DE3220037A1 - Selektiv gasdurchlaessige verbundmembranen und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Selektiv gasdurchlaessige verbundmembranen und verfahren zu ihrer herstellung

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DE3220037A1
DE3220037A1 DE19823220037 DE3220037A DE3220037A1 DE 3220037 A1 DE3220037 A1 DE 3220037A1 DE 19823220037 DE19823220037 DE 19823220037 DE 3220037 A DE3220037 A DE 3220037A DE 3220037 A1 DE3220037 A1 DE 3220037A1
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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • B01D69/125In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction
    • B01D69/127In situ manufacturing by polymerisation, polycondensation, cross-linking or chemical reaction using electrical discharge or plasma-polymerisation

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Description

  • Selektiv gasdurchlässige Verbundmembranen und
  • Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung betrifft selektiv gasdurchlässige Verbundmembranen und ein Verfahren zu ihrer Herstellung; sie betrifft insbesondere selektiv für Gas durchlässige Verbundmembranen mit einer auf eine Seite eines wärmebeständigen porösen Trägers aufgebrachten dünnen Schicht mit einer vernetzten Struktur, die hergestellt worden ist durch Polymerisieren von tertiären Kohlenstoff enthaltenden Verbindungen oder tertiären Organosiliciumverbindungen mittels eines Plasmas, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Membranen.
  • In den let#ten Jahren wurden in zunehmendem Umfange Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel, Flüssigkeits- bzw. Fluidgemische durch Verwendung von selektiv durchlässigen (per- meablen) Membranen anstelle konventioneller Methoden, wie z.B. der Destillation und der Niedertemperaturverarbeitung, die von Phasenänderungen begleitet sind und viel Energie verbrauchen, wie in den US-PS 4 230 463 und 4 264 338 beschrieben, zu trennen und zu reinigen.
  • Die Trennung und Reinigung von Flüssigkeits- bzw. Fluidgemischen unter Verwendung von Membranen wird auf mehreren Gebieten bereits in der Praxis angewendet. So werden beispielsweise die Umwandlung von Meerwasser in Trinkwasser, die Beseitigung von Abwasser aus Fabriken und die Konzentration von Lebensmitteln bzw. Nahrungsmitteln alle in einem groß technischen Maßstab unter Verwendung geeigneter Membranen durchgeführt. Bei diesen Verfahren handelt es sich jedoch um die Flüssig-Flüssig-Trennung und die Flüssig-Fest-Trennung. Eine im großtechnischen Maßstab durchführbare Gas-Gas-Trennung ist bisher jedoch praktisch noch unbekannt.
  • Es ist schwierig, in großtechnischem Maßstab Gase unter Verwendung einer Membran voneinander zu trennen (nachstehend gelegentlich als "Membrantrennung" bezeichnet), weil (1) die selektive Permeabilität (Durchlässigkeit) von konventionellen Membranen gering ist (insbesondere da es keine geeignete Membran gibt, die selektiv spezifische Gase passieren läßt, während sie andere Gase im wesentlichen blockiert, so daß es möglich wird, ein hochreines Gas zu erhalten, und daher muß ein Mehrstufenverfahren angewendet werden, in dem die Membrantrennung wiederholt durchgeführt wird, was zu einer Vergrößerung der Apparatur führt) und (2) die Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) gering ist, so daß es schwierig ist, eine große Menge Gas zu verarbeiten. Ferner ist es so, daß dann, wenn die selektive Permeabilität (Durchlässigkeit) der Membran zuninunt, die Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) abnimmt. Wenn jedoch die Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) zunimmt, nimmt die selektive Perme- abilität (Durchlässigkeit) ab. Dadurch ist es schwierig, eine Membrantrennung in einem großtechnischen Maßstabe durchzuführen.
  • Um nun eine kommerziell durchführbare Membrantrennung zu erreichen, sind bereits verschiedene Verfahren zur Herstellung von verbesserten Membranen vorgeschlagen worden. Zu typischen Beispielen gehören ein Verfahren, bei dem zur Herstellung einer unsymmetrischen Membran das Vergießen einer Polymerlösung angewendet wird, wobei eine aktive Hautschicht so dünn wie möglich gemacht wird, sowie ein Verfahren, bei dem eine superdünne Membran, die der vorgenannten aktiven Hautschicht entspricht, getrennt hergestellt und auf einem porösen Träger befestigt wird zur Herstellung einer Verbundmembran, wie in den US-PS 3 497 451, 4 155 793 und 4 279 855 beschrieben. Diese Verfahren ergeben jedoch keine zufriedenstellend verbesserten Membranen, obgleich sie Standardverfahren zur Verbesserung der Gasdurchlässigkeit (Gaspermeabilität) darstellen. Der Grund dafür ist der, daß es bisher keine im Handel erhältlichen Polymeren oder Copolymeren gibt, die allen Anforderungen in Bezug auf die notwendigen physikalischen Eigenschaften, beispielsweise die siektive Permeabilität (Durchlässigkeit), die Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit), die Wärmebeständigkeit, die chemische Beständigkeit (Chemikalienbeständigkeit) und die Festigkeit, genügen.
  • Vom Standpunkt der Wärmebeständigkeit und der Festigkeit aus betrachtet können verschiedene Materialien ausgewählt werden aus porösen polymeren Materialien, die derzeit im Handel erhältlich sind. Es können poröse Polysulfon#,Polyimideund dgl. verwendet werden, Celluloseester, Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polycarbonat, Polyvinylalkohol und dgl. sind jedoch nicht sehr bevorzugt. Im Hinblick auf die Wärmebeständigkeit und Festigkeit ist ein poröser Träger aus einem Polytetrafluoräthylen am meisten bevorzugt. Er hat ferner dbn Vorteil, daß seine chemische Beständigkeit (Chemikalienbeständigkeit) genügend hoch ist.
  • Bezüglich der Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) ist Polytetrafluoräthylen aber ungeeignet. Zu Materialien mit einer zufriedenstellenden Gasdurchlässigkeit (Gaspermeabilität) gehören verschiedene Kautschuke, wie z.B. Siliconkautschuke (wie Dimethylsiloxan und Phenyl-siloxan), Naturkautschuk und Polybutadien. Diese Kautschuke haben jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß sie eine geringe Festigkeit aufweisen. Zur Verbesserung der Festigkeit kann ein Siliciumdioxid-Füllstoff in diese Kautschukmaterialien eingearbeitet werden. Die Einarbeitung solcher Füllstoffe ist jedoch nicht bevorzugt, da dadurch die Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) verschlechtert wird.
  • Als Ergebnis von verschiedenen Untersuchungen wurde nun gefunden, daß polymere Verbindungen, die in ihrer wiederkehrenden Einheit ein tertiäres Kohlenstoffatom enthalten, eine ausgezeichnete selektive Gasdurchlässigkeit aufweisen und daß ferner Verbindungen, die anstelle des obengenannten tertiären Kohlenstoffatoms ein tertiäres organisches Siliciumatom enthalten, ebenfalls eine ausgezeichnete selektive Gasdurchlässigkeit besitzen. Diese Polymeren weisen jedoch eine unzureichende Wärmebeständigkeit, Festigkeit und chemische Beständigkeit (Chemikalienbeständigkeit) auf.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Membran anzugeben, in der nicht nur ein einziges Material verwendet wird, das allen Anforderungen an die obengenannten physikalischen Eigenschaften genügt, sondern in der verschiedene Materialien mit ihren eigenen ausgezeichneten physikalischen Eigenschaften miteinander kombiniert werden.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Verbundmembran mit einer selektiven Gasdurchlässigkeit (Gas- permeabilität) anzugeben, die geeignet ist zum Konzentrieren von Sauerstoff aus der Luft und zum Abtrennen von Wasserstoff aus Erdölgas etc.
  • Es wurde nun erfindungsgemäß gefunden, daß dann, wenn Monomere, die ein tertiäres Kohlenstoffatom oder ein teriäres organisches Siliciumatom enthalten, durch Glimmentladung unter vermindertem Druck von 10 Torr oder weniger, vorzugsweise von 5 Torr oder weniger, polymerisiert werden zur Herstellung einer dünnen Membran auf einem wärmebeständigen porösen Träger, eine Verbundmembran erhalten werden kann, die stark verbessert ist nicht nur in Bezug auf ihre selektive Permeabilität (Durchlässigkeit), sondern auch in Bezug auf ihre Festigkeit und Wärmebeständigkeit.
  • Gegenstände der Erfindung sind daher: #1.) Eine selektiv gasdurchlässige Verbundmembran mit einem wärmebeständigen porösen Träger und einer auf eine Seite des Trägers aufgebrachten dünnen Schicht mit einer vernetzten Struktur, die hergestellt worden ist durch Polymerisieren einer ein tertiäres ohlenstoffatom enthaltenden Verbindung der nachstehend angegebenen allgemeinen Formel (I) oder einer ein tertiäres organisches Siliciumatom enthaltenden Verbindung der nachstehend angegebenen allgemeinen Formel (II) oder (III) mittels eines Plasmas: worin bedeuten: X einen gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest, einen ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest, einen heterocyclischen Rest, ein Halogenatom, eine Hydroxygruppe, eine Aminogruppe, eine substituierte Aminogruppe oder eine Halogenairtinogruppe und einer der Reste R11 R2 und R3, ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe und die übrigen beiden, die gleich oder voneinander verschieden sein können, jeweils eine Methyl-l gruppe oder eine Äthylgruppe, sowie 2.) ein Verfahren zur Herstellung einer selektiv gasdurchlässigen Verbundmembran, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine ein tertiäres Kohlenstoffatom oder ein tertiäres organisches Siliciumatom enthaltende Verbindung in eine Atmosphäre von 5 Torr oder weniger unter Glimmentladung eingeführt und polymerisiert wird unter Bildung einer dünnen Membran auf einem wärmebeständigen porösen Träger.
  • In den obigen Formeln gehören zu Beispielen für den durch X repräsentierten gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest eine Alkylgruppe (wie Methyl, Äthyl, Pentyl und dgl.), eine Alkoxygruppe (wie Methoxy, Äthoxy und dgl.) und dgl.
  • Zu Beispielen für den durch X repräsentierten ungesättigten aliphatischen Rest gehören eine Alkenylgruppe (wie Vinyl, Allyl, 3-Butenyl, 2-Butenyl, 4-Pentenyl und dgl.), eine Alkinylyruppe (wie Äthinyl und dgl.) und dgl.
  • Zu Beispielen für den durch X repräsentierten aroamtischen Kohlenwasserstoffrest gehören eine Phenylgruppe und dgl.
  • Zu Beispielen für den durch X repräsentierten heterocyclischen Rest gehören eine Imidazolylgruppe und dgl.
  • Zu Beispielen für die durch X repräsentierte substituierte Aminogruppe gehören eine Dimethylaminogruppe, eine Trimethylsilylaminogruppe und dgl.
  • Zu Beispielen für Halogen gehören Chlor, Fluor und dgl.
  • In der allgemeinen Formel (I) entspricht das tertiäre Kohlenstoffatom dem zentralen Kohlenstoffatom der obengenannten Formel.
  • Unter den Verbindungen der allgemeinen Formel (I) gehören zu den Verbindungen mit einfachen Strukturen tert.-Butylamin, tert.-Butylalkohol und tert.-Butylchlorid. Zu typischen Beispielen für Verbindungen der allgemeinen Formel (I) worin X einen Kohlenwasserstoffrest darstellt, gehören gesättigte Verbindungen, wie Isopentan und Isooctan, und ungesättigte Verbindungen, wie Pentenderivate, z.B. 4-Methyl-1-penten, 4-Methyl-2-penten, 2,4 ,4-Trimethyl-ipenten und 4,4-Dimethyl-i-penten, sowie Octenderivate, z.B. Isoocten.
  • Die Verbindungen, die im gasförmigen Zustand in die Glimmentladungsatmosphäre eingeführt werden können, sind begrenzt auf verhältnismäßig niedrigsiedende Verbindungen (die unter 2000C, vorzugsweise unter 1500C sieden) mit einem Dampfdruck von etwa 5 bis etwa 760 Torr. Es können daher Verbindungen, die weniger als 20, vorzugsweise bis zu etwa 15 Kohlenstoffatome, insbesondere 4 bis 10 Kohlenstoffatome, enthalten, erfindungsgemäß verwendet werden, während Verbindungen, die 20 oder mehr Kohlenstoffatome enthalten, in der Praxis nicht verwendbar sind.
  • unter den obengenannten Verbindungen sind die Verbindungen, die teilweise durch Fluor substituiert sind, vom Standpunkt der Leichtigkeit der Plasmapolymerisation und der erhöhten chemischen Beständigkeit aus betrachtet vorteilhaft. Außerdem sind die Verbindungen der oben angegebenen Formeln, worin jeder der Reste R1 R2 und R3 jeweils eine Methylgruppe bedeutet, in Bezug auf den Siedepunktsbereich und die Leichtigkeit der Herstellung denjenigen überlegen, welche die Åthylgruppe enthalten, obgleich Verbindungen, in denen einer oder zwei der Reste R1, R2 und R3 eine Athylgruppe bedeutet, erfindungsgemäß ebenfalls verwendet werden können.
  • Zu Beispielen für die erfindungsgemäß verwendeten, ein tertiäres organisches Siliciumatom enthaltenden Verbindungen der Formeln (II) und (III) gehören Trimethylchlorsilan, Trimethylfluorsilan, Trimethylmethoxysilan, Methyltrimethoxysilan, Trimethoxyphenylsilan und zusätzlich können verschiedene Aminosilanverbindungen verwendet werden.
  • Für die Plasmapolymerisation sind jedoch Verbindungen, die kein Halogenatom enthalten, wie z.B. Tetramethylsilan, Hexamethyldisilazan, Dimethylaminotrimethylsilan und Trimethylsilylimidazol, bevorzugt. Verbindungen, die eine Funktionsgruppe, wie z.B. eine Vinylgruppe, eine Äthinylgruppe, eine Allylgruppe und dgl.' enthalten, wie z.B. Vinyltrimethylsilan, Vinyltrimethoxysilan und Vinyltris(ß-methoxyäthoxy)silan sind in Bezug auf die Polymerisationsgeschwindigkeit bzw.
  • -rate vorteilhaft.
  • Die erfindungsgemäß verwendeten Verbindungen haben vor ihrer Plasmapolymerisation eine tertiäre Struktur oder eine Struktur vom tertiären Typ. In den Verbindungen bewirkt eine durch Polm#riat## Dehydrierung oder ein WachstumdeVinyraialen, daß die Hauptkette wächst. Beim Wachstum der Hauptkette wird eine polymere Verbindung gebildet, in der Verzweigungen aus wiederkehrenden Methylseitenketten mit der Hauptkette verbunden sind.
  • Andererseits bilden die Seitenketten, die von der Hauptkette ausgehen, die durch das Plasma dehydriert worden ist, lange Verzweigungen. Die Häufigkeit der Vernetzung zwischen einem Teil der Verzweigungen und der Hauptkette nimmt zu, wenn die Verzweigung wächst und führt schließlich zur Bildung einer dreidimensionalen Netzstruktur. Wenn der Mengenanteil der dreidimen-sionalen Netzstruktur zunimmt, wird die Festigkeit höher und die Wärmeverformungseigenschaften nehmen ab. Dies führt zu einer Verbesserung der Wärmebeständigkeit.
  • Bei einer dünnen Membran, bei der eine Anzahl von Verzweigungen, die der Methylgruppe entsprechen, auf der Hauptkette oder der Seitenkette gebildet werden, nimmt die Kristallinität ab und es entsteht eine Struktur, die es ermöglicht, in zufriedenstellender Weise feine Größenunterschiede zwischen den Gasmolekülen festzustellen. Dadurch wird die selektive Permeabilität (Durchlässigkeit) der dünnen Membran verbessert. Man sagt, daß der mittlere Kollisionsradius von Wasserstoff bei Atmosphärendurck 2,9 2 beträgt und daß derjenige von Methan 3,8 2 beträgt. Bei Verwendung einer Membran beispielsweise aus Dimethylsiloxan ist ihre Wasserstoffdurchlässigkeit (Wasserstoffpermeabilität) nahezu die gleiche wie die Methandurchlässigkeit (Methanpermeabilität). Tatsächlich passiert Methan, das einen größeren Kollisionsradius hat als Wasserstoff, die Membran etwa 1,2-mal schneller als der Wasserstoff. Es wird angenommen, daß dies auf die Anwesenheit der Methylgruppen,.die Von der Hauptkette abzweigen, zurückzuführen ist.
  • Die Dicke der durch Plasmapolymerisation auf einem Träger herzustellenden dünnen Membran variiert in Abhängigkeit von der Zeit, innerhalb der die tertiären Kohlenstoff oder tertiäres organisches Silicium enthaltende Verbindung unter Glimmentladung zugeführt wird, der Strömungsgeschwindigkeit der zugeführten Verbindung, der ochfrequenz-Energieabgabe und dgl. Die Glimmentladung kann unter Bedingungen durchgeführt werden, wie sie beispielsweise in den US-PS 3 775 308 und 3 847 652 angegeben sind. Die dünne Membran hat vorzugsweise eine Dicke von 1 pm oder weniger, insbesondere eine Dicke von 0,3 p,m oder weniger, im Hinblick auf ihre selektive Gasdurchlässigkeit.
  • Bei dem Träger, der erfindungsgemäß verwendet werden kann, handelt es sich um eine wärmebeständige poröse Polymermembran aus Polysulfonen, Polyimiden, Celluloseestern, Polyvinylchloriden, Polypropylen, Polycarbonaten, Polyvinylalkoholen, Polytetrafluoräthylenen und dgl., wobei Polytetrafluoräthylen bevorzugt ist. Vorzugsweise hat der poröse Träger eine Porosität von 30 bis 80 % und einen Porendurchmesser von nicht mehr als 0,2 rm, vorzugsweise von nicht mehr als 0,1 Cm.
  • Wenn die dünne Membran durch Plasmapolymerisation unter solchen Bedingungen gebildet wird, daß ihre Dicke auf 1 gum oder weniger, vorzugsweise 0,3 lum oder weniger, eingestellt wird, besteht dann, wenn die Haftung zwischen der dünnen Membran und dem Träger gering ist oder wenn der Porendurchmesser des Trägers zu groß ist, die Gefahr, daß sich darin Defekte entwickeln. Es ist bisher kein geeignetes Verfahren zur Verhinderung dieser Effekte bekannt.
  • Es sind bereits verschiedene Verfahren für diesen Zweck vorgeschlagen worden, z.B. ein Verfahren, bei dem der Porendurchmesser des porösen Trägers herabgesetzt wird, wie in den US-PS 3 567 810, 3 709 841, 3 855 122 und 4 026 977 beschrieben. Es gibt jedoch nur einige wenige Verfahren, mit deren Hilfe das obengenannte Problem gelöst werden kann, während gleichzeitig die Anforderungen an die geforderten physikalischen Eigenschaften, wie z.B.
  • an die Wärmebeständigkeit und Festigkeit, erfüllt werden.
  • Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß durch Ausfüllen des Innern der Poren in dem wärmebeständigen porösen Träger mit einer Siloxanverbindung, beispielsweise einem Siliconkautschuk, und anschließendes Durchführen einer Plasmapolymerisation die Haftung zwischen der so gebildeten dünnen Membran und dem Träger erhöht wird und gleichzeitig der Porendurchmesser des Trägers vermindert wird, wodurch die Gefahr des Auftretens von Defekten in der dünnen Membran verringert wird.
  • Diese Siloxanverbindungen können im Innern der Poren des wärmebeständigen porösen Trägers vernetzt werden, wie dies bei dem üblichen Siliconkautschuk der Fall ist, durch Verwendung von organischen Peroxiden, aliphatischen Säuren, Azoverbindungen, Schwefel und dgl. oder durch Bestrahlung.
  • In der selektiv gasdurchlässigen Membran weisen nicht nur die Materialien selbst ausgezeichnete Eigenschaften auf, sondern die sie aufbauenden Elemente, welche die Durchlässigkeit (Permeabilität) bestimmen, sollten auch so dünn wie möglich sein.
  • Die Eigenschaften des Materials werden durch die Einheit des Gaspermeationskoeffizienten bewertet: P = cm3. cm/cm2 .sec.cmHg Dieser wird errechnet bei einer Dicke des Materials von 1 cm.
  • Andererseits erfolgt bei der Verbundmembran die Bewertung durch die Einheit: P = cm3/cm2 .sec.cmHg bei der es sich um die Permeationsgeschwindigkeit bei der Dicke des Materials selbst handelt. Das heißt, obgleich die Permeationsgeschwindigkeit einer Membran mit einer Dicke von 10 pm das 10-fache derjenigen einer Membran mit einer Dicke von 1 pm beträgt, sind ihre Permeationskoeffizienten gleich. In der Praxis wird der Wert für die Permeationsgeschwindigkeit benötigt.
  • Nach umfangreichen Untersuchungen über ein Verfahren zur Härtung (Vernetzung) von Siloxanverbindungen wurde nun gefunden, daß dann, wenn die Oberflächenschicht, die in einer Plasmaatmosphäre, in der ein nicht-polymerisierbares Gas (wie z.B. Luft, N2, Ar, Ne, vorzugsweise Ne, Ar) verwendet wird, mit dem Plasma in Kontakt kommt, vernetzt oder gehärtet wird, die nicht-vernetzten bzw. nichtgehärteten Siloxanverbindungen aus der Oberflächenschicht des wärmebeständigen porösen Trägers extrahiert und entfernt werden können, die nicht mit dem Plasma in Kontakt kommt.
  • Auf diese Weise erhält man eine Membran mit einer unsymmetrischen Struktur aus einer Oberflächenschicht, die aus der durch das Plasma vernetzten Siloxanverbindung besteht, und der rückseitigen Oberflächenschicht, aus der die Siloxan verbindung extrahiert und entfernt worden ist und in der keine Siloxanverbindung verbleibt.Die Dicke des gehärteten bzw. vernetzten Teils beträgt nicht mehr als 1 tim.
  • Um die Vernetzung durch das Plasma und die Extraktion und das Entfernen der ungehärteten Siloxanverbindung zu erleichtern, ist es bevorzugt, anstelle von ungehärtetem rohem Kautschuk Polymere mit einem mittleren Molekulargewicht, die allgemein als Siliconöl bezeichnet werden, zu verwenden.
  • Die Viskosität (bei 250C) von Siliconöl, wie z.B. Dimethylsiloxan, das im Handel erhältlich ist, liegt innerhalb des Bereiches von 0,65 bis 1 000 000 cSt. Wenn die Viskosität nur 20 cSt oder weniger beträgt, ist die Flüchtigkeit hoch, was zu einer Verteilung des Öls in der Plasmaatmosphäre führt. Andererseits wird es dann, wenn die Viskosität 50 000 cSt oder mehr beträgt, schwierig, die Poren des wärmebeständigen porösen Trägers mit dem Siliconöl zu füllen. Außerdem entsteht ein zusätzliches Problem dadurch, daß das Siliconöl nicht nur in die Poren des Trägers eindringt, sondern auch übermäßig stark an der Oberfläche des Trägers haftet.
  • Das übermäßig stark an der Oberfläche haftende Siliconöl wird durch das Plasma vernetzt. Beim Extrahieren und Entfernen der ungehärteten (nicht vernetzten) Komponente neigt es jedoch dazu,sichvon der porösen Polymermembran abzulösen.
  • Daher kann kein Produkt mit einer einheitlichen Qualität erhalten werden. Auch tritt dann, wenn ungehärteter roher Kautschuk neben Siliconöl dazu verwendet wird, die Poren des wärmebeständigen porösen Trägers zu füllen, das Problem auf, daß der Kautschuk übermäßig stark an der Oberfläche des Trägers haftet wie im Falle von Siliconöl mit einer hohen Viskosität. Durch Verwendung eines Siliconöls mit mittlerem Molekulargewicht ist es möglich, die Menge des an der Oberfläche haftenden Öls zu verringern.
  • Um die Menge des an der Oberfläche haftenden Öls weiter herabzusetzen, wird vorzugsweise die Wärmeexpansions- und Kontraktionswirkung der Siloxanverbindung ausgenutzt.
  • Die Siloxanverbindung wird auf 100 bis 1500C erhitzt, um eine Volumenausdehnung und eine Herabsetzung der Viskosität zu bewirken. In dem Zustand, in dem das Volumen erhöht ist und die Viskosität verringert ist, wird die Siloxanverbindung zum Imprägnieren des wärmebeständigen porösen Trägers verwendet. Nachdem die Imprägnierung beendet ist, wird ein Überschuß der Siloxanverbindung, der an der Oberfläche des Trägers haftet, ausgepreßt. Danach tritt dann, wenn der Träger auf Raumtemperatur abgekühlt ist, eine Volumenkontraktion von etwa 10 % auf und die auf der Oberfläche verbleibende Siloxanverbindung wird von den Poren des Trägers absorbiert. In jedem Falle ist Dimethylsiloxan mit einer Viskosität innerhalb des Bereiches von 30 bis 300 000 cSt bevorzugt.
  • Nachdem die Siloxanverbindung in eine vernetzte Struktur überführt worden ist, kann eine dünne Membran, die durch Plasmapolymerisation hergestellt worden ist und eine Dicke von 1 pm oder weniger, vorzugsweise von 0,3 pm oder weniger hat, auf die Oberfläche auflaminiert werden. Zu diesem Zweck wird das Innere des Rcakt-ionsqc>frißes bei einem verrntnderten Druck von 5 Torr oder weniger, vorzugsweise von 2 Torr oder weniger, gehalten und es wird ein Gasgemisch aus dem nichtpolymerisierbaren Gas und dem polymerisierbaren Gas der Verbindung der allgemeinen Formel (I), (II) oder (III), welche die gleiche ist, wie sie zur Herstellung der dünnen Membran auf dem Träger verwendet wird, eingeleitet. Wenn in dem Reaktionsgefäß durch Erzeugung einer hohen Frequenz bei einer vorgegebenen Energie von 20 bis 500 W, beispielsweise von 50 W, eine Glimmentladung entsteht, wird das polymerisierbare Gas durch das Plasma polymerisiert unter Bildung einer dünnen Membran. Das Auflaminieren der dünnen Membran auf die Oberflächenschicht eines Verbundmaterials aus der vernetzten Siloxanverbindung und der wärmebeständigen porösen Polymermembran läuft auf die gleiche Weise ab wie für den Träger mit einer Siloxanverbindung darauf beschrieben.
  • Eine unter sehr beschränkten Bedingungen, wie vorstehend angegeben, hergestellte Verbundmembran weist ausgezeichnete Eigenschaften in Bezug auf die selektive Permeation von Gasgemischen auf und liefert somit einen großen Beitrag für die Industrie als Energie einsparendes Gastrennverfahren Die erfindungsgemäße Verbundmembran eignet sich insbesondere zur Abtrennung von Sauerstoff von Luft und zur Abtrennung von Wasserstoff von Koksofengas.
  • Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
  • Beispiel 1 Eine poröse Membran aus einem Polytetrafluoräthylen (Fluoropore FP045, hergestellt von der Firma Sumitomo Electric Industries, Ltd.) mit einem mittleren Porendurchmesser von 0,45 pm wurde mit einer zweifach verdünnten Lösung von Dimethylsiloxan (Silicone Oil KF-96, her- gestellt von der Firma Shin-Etsu Silicone Co., Ltd.) mit 30 ÖOO cSt mit Methyläthylketon imprägniert und danach wurde das Methyläthylketon verdampft. Die Membran wurde auf 1500C erhitzt und das auf der Oberfläche der Membran austretende Siliconöl wurde mit einer Schwammrolle entfernt. Dann wurde die Membran abkühlen gelassen.
  • Die Membran wurde 15 Minuten lang einer Plasmaatmosphäre einer 50 W-Hochfrequenz-Leistung von 13,56 MHz einem Stickstoffgas von 2 Torr ausgesetzt. Dann wurde das nicht-gehärtete. (nicht-vernetzte) Siliconöl mit Methyläthylketon extrahiert. Die Membran wurde erneut in die Plasmaapparatur eingeführt, in die dann zusammen mit Stickstoffgas 4-Methyl-1-penten-Dampf eingeführt wurde, und die Plasmapolymerisation wurde 20 Minuten lang durchgeführt.
  • Es wurde die Gaspermeabilität (Gasdurchlässigkeit) der so hergestellten Verbundmembran gemessen. Die Permeationsgeschwindigkeiten von Sauerstoff und Stickstoff betrugen 1,2 x 10 5 cm3/cm2#sec.cmng bzw. 3,4 x 10 6 Cm3/cm2.sec.cmHg, so daß der selektive Permeationskoeffizient 3,5 betrug.
  • Beispiel 2 Auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 wurde eine Dolytetrafluoräthy3en-Membran mit einer vernetzten Siloxanverbindung in den Poren hergestellt. Auf die so hergestellte Membran wurde eine dünne Membran aus jeder der in der folgenden Tabelle I angegebenen, tertiäres organisches Silicium enthaltenden Verbindungen unter Anwendung der Plasmapolymerisation aufgebracht. Die Gaspermeabilität jeder Membran wurde gemessen, wobei die in der folgenden Tabelle II angegebenen Ergebnisse erhalten wurden.
  • Tabelle I Plasmapolyrnerisations bedingungen Versuch Verbindung Hochfrequenz- Druck Polymerisationsdauer Nr. energie (Watt) (Torr) (Minuten) 1 Tetramethylsilan 10 4 30 2 Dimethylaminosilan 60 4 15 3 Vinyltriäthoxysilan 80 1 20 4 Vinyltrimethylsilan 30 3 20 Tabelle II Versuch Periieationsgeschwin- Permeationsgeschwin- selektiver Perme-Nr digkeit von Sauerstoff digkeit von Stickstoff ationskoeffizient (PO2) (PN2) (αO2/N2) 1 7.0 x 10-5 2.9 x 10-5 2.4 2 1.6 x 10-5 5.7 x 10-6 2.8 6 3 2.4 x10-5 8.9 x 10-6 2.7 4 2.2 10-6x 10-6 5.5 x 10-7 4.0 Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims (12)

  1. Patentansprüche 1. Selektiv gasdurchlässige Verbundmembran, g e k e n n -z e i c h n e t durch eine wärmebeständige poröse Polymermembran und eine auf eine Seite der Membran aufgebrachte dünne Schicht mit einer vernetzten Struktur, die hergestellt worden ist durch Polymerisieren einer Verbindung, ausgewählt aus der Gruppe von Verbindungen der allgemeinen Formeln worin bedeuten: X einen gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest, einen ungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest, einen heterocyclischen Rest, ein Halogenatom, eine Hydroxygruppe, eine Aminogruppe, eine substituierte Aminogruppe oder eine Halogenaminogruppe. und einer der Reste R11 R2 und R3 ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe und die übrigen beiden, die gleich oder voneinander verschieden sein können, jeweils eine Methylgruppe oder eine Äthylgruppe, wobei die Polymerisation in einem Plasma durchgeführt worden ist.
  2. 2. Verbundmembran nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Formeln (I), ( und (III) R1, R2 und R3 jeweils eine Methylgruppe bedeuten.
  3. 3. Verbundmembran nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Schicht mit einer vernetzten Struktur eine Dicke von 0,3 pm oder weniger aufweist.
  4. 4. Verbundmembran nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tertiären Kohlenstoff enthaltende Verbindung ausgewählt wird aus der Gruppe 4-Methyl-1-penten, 4-Methyl-2-penten, 2,4,4-Trimethyl-1-penten, 4 ,4-Dimethyl-1-penten, tert.-Butylamin, tert.-Butylalkohol, tert.-Butylchlorid und ihren Fluor enthaltenden Derivaten.
  5. 5. Verbundmembran nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die tertiäres organisches Silicium enthaltende Verbindung ausgewählt wird aus der Gruppe Vinyltrimethylsilan, Tetramethylsilan, Hexamethyldisilazan, Dimethylaminptrimethylsilan, Trimethylsilylimidazol, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriäthoxysilan und Vinyltris (ß-methoxyäthoxy) silan.
  6. 6. Verbundmembran nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Siloxanverbindung in den Poren der wärmebeständigen porösen Polymermembran vernetzt ist.
  7. 7. Verbundmembran nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmebeständige poröse Polymermembran aus einem Polytetrafluoräthylen besteht und eine Struktur mit Fasern und Knoten aufweist.
  8. 8. Verfahren zur Herstellung einer selektiv gasdurchlässigen Membran, insbesondere einer solchen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt: Verwendung einer wärmebeständigen porösen Polymermembran als Träger, Einführen einer Verbindung, die ausgewählt wird aus Verbin- dungen der allgemeinen Formel worin bedeuten: X einen gesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest, einetungesättigten aliphatischen Kohlenwasserstoffrest, einen aromatischen Kohlenwasserstoffrest, einen heterocyclischen Rest, ein Halogenatom, eine Hydroxygruppe, eine Aminogruppe, eine substituierte Aminogruppe oder eine Halogenaminogruppe und einer der Reste R1, R2 und R3 ein Wasserstoffatom oder eine Methylgruppe und die übrigen beiden, die gleich oder voneinander verschieden sein können, jeweils eine Methylgruppe oder eine Äthylgruppe, in eine Atmosphäre von 5 Torr oder weniger unter einer Glimmentladung, um die Verbindung zu polymerisieren und eine dünne Membran herzustellen, und Auflaminieren der dünnen Membran auf die wärmebeständige poröse Polymermembran.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verbindung der Formel (I), (II) oder (III) verwendet wird, worin X einen Kohlenwasserstoffrest oder eine Halogenaminogruppe und R1, R2 und R3 alle CH3 bedeuten.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 und/oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vernetzung der Siloxanverbindung in einer Plasmaatmosphäre eines nicht polymerisierbaren Gases bei einem Druck von 5 Torr oder weniger durchgeführt wird.
  11. 11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die tertiären Kohlenstoff enthaltencieverbindung ausgewählt wird aus der Gruppe 4-Methyl-1-penten, 4-Methyl-2-penten, 2,4,4-Trimethyl-1-penten, 4 ,4-Dimethyl-1-penten, tert.-Butylamin, tert.-Butylalkohol, tert.-Butylchlorid und ihren Fluor enthaltenden Derivaten.
  12. 12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die tertiäres organisches Silicium enthaltende Verbindung ausgewählt wird aus der Gruppe Vinyltrimethylsilan, Tetramethylsilan, Hexamethyldisilazan, Dimethylaminotrimethylsilan, Trimethylsilylimidazol, Vinyltrimethoxysilan, Vinyltriäthoxysilan und Vinyltris (ß-methoxyäthoxy) silan.
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