非编织、织物增强的中空纤维膜制造技术

本发明专利技术描述了各种制造增强膜的方法、用于制造膜的装置以及所得到的膜。这些方法通常提供增强结构，该增强结构包括围绕膜的圆周延伸的丝体，但这些丝体并非编织或纺织结构的一部分。一些增强结构还包括纵向丝体。这些方法和装置可用于与膜形成步骤一致地制造支承结构，并且还允许产生具有0.5或更大的内、外径比例的增强膜。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
对于美国，本申请根据35USC§ 119(e)要求于2009年6月26日提交的美国临时申请第61/220，797号的权益。通过对其引用将美国临时申请第61/220，797号全文并入本申请。本说明书涉及增强中空纤维膜、用于中空纤维膜的增强结构以及制造中空纤维膜和用于它们的增强结构的方法。
技术介绍
以下并非声明下述任何内容都可引用为现有技术或公知常识的一部分。形式为小的毛细管或中空纤维的聚合分隔膜可通过包括NIPS(非溶剂诱导相分离)和TIPS (热诱导相分离)的不同方法由各种聚合物制成。美国专利第3，615，024号、第5，066，401号和第6，024，872号中描述了 NIPS过程的实例。美国专利第4，702，836号和第7，247，238号中描述TIPS过程的实例。膜可在内侧或外侧上具有分隔层并且可以例如用于微细过滤(MF)或超细过滤(UF)。膜在水处理中的益处是它们能够从水中去除细菌而有效地提供物理杀菌。然而，重要的是维持膜的机械完整性直至其预期使用寿命。对于中空纤维膜模块，一种机械失效机制是由于疲劳而发生的纤维断裂(通常发生在封装界面附近)。作为一种使膜增强的方式，Yoon等人申请的国际申请第W003/097221A1号和Murase等人申请的美国公报第US 2002/0046970A1号描述了将单丝或多丝纱线沿纵向嵌埋在中空纤维膜的壁内。然而，在中空纤维弯曲和运动时，纵向丝体很有可能锯穿较软的膜材料并因此形成新的失效模式。上述专利技术人并未察觉到此种膜在行业内的任何使用。行业内当前使用的另一种增强中空纤维膜使用涂覆或浸溃有聚合膜的中空织物编织套管。编织物提供MF/UF应用例如水悬浮液或混合液的过滤中所需的强度，在其中利用中空纤维的连续或间断的搅动(使用空气或以其它方式)来防止固体在膜表面上结垢或聚积。编织物支承的过滤膜的实例包括授予Hayano等人的美国专利第4，061, 861号，在其中将聚合物浸溃到中空编织物内以防止在高温操作时收缩；授予Mahendran等人的美国专利第5，472，607号和第6，354，444号；授予Lee等人的美国专利第7，267，872号，在其中将膜涂覆在编织物的外表面上并限制渗透；以及授予Shinada等人的美国专利第7，306，105号，在其中编织物涂覆有两个不同的多孔层。编织物支承的中空纤维膜通常按以下方式制备。在编织机上制成编织物，将编织物卷绕在绕线筒上，通过将端部拼接在一起而将编织物重新包装为较大的卷筒，然后将编织物转移到纺纱线，在其中将编织物解开且然后在涂覆头中使用聚合物溶液涂覆或浸溃。使用壁较厚且紧织的编织物使得编织物将呈稳定的圆形，意味着它不会在卷绕和解开的过程中变平且当插入涂覆头内时仍呈圆形。因此，编织支承件具有一些缺点。例如，使用大量(例如16个或更多个)编织承载体在编织机器上制成稳定呈圆形的编织物。每个承载体从不同的绕线筒供应并且绕线筒必须在编织机器中交叉路径。每当承载体彼此交叉时绕线筒都必须加速、减速和径向地倒转。这是一种成本高昂而缓慢的操作。小直径编织物(小于2_)通常以小于0.5m/min的速度制造。相比之下，编织物涂覆或浸溃操作通常例如以大于15m/min的速度而更快地进行，因此中途需要通过卷筒转移步骤进行单独的操作。解开处于恒定张力的大的编织物卷筒以进行膜涂覆也是有挑战性的，且涂覆过程必须不时停止以更换卷筒。另外，用于膜支承的编织物典型地具有相对较大的直径(> I. 5mm)。这是因为编织速度和编织物成本一般不受直径约束，但表面积与直径成正比地增加。因此，编织物通常具有使它们呈稳定圆形所需的大直径及厚壁。结果，内、外径的比例较小，通常小于0. 5。这是确定用以进行穿过内腔渗透的压力损失的标准化参数。厚壁编织物中的高内腔压力降限制了可被封装在模块中的中空纤维的可用长度。纤维直径也是影响总体膜成本的一个显著隐性要素，这是因为纤维的体积与其直 径的平方成正比，而所形成的表面积与直径直接成正比。因此，在模块中的中空纤维的装填密度恒定和内、外径比例恒定时，纤维外径的增加减小了比表面积(每单位体积的面积)且增加了特定聚合物的使用(每单位表面积的聚合物的质量)，这两者增加了设计成用以过滤给定水流量的膜系统的成本。
技术实现思路
以下旨在为读者介绍接下来的详细说明而并非限制或限定权利要求。在详细说明中，描述了各种制造增强膜的方法、用于制造膜的装置以及所得到的膜。这些方法通常提供一种增强结构(文中有时称作“管状笼架(cage) ”或“笼架”)，其包括围绕膜的圆周延伸的丝体但这些丝体并非编织或纺织结构的一部分。一些增强结构还包括纵向丝体。这些方法和装置可用于与膜形成步骤一致地制造支承结构，并且还允许用于生产具有0. 5或更大的内、外径比例的增强膜。一种制造增强中空纤维膜的方法使用复合纱线。这些纱线包括沿纱线的长度延伸的大致连续的纵向丝体和从纵向长度突出的具有松弛端部或环结(loop)或者这两者的其它丝体。包括纱线的增强结构形成在诸如心轴、针状物或纤维之类的芯部的外表面周围，且外径与所制成的膜的预期内径接近。在该增强结构中，大致连续的纵向丝体围绕芯部的圆周隔开，且大致与芯部的长度对齐。纱线的端部或环结围绕芯部的圆周的一部分延伸且与其它纱线中的一条或更多条纱线中的一根或更多根丝体重叠或相交。液态膜粘稠物(dope)在涂覆头(文中有时称作“喷丝头”)中施加到增强结构且然后进行处理以形成固态增强膜。可选的是，支承结构与膜粘稠物完全浸溃纱线情况下的编织支承件相比为相对有空隙的。分隔层可位于膜的内侧或外侧上。在上述方法中，或者在文中所述的其中在芯部上形成增强结构的其它方法中，芯部可以是固定的或可动的。如果芯部是固定的，则纱线或其它丝体沿芯部滑动并最终滑离芯部。固定的芯部可具有内孔，孔流体经该内孔喷射穿过涂覆头以帮助形成膜的内表面。如果芯部是可动的，则芯部随纱线或其它丝体移动穿过膜涂覆头或喷丝头。移动的芯部可包括预先形成的膜壁或稍后将从膜中溶解出来的可溶芯部。增强结构和膜壁优选同时形成，但也可先后形成。例如，在一种使用固定的芯部制造增强纤维的方法中，沿心轴拉动复合纱线且使其穿过膜涂覆头。复合纱线的丝体可在纱线例如通过纺纱装置在喷丝头上游沿心轴移动时彼此缠结。膜粘稠物流经涂覆头且在纱线经过涂覆头传送时围绕它们流动。离开涂覆头的丝体和粘稠物继续而到达浴糟(bath)，在其中膜粘稠物形成固态膜壁。可选的是，增强结构的丝体可在它们相交处的接触点彼此结合。这可例如通过对增强结构施加热量或UV光而在膜涂覆喷丝头上游的结合装置中完成。备选的是，结合可借助于粘稠物软化中的溶剂或结合增强丝体的溶剂而在膜粘稠物中进行。一部分或全部丝体可以是具有适合该结合方法的成分的复合丝体。在涂覆头中，增强结构经围绕芯部的环形通路传送，因此通过膜壁安置增强结构。可选的是，增强结构的丝体也可在它们经涂覆头传送之前在模具中予以平滑。文中描述的一种用于制造中空纤维膜的设备包括心轴；位于心轴一端的纱架(creel)，用以围绕心轴的外表面分布多条纱线；位于心轴另一端的膜粘稠物涂覆头；以及在纱架与心轴之间围绕心轴定位的空气纺纱或真空纺纱装置。文中描述的一种中空纤维膜 包括可选择性地渗透的壁、附接到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.06.26 US 61/220,7971.一种制造增强中空纤维膜的方法，包括以下步骤 a)提供芯部，所述芯部具有长度和垂直于所述长度的圆周； b)提供多条复合纱线，其中每一条所述复合纱线均包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括沿所述复合纱线的长度延伸的一根或更多根大致连续的丝体，所述第二部分包括从所述复合纱线的所述第一部分突出的多个丝体端部或环结； c)围绕所述芯部形成增强结构，其中所述多条复合纱线的所述第一部分围绕所述芯部的圆周间隔开且与所述芯部的长度大致对齐，而所述多条复合纱线的所述第二部分围绕所述芯部的圆周的一部分延伸且与所述多条复合纱线中的一条或更多条其它纱线的一根或更多根丝体相交； d)将液态膜粘稠物施加到所述增强结构；以及 e)处理所述液态膜粘稠物以形成固态膜。2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述多条纱线的所述第二部分在所述多条纱线的所述第一部分围绕所述芯部的圆周间隔开之后沿所述芯部的圆周定向。3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，相邻的复合纱线之间的围绕所述芯部的中心与中心的距离和所述第二部分从所述复合纱线的所述第一部分突出的距离形成为使得在将所述复合纱线安置在所述心轴上之后相邻的复合纱线的所述第二部分彼此重叠。4.根据权利要求I至权利要求3中任一项所述的方法，其特征在于，所述芯部是心轴且所述纱线在步骤c)期间沿所述心轴的长度移动，并且所述方法还包括从所述心轴移除所述多条纱线的步骤。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述心轴包括一个或更多个区段，每个区段均具有大致圆柱形或大致圆锥形的外表面。6.根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其特征在于，所述心轴具有内孔，并且所述方法还包括使孔流体经过所述心轴的内孔传送的步骤。7.根据权利要求4至权利要求6中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d)包括使用所述液态膜粘稠物浸溃所述多条纱线。8.根据权利要求I至权利要求7中任一项所述的方法，其特征在于，步骤c)包括对所述多条纱线的所述第二部分进行空气纺纱或真空纺纱。9.根据权利要求I至权利要求7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤c)之后在所述多条纱线相交处的接触点使所述多条纱线彼此结合的步骤。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述结合步骤包括施加热量或UV光。11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述结合步骤包括溶剂结合。12.根据权利要求9至权利要求11中任一项所述的方法，其特征在于，所述多条纱线包括双成分丝体，所述双成分丝体包括适合与所述多条纱线的其它丝体结合的部分。13.根据权利要求I至权利要求12中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在步骤d)之前平滑所述多条纱线的步骤。14.根据权利要求I至权利要求13中任一项所述的方法，其特征在于，所述纱线通过拉断复合纱线的一部分来制成。15.根据权利要求I至权利要求3和权利要求8至权利要求14中任一项所述的方法，其特征在于，所述芯部是中空纤维膜。16.根据权利要求I至权利要求3和权利要求7至权利要求14中任一项所述的方法，其特征在于，所述芯部可在不溶解所述固态膜的溶剂中溶解。17.一种用于制造中空纤维膜的设备，包括 a)心轴； b)位于所述心轴的一端的纱架，所述纱架定位成用以围绕所述心轴的外表面分布多条纱线； c)位于所述心轴的另一端的膜粘稠物涂覆头；以及 d)在所述纱架与所述心轴之间的围绕所述心轴定位的缠绕装置、结合装置和平滑装置中的一个或更多个。18.—种中空纤维膜，包括 a)可选择性地渗透的壁；以及 b)附接到所述壁上且沿所述膜的长度延伸的多条复合纱线，其中每一...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·科特，S·K·彼得森，
申请(专利权)人：BL科技公司，
类型：发明
国别省市：