JP4393386B2 - Uv硬化性接着剤を利用した渦巻型ろ過モジュールのための折り目保護及びそれを行うための方法 - Google Patents

Uv硬化性接着剤を利用した渦巻型ろ過モジュールのための折り目保護及びそれを行うための方法 Download PDF

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Description

本発明は、超ろ過技術に、具体的には、渦巻型ろ過モジュールと、それを作るための方法に関する。
本出願で用いる「超ろ過(もしくは限外濾過)」という用語は、特記しない限り、微細ろ過、ナノろ過、超ろ過、逆浸透及びガス分離を包含するものとする。
代表的な超ろ過装置は、ろ過対象の流体を通過させる複数の渦巻型ろ過モジュールを備えている。そのような渦巻型ろ過モジュールは、膜シートと、浸透物キャリアと、浸透物キャリア管の回りに巻き付けられている供給スペーサーと、で構成されている。膜シートは、一般的に、裏当て材料に一体接合されている膜材料を備えている。各膜シートは、通常、幅に沿って半分に折り畳まれ、リーフパケットの折り畳み線に沿って一体に接続されている2つの膜リーフとなっている。各リーフパケットの膜リーフは、シートの膜材料側が互いに向かい合うように配置される。
各浸透物キャリアは、2つの膜リーフの間に挟まれており、2つの隣接するリーフパケットのそれぞれで1つの膜リーフが設けられている。浸透物キャリアと膜リーフは、リーフの膜材料側が浸透物キャリアから離れる方向を向くように配置されている。リーフの側縁部と浸透物キャリア管から遠い側のリーフの軸方向縁部は、浸透物キャリアの回りにシールされ、浸透物キャリア外囲器を形成する。外囲器の構造によって、膜リーフを通って半径方向からだけ浸透物キャリアへ接近できるようになっている。代表的には1要素又は2要素型のエポキシ又はウレタンである湿式接着剤が、普通はシーリングを達成するのに用いられる。浸透物キャリア材料は、普通は、当該技術分野で周知の多孔性フェルト又は布材料である。
大部分の渦巻型ろ過モジュールでは、各浸透物キャリア外囲器は、供給スペーサーによって隣接する浸透物キャリア外囲器と分離されている。供給スペーサーは、流体の流れを受け容れるため比較的大きなメッシュ寸法になっている。流体は、供給スペーサーに沿って、浸透物キャリア管の軸に平行な方向に通過する。浸透物は、浸透物キャリア外囲器の膜表面を通過し、浸透物キャリアによって浸透物キャリア管の穴に送られる。浸透物キャリア外囲器は側縁部と遠位の軸方向縁部に沿ってシールされるので、供給スペーサーのシートを通って流れる流体は、浸透物キャリア外囲器の膜リーフを通過しなければ、浸透物キャリア管に接近することができない。
硬い外殻、ストラップ又はバイパススクリーン、或いはそれらの組み合わせの様な或る種の外部抑制手段を用いて、渦巻状に巻きついた構成要素を、管の回りに密着形態で保持することもできる。渦巻型ろ過モジュールは、ろ過されている流体が流れるときのモジュールを横切る僅かな圧力降下で作動する、ハウジング又は圧力容器内に搭載される。濃縮物はモジュールの一端から取り除かれ、浸透物は浸透物キャリア管から取り除かれる。
超ろ過技術の多くの用途には、衛生条件を常時維持しなければならない食品加工が含まれる。このため、例を挙げると、塩素を含む化合物、他の酸化剤、酸、アルカリ及び界面活性剤の様な比較的不快な化学薬品による定期的な洗浄が必要となる。化学薬品は、特に膜リーフの間の折り畳み線に沿う領域の様な応力を受ける領域で、膜材料を劣化させる傾向がある。2つの膜リーフが対面するこの領域は、通常、折り畳み領域と呼ばれる。この折り畳み領域は、膜シート内に機械的応力を生み出し、膜シートの亀裂と漏れに繋がる。
機械的応力を下げ、膜シートの寿命を延ばすために、膜シートの折り畳み領域内に或る種の補強を施すのが一般的である。1つの技法は補強テープを使用することで、テープを折り目に貼り付けて短い距離だけ外向きに伸張させ、膜シートの折り畳み領域を覆うものである。膜シート補強の第2の方法は、折り畳み領域に接着剤を塗布することである。その様な目的に一般的に用いられている接着剤は、2要素の室温硬化ポリウレタン又はエポキシである。膜補強の別の方法は、折り畳み領域内の膜シートを、融合処理を使って高密度化することを含んでいる。テープ、接着剤及び融合による補強は、或る程度の補強にはなるが、テープは、その接着力を失う傾向があり、接着剤及び融合処理を使用すると、製造工程の間に長いサイクル時間が必要となり、製造の際に自動巻き付け処理を使用する障害になる。
本発明は、渦巻型ろ過モジュールに用いられている膜の折り畳み領域及び継目を補強するために、可撓性で、化学的に耐性のある、迅速に硬化するUV硬化性接着剤の使用に向けられている。
図1では、膜シート全体を番号10で示している。膜シート10は、膜側12と裏当て側14を備えているのが望ましい。膜側12は膜材料を備えており、裏当て側14は裏当て材料を備えており、それらは、当該技術分野で周知の技法によって一体的に接合され膜シート10を形成するのが望ましい。使用することのできる膜材料と裏当て材料も、当該技術分野では周知である。
図2は一般的な実施例を示しており、全体を番号16で示している膜リーフパケットは、膜シート10から形成されている。膜シート10は、分割され、第1膜リーフ10−Xと第2膜リーフ10−Yになる。これは、膜シート10の幅に亘る線に沿って折り畳むことによって行なわれる。
膜シート10は、その幅に沿って折り畳まれ、実質的に同じ寸法の第1及び第2リー部10−Xと10−Yを形成するのが望ましい。ここでは、「膜シート」という用語は、リーフパケットのリーフ10−Xと10−Yの組み合わせを指すのに用いる。更に、第1リーフ10−Xと第2リーフ10−Yを分ける線を、「折り畳み線」と呼び、折り畳み線に隣接する第1及び第2リーフ10−Xと10−Yの領域を「折り畳み領域」と呼ぶ。
膜シート10のリーフ10−Xと10−Yは、互いに対して、リーフ10−Xと10−Yの膜側12が互いに面するように配置されている。或る好適な実施形態では、供給スペーサー17が、リーフパケット16内のリーフ10−Xと10−Yとの間に配置されている。供給スペーサー17は、一般的に比較的大きなメッシュを有しており、ろ過対象流体が膜シート10のリーフ10−Xと10−Yの膜側12の間を移動できるようになっている。供給スペーサー17は、大部分の渦巻型ろ過モジュールに使用されているが、供給スペーサー17無しでモジュールを作ることもでき、当該技術分野では既知である。供給スペーサー17の材料と構造は当該技術分野では周知である。
UV硬化性接着剤18は、図1に示しているように、膜シート10を折り畳んでリーフパケット16を形成する前に、膜シート10の表面に膜シート10の幅に亘って塗布される。UV硬化性接着剤は、折り畳み領域の折り畳み線のどちらかの側に、膜シート10の幅に亘って塗布するのが望ましい。図2は、膜シート10が折り畳まれリーフパケット16を形成した後のUV硬化性接着剤18を示している。図1で、接着剤18のシート10と比べた厚さと、接着剤18と裏当て側14の間の境界は、分かり易いように誇張していると理解頂きたい。実際には、UV硬化性接着剤18は、厚さ制御ダイ、又は当該技術分野では既知の他の装置又は方法を使って、望ましくは約0.002から0.020インチ、更に望ましくは約0.004から0.010インチ、最も望ましくは約0.005インチの厚さに分与供給される。UV硬化性接着剤の幅は、約0.5から6インチであれば望ましく、約1から4インチであれば更に望ましく、超ろ過モジュールには約3インチ、逆浸透モジュールには2インチであれば最も望ましい。UV硬化性接着剤は、スクリーン印刷装置、延伸ブレード、スプレー銃、スロットコースター又は当業者であれば容易に理解できる他の何らかの適した手段を使って塗布してもよい。
UV硬化性接着剤18は、シート10のどちら側に塗布してもよい。本発明の或る実施形態では、UV硬化性接着剤18は、膜シート10の裏当て側14に塗布される。図1及び図2に示している実施形態では、UV硬化性接着剤18は、膜シート10の膜側12に塗布されている。保護材を折り畳むのに従来用いられている接着剤は、膜シートの膜側に塗布されたときに、膜リーフの間の折り畳み線に沿う隙間を満たし、それによってリーフを互いに接合させる傾向がある。それに比べて、UV硬化性接着剤18は、折り畳み線に沿う隙間を満たすことなくリーフ10−Xと10−Yの膜側12を被覆し、リーフ10−Xと10−Yは、互いに接着されない。
本発明のUV硬化性接着剤は、可撓性であり、硬化後にショア硬度Aの範囲内の硬さを有し、塩素、酸性洗浄溶液及び腐食性洗浄溶液から成るグループから選択される化学薬品を含め、化学薬品に対して耐性がある。更に、UV硬化性接着剤は、膜シート10への良好な初期及び長期接着性を有しており、硬化時間が短い。UV接着剤は、UV光への約30秒以下の曝露で硬化するのが望ましく、約2秒から6秒間の曝露で硬化するのが更に望ましい。UV光は、どの様な標準的UVランプで発生させてもよい。限定するわけではないが、例として、融合UVランプを使用してもよいし、320−390nmの出力で測定して200−5000mW/cm.cmの光度を有する何らかのUVランプを使用してもよい。或る好適な実施形態では、UV硬化性接着剤18は、アクリル型接着剤である。
本発明の或る実施形態では、UV硬化性接着剤18は、望ましくは約5から90重量パーセントの、より好ましくは約10から80重量%の、更に望ましくは約20から60重量%の、最も望ましくは約35重量%の量のポリブタジエンを含んでいる。ここで用いるポリブタジエンは、特記しない限り、ポリブタジエン及び/又はその官能性を持たせた誘導体を指すものと理解頂きたい。ポリブタジエンの量を増すことによって硬化した接着剤の可撓性が増すことが分かった。ポリブタジエンは、アクリレート末端基又はメタクリレート末端基を有するポリブタジエンオリゴマー、又はエポキシ化ポリブタジエンとして提供されるのが望ましく、アクリレート末端基又はメタクリレート末端基を有するポリブタジエンとして提供されるのが最も望ましい。ここに記載している本発明の実施形態はポリブタジエンを備えているが、例えば、アクリレート末端基又はメタクリレート末端基を有するポリイソプレン、クロロプレン、ポリエーテル、ポリエステル及びそれらのコポリマーから成るグループから選択された化合物など、所望の特性を有するUV硬化性接着剤を作る他の構成要素を、本発明と調和して用いることもできる。
アクリレート末端基又はメタクリレート末端基を有するポリブタジエンは、800から4000の範囲の分子量と、0℃より低いガラス転移温度を有しているのが望ましい。アクリレート末端基又はメタクリレート末端基を有するポリブタジエンは、ポリブタジエン・ジメタクリレート・オリゴマーであるのが最も望ましい。限定するわけではないが、例として、本発明で使用できるポリブタジエン・ジメタクリレート・オリゴマーは、BFグッドリッチ社の製品名HYCAR VTBと、Sartomer社のポリブタジエン・ジメタクリレート・オリゴマーのCNシリーズとして販売されている。
最も好適な実施形態では、アクリレート又はメタクリレート、ビニールモノマー、開始剤/安定剤及び光開始剤は、アクリレート末端基又はメタクリレート末端基を有するポリブタジエンのエラストマーと組み合わせられ、均質な樹脂溶液を形成する。
そのような実施形態では、アクリレート又はメタクリレートは、2−エチルヘキシルアクリレート又は2−エチルヘキシルメタクリレート、ヒドロキシエチルアクリレート又はヒドロキシエチルメタクリレートシクロヘキシルアクリレート又はシクロヘキシルメタクリレート、及び、トリメチロール・プロピオネート・トリアクリレート又は当該技術分野で既知の高官能性を有する他のアクリレートの様な多官能基アクリレートから成るグループから選択された高沸点のアクリレート又はメタクリレートであるのが望ましい。UV硬化性接着剤は、約5から90重量%のアクリレート又はメタクリレートを含んでいるのが望ましく、10から70重量%であれば更に望ましく、20から40重量%であれば更に望ましく、約30重量%であるのが最も望ましい。
ビニールモノマーは、スチレン、ジビニルベンゼン、n−メチルスチレン、クロロスチレン、ビニルアセテート、アクリロニトリル及びビニルエーテルから成るグループから選択されるのが望ましい。UV硬化性接着剤は、約5から80重量%のビニールモノマーを含んでいるのが望ましく、10から60重量%であるのが更に望ましく、20から40重量%であるのが更に望ましく、約30重量%であるのが最も望ましい。
光開始剤は、1−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン(例えば、Ciba−Geigy社から製品名HCPK、Irgacure184で販売されている)と2−ヒドロキシー2−メチル−1−フェニルプロパン−1−one(例えば、Ciba−Geigy社から製品名HMPP、Darocur1173で販売されている)から成るグループから選択されるのが望ましい。UV硬化性接着剤は、約0.2から0.9重量%の光開始剤を含んでいるのが望ましく、0.5から7重量%であるのが更に望ましく、1から5重量%であるのが更に望ましく、約3%wtであるのが最も望ましい。
抑制剤/安定剤は、ヒドロキノン、メチルヒドロキノン及びBHTから成るグループから選択される遊離基重合抑制剤であるのが望ましい。UV硬化性接着剤は、約0.1から0.2重量%の抑制剤/安定剤を含んでいるのが望ましく、0.2から0.5重量%であるのが更に望ましく、0.005%wtであるのが最も望ましい。
UV硬化性接着剤は、アクリル酸又はメタクリル酸を更に含んでいるのが望ましい。その場合、UV硬化性接着剤は、約0.1から10重量%のアクリル酸又はメタクリル酸を含んでいるのが望ましく、0.5から7重量%であるのが更に望ましく、1から5重量%であるのが更に望ましく、約3重量%であるのが最も望ましい。
図3は、外周に円周方向に間隔を空けて配置されたリーフパケット16を備えた浸透物キャリア管20を示しており、各リーフパケット16の折り畳み線は、管20に隣接して配置されている。各浸透物キャリア22は、第1膜シートの膜リーフ10−Xと、隣接する膜シートの膜リーフ10−Yとの間に配置されており、浸透物を、開口部24を通して管20の内側に導く。浸透物キャリアは、隣接する膜リーフ間にシールされ、浸透物キャリア外囲器を形成する。
図4に示すように、完全な渦巻型モジュールの浸透物キャリア外囲器は、先ず浸透物キャリア22Aを、リーフパケット16Aの第1膜リーフ10−XAに隣接して配置することによって形成される。図4に示すように、或る量の接着剤26が、第1リーフ10−XA及び/又は浸透物キャリア22Aの側縁部28に沿って及び/又は遠位軸方向縁部30に亘って塗布される。
隣接するリーフパケット16Bの第2リーフ10−YBを接着剤26と接触させ、2つのリーフ10−XAと10−YBの間にシールされている浸透物キャリア22Aを備えた完成品の浸透物キャリア外囲器を形成する。或る好適な実施形態では、各浸透物キャリア外囲器は、供給スペーサー17によって、隣接する浸透物キャリア外囲器から分離されている。供給スペーサー17の間の浸透物キャリア外囲器の構造を図5に示している。全ての膜リーフが、このやり方で浸透物キャリア外囲器に組み立てられた後、浸透物キャリア外囲器と供給スペーサー17は、管20の回りに巻き付けられる。
この好適な実施形態では、接着剤26は、UV硬化性接着剤18に関して論じたUV硬化性接着剤である。接着剤26は、UV硬化性接着剤18と同じUV硬化性接着剤であってもよいし、別のUV硬化性接着剤であってもよい。接着剤26として用いられるUV硬化性接着剤は、UV硬化性接着剤18に関して説明したように、塗布し、UV光に曝露して硬化させる。UV硬化性接着剤26は、厚さが、望ましくは約0.005から0.2インチに、更に望ましくは0.01から0.08インチに、最も望ましくは約0.03インチに、且つ、幅が、望ましくは約0.5から3.5インチに、更に望ましくは1から2.5インチに、最も望ましくは約1.5インチに、塗布されるのが望ましい。
本発明は、従って、渦巻型ろ過モジュールを形成する際に有用なリーフパケットを準備する方法を包含しており、リーフパケットの折り畳み領域は、UV硬化接着剤で補強されている。そのような方法は、膜シートを提供する段階と、UV硬化性接着剤を膜シートの表面に、膜シートの幅に亘って塗布する段階を含んでいる。次に、UV硬化性接着剤をUV放射に曝し、UV硬化性接着剤を硬化させる。膜シートは、膜シートの幅に亘って折り畳み線で分割され、その場合、折り畳み線は、UV硬化性接着剤が塗布された膜シートの領域内にある。或る好適な方法では、膜シートは、UV硬化性接着剤を塗布し硬化させた後で、折り畳まれる。
本発明は、UV硬化性接着剤を使って浸透物キャリア外囲器の側辺及び/又は軸方向継目をシールする渦巻型ろ過モジュールを準備するための方法も含んでいる。本方法は、少なくとも2つの膜シートを提供する段階を含んでおり、そのシートは、膜シートの幅に亘る折り畳み線で分割され、第1及び第2膜リーフとなる。次に、隣接する膜シートの間に浸透物キャリアが配置され、浸透物キャリアに隣接する膜リーフは、UV硬化性接着剤によって、それらの側縁と遠位軸方向縁部に沿って接合される。膜リーフを接合するため、第1膜の第1リーフ及び/又は浸透物キャリアの側縁部及び/又は遠位軸方向縁部に沿ってUV硬化性接着剤が塗布される。隣接する膜シートの第2リーフを接着剤に接触させて隣接する膜シートのリーフの間に浸透物キャリアをシールし、浸透物キャリア外囲器を形成する。隣接する浸透物キャリア外囲器の間に供給スペーサーを配置してもよい。膜シートと浸透物キャリアから成る浸透物キャリア外囲器と、使っている場合には、供給スペーサーとは、浸透物キャリア管の回りに巻き付けられる。更に、接着剤は、UV線に曝されて硬化する。
ここで説明しているUV硬化性接着剤は、30秒未満で硬化するが、これは、渦巻型ろ過モジュール構造体に用いられている従来型の補強及び接着剤材料に必要な硬化又は融合時間より相当短い。その結果、UV硬化性接着剤を使用すると、自動巻き付け処理を使って、リーフパケットの折り目及び/又は継目を補強することができる。更に、本発明のUV硬化性接着剤は、可撓性であり、硬化後も耐久性があるので、膜シートを補強し、漏れ及び偶発的なユニットの破損を防ぐ。本発明によって提供される硬化時間、可撓性、硬度及び化学的な耐性の組み合わせは、標準的な補強及び接着剤材料では、これまで実現されていない。
以上の説明から、本発明は、先に記載した全ての目標及び目的を、自明且つ本発明に固有の他の利点と共に、良好に達成できていることが分かる。
本発明の範囲から逸脱することなく、本発明から多くの実施形態を作ることができるので、ここに記載し又は添付図面に示している全ての事項は、分かり易く説明するためのものであり、本発明に限定を加えるものではないと解釈すべきである。
以上、特定の実施形態を図示し論じてきたが、勿論、様々な修正を施すことができ、本発明は、特許請求の範囲に述べる内容に含まれている限定を除いて、ここに記載している部品及び段階の特定の形態又は配置に限定されるものではない。更に、或る特徴及び二次的な組み合わせも実用的であり、他の特徴及び二次的な組み合わせに関係なく用いることができる。このことは、特許請求の範囲に考慮しており、その中に含まれている。
UV硬化性接着剤を塗布した膜シートの部分斜視図である。 本発明に従って準備されたリーフパケットを示す別の部分斜視図である。 複数のリーフパケットと浸透物キャリアが周囲に配置されている浸透物キャリア管の部分斜視図である。 複数のリーフパケットと浸透物キャリアが周囲に配置されている浸透物キャリア管の部分斜視図であり、個々の浸透物キャリア外囲器の構造の詳細を示している。 2つの供給スペーサーの間に挟まれている浸透物キャリアの外囲器の拡大部分斜視部である。

Claims (9)

  1. 渦巻型ろ過モジュール用のリーフパケットを準備する方法において、
    膜シートを提供する段階と、
    UV硬化性接着剤であって、エポキシ化ポリブタジエン、アクリレート末端基を有するポリブタジエン、メタクリレート末端基を有するポリブタジエン、アクリレート末端基を有するポリイソプレン、メタクリレート末端基を有するポリイソプレン、アクリレート末端基を有するクロロプレン、メタクリレート末端基を有するクロロプレン、アクリレート末端基を有するポリエーテル及びそれらのコポリマー、メタクリレート末端基を有するポリエーテル及びそれらのコポリマー、アクリレート末端基を有するポリエステル及びそれらのコポリマー、メタクリレート末端基を有するポリエステル及びそれらのコポリマーからなるグループから選択された物質を含むUV硬化性接着剤を、前記膜シートの表面に前記膜シートの幅に亘って塗布する段階と、
    前記接着剤をUV放射線に曝して、前記接着剤を硬化させる段階と、
    前記膜シートを、前記膜シートの幅に亘って或る線に沿って分割し、第1及び第2膜リーフとする段階であって、前記線は、前記塗布する段階で前記接着剤が塗布される前記膜シートの部分内にある、段階と、から成り、
    前記硬化した接着剤は、前記線の領域内の前記膜シートを補強する、方法。
  2. 前記曝す段階の後で、前記UV硬化性接着剤は、可撓性を保っており、ショア硬度Aの範囲内の硬さを有し、塩素、酸性洗浄溶液、及び腐食性洗浄溶液から成るグループから選択された化学薬品に対する耐性を有している、請求項1に記載の方法。
  3. 前記曝す段階は、前記UV硬化性接着剤を30秒まで前記UV放射線に曝す段階を含んでいる、請求項1に記載の方法。
  4. 前記線は折り畳み線である、請求項1に記載の方法。
  5. 前記膜シートは、膜側と裏当て側を備えており、前記分割する段階は、前記第1及び第2膜リーフの前記膜側が互いに向かい合うように前記膜シートを折り畳む段階を含んでおり、前記塗布する段階は、前記接着剤を前記膜シートの前記膜側に塗布する段階を含んでおり、それによって前記第1及び第2膜リーフは互いに接着しないようになっている、請求項1に記載の方法。
  6. 渦巻型ろ過モジュールを形成するのに有用なリーフパケットにおいて、
    膜シートの幅に亘る線によって分割されている第1及び第2膜リーフを形成する膜シートと、
    前記各リーフの前記線に隣接する表面に塗布されている一条のUV硬化性接着剤と、を備えており、
    前記UV硬化性接着剤は、エポキシ化ポリブタジエン、アクリレート末端基を有するポリブタジエン、メタクリレート末端基を有するポリブタジエン、アクリレート末端基を有するポリイソプレン、メタクリレート末端基を有するポリイソプレン、アクリレート末端基を有するクロロプレン、メタクリレート末端基を有するクロロプレン、アクリレート末端基を有するポリエーテル及びそれらのコポリマー、メタクリレート末端基を有するポリエーテル及びそれらのコポリマー、アクリレート末端基を有するポリエステル及びそれらのコポリマー、メタクリレート末端基を有するポリエステル及びそれらのコポリマーからなるグループから選択された物質を含み、
    前記接着剤は、前記接着剤を硬化させるためにUV放射線に曝され、硬化した接着剤は、前記線の領域内の前記膜シートを補強している、リーフパケット。
  7. 前記UV硬化性接着剤は、可撓性であり、ショア硬度Aの範囲内の硬さを有し、塩素、酸性洗浄溶液、及び腐食性洗浄溶液から成るグループから選択された化学薬品に対する耐性を有している、請求項6に記載のリーフパケット。
  8. 前記UV硬化性接着剤は、30秒までUV放射線に曝される、請求項6に記載のリーフパケット。
  9. 前記膜シートは、膜側と裏当て側を備えており、前記膜シートは、前記第1及び第2膜リーフの前記膜側が互いに向かい合うように前記線に沿って折り畳まれ、前記接着剤は、前記膜シートの前記膜側に塗布されており、それによって前記第1及び第2膜リーフは互いに接着しないようになっている、請求項6に記載のリーフパケット。
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