專利名稱：非編織、織物增強(qiáng)的中空纖維膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
對(duì)于美國(guó)，本申請(qǐng)根據(jù)35USC§ 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)。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)：
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。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)。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)。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W003/097221A1號(hào)和Murase等人申請(qǐng)的美國(guó)公報(bào)第US 2002/0046970A1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。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潰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。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)，在其中將聚合物浸潰到中空編織物內(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。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潰。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。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，編織物涂覆或浸潰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。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. 5mm)。這是因?yàn)榫幙椝俣群途幙椢锍杀疽话悴皇苤睆郊s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。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
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。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0. 5或更大的內(nèi)、外徑比例的增強(qiáng)膜。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。可選的是，支承結(jié)構(gòu)與膜粘稠物完全浸潰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。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。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?？蛇x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。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。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)。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)中空纖維膜的方法包含圍繞用作芯部的膜壁的外側(cè)形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和使該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)結(jié)合到中空纖維膜的外側(cè)。該膜可具有內(nèi)部或外部分隔層，或者可在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)上施加又一分隔層。其它制造增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方法包括將絲體圍繞芯部螺旋纏繞以及圍繞芯部、可選地在一組縱向絲體的頂部上形成無紡織物。還描述了相應(yīng)的膜制造裝置和所得到的膜結(jié)構(gòu)。


圖I示出了各種中空纖維膜的截面。圖2示出了各種增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖和截面圖。圖3是用于制造根據(jù)圖2中所示的結(jié)構(gòu)A的增強(qiáng)中空纖維膜的機(jī)器以正視圖形式示出的示意圖。圖4是用于制造根據(jù)圖2中所示的結(jié)構(gòu)B的增強(qiáng)中空纖維膜的機(jī)器以正視圖形式示出的示意圖。圖5是用于制造根據(jù)圖2中所示的結(jié)構(gòu)C的增強(qiáng)中空纖維膜的機(jī)器以正視圖形式示出的示意圖。圖6是用于制造根據(jù)圖2中所示的結(jié)構(gòu)D的增強(qiáng)中空纖維膜的機(jī)器以正視圖形式示出的示意圖。圖7是用于制造根據(jù)圖2中所示的結(jié)構(gòu)E的增強(qiáng)中空纖維膜的機(jī)器以正視圖形式示出的示意圖。圖8、圖9和圖10是用于在移動(dòng)的芯部上制造根據(jù)圖2所示的結(jié)構(gòu)D的增強(qiáng)真空纖維膜的其它機(jī)器的以正視圖形式示出的示意圖。圖11是復(fù)合紗線的示意性側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
在以下描述中，所形成的中空纖維膜的縱向軸線是豎直的且增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在其向下移動(dòng)時(shí)形成。大致與中空纖維膜的長(zhǎng)度對(duì)齊的絲體可稱作“經(jīng)紗(warp)”絲體。與經(jīng)紗絲體成一定角度定向并因此圍繞中空纖維膜的圓周或其一部分延伸的絲體可稱作“纏繞”絲體。這些習(xí)語和用詞旨在通過提供基準(zhǔn)架構(gòu)來簡(jiǎn)化以下詳細(xì)描述，而非意圖限制任何權(quán)利要求。以下描述包括用于具有整體增強(qiáng)絲體的非編織、增強(qiáng)的中空纖維的構(gòu)型(可選地在內(nèi)徑附近或外徑附近包埋在中空纖維的壁內(nèi))，以及它們可通過其構(gòu)成的方法和裝置的一些實(shí)例。該增強(qiáng)中空纖維的內(nèi)徑可在0. 5到2. 5mm之間或者0. 8到I. 5mm之間變化。該增強(qiáng)中空纖維優(yōu)選具有薄壁，其內(nèi)、外徑的比例大于0. 50。增強(qiáng)膜可具有一些大致連續(xù)地沿軸向或豎直方向延伸的絲體(經(jīng)紗絲體)，或一些相對(duì)于豎直方向成大于零度或大于45度的角度沿圓周延伸的絲體(纏繞絲體)，或者具 有這兩者。大致平行的經(jīng)紗絲體的數(shù)量可如此以致它們的直徑除以中空纖維的內(nèi)周長(zhǎng)之和處在從0. 2到I. 0的范圍內(nèi)，或者介于0. 5與0. 8之間。纏繞絲體可呈螺旋圖案連續(xù)地卷繞，或者可以是多根不連續(xù)的較短絲體。纏繞絲體可從承載經(jīng)紗絲體和纏繞絲體的復(fù)合紗線的一根或更多根經(jīng)紗絲體突出，或者纏繞絲體可以以與經(jīng)紗絲體(如果存在經(jīng)紗絲體的話)相鄰和相接觸的方式被單獨(dú)施加?？纱嬖谝粚踊蛉舾蓪永p繞絲體。如果超過一層，則另外的層可緊鄰第一層并與第一層相接觸。增強(qiáng)絲體可通過融合或結(jié)合或者通過纏結(jié)而在它們彼此交叉的部位附接在一起。經(jīng)紗絲體和纏繞絲體可以是單絲或多絲，或這兩者的混合物。它們可由諸如聚乙烯、聚丙烯、聚酯、尼龍、PVDF等的聚合或天然纖維或紗線制成。絲體可以是雙成分絲體，其中外層適合絲體與絲體之間在絲體相交處的結(jié)合。結(jié)合可通過采用本領(lǐng)域中公知的許多用于在其它應(yīng)用中結(jié)合紗線絲體的方法中的一種或多種(包括加熱、纏結(jié)、用溶劑軟化或UV活化)來實(shí)現(xiàn)。圖I示出了各類增強(qiáng)中空纖維膜10。在一類中空纖維膜10中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12位于中空纖維膜的內(nèi)徑附近。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12完全或部分地嵌埋在中空纖維膜的壁14內(nèi)，如分別用于外分隔層16和內(nèi)分隔層16的圖I的部分a)和b)中所示。在這類中空纖維膜10中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12首先形成而壁14和分隔層16其次形成。在第二類中空纖維膜10中，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12通過分隔層16而卷繞在預(yù)制的膜壁14周圍。該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)是可見的，因?yàn)樗鼉H部分地嵌埋在預(yù)制中空纖維膜壁14或分隔層16內(nèi)，如分別用于外分隔層16和內(nèi)分隔層16的部分c)和d)中所示。在這類中空纖維膜10中，膜壁14和分隔層16首先形成而籠架12其次形成。在第三類中空纖維膜10中，籠架或增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12卷繞在支承中空纖維膜壁14周圍且然后在外側(cè)上涂覆有分隔層16，如圖I的部分e)中所示。各種形式的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12在圖2中示出。經(jīng)紗絲體，包括成組或成束的經(jīng)紗絲體，由參考標(biāo)號(hào)18表示。纏繞絲體,包括成組或成束的纏繞絲體，由參考標(biāo)號(hào)20表示?；\架12的形式將在下文結(jié)合相關(guān)的制造方法更詳細(xì)地描述?；\架結(jié)構(gòu)12優(yōu)選有粘性但不必在它被完全或部分地嵌埋在膜聚合物中之前獨(dú)立地呈穩(wěn)定圓形。圖3至圖7中圖示了五種不同的制造方法。在這些方法中，籠架結(jié)構(gòu)12以及膜壁14和分隔層16在一系列或一連串操作中形成，使得籠架12在膜10的內(nèi)徑附近附接到膜壁14上或者嵌埋在膜壁14中。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12根據(jù)它們?cè)谄渲惺境龅膱D2的部分(A、B、C、D或E)命名。下文將進(jìn)一步描述在膜10的外徑附近產(chǎn)生籠架12的其它制造方法。增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12中的三個(gè)(A、B和C)包括經(jīng)紗絲體18。在籠架A和圖3的方法中，纏繞絲體20通過還提供經(jīng)紗絲體18的一部分復(fù)合紗線的提供。在籠架B和圖4的方法中，纏繞絲體20是預(yù)先形成的且與經(jīng)紗絲體18分開地施加。在籠架C和圖5的方法中，纏繞絲體20分開地施加但作為無紡網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)形成。其它兩個(gè)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(D和E)制成為不具有經(jīng)紗絲體。在籠架D和圖6的方法中，纏繞絲體20是預(yù)先形成的絲體。在籠架 E和圖7的方法中，纏繞絲體20由現(xiàn)場(chǎng)形成的無紡網(wǎng)提供。用于在內(nèi)徑附近具有籠架12的中空纖維膜10的制造方法包括圍繞芯部建立籠架結(jié)構(gòu)12，該芯部將不會(huì)是成品膜的一部分，例如實(shí)心或中空心軸(可選地稱作“針狀物”)，或可溶解的絲體(實(shí)心或中空)芯部。如將描述的那樣，在一些情形中，心軸可呈漸縮形或具有直徑不同的部分。如果芯部穿過膜涂覆頭傳送，則膜涂覆頭中的芯部的直徑大致等于所需的中空纖維膜的內(nèi)徑。通向位于中空心軸頂部的孔的進(jìn)口可與大氣相通或者附接到加壓氣體或孔流體的源上。增強(qiáng)中空纖維10優(yōu)選在其中所有步驟都以稱作紡紗速率的相同線性速度進(jìn)行的機(jī)器中連續(xù)產(chǎn)生。紡紗速率可介于10-40m/min之間，或者介于15_25m/min之間。參看圖3，制造籠架A的實(shí)例的方法基于復(fù)合紗線22的使用。參看圖11，復(fù)合紗線22具有“毛狀”外觀，松弛端部24或絲體環(huán)結(jié)26或者這兩者中相當(dāng)大一部分從一束大致連續(xù)的絲體28伸出。例如，復(fù)合紗線22可包括與提供松弛端部24和環(huán)結(jié)26的較短纖維混合的長(zhǎng)連續(xù)絲體28。這種紗線可例如通過使連續(xù)的絲體紗線與切段紗線(或定長(zhǎng)紗線，staple yarn)混合或者通過拉斷紗線的一部分來制備,如由Matsumoto等人在美國(guó)專利第5，497，608號(hào)中以及Takiue在美國(guó)專利第7，395，654號(hào)中所教導(dǎo)的。在圖3中，設(shè)有用以從布置在心軸32周圍的繞線筒分配多條復(fù)合紗線22的紗架30。紗線22沿心軸拉動(dòng)，使得連續(xù)的絲體28如圖2的部分A中所示那樣作為經(jīng)紗絲體18定位。繞線筒是靜止的，且在單獨(dú)的張緊控制的情況下每條紗線22設(shè)有一個(gè)繞線筒。可存在例如3到12條復(fù)合紗線22。復(fù)合紗線優(yōu)選穿過經(jīng)紗絲體模具34圍繞心軸32均勻地分布。經(jīng)紗絲體模具34是心軸32與用于心軸和下文將描述的其它構(gòu)件的支承結(jié)構(gòu)(未示出)之間的唯一機(jī)械附接點(diǎn)，不過心軸32由它所穿過的其它構(gòu)件橫向地支承。復(fù)合紗線22沿心軸32穿過切段纖維纏繞裝置36傳送，該切段纖維纏繞裝置的作用是使松弛端部24或環(huán)結(jié)26進(jìn)一步沿心軸32的圓周定向。松弛端部24或環(huán)結(jié)26的至少一部分足夠長(zhǎng)，以到達(dá)并接觸沿心軸32行進(jìn)的相鄰復(fù)合紗線22。然而，松弛端部24或環(huán)結(jié)26的該部分無需首先從連續(xù)的絲體28突出將到達(dá)相鄰復(fù)合紗線22的距離，這是因?yàn)槔p繞裝置36將使端部24或環(huán)結(jié)26從它們的初始位置移動(dòng)。通過采用本領(lǐng)域中公知的許多紗線制備方法中的一種，例如空氣紡紗或真空紡紗，可使松弛端部24或環(huán)結(jié)26移動(dòng)。例如，在美國(guó)專利第6，792，744號(hào)中所示的空氣紡紗法中，通過使紗線經(jīng)過模具傳送并使用加壓空氣射流圍繞紗線形成回旋流模式而將松弛端部絲體24纏繞在連續(xù)絲體的芯部周圍。在美國(guó)專利第5，392，588號(hào)中所示的真空紡紗法中，紗線經(jīng)過容納穿孔的旋轉(zhuǎn)心軸的真空腔室傳送。空氣經(jīng)心軸的內(nèi)腔吸入，此時(shí)紗線穿過心軸穿孔行進(jìn)并存在，從而沿心軸穿孔拖曳松弛絲體。心軸的快速旋轉(zhuǎn)將松弛纖維圍繞紗線梳理。通過如上所述的紡紗裝置，松弛端部24或環(huán)結(jié)26優(yōu)選平均足夠長(zhǎng)，以延伸到或超過沿心軸32行進(jìn)的相鄰復(fù)合紗線22的連續(xù)絲體28，使得一條復(fù)合紗線22的松弛端部24或環(huán)結(jié)26將甚至與已類似地移動(dòng)的一條相鄰復(fù)合紗線22的那些松弛端部24或環(huán)結(jié)26重疊或相交?？蛇x的是，復(fù)合紗線22的數(shù)量和自由端部24或環(huán)結(jié)26最初從連續(xù)絲體28突出的程度可形成為使得自由端部24或環(huán)結(jié)26至少跨越相鄰的復(fù)合紗線22之間的中心距的一半。在這種情況下，相鄰的復(fù)合紗線22的自由端部24或環(huán)結(jié)26在復(fù)合紗線22安置在心軸32上時(shí)彼此觸及并相交，且可移除纏繞裝置36。如果不打算使用纏繞裝置36，則復(fù)合紗線22優(yōu)選選擇或規(guī)定為其中足夠大的一部分纏繞絲體24、26有些松散，使得纏繞絲體24、26將趨于填充相鄰的復(fù)合紗線22之間的空間，即使它們?cè)诮?jīng)過經(jīng)紗絲體模具34傳送時(shí)被暫時(shí)壓縮，以提供與來自相鄰的紗線的纏繞絲體24、26的較大數(shù)量的相交，且有助于保持相鄰的復(fù)合紗線22圍繞心軸32均勻隔開。合適的復(fù)合紗線22包括例如雪尼爾紗線、空氣包覆紗線以及空氣織構(gòu)化紗線。在雪尼爾紗線中，例如，扭曲的芯部提供連續(xù)的絲體28且絨毛提供松弛端部24。特別是在雪尼爾紗線中，絨毛有利地被偏壓以從芯部向外突出，且因此圍繞心軸的圓周延伸，不過一些絨毛最初還遠(yuǎn)離心軸32突出直到被拉回到平滑模具40 或涂覆頭42 (這兩者將在下文描述)中待由膜壁占據(jù)的區(qū)域內(nèi)。例如，對(duì)于用于制造I. 9mm外徑的增強(qiáng)中空纖維膜的I. 25mm外徑心軸32而言，籠架結(jié)構(gòu)12可具有I. 5mm的所需外徑?；\架結(jié)構(gòu)12的外周長(zhǎng)為約5mm。在不使用纏繞裝置36的情況下，可將具有長(zhǎng)度為約4mm且直徑為15至20微米的絨毛絲體24的三條雪尼爾紗線22布置在心軸32上，其中絨毛絲體彼此重疊。經(jīng)紗絲體模具34可構(gòu)造成用以依序?qū)⒀┠釥柤喚€22施加到心軸32使得絨毛絲體(松弛端部24)彼此重疊?？蛇x的是，通過空氣射流可使松弛端部24或環(huán)結(jié)26變皺，以促進(jìn)與來自相鄰的復(fù)合紗線22的重疊或相交的松弛端部24或環(huán)結(jié)26的纏結(jié)。沿著心軸32向下，設(shè)有可選的絲體結(jié)合裝置38。絲體纏結(jié)(例如一條復(fù)合紗線22的松弛端部24或環(huán)結(jié)26與另一條復(fù)合紗線的松弛端部24或環(huán)結(jié)26的纏結(jié))可足以使籠架結(jié)構(gòu)12穩(wěn)定。然而，也可以通過在它們相交處的接觸點(diǎn)加熱、施加UV光等而將一部分或全部絲體24、26、28彼此結(jié)合。例如，可施加熱量以軟化雙成分絲體的外皮部分。雙成分絲體例如可從具有熔點(diǎn)> 250°C的聚酯芯部(PET)和由熔點(diǎn)范圍在110-180°C之間的共聚 物制成的外皮的FIT纖維獲得。備選的是，如果粘稠物溶劑具有軟化絲體聚合物或涂層并促進(jìn)結(jié)合的能力，則可在施加膜粘稠物期間執(zhí)行該結(jié)合步驟?；\架組件12可選地經(jīng)過平滑模具40傳送以施加壓力，同時(shí)聚合物仍是柔軟的以促進(jìn)結(jié)合。模具40也可用于將籠架12的外徑調(diào)節(jié)至其所需尺寸或者將可從籠架12過度突出的任何絲體拉回到所需外徑?？纱邓蜔峥諝馔ㄟ^平滑模具40或平滑模具40的上游，以有助于在不存在上游加熱結(jié)合步驟的情況下使絲體調(diào)定為籠架12的所需外徑。沿心軸32向下，在籠架結(jié)構(gòu)進(jìn)入粘稠物涂覆頭或噴絲頭42之前存在可選的冷卻步驟(未示出)。在涂覆頭42中，將液態(tài)膜粘稠物44施加到紗線22?？蛇x的是，通過噴射足夠的聚合物粘稠物44以填充心軸32與涂覆頭42圓頂(最小內(nèi)側(cè))直徑之間的間隙而使紗線22在涂覆頭42中充分浸潰有膜粘稠物44。心軸32的直徑在涂覆頭42的區(qū)域中可減小，以進(jìn)一步有助于使聚合物粘稠物44充分浸入絲體增強(qiáng)結(jié)構(gòu)12，使得不會(huì)有絲體暴露于中空纖維內(nèi)腔。心軸 32可剛好在所形成的增強(qiáng)中空纖維離開涂覆頭44時(shí)終止。經(jīng)心軸32的孔吸入的氣體可防止纖維塌陷。備選的是，可經(jīng)心軸32噴射孔流體46以控制內(nèi)表面附近的聚合物截面的不對(duì)稱。通常，孔流體44是對(duì)于膜聚合物的溶劑和非溶劑的混合物。以下膜形成步驟類似于用于制造非增強(qiáng)或編織物涂覆的中空纖維的步驟。這些步驟根據(jù)聚合物凝固法(NIPS或TIPS)以及所需的膜特性而變化?，F(xiàn)有技術(shù)中已廣泛地描述了這些條件，而這些條件通常包括通過氣隙、凝固、沖洗、后處理(例如，氯化)、浸潰(例如，使用甘油)、成束和干燥的初始膜形成步驟。在圖3中，這些步驟示意性地表示為發(fā)生在膜形成區(qū)域48內(nèi)，但也可使用各種單獨(dú)的設(shè)備構(gòu)件。這些裝置可以全部是內(nèi)置的，或者它們可通過將中空纖維收納到它們之間的繞線筒或卷線器上予以分離。該方法的總體速度或紡紗速率受第一裝置在涂覆頭42之后收納中空纖維膜的速度控制。涂布或移動(dòng)纏繞絲體20的上游裝置如紡紗機(jī)36被控制成以適合紡紗速率的速度操作且可機(jī)械或電性地聯(lián)接到第一收納裝置或其控制器上。成品的中空纖維膜通常卷繞在卷筒50上以便轉(zhuǎn)移到模塊制造區(qū)域。參看圖4，建立籠架B的方法在一些方面類似于上述建立籠架A的方法(通過使用相同的參考標(biāo)號(hào)表示)，但至少在纏繞絲體20源方面不同。下面將描述不同的特征。經(jīng)紗紗線52可以是具有連續(xù)絲體、優(yōu)選例如如上所述的雙成分絲體的常規(guī)紗線。大致連續(xù)的纏繞絲體54使用圍繞心軸32旋轉(zhuǎn)的一個(gè)或更多個(gè)旋轉(zhuǎn)紗架56 (如圖4中所示)或通過其中繞線筒軸線如在用以制造籠架D且在圖6中示出的方法中所述那樣與心軸32 一致的纏繞紡紗機(jī)器來施加。當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)紗架56時(shí)，纏繞絲體繞線筒58安裝在圍繞針狀物旋轉(zhuǎn)而不與其接觸且始終位于同一方向上的輪上。每個(gè)纏繞繞線筒58都配備有張力控制裝置?？刹捎醚亟惶娣较蛐D(zhuǎn)的一個(gè)或更多個(gè)紗架56(圖4中示出了兩個(gè))。纏繞絲體節(jié)距(pitch)通過下式I與豎直速率和卷繞速度相關(guān)，其中P是節(jié)距(mm)，表示與一整圈相對(duì)應(yīng)的豎直距離，V是豎直速率(m/min),以及W是卷繞速度(rpm)。P = r :000 式
例如，對(duì)于4，OOOrpm的卷繞速度和16m/min的豎直速率,節(jié)距將是4. 0mm。如果旋轉(zhuǎn)紗架56包含4個(gè)繞線筒58，則并行的纏繞絲體20之間的距離將是I. 0mm。通過圖4中所示的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)紗架56，獲得了纏繞纖維20的菱形圖案，如圖2中的部分B所示。參看圖5，用以制造實(shí)例為籠架C的非編織增強(qiáng)中空纖維膜的方法類似于上述方法，但除開用于纏繞絲體的旋轉(zhuǎn)紗架由無紡網(wǎng)形成裝置60替代以現(xiàn)場(chǎng)形成絲體，如下文將描述的。在該方法中，通過熔融擠出、干紡紗或電紡紗來現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)纏繞絲體20。這些方法對(duì)于其它應(yīng)用在本領(lǐng)域是公知的，如美國(guó)專利第3，849，241號(hào)、第4，689，186號(hào)、第4，965，110號(hào)、第5，271，883號(hào)和第6，114，017號(hào)中所述。通常，使用空氣經(jīng)小孔口高溫?cái)D出熱塑性聚合物以拉長(zhǎng)絲體并將它們輸送到移動(dòng)的收集器，該收集器在此情形中為沿心軸32向下移動(dòng)的經(jīng)紗絲體52。下表I中描述了對(duì)于紡紗結(jié)合和熔噴工藝方法的過程條件。每個(gè)孔的聚合物流量可達(dá)l_2g/min。表I
權(quán)利要求
1.一種制造增強(qiáng)中空纖維膜的方法，包括以下步驟 a)提供芯部，所述芯部具有長(zhǎng)度和垂直于所述長(zhǎng)度的圓周； b)提供多條復(fù)合紗線，其中每一條所述復(fù)合紗線均包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括沿所述復(fù)合紗線的長(zhǎng)度延伸的一根或更多根大致連續(xù)的絲體，所述第二部分包括從所述復(fù)合紗線的所述第一部分突出的多個(gè)絲體端部或環(huán)結(jié)； c)圍繞所述芯部形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中所述多條復(fù)合紗線的所述第一部分圍繞所述芯部的圓周間隔開且與所述芯部的長(zhǎng)度大致對(duì)齊，而所述多條復(fù)合紗線的所述第二部分圍繞所述芯部的圓周的一部分延伸且與所述多條復(fù)合紗線中的一條或更多條其它紗線的一根或更多根絲體相交； d)將液態(tài)膜粘稠物施加到所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；以及 e)處理所述液態(tài)膜粘稠物以形成固態(tài)膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述多條紗線的所述第二部分在所述多條紗線的所述第一部分圍繞所述芯部的圓周間隔開之后沿所述芯部的圓周定向。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，相鄰的復(fù)合紗線之間的圍繞所述芯部的中心與中心的距離和所述第二部分從所述復(fù)合紗線的所述第一部分突出的距離形成為使得在將所述復(fù)合紗線安置在所述心軸上之后相鄰的復(fù)合紗線的所述第二部分彼此重疊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述芯部是心軸且所述紗線在步驟c)期間沿所述心軸的長(zhǎng)度移動(dòng)，并且所述方法還包括從所述心軸移除所述多條紗線的步驟。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述心軸包括一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段均具有大致圓柱形或大致圓錐形的外表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述心軸具有內(nèi)孔，并且所述方法還包括使孔流體經(jīng)過所述心軸的內(nèi)孔傳送的步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至權(quán)利要求6中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟d)包括使用所述液態(tài)膜粘稠物浸潰所述多條紗線。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，步驟c)包括對(duì)所述多條紗線的所述第二部分進(jìn)行空氣紡紗或真空紡紗。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求7中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟c)之后在所述多條紗線相交處的接觸點(diǎn)使所述多條紗線彼此結(jié)合的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述結(jié)合步驟包括施加熱量或UV光。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述結(jié)合步驟包括溶劑結(jié)合。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至權(quán)利要求11中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述多條紗線包括雙成分絲體，所述雙成分絲體包括適合與所述多條紗線的其它絲體結(jié)合的部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求12中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在步驟d)之前平滑所述多條紗線的步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求13中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述紗線通過拉斷復(fù)合紗線的一部分來制成。
15.根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求3和權(quán)利要求8至權(quán)利要求14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述芯部是中空纖維膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求3和權(quán)利要求7至權(quán)利要求14中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述芯部可在不溶解所述固態(tài)膜的溶劑中溶解。
17.一種用于制造中空纖維膜的設(shè)備，包括 a)心軸； b)位于所述心軸的一端的紗架，所述紗架定位成用以圍繞所述心軸的外表面分布多條紗線； c)位于所述心軸的另一端的膜粘稠物涂覆頭；以及 d)在所述紗架與所述心軸之間的圍繞所述心軸定位的纏繞裝置、結(jié)合裝置和平滑裝置中的一個(gè)或更多個(gè)。
18.—種中空纖維膜，包括 a)可選擇性地滲透的壁；以及 b)附接到所述壁上且沿所述膜的長(zhǎng)度延伸的多條復(fù)合紗線，其中每一條所述復(fù)合紗線均包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括沿所述紗線的長(zhǎng)度延伸的一根或更多根大致連續(xù)的絲體，所述第二部分包括具有從所述第一部分突出的端部或環(huán)結(jié)的絲體， 其中所述多條紗線的所述第二部分圍繞所述芯部的圓周的一部分延伸并與所述多條復(fù)合紗線中的一條或更多條其它紗線的一根或更多根絲體相交。
19.一種制造增強(qiáng)中空纖維膜的方法，包括以下步驟 a)在心軸上形成絲體的布置，所述形成步驟包括沿所述心軸的長(zhǎng)度布置復(fù)合紗線的連續(xù)絲體的步驟和使相鄰的復(fù)合紗線的絲體端部或環(huán)結(jié)彼此相交的步驟； b)拉動(dòng)所述絲體的布置穿過涂覆頭； c)使膜粘稠物流經(jīng)所述涂覆頭并圍繞增強(qiáng)絲體的布置流動(dòng)；以及 d)處理所述膜粘稠物以形成固態(tài)膜壁。
20.一種制造增強(qiáng)中空纖維膜的方法，包括以下步驟 a)提供移動(dòng)的纖維芯部； b)圍繞所述芯部的外側(cè)形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)； c)使用液態(tài)膜粘稠物涂覆所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)； d)處理所述液態(tài)膜粘稠物以形成固態(tài)膜，其中所述多條紗線至少部分地嵌埋在所述固態(tài)膜中；以及 e)溶解所述芯部。
21.一種制造增強(qiáng)中空纖維膜的方法，包括以下步驟 a)提供移動(dòng)的中空纖維膜； b)形成增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括圍繞所述中空纖維膜的外側(cè)的多根相交的絲體；以及 c)使所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的所述絲體在它們相交處的接觸點(diǎn)結(jié)合。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述增強(qiáng)結(jié)構(gòu)上涂覆分隔層。
23.—種中空纖維膜，包括 a)可選擇性地滲透的壁； b)附接到所述壁上并沿所述膜的長(zhǎng)度延伸的多根縱向絲體；以及c)跨越在所述縱向絲體中的兩根或更多根之間的切段絲體。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，步驟(a)包括使多條紗線絲體沿所述心軸傳送并使切段纖維從所述紗線絲體移動(dòng)以跨越在所述紗線絲體中的兩根或更多根之間。
25.一種制造中空纖維膜的方法，包括以下步驟 a)使中空纖維膜經(jīng)過中空心軸傳送； b)在所述心軸上形成絲體的布置，同時(shí)從所述心軸拉動(dòng)所述絲體的布置的一端；以及 c)使所述絲體彼此結(jié)合或與所述中空纖維結(jié)合。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括以下步驟 i)將第一絲體圍繞心軸纏繞，同時(shí)從所述心軸拉動(dòng)所述第一絲體的一端；以及 )將第二絲體圍繞所述心軸纏繞并纏繞在所述第一絲體上，同時(shí)從所述心軸拉動(dòng)所述第二絲體的一端。
27.根據(jù)權(quán)利要求25或權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述絲體和所述中空纖維上涂覆膜粘稠物的步驟。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述中空纖維無孔隙但可溶解或可部分溶解。
29.一種通過根據(jù)權(quán)利要求I至權(quán)利要求28中任一項(xiàng)所述的方法制造的中空纖維膜。
30.一種用于制造中空纖維膜的設(shè)備，包括 a)心軸； b)適合圍繞所述心軸形成絲體布置的絲體源；以及 c)適合接納所述多根絲體并將膜粘稠物施加到所述絲體的涂覆頭。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的設(shè)備，其特征在于，所述心軸具有中心孔，流體或中空纖維能夠經(jīng)過所述中心孔傳送。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或權(quán)利要求31所述的設(shè)備，其特征在于，所述心軸向上延伸到所述涂覆頭。
33.根據(jù)權(quán)利要求30至權(quán)利要求32中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，所述心軸在沿所述心軸的長(zhǎng)度的不同位置具有至少兩個(gè)外徑。
34.一種制造中空纖維膜的方法，包括以下步驟 a)使管或中空纖維朝向并經(jīng)過涂覆頭傳送； b)在絲體朝向所述涂覆頭傳送時(shí)在所述管或中空纖維上形成絲體布置；以及 c)在所述涂覆頭中將膜粘稠物涂覆在所述管或中空纖維和絲體上。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述絲體朝向所述涂覆頭傳送時(shí)將所述絲體彼此結(jié)合或與所述管或中空纖維結(jié)合的步驟。
全文摘要
本發(fā)明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。這些方法通常提供增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，該增強(qiáng)結(jié)構(gòu)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)，并且還允許產(chǎn)生具有0.5或更大的內(nèi)、外徑比例的增強(qiáng)膜。
文檔編號(hào)B01D69/08GK102665878SQ201080038319
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者P·科特, S·K·彼得森 申請(qǐng)人:Bl科技公司