DE112013001583T5

DE112013001583T5 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung einer verstärkten Hohlfasermembran

Info

Publication number: DE112013001583T5
Application number: DE112013001583.8T
Authority: DE
Inventors: John David IRELAND; Steven Kristian Pedersen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: BL Technologies Inc
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2015-01-08
Also published as: WO2013142000A1; CN104203376A; US20130251909A1; US8999454B2; TW201406451A; TWI583437B; CN104203376B; KR20140147839A

Abstract

Eine Düse zum Herstellen einer verstärkten Hohlfasermembran gibt ein oder mehrere Verstärkungsgarne an oder nahe einer Ebene dort aus, wo die Spinnlösung aus der Düse austritt, oder in derselben Ebene wie eine Ausgabeöffnung des Spinnlösungskanals oder an beiden. Mehrere separate Garnausgabeöffnungen können voneinander beabstandet um eine Längsachse der Düse angeordnet sein. Ein Verstärkungsgarnkanal bleibt während des Gebrauchs allgemein frei von Spinnlösung. Die Spinnlösung kann in einem ringförmigen Ring im Inneren des einen oder der mehreren Verstärkungsgarne, in einem ringförmigen Ring außerhalb der Verstärkungsgarne oder in beiden ausgegeben werden. Zum Ziehen der Garne durch die Düse wird minimale Spannung erfordert, was dazu beiträgt, die Verzerrung des Membranquerschnitts in einem Koagulationsbad zu verringern.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Patentbeschreibung betrifft Vorrichtungen und Prozesse zur Erzeugung verstärkter Hohlfasermembranen, z. B. Hohlfasermembranen zur Verwendung in Mikrofiltration oder Ultrafiltration.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Hohlfasermembranen können mit verschiedenen Verfahren aus einer Reihe verschiedener Polymere hergestellt werden. Ein Verfahren beinhaltet eine nicht-lösungsmittelinduzierte Phasentrennung (NIPS) wie sie z. B. in den US-Patenten 3 615 024 , 5 066 401 and 6 024 872 gelehrt wird. Ein weiteres Verfahren beinhaltet eine thermisch induzierte Phasentrennung (TIPS), wie sie z. B. in den US-Patenten 4 702 836 und 7 247 238 gelehrt wird. Die Membranen können auf ihren Innenflächen oder ihren Außenflächen Trennungsschichten haben und können z. B. zur Mikrofiltration (MF) oder Ultrafiltration (UF) verwendet werden.
Die Festigkeit einer Hohlfasermembran kann durch Aufbringen einer Membranspinnlösung auf ein vorgeformtes rohrförmiges Geflecht erhöht werden. Die US-Patente 5 472 607 und 6 354 444 , Mahendran und andere, lehren das Beschichten einer Membran an der Außenseite eines Geflechts mit begrenzter Durchdringung. US-Patent 4 061 861 , Hayano und andere, US-Patent 7 267 872 , Lee und andere, und US-Patent 7 306 105 , Shinada und andere, lehren ebenfalls von Geflecht getragene Membranen. Gemäß der Lehre von Mahendran und andere hergestellte Hohlfasermembranen wurden erfolgreich vermarkted.
Ein weiterer Ansatz, der zur Herstellung einer verstärkten Hohlfasermembran vorgeschlagen wurde, beinhaltet das Einbetten von Fasern in die Wand einer Hohlfaser, während die Hohlfaser gegossen wird. Die US-Veröffentlichung 2002/0046970 , Murase und andere, die internationale Veröffentlichung WO 03/097221 , Yoon und andere, und US-Patent 6 454 943 , Koenhen, beschreiben Verfahren zum Einbetten eines Monofil- oder eines Multifilamentgarns in Längsrichtung in der Wand einer Hohlfaser.
EINFÜHRUNG
Die folgende Einführung soll den Leser in die ausführliche Beschreibung einführen, um die Ansprüche zu befolgen und nicht zu beschränken oder zu definieren.
Diese Beschreibung gibt eine alternative Vorrichtung und einen alternativen Prozess zur Herstellung einer verstärkten Membran an, bei der ein oder mehrere Verstärkungsgarne in die Wände der Hohlfasermembran eingebettet sind. Die so erhaltene Membran kann zum Beispiel zum Vorsehen der Behandlung von Wasser durch Mikrofiltration oder Ultrafiltration verwendet werden.
Eine der Beschreibung zu entnehmende Hohlfaserspinndüse gibt aus wenigstens einem Garnkanal mit Öffnungen an oder nahe einer Ebene, wo die Spinnlösung aus der Düse austritt, Verstärkungsgarne aus. Alternativ oder zusätzlich dazu kann sich eine Ausgabeöffnung eines Garnkanals in oder nahe derselben Ebene wie eine Ausgabeöffnung eines Spinnlösungskanals befinden. Ein Spinnlösungskanal kann sich innerhalb des wenigstens einen Garnkanals, außerhalb des wenigstens einen Garnkanals oder sowohl inner- als auch außerhalb des wenigstens einen Garnkanals befinden. Es gibt keinen Spinnlösungseinlass zu dem wenigstens einen Garnkanal und vorzugsweise befindet sich im Wesentlichen keine Spinnlösung in dem wenigstens einen Garnkanal, wenn die Düse in Gebrauch ist.
Ein Verstärkungsgarn ist gewöhnlich ein Multifilamentgarn, kann aber auch ein Monofil sein. Wenn es mehrere Verstärkungsgarne gibt, kann es mehrere separate Garnausgabeöffnungen geben, die in einem Ring um eine Längsachse der Düse voneinander beabstandet angeordnet sind. Wahlweise weist ein Verstärkungsgarn Filamente mit einem Polymer, wenigstens an der Außenfläche der Filamente, das von der Spinnlösung benetzt wird, eine Oberflächenbehandlung, die die Benetzung durch die Spinnlösung vergrößert, oder beides auf. Wahlweise kann ein Verstärkungsgarn mit einer Lösung benetzt werden, bevor es mit der Spinnlösung in Kontakt kommt.
In einigen Verfahren vom Stand der Technik zur Herstellung von verstärkten Hohlfasermembranen wird die Verstärkung in einen Kanal durch eine Spinndüse gezogen, läuft durch Spinnlösung, die in denselben Kanal eingespritzt wird, und verlässt den Kanal dann mit etwas von der Spinnlösung. Bei diesen Verfahren vom Stand der Technik leckt Spinnlösung oft aus einer Einlassöffnung, wo die Verstärkung in die Spinndüse einläuft, aus der Spinndüse heraus. Weil die Spinnlösung unter Druck steht und die Verstärkung aus atmosphärischem Umgebungsdruck in die Spinndüse eintritt, ist dieses Problem grundsätzlich vorhanden. Der Versuch, dieses Problem mit Dichtungsvorrichtungen zu lösen, ist kompliziert und kann die Ausfaserung und Beschädigung der Verstärkung verursachen. Im Gegensatz dazu setzt die Ausgabe eines Verstärkungsgarns aus einem Garnkanal an oder nahe einer Ebene, an der die Spinnlösung aus einer Düse austritt, oder in oder nahe der Ebene einer Ausgabeöffnung eines Spinnlösungskanals, wie in dieser Patentbeschreibung beschrieben, das Verstärkungsgarn mit der Spinnlösung dort in Kommunikation, wo die Spinnlösung auf oder fast auf atmosphärischem Druck ist. Dadurch wird zumindest die Tendenz der Spinnlösung zum Auslecken aus der Düse durch den Garnkanal reduziert.
Bei einigen der Verfahren vom Stand der Technik werden Verstärkungen durch einen ringförmigen Spinnlösungskanal hindurchgeführt. Die Verstärkungen können zwar mit einer bevorzugten Beabstandung oder Platzierung in den Spinnlösungskanal eintreten, in dem ringförmigen Spinnlösungskanal bewegen sich die Verstärkungen aber möglicherweise relativ zueinander. Dementsprechend treten mehrere Verstärkungen möglicherweise nicht unbedingt gleichmäßig voneinander beabstandet aus der Spinndüse aus. Wahlweises Ausgeben mehrerer Verstärkungsgarne durch separate voneinander beabstandete Öffnungen an oder nahe einer Ebene, wo die Spinnlösung aus der Düse austritt, wie in dieser Beschreibung beschrieben, neigt dazu, gleichmäßiger beabstandete Verstärkungsgarne zu ergeben.
Die Erfinder haben auch beobachtet, dass ein wesentlicher Kraftaufwand erforderlich ist, um eine Verstärkung durch einen mit Spinnlösung gefüllten Kanal in einer Spinndüse zu ziehen. Der Querschnitt einer von einer solchen Spinndüse hergestellten Membran neigt auch dazu, relativ zu einem gewünschten Ringquerschnitt verzerrt zu sein. Ohne eine Beschränkung auf eine spezifische Theorie zu beabsichtigen, gehen die Erfinder davon aus, dass die Spannung, die an eine sich bildende Membran angreift, während sie um eine Rolle in einem Koagulationsbad verläuft, zur Verzerrung des Querschnitts der resultierenden Hohlfasermembran neigt. Da die Spinnlösung zähflüssig ist, setzt das Ziehen der Verstärkung durch einen Vorratsbehälter mit Spinnlösung, die nicht mit der Geschwindigkeit der Membranherstellungsanlage fließt, die Verstärkungsgarne unter einen wesentlichen Spannungsgrad. Eine in dieser Beschreibung getestete Düse führte zu einer bedeutenden Verringerung der zum Ziehen von Verstärkungsgarnen durch die Düse bei einer vorgegebenen Anlagengeschwindigkeit erforderlichen Kraft. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Düse, die ein Verstärkungsgarn aus einem Garnkanal an oder nahe einer Ebene, wo die Spinnlösung aus der Düse austritt, oder in oder nahe der Ebene einer Ausgabeöffnung eines Spinnlösungskanals ausgibt, ohne Spinnlösung in den Garnkanal einzuspritzen, dazu beiträgt, eine Hohlfasermembran mit einem eingebetteten Verstärkungsgarn und einem allgemein ringförmigen Querschnitt zu erzeugen.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine isometrische Darstellung einer Düse zur Herstellung einer verstärkten Hohlfasermembran, wobei die Düse im Schnitt an ihrer Längsachse entlang dargestellt ist.
2 ist eine Rückansicht einer weiteren Düse zur Herstellung einer verstärkten Hohlfasermembran.
3 ist eine Seitenansicht der Düse von 2.
4 ist eine Ansicht von vorn einer Düse von 3.
5 ist ein Querschnitt der Düse von 2 entlang der Linie A-A in 2.
6 ist ein Querschnitt der Düse von 2 entlang der Linie B-B in 2.
7 ist ein Querschnitt der Düse von 2 entlang der Linie C-C in 2.
8 ist eine vergrößerte Ansicht des in 4 gezeigten Bereichs G.
9 ist eine vergrößerte Ansicht des in 5 gezeigten Bereichs H.
10 ist ein Querschnitt einer Hohlfasermembran, die mit der Düse von 1 oder der Düse der 2 bis 9 erzeugt werden kann.
11 ist eine schematische Darstellung eines in einem Versuchsbeispiel verwendeten Koagulationsbads mit einem Spannungsmessgerät.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt eine Düse 100, die entlang einer zu ihrer Längsachse 102 parallelen Ebene aufgeschnitten ist. Die inneren Kanäle in der Düse 100 stellen eine Anzahl von Zonen zum Bewegen verschiedener Materialien durch die Düse 100 bereit. Diese Kanäle münden alle in Ausgabeöffnungen, die in einer gemeinsamen Ebene liegen, die von der Vorderseite 104 der Düse 100 definiert wird. Die Düse 100 liegt im Gebrauch gewöhnlich so, dass ihre Vorderseite 104 horizontal ausgerichtet ist. Die verschiedenen Materialien werden vertikal abwärts aus der Düse 100 ausgegeben und fallen durch einen Luftspalt in ein Koagulationsbad, um eine Membran zu bilden.
Ausgehend von der Längsachse 102 transportiert die erste Zone A ein Kernfluid entlang der Längsachse 102. Das Kernfluid kann eine Flüssigkeit oder ein Gas wie z. B. Luft sein und wird zum Ausbilden eines Lumens in der resultierenden Membran verwendet.
Die zweite Zone B transportiert eine Membranspinnlösung. Im Allgemeinen ist die Spinnlösung ein Gemisch aus einem oder mehreren Polymeren, das die Membranwand in einer Lösung bildet. Es kann auch weitere kleinere Bestandteile wie ein Nichtlösungsmittel oder schwaches Nichtlösungsmittel und einen hydrophilen Zusatzstoff geben.
Die dritte Zone C transportiert ein oder mehrere Verstärkungsgarne. Die Verstärkungsgarne werden unten in Bezug auf 10 noch weiter beschrieben. Zone C ist vorzugsweise in mehrere separate Kanäle unterteilt, zumindest dort, wo sie in die vordere Stirnseite 104 der Düse 100 mündet. Gewöhnlich durchlaufen ein oder mehrere Garne jeden separaten Kanal, obwohl einer oder mehrere der Kanäle wahlweise leer gelassen werden können. Die Kanäle in der Zone C kommunizieren auch mit einem Lösungsmitteldurchgang 106. Der Lösungsmitteldurchgang 106 wird zum Einspritzen eines Lösungsmittels, gewöhnlich desselben Lösungsmittels, das in der Membranspinnlösung verwendet wird, in die Verstärkungsgarnkanäle verwendet. Dieses Lösungsmittel vorbenetzt die Verstärkungsgarne, verringert einen Luftstrom durch Zone C und trägt auch dazu bei, Spinnlösung am Eindringen in die Verstärkungsgarnkanäle zu hindern.
Die vierte Zone D trägt einen zweiten Membranspinnlösungsfluss. Wahlweise können die Zonen B und D miteinander im Inneren der Düse 100 in Kommunikation stehen, so dass ein einzelner Spinnlösungseinlass beide Zonen B und D speisen kann. Spinnlösung kann von einem mit Stickstoff druckbeaufschlagten Topf oder mithilfe einer Verdrängerpumpe in die Düse 100 eingespritzt werden. Die Spinnlösung kann mit einer Temperatur im Bereich von etwa 15 bis 200 Grad Celsius und einem Druck im Bereich von etwa 20 bis 400 kPa bereitgestellt werden.
Im Gebrauch werden ringförmige Ströme von Membranspinnlösung aus den Zonen B und D durch die vordere Stirnseite 104 der Düse 100 ausgegeben. Gleichzeitig werden ein oder mehrere Verstärkungsgarne von einer Kraft, die von einem Aufwickler auf die resultierende Membran ausgeübt wird, durch die Düse gezogen. Das eine oder die mehreren Verstärkungsgarne werden zwischen den zwei Spinnlösungsflüssen aus der vorderen Stirnseite 104 der Düse 100 ausgegeben. Die zwei Spinnlösungsflüsse fließen unmittelbar außerhalb der Düse 100 zu einem einzelnen ringförmigen Spinnlösungsfluss zusammen. Das eine bzw. die mehreren Verstärkungsgarne werden in die Spinnlösung eingebettet.
Die Spinnlösung und das Verstärkungsgarn fallen durch einen Luftspalt in ein Koagulationsbad. Das Koagulationsbad ist gewöhnlich ein Tank, der am Boden und an seinem oberen Ende mit Rollen ausgestattet ist, wie für die Membrankoagulation bekannt ist. Ein motorisch betriebener Aufwickler nimmt die aus dem Koagulationsbad auftauchende Membran auf, wahlweise nachdem die Membran durch andere Prozesse der Einheit wie ein Spülbad hindurchgeführt wurde. Der Aufwickler hat gewöhnlich eine Querführung, um eine Spule gleichmäßig zu bewickeln. Der Wickler läuft mit einer einstellbaren Geschwindigkeit, gewöhnlich zwischen 1 und 30 m/min, die auf die Abwärtsgeschwindigkeit der durch die Düse 100 ausgegebenen Spinnlösung abgestimmt wird. Der Wickler zieht auch das eine bzw. die mehreren Verstärkungsgarne durch die Düse 100. Dies führt dazu, dass das eine oder die mehreren Verstärkungsgarne zwischen der Düse 100 und dem Wickler in gleichem Maße wie die Kraft auf Zug beansprucht werden, die zum Durchziehen des einen oder der mehreren Verstärkungsgarne durch die Düse 100 erforderlich ist.
Die 2 bis 9 zeigen eine zweite Düse 110. Die zweite Düse 110 ist der Düse 100 ähnlich, hat aber eine zusätzliche Platte 112 an der Vorderseite der zweiten Düse 110. Die vordere Stirnseite 104 der zweiten Düse 110 wird von der Vorderseite der Platte 112 definiert. Auch ist eine Kernfluidnadel 114, die eine Zone A bereitstellt, bis zur Vorderseite der Platte 112 verlängert. Die Zonen B, C und D, wie in Bezug auf die Düse 100 von 1 beschrieben, sind auch in der zweiten Düse 110 vorgesehen. Die Ausgabeöffnungen für die Zonen B, C und D sind aber um die Dicke der Platte 112 von der vorderen Stirnseite 104 zurückversetzt. Andere Merkmale des detaillierten Aufbaus der in 2 bis 9 gezeigten zweiten Düse 110 werden auch bei der Düse 100 von 1 verwendet.
Die Hauptbauteile der zweiten Düse 110, wobei jetzt zum Beispiel auf 2 und 3 Bezug genommen wird, sind ein Hauptkörper 116, die Kernfluidnadel 114, ein erster Einsatz 120, ein zweiter Einsatz 122 und die Platte 112. Die Kernfluidnadel 114 ist von der Rückseite her in den Hauptkörper 116 eingezogen. Der erste Einsatz 120, der zweite Einsatz 122 und die Platte 112 sind in eine Aussparung an der Vorderseite des Hauptkörpers 116 eingesetzt und werden dort mit in Schraubenlöcher 124 einzuschraubenden Schrauben (nicht abgebildet) festgehalten. In die Seite des Hauptkörpers 116 ist zur Verbindung der Zonen D und B im Inneren des Hauptkörpers 116 ein Bypass-Verbinder 126 gebohrt und dann mit Stopfen verschlossen.
Ein Spinnlösungseinlass 130, Bezug nehmend auf 2, versorgt die Zonen B und D mit Spinnlösung. Ein Kernfluideinlass 132 ermöglicht die Zuführung von Kernfluid zur Nadel 114. Verstärkungsgarne treten durch Keramikführungen 134, jeweils eine für jeden separaten Verstärkungsgarnkanal, in den Hauptkörper ein. Lösungsmittel tritt durch mehrere Lösungsmitteleinlässe 136 in den Hauptkörper 116. Kernfluid, wobei jetzt hauptsächlich auf 8 und 9 Bezug genommen wird, verlässt die Nadel 114 durch einen Kernfluidauslass 140. Spinnlösung verlässt die Zonen B und D durch einen ersten und einen zweiten Spinnlösungskanalausgabeauslass 142 bzw. 144. Verstärkungsgarne verlassen die Zone C durch Garnausgabeauslässe 146. Spinnlösung aus den zwei Zonen B und D fließt um die Verstärkungsgarne in einem ringförmigen Zwischenraum zwischen der Nadel 114 und einer Auslassbohrung 148 in der Platte 112 zusammen.
Beide Düsen, bezugnehmend auf die 1 bis 9, führen Verstärkungsgarne von Garnkanälen, die nicht mit einer Spinnlösungsversorgung verbunden sind, in die Membranspinnlösung ein. Die Garnausgabeöffnungen 146 sind an oder nahe der Ebene, wo die Spinnlösung aus der Düse 100, 110 an der Vorderseite 104, z. B. innerhalb von 5 mm von der vorderen Stirnseite 104, austritt. Alternativ oder zusätzlich dazu sind die Garnausgabeöffnungen 146 an oder nahe der Spinnlösungsausgabeöffnungen 142, 144, z. B. innerhalb von 3 mm von den Spinnlösungsausgabeöffnungen 142, 144. Wenn mehrere Verstärkungsgarne eingesetzt werden, können sie aus separaten Garnausgabeöffnungen 146 ausgegeben werden, die um die Nadel 114 an oder nahe der vorderen Stirnfläche 104 der Düse 100, 110 gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Die zwei Düsen 100, 110 unterscheiden sich darin, dass in der zweiten Düse 110 die Garnausgabeöffnungen 146 von der vorderen Stirnfläche 104, die die Ausgabeebene der zweiten Düse 110 insgesamt definiert, zurückversetzt sind. Ohne Zurückversetzung wie bei der Düse 100 werden die Verstärkungsfilamente an der Ausgabeebene der Düse in die Spinnlösung eingeführt. In diesem Fall treten die Verstärkungsgarne dort aus ihren Kanälen aus, wo der Spinnlösungsdruck im Wesentlichen atmosphärisch ist. Da die Garnausgabeöffnungen 146 und die Spinnlösungsausgabeöffnungen 142, 144 von der Ausgabeebene zurückverlegt sind, wie bei der zweiten Düse 110, wird das Verstärkungsgarn in einen Bereich mit höherem Spinnlösungsdruck ausgegeben. Möglicherweise ist ein gewisser Spinnlösungsdruck erwünscht, um mit dem Verstärkungsgarn in die Produktmembran mitgerissene Luft zu minimieren. Der Spinnlösungsdruck an den Garnausgabeöffnungen 146 wird aber vorzugsweise unter einem Schwellenwert gehalten, bei dem die Spinnlösung durch den Verstärkungsgarnkanal zurückfließen würde, wenn die Düse in Betrieb ist.
Eine von einer der Düsen 100, 110 erzeugte Hohlfasermembran 10, Bezug nehmend auf 10, hat eine Membranwand 16, die aus der Spinnlösung der Zonen B und D hergestellt ist. In die Membranwand 16 sind ein oder mehrere Verstärkungsgarne 12 eingebettet. Die Verstärkungsgarne 12 können aus einzelnen Filamenten 14 bestehen. Einzelne Filamente 14 sind vorzugsweise lange kontinuierliche Filamente anstatt z. B. Stapelfasern.
Die in 1 gezeigte spezifische Membran 10 hat ein Verstärkungsgarn 12, es kann aber mehrere Verstärkungsgarne 12 geben, z. B. zwischen zwei und acht. Jedes Verstärkungsgarn 12 ist vorzugsweise ein Multifilamentgarn, das aus kontinuierlichen Thermoplastfilamenten 14 hergestellt ist. Die Filamente sind vorzugsweise gebündelt, aber ohne stark genug zusammengedreht zu sein, um als Zwirn eingestuft zu werden. Andere Garn- oder Fadentypen oder ein Monofil könnten ebenfalls verwendet werden, sie werden aber nicht bevorzugt.
Die Filamente 14 können aus polymeren Fasern wie Polyethylen, Polypropylen, Polyester, Nylon oder PVDF hergestellt sein. Die Filamente 14 können Bikomponentenfilamente mit einem ersten Teil sein, vorzugsweise einer vollständigen Außenschicht oder Hülle, die aus einem ersten Polymer hergestellt ist, das von einer membranbildenden Spinnlösung benetzt wird. Zum Beispiel kann ein Verstärkungsfilament 14 eine Außenschicht oder einen anderen Teil aus einem Polymer haben, das in einer in der Membranspinnlösung verwendeten Lösung löslich ist. Speziell kann die Außenschicht oder der andere Teil ein Polymer umfassen, das auch in der Membranspinnlösung anwesend ist. Ein zweiter Teil, z. B. ein Kern, eines Bikomponentenfilaments 14 kann aus einem zweiten Polymer hergestellt sein, das eine Verbesserung gegenüber der Verwendung des ersten Polymers allein ergibt. Zum Beispiel kann das zweite Polymer relativ zu dem ersten Polymer stärker oder weniger kostspielig oder beides sein.
Die in 1 gezeigten Filamente sind Bikomponentenfasern, die mit einem Kern aus Polyethylenterephthalat (PET) und einer Hülle aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) gesponnen sind. Der Kern beträgt etwa 70–90% des Querschnittsflächeninhalts. Das PET ist ein festes Material, das zur Verstärkung oder zum Tragen von Membranen geeignete mechanische Eigenschaften hat. PVDF ist ein vergleichsweise relativ schwaches Material. Die PVDF-Hülle hat aber eine Affinität für eine Membranspinnlösung auf PVDF- und NMP-Basis. Eine derartige Spinnlösung kann zum Bilden der Membranwand 16 mithilfe eines NIPS-Prozesses verwendet werden.
Die Affinität zwischen dem Außenflächenpolymer der Filamente 14 und der Spinnlösung wirkt Luftblasen entgegen und fördert den Kontakt zwischen den Filamenten 14 und der Membranwand. Alternativ kann die Oberfläche der Filamente 14 auch modifiziert oder behandelt werden, um die Bindung an die Membranspinnlösung zu fördern. Zu derartigen Behandlungen können z. B. Plasma- oder chemisches Ätzen zählen. Die Behandlung wird so gewählt, dass sie für die Materialien des Filaments 14 und die Spinnlösung geeignet sind. Alternativ oder zusätzlich dazu, wie oben beschrieben, wirkt das Füllen der Verstärkungsfilamentkanäle mit einem Lösungsmittel, das mit der Spinnlösung verträglich ist, ebenfalls Luftblasen entgegen und fördert den Kontakt zwischen den Filamenten 14 und der Polymerwand.
BEISPIEL
11 zeigt ein modifiziertes Koagulationsbad 200, das in experimentellen Versuchen verwendet wurde. Ein Tank 202 wurde mit einer Abschrecklösung 204, hauptsächlich Wasser, zum Bilden von Membranen aus einem PVDF in einer Spinnlösung auf NMP-Basis mit einem NIPS-Prozess gefüllt. Experimentelle Beschichtungsdüsen 208 wurden über dem Tank 202 platziert und so ausgerichtet, dass eine Präkursorfaser 206 vertikal durch einen Luftspalt 210 und dann in die Abschrecklösung 204 fallen würde. In dem Tank 202 wurde die Präkursorfaser 206 über ein Spannungsmessgerät 214 und eine untere Rolle 216 geführt. Nach Verlassen des Tanks wurde die Produktfaser 212 über eine obere Rolle geführt, bevor sie auf eine Wickelvorrichtung 218 aufgewickelt wurde. Die Wickelvorrichtung 218 wendete die Kraft an, die zum Durchziehen von Verstärkungsgarnen mit einer konstanten Anlagengeschwindigkeit durch die experimentellen Düsen 208 hindurch notwendig war. Das Spannungsmessgerät 214 maß die angewendete Kraft und somit den Zug an der Präkursorfaser 206.
Es wurden drei Düsen 208 getestet. Die ersten zwei Düsen waren allgemein wie in der US-Patentanmeldung der Seriennummer 13/328 761, angemeldet am 16. Dezember 2011, die durch Bezugnahme eingebunden ist. In diesen Düsen laufen Verstärkungsgarne durch einen mittleren Kanal, der Spinnlösung enthält. Der mittlere Kanal endet in einer ersten ringförmigen Region, die um eine Kernfluidnadel herum und stromaufwärts der Austrittsebene der Düse liegt. Mit Spinnlösung benetzte Filamente laufen aus der ersten ringförmigen Region in eine zweite ringförmige Region, die die Kernfluidnadel umgibt. Ein zweiter Spinnlösungsstrom wird in diese zweite ringförmige Region gespritzt. Die Spinnlösung mit eingebetteten Verstärkungsfilamenten verlässt die zweite ringförmige Region und die Austrittsebene der Düse. Eine dritte Düse war eine modifizierte Version einer zweiten der ersten zwei Düsen. In dieser modifizierten Düse (a) erstreckte sich die erste ringförmige Region, die Verstärkungsfilamente aus dem mittleren Kanal transportiert, zu der Austrittsebene der Düse, (b) die Zufuhr von Spinnlösung zum mittleren Kanal und der ersten ringförmigen Region war beendet und (c) die Kernfluidnadel war durch eine innere Spinnlösungsnadel ersetzt worden. Dementsprechend glich die dritte Düse der Düse 100 von 1, außer dass sie keine Kernfluidnadel hatte und daher eine massive Faser anstatt einer Hohlfaser erzeugte. Zwar erzeugt sie eine massive Faser, die dritte Düse bestätigt aber, dass zwei Spinnlösungsflüsse ein Verstärkungsgarn umhüllen können, wenn beide Spinnlösungsflüsse und das Verstärkungsgarn aus einer gemeinsamen Ebene ausgegeben werden.
In vorläufigen Versuchen wurde ermittelt, dass es beim Hindurchführen von Verstärkungsgarnen allein durch die erste oder die dritte Düse und beim Hindurchführen von Spinnlösung allein durch die erste Düse keine wesentliche Spannung (weniger als 10 g) gab. Beim Hindurchführen von zwei Verstärkungsgarnen und Spinnlösung durch die Düsen bei einer Anlagengeschwindigkeit von 90 Fuß pro Minute (fpm) erforderten aber die erste und die zweite Düse eine Spannung von etwa 118 bzw. 130 g. Die dritte Düse erforderte aber eine Spannung von nur etwa 22 g. Bei einer Anlagengeschwindigkeit von 50 fpm mit zwei Verstärkungsgarnen erforderte die erste Düse eine Spannung von etwa 93 fpm und die dritte Düse erforderte eine Spannung von etwa 17 g. Die zweite Düse wurde nicht unter diesen Bedingungen getestet. Diese Versuche wiesen darauf hin, dass die dritte Düse zu einer bedeutenden Verringerung der Spannung an der Präkursorfaser 206 führte.
In einem weiteren Test wurde die zweite Düse mit einem einzelnen Verstärkungsgarn bei einer Anlagengeschwindigkeit von 90 fpm verwendet und erforderte eine Spannung von etwa 62 g. Die erste Düse wurde mit einem Verstärkungsgarn bei einer Anlagengeschwindigkeit von 50 fpm getestet und erforderte eine Spannung von etwa 58 g. In Kombination mit den oben beschriebenen Versuchen betrachtet, deuten diese Versuche darauf hin, dass für eine bestimmte Düse die erforderliche Spannung am meisten von und ungefähr proportional zu der Anzahl von Verstärkungsgarnen beeinflusst wird. Die Spannung wird auch von der Anlagengeschwindigkeit beeinflusst, wenn auch in einem geringeren Ausmaß. Insgesamt deuten diese Versuche an, dass die Hauptursache von Spannung die Bewegung eines Verstärkungsgarns mit Anlagengeschwindigkeit durch ein sich relativ langsam bewegendes Spinnlösungsvolumen in einer Kammer oder einem Kanal der Düse ist.
Die Experimente zeigen auch, dass die Änderung der Konstruktion der dritten Düse zu einer größeren Verringerung der Spannung führte als eine Verringerung der Anlagengeschwindigkeit oder eine Veringerung der Anzahl von Verstärkungsgarnen. Wir erwarten, dass dies zu weniger Verzerrung einer Hohlfasermembran führen wird, speziell dann, wenn sie um eine untere Rolle 216 gezogen wird. Alternativ könnte bei Erzeugung einer Membran ähnlicher Qualität, verglichen mit der ersten oder der zweiten Düse, eine schnellere Anlagengeschwindigkeit oder eine reduzierte Koagulationstanktiefe mit der dritten Düse verwendet werden. Es wurde auch beobachtet, dass aus der dritten Düse keine Spinnlösung durch die Einlässe zu den Verstärkungsgarnkanälen ausleckte, obwohl an den Verstärkungsgarneinlässen keine Dichtungen vorgesehen waren.
Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zur Offenlegung der Erfindung und auch, um den Fachmann zur Ausübung der Erfindung zu befähigen. Der Umfang der Erfindung wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die dem Fachmann einfallen.

Claims

Düse zum Herstellen einer Hohlfasermembran, aufweisend: a) einen Kernfluidkanal, der durch die Düse hindurch verläuft und einen Kernfluidausgabeauslass hat, b) einen Spinnlösungskanal durch die Düse und mit einem Spinnlösungsausgabeauslass und c) einen Verstärkungsgarnkanal durch die Düse und mit einem Verstärkungsgarnauslass, wobei der Spinnlösungsausgabeauslass und der Verstärkungsgarnauslass beide (a) in oder nahe derselben Ebene oder (b) an oder nahe der vorderen Stirnfläche der Düse liegen.
Düse nach Anspruch 1 wobei der Verstärkungsgarnkanal außer an dem Verstärkungsgarnauslass nicht mit einem Spinnlösungskanal in Kommunikation ist.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Spinnlösungsausgabeauslass und der Verstärkungsgarnauslass beide (a) in oder nahe derselben Ebene und (b) an oder nahe einer vorderen Stirnseite der Düse liegen.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Spinnlösungsausgabeauslass und der Verstärkungsgarnauslass beide (a) entlang einer Längsachse der Düse innerhalb von 3 mm voneinander oder (b) an oder innerhalb von 5 mm von der vorderen Stirnfläche der Düse liegen.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Spinnlösungsausgabeauslass und der Verstärkungsgarnauslass beide in etwa der gleichen Ebene liegen.
Düse nach Anspruch 1, wobei der Spinnlösungsausgabeauslass und der Verstärkungsgarnauslass beide innerhalb von 5 mm von der vorderen Stirnfläche der Düse liegen.
Düse nach Anspruch 1, die mehrere separate Verstärkungsgarnkanäle hat.
Düse nach Anspruch 1, die zwei ringförmige Spinnlösungskanalausgabeauslässe hat, einen, der im Inneren des Verstärkungsgarnauslasses liegt, und einen, der außerhalb des Verstärkungsgarnauslasses liegt.
Düse nach Anspruch 1, die einen Lösungsmitteleinlass hat, der mit dem Verstärkungsgarnkanal in Kommunikation ist.
Prozess zum Herstellen einer Hohlfasermembran, umfassend die folgenden Schritte: a) Hindurchführen eines Kernfluids durch eine Düse und Ausgeben des Kernfluids von an oder nahe der vorderen Stirnfläche der Düse, b) Hindurchführen einer Spinnlösung durch einen Spinnlösungskanal der Düse und Ausgeben der Spinnlösung aus dem Spinnlösungskanal in einem Ring um das Kernfluid von an oder nahe der vorderen Stirnfläche der Düse und c) Inkontaktbringen eines Verstärkungsgarns mit der Spinnlösung an oder nahe der vorderen Stirnfläche der Düse.
Prozess nach Anspruch 10, wobei das Verstärkungsgarn innerhalb von 5 mm von der vorderen Stirnfläche der Düse erstmals mit der Spinnlösung in Kontakt gebracht wird.
Prozess nach Anspruch 10, wobei das Verstärkungsgarn ein Multifilamentgarn, ein Monofil oder ein Faden ist.
Prozess nach Anspruch 12, wobei das Verstärkungsgarn ein Multifilamentgarn ist.
Prozess nach Anspruch 13, wobei das Verstärkungsgarn Filamente, die ein Polymer umfassen, das von der Spinnlösung benetzt wird, oder Filamente, die oberflächenbehandelt sind, um die Benetzung durch die Spinnflüssigkeit zu fördern, aufweist.
Prozess nach Anspruch 13, wobei das Verstärkungsgarn ein allgemein ungezwirntes Garn allgemein kontinuierlicher Filamente ist.
Prozess nach Anspruch 10, wobei das Verstärkungsgarn ein Polymer umfasst, das auch in der Spinnlösung anwesend ist.
Prozess nach Anspruch 10, wobei das Verstärkungsgarn mit einem Lösungsmittel benetzt wird, bevor es mit der Spinnlösung in Kontakt kommt.
Prozess nach Anspruch 10, das ferner das Hindurchführen von zusätzlicher Kernlösung durch die Düse und das Ausgeben der zusätzlichen Kernlösung in einem zweiten Ring um das Kernfluid von der vorderen Stirnfläche der Düse aufweist, wobei das Verstärkungsgarn zwischen dem Ring von Spinnlösung und dem zweiten Ring zusätzlicher Spinnlösung ausgegeben wird.
Prozess nach Anspruch 10, der das Inkontaktbringen mehrerer Verstärkungsgarne mit der Spinnlösung, jeweils aus einem separaten Ausgabeauslass, aufweist.
Prozess nach Anspruch 10, wobei das Verstärkungsgarn aus einem Verstärkungsgarnkanal ausgegeben wird, der innerhalb von 3 mm entlang der Länge der Düse dort liegt, von wo die Spinnlösung aus dem Spinnlösungskanal ausgegeben wird.
Prozess nach Anspruch 10, wobei eine Spinnlösung oder ein Kernfluid, die bzw. das mit dem Verstärkungsgarn in Kommunikation ist, auf einem Druck gehalten wird, der nicht ausreicht, um zu verursachen, dass die Spinnlösung oder das Kernfluid durch einen Verstärkungsgarnkanal der Düse fließt.