KR102225919B1 - 제어된 수축을 거쳐 제조된 고도의 보유성 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인 - Google Patents
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Abstract
폴리아미드 중공 섬유 멤브레인 및 중공 섬유 멤브레인을 제조하고 사용하는 방법이 본 명세서에 설명된다. 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는다. 본 명세서에 설명된 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 예를 들어, 포토레지스트 여과를 위해 특히 유용하다.
Description
관련 출원
2016년 6월 27일 출원된 미국 가특허 출원 제62/355,001호의 35 U.S.C. § 119 하에서의 우선권의 이익이 여기서 청구된다. 미국 가특허 출원 제62/355,001호의 개시내용은 모든 목적으로 그대로 본 명세서에 참조로서 합체되어 있다.
분야
본 개시내용은 작은 입자를 위한 높은 보유력(retention)을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하는 것에 관한 것이다.
폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 투석, 물 여과 및 약학적 및 반도체 여과를 포함하는 다양한 용례를 위해 제조되어 왔다. 통상적으로, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 침지 캐스트 스피닝(immersion cast spinning) 또는 열 유도 상 분리(thermally-induced phase separation: TIPS)에 의해 제조된다. 폴리아미드는 실온에서 다수의 용매 내에서 불용성이기 때문에, 포름산과 같은 강한 용매가 침지 주조 프로세스에 사용되어야 한다. 이는 환경적으로 안전하지 않고 또한 가공 관점으로부터 바람직하지 않다. TIPS 프로세스는 더 온화(benign)하지만, 점도가 더 고온에서 상당히 저하되기 때문에, 요구되는 상승된 온도는 중공 섬유를 형성하는 것을 더 어렵게 한다.
TIPS가 폴리아미드 중공 섬유를 제조하는데 사용되었지만, 최종 중공 섬유의 어느 것도 매우 작은 입자를 위한 높은 보유력을 나타내지 않았다. 예를 들어, 미국 특허 제8,800,783호는 TIPS에 의해 제조된 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 개시하고 있다. 형성된 중공 섬유 멤브레인은 100%의 0.1 미크론(100 nm) 입자 배제율(rejection percentage)을 갖는다. 그러나, 5- 또는 25-nm 시험 입자와 같은 더 작은 시험 입자를 위한 높은 보유력을 의미하는 것은 아니다.
미국 특허 출원 공개 제2003/0159984호는 열 유도 액체-액상 분리를 사용하여 폴리아미드 멤브레인을 제조하기 위한 방법을 개시하고 있다. 폴리아미드를 위한 용매 및 비용매를 포함하는 폴리아미드 및 용매 시스템의 용액은 다이를 통해 압출되고 냉각 매체에 의해 냉각되어, 이에 의해 상 분리가 발생하고 폴리머-농후상(polymer-rich phase)이 고화하여 멤브레인 구조체를 형성한다. 형성된 중공 섬유 멤브레인은 이소프로판올을 사용하여 기포점(bubble point) 측정에 의해 결정된 바와 같이 0.57 미크론의 최대 기공 직경을 가졌다. 입자 배제 시험은 보고되지 않았다.
미국 특허 제4,666,607호는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 프로세스는 다공성 성형체를 형성하기 위해 냉각액으로 특수하게 설계된 튜브 내로의 루멘-충전 매체를 갖는 중공 섬유 노즐을 통해 상승된 온도에서 용매 내에서 용해된 폴리아미드의 압출을 포함한다. 최종 섬유는 에탄올을 사용하여 기포점 측정에 의해 결정된 바와 같은, 0.29 미크론의 최대 기공 크기를 가졌다. 입자 배제 시험은 보고되지 않았다.
이에 따라, 유체 유동에 개방되어 있고 100 nm 미만의 공칭 직경을 갖는 입자를 위한 높은 보유력을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하기 위한 프로세스에 대한 요구가 존재한다.
폴리아미드 중공 섬유 멤브레인 및 그 제조 방법 및 예를 들어, 포토레지스트 여과, 투석, 폐수 처리, 단백질 정제 및 가스 흡착에서 중공 섬유 멤브레인을 사용하는 방법이 본 명세서에 개시된다. 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 나노미터(nm) 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는다.
유체 분리 모듈이 또한 본 명세서에 설명된다. 유체 분리 모듈은 공급물 포트 및 투과물 포트를 갖는 하우징 및 하우징 내에 위치된 분리 요소를 포함한다. 분리 요소는 하우징을 제1 체적과 제1 체적으로부터 유동적으로 밀봉된 제2 체적으로 분할하고, 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 포함한다. 각각의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 제1 단부 및 제2 단부, 유체 유동에 개방되어 있는 루멘 및 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는다. 공급물 포트는 제1 체적과 유체 연통하고 있고, 투과물 포트는 제2 체적과 유체 연통하고 있다. 공급물 포트 내로 공급된 유체의 적어도 분획(fraction)이 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 투과하고 이에 의해 투과물 포트로부터 유출하는 투과물을 형성한다.
유체 유동에 개방되어 있고 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인이 본 명세서에 또한 설명된다. 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은, 폴리아미드 수지와 수용성 유기 용매의 슬러리를 형성하는 것, 슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지된 물 내로 중공 섬유 스피너렛(spinneret)을 통해 슬러리를 압출하는 것, 및 물을 사용하여 중공 섬유로부터 수용성 유기 용매를 추출하여 중공 섬유 멤브레인을 형성하는 것을 포함하는 프로세스에 따라 준비된다. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에 권취된다. 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에서 건조되어, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조한다.
유체 유동에 개방되어 있고 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하기 위한 프로세스가 본 명세서에 또한 제공된다. 프로세스는 폴리아미드 수지와 수용성 유기 용매의 슬러리를 형성하는 것을 포함한다. 슬러리는 슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지된 물 내로 중공 섬유 스피너렛을 통해 압출되고, 수용성 유기 용매가 물을 사용하여 중공 섬유로부터 추출되어 중공 섬유 멤브레인을 형성한다. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에 권취된다. 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에서 건조되어, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조한다.
본 발명의 방법은 작은 입자를 위한 높은 보유력 및 작은 기공 크기를 갖는 멤브레인을 제조할 수 있다. 실제로, 유사한 또는 더 기밀한 기공 크기를 갖는 폴리아미드 편평 시트 멤브레인은 이러한 높은 보유력을 산출하지 않는다. 침지 주조 프로세스에서 사용된 포름산과 같은 거친 화학물이 요구되지 않고, 슬러리 조성물은 간단하고 일반적으로 온화한 재료로 조성된다. 대조적으로, 미국 특허 제4,666,607호 및 미국 특허 출원 공개 제2003/0159984호는 섬유를 형성하기 위해 안정화제 및/또는 증점제(thickening agent)의 첨가를 필요로 하고, 미국 특허 제8,800,783호는 독성인 경향이 있고 높은 피부 관통을 갖는 쌍극성 비양자성 용매를 사용한다.
상기 설명은 유사한 도면 부호가 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 나타내고 있는 첨부 도면에 도시되어 있는 바와 같은, 본 개시내용의 예시적인 실시예의 이하의 더 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 실제 축척대로 도시되어 있는 것은 아니고, 대신에 본 개시내용의 실시예를 예시하는데 있어서 강조가 부여되어 있다.
도 1a는 본 개시내용에 따른 단부 막힘형(dead-ended) 유체 분리 모듈의 단면 측면도이고, 중공 섬유 다발의 제1 단부가 개방되어 있고 중공 섬유 다발의 제2 단부가 밀봉되어 있고 유체가 각각의 중공 섬유의 외부로부터 각각의 중공 섬유의 루멘 내로 투과하는 유체 분리 모듈을 도시하고 있다.
도 1b는 본 개시내용에 따른 단부 막힘형 유체 분리 모듈의 단면 측면도이고, 중공 섬유 다발의 제1 단부가 개방되어 있고 중공 섬유 다발의 제2 단부가 밀봉되어 있고 유체가 각각의 중공 섬유의 루멘으로부터 각각의 중공 섬유의 외부로 투과하는 유체 분리 모듈을 도시하고 있다.
도 1c는 본 개시내용에 따른 접선 유동 여과(tangential flow filtration: TFF) 유체 분리 모듈의 단면 측면도이고, 중공 섬유 다발의 제1 및 제2 단부가 개방되어 있는 유체 분리 모듈을 도시하고 있다.
도 2a는 직사각형 스테인레스강 프레임 및 직사각형 스테인레스강 프레임의 기부(b) 위에 위치된 엘라스토머 벌브 시일 가스켓을 포함하는 압축성 프레임의 개략도이고, 프레임 및 엘라스토머 벌브 시일 가스켓 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 도시하고 있고, 여기서 그 길이를 따른 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 수축은 벌브 시일의 압축을 유발한다.
도 2b는 도 2a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 원으로 둘러싸인 부분의 확대도이다.
도 2c는 도 2a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 부분의 측면도이다.
도 3a는 스프링 가이드 및 압축 스프링에 의해 형성된 조인트에서 서로에 대해 이동 가능한 2개의 구성요소로부터 제조된 직사각형 스테인레스강 프레임을 포함하는 압축성 프레임의 개략도이고, 그 높이(h)를 따른 프레임의 압축이 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 그 길이를 따른 수축에 의해 유발되도록 압축성 프레임 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 도시하고 있다.
도 3b는 도 3a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 원 부분의 확대도이다.
도 3c는 도 3a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 분해 측면도이다.
도 4는 이소프로판올 투과도 내부 유동 시험 장치의 개략도이다.
도 1a는 본 개시내용에 따른 단부 막힘형(dead-ended) 유체 분리 모듈의 단면 측면도이고, 중공 섬유 다발의 제1 단부가 개방되어 있고 중공 섬유 다발의 제2 단부가 밀봉되어 있고 유체가 각각의 중공 섬유의 외부로부터 각각의 중공 섬유의 루멘 내로 투과하는 유체 분리 모듈을 도시하고 있다.
도 1b는 본 개시내용에 따른 단부 막힘형 유체 분리 모듈의 단면 측면도이고, 중공 섬유 다발의 제1 단부가 개방되어 있고 중공 섬유 다발의 제2 단부가 밀봉되어 있고 유체가 각각의 중공 섬유의 루멘으로부터 각각의 중공 섬유의 외부로 투과하는 유체 분리 모듈을 도시하고 있다.
도 1c는 본 개시내용에 따른 접선 유동 여과(tangential flow filtration: TFF) 유체 분리 모듈의 단면 측면도이고, 중공 섬유 다발의 제1 및 제2 단부가 개방되어 있는 유체 분리 모듈을 도시하고 있다.
도 2a는 직사각형 스테인레스강 프레임 및 직사각형 스테인레스강 프레임의 기부(b) 위에 위치된 엘라스토머 벌브 시일 가스켓을 포함하는 압축성 프레임의 개략도이고, 프레임 및 엘라스토머 벌브 시일 가스켓 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 도시하고 있고, 여기서 그 길이를 따른 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 수축은 벌브 시일의 압축을 유발한다.
도 2b는 도 2a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 원으로 둘러싸인 부분의 확대도이다.
도 2c는 도 2a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 부분의 측면도이다.
도 3a는 스프링 가이드 및 압축 스프링에 의해 형성된 조인트에서 서로에 대해 이동 가능한 2개의 구성요소로부터 제조된 직사각형 스테인레스강 프레임을 포함하는 압축성 프레임의 개략도이고, 그 높이(h)를 따른 프레임의 압축이 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 그 길이를 따른 수축에 의해 유발되도록 압축성 프레임 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 도시하고 있다.
도 3b는 도 3a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 원 부분의 확대도이다.
도 3c는 도 3a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 분해 측면도이다.
도 4는 이소프로판올 투과도 내부 유동 시험 장치의 개략도이다.
본 개시내용은 그 예시적인 실시예를 참조하여 구체적으로 도시되고 설명될 것이지만, 형태 및 상세의 다양한 변경이 첨부된 청구범위에 의해 포함된 본 개시내용의 범주로부터 벗어나지 않고 거기에 이루어질 수도 있다는 것이 통상의 기술자들에 의해 이해될 수 있을 것이다.
다양한 구성 및 방법이 설명되지만, 본 개시내용은 이들이 다양할 수도 있기 때문에, 설명된 특정 구성, 디자인, 방법론 또는 프로토콜에 한정되는 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다. 설명에 사용된 용어는 단지 특정 버전 또는 버전들만을 설명하기 위한 것이고, 단지 첨부된 청구범위에 의해 한정될 것인 본 개시내용의 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니라는 것이 또한 이해되어야 한다.
본 명세서에 그리고 첨부된 청구범위에 사용될 때, 단수 형태는 문맥상 명백히 달리 지시되지 않으면 복수의 대상을 포함한다는 것이 또한 주목되어야 한다. 따라서, 예를 들어, "멤브레인"의 언급은 하나 이상의 멤브레인 및 통상의 기술자들에게 공지된 그 등가물의 언급 등이다. 달리 정의되지 않으면, 본 명세서에 사용된 모든 기술 및 과학 용어는 통상의 기술자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 설명된 것들과 유사한 또는 등가인 방법 및 재료는 본 개시내용의 버전의 실시 또는 시험에 사용될 수 있다. 본 명세서에 언급된 모든 공보들은 그대로 참조로서 합체되어 있다. "선택적" 또는 "선택적으로"는 이후에 설명될 이벤트 또는 상황이 발생할 수도 있고 또는 발생하지 않을 수도 있는 것, 그리고 설명이 이벤트가 발생하는 경우 및 이벤트가 발생하지 않는 경우를 포함하는 것을 의미한다. 본 명세서에서 모든 수치값은 명시적으로 지시되건 아니건간에, 용어 "약"에 의해 수식된다. 용어 "약"은 일반적으로 통상의 기술자가 상술된 값과 등가인 것으로 고려하는(즉, 동일한 기능 또는 결과를 가짐) 수의 범위를 칭한다. 몇몇 버전에서, 용어 "약"은 언급된 값의 ±10%를 칭하고, 다른 버전에서 용어 "약"은 언급된 값의 ±2%를 칭한다. 구성 및 방법이 다양한 구성요소 또는 방법을 "포함하는" 견지에서 설명되지만("포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아닌" 의미로서 해석됨), 구성 및 방법은 또한 다양한 구성요소 및 단계로 "필수적으로 이루어지고" 또는 "이루어질" 수 있고, 이러한 용어는 필수적으로 폐쇄형-멤버 그룹(closed-member groups)을 규정하는 것으로서 해석되어서는 안된다.
본 개시내용의 예시적인 실시예의 설명이 이어진다.
약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인이 본 명세서에 제공된다. 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 예를 들어, 포토레지스트 여과, 투석, 폐수 처리, 단백질 정제 및 가스 흡착을 위해 사용될 수 있다. 몇몇 양태에서, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 포토레지스트 여과를 위한 것이다.
이소프로판올 투과도는 내부 유동 시험을 사용하여 결정될 수 있다. 내부 유동 시험을 수행하기 위해, 중공 섬유 멤브레인은 10 cm의 길이로 절단된다. 중공 섬유의 2개의 단부는 3 cm 길이 1/4" OD 플라스틱 튜브 내로 삽입되어 중공 섬유를 갖는 루프를 형성한다. 공예(craft)를 위한 글루건(glue gun)에 사용되는 것과 같은 고온 용융 접착제가, 튜브가 충전될 때까지 절단된 섬유 단부의 측면으로부터 플라스틱 튜브 내로 삽입된다. 일단 글루(glue)가 냉각되면, 약 0.5 cm가 튜브 단부로부터 절단되어 중공 섬유의 단면을 드러낸다. 튜브는 유동 시험기 홀더(도 4 참조) 내로 삽입되고, 이소프로판올이 22℃의 온도에서 미리결정된 간격 동안 지정된 압력(예를 들어, 14.2 제곱인치당 파운드(psi))에서 샘플을 통해 공급된다. 다음에, 멤브레인을 통해 유동하는 이소프로판올이 수집되어 측정된다. 이소프로판올 투과도는 식 1로부터 계산된다:
q = 멤브레인을 통한 이소프로판올 유량(L/h)
a = πDLx = 멤브레인의 표면적(m2)
D = 섬유의 외경(m)
L = 섬유의 길이(m)
x = 섬유의 수
p = 멤브레인을 가로지르는 압력 강하(bar)
몇몇 양태에서, 본 명세서에 설명된 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인의 이소프로판올 투과도는 약 10 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar, 약 40 L/m2 h bar 내지 약 100 L/m2 h bar, 약 55 L/m2 h bar 내지 약 85 L/m2 h bar 또는 약 65 L/m2 h bar 내지 약 85 L/m2 h bar이다. 몇몇 양태에서, 이소프로판올 투과도는 약 5 L/m2 h bar 내지 약 30 L/m2 h bar이다.
"입자 보유력"은 유체 스트림의 유체 경로 내에 배치된 멤브레인에 의해 유체 스트림으로부터 제거될 수 있는 입자의 수의 퍼센트를 칭한다. 중공 섬유 멤브레인의 입자 보유력은, 15 psi의 압력에서 중공 섬유 멤브레인을 통한 1% 단층 커버리지를 성취하기 위해, 0.03 미크론의 공칭 직경을 갖는 8 ppm 폴리스티렌 입자를 포함하고 pH 9로 조정된 0.1% Triton X-100(Duke Scientific G25B로부터 입수 가능함)의 충분한 양의 수성 공급물 용액을 통과시키고, 투과물을 루멘을 통해 수집함으로써 측정될 수 있다. 투과물 내의 폴리스티렌 입자의 농도는 투과물의 흡수율로부터 계산될 수 있다. 입자 보유력은 이어서 이하의 식: 입자 보유력 = ([공급물]-[여과물])/[공급물]×100%를 사용하여 계산된다. 입자 보유력은 또한 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 내의 5 nm 금 입자(Ted Pella로부터 입수 가능함)를 전술된 폴리스티렌 입자를 포함하는 수용액으로 치환함으로써 측정될 수 있다.
1% 단층 커버리지를 성취하기 위해 필요한 입자의 수(#)는 식 2로부터 계산될 수 있다.
D = 섬유의 외경(m)
L = 섬유의 길이(m)
x = 섬유의 수
d = 입자의 직경(m)
"공칭 직경"이라는 것은 본 명세서에 사용될 때, 광자 상관법(photon correlation spectroscopy: PCS), 레이저 회절 또는 광학 현미경에 의해 결정된 바와 같은 입자의 직경이다. 통상적으로, 계산된 직경, 또는 공칭 직경은 입자의 투영된 화상과 동일한 투영된 면적을 갖는 구의 직경으로서 표현된다. PCS, 레이저 회절 및 광학 현미경 기술은 당 기술 분야에 잘 알려져 있다. 예를 들어, [Jillavenkatesa, A., et al.; "Particle Size Characterization;" NIST Recommended Practice Guide; National Institute of Standards and Technology Special Publication 960-1; January 2001] 참조.
몇몇 양태에서, 입자 배제율은 약 5 nm 내지 약 25 nm, 약 5 nm 내지 약 20 nm, 약 5 nm 또는 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%이다.
몇몇 양태에서, 폴리아미드 중공 섬유는 이하에 설명되는 바와 같이 그리고 예에서 약 50 psi 내지 약 150 psi, 약 50 psi 내지 약 120 psi 또는 약 70 psi 내지 약 95 psi의 평균 기포점(mean bubble point: MBP)을 갖는다. 몇몇 양태에서, 폴리아미드 중공 섬유는 약 90 psi 내지 약 150 psi의 평균 기포점을 갖는다.
"평균 기포점"(MBP)은 건식 중공 섬유 멤브레인의 공기 유동에 대한 습식 중공 섬유 멤브레인의 공기 유동의 비가 0.5인 압력을 칭한다. 평균 기포점은 공기로 중공 섬유 멤브레인의 루멘을 압축하고 압력의 함수로서 공기 유동을 측정하고, 이어서 HFE-7200(3M Novec Engineered Fluid로부터 입수 가능함)과 같은 낮은 표면 장력 유체 내에 중공 섬유 멤브레인을 침지하고, 압력의 함수로서 공기 유동을 측정함으로써 측정될 수 있다.
본 명세서에 설명된 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 4,6, 폴리아미드 6,10 또는 폴리아미드 12, 또는 이들의 임의의 것의 조합으로부터 제조될 수 있다. 본 개시내용의 하나의 양태에서, 폴리아미드는 폴리아미드 6이다.
폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 약 400 미크론 내지 약 1,000 미크론, 약 500 미크론 내지 약 900 미크론, 약 750 미크론 내지 약 1,000 미크론 또는 약 500 미크론 내지 약 750 미크론의 외경(OD)을 가질 수 있다. 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 약 200 미크론 내지 약 800 미크론, 약 300 미크론 내지 약 700 미크론, 약 250 미크론 내지 약 500 미크론 또는 약 500 미크론 내지 약 750 미크론의 내경(ID)을 가질 수 있다. 몇몇 양태에서, 중공 섬유 멤브레인의 OD는 약 400 미크론 내지 약 1,000 미크론이고, 중공 섬유 멤브레인의 ID는 약 200 미크론 내지 약 800 미크론이다.
폴리아미드 중공 섬유 멤브레인의 두께는 통상적으로 약 100 미크론 내지 약 250 미크론이다. 예를 들어, 중공 섬유 멤브레인은 약 100 미크론 내지 약 150 미크론, 약 200 미크론 내지 약 250 미크론, 약 125 미크론 내지 약 225 미크론 또는 약 150 미크론 내지 약 200 미크론의 두께를 가질 수 있다.
본 명세서에 사용될 때, "비-체거름 멤브레인(non-sieving membrane)"은 입자를 포획하거나 또는 주로 비-체거름 보유 메커니즘을 거쳐 입자를 포획하도록 최적화된 멤브레인을 칭한다. 본 명세서에 사용될 때, "비-체거름 보유 메커니즘"은 필터 또는 미공성 멤브레인의 압력 강하 또는 기포점에 관련되지 않은 인터셉션(interception), 확산 및 흡착과 같은 메커니즘에 의해 발생하는 보유를 칭한다. 멤브레인 표면으로의 입자 흡착은 예를 들어, 반데르발스(Van der Waals) 및 정전기력에 의해 중재될 수 있다. 인터셉션은 멤브레인을 통해 진행하는 입자가 멤브레인과의 접촉을 회피하기 위해 충분히 빠르게 방향을 변화할 수 없을 때 발생한다. 확산에 기인하는 입자 운반은, 입자가 필터 매체와 충돌할 것인 특정 확률을 생성하는 주로 작은 입자의 랜덤 또는 브라운 운동(Brownian motion)으로부터 발생한다. 임의의 특정 이론에 의해 구속되는 것을 바라는 것은 아니지만, 본 명세서에 설명된 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 적어도 멤브레인의 pI 미만의 pH 값에서, 또는 약 pH 9에서 비-체거름 멤브레인으로서 동작하는 것으로 고려된다. 이에 따라, 본 개시내용의 몇몇 양태에서, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 비-체거름형이다.
유체 분리 모듈이 또한 본 명세서에 제공된다. 유체 분리 모듈은 공급물 포트 및 투과물 포트를 갖는 하우징 및 하우징 내에 위치된 분리 요소를 포함한다. 분리 요소는 하우징을 제1 체적과 제1 체적으로부터 유동적으로 밀봉된 제2 체적으로 분할하고, 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인(예를 들어, 복수의 포팅된(potted) 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인 또는 폴리아미드 중공 섬유 다발)을 포함한다. 각각의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 제1 단부 및 제2 단부, 유체 유동에 개방되어 있는 루멘 및 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는다. 공급물 포트는 제1 체적과 유체 연통하고 있고, 투과물 포트는 제2 체적과 유체 연통하고 있다. 공급물 포트 내로 공급된 유체의 적어도 분획이 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 투과하고 이에 의해 투과물 포트로부터 유출하는 투과물을 형성한다. 복수의 중공 섬유 멤브레인의 대안적인 특성(예를 들어, 투과도, MBP, 입자 배제)은 본 명세서에 설명된 바와 같다.
"유체 유동에 개방되어 있는" 중공 섬유 멤브레인 또는 중공 섬유 멤브레인의 루멘은 유체가 루멘의 길이 또는 실질적으로 전체 길이를 따라 방해받지 않고 유동할 수 있도록, 중공 섬유 멤브레인의 길이 또는 실질적으로 전체 길이를 따라 원형 또는 실질적으로 원형 단면에 의해 특징화된다. 유체 유동에 개방되어 있는 중공 섬유 멤브레인은, 예를 들어 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인이 비압축성 프레임 상에서 건조될 때 발생할 수 있는 바와 같이, 중공 섬유 멤브레인의 길이를 따라 붕괴되거나 부분적으로 붕괴되는 중공 섬유 멤브레인으로부터 구별된다. 붕괴된 또는 부분적으로 붕괴된 섬유는 종종 유체 유동에 개방되어 있는 이들의 대응부에 비교하여 감소된 유량을 갖고, 비일체형 디바이스를 유도하는 불충분한 접합이 섬유와 포팅 수지 사이에서 발생하기 때문에 또는 포팅 중에 사용된 높은 온도가 붕괴된 또는 부분 붕괴된 섬유의 약화된 벽을 용융하여 섬유벽이 불균일하게 되게 하거나 루멘을 통한 유동을 전적으로 배제하기 때문에, 포팅이 어렵거나 불가능하다.
통상적으로, 본 명세서에 제공된 유체 분리 모듈 내의 제1 체적 및 제2 체적은 제1 포팅 수지 내에 복수의 폴리아미드 중공 섬유의 각각의 제1 단부를 포팅하고 제2 포팅 수지 내에 복수의 폴리아미드 중공 섬유의 각각의 제2 단부를 개별적으로 포팅함으로써 밀봉되어 폴리아미드 중공 섬유 다발을 형성하고, 이들은 제2 체적으로부터 제1 체적을 밀봉하기 위해 하우징에 일체로 접합될 수 있다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 복수의 폴리아미드 중공 섬유의 각각의 제1 단부는 포팅되고(예를 들어, 제1 포팅 수지 내에), 복수의 폴리아미드 중공 섬유의 각각의 제2 단부는 포팅되어(예를 들어, 제2 포팅 수지 내에) 폴리아미드 중공 섬유 다발을 형성한다. 통상적으로, 제1 및 제2 포팅 수지는 동일하다. 대안적으로, 제1 및 제2 포팅 수지는 서로 상이하다. 중공 섬유 다발은 포팅 중에(예를 들어, 하나의 단계에서) 또는 중공 섬유 다발의 형성 후에(예를 들어, 부가의 접합 단계 중에) 하우징에 일체로 접합될 수 있다.
예시적인 포팅 수지는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 말레익 무수물-이식된 HDPE 또는 폴리아미드(예를 들어, 폴리아미드 12, 폴리아미드 6, 12), 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 양태에서, 복수의 폴리아미드 중공 섬유의 각각의 제1 및 제2 또는 제1 또는 제2 단부는 90% HDPE 및 10% 말레익 무수물-이식된 HDPE; 폴리아미드 12; 폴리아미드 6, 12; 또는 HDPE; 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는 포팅 수지 내에 포팅된다.
블렌딩된 포팅 수지는 극성 열가소성 구성요소(예를 들어, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인)로의 비극성 열가소성 폴리머 구성요소(예를 들어, 폴리에틸렌 하우징)의 일체형 접합을 위해 특히 유리할 수 있다. 특히, 블렌딩된 수지는 2개의 물리적으로 그리고/또는 화학적으로 비적합성 재료를 일체로 접합하여 반도체 제조 산업에서 마주치게 되는 것들과 같은, 분리/여과 용례를 위한 적합한 구조적 완전성의 하우징 내에 유체-기밀 시일을 생성한다. 이에 따라, 몇몇 양태에서, 포팅 수지는 (1) 비극성 열가소성 폴리머 및 극성 열가소성 폴리머로서, 극성 열가소성 폴리머는 열가소성 블렌딩된 포팅 수지의 총 중량 퍼센트의 약 1 중량 % 초과인, 비극성 열가소성 폴리머 및 극성 열가소성 폴리머; 또는 (2) 극성기를 포함하는 개질된 열가소성 폴리머로서, 극성기는 개질된 열가소성 폴리머의 총 중량의 약 0.1 중량 % 이상이다. 90 중량 % HDPE 및 10 중량 % 말레익 무수물-이식된 HDPE가 본 명세서에 설명된 유체 분리 모듈에 유용한 블렌딩된 포팅 수지이다.
본 명세서에 사용될 때, "극성 열가소성 폴리머"는 극성 반복 단위(예를 들어, 폴리아미드를 생성하기 위한 아미드 단위) 또는 개질된 열가소성 폴리머를 포함하는 폴리머 열가소성 수지를 칭한다. 블렌딩된 수지의 몇몇 양태에서, 극성 열가소성 폴리머는 블렌딩된 수지의 총 중량의 약 5 중량 % 초과(즉, 블렌딩된 수지의 총 중량 퍼센트의 약 5 중량 % 초과 내지 약 100 중량 %)이다. 적합한 극성 열가소성 폴리머는 폴리에틸렌 말레익 무수물, 에틸렌 비닐 알코올, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 아크릴산 및 폴리부타디엔 말레익 무수물을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 통상적으로, 극성 열가소성 폴리머는 블렌딩된 수지의 총 중량의 약 5 중량 % 내지 약 50 중량 %이다. 예를 들어, 극성 열가소성 폴리머는 블렌딩된 수지의 총 중량의 약 5 중량 %, 약 10 중량 %, 약 15 중량 %, 약 20 중량 %, 약 25 중량 %, 약 30 중량 %, 약 35 중량 %, 약 40 중량 %, 약 45 중량 % 또는 약 50 중량 %일 수 있다.
"개질된 열가소성 폴리머"는 본 명세서에 사용될 때, 극성 화학기로 개질된(예를 들어, 무수물-개질된 폴리에틸렌) 또는 극성 반복 단위(예를 들어, 폴리(에틸렌-코-비닐 아세테이트) 및 폴리(에틸렌-코-비닐 알코올))와 비극성 반복 유닛을 공중합함으로써 제조된 비극성 열가소성 폴리머 수지를 칭한다. 비극성 열가소성 폴리머가 극성기로 개질되거나 극성기와 공중합될 때(예를 들어, 무수물 개질된 폴리에틸렌), 극성기는 개질된 열가소성 폴리머의 총 중량의 약 0.1 중량 % 내지 약 75 중량 %이다. 적합한 개질된 열가소성 폴리머는 폴리에틸렌 말레익 무수물, 에틸렌 비닐 알코올, 에틸렌 비닐 아세테이트, 에틸렌 아크릴산 및 폴리부타디엔 말레익 무수물을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에 사용될 때, "비극성 열가소성 폴리머"는 임의의 극성기 또는 반복 단위를 포함하지 않고 또는 그렇지 않으면 소수성인 폴리머 수지를 칭한다. 비극성 수지의 예는 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리부타디엔, 폴리(테트라플루오로에틸렌-코-퍼플루오로(알키비닐에테르)), 테플론(TEFLON)®, 또는 퍼플루오로알콕시알칸(PFA) 또는 퍼플루오로메틸알콕시(MFA)를 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.
블렌딩된 포팅 수지는 균질하게 또는 불균질하게 사용될 수 있다. 균질한 블렌드를 사용하기 위해, 극성 및 비극성 수지의 펠릿 또는 분말이 압출기 또는 원심 포팅 셋업에서 혼합되고 용융되어 균질한 용융물을 형성하고, 이 균질한 용융물은 이어서 포팅을 위해 사용될 수 있다. 불균질한 블렌드를 사용하기 위해, 극성 수지는 용융되고 이어서 그 사이의 "타이(tie)"층으로서 도포될 수도 있는데, 예를 들어 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인과 비극성 수지가 개별적으로 용융한다.
블렌딩된 포팅 수지 및 블렌딩된 포팅 수지를 제조하고 사용하는 방법은 2015년 7월 9일 출원된 미국 가출원 제62/190,617호 및 라이어(lyer) 등의 국제 특허 출원 PCT/US2016/040425호에 설명되어 있고, 이들 출원의 모두는 명백한 정의를 제외하고는 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다.
포팅 후에, 중공 섬유 다발의 제1 및 제2 단부는 예를 들어, 유체 유동에 개방되어 있는 중공 섬유의 단면을 드러내도록 절단에 의해 노출된다. 중공 섬유 다발의 제1 또는 제2 단부는 이어서 예를 들어, 캡핑에 의해 밀봉될 수 있다.
유체 분리 모듈의 몇몇 양태에서, 폴리아미드 중공 섬유 다발의 제1 단부는 개방되어 루멘 체적이 폴리아미드 중공 섬유 다발의 단부와 연통하게 되고 폴리아미드 중공 섬유 다발의 제2 단부가 밀봉되게 된다. 도 1a 및 도 1b는 폴리아미드 중공 섬유 다발의 제1 단부가 개방되어 있고 폴리아미드 중공 섬유 다발의 제2 단부가 밀봉되어 있는 단부 막힘형 유체 분리 모듈의 단면도이다. 유체는 도 1a에 도시되어 있는 모듈에서 각각의 중공 섬유의 외부로부터 각각의 중공 섬유의 루멘 내로 투과한다. 유체는 도 1b에 도시되어 있는 모듈에서 각각의 중공 섬유의 루멘으로부터 각각의 중공 섬유의 외부로 투과한다. 개방된 제1 단부 및 밀봉된 제2 단부를 갖는 중공 섬유 다발은 또한 본 명세서에서 "단일-단부형(single-ended)" 중공 섬유 다발이라 칭한다.
단부-막힘형 유체 분리 모듈은 2개의 유체 스트림, 즉 공급물 및 투과물을 갖고, 따라서 적어도 공급물 포트 및 투과물 포트를 필요로 한다. 통상적으로, 공급물 스트림이 액체일 때 공기가 멤브레인의 상류측에 포집되어 이에 의해 유체 유동을 방해하는 것을 방지하기 위해, 제3 포트가 공급물 스트림에 통기를 제공하는데 사용된다. 공급물 포트 내로 도입된 유체는 투과물 포트에서 수집될 수 있다.
이제 도 1a를 참조하면, 유체 분리 모듈(1)의 하우징은 쉘(16), 단부 캡(10), 통기 포트(11), 공급물 포트(12) 및 투과물 포트(13)를 포함한다. 분리 요소(14)는 하우징 내에 위치되고, 복수의 또는 다발의 단일-단부형 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 포함한다. 공급물 스트림이 공급물 포트(12) 내로 도입되고, 이 공급물 포트는 모듈(1)의 하단부에서 공급물 챔버(17)에 공급물 스트림을 유도하는 중앙 도관(15)에 연결되어 있다. 공급물 챔버(17)로부터, 공급물 스트림은 모듈(1)의 단면을 가로질러 분배되고 방향을 역전하여, 분리 요소(14)를 따라 위로 그리고 주위로 유동한다. 공급물 스트림은 분리 요소(14)를 투과하고, 최종 투과물 스트림은 투과물 챔버(19) 내로 통과하고 투과물 포트(13)를 통해 모듈(1)을 나온다. 도 1a에 도시된 실시예에서, 쉘(16)은 단부 캡(10)에 융착되고, 공급물 스트림은 각각의 중공 섬유의 외부로부터 각각의 중공 섬유의 루멘 내로 투과한다. 통기될 가스는 포트(11)를 통해 통기하기 위해 챔버(18) 내에 수집될 수 있다.
도 1b에서, 공급물 스트림은 공급물 포트(21) 내로 도입된다. 공급물 스트림은 분리 요소(24)를 투과하고, 최종 투과물 스트림은 투과물 챔버(27) 내로 통과한다. 거기로부터, 투과물 스트림은 중앙 도관(25)을 따라 위로 투과물 포트(22)로 유동하고, 여기서 유체 분리 모듈(2)을 나온다. 도 1b에 도시된 실시예에서, 쉘(26)은 단부 캡(20)에 융착되고, 공급물 스트림은 각각의 중공 섬유의 루멘으로부터 각각의 중공 섬유의 외부로 투과한다. 통기될 가스는 포트(23)를 통해 통기하기 위해 챔버(28) 내에 수집될 수 있다.
유체 분리 모듈의 몇몇 양태에서, 폴리아미드 중공 섬유 다발의 제1 단부 및 제2 단부는 개방된다. 도 1c는 중공 섬유 다발의 제1 및 제2 단부가 개방되어 있는 접선 유동 여과(TFF) 유체 분리 모듈의 단면 측면도이다. 루멘 체적이 중공 섬유 다발의 양 단부와 연통하도록 개방된 제1 및 제2 단부를 갖는 중공 섬유 다발은 또한 본 명세서에서 "이중-단부형" 중공 섬유 다발이라 칭한다.
TFF 유체 분리 모듈은 통상적으로 3개의 스트림, 공급물, 투과물 및 잔류물(retentate), 및 따라서 적어도 공급물 포트, 투과물 포트 및 잔류물 포트를 갖는다. 때때로, 제4 포트가 모듈을 드레인하는데 사용된다. 통상적으로, 드레인은 모듈의 동작 중에는 비활성이다. TFF 유체 분리 모듈에서, 공급물 유동의 단지 분획만이 여과되고, 이 분획은 투과물 포트에서 수집될 수 있고; 공급물 유동의 잔량(balance)은 잔류물 포트에서 분리 요소의 상류측에서 수집될 수 있다.
TFF 유체 분리 모듈의 하우징은 상단캡(30), 하단캡(36a), 원통형 쉘(36b) 및 포트(31, 32, 33)를 포함한다. 분리 요소(34)는 하우징 내에 위치되고 이중-단부형 폴리아미드 중공 섬유 다발을 포함한다. 도 1c에 도시된 TFF 유체 분리 모듈은 적어도 2개의 구성으로 사용될 수 있다. 제1 구성에서, 공급물 스트림은 각각의 중공 섬유의 외부로부터 각각의 중공 섬유의 루멘 내로 투과한다. 제1 구성에서, 공급물 스트림은 중앙 포트(32)를 통해 유체 분리 모듈(3)에 진입하고, 이 중앙 포트는 공급물 스트림을 모듈(3)의 하단부로 챔버로(37) 유도하는 중앙 도관(35)에 연결된다. 거기로부터, 공급물 스트림은 모듈(3)의 단면을 가로질러 그리고 역방향으로 분배되어, 상향으로 그리고 중공 섬유의 루멘 내로 유동한다. 공급물 스트림의 분획은 분리 요소(34)를 투과하고, 최종 투과물 스트림은 챔버(38) 내로 통과하고 포트(31)를 통해 모듈(3)을 나온다. 공급물 스트림의 나머지 분획은 중공 섬유의 루멘을 통해 상향으로 유동하고, 최종 잔류물 스트림은 챔버(39) 내로 통과하고 포트(33)를 통해 모듈(3)을 나온다.
제2 구성에서, 공급물 스트림은 도 1c의 TFF 유체 분리 모듈에서 루멘으로부터 각각의 중공 섬유의 외부로 투과한다. 제2 구성에서, 공급물 스트림은 포트(33)를 통해 유체 분리 모듈(3)에 진입한다. 공급물 스트림의 분획은 분리 요소(34)를 투과하고, 최종 투과물 스트림은 챔버(38) 내로 통과하고 포트(31)로부터 모듈(3)을 나온다. 공급물 스트림의 나머지 분획은 중공 섬유의 루멘을 통해 하향으로 유동하고, 최종 잔류물 스트림은 챔버(37) 내로 통과한다. 거기로부터, 잔류물 스트림은 방향을 역전하고, 중앙 도관(35)을 통해 상향으로 유동하여, 중앙 포트(32)에서 모듈(3)을 나온다.
유체 유동에 개방되어 있고 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하기 위한 프로세스가 본 명세서에 또한 제공된다. 프로세스는 폴리아미드 수지와 수용성 유기 용매의 슬러리를 형성하는 것을 포함한다. 슬러리는 슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지되는 물 내로 중공 섬유 스피너렛을 통해 압출된다. 수용성 유기 용매는 물을 사용하여 중공 섬유로부터 추출되어 중공 섬유 멤브레인을 형성한다. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에 권취된다. 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에서 건조되어, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조한다.
슬러리는 통상적으로 약 15 질량 % 내지 약 25 질량 % 폴리아미드 수지 또는 약 20 질량 % 폴리아미드 수지를 포함한다.
본 명세서에 사용될 때, "수용성 유기 용매"는 수중에서 용해하고, 약 100℃ 초과의 온도에서 폴리아미드 수지를 용해하고 약 100℃ 미만의 온도에서 폴리아미드 수지와 불용성인 임의의 유기 화합물 또는 유기 화합물의 혼합물을 칭한다. 예시적인 수용성 유기 용매는 다가 알코올(polyvalent alcohol)(예를 들어, 디글리세롤, 글리세롤, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜), 고리형 락톤(예를 들어, 부티로락톤, 발레로락톤, 카프로락톤) 및 고리형 아미드(예를 들어, 카프로락탐) 및 이들의 임의의 것의 혼합물을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 양태에서, 수용성 유기 용매는 디글리세롤, 글리세롤, 글리콜, 디글리콜, 글리세릴 모노아세테이트, 카프로락탐 또는 부티로락톤, 또는 이들의 임의의 것의 혼합물이다. 본 개시내용의 하나의 양태에서, 수용성 유기 용매는 디글리세롤이다.
슬러리는 통상적으로 약 50 질량 % 내지 약 85 질량 %, 약 60 질량 % 내지 약 75 질량 % 또는 약 68 질량 % 수용성 유기 용매(예를 들어, 디글리세롤)를 포함한다. 본 개시내용의 하나의 양태에서, 슬러리는 약 65 질량 % 내지 약 70 질량 % 수용성 유기 용매를 포함한다.
몇몇 양태에서, 슬러리는 수용성 유기 비용매를 더 포함한다. 이에 따라, 유체 유동에 개방되어 있고 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하기 위한 프로세스가 본 명세서에 제공된다. 프로세스는 폴리아미드 수지, 수용성 유기 용매 및 수용성 유기 비용매의 슬러리를 형성하는 것을 포함한다. 슬러리는 슬러리의 응고물을 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지되는 물 내로 중공 섬유 스피너렛을 통해 압출된다. 수용성 유기 용매 및 수용성 유기 비용매는 물을 사용하여 중공 섬유로부터 추출되어 중공 섬유 멤브레인을 형성한다. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에 권취된다. 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에서 건조되어, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조한다.
본 명세서에 사용될 때, "수용성 유기 비용매"는 수중에서 용해하고 폴리아미드 수지와 불용성인 임의의 유기 화합물 또는 유기 화합물의 혼합물을 칭한다. 예시적인 수용성 유기 비용매는 다가 알코올(예를 들어, 트리에틸렌 글리콜, 폴리에틸렌 글리콜, 특히 약 100 내지 약 600의 분자량을 갖는 폴리에틸렌 글리콜) 및 글리세롤 트리아세테이트, 및 이들의 임의의 것의 혼합물을 포함하지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 몇몇 양태에서, 수용성 유기 비용매는 폴리에틸렌 글리콜(예를 들어, 약 100 내지 약 600의 분자량을 갖는 폴리에틸렌 글리콜), 트리에틸렌 글리콜 또는 글리세롤 트리아세테이트, 또는 이들의 임의의 것의 혼합물이다. 본 개시내용의 하나의 양태에서, 수용성 유기 비용매는 약 100 내지 약 600의 분자량을 갖는 폴리에틸렌 글리콜이다.
슬러리가 수용성 유기 비용매를 포함할 때, 슬러리는 통상적으로 약 5 질량 % 내지 약 25 질량 % 수용성 유기 비용매(예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜)를 포함한다. 본 개시내용의 하나의 양태에서, 슬러리는 약 10 질량 % 내지 약 15 질량 % 수용성 유기 비용매를 포함한다.
예를 들어, 슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지된 물의 온도는 약 100℃ 미만, 약 75℃ 미만, 약 50℃ 미만, 약 30℃ 미만, 약 실온(예를 들어, 약 25℃ 내지 약 30℃ 또는 약 28℃) 또는 약 10℃일 수 있다. 슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지된 물의 온도는 약 0℃ 내지 약 100℃, 약 0℃ 내지 약 75℃, 약 0℃ 내지 약 50℃, 약 0℃ 내지 약 30℃ 또는 약 0℃ 내지 약 15℃일 수 있다.
수용성 유기 용매 및 수용성 유기 비용매를 추출하기 위해 사용된 물은 존재하면, 수용성 유기 용매 및 수용성 유기 비용매를 존재하면 용해하거나 실질적으로 용해하기 위해 충분한 온도로 유지된다. 몇몇 실시예에서, 추출을 위해 사용된 물의 온도는 약 25℃ 초과, 예를 들어, 약 30℃ 초과, 약 50℃ 초과, 예로서 약 80℃이다. 몇몇 실시예에서, 추출을 위해 사용된 물의 온도는 약 30℃ 내지 약 130℃, 약 45℃ 내지 약 100℃ 또는 약 75℃ 내지 약 100℃이다. 추출을 위해 사용된 물의 온도는 중공 섬유 또는 최종 중공 섬유 멤브레인을 용융하거나 변형을 유도하는 온도 미만이어야 한다.
추출 및 건조 중에, 중공 섬유 및 중공 섬유 멤브레인은 수축의 경향을 갖는다. 강성 프레임에 권취될 때와 같이, 섬유 또는 멤브레인이 추출 및/또는 건조 중에 구속되면, 섬유 또는 멤브레인은 붕괴하고 그 둥근 형상을 손실할 수 있는데, 이는 그 강도 및 투과도에 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 섬유 또는 멤브레인이 구속되지 않으면, 섬유 또는 멤브레인은 제어 불가능하게 수축할 수 있는데, 이는 그 투과도를 상당히 감소시킬 수 있다. 본 명세서의 실시예에 개시된 압축성 프레임은 섬유 또는 멤브레인의 개방도 또는 둥근 형상을 유지하면서 추출 및/또는 건조 중에 수축의 정도를 제어하는데 사용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 방법의 몇몇 양태에서, 중공 섬유는 압축성 프레임 상에 권취되고, 이어서 수용성 유기 용매는 중공 섬유로부터 추출되고, 중공 섬유 멤브레인은 건조된다.
본 개시내용의 실시예에서, 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 압축성 프레임 상에 권취될 수 있어, 프레임이 압축함에 따라, 권취된 섬유 또는 멤브레인이 그 길이를 따라 수축하게 된다. 몇몇 실시예에서, 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 압축성 프레임 상에 권취되어, 압축성 프레임이 압축함에 따라, 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 길이를 따라 수축할 수 있게 된다. 도 3a에 도시된 압축성 프레임에서, 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에 권취되어, 섬유 또는 멤브레인이 압축성 프레임(5)의 높이(h)로서 도 3a에 나타낸, 프레임이 그를 따라 압축하는 축에 평행하거나 실질적으로 평행하게 된다.
"압축성 프레임"은 본 명세서에 사용될 때, 프레임 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 그 길이를 따라 수축함에 따라 압축하는 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 추출하고 그리고/또는 건조하기 위한 장치를 칭한다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 압축성 프레임에서, 예를 들어, 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 프레임(예를 들어, 스테인레스강 프레임) 상에 권취되어, 권취된 섬유 또는 멤브레인이 그 길이를 따라 수축함에 따라, 프레임의 에지를 따라 위치된 엘라스토머 벌브 시일 가스켓이 압축하게 된다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 압축성 프레임에서, 권취된 섬유 또는 멤브레인이 그 길이를 따라 수축함에 따라, 스프링은 압축성 프레임의 압축을 용이하게 한다.
도 2a는 직사각형 스테인레스강 프레임(41) 및 직사각형 스테인레스강 프레임(41)의 기부(b) 위에 위치된 엘라스토머 벌브 시일 가스켓(42)을 포함하는 압축성 프레임(4)의 개략도이다. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인(44)은 프레임(41) 및 엘라스토머 벌브 시일 가스켓(42) 주위에 권취되어, 그 길이를 따른 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인(44)의 수축이 벌브(43)의 압축을 유발하게 된다. 도 2b는 도 2a에 도시된 압축성 프레임의 원으로 둘러싸인 부분의 확대도이고, 도 2c는 도 2a에 도시된 압축성 프레임의 부분의 측면도이다.
도 3a는 스프링 가이드(58, 58')(도 3c에 도시됨) 및 압축 스프링(57)(도 3c에 도시됨)과 협동하여 브라켓(53), 브라켓(56) 및 나사(54, 54')에 의해 형성된 조인트에서 서로에 대해 이동 가능한 2개의 구성요소(51, 51')로부터 제조된 직사각형 스테인레스강 프레임을 포함하는 압축성 프레임(5)의 개략도이다. 동작시에, 압축 스프링(57)은 브라켓(56)(도 3c에 도시됨) 내의 채널(59) 내에 그리고 브라켓(53) 내의 대응 채널(도시 생략) 내에 존재한다. 나사(54)는 브라켓(53)으로부터 구성요소(51) 내의 스프링 가이드(58)를 통해 브라켓(56) 내로 통과하고, 나사(54')는 브라켓(53)으로부터 구성요소(51') 내의 스프링 가이드(58')를 통해 브라켓(56) 내로 통과하여, 이에 의해 가동 조인트를 고정한다. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인(55)은 프레임(5) 주위에 권취되어, 그 길이를 따른 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 수축이 그 높이(h)를 따른 프레임의 압축을 유발하게 된다. 도 3b는 도 3a에 도시되어 있는 압축성 프레임의 원 부분의 확대도이다. 도 3c는 가동 조인트를 형성하기 위한 스프링 채널(59) 및 스프링(57)을 갖는 한 쌍의 브라켓(53, 56)을 도시하고 있는(제2 가동 조인트 브라켓 및 스프링은 명료화를 위해 생략되어 있음) 도 3a에 도시된 실질적으로 동일한 구성요소(51, 51')를 갖는 압축성 프레임의 분해 측면도이다.
도 3a 내지 도 3c의 구성요소(51, 51')는 서로 동일하거나, 또는 몇몇 실시예에서 서로 실질적으로 동일하다. 그러나, 프레임(5)의 높이(h)를 따른 프레임 압축을 허용하는 구성요소(51, 51')의 다른 구성이 고려될 수 있고, 본 개시내용의 범주 내에 있다. 프레임(4, 5)의 기부(b)는 높이(h)보다 더 긴 것으로서 도 2a 및 도 3a에 도시되어 있지만, 기부(b)는 또한 높이(h)보다 짧거나 같을 수도(정사각형 프레임에서와 같이) 있다.
멤브레인에 관하여 본 명세서에 사용될 때, "건조"라는 것은 멤브레인이 수분 또는 액체가 없거나 실질적으로 없는 것을 의미한다. "건조하는 것"은 용어가 설명되는 바와 같이, 멤브레인이 건조하게 되게 하거나 멤브레인이 건조하게 되는 것을 허용하는 것을 의미한다. 나일론은 흡습성 재료라는 것이 이해될 수 있을 것이다. 몇몇 실시예에서, 중공 섬유 멤브레인을 건조하는 것은 중공 섬유 멤브레인이 적어도 터치에 건조할 때까지 중공 섬유 멤브레인을 건조하는 것을 포함한다. 건조하는 것은 멤브레인을 공기-건조하는 것(예를 들어, 실온에서) 그리고 멤브레인에 열을 인가하거나 가열하는 것 모두를 포함하는데, 이는 중공 섬유 멤브레인으로부터 수분 또는 액체의 제거를 가속화할 수 있다. 가열이 멤브레인을 건조하는데 사용될 때, 가열 시간 및 온도는 중공 섬유 멤브레인을 용융하거나 변형하지 않기 위해 제어되어야 한다는 것이 이해될 수 있을 것이다.
유체 유동에 개방되어 있고 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인이 본 명세서에 또한 제공된다. 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은, 폴리아미드 수지와 수용성 유기 용매의 슬러리를 형성하는 것, 슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지된 물 내로 중공 섬유 스피너렛을 통해 슬러리를 압출하는 것, 및 물을 사용하여 중공 섬유로부터 수용성 유기 용매를 추출하여 중공 섬유 멤브레인을 형성하는 것을 포함하는 프로세스에 따라 준비된다. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에 권취된다. 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에서 건조되어, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조한다. 방법 및 중공 섬유 멤브레인의 특성(예를 들어, 투과도, MBP, 입자 배제)의 변형은 본 명세서에 설명된 바와 같다.
슬러리가 수용성 유기 비용매를 포함하지 않을 때, 최종 중공 섬유 멤브레인은 통상적으로 약 5 L/m2 h bar 내지 약 30 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도를 갖는다. 슬러리가 수용성 유기 비용매를 포함하지 않는 프로세스에 따라 제조된 중공 섬유 멤브레인의 평균 기포점은 통상적으로 약 90 psi 내지 약 150 psi이다.
슬러리가 수용성 유기 비용매를 포함할 때, 최종 중공 섬유 멤브레인은 통상적으로 약 10 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar, 예를 들어 약 40 L/m2 h bar 내지 약 100 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도를 갖는다. 슬러리가 수용성 유기 비용매를 포함하는 프로세스에 따라 제조된 중공 섬유 멤브레인의 평균 기포점은 통상적으로 약 50 psi 내지 약 120 psi, 예를 들어 약 70 psi 내지 약 95 psi이다.
예시
예 1. 포팅된 중공 섬유 루프의 준비.
중공 섬유 멤브레인이 10 cm의 길이로 절단되었다. 중공 섬유의 2개의 단부는 3 cm 길이인 1/4-인치 OD 플라스틱 튜브 내로 삽입되어 중공 섬유를 갖는 루프를 형성하였다. 공예를 위한 글루건에 사용되는 것과 같은 고온 용융 접착제가, 튜브가 충전될 때까지 절단된 섬유 단부의 측면으로부터 플라스틱 튜브 내로 삽입되었다. 일단 고온 용융 접착제가 냉각되면, 약 0.5 cm가 튜브의 단부로부터 절단되어 중공 섬유의 단면을 드러내었다.
예 2. 평균 기포점(MBP)의 결정.
공기가 예 1에 설명된 바와 같이 준비된 포팅된 중공 섬유 루프의 루멘을 통해 압축되었고, 공기 유동이 압력의 함수로서 측정되었다. 루프는 이어서 낮은 표면 장력 유체, HFE-7200(3M Novec Engineered Fluid HFE-7200) 내에 침수되었고, 공기가 섬유의 루멘을 통해 압축되었다. 공기 유동은 압력의 함수로서 재차 측정되었다. 평균 기포점(MBP)은 습식 섬유의 공기 유동과 건식 중공 섬유의 공기 유동의 비가 0.5인 압력이다.
예 3. 이소프로판올 투과도의 결정.
내부 유동 시험이 예 1에 따라 준비된 포팅된 중공 섬유 루프를 사용하여 이소프로판올 투과도를 결정하는데 사용되었다. 도 4는 고온 용융 접착제(62)로 튜브(63) 내에 포팅된 중공 섬유 멤브레인(61)에 플러밍된(plumbed) 이소프로판올을 포함하는 압축 탱크(65)를 포함하는 이소프로판올 투과도 내부 유동 시험 장치(6)의 개략도이다. 내부 유동 시험을 수행하기 위해, 튜브(63)는 푸시-연결 피팅(push-to-connect fitting)(64) 내로 삽입되었고, 이소프로판올은 22℃의 온도에서 미리결정된 간격 동안 14.2 psi에서 압축 탱크(65)로부터 중공 섬유(61)를 통해 공급되었다. 멤브레인을 통해 유동하는 이소프로판올이 수집되어 측정되었다. 이소프로판올 투과도는 식 1로부터 계산되었다.
예 4. 입자 보유력의 결정.
G25 입자: 예 1에 따라 준비된 포팅된 중공 섬유 루프의 입자 보유력은, 15 psi의 압력에서 중공 섬유 멤브레인을 통한 1% 단층 커버리지를 성취하기 위해, 0.03 미크론의 공칭 직경을 갖는 8 ppm 폴리스티렌 입자를 포함하고 pH 9로 조정된 0.1% Triton X-100(Duke Scientific G25B로부터 입수 가능함)의 충분한 양의 수성 공급물 용액을 통과시키고, 여과물을 루멘을 통해 수집함으로써 측정되었다. 여과물 내의 폴리스티렌 입자의 농도는 여과물의 흡수율로부터 계산되었다. 입자 보유력은 이어서 식 3으로부터 계산되었다:
입자 보유력 = ([공급물]-[여과물])/[공급물]×100% (3)
금 입자: 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 내의 5 nm 금 입자(Ted Pella로부터 입수 가능함)가 G25 입자의 보유력을 결정하기 위해 전술된 절차에서 0.1% Triton X-100 내의 G25 입자에 대해 치환되었다. 여과물 내의 금 입자의 농도는 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(inductively coupled plasma mass spectrometry: ICP-MS)에 의해 결정되었다.
예 5.
20% 폴리아미드 6 분말(DSM Akulon F136E2, 미세 분말로 극저온 분쇄됨), 68% 디글리세롤, 및 12% 폴리에틸렌 글리콜 600을 포함하는 슬러리가 220℃ 내지 240℃에서 3-구역 공동-회전 트윈 스크류 압출기 내로 공급되었고 190℃에서 중공 섬유 다이 내로 펌핑되었다. 75% 디글리세롤 및 25% 폴리에틸렌 글리콜 600의 용액이 110℃로 예열되었고 루멘 내로 펌핑되었다. 조합된 압출물 및 루멘 유체는 약 28℃에서 수욕(water bath) 내에서 냉각되기 전에, 약 3 cm의 공기 간극을 통과하였고, 이 시점에 중공 섬유 멤브레인이 형성되었다. 섬유는 120 분당 피트(fpm)에서 고뎃 롤러(Godet roller)에 의해 권취되었고 롤 상에 수집되었다. 섬유는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 압축성 프레임 주위에 감겼고, 80℃에서 밤새 수욕 내에서 추출되었고, 2시간 동안 공기-건조되었고, 이어서 1시간 동안 80℃에서 오븐 내에서 건조되었다.
최종 섬유는 89 psi의 MBP 및 68 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도를 가졌다. 1% 단층 커버리지에서 G25 입자 보유력은 100%였다. 1% 단층 커버리지에서 5 nm 금 입자 보유력은 100%였다.
예 6.
중공 섬유 멤브레인은, 섬유가 고온 수욕 내의 추출에 앞서, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 압축성 프레임 주위에 감겨졌던 것을 제외하고는, 예 5에서와 동일한 방식으로 제조되었다. 최종 섬유는 86 psi의 MBP 및 81 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도를 가졌다.
예 7.
폴리아미드 6 펠릿(EMS Grilon F50)이 220 내지 230℃에서 3-구역 싱글 스크류 압출기 내로 공급되었다. 고온 압출물은 이후에, 20% 폴리아미드 6을 성취하기 위해 공급 속도에서, 95% 디글리세롤 및 5% 폴리에틸렌 글리콜 600을 포함하는 혼합물과 동시에, 200 내지 220℃에서 3-구역 공동-회전 트윈 스크류 압출기 내로 공급되었다. 혼합물은 루멘을 통해 110℃로 예열된 75% 디글리세롤 및 25% 폴리에틸렌 글리콜 600의 용액과 동시에, 190℃에서 중공 섬유 다이를 통해 펌핑되었고, 1.5 cm의 공기 간극을 갖고, 27℃에서 수욕 내에서 냉각되었다. 섬유는 120 fpm에서 고뎃 롤러에 의해 권취되었고 롤 상에 수집되었다. 섬유는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 압축성 프레임 주위에 감겼고, 80℃에서 밤새 수욕 내에서 추출되었고, 2시간 동안 공기-건조되었고, 이어서 1시간 동안 80℃에서 오븐 내에서 건조되었다.
최종 섬유는 76 psi의 MBP 및 58 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도를 가졌다. 1% 단층 커버리지에서 G25 입자 보유력은 100%였다.
예 8.
중공 섬유 멤브레인은, 폴리아미드 펠릿(BASF Ultramid B40)이 240 내지 250℃에서 싱글 스크류 압출기를 통해 처리되었고, 이 펠릿은 20% 폴리아미드 6을 성취하기 위해 공급 속도에서 75% 디글리세롤 및 25% 폴리에틸렌 글리콜 600의 혼합물과 동시에 200 내지 260℃에서 트윈 스크류 압출기 내로 공급되었던 점을 제외하고는, 예 7과 동일한 방식으로 제조되었다. 최종 섬유는 74 psi의 MBP 및 32 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도를 가졌다. 1% 단층 커버리지에서 G25 입자 보유력은 100%였다.
예 9.
중공 섬유 멤브레인은 폴리아미드 펠릿(DSM Akulon F136E2)을 갖는 것을 제외하고는 예 8과 동일한 방식으로 제조되었다. 최종 섬유는 89 psi의 MBP 및 68 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도를 가졌다. 1% 단층 커버리지에서 G25 입자 보유력은 100%였다.
예 9.
예 5로부터의 중공 섬유 멤브레인이 여과 모듈을 제조하는데 사용되었다. 미국 가출원 제62/190,617호의 나선형 적층 프로세스를 사용하여, ~1000개의 섬유가 90% HDPE/10% 말레익 무수물-이식된 폴리에틸렌(Dow DMDA8965NT, Two H Chem HFS2100)으로 포팅되었다. 다발은 잉여의 포팅 재료 및 섬유를 제거하도록 선반 상에 장착되어 유체 유동에 개방되어 있는 중공 섬유의 단면을 드러냈다. 다발의 하나의 단부는 이어서 폴리에틸렌 디스크에 의한 캡핑에 의해 밀봉되었다. 다발은 이어서 도 1의 하우징 내에 접합되었다. 1% 단층에서 G25 입자 보유력은 100%였다.
비교예 1.
중공 섬유 멤브레인은, 섬유가 고온 수욕 내의 추출에 앞서, 비압축성 스테인레스강 프레임 주위에 감겨졌던 것을 제외하고는, 예 5에서와 동일한 방식으로 제조되었다. 최종 섬유는 둥근 형상보다는 장방형을 갖고, 다소 붕괴되었다. 이는 기포점 또는 투과도에 대해 시험되도록 충분한 강도를 갖지 않았다.
비교예 2.
상업적으로 입수가능한 편평한 폴리아미드 멤브레인이 시험되었다. 이는 119 psi의 MBP 및 674 L/m2 h bar의 투과도를 가졌다. 1% 단층 커버리지에서 G25 입자 보유력은 79%였다.
본 명세서에 인용된 모든 특허, 공개 출원 및 참조 문헌의 교시는 본 명세서에 그대로 참조로서 합체되어 있다.
다양한 실시예가 하나 이상의 구현예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 등가의 변경 및 수정이 본 명세서 및 첨부 도면의 숙독 및 이해에 기초하여 통상의 기술자들에게 발생할 것이다. 실시예는 모든 이러한 수정 및 변경을 포함하고, 단지 이하의 청구범위의 범주에 의해서만 한정된다. 게다가, 실시예의 특정 특징 또는 양태가 다수의 구현예들 중 단지 하나에 관하여 개시되어 있을 수도 있지만, 이러한 특징 또는 양태는 임의의 주어진 또는 특정 용례를 위해 바람직하고 유리할 수도 있기 때문에 다른 구현예의 하나 이상의 다른 특징들 또는 양태들과 조합될 수도 있다. 더욱이, 용어 "구비한다", "갖는", "갖는다", "가진" 또는 이들의 변형이 상세한 설명 또는 청구범위에서 사용되는 정도로, 이러한 용어는 용어 "포함하는"과 유사한 방식으로 포함적인 것으로 의도된다. 또한, 용어 "예시적인"은 최선보다는, 단지 예를 의미하는 것으로 의도된다. 본 명세서에 설명된 특징들 및/또는 요소들은 이해의 간단화 및 용이성을 위해 특정 치수 및/또는 서로에 대한 배향을 갖고 예시되어 있고, 실제 치수 및/또는 배향은 본 명세서에 예시된 것과는 실질적으로 상이할 수도 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.
본 실시예는 그 특정 버전을 참조하여 상당한 상세로 설명되어 있지만, 다른 버전이 가능하다. 따라서, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주는 본 명세서 내에 포함된 설명 및 버전에 한정되어서는 안된다.
이하의 항들은 본 발명의 특정 양태 및 실시예를 규정한다.
항 1. 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 2. 항 1에 있어서, 이소프로판올 투과도는 약 40 L/m2 h bar 내지 약 100 L/m2 h bar인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 3. 항 1에 있어서, 이소프로판올 투과도는 약 5 L/m2 h bar 내지 약 30 L/m2 h bar인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 4. 항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 입자 배제율은 약 5 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 5. 항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 평균 기포점은 약 50 psi 내지 약 150 psi인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 6. 항 5에 있어서, 평균 기포점은 약 70 psi 내지 약 95 psi인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 7. 항 5에 있어서, 평균 기포점은 약 90 psi 내지 약 150 psi인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 8. 항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 폴리아미드는 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 4,6, 폴리아미드 6,10 또는 폴리아미드 12, 또는 이들의 임의의 것의 조합인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 9. 항 8에 있어서, 폴리아미드는 폴리아미드 6인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 10. 항 1 내지 9 중 어느 한 항에 있어서, 중공 섬유 멤브레인의 외경은 약 400 미크론 내지 약 1,000 미크론이고, 중공 섬유 멤브레인의 내경은 약 200 미크론 내지 약 800 미크론인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 11. 항 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 중공 섬유 멤브레인은 약 100 미크론 내지 약 250 미크론의 두께를 갖는, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 12. 유체 분리 모듈이며,
공급물 포트 및 투과물 포트를 갖는 하우징; 및
하우징 내에 위치되고, 하우징을 제1 체적 및 제1 체적으로부터 유동적으로 밀봉되어 있는 제2 체적으로 분할하는 분리 요소로서, 분리 요소는 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 포함하고, 각각의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 제1 단부 및 제2 단부, 유체 유동에 개방되어 있는 루멘 및 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는, 분리 요소를 포함하고,
공급물 포트는 제1 체적과 유체 연통하고 있고, 투과물 포트는 제2 체적과 유체 연통하고 있고,
공급물 포트 내로 공급된 유체의 적어도 분획이 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 투과하고 이에 의해 투과물 포트로부터 유출하는 투과물을 형성하는, 유체 분리 모듈.
항 13. 항 12에 있어서, 복수의 중공 섬유 멤브레인의 각각의 제1 단부는 포팅되고 복수의 중공 섬유 멤브레인의 각각의 제2 단부는 포팅되어 폴리아미드 중공 섬유 다발을 형성하는, 여과 카트리지.
항 14. 항 13에 있어서, 폴리아미드 중공 섬유 다발은 이중-단부형 폴리아미드 중공 섬유 다발인, 여과 카트리지.
항 15. 항 13에 있어서, 폴리아미드 중공 섬유 다발은 단일-단부형 폴리아미드 중공 섬유 다발인, 여과 카트리지.
항 16. 유체 유동에 개방되어 있고 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖고, 이하의 단계:
폴리아미드 수지와 수용성 유기 용매의 슬러리를 형성하는 단계;
슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지되는 물 내로 중공 섬유 스피너렛을 통해 슬러리를 압출하는 단계;
물을 사용하여 중공 섬유로부터 수용성 유기 용매를 추출하여 중공 섬유 멤브레인을 형성하는 단계;
중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 압축성 프레임 상에 권취하는 단계; 및
중공 섬유 멤브레인을 압축성 프레임 상에서 건조하여, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하는 단계를 포함하는 프로세스에 의해 준비되는, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
항 17. 유체 유동에 개방되어 있고 약 5 L/m2 h bar 내지 약 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 약 1 nm 내지 약 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 약 100%의 입자 배제율을 갖는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하기 위한 프로세스이며,
폴리아미드 수지와 수용성 유기 용매의 슬러리를 형성하는 단계;
슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지되는 물 내로 중공 섬유 스피너렛을 통해 슬러리를 압출하는 단계;
물을 사용하여 중공 섬유로부터 수용성 유기 용매를 추출하여 중공 섬유 멤브레인을 형성하는 단계;
중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 압축성 프레임 상에 권취하는 단계; 및
중공 섬유 멤브레인을 압축성 프레임 상에서 건조하여, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하는 단계를 포함하는, 프로세스.
항 18. 항 17에 있어서, 슬러리는 약 15 질량 % 내지 약 25 질량 % 폴리아미드 수지를 포함하는, 프로세스.
항 19. 항 18에 있어서, 슬러리는 약 20 질량 % 폴리아미드 수지를 포함하는, 프로세스.
항 20. 항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서, 폴리아미드 수지는 폴리아미드 6인, 프로세스.
항 21. 항 17 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 수용성 유기 용매는 디글리세롤인, 프로세스.
항 22. 항 17 내지 21 중 어느 한 항에 있어서, 슬러리는 약 50 질량 % 내지 약 85 질량 % 수용성 유기 용매를 포함하는, 프로세스.
항 23. 항 22에 있어서, 슬러리는 약 65 질량 % 내지 약 70 질량 % 수용성 유기 용매를 포함하는, 프로세스.
항 24. 항 17 내지 23 중 어느 한 항에 있어서, 슬러리는 수용성 유기 비용매를 더 포함하는, 프로세스.
항 25. 항 24에 있어서, 수용성 유기 비용매는 폴리에틸렌 글리콜인, 프로세스.
항 26. 항 24 또는 25에 있어서, 슬러리는 약 5 질량 % 내지 약 25 질량 % 수용성 유기 비용매를 포함하는, 프로세스.
항 27. 항 26에 있어서, 슬러리는 약 10 질량 % 내지 약 15 질량 % 수용성 유기 비용매를 포함하는, 프로세스.
항 28. 항 17 내지 27 중 어느 한 항에 있어서, 중공 섬유는 압축성 프레임 상에 권취되고, 이어서 수용성 유기 용매는 중공 섬유로부터 추출되고, 중공 섬유 멤브레인은 건조되는, 프로세스.
항 29. 항 17 내지 28 중 어느 한 항에 있어서, 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 압축성 프레임 상에 권취되어, 압축성 프레임이 압축함에 따라, 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 길이를 따라 수축할 수 있게 되는, 프로세스.
항 30. 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 추출하고 그리고/또는 건조하기 위한 압축성 프레임 장치이며, 상기 프레임은 프레임 장치 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 이들의 길이를 따라 수축함에 따라 압축하도록 구성되고, 상기 압축성 프레임은 직사각형 프레임; 프레임의 대향 에지들을 따라 위치된 엘라스토머 재료를 포함하고, 상기 엘라스토머 재료는 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 프레임 상에서 그 길이를 따라 수축함에 따라 압축하는, 압축성 프레임 장치.
항 31. 항 30에 있어서, 엘라스토머 재료는 프레임의 대향하는 에지 위에 위치된 엘라스토머 벌브 시일 가스켓인, 압축성 프레임.
항 32. 항 30 내지 31 중 어느 한 항에 있어서, 엘라스토머 재료는 개방도를 유지하고 상기 프레임 장치 상에 권취된 중공 섬유 중공 섬유 멤브레인의 건조 또는 추출 중에 상기 프레임 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 붕괴를 방지하기 위해 충분한 일정한 힘을 특징으로 하는, 압축성 프레임 장치.
항 33. 프레임 장치 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 그 길이를 따라 수축함에 따라 압축하도록 구성된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 추출하고 그리고/또는 건조하기 위한 압축성 프레임 장치이며, 상기 압축성 프레임은 하나 이상의 브라켓에 의해 함께 결합된 제1 구성요소 및 제2 구성요소로부터 제조된 직사각형 프레임을 포함하고, 제1 구성요소 및 제2 구성요소는 하나 이상의 스프링 가이드 및 압축 스프링과 협동하여 하나 이상의 브라켓 및 구성요소들에 의해 형성된 조인트에서 서로에 대해 이동 가능하고, 상기 직사각형 프레임은 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인이 프레임 상에서 그 길이를 따라 수축함에 따라 압축하는, 압축성 프레임 장치.
항 34. 항 33에 있어서, 제1 구성요소 및 제2 구성요소는 서로 실질적으로 동일한, 압축성 프레임 장치.
항 35. 항 33 내지 34 중 어느 한 항에 있어서, 스프링은 개방도를 유지하고 상기 프레임 장치 상에 권취된 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 건조 또는 추출 중에 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인의 붕괴를 방지하기 위해 충분한 일정한 힘을 갖는, 압축성 프레임 장치.
항 36. 항 30 내지 35 중 어느 한 항에 있어서, 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 압축성 프레임 상에 권취되고, 상기 중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인은 폴리아미드로 구성되고, 약 400 미크론 내지 약 1000 미크론의 OD 및 약 200 미크론 내지 약 800 미크론의 ID를 갖는 것을 추가로 포함하는, 압축성 프레임 장치.
Claims (20)
- 5 L/m2 h bar 내지 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 1 nm 내지 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 100%의 입자 배제율을 가지며, 압축성 프레임 상에서 권취되고 건조되는, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
- 제1항에 있어서, 이소프로판올 투과도는 5 L/m2 h bar 내지 30 L/m2 h bar인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
- 제1항에 있어서, 입자 배제율은 5 nm 내지 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 100%인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
- 제1항에 있어서, 50 psi 내지 150 psi의 평균 기포점을 갖는, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
- 제1항에 있어서, 폴리아미드는 폴리아미드 6, 폴리아미드 6,6, 폴리아미드 4,6, 폴리아미드 6,10 또는 폴리아미드 12, 또는 이들의 임의의 것의 조합인, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
- 제1항에 있어서, 400 미크론 내지 1,000 미크론의 외경을 갖고, 200 미크론 내지 800 미크론의 내경을 갖는, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
- 제1항에 있어서, 중공 섬유 멤브레인은 100 미크론 내지 250 미크론의 두께를 갖는, 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인.
- 유체 분리 모듈이며,
공급물 포트 및 투과물 포트를 갖는 하우징; 및
하우징 내에 위치되고, 하우징을 제1 체적 및 제1 체적으로부터 유동적으로 밀봉되어 있는 제2 체적으로 분할하는 분리 요소로서, 분리 요소는 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 포함하고, 각각의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 제1 단부 및 제2 단부, 유체 유동에 개방되어 있는 루멘 및 5 L/m2 h bar 내지 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 1 nm 내지 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 100%의 입자 배제율을 가지며, 압축성 프레임 상에서 권취되고 건조되는, 분리 요소
를 포함하고,
공급물 포트는 제1 체적과 유체 연통하고 있고, 투과물 포트는 제2 체적과 유체 연통하고 있고,
공급물 포트 내로 공급된 유체의 적어도 분획이 복수의 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 투과하고 이에 의해 투과물 포트로부터 유출하는 투과물을 형성하는, 유체 분리 모듈. - 제8항에 있어서, 복수의 중공 섬유 멤브레인의 각각의 제1 단부는 포팅되고 복수의 중공 섬유 멤브레인의 각각의 제2 단부는 포팅되어 폴리아미드 중공 섬유 다발을 형성하는, 유체 분리 모듈.
- 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하는 방법이며,
폴리아미드 중공 섬유 멤브레인은 유체 유동에 개방되어 있고 5 L/m2 h bar 내지 150 L/m2 h bar의 이소프로판올 투과도 및 1 nm 내지 25 nm의 공칭 직경을 갖는 입자에 대해 100%의 입자 배제율을 갖고, 상기 방법은:
폴리아미드 수지와 수용성 유기 용매의 슬러리를 형성하는 단계;
슬러리의 응고를 유도하여 중공 섬유를 형성하는데 충분한 온도로 유지되는 물 내로 중공 섬유 스피너렛을 통해 슬러리를 압출하는 단계;
물을 사용하여 중공 섬유로부터 수용성 유기 용매를 추출하여 중공 섬유 멤브레인을 형성하는 단계;
중공 섬유 또는 중공 섬유 멤브레인을 압축성 프레임 상에 권취하는 단계; 및
중공 섬유 멤브레인을 압축성 프레임 상에서 건조하여, 이에 의해 유체 유동에 개방되어 있는 폴리아미드 중공 섬유 멤브레인을 제조하는 단계
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| AMND | Amendment | ||
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| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) |