Brevet FR2575398A1 — publié le 19860704

Filtre constitué d'un substrat en matériau céramique poreux et d'une mem- brane microporeuse en matériau résineux-polymère et procédé de préparation de ce filtre La présente invention concerne un filtre adapté à l'utilisation pour la filtration de substances fines tellesque la filtration pour la sté- rilisation, purification des cristaux et assimilés (cette filtration telle que mentionnée ci-dessus sera désignée ci-après sous le nom "de semi- ultrafiltration"), et un procédé pour sa fabrication. Comme filtres classiques, on connaît les filtres céramiques consti- tués d'un matériau fritté de fines particules céramiques ou d'un matériau céramique fritté poreux dont la surface est recouverte de fines particules céramiques tels que présentés dans la publication de la demande de brevet japonais nO 8643/81, ou des filtres à membrane comprenant une membrane filtrante faite d'un matériau résineux. Si les filtrescéramiques sont excellents sur le plan de la résis- tance à la corrosion et de la durabilité, ces filtres mis en service ont généralement une taille de pores limitée à environ 0,8 micron pour les plus fins en raison de restrictions dues à la taille des particules de départ et aux conditions de frittage. En conséquence, les filtres céramiques ne sont pas utilisables pour la semi-ultrafiltration telles que la filtration pour stérilisation, purification des cristaux et assimilés, de sorte que leurs utilisations sont extrêmement limitées. Au contraire, les filtres à membranes,tels que représentés par les filtres en polytétrafluoroéthylène, peuvent être pourvus de micropores dont la taille peut descendre jusqu'à 0,1 micron, présentent une meilleure dura- bilité et par conséquent conviennent pour la semi-ultrafiltration. Cepen- dant les filtres à membranes possèdent une résistance à la traction relati- vement faible par unité de surface comparativement à la céramique ou aux métaux et se ramollissent à mesure que la température ambiante s'élève, pour perdre leur résistance à la traction. En outre, soumise à un effort de traction pendant une longue période de temps, même à une température in- férieure à sa température de point de fusion, la membrane subira une trans- formation thermique importante, notamment, un fluage qui provoque une dé- formation permanente, entraînant une modification de la taille de ses pores, et par conséquent, présentera l'inconvénient de ne pouvoir être réutilisée par régénération. La présente invention a pour but de proposer, en ne développant que les avantages des filtres céramiques et des filtres à membranes connus mentionnés ci-dessus, un filtre amélioré ayant d'excellentes résistance à la corrosion, durabilité et résistance thermique, qui peut être réutilisé en appliquant la régénération par lavage en retour-et adapté à la semi- ultrafiltration. Un autre objet de la présente invention est de proposer un procédé de fabrication permettant de réaliser facilement ce filtre amélioré. Un filtre selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat constitué essentiellement d'un matériau céramique poreux; et une membrane microporeuse constituée essentiellement d'un ma- tériau résineux à haut polymère ayant une taille moyenne de pores inférieure à celle du matériau céramique poreux, laquelle membrane recouvre au moins une face dudit substrat, et dont une partie imprègne la couche superficielle du substrat. En outre, un procédé pour la fabrication du filtre objet de l'in- vention est caractérisé par l'application d'une suspension d'un matériau résineux haut polymère sur au moins une face d'un substrat constitué essen- tiellement d'un matériau céramique poreux, sur une épaisseur inférieure à celle du substrat, de telle manière qu'une partie de la suspension puisse imprégner la couche superficielle du substrat, et un traitement thermique du substrat sur lequel la suspension a été appliquée pour former une membrane microporeuse faite du matériau résineux haut polymère et dont la taille moyenne des pores est inférieure à celle du matériau céramique poreux, la- quelle membrane recouvre au moins une face dudit substrat, et dont une par- tie imprègne la couche superficielle du substrat. Dans ce filtre, le substrat comprenant un matériau céramique poreux sert de matériau support ou de matériau de base. En conséquence, la résistance mécanique du filtre dépend naturellement de la résistance du matériau céramique poreux. D'autre part, la membrane microporeuse sert de membrane filtrante. En outre, lorsque la membrane microporeuse est consti- tuée d'une résine fluorocarbonée, la taille de ses pores peut être suffisam- ment petite. De plus, le matériau de base étant également une substance poreuse, une partie de la résine de la membrane pénètre dans les pores de la couche superficielle du matériau de base, formant ainsi une solide liai- son mécanique au niveau de leur roue d'interpénétration pour assurer une adhérence extrêmement forte. Certains modes de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits à titre d'exemples nullement limitatifs en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I est une vue en perspective d'un mode de réalisation de la présente invention; et - la figure 2 est une vue en coupe agrandie d'une partie princi- pale du mode de réalisation représenté à la figure 1. A la figure 1, le filtre 1 comprend un substrat cylindrique 2 constitué d'un matériau céramique poreux et dont une paroi interne est re- couverte d'une membrane microporeuse 3 constituée d'une résine fluorocar- bonée dont une partie imprègne la couche superficielle de la paroi interne. Le filtre 1 objet de la présente invention peut être préparé suivant le procédé décrit ci-apres. Tout d'abord, des particules céramiques comprenant, par exemple, du sable silicieux, des particules de porcelaine, de l'oxyde d'aluminium ou autres substances assimilées, ayant une granulométrie moyenne d'environ 0,2-2mm sont moulées avec un agent de liaison inorganique, tel que du verre et assimilés, en une forme cylindrique, et puis le moule obtenu est chauffé pour former le substrat 2 ayant une taille moyenne de pores d'environ 0,5- microns et un volume de pores d'environ 30-50 % par support au volume apparent du substrat. Il va sans dire que le substrat 2 peut être constitué par une mousse céramique. Sur la surface de la paroi interne du substrat 2, on applique ensuite par n'importe quel moyen classique tel que pulvérisateur, application à la brosse, etc., sur une épaisseur d'environ 30-500 microns au-dessus de la surface du substrat, une suspension préparée en ajoutant un solvant, tel que de l'alcool et assimilés, à une résine fluorocarbonée telle que polytétrafluoroéthylène (PTFE), copolymère tétrafluoroéthylène/ hexafluoropropylène (FEP), copolymère tétrafluoroéthylène/étherperchloro- alkylvinylique (PFA), polychlorotrifluoroéthylène (PCTFEpoly(difluorure de vinyle)(PVDF) et assimilés, et puis en agitant le mélange. Puis, on laisse le substrat sur lequel la suspension a été appliquée reposer pendant environ 1 heure ou on le chauffe à une température relativement faible pour per- mettre l'évaporation progressive du solvant afin de coaguler la résine tandis qu'une partie de celle-ci peut imprégner la surface du substrat et puis on le chauffe à une température élevée appropriée fonction de la résine, par exemple, à environ 320 C-360 C pour PTFE, FEP et PFA; à environ 200 C- 250 C pour PCTFE; et à environ 170 C-200 C pour PVDF, pendant 1 heure ou plus, pour provoquer la fusion de la résine. La résine fondue prend ainsi la forme d'une membrane dont une partie imprègne la couche superficielle de la paroi interne du substrat 2, et comme illustré à la figure 2, le filtre 1 est pourvu d'une structure à trois couches composée de la membrane micro- poreuse 3 et du substrat 2 comprenant la couche céramique poreuse 5 et la couche intermédiaire 4 formée du mélange intime de résine et de céramique. En outre, il faut considérer qu'une épaisseur préférable de la membrane microporeuse après fusion par chauffage se situe entre 30 et 500 microns environ. Si elle est inférieure à 30 microns environ, l'épaisseur est suscep- tible de ne pas être uniforme et par conséquent la disparité de la taille des pores devient trop grande pour effectuer une semi-ultrafiltration uni- forme. Par contre, une épaisseur supérieure à 500 microns environ entraînera une résistance à la filtration si accrue que la qualité de la filtration risque d'être considérablement altérée. De plus, l'épaisseur de la membrane microporeuse 3 peut être convenablement ajustée en jouant sur la quantité et la viscosité de la suspension de résine appliquée. Il convient également de noter qu'une taille moyenne de pores préférable pour la membrane micro- poreuse 3, se situe entre 0,1 et 1 micron environ, et mieux encore, ne dé- passe pas 0,5 micron. Les micropores d'une taille moyenne inférieure à 0, 1 micron environ ne sont pas recommandables en raison de leur forte résistance à la filtration et parce qu'ils seront sensiblement plus eolmatés et obstrués. Une taille moyenne de pores supérieure à I micron environ aura tendance à provoquer une grande disparité dans la taille des pores, ce qui ne convient pas pour la filtration de particules minuscules. Eh outre, la taille moyenne des pores de la membrane microporeuse peut être correctement contr6lée grâce à la résine utilisée et également en jouant sur les conditions du traitement thermique, telles que la température, le temps de chauffage, etc. Comme matériau résineux, on peut utiliser non seulement la résine fluorocarbonée mais également une autre résine haut polymère telle que la résine de polypropylène, la résine de poly(chlorure de vinyle) et assimilés. Notamment, si l'on utilise de la résine de polypropylène ou de la résine de poly(chlorure de vinyle) dont la température de point de fusion est in- férieure à celle de la résine fluorocarbonée mentionnée ci-dessus, le résultat obtenu ne sera satisfaisant que si l'on modifie convenablement la température du traitement thermique de fusion en fonction de la résine utilisée, c'est-à-dire, en chauffant la résine de polypropylène à 220- 250 C ou la résine de poly(chlorure de vinyle) à 130-150 C, pendant au moins 1 heure pour la fondre en une membrane, en laissant à une partie de celle-ci imprégner la couche superficielle du substrat, selon un procédé similaire à celui de l'exemple précédent concernant la membrane en résine fluorocarbonée. En outre, comme solvant pour la préparation de la suspension de résine, il est possible d'utiliser ceux qui n'ont pas la capacité de. dissoudre les résines et présentent une bonne mouillabilité avec la cérami- que. Pour le polypropylène et le poly(chlorure de vinyle), on peut utiliser un solvant organique tel que le toluène, l'acétate d'éthyle, le monochloro- benzène et les substances assimilées. Une membrane microporeuse constituée d'une résine de polypropylène ou d'une résine de poly(chlorure de vinyle) peut donner des résultats satisfaisants similaires à ceux d'une membrane constituée d'une résine fluorocarbonée. Exemple 1 L'invention, selon le procédé de fabrication décrit ci-dessus, a appliqué, par pulvérisation à raison de 100g/m2, une suspension de fines particules de PTFE (avec une concentration en ingrédients solides de 20 % en poids) sur la surface de la paroi interne d'un substrat cylindrique constitué d'un corps fritté poreux d'oxyde d'aluminium ayant une taille moyenne de pores de 0,9 micron, et puis séché et chauffé le substrat sur lequel la suspension a été appliquée, à 350 C pendant 1 heure pour obtenir un filtre pourvu d'une membrane microporeuse constituée de résine fluoro- carbonée et ayant une taille moyenne de pores d'environ 0,1 micron. Sur le filtre obtenu, la taille des pores de la membrane microporeuse en résine fluorocarbonée a été examinée et l'on a pu observer que, de l'ordre de 0,2 micron à température ambiante, elle restait à ce niveau même si la température était montée à 100 C, et que donc une transformation thermique très légère apparaissait. Il a également été procédé à une mesure de décol- lement par la méthode du pelage à l'aide d'une bande adhésive, avec un angle de 90 degrés, à la fois sur la surface de la membrane microporeuse interne et sur la surface de la paroi externe du substrat en céramique; la valeur mesurée était de 10g/1,7cm pour la surface de la membrane microporeuse et de 300g/1,7cm pour la surface de la céramique, ce qui a prouvé que l'adhérence à la surface de la membrane microporeuse est beaucoup plus faible, de sorte que là o le liquide filtré traverse de l'intérieur vers l'extérieur le fil- tre cylindrique pourvu d'une-membrane microporeuse sur la surface de sa paroi interne, les tourteaux de filtration adhèrent à peine à la surface de la membrane micrnporeuse et le lavage en retour est donc facilité pour conser- ver une haute efficacité de filtration. Exemple 2 Suivant un procédé similaire à celui de l'Exemple 1 ci-dessus, une suspension obtenue par addition de fines particules de résine de polypropy- lène à un solvant acétate d'éthyle, etb.,suivie d'une agitation(concentra- tion en ingrédients solides de 20 % en poids), a été appliquée par pulvéri- sation à raison de 100g/m sur la surface de la paroi interne d'un substrat cylindrique constitué par un corps fritté poreux d'oxyde d'aluminium ayant une taille moyenne de pores de 0,9 micron, puis le substrat sur lequel la suspension est appliquée a été séché et chauffé à 230eC pendant 1 heure environ pour obtenir un filtre pourvu d'une membrane microporeuse constituée de résine de polypropylène et ayant une taille moyenne de pores d'environ 0,1 micron.Sur le filtre obtenu, la taille des pores de la membrane micro- poreuse en résine de polypropylène a été examinée et l'on a pu observer que, de l'ordre de 0,2 -0,3 micron à température ambiante, la taille des pores se maintenant dans une plage de 0,21 à 0,32 micron même-si la tempera- ture était montée à 60 C, et que donc une transformation thermique vraiment très faible apparaissait. Il a également été procédé à une mesure de décol- lement par la méthode du pelage à l'aide d'une bande adhésive, avec un angle de 90 , à la fois sur la surface de la membrane microporeuse interne et sur la surface de la paroi externe du substrat en céramique; la valeur mesurée était de 120-150g/1,7 cm pour la surface de la membrane microporeuse et de 300g/1,7cm pour la surface en céramique, ce qui a prouvé que l'adhé- rence à la surface de la membrane est beaucoup plus faible, de sorte que là o le liquide filtré traverse de l'intérieur vers l'extérieur le filtre cylindrique pourvu d'une membrane microporeuse sur la surface de sa paroi interne, les tourteaux de filtration adhèrent à peine à la surface de la membrane microporeuse et le lavage en retour est donc facilité pour conser- ver une haute efficacité de filtration. Exemple 3 Suivant un procédé similaire à celui de l'Exemple 1 ci-dessus, une suspension obtenue par addition de fines particules des résine de poly (chlorure de vinyle) à un solvant toluène, etc., suivie d'une agitation (concentration en ingrédients solides de 20 % en poids), a été appliquée par pulvérisation à raison de 100 g/m sur la surface de la paroi interne d'un substrat cylindrique constitué d'un corps fritté poreux d'oxyde d'alu- minium ayant une taille de pores de 0,9 micron, puis le substrat sur lequel la suspension est appliquée a été séché et chauffé à 140 C pendant 1 heure environ pour obtenir un filtre pourvu d'une membrane microporeuse consti- tuée de résine de poly(chlorure de vinyle) et ayant une taille moyenne de pores d'environ 0,1 micron. Sur le filtre obtenu, la taille des pores de la membrane microporeuse en résine de poly(chlorure de vinyle) a été exami- née et l'on a pu observer que, de l'ordre de 0,08-0,12 micron à température ambiante, la taille des pores se maintenait dans une plage de 0,08 à 0,13 micron même si la température était-montée jusqu'à 60 C, et que donc une transformation thermique vraiment très faible apparaissait. Il a également été procédé à une mesure de décollement par la méthode du pelage à l'aide d'une bande adhésive, avec un angle de 90 , à la fois sur la surface de la membrane microporeuse interne et sur la surface de la paroi externe du substrat en céramique; la valeur mesurée était de 130180g/1,7cm pour la surface de la membrane microporeuse et de 300g/1,7cm pour la surface en céramique, ce qui a prouvé que l'adhérence à la surface de la membrane est beaucoup plus faible, de sorte que là o le liquide filtré traverse de l'intérieur vers l'extérieur le filtre cylindrique pourvu d'une membrane microporeuse sur la surface de sa paroi interne, les tourteaux de filtra- tion adhèrent à peine à la surface de la membrane microporeuse et le lavage en retour est donc facilité pour conserver une haute efficacité de filtra- tion. La présente invention n'est pas limitée aux détails de l'exemple décrit ci-dessus et différentes variantes et modifications peuvent y être apportées. Par exemple, quoique dans l'Exemple ci-dessus, la description concernait un substrat cylindrique constitué d'un matériau céramique poreux, ayant sur la surface de sa paroi interne une membrane microporeuse consti- tuée d'une résine fluorocarbonée, la membrane microporeuse peut recouvrir la paroi externe si le filtrat traverse la paroi de l'extérieur vers l'in- térieur, ou les deux faces du substrat pour assurer une filtration réver- sible. En outre, le substrat n'est pas limité à une forme cylindrique et peut avoir la forme d'une plaque. Comme le montre clairement la description précédente, la présente invention selon laquelle la surface du substrat constitué essentiellement d'un matériau céramique poreux recouvert d'une membrane microporeuse cons- tituée essentiellement d'une résine haut polymère, et dont une partie im- prègne la couche superficielle du substrat, permet d'atteindre une résis- tance mécanique suffisamment importante obtenue grâce au substrat, tandis qu'il est possible de réduire au maximum la transformation thermique. En outre, indépendamment du fait que la membrane poreuse peut être pourvue de pores d'une taille suffisamment petite, celle-ci permet un décollage facile des tourteaux et présente une faible résistance à la filtration, de sorte que les filtres selon l'invention et auxquels les tourteaux adhèrent à peine sont effectivement applicablesà la semi-ultrafiltration. De plus, le substrat et la membrane sont excellents sur le plan de la résistance à la corrosion et également, une partie de la membrane microporeuse imprègne le substrat de sorte que sa force d'adhérence au substrat est extrêmement élevée. Pour toutes ces raisons, selon la présente invention, il est pos- sible de réaliser des filtres possédant d'excellentes résistance à la corrosion, durabilité et résistance thermique, pouvant être réutilisés grâce à la méthode de régénération par lavage en retour et adaptés à la semi-ultrafiltration définie ci-dessus. Par ailleurs, ce filtre peut être fabriqué facilement par un procédé simple, notamment, par l'application d'une résine haut polymère sur la surface d'un substrat, suivie d'un traitement thermique. REVENDICATIONS 1. Filtre (1), caractérisé en ce qu'il comprend un substrat (2) consistant essentiellement en un matériau céramique poreux, et une mem- brane microporeuse (3) constituée essentiellement d'un matériau résineux haut polymère ayant une taille moyenne de pores inférieure à celle du matériau céramique poreux, laquelle membrane recouvre au moins une face dudit substrat, et dont une partie imprègne la couche superficielle du substrat. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ma- tériau résineux haut polymère est au moins une résine sélectionnée dans le groupe comprenant une résine fluorocarbonée, une résine de polypropylène et une résine de poly(chlorure de vinyle). 3. Filtre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit substrat (2) est constitué d'un matériau céramique fritté. 4. Filtre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit substrat (2) est constitué d'une mousse céramique. 5. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que la taille moyenne des pores du substrat (2) se situe entre 0,5 et 10 microns environ et en ce que le substrat a un volume de pores d'environ 30-50 % par rapport au volume apparent du substrat (2). 6. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, carac- térisé en ce que ladite membrane microporeuse (3) a une épaisseur audessus de la surface du substrat (2) d'environ 30-500 microns et une taille moyenne des pores d'environ 0,1-1 micron. 7. Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce que la taille moyenne des pores de la membrane microporeuse (3) ne dépasse pas 0,5 micron. 8. Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, carac- térisé en ce que ledit substrat (2) est un cylindre dont la surface de la paroi interne est recouverte de ladite membrane microporeuse (3). 9. Procédé pour la fabrication d'un filtre, caractérisé en ce qu'il comprend l'application d'une suspension d'un matériau résineux polymère sur au moins une face d'un substrat constitué essentiellement d'un matériau céramique poreux, sur une épaisseur inférieure à celle du substrat, de telle manière qu'une partie de la suspension puisse imprégner la couche superficielle du substrat, et le traitement thermique du substrat sur lequel la suspension a été appliquée, pour former une membrane micro- poreuse faite du matériau résineux haut.polymère et dont la taille moyenne des pores est inférieure à celle du matériau céramique poreux, laquelle membrane recouvre au moins une face dudit substrat, et dont une partie im- prègne la couche superficielle du substrat. 10. Procédé selon la revendication 9, caractériséen ce que le matériau résineux haut polymère est au moins une résine sélectionnée dans le groupe comprenant une résine fluorocarbonée, une résine de polypropylène et une résine de poly(chlorure de vinyle).