ES2240075T3

ES2240075T3 - Metodo para fabricar membranas de fibra hueca.

Info

Publication number: ES2240075T3
Application number: ES00913302T
Authority: ES
Inventors: Kwok-Shun Cheng; Cha P. Doh; Larry Y. Yen; Rajnikant B. Patel; T. Dean Gates
Original assignee: Mykrolis Corp
Current assignee: Entegris Inc
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2005-10-16
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: US20040094466A1; JP4514959B2; TWI260240B; US6663745B1; KR20010101721A; AU3477100A; DE60020675D1; DE60020675T2; EP1148932A1; KR100637987B1; JP2002535130A; WO2000044480A1; EP1148932B1

Abstract

Un método de encapsular una pluralidad de membranas de fibra hueca fabricadas de un polímero termoplástico perfluorado que tienen un diámetro interno, un diámetro externo y una pared porosa entre ellas, agrupadas en sentido longitudinal, que tienen dos extremos, en el que una porción de uno o ambos extremos de dicha pluralidad de membranas de fibra hueca perfluoradas se encapsulan con un material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado que tiene una temperatura de fusión menor que la temperatura de ablandamiento de las membranas de fibra hueca, y en el que al menos un extremo encapsulado está abierto para que fluyan fluidos a través de dicho diámetro interno, comprendiendo dicho método: a) Preparar dicha pluralidad de membranas de fibra hueca fabricadas de un polímero termoplástico perfluorado en un haz de fibras con al menos un extremo de dicho haz restringido al flujo de material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado a través del diámetro interno de dichas fibras, b) Hacer fluir dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado, a una temperatura por debajo del punto de ablandamiento de dichas membranas de fibra hueca perfluoradas y por encima de la temperatura de fusión de dicho material encapsulante, alrededor de dichas membranas de fibra hueca de dicho al menos un extremo rellenando completamente los espacios intersticiales entre las fibras de dicha porción con dicho polímero termoplástico perfluorado, c) Enfriar dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado para solidificar dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado para formar un extremo encapsulado, d) Repetir, opcionalmente, las etapas a) a c) sobre los extremos opuestos de las membranas de fibra hueca para formar un segundo extremo encapsulado, e) Cortar a través de al menos un extremo encapsulado para abrir dichos extremos encapsulados de las membranas de fibra hueca, y, f) Sellar, opcionalmente, los extremos opuestos no encapsulados de las membranas de fibra hueca.

Description

Método para fabricar membranas de fibra hueca.

Esta invención proporciona un método simplificado un método simplificado para encapsular una pluralidad de membranas termoplásticas perfluoradas de fibra hueca. La invención proporciona además un haz de membranas de fibra hueca, tal como un elemento filtrante fabricado por el método inventivo.

Antecedentes de la invención

Una membrana de fibra hueca es un filamento tubular que comprende un diámetro interno, un diámetro externo, con un espesor de pared, usualmente porosa, entre ellos. El diámetro interno define la porción hueca de la fibra y se usa para transportar un fluido, ya sea el fluido de alimentación a filtrar, ya sea el fluido que permea, si el fluido que se está filtrando entra en contacto con la superficie externa. Algunas veces, a la porción hueca interna se la llama lumen.

Las membranas de fibra hueca se usan para diversas aplicaciones, que incluyen la separación de gases, ósmosis inversa, ultrafiltración y separación de partículas y bacterias con membranas microporosas. En estas aplicaciones, la membrana actúa como barrera permeable, permitiendo el paso del fluido portador y de algunas especies disueltas o dispersas, y reteniendo otras especies seleccionadas debido a diferencias en el tamaño de las especies, velocidades de permeación u otros atributos físicos o químicos.

En las aplicaciones prácticas, la fibra se corta, o se transforma de cualquier otra manera, hasta una longitud específica y varias fibras se juntan en un haz. Una porción de uno o ambos extremos del haz de fibras se encapsulan en un material que rellena el volumen intersticial entre fibras y forma una lámina tubular. A este procedimiento se le llama algunas veces encapsular las fibras y al material usado para encapsular se le llama material encapsulante. La lámina tubular actúa como un sello junto con un dispositivo de filtración. Si el procedimiento de encapsulación cierra y sella los extremos de las fibras, uno o ambos extremos del haz de fibras encapsulado a través de su diámetro, o se abre de cualquier otra manera. En algunos casos, los extremos abiertos de las fibras se cierran y sellan antes de la encapsulación para impedir que el material encapsulante entre por los extremos abiertos. Si solo se va a abrir un extremo para permitir el flujo de fluido, el otro extremo se deja cerrado o se sella. El dispositivo de filtración soporta el haz de fibras encapsulado y proporciona un volumen para el fluido a filtrar y para su concentrado, separado del fluido que permea. Durante el uso, una corriente de fluido entra en contacto con una superficie y la separación se produce en la superficie o en el seno de la pared de la fibra. Si se entra en contacto con la superficie externa de la fibra, el fluido y las especies que permean pasan a través de la pared de la fibra y se recogen en el lumen y se dirigen al extremo o a los extremos abiertos de la fibra. Si se entra en contacto con la superficie interna de la fibra, la corriente de fluido a filtrar se alimenta por el extremo o los extremos abiertos y el fluido y las especies que permean pasan a través de la pared de la fibra y se recogen por la superficie externa.

Para formar el sello se usan una diversidad de materiales. Como componentes del sello comúnmente se usan resinas epoxi y uretanos. Los polímeros termoplásticos son otra clase importante. Estos son polímeros que se pueden hacer fluir y moldear cuando se calientan, y recuperan sus propiedades de sólido originales cuando se enfrían. Cuando las condiciones de la aplicación para la que se está usando el dispositivo de filtración se tornan más duras, los materiales que se pueden usar para formar el sello son limitados. Por ejemplo, las disoluciones basadas en disolventes orgánicos usadas para el revestimiento de obleas en la industria de la microelectrónica disolverán o hincharán y debilitarán los sellos basados en resinas epoxi y uretanos. Los baños de extracción a alta temperatura de la misma industria consisten en compuestos altamente ácidos y oxidantes, que destruirán los sellos fabricados de polímeros comunes. Los sellos fabricados de materiales termoplásticos perfluorados tienen una resistencia excepcional a la degradación química y térmica y proporcionarían un excelente material sellante.

Las membranas fabricadas de polímeros termoplásticos perfluorados son muy útiles en aplicaciones de filtración que requieran un alto grado de resistencia química y térmica. Para beneficiarse completamente de las propiedades de las membranas termoplásticas perfluoradas, el elemento filtrante que usa tales membranas se tiene que fabricar de materiales que tengan similares propiedades de resistencia. Para trabajar a alta temperatura es preferible que la temperatura de fusión del material encapsulante sea tan próxima como sea posible a la temperatura de fusión de las membranas de fibra hueca. Esto maximizará la temperatura de operación porque la temperatura de operación estará limitada a aproximadamente la menor temperatura de fusión de los componentes del filtro. Asimismo, es difícil encapsular membranas termoplásticas perfluoradas con materiales encapsulantes no similares y obtener un buen ligamento entre el material encapsulante y las membranas termoplásticas perfluoradas. Para la filtración de disoluciones ultrapuras se requieren concentraciones sumamente bajas de materia residual extraíble del dispositivo de filtración. Los materiales termoplásticos perfluorados se usan comúnmente en aplicaciones que requieren muy baja materia extraíble y en tales aplicaciones tendría ventaja un filtro fabricado enteramente de materiales termoplásticos perfluorados. Por esas razones, es deseable tener un método de encapsular membranas termoplásticas perfluoradas en un material encapsulante termoplástico perfluorado.

La fabricación de un elemento filtrante a partir de membranas termoplásticas perfluoradas usando polímeros termoplásticos como material sellante es más difícil que con materiales resinosos típicos tales como resinas epoxi reactivas y uretanos reactivos. Las resinas epoxi y los uretanos usados para esta aplicación se seleccionan para que tengan buenas propiedades de flujo de modo que puedan fluir fácilmente alrededor de las fibras a sellar. Estos materiales comprenden componentes reactivos de bajo peso molecular, que tienen bajas viscosidades, que reaccionan para formar la masa encapsulante final después de que se hayan hecho fluir o de cualquier otra manera se hayan cargado en una porción de un depósito que contenga un haz de fibras. Los polímeros termoplásticos son polímeros que cuando se calientan se pueden hacer fluir y se pueden moldear, y cuando se enfrían recuperan sus propiedades originales de sólidos. Los polímeros termoplásticos son materiales de alto peso molecular y que tiene una alta viscosidad. No fluyen fácilmente alrededor de las fibras de un haz de fibras, y no son propensos a fluir uniformemente alrededor o a través de una masa de fibras. Con el fin de que fluyan, los materiales termoplásticos tienen que calentarse para fundirlos o ablandarlos. El material termoplástico caliente puede tener efectos perjudiciales sobre las fibras que se están sellando. Los materiales termoplásticos perfluorados son particularmente difíciles de usar como materiales encapsulantes debido a su alta temperatura de fusión y a su alta viscosidad. Para ser extruidos o inyectados, los polímeros termoplásticos perfluorados tienen que calentarse por encima de su punto de fusión. Un contacto demasiado largo del material encapsulante termoplástico perfluorado, calentado por encima de su punto de fusión, con membranas porosas de fibra hueca de puntos de fusión similares provocará la fusión y el colapso de las fibras huecas. Si el material encapsulante termoplástico perfluorado se enfría demasiado rápidamente cuando se está haciendo fluir por el haz de fibras, no rellenará completamente los espacios intersticiales entre las fibras. En su lugar, tenderá a formar volúmenes ocluidos a partir del material encapsulante enfriado que no es capaz de fluir fácilmente. Éstos darán lugar a puntos débiles y posibles fugas. Los usuarios han intentado superar estas dificultades con una variedad de complicados esquemas.

Las patentes de EE.UU. 4.980.060 y 5.066.397 describen métodos de fabricar un elemento filtrante que comprende una pluralidad de membranas porosas de fibra hueca de una resina termoplástica, ligada por fusión a la periferia de las porciones terminales para formar un bloque terminal. En una realización, membranas termoplásticas de fibra hueca que contiene una carga inorgánica de partículas finas se sumergen en una mezcla de yeso y agua para sellar las aperturas de los extremos. Las porciones terminales se sumergen en un disolvente de la carga inorgánica para separar, sólo de la superficie de las porciones de los extremos, la carga inorgánica por lavado. La operación de extracción se puede efectuar eficientemente llevando a cabo una inmersión de las porciones de los extremos de las membranas en el disolvente, mientras se somete el disolvente a un tratamiento con ultrasonidos. Las porciones de los extremos selladas se agrupan en un haz en dirección longitudinal y las porciones de los extremos se calientan hasta al menos la temperatura de ablandamiento de la resina usada para fabricar las membranas. Durante la etapa de calentamiento, las periferias de las porciones de los extremos de membranas mutuamente adyacentes deben mantenerse en contacto, bobinando una cinta no adhesiva alrededor de las porciones de los extremos antes del tratamiento térmico. La cinta se separa después del tratamiento. En otra realización, se aplica una resina termoplástica en polvo a las periferias de las porciones de los extremos de las membranas. La resina se aplica sumergiendo las porciones de los extremos en un líquido, y a continuación poniendo las porciones de los extremos humectadas con el líquido en la resina en polvo, o pulverizando o extendiendo la resina en polvo por las porciones de los extremos humectadas. Cuando se sumerge en el líquido una pluralidad de membranas, con frecuencia las membranas internas no son fácilmente humectadas. En tal caso, el líquido se puede someter a un tratamiento con ultrasonidos. La resina en polvo también se puede aplicar preparando en primer lugar una mezcla del mismo líquido y de la resina en polvo y a continuación sumergiendo las porciones de los extremos en la mezcla o pulverizando o extendiendo la mezcla sobre las periferias de las porciones de los extremos. A continuación, las membranas se agrupan en dirección longitudinal para formar un haz y las porciones de los extremos selladas se calientan hasta una temperatura al menos tan alta como el punto de ablandamiento de la resina usada para fabricar las membranas, como se describió en la realización previa, para que las porciones de los extremos se liguen por fusión a través del medio de resina termoplástica resultante de la resina termoplástica en polvo. En estas dos realizaciones, el haz de fibras se somete a una extracción completa de la carga después del tratamiento térmico. En otra realización, membranas sin rellenar se cargan sin el material resina en polvo adherido a las periferias mientras se alimenta un gas inerte por las aperturas del extremo opuesto de las fibras. Existen varias dificultades intrínsecas a estas complejas operaciones. Se requeriría una extracción exhaustiva para reducir el contenido de carga inorgánica hasta una concentración suficientemente baja para que sea adecuada para uso en la filtración de fluidos ultrapuros, como se requiere para aplicaciones en la fabricación de dispositivos microelectrónicos. Similarmente, la extracción del sello de yeso del extremo de la fibra aumentaría el coste y la dificultad del procedimiento. La fusión de las periferias de las fibras mediante calor requiere mantener las fibras en contacto mutua durante el procedimiento. Para haces grandes, las fibras más próximas a la porción externa del haz estarán sometidas a una mayor aplicación de presión, con el fin de aplicar suficiente presión a las fibras internas del haz. Una presión no uniforme puede provocar diferencias en las propiedades de las fibras en el haz encapsulado final. La aplicación de una resina en polvo en medio líquido requerirá una etapa adicional para separar el vehículo líquido. El flujo de gas inerte durante la fusión requiere un sello separado alrededor de las fibras y un suministro de gas a presión y un aparato de control.

La patente de EE.UU. 5.015.585 describe un procedimiento para fabricar un módulo de fibras huecas de un homopolímero mediante técnicas de ligado térmico que en primer lugar requiere la inserción de una varilla de metal en el lumen de cada fibra hueca para mantener su forma e integridad durante el procedimiento de ligado. Después de finalizar el ligado, las varillas insertadas en las fibras se fuerzan a través de los extremos y se separan. La desventaja de este procedimiento es la dificultad de colocar fiablemente varillas finas en lúmenes de diámetro muy pequeño y de separar las varillas después del procedimiento de ligado.

En la patente de EE.UU. 5.284.584 se describe un método en el que una resina termoplástica se extruye a temperaturas elevadas para formar una banda fundida de material encapsulante que se dirige sobre la superficie de un tejido de membranas de fibra hueca. Las membranas de fibra hueca constituyen la trama del tejido, consistiendo la urdimbre en filamentos que mantienen a las fibras de las membranas espacialmente separadas. El tejido se bobina sobre un eje paralelo a la dirección de las fibras mientras que simultáneamente se extruye la resina termoplástica sobre cada extremo del haz para encapsular cada uno de los dos extremos del haz en la resina termoplástica, que sirve para sellar el extremo del haz en forma de lámina tubular monolítica adyacente. Este método requiere la complejidad añadida de tejer un tejido de fibras de membrana débiles, haciendo funcionar una extrusora y sistemas de bobinar tejidos, y requiriendo sistemas de control para integrar ambas actividades.

La patente de EE.UU. 5.556.591 describe un procedimiento para encapsular fibras dentro de un cuerpo, que comprende formar un haz de fibras huecas dentro de una porción ahuecada del cuerpo, alineándose las fibras de manera sustancialmente longitudinal y manteniéndose espaciadas uniformemente, repartiendo a lo largo del eje longitudinal del haz una composición termoplástica fundida a una temperatura de contacto por debajo del punto de fusión de las fibras, pero suficiente para disminuir la viscosidad del material termoplástico para que fluya alrededor de todas las fibras, aplicar una presión diferencial al cuerpo para ayudar a fluir, estando el haz a una temperatura lo bastante baja para provocar la solidificación del material termoplástico fundido sustancialmente en contacto, y formar un sello hermético alrededor de cada fibra del haz y en el interior del cuerpo. Este procedimiento requiere medios adicionales para aplicar una presión diferencial al cuerpo durante el procedimiento. Además, para haces grandes sería difícil dispensar un material termoplástico que solidifique al contacto ya que el primer material que solidificara impediría el flujo uniforme de material subsiguiente.

Las patentes de EE.UU. 5.228.992 y 5.445.771 describen fibras huecas reforzadas mediante tratamiento con radiación con el fin de reticular las fibras a lo largo de toda su estructura y convertirlas en estructuras estables al calor. Las fibras se configuran en módulos o haces en una configuración en bucle o en reloj de arena y se encapsulan por moldeo por inyección de una sección intermedia de la configuración en reloj de arena. A continuación, la masa encapsulante se corta a lo largo del área encapsulada para formar al menos dos módulos. Un tratamiento especial con radiación añade etapas al procedimiento de fabricación del filtro y no es adecuado para materiales termoplásticos perfluorados, ya que provocará la degradación de estos polímeros.

Las patentes de EE.UU. 5.505.858 y 5.662.843 describen un procedimiento para fabricar un elemento filtrante de fibras huecas de poliolefinas mediante dos etapas de encapsulación. Se sumerge un haz de fibras preparado de una primera poliolefina en una segunda poliolefina fundida a una temperatura no mayor que la temperatura de fusión de la primera poliolefina y se separa antes de que la segunda poliolefina pierda su fluidez, y se permite que endurezca. El elemento filtrante resultante con la segunda poliolefina unida se inserta en un segundo molde que tiene una copa de nilón sin fondo o una poliolefina fijada en el interior, con medios de calentamientos fijados en el exterior. El molde contiene una poliolefina fundida de bajo peso molecular que puede ser la misma que la segunda poliolefina o una mezcla fundida de la poliolefina de bajo peso molecular y de una poliolefina ordinaria que tiene un peso molecular promedio mayor que el de la poliolefina de bajo peso molecular. El elemento filtrante se separa y se permite que endurezca como se describió anteriormente. Este método requiere dos etapas separadas de calentamiento y moldeo, doblando efectivamente de este modo la complejidad del procedimiento.

La solicitud de patente europea 0803281A1 describe un procedimiento de encapsulación en el que fibras huecas con sus extremos abiertos se insertan en una masa fundida de resina termoplástica a una temperatura no mayor que la temperatura de fusión de la materia prima de las membranas que separan fibras huecas. A continuación, la masa fundida se enfría y solidifica para formar un sello en estado a medio ligar que no muestra ninguna compatibilidad con el material macromolecular usado para fabricar la fibra hueca. A continuación, los extremos terminales abiertos del haz en la parte sellante se abren cortando o fundiendo térmicamente las puntas guía de la parte sellada. Este método no está disponible para todas las fibras. Como se describió en la descripción, las fibras no se pueden encapsular si tienen una flexión demasiada alta o una resistencia demasiado baja a la ruptura. Asimismo, la encapsulación con los extremos abiertos puede provocar que los lúmenes de las fibras se rellenen con excesivo material encapsulante. Esto es, en el lumen, el material encapsulante igualará la altura de la masa encapsulante, y no dejará ningún espacio para abrir los extremos por corte. En otra realización, una pasta de material encapsulante dispersada en alcohol etílico se inyecta en los terminales abiertos de un tubo externo que contiene un haz de fibras, el tubo exterior así preparado se cuece y se permite que el tubo exterior cocido repose y a continuación se deja enfriar en el horno. La desventaja se este método es que requiere una forma de operar antideflagrante debido a la naturaleza inflamable del alcohol.

El documento EP-A-0.343.247 describe una membrana porosa de filamentos huecos compuesta principalmente de una resina de politetrafluoroetileno, y un procedimiento para producir una membrana porosa, que comprende conformar una mezcla de una dispersión de la resina de politetrafluoroetileno con un polímero formador de filamentos en una forma hueca o semejante a una lámina, tratar térmicamente la membrana resultante a una temperatura por encima del punto de fusión de la resina, y separar el polímero formador de filamentos. Este procedimiento dota a las membranas porosas de la resina de politetrafluoroetileno con varios tamaños de poro y relaciones de huecos que se producen cambiando la clase o la cantidad de aditivos en la mezcla de partida, y proporciona unja nueva técnica para separar sustancias en un medio a alta temperatura y fuertemente disgregante o fuertemente disolvente.

Los complejos métodos desarrollados en la técnica anterior indican la dificultad de producir elementos filtrantes de fibra hueca con polímeros termoplásticos como materiales encapsulantes. Es por lo tanto deseable tener un procedimiento simplificado para producir elementos filtrantes de membranas termoplásticas perfluoradas de una manera eficiente y a bajo coste.

Sumario de la invención

La presente invención es según se reivindica en las reivindicaciones.

Esta invención es un método simplificado para fabricar un elemento filtrante de membranas termoplásticas perfluoradas de fibra hueca encapsuladas con un polímero termoplástico perfluorado. El método comprende colocar una porción de extensiones de membranas de fibra hueca con al menos uno cerrado, en una cavidad temporal hecha en un baño de polímero termoplástico fundido mantenido en un recipiente, mantener las extensiones de fibras en una posición definida, preferiblemente vertical, mantener el polímero termoplástico en estado fundido para que fluya por la cavidad temporal alrededor de las fibras y entre las fibras, llenando completamente los espacios intersticiales entre fibras con el polímero termoplástico. Una cavidad temporal es una cavidad que permanece como tal en el material encapsulante fundido durante un tiempo suficiente para posicionar y fijar el haz de fibras en su lugar y que a continuación se rellenará con el polímero termoplástico fundido. La naturaleza temporal de la cavidad se puede controlar mediante la temperatura a la que se mantiene el material encapsulante, la temperatura a la que se mantiene el material encapsulante durante la colocación del haz de fibras, y las propiedades físicas del material encapsulante. Una cavidad temporal también puede ser una cavidad en un material termoplástico sólido que se rellenará cuando el material termoplástico se caliente a una temperatura suficientemente superior a su temperatura de ablandamiento o de fusión para que fluya, y se mantiene a esa temperatura durante el tiempo necesario para rellenar la cavidad. El extremo de la fibra se puede cerrar por sellado, obturación, o, en una realización preferida, conformándose en un bucle. El bucle actúa como extremo de cierre, y los dos extremos de la fibra están fuera del material encapsulante. Las fibras encapsuladas con el material encapsulante fundido se separan del recipiente y se enfrían para solidificar el polímero termoplástico y formar la masa encapsulante termoplástica sólida. Opcionalmente, el recipiente con el material encapsulante y el haz de fibras a encapsular se enfrían y el material encapsulante y el haz de fibras encapsuladas se separan del recipiente. El exceso de material polímero termoplástico encapsulante se separa y se abren los extremos en la masa encapsulante cortando perpendicularmente a través del material encapsulante o en un ángulo menor que 90º respecto al eje
longitudinal.

El procedimiento se puede conseguir agrupando extensiones de membranas de fibra hueca con al menos un extremo sellado en un cuerpo hueco tal como un tubo con ambos extremos abiertos, en el que el cuerpo hueco llega a ser una parte del elemento filtrante final. El cuerpo hueco tiene una parte superior y una parte inferior. La parte inferior se colocará en la cavidad temporal en el baño de polímero termoplástico fundido como se describió anteriormente. Los ejes longitudinales de las fibras se agrupan de manera sustancialmente paralela al eje longitudinal del armazón. Las fibras se mantienen verticalmente en su lugar en el cuerpo hueco por medios de sujeción y medios de soporte de la estructura de modo que no se eleven por flotación o se hundan en el baño de material encapsulante fundido durante la encapsulación. Las fibras y el armazón se agrupan de modo que un extremo sellado de cada fibra esté sustancialmente cerca de la parte inferior del cuerpo hueco y cada extremo esté sustancialmente en el mismo plano. Una porción de la parte inferior del cuerpo hueco con las extensiones de fibras en su lugar se coloca en una cavidad temporal en un baño de polímero termoplástico fundido mantenido en un recipiente, manteniendo el cuerpo hueco en una posición vertical definida, manteniendo el polímero termoplástico en estado fundido para que fluya por la cavidad temporal a través y alrededor de las fibras y verticalmente hacia arriba por las fibras, rellenado completamente con el polímero termoplástico los espacios intersticiales entre las fibras y la porción del cuerpo hueco. Las fibras encapsuladas con material encapsulante fundido se separan del recipiente y se enfrían para solidificar el polímero termoplástico y formar la masa encapsulante termoplástica sólida. El exceso de material polímero termoplástico encapsulante se separa y se abren los extremos en la masa encapsulante cortando perpendicularmente al eje longitudinal a través del material encapsulante y del cuerpo hueco.

Opcionalmente, las extensiones de las fibras se pueden plegar en forma de U atada y cada uno de los extremos de las U se coloca sustancialmente cerca de la parte inferior del cuerpo hueco con cada uno de los extremos de las U sustancialmente en el mismo plano. Opcionalmente, se puede fabricar una mata de fibras agrupando extensiones de fibras individuales en una hilera perpendicular a la longitud de las fibras, estando las extensiones de fibras separadas por distancias sustancialmente iguales, y uniendo los extremos de las fibras adyacentes por cada extremo de las fibras con un medio continuo, tal como una cinta. El medio continuo también puede sellar los extremos o uno o ambos extremos se pueden sellar separadamente. La mata se puede enrollar a continuación sobre un eje paralelo a las extensiones de las fibras, con o sin un núcleo. La mata enrollada se coloca a continuación en el cuerpo hueco como se describió anteriormente. En cualquiera de estos métodos opcionales, la encapsulación transcurre a continuación como se describió anteriormente.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 representa un haz de membranas de fibra hueca con un medio de atar y una varilla delgada enhebrada a través del haz de fibras.

La figura 2 representa una vista desde arriba de un haz de fibras mantenido en un cilindro hueco.

La figura 3 representa una sección transversal de la figura 2 a lo largo de la línea 1-1.

La figura 4 representa una vista desde arriba de un recipiente con un baño de material encapsulante fundido.

La figura 5 representa una sección a lo largo de la línea 2-2 de la figura 4.

La figura 6 representa una vista desde arriba de un recipiente en una cavidad temporal en un baño de material encapsulante fundido.

La figura 7 representa una sección a lo largo de la línea 3-3 de la figura 6.

La figura 8 representa la sección mostrada en la figura 4 de un recipiente con un baño de material encapsulante fundido y una sección a lo largo de la línea 2-2 del haz de membranas de fibra hueca mantenido en un cilindro hueco mostrado en la figura 2.

La figura 9 representa una sección a lo largo de la línea 2-2 del haz de membranas de fibra hueca mantenido en un cilindro hueco mostrado en la figura 2 después de encapsular, mostrando la masa encapsulante solidificada y un corte planificado típico.

Descripción detallada de la invención

Esta invención proporciona un método simplificado para producir un elemento filtrante que comprende una pluralidad de membranas termoplásticas perfluoradas de fibra hueca, de longitud sustancialmente igual, agrupadas en sentido longitudinal, y sellos termoplásticos perfluorados en los extremos, o masas encapsulantes. Además, la invención proporciona el elemento filtrante fabricado por el método inventivo.

Las membranas termoplásticas perfluoradas de fibra hueca de esta invención se fabrican de polímeros tales como poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) o poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno). Los sellos termoplásticos perfluorados de los extremos se fabrican preferiblemente de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) que tiene un punto de fusión de aproximadamente 250ºC a aproximadamente 260ºC. Un material encapsulante preferido es la resina Hyflon® 940 AX, de Ausimont USA Inc., de Thorofare, NJ. También son adecuados poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno)s de baja viscosidad con baja temperatura final de fusión que se describen en la patente de EE.UU. 5.266.639.

Antes de encapsular el haz de fibras, el material encapsulante termoplástico perfluorado se prepara pesando una cantidad predeterminada de polímero termoplástico perfluorado y colocando el polímero en un recipiente con la parte superior abierta. Preferiblemente, el recipiente es un cilindro con un diámetro mayor que el del cuerpo hueco o el del haz de fibras que se describen más adelante. El recipiente tiene que fabricarse de un material que soporte altas temperaturas, mayores, por ejemplo, que 300ºC, durante un período de tiempo extendido. Bastará un recipiente de un metal no reactivo con paredes gruesas. El recipiente con material encapsulante termoplástico perfluorado se coloca en un horno mantenido a una temperatura lo bastante alta para fundir el polímero termoplástico perfluorado y se mantiene en el horno durante un tiempo lo bastante largo para producir un baño del polímero fundido que se desgasifica. Como alternativas al calentamiento en un horno, el recipiente se puede calentar por medios fijados de calentamiento, tales como una banda calefactora, o por inmersión parcial en un baño líquido calentado. Se prefiere un intervalo de temperatura de aproximadamente 260ºC a aproximadamente 290ºC, siendo más preferida una temperatura de aproximadamente 270ºC a aproximadamente 280ºC, y siendo mucho más preferida una temperatura de aproximadamente 275ºC. La temperatura tiene que estar por encima de la temperatura de fusión del material encapsulante y ser menor que el punto de ablandamiento de las fibras huecas a encapsular. Para mantener el material encapsulante fundido es satisfactorio un tiempo de 16-72 horas, siendo los tiempos preferidos 24-48 horas.

El elemento filtrante se puede preparar mediante una variedad de maneras. Las etapas de una realización preferida comprenden:

a): Bobinar una extensión continua de fibra sobre un marco rectangular sin solapar las bobinas. El marco rectangular tiene una longitud y una anchura y la dimensión de la anchura es aproximadamente la longitud del elemento filtrante final. La fibra se bobina alrededor de la anchura del marco y se fija con, por ejemplo, una cinta a lo largo de un lado en sentido longitudinal.

b): El marco con las fibras bobinadas sobre él se coloca en un horno a una temperatura de aproximadamente 270ºC a aproximadamente 280ºC, con una temperatura preferida de 275ºC, durante de aproximadamente 16 horas a aproximadamente 24 horas para termoendurecer las fibras.

c): Después del tratamiento de termoendurecimiento, las fibras se enfrían y se separan del marco cortando por la cinta y separando por corte la cinta en exceso. El resultado son varios bucles de fibras individuales en forma de U con dos extremos abiertos.

d): Los bucles se relajan por calentamiento en un horno a 275ºC durante aproximadamente 16-24 horas. La relajación térmica se hace dejando las fibras horizontalmente libres de sujeciones para impedir la deformación de las fibras. Alternativamente, se pueden colgar verticalmente sin ningún otro contacto.

e): Después de la etapa de relajación térmica las fibras se enfrían. Los bucles se ponen en un cilindro con ambos extremos abiertos, un extremo del cilindro la posición superior y el otro extremo la posición inferior en una etapa subsiguiente en la que el cilindro se posiciona verticalmente en un baño de material encapsulante fundido. Se pueden usar otros cuerpos huecos dependiendo de los requisitos del producto final. El cuerpo hueco puede tener perforaciones para que fluyan fluidos. Preferiblemente, el cuerpo hueco se fabrica del mismo material que el material encapsulante, pero puede ser cualquier material con el que el material encapsulante fundido forme una banda hermética después de enfriar. El cuerpo hueco se puede diseñar para que sea un componente para el alojamiento del elemento filtrante final.

f): Las fibras se posicionan con los bucles cerca del fondo del cilindro y los dos extremos abiertos cerca de la parte superior del cilindro. Las fibras se sujetan conjuntamente en un haz cerca del extremo superior. Un método de sujeción es atar las fibras conjuntamente cerca del extremo superior con un tramo de cinta de tuberías de Teflón®. Se puede usar otro material para atar o medio de sujetar en tanto y cuanto las fibras no se dañen y el medio de atar o de sujeción no se degrade a las temperaturas usadas en el procedimiento de encapsulación.

g): Se enhebra una varilla delgada a través del haz, perpendicularmente a las extensiones de las fibras, justo por debajo de la atadura. La varilla se usa para soportar el haz en la posición fijada en el cilindro para que no se sumerja en el material encapsulante fundido durante la etapa de inmersión. La figura 1 representa el haz de fibras con los bucles (11) de fibras, el medio de atar (13) y la varilla delgada (15) enhebrada a través de las fibras bajo el medio de atar. La varilla se puede enhebrar a través de perforaciones opuestas en el cilindro y soportarse mediante las perforaciones, o dejarse sobre el borde superior del cilindro. La figura 2 representa una vista desde arriba del haz de fibras colocado en el cilindro hueco (17) mostrando la varilla delgada que soporta el haz de fibras por el medio de atar. La figura 3 es una sección a lo largo de la línea 1-1 de la figura 2 mostrando los bucles (11) soportados en el cilindro hueco (17) mediante la varilla delgada (15).

h): En el baño de material encapsulante fundido se hace una cavidad temporal. La figura 4 representa una vista desde arriba de un recipiente (19) que contiene un baño de material encapsulante (21) fundido. La figura 5 es una sección de la figura 4 a lo largo de la línea 2-2. la figura 6 representa una vista desde arriba del recipiente con la cavidad temporal (23) hecha en el baño fundido. La figura 7 es una sección de la figura 6 a lo largo de la línea 3-3. Es más conveniente una cavidad cilíndrica que tenga un diámetro mayor que el del cilindro que contiene las fibras y una profundidad mayor que la longitud deseada de la masa encapsulante. La cavidad temporal se hace con un cilindro sólido del diámetro deseado fabricado de un material que pueda soportar la temperatura del baño de material encapsulante fundido, y al que no se adhiera el material encapsulante fundido. El material preferido es una resina de Teflon®.

i): El cilindro que contiene las fibras se coloca en la cavidad temporal en el baño de material encapsulante fundido y se mantiene en posición mediante un medio que soporta la estructura (no mostrado). La figura 8 representa el cilindro hueco (17) con el haz de bucles (11) de fibras, con las fibras soportadas, colocado en la cavidad temporal (23) en el baño (21) de material encapsulante fundido. No se muestran los medios de soporte para mantener la posición del cilindro hueco (17). Si en el cilindro hueco hay aperturas que permitan el flujo del material encapsulante por el haz de fibras, el cilindro hueco puede tocar el suelo de la cavidad temporal, o se puede colocar por encima del suelo de la cavidad temporal (23). Puede apreciarse que el material encapsulante ha de tener la capacidad de mantener la cavidad temporal durante un tiempo suficiente para permitir la colocación apropiada del cilindro que contiene las fibras, siendo aún capaz de fluir por el cilindro y alrededor y hacia arriba de las fibras. Además, el material encapsulante se ha de mantener en estado fundido a una temperatura por debajo del punto de fusión de las membranas de fibra hueca fabricadas de polímeros semicristalinos, o por debajo de la temperatura de ablandamiento de las membranas de fibra hueca fabricadas de polímeros vítreos de modo que las fibras no se fundan o degraden durante el procedimiento de encapsulación. La temperatura de ablandamiento es la temperatura de transición vítrea del polímero vítreo.

j): El cilindro que contiene las fibras se mantiene a una temperatura a la que el material encapsulante está fundido durante un tiempo suficiente para permitir que el material encapsulante fluya completamente por el cilindro y alrededor y hacia arriba de las fibras. El tiempo preferido está en el intervalo de 24 a 48 horas.

k): El cilindro hueco con las membranas de fibra hueca encapsuladas en el material encapsulante fundido se separa del baño de material encapsulante fundido y se enfría. Alternativamente, el material encapsulante y el cilindro que contiene las fibras se enfrían y el cilindro que contiene las fibras y el material encapsulante se separan del recipiente. En ambos casos, el exceso de material encapsulante se separa por corte, o de cualquier otra forma, del diámetro externo del cilindro que contiene las fibras.

l): Los extremos encapsulados se abren para que fluyan fluidos cortando por el cilindro y por el material encapsulante por encima de los extremos de los bucles. La figura 9 es una sección de la figura 2 a lo largo de la línea 1-1 que representa el cilindro hueco con el haz de fibras después de las etapas a) a k) del procedimiento de encapsulación. Se han eliminado los medios para atar y la varilla delgada y se muestra la masa encapsulante sólida (25). El corte planificado (27) representa una localización típica de corte a través del cilindro hueco y de la masa encapsulante sólida y de las fibras encapsuladas. El corte planificado (27) está por encima de los bucles.

m): La atadura que mantiene a las fibras juntas en el extremo de arriba se separa y también se separa la varilla delgada. El extremo superior se encapsula ahora como se describió en las etapas h-k. Puesto que estos extremos de las fibras no se sellaron en una etapa previa, el material encapsulante penetrará y sellará las fibras. La masa encapsulante se corta a través del cilindro y a través de los extremos sellados para producir un elemento filtrante con fibras que tienen un extremo abierto.

Para preparar el material encapsulante para el procedimiento de encapsulación se pueden usar otros métodos. El material encapsulante fundido o calentado se puede introducir en el recipiente por extrusión, por ejemplo, y a continuación mantenerse a o calentarse hasta una temperatura lo bastante alta para producir un baño de material fundido y menor que la temperatura de fusión de las fibras huecas a encapsular. Opcionalmente, la cavidad temporal del baño de material fundido se puede formar a una temperatura lo bastante baja para mantener la cavidad durante la colocación del haz de fibras, y a continuación elevar a una mayor temperatura, por debajo de la temperatura de fusión de las fibras, el recipiente con el material encapsulante y el haz de fibras para aumentar el caudal de material encapsulante. Otra alternativa es formar la cavidad en un recipiente del material encapsulante por moldeo por inyección u otros métodos, enfriar y solidificar el material encapsulante para retener la cavidad, colocar el haz de fibras en la cavidad como se describió, y proceder con las etapas de calentamiento y las etapas subsiguientes del procedimiento. Presumiblemente, esto requerirá tiempos de calentamiento más largos. Otra alternativa es usar un pistón desplazable en el fono de la cavidad, replegarlo antes o durante la formación de la cavidad temporal y, a continuación, desplazarlo hacia las fibras después de que hayan sido insertadas en la cavidad. Esto crea un flujo pistón que conduce a un relleno más uniforme del material fundido entre las fibras, especialmente en un haz grande. También permite el desplazamiento del aire ocluido entre las fibras o en el material fundido. Opcionalmente, para todos los métodos, se puede aplicar un vacío adyacente a la superficie del polímero fundido para ayudar a la separación de las burbujas de aire y provocar un flujo de material más rápido de material por el área de encapsulación. Adicionalmente, si se desea, se pueden calentar las fibras con uno o más dispositivos de calentamiento tales como pistolas de aire caliente, calentadores por radiación, etc., para reducir el potencial de pérdida de calor desde el sistema por las fibras que actúan como sumidero térmico. La temperatura en la superficie de las fibras tiene que estar por debajo del punto de fusión o ablandamientos de las fibras. También se pueden usar otros de tales métodos para controlar, optimizar o mejorar la eficacia del procedimiento.

El método básico anteriormente descrito se puede modificar para producir elementos filtrantes de diferente diseño, o por comodidad de fabricación. Si se desea, para producir un elemento filtrante con ambos extremos abiertos, una porción de los extremos abiertos de los bucles del párrafo d) anterior se sellan individualmente o por pares mediante un agente sellante que actúa por calor. Se puede usar un agente sellante que actúa por calor Accu-Seal 530 (Accu-Seal Corporation, San Diego, CA) modificado con una cinta de poliimida Kapton® de 0,0508 cm que cubre la barra térmica y la barra de presión o un agente sellante que actúa por calor similar. Las condiciones de funcionamiento típicas para membranas de fibra hueca fabricadas de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) son un intervalo de temperatura de 650ºC-700ºC, un intervalo de presión de la mordaza de 211-352 atm, durante 7-9 segundos. Se puede sellar un tramo de los extremos abiertos más corto que la extensión encapsulada, encapsulando justo ese tramo de la misma manera que la encapsulación descrita. La segunda encapsulación, descrita en m), producirá extremos abiertos cuando la masa encapsulante se corte por el cilindro y la masa encapsulante por encima de la porción sellada térmicamente o por encima del sello de tramo encapsulado más corto justo descrito.

Más que sellar térmicamente los extremos, pueden producirse fibras con bucles en ambos extremos separando el marco de la fibra bobinada de la etapa b), dejando la fibra con un serpentín rectangular, lo cual es equivalente a una serie de fibras conectadas que tienen bucles en ambos extremos. Una cantidad del serpentín rectangular se procesa como se describió en las etapas d) - m), excepto que el corte final producirá un elemento filtrante con fibras que tienen ambos extremos abiertos.

En otra realización, la fibra termoendurecida de la etapa b) se enfría y los bucles de la fibra a lo largo de ambos lados longitudinales del marco rectangular se unen con una cinta y se cortan para formar dos matas rectangulares de fibras. Los extremos cortados se sellan térmicamente con los extremos adyacentes de las fibras fundidos y la cinta se separa. La mata se relaja por calor como en la etapa d). Después de enfriar, se enrolla a continuación una cantidad de la mata en dirección perpendicular a la longitud de las fibras para formar un haz de fibras. La mata se puede enrolar alrededor de un sólido o un núcleo hueco perforado, o sobre sí misma. Si el extremo o los extremos del núcleo hueco se van a utilizar para el paso de fluidos, se sellan y encapsulan con las fibras. Cuando se abren, el núcleo actúa como un paso para fluidos hacia el interior del elemento filtrante. A continuación, el haz se encapsula de manera similar al método descrito en las etapas e) - m), excepto que el corte final de ambos extremos producirá un elemento filtrante con fibras que tienen ambos extremos abiertos.

Para preparar una agrupación de fibras se pueden usar otras formas en lugar de un marco rectangular. Se puede usar una lámina rectangular sólida. La fibra se puede bobinar sobre un cilindro y termoendurecerse. También se puede usar un marco tridimensional, por ejemplo en forma de un paralelepípedo. Se pueden contemplar métodos de formar una agrupación de fibras que den lugar a fibras igualmente espaciadas, tales como un tejido con la membrana de fibra hueca como la trama y un filamento espaciador como la urdimbre, si las fibras de la urdimbre se colocan para que no interfieran con el flujo de material encapsulante.

En otra realización, las fibras no se colocan en un cilindro u otro cuerpo hueco, sino que se encapsulan como un haz de fibras autónomo.

La manera de fabricar este haz de fibras es importante para el éxito del método descrito. Las fibras no se pueden entrecruzar unas con otras ya que esto impedirá que el flujo del material termoplástico encapsulante rodee completamente a las fibras. El flujo del material encapsulante está impulsado por sólo unos pocos centímetros de presión en cabeza al comienzo del procedimiento, y ésta disminuye cuando el procedimiento transcurre y el material encapsulante fluye por la cavidad temporal y disminuye la presión en cabeza. Cualquier perturbación en la senda del flujo provocará una divergencia del flujo, lo cual puede dar lugar a oclusiones no deseadas en la masa encapsulante. Por lo tanto, es importante formar un haz de fibras en una agrupación sustancialmente paralela.

Se prefiere que las fibras sean aproximadamente de la misma longitud, pero se pueden utilizar otras configuraciones. Por ejemplo, para controlar el flujo de material encapsulante fundido se podría usar un gradiente de longitudes, desde el centro del haz de fibras hasta el eje externo del haz. Dependiendo de las necesidades del usuario, el gradiente se podría formar con las fibras más largas en el centro, o las fibras más cortas en el centro del haz. Para ajustarse a necesidades particulares de producto se pueden desarrollar otras configuraciones.

Asimismo, de la misma manera, las fibras no se pueden empaquetar demasiado apretadamente en el cuerpo hueco o en un haz autónomo, o impedirán el flujo entre fibras con el resultado de una encapsulación incompleta. Si la densidad de empaquetamiento se escoge correctamente para las fibras específicas que se estén encapsulando, el material encapsulante que fluye forzará a que las fibras se separen. La densidad de empaquetamiento se define como la relación, expresada como un porcentaje, del área transversal total de todas las fibras del haz al área interna del cuerpo hueco. Para haces de fibras encapsuladas sin ser colocadas en un cuerpo hueco, la relación es el área transversal total de todas las fibras del haz al área transversal del haz final de fibras encapsuladas. "Demasiado apretadamente" es una función de la densidad de empaquetamiento, de la longitud total encapsulada, y de la rigidez de las fibras. Un usuario experto en la técnica puede determinar la densidad de empaquetamiento preferida para una membrana de fibra hueca específica. Para membranas porosas de fibra hueca fabricadas de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) con un diámetro externo de aproximadamente 800-100 micrómetros y un espesor de pared de aproximadamente 200 micrómetros, y de aproximadamente 10 cm de longitud, una densidad de empaquetamiento de, al menos, menos que 70%, y preferiblemente, al menos, menos que 65%, dio fibras encapsuladas satisfactorias.

Con haces mayores, el material encapsulante que fluye puede comprimir el haz, particularmente para membranas relativamente más blandas. Esto puede dar lugar a un sobreempaquetamiento en algunas regiones del haz y a una mala distribución del material encapsulante que fluye. Para superar este problema, se coloca una reja, fabricada de alambres finos o de un filamento adecuado, por ejemplo a aproximadamente 1,27 cm por encima de la altura final de la masa encapsulante. Esta reja divide el haz de fibras en varios haces separados e impide la compresión a la vez que permite que el material encapsulante fluya alrededor de las fibras. Son posibles otros métodos de dividir el haz, tales como cuñas delgadas. Después de finalizar la encapsulación, preferiblemente se separan los divisores.

La selección del material encapsulante es crucial para el éxito de la presente invención. El polímero termoplástico perfluorado usado como material encapsulante tiene que fluir bajo unos pocos centímetros de presión por gravedad en cabeza. Las propiedades viscosidad y esfuerzo de fluencia del polímero tienen que ser lo bastante bajas para que el polímero fluya a la temperatura de encapsulación. Sin embargo, el material encapsulante tiene que mantener la cavidad temporal durante un período de tiempo lo bastante largo para que el haz de fibras se pueda colocar y fijar. En un método preferido, el recipiente con el baño de material encapsulante fundido se separa de un horno a 275ºC, se hace una cavidad temporal, y el haz de fibras en el cilindro se coloca en la cavidad temporal y se fija en su lugar mediante una estructura soporte. Durante estas manipulaciones, la cavidad temporal tiene que permanecer aproximadamente sin cambiar para que las fibras no entren en contacto con el material encapsulante que fluye hasta que el haz de fibras esté en su posición final. A continuación, el recipiente con el haz de fibras se retorna al horno. También es importante que el material encapsulante no fluya por el haz de fibras demasiado rápidamente y atrape burbujas de aire, y que el flujo ascienda principalmente desde el fondo del haz por una razón similar. El material encapsulante también tiene que tener una temperatura de fusión menor que la temperatura de ablandamiento de las membranas de fibra hueca. Un polímero preferido es Hyflon 940 AX (Ausimont USA, Thotofare, NJ), que tiene una temperatura de fusión de aproximadamente 256ºC.

La tabla de más adelante da algunas propiedades físicas de algunos polímeros termoplásticos perfluorados y su conveniencia como materiales encapsulantes en la presente invención.

1

1. \begin{minipage}[t]{150mm} Hyflon\registrado 620 (Ausimont) poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)), en el que el grupo alquilo es predominantemente el grupo metilo. Este polímero se usó para fabricar las membranas de fibra hueca descritas en los ejemplos 1-4. \end{minipage}

2. Poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno) Teflon\registrado FEP 4100 (DuPont).

3. \begin{minipage}[t]{150mm} Diferentes lotes de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)), Hyflon\registrado 940 AX (Ausimont), en el que el grupo alquilo es predominantemente el grupo metilo. \end{minipage}

Las temperaturas de fusión se midieron usando un DSC 7 Perkin-Elmer a una velocidad de calentamiento de 20ºC/min.

El fin de la temperatura de fusión es la temperatura a la que la exoterma de fusión retorna a la temperatura de la línea base.

Las viscosidades y el esfuerzo de fluencia de Hyflon® 940 AX y FEP 4100 se midieron con un reómetro Viscotech (Rheologica, Luna, Suecia) a 275ºC. Todos los análisis se hicieron en un aparato de platos paralelos y la viscosidad dada se midió a 0,1 Hz. El ensayo de recuperación de la fluencia se hizo con estas muestras a 275ºC para determinar si alguna de las muestras tenía o no un esfuerzo de fluencia. En el contexto de esta invención esfuerzo de fluencia quiere decir que el flujo no se producirá a la temperatura dada hasta que la tensión aplicada sea mayor que el esfuerzo de fluencia. La recuperación de la fluencia se mide aplicando un perfil de tensión prescrito y se mide la deformación requerida para mantener el valor de tensión prescrito. Inicialmente la tensión es cero, a continuación se eleva instantáneamente hasta un valor dado durante un tiempo dado y entonces la tensión se retorna a cero. El comportamiento de la flexibilidad, definida como la relación de deformación dividida entre la tensión inicial aplicada, se relaciona con si la muestra es semejante a un sólido o a un líquido. Un comportamiento semejante a un sólido quiere decir que la deformación que resulta de la tensión impuesta se recupera sustancialmente cuando se elimina la tensión. Una muestra que tiene un comportamiento semejante a un líquido no recuperará la deformación que resulte de la tensión impuesta. Se considera que las muestras que indican una transición del comportamiento semejante a un sólido al semejante a un líquido a valores crecientes de tensión tienen un esfuerzo de fluencia en la transición. Se encontró que FEP 4100 y 940 AX nº 4 tenían un esfuerzo de fluencia aparente de aproximadamente 10 Pa.

La discusión siguiente se refiere a las membranas de fibra hueca fabricadas de Hyflon® 620 (Ausimont) ilustradas en los ejemplos 1-4 y de DuPont Teflon® PFA ilustradas en el ejemplo 5, y está dirigida a ilustrar los principios de la presente invención, y no para ser una limitación de la presente invención.

Para fibras fabricadas con Hyflon® MFA 620, que tiene una temperatura de fusión de aproximadamente 290ºC, MFAC 620 no es adecuado como material encapsulante porque la temperatura necesaria para mantener un baño fundido, que al menos es la temperatura de fusión pico, fundiría las fibras del mismo material, y la viscosidad es demasiado alta para fluir a temperaturas por debajo de la temperatura de fusión de las membranas termoplásticas perfluoradas de fibra hueca. FEP 4100 no es adecuado, incluso aunque la temperatura de fusión sea menor que la temperatura de fusión de la fibra de los ejemplos 1-4, porque la viscosidad se demasiado alta y tiene un esfuerzo de fluencia aparente que impide el flujo. 940 AX nº 2 es marginalmente adecuado porque la temperatura de fusión pico es menor que la de las fibras de los ejemplos 1-4, y la viscosidad es baja, y no fluye suficientemente a una temperatura menor que la temperatura de fusión de las fibras para encapsular en un tiempo práctico. 940 AX nº 4 no fue adecuado para las fibras de los ejemplos 1-4 porque tenía un esfuerzo de fluencia y una viscosidad que impedían el flujo a 275ºC. Las propiedades de flujo de los nº 2 y nº 4 podrían deberse al final de la temperatura de fusión que está por encima de la temperatura a la cual se mantenía el baño fundido para que se produjera el flujo. Es posible que regiones cristalinas sin fundir pudieran retardar el flujo a esta temperatura. 940 AX nº 3 y nº 5 son adecuados ya que tienen un balance apropiado de temperatura de fusión y viscosidad y ningún esfuerzo de fluencia para las fibras de los ejemplos 1-4.

En el ejemplo 5, se usó 940 AX nº 4 para encapsular con éxito membranas de fibra hueca fabricadas de DuPont Teflon® PFA, que tienen una temperatura de fusión mayor, de aproximadamente 310ºC. Esta encapsulación se hizo a 290ºC, por encima de la temperatura de fusión final de esta muestra, y en la que la viscosidad es menor que a 275ºC.

El método de la presente invención descansa en la combinación de una fabricación apropiada del haz de fibras para que el material encapsulante fluya a través y hacia arriba de las fibras sin impedimentos, haciendo una cavidad temporal en el material encapsulante, en la colocación apropiada del haz de fibras el la cavidad, y en materiales encapsulantes que tengan una apropiada combinación de propiedades como la temperatura de fusión y la viscosidad. Si uno de estos elementos está ausente, no se puede esperar que el método produzca una fibra encapsulada o elementos filtrantes encapsulados altamente integrales.

El elemento filtrante producido por el método de la presente invención será adecuado para aplicaciones que requieran una extrema resistencia química y un potencial muy bajo para añadir contaminantes al material que se está filtrando. El elemento tendrá un alto grado de unión. Realmente, se ha observado que el material encapsulante penetra en los poros de las membranas porosas, dando de este modo una excelente adhesión y una completa unión fibra-material encapsulante.

Métodos de caracterización Punto de burbuja visual

El elemento filtrante encapsulado se monta en un portamuestras para ensayar el punto de burbuja. El bucle se sumerge en un recipiente de vidrio de IPA. La presión del aire se aumenta lentamente en el lumen de las fibras. La presión a la cual aparece la primera burbuja en la superficie externa de las fibras se registra como el punto de burbuja visual.

Ejemplo 1

Un recipiente con dimensiones de 57 milímetros (mm) de diámetro y 25 mm de profundidad se rellenó parcialmente con 45 gramos de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) que tenía una temperatura de fusión de 256ºC y un índice de fluidez de la masa fundida de 373 a 5 kg, 373ºC. El recipiente se colocó en un horno a 275ºC durante aproximadamente 24 horas par producir en el recipiente un baño de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) fundido. Se fabricó un haz de 30 fibras de membrana de fibra hueca. Las fibras fueron de 8 centímetros de longitud, con un diámetro externo de 850 micrómetros y un espesor de pared de 225 micrómetros. Las fibras se fabricaron de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) que tenía una temperatura de fusión de aproximadamente 285ºC. El haz de fibras se ató cerca de un extremo con una extensión de cinta para tubos de Teflón®. Las fibras se colocaron en un cilindro hueco fabricado de poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(propilviniléter)) (PFA) que tenía un diámetro interno de aproximadamente 6,4 milímetros. Las fibras se mantuvieron en su lugar con una varilla delgada enhebrada a través de las fibras bajo la atadura y con la varilla descansando sobre el borde del cilindro hueco. La densidad de empaquetamiento de las fibras fue aproximadamente 60%. El recipiente con el baño de material encapsulante fundido se separó del horno y en el baño se hizo una cavidad temporal de aproximadamente 12 mm de profundidad con una varilla de Teflón® de 12,75 mm de diámetro. El cilindro hueco se colocó en la cavidad temporal y se soportó en su lugar con una abrazadera. El recipiente y el cilindro hueco con el haz de fibras se retornaron al horno a 275ºC y se mantuvieron allí a 275ºC durante aproximadamente dos días. El recipiente y el cilindro hueco con el haz de fibras se separaron del horno después de dos días y el cilindro hueco con las fibras encapsuladas se sacó del material encapsulante fundido y se permitió que enfriara y solidificara. Se hizo un corte a lo largo del diámetro del cilindro hueco a través de la masa encapsulante en una posición por encima de los extremos doblados en forma de bucle de las fibras del haz. Los extremos opuestos de las fibras se sellaron usando un método similar al método de encapsulación anteriormente descrito. Para prevenir que la masa encapsulante se fundiera, el recipiente con el baño de material encapsulante fundido se mantuvo en un bloque calefactor mantenido a 275ºC para que sólo se calentara el extremo que se estaba sellando. El extremo opuesto del cilindro hueco se colocó en una cavidad temporal hecha en el baño y se mantuvo en su lugar con una abrazadera. Después de aproximadamente 2 horas para permitir la penetración en una porción corta de los extremos de las fibras, el cilindro hueco con las fibras se sacó del material encapsulante fundido y se permitió que enfriara. El exceso de material encapsulante se separó.

Una sección transversal de la masa encapsulante se examinó en un microscopio electrónico. Se observó que el material encapsulante rellenó los espacios intersticiales completamente. El material encapsulante había penetrado por los poros superficiales de la membrana y la interfase entre las fibras y el material encapsulante estaba limpia. El haz se sumergió en alcohol isopropílico y se aplicó una presión con aire a los extremos abiertos de las fibras. El elemento filtrante tuvo un punto de burbuja visual de aproximadamente 3,2 atm, lo que indicó un elemento integral.

Ejemplo 2

Se configuraron en un haz aproximadamente 175 bucles de membranas de fibra hueca de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) que tenía un punto de fusión de aproximadamente 285ºC, y se prepararon para encapsularlos de una manera similar a la del ejemplo 1. La densidad de empaquetamiento de las fibras fue aproximadamente 60%. Para reducir la posibilidad de compresión de este haz mayor por el flujo de material encapsulante se usó una reja de alambres para dividir el haz de fibras en cuatro grupos aproximadamente iguales. La encapsulación y el sellado de los extremos opuestos de las fibras se hicieron de manera similar al método del ejemplo 1. El ensayo del punto de burbuja con alcohol isopropílico mostró que el elemento filtrante era integral.

Ejemplo 3

Un haz de 16 bucles de membranas de fibra hueca de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) se colocó en un cilindro de PFA de aproximadamente 6,4 mm de diámetro y se encapsuló usando el método descrito en el ejemplo 1. El material encapsulante fue la resina Teflon® FEP calidad 4100 (DuPont) que había sido irradiada con 7,5 Mrads de radiación gamma. Este tratamiento redujo el peso molecular del polímero FEP. La viscosidad medida a 280ºC se redujo a aproximadamente 18.000 poises a una velocidad de cizalla de 0,1 s^{-1}, en comparación con 350.000 poises del polímero sin irradiar. La formación del material encapsulante desgasificado y la subsiguiente encapsulación se hicieron a 280ºC. El elemento de membranas final encapsulado tuvo un punto de burbuja visual con IPA de aproximadamente 2,46 atm, lo que indicó un elemento integral.

Ejemplo 4

Un haz de aproximadamente 500 bucles de membranas de fibra hueca de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)), de aproximadamente 7,6 centímetros de longitud, se colocó en un tubo de PFA de 2,54 cm. El material encapsulante, resina Hyflon® 940 AX de Ausimont, se calentó en un recipiente en un horno a 275ºC hasta que se fundió y desgasificó. El recipiente se separó del horno, se hizo una cavidad temporal en el baño de material encapsulante fundido con un varilla de Teflón® y el recipiente y el material encapsulante se enfriaron a temperatura ambiente durante toda la noche. El tubo de PFA que contenía el haz de fibras se colocó verticalmente en la cavidad con los extremos de los bucles hacia abajo. El recipiente con el material encapsulante solidificado y el tubo de PFA que contenía el haz de fibras se colocaron de nuevo en el horno y se mantuvieron durante aproximadamente 72 horas a 275ºC. El tubo de PFA con las fibras encapsuladas se sacó del material encapsulante fundido y se permitió que enfriara y solidificara. Se hizo un corte a lo largo del diámetro del cilindro hueco a través de la masa encapsulante en una posición por encima de los extremos conformados en bucle de las fibras del haz. Los extremos opuestos de las fibras se sellaron usando un método similar al método de encapsulación descrito en el ejemplo 1. El ensayo del punto de burbuja con alcohol isopropílico mostró que el elemento era integral.

Ejemplo 5

Un haz de aproximadamente 48 bucles de membranas de fibra hueca de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)), de aproximadamente 7,6 centímetros de longitud, se colocó en un tubo de PFA de 1,27 cm de diámetro externo y 0,95 cm de diámetro interno. Las membranas de fibra hueca se produjeron de una resina DuPont Teflon® PFA que tenía una temperatura de fusión de aproximadamente 310ºC. Las fibras fueron de 900 micrómetros de diámetro externo y 400 micrómetros de diámetro interno. El material encapsulante, resina Hyflon® 940 AX (muestra 4 de la tabla 1), se calentó en un recipiente en un horno a 275ºC hasta que se fundió y desgasificó. El recipiente se separó del horno, se hizo una cavidad temporal en el baño de material encapsulante fundido con un varilla de Teflon®. El tubo de PFA que contenía el haz de fibras se colocó verticalmente en la cavidad con los extremos de los bucles hacia abajo. El recipiente con el material encapsulante y el tubo de PFA que contenía el haz de fibras se colocó de nuevo en el horno y se mantuvo durante aproximadamente 72 horas a 290ºC. El tubo de PFA con las fibras encapsuladas se sacó del material encapsulante fundido y se permitió que enfriara y solidificara. Se hizo un corte a lo largo del diámetro del cilindro hueco a través de la masa encapsulante en una posición por encima de los extremos conformados en bucle de las fibras del haz. Los extremos opuestos de las fibras se sellaron usando un método similar al método de encapsulación descrito en el ejemplo 1. El ensayo del punto de burbuja con alcohol isopropílico mostró que el elemento era integral.

Un usuario experto en la técnica de desarrollo y producción de elementos filtrantes, particularmente elementos filtrantes de membranas de fibra hueca, será capaz de discernir las ventajas de la presente invención. En la discusión de la presente invención no se ha intentado presentar exhaustivamente todas las combinaciones, sustituciones o modificaciones que son posibles, sino presentar métodos representativos para la edificación del usuario experto. Los ejemplos representativos se han dado para demostrar su reducción a la práctica y no se han de tomar como que limitan el alcance de la presente invención. El inventor busca cubrir los aspectos más amplios de la invención de la manera más amplia conocida en el momento en el que se hicieron las reivindicaciones.

Claims

1. Un método de encapsular una pluralidad de membranas de fibra hueca fabricadas de un polímero termoplástico perfluorado que tienen un diámetro interno, un diámetro externo y una pared porosa entre ellas, agrupadas en sentido longitudinal, que tienen dos extremos, en el que una porción de uno o ambos extremos de dicha pluralidad de membranas de fibra hueca perfluoradas se encapsulan con un material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado que tiene una temperatura de fusión menor que la temperatura de ablandamiento de las membranas de fibra hueca, y en el que al menos un extremo encapsulado está abierto para que fluyan fluidos a través de dicho diámetro interno, comprendiendo dicho método:

a): Preparar dicha pluralidad de membranas de fibra hueca fabricadas de un polímero termoplástico perfluorado en un haz de fibras con al menos un extremo de dicho haz restringido al flujo de material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado a través del diámetro interno de dichas fibras,

b): Hacer fluir dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado, a una temperatura por debajo del punto de ablandamiento de dichas membranas de fibra hueca perfluoradas y por encima de la temperatura de fusión de dicho material encapsulante, alrededor de dichas membranas de fibra hueca de dicho al menos un extremo rellenando completamente los espacios intersticiales entre las fibras de dicha porción con dicho polímero termoplástico perfluorado,

c): Enfriar dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado para solidificar dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado para formar un extremo encapsulado,

d): Repetir, opcionalmente, las etapas a) a c) sobre los extremos opuestos de las membranas de fibra hueca para formar un segundo extremo encapsulado,

e): Cortar a través de al menos un extremo encapsulado para abrir dichos extremos encapsulados de las membranas de fibra hueca, y,

f): Sellar, opcionalmente, los extremos opuestos no encapsulados de las membranas de fibra hueca.

2. Un método de encapsular una pluralidad de membranas de fibra hueca fabricadas de un polímero termoplástico perfluorado que tienen un diámetro interno, un diámetro externo y una pared porosa entre ellas, agrupadas en sentido longitudinal, que tienen dos extremos, en el que una porción de uno o ambos extremos de dicha pluralidad de membranas perfluoradas de fibra hueca se encapsulan con un material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado que tiene una temperatura de fusión menor que la temperatura de ablandamiento de las membranas de fibra hueca, y en el que al menos un extremo encapsulado está abierto al flujo de fluidos a través de dicho diámetro interno, comprendiendo dicho método:

b): Hacer una cavidad temporal en una cantidad de un material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado,

c): Colocar dicho haz de membranas de fibra hueca por el extremo cerrado en una posición fijada en dicha cavidad temporal,

d): Mantener dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado a una temperatura por debajo del punto de ablandamiento de dichas membranas perfluoradas de fibra hueca y por encima de la temperatura de fusión de dicho material encapsulante, en el que dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico fluye alrededor y hacia arriba de dichas membranas de fibra hueca rellenando completamente los espacios intersticiales entre las fibras de dicha porción con dicho polímero termoplástico perfluorado,

e): Enfriar dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado y dicho haz de fibras huecas para solidificar dicho material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado para formar un extremo encapsulado,

f): Repetir, opcionalmente, las etapas a) a d) sobre los extremos opuestos de las membranas de fibra hueca para formar un segundo extremo encapsulado,

g): Cortar a través de al menos un extremo encapsulado para abrir dichos extremos encapsulados de las membranas de fibra hueca, y,

h): Sellar, opcionalmente, los extremos opuestos no encapsulados de las membranas de fibra hueca.

3. El método según las reivindicaciones 1 ó 2 y ambas:

a): En el que las membranas de fibra hueca se fabrican de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) o un poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno); y, opcionalmente, en el que dicho grupo alquilo de dicho poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) es un grupo propilo, un grupo metilo, o mezclas de un grupo metilo y un grupo propilo;

b): En el que el material encapsulante tiene una temperatura de ablandamiento o de fusión menor que la temperatura de ablandamiento o de fusión del material usado para fabricar las membranas de fibra hueca; y, opcionalmente, o:

i): En el que la temperatura de fusión del material encapsulante es al menos aproximadamente 5ºC menor que la temperatura de ablandamiento del material usado para fabricar las membranas de fibra hueca;

ii): En el que temperatura de fusión del material encapsulante es al menos aproximadamente 10ºC menor que la temperatura de ablandamiento del material usado para fabricar las membranas de fibra hueca;

iii): En el que temperatura de fusión del material encapsulante no es menor que aproximadamente 40ºC menor que la temperatura de ablandamiento del material usado para fabricar las membranas de fibra hueca; o

iv): En el que temperatura de fusión del material encapsulante no es menor que aproximadamente 10ºC menor que la temperatura de ablandamiento del material usado para fabricar las membranas de fibra hueca;

c): En el que el material encapsulante termoplástico perfluorado es un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) o un poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno), y, opcionalmente, en el que el grupo alquilo de dicho poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro-(alquilviniléter)) es un grupo propilo, metilo o mezclas de un grupo metilo y un grupo propilo;

d): En el que el material encapsulante termoplástico perfluorado es un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) que tiene un punto de fusión de aproximadamente 250ºC a aproximadamente 260ºC;

e): En el que las membranas de fibra hueca se empaquetan tal que la densidad de empaquetamiento en un haz de fibras huecas encapsuladas producido por tal método sea menor que aproximadamente 70%;

f): En el que las membranas de fibra hueca se empaquetan tal que la densidad de empaquetamiento en un haz de fibras huecas encapsuladas producido por tal método sea menor que aproximadamente 65%;

g): En el que las membranas de fibra hueca se empaquetan tal que la densidad de empaquetamiento en un haz de fibras huecas encapsuladas producido por tal método sea menor que aproximadamente 55%;

h): En el que dichas membranas de fibra hueca se agrupan en sentido longitudinal tal que puedan ser recibidas en un cuerpo hueco después de la encapsulación, y, opcionalmente, en el que dicho cuerpo hueco está fabricado del mismo material que el material encapsulante; o

i): En el que el haz de membranas huecas es una mata de membranas de fibra hueca enrolladas que tiene ambos extremos sellados, y, opcionalmente, en el que dicha mata enrollada se enrolla alrededor de un núcleo.

4. Un haz de membranas de fibra hueca obtenible por el método según las reivindicaciones 1 ó 2, comprendiendo dicho haz una pluralidad de membranas perfluoradas de fibra hueca que tienen un diámetro interno, un diámetro externo y una pared porosa entre ellas, agrupadas en sentido longitudinal en un cuerpo hueco, que tienen dos extremos, en el que una porción de uno o ambos extremos de dicha pluralidad de membranas perfluoradas de fibra hueca se encapsulan con un material encapsulante tipo polímero termoplástico perfluorado que tiene una temperatura de fusión menor que la temperatura de ablandamiento de las membranas de fibra hueca, y en el que al menos un extremo está abierto al flujo de fluidos a través de dicho diámetro interno, y en el que dicho material polímero encapsulante rellena completamente los espacios intersticiales entre las fibras de dicha porción.

5. El elemento configurado en haz según la reivindicación 4, en el que las membranas de fibra hueca se fabrican de un poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) o un poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno), y, opcionalmente, en el que el grupo alquilo de dicho poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) es un grupo propilo, un grupo metilo, o mezclas de un grupo metilo y un grupo propilo.

6. El haz según la reivindicación 4, en el que el material encapsulante termoplástico perfluorado es poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) o poli(tetrafluoroetileno-co-hexafluoropropileno), y, opcionalmente, en el que el grupo alquilo de dicho poli(tetrafluoroetileno-co-perfluoro(alquilviniléter)) es un grupo propilo, un grupo metilo, o mezclas de un grupo metilo y un grupo propilo.

7. El haz según la reivindicación 4, en el que la densidad de empaquetamiento de las membranas de fibra hueca es menor que aproximadamente 70%.

8. El haz según la reivindicación 4, en el que la densidad de empaquetamiento de las membranas de fibra hueca es menor que aproximadamente 65%.

9. El haz según la reivindicación 4, en el que la densidad de empaquetamiento de las membranas de fibra hueca es menor que aproximadamente 55%.

10. El haz según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 9, en forma de un dispositivo para la separación de gases, ósmosis inversa, ultrafiltración, separación de partículas y bacterias y/o en forma de un elemento filtrante.