多层膜结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种多层膜结构，包括多孔性基材、第一过滤层以及第二过滤层。第一过滤层配置在多孔性基材上且具有多个指状通道，且各指状通道的深宽比为0.1至0.7。第二过滤层配置在第一过滤层上且具有多个微孔洞。指状通道连通于微孔洞，且第一过滤层与第二过滤层之间不存在界面。本发明的多层膜结构具有较佳的机械强度与滤净效能。
【专利说明】多层膜结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于微过滤、超过滤、纳米过滤、薄膜蒸馏的过滤流体的多层膜结构。
【背景技术】
[0002]全球水资源缺乏议题使水处理薄膜技术持续受到关注，其中超过滤层虽然已大部分应用在生化分离纯化处理以及有机物的分离上，但超过滤层应用于水处理、废水回收、海淡纯水等各式前处理上需求也是日益增加且相当重要的。
[0003]一般而言，对于净水处理、地下排水处理、或工业排水的处理等浊度高的被处理水的固体-液体分离的方法，有砂过滤或重力沉淀等方法。然而，由该方法所进行的微过滤、超过滤、纳米过滤、薄膜蒸馏分离有获得的处理水的水质不充分的情况、或为了进行固体-液体分离而需要广大的用地等问题。对此，若使用分离膜来进行被处理水的过滤处理，则可获得水质较高的处理水。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种多层膜结构，使其具有较佳的机械强度与滤净效能。
[0005]为实现上述目的，本发明的一实施例提出一种多层膜结构，包括多孔性基材、第一过滤层以及第二过滤层。第一过滤层配置在多孔性基材上，且第一过滤层具有多个指状通道，且各指状通道的深宽比(Aspect Ratio)为0.1至0.7。第二过滤层配置在第一过滤层上，第二过滤层具有多个微孔洞，其中指状通道连通微孔洞，且第一过滤层与第二过滤层之间不存在界面。
[0006]其中，该多孔性基材与该第一过滤层的厚度和为100微米至250微米。
[0007]其中，该第二过滤层的厚度为0.1微米至50微米。
[0008]其中，该第一过滤层与该第二过滤层的厚度和为0.1微米至150微米。
[0009]其中，该微孔洞的大小为0.001微米至0.3微米。
[0010]其中，该微孔洞在该第二过滤层的表面上的孔洞密度为百分之二至百分之六十。
[0011]其中，该多孔性基材为不织布。
[0012]其中，该多孔性基材为织布。
[0013]其中，该多孔性基材的材质包括聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚乙烯对苯二 甲酸酯(polyethylene terephthalate, PET)或聚苯胺(Polyaniline, PAN)。
[0014]其中，该第一过滤层的材质是聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚醚(polyethersulfone, PES)> 聚偏 二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)、醋酸纤维素(Cellulose acetate, CA)、聚亚酰胺(Polyimide, PI)、聚乙烯(polyethylene, PE)与聚丙烯(polypropylene,PP)的其中之一，该第二过滤层的材质是聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚醚(polyethersulfone, PES)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)Λ 聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)、醋酸纤维素(Cellulose acetate, CA)、聚亚酉先胺(Polyimide，PI)、聚乙烯(polyethylene，PE)与聚丙烯(polypropylene，PP)的其中之另
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[0015]基于上述，在本发明的上述实施例中，多层膜结构借由将其第一过滤层与第二过滤层依序配置在多孔性基材上，因而能以多孔性基材作为主结构，而提高多层膜结构的结构强度。再者，第二过滤层具有多个微孔洞，第一过滤层具有多个指状通道，微孔洞连通于指状通道，且第一过滤层与第二过滤层之间不存在界面。据此，流体中的固体能因微孔洞而被阻挡于多层膜结构之外，但液体却能因指状通道而提高其通量，因而得以提高过滤的效率。
[0016]以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是依照本发明一实施例的一种过滤器的示意图。
[0018]图2是图1的过滤器中多层膜结构的剖面示意图。
[0019]图3是图2在A部分的电子显微镜示意图。
[0020]图4与图5分别是本发明其它实施例的多层膜结构中第一过滤层的电子显微镜示意图。
[0021]图6是是本发明一实施例形成多层膜结构的示意图。
`[0022]图7是本发明另一实施例形成多层膜结构的示意图。
[0023]图8是本发明又一实施例形成多层膜结构的示意图。
[0024]其中，附图标记:
[0025]10:过滤器
[0026]100:多层膜结构
[0027]110、210、310:第一过滤层
[0028]110A、120A:涂料
[0029]112、212、312:指状通道
[0030]120:第二过滤层
[0031]122:微孔洞
[0032]130:多孔性基材
[0033]200:渗透收集材料
[0034]300:盖膜
[0035]400:滤液收集管
[0036]500,600,700:涂布设备
[0037]610、620:单层狭缝涂布头
[0038]710:第一涂料刮刀
[0039]720:第二涂料刮刀
[0040]GUG4.Gla.G2a:狭缝间隙
[0041]G2、G3、G5、G3a、G4a、Glb、G2b:涂布间隙[0042]R:滚轮
[0043]S1、S2、S3:表面
【具体实施方式】
[0044]图1是依照本发明一实施例的一种过滤器的示意图。图2是图1的过滤器中多层膜结构的剖面示意图。在此为明确描述结构特征，故以电子显微镜图作为描述图式。请同时参考图1与图2,在本实施例中，过滤器10为螺卷式(spiral-wound type)过滤器,其依序将多层膜结构100、渗透收集材料200、多层膜结构100以及最外层的盖膜300卷绕包覆起来。在此并未限制过滤器10的结构及其分布型式，其端赖过滤器10所应用的环境与过滤条件而定。
[0045]在本实施例中，流体从图1右侧逐次通过过滤器10内的层层结构，而使流体的部分通过，微过滤、超过滤、纳米过滤、薄膜蒸馏中的固体或胶体或汽化的部分被撷取，使最终通过的流体从滤液收集管400流出过滤器10，因此达到过滤的效果。但，在此并未限定流体通过过滤器10的方式，其例如是借由压力差、浓度差异、温度差异或电性差异等，端赖过滤器10所使用的条件与过滤的对象而定。
[0046]请再参考图2。在本实施例中，多层膜结构100包括多孔性基材130、第一过滤层110以及第二过滤层120。多孔性基材130例如是织布或不织布，其作为第一过滤层110与第二过滤层120的承载基底，以让多层膜结构100具有较佳的结构强度(例如具有抗拉伸能力)，而使多层膜结构100不易因变形而造成第一过滤层110与第二过滤层120受损。再者，多孔性基材130具有如图2所绘示由缝隙、孔洞等构成的纤维化结构，其能与第一过滤层110、第二过滤层120连通，而同样产生过滤的效果。
[0047]在此并未限制多孔性基材的制作方式及材质。在本发明的其它实施例中，多孔性基材130的材质亦可为聚乙烯(polyethylene, PE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚乙烯对苯二 甲酸酯(polyethylene terephthalate, PET)、或聚苯胺(Polyaniline, PAN)。
[0048]此外，第一过滤层110,例如是以聚苯乙烯(polystyrene, PS)、聚醚(polyethersulfone, PES)> 聚偏 二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)> 聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene, PTFE)> 醋酸纤维素(Cellulose acetate, CA)、聚亚酸胺(Polyimide, PI )、聚乙烯与聚丙烯的其中之一所制成的涂料,而将其涂布在多孔性基材130上所形成的结构。第二过滤层120，例如是以聚苯乙烯、聚醚、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、CA、聚亚酰胺聚乙烯与聚丙烯的其中之另一所制成的涂料，而将其涂布在第一过滤层110上所形成的结构。在此并未限制第一过滤层110与第二过滤层120的涂布方式，其可为一次性涂布在多孔性基材130上，亦可分次涂布在多孔性基材130上。
[0049]图3是图2在A部分的电子显微镜示意图，用以进一步描述图2中第二过滤层120的结构特征。与图2类似，在此同样以电子显微镜图而使结构特征能被清楚地描述。请同时参考图2与图3，在此值得注意的是，借由在涂布过程中对形成第一过滤层110与第二过滤层120的涂料之间予以适当地控制，进而使第一过滤层110与第二过滤层120形成如图
2、图3所绘示的结构特征。
[0050]进一步地说，在本发明的实施例中，借由在涂布时，第一过滤层110的涂料黏度大于第二过滤层120的涂料黏度，因而能成型出第一过滤层110与第二过滤层120的结构，其中使第一过滤层110具有多个指状通道112，而第二过滤层120具有多个微孔洞122，且指状通道112与微孔洞122之间保持连通状态。再者，借由涂料的黏度控制进一步地使第一过滤层110与第二过滤层120之间无界面产生，进而避免第一过滤层110与第二过滤层120彼此阻塞而影响其过滤的效能。另一方面，由于纤维化结构的存在，因此第一过滤层110的指状通道112同时连通于多孔性基材130的孔洞或缝隙。
[0051]请再参考图2，在本实施例中，多孔性基材130的剖面厚度与第一过滤层110的剖面厚度之和为100微米至250微米，而第二过滤层120的剖面厚度为0.1微米至50微米。在另一未绘示的实施例中，第一过滤层与第二过滤层的剖面厚度和为0.1微米至150微米。在此，设计者可依据过滤条件与对象等决定涂布在多孔性基材130上的涂料厚度。
[0052]另外，在本实施例中，第二过滤层120的微孔洞122的大小为0.001微米至0.3微米，而微孔洞122在第二过滤层120的表面SI上的孔洞密度为百分之二至百分之六十。再者，第一过滤层110的指状通道112，其深宽比(Aspect Ratio)为0.1至0.7，且如图2所绘示，指状通道112的深宽比从第二过滤层120朝向多孔性基材130递减，此深宽比递减趋势亦有助于指状通道112的质传阻力亦朝向递减趋势。多孔基材130的孔洞分布为0.1?100微米大小分布，并且孔洞相互连通，使透过滤液能以低质传阻力方式，快速通过膜材。
[0053]据此，第二过滤层120借由其微孔洞122 (亦即第二过滤层120是呈海绵状结构)，而使流体中的固体或胶体能被阻挡在第二过滤层120之外。当液体通过微孔洞122之后，指状通道112与纤维化结构能提供液体快速且顺利的流动路径，使液体能轻易地从第一过滤层110与多孔性基材130通过。换句话说，借由第一过滤层110与多孔性基材130的通道结构的尺寸大于微孔洞122的尺寸，因而能提高液体的流通量，亦即本实施例的多层膜结构100兼具过滤(以第二过滤层120为主)与传输(以多孔性基材130与第一过滤层110为主)的双重效能。
[0054]此外，图4与图5分别是本发明其它实施例的多层膜结构中第一过滤层的电子显微镜示意图。在此，设计者可依据流体的性质与流动方向而改变指状通道的指向。例如，图4的第一过滤层210中，指状通道212倾斜于表面S2。在图5的第一过滤层310中，指状通道312则垂直于表面S3。当然，在另一未绘示的实施例中，亦可同时将图2、图4与图5的第一过滤层予以合并，即在第一过滤层中包括不同指向的指状通道，以使第一过滤层能获得较佳的流动通量。
[0055]图6是本发明一实施例形成多层膜结构的示意图。请参考图6，其为狭缝式双层一次涂布，亦即将上述第一过滤层110与第二过滤层120同时涂布披覆于多孔性基材130上，其中以涂料IlOA形成第一过滤层110，而以涂料120A形成第二过滤层120。再者，这两层涂料IlOA与120A的黏度特性与涂布设备500的狭缝间隙及涂布设备500与多孔性基材130之间的涂布间隙相关。
[0056]举例来说，第一层涂料IlOA经过狭缝间隙G1、涂布间隙G2及G3、及多孔基材130的行进速度而控制其厚度。另外，第二层涂料120A经由狭缝间隙G4、涂布间隙G3及G5、及多孔基材130的行进速度控制其厚度。
[0057]图7是本发明另一实施例形成多层膜结构的示意图。请参考图7，其为狭缝式单层两次涂布。多孔性基材130借由滚轮R带动，首先将涂料IlOA经过涂布设备600的单层狭缝涂布头610，而经过其狭缝间隙Gla涂布在多孔性基材130上。接着，再将涂料120A经过另一单层狭缝涂布头620的狭缝间隙G2a涂布于涂料IlOA上，且此两层涂料厚度及质量还可由涂布间隙G3a、G4a与多孔性基材130的行进速度获得适当地控制。
[0058]图8是本发明又一实施例形成多层膜结构的示意图。请参考图8，其为刮刀式单层两次涂布，两层涂料110AU20A分别置于涂布设备700的第一涂料刮刀710与第二涂料刮刀720的上游端，随着多孔性基材130被滚轮R带动，涂料IlOA与120A能借由第一涂料刮刀710与第二涂料刮刀720而被均匀地涂布在多孔性基材130上，其中涂料的厚度与涂布质量是由涂布间隙Gib、G2b控制。
[0059]基于上述，多层膜结构100能上述图6至图8的至少其中之一的方式将涂料IlOA与120A涂布在多孔性基材130而形成。
[0060]再者，在本发明的一实施例中，经由上述涂布方式所形成的多层膜结构100，其中涂料120A与IlOA的黏度分别为800CpS、2194CpS，而形成多层膜结构100后，其表面孔洞密度为28.03%，指状通道的深宽比(Aspect Ratio)为0.1至0.7，机械强度为2.08kgf/mm2。另外，经处理原液量测的透过量(Permeability)为150L/hr-m2-psi，污泥密度指数(SDI)为 0.73。
[0061]在本发明的另一实施例中，涂料120A、110A的黏度分别为1042cps、2194cps，形成多层膜结构100后的表面孔洞密度23.68%，指状通道的深宽比(Aspect Ratio)为0.18至0.59，机械强度为1.85kgf/mm2，经处理原液量测的透过量(Permeability)为130L/hr-m2-psi，污泥密度指数(SDI)为0.31。
[0062]在本发明的又一实施例中，涂料120A、110A的黏度分别为1042cps、2832cps，形成多层膜结构100后的表面孔洞密度32.45%，指状通道的深宽比(Aspect Ratio)为0.19至0.64，机械强度为1.65kgf/mm2，经处理原液量测的透过量(Permeability)为155L/hr-m2-psi，污泥密度指数(SDI)为0.1。
[0063]综上所述，在本发明的上述实施例中，借由将其第一过滤层与第二过滤层配置在多孔性基材上，因而能以多孔性基材作主要的承载结构而提高多层膜结构的结构强度，避免第一过滤层与第二过滤层因变形而受损。
[0064]再者，第二过滤层具有微孔洞、第一过滤层的指状通道与多孔性基材的纤维化结构彼此连通，且其中第一过滤层与第二过滤层之间无界面存在，因而三者之间能保持良好的连通效果，第一层过滤层与多孔基材亦无塞孔现象。
[0065]据此，流体中的可溶或不溶的固体、胶体能因微孔洞而被阻挡于多层膜结构之外，但液体却能因指状通道与纤维化结构的孔洞与缝隙而提高液体的通量，因而使多层膜结构同时在过滤与传输皆能有良好的效果。
[0066]当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.一种多层膜结构,其特征在于,包括: 一多孔性基材； 一第一过滤层，配置在该多孔性基材上，该第一过滤层具有多个指状通道，其中各该指状通道的深宽比为0.1至0.7 ;以及 一第二过滤层，配置在该第一过滤层上，该第二过滤层具有多个微孔洞，其中该指状通道连通该微孔洞，且该第一过滤层与该第二过滤层之间不存在界面。
2.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该多孔性基材与该第一过滤层的厚度和为100微米至250微米。
3.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该第二过滤层的厚度为0.1微米至50微米。
4.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该第一过滤层与该第二过滤层的厚度和为0.1微米至150微米。
5.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该微孔洞的大小为0.001微米至0.3微米。
6.根据权利要求5所述的多层膜结构，其特征在于，该微孔洞在该第二过滤层的表面上的孔洞密度为百分之二至百分之六十。
7.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该多孔性基材为不织布。
8.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该多孔性基材为织布。
9.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该多孔性基材的材质包括聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯对苯二甲酸酯或聚苯胺。
10.根据权利要求1所述的多层膜结构，其特征在于，该第一过滤层的材质是聚苯乙烯、聚醚、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纤维素、聚亚酰胺、聚乙烯与聚丙烯的其中之一，该第二过滤层的材质是聚苯乙烯、聚醚、聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯、醋酸纤维素、聚亚酰胺、聚乙烯与聚丙烯的其中之另一。
【文档编号】B01D69/12GK103785299SQ201310165970
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2013年5月8日 优先权日:2012年10月31日
【发明者】吕坤宗, 温恕恒, 吴平耀, 徐文月, 赖孟妶, 刘家铮 申请人:财团法人工业技术研究院