfaser steht einer Bedienperson der Vorrichtung ein weiterer Parameter zur Einstellung der physikalischen Eigenschaften der Hohlfasermembran zur Verfügung.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass durch die Einrichtung zum Verstrecken, insbesondere einem Streckfeld, der Verstreckungsgrad der Hohlfasermembran einstellbar ist, vorzugsweise zwischen 1:3 und 1:9. Insbesondere durch den Grad der Verstreckung lässt sich die Größe der Poren und somit schließlich auch die Permeabilität der Hohlfasermembran einstellen. Da das Verstrecken mechanisch sehr exakt kontrollierbar ist, bietet sich dadurch ein weiterer Parameter, der für das definierte Einstellen der Eigenschaften der Hohlfasermembran dienlich ist.
Ein Verfahren zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird durch den Anspruch 6 beschrieben. Demnach ist es vorgesehen, dass zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität einer Hohlfasermembran einem Kunststoff, bei dem es sich vorzugsweise um Polypropylen oder Polymethylpenten oder einem anderen Polyofin handelt, eine vorbestimmte Menge an mindestens einem einem körnigen natürlichen und/oder einem körnigen synthetischen Bestandteil bzw. Füllstoff, insbesondere mindestens Kreide, zugeführt wird. Beim Spinnprozess wird der Füllstoff in die Wandung der Hohlfaser eingebaut. Während der Verstreckung reißt sodann wenigstens bereichsweise die Wandung zwischen den Füllstoffen und dem Polymer bzw. dem Kunststoff auf. Durch dieses Aufreißen entstehen Mikrorisse bzw. Poren. Durch eine Erhöhung des relativen Anteils des mineralischen Bestandteils in dem Kunststoff lässt sich auch die Dichte bzw. die Anzahl der Mikrorisse einstellen. Gleichermaßen kann über eine Variation der mineralischen Bestandteile die Größe der Mikrorisse bzw. der Poren eingestellt werden. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran unterliegt das Einstellen der physikalischen Eigenschaften der Hohlfasermembran nicht mehr dem Zufallsprinzip, vielmehr lassen sich die physikalischen Eigenschaften exakt definiert einstellen. Darüber hinaus kann durch die Beimischung des Füllstoffs die Stabilität der Fasern wenigstens bis zu einem bestimmten Mischungsverhältnis vergrößert werden. Durch diese Vergrößerung der Stabilität kann die Faser auch stärker vertreckt werden, wodurch sich die Hohlfasermembran miniaturisieren lässt, während die Trennleistung bzw. die Permeabilität der Hohlfasermembran gleich bleibt. Dies stellt sich insbesondere für die Anwendung der Hohlfasermembran in Oxygenatoren als vorteilhaft dar. Durch die Reduzierung der Größe der Hohlfasermembran lässt sich auch die für Benutzung der Oxygenatoren notwendige Blutmenge reduzieren, was insbesondere bei der Behandlung von Säuglingen vorteilhaft ist. Gleichermaßen lässt sich unter Beibehaltung der Größe der Hohlfasermembran die Trennleistung um ein Vielfaches steigern.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass die körnige Struktur des Füllstoffs durch triaxiale Ellipsoiden beschrieben wird, wobei Radien R₁, R₂ und R₂ der Ellipsoide in folgendem Verhältnis stehen: Breitenradius R₁, Höhenradius R₂, mit 0,5 × R1 ≤ R₂ ≤ R₁ und Tiefenradius R₃, mit 0,2 × R₁ ≤ R₃ ≤ R₁.
Bevorzugterweise kann es die Erfindung außerdem vorsehen, dass durch die Spinndüse eine Vielzahl, insbesondere 5 bis 40, vorzugsweise 10 bis 20 und bevorzugt 18, von Hohlfasern gleichzeitig hergestellt werden. Aufgrund der gezielten Beimischung des Bestandteils bzw. des Füllstoffs und der damit einhergehenden Einstellung der Permeabilität ist es möglich, mehrere Fasern gleichzeitig zu spinnen bzw. zu verstrecken. Bei herkömmlichen Verfahren ist dies nicht möglich. Die gleichzeitig hergestellten Hohlfasern weisen dabei alle die gleiche Qualität auf. Dies kann insbesondere für die Weiterverarbeitung der Hohlfasern in Hohlfasermembranmatten für beispielsweise Oxygenatoren vorteilhaft sein.
Darüber hinaus kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Kunststoff zusammen mit dem mindestens einem Füllstoff bei einer Temperatur von 160°C bis 250°C, vorzugsweise 190°C bis 210°C durch die Spinndüse gepresst wird. Durch die Variation der Temperatur der Spinndüse bzw. des Kunststoffs kann wiederum die Bildung der Hohlfaser sowie die Verstreckung maßgeblich beeinflusst werden und zwar kann vorzugsweise durch die Temperaturvariation die Faserbildung direkt unterhalb der Spinndüse und der Ausgangszustand vor dem Verstrecken beeinflusst werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass der Kunststoff mit dem mindestens einem Füllstoff, bzw. die Hohlfaser zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität direkt nach dem Austritt aus der Spinndüse von der Einrichtung zum Verstrecken bei einer Temperatur von 20°C bis 145°C, vorzugsweise 70°C bis 90°C, gestreckt wird. Ein weiterer Parameter zur Einstellung der physikalischen Eigenschaften der Hohlfaser stellt der Verstreckungsgrad dar. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Verstreckungsgrad hier 1:3 bis 1:9 beträgt.
Eine Hohlfasermembran zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe weist die Merkmale des Anspruchs 12 auf. Demnach ist eine Hohlfasermembran vorgesehen, welche die zuvor aufgezählten Merkmale und die damit verbundenen Vorteile aufweist. Dabei besteht das Gemisch zur Herstellung der Hohlfaser mindestens aus einem Kunststoff und einem, insbesondere mineralischen, Bestandteil bzw. Füllstoff. Bei dem Kunststoff kann es sich um thermostabilisiertes Polypropylen oder Polymethylpenten oder einem anderen Polyolefin handeln. Als mineralischer Füllstoff werden ein körniger natürlicher Füllstoff und/oder ein körniger synthetischer Füllstoff, wie beispielsweise Kreide, verwendet. Die Korngröße des Füllstoffes bzw. der Kreide kann dabei zwischen 0,5 µm und 5,0 µm, vorzugsweise zwischen 1,0 µm und 2,5 µm, betragen. Der Anteil der Kreide, bzw. der Füllstoffgehalt, an dem Gemisch aus Kunststoff und dem Bestandteil kann 20 bis 70 %, vorzugsweise 20 bis 50 %, betragen. Durch die Verwendung dieses Gemisches lässt sich besonders zuverlässig die Hohlfasermembran mit den beschriebenen Eigenschaften herstellen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine Darstellung der Vorrichtung zur Herstellung einer miniaturisierten und dimensionsstabilen Hohlfasermembran, und
2 einen Schnitt durch eine Düse zur Herstellung einer Hohlfaser.

In der 1 ist stark vereinfacht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 für die Herstellung einer Hohlfasermembran dargestellt. Im Wesentlichen besteht diese Vorrichtung 10 aus einem Behälter 11 dem ein Kunststoff zur Herstellung der Hohlfaser zuführbar ist. Außerdem kann diesem Behälter 11 auch ein Zusatzstoff wie ein mineralischer Bestandteil bzw. ein Füllstoff zugeführt werden. Damit sich der mineralische Bestandteil mit dem Kunststoff, bei dem es sich vorzugsweise um, insbesondere thermostabilisertes, Polypropylen oder Polymethylpenten oder einem anderen Polyolefin handelt, homogen vermischt, kann in dem Behälter 11 ein entsprechendes Rührwerk oder dergleichen angeordnet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass dem Behälter 11 bereits ein homogenes Gemisch aus Polypropylen oder Polymethylpenten und dem Füllstoff zugeführt wird.
Der Kunststoff zusammen mit dem Füllstoff wird über einen Extruder 12 einer hier ebenfalls stark schematisierten Spinndüse 13 zugeführt. Dazu muss das Gemisch aus Kunststoff und dem Füllstoff erhitzt bzw. wenigstens nahezu flüssig bzw. hochviskos sein.
Mittels der Spinndüse 13 werden Hohlfasern 14 im Schmelzspinnverfahren hergestellt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Spinndüse 13 nicht nur der Herstellung einer Hohlfaser 14 dienen kann, sondern vielmehr einer Vielzahl von Hohlfasern 14. Dazu weist die Spinndüse 13 eine Vielzahl von entsprechenden Öffnungen auf. Diese gleichzeitige Herstellung mehrerer Hohlfasern 14 mit wenigstens nahezu gleicher Qualität wird bedingt durch die erhöhte Zugfestigkeit der Hohlfasern 14 bzw. durch die Möglichkeit die Permeabilität besser einzustellen. Diese erhöhte Zugfestigkeit bzw. die Möglichkeit die Permeabilität einzustellen wird insbesondere erreicht durch den Füllstoff im Kunststoff. Nachdem die Hohlfasern 14 aus der Spinndüse 13 ausgetreten sind, werden sie in dem mehrere Streckelemente 15 aufweisenden Streckfeld 16 verstreckt. Durch dieses Verstrecken der Hohlfasern entstehen in der Wandung der Faser an den Verbindungsbereichen zwischen dem Kunststoff bzw. dem Polymer und dem Füllstoff Mikrorisse. Diese Mikrorisse wirken als Poren in der Wandung der Hohlfaser, wodurch sich schließlich die Hohlfasermembran 17 ausbildet.
Schließlich werden die fertig verstreckten Hohlfasermembranen 17 auf einem Wickler 18 aufgewickelt. Von dort aus können die einzelnen Hohlfasermembranen weiter zu beispielsweise nicht dargestellte Membranfasermatten für den Einsatz in Oxygenatoren verarbeitet werden.
Durch die Variation der Temperatur des Kunststoffs mit dem Füllstoff in der Spinndüse 13 und/oder dem Extruder 12 lassen sich die physikalischen Eigenschaften der Hohlfasermembran 17, insbesondere der Porosität und der Permeabilität, wenigstens indirekt einstellen, da die Art und Weise des Abkühlens Einfluss auf die Verstreckung hat. Ein weiterer wesentlicher Parameter zum Einstellen der physikalischen Eigenschaften der Hohlfaser 14 besteht in dem Grad der Verstreckung. Der Grad der Verstreckung kann durch die einzelnen Streckelemente 15 des Streckfeldes 16 exakt eingestellt werden. Auch durch eine definierte Abkühlung der Hohlfasern 14 nach Austritt aus der Spinndüse 13 können die physikalischen Eigenschaften der Hohlfasermembran 17 beeinflusst werden. Die Art und Weise der Abkühlung der Hohlfasern 14 hat insbesondere Auswirkung auf das Verstrecken; und zwar kann das Verstrecken durch ein gezieltes Abkühlen erschwert oder erleichtert werden.
Schließlich besteht der Kern der vorliegenden Erfindung darin, dass durch eine Variation des Verhältnisses des Kunststoffs zu dem Füllstoff bzw. durch eine Variation des Füllstoffs an sich die Eigenschaft der Hohlfasermembran definiert einstellbar ist. Dazu wird der in 2 beispielhaft dargestellten Spinndüse 13 ein vordefiniertes Gemisch 19 aus dem Polymer und dem Füllstoff zugeführt. Durch Beaufschlagung der Düse mit einem Fluid bzw. mit Luft 20 wird die Hohlfaser hergestellt.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
11: Behälter
12: Extruder
13: Spinndüse
14: Hohlfaser
15: Streckelement
16: Streckfeld
17: Hohlfasermembran
18: Wickler
19: Gemisch
20: Luft

Claims

Vorrichtung (10) zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) mit mindestens einem Behälter (11) für ein Kunststoff, mit einem Extruder (12), von dem der Kunststoff durch mindestens eine Spinndüse (13) zur Ausbildung einer Hohlfaser (14) pressbar ist und mit einer Einrichtung zum Verstrecken (15) der Hohlfaser (14), dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoff zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität der Hohlfasermembran (17) eine vorbestimmte Menge an mindestens einem körnigen natürlichen und/oder einem körnigen synthetischen Füllstoff zuführbar ist und wobei durch die Einrichtung zum Verstrecken (15) der Verstreckungsgrad der Hohlfasermembran (17) einstellbar ist.
Vorrichtung (10) zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spinndüse (13) eine Vielzahl, insbesondere 5 bis 40, vorzugsweise 10 bis 20 und bevorzugt 18, Öffnungen aufweist, zur gleichzeitigen Herstellung mehrerer Hohlfasern (14).
Vorrichtung (10) zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuereinrichtung und ein Heizmittel eine Spinntemperatur, insbesondere die Temperatur des Kunststoffs oder der Spinndüse (13), einstellbar ist, vorzugsweise auf eine Temperatur von 160°C bis 250°C, insbesondere von 190°C bis 210°C.
Vorrichtung (10) zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuereinrichtung und ein Heizmittel eine Verstreckungstemperatur einstellbar ist, vorzugsweise auf eine Temperatur von 20°C bis 145°C, insbesondere von 70°C bis 90°C.
Vorrichtung (10) zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Einrichtung zum Verstrecken (15), insbesondere einem Streckfeld (16), der Verstreckungsgrad der Hohlfasermembran (17) zwischen 1:3 und 1:9 einstellbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) mit mindestens einer Spinndüse (13), durch die ein verflüssigter Kunststoff gepresst und eine sich dabei ausbildende Hohlfaser (14) im Anschluss von einer Einrichtung zum Verstrecken (15) verstreckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität der Hohlfasermembran (17) dem Kunststoff, bei dem es sich vorzugsweise um Polypropylen oder Polymethylpenten handelt, eine vorbestimmte Menge an mindestens einem körnigen natürlichen und/oder einem körnigen synthetischen Füllstoff zugeführt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die körnige Struktur des Füllstoffs durch triaxiale Ellipsoiden beschrieben wird, wobei Radien R₁, R₂ und R₂ der Ellipsoide in folgendem Verhältnis stehen: Breitenradius R₁, Höhenradius R₂, mit 0,5 × R₁ ≤ R₂ ≤ R₁ und Tiefenradius R₃, mit 0,2 × R₁ ≤ R₃ ≤ R₁.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spinndüse (13) eine Vielzahl, insbesondere 5 bis 40, vorzugsweise 10 bis 20 und bevorzugt 18, von Hohlfasern (14) gleichzeitig hergestellt werden.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff zusammen mit dem mindestens einem Füllstoff bei einer Temperatur von 160°C bis 250°C, vorzugsweise 190°C bis 210°C, durch die Spinndüse (13) gepresst wird.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff mit dem mindestens einem Füllstoff, bzw. die Hohlfaser (14) zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität direkt nach dem Austritt aus der Spinndüse (13) von der Einrichtung zum Verstrecken (15) zum Verstrecken bei einer Temperatur von 20°C bis 145°C, vorzugsweise 70°C bis 90°C, gestreckt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlfasermembran (17) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser (14) von der Einrichtung zum Verstrecken zur Einstellung einer bestimmten Porosität bzw. Permeabilität der Hohlfasermembran (17) um einen Verstreckungsgrad von 1:3 bis 1:9 verstreckt wird.
Hohlfasermembran, die vorzugsweise mit einer Vorrichtung gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5 und insbesondere nach einem Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 6 bis 11 herstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hohlfaser, die durch Vertrecken zu der Hohlfasermembran gestreckt wird, aus einem thermostabilisierten Poypropylen oder Polymethylpenten und mindestens einem körnigen natürlichen und/oder einem körnigen synthetischen Füllstoff besteht.
Hohlfasermembran nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff mindestens Kreide aufweist mit einer Korngröße von 0,5 µm bis 5 µm, vorzugsweise 1 µm bis 2,5 µm und/oder dass der Gehalt des Füllstoffs in der Hohlfaser, insbesondere der Kreide, 20 - 70 %, vorzugsweise 30 - 50 %, beträgt.
Hohlfasermembran nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Außendurchmesser der Hohlfasermembran 200 µm bis 100 µm, vorzusgweise 120 µm, und ein Innendurchmesser 50 µm bis 120 µm, vorzugsweise 80 µm, beträgt und/oder dass eine mittlere Porengröße einer Vielzahl von Mikrorissen in einer Wandung der Hohlfasermembran 10 nm bis 500 nm, vorzusgweise 50 nm bis 200 nm, insbesondere 100 nm, beträgt.