DE2838665B2 - Äthylen/Vinylalkohol-Copolymermembran und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Äthylen/Vinylalkohol-Copolymermembran und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
im Falle 10 S C <25, C-8 <r<C+40und
imFalle25<C<40, 2C-35
imFalle25<C<40, 2C-35
Die Erfindung betrifft eine Membran, die als semipermeable Membran geeignet ist, insbesondere als
DiaJysemembran für künstliche Nieren oder zur Behandlung von aszitischen Flüssigkeiten, wobei diese
Membran aus einer Polymermasse aus Äthylen/VinylalkohoI-Copolymeren besteht, die sich in dem Äthyleneinheitengehalt voneinander unterscheiden. Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Herstillung einer
derartigen Membran.
Bisher wurden Membranen aus einer nach dem Ojprammoniumverfahrer. hergestellten Cellulose als
Dialysemembranen verwendet Ihre Permeabilitätseigenschaften sind jedoch nicht vollständig zufriedenstellend, so daß ein Bedarf an neuen Dialysemembranen
besteht Die in künstlichen Nieren einzusetzenden Dialysemembranen müssen bestimmte Permeabilitätseigenschaften aufweisen, wie eine entsprechend gesteuerte Wasserpermeabilitäi sowie hohe Permeabilitäten gegenüber Substanzen mit einem mittleren Molekulargewicht zwischen 300 und 6000, wobei ferner nur eine
geringfügige Veränderung der Permeabilitäten aufgrund des Molekulargewichtes des gelösten Materials
erfolgen darf und ein hoher Abstoßungsgrad gegenüber bestimmten Stoffen, wie Proteinen, vorliegt. Zur
Herstellung einer fortschrittlichen Membran sind bereits eine Vielzahl von Hochpolymeren bezüglich
ihrer Membraneigenschaften untersucht worden.
Äthylen/Vinylalkohol-Copolymere können geeignet sein als Materialien zur Herste!!-mg von Hämodialysemembranen, da sie eine gute Bioverträglichkeit sowie
gute aniihämolytische und antithrombogene Eigenschaften besitzen und zusätzlich erwünschte Eigenschaften aufweisen, wie Dauerhaftigkeit, chemische Stabilität
und Heißsiegelungsfähigkeit.
Hirofuji et al. konnten bereits einen pemeablen Film aus einem Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren herstellen (vgl. die JP-OS 49- Il 3 859). Jedoch war ihr Mim oder
ihre Membran undurchsichtig und ungleichmäßig und wies eine dicke Hautschicht auf der Oberfläche auf,
wobei ferner eine große Anzahl von großen Poren mit Durchmessern von mehr als 2 μ innerhalb der inneren
Schicht vorlagen, da sie die Membran nach einem Naßverfahren durch Auflösen des Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren in einer Lösung herstellten, die aus
Wasser und einem Alkohol bestand (beispielsweise einer W.isser/Methanol-Lösung oder einer Wasser/Isopropylalkohol-Lösung). Obwohl daher eine derartige
Membran eine hohe Permeabilität gegenüber Wasser besitzt, ist die Permeabilität gegenüber Substanzen mit
mittlerem Molekulargewicht, wie Vitamin B|2l gering,
wobei darüber hinaus der Rejeklionsgrad für abzutrennende Stoffe, wie Proteine, niedrig ist. Daher können
aufgrund dieser Membraneigenschaften diese nicht als Hämodialysemembranen verwendet werden. Sogar in
Fällen, in denen sie für andere Abtrennzwecke eingesetzt werden, ist ihr Einsatz erheblich eingeschränkt. Daher werden bisher Membranen aus
AthylenZVinylalkohol^Copolymeren nur in beschränk-
tem Umfange Verwender,
Es wurde gefundent daß eine Membran, die durch
Auflösen eines Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren in einem spezifischen Lösungsmittel und Koagulieren des
Polymeren nach einem Naßverfahren unter milden ι Bedingungen hergestellt wird, keinerlei ungleichmäßige
Struktur sowie irgendwelche großen Poren aufweist und als ausgezeichnete Hämodialysemembranen verwendet
werden können (vgl. die DE-OS 26 25 681).
Die vorstehend erwähnten Membranen zeichnen sich dadurch aus, daß der durchschnittliche Durchmesser der
sie bildenden Teilchan zwischen 100 und 10 000 Ä liegt,
wobei die Membran aus diesen Teilchen besteht, die miteinander verbunden sind, wobei im wesentlichen
keine Poren mit einem Durchmesser von mehr als zwei ι ■>
Mikron vorliegen, wenn die Membranen in trockenem Zustand mit einem Elektronenmikroskop beobachtet
werden.
Die vorstehend beschriebene Membran zeichnet sich zwar durch eine ausgezeichnete Permeabilität gegenüber
Wasser sowie gegenüber Substanzen mit mittleren Molekulargewichten, die als Ursachen fü: eine Uremie
angesehen werden, aus, es ist jedoch ioimer noch erforderlich, den Ausgleich zwischen der Wasserpermeabilität
und der Permeabilität gegenüber gelösten :i Stoffen zu verbessern.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß eine Membran mit einer spezifischen asymmetrischen
Struktur, die von der gleichmäßigen Struktur der vorstehend beschriebenen Membranen verschieden ist, «1
unter Einsatz einer Äthylen/Vinylalkohol-Copolymermasse
mit einem spezifischen Äthyleneinheitengehait hergestellt werden kann, wobei die Permeabilitätseigenschaften,
insbesondere die Wasserpermeabilität sowie die Permeabilität gegenüber gelösten Stoffen in einem r>
erheblichen Ausmaße durch Einstellung der Koagulicrungstemperatur variiert werden können. Diese Erkenntnis
ist von erheblicher Bedeutung, da Membranen mit einer Vielzahl von Verwendungszwecken auf diese
Weise aLo Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren hergestellt
werden können.
Die Beziehung zwischen der Wasserpermeabilitäl
und der Permeabilität gegenüber gelösten Stoffen wird nachfolgend kurz erläutert. Der Ausgleich zwischen der
Wasserpermeabilität und der Permeabilität gegenüber 4r>
gelöste;; Stoffen sollte je nach dehi Verwendungszweck,
für welchen die Membran verwendet wird, variiert werden. Beispielsweise ist es im Falle einer Himolysernembran
zweckmäßig, wenn die Wasserpermeabilität der vorstehend erwähnten homogenen Äthylen/Vinylal- r>o
kohol-Copolymermembran (abgekürzt als EVA-Membran) u-.n 30 bis 40% vermindert wird, während eine
gute Permeabilität gegenüber Substanzen mit mittleren Molekulargewichten aufrechterhalten wird. Andererseits
ist es beispielsweise für industrielle Anwendungs- ■">">
zwecke, bei denen verschiedene Arten von Lösungen konzentriert werden sollen, zweckmäßig, die Permeabilität
gegenüber gelösten Stoffen zu vermindern, jedoch die Wasserpermeabilität zu erhöhen. Wie aus den
vorstehenden Ausführungen hervorgeht, wird das t>o Anwendungsgebiet der Membran erheblich ausgedehnt,
wenn die Wasserpermeabilität sowie die Permeabilität gegenüber gelösten Stoffen sich leicht steuern läßt.
Die erfindungsgemäße Äthylen/Vinylalkohol-Copolymermembran
gemäß Patentanspruch 1 besitzt eine spezifische asymmetrische Struktur, wobei sich ihre
Eigenschaften leicht Jurch Einstellen der Koagulierungstemperaturder
Membran variieren lassen.
Die Herstellung dieser Membran erfolgt gemäß Patentanspruch 2,
Wesentlich für die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Membran ist, daß sie aus einer Masse aus den
Polymeren A und B hergestellt wird. Membranen, die nur aus einer einzigen Komponente hergestellt werden,
und zwar entweder dem Polymeren A oder dem Polymeren B, werden in der DE-OS 26 25 681, die weiter
oben erwähnt wurde, beschrieben. Es wurde jedoch festgestellt, daß Membranen, die aus einem einzigen
Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren bestehen, bezüglich ihrer Wirkungsweise beschränkt sind, wobei es
schwierig ist, die Grenze mit nur einem Äthylen/VinylalkohGl-Copolymeren
zu überschreiten. Erfindungsgemäß werden Membranen mit einer Zusammensetzung hergestellt, die aus zwei Arten von Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
besteht, wobei i/i unerwarteter Weise gefunden wurde, daß Membranen mit einer derartigen
Zusammensetzung sich grundlegend bezüglich der MikroStruktur von Membranen Tt ■■'-.{ einem EVA-Copolymeren
unterscheiden, wobei die erfindungsgemäßen Membranen darüber hinaus wesentlich verbesserte
Eigenschaften besitzen.
Erfindungsgemäß ist es erforderlich, ein Äthylen/Vinyla'koholcopolymeres
mit einem Äthyleneinheitengehait von 20 bis 90 Mol-% und ein anderes Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeres
mit einem Äthyleneinheitengehait von 1 bis 20 Mol-% als Polymeres A bzw. Polymeres B in der Weise auszuwählen, daß der
Unterschied zwischen den zwei Äthyleneinheitengehalten nicht weniger als 5 Mol-% beträgt, wobei es ferner
notwendig ist, daß das Polymere A und das Polymere B in einem Gewichtsverhältnis (A/B) zwischen 95/5 und
50/50 vorliegen. Zubereitungen, welche nicht diesen Anforderungen entsprechen, vermögen keine Äthylen/
Vinylalkohol-Copolymermembranen zu liefern, die als Dialysemembranen mit einer ausreichenden Festigkeit
eingesetzt werden können und eine spezifisch feine Struktur besitzen, auf die nachfolgend näher eingegangen
wird.
Die Äthylen/Vinylalkohol-Copolymermasse, die erfindungsgemäß
eingesetzt wird, wird in vorteilhafter Weise in der Weise hergestellt, daß das Polymere A und
das Polymere B in einem vorherbestimmten Verhältnis miteinander vermischt werden. Ferner ist es möglich,
die Masse aus dem Polymeren A und B in einem Schritt herzustellen, indem die Copolymerisation von Äthylen
und Vinylacetat durchgeführt wird, während die Polymerisationsbedingungen entsprechend eingestel't
werden, beispielsweise durch Einstellung der Menge an Äthylen in dem Keaktionss/stem oder durch Austausch
des Lösungsmittels während der Polymerisation und Verseifung der erhaltenen Mischung aus zwei Arien von
Äthylen/Vinylacetat-Copolymeren mit verschiedenen Äthyleneinheiter.
Im Falle irgendeiner Abweichung von den erfindungsgemäß angegebenen Bereichen wird keine oder
nur eine geringfügige Verbesserung bezüglich dos Ausgleiches zwischen Wasserpermeabilität und Permeabilität
gegenüber gelösten Stoffen erzielt, wie aus den Ergebnissen hervorgeht, die in der folgenden
Tabelle zusammengefaßt sind. Wird das Polymere A mit einem anderen Polymeren A oder ein anderes
Polymeres B mit einem anderen Polymeren B kombiniert, dann ist das Produkt derartig schlecht, daß
es nicht als Dialysemembran bezüglich des erwähnten Ausgleiches oder der mechanischen Eigenschaften
verwendet werden kann.
5 | 28 38 665 | 6 | Harnsäure, cm/minXIO ' |
|
Nr. | Athylcneinhciten- gchiill. Mol-% |
Mischvcrhiiltnis. Cicwichl/Ciewichl |
I'crmcahililiil Wasser. ml/ην h · mm Hg |
115 |
I | 33 | — | 10.5 | 120 |
2 | 33/18 | 97/3 | 10.5 | 160 |
3 | 33/6,2 | 93/7 | 10.5 | 180 |
4 | 20 | - | 10,5 | 180 |
5 | 20/18 | 80/20 | 10.5 | 210 |
6 | 20/6,2 | 80/20 | 10.5 | |
Ein anderes erfindungsgemäßes Merkmal besteht darin, daß die Membran nicht nur die vorstehend
angegebene Zusammensetzung besitzt, sondern sich auch vollständig in der MikroStruktur von herkömmlichen EVA-Copolymermembranen unterscheidet.
Bei einer Beobachtung in trockenem Zustand mit einem Elektronenmikroskop besitzt die Membran eine
aktive Schicht oder eine Hautschicht auf der Oberfläche und eine spezifische darunterliegende poröse Schicht.
Diese poröse Schicht besteht aus einer Mono- oder Vielfarhschicht aus einer Vielzahl von zylindrischen
Leerstellen, wobei die Länge der Längsachse oder der Längsachsen insgesamt 50 bis 98% der Membrandicke
entspricht, wobei ferner eine Vielzahl von kugelförmi gen Leerstellen mit einem Durchmesser von einigen
Mikron vorhanden ist. Derartige poröse Schichten mit zylindrischen Leerstellen und kugelförmigen Leerstellen
mit Durchmessern in der Größenordnung von Mikron sind neue Schichten, die sich von anderen
bekannten porösen Schichten unterscheiden. Die zylindrischen sowie kugelförmigen Leerstellen können
in einer Mono- oder Vielfachschichtstruktur (Zwei-Schicht- oder Mehrschichtstruktur), wie sie nachfolgend
näher erläutert wird, vorliegen. Dieser Aufbau läßt sich in der Weise erzielen, daß die Membran von einer Seite
oder von beiden Seiten koaguliert wird. In jeder der
Strukturen beträgt die Gesamtlänge der Längsachsen der zylindrischen Leerstellen in Richtung der Membrandicke 50 bis 98% der Membrandicke.
Die erfindungsgemäße Membran besitzt eine Porosität zwischen 70 und 95%. Die Porosität wird durch die
Formel
P= (1 -pb/pa)x 100
berechnet, worin pa das spezifische Gewicht der
Membran ohne Leerstellen und pbder Quotient ist. eier
durch Teilen des Membrangewichtes durch das Membranvolur .en erhalten wird.
Diese charakteristische Struktur der porösen Schicht
sowie das Vorliegen der aktiven Schicht sind die Gründe, weshalb, wie man annimmt, die Wasserpermeabilität
sowie die Permeabilität gegenüber gelösten Stoffen der erfindungsgemäßen Äthylen/Vinylaikohoi-Copolymermembranen
leicht gesteuert werden können.
Die Tatsache, daß eine Membran aus einem einzigen Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren und eine Membran ι
aus einer Masse aus zwei Äthylen/Vinylalkohol-Coaolymeren
bezüglich der MikroStruktur jeweils ■>ö'Iie
verschieden sind, war unerwartet.
Die Erfindung wird durch die Zeichnungen näher erläutert. ι
F i g. I ist eine Mikrofotografie (300-fache Vergrößerung)
einer erfindungsgemäßen Membran, die mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen worden ist.
■ I ι g. 2 isi eine ^.Nematische Darstellung dieser
Membran. In dieser Figur bedeutet die Bezugszahl I eine dichte, aktive Schicht auf der Oberfläche der
Membran. 2. 2'... sind zylindrische Leerstellen und 3
\ ... kugelförmige Leerstellen. Die größten dieser zylindrischen Leerstellen weisen eine Länge auf. die
98% der Membrandicke entspricht, wobei die durchschnittliche
Lange der Leerstellen in den meisten Fällen ungefähr 80% beträgt. Die Membran enthält kugelförmige
Leerstellen in der Größenordnung von Mikron im ' Durchmesser, wobei in diesem Zusammenhang unter
»kugelförmig» zu verstehen ist. daß sich die Leerstellen mehr der Kugelform im Vergleich zu den zylindrischen
Leerstellen nähern. Die Definitionen dieser zwei Arten von Leerstellen sind nicht kritisch, sollten jedoch mit
' einem gewissen Spielraum interpretiert werden.
Die Länge der Längsachse einer zylindrischen Leerstelle ist die Entfernung zwischen zwei derartigen
Fnden der Leerstelle, die am entferntesten voneinander in Richtung der Membrandicke sind, wobei eine
' derartige Länge durch »I« in Fig. 2 zum Ausdruck
gebracht wird.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer
Membran, wobei zylindrische Leerstellen in einer Zweischichtenstruktur vorliegen. In diesem Falle ist die
Summe der Längen der Längsachsen der Leerstellen I- + I2. wie aus F i g. 3 hervorgeht.
Fig. 4 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme
mit 60O0facher Vergrößerung, welche die Struktur in der Nachbarschaft der Oberflächenschicht einer Membran
gemäß vorliegender Erfindung zeigt. Die Leerstellen, die aus der Fig.4 hervorgehen, sind kugelförmig.
wobei jede einen Durchmesser in der Größenordnung vor, Mikron besitzt. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß
die aktive Schicht in der Nähe der Oberfläche eine dichte und kompakte Struktur aufweist, während die
innere polv mere Schicht eine Teilchenstruktur besitzt.
Fig. 5 ist eine elektronenmikroskopische Auliiahme
mit 24QOfacher Vergrößerung, weiche die Struktur einer
Membran zeigt die nach einem Verfahren hergestellt worden ist, welches das gleiche wie das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch aus einem einzigen
Äthylen/Vinyialkohol-Copolymeren. Aus Fig.5 ist zu
ersehen, daß die ganze Membran eine im wesentlichen gleichmäßige Struktur besitzt Eine poröse Struktur ist
nicht festzustellen.
F i g. 6 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme in 2400facher Vergrößerung, weiche die Struktur einer
Äthylen/Vinylalkohol-Copolymermembran zeigt, wie
sie in der JP-OS 49-113 859 beschrieben wird. Fig.6
zeigt daß diese Membran eine dichte und kompakte Oberflächenschicht und eine Vielzahl relativ großer
Poren mit Durchmessern von nicht weniger als 2 Mikron in der inneren Schicht aufweist. Diese
Mikroaufnahme zeigt, daß die MikroStruktur der erfindungsgemäßen Membran neu und sehr charakteristisch
ist.
Obwohl bisher die Gründe, weshalb eine Membran,
die aus einer Masse hergestellt wird, die aus zwei Arten von Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren besteht, hergestellt
worden ist, die vorstehend beschriebene Struktur aufbist, steht zu vermuten, daß eine komplizierte
Koagulierungsreaktion während der Membranbildung durch eine Naßkoagulierung der Masse als Ergebnis des
Unterschieds der Koagulierbarkeil /wischen den zwei Äthylen/Vi nylalkohol-Copolymercn erfolgt.
Die elcktronenmikroskopisehcn Aufnahmen wurden
in der folgenden Weise hergestellt:
Mine getrocknete Membran, die nach der nachfolgend beschriebenen Methode hergestellt worden ist. wurde in
flüssigem Stickstoff eingefroren und zerbrochen. Gold wurde auf die Bruchoberfläche in einer Dicke von 100 Λ
durch Dampfabscneidung aufgebracht, worauf die
Bruchstelle unter einem Elektronenmikroskop. Modell HFS λ hergestellt von der Hitachi. Ltd.. beobachtet
wurde.
Die crfindiingsgcmäß durch Koagulierung bei tieferen
Temperaturen, wie sie nachfolgend näher erläutert
u erden, erzeugten Membranen /eigen eine Permeabilität
gegenüber Wasser von 3 bis 20 ml/m; ■ h · mm Hg.
eine Permeabilität gegenüber Harnsäure von 100 bis 300 χ 10 4cm/min und eine Permeabilität gegenüber
VB1. von 25 bis 70 χ 10 J cm/min. Im Falle der
Membranen, die bei einer höheren Koagulierungstemperz.jr
hergestellt worden sind, beträgt die Permeabilität gegenüber Wasser nicht weniger als 20 ml/
m2 ■ h mm Hg. die Permeabilität gegenüber Harnsäure
nicht mehr als 100 χ 10 4 cm/min und die Permeabilität
gegenüber VBu nicht mehr als 25 x 10-4 cm/min.
Die Methoden zur Herstellung der erfindungsgemä-Ben Membranen werden nachfolgend näher erläutert:
Die vorstehend erwähnten Membranen werden durch Koagulieren einer Polymerlösung hergestellt, die durch
Auflösen der Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren mit verschiedenen Äthyleneinheitengehalten in einem Lösungsmittel
hergestellt worden sind, das im wesentlichen aus Dimethylsulfoxid. Dimethylacetamid. Methylpyrrolidon.
Pyrrolidon oder einer Mischung davon besteht. Die Koagulierung erfolgt in einem Koagulierungsbad,
das im wesentlichen Wasser enthält. Die Membranbildung in einem Koagulierungsbad. das im
wesentlichen aus Wasser besteht, wird insbesondere bei einer Polymerkonzentration (C) der Lösung von 10 bis
40 Gew.-% sowie bei einer Temperatur von —15 bis 80° C durchgeführt.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
können Random-, Block- und Pfropfpolymere sein, wobei eines der Polymere einen
Äthyleneinheitengehalt von 20 bis 90 Mol-%, insbesondere 20 bis 65 Mol-%, als Polymeres A bezüglich der
mechanischen Festigkeit, Verträglichkeit mit dem anderen sowie Bioverträglichkeit bevorzugt wird,
während ein anderes mit einem Äthyleneinheitengehalt von 1 bis 20 Mol-% als Polymeres B im Hinblick auf die
Permeabilität (insbesondere gegenüber Wasser) und Verträglichkeit zu dem anderen Polymeren bevorzugt
wird. Der Verseifungsgrad des Copolymeren sollte wenigstens 80 Mol-%, bezogen auf die Vinylalkoholeinheiten
in dem Copolymeren, und vorzugsweise nicht weniger ais 95 Moi-% betragen, da ein Verseifungsgrad
von weniger als 80 Mol-% eine unzureichende mechanische Festigkeit im nassen Zustand bedingt.
Gewöhnlich werden Polymere mit Verseifungsgraden von nicht weniger als 99 Mol-% verwendet. Während
jedoch das Polymere A, welches die Hauptkomponente darstellt, in z.weckmäßiger Weise einen relativ hohen
Verseifungsgrad aufweist, kann sogar ein Polymeres mit einem Verseifungsgrad von weniger als 80 Mol-% als
Polymeres B verwendet werden. Die Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
können Copolymere mit anderen copolymerisierbaren Monomeren sein, wie Methacrylsäure,
Vinylchlorid. Methylmethacrylat, Acrylnitril sowie Vinylpyrrolidon, und /war in einer Menge von nicht
mehr als 50 Mol-%. wobei weitere Vernetzungen in die Äthylcn/Vinylalkohol-Copolymercn vor oder nach der
Membranbildung in der Weise eingeführt werden können, daß diese Copolymeren mit einem anorganischen
Vernetzungsmittel, wie einer Borverbindung, oder einem organischen Vernetzungsmittel, wie einem
Diisocyanat oder Dialdchyd. behandelt werden. Die Lopoiymeren können auch solche Copolymere sein, bei
denen die funktionellen Hydroxylgruppen von Vinylalkoholeinheiten teilweise mit einem Aldehyd, wie
Formaldehyd. Acetaldehyd. Butyraldehyd oder Benzaldehyd, in einem Ausmaß von nicht mehr als 30 MoI-11Zn
acctalisicrt worden sind.
Ferner ist es vorzuziehen, daß die crfindungsgemnß
eingesetzten Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren eine
Viskosität zwischen 1.0 und 50 Centipoise besitzen, und
zwar gemessen unter Verwendung einer Dimethylsulfoxidlösung des Polymeren in einer Konzentration von 3
Gew.-% bei 3O0C unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters.
Falls die Viskosität unterhalb dieses Bereiches liegt, bedeutet dies einen geringeren Polymerisationsgrad,
wobei die für eine Membran gewünschten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden
können. Andererseits bedingen höhere Viskositäten Schwierigkeiten bei der Membranbildung.
Es sind Lösungsmittel bekannt, welche in der Lage sind, Äthylen/Vinylalkohol-Copolymere aufzulösen, beispielsweise
einwertige Alkohole, z. B. Methanol oder Äthanol, mehrwertige Alkohole, beispielsweise Äthylenglykol,
Propylenglykol oder Glycerin. Phenol, m-Cresol. Ameisensäure oder Mischungen dieser Verbindungen
mit Wasser. Zur Herstellung von Hämodialysemembranen mit in geeigneter Weise ausgeglichenen
Permeabilitäten gegenüber Wasser und gelösten Stoffen werden Dimethylsulfoxid, Dimethylacetamid. Methylpyrrolidon.
Pyrrolidon oder eine Mischung davon oder eine wäßrige Lösung davon, bevorzugt. Besonders
bevorzugt wird Dimethylsulfoxid, das eine hohe Löslichkeit gegenüber Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
zeigt. Werden die Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren in einem Lösungsmittel, wie es vorstehend
erwähnt worden ist, aufgelöst, insbesondere in Dimethyisulfoxid,
dann kann das Lösungsmittel ein anderes Lösungsmittel, wie Wasser, Methanol, Isopropylalkohol
oder Dimethylformamid, oder eine andere Flüssigkeit, die in dem Lösungsmittel mischbar ist, enthalten, ferner
ein anorganisches Salz, solange der Ausfällungspunkt (die Temperatur, bei welcher die Äthylen/Viny'alkohol-Copolymeren
während des Abkühlens der Lösung allmählich auszufallen beginnen) bei 60° C oder darunter
bleiben.
Die Konzentration der Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
in der erwähnten Lösung liegt vorzugsweise zwischen 10 und 40 Gew.-%. Die Temperatur der
Polymerlösung wird vorzugsweise bei 0 bis 120°C und insbesondere bei 5 bis 600C gehalten. Bei höheren
Temperaturen kann eine Schädigung der Polymeren
erfolgen, und bei tieferen Temperaturen ist die Viskosität der Lösung in nachteiliger Weise zu hoch,
was die Membranbildung erschwert.
Das in dem Koagulierungsbad einzusetzende Koagu- lierungsmittel ist ein wäßriges Medium. Das wäßrige
Medium kann entweder aus Wasser allein oder aus Wasser und einem mit Wasser mischbaren organischen
Lösungsmii.el bestehen, wobei es sich gewöhnlich um das gleiche handelt, wie es für die Polymerlösung
verwendet worden ist, und zwar in einer Menge von 70 u>
Gew-%, wobei das Medium ferner ein anorganisches Salz, wie Natriumsulfat, enthalten kann.
Die Koagulierungsbeclingun^».n, insbesondere die
Koagulierungstemperatur. sind von wesentlicher Bedeutung zur Herstellung der i-rfindungsgemäDen Mem- ι ">
branen. Membranen mit einei geringen Wasserpermeabilität
und einer hohen Permeabilität gegenüber gelösten Stoffen (insbesondere mit einer Wasserpermeabilität
von 3 bis 20 ml/m- · h ■ mm Hg, einer
Harnsäurepermeabilität von 100 bis 300 χ 10 4 cm/min _ίι
und einer VBu-Permei'bilität von 25 bis 70 χ Ό 'cm/
min) werden erzeugt, wenn die Koagulierung einer Polymerlösung mit einer Polymerkonzentration (C) von
10 bis 40 Gew.-% in einem Koagulierungsbad durchgeführt wird, das bei einer Temperatur gehalten j~>
wird, die folgenden Bedingungen genügt:
im Falle 10 <C<25, - 15 S TSC- 10 und
im Falle 25 <CS40. 2C-90 S T ä IC- 35.
im Falle 25 <CS40. 2C-90 S T ä IC- 35.
Wird die Koagulierung in einem Koagulierungsbad durchgeführt, das bei einer Temperatur gehalten wird,
welches folgenden Bedingungen genügt:
imFallel0<C<25, C-8 ä 7"<C+40und
im Falle 25 SCS40, 2C-35 S 7~<2C.
im Falle 25 SCS40, 2C-35 S 7~<2C.
dann werden Membranen mit einer höheren Wasserpermeabilität und einer niedrigen Permeabilität gegenüber
gelösten Stoffen (insbesondere mit einer Wasserpermeabiiität von 20 ml/m2 ■ h · mm Hg oder darüber,
einer Harnsäurepermeabilität von 100 χ 10~4cm/min i"
oder weniger und einer VBu-Permeabilität von 25 χ 10-4 cm/min oder weniger) erzeugt. Die Koagulierung
im ersteren Falle, in welchem eine relativ niedrige Temperatur eingehalten wird, und diejenige im
letzteren Falle, wo eine relativ hohe Temperatur -r> eingehalten wird, kann als »Tieftemperaturkoagulierung«
bzw. »Hochtemperaturkoagulierung« bezeichnet werden.
Eines der erfindungsgemäßen Merkmale besteht darin, daß Membranen mit wechselnden Eigenschaften ίο
in der Weise hergestellt werden können, daß lediglich die Temperatur des Koagulierungsbades eingestellt
wird.
Die erzeugten Membranen können entweder in feuchtem Zustand oder in Form von trockenen ~>r>
Membranen nach einem Trocknen eingesetzt werden.
Die Trocknungsmethoden bestehen darin, das in den Membranen enthaltene Wasser durch ein mit Wasser
mischbares organisches Lösungsmittel, das jedoch nicht die Polymeren aufzulösen vermag, zu verdrängen, to
beispielsweise durch Aceton, Methanol, Äthanol oder Tetrahydrofuran, worauf das organische Lösungsmittel
durch Erhitzen entfernt wird. Beispielsweise kann man die Membran während oder nach ihrer Bildung mit
einem mehrwertigen aliphatischen Alkohol, wie Äthy- b*
lenglykol, Diäthylengiykoi oder Glycerin behandeln,
worauf sich eine Trocknung der Membran unter Erhitzen bei einer relativ niedrigen Temperatur
anschließt. Ferner kann die feuchte Membran in flüssigem Siickstoff oder dgl. eingefroren werden,
worauf sich eine Sublimation von gefrorenem Wasser unter vermindertem Druck anschließt. Man kann auch
noch andere geeignete Trocknungsmethoden anwenden.
Die erfindungsgemäßen Membranen aus den Äthy-Ien/Vinyla!kohol-Copolymeren
werden in Form von Filmen, Rohren oder Hohlfasern gebildet, je nach dem Verwendungszweck, und zwar mit oder ohne Stützelemente.
Die Koagulierung kann ferner in einer Vielzahl von Bädern (Vielbadsystem) durchgeführt werden. In
diesem Falle muß wenigstens die Temperatur des ersten Koagulierungsbades die vorstehend erwähnten spezifischen
Bedingungen erfüllen. Der Film besitzt eine Dicke von 10 bis 100 Mikron, während die Hohlfasern je» cils
einen äußeren Durchmesser von 50 bis 1500 Mikron ίικΙ
eine Wanddicke von 10 bis ungefähr 300 Mikron
Die Permeabilitäten gegenüber Wasser. Harnsäure und Vitamin Bi>
werden in der folgenden Weise bestimmt:
(1) die Wasserpermeabilität K' wird ii.iter Verwendung
der nachfolgend angegebenen Formel aus einer Messung bei 37"C sowie bei einem Druck von 100 bis
300 mm Hg bestimmt:
K'= V/A ■ t ■ AP(m\/m- ■ h · mm Hg).
worin V das Volumen des durchgegangenen Wassers (cm1), A die Fläche der Dialysemembran (cm2), t die Zeit
der Permeation (sec) und zlPder Druck (Dyn/cm2). bei
welcher die Messung durchgeführt wird, ist, d. h. AP = 980 (13,54 y+ *;Cg/cm · see2, wobei/die Höhe
der Quecksilbersäule und χ die Höhe der Wassersäule der Meßzelle bedeuten.
(2) Die Messung der Permeabilitäten gegenüber Harnsäure und Vitamin Bi>
erfolgt bei 37°C, wobei die Gesamtpermeabilität (Po) nach folgender Formel
bestimmt wird:
(cm/m:..)
ln( ICi',/
JCi')
A(IiV1 + IiV1)U"-
worin
ACt' = [Cf]1-[Cf]2
ACt"=- [Cf] ι -[Ci"] 2
[Cf] ,and [Ct"],:
Konzentration der Lösung von Harnsäure etc. (erste Zelle) nach der Permeation während /'bzw.
/"in Minuten
[C/']2and[C/"]2:
Konzentration der Lösung, die gelösten Stoff enthält, der durch die Membran durchgegangen ist
(zweite Zelle) nach der Permeation während der Zeit /'bzw. der Zeit /"in Minuten
V\: Volumen der Lösung von Harnsäure etc. (erste
Zelle)
V2: Volumen der Lösung, die durchgegangenen gelösten Stoff enthält (zweite Zelle).
Die erfindungsgemäßen Äthylen/Vinylalkohol-Ccpo-Iymermembranen besitzen ausgezeichnete Eigenschaften, die sie für eine Verwendung als Hämodialysemembranen in künstlichen Nieren, wie vorstehend erwähnt
wurde, geeignet machen. Die Membranen eignen sich ferner als Trennmembranen für Bakterien, Proteine,
Viren sowie kolloidale Substanzen, ferner als Dialyse-
Il
membranen für andere Zwecke sowie als Ultrafiltra
tionsmembranen.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Ein Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeres mit einem Äthyleneinheitengehalt von 33 Mol-% und einem
Verseifungsgrad von weniger als 99% wird in einem gemischten Lösungsmittel aus Methanol und Wasser
oder Propanol und Wasser bzw. Dimethylsulfoxid aufgelöst. Die Lösung wird zu einer Membran unter
wechselnden Bedingungen vcrarbeiiet. Die Permeabilitätseigenschaften
der erhaltenen Membranen gehen aus der Tabelle I unter den Nummern 1 bis Ί hervor. Die
Ergebnisse der Permeabilitätsmessungen der erfindungsgemäß
hergestellten Membranen, zu deren Herstellung eine Masse aus zwei Polymeren mit
verschiedenen Äthylcncinhcitcngchiilten verwendet wird, zeigen einen ausgezeichneten Ausgleich zwischen
der Wasserpermeabilität und der Permeabilität gegenüber
gelösten Stoffen. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I in den Zeilen 5 bis 11 zusammengefaßt.
Wie aus der Tabelle I hervorgeht, besitzen die Membranen, die unter Einsatz von gemischten Lösungs
mitteln aus Alkohol und Wasser hergestellt worden sind, keinen Ausgleich zwischen der Wasserpermeabilität
■ι und der Permeabilität gegenüber gelösten Stoffen, wie
sie für Hämodialysemembranen erforderlich ist. Im Gegensatz zu den Wasser/Alkohol-Lösungsmittelsystemen ist Dimethylsulfoxid in der Lage, eine merklich.
Verbesserung des Ausgleiches zwischen der Wasserper-
Hi mcabilität und der Permeabilität gegenüber gelösten
Stoffen sogar dann zu bewirken, wenn Membranen aus nur einem einzigen Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
hergestellt werden (Nr. 8 und Nr. 10). Eine weitere Verbesserung bezüglich dieses Ausgleiches ist jedoch
π erforderlich, um diese Membranen als HamodiaNsemembranen
geeignet zu machen.
Die Ergebnisse in der Tabelle I zeigen deutlich, daß die unter den angegebenen spezifischen KoaKulieruncsbedingungen
erzeugten Membranen gemäß vorliegen-
Ό der Erfindung einen verbesserten Ausgleich zwischen
der Wasserpermeabilität und der Permeabilität gegenüber gelösten Stoffen besitzen.
"robe Nr. | Äthylcn- | Mischver | Lösungsmittel | Lösungs- | l'ermciihil | iliit | VHp | Aussehen der |
ychafl | hältnis | (Volumciiverhällnis) | temp., ( | Wasser | Harn- | cm/min | feuchten M-.'mhran | |
Mol -1Ii | (icw./(icw. | ml/nv | säure | XI(I ' | ||||
■ h | cm/min | |||||||
■ mm ΙΙμ | X 10 ' | 10 | ||||||
I | 33 | Propanol/Wasser | 40 | 55 | 90 | undurchsichtig | ||
(50/50) | 0 | |||||||
2 | 33 | - | Methanol/Wasser | 60 | 5 | 20 | undurchsichtig | |
(70/30) | 33 | |||||||
3 | 3i | - | Dimethylsulfoxid | 40 | 10,5 | 115 | 43 | transparent |
4 | 33 | - | Dimethylsulfoxid | 40 | 15 | 135 | 40 | transparent |
5 | 33/6,2 | 93/7 | Dimethylsulfoxid | 40 | 10,5 | 160 | 43 | undurchsichtig |
6 | 33/6,2 | 88/12 | Dimethylsulfoxid | 40 | 10.5 | 173 | 44 | undureiisichtig |
7 | 33/6,2 | 81/19 | Dimethylsulfoxid | 40 | 9.0 | 206 | 34 | undurchsichtig |
8 | 45 | - | Dimethylsulfoxid | 40 | 10.5 | 118 | 40 | undurchsichtig |
9 | 45/6,2 | 89/11 | Dimethylsulfoxid | 40 | 10,5 | 155 | 18 | undurchsichtig |
10 | 55 | - | Dimethylsulfoxid | 40 | 5,0 | 67 | 37 | undurchsichtig |
Il | 55/6,2 | 93/7 | Dimethylsulfoxid | 40 | 5,0 | 125 | undurchsichtig | |
Koagulicrungstcmperatur: 0 bis 2 C.
Die Tabelle II zeigt, wie weit die Membraneigenschaften durch eine Nachbehandlung der in der Tabelle I
angegebenen feuchten Membranen variieren können.
Wie aus der Tabelle II hervorgeht, verändert ein Acetonersatz oder eine Glycerinbehandlung mit anschließendem Trocknen bei Zimmertemperatur nicht
die Permeabilität, wobei trockene Membranen mit ausgezeichneten beibehaltenen Permeabilitätseigenschaften erhalten werden. Wird eine Masse aus einem
Äthylen/VmylaJkohol-CopoIymeren (Polymeres A) mit
einem Äthyleneinheitengehalt von 33 Mol-% mit einem Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren (Polymeres B) mit einem Äthyleneinheitengehalt von 6,2 Mol-%, das eine hohe Glasübergangstemperatur besitzt, in einer Menge
von 20% verwendet, dann weist die erhaltene Membran, die Glycerin enthält, eine im Vergleich zu einer Glycerin-enthaltenden Membran, die aus einem einzigen Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren hergestellt
worden ist, um 40% verbesserte Wärmewiderstandsfähigkeit auf. Diese Wärmewiderstandsfähigkeit bedeutet
eine Prozentretention der Wasserpermeabilität nach einem Stehenlassen der Giycerin-cnthaitenden Membran in einem auf 45° C gehaltenen Thermostaten
während einer Zeitspanne von 12 Stunden im Vergleich
zu dem Wert vor der Wärmebehandlung
13
14
Wasser llarn-
ml/nv säure
• h cm/min
mm I Ig XlO4
Vitamin B1:
cm/min XIO 4
1 Probe Nr. 4 in Tabelle I
2 Nr. 1 wird einer Acetonverdrängung unterzogen und dann bei Zimmertemperatur getrocknet
3 Nr. I wird mit einer 40%igen wäßrigen Glycerinlösung behandelt und
dann bei Zimmertemperatur getrocknet
4 Nr. 3 Jäßt man bei 45 C während einer Zeitspanne von 12 Stunden
stehen
5 Probe Nr. 5 in Tabelle I
6 Nr. 5 wird mit Aceton behandelt und dann bei Zimmertemperatur getrocknet
7 Nr. 6 wird mit einer 40%igen wäßrigen Glycerinlösung behandelt und
dann bei Zimmertemperatur getrocknet
8 Nr. 7 wird bei 45 C während ein^r Zeitspanne von 12 Stunden
wärmebehandcll
9 Probe Nr. 6 in Tabelle I
10 Nr. 9 wird mit Aceton behandelt und dann bei Zimmertemperatur
getrocknet
11 Nr. IO wird mit einer 40%igen wäßrigen Glycerinlösung behandelt und 10.5
dann bei Zimmertemperatur getrocknet
12 Nr. Il wird bei 45 C" während einer Zeitspanne von 12 Stunden
wärmebehandelt
13 Probe Nr. 7 in Tabelle I
14 Nr. 13 wird mit Aceton behandelt und dann bei Zimmertemperatur
getrocknet
15 Nr. 14 wird mit einer 40% wäßrigen Glycerinlösung behandelt und
dann bei Zimmertemperatur getrocknet
16 Nr. 15 wird bei 45 C" während einer Zeitspanne von 12 Stunden
wärmebehandelt
10,5 | \'x5 | 3i |
10,5 | 115 | 33 |
10,5 | 115 | 33 |
42 | 574 | 17 |
10,5 | 160 | 40 |
10,5 | 160 | 40 |
10,5 | 160 | 40 |
6,5 | 128 | 31 |
10,5 | 173 | 43 |
10,5 | 173 | 43 |
10.5 | 173 | 43 |
7,6 | 147 | 37 |
9,0 | 206 | 44 |
9,0 | 206 | 44 |
9,0 | 206 | 44 |
7,4 | 175 | 38 |
Massen aus zwei Arten von Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
werden in Dimethylsulfoxid zur Herstellung von Spinnlösungen mit einer Polymerkonzentration
von 20 Gew.-% aufgelöst. Die Spinnlösungen werden zu Membranen durch Koagulieren in einerr
Wasserbad bei 30 bzw. 50° C verformt. Einzelheiten dei Membranen sowie der Wasserpermeabilitäten geher
aus der Tabelle III hervor.
Tabelle III | Äthylcncinhcitcn- gehalt, Mol-% |
Verhältnis des Polymeren Λ /u dem Polymeren B |
Koiigulierungs- lcmpcnitur. C |
Wusscrpcrmcii- bilitiil ml/nr · h ■ mm Hg |
Aussehen der feuchten Membran |
Nr. | 33/6,2 33/6.2 33/6,2 33/6,2 |
93/7 93/7 88/12 81/19 |
30 50 30 30 |
78 640 209 970 |
undurchsichtig undurchsichtig undurchsichtig undurchsichtig |
I 2 3 4 |
Mier/u.1 Hl; | ilt Zeichnungen | |||
Claims (4)
1. Äthylen/Vinylalkohol-Copolymermembran,
dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Masse aus einem ersten Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren (Polymeres A) mit einem Äthyleneinheiterigehalt von 20 bis 90 Mol-% und einem zweiten
Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren (Polymeres B)
mit einem Äthyleneinheitengehalt von 1 bis 20 Mol-% besteht, wobei der Unterschied zwischen den
zwei Äthyleneinheiten der Copoly:;ieren nicht weniger als 5 Mol-% betrag: und das Polymere A
und das Polymere B in einem Gewichtsverhältnis (A/B) von 95/5 bis 50/50 vorliegen, wobei sie in :5
trockenem Zustand mit einem Elektronenmikroskop betrachtet, aus wenigstens einer aktiven Schicht auf
der Oberfläche der Membran und einer porösen darunterliegenden Schicht besteht wobei die poröse
Schieb; aus einer Mono- oder Mehrfachschicht aus einer Vielzahl zylindrischer Leerstellen besteht,
wobei die Länge der Längsachse oder der Längsachsen insgesamt 50 bis 90% der Membrandicke entspricht und eine Vielzahl von kugelförmigen Leerstellen mit einem Durchmesser von einigen 2ΐ
μ vorhanden ist, und wobei ferner die Membran eine Porosität von 70 bis 95% aufweist
2. Verfahren zur Herstellung einer Membran gemäß Anspiuch I durch Extrudieren einer Spinnlösung in ein Koagulierungsbad, das im wesentlichen «1
aus Wasser mit einer Temperatur zwischen — 15 und
8O0C besteht, wobei die Spinnlösung ein Lösungsmittel enthält, das im wesentlichen aus einer
Verbindung besteht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Dimethylsulfat.id, Dimethylacetamid, r>
Methylpyrrolidon sowie Pyrrolidon besteht, die Polymeren in dieser Lösung einer Konzentration
von 10 bis 40 Gew.-% aufgelöst sind und die eingesetzten Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeren
eine Viskosität zwischen I1O und 50 Centipoise
besitzen, und zwar gemessen an der Verwendung einer Dimethyisulfoxidlösung des Polymeren in
einer Konzentration von 3 Gew.-% bei 30°C unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinnjösung aus einer -n
Zubereitung besteht, die ein erstes Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeres (Polymeres A) mit einem
Äthyleneinheitengehalt von 20 bis 90 Mol-% und ein zweites Äthylen/Vinylalkohol-Copolymeres (Polymeres B) mit einem Äthyleneinheitengehalt von 1 bis Vi
20 Mol-% enthält, wobei der Unterschied zwischen den zwei Äthyleneinheitengehalten der Copolymeren nicht weniger als 5 Mol-% beträgt und das
Polymere A und das Polymere B in einem Gewichtnverhältnis (A/B) von 95/5 bis 50/50
>-> vorliegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinnlösung mit einer Polymerkonzentration (C in %) zwischen 10 und 40 Gew.-% zu
einer Membran in einem Koagulierungsbad bei einer f>o
Temperatur1 (T) Verarbeitet wird, welche folgenden
Beziehungen entspricht:
imFallel0<C<25, - 15 £ T<C- lOund
im Falle 25 S C S40, 2C-90
< 7" < 2C-35.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spinnlösung mit einer Polymerkonzentration (C in %) zwischen 10 und 40 Gew.-% zu
einer Membran in einem Koagulierungsbad bei einer Temperatur (T) verarbeitet wird, die folgenden
Beziehungen entspricht:
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