非編織、織物增強(qiáng)的中空纖維膜的制作方法
【專利說明】非編織、織物増強(qiáng)的中空纖維膜
[0001] 本申請(qǐng)是2010年6月25日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?01080038319. 3、發(fā)明名稱為"非編 織、織物增強(qiáng)的中空纖維膜"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 對(duì)于美國(guó)，本申請(qǐng)根據(jù)35 USC § 119(e)要求于2009年6月26日提交的美國(guó)臨 時(shí)申請(qǐng)第61/220, 797號(hào)的權(quán)益。通過對(duì)其引用將美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/220, 797號(hào)全文并入 本申請(qǐng)。
[0003] 本說明書涉及增強(qiáng)中空纖維膜、用于中空纖維膜的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及制造中空纖維膜 和用于它們的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 以下并非聲明下述任何內(nèi)容都可引用為現(xiàn)有技術(shù)或公知常識(shí)的一部分。
[0005] 形式為小的毛細(xì)管或中空纖維的聚合分隔膜可通過包括NIPS(非溶劑誘導(dǎo)相分 離）和TIPS(熱誘導(dǎo)相分離）的不同方法由各種聚合物制成。美國(guó)專利第3, 615, 024號(hào)、 第5, 066, 401號(hào)和第6, 024, 872號(hào)中描述了 NIPS過程的實(shí)例。美國(guó)專利第4, 702, 836號(hào) 和第7, 247, 238號(hào)中描述TIPS過程的實(shí)例。膜可在內(nèi)側(cè)或外側(cè)上具有分隔層并且可以例 如用于微細(xì)過濾（MF)或超細(xì)過濾（UF)。
[0006] 膜在水處理中的益處是它們能夠從水中去除細(xì)菌而有效地提供物理殺菌。然而， 重要的是維持膜的機(jī)械完整性直至其預(yù)期使用壽命。對(duì)于中空纖維膜模塊，一種機(jī)械失效 機(jī)制是由于疲勞而發(fā)生的纖維斷裂（通常發(fā)生在封裝界面附近）。
[0007] 作為一種使膜增強(qiáng)的方式，Yoon等人申請(qǐng)的國(guó)際申請(qǐng)第WO 03/097221 Al號(hào)和 Murase等人申請(qǐng)的美國(guó)公報(bào)第US 2002/0046970 Al號(hào)描述了將單絲或多絲紗線沿縱向嵌 埋在中空纖維膜的壁內(nèi)。然而，在中空纖維彎曲和運(yùn)動(dòng)時(shí)，縱向絲體很有可能鋸穿較軟的膜 材料并因此形成新的失效模式。上述發(fā)明人并未察覺到此種膜在行業(yè)內(nèi)的任何使用。
[0008] 行業(yè)內(nèi)當(dāng)前使用的另一種增強(qiáng)中空纖維膜使用涂覆或浸漬有聚合膜的中空織物 編織套管。編織物提供MF/UF應(yīng)用例如水懸浮液或混合液的過濾中所需的強(qiáng)度，在其中利 用中空纖維的連續(xù)或間斷的攪動(dòng)（使用空氣或以其它方式）來防止固體在膜表面上結(jié)垢或 聚積。
[0009] 編織物支承的過濾膜的實(shí)例包括：授予Hayano等人的美國(guó)專利第4, 061，861號(hào)， 在其中將聚合物浸漬到中空編織物內(nèi)以防止在高溫操作時(shí)收縮；授予Mahendran等人的 美國(guó)專利第5, 472, 607號(hào)和第6, 354, 444號(hào)；授予Lee等人的美國(guó)專利第7, 267, 872號(hào)， 在其中將膜涂覆在編織物的外表面上并限制滲透；以及授予Shinada等人的美國(guó)專利第 7, 306, 105號(hào)，在其中編織物涂覆有兩個(gè)不同的多孔層。
[0010] 編織物支承的中空纖維膜通常按以下方式制備。在編織機(jī)上制成編織物，將編織 物卷繞在繞線筒上，通過將端部拼接在一起而將編織物重新包裝為較大的卷筒，然后將編 織物轉(zhuǎn)移到紡紗線，在其中將編織物解開且然后在涂覆頭中使用聚合物溶液涂覆或浸漬。 使用壁較厚且緊織的編織物使得編織物將呈穩(wěn)定的圓形，意味著它不會(huì)在卷繞和解開的過 程中變平且當(dāng)插入涂覆頭內(nèi)時(shí)仍呈圓形。
[0011] 因此，編織支承件具有一些缺點(diǎn)。例如，使用大量（例如16個(gè)或更多個(gè)）編織承 載體在編織機(jī)器上制成穩(wěn)定呈圓形的編織物。每個(gè)承載體從不同的繞線筒供應(yīng)并且繞線筒 必須在編織機(jī)器中交叉路徑。每當(dāng)承載體彼此交叉時(shí)繞線筒都必須加速、減速和徑向地倒 轉(zhuǎn)。這是一種成本高昂而緩慢的操作。小直徑編織物（小于2_)通常以小于0.5m/min的 速度制造。相比之下，編織物涂覆或浸漬操作通常例如以大于15m/min的速度而更快地進(jìn) 行，因此中途需要通過卷筒轉(zhuǎn)移步驟進(jìn)行單獨(dú)的操作。解開處于恒定張力的大的編織物卷 筒以進(jìn)行膜涂覆也是有挑戰(zhàn)性的，且涂覆過程必須不時(shí)停止以更換卷筒。
[0012] 另外，用于膜支承的編織物典型地具有相對(duì)較大的直徑（> I. 5_)。這是因?yàn)榫?織速度和編織物成本一般不受直徑約束，但表面積與直徑成正比地增加。因此，編織物通常 具有使它們呈穩(wěn)定圓形所需的大直徑及厚壁。結(jié)果，內(nèi)、外徑的比例較小，通常小于0. 5。這 是確定用以進(jìn)行穿過內(nèi)腔滲透的壓力損失的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)。厚壁編織物中的高內(nèi)腔壓力降限 制了可被封裝在模塊中的中空纖維的可用長(zhǎng)度。
[0013] 纖維直徑也是影響總體膜成本的一個(gè)顯著隱性要素，這是因?yàn)槔w維的體積與其直 徑的平方成正比，而所形成的表面積與直徑直接成正比。因此，在模塊中的中空纖維的裝填 密度恒定和內(nèi)、外徑比例恒定時(shí)，纖維外徑的增加減小了比表面積（每單位體積的面積）且 增加了特定聚合物的使用（每單位表面積的聚合物的質(zhì)量），這兩者增加了設(shè)計(jì)成用以過 濾給定水流量的膜系統(tǒng)的成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 以下旨在為讀者介紹接下來的詳細(xì)說明而并非限制或限定權(quán)利要求。
[0015] 在詳細(xì)說明中，描述了各種制造增強(qiáng)膜的方法、用于制造膜的裝置以及所得到的 膜。這些方法通常提供一種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（文中有時(shí)稱作"管狀籠架（cage)"或"籠架"），其包 括圍繞膜的圓周延伸的絲體但這些絲體并非編織或紡織結(jié)構(gòu)的一部分。一些增強(qiáng)結(jié)構(gòu)還包 括縱向絲體。這些方法和裝置可用于與膜形成步驟一致地制造支承結(jié)構(gòu)，并且還允許用于 生產(chǎn)具有〇. 5或更大的內(nèi)、外徑比例的增強(qiáng)膜。
[0016] 一種制造增強(qiáng)中空纖維膜的方法使用復(fù)合紗線。這些紗線包括沿紗線的長(zhǎng)度延伸 的大致連續(xù)的縱向絲體和從縱向長(zhǎng)度突出的具有松弛端部或環(huán)結(jié)（loop)或者這兩者的其 它絲體。包括紗線的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形成在諸如心軸、針狀物或纖維之類的芯部的外表面周圍，且 外徑與所制成的膜的預(yù)期內(nèi)徑接近。在該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中，大致連續(xù)的縱向絲體圍繞芯部的圓 周隔開，且大致與芯部的長(zhǎng)度對(duì)齊。紗線的端部或環(huán)結(jié)圍繞芯部的圓周的一部分延伸且與 其它紗線中的一條或更多條紗線中的一根或更多根絲體重疊或相交。液態(tài)膜粘稠物（dope) 在涂覆頭（文中有時(shí)稱作"噴絲頭"）中施加到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)且然后進(jìn)行處理以形成固態(tài)增強(qiáng) 膜?？蛇x的是，支承結(jié)構(gòu)與膜粘稠物完全浸漬紗線情況下的編織支承件相比為相對(duì)有空隙 的。分隔層可位于膜的內(nèi)側(cè)或外側(cè)上。
[0017] 在上述方法中，或者在文中所述的其中在芯部上形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的其它方法中，芯 部可以是固定的或可動(dòng)的。如果芯部是固定的，則紗線或其它絲體沿芯部滑動(dòng)并最終滑離 芯部。固定的芯部可具有內(nèi)孔，孔流體經(jīng)該內(nèi)孔噴射穿過涂覆頭以幫助形成膜的內(nèi)表面。如 果芯部是可動(dòng)的，則芯部隨紗線或其它絲體移動(dòng)穿過膜涂覆頭或噴絲頭。移動(dòng)的芯部可包 括預(yù)先形成的膜壁或稍后將從膜中溶解出來的可溶芯部。
[0018] 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和膜壁優(yōu)選同時(shí)形成，但也可先后形成。例如，在一種使用固定的芯部制 造增強(qiáng)纖維的方法中，沿心軸拉動(dòng)復(fù)合紗線且使其穿過膜涂覆頭。復(fù)合紗線的絲體可在紗 線例如通過紡紗裝置在噴絲頭上游沿心軸移動(dòng)時(shí)彼此纏結(jié)。膜粘稠物流經(jīng)涂覆頭且在紗線 經(jīng)過涂覆頭傳送時(shí)圍繞它們流動(dòng)。離開涂覆頭的絲體和粘稠物繼續(xù)而到達(dá)浴糟（bath)，在 其中膜粘稠物形成固態(tài)膜壁。
[0019] 可選的是，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的絲體可在它們相交處的接觸點(diǎn)彼此結(jié)合。這可例如通過對(duì) 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)施加熱量或UV光而在膜涂覆噴絲頭上游的結(jié)合裝置中完成。備選的是，結(jié)合可借 助于粘稠物軟化中的溶劑或結(jié)合增強(qiáng)絲體的溶劑而在膜粘稠物中進(jìn)行。一部分或全部絲體 可以是具有適合該結(jié)合方法的成分的復(fù)合絲體。
[0020] 在涂覆頭中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)經(jīng)圍繞芯部的環(huán)形通路傳送，因此通過膜壁安置增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。 可選的是，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的絲體也可在它們經(jīng)涂覆頭傳送之前在模具中予以平滑。
[0021] 文中描述的一種用于制造中空纖維膜的設(shè)備包括：心軸；位于心軸一端的紗架 (creel)，用以圍繞心軸的外表面分布多條紗線；位于心軸另一端的膜粘稠物涂覆頭；以及 在紗架與心軸之間圍繞心軸定位的空氣紡紗或真空紡紗裝置。文中描述的一種中空纖維膜 包括可選擇性地滲透的壁、附接到該壁上且沿膜的長(zhǎng)度延伸的多條紗線，以及與相鄰紗線 的絲體相交的多條紗線的絲體端部或環(huán)結(jié)。
[0022] 文中還描述了其它方法、裝置和膜。例如，一些制造增強(qiáng)中空纖維膜的方法包括以 下步驟：圍繞芯部的外側(cè)形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，將液態(tài)膜粘稠物施加到增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，處理液態(tài)膜粘稠 物以形成固態(tài)膜，以及溶解芯部。其它制造增強(qiáng)中空纖