JP5369236B2

JP5369236B2 - 中空糸膜モジュールの製造方法

Info

Publication number: JP5369236B2
Application number: JP2012524799A
Authority: JP
Inventors: 哲也取違; 浩明昇; 禎仁中原; 靖人所
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: CN103492052B; CN103492052A; JPWO2012147926A1; WO2012147926A1

Description

本発明は、水処理などに用いられる中空糸膜モジュールの製造方法に関する。
本願は、２０１１年４月２８日に、日本に出願された特願２０１１−１０２０２４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

無菌水、飲料水、高度純水の製造などに使用される中空糸膜モジュールとして、複数本の中空糸膜の端部に集水用のハウジングが設けられた形態のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
このような中空糸膜モジュールは例えば次の方法により製造できる。まず、複数本の中空糸膜を引き揃えて、その端部を容器に入れる。ついで、容器内に固定用樹脂を注入して硬化させることにより、中空糸膜の端部同士を固定、一体化し、中空糸膜集束体とする。
ついで、中空糸膜集束体を容器から取り外した後、固定用樹脂で一体化された部分を切断することにより、各中空糸膜の端部を開口させる。その後、中空糸膜集束体の開口した端部をハウジング内に挿入し、ついで接着用樹脂を流し込むことにより、中空糸膜集束体の端部にハウジングが装着した中空糸膜モジュールを得ることができる。中空糸膜集束体の端部を切断する際には、容器を取り外さずに、容器ごと切断してもよい。

このような中空糸膜モジュールの製造工程において、中空糸膜集束体の端部を切断する方法としては、中空糸膜集束体をテーブル上に載置し、ギロチン式の切断刃で切断する方法がある。具体的には、切断される端部がテーブルからはみ出るように、中空糸膜集束体を載置し、はみ出た部分に対してギロチン式切断刃を下降させ、切断する。

特開２００９−１８２８３号公報

しかしながら、このような方法で端部を切断した場合、形成される切断面が、中空糸膜の長手方向に対して垂直な平面にならず斜めに傾いてしまう、すなわち、直角精度がでない場合があった。また、切断面に固定用樹脂の欠けやバリが生じてしまう場合もあった。
切断面が傾いたり固定用樹脂の欠けやバリが生じたりすると、中空糸膜集束体をハウジング内に挿入した際に余計な隙間が形成されてしまい、接着用樹脂がその隙間を通じて中空糸膜の開口した端部側まで流れ込み、中空糸膜を閉塞させるおそれなどがあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、切断刃により中空糸膜集束体の端部を切断する際において、中空糸膜の長手方向に対して垂直で、かつ、欠け、バリなどのない良好な切断面を形成できる方法の提供を課題とする。

本発明の中空糸膜モジュールの製造方法の一態様は、２本以上の中空糸膜の端部が固定用樹脂により一体化された中空糸膜集束体の前記端部を、切断刃を備えた切断装置で切断し、各中空糸膜の端部を開口させる切断工程を有する中空糸膜モジュールの製造方法であって、前記切断工程では、曲げ弾性率が１ＧＰａ以上、且つ厚みが１〜５ｍｍの支持シートにより、前記中空糸膜集束体の少なくとも前記端部を下方から支持しながら、前記端部を前記支持シートと共に切断することを特徴とする。
前記支持シートの曲げ弾性率が７５ＧＰａ以下であることが好ましい。
前記支持シートの表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．５μｍ〜１０μｍであることが好ましい。
前記支持シートの材質がポリプロピレンであることが好ましい。
前記切断工程を２回以上に分けて行うことが好ましい。
前記切断工程では、前記中空糸膜集束体を上方からクランプで押さえながら切断するものであって、前記クランプの押さえ面が、ショアＡ硬度６０〜９９の弾性体で形成されていることが好ましい。
前記支持シートの静止摩擦係数が０．２〜０．９であることが好ましい。
前記切断刃のＨＲＣ硬度が５０〜６５であることが好ましい。
前記切断刃は、長手方向に傾斜する角度が５°〜２０°であることが好ましい。
前記切断装置には、前記切断刃よりも下方に、前記切断工程により生じた切断屑を所定位置に導くためのスロープが形成された案内手段が設けられていることが好ましい。

本発明によれば、切断刃により中空糸膜集束体の端部を切断する際において、中空糸膜の長手方向に対して垂直で、かつ、欠け、バリなどのない良好な切断面を形成できる。

本発明の製造方法で製造される中空糸膜モジュールの一例を示す斜視図である。図１の中空糸膜モジュールのＸ−Ｘ’線に沿う断面図である。図１の中空糸膜モジュールの製造方法を説明する斜視図である。図１の中空糸膜モジュールの製造方法を説明する斜視図である。図１の中空糸膜モジュールの製造方法を説明する斜視図である。切断工程を説明する摸式図である。切断工程を説明する摸式図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明の製造方法で製造される中空糸膜モジュールの一例を示す斜視図であり、図２は、図１のＸ−Ｘ’線に沿う断面図である。
この例の中空糸膜モジュール１０は、２本以上の中空糸膜２１を備えた中空糸膜集束体２０と、中空糸膜集束体２０の両端部に設けられた集水用のハウジング３０とを備えて構成されている。中空糸膜２１の両端部は開口してハウジング３０内の流路３１に連通した状態で、樹脂４０によりハウジング３０内に固定されている。

中空糸膜２１の材質としては、例えば、ポリスルホン系樹脂、ポリアクリロニトリル、セルロース誘導体、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリフッ化ビニリデンやポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、ポリアミド、ポリエステル、ポリメタクリレート、ポリアクリレートなどが挙げられ、これらのうち１種以上を含む樹脂を使用できる。また、これらの樹脂の共重合体や一部に置換基を導入したものであってもよい。

ハウジング３０の材質としては、機械的強度および耐久性を有するものが好適に用いられ、例えばポリカーボネート、ポリスルホン、ポリオレフィン、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、変成ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）などが挙げられ、これらのうち１種以上を含む樹脂を使用できる。

このような中空糸膜モジュール１０を製造する場合には、図３Ａに示すように、まず、２本以上の中空糸膜２１をシート状に引き揃え、その両端部を容器５０に入れる。ついで、容器５０内に固定用樹脂４１を注入して硬化させる。固定用樹脂４１の硬化後、この例では、図３Ｂに示すように、固定用樹脂４１から容器５０を取り外す。これにより、中空糸膜２１の端部同士が固定、一体化された中空糸膜集束体２０が得られる。固定用樹脂４１としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン系充填材、各種ホットメルト樹脂が挙げられる。

中空糸膜集束体２０において、固定用樹脂４１により一体化された部分を次に説明する切断装置で切断し、図３Ｃに示すように、各中空糸膜２１の端部を開口させる（切断工程）。切断工程では、中空糸膜集束体２０の端部から容器５０を取り外さずに、容器５０ごと切断してもよい。

図４は、切断工程に用いられる切断装置６０である。この切断装置６０は、被切断物である中空糸膜集束体２０を載置するテーブル６１と、切断時に中空糸膜集束体２０が動かないように上方から押さえる油圧シリンダ式のクランプ６２と、中空糸膜集束体２０において固定用樹脂４１で一体化された端部を切断するギロチン式切断刃６３とを備えている。固定用樹脂４１で一体化され、切断装置６０で切断される部分のことを切断部という場合がある。

切断刃６３は下端が刃先６３ａであり、切断刃駆動手段６４を操作して切断刃６３を上方から下方へと鉛直に降下させることにより、切断部を切断するギロチン式のものである。
クランプ６２の下面（押さえ面）６２ａは、ショアＡ硬度が６０〜９９のゴムなどの材料で形成されている。
また、切断装置６０には、ギロチン式切断刃６３よりも下方に、切断工程により生じた切断屑を所定位置に導くためのスロープ６５ａが形成された案内手段６５が設けられている。この例では、所定位置には、切断屑を受けるための箱状の屑受け６６が配置されている。

このような切断装置６０により切断工程を行うにあたっては、図４に示すように、テーブル６１上に曲げ弾性率が１ＧＰａ以上、且つ厚みが１〜５ｍｍの支持シート７０を水平載置し、その上に、中空糸膜集束体２０を載せる。具体的には、ギロチン式切断刃６３が下降した際に、切断刃６３の刃先６３ａが切断部に当接し、切断できるように、切断部がテーブル６１からはみ出るように、すなわちテーブル６１から切断刃６３側に延出するように載置する。その際、支持シート７０もテーブル６１からはみ出るように配置して、支持シート７０が、中空糸膜集束体２０の少なくとも切断部を下方から支持できるようにセットする。ついで、クランプ駆動手段６７を操作してクランプ６２を下降させ、押さえ面６２ａを固定用樹脂４１に接触させ、中空糸膜集束体２０を上方より押さえてから、図５に示すように、切断刃駆動手段６４を操作して切断刃６３を下方へと降下させ、切断部を支持シート７０と共に切断する。生じた切断屑６８は案内手段６５のスロープ６５ａを滑り落ち、屑受け６６へと捕集される。

このようにして切断工程を行い、図３Ｃに示すように、各中空糸膜２１の端部を開口させた後、この中空糸膜集束体２０の開口した端部をハウジング３０内に挿入し、ついで、接着用樹脂４２を流し込み、これらを接着することによって、図１および２の中空糸膜モジュール１０が得られる。接着用樹脂４２としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン系樹脂、等各種樹脂が挙げられる。また、接着用樹脂４２には、接着作業上の取扱いの面からホットメルト接着剤を用いることが好ましい。

このような切断工程においては、支持シート７０で中空糸膜集束体２０の切断部を下方から支持しながら切断を行っているため、切断部に切断刃６３からの剪断力が作用しても、切断部が下方に撓んでしまうことがない。そのため、形成される切断面は、中空糸膜２１の長手方向に対してほぼ垂直となり直角精度が良好となるし、切断面において固定用樹脂４１の欠けやバリが生じてしまうこともない。ここで仮に支持シートを用いない場合には、剪断力により中空糸膜集束体が下方へと撓んでしまい、そのため、切断面が斜めに傾いて直角精度が出ない、切断面に固定用樹脂の欠けやバリが生じるなどの問題が発生する。

支持シート７０の曲げ弾性率は、下限値として、１ＧＰａ以上であり、２ＧＰａ以上であることが好ましい。下限値を下回る支持シートは、中空糸膜集束体を効果的に支持することができない。
一方、支持シート７０の曲げ弾性率は、７５ＧＰａ以下であることが好ましい。支持シートの曲げ弾性が７５ＧＰａを超えると、支持シートが硬すぎて、前記切断面の不良が生じる。さらに、切断刃６３について、より高い切断力が必要となり、切断刃６３の強度を高めるため、切断刃６３の刃厚を厚くしなければならず、生産コストがよりかかることとなる。加えて、刃が欠けやすくなるため、刃の交換頻度が増え、生産コストがさらにかかることとなる。
また、曲げ弾性率の上限値は３０ＧＰａ以下がより好ましく、さらに好ましくは１５ＧＰａ以下であり、特に好ましくは１０ＧＰａ以下である。支持シート７０の曲げ弾性率が１５ＧＰａ以下のシートの材質は樹脂性のものが多く加工が容易である。
ここで、支持シートの曲げ弾性率は、ＪＩＳＫ７１７１（プラスチック−曲げ特性の求め方）に記載されている試験方法で求めることができる。
支持シートは、アルミニウム（弾性率≒７０ＧＰａ）を用いたアルミシートでもよい。
参考として、金属材料の曲げ弾性率を記載する。鉄の曲げ弾性率は２１０ＧＰａであり、銅の曲げ弾性率は約１３０ＧＰａであり、銀や金の曲げ弾性率は約７８〜８３ＧＰａである。

支持シート７０の厚みは、１〜５ｍｍである。より好ましくは１．５〜５ｍｍであり、さらに好ましくは２〜４ｍｍである。厚みが１ｍｍ未満の支持シートは、中空糸膜集束体を効果的に支持することができない。厚みが５ｍｍ以下であれば、支持シート７０のコストを抑えられる。
支持シート７０の硬さは、切断刃６３の変形や割れ及び摩耗を防ぐため、切断刃６３の硬さより小さいことが要求される。例えば、切断刃６３の材料として使用される工具鋼の硬さは、主に金属の硬さを示す指標であるロックウェル硬さＨＲＣ（ＨＲＣ硬度）で５５〜６５であることが好ましいため、それより硬さの小さい金属、又はプラスチックが、支持シートとして使用可能である。
また、支持シートの硬さは、主に樹脂硬さを示す指標であるブリネル硬さ（ＨＢ硬度）で５〜５０であることが好ましい。より好ましくは１０〜４０である。上記範囲内にあるプラスチックは、金属より柔らかくて刃物を傷つける心配がなく、軽くて取り扱い性がよいことから、特に好ましい。ここで、ブリネル硬度の測定は、ＪＩＳＺ２２４３に記載された方法に準拠して行うことができる。

前記支持シートの表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．５μｍ〜１０μｍである。好ましくは１．０μｍ〜８μｍであり、より好ましくは２．０μｍ〜７μｍである。支持シートの中心平均線表面粗さが前記範囲内であると、切断時に固定用樹脂４１がすべることなく、前記切断部を切断することができる。
ここで、前記支持シートの表面粗さにおける中心線平均粗さＲａは、ＪＩＳＢ０６０１に記載の試験方法に準拠して求めることができる。

前記支持シートの静止摩擦係数は０．２〜０．９である。好ましくは０．２〜０．８であり、より好ましくは０．２〜０．７である。支持シートの静止摩擦係数が前記数値の範囲内であると、切断時に固定用樹脂４１がすべることなく、前記切断部を良好に切断することができる。

支持シートの材質としては、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＡＢＳ（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）などが挙げられる。支持シートの材質として、ＰＰ（ポリプロピレン）が好ましい。オレフィン系のＰＰ（ポリプロピレン）は廃棄する際に焼却しても、有害ガスが発生せず、環境にやさしく、且つ安価である。
また、支持シートの材質としては、アルミニウムなども挙げられる。

また、この例の切断装置６０は、中空糸膜集束体２０を押さえるクランプ６２として、固定用樹脂４１と接触する押さえ面６２ａがショアＡ硬度６０〜９９の弾性体で形成されたものを備えているため、切断工程において中空糸膜集束体２０を確実に押さえることができ、切断面の直角精度をより向上させることができる。押さえ面６２ａのショアＡ硬度は、６５〜９０が好ましく、７０〜８５がさらに好ましい。ショアＡ硬度が６０以上であると、切断部に切断刃６３から剪断力が作用しても、その剪断力に抗して、中空糸膜集束体２０を確実に押さえることができる。一方、ショアＡ硬度が９９以下であると、クランプ６２で押さえる固定用樹脂４１の外形に多少の不陸があったとしても、その不陸を吸収して、中空糸膜集束体２０を確実に押さえることができる。ここで、ショアＡ硬度は、ＪＩＳＫ６３０１に示された方法に準拠して測定可能である。

ショアＡ硬度が６０〜９９の弾性体としては、硬質ゴムが挙げられる。プラスチックや金属と比べて、硬質ゴムは摩擦係数についても大きく、固定用樹脂４１のすべりを抑制して良好な切断面を形成できる。具体的には、Ｕ（ウレタンゴム）、ＮＢＲ（ニトリルゴム）、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレンゴム）、ＢＲ（ブタジエンゴム）、ＳＢＲ（スチレン・ブタジエンゴム）、ＣＲ（クロロプレンゴム）、ＳＲ（シリコーンゴム）、ＮＲ（天然ゴム）などが挙げられる。これらのなかでは、耐久性に優れることから、ウレタンゴムが好ましい。

上記の観点から、支持シートの材質にＰＰ（ポリプロピレン）を用い、クランプの押さえ面に硬質ゴムを用いた組み合わせが最適である。

切断刃６３の材料として使用される工具鋼の硬さの一例として、ロックウェル硬さＨＲＣ（ＨＲＣ硬度）５５〜６５であると上述した。切断刃６３の材料として使用される工具鋼ロックウェル硬さＨＲＣは、５８〜６３であることがより好ましく、５９〜６２であることがさらに好ましい。切断刃６３の材料として使用される工具鋼ロックウェル硬さＨＲＣが前記数値の範囲内であると、刃のじん性が高まり、作業効率が高くなる。

前記切断刃は、長手方向に傾斜する角度が５°〜２０°である。前記角度は７°〜１８°であることが好ましく、１０°〜１５°であることがより好ましい。切断刃の長手方向に傾斜する角度が前記数値の範囲内であることで、刃のじん性が高まり、作業効率が高くなる。

また、この例の切断装置６０には、ギロチン式切断刃６３よりも下方にスロープ６５ａが形成された案内手段６５が設けられていて、切断工程により生じた切断屑６８は、スロープ６５ａにより屑受け６６に導かれる。そのため、作業者は、ギロチン式切断刃６３から離れた安全な位置にある屑受け６６から、溜まった切断屑６８を回収し、切断装置６０外へと排出することができる。ここで仮にスロープがないと、切断屑はギロチン式切断刃のほぼ直下に溜まるため、安全面上の問題がある。また、作業者は刃先に触れないように細心の注意を払いつつ、切断屑を回収する必要が生じるため、作業性が低下する。

このような切断工程は、２回以上に分けて行うことが好ましい。２回以上に分けて行うことによって、切断面の直角精度をより向上させることができる。また、１回あたりの切断力を減らすことができるため、切断刃の寿命が延び、且つ良好な切断面を得ることができる。例えば切断工程を２回行うと、１回目の切断工程で、中空糸膜２１の端部を確実に開口させることを目的とした切断（荒切り）を行い、ついで２回目の切断工程で、切断面の直角精度を出すことを目的とした切断（仕上げ切り）を行うことができる。１回目の切断では、例えば５〜５０ｍｍ程度切り落とし、２回目の切断では、例えば、０．５〜５ｍｍ程度切り落とす。切断工程が１回のみであると、固定用樹脂４１の種類などによっては、充分な直角精度が出ない可能性や、固定用樹脂４１の欠けが生じる可能性があり、さらには、切り落とされる長さが長くなり過ぎるために、切断刃６３に負荷がかかり、切断刃６３の欠けが生じる可能性がある。切断工程は例えば、３回以上行ってもよいが、生産性の点からは、２回が好ましい。

以上説明したように、２本以上の中空糸膜２１の端部が固定用樹脂４１により一体化された中空糸膜集束体２０の端部を、ギロチン式切断刃６３を備えた切断装置６０で切断し、各中空糸膜２１の端部を開口させる際に、曲げ弾性率が１ＧＰａ以上、且つ厚みが１〜５ｍｍの支持シート７０により、中空糸膜集束体２０の少なくとも切断される端部を下方から支持しながら、この端部を支持シート７０と共に切断する方法によれば、中空糸膜２１の長手方向に対して垂直で、かつ、欠け、バリなどのない良好な切断面を形成できる。

本発明によれば、切断刃により中空糸膜集束体の端部を切断する際において、中空糸膜の長手方向に対して垂直で、かつ、欠け、バリなどのない良好な切断面を形成できるため、産業上極めて有用である。

１０中空糸膜モジュール
２０中空糸膜集束体
２１中空糸膜
４１固定用樹脂
６０切断装置
６２クランプ
６２ａ押さえ面
６３ギロチン式切断刃
６５案内手段
６５ａスロープ
６８切断屑
７０支持シート

Claims

２本以上の中空糸膜の端部が固定用樹脂により一体化された中空糸膜集束体の前記端部を、切断刃を備えた切断装置で切断し、各中空糸膜の端部を開口させる切断工程を有する中空糸膜モジュールの製造方法であって、
前記切断工程では、曲げ弾性率が１ＧＰａ以上、且つ厚みが１〜５ｍｍの支持シートにより、前記中空糸膜集束体の少なくとも前記端部を下方から支持しながら、前記端部を前記支持シートと共に切断する、中空糸膜モジュールの製造方法。
前記支持シートの曲げ弾性率が７５ＧＰａ以下である請求項１に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記支持シートの表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．５μｍ〜１０μｍである請求項１または２に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記支持シートの材質が、ポリプロピレンである、請求項１〜３いずれか一項に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記切断工程では、前記中空糸膜集束体を上方からクランプで押さえながら切断するものであって、前記クランプの押さえ面が、ショアＡ硬度６０〜９９の弾性体で形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記支持シートの静止摩擦係数が０．２〜０．９である請求項１〜４のいずれか一項に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記切断刃のＨＲＣ硬度が５０〜６５である請求項１〜５いずれか一項に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記切断刃は、長手方向に傾斜する角度が５°〜２０°である請求項１〜６いずれか一項に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記切断工程を２回以上に分けて行う、請求項１に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。
前記切断装置には、前記切断刃よりも下方に、前記切断工程により生じた切断屑を所定位置に導くためのスロープが形成された案内手段が設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の中空糸膜モジュールの製造方法。