DE19604573A1 - Membran/Träger-Anordnung - Google Patents
Membran/Träger-AnordnungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran/Träger-Anord
nung, d. h. eine an einem Trägermaterial haftende Membran. Die
vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Her
stellung einer solchen Membran/Träger-Anordnung sowie Verfahren
zur Verwendung einer solchen Membran/Träger-Anordnung.
Filtrationsmedien werden schon seit vielen Jahren für das Fil
trieren von feinen Partikeln aus Fluiden, insbesondere Flüssig
keiten, verwendet. Solche Filtrationsmedien sind in einer Viel
zahl von Materialien erhältlich, um filtrationsspezifische An
forderungen zu erfüllen. Mikroporöse Membranen wie die in der
U.S.-Patentschrift Nr. 4,340,479 beschriebenen sind für das
Filtrieren von feinen Materialteilchen aus Fluiden besonders
gut geeignet.
Viele Filtrationsmedien wie etwa mikroporöse Membranen besitzen
die Fähigkeit, feine Partikel zu entfernen, weisen jedoch un
glücklicherweise eine fehlende mechanische Festigkeit auf, z. B.
sind sie verhältnismäßig bruchempfindlich. Infolgedessen wird
oft ein Trägermaterial mit einem solchen Filtrationsmedium kom
biniert, um dem Filtrationsmedium ein adäquates Maß an mechani
schem Halt zu geben. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn
das Filtrationsmedium in einer Umgebung mit hohen Scherkräften
oder gepulster Strömung verwendet oder einem hohen Rückströ
mungsdruck unterworfen wird.
Es sind viele Versuche unternommen worden, Filtrationsmedien,
insbesondere mikroporöse Membranen, mit geeigneten Trägermate
rialien zu kombinieren. Diese Versuche umfassen die Herstellung
eines Filtrationsmediums direkt auf ein Trägermaterial, thermi
sches Laminieren eines Filtrationsmediums direkt auf ein Trä
germaterial sowie die Verwendung eines Klebstoffes zum Befesti
gen eines Filtrationsmaterials an einem Trägermaterial. Jedes
dieser Verfahren weist Probleme auf, beispielsweise eine schwa
che Haftung zwischen Filtrationsmedium und Träger, erhebliche
Blockierung der Poren des Filtrationsmediums, Veränderung der
physikalischen Eigenschaften des Filtrationsmediums und die
Einführung von möglichen Quellen von Verunreinigungen.
Einen Träger umfassende Filtrationsanordnungen sind durch ther
misches Verbinden eines Faservlieses aus im Schmelzblasver
fahren hergestellten Fasern mit einer Folie gefertigt worden.
Dieses Verfahren beinhaltet entweder das Pressen einer nicht
gewebten Matte aus Fasern gegen eine erwärmte Folie, vorzugs
weise bei der Herstellung der Folie, oder das Schmelzblasen der
Fasern direkt auf die Folie, welche Raumtemperatur oder eine
erhöhte Temperatur aufweisen kann. Dieses Verfahren kann allge
mein eher für nichtgewebte Fasermatten und schmelzextrudierte
Folien aus demselben Material verwendet werden als für mikro
poröse Filtrationsmembranen, welche durch dieses Verfahren
leicht verzerrt oder verstopft werden könnten.
Membran/Träger-Anordnungen können auch durch das gleichzeitige
Ausformen und integrale Befestigen einer Membran an der Ober
fläche eines Substrats hergestellt werden. Dieses Verfahren ist
jedoch durch die Anforderung, daß die Membran in einem einzigen
Schritt von einer flüssigen Suspension auszufällen und an dem
Substrat zu befestigen sei, stark eingeschränkt. Desweiteren
können sich solche poröse Medien während einem Rückströmen bei
niedrigem Druck in Schichten aufspalten, oft schon bei einem
Differentialdruck von weniger als ungefähr 70 kPa. Außerdem
werden manche Membranen, welche wirkungsvoll in Filteranwendun
gen verwendet werden können, nicht aus einer flüssigen Suspen
sion hergestellt. Polytetrafluoroethylen (PTFE) zum Beispiel
wird typischerweise als ein Pulver hergestellt, das dann extru
diert wird, um eine Folie zu bilden, und die Folie wird zur
Bildung einer porösen Membran biaxial gereckt.
Eine Membran kann auch durch ein Verfahren an einem Substrat
befestigt werden, welches das Aufbringen eines Lösemittels um
faßt, gegen welches die Membran passiv ist, doch welches das
Trägermaterial auflöst. Die Membran wird mit dem Lösemittel ge
tränkt und dann mit dem Trägermaterial in Kontakt gebracht. Der
Kontakt der getränkten Membran mit dem Trägermaterial löst
einen Teil des Trägermaterials auf, welches dann nach Entfernen
des Lösemittels integral an der Membran befestigt ist. Dieses
Verfahren hat den schwerwiegenden Mangel, daß es extrem schwie
rig sein kann, eine gleichmäßige Verteilung von Lösemittel über
die ganze Membran hinweg zu dem Zeitpunkt beizubehalten, an
welchem sie auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Einfaches
Eintauchen oder jedes Verfahren, welches die Handhabung der
nassen Membran einschließt, hinterläßt unweigerlich in manchen
Bereichen der Membran mehr Lösemittel als in anderen. Als Folge
davon kann in manchen Bereichen des Kontakts eine übermäßig
starke Bindung entstehen, während in anderen Bereichen die Bin
dung zwischen der Membran und dem Trägermaterial unzureichend
sein kann. Außerdem wird die Handhabung der Membran durch die
rasche Verdunstung des Lösemittels erschwert, so daß ein be
trächtlicher Verlust an Lösemittel innerhalb weniger Sekunden
auftreten kann, wodurch der Versuch, eine einheitlich sichere
Bindung zu erhalten, noch schwieriger gemacht wird. Ferner kann
beim Verdunsten des Lösemittels während des Auflöse- und Bin
dungsprozesses eine Wanderung von aufgelöstem Trägermaterial in
die Poren der Membran stattfinden, so daß sich gelöstes Träger
material in der Membran ablagern kann, wodurch wenigstens ein
teilweises Verstopfen (d. h. Verändern der Porengröße und Ver
mindern der Durchlässigkeit) der Membran eintritt.
Somit besteht weiterhin ein Bedarf für ein Verfahren zum Ver
haften einer Membran mit der Oberfläche eines Trägermaterials,
insbesondere eines steifen Trägermaterials, wobei dieses Ver
fahren ein sicheres Haften der Membran an dem Trägermaterial
gewährt, ohne im wesentlichen weder die Membran noch das Trä
germaterial nachteilig zu beeinflussen. Die vorliegende Erfin
dung sucht ein solches Verfahren und die daraus hervorgehende
Membran/Träger-Anordnung zu bieten. Diese und andere Zielset
zungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie zusätzli
che erfindungsgemäße Merkmale werden in der hier dargelegten
Beschreibung der Erfindung deutlich werden.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Membran/Träger-Anord
nung, umfassend eine Membran, welche an ein Trägermaterial mit
tels eines dazwischen angeordneten Faservlies aus Mehrkomponen
tenfasern gebunden ist. Die Mehrkomponentenfasern umfassen ein
erstes Polymer und ein zweites Polymer derart, daß das zweite
Polymer auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der Mehrkompo
nentenfasern vorliegt und eine Erweichungstemperatur aufweist,
die unter den Erweichungstemperaturen des ersten Polymers, der
Membran und des Trägermaterials liegt. Die Membran/Träger-An
ordnung weist eine Wasserdurchflußrate von wenigstens ungefähr
20% der Wasserdurchflußrate der Membran allein auf. Die vor
liegende Erfindung schafft auch ein Filterelement, umfassend
ein Gehäuse und eine solche Membran/Träger-Anordnung, sowie ein
Verfahren zur Herstellung einer solchen Membran/Träger-Anord
nung und Verfahren zur Verwendung einer solchen Membran/Träger-
Anordnung.
Die Membran/Träger-Anordnung der vorliegenden Erfindung umfaßt
eine Membran und ein Trägermaterial sowie ein dazwischen ange
ordnetes Faservlies aus Mehrkomponentenfasern, welche ein er
stes Polymer und ein zweites Polymer umfassen, so daß das
zweite Polymer auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der
Mehrkomponentenfasern angeordnet ist und eine Erweichungstem
peratur aufweist, die unter den Erweichungstemperaturen des er
sten Polymers, der Membran und des Trägermaterials liegt, wobei
die Membran/Träger-Anordnung eine Wasserdurchflußrate von we
nigstens ungefähr 20% der Wasserdurchflußrate der Membran al
lein aufweist.
Jede geeignete poröse Membran kann im Zusammenhang mit der vor
liegenden Erfindung verwendet werden. Geeignete Membranen um
fassen mikroporöse Membranen (z. B. Membranen, welche im allge
meinen Porendimensionierungen von ungefähr 20 nm bis ungefähr
100 µm oder mehr aufweisen), Ultrafiltrationsmembranen (z. B.
Membranen, welche im allgemeinen Porendimensionierungen von we
niger als ungefähr 20 nm aufweisen), Nanofiltrationsmembranen
und Umkehrosmosemembranen. Die Membran kann aus jedem geeigne
ten Material hergestellt sein, beispielsweise aus Metallen, Ke
ramik und Polymeren. Geeignete Membranen aus Metall umfassen
Stahlmembranen, beispielsweise aus nichtrostendem Stahl, und
Nickelmembranen. Membranen aus nichtrostendem Stahl sind als
PMM®-Metallmembranfilter im Handel erhältlich (Pall Corpora
tion, East Hills, New York). Die Membran wird vorzugsweise aus
einem polymeren Material wie beispielsweise Polyamid, Polyviny
lidenfluorid, Polytetrafluoroethylen, Polyethersulfon, Poly
ethylen und Polypropylen hergestellt. Noch bevorzugtere Membra
nen umfassen Polyamid-, beispielsweise Nylon-, und Polytetra
fluoroethylenmembranen, wobei die am meisten bevorzugte Membran
eine Polytetrafluoroethylenmembran ist. Die Herstellung solcher
Membranen ist zum Beispiel in der U.S.-Patentschrift Nr.
4,340,479 beschrieben, und solche Membranen sind unter einer
Vielzahl von Warenzeichen wie beispielsweise Ultipor® (Pall
Corporation, East Hills, New York) im Handel erhältlich.
Das Faservlies aus Mehrkomponentenfasern kann alle geeigneten
Mengen von erstem und zweitem Polymer umfassen, so daß das
zweite Polymer auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der
Mehrkomponentenfasern vorliegt und eine Erweichungstemperatur
aufweist, welche unter der Erweichungstemperatur des ersten
Polymers, der Membran und des Trägermaterials liegt. Typischer
weise umfassen die Mehrkomponentenfasern wenigstens ungefähr
10 Gew.-% eines ersten Polymers mit einer ersten Erweichungs
temperatur und nicht mehr als ungefähr 90 Gew.-% eines zweiten
Polymers mit einer zweiten Erweichungstemperatur, welche unter
der ersten Erweichungstemperatur sowie unter den Erweichungs
temperaturen der Membran und des Trägermaterials liegt. Die
Mehrkomponentenfasern umfassen vorzugsweise wenigstens ungefähr
30 Gew.-%, noch bevorzugter wenigstens ungefähr 40 Gew.-% (z. B.
ungefähr 40-60 Gew.-%) des ersten Polymers und nicht mehr als
ungefähr 70 Gew.-%, noch bevorzugter nicht mehr als ungefähr
60 Gew.-% (z. B. ungefähr 60 - 40 Gew.-%) des zweiten Polymers.
Die Mehrkomponentenfasern umfassen vorzugsweise einen Kern aus
dem ersten Polymer und eine diesen wenigstens teilweise um
schließende Oberflächenbeschichtung aus dem zweiten Polymer.
Noch bevorzugter umfassen die Mehrkomponentenfasern einen Kern
aus dem ersten Polymer und eine Hülle aus dem zweiten Polymer
(d. h. das zweite Polymer bildet eine durchgehende Überzugs
schicht über der Oberfläche des Kerns aus dem ersten Polymer).
Die Mehrkomponentenfasern des Faservlieses können aus allen ge
eigneten Polymeren hergestellt werden. Vorzugsweise ist wenig
stens das zweite Polymer, noch bevorzugter auch das erste Poly
mer, ein thermoplastisches Polymer. Am meisten bevorzugt ist
die Herstellung der Mehrkomponentenfasern des Faservlieses aus
geeigneten Polyolefinen. Geeignete Polyolefine umfassen Poly
ester, Polyethylen, Polypropylen und Polymethylpenten. Das er
ste Polymer ist vorzugsweise Polyester, während das zweite Po
lymer vorzugsweise Polyethylen ist. Die Fasern des Faservlieses
können anhand jedes geeigneten Mittels hergestellt und anhand
jedes geeigneten Mittels, etwa den herkömmlichen Langsieb
papierherstellungsverfahren, zu einem Faservlies verarbeitet
werden. Obwohl die Mehrkomponentenfasern vorzugsweise Bikompo
nentenfasern, d. h. aus nur zwei Polymeren hergestellte Fasern
sind, können das erste und/oder das zweite Polymer wie in die
ser Beschreibung beschrieben als Polymermischungen betrachtet
werden. Die Mehrkomponentenfaser kann auch einen geeigneten
Haftverstärker, z. B. einen Silan-Haftvermittler, umfassen, ins
besondere wenn die Membran oder das Trägermaterial aus einem
Metall, beispielsweise nichtrostendem Stahl, besteht.
Die spezielle Kombination von Polymeren für die Mehrkomponen
tenfasern sollte so ausgewählt sein, daß die Erweichungstem
peraturen des ersten und zweiten Polymers sich ausreichend von
einander unterscheiden, damit das Erweichen des zweiten Poly
mers bewirkt werden kann, ohne das erste Polymer sowie die Mem
bran und das Trägermaterial dadurch nachteilig zu beeinflussen.
So weisen die Membran, das erste Polymer und das Trägermaterial
vorzugsweise Erweichungstemperaturen auf, welche wenigstens un
gefähr 20°C, noch bevorzugter mindestens ungefähr 50°C über
der Erweichungstemperatur des zweiten Polymers liegen. Das
zweite Polymer hat typischerweise eine Erweichungstemperatur
von ungefähr 110°C bis ungefähr 200°C, noch typischer unge
fähr 110°C bis ungefähr 150°C. Zwar können die Schmelztempe
raturen der Membran, des Trägermaterials und der ersten und
zweiten Polymere des Faservlieses in Betracht gezogen werden,
doch stellen die Erweichungstemperaturen ein praktischeres Maß
der Temperaturen dar, bei welchen ein Deformieren und/oder ein
Schmelzfließen der verschiedenen Elemente der vorliegenden er
findungsgemäßen Membran/Träger-Anordnung stattfinden kann.
Die zur Bildung des Faservlieses verwendeten Fasern haben vor
zugsweise einen mittleren oder durchschnittlichen Durchmesser
von ungefähr 50 µm oder weniger. Noch bevorzugter weisen min
destens 90%, am meisten bevorzugt im wesentlichen alle der das
Faservlies bildenden Fasern einen Durchmesser von ungefähr
50 µm oder weniger auf. Die das Faservlies bildenden Fasern
haben typischerweise einen Durchmesser von ungefähr 5-50 µm,
noch typischer ungefähr 10-30 µm. Die Fasern können jede ge
eignete Länge aufweisen, z. B. ungefähr 0,5-8 cm.
Das Faservlies kann jede(s) geeignete Flächengewicht (oder flä
chenbezogene Masse) aufweisen. Das Faservlies hat vorzugsweise
ein Flächengewicht von wenigstens ungefähr 20 g/m², noch bevor
zugter zwischen ungefähr 20 g/m² und ungefähr 200 g/m², am mei
sten bevorzugt zwischen ungefähr 20 g/m² und ungefähr 100 g/m².
Das Faservlies kann jede geeignete Dicke aufweisen und ist im
allgemeinen wenigstens ungefähr 50 µm dick. Das Faservlies hat
vorzugsweise eine ausreichende Dicke, um der Membran/Träger-
Anordnung die erwünschte Ablösefestigkeit zu verleihen. Ferner
sollte das Faservlies eine ausreichende Dicke haben, um die er
wünschte räumliche Trennung zwischen der Membran und dem Trä
germaterial zu ermöglichen, damit eine ausreichende laterale
Strömung (z. B. Strömung quer oder entlang von Kanten) durch das
Faservlies möglich ist, wodurch das Druckgefälle über die Mem
bran/Träger-Anordnung minimiert wird. Das Faservlies hat vor
zugsweise eine Dicke von weniger als ungefähr 5000 µm, noch be
vorzugter von weniger als ungefähr 2500 µm, und am meisten be
vorzugt von ungefähr 50 bis ungefähr 1000 µm.
Bezüglich der Dicke sollte das Faservlies so gleichmäßig wie
möglich sein. Vorzugsweise weist das Faservlies Schwankungen in
der Dicke von nicht mehr als ungefähr ±10%, noch bevorzugter
von ungefähr ±9% auf, was etwa 3 Standardabweichungen der
mittleren Dicke des Faservlieses darstellt. Am meisten bevor
zugt ist eine Schwankung der Dicke des Faservlieses von nicht
mehr als ungefähr ±5%.
Das Faservlies kann jede geeignete Luftdurchlässigkeit auf
weisen. Typischerweise hat das Faservlies eine Luftdurchlässig
keit von ungefähr 30000 bis 500000 Liter pro Minute/m². Das Fa
servlies hat vorzugsweise eine Luftdurchlässigkeit von ungefähr
100000 bis ungefähr 300000 Liter pro Minute/m².
Das Trägermaterial kann jedes geeignete Material umfassen, wün
schenswerterweise ein Material, das steifer ist als die Membran
und vorzugsweise eine Zugfestigkeit von wenigstens ungefähr dem
Fünffachen der Zugfestigkeit der Membran aufweist. Außerdem
sollte die Erweichungstemperatur des Trägermaterials höher sein
als die Erweichungstemperatur des zweiten Polymers der Mehrkom
ponentenfasern.
Das Trägermaterial ist typischerweise ein polymeres Material
oder ein Metall. Geeignete polymere Materialien umfassen Poly
amid (z. B. Nylon), Polypropylen, Polyethersulfon (PES), Poly
sulfon (PSO), Polyetherimid (PEI), Polyetheretherketon (PEEK)
und Polyetherketon (PEK). Geeignete metallische Materialien um
fassen Metalle und Legierungen in einer Vielzahl von Formen,
z. B. in Blech-, Faser- und Maschenformen.
Das Trägermaterial kann porös sein, so daß das filtrierte Fluid
durch das Trägermaterial fließt, oder nicht porös sein, so daß
das filtrierte Fluid seitlich durch das Faservlies zwischen der
Membran und dem Trägermaterial fließt. Das Trägermaterial ist
vorzugsweise ein poröses Blech aus nichtrostendem Stahl, z. B.
mit chemisch darin eingeätzten Löchern.
Vorzugsweise wird das Trägermaterial dadurch besser für das
Haften an dem Faservlies vorbereitet, daß die Oberfläche des
Trägermaterials angerauht wird, z. B. durch Ätzen und/oder Un
terwerfen des Trägermaterials einer Wärmebehandlung oder einer
anderen oxidierenden Oberflächenbehandlung.
Das Trägermaterial kann auch eine Membran sein. So können zwei
Membranen mit derselben oder unterschiedlichen Zusammenset
zung(en) oder Konfiguration(en) mittels des Faservlieses aus
Mehrkomponentenfasern miteinander verbunden werden. Bei solchen
Ausführungsformen sind die Membran und das Trägermaterial vor
zugsweise dieselben. Dies kann durch Verwenden zweier Membranen
mit derselben Zusammensetzung und Konfiguration bewirkt werden
oder durch Zusammenfalten einer einzelnen Membran, welche mit
sich selbst mittels des Faservlieses aus Mehrkomponentenfasern
verbunden wird. Bei Ausführungsbeispielen, bei welchen eine
Membran mit einer anderen Membran verhaftet ist (entweder eine
separate Membran oder ein Teil ihrerselbst), kann Fluid durch
eine der Membranen, das Faservlies und dann durch die andere
Membran fließen, obwohl es üblicher ist, daß Fluid gleichzeitig
durch beide Membranen in das Faservlies aus Mehrkomponenten
fasern fließt, wo das Fluid dann bis zum Erreichen eines geeig
neten Auslasses seitwärts zwischen den Membranen fließt.
Das Aneinanderhaften der Membran, des Faservlieses und des Trä
germaterials wird dadurch bewirkt, daß das Faservlies einer
Temperatur unterworfen wird, welche über der Erweichungstempe
ratur des zweiten Polymers, doch unter den Erweichungstempera
turen des ersten Polymers, des Faservlieses und des Trägermate
rials liegt. In anderen Worten gesagt wird das Faservlies einer
Temperatur unterworfen, welche ausreicht, um das zweite Polymer
wenigstens teilweise zu erweichen, ohne die anderen Komponenten
der Membran/Träger-Anordnung wesentlich zu erweichen, so daß
das zweite Polymer in ausreichendem Maße schmelzfließen kann,
um die erwünschte Haftung zwischen dem Faservlies und der Mem
bran sowie dem Trägermaterial zu bewirken.
So bietet die vorliegende Erfindung eine Methode zur Herstel
lung einer Membran/Träger-Anordnung, wobei das Verfahren umfaßt
- (a) Anordnen eines Faservlieses aus Mehrkomponentenfasern zwi schen einer Membran und einem Trägermaterial zur Bildung einer Membran/Träger-Anordnung, wobei die Mehrkomponenten fasern wenigstens ungefähr 60 Gew.-% eines ersten Polymers und nicht mehr als 40 Gew.-% eines zweiten Polymers umfas sen, so daß das zweite Polymer wenigstens auf einem Teil der Oberfläche der Mehrkomponentenfasern vorliegt und eine Erweichungstemperatur aufweist, die unter den Erweichungs temperaturen des ersten Polymers, der Membran und des Trä germaterials liegt;
- (b) Unterwerfen des Faservlieses einer Temperatur, welche über der Erweichungstemperatur des zweiten Polymers und unter halb der Erweichungstemperaturen des ersten Polymers, der Membran und des Trägermaterials liegt; und
- (c) Anwenden von Druck auf die Membran/Träger-Anordnung, wäh rend das Faservlies eine Temperatur über der Erweichungs temperatur des zweiten Polymers aufweist, so daß die Mem bran und das Trägermaterial mit dem Faservlies verhaftet werden und die Membran/Träger-Anordnung eine Wasserdurch flußrate von wenigstens ungefähr 20% der Wasserdurchfluß rate der Membran allein aufweist.
Das Faservlies kann anhand aller geeigneten Mittel einer sol
chen Temperatur unterworfen werden, wobei diese Mittel Heiz
platten, Induktion, Mikrowellen, Hochfrequenz, Konvektion und
dergleichen einschließen, jedoch nicht darauf beschränkt sind.
Beispielsweise kann die Anordnung in einen Ofen oder auf eine
Heizplatte gelegt oder noch bevorzugter durch aufgeheizte
Quetschwalzen und/oder zwischen aufgeheizten Förderbändern
durchgeführt werden, solange ein erwünschter Grad der Haftung,
z. B. Ablösefestigkeit, zwischen den Schichten ohne unzulässiges
Verstopfen oder Verschließen der Poren erhalten wird. Gleicher
maßen kann auch ein Teil der Anordnung auf die gewünschte Tem
peratur gebracht und dann mit dem (den) übrigen Teil(en) der
Anordnung verbunden werden.
Am meisten bevorzugt wird das Anwenden von Wärme auf die Anord
nung über einen Zeitraum, der ausreicht, damit das Faservlies
ein Gleichgewicht bei der gewünschten Temperatur erreichen
kann. Die Dauer des Zeitraums einer solchen Erwärmung hängt
teilweise von der Methode der Wärmeanwendung und von den ge
nauen physikalischen Eigenschaften der Komponenten der Anord
nung ab.
Während das Faservlies diese erhöhte Temperatur aufweist, d. h.
eine Temperatur, welche über der Erweichungstemperatur des
zweiten Polymers liegt, wird die Anordnung vorzugsweise der An
wendung einem geeigneten Druck unterworfen, was auf jede geeig
nete Weise bewirkt werden kann, z. B. mittels Quetschwalzen und
dergleichen. Die zum Bewirken einer guten Haftung der verschie
denen Komponenten der Anordnung benötigte Menge des auf die er
wärmte Anordnung angewendeten Drucks variiert ebenfalls in Ab
hängigkeit von der exakten Methode, welche zum Bewirken der
Haftung der Komponenten der Anordnung verwendet wird, und von
der physikalischen Natur dieser Komponenten. Im allgemeinen
reicht die Anwendung eines Drucks von ungefähr 5-1500 kPa
aus, wobei die Anwendung von ungefähr 10-1000 kPa noch typi
scher ist.
Der Druck muß über einen ausreichenden Zeitraum angewendet wer
den, um dem zweiten Polymer der das Faservlies bildenden Mehr
komponentenfasern ein Deformieren oder Schmelzfließen zu ermög
lichen, um den gewünschten Grad der Haftung zwischen den Kompo
nenten der Anordnung zu bewirken, ohne daß der übrige Teil der
Membran/Träger-Anordnung dadurch ungünstig beeinflußt wird,
z. B. dessen Deformierung oder Schmelzfließen verursacht wird.
Im allgemeinen kann der gewünschte Druck über ungefähr 1-60
Sekunden, vorzugsweise über ungefähr 1-30 Sekunden angewendet
werden.
Vorsicht sollte angewandt werden, um sicherzustellen, daß der
angewendete Druck nicht auf eine Weise ausgeübt wird, daß die
Membran/Träger-Anordnung ungünstig beeinflußt wird. Außerdem
sollte kein Druck auf die Membran/Träger-Anordnung angewendet
werden, welche dem Faservlies seine Porosität nehmen würde,
oder der die Absorptions- und Fluidfließeigenschaften durch das
Faservlies (lateraler und/oder vertikaler Fluß) zu einem we
sentlichen Grad nachteilig beeinflussen würde, obwohl es in
manchen Fällen wünschenswert sein kann, einen Teil des Faser
vlieses nicht porös, d. h. für Fluidfluß undurchlässig, zu ma
chen, beispielsweise zur Regulierung des Fluidflusses. Ein sol
cher Ansatz ist besonders beim fluidfesten Versiegeln der Kan
ten der Membran/Träger-Anordnung zweckmäßig, um ein Austreten
von Fluid zu verhindern und den Fluß des Fluids zu einem geeig
neten Auslaß zu lenken.
Die Membran/Träger-Anordnung wird wünschenswerterweise so her
gestellt, daß die Anordnung eine ausreichend hohe Durchlässig
keit und Ablösefestigkeit aufweist. Insbesondere weist die Mem
bran/Träger-Anordnung vorzugsweise eine Wasserdurchflußrate von
wenigstens ungefähr 50%, noch bevorzugter von wenigstens unge
fähr 70%, und am meisten bevorzugt von wenigstens ungefähr
90% der Wasserdurchflußrate der Membran allein auf. Die Was
serdurchflußrate ist die Menge des Wassers pro Zeiteinheit pro
Druckeinheit pro Membranflächeneinheit und wird in dieser Be
schreibung in ml/min/kPa/m² ausgedrückt. Die Wasserdurchfluß
rate wird möglichst bei einem angewendeten Druck von 35 kPa ge
messen, und alle in dieser Beschreibung angeführten Werte der
Wasserdurchflußrate stellen Messungen bei einem solchen ange
wendeten Druck dar.
Desweiteren weist die Membran/Träger-Anordnung vorzugsweise Ab
lösefestigkeiten zwischen der Membran und dem Faservlies bzw.
zwischen dem Faservlies und dem Trägermaterial von wenigstens
ungefähr 50 kg/m, bevorzugter von wenigstens ungefähr 100 kg/m
und am meisten bevorzugt von wenigstens ungefähr 150 kg/m im
trockenen Zustand auf, und am meisten bevorzugt auch nach 30mi
nütigem Einweichen in Wasser bei 90°C. Die Membran/Träger-An
ordnung weist idealerweise Ablösefestigkeiten zwischen Membran
und Faservlies sowie zwischen Faservlies und Trägermaterial
auf, welche hoch genug sind, daß die Komponenten der Membran/
Träger-Anordnung nicht voneinander abgezogen werden können,
ohne die Membran und/oder das Trägermaterial zu zerstören.
Die vorliegende erfindungsgemäße Membran/Träger-Anordnung kann
vorzugsweise Schergeschwindigkeiten, wie sie beim dynamischen
Filtrieren auftreten, von wenigstens ungefähr 200000 Sek-1,
noch bevorzugter von wenigstens ungefähr 400000 Sek-1 und am
bevorzugtesten von wenigstens ungefähr 500000 Sek-1 standhal
ten. Gleichermaßen sollte die vorliegende erfindungsgemäße Mem
bran/Träger-Anordnung wünschenswerterweise einem Rückflußdruck
von wenigstens ungefähr 100 kPa, bevorzugter von wenigstens un
gefähr 200 kPa, noch bevorzugter von wenigstens ungefähr 400 kPa
und am meisten bevorzugt von wenigstens ungefähr 500 kPa
standhalten können.
Die vorliegende erfindungsgemäße Membran/Träger-Anordnung kann
für jeden geeigneten Zweck verwendet werden, z. B. für jeden
Zweck, für welchen eine herkömmliche Membran/Träger-Anordnung
verwendet werden könnte. Da die vorliegende erfindungsgemäße
Membran/Träger-Anordnung hervorragende Adhäsionseigenschaften
aufweist und gleichzeitig gute Durchlässigkeitseigenschaften
behält, kann die vorliegende erfindungsgemäße Membran/Träger-
Anordnung auch für Anwendungen und in Umgebungen verwendet
werden, für welche eine herkömmliche Membran/Träger-Anordnung
vielleicht nicht zweckmäßig ist, wie etwa in Umgebungen mit
hohen Schergeschwindigkeiten oder gepulstem Fluß oder in Anwen
dungen, in welchen die Membran/Träger-Anordnung einem hohen
Rückflußdruck unterworfen ist. Die vorliegende erfindungsgemäße
Membran/Träger-Anordnung ist in Querstromfiltrationsvorrich
tungen und -anwendungen nützlich und besonders gut geeignet für
Vorrichtungen und Anwendungen zum dynamischen Filtrieren, ins
besondere diejenigen, welche rotierende und vibrierende Vor
richtungen zum dynamischen Filtrieren umfassen.
Somit bietet die vorliegende Erfindung ein Filterelement, wel
ches ein Gehäuse und die erfindungsgemäße Membran/Träger-An
ordnung umfaßt. Ein solches Filterelement kann die vorliegende
erfindungsgemäße Membran/Träger-Anordnung in jeder geeigneten
Konfiguration umfassen, z. B. einschließlich einer blattartigen
Form, wobei das Trägermaterial eine Platte ist, einer gefalte
ten Konfiguration, bei welcher das Trägermaterial ein Maschen
gewebe ist, oder einer röhrenförmigen Konfiguration, bei wel
cher das Trägermaterial eine Röhre ist. Die vorliegende Erfin
dung bietet auch ein Verfahren zum Filtrieren eines Fluids, wo
bei das Verfahren das Durchleiten eines Fluids durch die erfin
dungsgemäße Membran/Träger-Anordnung umfaßt.
Die folgenden Beispiele dienen der näheren Erläuterung der vor
liegenden Erfindung und sollten selbstverständlich nicht als
deren Umfang in irgendeiner Weise einschränkend verstanden wer
den.
Dieses Beispiel erläutert die überlegenen Durchlässigkeits- und
Adhäsionseigenschaften der vorliegenden erfindungsgemäßen Mem
bran/Träger-Anordnung. Gemessen wurde im einzelnen die Durch
lässigkeit einer Membran allein (Probe 1A), einer mit einem
Träger aus nichtrostendem Stahl kombinierten, aber nicht damit
verbundenen Membran (Probe 1B), einer mit dem Faservlies aus
Mehrkomponentenfasern kombinierten und damit verbundenen Mem
bran ohne jegliches Trägermaterial (Proben 1C und 1D), einer
mit dem Träger aus nichtrostendem Stahl kombinierten, aber
nicht damit verbundenen Membran mit einem dazwischen angeord
neten Faservlies aus Mehrkomponentenfasern (Proben 1E-1G),
und einer Membran, welche mit dem Faservlies und dem Träger aus
nichtrostendem Stahl auf verschiedene Weisen gemäß der vorlie
genden Erfindung verhaftet wurde (Proben 1H-1L). Die jewei
lige Ablösefestigkeit der verschiedenen Ausführungsformen der
vorliegenden erfindungsgemäßen Membran/Träger-Anordnung wurde
auch ermittelt.
Die bei dieser Versuchsreihe verwendete Membran war eine Poly
amidmembran mit einer Porendimensionierung von 0,45 µm, im Han
del erhältlich als Ultipor® N6,6 (Pall Corporation, East Hills,
New York). Der Träger aus nichtrostendem Stahl war eine Platte
aus nichtrostendem 304-Stahl mit einer Dicke von ungefähr
305 µm, in welche Löcher mit einem Durchmesser von ungefähr
380 µm chemisch geätzt worden waren. Diese Löcher, durch welche
das Filtrat von der Membran abgezogen wird, waren mit einem
Mittenabstand von ungefähr 900 µm zueinander angeordnet, wo
durch eine für die Permeation offene Fläche von ungefähr 16%
geschaffen wurde. Die Oberfläche der Platte aus nichtrostendem
Stahl wurde während des Ätzens der Löcher chemisch angerauht,
was das Verhaften mit der Membran verstärkte. Die Plattenober
fläche wurde ferner für ein noch besseres Anhaften vorbereitet,
indem die Platte ungefähr eine Stunde lang in einem Ofen einer
Temperatur von ungefähr 370°C ausgesetzt wurde.
Zwei unterschiedliche Faservliese aus Mehrkomponentenfasern
wurden bei dieser Versuchsreihe verwendet: Celbond® T105- und
T106-Fasern (Hoechst-Celanese, Salisbury, North Carolina).
Beide Faservliese umfaßten 100% konzentrisch orientierte Bi
komponentenfasern mit einer Hülle aus Polyethylen niedriger
Dichte mit linearer Struktur (LLDPE) mit einer Schmelztempera
tur von 127°C und einem Polyesterkern mit einer Schmelztempe
ratur von 256°C.
Das T105-Faservlies hatte ein Flächengewicht von ungefähr
68 g/m² und war ein naßverlegtes Wirrfaservlies mit einer Zu
sammensetzung aus Celbond® T105-Fasern mit einem Durchmesser
von ungefähr 20 µm × 1,27 cm Länge. Die Dicke des T105-Faser
vlieses betrug ungefähr 406 µm (Testverfahren nach ASTM D-1777),
während die Luftdurchlässigkeit des Vlieses ungefähr 167000 Li
ter pro Minute/m² betrug (Testverfahren nach ASTM D-737). Die
Zugfestigkeit des T105-Faservlieses betrug ungefähr 107 kg/li
nearer m in der Maschinenlaufrichtung und ungefähr 71 kg/linea
rer m in der Maschinenquerrichtung (Testverfahren nach ASTM
D-1117).
Das T106-Faservlies hatte ein Flächengewicht von ungefähr 47 g/
m² und war ein Krempelfaservlies mit einer Zusammensetzung aus
Celbond® T106-Fasern mit einem Durchmesser von ungefähr 20 µm
× 3,81 cm Länge. Die Dicke des T106-Faservlieses betrug unge
fähr 1854 µm (Testverfahren nach ASTM D-1777), während die
Luftdurchlässigkeit des Vlieses ungefähr 256000 Liter pro Minu
te/m² betrug (Testverfahren nach ASTM D-737). Die Zugfestigkeit
des T106-Faservlieses betrug ungefähr 223 kg/linearer m in der
Maschinenlaufrichtung und ungefähr 45 kg/linearer m in der Ma
schinenquerrichtung (Testverfahren nach ASTM D-1117).
Der Filtratfluß wurde durch Messen des Flusses von entionisier
tem Wasser bei Umgebungstemperatur (z. B. ungefähr 20-25°C)
bei einem angewandten Druck von ungefähr 35 kPa ermittelt. Die
Wasserdurchflußrate durch die Membran allein betrug ungefähr
99 Liter pro Minute/m² oder ungefähr 2,8 Liter pro Minute/m²/
kPa. Die Durchlässigkeit einer jeweiligen Anordnung wurde durch
Ermitteln der Wasserdurchflußrate durch die Anordnung bei einem
angewandten Druck von ungefähr 35 kPa und Dividieren dieser
Durchflußrate durch die Durchflußrate durch die Membran allein
(d. h. ungefähr 99 Liter pro Minute/m² bzw. ungefähr 2,8 Liter
pro Minute/m²/kPa) zum Erhalten einer Durchlässigkeit in Pro
zent berechnet.
Das Verbinden der Membran, des Faservlieses und der Platte aus
nichtrostendem Stahl wurde unter Verwendung entweder einer
Heizplatte oder eines Laminators bewirkt. Beide Verfahren um
fassen Erwärmen auf eine bestimmte Gleichgewichtstemperatur,
eine Verweilzeit bei dieser Temperatur und das Anwenden eines
bestimmten Preßdrucks, wobei all diese Werte in Tabelle 1 an
geführt sind.
Was die Verwendung der Heizplatte betrifft, so wurde der Träger
aus nichtrostendem Stahl auf eine Heizplatte gesetzt und 5 Mi
nuten lang erwärmt, um ein thermisches Gleichgewicht bei 135-
140°C zu erreichen. Die Temperatur lag über der Schmelztempe
ratur der Faserhüllenkomponente der Bikomponentenfasern und un
terhalb der Schmelztemperatur der Kernkomponente der Bikompo
nentenfasern sowie der Membran und des Trägers aus nichtrosten
dem Stahl. Als das thermische Gleichgewicht erreicht war, wur
den eine Schicht des Faservlieses aus den Bikomponentenfasern
und die Membran auf dem Träger aus nichtrostendem Stahl so an
geordnet, daß das Faservlies sowohl mit dem Träger aus nicht
rostendem Stahl als auch mit der Membran in Kontakt war. Als
die Membran, das Faservlies und der Träger aus nichtrostendem
Stahl in ihrer korrekten Position waren, wurde eine gleichmäßi
ge Last bzw. ein gleichmäßiger Preßdruck über die angegebene
Verweilzeit beaufschlagt bzw. angewendet, und nach deren Ver
streichen wurde die Membran/Träger-Anordnung bei Raumtemperatur
abkühlen gelassen.
Was die Verwendung des Laminators betrifft, so wurde die Mem
bran/Träger-Anordnung korrekt schichtweise zusammengelegt und
dann in einen Laminator eingeführt, welcher aufgeheizte obere
und untere Förderbänder umfaßte, durch welche die Anordnung ge
führt wurde. Die Temperatur der Bänder wurde auf 160-170°C
eingestellt, d. h. oberhalb der Schmelztemperatur der Hüllenkom
ponente der Bikomponentenfasern und unterhalb der Schmelztempe
ratur der Kernkomponente der Bikomponentenfasern sowie der Mem
bran und des Trägers aus nichtrostendem Stahl. Der Abstand zwi
schen den beiden Bändern, als der Bandabstand bezeichnet, wel
cher 1,6 mm betrug, wurde auf ungefähr die Dicke der nicht ver
bundenen Anordnung eingestellt, um die Anordnung gleichmäßig zu
erwärmen, bevor Preßdruck angewendet wurde. Während die Anord
nung die aufgeheizten Förderbänder durchlief, wurde das thermi
sche Gleichgewicht erreicht, wobei die Verweilzeit vor der An
wendung von Preßdruck (welche durch die Geschwindigkeit der
Förderbänder bestimmt wird) einen Zeitraum wie in Tabelle 1 an
geführt umfaßte. Der Abstand zwischen dem unteren Förderband
und der Quetschwalze, d. h. der Quetschwalzenabstand, betrug
0,4 mm und der Quetschwalzendruck war wie in Tabelle 1 ange
geben. Nach Verlassen der Quetschwalze wurde die Membran/Trä
ger-Anordnung bei Umgebungstemperatur abkühlen gelassen.
Die Ablösefestigkeit zwischen zwei Schichten wurde gemäß ASTM
D-2724 durch Abziehen der beiden Schichten in gegenüberliegende
Richtungen bei einem Winkel von 180° voneinander fort bestimmt.
Zum Zwecke der Beschreibung der vorliegenden erfindungsgemäßen
Membran/Träger-Anordnung ist die Ablösefestigkeit die Kraft,
welche für das Abziehen der einen der beiden verbundenen
Schichten von der anderen Schicht (welche befestigt ist) bei
einer Geschwindigkeit von 5,08 cm/min bei einer konstanten Deh
nungsgeschwindigkeit innerhalb eines Streifens der verbundenen
Lagen mit einer Breite von 2,54 cm und einer Länge von 10,16 cm
erforderlich ist. Die Ablösefestigkeit von verbundenen Schich
ten wurde auch nach einem Einweichen jedes Teststreifens in
Wasser bei 90°C über einen Zeitraum von 30 Minuten bestimmt.
Die Verbindungsbedingungen und physikalischen Eigenschaften der
verschiedenen Anordnungen, welche in diesen Versuchen beurteilt
wurden, sind im folgenden in Tabelle 1 aufgeführt. Das für die
Proben 1C-1E, 1G-1J und 1L verwendete Faservlies war das
T105-Faservlies, während das für die Proben 1F und 1K verwen
dete Faservlies das T106-Faservlies war.
Wie aus den in Tabelle 1 angeführten Daten ersichtlich ist,
weist die vorliegende erfindungsgemäße Membran/Träger-Anordnung
ausgezeichnete Durchlässigkeits- und Adhäsionseigenschaften
auf. Im einzelnen behält die vorliegende erfindungsgemäße Mem
bran/Träger-Anordnung (wie durch die Proben 1H-1L beispiel
haft dargestellt) einen wesentlichen Teil der Durchlässigkeit
der nicht verbundenen Anordnung (wie durch die Proben 1E, 1F
und 1G beispielhaft dargestellt) und sogar von der Membran al
lein bei (wie durch die Probe 1A beispielhaft dargestellt),
während sie ausgezeichnete Adhäsionseigenschaften aufweist, wie
durch die Ablösefestigkeitswerte bewiesen ist. In der Tat hat
das Vorhandensein des Faservlieses aus Mehrkomponentenfasern
nur eine geringe ungünstige Wirkung auf die Durchlässigkeit,
wie durch einen Vergleich der jeweiligen Durchlässigkeit der
vorliegenden erfindungsgemäßen Membran/Träger-Anordnungen (wie
durch die Proben 1H-1L beispielhaft dargestellt) mit nur der
Membran und dem Faservlies (wie durch die Proben 1C und 1D bei
spielhaft dargestellt) anschaulich gemacht wird. Desweiteren
werden die Eigenschaften des lateralen Flusses der vorliegenden
erfindungsgemäßen Membran/Träger-Anordnung durch einen Ver
gleich der jeweiligen Durchlässigkeit der vorliegenden erfin
dungsgemäßen Anordnungen (wie durch die Proben 1H-1L bei
spielhaft dargestellt) mit nur der Membran und dem Träger (wie
durch die Probe 1B beispielhaft dargestellt) veranschaulicht.
Die Membran/Träger-Anordnung, für welche das T105-Faservlies
(wie durch die Proben 1H, 1J, 1I und 1L beispielhaft darge
stellt) bzw. das T106-Faservlies (wie durch die Probe 1K bei
spielhaft dargestellt) verwendet wurde, wies ausgezeichnete Ab
lösefestigkeitseigenschaften zwischen der Membran und dem Fa
servlies sowohl im nassen als auch im trockenen Zustand auf.
Die Membran/Träger-Anordnung, für welche das T105-Faservlies
verwendet wurde, wies auch gute Ablösefestigkeitseigenschaften
zwischen dem Faservlies und dem Trägermaterial sowohl im nassen
als auch im trockenen Zustand auf, während die das T106-Faser
vlies verwendende Membran/Träger-Anordnung zwischen dem Faser
vlies und dem Trägermaterial schlechte Ablösefestigkeitseigen
schaften sowohl im nassen als auch im trockenen Zustand auf
wies. Dieser Unterschied in der Ablösefestigkeit wird als Folge
eines zugesetzten chemischen Haftvermittlers in den Fasern des
T105-Faservlieses vermutet, welcher in den Fasern des T106-Fa
servlieses nicht vorhanden ist und welcher das Haftvermögen we
nigstens an nichtrostendem Stahl verbessert. Da das T106-Faser
vlies mit ausgezeichneten Ergebnissen an der Membran haftete,
ist aus diesen Ergebnissen klar ersichtlich, daß das T106-Fa
servlies mit ausgezeichneten Ergebnissen wenigstens mit einem
polymeren Trägermaterial, wenn nicht sogar mit keramischen und
anderen metallischen Trägermaterialien verbunden werden konnte.
Dieses Beispiel erläutert ebenfalls die überlegenen Durchläs
sigkeits- und Adhäsionseigenschaften der vorliegenden erfin
dungsgemäßen Membran/Träger-Anordnung. Im einzelnen wurden Mem
bran/Träger-Anordnungen auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1
hergestellt, wobei die im voranstehenden beschriebene Polyamid
membran und das Faservlies aus den Celbond® T106-Fasern ver
wendet wurden, außer daß anstelle einer Platte aus nichtrosten
dem Stahl ein Polypropylenmaschengewebe aus Naltex® 81291
(Nalle Plastics, Inc., Austin, Texas) als das Trägermaterial
verwendet wurde. Das Polypropylenmaschengewebe war ein biplana
res symmetrisches Filtrationsmaschengewebe, welches aus 100%
Polypropylenfaserbündeln zusammengesetzt war und eine Maschen
dicke von ungefähr 1219 µm aufwies, mit einer Faserbündelzahl
von ungefähr 2,8 Faserbündeln/cm und einer Öffnungsgröße von
ungefähr 0,3 cm, wodurch eine offene Fläche von ungefähr 70%
für die Permeation gegeben war.
Die Durchlässigkeit und die Ablösefestigkeit einer nicht ver
bundenen und einer laminierten Anordnung wurden auf dieselbe
Weise wie in Beispiel 1 beschrieben gemessen und die erhaltenen
Werte im folgenden in Tabelle 2 angeführt.
Wie aus den in Tabelle 2 angeführten Daten ersichtlich ist,
weist die vorliegende erfindungsgemäße Membran/Träger-Anordnung
ausgezeichnete Durchlässigkeits- und Adhäsionseigenschaften
auf. Die Daten bestätigen außerdem, was die Daten aus Bei
spiel 1 vermuten ließen, nämlich daß das T106-Faservlies recht
nützlich für das Verhaften einer polymeren Membran mit einem
polymeren Trägermaterial sein kann.
Dieses Beispiel veranschaulicht die schlechten Durchlässigkeits
eigenschaften einer Membran/Träger-Anordnung, welche auf glei
che Weise wie die aus Beispiel 1 hergestellt wurde, außer daß
im Gegensatz zu dem, was die vorliegende Erfindung vorschreibt,
ein Faservlies aus einer Einkomponentenfaser verwendet wurde.
Eine Membran/Träger-Anordnung ähnlich derjenigen von Beispiel 1
wurde unter Verwendung des Laminators zum Bewirken des Verbin
dens von Membran, Faservlies und Träger aus nichtrostendem
Stahl hergestellt. Das Faservlies war ein faserhaltiges nicht
gewebtes Vlies aus einer Einkomponentenfaser, nämlich Polypro
pylen, das als Typar® T135 (Midwest Filtration Company,
Hamilton, Ohio) im Handel erhältlich ist. Das Faservlies hatte
ein Flächengewicht von ungefähr 31 g/m² und war ein non-woven
Faser-Spinnvlies, zusammengesetzt aus Fasern mit einem mittle
ren Durchmesser von ungefähr 23 µm. Die Dicke des Faservlieses
betrug ungefähr 254 µm (Testverfahren nach ASTM D-1777), wäh
rend die Luftdurchlässigkeit des Vlieses ungefähr 76200 Liter
pro Minute/m² (Testverfahren nach ASTM D-737) betrug. Die Zug
festigkeit des Faservlieses betrug ungefähr 482 kg/linearer m
in der Maschinenlaufrichtung und ungefähr 268 kg/linearer m in
der Maschinenquerrichtung (Testverfahren nach ASTM D-1117). Die
Durchlässigkeit und die Ablösefestigkeit der Anordnung wurden
auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 beschrieben gemessen und die
resultierenden Werte sind im folgenden in Tabelle 3 angeführt.
Wie aus den in Tabelle 3 angeführten Daten ersichtlich ist, hat
die ein Faservlies aus einer Einkomponentenfaser verwendende
Membran/Träger-Anordnung zwar gute Haftfestigkeitseigenschaf
ten, doch wies eine solche Anordnung sehr schlechte Durchläs
sigkeitseigenschaften auf. Tatsächlich gab es bei diesem spezi
fischen Vergleichsbeispiel keine wesentliche Durchlässigkeit.
Zwar bestand die Einkomponentenfaser aus Polypropylen, doch
werden dieselben Ergebnisse für andere Einkomponentenfasern er
wartet, wie beispielsweise Polyethylen, welches eine niedrigere
Schmelztemperatur als Polypropylen aufweist.
Dieses Beispiel veranschaulicht die guten Durchlässigkeits- und
Hafteigenschaften einer anderen Ausführungsform der vorliegen
den erfindungsgemäßen Membran/Träger-Anordnung, im einzelnen
einer Membran/Träger-Anordnung, die ähnlich ist wie die in Bei
spiel 1, bei welcher aber eine Membran eines anderen Typs ver
wendet wird.
Eine Membran/Träger-Anordnung wurde auf ähnliche Weise wie in
Beispiel 1 dargestellt unter Verwendung einer Membran aus Poly
tetrafluoroethylen (PTFE) mit einer Porendimensionierung von
1,0 µm (Pall Corporation, East Hills, New York) hergestellt.
Die Durchlässigkeit und die Ablösefestigkeit der Anordnung
wurden auf dieselbe Weise wie Beispiel 1 beschrieben gemessen
und die resultierenden Werte sind im folgenden in Tabelle 4
angeführt.
Wie aus den in Tabelle 4 angeführten Daten ersichtlich ist,
zeigte die Membran/Träger-Anordnung der vorliegenden Erfindung,
bei welcher eine PTFE-Membran anstatt einer Polyamidmembran
verwendet wird, eine gute Durchlässigkeit und ausgezeichnete
Hafteigenschaften ähnlich denen der Anordnung, bei welcher die
Polyamidmembran verwendet wird, wie in Beispiel 1 angeführt.
Dieses Beispiel veranschaulicht ferner die guten Durchlässig
keits- und Hafteigenschaften einer Ausführungsform der vorlie
genden erfindungsgemäßen Membran/Träger-Anordnung unter ungün
stigen Filtrationsbedingungen.
Die vorliegende erfindungsgemäße Membran/Träger-Anordnung von
Beispiel 4 (nämlich Probe 4B) wurde in ein herkömmliches Fil
tergehäuse eingebaut. Eine heiße, protein- und fetthaltige
Brühe wurde durch die Membran/Träger-Anordnung gepumpt, um das
Fluid zu entwässern. Die Filtration wurde bei einem Speisedruck
von ungefähr 69 kPa und einer Speisetemperatur von ungefähr 50
-70°C durchgeführt. Während des Verlaufs der Filtration wur
den das Eiweiß und das Fett von der Membran nicht durchgelas
sen, wodurch das Durchtreten eines klaren Fluids durch die Mem
bran bewirkt wurde. Nach 10stündiger Filtration gab es keine An
zeichen eines Versagens der Bindung der Membran. So bleibt die
vorliegende erfindungsgemäße Membran/Träger-Anordnung intakt,
selbst wenn sie über einen längeren Zeitraum hinweg Fluiden bei
hohem Speisedruck und hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
Dieses Beispiel veranschaulicht ferner die ausgezeichneten
Hafteigenschaften einer Membran, welche mit dem Faservlies aus
Mehrkomponentenfasern gemäß der vorliegenden Erfindung verbun
den ist.
Das in Beispiel 1 beschriebene Celbond® T105-Faservlies wurde
(mittels Kleben in Gegenwart von Lösemittel) mit einer 7 mm
dicken Polyethersulfonplatte verbunden, welche wiederum an ei
ner Vorrichtung zum Durchführen eines Beständigkeitstests bei
Druckumkehr befestigt war. Eine Ultrafiltrationsmembran aus
Polysulfon mit einem Rückhaltevermögen von 120 kD Molekularge
wicht wurde mit dem Faservlies unter Verwendung des Laminators
gemäß dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren bei einem Preß
druck von 104 kPa, einer Verweilzeit von 300 Sekunden, einer
Bandhöhe von 7,3 mm und einer Quetschwalzenhöhe von 0,4 mm ver
bunden.
Dann wurde auf die angefeuchtete Membran von der stromabwärti
gen Seite (d. h. der Faservliesseite) der Membran unter Verwen
dung von gefilterter Luft Druck angewendet. Die Druckumkehr be
gann bei ungefähr 34,5 kPa und wurde alle 60 Sekunden in Inkre
menten von ungefähr 34,5 kPa erhöht, bis ein Versagen der Bin
dung beobachtet wurde.
Die Bindung zwischen dem Faservlies und der Membran blieb bei
ungefähr 414 kPa über 60 Sekunden unversehrt, was auf einen
hohen Grad der Haftfestigkeit zwischen dem Faservlies und der
Membran hinweist. Die Bindung zwischen dem Faservlies und der
Membran versagte in ihrer Bindungskraft, als der angewandte
Druck ungefähr 448 kPa erreichte. So bleibt die vorliegende er
findungsgemäße Membran/Träger-Anordnung intakt, selbst wenn sie
über einen längeren Zeitraum hinweg einer hohen Druckumkehr
ausgesetzt wird.
Alle in dieser Beschreibung zitierten Verweisstellen, ein
schließlich aller genannten Veröffentlichungen, Patentschriften
und Patentanmeldungen, sind in ihrer Gesamtheit Gegenstand die
ser Anmeldung.
Claims (10)
1. Membran/Trägeranordnung mit einer Membran und einem Trä
germaterial sowie einem dazwischen angeordneten Faservlies
aus Mehrkomponentenfasern, welche ein erstes Polymer und
ein zweites Polymer umfassen, so daß das zweite Polymer
auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der Mehrkomponen
tenfasern angeordnet ist und eine Erweichungstemperatur
aufweist, die unter den Erweichungstemperaturen des ersten
Polymers, der Membran und des Trägermaterials liegt, wobei
die Membran/Träger-Anordnung eine Wasserdurchflußrate von
wenigstens ungefähr 20% der Wasserdurchflußrate der Mem
bran allein aufweist.
2. Membran/Träger-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Mehrkomponentenfasern wenigstens unge
fähr 10 Gew.-% des ersten Polymers und nicht mehr als un
gefähr 90 Gew.-% des zweiten Polymers umfassen.
3. Membran/Träger-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ablösefestigkeit sowohl zwischen
der Membran und dem Faservlies als auch zwischen dem
Faservlies und dem Trägermaterial wenigstens ungefähr
50 kg/m beträgt.
4. Membran/Träger-Anordnung nach einem der Ansprüche 1-3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Faservlies auf Mehrkompo
nentenfasern ein Flächengewicht von ungefähr 200 g/m² oder
weniger aufweist.
5. Membran/Träger-Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrkomponentenfasern
einen mittleren Faserdurchmesser von ungefähr 50 µm oder
weniger aufweisen.
6. Membran/Träger-Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial porös ist.
7. Membran/Träger-Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membran, das erste Polymer
und das Trägermaterial Erweichungstemperaturen aufweisen,
die wenigstens ungefähr 20°C höher sind als die Erwei
chungstemperatur des zweiten Polymers.
8. Ein Verfahren zum Filtrieren eines Fluids, wobei das Ver
fahren das Durchleiten eines Fluids durch die Membran/Trä
ger-Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7 umfaßt.
9. Filterelement umfassend ein Gehäuse und die Membran/Trä
ger-Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7.
10. Verfahren zur Herstellung einer Membran/Träger-Anordnung,
worin das Verfahren umfaßt
- (a) Anordnen eines Faservlieses aus Mehrkomponentenfasern zwischen einer Membran und einem Trägermaterial zur Bil dung einer Membran/Träger-Anordnung, worin die Mehrkompo nentenfasern ein erstes Polymer und ein zweites Polymer umfassen, so daß das zweite Polymer auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der Mehrkomponentenfasern vorliegt und eine Erweichungstemperatur hat, die unter der Erweichungs temperatur des ersten Polymers, der Membran und des Trä germaterials liegt;
- (b) Unterwerfen des Faservlieses einer Temperatur, die über der Erweichungstemperatur des zweiten Polymers und unterhalb der Erweichungstemperaturen des ersten Polymers, der Membran und des Trägermaterials liegt; und
- (c) Anwenden eines Drucks auf die Membran/Träger-Anord nung, während das Faservlies eine Temperatur über der Er weichungstemperatur des zweiten Polymers aufweist, so daß die Membran und das Trägermaterial mit dem Faservlies ver haftet werden und die Membran/Träger-Anordnung eine Was serdurchflußrate von wenigstens ungefähr 20% der Wasser durchflußrate der Membran allein aufweist.
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