JP6963657B2 - 膜カートリッジシステム - Google Patents
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Description
カートリッジチューブが、エンドキャップ間に配置された少なくとも1つの流体入口/出口開口部を含み、
エンドキャップがポリマー材料からなり、エンドキャップがカートリッジエレメントに固定されており、
中空糸膜束の両端においてチューブシートがカートリッジエレメントに接合されていることを特徴とする。
・射出成形が可能。
・最大熱膨張係数が1×10−41/K、特に好ましくは5×10−51/K以下及び/又は熱たわみ温度(材料が形状を保持する最大温度)が少なくとも140℃、好ましくは140℃超〜300℃。
・得られるエンドキャップが最小の収縮を示す。収縮は、好ましくは1%未満、特に好ましくは0.5未満である。
・ガラス転移温度が80℃超、好ましくは80〜250℃。
・注封用樹脂からなる平坦な試験棒(ASTM D648−07に準拠)が、室温において70MPa超、好ましくは70MPa超〜200MPaの曲げ強度を有する。
・注封用樹脂からなる平坦な試験棒(ASTM D648−07に準拠)が、8%超、好ましくは8〜40%の破断伸びを有する。
・30℃未満、好ましくは15〜25℃の温度で硬化が開始する。
・110mmの内径を有し、約500gの樹脂及び任意の繊維を充填した型内において、注封用樹脂からなる完全に硬化した樹脂が、0.5%未満、好ましくは0〜0.3%の収縮を示す。
・ゲル化時間が1時間超。
・樹脂と硬化剤を混合した後の粘度が2000cPs又はmPas未満。
・樹脂が充填剤を含む場合に、20〜40Gの遠心操作によって充填剤が分離しない。
・硬化樹脂が、(例えば、IRランプ又は温風ガンを使用した)後処理前にナイフカットに適している。
・樹脂が、50℃以下においてCO2耐性(少量のCO2及びH2Oを除く)を有する。
・樹脂の硬化後温度が140℃未満(好ましくは80〜100℃)である。
・樹脂が安価であって、入手が容易である。
a)中空糸膜束と、好ましくは少なくとも1つの流体入口/出口開口部を有するカートリッジチューブと、を用意する工程。
b)中空糸膜束をカートリッジチューブ内に挿入する工程。
c)プラスチック製キャップ、好ましくは上述したエンドキャップを、工程b)で得られた組立物の両端に取り付ける工程。
d)工程c)で得られた組立物を、組立物が一体的に保持されるように遠心機内に配置する工程。
e)各エンドキャップ内を注封用樹脂で充填し、遠心操作を行って注封用樹脂を硬化させる工程。
f)各エンドキャップの端部を切断して中空糸膜の中空部を開口させる工程。
A)熱膨張係数
熱膨張係数(CTE)は、ISO 11359−2に準拠して測定した。
材料が変形を開始する温度(熱たわみ温度)は、ガラス転移温度を関連がある。熱たわみ温度は、ASTM D648に準拠して測定した。
可塑性部品の成形寸法収縮は、成形サイクル時及び成形サイクル後の体積収縮による、射出成形プロセスに関連する典型的な現象である。収縮は、マイクロメーターを使用して、型の内径と完全に硬化させた注封用樹脂の外径との差として測定した。
ガラス転移温度(ガラス転移点)は、DSC(ASTM E1356に準拠)又はDMA(ISO 6721:11に準拠)によって測定し、tan(δ)のピークをガラス転移点とみなした。
注封用樹脂の曲げ強度は、ISO 187に準拠して測定した。
破断伸びは、ISO 187に準拠して測定した。
注封用樹脂の硬化が開始した温度を測定した。
4cmの直径及び10cmの高さを有するカップに200gの注封用樹脂を入れ、棒を挿入した。5mmの厚み及び15cmの高さを有するガラスからなる棒が樹脂を保持している場合をゲル化が生じたとみなした。
注封用樹脂の粘度は、DIN 53211に準拠し、20℃で流出カップ(efflux cup)を使用して測定した。
[1]
カートリッジエレメントであって、
カートリッジチューブ内に配置された中空糸膜束と、
前記カートリッジチューブの両端に設けられたエンドキャップと、
を含み、
前記カートリッジチューブが、前記エンドキャップ間に配置された少なくとも1つの流体入口/出口開口部を含み、
前記エンドキャップがポリマー材料からなり、
前記エンドキャップが前記カートリッジエレメントに固定されており、
前記中空糸膜束の両端において、チューブシートが前記カートリッジエレメントに接合されていることを特徴とするカートリッジエレメント。
[2]
少なくとも1つの前記エンドキャップ、好ましくは各エンドキャップが、
前記エンドキャップによって形成されたキャップ層と、
前記エンドキャップと前記カートリッジチューブとの間に設けられ、好ましくはチューブシートと同一の樹脂によって形成された固定層と、
前記カートリッジチューブによって形成されたチューブ層と、
必要に応じて(好ましくは)、前記樹脂と前記中空糸束によって形成されたチューブシート層と、
を含む多層複合構造を形成することによって前記カートリッジエレメントに固定されていることを特徴とする、[1]に記載のカートリッジエレメント。
[3]
前記カートリッジチューブが、前記エンドキャップによって前記カートリッジチューブが覆われる領域に設けられ、注封用樹脂が前記カートリッジチューブを介して前記カートリッジチューブの外面と前記エンドキャップの内面との間の空間に達するように構成された少なくとも1つの開口部を含むことを特徴とする、[2]に記載のカートリッジエレメント。
[4]
少なくとも1つの前記エンドキャップ、好ましくは各エンドキャップを、前記カートリッジチューブの外面又は内面に部分的に(前記エンドキャップの全長の一部において)スライド嵌合させたことを特徴とする、[1]〜[3]のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント。
[5]
前記エンドキャップが、前記カートリッジチューブの外径よりも大きな内径を有する第1の部分(a)又は前記カートリッジチューブの内径よりも小さな外径を有する第1の部分を含み、
前記エンドキャップの前記第1の部分が、前記カートリッジチューブに対して前記エンドキャップを中心合わせすると共に、前記カートリッジチューブの面と前記エンドキャップの前記第1の部分の面との間に、樹脂を充填することができる空間を形成するスペーサーを含むことを特徴とする、[4]に記載のカートリッジエレメント。
[6]
前記エンドキャップが、
前記カートリッジチューブの外径よりも大きな内径を有する第1の部分(a)と、前記第1の部分(a)の内径よりも小さな内径を有し、前記カートリッジチューブの外面にスライド嵌合させることのできない第2の部分(b)と、を含むか、
前記カートリッジチューブの内径よりも大きな外径を有する第1の部分(a)と、前記第1の部分(a)の外径よりも大きな外径を有し、前記カートリッジチューブの内面にスライド嵌合させることのできない第2の部分(b)と、を含むことを特徴とする、[4]又は[5]に記載のカートリッジエレメント。
[7]
前記エンドキャップが、前記カートリッジチューブの外面にスライド嵌合させる第1の部分(a)と、前記第1の部分(a)の外径よりも小さな外径を有する第3の部分(c)と、を含むことを特徴とする、[4]〜[6]のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント。
[8]
前記カートリッジチューブが、
金属、好ましくはステンレス鋼又はアルミニウムからなり、及び/又は
0.5〜10mm、より好ましくは0.5〜8mm、特に好ましくは1〜5mm、さらに好ましくは1〜3mmの壁厚を有する、及び/又は
10〜250mm、好ましくは30〜150mm、特に好ましくは50〜110mmの内径を有することを特徴とする、[1]〜[8]のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント。
[9]
前記チューブシートを形成する樹脂及び/又は前記固定層を形成する樹脂が、エポキシ樹脂及びポリウレタン樹脂からなる群から選択され、
以下の特性の1つ、好ましくは少なくとも1つ、最も好ましくは全てを有することを特徴とする、請求項1〜9のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント。
・ガラス転移温度が80℃超、好ましくは80〜250℃。
・注封用樹脂からなる平坦な試験棒(ASTM D648−07に準拠)が、室温において70MPa超の曲げ強度を有する。
・注封用樹脂からなる平坦な試験棒(ASTM D648−07に準拠)が8%超の破断伸びを有する。
・40℃未満、好ましくは30℃未満、最も好ましくは15〜25℃の温度で硬化が開始する。
・110mmの内径を有し、約500gの樹脂及び任意の繊維を充填した型内において、完全に硬化した樹脂が、0.5%未満、好ましくは0〜0.3%の収縮を示す。
・1時間超のゲル化時間及び2000cPs又はmPas未満の混合後の粘度を有する。・樹脂が充填剤を含む場合に、20〜40Gの遠心操作によって充填剤が分離しない。
[10]
カートリッジチューブ内に配置された中空糸膜束を含むカートリッジエレメントを製造するためのエンドキャップであって、
前記エンドキャップは、ポリマー材料からなり、
前記エンドキャップは、第1の部分(a)と第2の部分(b)とを含み、前記第1の部分は、前記第2の部分の内径よりも大きな内径を有するか、前記第2の部分の外径よりも小さな外径を有し、前記第1の部分と前記第2の部分の直径の差は、好ましくは、前記第2の部分を前記カートリッジチューブの外面又は内面にスライド嵌合させることができないように選択され、
前記エンドキャップの前記第1の部分は、必要に応じて、前記カートリッジチューブに対して前記エンドキャップを中心合わせすると共に、前記カートリッジチューブの面と前記エンドキャップの前記第1の部分の面との間に、樹脂を充填することができる空間を形成するスペーサーを含むことを特徴とするエンドキャップ。
[11]
前記エンドキャップを前記カートリッジチューブの外面又は内面にスライド嵌合させた後に、前記中空糸膜束を越えて延在し、注封用樹脂の貯槽/容器を形成する第3の部分(c)を含む、及び/又は
例えばホースによって注封用樹脂の供給源に接続することができる入口開口部を含む、及び/又は
注封後の切断位置を示す少なくとも1つのマークを含むことを特徴とする、[10]に記載のエンドキャップ。
[12]
前記エンドキャップが、30重量%以下のガラス繊維又はその他の補強材が任意に添加され、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンオキシドとポリスチレンのブレンド及び以下の特性の1つ、好ましくは少なくとも1つ、最も好ましくは全てを有するポリマー又はポリマーブレンドから選択されるポリマー、ポリマーブレンド又はポリマー混合物からなることを特徴とする、[1]〜[9]のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント又は[10]又は[11]に記載のエンドキャップ。
・射出成形が可能。
・最大熱膨張係数が1×10−41/K、好ましくは5×10−51/K以下であって、熱たわみ温度(材料が形状を保持する最大温度)が少なくとも140℃、好ましくは140℃超〜300℃。
・エンドキャップが、1%未満、好ましくは0.5未満の収縮を示すポリマーからなる。
[13]
[1]〜[9]及び[12]のいずれか1項に記載のカートリッジエレメントを含むことを特徴とする膜分離装置。
[14]
単一又は複数のカートリッジのハウジングと、前記カートリッジの各エンドキャップと前記カートリッジハウジングとの間に配置され、供給成分と透過成分を分離するOリングと、をさらに含むことを特徴とする、[13]に記載の膜分離装置。
[15]
中空糸カートリッジエレメントの製造方法であって、
a)中空糸膜束と、好ましくは少なくとも1つの流体入口/出口開口部を有するカートリッジチューブと、を用意する工程と、
b)前記中空糸膜束をカートリッジチューブ内に挿入する工程と、
c)プラスチック製キャップ、好ましくは請求項9〜12のいずれか1項に記載のエンドキャップを、前記工程b)で得られた組立物の両端に取り付ける工程と、
d)前記工程c)で得られた組立物を、前記組立物が一体的に保持されるように遠心機内に配置する工程と、
e)各エンドキャップ内を注封用樹脂で充填し、遠心操作を行って前記注封用樹脂を硬化させる工程と、
f)各エンドキャップの端部を切断して前記中空糸膜の中空部を開口させる工程と、
を含むことを特徴とする方法。
[16]
以下の工程の少なくとも1つをさらに含むことを特徴とする、[15]に記載の方法。
・多孔性材料、好ましくはメッシュを、前記中空糸膜束の外面と前記カートリッジチューブの内面との間に配置する工程。
・注封前に、前記中空糸の端部をろう、エポキシ樹脂又はポリウレタン樹脂で閉じる工程。
・前記注封用樹脂と接触する前記エンドキャップの表面の少なくとも一部を、火炎処理、化学的処理(好ましくは酸処理)又は機械的処理(好ましくはサンドブラスト処理)によって予め処理して前記エンドキャップの表面を清浄化すると共に必要に応じて粗面化して前記カートリッジエレメントに対する密着性を向上させる工程。
・遠心操作の開始前に前記エンドキャップに予め充填する工程。
・切断前又は切断時に、カートリッジを硬化させた前記注封用樹脂のTgよりも高い温度に加熱する工程。
[17]
遠心操作を200〜350rpmの回転数及び5〜40℃の温度で実施することを特徴とする、[15]又は[16]に記載の方法。
2:カートリッジチューブの注封用樹脂用開口部(注封後にエンドキャップで覆われる)
3:カートリッジチューブの注封用樹脂用開口部(注封後にエンドキャップで覆われる)
4:カートリッジチューブ
5:注封用樹脂が充填されたカートリッジチューブの開口部(2)及び(3)
6:チューブシート(注封用樹脂)
7a,7b:カートリッジチューブの外面にスライド嵌合させたエンドキャップ
8a,8b:カートリッジチューブの内面にスライド嵌合させたエンドキャップ
9:Oリング
10:Oリング
A:カートリッジチューブで覆われたエンドキャップ(8a),(8b)の領域
B:カートリッジチューブで覆われていないエンドキャップ(8a),(8b)の領域
a,b,c,d:カートリッジチューブの外面に配置されたエンドキャップの領域
e:スペーサー
f:注封用樹脂用入口
Claims (14)
- カートリッジエレメントであって、
カートリッジチューブ内に配置された中空糸膜束と、
前記中空糸膜束の両端に設けられたチューブシートと、
前記カートリッジチューブの両端に設けられたエンドキャップと、
を含み、
前記カートリッジチューブが、前記エンドキャップ間に配置された少なくとも1つの流体入口/出口開口部を含み、
前記エンドキャップがポリマー材料からなり、
前記エンドキャップが前記カートリッジチューブの外面に部分的にスライド嵌合され、
前記エンドキャップが、前記カートリッジチューブの外径よりも大きな内径を有する第1の部分(a)を含み、前記エンドキャップの前記第1の部分は、スペーサーを含み、前記スペーサーは、前記カートリッジチューブと平行な***部又は棚部の形態をなし前記カートリッジチューブに対して前記エンドキャップを中心合わせすると共に、前記カートリッジチューブの面と前記エンドキャップの前記第1の部分の面との間に、樹脂を充填することができる空間を形成し、
前記チューブシートが注封用樹脂を含むと共に、前記カートリッジエレメントに接合され、
前記エンドキャップが、
前記エンドキャップによって形成されたキャップ層と、
前記エンドキャップと前記カートリッジチューブとの間に設けられた固定層と、
前記カートリッジチューブによって形成されたチューブ層と、
前記樹脂と前記中空糸束によって形成されたチューブシート層と、
を含む多層複合構造を形成することによって前記カートリッジエレメントに固定されていることを特徴とするカートリッジエレメント。 - 前記カートリッジチューブが、前記エンドキャップによって前記カートリッジチューブが覆われる領域に設けられ、注封用樹脂が前記カートリッジチューブを介して前記カートリッジチューブの外面と前記エンドキャップの内面との間の空間に達するように構成された少なくとも1つの開口部を含むことを特徴とする、請求項1に記載のカートリッジエレメント。
- 前記エンドキャップが、
前記第1の部分の内径よりも小さな内径を有し、前記カートリッジチューブの外面にスライド嵌合させることのできない第2の部分(b)を含むことを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載のカートリッジエレメント。 - 前記エンドキャップが、前記第1の部分の外径よりも小さな外径を有する第3の部分(c)を含み、前記エンドキャップの軸方向において前記第2の部分を介在して前記第1の部分と前記第3の部分が位置していることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント。
- 前記カートリッジチューブが、
金属からなり、及び/又は
0.5〜10mmの壁厚を有する、及び/又は
10〜250mmの内径を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント。 - 前記チューブシートを形成する樹脂及び/又は前記固定層を形成する樹脂が、エポキシ樹脂及びポリウレタン樹脂からなる群から選択され、前記エポキシ樹脂及びポリウレタン樹脂は、以下の特性の少なくとも1つを有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のカートリッジエレメント。
・ガラス転移温度が80℃超。
・注封用樹脂からなる平坦な試験棒(ASTM D648−07に準拠)が、室温において70MPa超の曲げ強度を有する。
・注封用樹脂からなる平坦な試験棒(ASTM D648−07に準拠)が8%超の破断伸びを有する。
・40℃未満の温度で硬化が開始する。
・110mmの内径を有し、約500gの樹脂及び任意の繊維を充填した型内において、完全に硬化した樹脂が、0.5%未満の収縮を示す。
・1時間超のゲル化時間。
・樹脂と硬化剤を混合した後の粘度が2000mPas未満。
・樹脂が充填剤を含む場合に、20〜40Gの遠心操作によって充填剤が分離しない。 - カートリッジチューブ内に配置された中空糸膜束を含むカートリッジエレメントを製造するためのエンドキャップであって、
前記エンドキャップは、ポリマー材料からなり、
前記エンドキャップは、第1の部分(a)と第2の部分(b)とを含み、前記第1の部分は、前記第2の部分の内径よりも大きな内径を有し、前記第1の部分と前記第2の部分の直径の差は、前記第2の部分を前記カートリッジチューブの外面にスライド嵌合させることができないように選択され、
前記エンドキャップの前記第1の部分は、スペーサーを含み、前記スペーサーは、前記カートリッジチューブと平行な***部又は棚部の形態をなし、前記カートリッジチューブに対して前記エンドキャップを中心合わせすると共に、前記カートリッジチューブの面と前記エンドキャップの前記第1の部分の面との間に、樹脂を充填することができる空間を形成することを特徴とするエンドキャップ。 - 前記エンドキャップを前記カートリッジチューブの外面又は内面にスライド嵌合させた後に、前記中空糸膜束の端部を越えて延在し、注封用樹脂の貯槽/容器を形成する第3の部分(c)を含み、前記エンドキャップの軸方向において前記第2の部分を介在して前記第1の部分と前記第3の部分が位置している、及び/又は
注封用樹脂の供給源に接続することができる入口開口部を含む、
及び/又は
前記エンドキャップが、注封後の切断位置を示す少なくとも1つのマークを含むことを特徴とする、請求項7に記載のエンドキャップ。 - 前記エンドキャップが、ポリフェニレンスルフィド、又はポリフェニレンオキシドとポリスチレンのブレンド、又は他のポリマー、又はポリマーブレンド、ポリマー混合物から選択され、以下の特性の少なくとも1つを有するポリマー、ポリマーブレンド又はポリマー混合物からなることを特徴とする、請求項7又は請求項8に記載のエンドキャップ。
・射出成形が可能。
・最大熱膨張係数が1×10−41/K
・熱たわみ温度(材料が形状を保持する最大温度)が少なくとも140℃。
・エンドキャップが、1%未満の収縮を示すポリマーからなる。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のカートリッジエレメントを含むことを特徴とする膜分離装置。
- 単一又は複数のカートリッジのハウジングと、前記カートリッジの各エンドキャップと前記カートリッジハウジングとの間に配置され、供給成分と透過成分を分離するOリングと、をさらに含むことを特徴とする、請求項10に記載の膜分離装置。
- 中空糸カートリッジエレメントの製造方法であって、
a)中空糸膜束と、少なくとも1つの流体入口/出口開口部を有するカートリッジチューブと、を用意する工程と、
b)前記中空糸膜束をカートリッジチューブ内に挿入する工程と、
c)前記エンドキャップを、前記工程b)で得られた組立物の両端に取り付け、前記カートリッジチューブの外面に部分的にスライド嵌合する工程と、
d)前記工程c)で得られた組立物を、前記組立物が一体的に保持されるように遠心機内に配置する工程と、
e)各エンドキャップ内を注封用樹脂で充填し、遠心操作を行って前記注封用樹脂を硬化させる工程と、
f)各エンドキャップの端部を切断して前記中空糸膜の中空部を開口させる工程と、
を含むことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のカートリッジエレメントの製造方法。 - 以下の工程の少なくとも1つをさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
・多孔性材料を、前記中空糸膜束の外面と前記カートリッジチューブの内面との間に配置する工程。
・注封前に、前記中空糸の端部をろう、エポキシ樹脂又はポリウレタン樹脂で閉じる工程。
・前記注封用樹脂と接触する前記エンドキャップの表面の少なくとも一部を、火炎処理、化学的処理又は機械的処理によって予め処理して前記エンドキャップの表面を清浄化すると共に必要に応じて粗面化して前記カートリッジエレメントに対する接着性を向上させる工程。
・遠心操作の開始前に前記注封用樹脂を前記エンドキャップに予め充填する工程。
・切断前又は切断時に、カートリッジを硬化させた前記注封用樹脂のTgよりも高い温度に加熱する工程。 - 遠心操作を200〜350rpmの回転数及び5〜40℃の温度で実施することを特徴とする、請求項12又は請求項13に記載の方法。
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