JP2004518832A - Spinneret assembly for forming hollow fibers - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、中空繊維(hollow fiber)を形成する紡糸口金アセンブリ(spinnerette assembly)に関する。本発明は特に、複数構成要素(multi−component)中空繊維のより効率的で正確な製品用の改良された紡糸口金に関する。
【0002】
種々の応用のために、ポリマー材料で一般的に作られた1つまたはそれ以上の種々の中空繊維を使用することはよく知られている。例えば、中空繊維は、枕(pillow)用の充填材料として、毛布および衣類用の分離材料として、ならびに、ガス分離、血液透析、水の精製、および他のフィルター用の応用のための薄膜(membrane)として、カーペット(carpet)に使用される。薄膜応用のために、中空繊維は、分離された層として作用するコアの周りに設けられたシース(sheath)を有する中空構造のコアとして、単一構成要素(single component)または複数の構成要素(plurality of component)から構成される。繊維は、一体に束ねることができ、透過装置(permeator)として知られている分離装置を提供するために、管状のハウジング内に設けることができる。通常、中空繊維は、30から1000ミクロン(micrometer)のオーダーの直径を有していて比較的細い。したがって、中空繊維を製造する装置および方法は、繊維の直径、および、穴(bore)の回りのコア(core)とシースとの同心性を制御できるようにするために、非常に正確でなければならない。
【0003】
多くの紡糸口金アセンブリが、シース/コアタイプの単一構成要素中空繊維および複数構成要素中空繊維の製造用に具体化されてきている。特に、直径、成分、および同心性が均一な中空繊維を製造する目的を有する紡糸口金のオリフィス(orifice)に繊維形成流体を均一に供給することを確実にするための装置が開発されてきた。これらの紡糸口金は、中空繊維の穴を形成するための紡糸(spinning)オリフィスに配置された流体を供給するための手段を使用する。通常、チューブまたは針(needle)がその目的のために使用され、ガス状の、または液状の穴流体(bore fluid)がチューブから吐出され、それによって、繊維コアが穴流体の周りの紡糸オリフィスから押し出される穴空間を占有する。溶融(melt)紡糸用に、初期の(nascent)繊維は、ガス性の、または液体の冷却流体で冷却することによって固化される。溶液紡糸用に、初期の繊維は溶剤の蒸発によって、または、繊維を溶剤抽出溶液に接触されて固化され、その結果、繊維壁を形成するためのポリマー溶液の凝結となる。
【0004】
特許文献1に述べられているような複数構成要素繊維用の代表的な紡糸口金アセンブリは、離間しているがそれらの間に液体チャンネルを提供するために互いに向き合った前プレートと後プレートとを備えている。前プレートは、それを通過した押し出しオリフィスを設けられていて、他方のプレートに面した側の少なくとも1枚のプレートは、押し出しオリフィス入口を取り囲む領域において、液体チャンネルを締め付けるように台地タイプのへこみが設けられている。そして、このようにして、シース形成材料の流れが、オリフィス入口に向かって実質的に径方向に集中することとなる。チューブは、穴流体を供給するためにオリフィス入口に配置されている。しかしながら、継続的な問題は、複数構成要素繊維の形成中におけるコア形成材料とシース形成材料との均一な供給である。このタイプの最良な紡糸口金は、大部分手によって一度に1つ(one at a time)作られる。その結果、1つの紡糸口金用に作られた部品は、他の紡糸口金に常には適合しない。部品が交換可能でない場合、紡糸口金アセンブリの1つの部品のある損害が、アセンブリ全体を使用不能にしがちである。従来における多構成要素(bicomponent)または中空繊維紡糸口金のアセンブリまたは清掃において、それが紡糸オリフィスの中心を外れるように、流体注入チューブまたは針がきわめて容易に僅かに曲がる。これが起きると、紡糸口金は修理するまで使用できない。
【0005】
従来の紡糸口金の関連する他の問題は、穴と単一構成要素中空繊維の繊維壁との間、さらに、コアと複数構成要素中空繊維のシースとの間の同心性を製造することに関する。従来の紡糸口金は、中空繊維を形成し易く、そこでは穴/繊維壁とコア/シースは同心ではない。シースとコアの同心性は、均一な繊維を得るために重要である。シースとコアの同心性は、通例、ポリマーの流れを規制(計量(meter))するための計量面(metering surface)の調整によって得られる。計量面は、狭い開口部を作り出すように2つの面を近接して機械加工することによって作り出され、この開口部は、押出されようとしているポリマーを均一な圧力および割合で計量する。特許文献2は、軸線的に含まれた流体流の周りのシースポリマーの環状のくさび型形状の流れの生成を伴うような、ポリマーコアの周りに押し出されるべきポリマーシースの周辺の計量によって、シース/コアの同心性を維持するための方法を開示している。
【0006】
穴の周りの繊維壁の同心性を維持するために、チューブおよび紡糸口金プレートの穴を中心合わせする他の紡糸口金がいくつも提供されてきた。例えば、特許文献3は、チューブと紡糸口金のオリフィスとを中心合わせするための紡糸口金プレートを通ってねじ込まれた複数のねじで係合されたモジュール式紡糸口金アセンブリを述べている。これらの調整ねじは、紡糸口金が分解され、清掃され、そして再アセンブリされた場合、信頼可能ではなくまたチューブを同心的調整外に移動しがちである。同心的な層、均等なデニール、および他の特性を有する複数の中空繊維を製造するために、多オリフィス紡糸口金のオリフィスへ、均質なシース形成液の均一な供給を確実にする多くの装置が提案されてきた。そのような装置は、通常、オリフィスの直径または配置の変化、および単一のまたは複数の紡糸口金プレートを含んでいる。同心性と均一性との欠如は、そのような単一構成要素および複数構成要素の製造における問題を残している。
【0007】
現在の紡糸口金が有する他の問題は、紡糸口金内においてチューブまたは針の周りにポリマー流体を均一に供給する能力である。特許文献4は、針の周りにポリマー流を供給するために針の周りに形成された複数の個別の材料通路を有する紡糸口金を述べている。これらの個別の通路からのポリマー流は、ポリマー流が主ポリマー流通路を横断するので、チューブまたは針の周りに単一の環状の流れを形成するために、一体に集合し融合(meld)しなければならない。完全な融合が達成されない場合、個別の流れが十分に集合しなかった境界において繊維の長さの下方に継ぎ目(seam)が発生する。したがって、継ぎ目の危険性がない同心的で均一な繊維の製造が可能な紡糸口金構造を有することが望ましい。
【0008】
本発明は、従来の紡糸口金の制限を克服するのに適した中空繊維の製造用の改良された紡糸口金を提供することである。新規な紡糸口金アセンブリは、繊維壁が高度な精密性のために穴と同心的である均一に寸法が定められた単一構成要素および複数構成要素中空繊維を終始一貫して製造することがそれゆえ可能になる。そのようにすることによって、これらの紡糸口金アセンブリはさらに、中空繊維の不完全性を減少し、中空繊維製造作動(run)時間を伸ばし、紡糸口金整備用の時間を短縮し、紡糸口金組み立てを簡単にする。本発明は、効率的な方法で1つまたはそれ以上のシース層を有する高品質の複数構成要素繊維を製造するのに特によく適している。
【0009】
これらの目的を達成するために、本発明の第1の態様は、中空繊維を形成するための紡糸口金アセンブリであって:
前記紡糸口金アセンブリに形成された少なくとも1つの押し出しオリフィスを備えていて;
前記各押し出しオリフィスを通って延びた中空の針を備えていて、これは、前記押し出しオリフィスの針の周りに環状通路を規定するために同心的な方法で延びていて;
前記紡糸口金アセンブリに形成された少なくとも1つのコア形成材料通路を備えていて、
前記各コア形成材料通路は、前記アセンブリの表面から前記アセンブリの内部に延びたコア形成材料入口ポートと、前記コア形成材料ポートから前記各環状通路に延びた少なくとも1つの横断通路とを備えている紡糸口金アセンブリである。
【0010】
新規な紡糸口金アセンブリは、管状のシース層により径方向外側に取り囲まれた管状の内側コア繊維壁によって規定された複合中空繊維を提供するのに適している。適応性は、直前で述べた紡糸口金アセンブリに、紡糸口金アセンブリの表面に第1のシース形成材料ポート(port)を備えた第1のシース形成材料通路を追加することを要求する。第1のシース形成材料通路は、各管状の通路に延びている。
【0011】
本発明の他の態様は、中空繊維を形成するための方法であって:
コア形成材料を、紡糸口金アセンブリの各環状通路に供給するステップを備え、前記コア形成材料は、1つまたはそれ以上のコア形成材料入口ポートを通って紡糸口金アセンブリ内に入り、また、前記アセンブリの内部を通過して横断通路に入り、各針を連続的な方法で完全に取り囲んだ前記横断通路の一部分を通り、また、押し出しオリフィスと連通する環状通路を通り;
コア形成材料を、押し出しオリフィスを通って前記各針の周りに押し出すステップを備え;
穴形成流体を、押し出しオリフィスを通って紡糸口金アセンブリから退出するように、前記コア形成材料の中心に配置された穴形成流体を備えた繊維を提供するために各針内に注入するステップを備え;
中空繊維を、冷却、溶媒蒸発、または溶媒抽出によって固化するステップを備え;
中空繊維の固化に先立って、任意的に、初期の押し出された中空繊維をエアーギャップを通して通過させるステップを備え;
た方法である。
【特許文献1】
英国(UK)特許第830、441号明細書
【特許文献2】
米国特許第3、458、615号明細書
【特許文献3】
米国特許第4、493、629号明細書
【特許文献4】
米国特許第5、320、512号明細書。
【0012】
本発明は、好ましい実施例と添付した図面とによって述べられる。
本発明は、特に、薄膜分離用途、および特にガス分離のような、種々の用途の中空繊維の製作に関する。基本的な形状において、中空繊維は端部が開口していて、円筒状のチューブであって、その壁は同質の組成を有している。中空繊維のそのような形状は、「単一構成要素」繊維として参照される。繊維の中空部を規定する中央の開口部は、時々「コア」として参照される。「複数構成要素」の中空繊維もまた作ることができる。用語「複数構成要素」は、中空繊維チューブの壁が合成層(composition layer)を形成されていることを意味する。コアに隣接する最内層は、ここでは繊維の「コア」部として参照される。複数構成要素繊維のコア層を取り囲んでいる外側の層は、「シース」部として参照される。約定(convention)は、コアに隣接する径方向外側の層を「第1のシース」層または部分として確認するために採用される。引き続く外側層は、「第2のシース」層または部分、「第3のシース」層または部分、などとして指定される。用語の統一のために、単一構成要素中空繊維の壁は、単一構成要素がシース部分を有していないけれども、ここでは繊維のコアとして参照される。
【0013】
図1Aと2Aに示されたような複数の単一構成要素中空繊維の押出し(extrusion)用の本発明の第1の好ましい実施例において、紡糸口金アセンブリ100は、紡糸口金本体110、底プレート120、および針130を備えている。図1Aに示された詳細な配置は、12の中空繊維の同時押出し用であるが、紡糸口金アセンブリ100は、要求に応じて、単一の繊維(filament)またはあらゆる数の複数の繊維を製造するために具現化できる。各針130の基端部は、ドリルまたは他の機械的処理によって紡糸口金本体110に形成された各針設置孔111に取着されている。針130の基端部の外形と針設置孔111の直径は、好ましくは、リークフリーな(leak free)方法で針130を紡糸口金本体110に取着するために、針130の基端部が針設置孔111内に押圧係合できるような寸法である。針130は、紡糸口金本体110の穴形成流体通路112への針130の基端部での穴のアクセスが可能である他のあらゆる適切な方法ででも紡糸口金本体110に取着することができる。底プレート120は、貫通孔132にねじ込まれたボルトまたは類似するような固定具131によって紡糸口金本体110に取着されている。拡開凹部156は、多数の押し出された繊維が干渉されないで紡糸口金アセンブリ100を出るのを可能にするために、底プレート120に形成されている。好ましい実施例において、多数の押し出し配置は線形または円形の形で配置されている。
【0014】
穴形成流体通路112は、紡糸口金本体110に形成されていて、また、針130を通って形成された通路と連通するように、紡糸口金本体110を通って各針設置孔111に延びている。各穴形成流体通路112は、紡糸口金本体110の表面に穴形成流体入口ポート113を備えている。この構造は、以下に述べる方法で押し出された繊維の中空構造を維持するために、押し出された繊維内に導かれる穴形成流を可能にする。
【0015】
コア形成材料通路150は、紡糸口金本体110に形成されていて、そこを通るポリマー材料のようなコア形成材料は、押し出しオリフィス155に供給(deliver)される。各コア形成材料通路150は、針130に実質的に平行な方向へ延びる孔である入口ポート151を備えている。各コア形成材料通路150はまた、コア形成入口ポート151から押し出しオリフィス155の上部を規定する環状通路153の頂部に延びる横断通路152を備えている。横断通路152は、コア形成材料ポート151を通って挿入された工具によって紡糸口金本体110に形成されたバックカット(backcut)部によって規定されている。横断通路152は、コア形成材料が、針130の周りに均等に分配され、また、環状通路153と154内に均等に導入されるのを可能にするために、針130の周りに全体的に延びている。
【0016】
多数の複数構成要素繊維を製造するために適した新規な紡糸口金アセンブリの他の好ましい実施例は、図1と2を参照することによって理解できる。異なった図面の図における類似する部品は、同様な参照符号が付されている。紡糸口金本体110の底面に形成されたチャンネル144と145とは、紡糸口金本体110と底プレート120との間に規定されたギャップ141と連通している。紡糸口金本体110と底プレート120との間に設けられたはさみ金(shim)140は、コア形成材料が各環状通路153と154とを通って流れるにつれて、コア形成材料の周りへの同心的な方法でのシース形成材料の均一な供給を提供するギャップ141の寸法を規定する。
【0017】
シース形成材料入口ポート142とシース形成材料通路143とは、シース形成材料が、シース形成材料入口ポート142とシース形成材料通路143とを通って、チャンネル144と145とを通って、またギャップ141を通って供給されるために、チャンネル144と連通されるように紡糸口金本体110に形成されている。シース形成材料がギャップ141を出るにつれて、それは、ギャップ141と環状の通路154との交差部で、コア形成材料の周りに均等に分配される。
新規な紡糸口金アセンブリの操作がここで議論される。形成されようとしている中空繊維が複数構成要素であると仮定する。単一構成要素中空繊維を製造するために、以下の議論におけるシース形成操作と装置は無視されなければならない。
【0018】
操作において、紡糸口金アセンブリ100は、ボルトまたは類似するもののような適切な固定機構を使用して据え付け孔115を通して紡糸機械(spinning machine)に設けられている。機械の穴形成流体供給部、コア形成材料供給部、およびシース形成材料供給部は、穴形成流体入口ポート113、コア形成材料入口ポート151、およびシース形成材料入口ポート142に各対応して結合されている。各押し出しオリフィス155用に、1つの穴形成流体入口ポート113と1つのコア形成材料入口ポート151とがあることに注目してほしい。そして、1つのシース形成材料入口ポート142は、シース形成材料通路143と、チャンネル144と145と、ギャップ141を通して、各押し出しオリフィスにシース形成材料の分配を提供する。これらのポートは、どのような方法によっても配置でき、また、材料を適切な通路に分配するために適切などのような数にでもできる。中空繊維の紡糸のために、コア形成材料、シース形成材料、および穴形成流体は、中空繊維を押し出す(すなわち、紡糸(spin)する)公知の圧力および流れ率で、紡糸口金100内に同時に分配される。代表的には、コア形成材料は約300〜500psig(ポンド/平方インチ、ゲージ)で注入され、シース形成材料は約150〜300psigで注入され、また、穴形成流体は約4〜5psigで注入される。
【0019】
コア形成材料は、コア形成材料入口ポート151を通り、コア形成材料通路150を通って横断通路152内に、また上部環状通路153内に走行する。同時に、シース形成材料は、シース形成材料入口ポート142を通り、シース形成材料通路143を通ってチャンネル144内に走行する。チャンネル144の寸法は、シース形成材料をギャップ141を通して均一な供給を提供するように、本質的に同じ圧力でシース形成材料を入口で各チャンネル145に提供するために設計されることを特筆しなければならない。ギャップ141の出口において、シース形成材料の流れは、上部環状通路153と下部環状通路154との間のギャップにおいてコア形成材料と交差し、このようにして、コア形成材料の外側の周囲に同心的にシース形成材料の均一な層すなわち被覆を形成する。さらに、コア形成材料とシース形成材料との紡糸口金アセンブリ100を通した供給と同時に、穴形成流体は、穴形成流体通路112を通って穴形成流体入口ポート113内へ、また針130内へ注入される。穴形成流体は、押し出しオリフィス155内またはその直ぐ下流で針130の基端部から現れる。コア形成材料とシース形成材料とが下部環状通路154を通って、押し出しオリフィス155の外側へ針130の周りに同心的に、また、そこから現れた穴形成流体が、同時に押出されるので、結果として抽出されるものは、シース形成材料で同心的に覆われたコア形成材料によって同心的に取り囲まれた中心に穴形成流体を備えた繊維である。
【0020】
図1と2に最良のものが示されているように、横断通路152は、連続的な方法で針130を完全に取り囲んだ端部部分を有するバックカット部であり、また上部環状通路153と連通する。この構造は、針130の周りのコア形成材料の均一な分配の問題を排除する。これはまた、特許文献4に開示されたような、環状通路内の複数のコア形成材料流の不完全な溶融による繊維壁を下がる(down)長手方向の縫い合わせ(seaming)の問題を排除する。同様に、紡糸口金アセンブリが紡糸機械から取り外された場合、コア形成材料通路150と横断通路152とが容易にアクセス可能であるので、紡糸口金の清掃は比較的容易である。これは、清掃を容易にし、また、紡糸口金用のターンアラウンド(turnaround)時間を減少する。また、コア形成材料通路150は、ドリルによって紡糸口金本体110に容易に機械加工でき、また、横断通路152は、角度を有する電極を使用して、電気放電加工(「EDM」としてもまた知られている)技法によって容易にかつ精密に形成される。さらに、針130が針設置孔111内で紡糸口金本体に確実に固定されるので、上部と下部の環状通路153と154内での針の同心的整列は補償され、それゆえ、労力を要する複雑な整列処理は除去され、それによってターンアラウンド時間はさらに減少される。
【0021】
好ましい実施例の紡糸口金アセンブリ100は、従来の紡糸口金と比較して、部品が少なくまた容易に製造できる。図3は、第1の好ましい実施例の紡糸口金本体に替わる構造を示していて、紡糸口金製造の処理をさらに簡単にする。図2に示された第1の好ましい実施例において、穴形成流体通路112は、比較的小さい直径を有する針設置孔111の完全性を損傷することなく、角度を有して高度な精密さで針設置孔111と正確に出会いまた連通するために、例えばドリルで機械加工されなければならない。図3の紡糸口金本体は、この複雑な機械加工ステップを除去し、また、それゆえ紡糸口金の製造コストを減少するこれに代わる構成を有している。特に、第2の穴形成流体通路114は、コア形成材料通路150に実質的に平行に機械加工され、紡糸口金本体110の表面から針設置孔111へ延びていて、かつ、針設置孔111と同心的である。第2の穴形成流体通路114が針設置孔111と同軸的であるので、機械加工処理はきわめて簡単になる。穴形成流体通路112’は、穴形成流体入口ポート113で始まり、針設置孔111から実質的に離れた点で第2の穴形成流体通路114と交差して、紡糸口金本体110、50、に機械加工される。角度が付けられた穴形成流体通路112’は、角度をなした通路112’と第2の穴形成流体通路114との直径が針設置孔111の直径と比較して比較的大きいので、第2の穴形成流体通路114(これは角度をなした通路112’の機械加工に先立って機械加工できる)と連通するために容易に機械加工される。紡糸口金本体110の面での第2の穴形成流体通路114の開口部は、穴形成流体の漏洩を回避するために、紡糸口金アセンブリ100を紡糸機械に据え付ける前かまたはその間に、栓がされるかあるいは封止される。図3の他の構成の他の態様は、上述した図2の構成に類似している。
【0022】
本発明の第2の好ましい実施例は図4に示されていて、2つのファクター(factor)によって紡糸口金当りの繊維の数を増加する方法を表わしている。例示と明瞭にする目的のために、図4において使用される計算法(numeration)は、対応する図1、2および3用よりも100大きい(greater)。図4は、紡糸口金本体210の平面図である。この実施例と、図1、2および3に表わされた実施例との間を区別する特徴は、各コア形成材料通路250が、各バックカット部の形状の2つの横断通路252aおよび252bに形成されていることである。各横断通路252aおよび252bは、各環状通路253aと253b(図2と3における環状通路153に対応して)、および針230aと230b(図2と3における針130に対応して)とが設けられている。同様に、紡糸口金本体110と底プレート120(図1、2および3表わされた)における他の態様は、紡糸口金本体210と底プレート220における対応する態様として備えている。
【0023】
このように、図3と4とを参照すると、横断通路252aおよび252bは、コア形成材料通路250から、対応する押し出しオリフィスの各針230aおよび230bの周りで環状通路253aおよび253bに延びる。複数の針230aおよび230bは、紡糸口金本体210に設けられていて、穴形成流体通路214aおよび214bと連通している。各針は、円筒状の上部および下部環状通路253aと253b、および254aと254bとによって各規定された対応する押し出しオリフィス255aおよび255bを通って延びている。紡糸口金本体210の底面に形成されたチャンネル244および245は、紡糸口金本体210と底プレート220との間に規定されたギャップ241aおよび241bと連通している。紡糸口金本体210と底プレート220との間に設けられたはさみ金240は、ギャップ241aと241bおよび環状通路254aと254bとの各交差部で、同心的方法でコア形成材料の周りのシース形成材料の均一な供給を提供するギャップ241の寸法を規定する。
【0024】
シース形成材料入口ポート242およびシース形成材料通路243とは、供給されるシース形成材料が,シース形成材料入口ポート242を通り、チャンネル244と245を通り、そしてギャップ241aと241bを通ることを可能にするために、チャンネル244と連通されるように紡糸口金本体210に形成されている。穴形成流体は、穴形成流体入口ポート213を通って紡糸口金本体210に供給される。穴形成流体は、各穴形成流体入口ポート213からチャンネル212a’と212’bを通って、各穴形成流体通路214aと214bに分配される。したがって、紡糸口金アセンブリ200は、多くの繊維として2倍(twice)製造するために同一紡糸機械に取着できる。この分野の当業者は、上記の実施例に基づいて、2より多い(例えば、3、4、5)複数の繊維を紡糸するためのさらなる実施例を予見できる。
【0025】
図5は、本発明の第3の実施例を示していて、3つの構成要素の中空繊維を製造するのに適している。例示と明瞭にする目的のために、図1、2および3の構成要素に対応するために図5において使用された計算法は、図1、2および3のそれより200大きい。紡糸口金アセンブリ300は、紡糸口金本体310、底プレート320、複数の針330(そのうちの1つが図5に見られる)、および紡糸口金本体310と底プレート320との間に設けられた中間プレート360を備えている。はさみ金340aは、中間プレート360と底プレート320との間に設けられている。紡糸口金本体310、中間プレート360、底プレート320およびはさみ金340aと340bは、使用中に一体的な本体部内にアセンブリされていて、これは以下に詳細に述べられる。各針330の基端部は、ドリルまたは他の機械加工処理によって紡糸口金本体310に形成された各針設置孔311内に、例えば、押圧係合(press fit)によって取着されている。底プレート320と中間プレート360とは、貫通孔332にねじ込まれたボルトまたは類似のもののような固定具331によって、ギャップ341aを規定するはさみ金340aとともに紡糸口金本体310に取着されている。
【0026】
環状通路353、363、および354に対応する開口部は、紡糸口金本体、中間プレート、および底プレートに各形成されていて、そこを通って、コア形成材料、コア材料プラス第1のシース形成材料、およびコア形成材料プラス第1と第2のシース形成材料が各突出している。この初期(nascent)の3つの構成要素中空繊維は、最終的に、押し出しオリフィス355を通って紡糸口金アセンブリを出る。拡開凹部(flared recess)356は、底プレート320の底面に形成されていて、各押し出された繊維が、紡糸口金アセンブリ300が設けられている紡糸機械によって、更なる処理のために干渉されることなく、紡糸口金アセンブリ300を出てゆくのを可能にする。チャンネル344aと345aとは、紡糸口金本体310の底面に形成されていて、ギャップ341aと連通している。チャンネル344bと345bとは、紡糸口金本体310の頂面に形成されていて、ギャップ341bと連通している。
【0027】
コア形成材料通路350は、紡糸口金本体310に形成されていて、そこを通ってポリマー材料のようなコア形成材料が各押し出しオリフィス内に導入される。各コア形成材料通路350は、押し出しオリフィスに実質的に平行な方向に延びた孔であるコア形成材料入口ポート351を備えている。各コア形成材料通路350はまた、コア形成材料入口ポート351から押し出しオリフィスの上部を規定する環状通路353の頂部部分に延びる横断通路352を備えている。横断通路352は、コア形成材料通路350を通って挿入され、工具によって紡糸口金本体310に形成され、また、コア形成材料が環状通路353内に均一に導入されるのを可能にするために、完全に針330の周りに延びたバックカット部によって規定されている。
【0028】
穴形成流体入口ポート313および穴形成流体通路312と314は、針設置孔311と開成して連通するように紡糸口金本体310に形成されている。この配置は、押し出しオリフィス内に導入されるべき穴形成流体が以下に述べるような方法で押し出された繊維の中空構造を維持することを可能にする。
第1のシース形成材料入口ポート342aは、ポリマー材料のような第1のシース形成材料が、第1のシース形成材料入口ポート342a内に、第1のシース形成材料通路343aを通って、チャンネル344aと345a内に、ギャップ341aを通って環状通路363内に導入されることを可能にするためにチャンネル344aと連通されるように紡糸口金本体310に形成されている。
【0029】
同様に、第2のシース形成材料入口ポート342bは、ポリマー材料のような第2のシース形成材料が、第2のシース形成材料入口ポート342b内に、第2のシース形成材料入口ポート343bを通って、チャンネル344bと345b内に、ギャップ341bを通って、環状通路354内に導入されることを可能にするためにチャンネル344bと連通されるように底プレート320に形成されている。第3の好ましい実施例の他の態様は第1の好ましい実施例に類似していて、類似する部材は接頭部に「3」をつけて類似した符号を付されている。
【0030】
第3の好ましい実施例の操作は、第1の好ましい実施例に類似している。しかしながら、第2のシース形成材料は、第2のシース形成材料入口ポート342bを通り、第2のシース形成材料通路343bを通りチャンネル344bと345b内に、ギャップ341bを通り、そして環状通路354内に走行する。第2のシース形成材料が環状通路354に入ると、それは、環状通路363(例えば、第1のシース形成材料を被覆されたコア形成材料)から環状通路354内に流れる材料の周りに均一に配置される。したがって、コアを有する中空繊維、コアに均一に付着した第1のシース、およびシースプラスコアに均一に付着した第2のシースは、全て同軸的な方法で形成される。
【0031】
上述した紡糸口金アセンブリの種々のポート、チャンネル、および通路はどのような方法で形成されてもよく、また、複数のシースとコアを有する繊維を形成するためにいくつでも可能である。例えば、コア形成材料通路は、どのような形状または構造でもよく、また、複数のチャンネルまたは単一のチャンネルを備えることができる。紡糸口金アセンブリは、ドリル加工、電子的放電機械加工(EDM)、または他のあらゆる適切なプロセスのようなどのような公知の技法を使用してでも機械加工できる。押し出しオリフィスの数はいくつでもできる。本発明は、どのようなタイプおよび押し出しに従順などのような材料の中空繊維を作るためにでも使用できる。種々の角度および寸法は、特定の応用に適するように変更できる。紡糸口金アセンブリは、スチール、モネル(monel)、アルミニューム、またはそれらの合金のようなあらゆる適切な材料で製造できる。コア形成材料とシース形成材料とは、ポリマー溶解(melt)または溶液、セラミックペースト(ceramic paste)、および類似のもののような押し出しに従順などのようなタイプでもできる。穴形成流体は、例えば、不活性ガスまたは溶液である。
本発明は、好ましい実施例によって述べられてきた。しかしながら、種々の変更が、請求項において規定されるような本発明の目的から逸脱しないでできる。
【図面の簡単な説明】
【図1A】単一構成要素中空繊維を製造するのに適した本発明の好ましい実施例による紡糸口金の平面図。
【図1】複数構成要素中空繊維を製造するのに適した本発明の他の好ましい実施例による紡糸口金の平面図。
【図2A】1つの押し出し配置を示す図1AのA−A線に沿った実施例の断面図。
【図2】1つの押し出し配置を示す図1のA−A線に沿った実施例の断面図。
【図3】複数構成要素中空繊維を製造するのに適した第1の好ましい実施例の紡糸口金本体の他の構造を示す図。
【図4】単一のコア形成材料通路から複数のフィラメントを紡糸するための本発明の他の好ましい実施例の平面図。
【図5】複数シース中空繊維を紡糸するための本発明の他の好ましい実施例の断面図。[0001]
The present invention relates to a spinneret assembly that forms a hollow fiber. The invention particularly relates to an improved spinneret for more efficient and accurate production of multi-component hollow fibers.
[0002]
It is well known to use one or more different hollow fibers commonly made of a polymeric material for different applications. For example, hollow fibers are used as packing materials for pillows, as separation materials for blankets and clothing, and as membranes for gas separation, hemodialysis, water purification, and other filter applications. ) Is used for carpets. For thin film applications, the hollow fiber may be a single component or multiple components as a hollow structural core having a sheath provided around the core acting as a separate layer. prality of component). The fibers can be bundled together and provided within a tubular housing to provide a separation device known as a permeator. Typically, hollow fibers have a diameter on the order of 30 to 1000 microns (micrometers) and are relatively thin. Therefore, the apparatus and method for producing hollow fibers must be very accurate in order to be able to control the fiber diameter and the concentricity of the core and sheath around the bore. No.
[0003]
Many spinneret assemblies have been embodied for the production of single-component and multi-component hollow fibers of the sheath / core type. In particular, devices have been developed to ensure that the fiber forming fluid is evenly supplied to the orifice of a spinneret with the purpose of producing hollow fibers of uniform diameter, composition and concentricity. These spinnerets use a means for supplying a fluid located in a spinning orifice for forming hollow fiber holes. Usually, a tube or needle is used for that purpose, and gaseous or liquid bore fluid is expelled from the tube, whereby the fiber core is removed from the spinning orifice around the bore fluid. Occupies the extruded hole space. For melt spinning, the nascent fibers are solidified by cooling with a gaseous or liquid cooling fluid. For solution spinning, the initial fibers are solidified by evaporation of the solvent or by contacting the fibers with a solvent extraction solution, resulting in coagulation of the polymer solution to form the fiber walls.
[0004]
A typical spinneret assembly for multi-component fibers, such as described in U.S. Patent No. 6,064,028, includes a front plate and a rear plate that are spaced apart but face each other to provide a liquid channel therebetween. Have. The front plate is provided with an extrusion orifice passing therethrough, and at least one plate facing the other plate has a plateau-type indentation in the area surrounding the extrusion orifice inlet to tighten the liquid channel. Is provided. And in this way, the flow of the sheath-forming material will be substantially radially concentrated toward the orifice inlet. A tube is located at the orifice inlet for supplying bore fluid. However, a continuing problem is the uniform supply of core-forming material and sheath-forming material during the formation of multi-component fibers. The best spinnerets of this type are mostly made by hand one at a time. As a result, parts made for one spinneret are not always compatible with the other. If the parts are not replaceable, damage to one part of the spinneret assembly tends to render the entire assembly unusable. In the assembly or cleaning of a conventional bicomponent or hollow fiber spinneret, the fluid injection tube or needle bends very easily so that it is off center of the spinning orifice. When this occurs, the spinneret cannot be used until it has been repaired.
[0005]
Another related problem of conventional spinnerets relates to producing concentricity between the hole and the fiber wall of the single component hollow fiber, and also between the core and the sheath of the multi-component hollow fiber. Conventional spinnerets tend to form hollow fibers, where the holes / fiber walls and the core / sheath are not concentric. The concentricity of the sheath and the core is important for obtaining a uniform fiber. The concentricity of the sheath and the core is usually obtained by adjusting a metering surface to regulate (meter) the flow of the polymer. The metering surface is created by machining the two surfaces in close proximity to create a narrow opening, which meters the polymer being extruded at a uniform pressure and rate. U.S. Pat. No. 5,049,086 discloses a sheath sheath metering device that is to be extruded around a polymer core, such as with the creation of an annular wedge-shaped flow of the sheath polymer around an axially contained fluid flow. / Discloses a method for maintaining concentricity of the core.
[0006]
A number of other spinnerets have been provided that center the holes in the tube and spinneret plate to maintain the concentricity of the fiber wall around the hole. For example, U.S. Pat. No. 6,077,064 describes a modular spinneret assembly engaged with a plurality of screws threaded through a spinneret plate to center the tube and the orifice of the spinneret. These adjustment screws are not reliable and tend to move the tube out of concentric adjustment if the spinneret is disassembled, cleaned, and reassembled. Many devices that ensure a uniform supply of a uniform sheath forming liquid to the orifices of a multi-orifice spinneret to produce multiple hollow fibers with concentric layers, uniform denier, and other properties. Has been proposed. Such devices typically include a change in orifice diameter or configuration and single or multiple spinneret plates. The lack of concentricity and uniformity leaves problems in the production of such single and multiple components.
[0007]
Another problem with current spinnerets is the ability to uniformly distribute the polymer fluid around the tube or needle within the spinneret. U.S. Pat. No. 6,037,064 describes a spinneret having a plurality of individual material passages formed around a needle to provide a polymer stream around the needle. The polymer streams from these individual passages merge and melt together to form a single annular stream around the tube or needle as the polymer stream traverses the main polymer flow passage. There must be. If complete fusion is not achieved, a seam will occur below the length of the fiber at the boundary where the individual streams have not fully assembled. Therefore, it is desirable to have a spinneret structure that can produce concentric and uniform fibers without the risk of seams.
[0008]
It is an object of the present invention to provide an improved spinneret for producing hollow fibers which is suitable for overcoming the limitations of the conventional spinneret. The novel spinneret assembly is capable of consistently producing uniformly sized single-component and multi-component hollow fibers whose fiber walls are concentric with the holes for a high degree of precision. Therefore it becomes possible. By doing so, these spinneret assemblies further reduce hollow fiber imperfections, increase hollow fiber production run time, reduce spinneret maintenance time, and reduce spinneret assembly. Make it easy. The present invention is particularly well-suited for producing high quality multi-component fibers having one or more sheath layers in an efficient manner.
[0009]
To achieve these objects, a first aspect of the present invention is a spinneret assembly for forming hollow fibers, comprising:
At least one extrusion orifice formed in the spinneret assembly;
A hollow needle extending through each extrusion orifice, which extends in a concentric manner to define an annular passage around the needle of the extrusion orifice;
At least one core forming material passage formed in the spinneret assembly;
Each of the core forming material passages includes a core forming material inlet port extending from the surface of the assembly into the interior of the assembly, and at least one transverse passage extending from the core forming material port to each of the annular passages. It is a spinneret assembly.
[0010]
The novel spinneret assembly is suitable for providing a composite hollow fiber defined by a tubular inner core fiber wall radially outwardly surrounded by a tubular sheath layer. Adaptability requires the spinneret assembly just described to add a first sheath-forming material passage with a first sheath-forming material port on the surface of the spinneret assembly. A first sheath forming material passage extends into each tubular passage.
[0011]
Another aspect of the present invention is a method for forming a hollow fiber, comprising:
Supplying a core-forming material to each annular passage of a spinneret assembly, wherein the core-forming material enters the spinneret assembly through one or more core-forming material inlet ports; Into the transverse passage through the interior of the passageway, through a portion of said transverse passage that completely surrounds each needle in a continuous manner, and through an annular passage communicating with the extrusion orifice;
Extruding a core forming material around each of said needles through an extrusion orifice;
Injecting hole-forming fluid into each needle to provide fibers with hole-forming fluid centrally located in the core-forming material to exit the spinneret assembly through an extrusion orifice. ;
Solidifying the hollow fibers by cooling, solvent evaporation, or solvent extraction;
Prior to solidification of the hollow fibers, optionally, passing the initial extruded hollow fibers through an air gap;
It is a method.
[Patent Document 1]
UK (UK) Patent No. 830,441
[Patent Document 2]
U.S. Pat. No. 3,458,615
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 4,493,629
[Patent Document 4]
U.S. Pat. No. 5,320,512.
[0012]
The present invention is described by way of preferred embodiments and the accompanying drawings.
The invention relates in particular to the production of hollow fibers for various applications, such as membrane separation applications and especially gas separation. In its basic form, the hollow fibers are open-ended, cylindrical tubes whose walls have a homogeneous composition. Such shapes of hollow fibers are referred to as "single component" fibers. The central opening that defines the hollow portion of the fiber is sometimes referred to as the "core.""Multi-component" hollow fibers can also be made. The term "multi-component" means that the walls of the hollow fiber tube are formed with a composition layer. The innermost layer adjacent to the core is referred to herein as the "core" portion of the fiber. The outer layer surrounding the multi-component fiber core layer is referred to as the "sheath." A convention is employed to identify the radially outer layer adjacent to the core as a "first sheath" layer or portion. Subsequent outer layers are designated as "second sheath" layers or portions, "third sheath" layers or portions, and so on. For unity of terminology, a single component hollow fiber wall is referred to herein as a fiber core, although the single component does not have a sheath portion.
[0013]
In a first preferred embodiment of the present invention for the extrusion of a plurality of single component hollow fibers as shown in FIGS. 1A and 2A, the
[0014]
The hole forming
[0015]
A core forming
[0016]
Other preferred embodiments of the novel spinneret assembly suitable for producing multiple multi-component fibers can be understood by referring to FIGS. Similar parts in the figures of the different drawings have similar reference numerals.
[0017]
The sheath-forming
The operation of the novel spinneret assembly will now be discussed. Suppose the hollow fiber being formed is a multi-component. To produce a single component hollow fiber, the sheathing operation and equipment in the following discussion must be ignored.
[0018]
In operation, the
[0019]
The core-forming material travels through the core-forming
[0020]
As best shown in FIGS. 1 and 2, the
[0021]
The
[0022]
A second preferred embodiment of the present invention is shown in FIG. 4 and illustrates a method for increasing the number of fibers per spinneret by two factors. For purposes of illustration and clarity, the numeration used in FIG. 4 is greater than the corresponding one for FIGS. 1, 2, and 3. FIG. 4 is a plan view of the spinneret
[0023]
Thus, referring to FIGS. 3 and 4, transverse passages 252a and 252b extend from core forming material passage 250 to annular passages 253a and 253b around respective needles 230a and 230b of the corresponding extrusion orifice. The plurality of needles 230a and 230b are provided on the
[0024]
The sheath forming material inlet port 242 and the sheath forming material passage 243 allow the supplied sheath forming material to pass through the sheath forming material inlet port 242, through the
[0025]
FIG. 5 shows a third embodiment of the invention, which is suitable for producing hollow fibers of three components. For purposes of illustration and clarity, the computation method used in FIG. 5 to correspond to the components of FIGS. 1, 2 and 3 is 200 larger than that of FIGS. The
[0026]
Openings corresponding to the
[0027]
A core forming
[0028]
The hole forming
The first sheath-forming material inlet port 342a includes a first sheath-forming material, such as a polymeric material, within the first sheath-forming material inlet port 342a, through the first sheath-forming material passage 343a, and through the channel 344a. And 345a are formed in the
[0029]
Similarly, the second sheath-forming material inlet port 342b allows a second sheath-forming material, such as a polymeric material, to pass through the second sheath-forming material inlet port 343b into the second sheath-forming material inlet port 342b. Thus, in the channels 344b and 345b, the bottom plate 320 is formed to communicate with the channel 344b to allow it to be introduced into the
[0030]
The operation of the third preferred embodiment is similar to the first preferred embodiment. However, the second sheath forming material passes through the second sheath forming material inlet port 342b, through the second sheath forming material passage 343b, into the channels 344b and 345b, through the gap 341b, and into the
[0031]
The various ports, channels, and passages of the spinneret assembly described above may be formed in any manner, and may be any number to form a fiber having multiple sheaths and cores. For example, the core-forming material passage may be of any shape or configuration and may include multiple channels or a single channel. The spinneret assembly can be machined using any known technique, such as drilling, electronic discharge machining (EDM), or any other suitable process. Any number of extruded orifices can be used. The present invention can be used to make hollow fibers of any type and material such as extrudable. Various angles and dimensions can be varied to suit a particular application. The spinneret assembly can be made of any suitable material, such as steel, monel, aluminum, or alloys thereof. The core-forming material and the sheath-forming material can be of a type such as compliant or extruded, such as polymer melts or solutions, ceramic pastes, and the like. The hole forming fluid is, for example, an inert gas or a solution.
The invention has been described by way of a preferred embodiment. However, various changes may be made without departing from the purpose of the invention as defined in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a plan view of a spinneret according to a preferred embodiment of the present invention suitable for producing single component hollow fibers.
FIG. 1 is a plan view of a spinneret according to another preferred embodiment of the present invention suitable for producing a multi-component hollow fiber.
FIG. 2A is a cross-sectional view of the embodiment taken along line AA of FIG. 1A showing one extrusion arrangement.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the embodiment taken along line AA of FIG. 1 showing one extrusion arrangement.
FIG. 3 shows another structure of the spinneret body of the first preferred embodiment suitable for producing a multi-component hollow fiber.
FIG. 4 is a plan view of another preferred embodiment of the present invention for spinning multiple filaments from a single core forming material passage.
FIG. 5 is a cross-sectional view of another preferred embodiment of the present invention for spinning multi-sheath hollow fibers.
Claims (18)
前記紡糸口金アセンブリに形成された少なくとも1つの押し出しオリフィスを備えていて;
前記各押し出しオリフィスを通って延びた中空の針を備えていて、これは、前記押し出しオリフィスの針の周りに環状通路を規定するために同心的な方法で延びていて;
前記紡糸口金アセンブリに形成された少なくとも1つのコア形成材料通路を備えていて、
前記各コア形成材料通路は、前記アセンブリの表面から前記アセンブリの内部に延びたコア形成材料入口ポートと、前記コア形成材料ポートから前記各環状通路に延びた少なくとも1つの横断通路とを備えている紡糸口金アセンブリ。A spinneret assembly for forming one or more hollow fibers, comprising:
At least one extrusion orifice formed in the spinneret assembly;
A hollow needle extending through each extrusion orifice, which extends in a concentric manner to define an annular passage around the needle of the extrusion orifice;
At least one core forming material passage formed in the spinneret assembly;
Each of the core forming material passages includes a core forming material inlet port extending from the surface of the assembly into the interior of the assembly, and at least one transverse passage extending from the core forming material port to each of the annular passages. Spinneret assembly.
コア形成材料を、紡糸口金アセンブリの各環状通路に供給するステップを備え、前記コア形成材料は、1つまたはそれ以上のコア形成材料入口ポートを通って紡糸口金アセンブリ内に入り、また、前記アセンブリの内部を通過して横断通路に入り、各針を連続的な方法で完全に取り囲んだ前記横断通路の一部分を通り、また、押し出しオリフィスと連通する環状通路を通り;
コア形成材料を、押し出しオリフィスを通って前記各針の周りに押し出すステップを備え;
穴形成流体を、押し出しオリフィスを通って紡糸口金アセンブリから退出するように、前記コア形成材料の中心に配置された穴形成流体を備えた繊維を提供するために各針内に注入するステップを備え;
中空繊維を、冷却、溶媒蒸発、または溶媒抽出によって固化するステップを備え;
中空繊維の固化に先立って、任意的に、初期の押し出された中空繊維をエアーギャップを通して通過させるステップを備え;
た方法。A method for forming a hollow fiber, comprising:
Supplying a core-forming material to each annular passage of a spinneret assembly, wherein the core-forming material enters the spinneret assembly through one or more core-forming material inlet ports; Into the transverse passage through the interior of the passageway, through a portion of said transverse passage that completely surrounds each needle in a continuous manner, and through an annular passage communicating with the extrusion orifice;
Extruding a core forming material around each of said needles through an extrusion orifice;
Injecting hole-forming fluid into each needle to provide fibers with hole-forming fluid centrally located in the core-forming material to exit the spinneret assembly through an extrusion orifice. ;
Solidifying the hollow fibers by cooling, solvent evaporation, or solvent extraction;
Prior to solidification of the hollow fibers, optionally, passing the initial extruded hollow fibers through an air gap;
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