專利名稱：中空纖維膜組件的集管和中空纖維的鑄封方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及中空纖維膜的鑄封方法，涉及中空纖維膜組件的集管
(header)的制造方法，涉及鑄封中空纖維膜或者涉及鑄封中空纖維膜的集管 或組件。
背景技術(shù)：
下述說明沒有承認或暗示以下所披露的設(shè)備或方法在任何具體國家可 引證為現(xiàn)有技術(shù)或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識的 一部分。
為了利用中空纖維膜進行過濾或滲透，必須將大量薄型中空纖維固定 在集管上，以使它們的外表面均與集管的外部完全隔絕，而使它們的管腔 向集管的內(nèi)部空間開放。然后使集管的內(nèi)部空間與吸力源或壓力源相連， 從而在膜壁之間形成跨膜壓力并從膜腔或向膜腔輸運流體。
在美國專利No. 5,639,373中，纖維陣列的端部浸在短效液體(fUgitive liquid)例如蠟中，直至該短效液體在端部周圍固化。然后，將固定液體(fixing liquid)如樹脂灌注在短效液體上并允許固定液體在膜周圍硬化。然后，例如 通過加熱或溶解將短效液體除去，從而使膜腔向先前由短效液體占據(jù)的空 間開放。在美國專利No. 6,042,677中，采用了類似的方法，但使用粉末層 代替固化的短效液體，使纖維陣列保持在粉末層中。
在美國專利No. 5,922,201中，將連續(xù)的中空纖維制成織物，使相鄰的 縱向纖維相互隔開并且沒有開口端。將織物的邊緣插入液態(tài)樹脂罐，在液 態(tài)樹脂固化時對該液態(tài)樹脂罐進行離心或振動，以促使液態(tài)樹脂流入纖維 之間的空隙。在樹脂固化之后，切割樹脂和纖維塊，以將織物分為具有開 口端的獨立縱向纖維。然后經(jīng)由墊圈將樹脂塊膠粘或連接在集管的其余部 分上。
在歐洲專利申請No.EP0931582中，使用彈性管制造集管。在管上切割 開口，在該開口周圍建立溢流板。通過首先將開口拉開，然后允許開口圍 攏膜，將中空纖維膜的開口端插入該開口。將液態(tài)樹脂灌注在膜的端部上并通過溢流板使液態(tài)樹脂保留在原位直至其固化。表面張力阻止樹脂流過 相鄰纖維之間的空隙中的開口 。

發(fā)明內(nèi)容
下述內(nèi)容旨在向讀者介紹說明書，而不意圖限定本發(fā)明。本發(fā)明可與 該發(fā)明內(nèi)容中或本申請文件的其它部分如權(quán)利要求中的特征組合或亞組 合。
本發(fā)明人看到了現(xiàn)有鑄封方法的各種困難。特別是，可固化樹脂液體 的使用產(chǎn)生了各種缺點。例如，可固化材料如聚氨酯、環(huán)氧或有機硅的價
格昂貴。固化這些材料所需的時間也較長，典型地需要至少10分鐘，更常
見地需要數(shù)小時，這是因為大塊樹脂的快速固化產(chǎn)生過多熱量。這些樹脂 可能還需要精細的混合或固化步驟，或者可能在其固化時釋放有害化學物 質(zhì)。在固化之前液態(tài)樹脂沿纖維縱向的毛細作用可能也是問題之一。
在鑄封中空纖維膜的方法中，提供膜束，所述膜束具有位于與膜的端 部相隔的平面中包圍膜的可壓縮材料層。可通過將熱熔粘結(jié)劑層放置在纖 維片上，任選地將多個纖維片堆疊在一起，形成可壓縮材料層。然后將纖 維放置在模具中，該模具壓縮可壓縮材料帶以形成容納纖維的大體密封的 腔。將熔融鑄封材料注入腔中以包圍膜。鑄封材料在模具中冷卻并硬化， 從而形成密封連接在膜上的固體鑄封材料塊。任選地，可將兩個相隔的可 壓縮材料層設(shè)置在膜束上。模具壓縮所述兩個層以在兩層之間提供填充注 入鑄封材料的腔。在這種情況下，固定液體沒有流至保持開放的膜的端部。
在具有鑄封中空纖維膜的集管的制造方法中，采用上述方法將膜鑄封 在鑄封材料塊中。在一種方法中，將鑄封材料從模具中取出，然后進行切
割以重新打開纖維的端部。然后將鑄封材料塊密封于集管槽(headerpan)上， 從而形成與纖維端部相通的滲透收集區(qū)。在另一種方法中，將兩個可壓縮
材料帶之間形成的鑄封材料塊密封于集管槽上，使纖維開口端和最接近纖 維開口端的可壓縮材料層處于滲透收集區(qū)中。在另一種方法中，在兩個可 壓縮材料帶之間形成鑄封材料塊，同時至少將最接近膜端部的可壓縮材料 帶插入集管槽。任選地，可將兩個可壓縮材料帶插入集管槽。以這種方式， 在集管槽和膜的頂部中或周圍形成鑄封材料塊并同時使該鑄封材料塊密封 于集管槽和膜的頂部上。中空纖維膜的鑄封方法可包括下述步驟圍繞膜的接近其端部的部分 形成基本封閉的腔。將液態(tài)鑄封材料注入腔中并允許該液態(tài)鑄封材料在腔 中固化。鑄封材料可為熱塑性或熱固性樹脂。
本說明書還描述了鑄封膜或集管。在一些情況下，鑄封膜組件包括粘 結(jié)劑帶、可壓縮材料和固化熱塑性鑄封材料塊或反應注塑鑄封材料塊。在 一些情況下，鑄封膜組件包括兩個粘性可壓縮材料帶和位于所述帶之間的 固化鑄封材料塊。在其它情況下，上述組件包括密封于集管槽上的鑄封材 料塊，從而形成與膜的端部相通的滲透腔。


隨后將參考以下

本發(fā)明的實施方案。 圖1示出了放置在纖維片上的粘性可壓縮材料層的平面圖。 圖2示出了組裝在具有粘性可壓縮材料層的大束纖維中的圖1所示纖 維片的等視圖。
圖3示出了插入第一模具的圖2所示纖維束的剖面等視圖。 圖4示出了插入第二模具的圖2所示纖維束的剖面等視圖。 圖5示出了連接在集管槽上的鑄封膜束的剖面圖。 圖6為穿過鑄封材料切割的鑄封纖維束的照片。 圖7為鑄封膜組件的照片。
具體實施例方式
圖1示出了中空纖維膜12片10。所述片IO如下形成將膜12布置在 支撐面如平臺上，使膜12大致相互平行，但使膜12至少在其開口端16附 近的鑄封區(qū)域14內(nèi)相隔例如為其直徑0.2 2倍的距離。任選地，所述片10 可通過任意適當?shù)目椢镄纬煞椒ㄐ纬刹⑶揖哂袡M穿膜12的惰性纖維(inert fiber)以助于使膜12保持于原位。此外，任選地，所述片10可如下形成 優(yōu)選經(jīng)由導引裝置將膜12巻繞在鼓輪上，所述導引裝置相對于鼓輪轉(zhuǎn)速以 一定的速度在鼓輪面上前進，從而按照所需的間距將纖維螺旋布置于鼓輪 周圍。膜12的直徑例如可為0.5 mm~2.5 mm，在片10中例如可具有50 400 片膜12。片10的寬度例如可為400mm 1200mm,片10及其膜12的長度 例如可為200 mm~3200 mm。在各附圖中，膜12顯示為^皮切成較短的長度以允許其它部分被顯示地較大。
第一可壓縮粘結(jié)劑20層18放置在片10上，^使膜12的端部16和第一 粘結(jié)劑20層18位于鑄封區(qū)域14的相對側(cè)。粘結(jié)劑20使片IO保持在一起。 粘結(jié)劑20還使膜12與其整個外部環(huán)境隔絕，盡管并不需要形成理想的氣 密封。使第一粘結(jié)劑20層18的長度、寬度和厚度保持與下述模具相配合 的尺寸。粘結(jié)劑20可以是熱塑性粘結(jié)劑并如下施用首先將粘結(jié)劑熔融以 使其能夠在膜12上以及膜12周圍流動。還可在粘結(jié)劑20施用于膜12之 后將粘結(jié)劑20熔融，或者在粘結(jié)劑20被熔融的同時對其進行模塑或成型， 以提供形狀更加統(tǒng)一或尺寸控制更加精細的層。粘結(jié)劑20通常可能還是柔 軟的，從而如下所述較易于利用模具將其壓入密封體，并為膜12提供緩沖 層。例如，粘結(jié)劑20可以是通常稱為熱熔膠的類型，該類粘結(jié)劑可以是聚 乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物?；蛘?，粘結(jié)劑可以是樹脂，例如聚 氨酯或環(huán)氧。任選地，還可按照針對第一層18所述的方式提供第二粘結(jié)劑 20層22。然而，第二層22施用于端部16和鑄封區(qū)域14之間。第二層22 沒有覆蓋或填充膜12的端部16。然而，優(yōu)選將第二層22放置在盡可能接 近膜12端部16的位置但不封閉端部16,以縮短膜12伸入所得集管的滲透 腔中的液流并干擾液流的長度。
圖2示出了通過堆疊大量片IO(例如將1~30個或10 20個片IO堆疊在 一起)制成的膜12束24。堆疊片10，使粘結(jié)劑層18、 22布置在彼此之上， 從而大致形成平行六面體。任選地，可將一個或多個片IO巻在一起，從而 大致形成柱體或者制成其它形狀。可將片IO膠粘、焊接或夾持在一起，或 者簡單地通過手工或通過圍繞束24纏繞繩、線、帶或其它纏繞物使片10 保持在一起。
圖3示出了放置在第一模具30中的束24。該模具包括具有接觸表面 36和模具表面38的第一板32和第二板34。在將束24插在板32、 34之間 后，通過旋緊螺絲孔40中的螺絲(未示出)，使板32、 34朝向?qū)Ψ揭苿印Ｔ?板32、 34—起移動時，接觸表面36壓縮粘結(jié)劑層18、 22并形成臨時密封 體。在板32、 34的模具表面38、粘結(jié)劑層18、 22和第一模具的端部(未示 出)(接觸粘結(jié)劑層18、 22的端部)之間形成腔44。束24的鑄封區(qū)域14位于 腔44內(nèi)。 一個或多個吸入噴嘴42允許將熔融的鑄封材料注入腔44內(nèi)。一 個或多個推桿46可用于在鑄封之后將束24從腔44中脫出，其次可用于允許空氣從腔44中排出。除了小的排放或注入針孔以外，腔44由于其圍繞 鑄封區(qū)域而基本上封閉。為完成膜12的鑄封，將熔融的鑄封材料注入噴嘴 42以填充腔44。粘結(jié)劑層18、 22阻止鑄封材料離開腔44。鑄封材料在束 24周圍流動，隨后滲入膜12之間的空隙。然后以足夠快的速度冷卻鑄封材 料以避免將膜12破壞或粘結(jié)劑層18、 22過度熔融。在鑄封材料硬化之后， 可將板32、 34相互移開以取出鑄封束24。腔44的內(nèi)表面形成鑄封材料固 化塊體的基本上所有的外表面。鑄封材料可以是注塑中常用的幾種熱塑性 聚合物或樹脂之一，例如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、 熱塑性彈性體(TPE)、熱塑性聚氨酯(TPU)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共 聚物、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚乙烯共聚物或者聚烯烴 類熱熔聚合物或熱熔膠、或者填充形式如玻璃填充的這些材料中的任意一 種。膜12還可具有本領(lǐng)域已知的各種結(jié)構(gòu)，但必須具有足夠高的強度，以 不被注入的鑄封材料壓扁。例如，膜12可以是具有編制支撐體的強化纖維， 例如ZENON Environmental Inc.制造的用于ZEEWEEDTM500系列組件的膜。 鑄封材料可具有50°C或更高的熔點。
在將鑄封束24取出之后，可將束24連接在集管槽52上。如圖5所示， 將膜12的端部16插入其中形成有滲透(或進料)腔54的滲透槽52內(nèi)。鑄封 材料50密封于集管槽52的壁56上，從而除集管槽52中的一個或多個端 口 58和膜12的端部16以外將滲透/進料腔54封閉?？赏ㄟ^多種方法如膠 粘、焊接或機械接合件，任選地經(jīng)由墊圈或其它中間材料，形成滲透槽52 和鑄封材料50之間的連接。此外，任選地，在將鑄封材料連接于集管槽52 之前，可沿線60切割鑄封材料?？蛇M行這種切割，例如以在集管槽52將 連接于鑄封材料50塊體的下表面62而非側(cè)面64時提供光滑的下表面62。 在需要重新打開膜12的端部16時，例如在用于形成腔(從第一層18粘結(jié)劑 20延伸至超出膜12的端部16)的改進模具中沒有使用下粘結(jié)劑20層22的 情況下，也可進行鑄封材料50的切割。
圖4示出了第二模具70。第二模具70類似于第一模具30,不同的是 一組接觸表面36被構(gòu)造為接受預制的集管槽52。將膜12束24插入集管槽 52，以使第二粘結(jié)劑20層22的底部在集管槽52上邊緣以下，而第一粘結(jié) 劑20層18的底部在集管槽52的上邊緣以上。在使板32、 34—起移動時， 一組接觸表面壓向并臨時密封第一層18粘結(jié)劑20,而另一組接觸表面36壓向并臨時密封集管槽52,集管槽52順次壓向并密封第二層22粘結(jié)劑20。 由此形成腔44,該腔44包括鑄封區(qū)域14和處于滲透槽52頂部的區(qū)域。處 于滲透槽52頂部的區(qū)域可位于滲透槽52內(nèi)或位于滲透槽52外，或者同時 位于滲透槽52內(nèi)和滲透槽52外。當注入熔融的鑄封材料時，鑄封材料在 膜12之間以及膜12周圍流動，當鑄封材料冷卻為固體時，使膜12相互隔 絕并使膜12與滲透槽52隔絕。任選地，集管槽52的壁可向上延伸至與第 一粘結(jié)劑20層18交疊，且設(shè)置有端口以用于將鑄封材料注入集管槽52的 壁之間的空隙。然后可使第二模具70側(cè)面的內(nèi)部與集管槽52的外部齊平。 上述鑄封材料的注塑可在1~300 bar的外加壓力下、20 340。C或 160 340°C時進行。在可能接觸高達60。C或更高溫度的流體的所有預期應 用中，鑄封材料應保持為具有足夠強度的固體。以下給出熱熔膠和鑄封材 料的樣品特性
熱熔膠___
熔融溫度 140-300°C 強度(最終) 1-4 Mpa
硬度(肖氏"A") 大于40肖氏"A" MFI(熔融溫度下g/10 min )_10^-1000 g/10 min
鑄封材料_
:溶融溫度
強度(最終)
拉伸模數(shù)
硬度(肖氏"A")
MFI(熔融溫度下g/10 min )
160-340。C 10-150 Mpa 大于500 Mpa 大于50肖氏"A' 5-1000 g/10 min
例如，如在ZENON Environmental Inc.制造的ZEEWEEDTM500系列組 件中使用時，4吏用熔體流動指數(shù)為約10g/10min 1000g/10min的3種聚丙 晞，將膜12鑄封在第一模具30中。采用195 230°C的溫度和90-110 bar 的注入壓力，具有14張膜12片10的鑄封束24獲得了令人滿意的結(jié)果。 圖6示出了穿過聚丙烯鑄封材料50切割的一束鑄封束24。圖7是另一束鑄封束外部的照片。
上述方法和設(shè)備還可用于化學反應樹脂體系。在這種情況下，可通過 混合兩種以上的化學反應組分形成液體聚合物。仍在壓力下注入該液體， 該液體還由于放熱反應而能夠向模具傳遞熱量，但鑄封材料通過化學反應
而固化。使用常規(guī)的鑄封樹脂，上述方法和設(shè)備還能夠提供如下益處無 需離心短效鑄封材料，同時還阻止鑄封材料在固化之前蠕升至纖維上。然 而，在4妄照反應注塑法形成并注入液態(tài)鑄封材料的情況下，注入和固化時 間可在5分鐘以下或者2分鐘以下。在反應注塑兩種化學反應液體組分時， 將例如異氰酸酯和多元醇各自放置在單獨控溫和攪拌的供料槽中。在高壓 下經(jīng)過供應管線和計量裝置將液體從所述供料槽輸送至混合集管裝置 (mixhead device),該混合集管裝置具有與腔44相連的出口 。為注入液態(tài)鑄 封材料，將混合集管中的閥門打開，從而允許液體進入混合集管，液體在 混合集管中混合并進入腔44。盡管混合集管中的壓力可能很高，例如超過 1000 psi，但離開混合集管的壓力可低至稍稍高于大氣壓。固化液體在腔44 中固化為鑄封材料如聚氨酯固體塊。在固化之后，可將膜組件從模具中脫 出。
在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可在對上述實施方案進行各種改變的 情況下，實現(xiàn)本發(fā)明。例如，但非限制性地，本發(fā)明可用于管狀膜。
權(quán)利要求
1. 一種制造膜組件的方法，該方法包括以下步驟a)形成中空纖維膜束，通過粘性材料層使所述膜保持在一起，所述粘結(jié)材料層與所述膜的端部相隔，以在所述粘性材料層和所述膜的端部之間提供鑄封區(qū)域；b)將所述膜束置于模具中，其中所述模具緊貼所述粘性材料密封，從而圍繞所述鑄封區(qū)域形成基本封閉的腔；c)將液態(tài)鑄封材料注入所述腔中，以使所述鑄封材料在膜周圍流動；和，d)使所述鑄封材料在包括所述膜的密封體內(nèi)固化。
2. 權(quán)利要求1的方法，其中所述鑄封材料是通過熔融成為液體、通過 冷卻而固化的熱塑性材料。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中所述鑄封材料為熱固性樹脂。
4. 權(quán)利要求3的方法，其中所述熱固性樹脂可用于反應注塑工藝。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中所述束在與所述第一材料相對的鑄封區(qū)域 一側(cè)上形成有第二粘性材料層，并且所述腔部分地由所述第二粘結(jié)材料層 形成。
6. 權(quán)利要求5的方法，其中所述腔部分地由緊貼所述第二粘性材料層 密封的模具形成。
7. 權(quán)利要求5的方法，其中所述腔部分地由緊貼所述膜端部周圍的滲 透槽密封的模具和緊貼所述第二粘結(jié)劑層密封的所述滲透槽形成，將所述 腔布置為還包括所述滲透槽的壁表面的一部分。
8. 權(quán)利要求7的方法，其中使所述滲透槽緊貼所述兩個粘結(jié)劑層密封。
9. 權(quán)利要求1的方法，該方法還包括將所述鑄封材料密封于滲透槽上， 從而在所述滲透槽中形成與所述膜的端部相通的流體腔。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述鑄封材料為熱塑性材料并且步驟(c) 包括熔融所述熱塑性材料的步驟。
11. 權(quán)利要求1的方法，其中步驟(c)包括混合至少兩種化學反應組分以 形成所述液態(tài)鑄封材料。
12. 權(quán)利要求11的方法，其中所述化學反應組分是具有反應注塑熱固性的部分。
13. —種鑄封中空纖維膜束，包括a) 中空纖維膜陣列；b) 圍繞并連接所述膜的粘結(jié)劑層；和c) 密封于所述膜上且位于所述膜之間的熱塑性或熱固性鑄封材料層， 其中所述鑄封材料層從所述粘結(jié)劑層延伸至位于所述膜端部的位置或與所述膜端部相隔的位置。
14. 權(quán)利要求13的鑄封膜束，還包括圍繞并連接所述膜的第二粘結(jié)劑 層，所述第二粘結(jié)劑層從所述鑄封材料層延伸至位于所述膜端部的位置或所述膜端部附近的位置。
15. 權(quán)利要求13的鑄封膜束，其中所述鑄封材料層連接在集管槽上， 并且所述膜的端部向所述集管槽中的滲透腔開放。
16. 權(quán)利要求15的鑄封膜束，其中所述鑄封材料的一部分連接在所述 滲透槽的外表面的 一部分上。
17. —種鑄封中空纖維膜的方法，該方法包括以下步驟a) 圍繞所述膜的接近其端部的部分形成基本封閉的腔；b) 將液態(tài)鑄封材料注入所述腔中；和c) 允許所述液態(tài)鑄封材料固化。
18. 權(quán)利要求17的方法，其中所述鑄封材料是熔點為50。C或更高溫度 的熱塑性樹脂或聚合物，并且步驟(c)包括熔融所述樹脂或聚合物。
19. 權(quán)利要求17的方法，其中所述鑄封材料為熱固性樹脂。
20. 權(quán)利要求17的方法，其中所述步驟(b)和(c)包括反應注塑。
全文摘要
通過將液態(tài)物質(zhì)注入容納纖維的基本封閉的腔(44)，鑄封中空纖維膜。該腔可部分地通過模具、滲透槽(52)和預先施用于膜束的粘結(jié)劑層的相互配合而形成。
文檔編號B01D63/02GK101432059SQ200780014756
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月25日
發(fā)明者加伯·巴科斯, 史蒂文·K·佩德森, 羅伯特·薩博, 阿蒂拉·帕林卡斯 申請人:澤農(nóng)技術(shù)合伙公司