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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf Verbundfilter und Verfahren zu ihrer
Herstellung gerichtet. Insbesondere ist sie auf Filterlaminate aus
mehreren einzelnen miteinander verbundenen Materialschichten gerichtet, wobei
wenigstens eine der Schichten eine asymmetrische Membran ist.
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Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Verbundfilter
sind Filter mit mehreren Schichten und bei verschiedenen Trennungsanwendungen
einsetzbar. In vielen Fällen
verleihen die verschiedenen Schichten eines Verbundfilters dem Filter
jeweils unterschiedliche erwünschte
Eigenschaften. Bei einigen Anwendungen kann z. B. eine extrem dünne Membran
bei Trennungen von sehr kleinen Teilchen, Gasen und dergleichen
vorteilhafte Strömungsgeschwindigkeiten
ergeben. Eine solche dünne
Membran kann jedoch zerbrechlich und schwierig zu handhaben oder
in Patronen zu verpacken sein. In diesen Fällen kann die dünne Schichtmembran
mit einer Verstärkung
oder mit einer stärkeren,
poröseren
Membran kombiniert werden, um einen Verbundstoff mit verbesserten
Festigkeits- und Handhabungseigenschaften zu bilden, ohne dass dadurch
die Trenneigenschaften der Dünnschichtmembran aufgegeben
werden. Andere erwünschte
Eigenschaften, die durch Laminieren einer Membran auf andere Medien
verliehen werden können,
können
erhöhte
Reißfestigkeit,
erhöhte
Dicke, Schaffung eines Vorfiltrationsvermögens und Schaffung einer Klebeschicht
sein, um den Zusammenbau eines Geräts zu erleichtern.
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Ein
Problem bei einigen Verbundfiltern besteht darin, dass die Schichten
die Neigung haben, sich bei der Benutzung zu trennen, wodurch die
Festigkeit und Leistungsfähigkeit
des Verbundstoffs beeinträchtigt wird.
Dieses Problem wurde in verschiedener Weise angegangen. In einigen
Fällen
werden die Schichten gewünschter
Verbundstoffe miteinander laminiert, um Bindungen zwischen den Schichten
zu schaffen, die dazu beitragen, dass eine Schichttrennung (Delamination)
verhindert wird. Ein Beispiel eines solchen Membranlaminats ist
in US-Patent Nr.
5,154,827 vorgesehen. Diese Druckschrift beschreibt eine mikroporöse Polyfluorkohlenstoffmembran,
die aus drei oder mehr Folien aus aggregiertem mikroporösem Fluorkohlenstoffpolymer zusammengesetzt
ist. Eine Folie mit feiner Porosität ist zwischen Folien aus mikroporösem Fluorkohlenstoffpolymer
von größerer Porosität einlaminiert.
Eine Mischflüssigkeit
oder Schmiermittel ist zwischen den Folien eingelagert, um die gegenseitige
Bindung und Laminierung der Folien zu erleichtern, und der Stapel
ist unter Anwendung von Wärme
und Druck zu einer integralen Verbundmembran laminiert. Dank der
durch die äußeren Schichten
geschaffenen Festigkeit kann das so geformte Laminat gefaltet und
in Filterpatronen verpackt werden.
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Ein
weiterer Weg zur Herstellung von Verbundmembranen besteht darin,
eine Membranschicht in situ auf die Oberseite einer anderen Schicht
zu gießen
oder aufzuformen. Die Basisschicht kann ein faseriges Verstärkungsmaterial
sein oder sie kann eine Membran sein. US-Patent Nr. 5,240,615 beschreibt
eine glatte mikroporöse
Polyvinylidendifluorid(PVDF)-Membran, die auf einen porösen Träger auflaminiert
ist. Eine PVDF enthaltende Filmlösung
wird auf den porösen
Träger
aufgebracht und dann unter Bildung der mit Träger versehenen PVDF-Membran
geliert. Ein Hauptvorteil dieses Verfahrens, wie es in dem '615-Patent beschrieben ist,
besteht darin, dass der Träger
eine Schrumpfung des PVDF-Materials während der Gelierung und Trocknung
verhindert. US-Patent Nr. 5,433,859 beschreibt eine mit Träger versehene,
mikroporöse
Filtrationsmembran mit einer Trägerschicht,
auf der zwei verschiedene mikroporöse Membranzonen ausgebildet
sind. Die Membran wird dadurch hergestellt, dass man auf die Trägerschicht
eine erste Gießlösung aufbringt
und dann auf die Oberseite der ersten eine zweite Gießlösung aufbringt.
Beide Gießlösungen werden
gleichzeitig abgeschreckt, um die mit Träger versehene Membran zu bilden.
Dieses Verfahren bildet eine kontinuierliche, mit Träger versehene,
mikroporöse
Membran mit zwei Zonen. Die Fasern der Trägerschicht können in
die benachbarte Membranzone eindringen, erreichen aber nicht die
zweite (obere) Membranzone.
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Einer
der Hauptvorzüge
von Verbundmembranen war die Schaffung eines kräftigen Filtermaterials mit einem
relativ niedrigen Strömungswiderstand.
Der größte Strömungswiderstand tritt
in dem Bereich mit den kleinsten Poren auf. Ein Verbundstoff mit
einer sehr dünnen
Filtrationsmembran, die von einer dickeren Membran größerer Offenheit
getragen wird, minimiert somit den Strömungswiderstand, während die
Festigkeit maximiert wird. Das Trägermaterial kann ferner als
ein Vorfilter wirken, wenn sich das Trägermaterial des Verbundstoffs
auf der Anströmseite
des Materials mit den kleinsten Poren befindet. Der Vorfiltereffekt
ist besonders nützlich
bei Anwendungen, die ein hohes Schmutzrückhaltevermögen erfordern, wie etwa Filtration
von Lösungen
mit hohem Teilchengehalt, Pyrogenentfernung, Sterilisationsanwendungen
und dergleichen.
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Das
Erscheinen von hochasymmetrischen Polymerfiltern ergab gegenüber Verbundstoffen
eine Verbesserung für
viele Anwendungsfälle,
die hohe Strömungsgeschwindigkeit
und hohes Schmutzrückhaltevermögen erfordern.
US-Patent Nr. 4,629,563 beschreibt hochasymmetrische, mikroporöse Membranen
mit Poren auf einer Membranoberfläche, die einen mittleren Durchmesser
haben, der 10.000 bis 20.000× kleiner
als die Poren auf der anderen Membranoberfläche sind. Die Trägerschicht
zwischen den Membranoberflächen
hat Strömungskanäle, deren
Durchmesser im Allgemeinen mit der Entfernung von der Oberfläche mit
minimalem Porendurchmesser zu der Oberfläche mit maximalem Porendurchmesser
allmählich
zunehmen. Bei den hochasymmetrischen Membranen des '563-Patents und den
folgenden Patenten befinden sich die kleinsten Poren in einer relativ
dünnen
Schicht in der Nähe
einer Oberfläche,
und diese dünne
Schicht kleinster Poren bietet somit geringen Strömungswiderstand,
während
die Membran als Ganzes die Festigkeit und das hohe Schmutzrückhaltevermögen zeigt,
die zuvor nur bei Verbundstoffen erreichbar waren.
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Vor
der vorliegenden Erfindung wurden hochasymmetrische Membranen daher
als eine sehr attraktive Alternative zu Verbundmembranen angesehen.
Die hier beschriebene Erfindung stellt einen Fortschritt in der Verbundmembrantechnologie
und eine neue Anwendung für
hochasymmetrische Membranen dar.
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Summarischer
Abriss der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Filterlaminat mit einer Mehrzahl einzelner
Materialschichten, wobei jede Schicht wenigstens einer anderen Schicht
benachbart ist, wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran
und wenigstens eine Schicht ein Heißschmelzkleber ist und das
Laminat zwischen allen benachbarten Schichten eine Bindung enthält, die
nach der Bildung der Schichten gebildet wird. Die asymmetrische
Membran kann eine erste und eine zweite Oberfläche haben, wobei jede der Oberflächen Poren
enthält
und die Poren der zweiten Oberfläche
einen mittleren Durchmesser haben, der wenigstens etwa 5× größer, bevorzugter 10× größer als
der mittlere Durchmesser der Poren der ersten Oberfläche ist.
Die asymmetrische Membran kann ferner zwischen der ersten Oberfläche und
der zweiten Oberfläche
eine Trägerstruktur
haben, die ein Netzwerk aus Strömungskanälen ist,
die die Poren der ersten Oberfläche
mit den Poren der zweiten Oberfläche
verbinden. Zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche können die
Strömungskanäle im Durchmesser
im Allgemeinen allmählich
zunehmen.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf ein Laminat, bei dem die asymmetrische
Membran einen isotropen Bereich und einen asymmetrischen Bereich
enthält,
so dass der Trägerbereich
zwischen der ersten und zweiten Oberfläche eine Dicke hat, die zwischen
einer der Oberflächen
und einem Punkt innerhalb des Trägerbereichs
den isotropen Bereich und zwischen dem Punkt und der anderen Oberfläche den
asymmtrischen Bereich enthält,
wobei der isotrope Bereich Strömungskanäle enthält, die
von der Oberfläche
an dem isotropen Bereich bis zu dem Punkt zwischen dem isotropen
Bereich und dem asymmetrischen Bereich einen im Wesentlichen konstanten
Durchmesser haben, und wobei der asymmetrische Bereich Strömungskanäle enthält, die
von dem Punkt zu der Oberfläche
an dem asymmetrischen Bereich im Durchmesser allmählich zunehmen oder
abnehmen.
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Bei
einem weiteren Aspekt hat das Filterlaminat eine asymmetrische Membran,
wobei der mittlere Durchmesser der Poren ihrer ersten Oberfläche zwischen
etwa 0,01 μm
und etwa 10,0 μm,
bevorzugter kleiner als etwa 0,01 μm ist. Das Filterlaminat kann
ferner eine erste asymmetrische Membran als eine Schicht und eine
zweite Membran als eine unterschiedliche Schicht enthalten. Die
zweite Membran kann eine asymmetrische Membran mit einer ersten
und einer zweiten Oberfläche
sein, wobei jede der Oberflächen
Poren enthält und
die Poren der zweiten Oberfläche einen
mittleren Durchmesser haben, der wenigstens etwa 5× größer als der
mittlere Durchmesser der Poren der ersten Oberfläche ist. Die erste asymmetrische
Membranschicht kann an die zweite asymmetrische Membranschicht gebunden
sein. Die erste oder zweite Seite der ersten asymmetrischen Membran
kann an die erste oder zweite Seite der zweiten asymmetrischen Membran
gebunden sein.
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Bei
einem weiteren Aspekt hat wenigstens eine der Membranen auf ihrer
Oberfläche
ein Polymerzusatzstoff, der die Bindung zwischen den Membranen unterstützt. Der
Polymerzusatzstoff kann Polyvinylpyrrolidon oder Polyethylenvinylacetat
sein.
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In
einem weiteren Aspekt wird die Membran mit einer benachbarten Schicht
in Berührung
gebracht, und es wird eine Bindung zwischen Ihnen gebildet, wobei
die Membran bei Berührung
mit der benachbarten Schicht vor Bildung der Bindung feucht ist.
Die Bindung zwischen den benachbarten Schichten kann bei einer Temperatur
gebildet werden, die höher
als der Schmelzpunkt eines an der Bindung beteiligten Bestandteils und
niedriger als der Schmelzpunkt der asymmetrischen Membran ist.
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Bei
einem weiteren Aspekt umfasst die asymmetrische Membran des Filterlaminats
ein Polymer, wie Polyvinylidenfluorid, Polyarylsulfon, Polyethersulfon,
Polyamide oder zellulosische Derivate. Bei einem weiteren Aspekt
ist das Material wenigstens einer der Schichten des Laminats Polyester,
Polypropylen, Polyolefin, Polyethylen, Nylon, Papier, Zellulose,
Glasfaser, Acryl, Faservliesmaterial, Fasergewebematerial, Bahnmaterial,
Folienmaterial, kalandriertes, nass aufgelegtes, trocken aufgelegtes
und extrudiertes Material. Wenn das Material eine Folie ist, kann
die Folie flüssigkeitsundurchlässig sein.
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Nach
einem weiteren Aspekt hat das Filterlaminat eine Gesamtdicke von
weniger als etwa 1000 μm, bevorzugter
weniger als etwa 500 μm
und insbesondere zwischen etwa 75 μm und etwa 350 μm.
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Bei
einem weiteren Aspekt enthält
das Filterlaminat einen Heißschmelzkleber,
einschließlich
thermoplastischem Polyester, Nylon, Ethylenvinylacetat, Polypropylen,
Polyethylen, Bahnmaterial, Vliesmaterial, gewebtes Material, Pulver
und Lösung
von Heißschmelzklebern.
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Nach
einem weiteren Aspekt enthält
das Filterlaminat eine asymmetrische Membran, die kationisch geladen,
anionisch geladen, hydrophob, hydrophil oder oleophob ist.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Filterlaminats geschaffen mit den Stufen der Bereitstellung einer
ersten Mehrzahl einzelner Materialschichten; Kontaktierung der Schichten
unter Bildung eines ersten Stapels, in dem jede Schicht wenigstens
einer anderen Schicht anliegt; Bildung einer Bindung zwischen benachbarten
Schichten in dem ersten Stapel, wobei die Bindung nach der Bildung der
Schichten gebildet wird, wodurch eine erste laminatierte Stapelschicht
gebildet wird; Kontaktierung des ersten laminierten Stapels mit
einer zweiten Materialschicht; und Bildung einer Bindung zwischen
der ersten laminierten Stapelschicht und der zweiten Schicht, wobei
die Bindung nach der Bildung der Schichten gebildet wird, wodurch
ein Filterlaminat gebildet wird.
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Bei
einem anderen Aspekt enthält
die zweite Schicht eine Mehrzahl einzelner Schichten, wobei wenigsten
eine der einzelnen Schichten eine asymmetrische Membran umfasst.
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Nach
einem weiteren Aspekt umfasst das Verfahren ferner die Stufe der
Bildung einer Bindung zwischen benachbarten Schichten in der zweiten
Schicht, wobei die Bindung nach der Bildung der Schichten und vor
der Stufe der Bildung einer Bindung zwischen der ersten laminierten
Stapelschicht und der zweiten Schicht gebildet wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt umfasst das Verfahren ferner die Stufe der
Bildung einer Bindung zwischen benachbarten Schichten in der zweiten
Schicht, wobei die Bindung nach der Bildung der Schichten und im
Wesentlichen gleichzeitig mit der Stufe der Bildung einer Bindung
zwischen der ersten laminierten Stapelschicht und der zweiten Schicht
gebildet wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt wird eine Bindung gebildet durch Erhitzen
eines Stapels oder einer Schicht auf eine Temperatur von etwa 200°F oder weniger
[etwa 93,3°C
oder weniger], eine Temperatur von etwa 200°F bis etwa 395°F [etwa 93,3
bis etwa 201,7°C]
oder eine Temperatur von etwa 396°F
oder höher
[von etwa 202,2°C
oder höher].
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Das
Verfahren bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Filterlaminats
mit den Stufen der Bereitstellung einer Mehrzahl einzelner Materialschichten,
wobei wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran und wenigstens
eine Schicht ein Heißschmelzkleber
ist; Kontaktierung jeder Schicht mit wenigstens einer anderen Schicht,
um einen Stapel mit wenigstens zwei Schichten zu bilden; und Bildung
einer Bindung zwischen benachbarten Schichten, wobei die Bindung
nach der Bildung der Schichten gebildet wird, wodurch ein Filterlaminat
gebildet wird.
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Es
bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Filterlaminats
mit den Stufen der Schaffung einer Mehrzahl einzelner Materialschichten,
wobei wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran und wenigstens
eine Schicht ein Heißschmelzkleber
ist; Kontaktierung jeder Schicht mit wenigstens einer anderen Schicht,
um einen Stapel mit wenigstens zwei Schichten zu bilden; und Bildung
einer Bindung zwischen benachbarten Schichten, wobei die Bindung
nach Bildung der Schichten gebildet und dadurch ein Filterlaminat
gebildet wird.
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Es
bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Filterlaminats
mit den Stufen der Bereitstellung einer Mehrzahl einzelner Materialschichten,
wobei wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran einschließlich Polyvinylidenfluoriden,
Polyamiden oder zellulosischen Derivaten ist; Kontaktierung jeder Schicht
mit wenigstens einer anderen Schicht, um einen Stapel mit wenigstens
zwei Schichten zu bilden; und Bildung einer Bindung zwischen benachbarten
Schichten, wobei die Bindung nach Bildung der Schichten gebildet
wird, wodurch ein Filterlaminat gebildet wird.
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Es
bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines Filterlaminats
mit den Stufen der Schaffung einer Mehrzahl einzelner Materialschichten,
wobei wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran ist und
wenigstens eine Schicht Polypropylen, Polyolefin, Polyethylen, Nylon,
Papier, Zellulose, Glasfaser oder Acrylharz enthält; Kontaktierung jeder Schicht
mit wenigstens einer anderen Schicht, um einen Stapel mit wenigstens
zwei Schichten zu bilden; und Bildung einer Bindung zwischen benachbarten
Schichten, wobei die Bindung nach der Bildung der Schichten gebildet
wird und dadurch ein Filterlaminat gebildet wird.
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Es
ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Filterlaminats beschrieben
mit den Stufen der Bereitstellung einer Mehrzahl einzelner Materialschichten,
wobei wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran und wenigstens
eine zusätzliche
Schicht eine Membran ist; Kontaktierung jeder Schicht mit wenigstens einer
anderen Schicht, um einen Stapel mit wenigstens zwei Schichten zu
bilden; und Bildung einer Bindung zwischen benachbarten Schichten,
wobei die Bindung nach der Bildung der Schichten gebildet wird und
dadurch ein Filterlaminat gebildet wird.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zur Filtrierung von Tinte geschaffen, bei dem man ein Filterlaminat
des ersten Aspekts bereitstellt, das mehrere einzelne Materialschichten
enthält,
wobei jede Schicht wenigstens einer anderen Schicht benachbart ist
und wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran ist und das
Laminat zwischen allen benachbarten Schichten eine Bindung enthält, die
nach der Bildung der Schichten gebildet wird; und eine Tinte durch
das Filterlaminat hindurchgehen lässt, wodurch die Tinte filtriert
wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Laminierungsvorrichtung,
wie sie erfindungsgemäß benutzt
werden kann, um ein aus einer Polyolefinschicht, einer Polyvinylidenfluoridschicht und
einer Polyesterschicht bestehendes Filterlaminat zu bilden.
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Laminierungsvorrichtung,
wie sie erfindungsgemäß benutzt
werden kann, um ein Dreischichten-Filterlaminat zu bilden, das aus einer
zwischen zwei Polyesterschichten sandwichartig eingelegten Membranschicht
besteht.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Die
folgende Beschreibung und die Beispiele erläutern eine bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Detail. Die Fachleute werden erkennen,
dass es zahlreiche Abänderungen und
Modifizierungen dieser Erfindung gibt, die unter ihren Schutzumfang
fallen. Demgemäss
sollte die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform nicht als Beschränkung des
Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft Filterlaminate aus mehreren Schichten
vorgeformten Materials. Wenigstens eine der Schichten ist eine asymmetrische
Membran und vorzugsweise eine hochasymmetrische Membran. Bisher
wurden hochasymmetrische Membranen wegen ihrer typischerweise hohen
Festigkeit und ihres hohen Schmutzrückhaltevermögens mehr als Alternative zu
gewissen Filterverbundstoffen angesehen. Vorgeformte hochasymmetrische
Membranen wurden bisher nicht in Verbundlaminate eingebaut oder
mit anderen hochasymmetrischen Membranen oder anderen vorgeformten
Materialien beschichtet. Die neuen Laminate, die hochasymmetrische
Membranen enthalten, bieten Vorteile dadurch, dass sie eine größere Membranintegrität schaffen
und dabei vorteilhafte Strömungsgeschwindigkeiten
aufrecht erhalten und die Verwendung ultradünner hochasymmetrischer Membranen
bei Anwendungen erlauben, die eine hohe Membranfestigkeit und/oder
-flexibität
erfordern.
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Neben
den hochasymmetrischen Membranen kann bei einer anderen bevorzugten
Ausführungsform die
in dem Laminat einesetzte asymmetrische Membran eine isotrope und
asymmetrische Mischstruktur haben. Die in dem Laminat eingesetzte
Membran oder die Membranen können
oleophob, hydrophob oder hydrophil, geladen oder ungeladen sein.
Hydrophile Membranen können
mit einem hydrophilen Polymer oder einer anderen hydrophilen Substanz
oberflächenbehandelt
sein und/oder von Hause aus dadurch hydrophil sein, dass sie ein
hydrophiles Polymer oder eine andere hydrophile Verbindung als integralen
Teil der Membranstruktur enthalten. Desgleichen können die
in dem Verbundstoff eingesetzten asymmetrischen Membranen anionische
oder kationische Molekülteile
oder Ladungen tragen, entweder durch Oberflächenbehandlungen oder als integraler
Teil der Membranstruktur.
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Bevorzugte
asymmetrische Membranen für
den Einsatz bei der vorliegenden Erfindung sind beschrieben in den
US-Patenten 4,629,563; 5,834,107; 5,846,422; 5,886,059; 5,906,742; 5,958,989;
6,045,899; 6,045,694; und in den US-Patentanmeldungen 09/289,277
und 09/289,563, eingereicht am 9. April 1999 (nun als US-Patente
6,258,272 bzw. 6,183,640 veröffentlicht)
und 09/323,709, eingereicht am 1. Juni 1999 (jetzt als Internationale
Patentveröffentlichung
Nr. WO 00/72941 veröffentlicht).
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Nach
einer Ausführungsform
schafft die Erfindung ein Filterlaminat hoher Festigkeit, das als
eine oder mehrere Schichten eine ultradünne, asymmetrische Mikrofiltrationsmembran
und/oder Ultrafiltrationsmembran aus Polyvinylidenfluorid mit oder
ohne permanente Hydrophilizität
enthält.
Das Filter wird hergestellt durch Laminieren einer feuchten Vinylidenfluoridmembran
auf einen Vliesträger.
Die entstehende Trägermembran
ergibt eine außergewöhnlich hohe
Wasserströmungsgeschwindigkeit
und ausgezeichnete physikalische Festigkeit. Hydrophile asymmetrische
Polyvinylidenfluoridmembranen wellen sich oft, wenn sie im Ofen
getrocknet werden. Die vorliegende Erfindung beseitigt dieses Problem
dadurch, dass die Polyvinylidenfluoridmembran vor ihrer Trocknung
auf einen Träger
laminiert wird. Diese Trägermembran
ist besonders verwendbar in der Getränke- und Weinindustrie sowie
in medizinischen Geräten
und bei Anwendungen für
ultrareines Wasser.
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Eine
andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung schafft Filterlaminate aus wenigstens
zwei asymmetrischen Membranen, wobei die Membranen in irgendeiner
von drei verschiedenen möglichen
Ausrichtungen miteinander verbunden sind. Eine typische hochasymmetrische
Membran hat eine Oberfläche
mit kleinen Poren und eine entgegengesetzte Oberfläche mit
viel größeren Poren.
Die kleinporige Oberfläche
wird oft als die Haut bezeichnet und hat gewöhnlich ein blankes Aussehen.
Die entgegengesetzte Oberfläche
hat viel größere Poren,
ist typischerweise matt im Aussehen und wird oft als die „offene" Seite der Membran
bezeichnet.
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In
der mikroporösen
Membrantechnik kann die Bezeichnung „Haut" eine etwas andere Bedeutung haben als
sie bei zur Gastrennung, Umkehrosmose und Ultrafiltration benutzten
Membranen hat. In der letzteren Technik ist die Haut einer Membran
eine relativ dichte Schicht, die innerhalb der Auflösungsgrenzen
der Elektronenmikroskopie keine sichtbaren Poren hat. Bei einer
mikroporösen
Membran ist die Haut einfach die Oberfläche mit den kleinsten Poren.
Die Haut ist nicht notwendigerweise dicht; sie hat typischerweise
Poren, die durch Rasterelektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden
können.
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Die
drei verschiedenen möglichen
Ausrichtungen für
ein Laminat, in dem zwei asymmetrische Membranen einander benachbart
sind, sind Haut zu Haut, Haut zu offen und offen zu offen. Jede
Orientierung bietet Eigenschaften, die sich für bestimmte Anwendungen als
nützlich
erweisen. Die Ausrichtung Haut zu Haut ist besonders brauchbar bei
Anwendungen, die einen Größenausschluss
sehr hoher Leistungsfähigkeit,
gute Strömungsgeschwindigkeit
und hohes Schmutzrückhaltevermögen erfordern.
Beispiele sind Filtratrionsanwendungen, die sehr hohe Grade der
Teilchen- und Bakterienretention fordern, wie bei pharmazeutischen
Anwendungen, gewissen Nahrungsmittel- und Getränkeanwendungen und dergleichen.
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Beispielsweise
können
zwei asymmetrische Polysulfonmembranen mit Nennblasenpunkten von
45 psi [310,26 kPa] und mittleren Fliessporengrößen (MFP) von etwa 0,25 μm (BTS-45,
erhältlich
von US Filter, San Diego, CA) zusammenlaminiert werden. Das Zusammenlaminieren
dieser zwei Membranen verringert die Strömung wie erwartet um die Hälfte. Bei
einer Haut-zu-Haut-Konfiguration
erhöht
die Lamierung jedoch den Blasenpunkt von der Einzelschicht von etwa
45 psi [etwa 310,26 kPa] auf etwa 76 psi [etwa 524,00 kPa], was sich
in eine stark verbesserte Membranintegrität und daher verbesserte Bakterien-
und Teilchenretention umsetzt. Der Grund für die dramatische Zunahme des
Blasenpunktes beruht auf der Tatsache, dass die Wahrscheinlichkeit,
dass zwei große
Poren (die für
den Blasenpunkt verantwortlich sind) in eine Fluchtlinie kommen, signifikant
verringert wird, weil die meisten Poren von „mittlerer" Größe sind,
und die Wahrscheinlichkeit den Fall stark begünstigt, bei dem eine große Pore
auf zahlreiche kleinere Poren trifft.
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Wenn
man einfach zwei Membranen Haut-zu-Haut zusammenbringt, ohne sie
zu verbinden, kann keine Verminderung des Blasenpunktes erfolgen,
weil die durch die obere Schicht strömende Prüfluft zur Seite wandern kann,
bis sie in der Bodenschicht eine größere Pore findet. Aus den gleichen
Gründen
ist typischerweise die Bakterienzurückhaltung mit zwei Haut-zu-Haut unlaminierten
Membranen nicht so gut und nicht so zuverlässig wie sie mit zwei zusammenlaminierten
Schichten ist. Eine einzige Schicht mit der gleichen Zurückhaltung
wie zwei laminierte Membranen BTS-45 (nämlich mit einem Blasenpunkt
von 76 psi [524,00 kPa]) würde
eine wesentlich geringere Durchlässigkeit
als das Laminat haben, weil die Porengrößenverteilungskurve der Einzelschichtmembran
76 psi [524,00 kPa] dramatisch zu kleineren Poren hin verschoben
werden würde, während das
Laminat die große
Zahl mittlerer Poren behält,
aber nur die relativ wenigen großen Poren blockiert hat. Daher
bewahrt das Haut-zu-Haut-Laminat im Wesentlichen die Ausbildung
und das untere Ende der Porengrößenverteilungskurve,
während
der Beitrag des oberen Endes der Porengrößenverteilungskurve zu den
Membraneigenschaften minimiert wird. Dies ergibt ein Laminat mit
einem höheren
Blasenbildungspunkt, aber ohne eine wesentliche Änderung der MFP-Größe des Laminats
im Vergleich zu den Membranen, aus denen es zusammengesetzt ist.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
können
zwei asymmetrische Membranen mit unterschiedlichen Hautporengrößen in Aufeinanderlage
Haut-zu-Haut zusammenlaminiert werden. Beispielsweise kann eine Membran
von 0,45 μm
Haut-auf-Haut mit einer Membran von 0,22 μm verbunden werden. Ein solches
Laminat hat eine verbesserte Integrität im Vergleich zu der Membran
von 0,22 μm
oder der Membran von 0,45 μm
alleine und auch eine bessere Integrität als irgendein aneinanderliegendes,
aber unverbundenes Paar solcher Membranen in irgendeiner Kombination
(0,45 μm
mit 0,45 μm,
045 μm mit
0,22 μm
oder 0,22 μm
mit 0,22 μm). Die
Retention des Laminats 0,45 μm
mit 0,22 μm
Haut-zu-Haut ist nicht so groß wie
die des Laminats aus zwei Membranen 0,22 μm Haut-zu-Haut, aber sie hat
eine höhere
Strömungsgeschwindigkeit.
Demgemäss
ermöglicht
dieser Aspekt der Erfindung eine vorteilhafte Kombination aus zwei
oder mehr asymmetrischen Membranen. Die bei diesem Aspekt der Erfindung
zu kombinierenden Membranen können
aufgrund der Eigenschaften jeder einzelnen Membran und der gewünschten
Eigenschaften des Filterlaminats ausgewählt werden.
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Bei
vielen Anwendungen werden Mehrschichtmembranen, entweder zwei Membranen
derselben Porengröße (für vermehrten
Schutz gegen Verunreinigung) oder von verschiedenen Porengrößen (zur
Verbesserung von Durchsatz oder Schmutzrückhaltevermögen) benötigt. Wenn die Membranen nicht
zusammenlaminiert sind, besteht eine Wahrscheinlichkeit, dass sie
sich während
der Verpackung in Patronen, während
der Filtration und/oder während
der Integritätsprüfung trennen
können.
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Alle
möglichen
Laminierungsausrichtungen sind brauchbar und werden von der vorliegenden
Erfindung in der Haut-zu-Haut-Ausrichtung
erfasst. Das Laminat schafft verbesserte Integritäts- und
Rückhalteeigenschaften,
weil es die relativ kleine Anzahl großer Poren in beiden Membranen
absperrt und den Blasenpunkt wesentlich anhebt wie oben diskutiert
wurde. Anwendungsgebiete dieser Ausrichtung sind Systeme, bei denen
es entscheidend ist, dass keine Teilchen oder Bakterien die Membran
passieren. Bei einem Haut-zu-Haut-Laminat schafft jedoch die zunehmend
offene Struktur in der Dicke der abströmseitigen Membran des Laminats
keine Widerstände
gegen Verbreitung von darin befindlichen Teilchen. Bei Anwendungsfällen, wo
Teilchenverbreitung schädlich
ist, ist es daher wichtig, die Ausrichtung des Laminats zu der Strömungsrichtung
zu bewahren, um nicht die Verbreitung von in der anströmseitigen
Membran eingeschlossenen Teilchen zu veranlassen. Natürlich kann
bei einigen Anwendungen die Umkehrung der Strömungsrichtung als Mittel der
Rückspülung des
Laminats in hohem Maße
erwünscht
sein.
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Die
Ausrichtung Haut-zu-offen ist besonders nützlich, wenn zwei Membranen
mit verschiedenen Porengrößen zusammenlaminiert
sind. Die offene Seite der mehr offenen Membran wird im Allgemeinen
zur Anströmseite
ausgerichtet, um das gesamte Schmutzrückhaltevermögen des Laminats zu verbessern.
Ein vorteilhaftes Merkmal der Ausrichtung Haut-zu-offen besteht
darin, dass es keine abströmseitige
Verbreitung gibt, wenn die Hautseite der abströmseitigen Membran des Laminats
zur Abströmseite
ausgerichtet ist. Die Ausrichtung offen-zu-offen des Laminats ist
nützlich
als ein „Nachfilter" zur Qualitätsgewährleistung,
wenn das zu filtrierende fluide Medium schon im Wesentlichen frei
von Teilchen ist. Da der Strömungsweg
durch ein solches Laminat an einer Membranhaut beginnt und endet,
würde das
offen-zu-offen-Laminat zu einer sehr hohen Sicherheit der Nichtverbreitung
führen.
Obgleich bestimmte Vorteile und Anwendungen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
des Membran-zu-Membran-Laminats hier diskutiert wurden, ist die
Erfindung nicht auf diese Vorteile und Anwendungen beschränkt. Die
Auswahl der Membranen zur Laminierung und die Auswahl der gewünschten
Ausrichtung der Laminierung ist nach Einschätzung der Fachleute eine Funktion
der gewünschten
Eigenschaften des fertigen Laminats.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung enthält
das Laminat zwischen den Membranschichten ein Faservlies. Das Faservlies
kann als Bindematerial dienen und dem Verbundstoff als Ganzem zusätzliche
Festigkeit verleihen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform können die
Membranen ultradünn
sein, wobei das Laminat eine Gesamtdicke von etwa 125 μm (5 Mil)
hat. Bei dieser Ausbildung ragt keine der Fasern aus dem Trägermaterial
durch die Membran hervor, ein Problem, das oft auftritt, wenn eine
Membran direkt auf einen Faservliesträger gegossen wird. Verschiedene
Membranmaterialien können
in den Laminaten der Erfindung eingesetzt werden. Beispiele sind
Membranen, die aus Polysulfon, Polyethersulfon, Polyarylsulfon,
Polyvinylidenfluorid, Nylon und Zellulosederivaten hergestellt sind.
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Die
Erfindung ergibt so ein Filterlaminat mit mehreren einzelnen Materialschichten,
wobei jede Schicht wenigstens einer anderen Schicht benachbart und
mit ihr verbunden ist. Wenigstens eine der Schichten ist eine asymmetrische
Membran. Im Gegensatz zu Laminaten, die eine auf eine Trägerschicht
aufgegossene Membran haben, wird bei der vorliegenden Erfindung
die Bindung zwischen den Schichten nach der Bildung des Schichtmaterials
gebildet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die asymmetrische
Membran ein hochasymmetrischer Ultrafilter oder Mikrofilter. Der
mittlere Durchmesser der großen
Poren auf der matten oder offenen Seite der Membran ist wenigstens
etwa 5× größer, vorzugsweise
zwischen 10 und 20.000× größer als
der mittlere Durchmesser der Poren auf der Hautseite oder blanken Seite
der Membran. Die asymmetrischen Membranen können allmählich asymmetrisch sein, wobei
die Strömungskanäle zwischen
der Hautoberfläche
und der entgegengesetzten Oberfläche
im Allgemeinen in der Größe allmählich zunehmen.
Als Alternative können
die Membranen eine isotrope und anisotrope Mischstruktur haben,
bei der die Trägerstruktur der
Membran zwischen ihren beiden Oberflächen einen Bereich mit Strömungskanälen von
relativ konstantem Durchmesser hat. Dieser Bereich schließt sich
typischerweise an einen Bereich mit Strömungskanälen mit allmählich zunehmendem
oder abnehmendem Durchmesser an.
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Die
bei den Laminaten der Erfindung verwendeten asymmetrischen Membranen
können
mikroporös oder
ultraporös
sein. Wenngleich es keine klare Größengrenze zwischen mikroporösen und
ultraporösen Membranen
gibt, haben mikroporöse
Membranen typischerweise Hautporengrößen in dem Bereich von etwa 0,01 μm bis etwa
10,0 μm.
Ultraporöse
Membranen (Ultrafilter) haben nach allgemeiner Anschauung Hautporen
in der Größe von weniger
als 0,01 μm.
Die Bindung zwischen den Schichten kann durch Anwendung von Wärme und/oder
Druck hergestellt werden und kann durch Zusatz eines Polymers, wie
Polyvinylpyrrolidon (PVP) oder Ethylenvinylacetat (EVA), oder durch
andere Behandlung wenigstens einer der bei der Bindung beteiligten
Schichten erleichtert werden. Bei einer bevorzugte Ausführungsform
wird eine asymmetrische Membran mit PVP oberflächenbehandelt, und das PVP
nimmt an der Bindung zwischen der Membran und der benachbarten Schicht
teil.
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Neben
den Polymeren, die zur Verstärkung
der Bindung zwischen den Membranschichten eingesetzt werden können, können andere
Materialien selbst in dem Laminat Schichten bilden, und bei einigen
Ausführungsformen
können
diese zusätzlichen
Schichten bei der Bindung des Laminats beteiligt sein. Diese Materialien
können
Faservliese, Glasfasern, Fasergewebe, Papier, Zellulose und Polyamid
umfassen. Eine besonders wichtige Art eines Faservlieses für diese
Anwendung ist ein solches aus Fasern zweier Bestandteile, das einen
niedrig schmelzenden und einen hoch schmelzenden Bestandteil enthält. Der
niedrig schmelzende Bestandteil ist gewöhnlich die äußere Schicht. Diese Ausbildung
erleichtert die Bindung an die Membran, weil der niedrig schmelzende
Bestandteil schmilzt und eine Bindung bei einer Temperatur herstellt,
bei der der hoch schmelzende Bestandteil und die Membran unverändert überdauern.
Die beiden Bestandteile können
von der gleichen Art sein, z. B. zwei Polyester, oder die Bestandteile
können
verschiedenartig sein, wie Polyethylen auf Polypropylen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Laminat eine an einen Heißschmelzkleber gebundene asymmetrische
Membran. Ein Heißschmelzkleber
ist lösungsmittelfreies
thermoplastisches Material, das bei Raumtemperatur fest ist und
in geschmolzener Form auf eine Oberfläche aufgetragen wird, an der
es bei Abkühlung
auf eine Temperatur unter seinen Schmelzpunkt haftet. Für die Zwecke
dieser Anmeldung ist ein Heißschmelzkleber
ein Bestandteil des Laminats, der bei dem Laminierungsverfahren
im Wesentlichen geschmolzen ist. Heißschmelzkleber sind aus den
verschiedenen chemischen Bereichen über einen Bereich von Schmelzpunkten
verfügbar.
Der Heißschmelzkleber
kann in der Form einer Bahn, von Vliesmaterial, gewebtem Material,
Pulver, Lösung
oder in einer anderen geeigneten Form sein. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
ist der Heißschmelzkleber
in der Form eines Vliesmaterials.
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Vorzugsweise
wird ein Polyester-Heißschmelzkleber
verwendet. Diese Kleber (erhältlich
z. B. von Bostik, Corp., Middleton, MA) sind lineare, gesättigte Polyester-Heißschmelzen,
die Schmelzpunkte von 65°C bis
zu 220°C
zeigen und in der Beschaffenheit von vollständig amorph bis hochkristallin
reichen. Polyamid(Nylon)-Heißschmelzkleber
einschließlich
Dimersäure-
und Nylon-Polyamidkleber sind ebenfalls von Bostik erhältlich und
können
verwendet werden. Andere geeignete verwendete Heißschmelzklebeschemikalien
umfassen EVA, Polyethylen und Polypropylen.
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Die
Membran wird bei einigen Ausführungsformen
vorzugsweise feucht mit Ihrer anliegenden Schicht in Kontakt gebracht,
entweder indem man die Membran nach ihrem Abschrecken in Wasser
hält (Überspringen der
Stufe der üblichen
Ofentrocknung bei der Membranherstellung) oder indem man die Membran
nach ihrer Trocknung wieder benetzt. Die Bildung eines Laminats
mit einer Membran, die nach der Abschreckung nicht getrocknet wurde,
kann die Schrumpfung der Membran minimieren, ein Kennzeichen, das
gewissen Membranformulierungen gemeinsam ist. Ein anderer Vorteil
der Laminatherstellung aus einer nassen Membran ist der, dass weniger
Verfahrensstufen erforderlich sind.
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Die
Bedingungen, unter denen die Laminierung durchgeführt wird,
hängt von
den Eigenschaften der zu laminierenden Schichten und etwaigen Oberflächenbehandlungen
auf Ihnen ab. Die Membran ist der empfindlichste Bestandteil bei
der Laminierung. Temperatur, Druck und Spannung müssen beachtet
werden. Wenn die Temperatur die Glasübergangstemperatur (Wechsel
von einem Glas zu einem amorphen Elastomeren oder halbkristallinen
Material) erreicht, kann die Membran geschädigt werden. Die Glasübergangstemperatur Tg für
Polysulfon ist 190°C
(374°F),
und für
Polyethersulfon ist sie etwa 210°C
(410°F).
Die Membran kann jedoch häufig
für eine
kurze Zeitdauer Temperaturen in diesem Bereich aushalten. Typischerweise
ist die Membran nicht länger
als wenige Sekunden in der heißen
Zone auf ihrer Glasübergangstemperatur.
PVDF hat eine Schmelztemperatur Tm von 170°C (338°F), aber
seine obere Gebrauchstemperatur beträgt etwa 150°C (302°F). Wenn es viel über 150°C erhitzt
wird, kann es zu erweichen und evtl. zu schmelzen beginnen.
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Die
Temperaturen, bei der die Laminierung durchgeführt wurde, beruhten alle auf
der Schuhtemperatur, nicht der Membrantemperatur. Die tatsächliche
Membrantemperatur wurde nicht bestimmt, aber sie würde zweifellos
einige Grad geringer sein als die des Schuhes. Wenn der auf die
Membran ausgeübte
Druck zu groß ist,
kann die Membran gequetscht und verdichtet werden. Diese Wirkung
kann durch Benutzung von Gummiwalzen minimiert oder vermieden werden.
Auch wenn die Spannung an der Membran bei Zuführung in die heiße Zone
zu groß ist,
können
die Poren verformt und die Porengröße verändert werden.
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Träger- und/oder
Bindungsschichten können
aus einer großen
Zahl von Materialien ausgewählt
werden. Diese Materialien umfassen Polyester, Polypropylen, Polyolefin,
Nylon, Zellulose- und
Acrylderivate. Ebenso kann das Träger- und/oder Bindungsmaterial
bei Filtrationsanwendungen z. B. ein Vliesfasermaterial, ein gewebtes
Fasermaterial oder ein offen extrudiertes Material sein. Im Allgemeinen
ist die Dicke des Laminats nicht kritisch. Bei einigen Anwendungen
jedoch, wie etwa jenen, bei denen das Laminat in einen begrenzten
Raum passen muss, kann die Dicke sehr wichtig sein. Die Erfindung
sieht Laminate von irgendeiner brauchbaren Dicke vor, wobei diese
Laminate als wenigstens eine Schicht eine asymmetrische Membran
enthalten. Die bevorzugte Dicke des Laminats hängt von der Anwendung ab und
kann typischerweise von etwa 1 oder 2 Millimeter oder mehr herab
bis zu weniger als etwa 200, 100 oder 50 μm reichen.
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Die
Laminate werden typischerweise dadurch hergestellt, dass man mit
wenigstens zwei Schichten aus vorgeformtem Material beginnt, wobei
wenigstens eine der Schichten eine asymmetrische Membran ist. Die
Materialien werden im Allgemeinen von einzelnen Walzen abgezogen
und zusammengeschichtet, bevor sie über den beheizten Schuh oder
die beheizte Walze laufen. Die Anordnung und Ausrichtung des Materials jeder
Schicht werden aufgrund der Anforderungen bei der Verwendung des
Laminats ausgewählt.
Wahlweise kann ein Bindungsmaterial, wie z. B PVP oder EVA auf eine
oder mehrere Oberfläche(n)
eines oder mehrerer der Schichten aufgeschichtet werden. Der Stapel
wird dann Bedingungen ausgesetzt, die zur Bildung eines Laminats
ausreichen, typischerweise der Anwendung von Wärme. Zu den Materialien des
Laminats selbst kann der Stapel auch ein oder mehrere mit der Oberseite
und/oder Bodenseite des Stapels in Kontakt befindliche Materialien
haben, um den Wärmeübergang
zwischen der Laminiervorrichtung und dem Stapel zu optimieren, das
Schmelzen oder die Verformung jeglicher Materialien in dem Stapel
oder die Haftung des Laminats an der Vorrichtung zu verhindern.
Z. B. wird eine dünne
Folie aus Zitex, einem porösen
relativ dicken Polytetrafluorethylen(PTFE)-Material (Performance
Plastics, Wayne, NJ) gegen die Außenschicht des Laminats gehalten,
wenn dieses über
den heißen
Schuh läuft,
was dazu beiträgt,
die Wärme
in den laminierenden Schichten zu halten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
läuft der
Materialstapel durch eine Laminierungsvorrichtung, wie sie schematisch
in 1 abgebildet ist. Mehrere Abwickler sind oberhalb
der Lamierungsvorrichtung angeordnet und tragen Vlies-, Gewebe-,
Heißschmelz-
und Membranmaterialien. In 1 hat die Vorrichtung
einen Abwickler 10 für
Polypropylen-Vliesmaterial 12 von niedrigem Schmelzpunkt,
einen Membranabwickler 14 für eine Polyvinylidenfluorid-Membran 16 und
einen Abwickler 18 für
ein Polyester-Vliesmaterial 20. Bei der Abwicklung des
Materials liegt eine einstellbare seitliche Federkraft an dem Abwickler,
um die Steifigkeit des Materials aufrechtzuerhalten und dadurch
die Faltenbildung in dem Laminat 22 zu verhindern. Walzen 24 schaffen
eine zusätzliche
Spannung und tragen auch zur Faltenbeseitigung bei. Die Lage der
Walzen 24 ist zur Anpassung an verschiedene Materialien
einstellbar. Die Materialschichten 12, 16, 20 werden
dann über einen
Heizschuh 26, nämlich
ein Heizelement zur Verbindung geleitet. Unter dem Heizelement 26 angeordnete Antriebswalzen 28 können zur
Anwendung kommen, können
aber Faltenbildung verursachen. Nach Durchlaufen des Heizelements
schneidet die wahlweise Benutzung einer Schneidvorrichtung (in 1 nicht
gezeigt) die Breite des Laminats 22 auf die geforderte
Dimension herunter. Die Schichten 12, 16, 20 werden
dadurch von den Abwicklern 10, 14, 18 abgezogen
und über
den Heizschuh 26 gezogen, dass das resultierende Laminat 22 zwischen
zwei nach dem Heizschuh 26 angeordnete Antriebswalzen 30 gefördert wird.
Die Antriebswalzen 30 werden durch einen Elektromotor über Kette
(in 1 nicht gezeigt) angetrieben und sind so eingestellt,
dass sie das Laminat 22 mit einer konstant Geschwindigkeit
ziehen. Aufwickler für
die durch den Schneidvorgang abgeschnittenen Randstücke (in 1 nicht
gezeigt) sind unter der Maschine angeordnet. Ein weiterer Aufwickler 32 wickelt
die ganze Breite des Laminats 22 auf.
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2 erläutert eine
Vorrichtung zur Herstellung eines Drei-Schichten-Filterlaminats 40 mit
einer Membranschicht 43, die zwischen zwei Polyesterschichten 20 eingelegt
ist. Bei dieser Vorrichtung ist nach dem Membranabwickler 14 eine
zusätzliche
Walze 44 angeordnet, um zusätzlich Spannung zu schaffen.
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Beispiele
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Beispiele 1–2
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Laminate, die asymmetrische
Polyvinylidenfluorid-Membranen enthalten.
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Es
wurde eine Membran-Gießlösung hergestellt,
die 16% PVDF, 2,5% Wasser, 15% n-Butanol, 58% Dimethylformamid (DMF),
1,5% PVP (k-90) und 7% PVP(k-30) enthält. Die Membranproben wurden
unter Benutzung einer Gießrakel
auf ein mit Polyethylen beschichtetes, laufendes Papierband aufgegossen.
Nach dem Gießen
wurden die Membranen in einem Wasserbad bei etwa 65°C abgeschreckt.
Nach der Koagulation wurden die Membranen mit entionisiertem Wasser
gewaschen und in entionisiertem Wasser aufbewahrt.
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Dann
wurde ein Drei-Schichten-Verbundstoff zusammengesetzt. Die Bodenschicht
war Polyester (HOLLYTEX Sorte 3256, Ahlstrom Filtration, Mount Holly
Springs, PA). Die mittlere Schicht war die nasse PVDF-Membran, die
wie oben beschrieben hergestellt und aufbewahrt wurde. Die obere
Schicht war ein Polypropylen-Vliesmaterial
von niedrigem Schmelzpunkt (Sorte 2432 von Snow Filtration, West
Chester, OH). Die Schichten wurden, wie in 1 schematisch
dargestellt, laminiert. Je nach der Temperatur der oberen und unteren
Heizquelle kann die PVDF-Membran an den Polyester- oder Polypropylenträger laminiert
werden.
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Für Laminierungen,
bei denen die obere Heizquelle bei einer hohen Temperatur für PVDF (z.
B. 150°C (310°F)) gefahren
wurde, benutzte das Laminat einen Polyesterträger anstelle eines Polypropylenträgers, wie in
Beispiel 1 gezeigt. Die beste hydrophile Trägermembran war Beispiel 2,
das eine hydrophile Membran mit guter Wasserfließrate und ohne signifikante
Differenz der MFP-Größe im Vergleich
zu der originalen PVDF-Membran ohne Träger ergab.
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Die
Laminate wurden auf MFP-Größe (in Mikron)
und Wasserfließrate
(in Milliliter je Minute) mit einer Scheibe von 47 mm bei 10 psid
[68,95 kPad] geprüft.
Wenn nichts anderes angegeben ist, werden in allen folgenden Beispielen
die MFP-Größe und Wasserfließrate unter
Bedingungen bestimmt, die mit den oben beschriebenen identisch sind.
Die Ergebnisse der Kennzeichnungsprüfung der Laminate sind in Tabelle
1 angegeben.
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Beispiele 3–4 und Vergleichsbeispiel
1
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Laminate, die asymmetrische
Polysulfonmembranen enthalten.
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Die
matte Seite einer hochasymmetrischen Polysulfonmembran mit einem
nominellen Blasenpunkt von 25 psi [172,37 kPad] und einer Porengröße von etwa
0,5 μm wurde
auf jede von zwei verschiedenen leichten Vliesmaterialien auflaminiert.
Die Membran war eine BTS-25-Membran von US Filter. Alle hier erwähnten Membranen
mit der Bezeichnung BTS sind Polysulfonmembranen, die von US Filter
hergestellt werden. Die auf die Bezeichnung BTS folgende Zahl entspricht
dem nominellen Blasenpunkt der Membran in psi. Eins der Vliesmaterialien
war ein trocken gelegtes Polyolefin von 30 g/m2,
das als Art F02432 von Snow Filtration (Beispiel 3) identifiziert
war. Das andere Laminat wurde mit einem nass gelegten Polyolefin-Vliesmaterial
hergestellt, das als Art F02460 identifiziert und auch von Snow
Filtration (Beispiel 4) erhältlich
war. Die Dicke jedes Laminats wurde (in mil) gemessen, und die Laminate
wurden auf MFP-Größe, Wasserfließrate und
Haftung getestet. Die Filterlaminate wurden auch mit der sonst identischen
unlaminierten BTS-25-Membran (Vergleichsbeispiel CE 1) verglichen.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 angegeben. Die Beispiele waren
gut laminiert und hatten brauchbare Wasserfließraten.
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Beispiele 5–13 und
Vergleichsbeispiele 2–4
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Veränderungen von Laminierungsgeschwindigkeit,
Temperatur und benachbartem Material
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Die
Laminierung einer hochasymmetrischen Polysulfonmembran (BTS-25)
wurde ferner bei verschiedenen Laminierungsgeschwindigkeiten und
-temperaturen und unter Benutzung verschiedener Laminierungsmaterialien
untersucht. Die Membranen wurden an verschiedene kalandrierte Polyester-Vliesmaterialien aus zwei
Komponenten laminiert (Reemay Typen 3256, 2055 oder 2033, die von
Ahlstrom Filtration erhältlich
sind). Für
die so hergestellten Laminate wurden mit einer Scheibe von 47 mm
Durchmesser bei 28'' Hg (13,75 psid [94,80
kPad]) Daten zu der MFP-Größe und der
Wasserfließrate
(ml je Minute) aufgenommen. Die Haftung der Membran an dem benachbarten
Material wurde ebenfalls vermerkt. Die Laminate wurden mit der unlaminierten
Membran verglichen (Daten für
unlaminierte Membranen in den Vergleichsbeispielen CE2, CE3 und
CE4). Alle getesteten Laminatproben hatten Dicken in dem Bereich
von 7,0–7,5
mil [177,8–190,5 μm]. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 3 gezeigt.
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Beispiele 14–17
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Laminierung hochasymmetrischer
Polysulfonmembranen mit unterschiedlichen Porengrößen
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Die
Laminierung hochasymmetrischer Polysulfonmembranen unterschiedlicher
Porengrößen (BTS-16 und
BTS-30) an ein Material Reemay Typ 3256 wurde ferner bei verschiedenen
Laminerungsgeschwindigkeiten untersucht. Für die so hergestellten Laminate
wurden Daten der MFP-Größe und Wasserfließrate aufgenommen.
Die Laminierungstemperatur für jedes
so hergestellte Laminat war 380°F
[193,3°C].
Die Haftung der Membran an dem benachbarten Material war bei diesem
Test durchweg gut. Alle geprüften
Laminatproben hatten Dicken in dem Bereich von 6,0 bis 5,0 mil [152,4–165,1 μm]. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 4 angegeben. Die Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren
robust ist, wobei Änderungen
der Laminierungsgeschwindigkeit auf die MFP-Größe und Wasserfließrate wenig
Einfluss haben.
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Beispiele 18–23
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Laminierung hochasymmetrischer
Polysulfonmembranen an einen kalandrierten Zweikomponenten-Polyester
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Die
Laminierung hochasymmetrischer Polysulfonmembranen (BTS-25) mit
verschiedenen Porengrößen an verschiedene
kalandrierte Zweikomponenten-Polyestermaterialien (Reemay Typ 3256,
2055 oder 2033) wurde ferner bei verschiedenen Laminierungsgeschwindigkeiten
untersucht. An den so hergestellten Laminaten wurden Daten der MFP-Größe und der
Wasserfließrate
aufgenommen. Die angezeigte Schuhtemperatur für jedes so hergestellte Laminat
war 399°F
[204°C].
Die Haftung der Membran an dem benachbarten Material wurde unter
Benutzung einer Instron-Anlage 5542 (erhältlich von Instron, Canton,
MA) quantitativ geprüft,
um die Kraft zu messen, die erforderlich ist, um eine Schicht von
einer anderen in einem 1 Zoll breiten [2,54 cm breiten] Laminatstreifen
(unter einem Winkel von 180°)
abzuziehen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 angegeben.
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Beispiele 24–25
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Laminierung hochasymmetrischer
Polysulfonmembranen, die unterschiedlichen Behandlungen durch oberflächenaktive
Mittel unterworfen wurden
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Die
Laminierung hochasymmetrischer Polysulfonmembranen, die mit verschiedenen
oberflächenaktiven
Mitteln, Hydroxypropylcellulose (HPC) oder PVP, behandelt wurden,
wurde untersucht. Gute bis ausgezeichnete Haftung erhielt man für Laminate,
die eine Membran enthielten, die unter Benutzung von PVP als oberflächenaktives
Mittel hergestellt wurden, wie in Tabelle 6 gezeigt ist. Die für PVP beobachtete
verstärkte Haftung
ist auf die Eigenhaftungseigenschaften des PVP zurückzuführen, wie
unten diskutiert wird.
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Beispiele 26–28
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Laminierung hochasymmetrischer
Polysulfonmembranen miteinander
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Hochasymmetrischer
Polysulfonmembranen werden oft in der Weise mit PVP oberflächenbehandelt, dass
man die neu abgeschreckte Membran durch ein Wasserbad leitet, das
0,5% PVP k-90 enthält.
Diese Behandlung erhöht
die Benetzbarkeit der Membranen. Das PVP wurde anfangs in die Membran
eingeführt,
um die Benetzung einzuleiten. In seiner Anfangsform war sein Molekulargewicht
relativ gering, aber mit einem kleinen Prozentsatz Natriumpersulfat
vernetzte es sich und erhöhte
sein Molekulargewicht, wenn es durch Ofentrocknung erwärmt wurde.
Vor der Laminierung hatten diese PVP-getränkten Membranen relativ niedrige
Permeabilitäten
und hohe Blasenpunkte, was höchstwahrscheinlich
durch Verstopfung der Poren durch PVP verursacht wurde. Während der
Laminierung wird die Membran wesentlich höheren Temperaturen ausgesetzt, und
die Poren werden „frei
gemacht", wie durch
erhöhte
Wasserdurchlässigkeit
und niedrigere Blasenpunkte nachgewiesen wird. Dies lässt vermuten,
dass das PVP, das zunächst
in den Poren eingekapselt ist, bei den höheren Temperaturen schmilzt
und das Strebenetzwerk in der Netzstruktur der Membran und die Fasern
in dem Faservlies umströmt
und dadurch die Poren öffnet
und auch Haftung schafft.
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Die
PVP-Behandlung unterstützt
auch die Laminierung einer Membran mit einer anderen. Es wurden Laminatproben
hergestellt, die zwei benachbart positionierte BTS-25-Membranen
enthielten, die mit PVP behandelt waren. Die Membranen wurden wie
in Tabelle 7 unten gezeigt in den drei unterschiedlichen Ausrichtungen
Haut-zu-Haut, Haut-zu-matt und matt-zu-matt laminiert.
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Ein
Ledco-Laminator HD-25 (von Ledco, Inc., Hemlock, NY) mit einer angegebenen
Schuhtemperatur von 400°F
[204°C]
und einer Geschwindigkeit von etwa 2,2 Fuß je Minute [0,67 m/Min] wurde
bei diesen Versuchen benutzt. In jedem Falle wurde ein Polyester-Faservlies
als die untere Schicht in dem Stapel an eine der Membranen laminiert,
um dem fertigen Produkt Festigkeit zu geben und eine Membranverformung
bei den hohen Temperaturen zu verhindern, die zur Sicherstellung
der Laminierung erforderlich sind. So war das Faservlies, nicht
die Membran dem heißen
Schuh am nächsten.
Ein weiterer Schritt, um die Membranverformung zu verhindern, war
die Auflage von Pergamentpapier (auf das ein teflonbeschichtetes
Schutzband gelegt wurde) auf die verschiedenen laminierten Materialien,
wenn sie zusammen über
den heißen
Schuh laufen. Diese Anordnung hielt die Wärme und trug signifikant zur
Verbesserung der Laminierungsfestigkeit bei.
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Es
wurden Prüfungen
der Wasserbenetzbarkeit und Wasserfließrate durchgeführt. Die
Wasserfließrate
wurde durch eine Scheibe von 90 mm bei 10 psid [68,95 kPad] gemessen.
Die beste Membran-Membran-Haftung wurde zwischen Haut-zu-Haut beobachtet,
die sogar fest haftet, wenn sie nass ist. Sie konnte nass oder trocken
nicht getrennt werden. Die matt-zu-matt-Konfiguration konnte auseinandergezogen
werden, wenn sie nass war, aber nicht, wenn sie trocken war. Das
Faservlies haftet ebenfalls viel besser an der blanken Seite der
Membran als an der matten Seite. In jedem Fall kann das Faservlies
leichter von dem Membranlaminat abgezogen werden, wenn es nass ist
als wenn es trocken ist. Ein Haut-zu-Haut-Laminat von 10 Fuß [3,05
m] Länge
wurde z. B. zwischen zwei Schichten HOLLYTEX 3256 eingebunden, dann
wurde das Laminat gefaltet. Durch die Faltung trat zwischen den
Membranen oder zwischen der Membran und dem HOLLYTEX keine Delamination
auf.
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Beispiele 29–83
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An Polyester oder Nylon
mit und ohne Heißschmelze
laminierte Membranen
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Um
die Festigkeit asymmetrischer Membranen zu steigern, können die
Membranen an Polyester und/oder Nylon gebunden werden. Vor der Laminierung
zeigen diese Membranen typische Reißfestigkeiten von 300 g/cm
Breite. Nach der Laminierung kann die Reißfestigkeit auf 800–3000 g/cm
Breite gesteigert werden.
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Die
Haftung der Membran an dem Träger
kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Ein Weg besteht darin,
die Membran auf das Laminatmaterial (z. B. Nylon, Polyester oder
Papier) zu pressen, wenn sie die Heizung passiert. Die Abwärtskraft
wird auf die über
den beheizten Schuh laufende Membran dadurch ausgeübt, dass
man über
der Membran einen Teflonschirm befestigt. Eine zweite Methode benutzt
einen „rollenden" Schirm. Bei dieser
Methode wird die Membran zwischen zwei Polyesterschichten sandwichartig
aufgenommen, wenn sie über
das Heizelement läuft.
Die obere Schicht des Laminats wird unter höherer Zugspannung abgewickelt,
um die Membran auf die dem Boden anliegende Laminatschicht zu drücken. Die
obere nicht haftende Schicht kann dann abgezogen werden, wobei eine
an ein Laminatmaterial gebundene Membran resultiert. Diese Methoden
sind nur bei Einsatz „offener" Materialien, nämlich Membranen
mit großer
Porengröße geeignet.
Dichtere Membranen mit kleineren Poren nehmen während des Haftungsverfahrens
zu viel Wärme auf,
wobei die Eigenschaften des laminierten Material zerstört werden.
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Bei
der Heißschmelzlaminierung
an der glänzenden
Seite einer asymmetrischen Membran kann infolge Porenblockierung
durch das Heißschmelzmaterial
ein Fließverlust
auftreten. Um diese Blockierung zu verhindern, kann ein zweistufiges
Laminierungserfahren angewendet werden. Das Verfahren kann auch
benutzt werden, um Heißschmelzmaterial
auf die matte Seite einer asymmetrischen Membran aufzulaminieren.
In der ersten Stufe wird auf einem ersten Heizelement Heißschmelzmaterial
an ein Gewebe- oder
Faservliesmaterial gebunden. Die erste Stufe beschränkt die
Heißschmelzbedeckung
nur auf die Gewebe- oder Vliesoberfläche. In der zweiten Stufe wird
das Material aus der ersten Stufe an eine Membran gebunden, wenn
beim Laufen der zwei Materialien über ein zweites Heizelement
das Heißschmelzmaterial
reaktiviert wird.
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Tabelle
8 und Tabelle 9 erläutern
die vorherigen und späteren
Eigenschaften (Beispiel 29, 31 bzw. 30, 32, 33) typischer offener
Materialien einschließlich
einer hochasymmetrischen Polysulfonmembran mit einem nominellen
Blasenpunkt von 25 psi [172,37 kPa] und einer Porengröße von etwa
0,5 μm (BTS-25)
und einer von Hause aus hydrophilen Polysulfonmembran mit einer
Porengröße von etwa
8 μm (MMM8,
erhältlich
von US Filter). Die Membranen wurden dadurch auf einen Polyesterträger (Reemay
3256) auflaminiert, dass die Membran oberseitig des Polyesterträgers mit
einer Geschwindigkeit von 2 Fuß je
Minute [0,61 m/Min] bei einer Schuhtemperatur von 370°F bis 380°F [von 187,8°C bis 193,3°C] über einen
heißen
Schuh lief. An der Stelle über
der Membran wurde ein Teflonschirm befestigt. Bei der Laminierung
des Beispiels 30, Tabelle 8, blieben die Strömungsgeschwindigkeit und der
Blasenpunkt ziemlich dicht an den Ausgangswerten (Verlust des Wertes
weniger als 20% im Vergleich zu der Membran vor der Laminierung).
Bei der Laminierung des Beispiels 32, Tabelle 8, wurde die MFP-Größe tatsächlich dichter
(entsprechend einer Zunahme des Filtrationsvermögens) infolge des gewundenen
Weges des Laminatmaterials. Bei der Laminierung des Beispiels 33,
Tabelle 9, wurde der Träger
auf die Membranseite mit den kleineren Porengrößen (glänzende Seite oder Haut-Seite)
auflaminiert anstatt auf die Seite mit den größeren Porengrößen (matte
oder offene Seite), was ebenfalls zu einer geringen Verringerung
der MFP-Größe (kleinere
Porengröße in dem
fertigen Material) führt.
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Tabelle
10 erläutert
die Verringerung der Fließrate
und des Blasenpunktes, wenn bei einer an einem Polyesterträger (Reemay
3256) haftenden asymmetrischen Polysulfonmembran (BTS-45) die Haftung
dadurch verbessert wird, dass die Membran oberseitig des Trägers mit
einer Geschwindigkeit von 2 Fuß je
Minute [0,61 m/Min] bei einer Schuhtemperatur in dem Bereich von
365°F bis
380°F [von
185°C bis
193°C] über einen heißen Schuh
geleitet wird. An der Stelle über
der Membran war ein Teflonschild befestigt. Obgleich die Fließrate bei
Beispiel 37 dicht bei der der Membran vor der Laminierung lag, entstand
noch eine 15%ige Verringerung des Blasenpunkts, und die Haftung
war nicht akzeptabel.
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Die
Verwendung eines Heißschmelz-Polyestermaterials
(mit der Bezeichnung FB-117-A, erhältlich von Chicopee Inc., North
Little Rock, Arkansas) wurde als Möglichkeit untersucht, um eine festere
Bindung zwischen der Membran und dem Laminat zu bilden. Eine asymmetrische
Polysulfonmembran (BTS-55) wurde unter Benutzung des Heißschmelzklebers
dadurch auf einen Polyesterträger
(Reemay 3256) auflaminiert, dass man die Schichten unter Spannung
mit einer Geschwindigkeit von 2 Fuß je Minute (0,61 m/Min) bei
einer Schuhtemperatur in dem Bereich von 345°F bis 375°F [von 173,9°C bis 190,6°C] über einen heißen Schuh laufen
ließ.
Wie in Tabelle 11 dargestellt ist, führte eine Erhöhung der
Temperatur evtl. zur Haftung. Jedoch war die zur Erreichung der
Haftung erforderliche Temperatur zu hoch, so dass der Blasenpunkt
signifikant verringert wurde.
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Es
wurde ein anderer Heißschmelzklebepolyester
untersucht, der mit PE85 bezeichnet war (erhältlich von Bostik Inc., Middleton,
Massachusetts). Wie in Tabelle 12 dargestellt ist, wurde eine Temperatur
von 255°F [123,9°C] gefunden,
um gute Haftung einer auflaminierten asymmetrischen Polysulfonmembran
(BTS-65) an einem Polyesterträger
(Reemay 3256) zu erreichen. Nach der oben beschriebenen Heißschmelzmethode blieb
die Fließrate
und der Blasenpunkt der mattseitigen Laminierung innerhalb von 80%
der Ursprungswerte.
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Die
Tabellen 13 bis 15 führen
Ergebnisse vor und nach der Laminierung für andere Membransorten (alle
von US Filter erhältlich)
auf, darunter BTS-65H (eine hydrophobe asymmetrische Polysulfonmembran
mit einem Blasenpunkt von 65 psi [448,16 kPa]); MMM2 (eine Polysulfonmembran
mit einem MFP von 2 μm)
und MMM5 (eine Polysulfonmembran mit einem MFP von 5 μm); BTS-16,
BTS-25, BTS-30, BTS-25, BTS-45, BTS-55, BTS-65 und BTS-100 (alle
sind asymmetrische Polysulfonmembranen, die durch Behandlung mit
einem oberflächenaktiven
Mittel hydrophil gemacht sind); und BTS-XH (eine hydrophobe asymmetrische
Polysulfonmembran mit einem Bezugsblasenpunkt von 2 psi [13,79 kPa]),
die auf einen Polyesterträger
(Reemay 3256) oder einen Nylonträger
(Cerex Nylon, ein Faservlies mit 1 Unze je Quadratyard [33,91 g/m2] Basisgewicht, erhältlich von Western Nonwovens,
Carson, CA) laminiert ist. Die Membranen wurden alle wie oben beschrieben
mit dem Heißschmelzpolyester
PE85 oder einem Heißschmelzpolyamid
(PA115, erhältlich
von Bostik Inc.) laminiert.
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Die
Fließrate
und der Blasenpunkt für
ein Laminat, das durch Laminierung eines hydrophoben Materials (BTS-65H)
mit dem Heißschmelzpolyester
PE85 auf einen Polyesterträger
(Reemay 3256) hergestellt wurde, sind in Tabelle 13 angegeben.
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Die
Wirkung der Laminierungsgeschwindigkeit auf MFP, Fließrate, Blasenpunkt
und Zähigkeit
eines Laminats, das durch Laminierung einer Polysulfonmembran (MMM3)
unter Benutzung des Heißschmelzpolyesters
PE85 auf einen Polyesterträger
(Reemay 3256) hergestellt wurde, sind in Tabelle 14 angegeben. Die Daten
zeigen die Robustheit des Betriebs insofern, als die Eigenschaften
des Laminats relativ unbeeinflusst von der Geschwindigkeit sind,
mit der die Laminierung durchgeführt
wird.
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Die
Wirkung der Laminierung eines Trägers
an die matte (offene oder große
Poren) oder glänzende (dichte
oder kleinere Poren) Seite einer asymmetrischen Polysulfonmembran
mit einem Heißschmelzkleber auf
Fließrate
und Blasenpunkt wurde untersucht. Eine intern hydrophile asymmetrische
Polysulfonmembran (BTS-25) wurde mattseitig oder glanzseitig mit
dem Heißschmelzpolyester
PE85 auf einen Polyesterträger (Reemay
3256) laminiert. Die in Tabelle 15 angegebenen Daten zeigen einen
signifikanten Verlust an Fließrate bei
Laminierung des Trägers
auf die Glanzseite der Membran.
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Wenn
eine Membran auf Nylon anstatt auf Polyester laminiert wird, ist
die Reißfestigkeit
des Laminats viel höher.
Die vergrößerte Festigkeit
ist der größeren Festigkeit
des Nylonträgers
verglichen mit der Festigkeit des Polyesterträgers zuzuschreiben. Tabelle
16 gibt Daten über
Fließrate,
Blasenpunkt und Festigkeit für
Laminate an, die aus asymmetrischen Polysulfonmembranen (BTS-55
und MMM2) bestehen, die mit einem 0Heißschmelz-Polyamid (PA115) auf
die matte Seite eines Cerex Nylonträgers (1 Unze je Quadratyard
[33,91 g/m2] Gewichtsbasis) laminiert ist.
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Tabelle
17 liefert Daten über
Fließrate,
Blasenpunkt und Festigkeit für
Laminate, die aus mehreren verschiedenen asymmetrischen Polysulfonmembranen
(mit unterschiedlichen Blasenpunkten) bestehen, die mit einem Heißschmelzpolyester
(PE85) mattseitig auf einen Polyesterträger Reemay 3256 auflaminiert
sind. Die Daten zeigen, dass die Festigkeit des Laminats gesteigert
werden kann, so dass sie das 3- oder 4-fache der Festigkeit der
Membran selbst beträgt,
wobei nur ein geringer Verlust bei Fließrate und Blasenpunkt auftritt.
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Beispiele 89–107
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Zwischen zwei Schichten
aus Vliesmaterial laminierte Membran
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Zur
Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit des Laminats kann eine
Polyester/Membran/Polyester-Laminierung durchgeführt werden. Bei einem solchen
Laminierungsverfahren wird die Temperatur auf einen genügenden Wert
angehoben, um die Membraneigenschaften (nämlich die des Basismaterials
und eines oberflächenaktiven
Mittels) und/oder die Eigenschaften des Trägermaterials auf das Haftungsverfahren
einzustellen. Bei dieser besonderen Technik neigen die Membranarten
mit „undurchlässigerer" oder kleinerer Porengröße (die
mit etwa 0,2 μm
und kleiner) dazu, unter höherer
Temperatur etwas von dem Wert der Fließrate und des Blasenpunktes
zu verlieren. Tabelle 18 führt
die Testergebnisse vor und nach der Laminierung für mehrere
Polyester/Membran/Polyester-Laminate auf, die unter Benutzung von
Polyester Reemay 3256 und Polysulfonmembran MMM5 hergestellt wurden.
Die Polysulfonmembran wurde aus einer Gießflüssigkeit hergestellt, die PVP
enthält,
was der Membran Hydrophilizität
und Klebeeigenschaften verleiht. Wegen der eigenen Klebeeigenschaften
der Membran war für
die Haftung der Laminatschichten kein Heißschmelzkleber nötig. Es
wurde festgestellt, dass die Laminierung eine geringe Wirkung auf
die MFP-Größe hat.
Vermutlich führt das
Laminierungsverfahren zu einer dichteren Porositätsverteilung, wobei die Laminierung
auf der Oberfläche der
Membran im Ganzen genommen die kleinsten Poren blockiert und die
größten Poren
teilweise blockiert.
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Die
Festigkeit laminierter Membranen wurde mit einem Festigkeitsprüfgerät Instron
5542 getestet. Bei dem Festigkeitstest wird eine Ecke eines Laminatstreifens
von 1 cm nach rückwärts abgezogen.
Nach dem Abziehen bleibt eine der Polyesterschichten auf einer Seite
der Membran haften, während der
Polyester auf der anderen Seite der Membran nach rückwärts abgezogen
wird. Die Membran und der angebrachte Polyester werden in einer
Klemme eines Spannblocks des Instron 5542 erfasst, und die Kraft,
die zum Abschälen
der anderen durch einen Spannblock an einer Belastungszelle der
Vorrichtung angebrachten Polyesterschicht nach rückwärts erforderlich ist, wird
gemessen. Die Ergebnisse, die dieses Festigkeitstests sind in Tabelle
19 angegeben. Die Basismembran war eine MMM5-Polysulfonmembran mit
einem MFP von 5,0 μm,
einer Dicke von 121 μm
und einer Festigkeit von 231 g/cm. Die Polyesterschichten waren
Reemay 3256. Bei gewissen Versuchen wurde der Heißschmelzkleber
PE85 verwendet.
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Die
obigen Daten zeigen, dass bei einer Temperatur von 395°F [201,7°C] hergestellte
Laminate im Vergleich zu bei tieferen Temperaturen hergestellten
Laminaten hohe Zähigkeit
zeigten. Bei einer höheren Temperatur
von 396°F
[202,2°C]
wird ein wesentlicher Anstieg der Zähigkeit gegenüber der
von Laminaten beobachtet, die bei 395°F [201,7°C] hergestellt wurden. Tabelle
20 macht Angaben über
die MFP-Größe für Laminate,
die bei 395°F
[201,7°C]
und 396°F
[202,2°C]
hergestellt wurden.
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Beispiele 108–111
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An Mylar laminierte Membran
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Ein
anderes Laminierverfahren, das für
Querfluss und andere Anwendungen einsetzbar ist, ist die Membranlaminierung
an Mylar. Das Produkt dieses Laminierungsverfahrens ist ein dickes
Material, das für
Absorptionszwecke geeignet ist. Die Laminierung wird durch Benutzung
einer rollenden Plattform bewerkstelligt, wobei die Polyesterschicht
die über
den Heizkörper
laufende Bodenschicht ist. Oberseitig der Polyesterschicht ist die
Mylarschicht, dann eine Heißschmelzschicht
und dann die Membran. Das Mylar wird nicht ohne Schwierigkeiten über den
Heizkörper
laufen, somit wirkt das Polyester als ein Träger. In den Beispielen der
Tabelle 21 ist die Membran eine Polysulfonmembran mit 2 μm Porengröße oder
eine Polysulfonmembran BTS-10, die Heizschmelzschicht ist Polyester
PE85, die Mylarschicht ist Melonex 516 (erhältlich von Tekra, New Berlin, WI),
und die Polyesterschicht ist Reemay 3256.
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Beispiele 112–120
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An Membran laminierte
Membran
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Wie
oben diskutiert kann die Membran auch an eine Membran laminiert
werden. In dieser Form wirkt die zweite Schicht des Laminats als
ein Vorfilter. Die Reißfestigkeit
und die Dicke des Laminats werden erhöht, so dass diese Technik für Anwendungen
vorteilhaft ist, die zusätzliche
Dicke oder geringe Festigkeitszunahmen erfordern. Zwischen den Membranschichten
kann wahlweise ein Heißschmelzkleber
verwendet werden. Die Membran hat jedoch ein gewisses Maß eigener
Fähigkeit,
an einem Werkstoff zu haften. Das Haftvermögen der Membran kann auf die
Bestandteile des Membranmaterials selbst oder auf eine auf die Membran
aufgebrachte Beschichtung zurückzuführen sein,
die die Membran hydrophil macht. Tabelle 22 macht Angaben über Versuche einer
Laminierung Membran an Membran, wobei die Membranen BTS-5, BTS-13,
BTS-16 und BTS-25 sind. Alle Membranen wurden durch Behandlung mit
einem PVP-Tensid hydrophil gemacht.
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Beispiele 121–129
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Nur an Heißschmelzkleber
laminierte Membran
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Die
Klebeeigenschaften der Membran können
in Abhängigkeit
von der Anwendung ungenügend
sein, was zu Problemen führt,
z. B. bei ihrer Leistungsfähigkeit
in Geräten
oder Patronen. Eine Lösung
ist die Aufbringung einer Heißschmelzschicht
auf die Membran, wodurch ein Laminat mit Haftungseigenschaften geschaffen
wird, die denen der Membran selbst überlegen sind. Die Festigkeit
des Laminats wird gegenüber
der Festigkeit der Membran selbst etwa erhöht, und ein wärmeaktiviertes
Bindungsmittel befindet sich über
der Membran. Diese Laminate können
eine an die Membran laminierte Polyesterschicht haben. Tabelle 23
gibt Daten für
eine Polysulfonmembran BTS-25 vor und nach Aufbringung einer Heißschmelz-Klebeschicht
aus Polyester PE85 an.
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Beispiele 125–130
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An gewebtes Material laminierte
Membran
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Bei
Anwendungen, bei denen die Beständigkeit
oder das kritische Verhalten der Laminateigenschaften wichtig sind,
wird eine Membran vorzugsweise an ein gewebtes Material anstatt
an ein Vliesmaterial laminiert. Gewebte Materialien sind im Allgemeinen
kostspieliger als Vliesmaterialien. Vliesmaterialien werden im Allgemeinen
gegenüber
gewebten Materialien für
Faltenfilteranwendungen bevorzugt wegen der größeren Fläche der Filterpatrone und somit
größeren Kosten
durch die Menge des gewebten Materials, die erforderlich wäre. Gewebte
Materialien haben jedoch durchweg sehr gleichmäßige Dimensionen von Faden
zu Faden, was Ihnen bevorzugte Anwendungen bei zeitlich verzögerter Freisetzung
von Reagenzien und insbesondere bei medizinischem Gerät eröffnet. Die
Tabelle 24 gibt Daten für
eine Polysulfonmembran BTS-25 vor und nach der Laminierung an ein
feinmaschiges Nylon (SEFOR NYLON Fine Mesh, Sefor America Inc.,
Depew, NY), eine Polysulfonmembran BTS-45 vor und nach Laminierung
an grobmaschiges Nylon (SAATITECH NYLON Coarse Mesh, SaatiTech Inc.,
Stamford, CT) und eine Polysulfonmembran BTS-65 vor und nach Laminierung
an SEFOR NYLON Fine Mesh. Heißschmelzkleber
aus Polyester PE85 diente zur Herstellung jedes der Laminate der
Tabelle 24.
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Beispiele 131–136
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Flachlaminierung bei tiefer
Temperatur
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Gewisse
Anwendungen erfordern Laminate, die keine Kräuselung zeigen. Kräuselung
ist auf die Aufnahme- und Ablagenatur eines hochvolumigen Laminatherstellungsbetriebs
zurückzuführen. Um
die Flachheit des Laminats zu steigern, werden tiefere Bindungstemperaturen
angewandt. Die tieferen Temperaturen schränken die Aktivierung der Laminierungskomponenten
ein und reduzieren die Kräuselung
des Verbundstoffs. Tabelle 25 gibt Daten für die Laminierung einer Polysulfonmembran
BTS-45 an Heißschmelzkleber
Polyester PE85 bei einer Temperatur von 200°F [93,3°C] und 260°F [126,7°C] an.
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