中空纤维膜组件的集管和中空纤维的铸封方法

专利名称：中空纤维膜组件的集管和中空纤维的铸封方法
技术领域：
本发明涉及中空纤维膜的铸封方法，涉及中空纤维膜组件的集管
(header)的制造方法，涉及铸封中空纤维膜或者涉及铸封中空纤维膜的集管 或组件。
背景技术：
下述说明没有承认或暗示以下所披露的设备或方法在任何具体国家可 引证为现有技术或本领域技术人员公知常识的 一部分。
为了利用中空纤维膜进行过滤或渗透，必须将大量薄型中空纤维固定 在集管上，以使它们的外表面均与集管的外部完全隔绝，而使它们的管腔 向集管的内部空间开放。然后使集管的内部空间与吸力源或压力源相连， 从而在膜壁之间形成跨膜压力并从膜腔或向膜腔输运流体。
在美国专利No. 5,639,373中，纤维阵列的端部浸在短效液体(fUgitive liquid)例如蜡中，直至该短效液体在端部周围固化。然后，将固定液体(fixing liquid)如树脂灌注在短效液体上并允许固定液体在膜周围硬化。然后，例如 通过加热或溶解将短效液体除去，从而使膜腔向先前由短效液体占据的空 间开放。在美国专利No. 6,042,677中，采用了类似的方法，但使用粉末层 代替固化的短效液体，使纤维阵列保持在粉末层中。
在美国专利No. 5,922,201中，将连续的中空纤维制成织物，使相邻的 纵向纤维相互隔开并且没有开口端。将织物的边缘插入液态树脂罐，在液 态树脂固化时对该液态树脂罐进行离心或振动，以促使液态树脂流入纤维 之间的空隙。在树脂固化之后，切割树脂和纤维块，以将织物分为具有开 口端的独立纵向纤维。然后经由垫圈将树脂块胶粘或连接在集管的其余部 分上。
在欧洲专利申请No.EP0931582中，使用弹性管制造集管。在管上切割 开口，在该开口周围建立溢流板。通过首先将开口拉开，然后允许开口围 拢膜，将中空纤维膜的开口端插入该开口。将液态树脂灌注在膜的端部上并通过溢流板使液态树脂保留在原位直至其固化。表面张力阻止树脂流过 相邻纤维之间的空隙中的开口 。

发明内容
下述内容旨在向读者介绍说明书，而不意图限定本发明。本发明可与 该发明内容中或本申请文件的其它部分如权利要求中的特征组合或亚组 合。
本发明人看到了现有铸封方法的各种困难。特别是，可固化树脂液体 的使用产生了各种缺点。例如，可固化材料如聚氨酯、环氧或有机硅的价
格昂贵。固化这些材料所需的时间也较长，典型地需要至少10分钟，更常
见地需要数小时，这是因为大块树脂的快速固化产生过多热量。这些树脂 可能还需要精细的混合或固化步骤，或者可能在其固化时释放有害化学物 质。在固化之前液态树脂沿纤维纵向的毛细作用可能也是问题之一。
在铸封中空纤维膜的方法中，提供膜束，所述膜束具有位于与膜的端 部相隔的平面中包围膜的可压缩材料层。可通过将热熔粘结剂层放置在纤 维片上，任选地将多个纤维片堆叠在一起，形成可压缩材料层。然后将纤 维放置在模具中，该模具压缩可压缩材料带以形成容纳纤维的大体密封的 腔。将熔融铸封材料注入腔中以包围膜。铸封材料在模具中冷却并硬化， 从而形成密封连接在膜上的固体铸封材料块。任选地，可将两个相隔的可 压缩材料层设置在膜束上。模具压缩所述两个层以在两层之间提供填充注 入铸封材料的腔。在这种情况下，固定液体没有流至保持开放的膜的端部。
在具有铸封中空纤维膜的集管的制造方法中，采用上述方法将膜铸封 在铸封材料块中。在一种方法中，将铸封材料从模具中取出，然后进行切
割以重新打开纤维的端部。然后将铸封材料块密封于集管槽(headerpan)上， 从而形成与纤维端部相通的渗透收集区。在另一种方法中，将两个可压缩
材料带之间形成的铸封材料块密封于集管槽上，使纤维开口端和最接近纤 维开口端的可压缩材料层处于渗透收集区中。在另一种方法中，在两个可 压缩材料带之间形成铸封材料块，同时至少将最接近膜端部的可压缩材料 带插入集管槽。任选地，可将两个可压缩材料带插入集管槽。以这种方式， 在集管槽和膜的顶部中或周围形成铸封材料块并同时使该铸封材料块密封 于集管槽和膜的顶部上。中空纤维膜的铸封方法可包括下述步骤围绕膜的接近其端部的部分 形成基本封闭的腔。将液态铸封材料注入腔中并允许该液态铸封材料在腔 中固化。铸封材料可为热塑性或热固性树脂。
本说明书还描述了铸封膜或集管。在一些情况下，铸封膜组件包括粘 结剂带、可压缩材料和固化热塑性铸封材料块或反应注塑铸封材料块。在 一些情况下，铸封膜组件包括两个粘性可压缩材料带和位于所述带之间的 固化铸封材料块。在其它情况下，上述组件包括密封于集管槽上的铸封材 料块，从而形成与膜的端部相通的渗透腔。


随后将参考以下

本发明的实施方案。 图1示出了放置在纤维片上的粘性可压缩材料层的平面图。 图2示出了组装在具有粘性可压缩材料层的大束纤维中的图1所示纤 维片的等视图。
图3示出了插入第一模具的图2所示纤维束的剖面等视图。 图4示出了插入第二模具的图2所示纤维束的剖面等视图。 图5示出了连接在集管槽上的铸封膜束的剖面图。 图6为穿过铸封材料切割的铸封纤维束的照片。 图7为铸封膜组件的照片。
具体实施例方式
图1示出了中空纤维膜12片10。所述片IO如下形成将膜12布置在 支撑面如平台上，使膜12大致相互平行，但使膜12至少在其开口端16附 近的铸封区域14内相隔例如为其直径0.2 2倍的距离。任选地，所述片10 可通过任意适当的织物形成方法形成并且具有横穿膜12的惰性纤维(inert fiber)以助于使膜12保持于原位。此外，任选地，所述片10可如下形成 优选经由导引装置将膜12巻绕在鼓轮上，所述导引装置相对于鼓轮转速以 一定的速度在鼓轮面上前进，从而按照所需的间距将纤维螺旋布置于鼓轮 周围。膜12的直径例如可为0.5 mm~2.5 mm，在片10中例如可具有50 400 片膜12。片10的宽度例如可为400mm 1200mm,片10及其膜12的长度 例如可为200 mm~3200 mm。在各附图中，膜12显示为^皮切成较短的长度以允许其它部分被显示地较大。
第一可压缩粘结剂20层18放置在片10上，^使膜12的端部16和第一 粘结剂20层18位于铸封区域14的相对侧。粘结剂20使片IO保持在一起。 粘结剂20还使膜12与其整个外部环境隔绝，尽管并不需要形成理想的气 密封。使第一粘结剂20层18的长度、宽度和厚度保持与下述模具相配合 的尺寸。粘结剂20可以是热塑性粘结剂并如下施用首先将粘结剂熔融以 使其能够在膜12上以及膜12周围流动。还可在粘结剂20施用于膜12之 后将粘结剂20熔融，或者在粘结剂20被熔融的同时对其进行模塑或成型， 以提供形状更加统一或尺寸控制更加精细的层。粘结剂20通常可能还是柔 软的，从而如下所述较易于利用模具将其压入密封体，并为膜12提供缓冲 层。例如，粘结剂20可以是通常称为热熔胶的类型，该类粘结剂可以是聚 乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物的共混物。或者，粘结剂可以是树脂，例如聚 氨酯或环氧。任选地，还可按照针对第一层18所述的方式提供第二粘结剂 20层22。然而，第二层22施用于端部16和铸封区域14之间。第二层22 没有覆盖或填充膜12的端部16。然而，优选将第二层22放置在尽可能接 近膜12端部16的位置但不封闭端部16,以缩短膜12伸入所得集管的渗透 腔中的液流并干扰液流的长度。
图2示出了通过堆叠大量片IO(例如将1~30个或10 20个片IO堆叠在 一起)制成的膜12束24。堆叠片10，使粘结剂层18、 22布置在彼此之上， 从而大致形成平行六面体。任选地，可将一个或多个片IO巻在一起，从而 大致形成柱体或者制成其它形状。可将片IO胶粘、焊接或夹持在一起，或 者简单地通过手工或通过围绕束24缠绕绳、线、带或其它缠绕物使片10 保持在一起。
图3示出了放置在第一模具30中的束24。该模具包括具有接触表面 36和模具表面38的第一板32和第二板34。在将束24插在板32、 34之间 后，通过旋紧螺丝孔40中的螺丝(未示出)，使板32、 34朝向对方移动。在 板32、 34—起移动时，接触表面36压缩粘结剂层18、 22并形成临时密封 体。在板32、 34的模具表面38、粘结剂层18、 22和第一模具的端部(未示 出)(接触粘结剂层18、 22的端部)之间形成腔44。束24的铸封区域14位于 腔44内。 一个或多个吸入喷嘴42允许将熔融的铸封材料注入腔44内。一 个或多个推杆46可用于在铸封之后将束24从腔44中脱出，其次可用于允许空气从腔44中排出。除了小的排放或注入针孔以外，腔44由于其围绕 铸封区域而基本上封闭。为完成膜12的铸封，将熔融的铸封材料注入喷嘴 42以填充腔44。粘结剂层18、 22阻止铸封材料离开腔44。铸封材料在束 24周围流动，随后渗入膜12之间的空隙。然后以足够快的速度冷却铸封材 料以避免将膜12破坏或粘结剂层18、 22过度熔融。在铸封材料硬化之后， 可将板32、 34相互移开以取出铸封束24。腔44的内表面形成铸封材料固 化块体的基本上所有的外表面。铸封材料可以是注塑中常用的几种热塑性 聚合物或树脂之一，例如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯(HDPE)、 热塑性弹性体(TPE)、热塑性聚氨酯(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烃 类热熔聚合物或热熔胶、或者填充形式如玻璃填充的这些材料中的任意一 种。膜12还可具有本领域已知的各种结构，但必须具有足够高的强度，以 不被注入的铸封材料压扁。例如，膜12可以是具有编制支撑体的强化纤维， 例如ZENON Environmental Inc.制造的用于ZEEWEEDTM500系列组件的膜。 铸封材料可具有50°C或更高的熔点。
在将铸封束24取出之后，可将束24连接在集管槽52上。如图5所示， 将膜12的端部16插入其中形成有渗透(或进料)腔54的渗透槽52内。铸封 材料50密封于集管槽52的壁56上，从而除集管槽52中的一个或多个端 口 58和膜12的端部16以外将渗透/进料腔54封闭。可通过多种方法如胶 粘、焊接或机械接合件，任选地经由垫圈或其它中间材料，形成渗透槽52 和铸封材料50之间的连接。此外，任选地，在将铸封材料连接于集管槽52 之前，可沿线60切割铸封材料。可进行这种切割，例如以在集管槽52将 连接于铸封材料50块体的下表面62而非侧面64时提供光滑的下表面62。 在需要重新打开膜12的端部16时，例如在用于形成腔(从第一层18粘结剂 20延伸至超出膜12的端部16)的改进模具中没有使用下粘结剂20层22的 情况下，也可进行铸封材料50的切割。
图4示出了第二模具70。第二模具70类似于第一模具30,不同的是 一组接触表面36被构造为接受预制的集管槽52。将膜12束24插入集管槽 52，以使第二粘结剂20层22的底部在集管槽52上边缘以下，而第一粘结 剂20层18的底部在集管槽52的上边缘以上。在使板32、 34—起移动时， 一组接触表面压向并临时密封第一层18粘结剂20,而另一组接触表面36压向并临时密封集管槽52,集管槽52顺次压向并密封第二层22粘结剂20。 由此形成腔44,该腔44包括铸封区域14和处于渗透槽52顶部的区域。处 于渗透槽52顶部的区域可位于渗透槽52内或位于渗透槽52外，或者同时 位于渗透槽52内和渗透槽52外。当注入熔融的铸封材料时，铸封材料在 膜12之间以及膜12周围流动，当铸封材料冷却为固体时，使膜12相互隔 绝并使膜12与渗透槽52隔绝。任选地，集管槽52的壁可向上延伸至与第 一粘结剂20层18交叠，且设置有端口以用于将铸封材料注入集管槽52的 壁之间的空隙。然后可使第二模具70侧面的内部与集管槽52的外部齐平。 上述铸封材料的注塑可在1~300 bar的外加压力下、20 340。C或 160 340°C时进行。在可能接触高达60。C或更高温度的流体的所有预期应 用中，铸封材料应保持为具有足够强度的固体。以下给出热熔胶和铸封材 料的样品特性
热熔胶___
熔融温度 140-300°C 强度(最终) 1-4 Mpa
硬度(肖氏"A") 大于40肖氏"A" MFI(熔融温度下g/10 min )_10^-1000 g/10 min
铸封材料_
:溶融温度
强度(最终)
拉伸模数
硬度(肖氏"A")
MFI(熔融温度下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系列组 件中使用时，4吏用熔体流动指数为约10g/10min 1000g/10min的3种聚丙 晞，将膜12铸封在第一模具30中。采用195 230°C的温度和90-110 bar 的注入压力，具有14张膜12片10的铸封束24获得了令人满意的结果。 图6示出了穿过聚丙烯铸封材料50切割的一束铸封束24。图7是另一束铸封束外部的照片。
上述方法和设备还可用于化学反应树脂体系。在这种情况下，可通过 混合两种以上的化学反应组分形成液体聚合物。仍在压力下注入该液体， 该液体还由于放热反应而能够向模具传递热量，但铸封材料通过化学反应
而固化。使用常规的铸封树脂，上述方法和设备还能够提供如下益处无 需离心短效铸封材料，同时还阻止铸封材料在固化之前蠕升至纤维上。然 而，在4妄照反应注塑法形成并注入液态铸封材料的情况下，注入和固化时 间可在5分钟以下或者2分钟以下。在反应注塑两种化学反应液体组分时， 将例如异氰酸酯和多元醇各自放置在单独控温和搅拌的供料槽中。在高压 下经过供应管线和计量装置将液体从所述供料槽输送至混合集管装置 (mixhead device),该混合集管装置具有与腔44相连的出口 。为注入液态铸 封材料，将混合集管中的阀门打开，从而允许液体进入混合集管，液体在 混合集管中混合并进入腔44。尽管混合集管中的压力可能很高，例如超过 1000 psi，但离开混合集管的压力可低至稍稍高于大气压。固化液体在腔44 中固化为铸封材料如聚氨酯固体块。在固化之后，可将膜组件从模具中脱 出。
在不脱离本发明范围的情况下，可在对上述实施方案进行各种改变的 情况下，实现本发明。例如，但非限制性地，本发明可用于管状膜。
权利要求
1. 一种制造膜组件的方法，该方法包括以下步骤a)形成中空纤维膜束，通过粘性材料层使所述膜保持在一起，所述粘结材料层与所述膜的端部相隔，以在所述粘性材料层和所述膜的端部之间提供铸封区域；b)将所述膜束置于模具中，其中所述模具紧贴所述粘性材料密封，从而围绕所述铸封区域形成基本封闭的腔；c)将液态铸封材料注入所述腔中，以使所述铸封材料在膜周围流动；和，d)使所述铸封材料在包括所述膜的密封体内固化。
2. 权利要求1的方法，其中所述铸封材料是通过熔融成为液体、通过 冷却而固化的热塑性材料。
3. 权利要求l的方法，其中所述铸封材料为热固性树脂。
4. 权利要求3的方法，其中所述热固性树脂可用于反应注塑工艺。
5. 权利要求1的方法，其中所述束在与所述第一材料相对的铸封区域 一侧上形成有第二粘性材料层，并且所述腔部分地由所述第二粘结材料层 形成。
6. 权利要求5的方法，其中所述腔部分地由紧贴所述第二粘性材料层 密封的模具形成。
7. 权利要求5的方法，其中所述腔部分地由紧贴所述膜端部周围的渗 透槽密封的模具和紧贴所述第二粘结剂层密封的所述渗透槽形成，将所述 腔布置为还包括所述渗透槽的壁表面的一部分。
8. 权利要求7的方法，其中使所述渗透槽紧贴所述两个粘结剂层密封。
9. 权利要求1的方法，该方法还包括将所述铸封材料密封于渗透槽上， 从而在所述渗透槽中形成与所述膜的端部相通的流体腔。
10. 权利要求1的方法，其中所述铸封材料为热塑性材料并且步骤(c) 包括熔融所述热塑性材料的步骤。
11. 权利要求1的方法，其中步骤(c)包括混合至少两种化学反应组分以 形成所述液态铸封材料。
12. 权利要求11的方法，其中所述化学反应组分是具有反应注塑热固性的部分。
13. —种铸封中空纤维膜束，包括a) 中空纤维膜阵列；b) 围绕并连接所述膜的粘结剂层；和c) 密封于所述膜上且位于所述膜之间的热塑性或热固性铸封材料层， 其中所述铸封材料层从所述粘结剂层延伸至位于所述膜端部的位置或与所述膜端部相隔的位置。
14. 权利要求13的铸封膜束，还包括围绕并连接所述膜的第二粘结剂 层，所述第二粘结剂层从所述铸封材料层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. 权利要求13的铸封膜束，其中所述铸封材料层连接在集管槽上， 并且所述膜的端部向所述集管槽中的渗透腔开放。
16. 权利要求15的铸封膜束，其中所述铸封材料的一部分连接在所述 渗透槽的外表面的 一部分上。
17. —种铸封中空纤维膜的方法，该方法包括以下步骤a) 围绕所述膜的接近其端部的部分形成基本封闭的腔；b) 将液态铸封材料注入所述腔中；和c) 允许所述液态铸封材料固化。
18. 权利要求17的方法，其中所述铸封材料是熔点为50。C或更高温度 的热塑性树脂或聚合物，并且步骤(c)包括熔融所述树脂或聚合物。
19. 权利要求17的方法，其中所述铸封材料为热固性树脂。
20. 权利要求17的方法，其中所述步骤(b)和(c)包括反应注塑。
全文摘要
通过将液态物质注入容纳纤维的基本封闭的腔(44)，铸封中空纤维膜。该腔可部分地通过模具、渗透槽(52)和预先施用于膜束的粘结剂层的相互配合而形成。
文档编号B01D63/02GK101432059SQ200780014756
公开日2009年5月13日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月25日
发明者加伯·巴科斯, 史蒂文·K·佩德森, 罗伯特·萨博, 阿蒂拉·帕林卡斯 申请人:泽农技术合伙公司