DE10208276A1 - Composite membrane, process for its production and the use of the membrane - Google Patents
Composite membrane, process for its production and the use of the membraneInfo
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Abstract
Beschrieben wird eine Compositmembran, die die Vorteile der anorganischen Membranen, wie die Lösungsmittelbeständigkeit und Stabilität, mit den Vorteilen der organischen Membranwerkstoffe verbindet. DOLLAR A Die beschriebene Compositmembran besteht aus einer keramischen Trägerschicht, die auf einem Polymerfasern aufweisenden Träger aufgebracht ist und einer keramischen selektiv trennenden Schicht. Hierbei können die Porengrößen der Membrane durch die Herstellbedingungen der keramischen selektiven Trennschicht eingestellt werden.A composite membrane is described that combines the advantages of inorganic membranes, such as solvent resistance and stability, with the advantages of organic membrane materials. DOLLAR A The composite membrane described consists of a ceramic carrier layer which is applied to a carrier comprising polymer fibers and a ceramic selectively separating layer. The pore sizes of the membrane can be adjusted by the manufacturing conditions of the ceramic selective separation layer.
Description
Die Erfindung betrifft eine Compositmembran, mit einem Polymere aufweisenden keramischen Verbundwerkstoff und einer keramischen selektiv wirkenden Trennschicht. The invention relates to a composite membrane with a polymer ceramic composite and a ceramic selective separating layer.
Keramische Membranen sind seit mehr als 10 Jahren bekannt und werden aufgrund ihres doch recht hohen Preises immer dort eingesetzt, wo entweder eine gute Temperaturbeständigkeit (> 80°C) oder eine gute Chemikalienbeständigkeit gewährleistet werden muss. Kommerziell verfügbar sind diese Membranen für die Mikrofiltration und für Ultrafiltrationsanwendungen. Auch wird in letzter Zeit von verschiedenen Anwendungen in der Pervaporation bzw. in der Nanofiltration berichtet (K.-V. Peinemann und S. P. Nunes, Membrane Technology; 2001, VCH-Verlag). Ceramic membranes have been known for more than 10 years and are nevertheless due to their quite high price wherever there is either good temperature resistance (> 80 ° C) or good chemical resistance must be guaranteed. Commercially these membranes are available for microfiltration and for ultrafiltration applications. Recently, various applications in pervaporation and in the Nanofiltration reports (K.-V. Peinemann and S. P. Nunes, Membrane Technology; 2001, VCH-Verlag).
Es ist sind verschiedene Anwendungen bekannt, bei denen Verbundwerkstoffe die Keramiken aufweisen, verwendet werden. Various applications are known in which composite materials are the ceramics have used.
Der Vorteil der Keramik aufweisenden Verbundwerkstoffe liegt darin, dass die keramischen Beschichtungen gegenüber den meisten chemischen Substanzen, wie z. B. organischen Substanzen, chemisch inert sind und zudem überwiegend gegenüber Säuren oder Laugen beständig sind. Aus diesem Grund werden Metalle oft mit Keramiken beschichtet, um das Metall vor chemischen Einflüssen zu schützen. Durch die poröse Oberfläche eines mit einer Keramik beschichteten Verbundwerkstoffes erhöht sich zudem die Abriebsfestigkeit von nachträglich aufgebrachten Lacken oder Schutzüberzügen. Keramiken selbst eignen sich aufgrund ihrer porösen Oberfläche außerdem sehr gut für den Einsatz als Membranen oder Filter. The advantage of composite materials with ceramics is that they are ceramic Coatings against most chemical substances, such as. B. organic Substances that are chemically inert and also predominantly against acids or alkalis are stable. For this reason, metals are often coated with ceramics in order to Protect metal from chemical influences. Due to the porous surface one with a Ceramic-coated composite material also increases the abrasion resistance of subsequently applied paints or protective coatings. Ceramics themselves are suitable due to their porous surface also very good for use as membranes or Filter.
Der Nachteil der Keramiken bzw. der Keramiken aufweisenden Verbundwerkstoffe ist die Sprödheit der Keramik. Mit Keramik beschichtete Metalle sind deshalb sehr stoßempfindlich und die Keramikbeschichtung übersteht kaum eine mechanische Beanspruchung ohne dass die Oberfläche der Keramik verletzt wird. Da auch das Biegen eines solchen keramischen Verbundwerkstoffes zur Verletzung der Keramikschicht führt, sind die Anwendungsgebiete solcher keramischer Verbundwerkstoffe zur Zeit noch begrenzt. The disadvantage of the ceramics or the composite materials having ceramics is Brittleness of ceramics. Metals coated with ceramic are therefore very sensitive to impact and the ceramic coating can hardly withstand mechanical stress without the Surface of the ceramic is damaged. Since the bending of such a ceramic Composite material leads to damage to the ceramic layer are the areas of application such ceramic composites are currently limited.
Keramische Verbundwerkstoffe werden trotz der Nachteile häufig auch in der Filtrationstechnik oder Membrantechnik eingesetzt. Despite the disadvantages, ceramic composites are often also used in the Filtration technology or membrane technology used.
In EP 0358 338 wird ein Verfahren beschrieben, mit welchem durch Aufbringen einer ein Metalloxidsol aufweisenden wässrigen Lösung und Verfestigen dieser Lösung auf einer Oberfläche, vorzugsweise einer glatten Metalloberfläche, diese Oberfläche durch eine Keramikschicht geschützt werden kann. Der wässrigen Lösung kann zur Verbesserung der Haftung der keramischen Schicht auf der zu schützenden Oberfläche ein Metalloxidpulver und/oder ein Haftverbesserer zugesetzt werden. Das Verfahren beschreibt nicht das Aufbringen von Schichten auf stoffdurchlässige Trägermaterialien. In EP 0358 338 a method is described with which by applying a Aqueous solution containing metal oxide sol and solidifying this solution on a Surface, preferably a smooth metal surface, this surface by a Ceramic layer can be protected. The aqueous solution can improve the Adhesion of the ceramic layer to the surface to be protected is a metal oxide powder and / or an adhesion promoter can be added. The process does not describe that Application of layers on permeable substrates.
WO 96/00198 lehrt die Herstellung keramischer Schichten auf Oberflächen von diversen Materialien. Diese beschichteten Materialien können als Membranen eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird Titandioxidsol mit Aluminiumoxidpulver dispergiert, wobei Salzsäure zur Peptisierung verwendet wird. Es ist allerdings nicht möglich nach diesem Verfahren Schichten mit Porenweiten von weniger als 50 nm auf poröse Trägermaterialien mit Porenweiten von 2 µm bis herab zu 100 nm zu beschichten, da die Partikel und Sole keine Schicht auf dem porösen Träger ausbilden würden sondern die Poren des Trägers füllen würden. WO 96/00198 teaches the production of ceramic layers on surfaces of diverse Materials. These coated materials can be used as membranes. at In this process, titanium dioxide sol is dispersed with aluminum oxide powder, using hydrochloric acid is used for peptization. However, it is not possible using this procedure Layers with pore sizes of less than 50 nm on porous support materials Pore sizes from 2 µm down to 100 nm to coat, because the particles and brine none Would form a layer on the porous support but instead fill the pores of the support would.
US 4934139 lehrt ein Verfahren zur Herstellung keramischer Membranen für die Ultrafiltration und Mikrofiltration. Zur Herstellung solcher keramischer Membranen wird ein Sol oder eine Partikelsuspension auf einen porösen Metallträger gebracht und gesintert. Der poröse Träger kann Edelstahl-Sintermetall oder Edelstahlgewebe sein, in dessen Zwischenräume Metallpartikel eingesintert wurden. Metallgewebe mit Zwischenräumen über 100 µm lassen sich ohne Einsintern von Metallpartikeln nach diesem Verfahren nicht verarbeiten. Das Verfahren vermeidet, dass die Suspension oder das Sol in die Zwischenräume des Trägermaterials eindringen. US 4934139 teaches a process for making ceramic membranes for the Ultrafiltration and microfiltration. A is used to manufacture such ceramic membranes Sol or a particle suspension are placed on a porous metal support and sintered. The porous carrier can be stainless steel sintered metal or stainless steel mesh, in the Gaps between metal particles were sintered. Metal mesh with gaps across 100 µm cannot be sintered in without metal particles using this method to process. The process prevents the suspension or sol from entering the Penetrate gaps in the carrier material.
In US 5376442 und US 5605628 wird zur Überbrückung von Zwischenräumen im Trägermaterial ein organischer Binder in die Beschichtungslösung eingearbeitet. Dieser Binder muss nach dem Verfestigen wieder entfernt werden, was zu Unregelmäßigkeiten in der Keramikoberfläche und/oder -struktur führen kann. In US 5376442 and US 5605628 is used to bridge gaps in the Carrier material an organic binder incorporated into the coating solution. This Binder must be removed again after solidification, which leads to irregularities in the Ceramic surface and / or structure can lead.
Ebenso wird in DE 42 10 413 das anorganische Pulver mit Hilfe eines polymeren Harzes fixiert. Dieses Harz muss nach dem Verfestigen ebenfalls wieder entfernt werden, was zu Unregelmäßigkeiten in der Keramikoberfläche und/oder -struktur führen kann. Likewise in DE 42 10 413 the inorganic powder is made with the aid of a polymeric resin fixed. This resin must also be removed after solidification, which leads to Irregularities in the ceramic surface and / or structure can result.
In WO 99/15262 wird die Herstellung eines flexiblen, stoffdurchlässigen Verbundwerkstoffes auf Basis eines durchbrochenen Trägermaterials beschreiben. Hierin kann der Träger aus verschiedenen Materialien bestehen. U. a. auch aus polymeren perforierten Folien, Geweben aus Polymer, Naturfaser, Glas und Stahl oder Metallvliesen. Die Beschichtung erfolgt mit einem Sol, welches zu sehr großen Teilen aus Wasser bzw. aus wässrigen Lösungen starker Säuren besteht, in das Partikel der Oxide von Aluminium, Titan, Zirkonium oder Silizium eingerührt wurden. Zudem kann das Sol auch Organosilyl-Verbindungen wie Methyltriethoxysilan enthalten. Diese stoffdurchlässigen Verbundmaterialien lassen sich u. a. als Membranen in der Filtration einsetzen. WO 99/15262 describes the production of a flexible, permeable composite material describe on the basis of an openwork carrier material. This is where the wearer can go different materials. Among others also from polymeric perforated foils, fabrics made of polymer, natural fiber, glass and steel or metal fleece. The coating is done with a sol, which is very strong to a large extent from water or from aqueous solutions Acids exist in the particles of the oxides of aluminum, titanium, zirconium or silicon were stirred. The sol can also include organosilyl compounds such as Contain methyltriethoxysilane. These permeable composite materials can u. a. use as membranes in filtration.
Alle bisher beschriebenen Membranen weisen eine recht geringe Flexibilität auf. Zudem sind die keramischen Beschichtungen spröde und, sofern die Haftung der Keramik auf dem Träger zu gering ist, kann diese leicht vom Träger abgelöst werden. Solche Membranen sind dann unbrauchbar. All of the membranes described so far have very little flexibility. Also are the ceramic coatings become brittle and, provided the ceramic adheres to the substrate is too small, it can easily be detached from the wearer. Such membranes are then unusable.
Es war deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine flexible Membran bereitzustellen, die eine keramische selektive Trennschicht aufweist und die haltbarer ist als bisher bekannte Membranen und die kostengünstig gefertigt werden kann. It was therefore an object of the present invention to provide a flexible membrane, which has a ceramic selective separation layer and which is more durable than previously known Membranes and which can be manufactured inexpensively.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich sehr flexible Membranen mit porösen keramischen Trennschichten, die Poren im Ultrafiltrations(UF)- bzw. Nanofiltrations(NF)- bereich besitzen, herstellen lassen, wenn als Träger für die trennaktive Schicht Verbundwerkstoffe eingesetzt werden, die als Substrat polymere Fasern oder Naturfasern sowie eine im und auf dem Substrat befindliche keramische Komponente aufweisen. Surprisingly, it was found that very flexible membranes with porous ceramic separating layers, the pores in ultrafiltration (UF) - or nanofiltration (NF) - own the area, have it manufactured if as a carrier for the release-active layer Composite materials are used which are polymeric fibers or natural fibers as a substrate and have a ceramic component located in and on the substrate.
Zur Herstellung von Ultrafiltrations- bzw. Nanofiltrationsmembranen mit keramischen Trennschichten auf Basis von Polymerfaser geträgerten Verbundwerkstoffen muss man ganz neue Wege beschreiten, da die Methoden der Herstellung bekannter UF- und NF-Membranen nicht angewendet werden können. Die bekannten Prozesse arbeiten alle mit partikulären Systemen, die bei ca. 450 bis 1200°C gesintert werden müssen oder mit Sol-Gel- Beschichtungen, die polymere Binder enthalten und daher auch bei ähnlich hohen Temperaturen gebrannt werden, um ein Ausbrennen der Binder zu erreichen. Diese hohen Temperaturen können aber bei den erfindungsgemäßen Compositmembranen nicht angewandt werden, da dieses unweigerlich zur völligen Zerstörung der als Substrat vorhandenen polymeren Fasern führen würde, und dadurch den Membranen die mechanische Festigkeit verloren gehen würde. For the production of ultrafiltration or nanofiltration membranes with ceramic Separating layers based on composite materials supported by polymer fibers have to be used entirely break new ground as the methods of manufacturing known UF and NF membranes cannot be applied. The known processes all work with particulate Systems that have to be sintered at approx. 450 to 1200 ° C or with sol-gel Coatings that contain polymeric binders and therefore also with similarly high ones Temperatures are burned to burn out the binder. These high However, temperatures cannot be used in the composite membranes according to the invention as this inevitably leads to the complete destruction of the substrate polymeric fibers would result, and thereby the membranes the mechanical strength would be lost.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind deshalb Compositmembranen, vorzugsweise flexible Compositmembranen, umfassend einen Verbundwerkstoff, der ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten und/oder ungewebten Fasern von Polymeren und die Beschichtung eine poröse, keramische Beschichtung aufweist, welche dadurch gekennzeichnet sind, dass der Verbundwerkstoff zumindest eine weitere Beschichtung als selektive keramische Trennschicht aufweist. The present invention therefore relates to composite membranes, preferably flexible composite membranes, comprising a composite material that has a flat, with a plurality of openings provided, flexible substrate with one on and in this Coating located substrate, wherein the material of the substrate is selected from woven and / or non-woven fibers of polymers and coating a porous, has ceramic coating, which are characterized in that the Composite material at least one other coating than selective ceramic Has separation layer.
Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Compositmembran mit zumindest einer selektiven keramischen Trennschicht, umfassend einen Verbundwerkstoff, der ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten und/oder ungewebten Fasern von Polymeren und die Beschichtung eine poröse, keramische Beschichtung aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die selektive Trennschicht durch Aufbringen und Verfestigen eines Sols oder einer Suspension aus einer anorganischen Komponente und einem Sol erhalten wird. The present invention also relates to a method for producing a composite membrane according to the invention with at least one selective ceramic Separating layer comprising a composite material, which is a flat, with a variety of Opened, flexible substrate with one on and in this substrate Coating, the material of the substrate being selected from woven and / or non-woven fibers of polymers and the coating a porous, ceramic Has coating, which is characterized in that the selective separation layer by applying and solidifying a sol or a suspension of an inorganic Component and a sol is obtained.
Ebenso ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung die Verwendung einer erfindungsgemäßen Compositmembran als Membran in druckgetriebenen Membranprozessen, in der Gastrennung, Pervaporation, Dampfpermeation, Nanofiltration, Ultrafiltration oder Mikrofiltration, oder in einem Membranreaktor. The present invention also relates to the use of a device according to the invention Composite membrane as a membrane in pressure-driven membrane processes in which Gas separation, pervaporation, vapor permeation, nanofiltration, ultrafiltration or Microfiltration, or in a membrane reactor.
Die erfindungsgemäßen Compositmembranen haben den Vorteil, dass sie wesentlich temperatur- und formstabiler sind als reine organische Polymermembranen, Polymermembranen auf Polymerträgern oder als Polymermembranen, denen anorganische Stoffe beigemischt wurden. Die erfindungsgemäße Compositmembran, weist außerdem einen Verbundwerkstoff auf, der auf Keramik beschichteten Polymerfasern basiert, die dünn und sehr flexibel sind, so dass die Compositmembran ebenfalls ausgesprochen flexibel ist. Die Compositmembranen implizieren bei der Wahl der Module und Housings deshalb nahezu keinerlei Begrenzungen gegenüber reinen Polymermembranen. Durch die ausgesprochene Flexibilität der erfindungsgemäßen Compositmembran hält diese sehr viel besser mechanischen Belastungen stand als keramische Membranen für die Nano- und Ultrafiltration auf Basis von reinen anorganischen Trägern. The composite membranes according to the invention have the advantage that they are essential are more stable in temperature and shape than pure organic polymer membranes, Polymer membranes on polymer supports or as polymer membranes, which inorganic Substances were mixed. The composite membrane according to the invention also has one Composite based on ceramic-coated polymer fibers that are thin and are very flexible, so that the composite membrane is also extremely flexible. The Composite membranes therefore almost imply when choosing the modules and housings no limits compared to pure polymer membranes. Through the pronounced The flexibility of the composite membrane according to the invention keeps it much better mechanical loads stood as ceramic membranes for nano- and ultrafiltration based on pure inorganic carriers.
Die erfindungsgemäßen Compositmembranen haben außerdem den Vorteil, dass sie ausgesprochen günstig herzustellen sind, da Polymergewebe oder -vliese deutlich günstiger sind als Metall- oder Glasvliese oder Gewebe dieser Materialien. Im Gegensatz zu Glasfasern sind die Polymerfasern außerdem deutlich weniger brüchig, weshalb die Handhabung des Ausgangsmaterials ebenfalls deutlich vereinfacht und damit günstiger wird. The composite membranes according to the invention also have the advantage that they are extremely inexpensive to manufacture because polymer fabrics or nonwovens are significantly cheaper are as metal or glass fleeces or fabrics of these materials. In contrast to glass fibers the polymer fibers are also significantly less brittle, which is why the handling of the Starting material is also significantly simplified and therefore cheaper.
Die erfindungsgemäße Compositmembran wird im nachfolgenden beispielhaft beschrieben, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsformen beschränkt sein sollen. The composite membrane according to the invention is described below by way of example, without the invention being restricted to these embodiments.
Die erfindungsgemäße flexible Compositmembran, umfassend einen Verbundwerkstoff, der ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus Vliesen von Polymer- oder Naturfasern und die Beschichtung eine poröse, keramische Beschichtung aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Verbundwerkstoff eine weitere Beschichtung als selektive keramische Trennschicht aufweist. Diese selektive Trennschicht bestimmt über die Eignung der Compositmembran z. B. als Nano- oder Ultrafiltrationsmembran. The flexible composite membrane according to the invention, comprising a composite material which a flat, with a multiplicity of openings provided flexible substrate with a and coating located in this substrate, the material of the substrate is selected from nonwovens of polymer or natural fibers and the coating is a porous, Ceramic coating, is characterized in that the composite material has further coating as a selective ceramic separating layer. This selective Interface determines the suitability of the composite membrane z. B. as a nano or Ultrafiltration membrane.
Die besondere Flexibilität der Compositmembran wird durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen erreicht, die auf keramikbeschichteten Substraten basieren, die Polymer- und/oder Naturfasern aufweisen. The special flexibility of the composite membrane is demonstrated by the use of Composites achieved based on ceramic-coated substrates, the polymer and / or have natural fibers.
Die keramische Trennschicht ist vorzugsweise eine poröse Trennschicht mit definierten Poren, die vorzugsweise eine mittlere Porengröße von kleiner 50 nm aufweisen. Für die Verwendung der Compositmembran als Nanofiltrationsmembran (NF-Membran) weist die keramische Trennschicht vorzugsweise eine mittlere Porengröße von kleiner 10 nm, bevorzugt von 0,5 nm bis 5 nm nm auf. Für die Verwendung der Compositmembran als Ultrafiltrationsmembran (UF-Membran) weist die keramische Trennschicht vorzugsweise eine mittlere Porengröße von kleiner 50 nm, bevorzugt von 5 nm bis 25 nm auf. Die keramische Trennschicht weist bevorzugt Oxide, der Elemente Ti, Si, Zr, Sn und/oder Al, ganz besonders bevorzugt Oxide der Elemente Ti, Si, Zr und/oder Al auf. Die bevorzugten Teilchen für diese Beschichtungen besitzen eine Partikelgröße von kleiner 25 nm, bevorzugt von kleiner 15 nm für UF-Membranen und für NF-Membranen sind diese bevorzugt kleiner als 10 nm und besonders bevorzugt kleiner als 5 nm. The ceramic separating layer is preferably a porous separating layer with defined ones Pores that preferably have an average pore size of less than 50 nm. For the The use of the composite membrane as a nanofiltration membrane (NF membrane) shows ceramic separation layer, preferably an average pore size of less than 10 nm, preferably from 0.5 nm to 5 nm nm. For using the composite membrane as The ceramic separating layer preferably has an ultrafiltration membrane (UF membrane) average pore size of less than 50 nm, preferably from 5 nm to 25 nm. The ceramic Separating layer preferably has oxides, the elements Ti, Si, Zr, Sn and / or Al, very particularly preferably oxides of the elements Ti, Si, Zr and / or Al. The preferred particles for this Coatings have a particle size of less than 25 nm, preferably less than 15 nm for UF membranes and for NF membranes, these are preferably smaller than 10 nm and particularly preferably less than 5 nm.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die selektive Trennschicht eine durchschnittliche Dicke von kleiner 10 µm, vorzugsweise eine Dicke von 0,005 bis 5 µm und ganz besonders bevorzugt eine Dicke von 0,005 bis 3 µm aufweist. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil durch eine solch geringe Dicke ein genügend hoher transmembraner Fluss gewährleistet werden kann. It may be advantageous if the selective separation layer has an average thickness of less than 10 µm, preferably a thickness of 0.005 to 5 µm and very particularly preferred has a thickness of 0.005 to 3 µm. This is particularly advantageous because such a small thickness and a sufficiently high transmembrane flow can be guaranteed can.
Die erfindungsgemäße Compositmembran, umfasst vorzugsweise einen Verbundwerkstoff der auf einem flächigen, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenen, flexiblen Substrat basiert mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen anorganischen Komponente, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus Vliesen, Gewirken, Filzen oder Geweben von Polymer- und/oder Naturfasern, vorzugsweise aus Vliesen von Polymer- und/oder Naturfasern und die anorganische Komponente eine poröse, Keramik ist. Durch Verwendung eines Vlieses, vorzugsweise eines sehr dünnen und homogenen Vliesmaterials, wird ein gleichmäßiger transmembraner Fluss erzielt. Vliese haben außerdem den Vorteil, dass sie eine deutlich höhere Porosität aufweisen als vergleichbare Gewebe. The composite membrane according to the invention preferably comprises a composite of based on a flat, flexible substrate provided with a large number of openings with an inorganic component located on and in this substrate, the Material of the substrate is selected from nonwovens, knitted fabrics, felts or fabrics Polymer and / or natural fibers, preferably from nonwovens of polymer and / or natural fibers and the inorganic component is a porous ceramic. By using a Fleece, preferably a very thin and homogeneous fleece material, is a uniform transmembrane flow achieved. Nonwovens also have the advantage of being one have significantly higher porosity than comparable fabrics.
Besonders bevorzugt weist das Substrat des eingesetzten Verbundwerkstoffes eine Dicke von weniger als 200 µm auf. Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Compositmembran einen Verbundwerkstoff mit einem Substrat aufweist, welches eine Dicke von 25 bis 100 µm und besonders bevorzugt von 30 bis 70 µm aufweist. The substrate of the composite material used particularly preferably has a thickness of less than 200 µm. It can be particularly advantageous if the invention Composite membrane has a composite material with a substrate, which has a thickness from 25 to 100 µm and particularly preferably from 30 to 70 µm.
Die Polymerfasern sind bevorzugt ausgewählt aus Polyacrylnitril, Polyamiden, Polyimiden, Polyacrylaten, Polytetrafluorethylen, Polyester, wie z. B. Polyethylenterephthalat und/oder Polyolefinen, wie z. B. Polypropylen, Polyethylen oder Mischungen dieser Polymere. Aber auch alle anderen bekannten Polymerfasern und viele Naturfasern, wie z. B. Flachsfasern, Baumwolle oder Hanffasern sind denkbar. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Membran Polymerfasern auf, die eine Erweichungstemperatur von größer 100°C und eine Schmelztemperatur von größer 110°C aufweisen. Bei Polymerfasern mit niedrigeren Temperaturgrenzen verkleinern sich auch die Anwendungsgebiete. Bevorzugte Membranen sind bis zu einer Temperatur von bis zu 150°C, vorzugsweise bis zu einer Temperatur von 120 bis 150°C und ganz besonders bevorzugt bis zu einer Temperatur von 121°C einsetzbar. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Polymerfasern des Substrates des Verbundwerkstoffes einen Durchmesser von 1 bis 25 µm, vorzugsweise von 2 bis 15 µm aufweisen. Sind die Polymerfasern deutlich dicker als die genannten Bereiche, leidet die Flexibilität des Substrates und damit auch die der Membran. The polymer fibers are preferably selected from polyacrylonitrile, polyamides, polyimides, Polyacrylates, polytetrafluoroethylene, polyesters such as B. polyethylene terephthalate and / or Polyolefins, e.g. B. polypropylene, polyethylene or mixtures of these polymers. But also all other known polymer fibers and many natural fibers, such as. B. flax fibers, Cotton or hemp fibers are conceivable. The membrane according to the invention preferably has Polymer fibers that have a softening temperature of greater than 100 ° C and a Have a melting temperature of greater than 110 ° C. For polymer fibers with lower Temperature limits also reduce the areas of application. Preferred membranes are up to a temperature of up to 150 ° C, preferably up to a temperature of 120 to 150 ° C and very particularly preferably up to a temperature of 121 ° C. It can be advantageous if the polymer fibers of the substrate of the composite material have a diameter of 1 to 25 µm, preferably 2 to 15 µm. Are the Polymer fibers significantly thicker than the areas mentioned, the flexibility of the substrate suffers and thus also that of the membrane.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden unter Polymerfasern auch Fasern von Polymeren verstanden, die durch eine thermische Behandlung chemisch oder strukturell teilweise verändert wurden, wie z. B. teilweise karbonisierte Polymerfasern. For the purposes of the present invention, polymer fibers also include fibers of polymers understood partially by a thermal treatment chemically or structurally were changed, such as B. partially carbonized polymer fibers.
Die auf und in dem Substrat befindliche keramische Beschichtung weist bevorzugt zumindest ein Oxid, der Metalle Al, Zr, Si, Sn, Ti und/oder Y, auf. Besonders bevorzugt weist die auf und in dem Substrat befindliche Beschichtung ein Oxid der Metalle Al, Zr, Ti und/oder Si, als anorganische Komponente auf. The ceramic coating located on and in the substrate preferably has at least an oxide containing the metals Al, Zr, Si, Sn, Ti and / or Y. It particularly preferably has and in the substrate coating an oxide of the metals Al, Zr, Ti and / or Si, as inorganic component.
Vorzugsweise liegt in der Beschichtung zumindest eine anorganische Komponente in einer Korngrößenfraktion mit einer Korngröße von 1 bis 250 nm oder mit einer Korngröße von 251 bis 10 000 nm vor. Es kann vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Membran eine Beschichtung aufweist, die zumindest zwei Korngrößenfraktionen zumindest einer anorganischen Komponente aufweist. Ebenso kann es vorteilhaft sein, wenn die Beschichtung zumindest zwei Korngrößenfraktionen von zumindest zwei anorganischen Komponenten aufweist. Das Korngrößenverhältnis kann von 1 : 1 bis 1 : 10 000, vorzugsweise von 1 : 1 bis 1 : 100 betragen. Das Mengenverhältnis der Korngrößenfraktionen im Verbundwerkstoff kann vorzugsweise von 0,01 : 1 bis 1 : 0,01 betragen. The coating preferably contains at least one inorganic component in one Grain size fraction with a grain size of 1 to 250 nm or with a grain size of 251 up to 10,000 nm. It can be advantageous if the membrane according to the invention has a Coating having at least two grain size fractions at least one has inorganic component. It can also be advantageous if the coating at least two grain size fractions of at least two inorganic components having. The grain size ratio can be from 1: 1 to 1: 10,000, preferably from 1: 1 to 1: 100. The quantitative ratio of the grain size fractions in the composite material can preferably from 0.01: 1 to 1: 0.01.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die keramische Beschichtung bzw. die anorganischen Komponenten, die die Beschichtung des Verbundwerkstoffes ausmachen, über Haftvermittler an das Substrat, insbesondere die Polymerfasern gebunden sind. Typische Haftvermittler sind organofunktionelle Silane, wie sie beispielsweise von der Fa. Degussa unter dem Handelsnamen "Dynasilan" angeboten werden, aber auch reine Oxide wie ZrO2, TiO2, SiO2 oder Al2O3 können für einige Fasermaterialien geeignete Haftvermittler sein. Je nach Herstellungsbedingungen und verwendetem Haftvermittler können die Haftvermittler in der erfindungsgemäßen Membran noch nachweisbar vorhanden sein. It can be advantageous if the ceramic coating or the inorganic components that make up the coating of the composite material are bonded to the substrate, in particular the polymer fibers, via adhesion promoters. Typical adhesion promoters are organofunctional silanes, such as those offered by Degussa under the trade name "Dynasilan", but also pure oxides such as ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 or Al 2 O 3 can be suitable adhesion promoters for some fiber materials. Depending on the production conditions and the adhesion promoter used, the adhesion promoters can still be detectably present in the membrane according to the invention.
Es kann vorteilhaft sein, wenn das Vlies oder Gewebe zuerst mit einem Haftvermittler vorbeschichtet wurde. Entsprechend weist dann eine solche Membran im Innern ein Vlies, vorzugsweise ein Polymervlies auf, dessen Fasern mit einer dünnen Schicht eines Haftvermittlers (wie. z. B. einem Metalloxid oder einer Organosilanverbindung) ausgestattet sind. Im und auf dem polymeren, vorbeschichteten Träger befindet sich das poröse Keramikmaterial. It may be advantageous if the fleece or fabric is first coated with an adhesion promoter was pre-coated. Accordingly, such a membrane then has a fleece inside, preferably a polymer fleece, the fibers of which are covered with a thin layer of a Adhesion promoter (such as a metal oxide or an organosilane compound) equipped are. The porous is in and on the polymeric, pre-coated carrier Ceramic material.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Compositmembran eine Porosität von 10% bis 70%, bevorzugt von 20% bis 60% und besonders bevorzugt von 30% bis 50% auf. The composite membrane according to the invention preferably has a porosity of 10% to 70%, preferably from 20% to 60% and particularly preferably from 30% to 50%.
Die erfindungsgemäßen Membranen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Zugfestigkeit von mindestens 1 N/cm, vorzugsweise von 3 N/cm und ganz besonders bevorzugt von größer 6 N/cm aufweisen. Die erfindungsgemäßen Membranen sind vorzugsweise flexibel und lassen sich vorzugsweise ohne Beschädigung bis auf jeden Radius bis herab zu 100 m, vorzugsweise bis herab zu 50 mm und ganz besonders bevorzugt bis herab zu 2 mm biegen. Die gute Biegbarkeit der erfindungsgemäßen Membran hat den Vorteil, dass beim Einsatz in der Filtration oder Gastrennung plötzliche Druckschwankungen durch die Membran problemlos vertragen werden können, ohne dass die Membran beschädigt wird. Des weiteren können die Membranen in nahezu jede Form gebracht werden, die von der Anwendung benötigt wird (Wickelmodule, Taschenmodule etc.). The membranes according to the invention are characterized in that they have a tensile strength of at least 1 N / cm, preferably of 3 N / cm and very particularly preferably of larger 6 N / cm. The membranes according to the invention are preferably flexible and flexible preferably without damage down to every radius down to 100 m, preferably Bend down to 50 mm and most preferably down to 2 mm. The good Bendability of the membrane according to the invention has the advantage that when used in the Filtration or gas separation sudden pressure fluctuations through the membrane without any problems can be tolerated without damaging the membrane. Furthermore, the Membranes can be brought into almost any shape that is required by the application (Winding modules, pocket modules etc.).
Die erfindungsgemäßen Compositmembranen werden vorzugsweise durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Compositmembran mit einer selektiven keramischen Trennschicht, umfassend einen Verbundwerkstoff, der ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat mit einer auf und in diesem Substrat befindlichen Beschichtung, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus gewebten und/oder ungewebten Polymer- und/oder Naturfasern und die Beschichtung eine poröse, keramische Beschichtung aufweist, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die selektive Trennschicht durch Aufbringen und Verfestigen eines Sol oder einer Suspension aus einer anorganischen Komponente und einem Sol erhalten wird. The composite membranes according to the invention are preferably by Method according to the invention for producing a composite membrane with a selective Ceramic separating layer, comprising a composite material that has a flat, with a A plurality of openings provided, flexible substrate with one on and in this substrate located coating, wherein the material of the substrate is selected from woven and / or non-woven polymer and / or natural fibers and the coating a porous, has ceramic coating, which is characterized in that the selective Separating layer by applying and solidifying a sol or a suspension from a inorganic component and a sol is obtained.
Vorzugsweise wird die Trennschicht dadurch hergestellt, dass auf den Verbundwerkstoff ein Sol oder eine Suspension, die zumindest, ein Oxid, der Metalle Al, Zr, Si, Sn, Ti und/oder Y als anorganische Komponente und ein Sol aufweist, auf den Verbundwerkstoff aufgebracht wird und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem das Sol oder die Suspension auf dem Verbundwerkstoff verfestigt wird, eine Trennschicht aufgebracht wird. The separating layer is preferably produced in that the composite material Sol or a suspension containing at least one oxide, the metals Al, Zr, Si, Sn, Ti and / or Y has as an inorganic component and a sol, applied to the composite material and by at least one heating step in which the sol or the suspension is solidified on the composite material, a separating layer is applied.
Es kann vorteilhaft sein, wenn zumindest eine anorganische Komponente, welche eine mittlere Partikelgröße von 1 bis 100 nm, vorzugsweise von 2 bis 40 nm, besonders bevorzugt von 2 nm bis 25 nm aufweist, in zumindest einem Sol suspendiert wird. It can be advantageous if at least one inorganic component, which is a average particle size from 1 to 100 nm, preferably from 2 to 40 nm, particularly preferred from 2 nm to 25 nm, is suspended in at least one sol.
Die Suspension oder das Sol kann durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen, Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen auf das Substrat gebracht werden. The suspension or the sol can be printed, pressed, pressed in, rolled up, Knife, spread, dip, spray or pour onto the substrate.
Vorzugsweise wird die eingesetzte Suspension, die zumindest eine der oben genannten anorganischen Komponenten und zumindest ein Sol, vorzugsweise zumindest ein Metalloxidsol, zumindest ein Halbmetalloxidsol oder zumindest ein Mischmetalloxidsol oder eine Mischung dieser Sole aufweist, durch Suspendieren zumindest einer anorganischen Komponente in zumindest einem dieser Sole hergestellt. Als anorganische Komponente wird ganz besonders bevorzugt zumindest ein Oxid, ausgewählt aus den Oxiden der Elemente Zr, Al, Ti und Si, suspendiert. Der Massenanteil der suspendierten Komponente kann dem 0,1 bis 500-fachen des eingesetzten Sols entsprechen. The suspension used is preferably at least one of the abovementioned inorganic components and at least one sol, preferably at least one Metal oxide sol, at least one semi-metal oxide sol or at least one mixed metal oxide sol or has a mixture of this brine, by suspending at least one inorganic Component made in at least one of these brine. As an inorganic component very particularly preferably at least one oxide selected from the oxides of the elements Zr, Al, Ti and Si, suspended. The mass fraction of the suspended component can be 0.1 to Correspond to 500 times the sol used.
Die Sole werden durch Hydrolisieren zumindest einer Verbindung, vorzugsweise zumindest einer Metallverbindung, zumindest einer Halbmetallverbindung oder zumindest einer Mischmetallverbindung erhalten. Als zu hydrolysierende Verbindung wird vorzugsweise zumindest ein Metallnitrat, ein Metallchlorid, ein Metallcarbonat, eine Metallalkoholatverbindung oder zumindest eine Halbmetallalkoholatverbindung, besonders bevorzugt zumindest eine Metallalkoholatverbindung hydrolisiert. Als Metallalkoholatverbindung oder Halbmetallalkoholatverbindung wird vorzugsweise eine Alkoholatverbindung der Elemente Zr, Al, Si, Ti, Sn, und Y oder zumindest ein Metallnitrat, Metallcarbonat oder Metallhalogenid ausgewählt aus den Metallsalzen der Elemente Zr, Al, Ti, Si, Sn, und Y als Metallverbindung hydrolisiert. Die Hydrolyse erfolgt vorzugsweise in Gegenwart von Wasser, Wasserdampf, Eis, oder einer Säure oder eine Kombination dieser Verbindungen. The brines are hydrolyzed by at least one compound, preferably at least a metal compound, at least one semi-metal compound or at least one Mixed metal compound obtained. The preferred compound to be hydrolyzed is at least one metal nitrate, one metal chloride, one metal carbonate, one Metal alcoholate compound or at least one semi-metal alcoholate compound, particularly preferred hydrolyzed at least one metal alcoholate compound. As a metal alcoholate compound or Semi-metal alcoholate compound preferably becomes an alcoholate compound of the elements Zr, Al, Si, Ti, Sn, and Y or at least one metal nitrate, metal carbonate or Metal halide selected from the metal salts of the elements Zr, Al, Ti, Si, Sn, and Y as Metal compound hydrolyzed. The hydrolysis is preferably carried out in the presence of water, Water vapor, ice, or an acid, or a combination of these compounds.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch Hydrolyse der zu hydrolisierenden Verbindungen partikuläre Sole hergestellt. Diese partikulären Sole zeichnen sich dadurch aus, dass das die in dem Sol durch Hydrolyse entstandenen Verbindungen partikulär mit Teilchengrößen von kleiner 15 nm vorliegen und für die Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen sehr geeignet sind. Die partikulären Sole können wie oben oder wie in WO 99/15262 beschriebe» hergestellt werden. Diese Sole weisen üblicherweise einen sehr hohen Wassergehalt auf, der bevorzugt größer als 50 Gew.-% ist. Es kann vorteilhaft sein, die zu hydrolysierende Verbindung vor der Hydrolyse in Alkohol oder eine Säure oder eine Kombination dieser Flüssigkeiten zu geben. Die hydrolisierte Verbindung kann zum Peptisieren mit zumindest einer organischen oder anorganischen Säure, vorzugsweise mit einer 10 bis 60%igen organischen oder anorganischen Säure, besonders bevorzugt mit einer Mineralsäure, ausgewählt aus Schwefelsäure, Salzsäure, Perchlorsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure oder einer Mischung dieser Säuren behandelt werden. In one embodiment variant of the process according to the invention, hydrolysis of the to produce hydrolyzing compounds particulate brine. This particular brine are characterized by the fact that they are formed in the sol by hydrolysis Compounds are present particulate with particle sizes of less than 15 nm and for which Production of ultrafiltration membranes are very suitable. The particulate brine can as above or as described in WO 99/15262. These brine show usually has a very high water content, which is preferably greater than 50% by weight. It can be advantageous to hydrolyze the compound before the hydrolysis in alcohol or to give an acid or a combination of these liquids. The hydrolyzed Compound can be used for peptizing with at least one organic or inorganic acid, preferably with a 10 to 60% organic or inorganic acid, especially preferably with a mineral acid selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid, Phosphoric acid and nitric acid or a mixture of these acids are treated.
In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch Hydrolyse der zu hydrolisierenden Verbindungen polymere Sole hergestellt. Diese polymeren Sole zeichnen sich dadurch aus, dass die in dem Sol durch Hydrolyse entstandenen Verbindungen polymer (also kettenförmig über einen größeren Raum vernetzt) vorliegen und idealerweise zur Herstellung von Nanofiltrationsmembranen eingesetzt werden. Die polymeren Sole weisen üblicherweise weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise sehr viel weniger als 20 Gew.-% an Wasser und/oder wässriger Säure auf. Um auf den bevorzugten Anteil von Wasser und/oder wässriger Säure zu kommen wird die Hydrolyse vorzugsweise so durchgeführt, dass die zu hydrolisierende Verbindung mit dem 0,5 bis 10-fachen Molverhältnis und bevorzugt mit dem halben Molverhältnis Wasser, Wasserdampf oder Eis, bezogen auf die hydrolisierbare Gruppe, der hydrolisierbaren Verbindung, hydrolisiert wird. Eine bis zu 10-fache Menge an Wasser kann bei sehr langsam hydrolisierenden Verbindungen wie z. B. beim Tetraethoxysilan eingesetzt werden. Sehr schnell hydrolisierende Verbindungen wie das Zirkontetraethylat können unter diesen Bedingungen durchaus schon partikuläre Sole bilden, weshalb zur Hydrolyse solcher Verbindungen bevorzugt die 0,5-fache Menge an Wasser eingesetzt wird. Eine Hydrolyse mit weniger als der bevorzugten Menge an Wasser, Wasserdampf, oder Eis führt ebenfalls zu guten Ergebnissen. Wobei ein Unterschreiten der bevorzugten Menge von einem halben Molverhältnis um mehr als 50% möglich aber nicht sehr sinnvoll ist, da beim Unterschreiten dieses Wertes die Hydrolyse nicht mehr vollständig ist und Beschichtungen auf Basis solcher Sole nicht sehr stabil sind. In a further embodiment variant of the method according to the invention, through Hydrolysis of the compounds to be hydrolyzed produced polymeric brine. These polymers Brines are characterized by the fact that those formed in the sol by hydrolysis Compounds are polymeric (i.e. networked in a chain over a larger space) and ideally used for the production of nanofiltration membranes. The polymeric sols usually have less than 50% by weight, preferably much less than 20% by weight of water and / or aqueous acid. To get to the preferred portion of To get water and / or aqueous acid, the hydrolysis is preferably so performed that the compound to be hydrolyzed at 0.5 to 10 times Molar ratio and preferably with half the molar ratio of water, steam or ice, based on the hydrolyzable group, the hydrolyzable compound, is hydrolyzed. Up to 10 times the amount of water can be used with very slow hydrolyzing compounds such as B. be used in tetraethoxysilane. Very fast hydrolyzing Compounds such as zirconium tetraethylate can already do so under these conditions form particulate sols, which is why preferably 0.5 times for the hydrolysis of such compounds Amount of water is used. Hydrolysis with less than the preferred amount Water, steam, or ice also lead to good results. Where a Falling below the preferred amount of half a molar ratio by more than 50% possible but not very sensible, since the hydrolysis does not fall below this value is more complete and coatings based on such brine are not very stable.
Zur Herstellung dieser polymeren Sole mit dem gewünschten sehr geringen Anteil an Wasser und/oder Säure im Sol kann es vorteilhaft sein, wenn die zu hydrolisierende Verbindung in einem organischen Lösemittel, insbesondere Ethanol, Isopropanol, Butanol, Amylalkohol, Hexan, Cyclohexan, Ethylacetat und oder Mischungen dieser Verbindungen, gelöst wird bevor die eigentliche Hydrolyse vorgenommen wird. To produce this polymeric brine with the desired very low proportion of water and / or acid in the sol it can be advantageous if the compound to be hydrolyzed in an organic solvent, in particular ethanol, isopropanol, butanol, amyl alcohol, Hexane, cyclohexane, ethyl acetate and or mixtures of these compounds is dissolved before the actual hydrolysis is carried out.
Das Verfestigen der auf den Verbundwerkstoff aufgebrachten Suspension oder des aufgebrachten Sols erfolgt vorzugsweise durch Erwärmen auf 50 bis 350°C, bevorzugt auf 50 bis 220°C und besonders bevorzugt auf 50 bis 120°C. Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Verfestigung durch Erwärmen für 10 Minuten bis 5 Stunden bei einer Temperatur von 50 bis 100°C oder für 0,5 bis 5 Minuten bei einer Temperatur von 101 bis 250°C, vorzugsweise 101 bis 200°C und ganz besonders bevorzugt von 105 bis 150°C. The solidification of the suspension or the applied to the composite material applied sols are preferably carried out by heating to 50 to 350 ° C., preferably to 50 to 220 ° C and particularly preferably to 50 to 120 ° C. Very particularly preferably solidification by heating for 10 minutes to 5 hours at a temperature of 50 to 100 ° C or for 0.5 to 5 minutes at a temperature of 101 to 250 ° C, preferably 101 to 200 ° C and very particularly preferably from 105 to 150 ° C.
Die Verfestigungstemperaturen sind abhängig von den Polymerfasern, die im Verbundwerkstoff vorhanden sind. Die meisten Polymerfasern vertragen Verfestigungstemperaturen von 120°C, wie z. B. Polypropylen-Fasern, einige sogar Temperaturen bis zu 150°C, wie z. B. Polyamide. Bei höheren Verfestigungstemperaturen werden bevorzugt Verbundwerkstoffe eingesetzt, die Fasern aus Polymeren aufweisen, die Karbonisieren und nicht Schmelzen. Beispiele für solche Polymeren sind z. B. Polyacrylnitril oder die aromatischen Polyimide. The solidification temperatures depend on the polymer fibers that are in the Composite are present. Most polymer fibers tolerate Solidification temperatures of 120 ° C, such as. B. polypropylene fibers, some even Temperatures up to 150 ° C, such as B. Polyamides. At higher hardening temperatures composite materials are preferably used that have fibers made of polymers that Carbonize and not melt. Examples of such polymers are e.g. B. polyacrylonitrile or the aromatic polyimides.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der zu verfestigenden Suspension oder dem zu verfestigen Sol Viskositätsregulatoren beigefügt werden, wobei die Viskositätsregulatoren thermisch möglichst instabil sein sollten. Mögliche Viskositätsregulatoren sind z. B. Hydroxyethylcellulose oder Polyethylenglycol die bevorzugt in Gegenwart eines Katalysators (wie z. B. Salpetersäure oder Schwefelsäure), der die Zersetzung der polymeren Viskositätsregulatoren katalysiert, eingesetzt werden. Zudem können auch Polyacrylsäuren oder Polyacrylamide als Viskositätsregulatoren eingesetzt werden. Die Viskositätsregulatoren können zusammen mit einem geeigneten Katalysator der aufzubringenden Suspension oder dem aufzubringenden Sol beigefügt werden. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Suspension oder das Sol von 0,01 bis 10 Gew.-%, bevorzugt von 0,05 bis 1 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt von weniger als 1 Gew.-% organischen Viskositätsregulator aufweist. Während des Verfestigungsvorgangs durch Erwärmen kann sich der organische Viskositätsregulator zersetzen und aus der Beschichtung entweichen. Zurück bleibt die poröse Keramikschicht. It can be advantageous if the suspension to be solidified or the sol to be solidified Viscosity regulators are added, the viscosity regulators being thermal should be as unstable as possible. Possible viscosity regulators are e.g. B. Hydroxyethyl cellulose or polyethylene glycol which is preferred in the presence of a catalyst (such as nitric acid or sulfuric acid), which prevents the decomposition of the polymer Viscosity regulators catalyzed, are used. Polyacrylic acids can also be used or polyacrylamides can be used as viscosity regulators. The viscosity regulators together with a suitable catalyst, the suspension to be applied or be added to the sol to be applied. It can be advantageous if the suspension or the sol from 0.01 to 10 wt .-%, preferably from 0.05 to 1 wt .-% and very particularly preferably has less than 1% by weight of organic viscosity regulator. During the The organic viscosity regulator can solidify by heating decompose and escape from the coating. The porous ceramic layer remains.
Es ist aber auch möglich, dass anorganische Systeme anstelle der polymeren Binder eingesetzt werden, die anschließend im Werkstoff verbleiben können. Anorganische Systeme sind vor allem Viskositätsregulatoren wie sie auch in der Farben- und Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, wie z. B. pyrogenes Siliziumdioxid, Titandioxid, Zirkonoxid oder Aluminiumoxid. Wobei die spezifische Oberfläche dieser Materialien vorzugsweise deutlich größer als 50 m2/g sein sollte. Diese Viskositätsregulatoren wirken indem die weitgehend aggregierten Partikel große Strukturen über Wasserstoffbrückenbindungen aufbauen. Dadurch erhöhen diese Materialien beispielsweise die Viskosität von Ketchup oder auch Wasser. Die Viskositätserhöhung geht sogar soweit, dass die Beschichtung wässriger Systeme auf saugfähigen porösen Trägern möglich wird. Zudem sind diese Materialien inert gegenüber vielen zu filtrierenden Medien, so dass diese im Material verbleiben dürfen. Bevorzugt beträgt der Anteil der anorganischen Viskositätsregulatoren an den eingesetzten Suspensionen von 0,1 bis 50 Gew.-%, bevorzugt von 0,2 bis 30 Gew.-% bezogen auf die anderen keramischen Komponenten in der Suspension. However, it is also possible to use inorganic systems instead of the polymeric binders, which can then remain in the material. Inorganic systems are primarily viscosity regulators as they are also used in the paint and food industry, such as. B. pyrogenic silicon dioxide, titanium dioxide, zirconium oxide or aluminum oxide. The specific surface area of these materials should preferably be significantly larger than 50 m 2 / g. These viscosity regulators work by the largely aggregated particles building up large structures via hydrogen bonds. As a result, these materials increase the viscosity of ketchup or water, for example. The increase in viscosity even goes so far as to make it possible to coat aqueous systems on porous porous substrates. In addition, these materials are inert to many media to be filtered, so that they can remain in the material. The proportion of the inorganic viscosity regulators in the suspensions used is preferably from 0.1 to 50% by weight, preferably from 0.2 to 30% by weight, based on the other ceramic components in the suspension.
Als Verbundwerkstoffe werden vorzugsweise Membranen, insbesondere Mikro- und Ultrafiltrationsmembranen eingesetzt, die z. B. durch das nachfolgend beschriebene Verfahren erhältlich sind, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein flächiges, mit einer Vielzahl von Öffnungen versehenes, flexibles Substrat in und auf diesem Substrat mit einer Beschichtung versehen wird, wobei das Material des Substrates ausgewählt ist aus Vliesen von Polymer- oder Naturfasern, wobei die Vliese vorzugsweise eine Porosität von größer 50% aufweisen und die Beschichtung eine poröse, keramische Beschichtung ist, die auf das Substrat durch Aufbringen einer Suspension, die zumindest, ein Oxid, der Metalle Al, Zr, Si, Sn, Ti und/oder Y und ein Sol aufweist, auf das Substrat und durch zumindest einmaliges Erwärmen, bei welchem die Suspension auf und im Substrat verfestigt wird, aufgebracht wird. Die Suspension kann weitere anorganische Komponenten aufweisen, insbesondere solche, wie sie oben bereits als anorganische Komponenten beschrieben wurden. Membranes, in particular micro and Ultrafiltration membranes used, for. B. by the method described below are available, which is characterized in that a flat, with a variety of Opened, flexible substrate in and on this substrate with a coating is provided, the material of the substrate being selected from nonwovens of polymer or natural fibers, the nonwovens preferably having a porosity of greater than 50% and the coating is a porous, ceramic coating that adheres to the substrate Application of a suspension, the at least one oxide, of the metals Al, Zr, Si, Sn, Ti and / or Y and a sol, on the substrate and by at least one heating, at which the suspension is solidified on and in the substrate is applied. The Suspension can have other inorganic components, especially those such as have already been described above as inorganic components.
Die Suspension kann z. B. durch Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen auf und in das Substrat gebracht werden. The suspension can e.g. B. by printing, pressing, pressing, rolling, doctoring, Spreading, dipping, spraying or pouring onto and into the substrate.
Das Material des Substrates ist vorzugsweise ausgewählt aus Vliesen von Polymerfasern mit einer Dicke von 10 bis 200 µm. Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die erfindungsgemäße Membran ein Substrat aufweist, welches eine Dicke von 30 bis 100 µm, bevorzugt von 25 bis 50 µm aufweist. The material of the substrate is preferably selected from nonwovens of polymer fibers a thickness of 10 to 200 microns. It can be particularly advantageous if the membrane according to the invention has a substrate which has a thickness of 30 to 100 microns, preferably has from 25 to 50 microns.
Die Polymerfasern sind bevorzugt ausgewählt aus Polyacrylnitril, Polyamiden, Polyimiden, Polyacrylaten, Polytetrafluorethylen, Polyester, wie z. B. Polyethylenterephthalat und/oder Polyolefinen. Aber auch alle anderen bekannten Polymerfasern und viele Naturfasern sind einsetzbar. Bevorzugt weist die Membran Polymerfasern auf, die eine Erweichungstemperatur von größer 100°C und eine Schmelztemperatur von größer 110°C aufweisen. Bei Polymerfasern mit niedrigeren Temperaturgrenzen verkleinern sich auch die Anwendungsgebiete. Diese Membranen sind bis zu einer Temperatur von bis zu 150°C, vorzugsweise bis zu einer Temperatur von 120 bis 150°C und ganz besonders bevorzugt bis zu einer Temperatur von 121°C einsetzbar. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Polymerfasern einen Durchmesser von 1 bis 25 µm, vorzugsweise von 2 bis 15 µm aufweisen. Sind die Polymerfasern deutlich dicker als die genannten Bereiche, leidet die Flexibilität des Substrates und damit auch die der Membran. The polymer fibers are preferably selected from polyacrylonitrile, polyamides, polyimides, Polyacrylates, polytetrafluoroethylene, polyesters such as B. polyethylene terephthalate and / or Polyolefins. But also all other known polymer fibers and many natural fibers are used. The membrane preferably has polymer fibers which have a softening temperature of greater than 100 ° C and a melting temperature of greater than 110 ° C. at Polymer fibers with lower temperature limits also decrease the Application areas. These membranes are up to a temperature of up to 150 ° C, preferably up to a temperature of 120 to 150 ° C and very particularly preferably up to Can be used at a temperature of 121 ° C. It can be advantageous if the polymer fibers have a diameter of 1 to 25 µm, preferably 2 to 15 µm. Are the Polymer fibers significantly thicker than the areas mentioned, the flexibility of the substrate suffers and thus also that of the membrane.
Die zur Herstellung der Beschichtung verwendete Suspension, die zumindest eine anorganische Komponente aufweist, weist vorzugsweise zumindest ein anorganisches Oxid des Aluminiums, Titans, Siliziums und/oder Zirkoniums und zumindest ein Sol, zumindest ein Halbmetalloxidsol oder zumindest ein Mischmetalloxidsol oder eine Mischung dieser Sole auf, und wird durch Suspendieren zumindest einer anorganischen Komponente in zumindest einem dieser Sole hergestellt. The suspension used to produce the coating, the at least one has inorganic component, preferably has at least one inorganic oxide of aluminum, titanium, silicon and / or zirconium and at least one sol, at least a semimetal oxide sol or at least a mixed metal oxide sol or a mixture of these sols on, and is achieved by suspending at least one inorganic component in at least one of these brine.
Die Sole werden durch Hydrolisieren zumindest einer Verbindung, vorzugsweise zumindest einer Metallverbindung, zumindest einer Halbmetallverbindung oder zumindest einer Mischmetallverbindung erhalten. Als zu hydrolysierende Verbindung wird vorzugsweise zumindest ein Metallnitrat, ein Metallchlorid, ein Metallcarbonat, eine Metallalkoholatverbindung oder zumindest eine Halbmetallalkoholatverbindung, besonders bevorzugt zumindest eine Metallalkoholatverbindung hydrolisiert. Als Metallalkoholatverbindung oder Halbmetallalkoholatverbindung wird vorzugsweise eine Alkoholatverbindung der Elemente Zr, Al, Si, Ti, Sn, und Y oder zumindest ein Metallnitrat, Metallcarbonat oder Metallhalogenid ausgewählt aus den Metallsalzen der Elemente Zr, Al, Ti, Si, Sn, und Y als Metallverbindung hydrolisiert. Die Hydrolyse erfolgt vorzugsweise in Gegenwart von Wasser, Wasserdampf, Eis, oder einer Säure oder eine Kombination dieser Verbindungen. The brines are hydrolyzed by at least one compound, preferably at least a metal compound, at least one semi-metal compound or at least one Mixed metal compound obtained. The preferred compound to be hydrolyzed is at least one metal nitrate, one metal chloride, one metal carbonate, one Metal alcoholate compound or at least one semi-metal alcoholate compound, especially preferably hydrolyzed at least one metal alcoholate compound. As Metal alcoholate compound or semi-metal alcoholate compound is preferably one Alcoholate compound of the elements Zr, Al, Si, Ti, Sn, and Y or at least one metal nitrate, Metal carbonate or metal halide selected from the metal salts of the elements Zr, Al, Ti, Si, Sn, and Y hydrolyzed as a metal compound. The hydrolysis is preferably carried out in Presence of water, water vapor, ice, or an acid, or a combination of these Links.
In einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch Hydrolyse der zu hydrolisierenden Verbindungen partikuläre Sole hergestellt. Diese partikulären Sole zeichnen sich dadurch aus, dass das die in dem Sol durch Hydrolyse entstandenen Verbindungen partikulär vorliegen. Die partikulären Sole können wie oben oder wie in WO 99/15262 beschrieben hergestellt werden. Diese Sole weisen üblicherweise einen sehr hohen Wassergehalt auf, der bevorzugt größer als 50 Gew.-% ist. Es kann vorteilhaft sein, die zu hydrolysierende Verbindung vor der Hydrolyse in Alkohol oder eine Säure oder eine Kombination dieser Flüssigkeiten zu geben. Die hydrolisierte Verbindung kann zum Peptisieren mit zumindest einer organischen oder anorganischen Säure, vorzugsweise mit einer 10 bis 60%igen organischen oder anorganischen Säure, besonders bevorzugt mit einer Mineralsäure, ausgewählt aus Schwefelsäure, Salzsäure, Perchlorsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure oder einer Mischung dieser Säuren behandelt werden. Die so hergestellten partikulären Sole können anschließend zur Herstellung von Suspensionen eingesetzt werden, wobei die Herstellung von Suspensionen zum Aufbringen auf Naturfaservliesen bzw. mit polymeren Sol vorbehandelten Polymerfaservliesen bevorzugt ist. In one embodiment variant of the process according to the invention, hydrolysis of the to produce hydrolyzing compounds particulate brine. This particular brine are characterized by the fact that they are formed in the sol by hydrolysis Connections are particulate. The particulate sols can be as above or as in WO 99/15262 can be produced. These brines usually have a very high high water content, which is preferably greater than 50 wt .-%. It may be beneficial to compound to be hydrolyzed before hydrolysis in alcohol or an acid or a Combination of these liquids. The hydrolyzed compound can be used for Peptize with at least one organic or inorganic acid, preferably with a 10 to 60% organic or inorganic acid, particularly preferably one Mineral acid selected from sulfuric acid, hydrochloric acid, perchloric acid, phosphoric acid and Nitric acid or a mixture of these acids are treated. The so produced particulate sols can then be used to prepare suspensions, the production of suspensions for application to natural fiber fleeces or with polymeric sol pretreated polymer fiber nonwovens is preferred.
In einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch Hydrolyse der zu hydrolisierenden Verbindungen polymere Sole hergestellt. Diese polymeren Sole zeichnen sich dadurch aus, dass die in dem Sol durch Hydrolyse entstandenen Verbindungen polymer (also kettenförmig über einen größeren Raum vernetzt) vorliegen. Die polymeren Sole weisen üblicherweise weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise sehr viel weniger als 20 Gew.-% an Wasser und/oder wässriger Säure auf. Um auf den bevorzugten Anteil von Wasser und/oder wässriger Säure zu kommen wird die Hydrolyse vorzugsweise so durchgeführt, dass die zu hydrolisierende Verbindung mit dem 0,5 bis 10-fachen Molverhältnis und bevorzugt mit dem halben Molverhältnis Wasser, Wasserdampf oder Eis, bezogen auf die hydrolisierbare Gruppe, der hydrolisierbaren Verbindung, hydrolisiert wird. Eine bis zu 10-fache Menge an Wasser kann bei sehr langsam hydrolisierenden Verbindungen wie z. B. beim Tetraethoxysilan eingesetzt werden. Sehr schnell hydrolisierende Verbindungen wie das Zirkontetraethylat können unter diesen Bedingungen durchaus schon partikuläre Sole bilden, weshalb zur Hydrolyse solcher Verbindungen bevorzugt die 0,5-fache Menge an Wasser eingesetzt wird. Eine Hydrolyse mit weniger als der bevorzugten Menge an Wasser, Wasserdampf, oder Eis führt ebenfalls zu guten Ergebnissen. Wobei ein Unterschreiten der bevorzugten Menge von einem halben Molverhältnis um mehr als 50% möglich aber nicht sehr sinnvoll ist, da beim Unterschreiten dieses Wertes die Hydrolyse nicht mehr vollständig ist und Beschichtungen auf Basis solcher Sole nicht sehr stabil sind. In a further embodiment variant of the method according to the invention, through Hydrolysis of the compounds to be hydrolyzed produced polymeric brine. These polymers Brines are characterized by the fact that those formed in the sol by hydrolysis Compounds are polymeric (i.e. networked in a chain over a larger space). The polymeric sols usually have less than 50% by weight, preferably much less than 20% by weight of water and / or aqueous acid. To get to the preferred portion of To get water and / or aqueous acid, the hydrolysis is preferably so performed that the compound to be hydrolyzed at 0.5 to 10 times Molar ratio and preferably with half the molar ratio of water, steam or ice, based on the hydrolyzable group, the hydrolyzable compound, is hydrolyzed. Up to 10 times the amount of water can be used with very slow hydrolyzing compounds such as B. be used in tetraethoxysilane. Very fast hydrolyzing Compounds such as zirconium tetraethylate can already do so under these conditions form particulate sols, which is why preferably 0.5 times for the hydrolysis of such compounds Amount of water is used. Hydrolysis with less than the preferred amount Water, steam, or ice also lead to good results. Where a Falling below the preferred amount of half a molar ratio by more than 50% possible but not very sensible, since the hydrolysis does not fall below this value is more complete and coatings based on such brine are not very stable.
Zur Herstellung dieser polymeren Sole mit dem gewünschten sehr geringen Anteil an Wasser und/oder Säure im Sol kann es vorteilhaft sein, wenn die zu hydrolisierende Verbindung in einem organischen Lösemittel, insbesondere Ethanol, Isopropanol, Butanol, Amylalkohol, Hexan, Cyclohexan, Ethylacetat und oder Mischungen dieser Verbindungen, gelöst wird bevor die eigentliche Hydrolyse vorgenommen wird. Ein so hergestelltes Sol kann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Suspension oder als Haftvermittler in einem Vorbehandlungsschritt eingesetzt werden. To produce this polymeric brine with the desired very low proportion of water and / or acid in the sol it can be advantageous if the compound to be hydrolyzed in an organic solvent, in particular ethanol, isopropanol, butanol, amyl alcohol, Hexane, cyclohexane, ethyl acetate and or mixtures of these compounds is dissolved before the actual hydrolysis is carried out. A sol produced in this way can be used Production of the suspension according to the invention or as an adhesion promoter in one Pretreatment step can be used.
Sowohl die partikulären Sole als auch die polymeren Sole können als Sol in dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Suspension eingesetzt werden. Neben den Solen, die wie gerade beschrieben erhältlich sind, können prinzipiell auch handelsübliche Sole, wie z. B. Zirkonnitratsol oder Silicasol eingesetzt werden. Das Verfahren der Herstellung von Membranen durch Aufbringen und Verfestigen einer Suspension auf einen Träger an und für sich ist aus WO 99/15262 bekannt, jedoch lassen sich nicht alle Parameter bzw. Einsatzstoffe, auf die Herstellung der erfindungsgemäßen Membran übertragen. Der Prozess, der in WO 99/15262 beschrieben wird, ist in dieser Form insbesondere nicht ohne Abstriche auf polymere Vliesmaterialien übertragbar, da die dort beschriebenen sehr wasserhaltigen Solsysteme, häufig keine durchgängige Benetzung der üblicherweise hydrophoben Polymervliese in der Tiefe ermöglichen, da die sehr wasserhaltigen Solsysteme die meisten Polymervliese nicht oder nur schlecht benetzen. Es wurde festgestellt, dass selbst kleinste unbenetzte Stellen im Vliesmaterial dazu führen können, dass Membranen erhalten werden, die Fehler aufweisen und damit unbrauchbar sind. Both the particulate brine and the polymer brine can be used as sol in the Processes according to the invention can be used to produce the suspension. In addition to the In principle, brines that are available as just described can also be commercially available Brine, such as B. zirconium nitrate sol or silica sol can be used. The procedure of Production of membranes by applying and solidifying a suspension on a Carrier in and of itself is known from WO 99/15262, but not all parameters can be or feedstocks, transferred to the production of the membrane according to the invention. The The process described in WO 99/15262 is particularly not without in this form Smears can be transferred to polymeric nonwoven materials, since the very described water-containing sol systems, often no continuous wetting of the usual enable hydrophobic polymer fleeces in depth because of the very water-containing sol systems most polymer nonwovens do not or only poorly wet. It was found that even the smallest unwetted spots in the nonwoven material can cause membranes to get that have errors and are therefore unusable.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass ein Solsystem bzw. eine Suspension, welches bzw. welche im Benetzungsverhalten den Polymeren angepasst wurde, die Vliesmaterialien vollständig durchtränkt und somit fehlerfreie Beschichtungen erhältlich sind. Bevorzugt erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deshalb eine Anpassung des Benetzungsverhaltens des Sols bzw. der Suspension. Diese Anpassung erfolgt vorzugsweise durch die Herstellung von polymeren Solen bzw. Suspensionen aus polymeren Solen wobei diese Sole einen oder mehrere Alkohole, wie z. B. Methanol, Ethanol oder Propanol oder Mischungen, die einen oder mehrere Alkohole sowie, vorzugsweise aliphatische Kohlenwasserstoffe aufweisen, umfassen. Es sind aber auch andere Lösemittelgemische denkbar, die dem Sol bzw. der Suspension zugegeben werden können, um diese im Vernetzungsverhalten an das verwendete Substart anzupassen. It has now surprisingly been found that a sol system or a suspension, which or which was adapted in the wetting behavior to the polymers, the Nonwoven materials are completely saturated and thus flawless coatings are available. The method according to the invention is therefore preferably adapted to the Wetting behavior of the sol or suspension. This adjustment is preferably done by the production of polymeric sols or suspensions from polymeric sols this brine one or more alcohols, such as. B. methanol, ethanol or propanol or Mixtures containing one or more alcohols, preferably aliphatic Have hydrocarbons include. But there are also other solvent mixtures conceivable, which can be added to the sol or the suspension to this in Adapt networking behavior to the substance used.
Es wurde festgestellt, dass die grundlegende Änderung des Solsystems und der daraus resultierenden Suspension zu einer deutlichen Verbesserung der Haftungseigenschaften der keramischen Komponenten auf dem und in einem polymeren Vliesmaterial führt. Solche guten Haftfestigkeiten sind mit partikulären Solsystemen normalerweise nicht erhältlich. Vorzugsweise werden deshalb Substrate, die Polymerfasern aufweisen, mittels Suspensionen beschichtet, die auf polymeren Solen basieren oder in einem vorgeschalteten Schritt durch Behandlung mit einem polymeren Sol mit einem Haftvermittler ausgerüstet wurden. It was found that the fundamental change in the sol system and the resulting resulting suspension to a significant improvement in the adhesive properties of the ceramic components on and in a polymeric nonwoven material. Such good adhesive strengths are usually not available with particulate sol systems. Substrates which have polymer fibers are therefore preferred by means of suspensions coated, which are based on polymeric sols or in an upstream step Treatment with a polymeric sol were equipped with an adhesion promoter.
Es kann vorteilhaft sein, wenn zur Herstellung der Suspension als anorganische Komponente, zumindest ein Oxid, ausgewählt aus den Oxiden der Elemente Y, Zr, Al, Si, Sn, und Ti, in einem Sol suspendiert wird. Vorzugsweise wird eine anorganische Komponente, die zumindest eine Verbindung, ausgewählt aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkonoxid und/oder Siliziumdioxid, suspendiert. Vorzugsweise beträgt der Massenanteil der suspendierten Komponente das 0,1 bis 500-fache, besonders bevorzugt das 1 bis 50-fache und ganz besonders bevorzugt das 5 bis 25-fache des eingesetzten Sols. It can be advantageous if, for the preparation of the suspension as an inorganic component, at least one oxide selected from the oxides of the elements Y, Zr, Al, Si, Sn, and Ti, in a sol is suspended. Preferably, an inorganic component is the at least one compound selected from aluminum oxide, titanium dioxide, zirconium oxide and / or silicon dioxide. The mass fraction is preferably suspended component 0.1 to 500 times, particularly preferably 1 to 50 times and very particularly preferably 5 to 25 times the sol used.
Es kann vorteilhaft sein, wenn zumindest eine anorganische Komponente, welche eine mittlere Korngröße von 1 bis 10000 nm, vorzugsweise von 1 bis 10 nm, 10 bis 100 nm, 100 bis 1000 nm oder 1000 bis 10000 nm, besonders bevorzugt von 250 bis 1750 nm und ganz besonders bevorzugt von 300 bis 1250 nm aufweist, in zumindest einem Sol suspendiert wird. Durch die Verwendung von anorganischen Komponenten, die eine mittlere Korngröße von 250 bis 1250 nm aufweisen, wird eine besonders gut geeignete Biegsamkeit und Porosität der Membran erreicht. It can be advantageous if at least one inorganic component, which is a average grain size from 1 to 10000 nm, preferably from 1 to 10 nm, 10 to 100 nm, 100 up to 1000 nm or 1000 to 10000 nm, particularly preferably from 250 to 1750 nm and entirely particularly preferably from 300 to 1250 nm, is suspended in at least one sol. Through the use of inorganic components that have an average grain size of 250 to 1250 nm have a particularly suitable flexibility and porosity of the Membrane reached.
Zur Verbesserung der Haftung der anorganischen Komponenten an Polymerfasern als Substrat kann es vorteilhaft sein, den eingesetzten Suspensionen Haftvermittler, wie z. B. organofunktionelle Silane oder auch reine Oxide wie ZrO2, TiO2, SiO2 oder Al2O3 beizufügen. Wobei das Beifügen der Haftvermittler insbesondere zu Suspensionen auf Basis von polymeren Solen bevorzugt ist. Als Haftvermittler sind insbesondere Verbindungen, ausgewählt aus den Octylsilanen, den fluorierten Octylsilanen, den Vinylsilanen, den aminfunktionalisierten Silanen und/oder den Glycidyl-funktionalisierten Silanen, wie z. B. die Dynasilane der Fa. Degussa einsetzbar. Besonders bevorzugte Haftvermittler für Polytetrafluorethylen (PTFE) sind z. B. Fluorierte Octylsilane, für Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) sind es Vinyl-, Methyl- und Octylsilane, wobei eine ausschließliche Verwendung von Methylsilanen nicht optimal ist, für Polyamide und Polyamine sind es Aminfunktionelle Silane, für Polyacrylate und Polyester sind es Glycidyl-funktionalisierte Silane und für Polyacrylnitril kann man auch Glycidylfunktionalisierte Silane einsetzen. Auch andere Haftvermittler sind einsetzbar, die aber auf die jeweiligen Polymere abgestimmt sein müssen. Der in WO 99/15262 beschriebene Zusatz von Methyltriethoxysilan zum Solsystem bei der Beschichtung von polymeren Trägermaterialien ist eine vergleichsweise schlechte Lösung des Problems der Haftfestigkeit von Keramik auf Polymerfasern. Zudem ist die Trocknungsdauer von 30 bis 120 Min. bei 60 bis 100°C bei den beschriebenen Solsystemen nicht ausreichend um hydrolysebeständige keramische Materialien zu erhalten. Das heißt diese Materialien werden sich bei längerer Lagerung in wasserhaltigen Medien auflösen bzw. sie werden beschädigt werden. Andererseits würde die in WO 99/15262 beschriebene Temperaturbehandlung von über 350°C zu einem Verbrennen des hier verwendeten Polymervlieses und damit zur Zerstörung der Membran führen. Die Haftvermittler müssen also so ausgewählt werden, dass die Verfestigungstemperatur unterhalb des Schmelz- oder Erweichungspunktes des Polymeren und unterhalb dessen Zersetzungstemperatur liegt. Bevorzugt weisen erfindungsgemäße Suspensionen deutlich weniger als 25 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 10 Gew.-% Verbindungen auf, die als Haftvermittler fungieren können. Ein optimaler Anteil an Haftvermittler ergibt sich aus der Beschichtung der Fasern und/oder Partikel mit einer monomolekularen Lage des Haftvermittlers. Die hierzu benötigte Menge an Haftvermittler in Gramm kann durch Multiplizieren der Menge der eingesetzten Oxide, beziehungsweise der Fasern (in g) mit der spezifischen Oberfläche der Materialien (in m2g-1) und anschließendes Dividieren durch den spezifischen Platzbedarf der Haftvermittler (in m2g-1) erhalten werden, wobei der spezifische Platzbedarf häufig in der Größenordnung von 300 bis 400 m2g-1 liegt. To improve the adhesion of the inorganic components to polymer fibers as a substrate, it may be advantageous to add adhesion promoters, such as e.g. B. organofunctional silanes or pure oxides such as ZrO 2 , TiO 2 , SiO 2 or Al 2 O 3 . The addition of the adhesion promoters, in particular to suspensions based on polymeric sols, is preferred. In particular, compounds selected from the octylsilanes, the fluorinated octylsilanes, the vinylsilanes, the amine-functionalized silanes and / or the glycidyl-functionalized silanes, such as, for. B. the Dynasilane from Degussa can be used. Particularly preferred adhesion promoters for polytetrafluoroethylene (PTFE) are e.g. B. fluorinated octylsilanes, for polyethylene (PE) and polypropylene (PP) it is vinyl, methyl and octylsilanes, whereby the exclusive use of methylsilanes is not optimal, for polyamides and polyamines it is amine-functional silanes, for polyacrylates and polyesters Glycidyl-functionalized silanes and for polyacrylonitrile it is also possible to use glycidyl-functionalized silanes. Other adhesion promoters can also be used, but these have to be matched to the respective polymers. The addition of methyltriethoxysilane described in WO 99/15262 to the sol system in the coating of polymeric carrier materials is a comparatively poor solution to the problem of the adhesive strength of ceramics on polymer fibers. In addition, the drying time of 30 to 120 minutes at 60 to 100 ° C. is not sufficient for the sol systems described in order to obtain hydrolysis-resistant ceramic materials. This means that these materials will dissolve or be damaged if they are stored in water-containing media for a long time. On the other hand, the temperature treatment of over 350 ° C. described in WO 99/15262 would burn the polymer fleece used here and thus destroy the membrane. The adhesion promoters must therefore be selected so that the solidification temperature is below the melting or softening point of the polymer and below its decomposition temperature. Suspensions according to the invention preferably have significantly less than 25% by weight, preferably less than 10% by weight, of compounds which can act as adhesion promoters. An optimal proportion of adhesion promoter results from the coating of the fibers and / or particles with a monomolecular layer of the adhesion promoter. The required amount of adhesion promoter in grams can be obtained by multiplying the amount of oxides or fibers used (in g) by the specific surface area of the materials (in m 2 g -1 ) and then dividing by the specific space requirement of the adhesion promoter (in m 2 g -1 ) are obtained, the specific space requirement often being in the order of 300 to 400 m 2 g -1 .
Die folgende Tabelle enthält einen beispielhaften Überblick über einsetzbare Haftvermittler
auf Basis von organofunktionellen Si-Verbindungen für typische als Vliesmaterial verwendete
Polymere.
The following table contains an exemplary overview of usable adhesion promoters based on organofunctional Si compounds for typical polymers used as nonwoven material.
Die erfindungsgemäßen Beschichtungen werden durch Verfestigen der Suspension in und auf dem Substrat auf das Substrat aufgebracht. Erfindungsgemäß kann die auf und im Substrat vorhandene Suspension durch Erwärmen auf 50 bis 350°C verfestigt werden. Da bei der Verwendung polymerer Substratmaterialien die maximal Temperatur durch das Substrat vorgegeben wird, ist diese entsprechend anzupassen. So wird je nach Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens die auf und im Substrat vorhandene Suspension durch Erwärmen auf 100 bis 350°C und ganz besonders bevorzugt durch Erwärmen auf 110 bis 280°C verfestigt. Es kann vorteilhaft sein, wenn das Erwärmen für 1 Sekunde bis 60 Minuten bei einer Temperatur von 100 bis 350°C erfolgt. Besonders bevorzugt erfolgt das Erwärmen der Suspension zum Verfestigen auf eine Temperatur von 110 bis 300°C, ganz besonders bevorzugt bei einer Temperatur von 110 bis 280°C und vorzugsweise für 0,5 bis 10 Min. The coatings according to the invention are made by solidifying the suspension in and on the substrate applied to the substrate. According to the invention on and in the substrate existing suspension can be solidified by heating to 50 to 350 ° C. Since at the Using polymeric substrate materials the maximum temperature through the substrate is specified, it must be adjusted accordingly. Depending on the version of the inventive method through the suspension present on and in the substrate Heating to 100 to 350 ° C and most preferably by heating to 110 to 280 ° C solidified. It can be beneficial if heating for 1 second to 60 minutes at a temperature of 100 to 350 ° C. Heating is particularly preferred the suspension for solidification to a temperature of 110 to 300 ° C, very special preferably at a temperature of 110 to 280 ° C and preferably for 0.5 to 10 min.
Bei der Verfestigung der Membran kann es je nach gewählter Temperaturhöhe bei einigen Polymermaterialien unter dem Temperatureinfluss zu Veränderungen in der chemischen Struktur kommen, so dass anschließend die Polymere nicht mehr in ihrem Ausgangszustand bzw. -modifikation vorliegen. So kann es zu einer teilweisen Karbonisierung von Polyimiden oder zur Bildung sogenannter Leiterpolymere bei Polyacrylnitril mit nachfolgender teilweiser Karbonisierung kommen. Diese Effekte führen immer zu einer Veränderung der Eigenschaften der Trägerwerkstoffe. Dies kann je nach Anwendung auch speziell beabsichtigt werden, da dadurch beispielsweise die Lösemittel-, Säure- und Laugebeständigkeit erhöht werden kann. Der Grad der Umwandlung kann dabei über Temperatur und Zeit beeinflusst werden. When solidifying the membrane, some may, depending on the temperature level selected Polymer materials under the influence of temperature cause changes in chemical Structure come, so that subsequently the polymers are no longer in their initial state modification. This can lead to partial carbonization of polyimides or to form so-called conductor polymers in polyacrylonitrile with the following partial Carbonization is coming. These effects always lead to a change in the Properties of the carrier materials. Depending on the application, this can also be specifically intended because, for example, this increases the resistance to solvents, acids and alkalis can be. The degree of conversion can be influenced by temperature and time become.
Das erfindungsgemäße Erwärmen des Verbundes kann mittels erwärmter Luft, Heißluft, Infrarotstrahlung oder durch andere Erwärmungsmethoden nach dem Stand der Technik erfolgen. The heating of the composite according to the invention can be done by means of heated air, hot air, Infrared radiation or by other heating methods according to the prior art respectively.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die oben genannten Haftvermittler in einem vorgeschalteten Schritt auf das Substrat, insbesondere das Polymervlies aufgebracht. Hierzu werden die in einem geeigneten Lösemittel, wie z. B. Ethanol gelöst. Diese Lösung kann auch noch eine geringe Menge an Wasser, vorzugsweise die 0,5 bis 10-fache Menge bezogen auf die molare Menge der hydrolysierbaren Gruppe, und kleine Mengen einer Säure, wie z. B. HCl oder HNO3, als Katalysator für die Hydrolyse und Kondensation der Si-OR-Gruppen enthalten. Durch die bekannten Techniken, wie z. B. Aufsprühen, Aufdrucken, Aufpressen, Einpressen Aufrollen, Aufrakeln, Aufstreichen, Tauchen, Spritzen oder Aufgießen wird diese Lösung auf das Substrat aufgebracht und der Haftvermittler durch eine Temperaturbehandlung bei 50 bis maximal 350°C auf dem Substrat fixiert. Erst nach dem Aufbringen des Haftvermittlers erfolgt bei dieser Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens das Aufbringen und Verfestigen der Suspension. In a particular embodiment of the method according to the invention, the abovementioned adhesion promoters are applied to the substrate, in particular the polymer fleece, in an upstream step. For this, the in a suitable solvent, such as. B. dissolved ethanol. This solution can also contain a small amount of water, preferably 0.5 to 10 times the amount based on the molar amount of the hydrolyzable group, and small amounts of an acid, such as. B. HCl or HNO 3 , as a catalyst for the hydrolysis and condensation of the Si-OR groups. By the known techniques such. B. spraying, printing, pressing, pressing, rolling, knife coating, spreading, dipping, spraying or pouring, this solution is applied to the substrate and the adhesion promoter is fixed by a temperature treatment at 50 to a maximum of 350 ° C. on the substrate. In this embodiment of the method according to the invention, the suspension is applied and solidified only after the adhesion promoter has been applied.
In einer anderen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden haftvermittelnde Schichten in einem Vorbehandlungsschritt, bei dem ein polymeres Sol, aufgebracht und verfestigt wird, aufgebracht. Das Aufbringen und Verfestigen des polymeren Sols erfolgt vorzugsweise auf dieselbe Weise wie das Aufbringen und Verfestigen der Suspensionen. Durch das Aufbringen dieser polymeren Sole werden die Substrate, insbesondere die Polymervliese mit einem Oxid von Al, Ti, Zr oder Si als Haftvermittler ausgerüstet, wodurch das Substrat hydrophil ausgestattet wird. So ausgerüstete Substrate können dann nach dem in WO 99/15262 beschriebenen Stand der Technik bzw. wie oben beschrieben mit einer porösen Beschichtung ausgerüstet werden, wobei durch die Vorbehandlung eine deutlich bessere Haftung der Beschichtung, insbesondere auf Polymervliesen beobachtet werden kann. In another embodiment variant of the method according to the invention adhesion-promoting layers in a pretreatment step in which a polymeric sol, applied and solidified, applied. The application and solidification of the polymer This is preferably done in the same way as the application and solidification of the Suspensions. By applying this polymeric brine, the substrates, in particular the polymer fleece with an oxide of Al, Ti, Zr or Si as an adhesion promoter equipped, whereby the substrate is made hydrophilic. So equipped substrates can then according to the prior art described in WO 99/15262 or as above described can be equipped with a porous coating, whereby by the Pretreatment a significantly better adhesion of the coating, especially on Polymer fleeces can be observed.
Ein typisches polymeres Sol für eine Vorbehandlung stellt etwa eine 2 bis 10 Gew.-% alkoholische Lösung eines Metallalkoholats (wie z. B. Titanethylat oder Zirkoniumpropylat) dar, das noch zusätzlich 0,5 bis 10 mol-Anteile Wasser sowie geringe Mengen einer Säure als Katalysator enthalten kann. Nach Aufbringen eines solchen Sols auf das Substrat werden die Substrate, vorzugsweise Polymervliese bei einer Temperatur von maximal 350°C behandelt. Dabei entsteht ein dichter Film aus einem Metalloxid um die Substratfasern herum, wodurch eine Infiltration des Substrates mit einer Suspension bzw. einem Schlicker auf Basis eines kommerziellen Zirkonnitratsols oder Silicasols ohne Benetzungsschwierigkeiten möglich ist. A typical polymeric sol for pretreatment is about 2 to 10% by weight alcoholic solution of a metal alcoholate (such as titanium ethylate or zirconium propylate) represents the additional 0.5 to 10 mol parts of water as well as small amounts of an acid May contain catalyst. After applying such a sol to the substrate, the Treated substrates, preferably polymer nonwovens at a temperature of maximum 350 ° C. This creates a dense film of a metal oxide around the substrate fibers, causing an infiltration of the substrate with a suspension or a slip based on a commercial zirconium nitrate sol or silica sol is possible without wetting difficulties.
Da polymere Sole eher dichte Filme bilden als partikuläre und die partikulären Sole zudem immer größere Mengen an Wasser im Porengefüge der Zwischenkornvolumina besitzen, ist es einfacher polymere Sole zu trocknen als partikulärer Sole. Trotzdem müssen die Membranen bei Temperaturen von über 150°C getrocknet werden, damit das keramische Material eine genügend gute Haftfestigkeit auf dem Träger erhält. Besonders gute Haftfestigkeiten lassen sich bei einer Temperatur von mindesten 200°C und ganz besonders gute Festigkeiten bei einer Temperatur von mindestens 250°C erzielen. Allerdings sind hierfür dann entsprechend temperaturstabile Polymere zwingend erforderlich, wie etwa Polyethylenterephthalat (PET), Polyacrylnitril (PAN), Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder Polyamid (PA). Ist der Träger nicht genügend temperaturstabil, so kann durch eine Vortrocknung bei geringeren Temperatur (bis 100°C) zunächst eine Vorverfestigung der Membran erfolgen. Bei der Nachverfestigung bei erhöhter Temperatur wirkt dann die Keramikschicht als Stütze für den Support, so dass es nicht mehr zu einem Wegschmelzen des Substrates kommen kann. Diese Verfahrensparameter gelten nicht nur für das Aufbringen und Verfestigen eines polymeren Sols z. B. als Haftvermittler sondern auch für das Aufbringen und Verfestigen von Suspensionen auf Basis von polymeren Solen. Because polymer sols tend to form dense films than particulate sols, and particulate sols it is always larger quantities of water in the pore structure of the intermediate grain volumes easier to dry polymeric brine than particulate brine. Nevertheless, the membranes be dried at temperatures above 150 ° C, so that the ceramic material receives sufficient good adhesive strength on the carrier. Leave particularly good adhesive strengths at a temperature of at least 200 ° C and very good strength achieve a temperature of at least 250 ° C. However, this is then appropriate temperature-stable polymers are mandatory, such as polyethylene terephthalate (PET), Polyacrylonitrile (PAN), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) or Polyamide (PA). If the carrier is not sufficiently temperature-stable, a Predrying at a lower temperature (up to 100 ° C) first pre-consolidation of the Membrane. In the case of post-consolidation at an elevated temperature, the Ceramic layer as support for the support so that it no longer melts away Substrate can come. These process parameters apply not only to the application and Solidifying a polymeric sol z. B. as an adhesion promoter but also for application and solidifying suspensions based on polymeric sols.
Durch beide Ausführungsarten des Aufbringens eines Haftvermittlers vor dem eigentlichen Aufbringen der Suspension kann das Haftverhalten der Substrate insbesondere gegenüber wässrigen, partikulären Solen verbessert werden, weshalb insbesondere so vorbehandelte Substrate mit Suspensionen auf Basis von handelsüblichen Solen, wie z. B. Zirkonnitratsol oder Silicasol erfindungsgemäß beschichtet werden können. Diese Vorgehensweise des Aufbringens eines Haftvermittlers bedeutet aber auch, dass das Herstellverfahren der erfindungsgemäßen Membran um einen Zwischen- bzw. Vorbehandlungsschritt erweitert werden muss. Dies ist machbar allerdings auch aufwendiger als die Verwendung von angepassten Solen denen Haftvermittler beigegeben wurden, hat aber auch den Vorteil, dass auch beim Einsatz von Suspensionen auf Basis von handelsüblichen Solen bessere Ergebnisse erzielt werden. By both types of application of an adhesion promoter before the actual one Applying the suspension can particularly adversely affect the adhesive behavior of the substrates aqueous, particulate sols can be improved, which is why pretreated in particular Substrates with suspensions based on commercially available sols, such as. B. Zirconium nitrate sol or silica sol can be coated according to the invention. This approach of Applying an adhesion promoter also means that the manufacturing process of membrane according to the invention extended by an intermediate or pretreatment step must become. This is feasible, however, more expensive than using adapted sols to which adhesion promoters have been added also has the advantage that better results even when using suspensions based on commercially available brines be achieved.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. so durchgeführt werden, dass das Substrat von einer Rolle abgerollt wird, mit einer Geschwindigkeit von 1 m/h bis 2 m/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min. bis 20 in/min und ganz besonders bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min bis 5 m/min durch zumindest eine Apparatur, welche die Suspension auf und in den Support bringt, wie z. B. eine Walze und zumindest eine weitere Apparatur, welche das Verfestigen der Suspension auf und in dem Support durch Erwärmen ermöglicht, wie z. B. ein elektrisch beheizter Ofen, durchläuft und die so hergestellte Membran auf einer zweiten Rolle aufgerollt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die erfindungsgemäße Membran im Durchlaufverfahren herzustellen. Auch die Vorbehandlungsschritte können im Durchlaufverfahren unter Beibehaltung der genannten Parameter durchgeführt werden. The inventive method can, for. B. be carried out so that the substrate of a roll is unrolled, at a speed of 1 m / h to 2 m / s, preferably with a speed of 0.5 m / min. up to 20 in / min and very particularly preferably with one Velocity from 1 m / min to 5 m / min by at least one apparatus which the Suspension on and in the support, such as B. a roller and at least one other Apparatus which solidifies the suspension on and in the support by heating enables such. B. passes through an electrically heated oven and the so produced Membrane is rolled up on a second roll. In this way it is possible to Manufacture membrane according to the invention in a continuous process. Also the Pretreatment steps can be carried out in a continuous process while maintaining the parameters mentioned be performed.
Die geeigneten Verbundwerkstoffe sind vorzugsweise so beschaffen, dass sie eine Porenweite von 1 bis 1000 nm, vorzugsweise von 2 bis 500 nm und ganz besonders bevorzugt von 3 bis 100 nm aufweisen. Besonders bevorzugt ist der Verbundwerkstoff flexibel und weist eine entsprechend gute Zugfestigkeit, vorzugsweise eine Zugfestigkeit von mindestens 1 N/cm, besonders bevorzugt von mindestens 3 N/cm auf. Ganz besonders bevorzugt weist der Verbundwerkstoff in Maschinenrichtung eine Zugfestigkeit von mindestens 6 N/cm, auf, insbesondere bei der Verwendung von polymeren Vliesen. The suitable composite materials are preferably such that they have a pore size from 1 to 1000 nm, preferably from 2 to 500 nm and very particularly preferably from 3 to 100 nm. The composite material is particularly preferably flexible and has one correspondingly good tensile strength, preferably a tensile strength of at least 1 N / cm, particularly preferably from at least 3 N / cm. Most preferably, the Composite material in the machine direction has a tensile strength of at least 6 N / cm, especially when using polymeric nonwovens.
Durch die Verwendung von Verbundwerkstoffen mit einer hohen Zugfestigkeit wird erreicht, dass auch die Compositmembran eine ähnlich hohe Zugfestigkeit wie der Verbundwerkstoff aufweist. Es kann vorteilhaft sein, wenn als Verbundwerkstoff eine erfindungsgemäß hergestellte Compositmembran eingesetzt wird. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn Membranen mit Porengrößen kleiner 15 nm hergestellt werden sollen. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, zuerst mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Mikrofiltrationsmembran eine Ultrafiltrationsmembran mit einer mittlere Porengröße von kleiner 25 nm herzustellen, welche dann als Verbundwerkstoff zur Herstellung einer Membran mit einer mittleren Porengröße von kleiner 15 nm eingesetzt wird. Je nach gewünschter mittleren Porengröße der Compositmembran und der Porengröße der als Ausgangsverbundwerkstoff eingesetzten Membran können mehrere solcher erfindungsgemäßen Beschichtungsschritte durchgeführt werden bzw. notwendig sein. By using composite materials with high tensile strength, that the composite membrane also has a similar high tensile strength as the composite material having. It can be advantageous if a composite material according to the invention manufactured composite membrane is used. This can be particularly advantageous if if membranes with pore sizes smaller than 15 nm are to be produced. In this case it may be advantageous to first use a method according to the invention from a Microfiltration membrane is an ultrafiltration membrane with an average pore size of to produce less than 25 nm, which then as a composite material for the production of a Membrane with an average pore size of less than 15 nm is used. Depending on desired average pore size of the composite membrane and the pore size of the as The starting composite used membrane can have several such coating steps according to the invention are carried out or may be necessary.
Die Begrenzung auf eine möglichst geringe Porenweite bei den verwendeten Verbundwerkstoffen ist vorteilhaft, da zu große Poren die Suspension, zur Herstellung der Trennschicht, zu weit in die Membrane saugen würden, was zu einem unnötig großen Flusswiderstand bei der Compositmembrane führt. Zu kleine Poren können aber auch einen nachteiligen Effekt haben, da in einigen Fällen die Haftung der Trennschicht dadurch zu gering wird und es während der Anwendung zu einer Delaminierung und somit zur vollständigen Zerstörung der Membrane kommt. Aus diesem Grund weisen die vorzugsweise verwendeten Verbundwerkstoffe eine Mindestporenweite von 3 nm, vorzugsweise von 12 nm und ganz besonders bevorzugt von 25 nm auf. The limitation to the smallest possible pore size in the used Composites is advantageous because the pores are too large to produce the suspension Separating layer, would suck too far into the membrane, resulting in an unnecessarily large one Flow resistance in the composite membrane leads. Pores that are too small can also have one have an adverse effect, since in some cases this increases the adhesion of the separating layer becomes low and there is delamination during use and thus complete destruction of the membrane comes. For this reason, they preferably used composite materials a minimum pore size of 3 nm, preferably of 12 nm and very particularly preferably from 25 nm.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Compositmembran kann ebenfalls so durchgeführt werden, dass der Verbundwerkstoff von einer Rolle abgerollt wird, mit einer Geschwindigkeit von 1 m/h bis 2 m/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 0,5 m/min. bis 20 m/min und ganz besonders bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von 1 m/min bis 5 m/min durch zumindest eine Apparatur, welche eine zur Herstellung der selektiven, keramischen Trennschicht geeignete Suspension auf den Verbundwerkstoff bringt und zumindest eine weitere Apparatur, welche das Verfestigen der Suspension auf dem Verbundwerkstoff durch Erwärmen ermöglicht, durchläuft und die so hergestellte Compositmembran auf einer zweiten Rolle aufgerollt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Compositmembran kontinuierlich im Durchlaufverfahren herzustellen. The method for producing the composite membrane according to the invention can also be used in this way be carried out by unrolling the composite material from a roll with a Speed from 1 m / h to 2 m / s, preferably at a speed of 0.5 m / min. up to 20 m / min and very particularly preferably at a speed of 1 m / min to 5 m / min by at least one apparatus which is used to manufacture the selective, ceramic separation layer brings suitable suspension on the composite material and at least one other apparatus, which solidifies the suspension on the Composite material made possible by heating, passes through and the so produced Composite membrane is rolled up on a second roll. In this way it is possible to manufacture the composite membrane continuously in a continuous process.
Anwendung finden die erfindungsgemäßen Compositmembranen in der Ultrafiltration und der Nanofiltration. Auch können erfindungsgemäße NF-Membranen, wie nach dem Stand der Technik bekannt ist, in der Gasseparation, der Pervaporation und der Dampfpermeation eingesetzt werden. The composite membranes according to the invention are used in ultrafiltration and Nanofiltration. NF membranes according to the invention, as according to the prior art Technology is known in gas separation, pervaporation and vapor permeation be used.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Compositmembranen liegen vor allem in der größeren Beständigkeit der Membranen bei hohen Drucken, bei hohen Temperaturen oder bei Verwendung in Lösungsmitteln, Säuren und/oder Basen. The advantages of the composite membranes according to the invention are above all the larger ones Resistance of the membranes at high pressures, at high temperatures or at Use in solvents, acids and / or bases.
Die nachfolgenden Beispiele sollen die erfindungsgemäßen Compositmembranen sowie das Verfahren zur Herstellung solcher Compositmembranen näher erläutern, ohne dass die Erfindung auf diese Ausführungsarten beschränkt sein soll. The following examples are intended to illustrate the composite membranes according to the invention and the Explain the process for producing such composite membranes in more detail without the Invention to be limited to these embodiments.
Zu 160 g Ethanol werden zunächst 15 g einer 5 Gew.-%igen, wässrigen HCl-Lösung, 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO (Degussa AG) gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden gerührt wurde, werden dann jeweils 125 g der Aluminiumoxide Martoxid MZS-1 und Martoxid MZS-3 (Hersteller: Martinswerke) suspendiert. Diese Suspension (Schlicker) wird für mindestens weitere 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Rührgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Verlust an Lösemittel kommt. 15 g of a 5% strength by weight aqueous HCl solution, 10 g, are first added to 160 g of ethanol Tetraethoxysilane, 2.5 g methyltriethoxysilane and 7.5 g Dynasilan GLYMO (Degussa AG) given. In this sol, which was initially stirred for a few hours, are then each 125 g of the aluminum oxides Martoxid MZS-1 and Martoxid MZS-3 (manufacturer: Martinswerke) suspended. This suspension (slip) is treated with a for at least another 24 h Homogenized magnetic stirrer, the mixing vessel must be covered so that it does not close there is a loss of solvent.
Ein PET-Vlies mit einer Dicke von ca. 30 µm und einem Flächengewicht von etwa 20 g/m2 wird damit in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 200°C) mit diesem Schlicker beschichtet. Bei diesem Aufwalzverfahren wird der Schlicker mit einer Walze, die sich gegenläufig zur Bandrichtung (Bewegungsrichtung des Vlieses) bewegt, auf das Vlies aufgewalzt. Das Vlies läuft anschließend durch einen Ofen, der die angegebene Temperatur aufweist. In den nachfolgenden Versuchen wird die gleiche Methode bzw. Anordnung verwendet. Es wird eine Mikrofiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 450 nm erhalten. A PET fleece with a thickness of approx. 30 µm and a basis weight of approx. 20 g / m2 is thus in a continuous rolling process (belt speed approx. 8 m / h, T = 200 ° C) coated with this slip. In this rolling process, the slip becomes with a roller that runs counter to the belt direction (direction of movement of the fleece) moved, rolled onto the fleece. The fleece then runs through an oven, which the specified temperature. In the subsequent experiments, the same method is used or arrangement used. It becomes a microfiltration membrane with a medium one Pore size of 450 nm obtained.
Zu 160 g Ethanol werden zunächst 15 g einer 5 Gew.-%igen, wässrigen HCl-Lösung, 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden gerührt wurde, werden dann 280 g des Aluminiumoxids AlCoA CT1200 SG suspendiert. Dieser Schlicker (Suspension) wird für mindestens weitere 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Rührgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Lösemittelverlust kommt. 15 g of a 5% strength by weight aqueous HCl solution, 10 g, are first added to 160 g of ethanol Tetraethoxysilane, 2.5 g of methyltriethoxysilane and 7.5 g of Dynasilane GLYMO. In this sol, which was initially stirred for a few hours, is then 280 g of Aluminum oxide AlCoA CT1200 SG suspended. This slurry (suspension) is used for Homogenized for at least another 24 h with a magnetic stirrer, with the stirring vessel must be covered so that there is no loss of solvent.
Ein PAN-Vlies (Viledon 1773, Firma Freudenberg) mit einer Dicke von etwa 100 µm und einem Flächengewicht von 22 g/m2 wird damit in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 250°C) mit obigem Schlicker beschichtet. Es wurde eine Mikrofiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 240 nm erhalten. A PAN fleece (Viledon 1773, Freudenberg) with a thickness of about 100 µm and a basis weight of 22 g / m 2 is thus in a continuous rolling process (belt speed about 8 m / h, T = 250 ° C) with the above Slurry coated. A microfiltration membrane with an average pore size of 240 nm was obtained.
Zu 160 g Ethanol werden zunächst 15 g einer 5 Gew.-%igen, wässrigen HCl-Lösung, 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden weiter gerührt wurde, werden dann 280 g des Aluminiumoxids AlCoA CT3000 suspendiert. Diese Suspension wird für mindestens weitere 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Rührgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Lösemittelverlust kommt. 15 g of a 5% strength by weight aqueous HCl solution, 10 g, are first added to 160 g of ethanol Tetraethoxysilane, 2.5 g of methyltriethoxysilane and 7.5 g of Dynasilane GLYMO. In this sol, which was initially stirred for a few hours, is then 280 g of Aluminum oxide AlCoA CT3000 suspended. This suspension will last for at least another Homogenized for 24 h with a magnetic stirrer, whereby the stirring vessel must be covered, so that there is no loss of solvent.
Ein PET-Vlies mit einer Dicke von ca. 30 µm und einem Flächengewicht von etwa 20 g/m2 wird damit in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 200°C) mit obiger Suspension beschichtet. Es wurde eine Mikrofiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 100 nm erhalten. A PET fleece with a thickness of approx. 30 µm and a basis weight of approx. 20 g / m2 is thus in a continuous rolling process (belt speed approx. 8 m / h, T = 200 ° C) coated with the above suspension. A microfiltration membrane with a obtained average pore size of 100 nm.
Zu 160 g Ethanol werden zunächst 15 g einer 5 Gew.-%igen, wässrigen HCl-Lösung, 10 g Tetraethoxysilan, 2,5 g Methyltriethoxysilan und 7,5 g Dynasilan GLYMO gegeben. In diesem Sol, das zunächst für einige Stunden weiter gerührt wurde, werden dann 300 g des Aluminiumoxids AlCoA CT3000 suspendiert. Dieser Schlicker wird für mindestens weitere 24 h mit einem Magnetrührer homogenisiert, wobei das Rührgefäß abgedeckt werden muss, damit es nicht zu einem Lösemittelverlust kommt. 15 g of a 5% strength by weight aqueous HCl solution, 10 g, are first added to 160 g of ethanol Tetraethoxysilane, 2.5 g of methyltriethoxysilane and 7.5 g of Dynasilane GLYMO. In This sol, which was initially stirred for a few hours, is then 300 g of Aluminum oxide AlCoA CT3000 suspended. This slip is used for at least more Homogenized for 24 h with a magnetic stirrer, whereby the stirring vessel must be covered, so that there is no loss of solvent.
Ein PAN-Vlies (Viledon 1773, Firma Freudenberg) mit einer Dicke von etwa 100 µm und einem Flächengewicht von 22 g/m2 wird damit in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 250°C) mit obigem Schlicker beschichtet. Es wurde eine Mikrofiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 100 nm erhalten. A PAN fleece (Viledon 1773, Freudenberg) with a thickness of about 100 µm and a basis weight of 22 g / m 2 is thus in a continuous rolling process (belt speed about 8 m / h, T = 250 ° C) with the above Slurry coated. A microfiltration membrane with an average pore size of 100 nm was obtained.
Eine Suspension bestehend aus 3,0% nanopartikulären Zirkonoxids (VP 25, Fa. Degussa), 1% Zirkonoxid-Sol (Fa. MEL) und 1,0% Aerosil 300 (Fa. Degussa) als Viskositätsregulator in vollentsalztem Wasser wurde auf einen Verbundwerkstoff aus Beispiel 1b mit einer Porenweite von ungefähr 240 nm in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 250°C) aufgebracht und verfestigt. A suspension consisting of 3.0% nanoparticulate zirconium oxide (VP 25, Degussa), 1% zirconium oxide sol (MEL) and 1.0% Aerosil 300 (Degussa) as a viscosity regulator in deionized water was applied to a composite material from Example 1b with a Pore size of approximately 240 nm in a continuous rolling process (Belt speed approx. 8 m / h, T = 250 ° C) applied and solidified.
Es wurde eine Ultrafiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 25 nm, die eine sehr gute Haftfestigkeit aufweist und sehr beständig auch in sehr alkalischen Medien ist (pH > 10) erhalten. There was an ultrafiltration membrane with an average pore size of 25 nm, the one has very good adhesive strength and is very resistant even in very alkaline media (pH> 10) obtained.
Zu einer Mischung aus 180 g VE-Wasser und 0,69 g einer 65%igen Salpetersäure wurde langsam eine Mischung aus 14,21 g Titantetraisopropylat (Fluka) in 27,1 g i-Propanol getropft. Die Peptisierung des entstehenden Titandioxids erfolgt über einen Zeitraum von 17 Tagen unter gelegentlichem Rühren. Das so hergestellte Sol wird dann zu einer Beschichtungssuspension weiterverarbeitet. Dazu wird eine Suspension, bestehend aus 0,3 Vol% TiO2 (aus dem oben beschriebenen Sol) mit 0,2 Vol% Carbopol 980 vermischt und auf die Compositmembran aus Beispiel 2a als Verbundwerkstoff aufgetragen. (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 250°C). A mixture of 180 g of demineralized water and 0.69 g of a 65% nitric acid was added slowly added a mixture of 14.21 g titanium tetraisopropoxide (Fluka) in 27.1 g i-propanol. The resulting titanium dioxide is peptized over a period of 17 days with occasional stirring. The sol produced in this way then becomes one Coating suspension processed further. For this, a suspension consisting of 0.3 vol% TiO2 (from the sol described above) mixed with 0.2 vol% Carbopol 980 and applied to the composite membrane from Example 2a as a composite. (Belt speed approx. 8 m / h, T = 250 ° C).
Es wurde eine Ultrafiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 12 nm erhalten, die eine sehr gute Haftfestigkeit der Beschichtung aufweist. An ultrafiltration membrane with an average pore size of 12 nm was obtained has a very good adhesive strength of the coating.
Zu einer Mischung aus 10,51 g Diethanolamin (Fluka) und 11,41 g Tetraethylorthotitanat (Fluka) wurde langsam eine Mischung aus 1,8 g Wasser und 330 g i-Propanol (Aldrich) gegeben. Das entstehende polymere Sol wurde nach einer Rührdauer von 1 h auf einen Verbundwerkstoff wie in Beispiel 2b beschrieben aufgetragen und verfestigt (Bandgeschwindigkeit ca. 0,5 m/min, T = 230°C). To a mixture of 10.51 g diethanolamine (Fluka) and 11.41 g tetraethyl orthotitanate (Fluka) slowly became a mixture of 1.8 g water and 330 g i-propanol (Aldrich) given. The resulting polymeric sol was after a 1 hour stirring on a Composite material applied and solidified as described in Example 2b (Belt speed approx. 0.5 m / min, T = 230 ° C).
Es wurde eine Nanofiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von ungefähr 1 bis 2 nm erhalten. A nanofiltration membrane with an average pore size of approximately 1 to 2 nm obtained.
Eine Suspension bestehend aus 3,0% nanopartikulären Zirkonoxids (VP 25, Fa. Degussa), 1% Zirkonoxid-Sol (Fa. MEL) und 1,0% Aerosil 300 (Fa. Degussa) als Viskositätsregulator in vollentsalztem Wasser wurde auf einen Verbundwerkstoff aus Beispiel 1c mit einer Porenweite von ungefähr 100 nm in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 250°C) aufgebracht und verfestigt. A suspension consisting of 3.0% nanoparticulate zirconium oxide (VP 25, Degussa), 1% zirconium oxide sol (MEL) and 1.0% Aerosil 300 (Degussa) as a viscosity regulator in deionized water was applied to a composite material from Example 1c with a Pore size of approximately 100 nm in a continuous rolling process (Belt speed approx. 8 m / h, T = 250 ° C) applied and solidified.
Es wurde eine Ultrafiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 25 nm erhalten, die eine sehr gute Haftfestigkeit der trennaktiven Beschichtung aufweist. An ultrafiltration membrane with an average pore size of 25 nm was obtained has a very good adhesive strength of the release-active coating.
Eine Suspension bestehend aus 3,0% nanopartikulären Zirkonoxids (VP 25, Fa. Degussa), 1% Zirkonoxid-Sol (Fa. MEL) und 1,0% Aerosil 300 (Fa. Degussa) als Viskositätsregulator in vollentsalztem Wasser wurde auf einen Verbundwerkstoff aus Beispiel 1d mit einer Porenweite von ungefähr 100 nm in einem kontinuierlichen Aufwalzverfahren (Bandgeschwindigkeit ca. 8 m/h, T = 250°C) aufgebracht und verfestigt. A suspension consisting of 3.0% nanoparticulate zirconium oxide (VP 25, Degussa), 1% zirconium oxide sol (MEL) and 1.0% Aerosil 300 (Degussa) as a viscosity regulator in deionized water was applied to a composite material from Example 1d with a Pore size of approximately 100 nm in a continuous rolling process (Belt speed approx. 8 m / h, T = 250 ° C) applied and solidified.
Es wurde eine Ultrafiltrationsmembran mit einer mittleren Porenweite von 25 nm erhalten, die eine sehr gute Haftfestigkeit der trennaktiven Schicht aufweist. An ultrafiltration membrane with an average pore size of 25 nm was obtained has a very good adhesive strength of the release-active layer.
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