DE112012005274T5

DE112012005274T5 - Hohlfasermembran mit verträglichen Verstärkungen

Info

Publication number: DE112012005274T5
Application number: DE112012005274.9T
Authority: DE
Inventors: Steven Kristian Pedersen; Pierre Lucien Cote; Jinhua Bai
Original assignee: BL Technologies Inc
Current assignee: BL Technologies Inc
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-10-09
Also published as: KR101806600B1; KR20140108640A; US20130153490A1; TWI652105B; CN103998118A; TW201334859A; KR20170049610A; HUP1400398A2; WO2013089971A1; CN103998118B; US9321014B2; HU231247B1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Hohlfasermembran umfasst das Fließen lassen eines Membranzusatzstoffes durch einen Gießkopf, während man einen oder mehrere Fäden oder eines oder mehrere Kabel aus Filamenten durch den Gießkopf zieht. Die Filamente werden im Gießkopf auseinander gespreizt, beispielsweise dadurch, dass man die Fäden oder Kabel um eine Biegung oder durch eine schmale Lücke im Gießkopf zwingt. Die Filamente sind dafür ausgelegt, sich mit dem Membranzusatzstoff oder der Membranwand zu verbinden. Eine verstärkte Hohlfasermembran weist mehrere Fäden oder Kabel auf, die einzeln von der Membranwand umgeben und mit dieser verbunden sind.

Description

GEBIET
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Hohlfasermembranen, beispielsweise Hohlfasermembranen zur Verwendung für die Bereitstellung einer Wasseraufbereitung durch Mikrofiltration oder Ultrafiltration.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Hohlfasermembranen können aus einer Reihe von Polymeren anhand verschiedener Verfahren hergestellt werden. Ein Verfahren beinhaltet eine nicht durch Lösungsmittel induzierte Phasentrennung (NIPS), wie sie beispielsweise in den US-Patenten 3,615,024 ; 5,066,401 ; und 6,024,872 gelehrt wird. Ein anderes Verfahren beinhaltet eine thermisch induzierte Phasentrennung (TIPS), wie sie beispielsweise in den US-Patenten 4,702,836 und 7,247,238 gelehrt wird. Die Membranen können Trennschichten an Ihren Innenflächen oder ihren Außenflächen aufweisen und können beispielsweise für die Mikrofiltration (MF) oder für die Ultrafiltration (UF) verwendet werden.
Die Festigkeit einer Hohlfasermembran kann durch Beschichten eines vorgebildeten röhrenförmigen Geflechts mit einem Membranzusatzstoff erhöht werden. Die US-Patente 5,472,607 und 6,354,444 , Mahendran et al., lehren das Beschichten einer Membran an der Außenseite eines Geflechts mit beschränkter Eindringtiefe. Das US-Patent 4,061,861 , Hayano et al., das US Patent 7,267,872 , Lee et al., und das US Patent 7,306,105 , Shinada et al., lehren ebenfalls geflechtgestützte Membranen. Hohlfasermembranen, die gemäß den Lehren von Mahendran eta al. hergestellt werden, sind kommerziell erfolgreich.
Ein anderer Ansatz, der für die Herstellung einer verstärkten Hohlfasermembran vorgeschlagen wurde, beinhaltet das Einbetten von Fasern in die Wand einer Hohlfaser, während die Hohlfaser gegossen wird. Die US-Publikation 2002/0046970 , Murase et al., die internationale Veröffentlichung WO 03/097221 , Yoon et al., und das US-Patent 6,454,943 , Koenhen, beschreiben Verfahren zum Einbetten eines Monofilament- oder eines Multifilamentfadens in Längsrichtung in die Wand einer Hohlfaser. Keines dieser Verfahren hat kommerziell erfolgreiche Membranen hervorgebracht.
Die kürzlich erschienen internationalen Veröffentlichungen WO 2010/108285 und WO 2010/148517 der gegenwärtigen Erfinder lehren das Ausbilden von käfigartigen Verstärkungsstrukturen innerhalb der Wände einer Hohlfaser, während die Hohlfaser gegossen wird. Filamente aus den Verstärkungsstrukturen können an Kontaktpunkten aneinander gebunden bzw. miteinander verklebt werden, beispielsweise durch Wärme, UV-Licht oder durch Lösungsmittelverklebung durch eine Komponente der Filamente, die für das Verbindungsverfahren geeignet ist.
EINFÜHRUNG
Die folgende Einführung soll für den Leser als Einführung in die folgende ausführliche Beschreibung dienen, soll jedoch die Ansprüche weder beschränken noch definieren.
In Versuchen mit Hohlfasermembranen, die mit längsverlaufenden Fäden verstärkt sind, beobachteten die Erfinder einen Ausfallmodus, in dem die Fäden durch die Wand der Membranen durchbrachen. Die Fäden waren zu Anfang von den Membranwänden umhüllt, aber die Fäden schnitten offensichtlich durch die Membranwand, als die Membranen während einer Luftreinigung schwankten. Die käfigartigen Strukturen in den internationalen Veröffentlichungen WO 2010/108285 und WO 2010/148517 vermeiden dieses Problem durch die Hinzufügung von spiralig gewickelten oder anderen schräg verlaufenden Filamenten. In der vorliegenden Beschreibung werden eine alternative verstärkte Membran und ein Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben.
Eine Hohlfasermembran, die in dieser Beschreibung beschrieben wird, wird durch einen oder mehrere Fäden oder eines oder mehrere Kabel aus Multifilamenten verstärkt, die in einen Membranzusatzstoff eingebettet sind, der durch einen Gießkopf fließt. Die Filamente bestehen zumindest zum Teil aus einem Polymer, das dafür ausgelegt ist, sich an den Membranzusatzstoff oder die verfestigte Membranwand zu binden. Zum Beispiel kann das Polymer in dem Membranzusatzstoff löslich sein, kann in dem Membranzusatzstoff schmelzen oder kann eine Oberfläche aufweisen, die so behandelt ist, dass eine Bindung begünstigt wird. Die Filamente des Fadens oder Kabels werden auseinander gespreizt, beispielsweise dadurch, dass man sie um eine Biegung oder durch eine schmale Lücke im Gießkopf zwingt. Der Zusatzstoff ist in der Lage, zwischen die Fäden oder Kabel zu dringen, wobei er die einzelnen Filamente umgibt und sich an diese bindet. Da im Wesentlichen alle von den einzelnen Filamenten mit der Membranwand verklebt bzw. verbunden werden, widerstehen die Filamente einer Bewegung innerhalb der Membranwand und schneiden sich während des normalen Gebrauchs keinen Weg aus der Membran hinaus.
Ein Verfahren zur Herstellung der verstärkten Hohlfasermembran umfasst das Fließenlassen eines Membranzusatzstoffs durch einen Gießkopf, während einer oder mehrere Fäden oder eines oder mehrere Kabel aus Filamenten durch den Gießkopf gezogen werden. Die Fäden oder Kabel können um eine Biegung oder durch eine schmale Lücke im Gießkopf gezwungen werden. Die Filamente sind für eine Verklebung bzw. Verbindung mit dem Membranzusatzstoff oder der verfestigten Membranwand ausgelegt.
Eine verstärkte Hohlfasermembran weist einen oder mehrere Fäden bzw. ein oder mehrere Kabel auf, die jeweils mehrere Filamente umfassen, die einzeln von der Membranwand umgeben und an diese gebunden sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Fotografie eines Querschnitts einer Hohlfasermembran, die mit Zweikomponentenfilamenten verstärkt ist.
2A ist ein schematischer Querschnitt eines Beschichtungskopfs.
2B ist eine isometrische Ansicht eines Nadelhalters und einer Nadel des Beschichtungskopfs von 2A.
3 ist eine Fotografie eines Querschnitts einer Hohlfasermembran mit Polyesterfilamenten.
4 ist eine Fotografie eines Teils eines Querschnitts einer Hohlfasermembran, die mit Zweikomponentenfilamenten verstärkt ist, mit einer stärkeren Vergrößerung als in 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie in 1 dargestellt ist, weist eine Hohlfasermembran 10 eine Membranwand 16 auf. Die Membranwand 10 kann eine beliebige Größe aufweisen, aber die Struktur der Membran 10 ist besonders nützlich für die Herstellung einer Membran, die im Vergleich zu anderen verstärkten Membranen klein und dünnwandig ist. Zum Beispiel kann der Außendurchmesser der Membran 10 etwa 1,5 mm oder weniger betragen, mit einer Wanddicke von etwa 0,25 mm oder weniger. Die dargestellte Membran 10 weist einen Außendurchmesser von etwa 0,9 mm und einen Innendurchmesser von etwa 0,7 mm auf.
In die Membranwand 16 ist bzw. sind eines oder mehrere Kabel 12 aus Filamenten 14 eingebettet. Die Filamente 14 sind lange Endlosfasern, so dass zumindest die meisten oder etwa 80% oder mehr von den Filamenten 14 eine Länge von mindestens einem Meter aufweisen. Wenn Segmente einer Membran 10, die mindestens einen Meter lang sind, in ein Membranmodul eingelegt werden, sind zumindest die meisten von den Filamenten 14 über die gesamte Länge der Segmente nicht unterbrochen. Vorzugsweise sind alle oder im Wesentlichen alle von den Filamenten 14 über die gesamte Länge der Segmente nicht unterbrochen.
Die spezifische Membran 10, die in 1 dargestellt ist, weist nur ein Kabel 12 auf, aber es können mehrere Kabel 12 vorhanden sein, beispielsweise zwischen zwei und acht. Der Begriff ”Kabel” wird verwendet wie in der Composite-Industrie, um ein im Allgemeinen nicht verdrilltes Bündel aus nicht unterbrochenen synthetischen Filamenten oder aus zumindest langen Filamentsegmenten zu bezeichnen. Jedoch weist das Kabel 12 in der Regel weniger als etwa 200 Filamente 14 pro Kabel 12 auf, während Kabel in der Composite-Industrie Tausende von Filamenten aufweisen können. Der Begriff ”Kabel” kann auch einen Filamentfaden bezeichnen, der aus nicht unterbrochenen synthetischen Filamenten oder aus zumindest langen Filamentsegmenten besteht, die zu einer Gruppe vereinigt sind, jedoch ohne so stark verdrillt zu sein, dass man sie als verdrillten Faden einstufen könnte. Andere Arten von Fäden oder Garnen könnten ebenfalls verwendet werden, sind jedoch nicht bevorzugt.
Obwohl das Kabel 12 eine textile Einheit ist, die von einer Spindel abgezogen und durch einen Gießkopf gezogen wird, sind die Filamente 14 im Kabel 12 bestenfalls lose verdrillt. Die Filamente 14 können auseinander gespreizt werden, wie in 1 dargestellt, so dass der Membranzusatzstoff zumindest zwischen die meisten Paare aus aneinander angrenzenden Filamenten 14 fließen kann. Obwohl Filamente 14 einander gelegentlich oder zufällig kreuzen können, sind die Filamente 14 im Allgemeinen über der Länge der Membran 10 parallel zueinander. Das Kabel 12 kann zu Anfang eine im Allgemeinen zylindrische Form aufweisen, mit einem Durchmesser, der größer ist als die Dicke der Wand 16, aber die Filamente 14 werden zu einem Querschnitt gespreizt, der in die Wand 16 passt.
Die Filamente 14 können aus polymeren Fasern bestehen, beispielsweise aus Polyethlyen, Polypropylen, Polyester, Nylon oder PVDF. Filamente können Zweikomponentenfilamente sein mit einem ersten Teil, vorzugsweise einer vollständigen Außenschicht oder -hülle, die aus einem ersten Polymer besteht, das für eine Bindung an einen membranbildenden Zusatzstoff ausgelegt ist. Das Verbinden kann durch Auflösen eines Teils der äußeren Schicht oder eines anderen Teils des Filaments 14 mit einem Lösungsmittel im Zusatzstoff bewirkt werden. Zum Beispiel kann ein Verstärkungsfilament 14 eine äußere Schicht oder einen anderen Teil aufweisen, die bzw. der aus einem Polymer besteht, das in einem Lösungsmittel, das in dem Membranzusatzstoff verwendet wird, löslich ist. Insbesondere kann die äußere Schicht oder der andere Teil ein Polymer umfassen, das auch im Membranzusatzstoff enthalten ist. Ein zweiter Teil, beispielsweise ein Kern, eines Zweikomponentenfilaments 14 besteht aus einem zweiten Polymer, das mit dem ersten Polymer verträglich ist. Das zweite Polymer kann so gewählt werden, dass es gegenüber der Verwendung von nur dem ersten Polymer eine Verbesserung bietet. Zum Beispiel kann das zweite Polymer im Vergleich zum ersten Polymer fester oder weniger teuer oder beides sein. Jedes oder irgendeines von den ersten oder zweiten Polymeren kann aus Copolymeren bestehen, die so ausgewählt sind, dass sie leicht zu einem Zweikomponentenfilament 14 versponnen werden können.
Die in 1 dargestellten Filamente 14 sind Zweikomponentenfasern, die gesponnen sind, wobei ein Teil aus Polyethylenterephthalat (PET) besteht und der andere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) besteht. Die Zweikomponentenfilamente 14 sind zu einem Kabel 12 von 220 Denier (g/9000 m) zusammengefasst. Dieses Kabel 12 wurde aus 36 Filamenten 14 hergestellt, von denen jedes etwa 6 Denier hat. Jedes Filament 14 weist einen Kern aus PET und eine Hülle aus PVDF auf, wobei der Kern etwa 70–90% der Querschnittsfläche ausmacht. Der Kern kann aus einem co-PET mit niedrigerer Schmelztemperatur bestehen, die näher an der PVDF-Verarbeitungstemperatur liegt. Die Hüllschicht aus PVDF ist etwa 1–2 Mikrometer dick. Kabel können auch mit anderen Filamentzahlen und -gewichten hergestellt werden.
Membranzusatzstoffe auf Basis von Polyvinylidenfluorid (PVDF) sind mit den im obigen Abschnitt beschriebenen Filamenten 14 verträglich und können verwendet werden, um die Membranwand 16 anhand eines NIPS-Verfahrens zu bilden. Ein solcher Zusatzstoff kann durch Auflösen von PVDF in warmem NMP und Zusetzen einer kleinen Menge an Non-Solvent bzw. nicht als Lösungsmittel wirkender Substanz hergestellt werden. Der Zusatzstoff kann 80–84 Gew.-% NMP, 14–16 Gew.-% PVDF und 2–4 Gew.-% PVP k30 aufweisen. Die Polymerkonzentration und die Temperatur können variiert werden, um die Viskosität des Zusatzstoffs anzupassen.
In der Membran 10 von 1 sind die Filamente 14 mit einer äußeren Hüllschicht, die chemisch mit dem Material der Membranwand 16 verträglich ist, und einem festeren Kernpolymer hergestellt. Zum Beispiel ist PET ein festes Material, aus dem problemlos Filamente 14 gebildet werden können und das mechanische Eigenschaften aufweist, die für Verstärkungs- oder Stützmembranen geeignet sind. PVDF ist im Vergleich dazu ein relativ wenig festes Material, das sich nicht leicht zu Fäden bilden lässt. Jedoch sind die Kern-und-Hülle-Zweikomponentenfilamente 14 von 1 sowohl gut an die Membranwand 16 gebunden als auch mechanisch fest.
Die Zugfestigkeit der Membran 10 wird in erster Linie von der Summe der Zugfestigkeiten der Kerne der Filamente 14 bestimmt. Zum Beispiel weist das oben beschriebene Kabel 12 mit 220 Denier eine Reißfestigkeit von etwa 7 N auf, die in erster Linie vom PET-Kern bereitgestellt wird. Eine PVDF-Membran mit einem Außendurchmesser von 1,0 mm und einem Innendurchmesser von 0,7 mm weist ebenfalls eine Reißfestigkeit von etwa 7 N pro in Kabel 12 auf, das in der Membran 10 bereitgestellt ist. Im Vergleich dazu reißt eine Faser der gleichen Größe ohne Verstärkung bei weniger als 2 N.
In einer Membran, die anhand eines TIPS-Verfahrens hergestellt wird, können Filamente zumindest in einem Teil eine Schmelztemperatur aufweisen, die es ihnen erlaubt, in einem erwärmten Membranzusatzstoff zumindest zum Teil zu schmelzen. Diese Filamente werden mit der Membranwand schmelzverklebt. Zum Beispiel kann ein Zweikomponentenfilament aus einem Kern aus Eastman F61HC-Polyethylenterephthalat(PET)-Homopolymer (Schmelzpunkt 260°C) und einer Hülle aus Dupont 3632-coPET (Schmelzpunkt 160°C) gesponnen werden. Dieses Zweikomponentenfilament kann zu Kabeln zusammengefasst werden. Der Kern kann 50% bis 80% der Querschnittsfläche ausmachen. Die coPET-Hülle schmilzt zum Teil, wenn sie in einen erwärmten Zusatzstoff eines TIPS-Verfahrens eingebettet wird, und wird während des Spinnens an die Membranwand schmelzgebunden.
Die Oberfläche der Filamente, einschließlich von Einzelpolymerfilamenten, kann auch modifiziert oder behandelt werden, bevor sie mit dem Membranzusatzstoff umgossen wird, um ihre Bindung an den Membranzusatzstoff zu verbessern. Solche Behandlungen können beispielsweise Plasma- oder chemisches Ätzen beinhalten. Die Behandlung wird so gewählt, dass sie für die Materialien des Fadens und des Zusatzstoffes geeignet ist.
Die Filamente 14, einschließlich von Zweikomponentenfilamenten 14, können vorgeschrumpft oder wärmebehandelt werden, bevor sie in die Wand 16 eingebettet werden. Eine Heizvorrichtung, die beispielsweise heiße Luft oder eine erwärmte Führung verwendet, kann bereitgestellt werden, um das Kabel 12 zu erwärmen, wenn dieses zu einem Beschichtungskopf transportiert wird, um die Filamente 14 vorzuschrumpfen oder wärmezubehandeln. Alternativ dazu kann das Kabel 12 oder können die einzelnen Filamente 14 in einem oder mehreren separaten Schritten vorgeschrumpft oder wärmebehandelt werden, bevor die Filamente 14 zu einem Kabel 12 zusammengefasst werden oder bevor ein Kabel 12 um eine Spule gewickelt wird, um es dem Beschichtungskopf zuführen zu können.
Eine Heizzone kann eine röhrenförmige Kammer mit einem Durchmesser von 4 cm und einer Länge von 60 cm mit Öffnungen oben und unten umfassen, so dass die Achse der Heizzone an einer Transportrichtung eines Kabels 12 oder Filaments 14 ausgerichtet werden kann. Die röhrenförmige Kammer weist auch einen seitlichen Anschluss an ein Luftgebläse und ein Heizelement auf. Die Lufttemperatur kann durch Variieren des Stroms, der vom Heizelement gezogen wird, gesteuert werden.
Abhängig von der Verweildauer und der Temperatur in der Heizzone und von einem etwaigen Zug an den Filamenten 14 werden die Filamente 14 geschrumpft oder wärmeverfestigt oder beides. Jedoch sollten die Filamente 14 nicht in einem solchen Maß erwärmt werden, dass sie anfangen, sich aneinander zu binden. Die Lufttemperatur kann beispielsweise zwischen etwa 100 und 200 Grad C liegen. Die Kontaktdauer kann zwischen etwa 0,1 und 5,0 Sekunden betragen.
Vorzugsweise werden die Filamente 14 wärmeverfestigt, indem sie unter Zug gesetzt werden, um die Filamente 14 zu verlängern, während die Filamente 14 einer Temperatur ausgesetzt werden, die höher ist als die Temperatur des Zusatzstoffs und höher ist als jede Temperatur, der die Membran 10 im Gebrauch ausgesetzt werden wird. Man lässt die Filamente 14 dann auf etwa Raumtemperatur abkühlen, während man sie immer noch im verlängerten Zustand hält. Dies hilft dabei, eine Trennung zwischen den Komponenten der Filamente 14 zu vermeiden, wenn die Membran 10 hergestellt oder in Gebrauch genommen wird.
Um die Kabel 12 handhaben zu können, während die Membran 10 hergestellt wird, werden eine oder mehrere Spulen, die jeweils mit einem Kabel 12 bewickelt sind, auf ein Spulengatter gesteckt, das in der Regel neben oder über dem Gießkopf angeordnet ist. Das Spulengatter besteht aus stationären Spulenhaltern, Führungen und Spannvorrichtungen, wie man sie bei herkömmlichen Textilverarbeitungsanlagen findet. Die Kabel 12 laufen durch eine Verteilerdüse, die eine Reihe von Ausrichtungs-Fadenführungen aufweist, die gleichmäßig um eine Verlängerung einer Mittelachse des Gießkopfes herum verteilt sind.
2A zeigt einen Gießkopf 20, der auch als Beschichtungskopf oder Spinndüse bezeichnet wird. Der Gießkopf 20 kann in der Hauptsache aus drei Teilen bestehen, nämlich einem Körper 28, einem Nadelhalter 30 und einer Platte 32. Die Platte 32 ist an einer Seite des Körpers 28 befestigt und weist eine Düse 34, in der Regel eine zylindrische Öffnung, auf und bildet die abschließende äußere Gießoberfläche des Gießkopfs 20. Der Nadelhalter 30 hält eine Nadel 26 und ist so in die entgegengesetzte Seite des Körpers 28 eingesetzt, dass die Nadel 26 in die Düse 34 eindringt. Das Ende der Nadel 26 schließt in der Regel bündig ab mit dem Ende der Düse 34, sie können jedoch auch in Bezug aufeinander versetzt sein. Die Nadel 26 und die Düse 34 erzeugen einen zylindrischen Ring, durch den der Membranzusatzstoff und die Kabel 12 hindurch laufen. Die Nadel 26 und die Düse 34 bestimmen in Kombination mit dem Durchsatz eines durch die Bohrung geschickten Fluids bzw. Bore-Fluids und des Zusatzstoffs den Innen- und Außendurchmesser der resultierenden Membran 10.
Die Nadel 26 ist in eine mittlere Bohrung 24 des Nadelhalters 30 gepresst. Die Nadel 26 und die mittlere Bohrung 24 sind an der Mittel- oder Längsachse des Gießkopfs 20 ausgerichtet und stellen eine Leitung bereit zum Einspritzen eines Bore-Fluids in die Membran 10, während diese ausgebildet wird. Der Außendurchmesser der Nadel 26 und des Nadelhalters 30 stellen außerdem eine Innenfläche für den Zusatzstoff und das Kabel 12 bereit, an der diese entlang fließen können, während sie durch den Gießkopf 20 laufen.
Wie in den 2A und 2B dargestellt ist, weist der Nadelhalter 30 eine Rinne 38 für jedes Kabel 12 auf, das durch den Gießkopf 20 hindurch läuft. Der Körper 28 weist einen oder mehrere Kabeleinlässe 22 auf, die jeweils einer Rinne 38 entsprechen, um die gewünschte Anzahl von Kabeln 12 aufzunehmen und diese zu einer Rinne 38 zu transportieren. In der Regel läuft nur ein Kabel 12 durch jeden Kabeleinlass 22 und eine entsprechende Rinne 38, aber es können auch zwei oder mehr Rinnen 12 durch nur einen Kabeleinlass 22 und nur eine Rinne 38 kombiniert werden. Ferner kann ein Gießkopf 20 mit mehreren Kabeleinlässen 22 verwendet werden, ohne ein Kabel 12 durch jeden verfügbaren Kabeleinlass 22 bereitzustellen.
Die Kabeleinlässe 22 sind vorzugsweise in einem Winkel, beispielsweise von 30 Grad oder mehr, zur Mittelachse des Gießkopfs 22 angeordnet. Ein Kabel 12 muss sich um eine Ecke 42, die am Körper 28 vorgesehen ist, oder an einer optionalen ersten Führung 44, die in den Körper 28 eingefügt ist, biegen, wenn es sich von einem Kabeleinlass 22 zu einer Rinne 38 bewegt. Die Rinne 38 wird vorzugsweise auch von einem Absatz 40 unterbrochen, der das Kabel 12 zwingt, sich erneut zu biegen, wenn es durch den Gießkopf 20 läuft. Das Kabel 12 biegt sich erneut, wenn es in die Düse 34 oder eine optionale separate dritte Fadenführung 36 eintritt. Der in Strömungsrichtung obere Rand der Ecke 42, der Absatz 40 und die Düse 34 oder die dritte Fadenführung 36, je nachdem welche Oberfläche oder Oberflächen am Kabel 12 anliegen, wenn sich dieses biegt, weisen vorzugsweise eine Radius von 1 mm oder mehr auf sind glatt poliert. Die Ecke 42, der Absatz 40, die Düse 34 und/oder die dritte Fadenführung 38 spreizen die Filamente 14 so, dass das Kabel 12 im Vergleich zu seinem anfänglichen kreisrunden Querschnitt breiter und dünner wird, wie in 1 dargestellt. Das Spreizen der Filamente 14 kann alternativ dazu dadurch erreicht oder verstärkt werden, dass schmale Lücken zwischen der Ecke 42 und dem Boden der Rinne 38, zwischen einer optionalen zweiten Fadenführung 50 und dem Boden der Rinne 38 und/oder zwischen der Düse 34 oder der dritten Fadenführung 36 und der Nadel 26 vorhanden sind.
Der Körper 28 weist außerdem Zusatzstoff-Einspritzmündungen 46 und -abflüsse 48 auf. Ein Satz von einem oder mehreren ersten Mündungen 46a ermöglicht eine Einspritzung von Zusatzstoff in die Rinnen 38. Der Durchsatz des Zusatzstoffs durch die ersten Mündungen 46a reicht vorzugsweise aus, um die Rinnen 38 mit Zusatzstoff gefüllt zu halten, so dass die Filamente 14 mit dem Zusatzstoff benetzt werden, bevor sie mit der Nadel 26 in Kontakt kommen. Wenn nicht genügend Zusatzstoff durch die ersten Mündungen 46a bereitgestellt wird, begünstigt dies ein Fallen der Filamente 14 in das Lumen der Membran 10, und die Membran 10 wird schadhaft. Ein Teil des Zusatzstoffs, der durch die ersten Mündungen 46a eintritt, wird stromaufwärts um die Ecke 42 herum getrieben. Dieser Zusatzstoff wird durch die Abflüsse 48 abgelassen, von denen jeweils einer mit einem der Kabeleinlässe 22 in Verbindung steht. Zusätzliche zweite Mündungen 46b lassen Zusatzstoff in die Lücke zwischen der Düse 34 und der Nadel 26. Dieser zusätzliche Zusatzstoff vervollständigt den nötigen Gesamtstrom des Zusatzstoffs, der nötig ist, um die Membranwand 16 auszubilden. Zusatzstoff kann aus einem Spritztopf, der mit Stickstoff unter Druck gesetzt wird, oder unter Verwendung einer Verdrängungspumpe in die Mündungen 46 gespritzt werden. Der Zusatzstoff kann bei einer Temperatur im Bereich von etwa 15 bis 200 Grad C und bei einem Druck im Bereich von etwa 20 bis 400 kPa bereitgestellt werden.
Ein röhrenförmiger Strom von Membranzusatzstoff mit mitgerissenen Filamenten 14 tritt aus dem Beschichtungskopf 20 aus und tropft in ein Koagulationsbad. Das Koagulationsbad ist in der Regel ein Tank, der unten und oben mit Rollen versehen ist, wie dies von der Membrankoagulation bekannt ist. Ein Aufwickler hinter der oberen Rolle weist eine regulierbare Drehzahl zwischen 1 und 30 m/min und eine Querführung auf, um eine Spule gleichmäßig mit der koagulierten Membran zu bewickeln.
Wie in 4 dargestellt ist, zeigt eine Prüfung von mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) hergestellten Fotos der Membran 10, dass die auf PVDF basierende Membranwand 16 gut an den einzelnen Filamenten 14 in einem Multifilamentkabel 12 haftet. In 4 ist zu sehen, dass der Zusatzstoff zwischen die Filamente 14 dringt und kohäsiv an die Oberfläche der Filamente 14 gebunden wird. Es gibt Hinweise auf eine gewisse Delaminierung innerhalb der Zweikomponentenfaser zwischen den PVDF- und PET-Schichten. Diese wurde durch das Abschneiden der Probe bewirkt.
Im Vergleich dazu zeigt 3, dass der Membranzusatzstoff unter Verwendung des Gießkopfs 20 auch dazu gebracht werden kann, zwischen die Filamente eines Kabels aus PET-Filamenten mit 133 Denier zu dringen. Jedoch hat sich in diesem Fall der Zusatzstoff nicht mit den Filamenten verbunden. Stattdessen ist der Zusatzstoff beim Erstarren von den Filamenen weggeschrumpft und hat die Filamente frei gelegt, so dass sie sich innerhalb der Membran bewegen können, wenn diese gebogen wird.
Unter Verwendung eines Hüllmaterials, das mit dm Membranzusatzstoff verträglich ist, so dass die Membranwand 16 an den Filamenten 14 haftet, und durch Verteilen der Filamente 14 im Beschichtungskopf 20, 30 dass die Filamente 14 ausreichend auseinander gespreizt werden, damit der Membranzusatzstoff im Wesentlichen zwischen alle davon dringen kann, wird eine zähe verstärkte Hohlfasermembranen 10 erzeugt, die gegenüber der Biegebewegung, die bei regelmäßiger Verwendung vorkommt, beständig ist. Das Ergebnis ist eine haltbarere und reißfestere Membranfiltrationsvorrichtung.
Die Filamente 14 verteuern die Membran praktisch nicht. Dagegen kann im Vergleich mit einer ungestützten Membran, die einen dickeren Wandabschnitt aufweist, mit dem versucht wird, ihre Festigkeit zu erhöhen, eine dünnerwandige, aber verstärkte Membran ein auf Oberflächeninhaltsbasis preiswerteres Modul ergeben.
Es kann ein Einkomponentenfilament verwendet werden, das mit dem ausgewählten Membranzusatzstoff verträglich ist. Jedoch sind solche Filamente wahrscheinlich teurer oder schwächer oder beides als der Zweikomponentenfaden mit PET oder einem anderen starken textilen Polymer als Kernmaterial. Insbesondere sind PVDF und Polyethersulfon (PES) bevorzugte Membranmateriaien, die aber keine guten Verstärkungsfäden liefern, da sie weniger fest und wesentlich teurer sind als PET.
BEISPIEL
Die in 1 dargestellte Membran 10 wurde unter Verwendung eines Zusatzstoffs hergestellt, der hauptsächlich aus einer PVDF/NMP-Mischung bestand, die mit einem Durchsatz von 28 cm³/min zwischen die Düse 34 und die Nadel 26 und mit 3 cm³/min zu einer Rinne 38 geliefert wurde. Der Gießkopf 20 entsprach dem in den 2A und 2B dargestellten und wurde auf 60 Grad C erwärmt. Ein Kabel 12 wurde verwendet, das Zweikomponentenfilamente 14 des Hülle-Kern-Typs aufwies. Die Zusammensetzung des Filaments 14 war 70 Gew.-% PET-Kern (Eastman F61HC) und 30 Gew.-% PVDF-Hülle (Solef 1006). Das Kabel 12 wies 36 nicht-verdrillte Filamente 14 auf, die jeweils 6 Denier wogen. Die Liniengeschwindigkeit war 15 m/min (50 fpm), der Luftspalt war 110 mm groß und das Koagulationsbad war Wasser bei 45 Grad C.
In dieser Beschreibung werden Beispiele verwendet, um die Erfindung zu offenbaren und um jeden Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen. Der Bereich der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele einschließen, die für den Fachmann naheliegend sein mögen.

Claims

Hohlfasermembran, aufweisend: a) eine Membranwand, die aus einem Membranzusatzstoff gebildet ist; und b) eines oder mehrere Kabel aus Filamenten, die in die Membranwand eingebettet sind; wobei die Filamente zumindest zum Teil aus einem Polymer bestehen, das für eine Bindung an den Membranzusatzstoff oder die Membranwand ausgelegt ist.
Membran nach Anspruch 1, wobei das Polymer in einer Hülle um einen Kern des Filaments bereitgestellt ist und der Kern aus einem anderen Polymer besteht.
Membran nach Anspruch 1, wobei das Polymer in einem Lösungsmittel löslich ist, das in dem Membranzusatzstoff verwendet wird.
Membran nach Anspruch 1, wobei das Polymer ein Polymer ist, das auch im Membranzusatzstoff vorhanden ist.
Membran nach Anspruch 1, wobei das Polymer PVDF ist.
Membran nach Anspruch 1, wobei das Polymer PES ist.
Membran nach Anspruch 1, wobei das Polymer eine Schmelztemperatur aufweist, die unter der Temperatur eines TIPS-Zusatzstoffs liegt, der verwendet wird, um die Membranwand zu bilden.
Membran nach Anspruch 1, wobei das Polymer eine Oberfläche aufweist, die so behandelt worden ist, dass eine Bindung unterstützt wird.
Membran nach Anspruch 5, wobei die Filamente einen Kern aus PET oder co-PET aufweisen.
Membran nach Anspruch 1, wobei die Membranwand die Filamente umgibt und an diese gebunden ist.
Membran nach Anspruch 1, wobei sich zumindest die meisten von den Filamenten ohne Unterbrechung von einem Ende bis um andere Ende eines Segments der Membran, das mindestens 1 Meter lang ist, erstrecken und die Filamente im Allgemeinen parallel zueinander sind.
Membran nach Anspruch 1, wobei ein zylindrisches Bündel aus den Filamenten einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Dicke der Membranwand.
Verfahren zur Herstellung einer verstärkten Hohlfasermembran, welches die folgenden Schritte umfasst: a) Fließen lassen eines Membranzusatzstoffs durch einen Gießkopf; b) Ziehen eines oder mehrerer Fäden oder Kabel aus Filamenten durch den Gießkopf; und c) Zwingen des einen oder der mehreren Fäden oder Kabel um mindestens eine Biegung im Gießkopf oder durch mindestens eine Lücke im Gießkopf, die schmäler ist als ein zylindrisches Bündel aus den Filamenten.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Filamente einen Kern aus einem ersten Polymer und eine Hülle aus einem zweiten Polymer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, einen Schritt des Wärmeverfestigens der Filamente vor dem Schritt b) umfassend.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Schritt a) das Bereitstellen eines Zusatzstoffs in eine erste Zone des Gießkopfs, in der ein Kabel in einer Rinne stromaufwärts von einer Düse fließt, und das Bereitstellen von Zusatzstoff in einer zweiten Zone, die mit der Düse in Verbindung steht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner einen Schritt des Bereitstellens eines Bore-Fluids in ein Lumen der Membran umfassend.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das zweite Polymer ein Polymer ist, das auch im Zusatzstoff bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das erste Polymer PET umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein zylindrisches Bündel aus den Filamenten einen Durchmesser aufweist, der größer ist als die Dicke der Membranwand.
Verstärkte Hohlfasermembran, eine Membranwand und eines oder mehrere Kabel aufweisend, wobei jedes Kabel mehrere Filamente umfasst, die einzeln von der Membranwand umgeben und mit dieser verbunden sind.