DE4308150A1

DE4308150A1 - Semipermeable Membranen aus strukturviskosen Gießlösungen

Info

Publication number: DE4308150A1
Application number: DE4308150A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dr Hildenbrand; Herbert Dr Hugl; Rolf Dr Dhein; Michael Dr Voelker; Wolfgang Dr Mueller-Bardorff
Original assignee: Miles Inc
Current assignee: Bayer Corp
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-22

Description

Die Verwendung von Polymermembranen für technische Trennprozesse gehört seit Jahren zum Stand der Technik. Im Laufe der letzten Jahre sind aus praktisch allen gängigen Polymeren Membranen mit unterschiedlichen Trenneigenschaften entwickelt worden.

Auf dem technischen Gebiet haben sich vor allem die Mikro- und die Ultrafiltration sowie die Umkehrosmose, die Gasseparation, die Pervaporation und die Elektro dialyse etabliert. Die entsprechenden Membranen können eine symmetrische oder asymmetrische Porenstruktur haben, sie können trägergestützt (in der Regel durch Vliese) oder trägerfrei sein. Im Falle der Umkehrosmose, der Gasseparation und der Pervaporation werden in zunehmendem Maße Composite-Membranen eingesetzt, be stehend aus einer porösen Stützmembranen und einer darauf befindlichen porenfreien aktiven Trennschicht.

Im medizizischen Bereich werden Polymermembranen zum Entgiften von Blut ("künstliche Niere") eingesetzt, wobei die Verfahren der Hämodialyse, der Hämo diafiltration und der Hämofiltration angewandt werden.

Je nach Anwendungsfall werden die Membranen in Flach-, Rohr-, Kapillar- oder Hohlfaserform hergestellt.

Eine zusammenfassende Darstellung über den aktuellen Stand der Membrantechnolo gie ist beispielsweise im Lehrbuch "Basic principles of membrane technology", M. Mulder, Academic Publishers 1991, beschrieben.

Dort sind auch die wichtigsten Methoden zur Herstellung der Membranen beschrie ben, die sich im wesentlichen in zwei große Untergruppen zusammenfassen lassen.

Erstens die rein physikalischen Methoden, die von dünnen Polymerfolien ausgehen, wobei durch Recken oder Bestrahlen und anschließendem Ausätzen großporige Mikrofiltrationsmembranen hergestellt werden, deren Porositäten jedoch auf relativ niedrige Werte beschränkt sind.

Zweitens die sogenannten Phaseninversionsverfahren, bei denen ein Phasenübergang der Polymeren von flüssig nach fest durch Änderung der physikalisch-chemischen Bedingungen typisch ist. Beispiele hierfür sind das Thermogelierverfahren, die Ver dampfungskoagulation und das Fällungskoagulationsverfahren. Die letzte Methode ist mit Abstand die am häufigsten angewandte Membran-Herstellmethode.

Bei der Fällungskoagulationsmethode geht man von Polymerlösungen (Gieß-Lösun gen) aus, die in Form dünner Filme in eine Koagulatgionsflüssigkeit eingetaucht werden. Die Koagulationsflüssigkeit muß so beschaffen sein, daß sie mit dem Lö sungsmittel der Gießlösung mischbar ist und für das Polymere ein Fällmittel darstellt.

Aus ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten wird Wasser als Koagulations flüssigkeit bevorzugt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues, modifiziertes Verfahren zur Herstellung von Membranen nach der Phaseninversionsmethode, wobei das Fällungs koagulationsverfahren mit reinem Wasser als Koagulationsmedium bevorzugt wird.

Während die Membranherstellung aus Polymeren, wie oben ausgeführt, zum Stand der Technik gehört, konzentrieren sich die neueren Patentanmeldungen auf diesem Gebiet auf die Modifizierung bekannter Systeme im Hinblick auf die speziellen Ein satzgebiete. So zeichnen sich beispielsweise Membranen aus Polysulfon und Poly vinylidenfluorid durch hervorragende Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit aus.

Auf der anderen Seite ergeben sich, wegen des hydrophoben Charakters dieser Poly meren, insbesondere bei Filtration wäßriger Systeme, deutliche Nachteile, die auf mangelnde Benetzung oder Membranfouling zurückzuführen sind. Die Hydrophilisie rung durch nachträgliche Behandlung der konventionell hergestellten Membranen ist deshalb Gegenstand vieler neuer Patentanmeldungen (beispielsweise EP-A-474 617).

Die Herstellung von Membranen für neue Anwendungsgebiete ist ebenfalls Ziel vieler Entwicklungen aus der jüngeren Vergangenheit. Zunehmend an Bedeutung gewinnen beispielsweise Membransysteme für die Durchführung diagnostischer Nachweis reaktionen.

Als Beispiele seien Diagnoseteststreifen auf der Basis von Polymermembranen genannt, die die Bestimmung von Glucose in Urin oder Vollblut mit Hilfe von enzymatisch gesteuerten Farbreaktionen ermöglichen (DE-OS 34 07 359 und DE-OS 38 09 523).

Neue Entwicklungen auf dem Gebiet dieser "trockenchemischen Diagnosesysteme" zielen auf Testverfahren mit Minimalanforderungen bezüglich Handhabung bei der Testdurchführung hin.

Der Gesamtprozeß soll sich nur noch auf die Aufgaben der Testflüssigkeit, beispiels weise 1 Tropfen Blut durch den Diabetiker beschränken, wobei das Ergebnis, aus gewertet durch ein elektronisches Meßgerät, innerhalb kurzer Zeit (beispielsweise 30 sec) zur Verfügung stehen soll.

Die Bestimmung der nachzuweisenden Analyten erfolgt nach den aus der konventio nellen Naßchemie bekannten enzymatischen Methoden (Bermeyer, Methods of Enzy matic Analysis, Verlag Chemie). So kann beispielsweise Glucose mit Hilfe der Glukoseoxidase (GOD)-Methode bestimmt werden, wobei die Detektion über eine Chromogenreaktion mit reflektrometrischer Auswertung erfolgt.

An die Stelle der reflektrometrischen Auswertung eines Farbumschlags sind in letzter Zeit verstärkt elektrochemische Bestimmungsmethoden, beispielsweise Amperome trie, getreten. Die entsprechenden Analysenelemente werden als Biosensoren, im Falle der Blutzuckerbestimmung als Glucosesensoren bezeichnet.

Diese Sensoren bestehen aus trägergestützten Elektroden (Transducer), beispielsweise einer Arbeitselektrode auf Graphitbasis und einer Gegenelektrode auf Basis Ag(AgCl. Die Arbeitselektrode wird mit einer dünnen Membranschicht beaufschlagt, in der sich das biochemische Reagenzsystem (Glucoseoxidase im Falle des Glucosenachweises) sowie ein Mediator als Elektronenüberträger beispielsweise Kaliumhexacyanoferrat III befinden.

Die Beaufschlagung der Membran auf die Arbeitselektrode kann beispielsweise mit Hilfe der Siebdrucktechnologie mit anschließender Koagulation nach dem erfindungs gemäßen Membranherstellverfahren erfolgen.

Sowohl für die konventionellen Chromogensysteme als auch für Biosensoren werden Polymermatrizen mit hochgesteckten Anforderungen benötigt, die je nach Anwen dungsziel in einem System vereinigt werden müssen:

* Selektive Trenneigenschafen, beispielsweise Erythrozyten/Plasmaseparation.
* Hohe Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit.
* Einstellbare Reflexionseigenschatten im Hinblick auf reflektrometrische Auswer tung.
* Gute Benetzbarkeit mit dem Probenmaterial (beispielsweise Blut oder Urin).
* Schnelle Diffusion des Probenmaterials durch die Membran ohne eine von außen angelegte treibende Kraft.
* Integration des in der Regel biochemischen Reagenzsystems, wobei eine gute Langzeitstabilität von oft empfindlichen Enzymen garantiert werden muß.
* Konfektionierung der Membranmatrizen zu den Testsystemen, auch Testformate genannt, wobei neben mechanischer Festigkeit Verarbeitungsschritte wie Schneiden, Verkleben oder Verschweißen, durchgeführt werden müssen.

Die bisher bekannten, kommerziell erhältlichen Membranen, die fast ausschließlich für großtechnische Anwendungen entwickelt wurden, können diese hohen Anforderungen nicht zufriedenstellend erfüllen. In der Regel sind meist schon beim visuellen Be trachten der Membranoberfläche Inhomogenitäten zu erkennen, die erfahrungsgemäß auch beim Auswerten der Diagnosereaktion für relativ große Schwankungen ver antwortlich sind.

Anwendungsgebiete für die erfindungsgemäßen Membranen sind die in der Einleitung genannten Membranverfahren, wobei im Bereich der technischen Membranen insbesondere die Ultra- und die Mikrofiltration sowie die Trägerschichten für Composite-Membranen zu nennen sind.

Im medizinischen Bereich ist neben der Anwendung als "künstliche Niere" insbe sondere das Gebiet der Diagnose, das ganz besonders bevorzugt wird, zu nennen.

Die erfindungsgemäßen Membranen können, wie ebenfalls eingangs erwähnt, ver schiedene Formen wie Flach-, Rohr, Kapillar- oder Hohlfaserform besitzen und trägergestützt oder trägerfrei sein.

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß durch Zusetzen bestimmter Additive zur Polymergießlösung, die anschließend nach der Phaseninversionsmethode zu Membranen weiterverarbeitet wird, die o.g. Aufgaben im Hinblick auf maßge schneiderte Membraneigenschaften erfüllt werden können. Besonders überraschend war, daß bei entsprechender Auswahl mit einem Additiv oder eine Additiv- Kombination sowohl die Forderung nach verbesserter Membranhomogenität als auch deren Modifizierung im Hinblick auf bestimmte maßgeschneiderte Eigenschaften, wie Hydrophilisierung, verbesserte Benetzbarkeit und einstellbare Opazität (Reflexions grad) erfüllt werden können.

Aus einer Reihe von Serienversuchen mit verschiedenen Additiven konnte der Hinweis erhalten werden, von welcher Natur die zuzusetzenden Additive sein müssen, um die erfindungsgemäßen Vorteile zu erhalten. Es zeigte sich nämlich, daß die vorteilhaften Eigenschaften bezüglich Membranhomogenität und Gleichmäßigkeit dann auftraten, wenn die Fließeigenschalten der Polymergießlösungen infolge der Additivzusätze relativ stark vom ideal Newton′schen Verhalten abwichen und ein sogenanntes strukturviskoses oder thixotropes Verhalten zeigten.

Die Begriffe "Strukturviskosität" und "Thixotropie" sind in der Fachliteratur (bei spielsweise "Physik. chem. Grundlagen der Pigmentverarbeitung für Lacke und Druckfarben", Edition Lack und Chemie 1980) beschrieben. Wie aus dem o.g. Titel hervorgeht, sind die speziellen Vorteile von Beschichtungsrezepturen mit strukturviskosem oder thixotropem Fließverhalten beispielsweise in der Lacktechnik bekannt. Nicht beschrieben ist dagegen die Anwendung dieses Prinzips auf die Herstellung von Membranen, insbesondere nach dem Fällungskoagulationsverfahren. Hier gelten teilweise auch modifizierte Gesetzmäßigkeiten, da bei der Membranherstellung im Gegensatz zur Lacklechnologie zwischen Beschichtung und Trocknen noch der entscheidende Koagulationsschritt erfolgt.

Aus der Lacktechnologie sind auch eine Reihe von Verbindungen bekannt, die als Zusätze zur Gießrezeptur das Fließverhalten in Richtung Strukturviskosität oder Thixotropie verändern. Diese, auch als "rheologische Additive" bezeichneten Verbin dungen können von ihrer chemischen Struktur her sowohl reine Anorganika, reine Organika oder auch organische modifizierte Anorganika sein.

Im folgenden sind einige Beispiele für rheologische Additive sowie deren Bezugsquellen genannt.

Hochdisperse Kieselsäuren (SiO₂): Aerosile® der Fa. Degussa, Cab-osile® der Fa. Cabot sowie hochdisperse Kieselsäuren der Fa. Wacker. Alle 3 Firmen bieten hochdisperse Kieselsäuren mit unterschiedlichen spezifischen Oberflächen (ca. 90 bis 380 m²/g) sowohl in nicht modifizierter, rein anorganischer als auch in organisch modifizierter Form an. Die organisch modifizierten hochdispersen Kieselsäuren werden beispielsweise durch Umsetzen der freien Kieselsäuren-OH-Gruppen mit Chlorsilanen erhalten. Eine bevorzugte Type bei den hier beschriebenen Versuchen war beispielsweise Aerosil R 972 (Fa. Degussa), deren Aerosil OH-Gruppen teilweise mit Dimethylsilylgruppen organisch modifiziert sind.

Kommerziell erhältlich sind auch organisch modifizierte Kieselsäuren mit längeren Alkyl- oder Siloxanresten sowie Amin-modifizierte Produkte. Letztere sind zur Her stellung von Membranen mit freien Aminogruppen von Interesse, die gegebenenfalls zur adsorptiven oder kovalenten Fixierung von Wirkstoffen, beispielsweise Antikör pern im Hinblick auf Immundiagnose Membran, von Interesse sind.

Auch hochdisperse Mischoxide wie SiO₂/Al₂O₃ (Aerosil CoK 84, Fa. Degussa) oder hochdisperse Metalloxide wie TiO₂ und ZrO₂ werden angeboten und können allein oder im Gemisch mit den oben erwähnten hochdispersen Kieselsäuren eingesetzt werden. So kann beispielsweise durch Abmischen einer hochdispersen Kieselsäure mit TiO₂ (TiO₂ P25-Degussa) ein gewünschter Reflexionsgrad in der Membran eingestellt werden.

Als weitere Bezugsquelle für rheologische Additive seien die Produkte der Fa. Rheox genannt. Neben Schichtsilikaten, die vorzugsweise organisch modifiziert sind (Bentone®) werden auch rein organische Mittel, wie Rizinusölderivate (Thixcin®, Thixatro®) angeboten. Im Zusammenhang mit organischen Thixotropiermitteln sei auch TRDI®, ein reaktives Isocyanat der Fa. BAYER AG, genannt.

Die Bestimmung des Fließverhaltens von Polymerlösungen kann viskosimetrisch, beispielsweise mit Hilfe von Rotationsviskosimetern erfolgen. Nach der Beziehung

läßt sich das Fließverhalten charakterisieren.

Während beim ideal "Newton′schen Fließverhalten" die Viskosität unabhängig von der Schergeschwindigkeit ist, sinkt bei strukturviskosen Lösungen die Viskosität mit steigender Schergeschwindigkeit. Nach Beendigung der Scherung (Stoppen des Rota tionsviskosimeters) stellt sich die ursprüngliche Viskosität sofort wieder ein. Dagegen ist bei thixotropen Systemen der Übergang vom gescherten in den ursprünglichen Ruhezustand zeitabhängig.

Zur Quantifizierung der Strukturviskosität wird in der Fachliteratur der Begriff "Vis kositätsindex" angegeben, der durch die folgende Beziehung charakterisiert ist.

Während, wie schon betont, die Modifizierung von Rezepturen im Lackbereich zur Verbesserung der Lackoberflächenbeschaffenheit durch rheologische Additive be kannt ist, wurde deren Einfluß im Hinblick auf die Membranherstellung noch nicht untersucht. Ganz besonders überraschend waren synergistische Effekte, wobei neben einer Verbesserung der Membranoberflächenbeschaffenheit im Hinblick auf Gleich mäßigkeit auch gleichzeitig eine Verbesserung der Membraneigenschaften hinsichtlich Permeationsraten, Hydrophilisierung und Benetzbarkeit erreicht werden konnten.

So wurde gefunden (Beispiel 1), daß durch Eindispergieren von Aerosil® 200 (hoch disperse Kieselsäure, Fa. Degussa) in eine konventionelle Gießlösung, wie Polysulfon gelöst in N-Methylpyrrolidon, gleichzeitig ein verbessertes Beschichtungsverhalten, eine verbesserte Durchflußleistung und ein verbessertes Benetzungsverhalten mit Wasser erhalten werden konnte.

In weiteren Versuchen, die ebenfalls in den Beispielen geschildert werden, wurde des weiteren gefunden, daß durch Eindispergieren von Aerosilen in Kombination mit bestimmten Detergentien eine weitere Verbesserung der Benetzbarkeit und Hydrophi lisierung erreicht werden konnte. Bei den eingesetzten Detergentien handelte es sich um Polyethylenoxide oder Polypropylenoxide bzw. deren Copolymeren, die unter dem Markennamen Pluronic® oder Puriol® von der Fa. BASF als Detergentien angeboten werden. Wie Extraktionsversuche zeigten, blieben die an sich gut wasserlöslichen Detergentien überraschenderweise trotz Koagulation in Wasser und intensiven Waschprozeduren mit Wasser gut in der Membran haften. Offensichtlich wurden diese Detergentien "brückenartig" an die Aerosil-Partikel gebunden.

In weiteren Serienversuchen wurde gefunden, daß generell nieder- oder hochmole kulare, bi- oder mehrfunktionelle Verbindungen mit OH- oder NH-Gruppen sowie auch kationische oder anionische Tenside brückenartig in die mit hochdispersen Kieselsäuren versehenen Gießlösungen bzw. deren Membranen integriert werden können. Als Beispiele seien genannt: das trifunktionelle Tensid Sorbitanmonooleat (TWEEN®), Ethylenglykol, Glycerin, Oligo- oder Polyethylenglykole mit NH-End gruppen (Jeffamine®, Fa. Texako), Polyethylenimin oder auch monofunktionelle Tenside mit OH-Endgruppen wie p,t-Octylphenylether (Triton® X 100).

Wie die Untersuchungen zeigten, konnte durch die Kombination der hochdispersen Kieselsäuren, die als rheologische Additive fungieren, mit den genannten "Brücken additiven" neben der geschilderten Verbesserung der Membranhydrophilie und Be netzbarkeit auch eine Verbesserung im Fließverhalten der entsprechenden Polymer gießlösung erzielt werden. So zeigte sich, daß durch Zusatz der Brückenadditive in der Regel eine verstärkende Wirkung der rheologischen Additive, beispielsweise der hochdispersen Kieselsäuren, im Hinblick auf Strukturviskosität der Gießlösung (Erhöhung des Viskositätsindex) erreicht werden konnte.

Die Menge der eingesetzten rheologischen Additive richtet sich nach dem Maß der gewünschten Strukturviskosität, wobei mit steigenden Gewichtsanteilen des Additivs, beispielsweise Aerosil®, eine Erhöhung der Strukturviskosität bzw. Thixotropie erreicht wird. Die erfindungsgemaßen Verbesserungen in den Membranqualitäten werden in der Regel erreicht, wenn der Thixotropieindex im Schergeschwindigkeitsbe reich von 0,1 bis 100 sec^-1 Werte von ca. 3 überschreitet. Oft sind deutlich höhere Indices mit Werten von 10 bis 30 oder auch 50 bis 100 im genannten Scherge schwindigkeitsbereich möglich und von Vorteil. Dazu ist ein Zusatz an rheologischen Additiven, beispielsweise Aerosil®, im Bereich von einigen Gew.-%, beispielsweise 1 bis 10 Gew.-% bezüglich Gesamtgewicht der Polymergießlösung, erforderlich. Der Gehalt an "Brückenadditiven" orientiert sich an der Menge des rheologischen Additivs und wird bezogen auf dieses je nach Membrananforderung im Unterschuß, beispiels weise 0,2 Teile oder im Überschuß, beispielsweise 5 Teile, zugesetzt.

In weiteren Versuchen wurde gefunden, daß sich mit Hilfe der genannten rheolo gischen Additive allein oder in Kombination mit den "Brückenadditiven" Mischungen von Polymerlösungen stabilisieren lassen, die ohne diese Zusätze unverträglich sind und beim Stehen zur Phasenseparation führen.

Derartige, durch "Compatilizer" stabilisierte Polymerblendgießlösungen sind, wie in DOS 3 809 523 beschrieben, zur Herstellung von hochporösen Membranmatrizen geeignet. Die dort beschriebene Compatilisierung der Polymerblends beschränkt sich jedoch nur auf spezielle Füllstoffe. In dieser Offenlegungsschrift sind auch mögliche Polymerpaare bzw. Polymertripletts aufgeführt. Im Hinblick auf die in dieser Anmel deschrift schwerpunktmäßig angestrebten Diagnosematrizen seien zusätzlich noch die folgenden 3 Polymerblends aufgeführt:

1) Dralon® (Polyacrylnitril, BAYER AG)/Mowilith® 50 (Polyvinylacetat, Hoechst AG)/Polyetherpolycarbonat (BAYER AG),
2) Ultrason® E (Polyethersulfon, BASF AG)/Dralon®,
3) Mowilith® 50/Dralon®.

Die Herstellung von Gießlösungen aus diesen Polymerblend-Kombinationen ist in den Beispielen beschrieben.

Wie in der Einleitung erwähnt, können die erfindungsgemäßen Membranen entweder trägergestützt oder trägerfrei hergestellt werden. Für den Fall trägerfreier Membranen bieten sich neben dem sogenannten Vorhanggießen Beschichtungsprozesse auf nichtporöse Unterlagen wie Glasplatten, Polymerfolien oder silikonisierte Papiere an, wobei sich die Membran während des Koagulationsprozesses vom Trägersubstrat selbst ablösen oder bei geringerer Haftung vom Trägermaterial abgestrippt werden können.

Im Falle trägergestützter Membranen bieten sich als Beschichtungsunterlagen Poly mergewebe oder Polymervliese, die beispielsweise von der Fa. Freudenberg speziell für die Membranherstellung entwickelt wurden, an. Geeignete Polymergewebe wer den beispielsweise von der Fa. Schweiz. Seidengazefabrik AG auf Basis von multifilen Polyester- oder Polyamid(Nylon)garnen hergestellt. Von Vorteil sind auch Gewebe, die aus Polyester/Polyamid-Mischgarnen, beispielsweise die Type Nylon/Poly ester 2F/946 hergestellt sind. In diesen Fällen erhält man poröse Membranen, die einen festen Verbund zu den hochporösen Vliesen aufweisen und sich daher durch eine besondere mechanische Stabilität auszeichnen.

Im Hinblick auf die diagnostischen Membranmatrizen ist es auch möglich, Membranen herzustellen, die gut auf Folien haften. Als Folienträger dienen vorzugsweise Polymer folien, beispielsweise auf Basis Polyester oder Polycarbonat bzw. deren Blends sowie Folien auf Basis von Celluloseacetaten, Polyamiden und Polyolefinen. Im Hinblick auf Modifizierung, z. B. Verstärkung der Haltung zwischen Folienträger und Membranbe schichtung, ist es bisweilen vorteilhaft, die Oberflächen der verwendeten Trägerfolien zu modifizieren. Neben der Einstellung bestimmter Oberflächenrauhigkeiten kommt u. a. die Modifizierung mit polymeren Haftschichten, sogenannten Substrierschichten, in Frage. Auch physikalische Oberflächenbehandlungsmethoden, wie Plasma- oder Coronabehandlung können in diesem Sinne angewandt werden.

Bei Verwendung von Membranmatrizen, die auf transparenten Folien haften, ist es auch möglich, die in der Membran ablaufende Diagnosereaktion durch den transparenten Träger hindurch auszuwerten. Dazu wird das für die Diagnosereaktion erforderliche Reagenzsystem über die Membranseite in die Matrix imprägniert Danach wird das zu detektierende Probenmaterial, z. B. Vollblut, auf die Membran seite aufgegeben und die Nachweisreaktion, die vorzugsweise über eine enzymatische Farbrektion abläuft, durch den transparenten Träger hindurch ausgewertet.

Es ist auch möglich, einen Teil des Reagenzsystems, z. B. organisch lösliche Indikatoren, bereits über dem Membranherstellprozeß in die Matrix einzuarbeiten, so daß sich der anschließende Imprägnierprozeß lediglich auf die wasserlöslichen Reagenzkomponenten, beispielsweise das gepufferte Enzymsystem, beschränkt.

Zur weiteren Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Membrane sollen die folgenden Beispiele dienen.

Beispiel 1 Herstellen einer Polysulfon-Membran

250,0 g einer 18,6%igen Lösung von Polysulfon (Ultrason® E, BASF) in N-Methyl pyrrolidon (NMP) wurden in ein Rührgefäß vorgelegt. Unter hochtourigem Rühren (Dissolver, 4000 UPM) wurden 11,6 g Aerosil® 200 (Degussa) eindispergiert.

Nach dem Entgasen im Vakuum wurde eine durchscheinend opake Gießlösung er halten.

Diese Gießlösung zeigte bei der Viskositätsmessung eine ausgeprägte Strukturvisko sität mit 2 bis 300 Pas im Scherbereich von 400 bis 0,1 s^-1 entsprechend einem Vis kositätsindex von 150 im angegebenen Schergeschwindigkeitsbereich.

Die Gießlösung wurde mit Hilfe einer Membranbeschichtungsanlage auf ein Polyester vlies (FO 2402, Fa. Freudenberg) beschichtet und in Wasser koaguliert.

Es wurde eine gleichmäßige Membran erhalten, die eine gute Haftung zum Vlies zeigte und problemlos im Konti-Verfahren hergestellt werden konnte.

Bestimmung der Permeationsstromdichte (Wasserfluß):
300 l/m² bei 1 bar, feuchte Membran,
220 l/m² bei 1 bar, getrocknete Membran.

Vergleichsbeispiel Polysulfonmembran ohne rheologisches Additiv (Aerosil®)

Die oben beschriebene 18,6%ige Polysulfonlösung wurde direkt zur Membranher stellung eingesetzt.

Nach dem Entgasen wurde eine transparente gelbliche Lösung erhalten.

Viskositätsbestimmung:

Die Lösung zeigte ein Newton′sches Fließverhalten mit einer Viskosität von 2 Pas.

Membranherstellung:

Während bei Handversuchen, beispielsweise Beschichten von Glasplatten, keine nennenswerten Probleme auftraten, ergaben sich bei der kontinuierlichen Membran herstellung mit der obengenannten Beschichtungsanlage mit dem Polyestervlies erheb liche Schwierigkeiten: Die Gießlösung durchdrang das Polyestervlies und kontami nierte die das Vlies transportierenden Walzen. Die Rückseite des Vliesträgers, die normalerweise frei von Membranpolymer bleiben soll, erhielt dadurch einen unregel mäßigen Auftag an Polysulfon-Polymer.

Bestimmung der Permeationsstromdichte:

Es konnte erst bei einem Druck von 2 bar ein nennenswerter Wasserfluß beobachtet werden, der bei ca. 220 l/m² h lag. Im Gegensatz zur Aerosil-haltigen Membran ging nach dem Trocknen der Wasserfluß bei niedrigem Druck (bis ca. 5 bar) auf sehr kleine Werte (ca. 50 l/m² h) zurück.

Die weiteren Serienversuche mit Polysulfon/NMP-Gießlösungen zeigten, daß ohne Zusatz rheologischer Additive erst deutlich höher konzentrierte Ultrason E/NMP- Gießlösungen im Hinblick auf maschinelle Beschichtung von kommerziell erhältlichen Polyestervliesen problemlos eingesetzt werden konnten.

Beispielsweise konnten 25%ige Lösungen (Viskosität ca. 10 Pas, Newton′sches Fließverhalten) verarbeitet werden.

Hochprozentige Gießlösungen sind jedoch bezüglich hochporösen Membranen mit hohen Durchflußraten limitierend. Dementsprechend wurde mit der 25%igen Gießlösung eine Membran erhalten, die bei 1 bar lediglich einen Wasserfluß von ca. 40 l/m² h aufwies.

In einem weiteren Vergleichsbeispiel wurde anstelle des Aerosils® 200 das rheolo gische Additiv Thixin® (organisches Rizinusölderivat, Fa. Rheox) eingesetzt. Im Gegensatz zur Aerosil-Rezeptur setzte die viskositätserhöhende Wirkung etwas zeit verzögert ein, die Beschichtungs- und Membranergebnisse waren jedoch sehr ähnlich wie im 1. Hauptbeispiel.

Beispiel Polymerblend-Membran aus 2 Polymeren (Dralon X/Ultrason E)

90,8 g Dralon® X (anion. mod. Polyacrylnitril, BAYER AG) und
90,8 g Ultrason® E (Polyethersulfon, BASF AG) werden in
860,0 g N-Methylpyrrolidon (NMP) mit Hilfe eines Dissolvers gelöst. Zur Lösung wurden unter Rühren
36,2 g Aerosil® 200 sowie
144,5 g Pluriol® P 900 zugegeben und anschließend bei ca. 4000 UPM 20 min dispergiert.

Nach dem Entgasen unter Vakuum und Rühren wurde eine opake Gießlösung erhalten.

Bei der Viskositätsmessung wurde im Schergeschwindigkeitsbereich von 500 bis 0,1 s^-1 ein von 2 Pas bis 100 Pas ansteigender Viskositätsanstieg (ausgeprägte Strukturviskosität) festgestellt.

Mit Hilfe einer Membranbeschichtungsanlage wurde ein Polyestervlies (FO 2402) be schichtet (200 µm Naßauftrag), in reinem Wasser koaguliert und mit Warmluft getrocknet. Es wurde eine sehr gleichmäßige Membran mit hoher Porosität (ca. 50%) und einer mittleren Porengröße von 0,7 µm (gemessen mit Coulter®-Porometer) erhalten.

Diffusionswert:

Zum Testen der Benetzung und des Diffusionsverhaltens wurde auf die Vliesseite der Membran ein Tropfen einer 30-%igen, wäßrigen Luviskol® K 30-Lösung (Polyvinyl pyrrolidon PVP, BASF) aufgegeben. Es zeigte sich, daß der Tropfen die Membran innerhalb weniger Sekunden (ca. 5 bis 7 sec) durchdrungen hatte.

Beschichten einer Polycarbonat-Folie (Makrofol DE 1-1, BAYER AG):

Die oben beschriebene Gießlösung wurde mit Hilfe der Membranbeschichtungsanlage mit einem Naßauftrag von 50 µm beschichtet, in Wasser koaguliert und getrocknet Es wurde eine auf der Folie haftende 30 um dicke hochporöse Membran erhalten.

Diffusionstest mit einer 30%igen Luviskol-Lösung:

Die Probenflüssigkeit war innerhalb 3 sec durch die Membranschicht zur transparenten Trägerfolie diffundiert.

Beschichten einer Polyester(Polyethylenterephthalat)-Lösung:

Anstelle der obengenannten Polycarbonat-Folie wurde eine Polyesterfolie mit einem Naßauftrag von 200 µm beschichtet. Die während der Koagulation entstehende Membran löste sich im Wasserbad vom Folienträger und wurde separat aufgewickelt (trägerfreie Membran).

Beispiel 3 Polymerblend-Membran aus 2 Polymeren (Dralon X/Mowilith 50)

Aus

109,0g Dralon® X,
72,6 g Mowilith® 50 (Polyvinylacetat, Hoechst AG),
860,0 g NMP,
36,2 g Aerosil® 200 und
144,5 g Puriol® P 900 wurde in Analogie zu Bsp. 2 eine Gießlösung hergestellt.

Aussehen und Viskositätsverhalten dieser Gießlösung war weitgehend identisch mit der in Beispiel 2.

Membran auf Polyestervlies:

Es wurde eine Membran mit einer sehr gleichmäßigen Oberflächenbeschaffenheit erhalten. Bei einer Porosität von ca. 50% wurde eine Porengröße von 1,1 µm (Coulter®-Porometer) ermittelt.

Diffusionstest: ca. 5 bis 7 sec mit 30%iger Luviskol® K 30-Lösung.

Beispiel 4a Polymerblend-Membran aus 3 Polymeren (Dralon® X, Mowilith® 50, Polyetheropolycarbonat)

317,0 g Dralon® X-Lösung (12,5 proz. in Dimethylsulfoxid, DMSO),
81,2 g Mowolith® 50-Lösung (25,0 proz. in DMSO) und
300,0 g Polyetherpolycarbonat (9,5 proz. in 1,3-Dioxolan) wurden mit Hilfe eines Dissolvers homogenisiert. Unter Rühren wurden
10,6 g Aerosil® R 972 sowie
52,9 g Pluronic® PE 6400 in 76,2 g DMSO zugerührt und anschließend nach 20 min bei 4000 UPM unter Kühlen dispergiert.

Es wurde eine opake Gießlösung erhalten, die im Schergeschwindigkeitsbereich von 0,1 bis 100 sec^-1 einen Viskositätsindex von ca. 100 zeigte.

Membran auf Polyestervlies (Fo 2402):

Es wurde eine auf dem Polyestervlies haftende Membran mit einer sehr gleichmäßigen Oberflächenbeschaffenheit erhalten. Bei einer Porosität von ca. 62% wurde mit dem Coulter-Porometer eine Porengröße von 4,4 um ermittelt.

Diffusionstest:

Durchdringzeit einer 30%igen Luviskol® K 30-Lösung bei Aufgabe eines Tropfens auf die Vliesseite: ca. 3 bis 5 sec.

Beispiel 4b Blutzuckertest

Zu der in Beispiel 4 beschriebenen Rezeptur wurden noch 25,0 g 3,3′,5,5′-Tetra methylbenziden (TMB) gegeben. Dementsprechend wurde nach dem Koagulieren und Trocknen eine TMB-haltige Membran erhalten. Diese TMB-haltige Membran wurde mit der folgenden Tränklösung imprägniert und getrocknet:

150 KU Glucoseoxidase (Sigma)
150 KU Peroxidase (Sigma)
0,2 g Triton® X 100
in 100 ml 0,1 m Citratpuffer.

Mit Hilfe von durchlochten Teststreifenhaltern (durchlochte, steife Polymerfolie) und der imprägnierten, TMB-haltigen Membran wurden Testsysteme hergestellt, die eine Probenaufgabe von der einen und ein Auswerten von der anderen Seite ermöglichten.

Zur Detektion der Farbreaktion wurde ein Seralyzer® (Bayer Diagnostik) eingesetzt, der die K/S-Werte bei einer Wellenlänge von 680 nm bestimmte.

Es wurden Blutproben mit eingestellten Glucosewerten im Bereich von 0 bis 600 mg/dl verwendet.

Entsprechend der zunehmenden Glucose-Konzentrationen wurden steigende K/S- Werte im Bereich von 0,3 bis 4 ermittelt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Membranen aus Gießlösungen, dadurch gekenn zeichnet, daß der Gießlösung ein rheologisches Additiv zugesetzt wird, welches den Thixotropieindex im Schergeschwindigkeitsbereich 0,1 bis 100 s^-1 auf 3 und mehr einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Thixotropieindex 10 und mehr beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Thixotropieindex 30 und mehr beträgt.

4. Gießlösung zur Herstellung von Membranen, enthaltend ein rheologisches Additiv, welches den Thixotropieindex im Schergeschwindigkeitsbereich auf 3 und mehr einstellt.

5. Membranen erhältlich mit den Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 3.