ES2236027T3 - Encapsulado de fibras huecas enrolladas en espiral. - Google Patents

Encapsulado de fibras huecas enrolladas en espiral.

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Abstract

Un método para fabricar un mazo encapsulado de fibras huecas, comprendiendo el método las operaciones de: (a) proporcionar al menos una o más capas de membranas de fibras huecas dispuestas alrededor de un tubo, teniendo dicho tubo un orificio que proporciona comunicación de fluido entre la porción hueca del tubo y dicha una o más capas; (b) introducir un compuesto de encapsulación fluido a dicha o más capas de membrana de fibras huecas desde dicho tubo a través de dicho orificio; e (c) introducir dicho compuesto de encapsulación fluido en dicha o más capas de membrana de fibras huecas desde fuera de dicho tubo.

Description

Encapsulado de fibras huecas enrolladas en espiral.
La presente invención se refiere a un método de encapsular fibras huecas. Más particularmente se refiere a un método de encapsular fibras huecas enrolladas en espiral.
Antecedentes de la invención
Los dispositivos de filtración de fibras huecas recta son ubicuos. No obstante, los módulos de fibras huecas bobinadas sólo se han descrito recientemente. Véase la Patente Norteamericana Nº 5.626.758. En realidad, los dispositivos de fibras huecas bobinados en múltiples capas se comentaron sólo brevemente en la Patente Norteamericana Nº 5.626.758, sin hacer mención a cómo montar o encapsular los mazos de fibra. Los dispositivos que contienen fibras huecas bobinadas, si están adecuadamente diseñados, son capaces de inducir vórtices Dean en su diámetro interior o ánima. Estos vórtices originan un barrido de la superficie de ánima que perturba la capa límite que allí se forma entre las partículas de especies disueltas que se han de retener dentro de la fibra y los materiales y fluidos que han de pasar a través de las fibras hacia el exterior de las fibras, produciendo así la despolarización y desobstrucción de la membrana de fibra, que crea un mayor rendimiento en el proceso de filtración.
En la técnica anterior, típicamente se utilizan epoxídicos para encapsular o unir uno o los dos extremos de fibras huecas rectas. Tales fibras se encapsulan inyectando epoxídico alrededor de la capa exterior de fibras. De este modo las superficies exteriores de los extremos de las fibras se convierten en un cierre estanco de líquidos de modo que todo el fluido debe pasar a través del ánima de las fibras en aquellas áreas que están encapsuladas. Mientras este método es apropiado para fibras huecas rectas, ha resultado inadecuado para los dispositivos de fibras huecas bobinadas, especialmente los dispositivos de fibras huecas bobinadas producidos por los colegas del inventor. Véase el documento PCT/U.S.99/30141, presentado el 17 de Diciembre de 1999.
Como para producir estos dispositivos de fibras huecas bobinadas en capas múltiples se utiliza preferiblemente un mandril, el mandril interfería con el encapsulado. Con el método de la técnica anterior de inyección del epoxídico desde el exterior hacia dentro, el epoxídico no obturaba totalmente todas las fibras, especialmente las fibras situadas en o cerca del mandril. El bobinado estanco de capas múltiples de fibras formaba una barrera que impedía penetrar al epoxídico a las capas interiores de fibras. Puesto que las fibras no se encapsulaban adecuadamente, el funcionamiento del módulo no se adaptaba a los rendimientos de funcionamiento predichos por los algoritmos.
Objetos de la invención
Un objeto de la presente invención es encapsular fibras enrolladas alrededor de un mandril central.
Un objeto de la presente invención es encapsular fibras enrolladas alrededor de un mandril central hueco.
Un objeto de la presente invención es encapsular capas múltiples de fibras enrolladas alrededor de un mandril central que es un tubo.
Un objeto de la presente invención es proporcionar mejor distribución del compuesto de encapsulación, especialmente a las capas interiores de fibras de un mazo de fibras huecas.
Un objeto de la presente invención es proporcionar medios para utilizar compuestos de encapsulación tales como epoxídicos de mayor viscosidad que los utilizados anteriormente en la técnica anterior.
Un objeto de la presente invención es impedir que el compuesto de encapsulación se drene hacia el interior de las fibras o hasta el lateral del mandril.
Un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de fibras huecas con dos o más capas de fibras huecas en el que al menos una capa esté enrollada sobra la otra y al menos un extremo de las fibras esté cerrado mediante un material de encapsulación a lo largo del mazo.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 ilustra una vista de un corte de un dispositivo utilizado para usar la presente invención.
La Figura 2 ilustra una vista de un corte de un dispositivo utilizado para usar la presente invención.
La Figura 3 ilustra una vista de un corte de un dispositivo utilizado para usar la presente invención.
La Figura 4 ilustra una vista de un corte de un dispositivo utilizado para usar la presente invención.
La Figura 5 ilustra una vista de un corte de un dispositivo completo según una realización de la presente invención.
Descripción detallada de la invención
La presente invención implica un procedimiento que incluye inyectar un compuesto de encapsulación tal como un epoxídico a través de una porción hueca del mandril central y sobre la(s) capa(s) interna(s) de un mazo de fibra de múltiples capas y a través del exterior del mazo y sobre la(s) capa(s) externa(s) del mazo y del producto fabricado por él. Encapsulando a través del mandril central, el compuesto de encapsulación se distribuye uniformemente a través de las fibras internas del mazo. Las operaciones se pueden hacer de manera secuencial o simultánea. Preferiblemente se hace como un procedimiento de dos operaciones, siendo la primera operación aplicar en primer lugar el compuesto de encapsulación a través del mandril central y sobre las fibras internas. La segunda operación es encapsular por fuera las capas externas del mazo de fibras para terminar el procedimiento.
La presente invención es una técnica de encapsulación que es preferible para encapsular fibras huecas enrolladas en espiral, especialmente cuando se utiliza en capas múltiples. Esta técnica de encapsulación se podría utilizar también para encapsular los extremos de fibras huecas rectas, especialmente en los dispositivos que tienen una elevada densidad de fibras o los que utilizan un gran número de capas de fibras rectas, que usan un mandril hueco que tiene o la longitud de las fibras en el mazo o que utilizan dos mandriles huecos, cuya longitud es sólo la longitud del área de las fibras necesarias para ser encapsuladas.
La Figura 1 ilustra una primera realización de la presente invención. La envolvente o alojamiento 1 contiene un mandril 2 que tiene una o más capas de fibras huecas 3 envueltas alrededor de su superficie exterior 2A. Este dispositivo está situado en un bloque preformado 4 que tiene un orificio 5 de llenado de encapsulado de capa exterior y un orificio 6 de llenado de encapsulado de vástago central. El mandril 2 como se muestra tiene un centro hueco 2B e incluye un grabado de plástico o tapón 7 y orificios pasantes 8 en comunicación de fluido con las capas interiores de fibras huecas 3.
La estructura se introduce a continuación en el bloque preformado 4 y el orificio de llenado 6 de la capa interna se llena entonces con suficiente compuesto de encapsulación tal como un epoxídico para forzar al compuesto a través de los orificios pasantes 8 y hacia el interior del mazo de fibra para formar un encapsulado de determinada altura. El orificio de llenado 5 de la capa exterior se llena también de compuesto de encapsulación preferiblemente hasta esa misma altura. Preferiblemente, el orificio interior 6 se llena antes seguido del orificio exterior 5 para asegurar que se ha obtenido el flujo adecuado alrededor de todas las fibras. Alternativamente, si así se desea, se pueden llenar ambos simultáneamente.
Adicionalmente, como se muestra, sólo se ve un bloque 4. Si así se desea, se pueden utilizar dos bloques y los extremos se encapsulan bien secuencial o bien simultáneamente.
La Figura 2 muestra una segunda realización de la presente invención. Esta realización se aplica a fibras huecas rectas. La envoltura o alojamiento 10 contiene un mandril 11 que tiene una o más capas de fibras huecas rectas 12 que rodean la superficie exterior 13 del mandril 11. El dispositivo se sitúa en un bloque 14 preformado que tiene un orificio 15 de llenado de encapsulación de capa externa y un orificio de llenado 16 de encapsulación de vástago central. El mandril 11 como se muestra tiene un centro hueco 17 e incluye un grabado de plástico o tapón 18 y orificios pasantes 19 en comunicación fluida con las capas interiores de las fibras huecas 12.
Entonces se hace fluir compuesto de encapsulación tal como resina epoxídica o de uretano hacia el orificio de llenado 16 de la capa interna con suficiente compuesto de encapsulación para forzar hacer pasar al compuesto a través de los orificios pasantes 19 y hacia el interior del mazo de fibra para formar un encapsulado de determinada altura. El orificio de llenado 15 de la capa exterior se llena también de compuesto de encapsulación preferiblemente hasta la misma altura. Preferiblemente se llena primero el orificio de llenado interior 16 seguido del orificio exterior 15 para asegurarse que se obtiene el flujo adecuado alrededor de todas las fibras. Alternativamente, si así se desea, se pueden llenar ambos simultáneamente.
La Figura 3 muestra una tercera realización de la presente invención. Esta realización se aplica a fibras huecas rectas. La envolvente o alojamiento 20 contiene dos mandriles cortos 21A y B que son iguales en longitud o ligeramente más largos que el área o longitud de fibra que se encapsulará. Cada mandril 21A y 21B está situado en el extremo opuesto de la envoltura 20 y tiene una o más capas de fibras huecas rectas 22 que rodean la superficie externa 23A y 23B respectivamente de cada mandril 21A y 21B. Este dispositivo se coloca en un bloque preformado 24 que tiene un orificio de llenado 25 de encapsulación de capa y un orificio de llenado 26 de encapsulación de vástago central. Como se puede observar, los mandriles 21A y 21B tienen cada uno un centro hueco 27 e incluyen un tapón extremo 28A y 28B y orificios pasantes 29A y B en comunicación de fluido con las capas interiores de las fibras huecas 22.
El compuesto de encapsulación tal como resina epoxídica o de uretano se hace fluir entonces hacia el interior del orificio de llenado de la capa más interna con suficiente compuesto de encapsulación para forzar el compuesto a través de los orificios pasantes 29A y B y hacia el interior del mazo de fibras para formar una encapsulación de una altura predeterminada. El orificio de llenado 25 de la capa externa se llena también de compuesto de encapsulación preferiblemente hasta la misma altura. Preferiblemente, primero se llena el orificio interior 26 seguido del orificio externo 25 para asegurar que se obtiene un flujo adecuado alrededor de todas las fibras. Alternativamente, si así se desea, se pueden rellenar ambos simultáneamente.
La Figura 4 muestra una realización adicional de la presente invención. Esta realización se aplica a fibras huecas enrolladas en espiral. La envoltura o alojamiento 30 contiene un mandril 31 que tiene una o más capas de fibras huecas rectas 32 que rodean la superficie exterior 33 del mandril 31. Este dispositivo se coloca en un bloque preformado 34 que tiene un orificio de llenado 35 de encapsulación de capa externa y un orificio de llenado 36 de vástago central. El mandril 31 como se puede observar tiene un centro hueco en cada extremo del mandril y un centro macizo en la porción de en medio del mandril 31. Los orificios pasantes 39A y B están en comunicación de fluido con las capas interiores de fibras huecas 32.
Luego se hace fluir hacia el orificio de llenado 36 de la capa interna un compuesto de encapsulación tal como resina epoxídica o de uretano con suficiente compuesto de encapsulación para forzar el compuesto a través de los orificios pasantes 39A y B y hacia el interior del mazo de fibras para formar una encapsulación de una altura predeterminada. El orificio de llenado 35 de la capa externa se llena también de compuesto de encapsulación preferiblemente hasta la misma altura. Preferiblemente se llena primero el orificio interior 36 seguido del orificio externo 35 para asegurar que se obtiene un flujo adecuado alrededor de todas las fibras. Alternativamente, si así se desea, se pueden rellenar ambos simultáneamente.
La Figura 5 muestra un dispositivo de fibras huecas completado de la Figura 1. La envolvente 40 contiene un mandril 41 que tiene una o más capas de fibras huecas 43 bobinadas que rodean la superficie externa del mandril 41. El mandril 41 como se puede observar tiene un centro hueco 42. Los orificios pasantes 44A y B están en comunicación de fluido con las capas interiores de las fibras huecas 43. El centro 42, las superficies externas de las fibras 43 en cada extremo del dispositivo están encerrados en un material de encapsulación 45 de modo que forman un cierre estanco a líquidos y todos los líquidos deben introducirse por los extremos a través del diámetro interior o ánimas de las fibras. Un extremo está cerrado con una tapa 46 que tiene una puerta 47 para hacer fluir hacia dentro o hacia fuera del lado del ánima del dispositivo. El otro extremo, como se muestra, tiene una tapa similar 48 con una lumbrera 49. Otras configuraciones y diseños son bien conocidos en la industria y este ejemplo no significa que esté limitado al diseño anterior. La envolvente tiene una lumbrera de fluido penetrado 50 para añadir o retirar fluido del espacio 51 creado entre el exterior del mazo de fibras y la pared interna de la envolvente. Si así se desea también se puede añadir a la envolvente 40 una segunda lumbrera (no mostrada) similar a la de la lumbrera 50.
En la práctica, el fluido a ser filtrado fluirá en la lumbrera 47 hacia el interior de la fibras 43. El liquido penetrado (liquido filtrado) fluirá a través de los poros de las fibras hacia el espacio de la envolvente 51 y luego a través de la lumbrera 50 para procedimientos o usos adicionales. La porción del fluido que no pasa a través de las fibras saldrá del modulo a través de la lumbrera 49. Se puede recircular a la lumbrera 47, enviarla más aguas abajo o tirarla a la basura.
Como es bien conocido en la técnica se pueden utilizar dos puertas laterales de envolvente como la de la puerta 50 y crear un flujo lateral de envolvente que ayuda a controlar la presión a través de la membrana (TMP) en el dispositivo.
Preferiblemente, antes de insertar el mazo de fibras huecas en la envolvente, el extremo a ser encapsulado preferiblemente se impregna o trata con un agente humedecedor retirable tal como glicerina (especialmente cuando se utiliza con un compuesto epoxídico de encapsulación). El agente o aditivo humedecedor humedece las fibras de modo que el compuesto de encapsulación tal como el epoxídico no se esponja en las ánimas de las fibras o hasta el lado de la fibra. El uso de la glicerina asegura que la encapsulación se puede reproducir, forma un cierre estanco a líquidos y elimina emisiones de formación de menisco y que bloquean los poros de otro modo activos de las fibras huecas. Mientras la glicerina se menciona como un ejemplo de aditivos humedecedores que pueden utilizarse, no significa bajo ningún concepto que se limite. Se puede utilizar cualquier otro aditivo humedecedor que realice la misma función y sea compatible con las fibras y el compuesto de encapsulación. En general esto resultara obvio para los expertos en la técnica.
El compuesto de encapsulación de la presente invención se introducirá en las diversas partes del mazo en forma fluida. Estos compuestos de encapsulación pueden ser termoestables o termoplásticos. Por fluido se entiende que el material es capaz de fluir lo suficiente a fin de introducirse en el área del mazo y rodear las capas de fibra requeridas. Típicamente, se encuentra en la forma de un líquido especialmente con materiales termoestables. También puede estar en forma fundida especialmente con materiales termoplásticos.
Los compuestos de encapsulación adecuados incluyen aquéllos tradicionalmente utilizados en encapsular mazos de fibras huecas rectos tales como resinas epoxídicas o resinas de uretano. También se pueden utilizar otras resinas tales como acrílicos, metacrílicos y cianoacrilatos. Podrán ser endurecidas por aire, activadas por catalizadores (paladio o plata por ejemplo) endurecidas por calor (con tal que la temperatura a la que se calienta la resina y los componentes que la rodean sea menor que la que distorsione o destruya cualquier componente del dispositivo), endurecidas por luz, endurecidas por humedad u otros mecanismos de endurecimiento bien conocidos. También se pueden utilizar termoplásticos, especialmente poliolefinas, tales como polietileno, polipropileno, copolímeros EVA, que tienen un punto de fusión más bajo que el de las fibras o la envoltura. Preferiblemente se moldean por inyección alrededor de las fibras a través de las lumbreras del bloque. La clave es que la resina sea lo suficientemente fluida para alcanzar las capas deseadas de los mazos y después se fije para sellar las superficies exteriores de las fibras del mazo en un cierre estanco a líquidos.
En una realización preferida de la presente invención, se permite utilizar resinas de mayor viscosidad que las utilizadas en el pasado, especialmente resinas epoxídicas y de uretano. Esto es porque la resina sólo necesita desplazarse a través de la mitad de las capas del mazo en comparación con el pasado y por tanto hay suficiente tiempo y se puede aplicar suficiente presión al flujo de compuesto de encapsulación para asegurar que puede desplazarse a través de las capas requeridas del mazo.
Dependiendo de la realización elegida, el mandril o mandriles pueden estar formados de plástico, vidrio o metal siendo preferido con plástico. El material seleccionado debe ser adecuado para utilizarse en su campo previsto tal como separaciones de materiales diseñados de biofarmacia o genéticamente, purificación de agua, separación de sangre, leche, incluyendo separaciones transgénicas de leche, filtraciones fotoquímicas y químicas finas, y similares. Deberán ser inertes en el entorno previsto, permitiendo lixiviar pocas si alguna se puede extraer de su estructura en el interior del fluido que se va a procesar. Adicionalmente, será compatible con el material de encapsulación elegido.
Los plásticos adecuados para ser utilizados incluyen pero no están limitados a acrílicos, metacrílicos, policarbonatos, resinas epoxídicas, poliestirenos, cloruros de polivinilo, poliolefinas y mezclas de los anteriores. Metales adecuados incluyen pero no están limitados a aluminio, acero inoxidable, cobre, latón, metal blanco (una aleación o amalgama de plomo, cinc, estaño).

Claims (15)

1. Un método para fabricar un mazo encapsulado de fibras huecas, comprendiendo el método las operaciones de:
(a)
proporcionar al menos una o más capas de membranas de fibras huecas dispuestas alrededor de un tubo, teniendo dicho tubo un orificio que proporciona comunicación de fluido entre la porción hueca del tubo y dicha una o más capas;
(b)
introducir un compuesto de encapsulación fluido a dicha o más capas de membrana de fibras huecas desde dicho tubo a través de dicho orificio; e
(c)
introducir dicho compuesto de encapsulación fluido en dicha o más capas de membrana de fibras huecas desde fuera de dicho tubo.
2. El método de la reivindicación 1, en el que dicha una o más capas de membrana de fibras huecas están dispuestas alrededor de dos de dichos tubos, estando situado cada tubo en un extremo respectivo del mazo, y teniendo cada tubo una longitud igual a o mayor que una altura deseada de dicho compuesto de encapsulación fluido; y en el que dicha membrana de fibras huecas consiste en una membrana de fibras huecas recta.
3. El método de la reivindicación 1, en el que dicha membrana de fibras huecas consiste en una membrana de fibras huecas recta.
4. El método de la reivindicación 1, en el que dicha membrana de fibras huecas consiste en una membrana de fibras huecas enrollada alrededor de dicho tubo.
5. El método de la reivindicación 3, que comprende dos o más capas de membrana de fibras huecas enrolladas en espiral, superponiéndose sucesivamente cada capa externa a la capa anterior.
6. El método de la reivindicación 1, en el que el tubo está formado de plástico.
7. El método de la reivindicación 6, en el que el compuesto de encapsulación fluido es un compuesto termoestable.
8. El método de la reivindicación 1, en el que el tubo está formado de un material metálico.
9. El método de la reivindicación 1, en el que las operaciones (b) y (c) se llevan a cabo simultáneamente.
10. El método de la reivindicación 1, en el que las operaciones (b) y (c) se llevan a cabo secuencialmente.
11. Un dispositivo de membrana de fibra hueca enrollada en espiral que comprende una membrana de fibras huecas, un tubo, un compuesto de encapsulación y un alojamiento, en el que:
(a)
la membrana de fibras huecas tiene poros y un ánima, la membrana de fibras huecas se enrolla en espiral alrededor de dicho tubo para formar dos o más capas, superponiéndose sucesivamente cada capa exterior a la capa anterior;
(b)
el tubo tiene un orificio que proporciona comunicación de fluido entre la porción hueca del tubo y dichas dos o más capas de membrana de fibras huecas;
(c)
el alojamiento tiene una primera lumbrera o abertura y una lumbrera de fluido que ha penetrado, permitiendo dicha primera lumbrera el flujo de fluido hacia el interior de dicha ánima de dicha membrana de fibras huecas, permitiendo dicha lumbrera de fluido penetrado fluir hacia fuera de dicho dispositivo el fluido pasado a través de dicha membrana de fibras huecas; y
(d)
dicho compuesto de encapsulación llena, en cada extremo del tubo, el centro de dicho tubo y el espacio alrededor de dicha membrana de fibras huecas entre dicho tubo y dicho alojamiento, de tal manera que el fluido que pasa a través de dicha primera lumbrera debe introducirse en dicho dispositivo a través de dicho ánima de dicha membrana de fibras hue-cas.
12. El dispositivo de membrana de fibras huecas enrollado en espiral de la reivindicación 11, en el que la lumbrera de fluido penetrado está en un lado de envoltura del alojamiento, comprendiendo además una segunda lumbrera dispuesta en dicho lado de envoltura del alojamiento.
13. El dispositivo de membrana de fibras huecas enrollado en espiral de la reivindicación 11, en el que dicho tubo está fabricado de plástico.
14. El dispositivo de membrana de fibras huecas enrollado en espiral de la reivindicación 13, en el que dicho compuesto de encapsular endurecido es una resina epoxídica endurecida.
15. El dispositivo de membrana de fibras huecas enrollado en espiral de la reivindicación 13, en el que dicho compuesto de encapsular endurecido es una resina de uretano endurecida.
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