JPS6317922B2 - - Google Patents

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JPS6317922B2
JPS6317922B2 JP62025535A JP2553587A JPS6317922B2 JP S6317922 B2 JPS6317922 B2 JP S6317922B2 JP 62025535 A JP62025535 A JP 62025535A JP 2553587 A JP2553587 A JP 2553587A JP S6317922 B2 JPS6317922 B2 JP S6317922B2
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cellulose acetate
glycerin
fiber
water
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Jei Keru Maikeru
Deii Mahonee Robaato
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Althin Medical Inc
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Cordis Dow Corp
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Publication of JPS6317922B2 publication Critical patent/JPS6317922B2/ja
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Abstract

The invention provides cellulose acetate hollow fibers suitable for use in artificial kidneys which provide superior water and solute clearances. The cellulose acetate hollow fibers of this invention may be made from a molten mixture of 41-50% cellulose acetate, 30-57% polyethylene glycol (MW150-600) and 2-20% glycerine, the resultant fibers being cold drawn by 2-20% and then leached to remove the polyethylene glycol and glycerine. The hollow fibers of the invention have an internal diameter of 100 to 350 microns, a wall thickness of 20 to 60 microns, and ultra-filtration coefficient of 2 to 6 millilitres per hour per square meter per millimeter of mercury and a urea coefficient of 0.015 to 0.045 centimeters per minute.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

この発明は人工腎臓用に適した、改善されたセ
ルロースアセテート半透性中空繊維の製造方法に
関する。 セルロースアセテートを含めてセルロースエス
テル類は従来半透性中空繊維に紡糸して、種々の
工程、例えば海水の脱塩、水溶液および非水溶液
の限外過、イオン交換法、塩類の濃縮、廃汽の
浄化等において分離膜として使用されてきた。フ
イルム形成性セルロースエステル類からの浸透性
分離膜の製造については多くの米国特許中に記載
されているが、出願人の知る限りにおいて最も適
切なのは米国特許第3532527号および同第3494780
号である。米国特許第3532527号および同第
3494789号には、溶融紡糸組成物からのセルロー
スエステル類、特にセルローストリアセテートお
よびセルロースアセテートの溶融紡糸法について
の記載があり、この組成物は、例えば米国特許第
2219006号、同第2451299号および同第3423491号
に記載のテトラメチレンスルホンタイプの相溶性
可塑剤、および分子量約62ないし約20000のポリ
オールからなり、混合物中のスルホラン可塑剤対
ポリオールの重量比は約0.66:1ないし約5:
1、できれば約0.8:1ないし1.3:1の範囲と記
載されている。これらの材料の相対的割合を変化
させる目的は、繊維の海水からの塩の分離能力の
改善のためとの記載がある。米国特許第3532527
号および同第3494780号の方法により製造した繊
維は海水の脱塩には有効ではあるが、人工腎臓中
の中空繊維として血液透析に用いるには満足では
ない。 1960年代の半ばから、ナシヨナル・インステイ
テユート・オブ・ヘルス(the National
Institutes of Health)およびオフイス・オブ・
サリーン・ウオーター(the Office of Saline
Water)の資金援助をうけて、異なつた形のセル
ロースアセテート膜を広く研究されてきた。さら
に、ナシヨナル・インステイテユート・オブ・ア
ースリテイス・アンド・メタボリツク・デイズイ
ーゼズ(the National Insttute of Arthritis
and Metabolic Deseases)も公知のセルロース
アセテート中空繊維を改善して人工腎臓への使用
の潜在的可能性の評価に関する研究に資金援助を
している。セルロースアセテート中空繊維の人工
腎臓の発達を主目的とする、この種の3年計画が
1971年から1973年にNIHコントラクトNo.70−
2302としてダウ・ケミカル社のウエスタン・デイ
ビジヨン・リサーチ・ラボラトリー(the Dow
Chemical Company,Western Division
Rescarch Laboratories)で実施された。このコ
ントラクトでは、セルロースアセテートおよびト
リエチレングリコールの混合物を溶融紡糸してセ
ルロースアセテート繊維と製造し、製造した繊維
の幾分かを人工腎臓中に使用して、血液透析に臨
床的に用いた。この3年計画で製造した最良の人
工腎臓は多くの臨床試験の患者の透析に安全に使
用しえたという意味では成功であつたが、それに
もかかわらず水および低分子量溶質、例えば尿素
およびクレアチニンの除去のために、それらを同
時に移動する性質は、当時使用されていたセルロ
ース中空繊維を用いた人工腎臓ほど良好ではなか
つた。これらの腎臓の問題点は水の除去の速度が
大きすぎること、および血液溶質と除去された水
の比が小さすぎることであつて、この3年計画は
放棄された。 1970年代の初期、すなわち米国においてコーデ
イス・ダウ社(Cordis Dow Corp)から初めて
人工腎臓が市販されてからは、このような市販の
人工腎臓中に用いる中空繊維はほとんど例外なく
セルロース繊維となつた。これらの繊維は銅アン
モニア法または米国特許第3546209号のリツプス
(Lipps)法の製品のいずれかで製造したもので
ある。現在までのところ、最良の人工腎臓用半透
膜としてセルロース中空繊維は広く市場に受け入
れられているが、このような繊維の溶融紡糸およ
びこの繊維をリークの無い人工腎臓に製造するに
は多くの問題があることは当業者には明らかであ
る。例えば、繊維の引張り強さは比較的小さく、
そして繊維の加工および透析チヤンバーの組立中
に繊維が切れると処理が複雑かつ困難となる。セ
ルロース毛管繊維の上記の困難さゆえに、経済
的、溶融紡糸が容易および商業スケールでの人工
腎臓への加工が容易、ならびに血液中の溶質、例
えば尿素、クレアチニン、尿酸および水を現在の
セルロース毛管繊維よりも大きい速度で除去しう
る半透性毛細血管が絶えず要求されている。 この発明の主要な目的は、現在公知のセルロー
スエステルおよびセルロース中空繊維と比較して
改善された新規なセルロースアセテート中空繊維
を提供することであつて、その繊維を包含した人
工腎臓の製造が可能な選択的に調節できる浸透特
性を持ち、そして従来のセルロース中空繊維を有
する人工腎臓よりも優れた水および溶質の除去性
を示す新規なセルロースアセテート中空繊維の製
造方法を提供するものである。 この発明は、分子量が約1400以下の血液中の溶
質および水の除去特性ならびに浸透性を組合わせ
て持ち、そして相互に関連して変化し、および調
節可能であつて血液透析用の人工腎臓中に用いた
場合に最適の取扱い特性を示す新規なセルロース
アセテート半透性中空繊維の製造方法を提供す
る。人工腎臓の最適の取扱い特性とは水の除去の
速度と比較して廃血液中の溶質の除去速度が大き
く、それによつて健康を守るための血液の浄化が
最短時間で行なわれることである。すなわち本発
明は、ポリエチレングリコールおよびグリセリン
変性セルロースアセテート中空繊維の製法におい
て、 a セルロースアセテート41ないし50重量パーセ
ント、グリセリン2ないし20重量パーセントお
よび分子量が150ないし600の範囲のポリエチレ
ングリコール30ないし57重量パーセントの親密
混合物を提供する工程、 b 上記混合物の溶融塊から中空繊維を製造する
工程、 c 繊維を冷却する工程、 d 冷却繊維長を基準として2%ないし20%の範
囲で繊維を常温延伸する工程、 e 繊維に浸出工程を施して、繊維からポリエチ
レングリコールおよびグリセリンを除去する工
程、ならびに f グリセリンを用いて繊維を再可塑化した後に
乾操する工程、 からなることを特徴とする方法を提供する。 この発明の方法により得られる新規な繊維は新
規な溶融紡糸組成物から製造する。この組成物を
用いると、セルロースアセテートを乾式紡糸、空
冷後に浸出せずにリールに巻きとることができ
る。この新規な溶融紡糸組成物はセルロースアセ
テートおよび一定割合の分子量が約150ないし600
のポリエチレングリコールおよび一定割合のグリ
セリンの混合物からなり、セルロース繊維よりも
強く、そして人工腎臓への加工が容易な中空繊維
を溶融紡糸できる。この中空繊維は水および血液
溶質の浸透特性の好ましい組合わせを有し、紡糸
繊維に一定の調節された後紡糸加工工程を施こす
と浸透特性はさらに増大して最適となる。このよ
うな繊維の浸透性は溶融紡糸組成物中の3種の成
分の各々の相対量を調節することにより変化およ
び調節でき、そして組成物の調節を行ない、さら
に冷却を調節し、冷却直後および冷却繊維中のグ
リセリンまたはポリエチレングリコール成分の任
意の紡糸繊維からの浸出前の常温延伸すなわち伸
張を調節すると低分子量血液溶質と水の除去の最
適比が得られる。室温で空気中に乾式紡糸し、そ
して常温延伸の程度を適切に調節し、さらに溶融
紡糸組成物中の各成分の量を注意深く選択するこ
とにより、従来公知のセルロースアセテート中空
繊維よりも溶質除去対水除去の比が大きく、そし
てあらかじめ選択した除去特性の組合わせを有す
るセルロースアセテート繊維の製造が可能とな
る。 繊維のスペクトルまたは系を調べたところ、こ
の発明の改善された製品であつた。 この発明の改善された方法は、溶融紡糸組成物
を調節および相関関係を持たせる工程および常温
延伸の程度および浸出条件を選んで紡糸繊維を冷
却する工程および乾燥工程からなつていて、新規
なセルロースアセテート繊維に所望の浸透性を付
与するものである。 上記の、この発明による新規で改善されたセル
ロースアセテート繊維を第1図および第2図に示
した、各々、この発明の溶融紡糸組成物および方
法に関してさらに特徴づけ、および説明を加え
る。 第1図は三成分系状態図であつて、この発明の
溶融紡糸組成物に用いる三成分の割合が点A,
B,CおよびDで囲まれた組成域で示される。 第2図は第1図の溶融紡糸組成物を加工して、
この発明の中空の毛管セルロースアセテート繊維
の改善された系を製造する工程を模式的に示した
図である。 この発明の溶融紡糸組成物はセルロースアセテ
ート約41ないし約50重量%、グリセリン約2ない
し約20重量%、および残りの部分は分子量が約
150ないし約600の範囲のポリエチレングリコール
を含有する。第1図に示したように、三成分組成
物の系またはスペクトルはA,B,C,Dで囲ま
れた組成域に発生する三成分の各々の極値によつ
て囲まれた部分の内にある。第1図のABCD組
成域中の各量の三成分からなる特定の組成物は銅
アンモニア法またはリツプスの米国特許第
3546209号の法によつて製造した現在のセルロー
ス繊維よりも、中空毛管繊維に溶融紡糸し、冷却
後にグリコールおよびグリセリンを水浸出してか
ら、このような繊維が作用する現在の形の人工腎
臓に製造するのに適しており、同時に良好であ
る。断続的に透析を行なうほとんどの患者に用い
るために最適の特性とするに特に適した好ましい
組成物は第1図中のE,F,G,H組成域であ
る。 セルロースアセテート、エチレングリコールお
よびグリセリンの三成分は半透膜中の成分として
別個に古くからの成分であり、そして可塑剤また
は例えば米国特許第3532527号中に記載のスルホ
ラン型のセルロースアセテート溶剤を含有する組
成物中に、セルロースアセテートとポリオール、
例えばグリコールを組合わせて用いる。しかしな
がら、本発明以前には室温でセルロースアセテー
トの溶剤でないグリセリンを選択した低分子量グ
リコールと共に用いて、スルホラン型溶剤の存在
下で得られる繊維よりも浸透性の改善された高強
度中空繊維が製造できることは公知ではなかつ
た。同様に、上記組成物中の一定割合のグリセリ
ンが繊維壁を通じての水の移動と比較しての繊維
壁を通じての低分子量溶質の移動を改善および調
節できることも公知ではなかつた。 本明細書中ではセルロースアセテートという語
をセルロースジアセテートの意で用いる。米国で
セルロースジアセテートは市販されており、相当
量例えば25%未満、通常はもつと少量のモノアセ
テートおよびジアセテートが市販のセルロースジ
アセテート中には存在するが本発明での使用に満
足であり、好ましい。 溶剤、例えばジメチルスルホキシド、スルホラ
ン、トリエチレングリコールまたは室温で液体の
低分子量の別のグリコール中にセルロースアセテ
ートを溶解し、次いで慣用の紡糸口金を通して繊
維のトウに紡糸する。独立した繊維は芯に巻きと
ると粘着または溶着する傾向がある。ゲル化温度
以下に冷却して固体状の繊維に硬化した場合に
も、このような繊維は一定量の溶剤を保持してお
り、表面部分を軟らかくして巻取り中の粘着の原
因となることが明らかである。従来、巻取前の紡
糸および冷却した繊維から溶剤を浸出する必要が
あり、そのために温浸出浴を用いてきた。しかし
ながら、冷却直後に浸出浴に中空毛管繊維を導入
すると繊維は激しくパルスし、その結果として繊
維壁の厚さが不均質となり、同時に繊維の内径も
不均質となる。この発明によれば、セルロースア
セテート用溶剤として、上記の特定量のグリセリ
ンにより改善された低分子量グリコールを使用す
ることによつて、芯に巻取る前に浸出を行なわな
くても繊維の溶着を避けることができる。グリセ
リンは明らかにグリコールの表面軟化効果を減少
して、繊維の粘着または溶着を起こさずに繊維を
巻取ることができ、そして張力を与えて引張りな
がら巻取ることさえも可能とする。製造した紡糸
繊維の壁厚および内径は改善されて均一であり、
将来人工腎臓に加工するために芯に巻取つた形で
室温において無期限に貯蔵できる。 さらに、繊維壁に生じる気孔率を変化させると
いう点において、グリセリンは冷却時のセルロー
スアセテートのゲル化を明らかに改善する。常温
延伸工程に関連して以下に説明するように、前述
の溶融紡糸組成物中に存在するグリセリンによつ
て、ゲル化繊維はその集結性の保持、およびゲル
化または固体化直後の引張りまたは常温延伸時に
壁厚および内径寸法の均一性の保持に足るほどに
強くなる。さらに、予想外にも、低分子量血液溶
質が繊維内部を流れる血液から繊維外部を流れる
透析液中に通過するという点において、常温延伸
により繊維壁の気孔率も改善される。血液溶質、
すなわち分子量が約1400未満の溶質、例えば尿
素、クレアチニン、尿酸およびビタミンB12を含
む別の溶質の移動の実質的増加が、繊維壁を通し
て繊維が水を移動させる能力を増加せずに起こ
る。常温延伸の結果としての、この変化の機構は
完全には解明されてはいないが、常温延伸の程度
と溶融紡糸組成物中に存在するグリセリンの量が
相関関係にあつて相互に依存することが判つてい
る。一般的に言えば、分子量が約150ないし約600
の範囲のポリエチレングリコール中に溶解したセ
ルロースアセテートおよび少なくとも約2%のグ
リセリンからなる溶融紡糸組成物を使用した場合
には、常温延伸によつて紡糸繊維長が約20%未満
増加すると血液溶質の移動の増加が起こる。グリ
セリン含有量が増加すると血液溶質の移動の増加
は続けて起こるが、その関係は完全な線状の関係
ではない。溶融紡糸組成物中のグリセリンの割合
が約3%ないし10%、およびセルロースアセテー
トが約42%ないし47%で残りがポリエチレングリ
コールの場合には、血液溶質の移動対水の移動の
比の改善は常温延伸の程度が紡糸繊維長の約15%
増加になるまで得られ、そしてセルロースアセテ
ートが43%ないし45%の場合に紡糸繊維長約10%
増加で優れた結果が得られる。第1図に示した好
ましい組成域EFGHから選択した組成物の場合、
血液溶質の移動対水の移動の比が最大に改善され
る。そして、二ないし三種の単純なテストによつ
て選択した組成物での常温延伸の最適の程度が容
易に定められる。 第2図より明らかなように、この発明の方法は
上記の溶融紡糸組成物を製造する工程、中空繊維
を溶融紡糸する工程および中空繊維を冷却して自
己支持性のゲル化状態とする工程および繊維を引
張りまたは常温延伸する工程からなる。引張処理
した繊維を貯蔵してもよく、または多数の繊維の
トウを束として(例えば3000ないし30000の繊
維)、人工腎臓を製造するためにさらに加工して
もよい。繊維束を浸出槽中を通過させてグリコー
ルおよびグリセリンを除去し、半透性中空繊維の
束を製造する。次いで、浸出した繊維束をグリセ
リン水溶液で再可塑化し、過剰のグリセリンを除
去してから繊維を乾燥する。この乾燥繊維はこの
発明の改善された製品である。 溶融紡糸組成物の製造は慣用の混合装置によつ
て任意の方法を用いることができ、重要な点は均
一な新混合物を得るために確実に十分に混合する
ことである。例えば、秤量したポリエチレングリ
コールおよびグリセリンと乾燥セルロースアセテ
ートとを高剪断ホバートミキサー中で混合し、混
合材料をさらに加熱逆転二軸スクリユーエキスト
ルーダー中に入れて均質化および混合し、次いで
溶融押出物の芯にガスを射出するための慣用のガ
ス供給手段のある型の紡糸口金、例えばホールが
16ないし32の紡糸口金から溶融押出物を強制的に
押出した。この目的に対して好ましいガスは窒素
であるが、二酸化炭素、空気または他の無害なガ
スを含む別のガスを用いても満足である。紡糸口
金から出てきた押出物を、例えば種々の押込力お
よび/または温度の押込空気で冷却して、押出物
をゲル化および固化して自己支持性固体繊維とす
る。代表的には、繊維は毛細管状、すなわち内径
が約150ないし約300ミクロンの範囲で壁厚が約20
ないし50ミクロンの範囲である。この発明の好ま
しい繊維は人工腎臓中に使用して血液透析に用い
るのに特に適しているが、繊維を乾式紡糸および
製造し、あらかじめ浸出せずに支持芯に巻取ると
いうことの利点は他の用法、例えば限外過等に
用いる繊維としても適用できる。このような場合
の繊維は外径約350ないし400ミクロンおよび壁厚
約10ないし約80ミクロンが使用して満足である。 この発明の方法においては、紡糸口金開口から
押出物が出た直後の短い時間は繊維製品の浸透性
を所望の程度にするために非常に重要である。こ
の短時間中における繊維の冷却の速度と常温延伸
または引張の共同作用として繊維製品の気孔率、
従つて浸透性が決定される。ある一定の溶融紡糸
組成物において、溶融繊維を徹底的(drastic)
に急冷した場合の繊維を任意の一定の程度に引張
つたときには、押出物を繊維に急冷するときの徹
底度が小さい、またはゲル化の遅い場合と比較し
て繊維の気孔率が増大する。このような急冷の結
果としての気孔率の増加は通常は繊維の水移動能
力に悪影響を与えるので、血液透析に用いるには
必要に応じて繊維の限外過速度をあらかじめ選
択または改善して用いるとよい押出物に強制的に
送込む室温空気流の速度を増加することによつ
て、繊維製品の気孔率を小さく調節でき、同様に
冷却媒体の温度の低下によつても類似の効果が得
られ、そして両方を行なえば最適条件とすること
もできる。冷却には室温の空気の使用が好まし
く、室温以下に冷却しなくても工業的に満足な結
果が得られる。 押出して固化した繊維を一連のロール、または
離れた位置にある一連のロール、例えばゴヂツト
ロールを通過させることによつて常温延伸すなわ
ち引張りは満足に実施できる。繊維を送つている
ライン中の第二ロールまたは第二番目のグループ
のロールの回転速度を調節すると所望の常温延伸
の程度とすることができる。繊維の常温延伸の程
度、およびあらかじめセツトしたまたは測定した
ロールの下向きの回転速度との間の良好な相関関
係が通常得られ、そして常温延伸の特定の所望の
パーセントのためには一連の上向きロールと比較
して、一連の下向きロールの回転速度を正確に調
節する必要がある。芯またはリールに常温延伸ま
たは引張り繊維を巻き取るには市販の巻取装置、
例えばリーソナ巻取装置(Leesona winder)を
用いればよく、巻取中の繊維のわずかな引張りを
保持するように適切な注意をしなければならな
い。 この発明の方法の好ましい形では、常温延伸し
た多数の芯またはリールを取付けて慣用の集合装
置を通じて多数の繊維のトウを供給して集合性繊
維束を形成し、その後に繊維束を浸出してグリセ
リンおよびポリエチレングリコール成分を除去す
る。浸出処理は任意の慣用の装置、例えば選択し
た溶剤浴中に繊維束を通過させるか、または溶剤
中に芯またはロールを半バツチ式に浸漬すること
により実施できる。浸出溶剤は可塑剤およびグリ
セリンに対して良好な溶剤であり、そしてセルロ
ースアセテートに対しては溶剤として作用しない
任意の溶剤を使用でき、水が好ましい。水溶液、
アルコールおよびそれらの混合物は満足な溶剤で
あり、例えばメタノール、エタノール、プロパノ
ールおよびそれらの混合物、ならびに硫酸ナトリ
ウム、硫酸マグネシウムおよび塩化ナトリウムの
希水溶液がある。浸出は室温または高温下で実施
でき、高温の場合には例えば80℃ないし90℃未満
の温度が良い。好ましい浸出法は第一浴および第
二浴を使用して、第一浴を室温より高温、できれ
ば約80℃ないし90℃の範囲の温度として約5ない
し30秒浸出してから、室温の第二浴で1ないし10
分、できれば2ないし4分浸出する方法である。
所望の水移動速度の繊維を製造するために第一浴
の最適の浸出温度を選択するためのガイドとし
て、セルロースアセテートの含有率(パーセン
ト)が41%ないし50%に増加してセルロース繊維
に関連して水移動速度が減少すると、浸出温度が
約20℃ないし約80℃に増加する。浸出温度が約50
℃ないし90℃に増加すると、尿素、クレアチニン
およびビタミンB12までの別の低分子量溶質(ビ
タミンB12を含む)を移動させるための繊維の浸
透性が増加する傾向がある。 繊維の浸出後、およびそれによつて所望の浸透
性を得た後に、繊維を乾燥形に転換させるために
グリセリン等による再可塑化が必要である。水/
グリセリンの容器を用いると再可塑化は好ましく
実施でき、この溶液は約30重量%ないし約60重量
%のグリセリンを含有していて、グリセリン50%
を含有する水溶液の場合に良好な結果が得られ
る。 指標として、再可塑化溶液中のグリセリン濃度
が約50%未満に減少すると、水移動速度も減少す
る。第2図に示したように、再可塑化後には慣用
の乾燥炉中を通過させるか、または別の装置、例
えば真空乾燥器によつて繊維を乾燥させるとよ
い。必要に応じては、繊維中に存在するグリセリ
ンを減少する圧力および時間で対向するエアナイ
フのセツト中に繊維束を通過させて、強制的な空
気の吹込みによつてグリセリン部分を除去しても
よい。乾燥、真空または約1ないし約6ポンド/
平方インチに空気吹込圧を増加することによつて
グリセリンが減少すると、繊維製品の水および血
液溶質の両方の移動能力が減少する。満足しうる
乾燥条件は代表的には約40℃ないし80℃で1ない
し6分間であり、60℃以上の温度で、これよりも
長く乾燥すると血液溶質の移動速度が減少するの
で、断続的血液透析中に除去される血液溶質と水
の比を最適とするためには低温域を使用しなけれ
ばならない。 この発明の方法により得られる改善されたセル
ロースアテート中空繊維は上述の方法および選択
条件を用いて溶融紡糸組成物から製造でき、従来
公知のセルロースアセテート中空繊維と区別ので
きる水移動能力および溶質移動能力を組合わせて
有している。この発明の繊維の限定された特性は
係数により最も便宜的に説明される。水移動浸透
性は限外過係数KUFRで表わされ、約2ないし
約6ミリメートル/時間/平方メートル/対向す
る膜壁間の水銀圧の差のミリメートルの範囲であ
る。KUFR係数は膜の有効領域中の圧力勾配の単
位あたりの半透性繊維の水を通過させる能力を表
現する数である。膜の有効領域とは、流体と接触
する中空繊維の半透性壁の表面域の露出部分であ
つて、この領域を通じて例えば平方メートルあた
りの水の移動が起こる。 溶質移動浸透性は膜の全体の拡散性物質移動す
なわち透析の係数Kmで表わされる。透析係数
Kmは半透性セルロースアセテート繊維が、繊維
の半透性壁の一方にある流体中の溶解成分すなわ
ち溶質を分離し、その成分を同じ壁表面の別の側
にある別の流体中に移動すなわち通過させるとい
う、半透膜の有効領域および半透膜の両側にある
2種の流体中の濃度の作用としての半透膜の能力
を示す数値である。血液から透析液へ溶質が移動
する速度は、この発明のセルロースアセテート中
空繊維を含む人工腎臓を使用しての血液透析を完
了させるための最短時間を決定する限定因子とし
て臨床的に重要であり、そしてこの移動速度は各
溶質の除去によつて決定され、溶質のミリリツト
ル/分で表わされる。溶質分子の大きさすなわち
分子量の作用としての溶質を通過させる能力を示
す数値をKmは提供し、そしてKmの単位はセン
チメートル/分である。KrUで表わされる数値
に関する除去は腎臓の尿素の除去、またはKrCr
はクレアチニンの除去に関するものであつて、そ
の単位はミリリツトル/分である。これらの数値
についてはフランク・A・ゴツチによる腎臓とい
う論文の第2巻中の41章(Chapter 41 by
Frank A・Gotch in Vol of the treatise
eutitled The Kidney)に定義されている。こ
の発明の改善された繊維のために、尿素の膜係数
Kureaは約0.015ないし約0.045cm/分の範囲、ク
レアチニンの膜係数Kcreatinineは約0.013ないし
約0.027cm/分、およびビタミンB12の膜係数KB12
は約0.002ないし約0.005cm/分の範囲とする。膜
の透析係数Kmと限界過係数KUFRとの比は、上
記の係数範囲および単位を基準として約3:1よ
り大きい。 血液透析のためには、水および溶質移動能力の
好ましい組合わせでは、KUFRが約3ないし約5
ml/時間/平方メートル/mmHgの範囲であり、
Kureaは約0.02cm/分より大きく、そして
Kurea/KUFRの比は5:1より大きい。このよう
な繊維を用いるとコーデイス・ダウ社(Cordis
Dow Corp.)製の一般型の人工腎臓の製造が可
能となり、リツプスの米国特許第3546209号に記
載の方法によつて製造した半透性セルロース繊維
を用いた市販の中空繊維人工腎臓と比較して、血
液透析処理に要する時間が実質的に短縮でき、柔
軟性が付与され、そして血液透析中の調節が容易
となる。室温で操作したときのKUFRが代表的に
は約1ml/時間/平方メートル/mmHgである従
来法による人工腎臓と比較してこの発明の新規な
セルロースアセテート繊維と同じ有効領域および
同様の使用条件下で人工腎臓を用いて透析したと
きの血液からの水除去速度は2ないし6倍であ
る。血液透析の終わりには、あらかじめ選択した
含水率に処理が到達する前に除去水の一部が置換
するためには約6以上のKUFRが必要であるが、
水除去の速度がもつと速い場合には、透析中の調
節の容易さおよび融通性に関する利点がある。さ
らに、上記の溶質係数を持つセルロースアセテー
ト繊維を用いた人工腎臓は血液溶質、例えば尿
素、クレアチニン、尿酸等の除去を速くできる。
例えば、上記の所定の係数を有する、この発明の
セルロースアセテート繊維の有効表面が1平方メ
ートルの人工腎臓は代表的には尿素除去が約100
ないし約165ml/分の範囲、クレアチニン除去が
約80ないし約135ml/分の範囲およびビタミン
B12除去が約15ないし約45ml/分の範囲である。 この発明は、ある範囲の紡糸組成物ならびに上
記繊維の製造、および最適のKUFRおよびKm特性
を持つセルロースアセテート繊維の製造およびそ
の繊維から特定の患者の要求を満足するための人
工腎臓を製造する工程に用いるための、あらかじ
めの選択が比較的容易な種々の加工のパラメータ
を提供する。特定の溶融紡糸組成物を使用し、そ
して適切な加工条件の選択により、上記の範囲内
の任意の特定の水および溶質除去速度を同時に示
す。この発明のセルロースアセテート繊維が比較
的容易に製造できる。従つて、この発明の改善さ
れたセルロースアセテート繊維は、血液透析中に
水および溶質の同時の除去のための調節された、
かつあらかじめ選択した速度を示す人工腎臓系の
容易で便宜な製造手段を提供する。 以下の実施例により、本発明の新規なセルロー
スアセテート繊維を製造するための最良の態様を
示し、そして溶融紡糸組成物および加工中に繊維
のうける常温延伸の程度の作用としてのKUFR
よびKmに及ぼす効果を例証する。実施例中では
さらに、この発明の改善されたセルロース繊維を
特徴づける代表的な繊維移動能力をも示した。 実施例 1〜9 異なつた溶融紡糸組成物を用いて3種のセルロ
ースアセテート繊維のバツチを製造した。第1の
組成物中にはセルロースアセテート43重量%およ
び分子量が約400のポリエチレングリコール57重
量%;第2の組成物中にはセルロースアセテート
43重量%、分子量が約400のポリエチレングリコ
ール50重量%およびグリセリン7重量%;ならび
に第3の組成物中にはセルロースアセテート43重
量%、分子量約400のポリエチレングリコール39
重量%およびグリセリン18重量%を含有させた。
3種の溶融紡糸組成物中に用いたセルロースアセ
テート材料はいずれも同じ材料であつて、テネシ
ー州キングスポートのイーストマン・ケミカル・
プロダクト社(Eastman Chemical Products
Inc.,Kingsport,Tennessee)からCA−400−
25という名称で市販されており、このセルロース
アセテートはASTM D−871−72法によつて測
定したアセチル含有率が39.9%およびASTM D
−1343法による落球粘度が17〜35秒であつた。3
種の溶融紡糸組成物中に用いたポリエチレングリ
コールはミシガン州ミツドランドのダウ・ケミカ
ル社(The Dow Chemical Company
Midland,Michigan)製のUSP級のPEG400、お
よびグリセリンもUSP及のダウ・ケミカル社製
のものである。 標準的な実験室用ホバートミキサー中にセルロ
ースアセテート粉末を入れ、ミキサーのパドルを
回転させながら液体成分であるポリエチレングリ
コールおよびグリセリンを徐々に添加してから完
全に混合して各バツチを製造した。均質混合物と
した後に、約390〓(約199℃)の温度に保持した
加熱エキストルーダーの供給ゾーンに混合物を導
入し、次いで各紡糸口金の中央に空気導入口のあ
る多開口紡糸口金から押出塊を強制的に押出して
中空繊維を製造した。 紡糸口金とスプールの間の巻取条件を変化させ
て各バツチから2種の繊維スプールを製造した。
等速回転している第1および第2のロールのセツ
トまで繊維を空気中を通過させて、常温成形すな
わち引張り処理をしない、第1の繊維スプールを
製造した。第2のロールセツトの回転速度を第1
のロールセツトよりも10%速く調節して第2の繊
維スプールを製造し、そして第2のロールセツト
の回転速度を第1のロールセツトよりも20%速く
調節して第3のスプールを製造した。 このようにして製造した9種の繊維スプールを
用いて、以下に記載の繊維の実験室用テスト装置
によつて水および尿素の移動係数を測定した。テ
スト装置は磁気撹拌器付の液体槽および磁気撹拌
機器の透析用テストビーカー、圧力取付部品のあ
るトツプクロージヤープレートおよび1束につい
て160ないし192の繊維からなる繊維束の各末端を
取付けた注封スリーブ末端を受けるコネクターか
らなる。第1束をU形に曲げてビーカーに入れ、
次いでクロージヤープレートに連結し、ラインに
よつて槽と連結したポンプに、流体ラインにより
一方のスリーブを連結し、そして他方のスリーブ
を返還ラインにより槽と連結して、その結果とし
て調節可能な圧力下で槽から流体をポンプで運ん
で透析ビーカー中の繊維束中を通過させる。ビー
カーには、さらに透析液の導入および排出用の連
結があつて、水のKUFRテストまたは水−尿素溶
液のKureaテストのいずれのテスト中においても
繊維を撹拌プール中に浸漬させた。 加圧下で繊維中に水をポンプで送り、透析ビー
カー中の繊維の外部にある水の容積増加を測定し
て、水移動係数KUFRを決定した。このテストは
21℃で行なつた。次いで、第1表に示した繊維を
用いて、各テストについてのKUFRを計算し、第
2表に示したようにml/m2/時間/水銀圧の差ml
で表示した。 供給槽中に水のプールを作り、繊維束を通して
水をポンプで送つて尿素係数Kureaを決定した。
透析ビーカー中の繊維を囲むプールは最初は水−
尿素溶液であつた。測定により、一定の時間の間
隔ごとの再循環液中の尿素濃度を決定した。 テストは21℃で行ない、そしてテスト中の繊維
壁表面を横切つての圧力差は存在しなかつた。 供給槽中の尿素濃度および繊維の外部にある透
析ビーカー中の尿素濃度の差を以下の式 M=Kurea・A(C1−C2) に従つて時間および繊維面積の関数として尿素係
数Kureaを決定した。式中、Nは膜を横切るフラ
ツクス(モル/分)を、C1は最初の尿素濃度、
C2は最終的な、即ち測定した尿素濃度およびA
は2つの溶液の間の繊維壁すなわち膜の面積であ
る。 圧力差またはその結果として限外過のない2
つのチヤンバーシステム中では、膜壁を通つての
尿素の移動は時間の間隔tから積分計算できて、
以下の式: ln〔(C1−C2t=0/(C1−C2t〕 =〔V1+V2/V1V2・A〕Kurea で表わされる。式中、V1は供給槽溶液の容積、
およびV2は透析ビーカー中の溶液の容積である。 テストにおいて、V1およびV2および面積Aは
一定であり、その結果として積分方程式の両項に
おける値のプロツトは直線となり、その勾配は
Kureaの単位をcm/分として計算できる。9種の
繊維のロツトから得た値を第2表のKureacm/分× 10-3という欄に示す。
This invention relates to an improved method for producing cellulose acetate semipermeable hollow fibers suitable for use in artificial kidneys. Cellulose esters, including cellulose acetate, have traditionally been spun into semipermeable hollow fibers for use in various processes such as desalination of seawater, ultrafiltration of aqueous and non-aqueous solutions, ion exchange processes, concentration of salts, and waste steam processing. It has been used as a separation membrane in purification, etc. The preparation of permeable separation membranes from film-forming cellulose esters is described in a number of US patents, the most relevant to the applicant's knowledge being US Pat. Nos. 3,532,527 and 3,494,780
This is the number. U.S. Patent No. 3,532,527 and
No. 3,494,789 describes a process for melt-spinning cellulose esters, particularly cellulose triacetate and cellulose acetate, from melt-spinning compositions, which are described, for example, in U.S. Pat.
a compatible plasticizer of the tetramethylene sulfone type as described in US Pat. 0.66:1 to about 5:
1, preferably in the range of about 0.8:1 to 1.3:1. It is stated that the purpose of changing the relative proportions of these materials is to improve the ability of the fibers to separate salt from seawater. US Patent No. 3532527
Although the fibers produced by the methods of No. 1 and No. 3,494,780 are effective for desalinating seawater, they are not satisfactory for use as hollow fibers in artificial kidneys for hemodialysis. Beginning in the mid-1960s, the National Institute of Health
Institutes of Health) and Offices of Health)
Saline Water (the Office of Saline)
Various types of cellulose acetate membranes have been extensively researched with financial support from the Water Institute. In addition, the National Institute of Arthritis and Metabolic Disease
and Metabolic Diseases) is also sponsoring research to improve known cellulose acetate hollow fibers and evaluate their potential for use in artificial kidneys. This type of three-year project is aimed at developing an artificial kidney made of cellulose acetate hollow fibers.
NIH Contract No. 70− from 1971 to 1973
2302, the Dow Chemical Company's Western Division Research Laboratory
Chemical Company, Western Division
Research Laboratories). In this contract, a mixture of cellulose acetate and triethylene glycol was melt spun to produce cellulose acetate fibers, and some of the produced fibers were used in artificial kidneys for clinical use in hemodialysis. Although the best artificial kidney produced in this three-year project was a success in the sense that it could be safely used for dialysis in many clinical trial patients, it nevertheless The properties of moving them simultaneously for removal were not as good as in the cellulose hollow fiber artificial kidneys used at the time. Problems with these kidneys were that the rate of water removal was too high and the ratio of blood solutes to water removed was too small, so this three-year project was abandoned. Since the early 1970s, when the first artificial kidneys were commercially available from Cordis Dow Corp. in the United States, the hollow fibers used in such commercially available artificial kidneys were almost exclusively cellulose fibers. These fibers were produced either by the copper ammonia process or by the Lipps process of US Pat. No. 3,546,209. To date, cellulose hollow fibers have been widely accepted by the market as the best semipermeable membrane for artificial kidneys, but there are many challenges involved in melt spinning such fibers and manufacturing them into leak-free artificial kidneys. It is clear to those skilled in the art that there are problems. For example, the tensile strength of fibers is relatively low;
And when the fibers break during fiber processing and dialysis chamber assembly, the process becomes complicated and difficult. Due to the above-mentioned difficulties of cellulose capillary fibers, it is economical, easy to melt-spun and processed into artificial kidneys on a commercial scale, and the solutes in the blood, such as urea, creatinine, uric acid and water, can be easily removed from the current cellulose capillary fibers. There is a continuing need for semipermeable capillaries that can be removed at a rate greater than The primary object of this invention is to provide novel cellulose acetate hollow fibers which are improved compared to currently known cellulose esters and cellulose hollow fibers, and which enable the production of artificial kidneys incorporating the fibers. A method for producing novel cellulose acetate hollow fibers with selectively adjustable osmotic properties and superior water and solute removal than artificial kidneys with conventional cellulose hollow fibers is provided. This invention has a combination of solute and water removal properties and permeability in blood with a molecular weight of about 1400 or less and is interrelatedly variable and adjustable in an artificial kidney for hemodialysis. Provided is a method for producing novel cellulose acetate semipermeable hollow fibers that exhibit optimal handling properties when used in The optimal handling characteristics of an artificial kidney are such that the rate of removal of solutes from waste blood is high compared to the rate of water removal, so that health-protecting blood purification takes place in the shortest possible time. That is, the present invention provides a method for producing polyethylene glycol and glycerin-modified cellulose acetate hollow fibers, comprising: a) 41 to 50 weight percent of cellulose acetate, 2 to 20 weight percent of glycerin, and 30 to 57 weight percent of polyethylene glycol having a molecular weight in the range of 150 to 600; b. Producing hollow fibers from the molten mass of the mixture; c. Cooling the fibers; d. Cold drawing the fibers in a range of 2% to 20% based on the cooled fiber length. e) subjecting the fibers to a leaching step to remove polyethylene glycol and glycerin from the fibers; and f) replasticizing the fibers with glycerin followed by drying. The novel fibers obtained by the method of this invention are produced from novel melt-spinning compositions. Using this composition, cellulose acetate can be wound onto a reel without leaching after dry spinning and air cooling. This novel melt-spun composition comprises cellulose acetate and a proportion of molecular weight from about 150 to 600.
Polyethylene glycol and a certain proportion of glycerin can be melt-spun into hollow fibers that are stronger than cellulose fibers and easier to process into artificial kidneys. The hollow fibers have a favorable combination of water and blood solute permeability properties, which are further increased and optimized when the spun fibers are subjected to certain controlled post-spinning processing steps. The permeability of such fibers can be varied and controlled by adjusting the relative amounts of each of the three components in the melt-spun composition, and by adjusting the composition, further adjusting the cooling, immediately after cooling and Adjusting the cold stretching or elongation of the glycerin or polyethylene glycol component in the chilled fibers prior to leaching from any spun fibers provides an optimal ratio of low molecular weight blood solute and water removal. By dry spinning in air at room temperature, and by properly controlling the degree of cold drawing, and by carefully selecting the amounts of each component in the melt-spinning composition, the solute removal efficiency is better than that of previously known cellulose acetate hollow fibers. It is possible to produce cellulose acetate fibers with high water removal ratios and preselected combinations of removal properties. The spectra or systems of the fibers were examined and were found to be improved products of this invention. The improved method of this invention comprises the steps of controlling and correlating the melt-spun composition and selecting the degree of cold drawing and leaching conditions to cool the spun fibers and drying the spun fibers to form a novel cellulose. This imparts the desired permeability to the acetate fibers. The novel and improved cellulose acetate fibers of the present invention described above are illustrated in FIGS. 1 and 2, respectively, and are further characterized and described with respect to the melt spinning compositions and methods of the present invention. FIG. 1 is a three-component system phase diagram in which the proportions of the three components used in the melt-spinning composition of the present invention are at points A,
It is indicated by the compositional region surrounded by B, C and D. FIG. 2 shows the process of processing the melt-spinning composition of FIG.
1 is a schematic illustration of a process for producing an improved system of hollow capillary cellulose acetate fibers of the present invention; FIG. The melt spinning compositions of this invention contain about 41 to about 50% by weight cellulose acetate, about 2 to about 20% by weight glycerin, and the balance having a molecular weight of about
Contains polyethylene glycol ranging from 150 to about 600%. As shown in Figure 1, the system or spectrum of a ternary composition is within the region surrounded by the extreme values of each of the three components occurring in the composition region surrounded by A, B, C, and D. It is in. Specific compositions of the three components in amounts in the ABCD composition range of FIG.
3546209, by melt-spinning into hollow capillary fibers and water leaching the glycol and glycerin after cooling, such fibers work in the current form of artificial kidneys. Suitable for manufacturing and good at the same time. Preferred compositions particularly suited for optimal properties for use with most patients undergoing intermittent dialysis are composition ranges E, F, G, and H in FIG. The three components of cellulose acetate, ethylene glycol and glycerin are separately traditional components in semipermeable membranes and contain plasticizers or cellulose acetate solvents of the sulfolane type, such as those described in U.S. Pat. No. 3,532,527. In the composition, cellulose acetate and polyol,
For example, glycols are used in combination. However, prior to the present invention, it was known that glycerin, which is not a solvent for cellulose acetate at room temperature, could be used with selected low molecular weight glycols to produce high strength hollow fibers with improved permeability over fibers obtained in the presence of sulfolane type solvents. was not publicly known. Similarly, it was not known that a proportion of glycerin in the above compositions could improve and control the movement of low molecular weight solutes through the fiber walls compared to the movement of water through the fiber walls. In this specification, the term cellulose acetate is used to mean cellulose diacetate. Cellulose diacetate is commercially available in the United States, and significant amounts, e.g., less than 25%, and usually much smaller amounts of monoacetate and diacetate, are present in commercially available cellulose diacetate but are satisfactory for use in the present invention. ,preferable. The cellulose acetate is dissolved in a solvent such as dimethyl sulfoxide, sulfolane, triethylene glycol or another glycol of low molecular weight that is liquid at room temperature and then spun into a tow of fibers through a conventional spinneret. Independent fibers tend to stick or weld when wound around a core. Even when cooled below the gelling temperature and hardened into solid fibers, such fibers retain a certain amount of solvent, softening the surface area and causing sticking during winding. is clear. Traditionally, it has been necessary to leach the solvent from the spun and cooled fibers before winding, and hot leach baths have been used for this purpose. However, introducing the hollow capillary fibers into the leaching bath immediately after cooling causes the fibers to pulse violently, resulting in non-uniform fiber wall thickness and, at the same time, non-uniform fiber inner diameter. According to the invention, by using a low molecular weight glycol as a solvent for cellulose acetate, improved by the above-mentioned specified amount of glycerin, welding of the fibers is avoided without leaching before winding onto a core. be able to. Glycerin clearly reduces the surface softening effect of glycols, allowing the fibers to be wound without sticking or welding of the fibers, and even to be wound under tension. The wall thickness and inner diameter of the spun fibers produced are improved and uniform;
It can be stored indefinitely at room temperature on a wick for future processing into artificial kidneys. Moreover, glycerin clearly improves the gelation of cellulose acetate upon cooling, in that it changes the porosity created in the fiber walls. As discussed below in connection with the cold drawing process, the glycerin present in the aforementioned melt spinning compositions allows the gelled fibers to retain their cohesive properties and to withstand tension or cold stretching immediately after gelling or solidification. It becomes strong enough to maintain uniformity of wall thickness and internal diameter dimensions during stretching. Furthermore, unexpectedly, cold stretching also improves the porosity of the fiber wall in that low molecular weight blood solutes pass from the blood flowing inside the fiber to the dialysate flowing outside the fiber. blood solutes,
That is, a substantial increase in the movement of other solutes, including solutes with molecular weights less than about 1400, such as urea, creatinine, uric acid, and vitamin B12 , occurs without increasing the ability of the fiber to transport water through the fiber wall. Although the mechanism of this change as a result of cold stretching is not completely understood, it is likely that the degree of cold stretching and the amount of glycerin present in the melt-spun composition are correlated and mutually dependent. I understand. Generally speaking, the molecular weight is about 150 to about 600.
When using a melt-spun composition consisting of cellulose acetate dissolved in polyethylene glycol in the range of An increase in occurs. Although an increase in blood solute movement follows as glycerin content increases, the relationship is not completely linear. When the proportion of glycerin in the melt-spinning composition is about 3% to 10% and about 42% to 47% cellulose acetate with the remainder being polyethylene glycol, the improvement in the ratio of blood solute transfer to water transfer is The degree of room temperature drawing is approximately 15% of the spun fiber length.
When the cellulose acetate is 43% to 45%, the spun fiber length is about 10%.
Increased yields excellent results. In the case of a composition selected from the preferred composition range EFGH shown in FIG.
The ratio of blood solute transfer to water transfer is maximally improved. Two or three simple tests then readily determine the optimum degree of cold stretching for a selected composition. As is clear from FIG. 2, the method of the present invention includes the steps of producing the above melt-spinning composition, melt-spinning hollow fibers, cooling the hollow fibers to a self-supporting gel state, and It consists of a process of pulling or drawing the fiber at room temperature. The tension-treated fibers may be stored or multiple tows of fibers may be bundled (eg, 3000 to 30000 fibers) and further processed to produce an artificial kidney. The fiber bundle is passed through a leaching bath to remove glycol and glycerin, producing a semipermeable hollow fiber bundle. The leached fiber bundle is then replasticized with an aqueous glycerin solution, excess glycerin is removed, and the fibers are dried. This dry fiber is an improved product of this invention. The preparation of the melt-spun composition can be performed using any method using conventional mixing equipment, the important point being to ensure sufficient mixing to obtain a homogeneous new mixture. For example, weighed amounts of polyethylene glycol and glycerin and dry cellulose acetate are mixed in a high shear Hobart mixer, the mixed materials are further homogenized and mixed in a heated reversing twin screw extruder, and then the melt extrudate is A type of spinneret with conventional gas supply means for injecting gas into the core, e.g.
The melt extrudate was forced through 16 to 32 spinnerets. The preferred gas for this purpose is nitrogen, but other gases including carbon dioxide, air or other non-hazardous gases may be used satisfactorily. The extrudate emerging from the spinneret is cooled, for example with forced air at various indentation forces and/or temperatures, to gel and solidify the extrudate into a self-supporting solid fiber. Typically, the fibers are capillary, ie, have an inner diameter in the range of about 150 to about 300 microns and a wall thickness of about 20 microns.
to 50 microns. Although the preferred fibers of this invention are particularly suitable for use in artificial kidneys and for use in hemodialysis, the advantages of dry spinning and manufacturing the fibers and winding them onto a supporting core without pre-leaching are other It can also be applied as a fiber for use in ultraviolet applications, etc. In such cases, fibers having an outside diameter of about 350 to 400 microns and a wall thickness of about 10 to about 80 microns are satisfactory to use. In the process of this invention, the short period of time immediately after the extrudate exits the spinneret opening is very important to achieve the desired degree of permeability of the textile product. The porosity of the textile product, as a joint effect of the cooling rate of the fiber and cold stretching or tension during this short period of time,
The permeability is thus determined. In certain melt-spinning compositions, the melt fibers are drastic.
When the fibers are quenched to any given degree, the porosity of the fibers increases compared to when the extrudate is quenched into fibers less thoroughly or when gelling is slow. The increased porosity as a result of such quenching usually has a negative effect on the fiber's ability to transport water, so the ultra-supervelocity of the fiber should be pre-selected or improved as necessary for use in hemodialysis. By increasing the velocity of the room temperature air flow forced through the extrudate, the porosity of the textile can be adjusted to a lower level, and a similar effect can be obtained by lowering the temperature of the cooling medium. And if both are done, the optimum conditions can be achieved. It is preferable to use air at room temperature for cooling, and industrially satisfactory results can be obtained even without cooling below room temperature. Cold drawing or drawing can be effected satisfactorily by passing the extruded and solidified fiber through a series of rolls, or a series of spaced apart rolls, such as godet rolls. The desired degree of cold drawing can be achieved by adjusting the rotational speed of the second roll or second group of rolls in the fiber feeding line. A good correlation between the degree of cold drawing of the fiber and the preset or measured speed of downward rotation of the rolls is usually obtained, and for a particular desired percentage of cold drawing a series of upward rolls is obtained. In comparison, it is necessary to precisely adjust the rotational speed of the series of downward rolls. To wind the cold drawn or tensile fibers onto a core or reel, use commercially available winding equipment;
For example, a Leesona winder may be used, and appropriate care must be taken to maintain a slight tension in the fibers during winding. In a preferred form of the method of the invention, a plurality of cold-drawn cores or reels are attached to feed a plurality of tows of fibers through conventional gathering equipment to form a cohesive fiber bundle, and the fiber bundle is then leached. Glycerin and polyethylene glycol components are removed. The leaching process can be carried out in any conventional equipment, for example by passing the fiber bundle through a selected solvent bath or by semi-batch immersing the core or roll in the solvent. The leaching solvent can be any solvent that is a good solvent for the plasticizer and glycerin and does not act as a solvent for cellulose acetate, with water being preferred. aqueous solution,
Alcohols and mixtures thereof are satisfactory solvents, such as methanol, ethanol, propanol and mixtures thereof, and dilute aqueous solutions of sodium sulfate, magnesium sulfate and sodium chloride. Leaching can be carried out at room temperature or at elevated temperatures, such as temperatures below 80°C to 90°C. A preferred leaching method uses a first bath and a second bath, with the first bath being leached at a temperature above room temperature, preferably in the range of about 80°C to 90°C, for about 5 to 30 seconds, followed by a second bath at room temperature. 1 to 10 in the bath
It is a method of steeping for 2 to 4 minutes, preferably 2 to 4 minutes.
As a guide for selecting the optimal leaching temperature of the first bath to produce fibers with the desired water transfer rate, the cellulose acetate content (percent) associated with cellulose fibers increases from 41% to 50%. As the water transfer rate decreases, the leaching temperature increases from about 20°C to about 80°C. The leaching temperature is about 50
Increasing from °C to 90 °C tends to increase the permeability of the fibers for transporting urea, creatinine, and other low molecular weight solutes up to and including vitamin B12 . After leaching the fibers and thereby obtaining the desired permeability, replasticization with glycerin or the like is necessary to convert the fibers into dry form. water/
Replasticization is preferably carried out using a container of glycerin, the solution containing from about 30% to about 60% by weight glycerin, with 50% glycerin.
Good results are obtained with aqueous solutions containing . As an indicator, when the glycerin concentration in the replasticizing solution is reduced below about 50%, the water transfer rate also decreases. After replasticization, the fibers may be dried by passing through a conventional drying oven or by another device, such as a vacuum dryer, as shown in FIG. If necessary, the glycerin portion may be removed by forced air blowing by passing the fiber bundle through a set of opposing air knives at a pressure and time that reduces the glycerin present in the fibers. good. Dry, vacuum or about 1 to about 6 pounds/
Reducing glycerin by increasing air blowing pressure per square inch reduces the fabric's ability to transport both water and blood solutes. Satisfactory drying conditions are typically about 40°C to 80°C for 1 to 6 minutes; A low temperature range must be used to optimize the ratio of blood solutes to water removed during dialysis. The improved cellulose acetate hollow fibers obtained by the process of this invention can be produced from melt-spun compositions using the methods and selection conditions described above and have water transport and solute transport capabilities that are distinguishable from previously known cellulose acetate hollow fibers. Possesses a combination of abilities. The limited properties of the fibers of this invention are most conveniently described in terms of coefficients. The water transfer permeability is expressed as the ultimate permeability coefficient K UFR and ranges from about 2 to about 6 millimeters/hour/square meter/millimetre of the difference in mercury pressure between opposing membrane walls. The K UFR coefficient is a number that expresses the ability of a semipermeable fiber to pass water per unit of pressure gradient across the active area of the membrane. The effective area of the membrane is the exposed part of the surface area of the semipermeable walls of the hollow fibers that is in contact with the fluid, through which a movement of water takes place, for example per square meter. Solute transport permeability is expressed as the coefficient of diffusive mass transport across the membrane, or dialysis, Km. dialysis coefficient
Km is the ability of a semipermeable cellulose acetate fiber to separate dissolved components, or solutes, in a fluid on one side of the fiber's semipermeable wall and transfer that component into another fluid on the other side of the same wall surface, i.e. It is a numerical value that represents the ability of a semipermeable membrane to pass through as a function of its effective area and the concentrations in the two fluids on either side of the membrane. The rate of solute transfer from the blood to the dialysate is clinically important as the limiting factor determining the minimum time to complete hemodialysis using the cellulose acetate hollow fiber artificial kidney of the present invention; The rate of movement is then determined by the removal of each solute and is expressed in milliliters of solute per minute. Km provides a numerical value that indicates the ability to pass a solute as a function of the size or molecular weight of the solute molecule, and the units of Km are centimeters per minute. Removal with respect to the numerical value expressed as KrU is renal urea removal, or KrCr
relates to the removal of creatinine and is in milliliters per minute. These numbers are discussed in Chapter 41 by Frank A. Gottsch in Volume 2 of his paper Kidney.
Frank A. Gotch in Vol of the treatise
eutitled The Kidney ). Due to the improved fibers of this invention, the membrane coefficient of urea
Kurea ranges from about 0.015 to about 0.045 cm/min, the membrane coefficient for creatinine Kcreatinine ranges from about 0.013 to about 0.027 cm/min, and the membrane coefficient for vitamin B12 K B12
is in the range of about 0.002 to about 0.005 cm/min. The ratio of the dialysis coefficient Km of the membrane to the critical excess coefficient K UFR is greater than about 3:1 based on the coefficient range and units described above. For hemodialysis, a preferred combination of water and solute transfer capacity has a K UFR of about 3 to about 5.
ml/hour/square meter/mmHg,
Kurea is greater than about 0.02 cm/min, and
The ratio of Kurea/K UFR is greater than 5:1. Using such fibers, Cordis
(Dow Corp.), compared to a commercially available hollow fiber artificial kidney made from semipermeable cellulose fibers made by the method described in Lipps U.S. Pat. No. 3,546,209. This substantially reduces the time required for the hemodialysis process, provides flexibility, and facilitates adjustments during hemodialysis. The novel cellulose acetate fibers of this invention have the same effective area and similar conditions of use compared to conventional artificial kidneys, which have a K UFR of typically about 1 ml/hr/sq m/mmHg when operated at room temperature. The rate of water removal from the blood during dialysis using an artificial kidney is 2 to 6 times faster. At the end of hemodialysis, a K UFR of about 6 or more is required for some of the removed water to be replaced before the process reaches the preselected water content;
The faster the rate of water removal, the more advantageous it is in terms of ease of control and flexibility during dialysis. Furthermore, an artificial kidney using cellulose acetate fibers having the above-mentioned solute coefficient can quickly remove blood solutes such as urea, creatinine, uric acid, etc.
For example, an artificial kidney with an effective surface area of 1 square meter of cellulose acetate fibers of the present invention having the predetermined coefficients described above typically has a urea removal rate of about 100 m2.
creatinine removal ranges from about 80 to about 135 ml/min and vitamin
B 12 removal ranges from about 15 to about 45 ml/min. This invention provides a range of spinning compositions and the production of the fibers described above, as well as the production of cellulose acetate fibers with optimal K UFR and Km properties and the production of artificial kidneys therefrom to meet specific patient requirements. Various processing parameters that are relatively easy to select in advance are provided for use in the process. Using specific melt-spinning compositions and selecting appropriate processing conditions, any specific water and solute removal rates within the above ranges are simultaneously exhibited. The cellulose acetate fiber of this invention can be produced relatively easily. Accordingly, the improved cellulose acetate fibers of this invention provide controlled, controlled water and solute removal during hemodialysis.
and provides an easy and convenient means of manufacturing an artificial kidney system exhibiting a preselected rate. The following examples demonstrate the best mode for making the novel cellulose acetate fibers of the present invention and demonstrate the K UFR and Km as a function of the melt spinning composition and the degree of cold drawing the fibers undergo during processing. exemplify the effect it has. In the examples, typical fiber migration ability characterizing the improved cellulose fibers of the present invention was also shown. Examples 1-9 Three batches of cellulose acetate fibers were made using different melt spinning compositions. 43% by weight of cellulose acetate and 57% by weight of polyethylene glycol having a molecular weight of about 400 in the first composition; cellulose acetate in the second composition;
43% by weight polyethylene glycol, 50% by weight polyethylene glycol having a molecular weight of about 400 and 7% by weight glycerin; and in the third composition 43% by weight polyethylene glycol having a molecular weight of about 400;
% by weight and 18% by weight of glycerin.
The cellulose acetate material used in all three melt-spinning compositions was the same material, manufactured by Eastman Chemical Co., Ltd., Kingsport, Tennessee.
Eastman Chemical Products
Inc., Kingsport, Tennessee) from CA−400−
25, this cellulose acetate has an acetyl content of 39.9% as determined by the ASTM D-871-72 method and an ASTM D
The falling ball viscosity measured by the −1343 method was 17 to 35 seconds. 3
The polyethylene glycol used in the seed melt spinning composition was manufactured by The Dow Chemical Company, Midland, Michigan.
USP grade PEG 400 from Midland, Michigan) and glycerin also from USP and Dow Chemical Company. Each batch was made by placing the cellulose acetate powder in a standard laboratory Hobart mixer and slowly adding the liquid ingredients polyethylene glycol and glycerin while rotating the mixer paddle before thoroughly mixing. After making a homogeneous mixture, the mixture is introduced into the feed zone of a heated extruder maintained at a temperature of about 390°C (about 199°C) and then extruded into a mass through a multi-opening spinneret with an air inlet in the center of each spinneret. was forcibly extruded to produce hollow fibers. Two fiber spools were produced from each batch by varying the winding conditions between the spinneret and the spool.
A first spool of fiber was produced by passing the fiber through air to a set of first and second rolls rotating at a constant speed, without cold forming or drawing. The rotational speed of the second roll set is
A second spool of fiber was produced by adjusting the rotational speed of the second roll set to be 20% faster than the first roll set, and a third spool was produced by adjusting the rotational speed of the second roll set to be 20% faster than the first roll set. The nine fiber spools thus produced were used to measure water and urea transfer coefficients using the fiber laboratory test equipment described below. The test equipment consisted of a liquid bath with a magnetic stirrer, a dialysis test beaker with a magnetic stirring device, a top closure plate with pressure fittings, and a dialysis test beaker with a magnetic stirring device, a top closure plate with pressure fittings, and a notepad attached to each end of a fiber bundle consisting of 160 to 192 fibers per bundle. Consists of a connector that receives the end of the sealing sleeve. Bend the first bundle into a U shape and put it in a beaker.
One sleeve is then connected by a fluid line to a pump connected to the closure plate and connected to the reservoir by a line, and the other sleeve is connected to the reservoir by a return line so that the adjustable Fluid is pumped from the bath under pressure through the fiber bundle in the dialysis beaker. The beaker also had connections for inlet and outlet of dialysate to immerse the fibers in a stirring pool during either the K UFR test for water or the Kurea test for water-urea solutions. The water transfer coefficient, K UFR , was determined by pumping water under pressure into the fibers and measuring the increase in volume of water outside the fibers in the dialysis beaker. This test
It was carried out at 21°C. The K UFR for each test was then calculated using the fibers shown in Table 1 and the difference in ml/m 2 /h/ml of mercury pressure as shown in Table 2.
It was displayed in The urea coefficient Kurea was determined by creating a pool of water in the feed tank and pumping water through the fiber bundle.
The pool surrounding the fibers in the dialysis beaker is initially filled with water.
It was a urea solution. Measurements determined the urea concentration in the recirculating fluid at regular time intervals. The test was conducted at 21°C and there was no pressure difference across the fiber wall surface during the test. The difference between the urea concentration in the feed tank and the urea concentration in the dialysis beaker outside the fibers is expressed as the urea coefficient Kurea as a function of time and fiber area according to the following formula: M=Kurea・A(C 1 −C 2 ). Decided. where N is the flux across the membrane (mol/min), C 1 is the initial urea concentration,
C 2 is the final or measured urea concentration and A
is the area of the fiber wall or membrane between the two solutions. 2 without pressure differential or consequent extremes
In a two chamber system, the movement of urea through the membrane wall can be calculated integrally from the time interval t:
It is expressed by the following formula: ln [(C 1 −C 2 ) t=0 / (C 1 −C 2 ) t ] = [V 1 +V 2 /V 1 V 2 ·A] Kurea. where V 1 is the volume of the supply tank solution,
and V 2 is the volume of solution in the dialysis beaker. In the test, V 1 and V 2 and area A are constant, so that the plot of the values in both terms of the integral equation is a straight line whose slope is
It can be calculated using the Kurea unit as cm/minute. The values obtained for nine fiber lots are shown in Table 2 in the column labeled Kureacm/min x 10 -3 .

【表】【table】

【表】 実施例 10 本願出願人であるコーデイス・ダウ・コーポレ
ーシヨンから「C−DAK人工腎臓」の名称で市
販されているタイプの4個の人工腎臓をセルロー
スアセテート繊維を用いて作り、そしてこれらの
人工腎臓を実験室で評価しそして血液透析患者の
臨床試験に用いた同様の4個の人工腎臓と比較し
た。セルロースアセテート繊維は、第2表のバツ
チ2に示す組成を有する溶融紡糸組成物から作ら
れたものであつた。実施例1〜9の繊維を作るの
に用いたものと同様の成分を用いて紡糸組成物を
作つたが、ただしこの組成物を商業的装置に用
い、これらの実施例にて述べているものと同様の
混合工程および紡糸手法を用い、そして紡糸繊維
の常温延伸度は約7%ないし約12%であり平均は
約10%であつた。第3表に示す有効膜面積を有す
る4個の人工腎臓について第一に実験室で評価
し、次いで同じ製造ロツトの同様の人工腎臓につ
いて間欠的血液透析を受けている血液透析患者に
対し臨床的に評価した。 実験室の評価は実施例1〜9にて述べたのと同
様の方法で行つた、人工腎臓,およびの臨
床評価は200ml/分の平均血液流量および500ml/
分の透析液流量を用いて患者に対して行い、一
方、人工腎臓は192.5ml/分の平均血液流量お
よび500ml/分の透析液流量で操作した。臨床評
価においてKUFRは全処理時間に対する平均値を
示しており、尿素クリアランスは第3表の添字1
〜4により示されている時間において測定した。
通常の臨床操作手法を用いそして第3表の臨床試
験において示されている血液透析処理期間中に異
常な事は起らなかつた。第3表のデータは37℃に
おける実験室操作と臨床操作によるものであり、
一方、第表のデータは21℃における操作による
ものである。実施例10と第2表に示す係数KUFR
およびKUREAを比較するため、21℃における補正
されたKUFRおよびKUREA係数を求めるための計算
を行い、それも第3表に示す。 21℃のKUFRを求めるため、流体の定常層流流
れに対する以下の式: V=(nf・π・D4・△P)/128μL V :ml/秒で示すUFR D :平均細孔直径 nf:細孔数 △P:膜間の圧力差 L :細孔長さ μ :流体の粘度 および温度を標準化する以下の式: V(21℃)= 〔μ(37℃)/μ(21℃)〕V(37℃) を用いて実験的に求めた37℃におけるKUFRを補
正した。 拡散物質移動速度に対する温度の影響は以下の
式: D〓/T=C(一定) D:拡散係数(膜のKOV) T:〓で示す温度 を用いて評価できる。ペリーの「ケミカルエンジ
ニアーズハンドブツク」第4版,14〜23頁を参照
されたい。 21℃のKUREAを求めるため、以下の式: KOV(T)= 〔μ(37℃)/μ(T)〕〔T/310〓〕 を用いて実験的に得られる37℃のKUREAを補正し
た。
[Table] Example 10 Four artificial kidneys of the type commercially available under the name "C-DAK artificial kidney" from Cordis Dow Corporation, the applicant of the present application, were made using cellulose acetate fibers, and these artificial kidney was evaluated in the laboratory and compared to four similar artificial kidneys used in clinical trials of hemodialysis patients. Cellulose acetate fibers were made from a melt-spun composition having the composition shown in Batch 2 of Table 2. A spinning composition was made using ingredients similar to those used to make the fibers of Examples 1-9, except that this composition was used in commercial equipment and as described in these Examples. A similar mixing process and spinning technique was used, and the cold draw of the spun fibers was from about 7% to about 12%, with an average of about 10%. Four artificial kidneys with the effective membrane area shown in Table 3 were first evaluated in the laboratory and then clinically tested on hemodialysis patients undergoing intermittent hemodialysis on similar artificial kidneys from the same production lot. It was evaluated as follows. Laboratory evaluation was performed in the same manner as described in Examples 1-9, and clinical evaluation of the artificial kidney was performed using an average blood flow rate of 200 ml/min and 500 ml/min.
The artificial kidney was operated with an average blood flow rate of 192.5 ml/min and a dialysate flow rate of 500 ml/min. In clinical evaluation, K UFR shows the average value for the entire treatment time, and urea clearance is shown in subscript 1 of Table 3.
Measurements were taken at times indicated by ~4.
Normal clinical procedures were used and no abnormalities occurred during the hemodialysis treatment period shown in the clinical trials in Table 3. The data in Table 3 are from laboratory and clinical operations at 37°C.
On the other hand, the data in the table is based on operation at 21°C. Coefficient K UFR shown in Example 10 and Table 2
In order to compare K UFR and K UREA , calculations were made to determine the corrected K UFR and K UREA coefficients at 21°C, which are also shown in Table 3. To determine K UFR at 21°C, the following equation for steady laminar flow of fluid: V = (n f π D 4 △P) / 128 μL V : UFR in ml/sec D : Average pore diameter n f : Number of pores △P: Pressure difference between membranes L: Pore length μ: Viscosity of fluid ℃)] V (37℃) was used to correct the experimentally determined K UFR at 37℃. The influence of temperature on the rate of diffusive mass transfer can be evaluated using the following formula: D〓/T=C (constant) D: Diffusion coefficient (K OV of the membrane) T: Temperature expressed as 〓. See Perry's Chemical Engineer's Handbook, 4th edition, pages 14-23. To find K UREA at 21℃, use the following formula: K OV (T) = [μ(37℃)/μ(T)] [T/310〓] K UREA at 37℃ obtained experimentally has been corrected.

【表】【table】 【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明で用いる溶融紡糸組成物の三成
分系状態図である。第2図は本発明による中空繊
維の製造方法を示す模式図である。
FIG. 1 is a ternary phase diagram of the melt spinning composition used in the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the method for producing hollow fibers according to the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ポリエチレングリコールおよびグリセリン変
性セルロースアセテート中空繊維の製法におい
て、 a セルロースアセテート41ないし50重量パーセ
ント、グリセリン2ないし20重量パーセントお
よび分子量が150ないし600の範囲のポリエチレ
ングリコール30ないし57重量パーセントの親密
混合物を提供する工程、 b 上記混合物の溶融塊から中空繊維を製造する
工程、 c 繊維を冷却する工程、 d 冷却繊維長を基準として2%ないし20%の範
囲で繊維を常温延伸する工程、 e 繊維に浸出工程を施して、繊維からポリエチ
レングリコールおよびグリセリンを除去する工
程、ならびに f グリセリンを用いて繊維を再可塑化した後に
乾操する工程、 からなることを特徴とする方法。 2 混合物中のセルロースアセテートが42ないし
47重量パーセントである、特許請求の範囲第1項
に記載の方法。 3 冷却繊維長の基準として10ないし15%の範囲
で常温延伸を行なう、特許請求の範囲第1項に記
の方法。
[Claims] 1. A method for producing polyethylene glycol and glycerin-modified cellulose acetate hollow fibers, comprising: a. 41 to 50 weight percent of cellulose acetate, 2 to 20 weight percent of glycerin, and 30 to 57 weight percent of polyethylene glycol having a molecular weight in the range of 150 to 600. b. Producing hollow fibers from the molten mass of said mixture; c. Cooling the fibers; d. Cold drawing the fibers in the range of 2% to 20% based on the cooled fiber length. A method comprising the following steps: e) subjecting the fibers to a leaching step to remove polyethylene glycol and glycerin from the fibers; and f) replasticizing the fibers with glycerin and drying. 2 Cellulose acetate in the mixture is 42 or more
47 percent by weight. 3. The method according to claim 1, wherein room-temperature drawing is carried out in a range of 10 to 15% based on the cooled fiber length.
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