DE69521746T2 - Gasplasma polymerisierte selektive durchlässige membran - Google Patents

Gasplasma polymerisierte selektive durchlässige membran

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft mittels Gasplasmapolymerisation hergestellte Membrane. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung zusammengesetzte Membrane für Gastrennungen und deren Herstellungsverfahren durch Plasmapolymerisation von Disiloxanen.
  • Stand der Technik
  • Es war lange Zeit ein Ziel der Membranforschung, Membrane herzustellen, welche in der Lage sind, wirtschaftlich Sauerstoff von Stickstoff zu trennen, wobei beide Elemente in Luft enthalten sind. Mögliche Anwendungen solcher Membrane gibt es viele, einschließlich z. B. sauerstoffangereicherte Luft für interne Verbrennungsmotoren, sauerstoffangereicherte Luft für medizinischen Gebrauch und die Erzeugung von sauerstofffreiem Stickstoff zum Inaktivieren der Reaktionsfähigkeit der Atmosphäre über brennbaren Kraftstoffen. Besonders gefragte Eigenschaften von Membranen stellen eine mit einer hohen Sauerstoffdurchdringungsrate kombinierte hohe Sauerstoffselektivität dar. Polydimethylsiloxane, auch bekannt als Silikone, sind dafür bekannt, dass sie eine selektive Permeablität für Sauerstoff gegenüber Stickstoff mit einem Selektivitätsverhältnis von etwa 2 aufweisen. Auch weisen die Polydimethylsiloxane höhere Maße an Permeabilität gegenüber Gasen im allgemeinen auf als beinahe alle anderen Materialien. Durch diese Eigenschaft wurde ihnen besonderes Interesse für Anwendungen zur Sauerstoffanreicherung zu Teil. Jedoch ergeben die schlechten Eigenschaften bezüglich der physikalischen Festigkeit von Siloxanpolymeren im allgemeinen und im besonderen von Polymethylsiloxanen die Notwendigkeit ziemlich dicke Filme der Polymere zu verwenden. Die Gasdurchsatzraten sind daher niedrig.
  • In einem Verfahren zur Überwindung dieses Nachteils wurden dünne vernetzte (crosslinked) Filme auf mikroporösen Substraten gebildet. Ein attraktiver Ansatz, dies zu erreichen, besteht in der Nutzung von Gasplasmas. Plasmapolymerisation weist die Fähigkeit auf, Beschichtungen abzulagern, welche gleichmäßig, pinhole-frei, in hohem Maße haftend und ultradünn, d. h. weniger als 2 Mikrometer dick sind. Plasmapolymerisation mittels Gasplasma wurde zur Herstellung dünner Beschichtungen auf den Oberflächen von Substraten, insbesondere mikroporösen Substraten, als ein Mittel zum Präparieren semipermeabler Membrane mit nützlichen Eigenschaften benutzt. Dies wurde im allgemeinen unter Benutzung von "Niedrigtemperatur-" oder "kalten" Plasmas, welche bei verringerten Gasdrücken unter Glimmentladungsbedingungen erzeugt werden, erreicht. Radiofrequenzen (RF) erzeugende Elektroden werden gewöhnlich benutzt, um Niedrigtemperatur-Glimmentladungen zu erzeugen.
  • Das Herstellen von Beschichtungen durch Plasmapolymerisation von Siloxanmonomeren ist seit einiger Zeit bekannt. In dem Buch "Plasma Polymerization" von H. Yasuda (Academic Press, 1985) wird auf Daten über Plasmapolymere aus Hexamethyldisiloxan und Tetramethyldisiloxan, die bis 1971 zurückgehen, Bezug genommen. Die US-Patente 4,410,338 und 4,594,079 offenbaren die Herstellung von gastrennenden Membranen, wobei eine Schicht aus Hexamethyldisiloxanplasmapolymerisationsprodukt mittels Glimmentladungsmethoden gebildet wird. US-Patent 4,696,686 offenbart sauerstofftrennende Membrane, welche durch Plasmaablagerung eines mit Fluor enthaltenden Verbindungen modifizierten Hexamethyldisiloxanpolymerisationsproduktes auf einem porösen Polypropylensubstrat hergestellt wurden. US-Patent 5,002,652 offenbart die der Bildung eines Sensors dienende Ablagerung einer sauerstoffdurchlässigen Polysiloxanbeschichtung aus einem Hexamethyldisiloxangasplasma auf einer Elektrode. In diesen Offenbarungen wurden routinemäßig Plasmareaktionszeiten im Bereich zwischen 30 und 40 Minuten berichtet. In diesen Offenbarungen wird es unterlassen, die Schwierigkeit anzusprechen, Polymerverbindungen mit hohem Molekulargewicht aus Hexamethyldisiloxan in kurzen Reaktionszeiten zu erhalten und Poren in der Oberfläche von porösen Substraten in kurzen Reaktionszeiten befriedigend zu überbrücken.
  • JP-A-62225208 betrifft eine Membran zur Trennung flüchtiger organischer Flüssigkeiten von Wasser. Die Membran wird durch Plasmapolymerisation von organischen Silikonen, z. B. Hexamethyldisiloxanen auf einer porösen Polypropylenmembran, hergestellt. Ein Strom aus Argon, Sauerstoff und dem Monomer wird in die Plasmapolymerisationskammer eingeführt. Die Ablagerungszeit beträgt etwa 60 Minuten.
  • Es ist in der Tat schwierig, geeignete Beschichtungen zur Gastrennung in einer kurzen Plasmabehandlung von 1 bis 5 Minuten oder weniger zu erlangen. Nach Tabelle 6.13 auf Seite 109 des oben zitierten Buches wurde eine Polymerablagerungsrate mittels eines kontinuierlichen Entladungsplasmas aus Hexamethyldisiloxan von 0,223 · 10&supmin;&sup8; g/cm² · Stunde beobachtet. Diese Rate entspricht ungefähr einer Dickenablagerungsrate von 0,4 nm (4 Angström) pro Sekunde. Diese Rate ist relativ langsam, so daß der Aufbau eines durchgehenden Filmes, welches Poren in einem porösen Substrat überbrückt, problematisch ist. Folglich werden lange Plasmabehandlungszeiten in der Größenordnung von 30 Minuten im allgemeinen zum Ablagern eines Filmes ausreichender Dicke und Durchgängigkeit benötigt, um Poren in einem porösen Substrat, wie etwa einer mikroporösen Polypropylenplatte oder Hohlfaser, vollkommen zu bedecken. Nur wenn alle Oberflächenporen eines Substrates mit einer Beschichtung ausreichender Dicke zum Standhalten transmembraner Betriebsdrücke überbrückt sind, können hiermit hergestellte Membrane gute selektive Durchlässigkeit (permselectivity) gegenüber Gasen aufweisen. Leider führt dieser, lange Plasmapolymerisationsbehandlungszeiten nutzende Ansatz zu dicken, dichten Polymerisationsproduktablagerungen, welche durch niedrigere als gewünschte Gasflüsse durch intakte Membrane gekennzeichnet sind. Eine schnellere Polymerisationsproduktablagerungsrate wäre eine höchst wünschenswerte Eigenschaft.
  • Zusätzlich zu der Schwierigkeit, eine ausreichend schnelle Ablagerungsrate von Plasmapolymer zu erzielen, wird man auch mit Unterschieden in der Form der zu beschichtenden porösen Substrate und dadurch entstehenden Schwierigkeiten konfrontiert. Insbesondere ist es relativ einfach eine in ihrer Stellung fixierte und einem ein Disiloxan enthaltenden Gasplasma zugewandte flache Scheibe eines Filmes mit Plasma zu beschichten. Es ist schwieriger, ein in einer stationären Lage befindliches Hohlfasersubstrat zu beschichten, wie etwa in US-Patent 4 410 338 beschrieben, da die Ablagerung in allen drei Dimensionen in einem Gasplasma nicht typischerweise gleichmäßig erfolgt. Somit kann ein Hohlfasersubstrat Bereiche dicker Ablagerung und dünner Ablagerung nebeneinander aufweisen, welche sich nur in der Krümmung der Oberfläche und deren Abstand von einer Elektrodenoberfläche unterschieden. Weiterhin muß ein aus kommerzieller Sicht attraktiver Beschichtungsvorgang in der Lage sein, einen sich bewegenden Substratlängenbereich, wie bei einem durchgehenden Beschichtungsvorgang, handzuhaben. Gasplasmas haben den Effekt, das beschichtet werdende Substrat thermisch aufzuheizen. Wenn die thermische Aufheizung zu intensiv ist, wird das Substrat bei der Handhabung deformiert. Für Flachscheibensubstrate können die Scheibendicke und verstärkende Gewebestützstrukturen im allgemeinen so abgeändert werden, dass sie Substratdeformierungen standhalten, wenn die Scheibe durch eine Plasmareaktionszone gezogen wird. Auf der anderen Seite werden bei porösen Hohlfasersubstraten, wie etwa solchen, die aus porösem Polyproyplen gefertigt sind, die thermische Aufheizung und die potentielle Substratdeformation während dem Ziehen zu kritischen Faktoren, welche die Länge der tolerierbaren Behandlung stark begrenzen.
  • Es ist tatsächlich aufgrund der thermischen Aufheizung und der Faserdeformation fast unmöglich, eine poröse Polypropylenfaser der im Beispiel 20 des US-Patentes 4 410 338 benutzten Art in adequater Weise durch eine Plasmabehandlung der offenbarten Art zu bewegen. Die im Beispiel 20 des unmittelbar oberhalb zitierten Patentes beschriebenen Ergebnisse wurden auf sich nicht bewegenden, von einem festen Stützrahmen gestützten Fasern erzielt. Die Schwierigkeit, Gleichmäßigkeit und Beschichtungstiefe in diesem Hohlfaserbeispiel zu erzielen, war darin offensichtlich, daß die Sauerstoff-versus-Stickstoff- Selektivität der mit einem Polysiloxanplasmapolymerisationsprodukt beschichteten Polypropylenhohlfaser 2, 3 betrug, d. h. nicht besser als der niedrigste beobachtete Selektivitätswert war, welcher für mit einer ähnlichen Verbindung unter den gleichen Plasmapolymerisationsbedingungen beschichteten Flachscheibenbeispiele beobachtet wurde. Somit ist das Erfordernis einer schnelleren Polymerisationsproduktablagerungsrate, welche durch die oben erwähnten Disiloxanplasmapolymerisationsverfahren nicht erreicht wird, entscheidend in bezug auf die Fähigkeit, eine Hohlfaser in einem Zeitraum zu beschichten, in welchem die Faser nicht durch das Einspeisen von zu viel thermischer Energie durch das Plasma selbst aufgeweicht oder dazu veranlaßt wird, sich zu verformen.
  • Zusätzlich zum Erfordernis einer höheren Polymersationsablagerungsrate ist das aus einem Hexamethyldisiloxangasplasma abgelagerte Plasmapolymerisationsprodukt durch klebrige oder verstopfende (d. h. selbsthaftende) Oberflächeneigenschaften gekennzeichnet. Dieses Verhalten deutet auf das Vorhandensein übermäßiger Mengen von Bestandteilen mit niedrigem Molekulargewicht hin. Vollkommen alkylierte Disiloxane, wie etwa Hexamethyldisiloxane, polymerisieren selbst durch Plasmapolymerisationsprozesse nicht sehr leicht zu Polymeren mit hohem Molekulargewicht. Dies ist besonders bei kurzen Plasmapolymerisationsbehandlungszeiten von 5 oder weniger Minuten ersichtlich, bei welchen die Polymerisationsproduktablagerungen klebrig oder verstopfend sind. Wenn die Polymerisation viel länger fortgesetzt wird (und zwar 30 bis 40 Minuten), um handhabbare Polymerisationsproduktablagerungen zu erzeugen, haben solch lange Plasmapolymerisationsbehandlungszeiten den Effekt, die Gaspermeabilitäten der entstehenden zusammengesetzten semipermeablen Membrane aufgrund der Ablagerung dickerer, dichterer Polymerisationsproduktbeschichtungen zu senken. Die Klebrigkeit einer auf mikroporösen Hohlfasersubstraten abgelagerten Beschichtung ruft dadurch, dass die beschichteten Fasern z. B. aneinander kleben, eine Unmenge von Handhabungsschwierigkeiten hervor. Die nicht geringste solcher Handhabungsschwierigkeiten besteht in der Unterbrechung von ultradünnen Plasmabeschichtungen, wenn Fasern auseinandergezogen werden oder relativ zueinander bewegt werden, was die Bildung von undichten Stellen hervorruft. Ein weiteres Erfordernis besteht daher darin, die Plasmapolymerisation von vollkommen alkylierten Disiloxanen zu verbessern, so daß abgelagerte Polymersationsproduktbeschichtungen trocken sind, d. h. nicht klebrig oder selbsthaftend.
  • Das US-Patent 4,824,444 offenbart die Herstellung von Membranen zur Gastrennung mit verbesserter Selektivität aus Tetramethyldisiloxanen und ihren Tetraalkylanalogverbindungen. Diese Monomergruppe ist dadurch gekennzeichnet, daß an jedes Siliziumatom in dem Monomer ein Wasserstoffatom gebunden ist. Die Wasserstoff- Siliziumbindung ist beträchtlich schwächer als eine Alkylsililziumbindung, so daß Tetramethyldisiloxane und ihre Tetraalkylanalogverbindungen sofort mittels Gasplasmamethoden polymerisieren. Es wurden in der Größenordnung von 19 Sekunden liegende Verweilzeiten eines porösen Substrates in einer Tetramethyldisiloxangasplasmazone berichtet; es wurden schon geeignete Barrierenschichten zur Gastrennung abgelagert. Leider ist diese Monomerart im Vergleich zu Hexamethyldisiloxan außergewöhnlich teuer. Die hohen Monomerkosten machen diese für die Herstellung von Membranen zur Gastrennung in hohem Maße unwirtschaftlich.
  • Zusammenfassend besteht daher im Bereich von plasmaabgelagerten Polysiloxanpolymerisationsprodukten weiterhin ein Bedarf für ein Verfahren zum schnellen Herstellen solcher Ablagerungen unter Benutzung eines kostengünstigen Disiloxanmonomers, wie etwa von Hexamethyldisiloxan in einer Weise, welche nicht übermäßig lange Plasmabehandlungszeiten erforderlich macht. Zusätzlich zu diesem Bedarf einer stark verbesserten Polymerisationsproduktablagerungsrate besteht auch ein Bedarf für ein Verfahren zum Erlangen von Polymerisationsproduktpolymeren hohen Molekulargewichts aus vollkommen alkylierten Disiloxanen, welche nicht klebrige oder selbsthaftende Oberflächeneigenschaften aufweisen, so daß die sich ergebenden beschichteten Gegenstände in angemessener und vernünftiger Weise gehandhabt werden können.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorstehend erwähnten Erfordernisse werden von der in den Ansprüchen definierten Erfindung erfüllt. Ein Verfahren zum Polymerisieren eines vollkommen alkylierten Disiloxans in einem Gasplasma wurde nun entdeckt, wobei nicht klebrige Polysiloxanpolymerisationsproduktablagerungen mit hohem Molekulargewicht auf porösen Substraten unter beträchtlich erhöhten Polymerisationsproduktablagerungsraten hergestellt werden können, wodurch notwendige Plasmabehandlungszeiten in großem Maße verkürzt werden. Dieses Verfahren benutzt ein aus einem vollkommen alkylierten Disiloxanmonomer, wie etwa Hexamethyldisiloxan, gebildetes Plasma, wobei eine bewußte Beigabe von Sauerstoff oder einer Sauerstoff enthaltenden Gasmischung zu den Plasmagasen diese Verbesserungen bewirkt. Es galt als selbstverständlich bei Plasmapolymerisationen, diese Polymerisationen in Plasmavakuumapparaturen, welche so wenig wie möglich undichte Stellen aufweisen, durchzuführen. Ein Fachmann auf dem Gebiet der Plasmapolymerisationen strebt gewöhnlicherweise an, Luft aus seinem Plasmareaktor auszuschließen. Jedoch wurde jetzt herausgefunden, daß die kontrollierte Zugabe von Sauerstoff, wie etwa durch Einleiten von Luft in ein Plasma aus Hexamethyldisiloxan, anstatt dem Plasmapolymerisationsprozeß zu schaden, tatsächlich überraschend vorteilhaft ist. Diese überraschende Erkenntnis ermöglicht gleichzeitig eine Lösung sowohl für das Erfordernis gesteigerter Polysiloxanpolymerisationsproduktablagerungsraten als auch das Erfordernis der Ablagerung von trockenen, nicht klebrigen Polymerisationsprodukten aus kostengünstigen Disiloxanmonomeren, wie etwa Hexamethyldisiloxanen.
  • Somit wurde nun herausgefunden, dass ein ein vollkommen alkyliertes Disiloxan und Sauerstoff enthaltendes Gasplasma in einer beträchtlich verkürzten Plasmabehandlungszeit trockene Polysiloxanpolymerisationsproduktsablagerungen von hohem Molekulargewicht auf Substraten erzeugt. Dieses Verfahren ergibt zusammengesetzte Membrane mit unerwartet verbesserten Eigenschaften für Gastrennungen, insbesondere wenn die Substrate mikroporöse polymerische Hohlfasern sind. Diese Verbesserungen beinhalten höhere Selektivitäten bzgl. Sauerstoff-versus- Stickstoff, höhere Gasflüsse durch die Membrane und höhere Betriebseffizienzen zur Herstellung solcher Membrane. Die Erfindung liegt daher in dem Verfahren, Sauerstoff als ein Koreaktionsmittel mit einem vollkommen alkylierten Siloxan in einem Gasplasma zu benutzen und in mittels dieses Verfahrens hergestellten Gegenständen und Membranprodukten, insbesondere Produkten, für welche Gastrennungen durch selektive Durchlässigkeit von Nutzen sind.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Gerätes, mit welchem Gasplasmabehandlung eines Hohlfasersubstrates erfolgreich ausgeführt werden kann.
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer mit einem Plasmapolymerisationsprodukt beschichteten porösen Hohlfaser.
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Gastrennungsmoduls.
  • Fig. 4a ist eine Ansicht von oben eines Gasplasmareaktionstunnels, welche Anordnungspositionen von Polymerisationsproduktablagerungsmonitoren zeigt.
  • Fig. 4b ist eine Schnittansicht des Reaktionstunnels nach Fig. 4a, welche Anordnungspositionen von Polymerisationsproduktablagerungsmonitoren zeigt.
  • Beste Ausführungsform der Erfindung
  • Die selektiv durchlässige Membran der Erfindung und das Verfahren ihrer Herstellung werden nachstehend in ihrer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei zu verstehen ist, daß die gegenwärtige Offenbarung beispielhaft für die Grundlagen der Erfindung zu betrachten ist. Der Umfang der Erfindung ist aus den Ansprüchen im Anhang und ihren Äquivalenten zu bemessen. Die selektiv durchlässige Membran der Erfindung ist eine zusammengesetzte Membran mit einer ultradünnen auf einem Substrat abgelagerten Barrierenschicht. Die ultradünne Barrierenschicht besitzt die Fähigkeit, zwischen potentiellen Durchdringerstoffen zu unterscheiden. Das Substrat sorgt für Festigkeit und andere Eigenschaften der physikalischen Handhabung, welche gewöhnlicherweise nicht von der ultradünnen Barrierenschicht an den Tag gelegt werden, jedoch gewöhnlich aus Gründen der Brauchbarkeit benötigt werden. Die selektiv durchlässige Barrierenschicht Gründen der Brauchbarkeit benötigt werden. Die selektiv durchlässige Barrierenschicht enthält als einen wesentlichen Bestandteil ein aus einem Gasplasma abgelagertes Plasmapolymerisationsprodukt, wobei das Plasmapolymerisationsprodukt aus einem vollkommen alkylierten Disiloxan gebildet wird, welches in einem Gasplasma in der Gegenwart von Sauerstoff in einen polymerisierbaren Zustand als ein Adjuvans zum Gasplasma aktiviert wird. Eine wesentliche, auf der plasmaabgelagerten Barrierenschicht gründende Eigenschaft der selektiv durchlässigen Membran ist ihre Fähigkeit, selektiv Sauerstoff mit einer höheren Rate als Stickstoff durchzulassen.
  • Das Gasplasma wird durch eine durch eine Gasmischung mit niedrigem Druck induzierte Glimmentladung gebildet. Zwei wesentliche Bestandteile der Gasmischung sind das vollkommen alkylierte Disiloxan und Sauerstoff. Das vollkomen alkylierte Disiloxan weist eine chemische Formel auf, welche durch R&sub1;R&sub2;R&sub3;Si-O-SiR&sub1;R&sub2;R&sub3; dargestellt wird, wobei R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; für sich allein entweder Methyl- oder Ethylgruppen sind. Hexamethyldisiloxan ist das einfachste Beispiel eines vollkommen alkylierten Disiloxans, wobei alle R Gruppen der vorstehenden Formel Methylgruppen sind. In bezug auf das Niedrighalten der Kosten und die Benutzerfreundlichkeit ist Hexamethyldisiloxan ein bevorzugtes Disiloxan für den Plasmapolymerisationsprozeß dieser Erfindung. Sauerstoff, welcher der andere wesentliche Gasbestandteil ist, kann zur Gasmischung entweder als reines Gas oder als eine Mischung mit anderen Gasen hinzugefügt werden oder auf andere Weise in der Plasmazone erzeugt werden. Luft als natürlich vorkommende Mischung von Stickstoff und Sauerstoff ist eine besonders vorteilhafte Sauerstoffquelle. Luft wird in den meisten Fällen die kostengünstigste Sauerstoffquelle sein. Weiterhin ermöglicht die verdünnende Eigenschaft des Stickstoffes in Luft eine bessere Handhabe über die Kontrolle der Zuführrate von Sauerstoff an einen Plasmareaktor im Vergleich zur Zufuhr von reinem Sauerstoff. Die Gegenwart von Stickstoff scheint die Effektivität des Sauerstoffs bei der Förderung von Plasmapolymerisation des Disiloxans nicht wesentlich zu beeinträchtigen oder zu steigern. Für sich alleine zeigt sich, daß Stickstoff in Abwesenheit von Sauerstoff die Plasmapolymerisation von Hexamethyldisiloxan negativ dahingehend beeinflußt, daß das sich ergebende Polymerisationsprodukt weicher und klebriger als das in Abwesenheit von Stickstoff oder Sauerstoff gebildete Polymerisationsprodukt ist. Andere nicht polymerisierbare Gase, wie etwa z. B. Argon können zusammen mit dem Hexamethyldisiloxan und Sauerstoff zugegen sein. Polymerisierbare Gase, wie etwa z. B. Alkene können ebenfalls in Gasplasma vorhanden sein, solange der zuträgliche Effekt von Sauerstoff auf die Disiloxanplasmapolymerisation nicht verlorengeht und solange die selektive Durchlässigkeit des Polysiloxanpolymerisationsprodukts in der sich ergebenden Polymerisationsproduktsbarrierenschicht nicht wesentlich verringert wird.
  • Der Druck der Gase im Plasmapolymerisationsprozeß kann innerhalb des Bereiches 1,33 bis 267 Pa (0,01 bis 2 Torr) varriert werden. Ein bevorzugter Bereich für den Betriebsdruck ist 6,67 bis 133 Pa (0,05 bis 1 Torr). Besonders bevorzugt ist ein Betriebsdruck von etwa 6,67 bis 26,7 Pa (0,05 bis 0,2 Torr). Der Partialdruck des Disiloxans in einer dem Gasplasma zugeführten gasförmigen Mischung ist im Bereich von 1,33 bis 200 Pa (0,01 bis 1,5 Torr), vorzugsweise in dem Bereich von 1,33 bis 66,7 Pa (0,01 bis 0,5 Torr). Das Verhältnis zwischen Sauerstoffpartialdruck und Disiloxanpartialdruck in der Zuführvorrichtung der gasförmigen Mischung kann zwischen 0,1 und 2,0 variiert werden, wobei der Bereich von 0,2 bis 1,0 stärker bevorzugt ist. Geeignete obere und untere Grenzen des Betriebsbereiches für Sauerstoffkonzentration hängt im allgemeinen von zwei Faktoren ab. Erstens kann von einer zu geringen Sauerstoffkonzentration erwartet werden, eine unrationelle Ablagerungsrate des Polysiloxanpolymerisationsproduktes auf dem Substrat zu ergeben. Zweitens kann eine zu hohe Sauerstoffkonzentration in der Tendenz inakzeptablen Sauerstoffschaden an Substratmaterialien zu ergeben, insbesondere wenn solche Materialien aus oxidierbaren Polymeren, wie etwa Polyalkenen, zusammengesetzt sind. Eine optimale Gasmischung von Sauerstoff mit einem vollkommen alkylierten Disiloxan mit oder ohne verdünnenden Gasen kann in gewissem Rahmen abhängig von der speziellen Konstruktion eines Gasplasmagerätes, der Wahl der Entladungsstromquelle, der Wahl des Substrates und von Endeigenschaften bezüglich der selektiven Durchlässigkeit, welche für das beschichtete Substrat angestrebt werden, variieren. Methoden zum Bestimmen eines allgemein optimalen Sauerstoffgehaltes in den Gasplasmaeinströmgasen sind einem Fachmann für Plasmapolymerisationen vertraut. Für das während der Entdeckung und Entwicklung der Erfindung benutzte System und seine Benutzung zur Herstellung zusammengesetzter Membrane mit selektiver Durchlässigkeit für Gase durch einen durchgängigen Prozeß zum Beschichten mikroporöser Hohlfasersubstrate wurde herausgefunden, daß ein mit einem Einströmgasgehalt von ungefähr 3,33 Pa (25 mTorr) Disiloxan, ungefähr 2 Pa (15 mTorr) Sauerstoff und ungefähr 4,67 Pa (35 mTorr) Stickstoff betriebenes Gasplasma Polysiloxanpolymerisationsprodukte mit attraktiven Kombinationen bezüglich Permeabilität und Selektivität gegenüber Gasen ablagert.
  • Die Gegenwart des Sauerstoffs bei der Plasmapolymerisation des vollkommen alkylierten Disiloxans führt zu zwei unvorhergesehenen und äußerst günstigen Ergebnissen. Erstens wird die Ablagerungsrate des Plasmapolymerisationsprodukts in großem Maße gesteigert. Die Steigerung der Ablagerungsrate kann mindestens so viel wie 240% betragen. Das beobachtbare Ausmaß der Steigerung hängt natürlich von den Paramatern des Verfahrens als auch von der Stichprobenentnahmestelle im Plasmabereich ab. Diese Steigerung der Ablagerungsrate ist dahingehend außerordentlich vorteilhaft, daß die erforderliche Behandlungszeit eines Substrates mit Gasplasma zum Ablagern eines durchgängigen Filmes beträchtlich verkürzt werden kann. Die verkürzte Behandlungszeit hat geringere thermische Beschädigung des Substrates zur Folge. Währendes den Anschein hatte, daß 30 oder mehr Minuten benötigt würden, um selektiv durchlässige Hexamethyldisiloxanbeschichtungen aus einem Gasplasma ohne absichtlich hinzugefügtem Sauerstoff abzulagern, werden nur 1 bis 5 Minuten Behandlungszeit benötigt, um ein Substrat mit Plasmapolymerisationsprodukt zu bedecken, wenn Hexamethyldisiloxan in der Gegenwart von Sauerstoffplasma polymerisiert wird. Abhängig von der Gestalt des Substrates, der Art und Größe der Poren in der Substratoberfläche und der Lage des Substrats relativ zum Gasplasma kann die benötigte Behandlungszeit mit Gasplasma sogar weniger als eine Minute betragen. In dem Fall eines mikroporösen Hohlfasersubstrates verbessert die in großem Maße verringerte Behandlungszeit die Fähigkeit, sich bewegende Fasern dahingehend durchgehend verfahrenstechnisch zu beschichten, daß sie durch den Plasmareaktionsbereich ohne im Verfahren verformt oder funktionell zerstört zu werden hindurchgezogen werden können.
  • Zweitens ergibt sich aus der hohen Ablagerungsrate schnelle Brückenbildung von Plasmapolymerisationsproduktsbeschichtungen über Poren auf der Substratoberfläche. Als Folge kann eine hohe Selektivität der Durchlässigkeit bei kleineren Dicken von plasmaabgelagerten Polymerisationsprodukten erzielt werden. Kleinere Dicken selektiv durchlässiger Beschichtungen im Gegenzug ermöglichen gewöhnlich höhere Permeationsraten von Durchdringerstoffen. Während die Erfindung nicht an die folgenden Theorie gebunden ist, wird davon ausgegangen, daß die höhere Ablagerungsrate eines Polysiloxanpolymerisationsproduktes in Gegenwart von Sauerstoff mit der Bildung von größeren Polymersationsproduktsknöllchen oder Vorsprüngen um die Kanten der Oberflächenporen zu tun hat. Diese größeren Knöllchen oder Vorsprünge füllen die Oberflächenöffnungen eines porösen Substrates leichter bei kleineren Ablagerungsdicken aus.
  • Das Substrat, auf welchem die Plasmapolyermisationsproduktsbeschichtung abgelagert wird, ist ein poröses Material, wobei die Funktion des Substrates darin besteht, der selektiv durchlässigen Barrierenschicht mechanische Festigkeit als auch andere Handhabungsvorteile zu verleihen. Das Substrat kann sich aus Polymer-, Glas- oder Keramikkomponenten oder Kombinationen dieser Komponenten zusammensetzen. Metallische Komponenten können auch benutzt werden. Jedoch für den Fall eines RF- Entladungsplasmas wären metallische Substrate zur Plasmabeschichtung gewöhnlich ungeeignet. Porösität kann dem Substrat durch die Art seiner Herstellung, wie etwa durch Agglomerations- und Sinterprozesse, zu eigen sein oder dem Substratmaterial auf Grund von Lösungsmittelgießen (solvent casting) und Abschreckprozessen zu eigen sein oder im Substratmaterial durch Streckprozesse hervorgerufen sein oder auf andere Weise erlangt werden. Das Substrat kann ein Blattbogen, ein Film, eine Faser, eine Röhre, eine flache Platte oder sogar ein Wandbauteil einer mechanischen Vorrichtung sein. Im Hinblick darauf, daß eine Hauptabsicht bezüglich der zusammengesetzten Membran dieser Erfindung darin besteht, sie als eine Gastrennmembran zu benutzen, wurde ein aus einer porösen Hohlfaser bestehendes Substrat als besonders vorteilhaft erkannt.
  • Aus Polymerstrukturen, wie etwa Polyalkenen, substituierten Polyalkenen, Polysulfanen oder aromatischen Polykondensaten hergestellte Hohlfasern sind für diese Erfindung gut geeignet. Es wurde erkannt, dass poröse Polypropylenhohlfasern in dieser Erfindung als Substrate besonders vorteilhaft sind. Solche Fasern sind kommerziell von zumindest zwei Quellen, nämlich Hoechst Celanese Corporation, dem Hersteller von Celgard X20-240 und X20-400 Hohlfasern und Mitsubishi Rayon Company, dem Hersteller von KPF 190 M, 270B, 360A, 250M und 190 G Hohlfasern, erhältlich. Diese Hohlfasern weisen Poren auf, die im allgemeinen aufgrund der Art und Weise ihrer Herstellung durch Zug- und Streckprozesse elliptische Form aufweisen. Die Länge solcher Poren kann bis zu 600 nm (6000 Angström) variieren; wobei die Breite zumindest 1 nm (10 Angström) beträgt und bis zu 65 nm (650 Angström) oder mehr variieren kann. Es wurde herausgefunden, daß Mitsubishi KPF 190M Fasern besonders bevorzugt als Substrate zur Benutzung in der Erfindung sind.
  • Bezugnehmend auf den Plasmapolymerisationsprozeß beinhalten Verfahren zum Hervorrufen einer Glimmentladung durch ein gasförmiges Medium die Benutzung von Mikrowellen-, Audiofrequenz- und Radiofrequenzfeldern. Zum Aufbringen von Beschichtungen aus Polysiloxanplasmapolymerisationsprodukten auf Polymersubstrate, wie etwa Polypropylenhohlfasern, werden Radiofrequenz (RF)-Verfahren im allgemeinen bevorzugt. Zur durchgängigen Beschichtung der Hohlfasersubstrate nach der Erfindung wird ein Plasma praktischerweise in einem Reaktionstunnel oder einer Kammer mit offenen Enden mittels eines Paares von RF-kapazitätsgekoppelten Elektroden, welche auf den Reaktionstunnel oder die Kammer montiert sind, erzeugt. Bei dem Elektrodenpaar ist eine gewöhnlicherweise eine geerdete Elektrode. Wahlweise kann die RF-Glimmentladung von einer einzelnen Elektrode erzeugt werden. Außenseitig montierte Elektroden sind bevorzugt und werden in der hier beschriebenen Erfindung benutzt. Jedoch können auch innenseitig montierte Elektroden benutzt werden. Außenseitig montierte Elektroden werden dahingehend bevorzugt, daß damit das Problem der Verunreinigung von Elektrodenoberflächen mit abgelagerten Polymerisationsprodukten vermieden wird. Außenseitige Elektroden werden gewöhnlich auf RF-transparenten Bauteilen, wie etwa Quarz oder Glasmaterialien mit hohem Sililziumgehalt montiert. Außenseitig montierte Elektroden werden im allgemeinen mit höherer Entladungstärke als innenseitig montierte Elektroden wegen der dazwischenliegenden Glasbauteile betrieben, um einen Gasplasmazustand zu aktivieren und aufrechtzuerhalten. Entladungsstärken von 50 bis 200 Watt, jedoch nicht darauf beschränkt, werden gewöhnlich zu diesem Zweck benutzt und sind zur Ausführung der Erfindung geeignet. Ein breiter Bereich von Radiofrequezen kann benutzt werden, um ein Gasplasma zu erzeugen, jedoch wird wegen der Möglichkeit von Radiointerferenz gewöhnlich eine zugewiesene Frequenz von 13,56 MHz benützt.
  • Fig. 1 zeigt ein zum durchgängigen Beschichten eines Hohlfasersubstrates mittels des Verfahrens der Erfindung geeignetes Gerät. Es wurde herausgefunden, daß dieses System, wobei es nur eines von vielen solcher benutzbarer Konstruktionen verkörpert, sich als besonders vorteilhaft zur Ausführung der Erfindung darstellt. In Fig. 1 ist ein Reaktionstunnel 10 an einem Ende mit einer eine Grundplatte 12 und ein bewegliches Glockengehäuse 13 aufweisenden ersten Vakuumkammer 11 und an seinem anderen Ende mit einer eine Grundplatte 15 und ein bewegliches Glockengehäuse 16 aufweisenden zweiten Vakuumkammer 14 verbunden. Die Glockengehäuse 13, 16 schließen luftdicht mit den Grundplatten 12, 15 ab, wenn die Kammern evakuiert werden, können ansonsten jedoch abgenommen werden, um Zugang zu Systemkomponenten und Werkstücken in den Kammerinnenbereichen zu gelangen. Es ist allgemein von Vorteil, wenn in den Vakuumkammern gelegene Systemkomponenten an die Grundplatten anstatt an die beweglichen Glockengehäuse montiert werden. Die Montage kann direkt an die Grundplatte erfolgen oder indirekt mittels eines mit der Grundplatte verankerten Rahmens oder Gerüstes erfolgen.
  • Vorkehrung zur Evakuierung des Systems ist mittels auf der entsprechenden Grundplatte 12, 15 befindlichen Vakuumanschlüssen 17, 18 getroffen. Der Vakuumanschluß 18 ist mit einer Vakuumquelle (nicht gezeigt) mittels einer Leitung verbunden, welche eine Ventilklappe 19 enthält, weiche mittels eines Druckmonitors 20 gesteuert wird, um so den Systemdruck auf einem Wert zu halten, welcher mit Gasplasmabehandlung kompatibel ist, d. h. gewöhnlich im Bereich von 1,33 bis 2,67 Pa (0,01 bis 2 Torr) liegt. Der andere Vakuumanschluß 17 ist mit einem die Stellungen "auf" und "zu" aufweisenden Ventil 21 ausgestattet, welches die Evakuierung durch beide Glockenkammern während dem Abpumpen ermöglicht. Die Plasmazuführgase werden durch ein oder mehrere Einlaßanschlüsse 22 eingebracht.
  • Im allgemeinen werden in Ausführung der Erfindung Plasmazuführgase in die erste Vakuumkammer 11 eingebracht und fließen durch den Reaktionstunnel 10, wobei Restgase durch die andere Vakuumkammer via ihrem Vakuumanschluß entfernt werden. Eine Glimmentladungselektrode 23 (gezeigt mittels einer unterbrochenen Umrißlinie), welche außenseitig auf einer synthetischen Quarzplatte 24 montiert ist und mit einem RF- Signalgenerator (nicht gezeigt) verbunden ist, regt die Gase im Reaktionstunnel 10 zu einem Glimmentladungsplasma an. Ein plasmazubeschichtendes Hohlfasersubstrat 25 wird durch den Reaktionstunnel 10 von einer Vakuumkammer zur anderen hindurchgeführt. Eine ein Hohlfasersubstrat 25 enthaltende Zuführspule 26 befindet sich in der ersten Vakuumkammer 11. Die Hohlfaser 25 wird von der Zuführspule 26 eingespeist und läuft über einen doppelten Satz von Führungsvorrichtungen 27, weiche sich an den beiden Enden des Reaktionstunnels 10 befinden. Die Führungsvorrichtungen befinden sich auf Wellen 28, auf welchen sie frei rotieren. Die Wellen 28 sind geeigneterweise etwa durch Befestigungen 29 auf Grundplatten 12, 15 des Gerätes montiert. Diese Führungsvorrichtungen 27 dienen dazu, das Substrat 25 durch den Reaktionstunnel 10 zum mehrfachen Durchqueren zu leiten, bis ausreichende Behandlung mit dem Plasma stattgefunden hat, um eine gewünschte Dicke mit Plasmapolymerisationsproduktsbeschichtung auf der Oberfläche der Hohlfaser zu schaffen. Jede Anzahl solcher Führungsvorrichtungen 28 können im Einklang mit der erforderlichen Beschichtungszeit für das Fasersubstrat 25, auch mit der entsprechenden Rücksicht auf die Fähigkeit des Fasersubstrates 25, Zugkräften standzuhalten, wenn es durch das Netzwerk von Führungsvorrichtungen 27 gezogen wird, genutzt werden. Die Spannung auf das sich bewegende Hohlfasersubstrat wird vorzugsweise so niedrig wie möglich gehalten, um jegliche Verzerrung der ursprünglichen Form und der Porösität des Substrates zu minimieren, während Wandkontakt vermieden wird. Die mehrfachen Durchquerungen des Reaktionstunnels 10 erhöhen in der Tendenz die Wahrscheinlichkeit einer gleichmäßigen Beschichtung über den vollen Umfang des Fasersubstrates. Das Hohlfasersubstrat 25 wird dann, nachdem es mit einem Polysiloxanpolymerisationsprodukt mittels Durchqueren eines Plasmas einer ein vollkommen alkyliertes Disiloxan und Sauerstoff enthaltenden Gasmischung im Reaktionstunnel 10 beschichtet worden ist, dann auf einer sich in der anderen Vakuumglockenkammer 14 befindlichen Produktspule 30 aufgewickelt.
  • Der Reaktionstunnel 10 kann aus jedem Material mit ausreichender Festigkeit, zum Standhalten der Druckdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Tunnels und mit ausreichender chemischer und thermischer Widerstandskraft zum Standhalten ständiger Behandlung durch ein darin enthaltenes Gasplasma gebildet werden.
  • Gegenwärtig werden Quarz und Gläser aus Hochsilizium oder Edelstahlrahmentragwerke mit darauf befestigten Fenstern aus Quarz oder Gläsern aus Hochsilizium als befriedigend erkannt. Wahlweise kann ein langer röhrenförmiger Reaktionstunnel mit einer einzigen Durchquerung des Fasersubstrates durch diesen benutzt werden, wenn angenommen wird, dass die Konstruktion und der Betrieb eines langen röhrenförmigen Reaktionstunnels eine angemessen gleichmäßige Ablagerung um den Faserumfang herum gewährleistet.
  • Die letztgenannte Konstruktion mit ihrer langen Wegstrecke würde in der Tendenz, eine vertikal ausgerichtete Vorrichtung zur Vermeidung von Durchhängen und von Wandkontakt der Faser erforderlich machen. Mehrfache kurze Durchquerungen eines kurzen Reaktionstunnels können in einer horizontal ausgerichteten Vorrichtung, wie auch in einer vertikal ausgerichteten Vorrichtung, leicht verwirklicht werden.
  • Dieses wie in Fig. 1 veranschaulichte System kann sofort für die durchgängige Behandlung einer Rolle flachen Filmes durch Bereitstellung geeigneter Zuführspulen, Rollen, Führungsvorrichtungen und Aufnahmespulen umgestaltet werden. Ähnlich könnte es jederzeit dahingehend angepaßt werden, gleichzeitig eine Vielzahl von Fasersubstraten zu beschichten.
  • Fig. 2 ist eine Schemazeichnung, welche eine selektiv durchlässige Hohlfasermembran veranschaulicht, deren Querschnitt aus einem mikroporösen Hohlfasersubstrat 25 besteht, wie etwa Mitsubishi KPF 190M, welches an seinem Rand eine durch Plasmaablagerung erzeugte Beschichtung 31 eines Polysiloxans aufweist. Die Abmessungen in der Figur sind nicht maßstabsgetreu. Die Dicke der Beschichtung 31 beträgt normalerweise weniger als 2 Mikrometer und befindet sich vorzugsweise für die meisten Membranzwecke im Bereich zwischen 0,02 und 1,0 Mikrometer, stärker bevorzugt ist eine Dicke von 0,1 bis 0,5 Mikrometer.
  • Fig. 3 ist eine Schemazeichnung, welche eine Benutzung einer beschichteten Hohlfasermembran in einem Gastrennmodul veranschaulicht. Ein Bündel zusammengesetzter Hohlfasermembrane 32 werden in einem Gehäuse 33 mittels Pottingverbindung 34 an jedem Ende des Bündels luftdicht eingeschlossen. Die Innenräume in den Fasern 32 sind an jedem Ende in offenem Kontakt mit einer Gaspermeatsammelkammer 35. Permeatanschlüsse 36 sind zum Abführen von Permeatgasen vorgesehen. Einlass- und Auslassanschlüsse 37 an der Mantelseite des Faserbündels ermöglichen den Durchfluß eines Einspeisegases, von welchem Permeatgase selektiv durch die Hohlfasermembran 32 entfernt werden. Andere Modulkonstruktionsabänderungen sind, wie es einem Fachmann offensichtlich erscheint, auch möglich, einschließlich Konstruktionen, bei welchen nur ein Ende eines Faserbündels zur Sammlung von Permeatgas zur Verfügung steht.
  • Fig. 4a und 4b sind Schemazeichnungen, welche Stichprobenorte zur Bestimmung der Beschichtungsablagerungsrate des Plasmapolymerisationsprodukts veranschaulichen. Fig. 4a zeigt eine Ansicht von oben eines Reaktionstunnels 10 mit einer Elektrode 23 (einer eines Paares), welche an einer an einer oberen Wand 40 des Tunnels befestigten synthetischen Quarzplatte 24 montiert ist. Innerhalb des Tunnels befinden sich an einer Seitenwand 41 ein erster Sensor 42, welcher in dem folgenden experimentellen Abschnitt als in Position "a" befindlich gekennzeichnet ist, und ein zweiter Sensor 43, welcher als in Position "b" befindlich gekennzeichnet ist. Fig. 4b zeigt einen Querschnitt des Reaktionstunnels 10 bei A-A, welcher eine andere Ansicht der Plazierung der Sensoren 42, 43 veranschaulicht. Gezeigt sind eine obere Wand 40, eine untere Wand 44 und eine Seitenwand 41 des Reaktionstunnels. An der oberen Wand 40 ist eine Glasplatte 24 befestigt, an welcher die obere Elektrode 23, eine eines Paares, montiert ist. Die andere Elektrode 45 ist an einer an der unteren Wand 44 befestigte zweite Glasplatte 46 montiert. Sensoren 42, 43 zum Messen der Ablagerungsrate des Plasmapolymerisationsprodukts befinden sich, wie gezeigt, an der Seitenwand 41.
  • Die folgenden experimentellen Ansätze und Beispiele sollen die Erfindung, einschließlich einige der praktischen Gesichtspunkte des Verfahrens der Erfindung und damit gewonnene Gegenstände der Erfindung veranschaulichen.
  • Allgemeine Vorbereitung
  • Eine Gasplasmapolymerisationsvorrichtung, welche einen Plasmareaktionstunnel, eine mit einem Ende des Tunnels verbundene erste Vakuumkammer und eine mit dem anderen Ende des Tunnels verbundene zweite Vakuumkammer enthielt, wurde benutzt. Eine mit Plasmapolymerisationsprodukt zu beschichtende mikroporöse Faser wurde von einer in einer ersten Vakuumkammer befindlichen Spule zugeführt, wobei die Faser den Reaktionstunnel durchquerte und schließlich auf einer in der zweiten Vakuumkammer befindlichen Produktspule aufgewickelt wurde. Leerlaufrollen befanden sich an jedem Ende des Tunnels, so daß die Faser von Leerlaufrolle zu Leerlaufrolle laufend den Tunnel mehrere Maie durchqueren konnte. In allen der folgenden Beispiele wurde die Faser ingesamt 17 mal durch die Plasmapolymerisationszone hindurchgeführt, bevor sie auf die Produktspule in der zweiten Vakuumkammer aufgewickelt wurde. Die Querschnittsfläche des Tunnels betrug ungefähr 50 cm². Die Weglänge des aktiven Bereiches der Ablagerung von Gasplasmapolymerisationsprodukt im Tunnel betrug ewa 18 bis 20 cm. Das Siloxanmonomer bestand aus vollkommen alkyliertem Disiloxan. Gaszufuhr ins Plasma wurde durch eine Einlaßanschlußstelle in die erste Vakuumkammer eingespeist und floß auf eine Vakuumquelle in der zweiten Vakuumkammer zu. Der Systemdruck wurde mittels einer im Vakuumanschluß befindlichen Ventilklappe auf im Voraus gewählten Werten gehalten, wobei seine Stellung kontinuierlich von einem druckempfindlichen Kontrollgerät überwacht wurde. Den Reaktionstunnel durchquerendes Gas wurde mittels eines Paares von bei 13,58 MHz und mit 100 Watt Leistung betriebenen Radiofrequenz (RF)-Elektroden auf einen Gasplasmazustand angeregt. Die RF-Elektroden wurden einander in einer parallelen Anordnung gegenüberstehend außenseitig montiert, wobei jede Elektrode eine Fläche von 226 cm² (35 Quadratzoll) aufwies. Die Zuggeschwindigkeit der Fasern betrug 4,0 cm/Sekunde, und die gesamte effektive Faseraufenthaltszeit in der sich unmittelbar zwischen den Elektroden befindlichen Plasmazone betrug etwa 75 Sekunden. Mikroporöse Polypropylenhohlfasern (Mitsubishi KPF190M) mit einem Außendurchmesser von 245 Mikrometer und einer Wanddicke von 22 Mikrometer wurden als Substrate für die Plasmapolymerisationsproduktbeschichtung benutzt. Der Gasdruck innerhalb des Plasmagerätes wurde auf etwa 10 Pa (75 mTorr) gehalten, wenn nicht anderslautend angezeigt. Luft wurde als Sauerstoffquelle benutzt.
  • Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
  • Eine mikroporöse Polypropylenhohlfaser wurde mit einem Polysiloxanpolymerisationsprodukt mittels Durchlaufens eines Hexamethyldisiloxan und Sauerstoff enthaltenden Gasplasmas gemäß der allgemeinen obenstehend beschriebenen Vorgehensweise beschichtet: Die Hexamethyldisiloxandampfzuführrate betrug 1,46 sccm (Standardkubikzentimeter pro Minute) und die Luftzuführrate betrug 2 sccm. Eine Länge von 432 Meter Faser wurde in einem durchgehenden Vorgang beschichtet. Die sich ergebende zusammengesetzte Hohlfasermembran wurde bezüglich Gasdurchlaßeigenschaften mittels Evaluierung in der Form eines kleinen Moduls mit einem Durchmesser von 1,27 cm (0,5 Zoll) getestet. Ein Bündel von 20 Längenabschnitten beschichteter Faser wurde in eine Polykarbonröhre eingeführt und an jedem Ende mit einem Polyurethanpottingharz gepottet. Die Enden des gepotteten Bündels wurden geschält, um die Lumen der gepotteten Fasern zu öffnen. Die effektive Membranlänge des Bündels betrug 14 cm (5,5 Zoll), und die Oberfläche der Membran betrug 21,5 Quadratzentimeter. Drei solcher Module wurden hergestellt. Die Module wurden einzeln auf Durchdringungsraten ausgewählter Gase getestet, indem die reinen Gase mit einem Druck von 3600 MPa an die Außenhautseite der Fasern geleitet wurden und der Fluß von Gaspermeat von der Lumenseite gemessen wurde. Messergebnisse der Stickstoffpermeabilität durch die Fasern in den Modulen ergaben 1,24 bis 1,56 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg. Messergebnisse der Sauerstoffpermeabilität durch die Fasern der gleichen Module ergaben 2,19 bis 2,87 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-emHg. Sauerstoff/Stickstoffselektivitätsverhältnisse wurden für jedes Modul berechnet und es wurde festgestellt, dass sie 1,77 bis 1,88 betrugen. Messungen der Kohlendioxiddurchdringungsraten durch die gleichen Module ergaben 9,66 bis 10,6 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg. Kohlenstoffdioxid/Stickstoffselektivitätsverhältnisse betrugen 6,79 bis 7,61.
  • Vergleichsbeispiel A
  • Der Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme, daß weder Sauerstoff noch Luft in das Plasmagerät eingelassen wurde, gefolgt. Hexamethyldisiloxandampf wurde nur mit einer Rate von 1,46 sccm eingelassen. Der Systemdruck wurde auf 6,67 Pa (50 mTorr) gehalten und ein RF-Plasma wurde mit einer Entladungsleistung von 100 Watt aufrechterhalten. Drei jeweils 20 Fasern enthaltende Testmodule wurden aus mit dem Hexamethyldisiloxanplasma beschichteter Polypropylenfaser hergestellt und die Module wurden wie vorher bezüglich Gaspermeabilität getestet. Die Module zeigten Permeabilitäten von 2,55, 2,80 und 2,80 · 10&supmin;² cm³/cm²-sec-cmHg für Stickstoff, 2,20, 2,61 und 2,51 · 10&supmin;² cm³/cm²-sec-cmHg für Sauerstoff und 2,55, 2,79 und 2,70 · 10&supmin;² cm³/cm²- sec-cmHg für Kohlendioxid. Sauerstoff/Stickstoffselektivitäten betrugen 0,86, 0,93 und 0,90; Kohlendioxid/Stickstoffselektivitäten betrugen 1,00, 1,00 und 0,96. Die Daten deuteten auf Flüsse von Testgasen durch Poren in der Polypropylenoberfläche hin, so daß Porenfluß beobachtet wurde. Zum Vergleich zeigte ein aus unbeschichteter Faser auf dem gleichen Substrat hergestelltes Modul Permeabilitäten für Stickstoff, Sauerstoff und Kohlendioxid von 2,69 bzw. 2,53 und 2,55 · 10&supmin;² cm³/cm²-sec-cmHg. Auf einem eine Wand der Plasmakammer auskleidenden Polyäthylenterephthalfilm abgelagertes Hexamethyldisiloxanplasmapolymerisationsprodukt zeigte eine selbsthaftende Oberflächeneigenschaft (d. h. blockierende Haftung) bei Kontakt mit sich selbst.
  • Vergleichsbeispiel B
  • Der Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme, daß weder Sauerstoff noch Luft in das Gasplasmagerät eingelassen wurde gefolgt, jedoch wurde Stickstoff mit einer Rate von 3,0 sccm eingelassen. Hexamethyldisiloxandampf wurde mit einer Rate von 1,46 sccm eingelassen. Der Systemdruck wurde auf 10 Pa (75 mlorr) gehalten. Drei jeweils 20 Fasern enthaltende Testmodule wurden aus mit dem Hexamethyldisiloxanstickstoffplasma beschichteter Polypropylenfaser hergestellt und die Module wurden auf Gaspermeabilität getestet. Die Module zeigten Permeabilitäten von 1,56, 2,41 und 2,63 · 10&supmin;² cm³/cm²-sec-cmHg für Stickstoff, 2,35, 2,20 und 2,34 · 10&supmin;² cm³/cm²-seccmHg für Sauerstoff und 2,48, 2,42 und 2,47 · 10&supmin;²cm³/cm²-sec-cmHg für Kohlendioxid. Sauerstoff/Stickstoffselektivitäten betrugen 0,87, 0,91 und 0,89;
  • Kohlendioxid/Stickstoffselektivitäten betrugen 0,95, 1,00 und 0,94. Die Daten deuteten auf Leckstromflüsse von Testgasen durch Poren in der Polypropylenoberfläche hin, so daß Porenfluß beobachtet wurde. Auf einem eine Wand der Plasmakammer auskleidenden Poyläthylentherepthalatfilm aus dem Hexamethyldisiloxanstickstoffplasma abgelagertes Hexamethyldisiloxanplasmapolymerisationsprodukt zeigte eine weiche klebrige Oberflächeneigenschaft und war bei Kontakt mit sich selbst selbsthaftend.
  • Beispiel 2
  • Der Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme, daß die Luftzuführrate auf zwei 2,5 sccm angehoben wurde, gefolgt. Hexamethyldisiloxan wurde als Siloxanmonomer benutzt. Insgesamt wurden 720 Meter beschichtet. Drei Testmodule wurden davon hergestellt. Es wurde beobachtet, daß die Stickstoffpermeabilität der drei Module 0,82 bis 0,89 · 10 km³/cm²-sec-cmHg betrug. Ähnlicherweise betrug die Sauerstoffpermeabilität 1,48 bis 1,6 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg, und die Kohlendioxidpermeabilität betrug 6,68 bis 7,17 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg. Die berechneten Selektivitäten betrugen 2,34 bis 2,62 für Sauerstoff/Stickstoff und 10,54 bis 11,75 für Kohlendioxid/- Stickstoff.
  • Beispiel 3
  • Der Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme, daß die Luftzuführrate auf 3 sccm erhöht wurde, gefolgt. Hexamethyldisiloxan wurde als Siloxanmonomer benutzt. Insgesamt wurden 4,1 Kilometer beschichtet. Bezüglich der Modultestdaten wurden Stickstoffpermeabilitäten von 0,56 bis 0,68 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg, Sauerstoffpermeabilitäten von 1,56 bis 1,85 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg und Kohlendioxidpermeabilitäten von 7,18 bis 8,46 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg beobachtet. Die Selektivitätsverhältnisse betrugen 2,68 bis 2,79 für Sauerstoff/Stickstoff und 12,44 bis 12,86 für Kohlendioxid/Stickstoff.
  • Beispiel 4
  • Ablagerungsdickenmonitore wurden benutzt, um die Ablagerungsrate der Plasmapolymere unter den Bedingungen von Hexamethyldisiloxanplasmapolymerisation mit und ohne Gegenwart von zugesetztem Sauerstoff zu messen. Spezielle Bedingungen für den Satz Plasmapolymersationen sind in Tabelle 1 gezeigt: Inficon XTC (Leybold Inficon Inc.) Sensoren wurden benutzt. Sensoren befanden sich an zwei Stellen, wie in Fig. 4 gezeigt wurde, wobei die erste mit "a" bezeichnete Stelle sich an einer vertikalen Wand auf halbem Wege entlang der Längenausdehnung der Plasmazone befand und die zweite mit "b" bezeichnete Stelle sich auf der gleichen vertikalen Wand an einer Eingangsstelle in die Plasmazone befand. Aufgrund von Imhomogenitäten in der Dichte des Plasmas und der Ablagerungsrichtung (welche visuell über Lichtinterferenzstrukturen in Ablagerungen auf entlang Plasmakammerwänden befindlichen Filmauskleidungen beobachtbar sind) war Sensor "a" besser zum Aufzeigen der Ablagerungsrate auf Oberflächen in direkter Umgebung der geerdeten Elektrode geeignet, und Sensor "b" war besser zum Aufzeigen der Ablagerungsrate auf Oberflächen in unmittelbarer Umgebung der das RF-Signal erzeugenden Elektrode geeignet. Ablagerungsraten wurden unter den gleichen Bedingungen, wie im Vergleichsbeispiel A, Vergleichsbeispiel B und Beispiel 3 gemessen. Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, daß Stickstoff eine effektive 7 bis 11-%ige Verringerung in der Ablagerungsrate des Polysiloxanplasmapolymerisationsprodukts hervorrief, wohingegen Sauerstoff (zusammen mit Stickstoff eingelassen, d. h. in Form von Luft) einen 29 bis 246%-igen Anstieg in der Ablagerungsrate des Polysiloxanplasmapolymerisationsprodukts ergab. Die Ablagerungsrate des Polysiloxanplasmapolymerisationsprodukts lag im Bereich von 48,6 bis 248,4 nm (486 bis 2484 Angström), wenn Sauerstoff zugegen war gegenüber dem Bereich von 37,6 bis 71,8 nm (376 bis 718 A), wenn kein Sauerstoff in Form von Luft zugefügt wurde.
  • Beispiel 5 (Vergleichsbeispiel)
  • Der Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme, daß die Hexamethyldisiloxanzusatzrate auf 1,94 sccm erhöht wurde, während die Luftzugaberate auf 2 sccm gehalten wurde, gefolgt. Eine Gesamtfaserlänge von etwa 1,25 Kilometer wurde in einem durchgehenden Vorgang beschichtet. Fünf Testmodule wurden in diesem Fall hergestellt. Modulpermeabilitätstests zeigten eine Stickstoffpermeabilität von 3,99 bis 5,19 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg, Sauerstoffpermeabilität von 6,01 bis 7,34 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²- sec-cmHg und Kohlendioxidpermeabilität von 21,14 bis 23,52 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg. Selektivitäten betrugen 1,3 bis 1,63 für Sauerstoff/Stickstoff und 4,27 bis 5,26 für Kohlendioxid/Stickstoff.
  • Beispiel 6
  • Der Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme, daß die Luftzugaberate auf 3 sccm erhöht wurde und die Zugaberate von Hexamethyldisiloxan auf 1,75 sccm erhöht wurde, gefolgt. Tabelle 1
  • Insgesamt wurden 3,36 Kilometer beschichtet. Testdaten von 3 aus dieser Faser hergestellten Module zeigten Stickstoffpermeabilität von 1,06 bis 1,08 · 10&supmin;&sup4;cm³/cm²-seccmHg, Sauerstoffpermeabililtät von 2,66 bis 2,71 · 10&supmin;&sup4;cm³/cm²-sec-cmHg und Kohlendioxidpermeabilität von 11,2 bis 12,6 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg. Die Selektivitäten betrugen 2,46 bis 2,51 für Sauerstoff/Stickstoff und 10,38 bis 11,89 für Kohlendioxid/Stickstoff.
  • Beispiel 7
  • Die Vorgehensweise von Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei die Zugaberaten für HMDS 2,45 und für Luft 2,5 betrugen. Insgesamt wurden 2,45 Kilometer Faser in einer durchgehenden Art und Weise beschichtet. Daten von drei aus der Faser gefertigten Testmodulen zeigten Stickstoffpermeabilität von 0,6 bis 0,7 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg, Sauerstoffpermeabilität von 1,85 bis 1,88 · 10&supmin;&sup4;cm³/cm²-sec-cmHg und Kohlendioxidpermeabilität von 8,73 bis 9,25 · 10&supmin;&sup4;cm³/cm²-sec-cmHg. Die Selektivitätsverhältnisse betrugen 2,64 bis 2,85 für Sauerstoff/Stickstoff und 13,21 bis 13,75 für Kohlendioxid/Stickstoff.
  • Beispiel 8
  • Der Vorgehensweise von Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme, daß die Luftzugaberate auf 2,7 sccm erhöht wurde, gefolgt. Hexamethyldisiloxan wurde als das Siloxanmonomer genutzt. Insgesamt wurden 1,01 Kilometer Faser in einer durchgehenden Art und Weise beschichtet. Daten von drei aus der Faser gefertigten Testmodulen zeigten Stickstoffpermeabilität von 0,63 bis 0,64 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg, Sauerstoffpermeabilität von 1,69 bis 176 · 10&supmin;&sup4;cm³/cm²-sec-cmHg und Kohlendioxidpermeabilität von 7,39 bis 7,94 · 10cm³/cm²-sec-cmHg. Die Selektivitätsverhältnisse betrugen 2,68 bis 2,79 für Sauerstoff/Stickstoff und 11,73 bis 12,41 für Kohlendioxid/Stickstoff.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer selektiv durchlässigen (permselective), zusammengesetzten Membran zur Gastrennung, beidem eine Sauerstoff und ein Disiloxan der Formel R&sub1;R&sub2;R&sub3;Si-O-SiR&sub1;R&sub2;R&sub3; aufweisende Gasmischung in einer Vakuumkammer bereitgestellt wird, wobei R&sub1;, R&sub2; und R&sub3; jeweils entweder Methyl- oder Ethylgruppen sind, die Gasmischung zu einem Gasplasma mittels einer Glimmentladung angeregt wird, ein poröses Substrat in Kontakt mit dem Gasplasma gebracht wird, und auf das poröse Substrat ein ein Polysiloxan aufweisendes Plasmapolymerisationsprodukt abgelagert wird, wobei das Disiloxan in der Gasmischung mit einem Partialdruck im Bereich von 1,33 bis 200 Pa vorliegt und der Sauerstoff mit einem Partialdruckverhältnis im Bereich von 0,1 bis 2,0 relativ zum Disiloxan vorliegt, wobei das Plasmapolymerisationsprodukt mit einer erhöhten Rate von mindestens 29% bis mindestens 240% auf Grund des Vorliegens des zusätzlichen Sauerstoffs in der Gasmischung verglichen mit der Ablagerungsrate unter ähnlichen Bedingungen, aber ohne das Vorliegen von Sauerstoff, abgelagert wird, wobei die sich ergebende Gastrennungsmembran eine Sauerstoffdurchlässigkeit von mindestens 1,5 · 10&supmin;&sup4; cm³/cm²-sec-cmHg und ein Sauerstoff/Stickstoffselektivitätsverhältnis von größer als 2,3 aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das poröse Substrat in Form einer Hohlfaser, eines Filmes, eines Blattbogens (sheet), einer Röhre, einer flachen Platte oder eines Wandbestandteils einer Vorrichtung vorliegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das poröse Substrat mehrere Male mit dem Gasplasma in Kontakt gebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der vorhandene Sauerstoff der Gasmischung in Form von Luft hinzugefügt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Plasmapolymerisationsprodukt mit einer Rate von mindestens 48,6 bis 248,4 nm/min wegen des Vorhandenseins von Sauerstoff in der Gasmischung abgelagert wird.
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