DE3038886C2 - Poröse Membran und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Poröse Membran und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine aus einem sulfonierten Polyolefin bestehende poröse Membran mit hoher Wasserdurchlässigkeit,
ausgezeichneter Abtrennungsfähigkeit, hoher Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit
und guter chemischer Beständigkeit, wowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Membran. Die DE OS
28 42 067 beschreibt poröse Folien zur Verwendung als Separatoren für alkalische Batterien, die aus einem
Polyolefin mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von 300.000, einer Dicke von 0,025-1 mm, einer
Porösität von 50-80% und einem Porendurchmesser von 0,05—0,5 um hergestellt sind.
Ein bemerkenswerter Fortschritt wurde in den letzten Jahren auf dem technischen Gebiet der aus Polymerrnaterialien bestehenden porösen Membranen gemacht Insbesondere poröse Membranen mit offener Porenstruktur oder miteinander verbundenen Poren wurde in immer größerem Umfang mit unterschiedlicher Zweckbestimmung als Filtermittel eingesetzt Von diesen porösen Membranen eignen sich die aus hydrophilen Polymerisaten dargestellte hervorragend als feine Mikrofilter, die für die Herstellung von in der elektronischen Industrie verwendetem reinem Wasser und für die Entfernung von Bakterien oder Pilzen aus Frischwasser das bei der Herstellung von Arzneimitteln und pharmazeutischen Produkten verwendet werden. Sie sind ebenfalls als Membran zur Abtrennung von Blutplasma sowie als Batterieseparator geeignet
Ein bemerkenswerter Fortschritt wurde in den letzten Jahren auf dem technischen Gebiet der aus Polymerrnaterialien bestehenden porösen Membranen gemacht Insbesondere poröse Membranen mit offener Porenstruktur oder miteinander verbundenen Poren wurde in immer größerem Umfang mit unterschiedlicher Zweckbestimmung als Filtermittel eingesetzt Von diesen porösen Membranen eignen sich die aus hydrophilen Polymerisaten dargestellte hervorragend als feine Mikrofilter, die für die Herstellung von in der elektronischen Industrie verwendetem reinem Wasser und für die Entfernung von Bakterien oder Pilzen aus Frischwasser das bei der Herstellung von Arzneimitteln und pharmazeutischen Produkten verwendet werden. Sie sind ebenfalls als Membran zur Abtrennung von Blutplasma sowie als Batterieseparator geeignet
Als spt iielle Beispiele hydrophiler Polymerisate, die für die Herstellung dieser porösen Membcjrsn verwendet
werden, seien Cellulose, Cellulosederivate, Polyvinylfonnal, das durch Umsetzung von Polyvinylalkohol mit
Formaldehyd hergestellt wird, und Polyamide genannt Cellulose und Cellulosederivate weisen geringe Beständigkeit
sowohl gegen Alkalien als auch Säuren auf, während Polyvinylfonnal und Polyamide geringe Säurebeständigkeit
habsa Demgemäß ist jede aus diesen Polymerisaten hergestellte poröse Membran in ihrer Anwendung
in Abhägigkeit davon, ob eine zu filtrierende Flüssigkeit sauer oderalkalisch ist, begrenzt Auf Grund ihrer
Affinität zu Wasser und wäßrigen Flüssigkeiten eignen sich poröse Membranen aus hydrophilen Polymerisaten
gut für die Filtration von Frischwasser und wäßrigen Flüssigkeiten, neigen jedoch dabei zu Quellung und Erweichung,
wodurch physikalische oder morphologische Veränderungen der Membranen eintreten, die ein Zusammenziehen
der Membranen zur Folge haben, wodurch das Porenvolumen der Membranen verringert wird.
Daher wird die Wasserdurchlässigkeit der Membranen im Verlauf der Filtration allmählich geringer, was unerwünscht
ist
DieErfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, physikalische oder morphologische Veränderungen der porösen Membran bei ihrem Gebrauch als feines Mikrofilter zu verhindern, so daß die Porösität und die Wasserdurchlässigkeit der porösen Membranen konstant bleiben und ihre Funktion über einen längeren Zeitraum gewährleistet ist
DieErfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, physikalische oder morphologische Veränderungen der porösen Membran bei ihrem Gebrauch als feines Mikrofilter zu verhindern, so daß die Porösität und die Wasserdurchlässigkeit der porösen Membranen konstant bleiben und ihre Funktion über einen längeren Zeitraum gewährleistet ist
Diese Aufgabe wird durch obigen Hauptanspruch gelöst Hergestellt wird eine solche Membran gemäß obigem
Nebenanspruch.
Ferner wurde gefunden, daß eine erfindungsgemäß sulfonierte Poiyolefin-Membran eine überraschende Verbesserung
der Ablrennfahigkeit (Fähigkeit zum Abfangen oder Entfernen von feinteiligen Stoffen) aufweist. Es
ist insbesondere zu bemerken, daß, abgesehen vom Gebiet der semipermeablen Membranen, die Maßnahme,
die Oberflächen einer hydrophoben Membran hydrophil zu machen, auf dem Gebiet der porösen Membranen
bisher unbekannt war.
Unter semipermeablen Membranen sind solche Membranen zu verstehen, die feine organische und anorganische
Materialien zurückhalten, die in wäßrigen Lösungsmitteln gelöst vorliegen. Auf der anderen Seite halten
poröse Membranen lediglich suspendierte Partikel und Mikroorganismen zurück, d. h. in einem wäßrigen
Lösungsmittel nicht gelöste Teile.
Im allgemeinen sind die wichtigen Parameter, die bei Verwendung einer porösen Membran als Mikrofilter zu berücksichtigen sind, ihre Flüssigkeitsdurchlässigkeit (Menge der Flüssigkeit, die die Membran pro Flächeneinheit unter einer Druckeinheit pro Zeiteinheit durchläßt) und ihr Abtrenn vermögen oder Entfernungsvermögen. Im allgemeinen sind jedoch die Flüssigkeitsdurchlässigkeit und das Abtrenn- oder Entfernungsvermögen grundsätzlich miteinander unverträglich. Um das Abtrennvermögen einer porösen Membran zu erhöhen, muß der Durchmesser der Poren der porösen Membran im Durchschnitt kleiner gehalten werden Das Ergebnis ist jedoch, daß wiederum die Flüssigkeitsdurchlässigkeit der Membran verringert wird. Angesichts dieser Tatsachen ist es leicht verständlich, daß die erfindungsgemäße Membran, deren Abtrenn- oder Entfernungsvermögen ohne Einbuße an Flüssigkeitsdurchlässigkeit verbessert ist, ein ideales Mikrofilter über die übliche Erwartung hinaus darstellt. Die poröse Membran gemäß der Erfindung weist fernereine ganz hervorragende Konstanz der Wasserdurchlässigkeit über lange Zeit auf. Dies ist ein weiterer wichtiger Faktor, der bei Verwendung der Membran als Mikrofilter zu berücksichtigen ist.
Im allgemeinen sind die wichtigen Parameter, die bei Verwendung einer porösen Membran als Mikrofilter zu berücksichtigen sind, ihre Flüssigkeitsdurchlässigkeit (Menge der Flüssigkeit, die die Membran pro Flächeneinheit unter einer Druckeinheit pro Zeiteinheit durchläßt) und ihr Abtrenn vermögen oder Entfernungsvermögen. Im allgemeinen sind jedoch die Flüssigkeitsdurchlässigkeit und das Abtrenn- oder Entfernungsvermögen grundsätzlich miteinander unverträglich. Um das Abtrennvermögen einer porösen Membran zu erhöhen, muß der Durchmesser der Poren der porösen Membran im Durchschnitt kleiner gehalten werden Das Ergebnis ist jedoch, daß wiederum die Flüssigkeitsdurchlässigkeit der Membran verringert wird. Angesichts dieser Tatsachen ist es leicht verständlich, daß die erfindungsgemäße Membran, deren Abtrenn- oder Entfernungsvermögen ohne Einbuße an Flüssigkeitsdurchlässigkeit verbessert ist, ein ideales Mikrofilter über die übliche Erwartung hinaus darstellt. Die poröse Membran gemäß der Erfindung weist fernereine ganz hervorragende Konstanz der Wasserdurchlässigkeit über lange Zeit auf. Dies ist ein weiterer wichtiger Faktor, der bei Verwendung der Membran als Mikrofilter zu berücksichtigen ist.
Die poröse Membran gemäß der Erfindung hat ferner den Vorteil, daß sie überraschenderweise sogar feintei-
lige Stoffe, deren Durchmesser kleiner ist als der Porendurchmesser der Membran, abfangen oder entfernen
kann. Ferner weist die poröse Membran gemäß der Erfindung eine sehr hohe chemische Beständigkeit auf.
Als spezielle Beispiele für Olefine, die als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemäße Membran zu verwenden
sind, seien Polyäthylen, Polypropylen, Polybuten und Gemische dieser Polymerisate sowie Copolymerisate
' von zwei oder mehreren Arten von Monomeren aus der aus Äthylen, Propylen, Buten, Hexen und Tetfafluor- ,p
äthylen bestehenden Gruppe genannt. Von den vorstehend genannten Polyolefinen werden Polyäthylen und y
Polypropylen auf Grund ihrer ausgezeichneten Formbarkeit und Verarbeitbarkeit, ihrer hohen chemischen ?j
Beständigkeit und hohen mechanischen Festigkeit und Dehnung besonders bevorzugt. j
Im allgemeinen sind die Porenstruktur, der mittlere Durchmesser der Poren und die Porosität für die Mem- ^j
braneigenschaften von großer Bedeutung. Die Porenstruktur und der mittlere Durchmesser der Poren der Mem- rj
bran haben einen großen Einfluß auf das Abtrenn- und Entfernungsvermögen, während die Porosität einen gro- \'J\
ßen Einfluß auf die Wasserdurchlässigkeit hat. ' ti
Die poröse Membran gemäß der Erfindung hat einen mittleren Porendurchmesser von 0,05 bis 1 um, vorzugsweise
von 0,1 bisO,8 ujn. Sie gehört zu den Membranen, die gemäß derüblichen Einstufung als feine Mikrofilter
verwendet werden und kann zur Entfernung von winzigen Teilchen, Bakterien oder Kleinpilzen u. dgl. aus Rohwasser
und wäßrigen Flüssigkeiten, für die Entfernung von Partikeln oder Korpuskeln aus dem Blut usw. verwendet
werden, da sie feine Stoffe mit einer Teilchengröße von 0,04 bis 0,8 uxn abzufangen und zu entfernen
vermag. Zum Abfangen und Entfernen solcher feinteiliger Stoffe genügt auf Grund des verbesserten Abtrenn-
und Entfernungsvermögen der erfindungsgemäßen Membran ein mittlerer Porendurchmesser im Bereich von
0,05 bis 1 um. Dies ist der speziellen Eigenschaft zuzuschreiben, daß die Membran selbst feinteilige Stoffe,
deren Durchmesser kleiner sind als der Porendurchmesser der Membran, abzufangen und zu entfernen vermag.
Daher ist die erfindungsgemäße Membran in ihrer Wasserdurchlässigkeit üblichen Membranen mit gleicher
Porosität und gleichem Abtrenn- und Entfernungsvermögen überlegen, während sie gleichzeitig ein höheres
Abtrenn- und Entfernungsvermögen als aus dem Stand der Technik bekannte Membranen mit gleicher Porosität
und gleicher Wasserdurchlässigkeit aufweist.
Die Porosität der porösen Membran gemäß der Erfindung lic gt vom Standpunkt der zulässigen gegenseitigen
Abstimmung von mechanischer Festigkeit und Dehnung mit der Wasserdurchlässigkeit im Bereich von 30 bis
85%, vorzugsweise im Bereich von 50 bis 80%, d. h., sowohl die mechanische Festigkeit und Dehnung der porösen Membran als auch die Wasserdurchlässigkeit sollen ausreichend hoch sein; denn eine ansteigende Porosität
hat einerseits eine abnehmende mechanische Festigkeit und Dehnung zur Folge, andererseits führt steigende
Porosität auch zvr dner höheren Wasserdurchlässigkeit. Es ist zu bemerken, daß übliche poröse Membranen, die
gewöhnlich als feine Mikrofilter verwendet werden, im allgemeinen eine Porosität von 50 bis 85% aufweisen.
Auf Grund des vorstehend genannten Vorteils kann die poröse Membran gemäß der Erfindung eine geringere
Porosität aufweisen, um die gleiche Wasserdurchlässigkeit und das gleiche Abtrenn- und Entfernungsvermögen
wie bei den üblichen porösen Membranen zu erreichen was sich auf den Grad der mechanischen Belastbarkeit
und der Dehnungsfähigkeit positiv auswirkt.
Die poröse Membran gemäß der Erfindung, die vorzugsweise eine Dicke von 0,01 bis 10 mm aufweist, hat
gewöhnlich eine offene oder eine aus miteinander verbundenen Poren bestehend; Porenstruktur mit einem
Netzwerk von mäanderförmigen Durchgängen, die die vorstehend genannte Porosität und den mittleren Porendurchmesser
bestimmen.
Die poröse Membran gemäß der Erfindung besteht aus einem sulfonierten Polyolefin, das Sulfonsäuregruppen
in einer Meng? von 0,05 bis 1 Milliäquivalent, vorzugsweise von 0,1 bis 0,7 Milliäquivalent/g der Membran
enthalten muß, um eine gute gegenseitige Abstimmung von Wasserdurchlässigkeit und Abtrenn- und Entfernungsvermögen
mit der Auftechteriidltung der Wasserdurchlässigkeit (Widerstand gegen Verdichtung) und der
mechanischen Festigkeit und Dehnung zu erzielen. Es ist bekannt, daß poröse Membranen aus hydrophoben
Polymerisaten im allgemeinen eine hi. aere Hydrophilie und eine schlechtere mechanische Festigkeit und Dehnung
erhalten, wenn sie stärker sulfoniert werden.
Nachstehend wird ausführlicher auf die Beziehung zwischen der als Austauschvermögen ausgedrückten
Menge der in einer porösen Membran enthaltenen Sulfonsäuregruppen und der Leistung der porösen Membran
eingegangen. Im Verlauf der Sulfonierung einer porösen Membran mit dem Ziel, sie hydrophil zu π; 5chen, wird
die Dichte der an den inneren Oberflächen der Poren vorhandenen Sulfonsäuregruppen nach Ablauf einer gegebenen
Sulfonierungszeit konstant und anschließend findet die Einführung von Sulfonsäuregruppen in das
Innere (Matrix) eines die poröse Membran bildenden Polyolefins statt.
Das bedeutet, daß die Sulfonierung in der Matrix der Membran erst stattfindet, nachdem die Membranoberfläche
vollständig sulfoniert ist. Grundsätzlich gestattet die poröse Membran auch dann, wenn nur die äußeren
Oberflächen und die (die Poren umgebenden) inneren Oberflächen der Membran durch ihre Sulfonierung
hydrophil geworden sind, den Durchgang von Wasser oder eine wäßrigen Flüssigkeit mit Leichtigkeit (die Leichtigkeit
kann nach der Wasserdurchlässigkeit der porösen Membran bewertet werden). In diesem Sinne braucht
das sulfonierte Polyolefin, das die poröse Membran bildet, Sulfonsäuregruppen nur in einer gewissen Mindestmenge
zu enthalten. Die Dichte der in den äußeren Oberflächen und (die Poren umgebenden) inneren Oberflächen
einer porösen Membran enthaltenen Sulfonsäuregruppjn hat einen großen Einfluß auf das Abtrenn- und
Entfernungsvermögen der Membran. Andererseits ist zu bemerken, daß die im Körper oder in der Matrix des
Polyolefins enthaltenen Sulfonsäuregruppen wenig mit dem Abtrenn- und Entfernungsvermögen der porösen
Membran zu tun haben. Demgemäß ist es leicht verständlich, daß hinsichtlich des Entfernungsvermögens der
porösen Membran das die poröse Membran bildende sulfonierte Polyolefin Sulfonsäuregruppen nur in einer
bestimmten Mindestmenge enthalten muß. Die untere Grenze der Menge an Sulfonsäuregruppen, die in dem
die poröse Membran bildenden sulfonierten Polyolefin enthalten sind, kann entweder vom Standpunkt der Wasserdurchlässigkeit
oder vom Standpunkt des Abtrenn- und Entfernungsvermögens angegeben werden, wobei
beide Angaben im wesentlichen gleichwertig sind. Die Menge der Sulfonsäuregruppen, die in dem die poröse
Membran bildenden sulfonierten Polyolefin enthalten sind, hat einen großen Einfluß auf die Aufrechterhaltung
der Wasserdurchlässigkeit der porösen Membran. Eine zu große Menge an Sulfonsäuregruppen, die sich aus
einer zu starken Einführung von Sulfonsäuregfuppen in das Innere des Polyolefins als Folge der übermäßig starken
Sulfonierung der porösen Membran aus dem Polyolefin ergibt, verursacht eine starke Quellung der porösen
Membran in Wasser oder wäßrigen Flüssigkeiten. Dies hat eine schlechte Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit
der Membran mit der Zeit zur Folge. Die obere Grenze der Menge als Sulfonsäuregruppen, die in dem
die poröse Membran bildenden sulfonierten Polyolefin enthalten sind, muß so festgelegt werden, daß die Quellung
der porösen Membran in Wasser oder einer wäßrigen Flüssigkeit vermieden oder weitgehend ausgeschaltet
wird, um die Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit zu gewährleisten. Diese obere Grenze muß ferner so
festgelegt werden, daß eine mechanische Mindestfestigkeit und Mindestdehnung gewährleistet ist, damit die
Membran praktisch brauchbar bleibt. Die Menge an Sulfonsäuregruppen muß im Bereich von 0,05 bis 1 MiIIi-
äquivalent/g des sulfonierten Polyolefins liegen.
Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, hat die poröse Membran daher vorzugsweise eine solche Strukturverteilung, daß die Sulfonsäuregruppen im wesentlichen nur in den äußeren Randschichten der porösen
Membran und in den die Poren umgebenden Innenflächen vorhanden sind. Der überwiegende Teil des Inneren
(Matrix) des die poröse Membran bildenden Polyolefins enthält im wesentlichen keine Sulfonsäuregruppe.
Die poröse Membran kann in beliebiger Form vorliegen, beispielsweise in Form einer flachen Folie oder
Platte oder in Form einer Faser, insbesondere einer Hohlfaser.
Für das Herstellungsverfahren eignen sich als Ausgangsmaterial entweder poröse Membranen, die aus einem
Polyolefin und einem anorganischen Füllstoff bestehen oder solche, die aus einem Polyolefin besteben, und die
ίο nach beliebigen bekannten Verfahren hergestellt werden können, beispielsweise nach dem in der DE-PS
26 27 229 beschriebenen Verfahren oder dem in der US-PS 41 90 707 beschriebenen Verfahren. Die Porosität
und der rr.'tlere Porendurchmesser einer als Ausgangsmaterial zu verwendenden porösen Membran können im
wesentlichen die gleichen sein wie bei der gewünschten poröse Membran, die aus der Ausgangsmembran nach
dem Verfahren gsmäß der Erfindung hergestellt werden soll unter der Annahme, daß im Falle einer aus einem
Polyolefin und einem anorganischen Füllstoff bestehenden porösen Ausgangsmembran dieser Porosität und
dem mittleren Porendurchmesser sowohl die tatsächlichen Poren als auch die zukünftigen Poren zugrunde Uegen, die nach der Extraktion des anorganischen Füllstoffs zu Poren werden. Im Falle einer porösen Ausgangsmembran, die aus einem Polyolefin allein besteht, liegt daher ihre Porosität im Bereich von 30 bis 85% und ihr
mittlerer Porendurchmesser im Bereich von 0,05 bis 1 μτη. Im Falle der porösen Ausgangsmembran, die aus
einem Polyolefin und einem anorganischen Füllstoff besteht, hängen ihre tatsächliche Po^sität und ihr tatsächlicher mittlerer Porendurchmesser natürlich von der darin enthaltenen Menge des anorganischen Füllstoffs ab.
jedoch liegt vorzugsweise die Porosität im Bereich von etwa 20 bis 70% und der mittlere Portndurchmesser im
Bereich von etwa 0,01 bis 0,03 μπι. Als anorganischer Füllstoff dienen vorzugsweise feine Teilchen oder poröse
Teilchen mit einem mittleren Durchmesser im Bereich von 0,005 bis 0,5 μπι und einer spezifischen Oberfläche
von 50 bis 500 nrVg. als repräsentative Beispiele anorganischer Füllstoffe sind Siliciumdioxid, Calciumsilicat,
nennen. Diese Füllstoffe können allein oder in Kombination verwendet werden. Von den vorstehend genannten
weise rauchende Schwefelsäure (mit 1 bis 60 Gew.-% freiem SO3), Chlorsulfonsäure, 100°/oige Schwefelsäure
und Lösungen von Schwefeltrioxid in einem geeigneten Lösungsmittel wie Dichlormethan, Dichloräthan.Tetrachloräthan. Chloroform oder Tetrachloräthylen. Vom Standpunkt der Reaktionsfähigkeit, der korrosiven Wirkung auf Metalle und der Leichtigkeit der Beseitigung des Abwassers wird rauchende Schwefelsäure besonders
bevorzugt
Die Konzentration des Sulfonierungsmittels im Reaktionsmedium und die Reaktionstemperatur und -zeit
werden so gewählt, daß die gewünschte Menge an Sulfonsäuregruppen an das Polyolefin gebunden werden. Die
Reaktionstemperatur beträgt im allgemeinen bis zu 6O0C, vorzugsweise 0 bis 500C Die Reaktions- oder
Behandlungszeit liegt in der Regel je nach Temperatur und Sulfonierungsmittel zwischen 1 Minute und 3
Stunden, vorzugsweise zwischen 2 Minuten und 2 Stunden. Die bevorzugte Konzentration von freiem SO3 in
rauchender Schwefelsäure liegt im Bereich von 2 bis 30 Gew.-%, insbesondere im Bereich von 10 bis 25 Gew.-%,
während die bevorzugte Schwefeltrioxidkonzentration :n einer Lösung von Schwefeltrioxid in einem Lösungsmittel im Bereich von 2 bis 30 Gew.-°/o, insbesondere im Bereich von 10 bis 20 Gew.-% liegt
Für die mit einem Sulfonierungsmittel zu behandelnde poröse Membran ist eine derart leichte .Benetzbarkeit
mit dem Sulfonierungsmittel erwünscht, daß das Sulfonierungsmittel bei Berührung mit der porösen Membran
nicht nur die äußerer. Oberflächen der Membran leicht benetzt, sondern auch leicht in die P01 en der Membran
eindringt und die inneren Oberflächen der Poren benetzt Bei einer porösen Membran mit geringer Benetzbarkeit durch das Suüonierungsmittel kann dieses nicht in die Poren der Membran eindringen, auch wenn es die
äußeren Oberflächen der Membran zu benetzen vermag. Dies hat zur Folge, daß nur die äußeren Oberflächen
der Membran sulfoniert werden, aber die inneren Oberflächen der Poren unsulfoniert bleiben. Demgemäß
werden für die Behandlung mit einem Sulfonierungsmittel Membranen bevorzugt die aus einem Polyolefin und
einem anorganischen Füllstoff bestehen, der die Membran durch das Sulfonierungsmittel leicht benetzbar macht
In cällen. in denen aine aus einem Polyolefin allein bestehende poröse Membran mit einem Sulfonierungsmittel,
wie rauchender Schwefelsäure oder 100%iger Schwefelsäure, behandelt werden soll, werden die porösen
Membranen vorzugsweise vor ihrer Sulfonierung einer Vorbehandlung unterworfen, durch die die Membranen
durch das oulfonierungsmittel leicht benetzbar werden. Beispielsweise kann eine solche Vorbehandlung durchgeführt werden, indem die porösen Membranen in eine Lösung eines oberflächenaktiven Mittels in eine<n
Lösungsmittel, z. B. Methanol, getaucht werden.
Der hier gebrauchte Ausdruck »Sulfonsäuregruppen« bezeichnet Gruppen der Formel —SO3M, worin M für
H oder ein Kation, das mit —SOsri ein Satz zu bilden vermag, z. B. Na, K Ca, Mg, NH4 oder Li, steht
Gemäß der Erfindung wird die Menge der in einer porösen Membran enthaltenen Sulfonsäuregruppen dem
Salzspaltvermögen (Milliäquivalent/g) der Membran gleich gesetzt. Die Messung des Salzspaltvermögens wird
nachstehend beschrieben.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele ausführlicher beschrieben. Die in diesen Beispielen genannten Eigenschaften wurden nach den nachstehend beschriebenen Methoden ermittelt
Porosität (%)
η · ·· /η/\ Porenvolumen ,__
Porosität (ο/ο) = * 100
Porosität (ο/ο) = * 100
(Das Porenvolumen in cm3 wird mit Hilfe eines Quecksilberpenetrationsporosimeters bestimmt, das nachstehend
ausführlicher erklärt wird.)
Mittlerer Porendurchmesser(μπι)
Dies ist ein Porendurchmesserwert, der der Hälfte des Wertes des Gesamtporenvolumens in einer Integralkurve
von Porendurchmesser-kumulativem Porenvolumen entspricht, das unter Verwendung des Quecksilber-Penetrationsporosimeters
ermittelt wird.
Salzspaltvermögen (Milliäquivalent/g)
Eine poröse Membran im sulfonsäuren! Zustand wird in eine wäßrige I N-Calciumchloridlösung getaucht, bis
sich das Gleichgewicht eingestellt hat. Der in der Lösung gebildete Chlorwasserstoff wird mit einer wäßrigen
eiVr-aO.i n-Natriumhydroxidlcsung(Tiler:/?unter Verwendung vor. Phcnclpthtalcin als Indikator lii.-icrt.
Salzspaltvermöpen(Milliäquivalent/g) =
Hierin ist /der Titer der wäßrigen ungefähr 0,1 n-Natriumhydroxidlösung, A"das bei der Titration verbrauchte
Volumen der wäßrigen ungefähr 0.1 n-Natriumhydroxidlösung und Wd das Gewicht der trockenen porösen
Membran im Zustand des Calciumsalzes.
Wasserdurchlässigkeit (Liter/m2 · ί·. · bar)
Bestimmt bei einer Druckdifferenz von 1.013 bar bei einer Temperatur von 250C.
Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit oder restliche Wasserdurchlässigkeit {%)
Die Wasserdurchlässigkeit einer porösen Memüran wurde vor und nach Istündigem Gebrauch für die
Durchleitung von Wasser durch die poröse Membran bei einer Druckdifferenz von 4,9 bar und einer Temperatur
von 2C° C bestimmt.
Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit oder restliche Wasserdurchlässigkeit (%) =
Wasserdurchlässigkeit nach Istündigem Gebrauch ...
Wasserdurchlässigkeit vor dem Gebrauch
Abtrenn- und Entfernungsvermögen (%)
Eine Dispersion (A) mit einem Feststoffgehalt von 0,1 Gew.-% wird hergestellt, indem ein Polystyrollatex mit
einem Feststoffgehalt von 10 Gew.-% mit destilliertem Wasser verdünnt wird.
Dispersionen mit unterschiedlichem Feststoffgehalt (gewöhnlich 0,05 Gew.-%, 0,02 Gew.-%, 0,01 Gew.-%,
0,0033 Gew.-°/o und 0,2 Gew.-%) werden durch Verdünnen der Dispersion (A) mit destilliertem Wasser hergestellt
Unter Verwendung der Dispersionen wird eine Eichkurve hergestellt, die die Beziehung zwischen dem
Feststoffgeghalt der Dispersionen und den Lichtmengen zeigt, die durch jede Dispersion durchgelassen werden.
Diese Mengen werden mit einem Digital-Trübungsmesser gemessen. J0
Die Dispersion (\) wird mit einer porösen Membran filtriert. Das Filtrat wird mit dem Trübungsmesser auf die
durch das Filtrat fallende Lichtmenge untersucht Hieraus wird der Fesutoffgehalt des Filtrats anhand der
Eichkurve ermittelt
Abtrennvermögen (%) = x 100.
Hierin ist Oder Feststoffgehalt der Dispersion A und Oder Feststoffgehalt des Filtrats.
Zugfestigkeit (bar/mm2) und Bruchdehnung (%) M
Bestimmt gemäß ASTM D-882 unter Verwendung einer Instron-Universalprüfmaschine (Anfangsdehnungsgeschwindigkeit
= 2,0 mm/mm · Minute).
Erläuterung des Quecksilber-Penetrationsporosimeters
Quecksilber wird unter steigendem Druck in die Poren der zu prüfenden Membran gepreßL Das Porenvolumen
wird aus der Quecksilbermenge bestimmt, die in den Poren der Probe eingeschlossen wird. Der Poren-
durchmesser wird nach dem Prinzip berechnet, daß der Durchmesser einer Pore umgekehrt proportional dem
Druck ist, der erforderlich ist, um das Quecksilber in die Poren zu pressen. Diese Meßmethode wird ausführlich
in Kapitel 10 von »Fine Particle Measurement« von Clyde Orr. Jr. und J. M. Dallavalle, herausgegeben von The
Macmillan Co, New York, 1959, sowie in »Industrial and Engineering Chemistry«, Band 17, Nr. 12 (1945),
782—786, von H. L Ritter und L C. Drake beschrieben.
Die Messung kann grundsätzlich gemäß ANSI/ASTM D2873-70 (Reapproved 1976) unter Verwendung eines
Quecksilber-Penetrationsporosimeters durchgeführt werden.
IO
100 Gew.-Teile feinteiliges S1O2 (spezifische Oberfläche 280 mVg, mittlerer Teilchendurchmesser 16 Γημ) und
228 Gew.-Teile Dioctylphthalat (DOP) wurden in einem Henschelmischer gemischt Das Gemisch wurde weiter
mit 97 Gew.-Teilen pulverförmigem Polyäthylen hoher Dichte (Gewichtsmittelmolekulargewicht 110 000) in
diesem Mischer gemischt.
is Unter Verwendung einer Folienherstellungsvorrichtung mit einem Doppelschneckenextruder von 30 mm
Durchmesser, der mit einer T-Düse von 400 mm Breite versehen war, wurde das erhaltene Gemisch zu einer
Folie extrudiert. Die extrudierte Folie wurde 5 Minuten in 1,1,1-Trichloräthan getaucht, um das DOP zu
extrahieren, und dann getrocknet. Anschließend wurde die poröse Folie 5 Minuten bei 4O0C in rauchende
Schwefelsäure getaucht, die 25 Gew.-% freies SO3 enthielt Anschließend wurde 5 Minuten mit Wasser gewa-
sehen. Die erhaltene poröse Folie wurde anschließend 5 Minuten bei 6O0C in eine 40gew.-%ige NaOH-Lösung
getaucht, um das feinteilige S1O2 zu extrahieren, und dann mit Wasser gewaschen und getrocknet
Die in dieser Weise erhaltene poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,15 μπι und eine
Porosität von 70% und zeigte eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Das Salzspaltvermögen der porösen Membran betrug 0,17 Milliäquivalent/g Membran. Die Membran hatte
eine Zugfestigkeit von 3,43 N/mm2 und eine Bruchdehnung von 150%, d. h. ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Dehnung. Die Wasserdurchlässigkeit und die Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit betrugen
1823 l/m2 bar bzw. 100%. Das Abtrenn- oder Entfernungsvermögen der porösen Membran betrug 100% bei
Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 022 μπι enthielt, und
95% bei Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 μπι enthielt.
30
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt, wobei 227
Gew.-Teile Dioctylphthalat (DOP) und 268 Gew.-Teile Polyäthylen hoher Dichte verwendet wurden.
Die erhaltene poröse Membran hatte eine Porosität von 32% und einen mittleren Porendurchmesser von
0.15 μπι. Sie zeigte eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Das
Sa'zspäitverrnögen der porösen Membran betrug 0,07 Miüiäquivalent/g Membran. Die Membran hatte sine
Zugfestigkeit von 4,71 N/mm2 und eine Bruchdehnung von 180%. Ihre Wasserdurchlässigkeit betrug 507 1/
m2 h bar und die Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit 100% entsprechend dem erreichbaren maximalen Wert. Das Abtrenn- oder Entfernungsvermögen der porösen Membran betrug 100% bei Prüfung unter
Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 022 μπι enthielt, und
94% bei Prüfung unter Verwendung -ines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von
0,1 μηη enthielt
45
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei 215
Gew.-Teile Dioctylphthalat (DOP) und 55 Gew.-Teile Polyäthylen hoher Dichte verwendet wurden.
Die erhaltene poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,15 μπι und eine Porosität von
82% sowie eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Das Salzspaltvermögen der porösen Membran betrug 02 Milliäquivalent/g Membran. Die Membran hatte eine Zugfestigkeit
von 1,47 N/mm2 und eine Bruchdehnung von 60% und ausgezeichnete Wasserdurchlässigkeit von 4559 I/
m2 h bar und eine Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit 100%. Das Entfernungs- und Abtrennvermögen
der porösen Membran war ausgezeichnet und betrug 100% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der
Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 022 um enthielt, und 95% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 μπι enthielt.
60
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt, wobei
pulverförmiges Polyäthylen hoher Dichte (Gewichtsmittelmolekulargewicht 250 000) verwendet wurde.
Die erhaltene poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,1 μπι und eine Porosität von
65% und zeigte eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Das
Salzspaltvermögen der porösen Membran betrug 024 Milliäquivalent/g Membran. Die Membran hatte eine
Zugfestigkeit und Dehnung von 43 N/mm2 bzw. 150%. Die Wasserdurchlässigkeit der Membran betrugen
1520 l/m2 h bar. Das Abtrenn- und Entfernungsvermögen der porösen Membran war ausgezeichnet und betrug
100% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteflchen mit einem mittleren Durchmesser von
0,1 μηι enthielt, und 97% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren
Durchmesser von 0,085 μιη enthielt
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei
feinteiliges S1O2 (Spezifische Oberfläche 150 m2/g, mittlerer Teilchendurchmesser 0,03 μηι) verwendet wurde.
Die erhalten ·. poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,4 μίτι und eine Porosität von
65% und zeigte eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Das
Salzspaltvermögen der porösen Membran betrug 0,06 Milliäquivalent/g Membran. Die Membran hatte ausgezeichnete Zugfestigkeit und Bruchdehnung von 3,24 N/mm2 bzw. 200%. Die Wasserdurchlässigkeit und die
Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit der porösen Membran betrugen 1722 l/m2 h bar bzw. 100%. Das
Abtrenn- und Entfernungsvermögen der Membran betrug 100% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der
Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,46 μπι enthielt, und 90% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyroiteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,33 μιπ enthielt.
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei 240
Gew.-Teile Dibutylphthalat (DBP) und 93 Gew.-Teile pulverförmiges Polypropylen (Gewichtsmittelmolekulargewicht 300 000) sowie rauchende Schwefelsäure, die 20 Gew.-% freies SOj enthielt, verwendet wurden.
Die erhaltene poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,2 μιη und eine Porosität von
72% und zeigte eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Das
Salzspaltvermögen der porösen Membran betrug 035 Milliäquivalent/g Membran, ihre Zugfestigkeit 2,94 N/
mm2 und ihre Bruchdehnung 50%. Die Wasserdurchlässigkeit und die Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit betrugen 2735 l/m2 h bar bzw. 100%. Das Abtrenn- und Entfernungsvermögen der porösen Membran
betrug 100% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,22 μιη enthielt, und 93% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem
mittleren Durchmesser von 0,176 μιη enthielt.
30 Vergleichsbeispiel 1
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt mit dem
Unterschied, daß die auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise erhaltene poröse Folie nach der Extraktion des
DOP 5 Minuten bei 20°C in rauchende Schwefelsäure, die 20 Gew.-% freies SO3 enthielt, getaucht wurde.
Die erhaltene poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,15 μηι und eine Porosität von
70% und eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Das Salzspaltvermögen der porösen Membran betrug 0,04 Mmiäquivaient/g Membran. Obwohl die poröse Membran ausgezeichnete mechanische Festigkeit und Dehnung, nämlich eine Zugfestigkeit von 3,24 N/mm2 und eine Bruchdehnung von 300% hatte, war ihre Wasserdurchlässigkeit schlecht Das Abtrenn- und Entfernungsvermögen der
Membran war ebenfalls schlecht und betrug 15% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Poiystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 μπι enthielt, jedoch 100% bei Prüfung unter Verwendung eines
Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,22 μιη enthielt Es ist zu bemerken, daß nur
bei dem in diesem Vergleichsbeispiel beschriebenen Versuch die Latices mit Äthanol anstatt mit destilliertem
Wasser verdünnt wurden, da die Membran für Dispersionen der mit destilliertem Wasser verdünnten Latices
undurchlässig war.
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei jedoch
die auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellte poröse Folie nach der Extraktion des DOP und
Trocknung 15 Minuten bei 50°C in rauchende Schwefelsäure, die 30 Gew.-% freies SO3 enthielt, getaucht wurde.
Die erhaltene poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,15 μιη und eine Porosität von
68% und eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Die poröse
Membran hatte ein Salzspaltvermögen von 1,2 Miiliäqirivaient/g Membran, ein ausgezeichnetes Abtrenn- oder
Entfernungsvermögen von 100% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyroiteilchen mit einem
mittleren Durchmesser von 0,22 μιη enthielt, und 96% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyroiteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 μπι enthielt Die Wasserdurchlässigkeit der porösen Membran war ebenfalls ausgezeichnet und betrug 1520 l/m2 h bar. Die Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit
der Membran war jedoch schlecht und betrug nur 80%. Die poröse Membran hatte eine Bruchdehnung von nur J0
5%, ein Beweis für die Brüchigkeit der Membran.
Eine poröse Membran wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei 240
Gew.-ΤεΠεπ Dicctyiphihalai (DOP) und S3 Gew.-Teile eines Copolynieräsats von Äiftylen und Tetrafluorethylen
verwendet wurden.
60% sowie eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Die poröse
Membran hatte ein SalzspaltvermögeR von 0,12 Milliäquhralent/g Membran, eine Zugfestigkeit von 4,41 N/mm2,
eine Bruchdehnung von 150%, eine Wasserdurchlässigkeit von 100%. Das Abtrenn- und Entfernungsvermögen
der porösen Membran war ausgezeichnet und betrug 100% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der
Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 um enthielt, und 96% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,085 um enthielt.
ίο Eine poröse Membran wurde im wesentlichen in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 hergestellt, wobei eine
gemäß Beispiel 1 hergestellte poröse Folie nach Extraktion des DOP und nach Trocknung 2 Stunden bei 23°C in
Chlorsulfonsäure getaucht wurde.
Die erhaltene Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,15% und eine Porosität von 74%
sowie eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Die Membran hatte
ein Salzspaltvermögen von 0,12 Milliäquivalent/g Membran, eine Zugfestigkeit von 3,43 N/mm2, eine Bruchdehnung von 90%, eine Wasserdurchlässigkeit von 17221 Im2 h bar und eine Aufrechterhaltung der Wasserdurchlässigkeit von 100%. Das Abtrenn- und Entfernungsvermögen der porösen Membran betrug 100% bei Prüfung
unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteflchen mit einem mittleren Durchmesser von 022 um enthielt,
und 93% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der PolystyrolteQchen mit einem mittleren Durchmesser
von 0,1 μτη enthielt
Eine poröse Folie, die nach der Extraktion des DOP und nach dem Trocknen erhalten wurde, wurde auf die in
Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt Die poröse Folie wurde 5 Minuten in eine 40gew.-%ige NaOH-Lösung bei 600C getaucht, um das feinteilige S1O2 aus der Folie zu entfernen, und dann mit Wasser gewaschen und
getrocknet Die erhaltene Folie wurde 30 Minuten in eine Lösung von 2 Gew.-% eines nichtionogenen oberflächenaktiven Mittels in Methanol bei 200C getaucht und dann getrocknet Anschließend wurde die Folie 5
Minuten bei 40°C in rauchende Schwefelsäure, die 25 Gew.-% freies SO3 enthielt, getaucht und dann mit
wäßriger 1 n-NaOH-Lösung neutralisiert Die in dieser Weise erhaltene poröse Membran wurde dann mit
Wasser gut gewaschen und getrocknet
Die poröse Membran hatte einen mittleren Porendurchmesser von 0,15 μτη und eine Porosität von 71% sowie
eine offene Porenstruktur mit einem Netzwerk von mäanderförmigen Porenkanälen. Die Membran hatte ein
Salzspaltvermögen von 0,17 Milliäquivalent/g Membran, eine Zugfestigkeit von 3,43 N/mm2, eine Bruchdehnung von 150% und eine Wasserdurchlässigkeit von 1823 l/m2 h bar und eine Aufrechterhaltung der Wasser-
durchlässigkeit von !00%. Das Abtrenn- und Entferniingsvermögen der porösen Membran betrug 100% bei
Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,22 μτη
enthielt, und 95% bei Prüfung unter Verwendung eines Latex, der Polystyrolteilchen mit einem mittleren
Durchmesser von 0,1 μΐη enthielt
Claims (2)
1. Poröse Membran, bestehend aus einem Polyolefin, das Sulfonsäuregruppen in einer Menge von 0,05 bis
1 Milliäquivalent/g der Membran enthält, mit einer Porosität von 30 bis 85% und einem mittleren Poren
durchmesser von 0,05 bis 1 μιτι, dadurch gekennzeichnet, daß die Sulfonsäuregruppen im wesentli
chen nur in den äußeren Oberflächen der Membran und den die Poren umgebenden inneren Oberflächen
vorhanden sind.
2. Verfahren zur Hersteilung einer porösen Membran gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
man eine poröse Membran, die aus einem Polyolefin und einem anorganischen Füllstoff besteht mit einem
Sulfonierungsmittel behandelt und anschließend den anorganischen Füllstoff extrahiert.
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