JP2005224718A - スパイラル型膜エレメント - Google Patents

Abstract

【課題】屈曲部で粘着テープによる膜の剥離が生じにくく、当該剥離による欠陥を後工程で補修する必要のないスパイラル型膜エレメントを提供する。
【解決手段】分離膜１、供給側流路材２、及び透過側流路材３が、積層状態で有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体Ｒを備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて前記分離膜１は供給側流路材２を挟み込むように内周側端部に屈曲部を有し、その屈曲部の内面に沿って粘着テープが貼着されており、その粘着テープの１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重が前記分離膜１の１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重に対して３５％以下であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体中に浮遊及び溶存している成分を分離するスパイラル型膜エレメントに関し、より詳しくは、分離膜が供給側流路材を挟み込むように内周側端部に屈曲部を有し、その屈曲部の内面に沿って粘着テープが貼着されているスパイラル型膜エレメントに関する。

従来より、逆浸透ろ過、限外ろ過、精密ろ過等に用いられる流体分離エレメントとして、例えば、供給側流体を分離膜表面へ導く供給側流路材、供給側流体を分離する分離膜、分離膜を透過し供給側流体から分離された透過側流体を中心管へと導く透過側流路材からなるユニットを有孔の中心管の周りに巻き付けたスパイラル型膜エレメントが知られている。

このようなスパイラル型膜エレメントは、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、一般的に分離膜１を二つ折りにした間に供給側流路材２を配置したものと、透過側流路材３とを積み重ね、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐ封止部を形成するため接着剤４，６を分離膜周辺部（３辺）に塗布して分離膜ユニットＵを作製し、このユニットＵの単数または複数を中心管５の周囲にスパイラル状に巻きつけて、更に分離膜周辺部を封止することによって製造される。

その結果、図２に示すように、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の両端は両端封止部１１により封止され、スパイラル状に配置された複数の両端封止部１１の間には、供給側流路材２が介在することになる。また、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の外周側端部は、軸方向に沿った外周側封止部１２により封止されている。この例は、膜リーフ（封止された封筒状膜）が複数の場合であるが、膜リーフが単数の場合も存在する。

そして、図１に示すように、上記の分離膜１は供給側流路材２を挟み込むように内周側端部に屈曲部１ａを有し、その屈曲部１ａの内面に沿って粘着テープ７が貼着される場合がある。この粘着テープ７が貼着される理由は、折り曲げにより分離膜１に欠陥が生じるため、その欠陥から液が透過しないように粘着テープ７で封止すること、及び、供給側流路材２を挿入する時、そのエッジにより膜面を傷つけないように、屈曲部１ａを粘着テープ７で保護するためである。

ところが、粘着テープを貼り付けた分離膜を折り曲げると、膜と粘着テープの曲率半径の差によって、内側にある粘着テープにたわみが生じる場合がある。そして、粘着テープがＭ字状に折れ曲がる際に、基材である不織布から膜（例えばポリサルホン層）も一緒に引き剥がしてしまう。したがって、屈曲部には、Ｍ字テープ剥離による欠陥が発生する（図３参照）。従来、この欠陥を補修するために、エレメント形成後、仕上げ工程にて、折目部先端（中心管周り）に樹脂を塗布する工程が必要であった。

上記のように、スパイラル型膜エレメントを製造する際に、分離膜の屈曲部に粘着テープを貼着する技術としては、折目部先端を加熱圧着する発明（例えば、特許文献１参照）や、折り曲げ部に筋目あるいはミシン目を形成する発明（例えば、特許文献２参照）が知られている。

しかし、これらの発明は、分離膜の屈曲部の膨らみを防止する目的から、粘着テープを折り曲げる際に加熱したり、予め粘着テープに筋目等を入れているため、従来と同等か又は更に弾性率が高く厚みのある材料が使用されていると考えられる。このため、特許文献１〜２に記載の粘着テープを使用する場合、従来と同様に粘着テープがＭ字状に折れ曲がり、その際に膜の剥離が生じると考えられる。
特開平１０−１３７５５８号公報 特開平１０−１３７５５９号公報

そこで、本発明の目的は、屈曲部で粘着テープによる膜の剥離が生じにくく、当該剥離による欠陥を後工程で補修する必要のないスパイラル型膜エレメントを提供することにある。

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。

即ち、本発明のスパイラル型膜エレメントは、
分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて、前記分離膜は供給側流路材を挟み込むように内周側端部に屈曲部を有し、その屈曲部の内面に沿って粘着テープが貼着されており、その粘着テープの１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重が前記分離膜の１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重に対して３５％以下であることを特徴とする。本発明において、伸長時の荷重等の物性は、具体的には実施例に記載の方法で測定される値である。

本発明によると、粘着テープの伸長荷重と分離膜の伸長荷重とが上記のような関係にあるため、分離膜を屈曲させる際に、分離膜の変形と粘着テープの変形のバランスが良好になり、粘着テープがＭ字状に折れ曲がるのを防止できる。このため、屈曲部で粘着テープによる膜の剥離が生じにくく、当該剥離による欠陥を後工程で補修する必要のないスパイラル型膜エレメントを提供することができる。

上記において、前記粘着テープの基材は、引張弾性率が５００〜３５００ＭＰａであり、厚みが１０〜２０μｍであることが好ましい。この範囲の基材を使用すると、粘着テープの本来の役目である「封止」と「保護」を果たしながら、上記の伸長荷重が得られやすくなる。

あるいは、前記粘着テープの基材は、引張弾性率が１０〜５００ＭＰａであり、厚みが５０〜１５０μｍであることが好ましい。この範囲の基材を使用しても、上記の伸長荷重が得られやすくなる。

更に、前記粘着テープの粘着剤層の厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。この範囲の厚みであると、粘着特性を維持しながら、粘着テープの座屈が構造的に生じにくくなり、より効果的に粘着テープがＭ字状に折れ曲がるのを防止できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図である。図２は、本発明のスパイラル型膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図である。

本発明のスパイラル型膜エレメントは、屈曲部の内面に沿って貼着される粘着テープと分離膜の伸長荷重の関係のみが従来のものと異なっており、他の構造は上述の従来のスパイラル型膜エレメントの構成をいずれも適用することができる。したがって、ここでは、再度図１および図２を参照して本発明のスパイラル型膜エレメントの一例について説明する。

本発明のスパイラル型膜エレメントは、図１〜図２に示すように、分離膜１、供給側流路材２、及び透過側流路材３が、積層状態で有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体Ｒを備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられている。封止部には、両端封止部１１と外周側封止部１２が含まれる。

図２に示すように、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の両端は両端封止部１１により封止され、スパイラル状に配置された複数の両端封止部１１の間には、供給側流路材２が介在する。また、透過側流路材３を介して対向する分離膜１の外周側端部は、軸方向に沿った外周側封止部１２により封止されている。

上記の円筒状巻回体Ｒは、分離膜１と供給側流路材２と透過側流路材３とを積層状態で有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回して円筒状巻回体Ｒを形成する工程と、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部を形成する工程とによって製造することができる。具体的には、例えば図１に示す実施形態により製造することができる。図１の（ａ）は分離膜ユニットＵの平面図であり、（ｂ）は分離膜ユニットＵの正面図であり、（ｃ）は分離膜ユニットＵを積層して巻回する前の状態を示す正面図である。

まず、図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、分離膜１を二つ折りにした間に供給側流路材２を配置したものと透過側流路材３とを積み重ね、供給流体と透過流体の混合を防ぐ封止部１１，１２を形成するための接着剤４，６を、透過側流路材３の軸方向両端部及び巻回終端部に塗布した分離膜ユニットＵを準備する。このとき、分離膜１は供給側流路材２を挟み込むように内周側端部に屈曲部１ａを有するが、その屈曲部１ａには、その内面に沿って粘着テープ７が貼着される。粘着テープ７は、屈曲により生じた分離膜１の欠陥部を封止し、供給側流路材２のエッジにより膜を傷付けるのを防止するために、貼着される。

本発明は、貼着される粘着テープの１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重が分離膜の１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重に対して３５％以下であることを特徴とする。また、３５％を超えると、粘着テープがＭ字状に折れ曲がるのを防止できなくなる。

一般に、粘着テープ７や分離膜１に関して、折り曲げに対する応力やひずみの測定は、困難であるため、本発明では、その代替評価として、引張試験により測定した伸長荷重を用いる。たとえば、粘着テープ７の基材を薄くすることで、その伸長荷重を下げることができる。ただし、薄くすればするほど、テープ貼付け時のハンドリング性が悪くなるので、バランスのとれた設計が必要になる。このような観点から、粘着テープ７の基材は、引張弾性率が５００〜３５００ＭＰａであり、厚みが１０〜２０μｍであるものが好適に使用できる。

このような引張弾性率を有する粘着テープ７の基材としては、ポリエステル系フィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリイミドフィルム、ポリカーボネートフィルム、高密度ポリエチレンフィルムなどが挙げられる。

また、テープ基材の材質を弾性率の低いものへ変更すれば、基材の厚みを薄くすることはない。このような観点より、粘着テープ７の基材は、引張弾性率が１０〜５００ＭＰａであり、厚みが５０〜１５０μｍであるものが好適に使用できる。

このような引張弾性率を有する粘着テープ７の基材としては、ポリ塩化ビニル、セルロース系フィルム、ポリエチレンフィルム、ポリウレタンフィルム等が挙げられる。

ただし、弾性率の低い基材は、透湿性のあるもの、軟らかいものが多いため、折目部粘着テープの本来の役目である「封止」と「保護」を果たすことも考慮することが好ましい。かかる観点から、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル系フィルム、ポリプロピレンフィルムが、本発明におけるテープ基材として特に好ましい。

本発明において、粘着テープ７の粘着剤層の厚みは、５〜５０μｍであることが好ましい。粘着剤層の厚みが５０μｍを超えると、分離膜の屈曲部が膨らみ、エレメント製造工程で分離膜ユニットＵをきれいに積層しにくくなる傾向がある。逆に、粘着剤層の厚みが５μｍ未満であると、粘着テープの接着力が不十分になり、エレメント使用時に水圧をかけた場合、テープが剥離する傾向がある。なお、粘着剤の種類としては、従来の粘着テープに使用されるものが何れも使用可能である。

分離膜１には、逆浸透膜、限外ろ過膜、精密ろ過膜などが使用できるが、本発明は、不織布を支持層とする複合型の限外ろ過膜や逆浸透膜、又は、スキン層（緻密層）と多孔質層（支持層）とを有する逆浸透膜の場合に特に有効となる。

本発明によると、分離膜１の引張弾性率が１０００〜２０００ＭＰａであり、かつ全厚みが８０〜２００μｍの場合に生じ易い、粘着テープのＭ字状変形による剥離の問題を、効果的に防止することができる。

供給側流路材２には、ネット状材料、編物状材料等が使用できる。透過側流路材３にはネット状、編み物状材料等が使用できる。有孔の中心管５は、管の周囲に開孔を有するものであればよく、従来のものが何れも使用できる。

接着剤４，６としては、ウレタン系接着剤、エポキシ系接着剤等、従来公知のいずれの接着剤も使用することができる。また、封止部１１，１２は、ホットメルト接着剤、熱融着型粘着テープ、熱融着性シートなどを用いて形成することも可能である。

次に、図１（ｃ）に示すように、この分離膜ユニットＵの複数を積層し、有孔の中心管５の周囲にスパイラル状に巻回した後、接着剤４，６などを熱により硬化等させることで、円筒状巻回体Ｒを得る。その際、中心管５の周囲部の封止を同時に行ってもよい。円筒状巻回体Ｒは、軸方向長さを調整するために、必要に応じて両端部がトリミング等される。

分離膜ユニットＵを積層する際の数量は、必要とされる透過流量に応じて決まるものであり、１層以上であればよいが、操作性を考慮すると１００層程度が上限である。なお、分離膜ユニットＵの積層数量が大きいほど、各分離膜ユニットＵの巻回回数が少なくなる。

本発明のスパイラル型膜エレメントは、通常、外装材により拘束されて拡径しない構造になっているが、外装材は、円筒状巻回体Ｒの表面に単数又は複数のシートを巻回することができる。外装材としては、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ガラス繊維布等が使用できる。

本発明のスパイラル膜エレメントには、更に変形（テレスコープ等）を防止するための有孔の端部材や、シール材、補強材などを必要に応じて設けることができる。

［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、図１に示すように、供給側流路材２を挟みこむように二つ折りにした分離膜１の上に、透過側流路材３を重ねて、接着剤４，６を塗布する例で説明したが、本発明では、透過側流路材３の上に二つ折りにした分離膜１を重ねその上に接着剤４，６を塗布することも可能である。また、連続した分離膜１を用いて、外周側封止部１２を不要にしてもよい。

（２）前述の実施形態では、図１に示すように、複数の分離膜ユニットＵを使用して、複数の膜リーフを備えるスパイラル膜エレメントを製造する例を示したが、本発明では、 1組の分離膜ユニットＵを使用して、１枚の膜リーフを備えるスパイラル膜エレメントを製造してもよい。

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。なお、実施例等における評価項目は下記のようにして測定を行った。

（伸長荷重）
引っ張り試験装置を用いて、サンプル幅２０ｍｍ、引っ張り速度１０ｍｍ／分、標線間距離５０ｍｍの条件で、粘着テープ又は分離膜の１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重を求めた。

（引張弾性率）
引っ張り試験装置を用いて、サンプル幅２０ｍｍ、引っ張り速度１０ｍｍ／分、標線間距離５０ｍｍの条件で、粘着テープの基材又は分離膜の引張弾性率を求めた。

測定試験１（粘着テープ）
サンプルＡとして、日東電工株式会社製のＮｏ．３１Ｂ（基材：ポリエステル、基材厚み２５μｍ、全厚み５０μｍ、アクリル系粘着剤）について上記の測定を行ったところ、１０％伸長荷重は、４９．１Ｎ、基材の引張弾性率は３０００ＭＰａであった。

サンプルＢとして、日東電工株式会社製のＮｏ．３１Ｂ（基材：ポリエステル、基材厚み１２μｍ、全厚み４０μｍ、アクリル系粘着剤）について上記の測定を行ったところ、１０％伸長荷重は、２６．８Ｎ、基材の引張弾性率は３０００ＭＰａであった。

サンプルＣとして、日東電工株式会社製のＤＦ−３７２（基材：ポリプロピレン、基材厚み２０μｍ、全厚み３０μｍ、アクリル系粘着剤）について上記の測定を行ったところ、１０％伸長荷重は、１４．３Ｎ、基材の引張弾性率は１０５０ＭＰａであった。

サンプルＤとして、ニチバン株式会社製のスキナゲート（基材：ポリエチレン＋炭酸カルシウム、基材厚み約８０μｍ、全厚み１２０μｍ、アクリル系粘着剤）について上記の測定を行ったところ、１０％伸長荷重は、４．４Ｎ、基材の引張弾性率は３９ＭＰａであった。

サンプルＥとして、株式会社共和製のカブレス（基材：ポリビニルクロライド、基材厚み約１２０μｍ、全厚み１５０μｍ、アクリル系粘着剤）について上記の測定を行ったところ、１０％伸長荷重は、０．３Ｎ、基材の引張弾性率は１５ＭＰａであった。

測定試験２（分離膜）
サンプルＦとして、日東電工株式会社製のＥＳ２０（基材：不織布、基材厚み１００μｍ、全厚み１３０μｍ、逆浸透膜）について上記の測定を行ったところ、１０％伸長荷重は、８２．８Ｎ、基材の引張弾性率は１３８０ＭＰａであった。

比較例１
図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、サンプルＦの分離膜の供給側面の屈曲部に、サンプルＡの粘着テープを貼着して、その部分にケガキを当てて折り曲げた。それぞれの分離膜の屈曲部を電子顕微鏡で観察したところ、粘着テープがＭ字状に折れ曲がって、基材である不織布から膜が剥離していた。図３は、屈曲部の電子顕微鏡写真である。

実施例１
図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、サンプルＦの分離膜の供給側面の屈曲部に、サンプルＢの粘着テープを貼着して、その部分にケガキを当てて折り曲げた。それぞれの分離膜の屈曲部を電子顕微鏡で観察したところ、粘着テープはＭ字状に折れ曲がらず、膜の剥離も生じていなかった。図４は、屈曲部の電子顕微鏡写真である。

実施例２
図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、サンプルＦの分離膜の供給側面の屈曲部に、サンプルＣの粘着テープを貼着して、その部分にケガキを当てて折り曲げた。屈曲部を電子顕微鏡で観察したところ、粘着テープはＭ字状に折れ曲がらず、膜の剥離も生じていなかった。

実施例３
図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、サンプルＦの分離膜の供給側面の屈曲部に、サンプルＤの粘着テープを貼着して、その部分にケガキを当てて折り曲げた。屈曲部を電子顕微鏡で観察したところ、粘着テープはＭ字状に折れ曲がらず、膜の剥離も生じていなかった。

実施例４
図１（ａ）〜（ｂ）に示すように、サンプルＦの分離膜の供給側面の屈曲部に、サンプルＥの粘着テープを貼着して、その部分にケガキを当てて折り曲げた。屈曲部を電子顕微鏡で観察したところ、粘着テープはＭ字状に折れ曲がらず、膜の剥離も生じていなかった。図５は、屈曲部の電子顕微鏡写真である。

本発明のスパイラル型膜エレメントの製造方法の一例を示す工程図 本発明のスパイラル型膜エレメントの一例を示す部分破断した斜視図 比較例１（従来品）における分離膜の屈曲部の電子顕微鏡写真 実施例１における分離膜の屈曲部の電子顕微鏡写真 実施例４における分離膜の屈曲部の電子顕微鏡写真

符号の説明

１ 分離膜
２ 供給側流路材
３ 透過側流路材
５ 中心管
７ 粘着テープ
Ｒ 円筒状巻回体
Ｕ 分離膜ユニット

Claims (4)

1. 分離膜と供給側流路材と透過側流路材とが積層状態で有孔の中心管の周囲にスパイラル状に巻回された円筒状巻回体を備えると共に、供給側流体と透過側流体の混合を防ぐための封止部が設けられているスパイラル型膜エレメントにおいて、
   前記分離膜は供給側流路材を挟み込むように内周側端部に屈曲部を有し、その屈曲部の内面に沿って粘着テープが貼着されており、その粘着テープの１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重が前記分離膜の１０％伸長時の幅２０ｍｍ当たりの荷重に対して３５％以下であることを特徴とするスパイラル型膜エレメント。
2. 前記粘着テープの基材は、引張弾性率が５００〜３５００ＭＰａであり、厚みが１０〜２０μｍである請求項１記載のスパイラル型膜エレメント。
3. 前記粘着テープの基材は、引張弾性率が１０〜５００ＭＰａであり、厚みが５０〜１５０μｍである請求項１記載のスパイラル型膜エレメント。
4. 前記粘着テープの粘着剤層の厚みが５〜５０μｍである請求項１〜３いずれかに記載のスパイラル型膜エレメント。

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