(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内径、外径、およびその間に介在する多孔性の壁を有し、長さ方向に揃えられ二つの端部を有するペルフルオロ化された熱可塑性ポリマー材料で構成された多数の中空繊維膜であって、前記多数のペルフルオロ化された中空繊維膜の一端部または両端部の一部がペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーでポッティングされ、かつ少なくともポッティングされた一端部が前記内径を通して流体が流れるように開かれた多数の中空繊維膜のポッティング方法であって、下記ａ）〜ｆ）の工程を有することを特徴とする方法：
ａ）ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマー材料で構成された多数の中空繊維膜を、少なくともその一方の端部が、繊維の内径を通してペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーポッティング材料の流入を制限する繊維束とする工程；
ｂ）溶融脱気されたペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーポッティング材料中に一時的凹部を形成する工程；
ｃ）前記中空繊維膜集合体を前記一時的凹部の固定位置に置く工程；
ｄ）前記ペルフルオロ化された中空繊維膜の融点または軟化点未満で、前記ペルフルオロ化されたポッティング材料の融点または軟化点より高い温度に、前記ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーポッティング材料を保持し、前記中空繊維膜の周囲およびその上に熱可塑性ポリマーポッティング材料を流し、当該部分の繊維間の空隙を前記ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマー材料で完全に満たす工程；
ｅ）前記ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーポッティング材料と中空繊維束を冷却し、ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーポッティング材料を固化してポッティング端を形成する工程；
ｆ）ポッティング端を切断して前記中空繊維膜のポッティングされた端部を開く工程；
【請求項２】
中空繊維膜の反対側の端部においてａ）〜ｄ）工程を繰り返して第二のポッティング端を形成する工程をさらに有する、請求項１に記載の中空繊維膜のポッティング方法。
【請求項３】
ポッティング端を切断して前記中空繊維膜のポッティングされた端部を開く工程をさらに有する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記中空繊維膜が、ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））またはポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）で形成されるものである請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））のアルキル基がイソプロピル、メチルまたはイソプロピルとメチルの両者が混在したものである請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ポッティング材料が、前記中空繊維膜製造に用いる材料の融点または軟化点よりも低い融点または軟化点を有するものである請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーポッティング材料が、２５０〜２６０℃の融点を有するポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））である請求項４または５に記載の方法。
【請求項８】
前記ポッティング材料の融点または軟化点が、前記中空繊維膜製造に用いる材料の融点または軟化点よりも少なくとも５℃低い融点または軟化点を有するものである請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記ポッティング材料の融点または軟化点が、前記中空繊維膜製造に用いる材料の融点または軟化点よりも４０℃低い温度以上の融点または軟化点を有するものである請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記ポッティング材料の融点または軟化点が、前記中空繊維膜製造に用いる材料の融点または軟化点よりも１０℃低い温度以上の融点または軟化点を有するものである請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記中空繊維膜のパッキング密度が、７０％未満である請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記中空繊維膜のパッキング密度が、６５％未満である請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記中空繊維膜のパッキング密度が、５５％未満である請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記中空繊維膜がポッティング後に中空体に収まりやすいように長さ方向に揃えられているものである請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記中空体が、前記ポッティング材料と同一の材料で形成されている請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記中空繊維膜がロール状に巻かれたマットであり、両端が封止されている請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記中空繊維膜が芯上にロール状に巻かれたマットである請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
内径、外径、およびその間に介在する多孔性の壁を有し、長さ方向に揃えられ二つの端部を有するペルフルオロ化された熱可塑性ポリマー材料で構成された多数の中空繊維膜の一端部または両端部の一部がペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーでポッティングされ、かつ少なくともポッティングされた一端部が前記内径を通して流体が流れるように開かれた多数の中空繊維膜を含む請求項１〜１７のいずれかに記載の方法により製造されるフィルター要素。
【請求項１９】
前記中空繊維膜が、ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））またはポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）で形成されたものである請求項１８に記載のフィルター要素。
【請求項２０】
前記ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））のアルキル基がイソプロピル、メチルまたはイソプロピルとメチルの両者が混在したものである請求項１９に記載のフィルター要素。
【請求項２１】
前記ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーポッティング材料が、ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））またはポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）で形成されるものである請求項１８に記載のフィルター要素。
【請求項２２】
前記ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））のアルキル基がイソプロピル、メチルまたはイソプロピルとメチルの両者が混在したものである請求項２１に記載のフィルター要素。
【請求項２３】
前記中空繊維膜のパッキング密度が、７０％未満である請求項１８〜２２のいずれかに記載のフィルター要素。
【請求項２４】
前記中空繊維膜のパッキング密度が、６５％未満である請求項１８〜２２のいずれかに記載のフィルター要素。
【請求項２５】
前記中空繊維膜のパッキング密度が、５５％未満である請求項１８〜２２のいずれかに記載のフィルター要素。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルフルオロ化された熱可塑性材料からなり実質的に等長の中空繊維膜を長さ方向に揃えた集合体とペルフルオロ化された熱可塑性材料からなるエンドシール（端部封止材）すなわちポットとを含むフィルター要素を製造するための簡便な方法に関する。また、本発明は、この方法によって製造されるフィルター要素に関する。
【０００２】
【従来の技術】
中空繊維膜は、内径（内壁）、外径（外壁）、およびその間に存在する通常は多孔性の壁を含む管状のフィラメントである。内径（内壁）は、繊維の中空部を形成し、流体（ろ過のために供給された流体、あるいは、流体がろ過に際して外表面と接する場合には、透過する流体）を搬送するために用いられる。繊維内部の中空部分はルーメンと呼ばれることもある。
【０００３】
中空繊維膜は、微細孔を有する膜によって、ガス分離、逆浸透、限外ろ過、粒子およびバクテリアの除去等の種々の用途に使用される。これらの用途において、膜は透過障壁の役割を果たし、大きさ、浸透率または他の物理的若しくは化学的属性の差により、キャリアー流体および溶解または分散した成分のうちある種のものを通過させ、他の成分を保持する。
【０００４】
実際に使用される態様としては、繊維は切断するなどして特定の長さとし、多数の繊維の束とする。繊維束の一方または両方の端部は、繊維間の隙間を満たしチューブ・シートを形成する材料でカプセル封入(encapsulation)される。このプロセスは時として「繊維のポッティング」と呼ばれ、繊維のポッティングに使用される材料は、ポッティング材料と呼ばれる。
【０００５】
チューブ・シートは、ろ過装置と協働して封止の役割を果たす。前記のカプセル封入プロセスで繊維の端部が閉ざされ封止される場合は、ポッティングされた繊維束の一方または両方の端部をその直径方向に亘って切断するなどして開く。カプセル封入材料が開いた端部から入り込むのを妨げるため、開いた繊維端部をカプセル封入に先立ち閉塞封止しておく場合もある。流体が流れるために一方の端部のみ開いていればよい場合には、他端は閉塞封止したままとする。ろ過装置はポッティングされた繊維束を支持し、ろ過されるべき流体およびその濃縮液が、透過液から分離された状態で存在するための空間を提供する。使用時、流体の流れは一方の表面と接触し、当該表面で、あるいは繊維壁の深部で分離が起こる。透過する流体および成分は、繊維外表面と接する場合には、繊維壁を通ってルーメンに集められ、開いた端部（一端または両端）に向かう。繊維内表面と接する場合には、ろ過される流体の流れは開いた端部から供給され、透過する流体および成分は繊維壁を通り外表面から回収される。
【０００６】
封止を形成するためには様々な材料が使用される。封止用成分としてエポキシ樹脂とウレタンが広く使用されている。熱可塑性ポリマーも重要な一群を形成する。熱可塑性ポリマーは加熱した際に流動性があるため成形可能であり、冷却すると元の固体としての特性を回復するポリマーである。ろ過装置が使用される際の条件が厳しくなると、封止を形成するために使用できる材料は制限されるようになる。例えば、マイクロエレクトロニクス産業でウエハーのコーティングのために使用される有機溶媒ベースの溶液は、ウレタンやエポキシベースの封止材を溶解したり膨潤させたりして強度を弱める。同じくマイクロエレクトロニクス産業で使用される高温ストリッピング浴は、酸性度および酸化性の高い化合物からなり、こうした化合物は慣用のポリマーからなる封止を破壊する。ペルフルオロ化された熱可塑性物質で形成された封止は、化学的・熱的劣化に対して特に高い抵抗性を有しており、優れた封止材料となるであろう。
【０００７】
ペルフルオロ化された熱可塑性のポリマーで作られた膜は、高度な化学的・熱的抵抗性が要求される条件下でのろ過目的において非常に有用である。しかし、ペルフルオロ化された熱可塑性膜の特長を最大限に生かすためには、そのような膜を使用するフィルター要素を、同じように抵抗性がある材料を用いて作らなければならない。高温条件下に使用する場合は、ポッティング材料の溶融温度が中空繊維膜の溶融温度と可能な限り近いことが好ましい。
【０００８】
このようにすれば操作温度は最も高くなるであろう。操作温度は、フィルタを構成する材料の中で最も低い溶融温度にほぼ制限されるためである。また、ペルフルオロ化された熱可塑性材料からなる膜を異なるポッティング材料でポッティングし、ポッティング材料とペルフルオロ化された熱可塑性材料からなる膜との間で良好な結合を得るのは難しい。超高純度溶液のろ過では、ろ過装置には、抽出可能な残余成分を非常に低いレベルとすることが要求される。一般に、ペルフルオロ化された熱可塑性材料は、抽出可能成分のレベルが非常に低いことが要求される用途で使用され、ペルフルオロ化された熱可塑性材料のみを用いて作製されたフィルタは、このような用途では有利である。こうした理由のため、ペルフルオロ化された熱可塑性ポッティング材料中でペルフルオロ化された熱可塑性物質膜をポッティングする方法を実現することが望ましい。
【０００９】
もっとも、封止材料として熱可塑性ポリマーを使用して、熱可塑性中空繊維膜からフィルター要素を製造することは、反応性エポキシやウレタンのような典型的な樹脂材料を用いるよりも困難である。エポキシおよびウレタンをこの目的に用いるには、封止すべき繊維の周りに容易に流入し得るように、良好な流動性を有するものが選ばれる。これらの材料は、粘性の低い低分子量の反応性成分を含み、繊維束を含む容器に流し込むなどして装入した後に反応させて最終ポットを形成する。熱可塑性ポリマーは加熱時に流動性があって成形可能であり、冷却時には、本来の固体としての特性を回復するポリマーである。熱可塑性ポリマーは、高分子量材料で高い粘性を有する。それらは、繊維束の繊維の周りに容易には流れず、繊維集合体の周りまたはその間を一様に流すことが難しい。熱可塑性材料は流動させるためにはそれを加熱して溶融または軟化しなければならない。しかし、熱い熱可塑性材料は封止する繊維に悪影響を及ぼすことがある。特に、ペルフルオロ化された熱可塑性物質は、溶融温度が高く高粘度であるため、ポッティング材料として使用することが困難である。ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーは、押し出すにせよ注入するにせよ、その融点以上に加熱しなければならない。しかし、ペルフルオロ化された熱可塑性ポッティング材料を融点以上に加熱し、それと同程度の融点を有する多孔性の中空繊維膜を長く接触させると、中空繊維の融解および崩壊を引き起こすことになる。また、ペルフルオロ化された熱可塑性ポッティング材料が、繊維束内に流し込まれる際に急に冷えると、繊維間の空隙を完全に満たすことができないであろう。冷えて流動性の乏しいポッティング材料は、繊維間を満たす代わりに、材料内部に空隙を形成しやすい。この結果、強度が弱まったり漏れが発生するおそれがある。当業者は、複雑な手法を種々用いることによって、こうした問題点を克服しようと試みてきた。
【００１０】
米国特許第4,980,060号および第5,066,397号は、熱可塑性樹脂からなる多数の多孔性中空繊維膜を含むフィルター要素の製造方法を開示するもので、このフィルター要素は、端部の周辺で融着されてターミナルブロックを形成している。一態様においては、微細粒子からなる無機充填材を含む熱可塑性中空繊維膜を石膏と水との混合物に浸漬し、端部の開いた部分を封止する。端部は端部の表面のみから無機充填材を洗い流すために溶媒に浸漬される。抽出操作は、膜の端部を溶媒に浸漬し溶媒に超音波処理を施すことにより効率的に行うことができる。封止された端部は、長さ方向に揃えて束ねられ、膜を形成するのに用いた樹脂の少なくとも軟化温度まで加熱される。互いに隣接した膜の端部の周囲は、加熱処理に先立ち、端部に非接着性のテープを巻き付けるなどして、加熱工程の間、接触状態に維持する。テープは加熱処理の後に取り除かれる。別の態様では、粉状の熱可塑性樹脂を膜端部の周囲に塗付する。樹脂は、端部を液体に浸漬し、次いで、液体で湿った端部を樹脂粉の中に入れるか、湿った端部に粉状の樹脂をスプレーしたり塗り付けることにより塗付される。多数の膜が液体に浸漬された場合、内側の膜は簡単には湿らせられないことも多い。そのような場合は、液体を超音波処理してもよい。また、同様の液体および樹脂粉の混合物を最初に準備し、次に、端部を混合物中に浸漬するか、端部の周囲に混合物をスプレーするか、塗り付けることにより樹脂粉を塗付することもできる。次いで、膜を長さ方向に整えて束ね、前記の態様と同様に、膜を形成するのに用いた樹脂の少なくとも軟化温度まで加熱し、熱可塑性樹脂粉から生じる熱可塑性樹脂媒体を通じて融着する。これらの態様のいずれでも、繊維束は、加熱処理後に充填材の抽出を完全に行う処理を施す。
【００１１】
さらに別の態様では、粉状の樹脂材料を繊維端部に付着させることなく、繊維の反対側の開いた端部から不活性ガスを供給しながら、充填されていない膜を加熱する。もっとも、これらの複雑な操作には本来的ないくつかの問題がある。例えば、マイクロエレクトロニクス・デバイスの製造では、無機充填材の含有量は、超高純度の流体のろ過に使用するのに適した十分な低レベルまで、徹底的に抽出することが要求されるであろう。同様に、石膏の繊維端部封止の抽出はコストおよび製造プロセス上の困難を増加させるであろう。熱による繊維周辺の融着を行うためには、処理プロセスの間ずっと、繊維が互いに接触状態に維持されていなければならない。このため、大きな束では、束の内側の繊維に十分な圧力を加えようとすると、束の外側近くの繊維が、より大きな圧力を受けることになる。圧力が不均一だと、最終的にポッティングされた束内において繊維特性のばらつきを生じるおそれがある。液体―樹脂粉を用いる方法では、液体キャリアーを除く工程がさらに必要である。また、融着時に不活性ガス流を用いる方法では、繊維周辺に別個に封止が必要であり、ガス圧供給およびコントロールのための装置が必要となる。
【００１２】
米国特許第5,015,585号には、熱接着（サーマルボンディグ）技術によってホモポリマーの中空繊維モジュールを製造する方法が記載されている。この方法では、接着（ボンディング）工程の間、形状および一体性を維持するために、初めに、個々の中空繊維のルーメン内に金属棒を挿入する必要がある。接着完了後、繊維中に挿入されていた棒は端部から強制的に除去される。この方法における難点は、非常に小さな直径のルーメンに細い棒を確実に挿入して、ボンディングプロセス後に棒を取り除くのが困難であるという点である。
【００１３】
米国特許第5,284,584号には、熱可塑性樹脂を高温で押し出してポッティング材料の溶融バンドを形成し、これを中空繊維膜の織物組織(fabric)の表面上に当てる方法が記載されている。ここで、中空繊維膜は織物の横糸を構成し、縦糸を構成するフィラメントは膜繊維を間隔を空けて保持する。繊維の方向と平行な軸に織物を巻き付け、同時に、束のそれぞれの端部に熱可塑性樹脂を押し出して、束の両端のそれぞれを熱可塑性樹脂中でポッティングし、束の端部を封止して隣接した単一体のチューブ・シートとする。この方法では、弱い膜繊維から織物を織ることに加え、押出成形システム、織物を巻くためのシステム、およびこれら両方の操作を統合するシステムが必要であって、さらに複雑となっている。
【００１４】
米国特許第5,556,591号は、ある部材（ボディ）の内部で繊維をポッティングする方法を開示している。この方法は、ボディの中空部内に中空繊維束を形成し、繊維を実質的に縦方向にかつ互いに均一な間隔を空けて配置し、溶融熱可塑性樹脂組成物を束の縦軸方向に沿って流す。ここで、溶融樹脂が繊維に接触する温度は、繊維の融点より下だが、すべての繊維の周りに流れるのに十分な程度に粘性を低下させる温度であり、流れやすくするためにボディに対して圧力差を加え、一方、束の温度は溶融熱可塑性樹脂がこれに実質的に接触した途端に凝固を起こすよう十分に低い温度とし、ボディ内部の束の各繊維の周りに不透過性の封止を形成する。この方法は、プロセスの間にボディに適用する圧力差の形成手段をさらに必要とする。さらに、接触した途端に凝固するような溶融加熱可塑性物質を流すのは、凝固した最初の材料が後の材料が均一に流れるのを妨げると考えれ、大きな束では難しいであろう。
【００１５】
米国特許第5,228,992号および第5,445,771号は、放射線処理によって強化された中空繊維を開示している。ここで、放射線処理は、繊維をそれらの構造の全体に亘って架橋して熱に安定な構造に変化させる。繊維はモジュール化されるか、束をループまたは砂時計状の構造とし、砂時計構成で言えばその中間のセクションの射出成形によってポッティングされる。次いで、ポットをポッティングされた領域で切断し、少なくとも２個のモジュールを形成する。しかし、特別の放射線処理はフィルター製造に複数の処理工程に加え、また、劣化を招くことから、ペルフルオロ化された加熱可塑性物質には適していない。
【００１６】
米国特許第5,505,858号および第5,662,843号は、２回のポッティング工程によりポリオレフィン中空繊維からなるフィルター要素を製造する方法を開示する。これは、第１のポリオレフィンからなる繊維の束を用意して、これを、第１のポリオレフィンの溶融温度以下の温度で第２のポリオレフィンの融液に浸漬し、第２のポリオレフィンがその流動性を失う前に取り出して硬化させる。このようにして得られた第２のポリオレフィンが付着したフィルター要素を、内部にナイロンまたはポリオレフィンの無底カップを備え、外部に加熱手段を有する第２の型に挿入する。この型は、低分子量の溶融ポリオレフィン（第２のポリオレフィンと同じであってもよい。）、あるいは、低分子量ポリオレフィンか、あるいは、この低分子量ポリオレフィンとこれよりも分子量の大きな通常のポリオレフィンとの溶融混合物のいずれかを含んでいる。上記と同様にフィルター要素を取り出し硬化させる。この方法は２回の別個の加熱工程と成形工程を必要とし、そのために、実際上、プロセスの複雑さを２倍にしている。
【００１７】
ヨーロッパ特許公開公報0803281 A1には、ポッティング方法について記載がある。これは、端部の開いた中空繊維を、中空繊維分離膜原料の融点以下の温度の熱可塑性樹脂融液に挿入するものである。次いで、溶融物を冷却固化させ、中空繊維を製造するために使用した高分子材料と相溶性のない半結合状態の封止を形成する。その後、封止部の先端部を切断するか熱によって溶融することにより、開いてはいるが封止部内に存在する束の末端部を開く。この方法はあらゆる繊維に利用できるものではない。また、開示内容にもあるように、繊維があまりにも高い屈曲性を有するか破断強度が低すぎる場合は、繊維にポッティングを施すことができない。さらに、開いた端部にポッティングを行うため、繊維のルーメンを余分のポッティング材料で満たすことになりかねない。すなわち、ルーメン内のポッティング材料は、ポッティングの高さと一致するため、端部を切断して開くための余地が残らないことになる。別の態様では、ポッティング材料のペーストをエチルアルコール中に分散させ、繊維束を含む外管の開いた端部から注入し、このようにして得られた外管をオーブン中で加熱しそのまま放冷している。この方法の欠点は、アルコールが可燃性であるため、耐爆性を考慮した操作が必要となるという点である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来開発されてきた方法は複雑であり、これは、ポッティング材料として熱可塑性ポリマーを用いた中空繊維フィルター要素の生産が困難であることを示している。従って、ペルフルオロ化された熱可塑性の膜フィルター要素を、低コストかつ効率的に生産するための簡便な方法が望まれていた。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーでポッティングされたペルフルオロ化された熱可塑性の中空繊維膜のフィルター要素を製造する、単純化された方法である。本発明の方法は、容器内に保持された溶融熱可塑性ポリマーのプールに形成した一時的な凹部に、少なくとも一方の端部が閉ざされた細長の中空繊維膜を配置し、所定の体勢、好ましくは垂直にこの細長繊維を保持し、熱可塑性樹脂が前記の一時的凹部に、繊維のまわりおよび繊維間を通って流れ込むように溶融状態に維持して繊維間の空隙を熱可塑性樹脂で完全に満たすものである。
【００２０】
一時的凹部は、繊維束の位置を決めて固定するのに十分な時間、溶融ポッティング材料中の凹部として持続する凹部であり、次いで、溶融熱可塑性物質によって満たされるものである。一時的であるという凹部の特徴（凹部の持続時間）は、ポッティング材料が保持される温度、繊維束の配置中にポッティング材料が保持される温度、およびポッティング材料の物理的な特性によってコントロールすることができる。一時的凹部は、固体の熱可塑性物質中の凹部でもよく、当該熱可塑性材料は、その軟化点または溶融温度以上の温度に十分に熱されて流動し、凹部を満たすのに必要な時間、その温度に維持されて凹部を満たす。繊維の端部は、封止や栓を施すことにより、あるいは、好ましい態様としてはループ状に形成されることにより閉じることができる。ループは、閉じた端部の役割を果たし、繊維の２つの端部がポッティング材料と接触することが免れる。溶融ポッティング材料でカプセル封入(encapsulation)された繊維は、容器から取り出され、冷却によって熱可塑性ポリマーが固化し、固体の熱可塑性ポットが形成される。必要に応じて、ポッティング材料とポッティング・繊維束は、容器ごと冷やされ、容器から取り除かれる。余分な熱可塑性ポリマーポッティング材料は取り除かれる。また、ポッティング材料を垂直にあるいは長軸に対して９０°未満の角度で切断することにより、ポット中の端部を開く。
【００２１】
本発明の方法は、両端が開いたチューブのような中空体（この中空体は最終的にはフィルター要素の一部になる。）中に、少なくとも一方の端部が閉ざされた細長い中空繊維膜を配置することにより実現することができる。
【００２２】
中空体は頂部および底部を有している。底部は、上記のように熱可塑性ポリマー溶融プール中の一時的凹部内に置かれる。繊維の長軸は、実質的にシェルの長軸と平行に整えられる。繊維は、固定手段および支持構造手段によって中空体中、垂直に適所に保持され、ポッティング中に浮力により上昇したり、ポッティング材料の溶融プールに沈み込むことがないようにする。各繊維の封止された端部が中空体の底部に実質的に近く、各端部が実質的に同一平面にあるように、繊維とシェルを配置する。適所に細長い繊維を有する中空体の底部を、容器の中に保持された溶融熱可塑性ポリマープール中の一時的な凹部に置き、所定の垂直位置に中空体を保持し、また、熱可塑性ポリマーを溶融状態に維持し、その結果、それが、一時的な凹部内に、繊維間、繊維周辺および繊維の垂直上方を通って流れ込み、繊維と中空体部分との空隙が完全に熱可塑性ポリマーで満たされるようにする。溶融ポッティング材料でカプセル封入された繊維を容器から取り出し、熱可塑性ポリマーを冷却固化させて、固体の熱可塑性ポットを形成する。余分な熱可塑性ポリマーポッティング材料は除去する。また、ポット中の端部を長軸と直交する方向に、ポッティング材料と中空体とを切断することによりポット中の端部が開かれる。
【００２３】
必要であれば、細長繊維はきつく折り曲げたＵ字型としてもよい。この場合、各Ｕ字の端部が、実質的に同一平面に乗るように各Ｕ字の端部を中空体の底部付近に位置させる。また、必要であれば、繊維の長さ方向とは垂直な列を成すように細長繊維を１本１本、実質的に等間隔に配置し、各繊維の端部を隣接する繊維の端部とテープのような連続的な手段で接続することにより繊維のマットを製造することができる。この連続的な手段によって端部を封止してもよく、あるいは一方または両方の端部を別々に封止してもよい。その後、マットを、繊維長さと平行な軸を中心として、芯上にまたは芯なしで巻く。巻かれたマットは、上述のような中空体内に装入される。これらのオプション方法のいずれにおいても、その後、上述したようにポッティングを行う。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明は、ペルフルオロ化された熱可塑性材料からなり実質的に等長の中空繊維膜を長さ方向に揃えた集合体とペルフルオロ化された熱可塑性材料からなるエンドシール（端部封止材）すなわちポットとを含むフィルター要素を製造するための簡便な方法を提供する。また、本発明は、この方法によって製造されるフィルター要素を提供する。
【００２５】
本発明のペルフルオロ化された熱可塑性材料の中空繊維膜は、ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））やポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）のようなポリマーで形成される。
【００２６】
ペルフルオロ化された熱可塑性材料によるエンドシールは、好ましくは、約２５０℃〜約２６０℃の融点を有するポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））で形成する。好ましいポッティング材料は、ニュージャージー州ソロフェアの米国アウジモント社（Ausimont USA Inc. of Thorofare, NJ.）から販売されている、Hyflon(登録商標)940 AX樹脂である。米国特許第5,266,639号に記載されているような溶融終止温度（end-of-melt temperature）の低い低粘性ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）も適している。
【００２７】
ペルフルオロ化された熱可塑性のポッティング材料は、繊維束のポッティングに先立って、予め定めた量のペルフルオロ化熱可塑性ポリマーを秤量し、上部が開いた容器にこのポリマーを入れることにより準備される。容器は、好ましくはシリンダーであり、下記の中空体あるいは繊維束より大きな直径を備えたものである。この容器は、高温（例えば３００℃以上）に長時間耐える材料で形成する必要がある。厚い壁を備えた非反応性の金属容器で十分である。ペルフルオロ化された熱可塑性のポッティング材料を入れた後、容器をオーブンに入れ、ペルフルオロ化された熱可塑性のポリマーを溶融するために十分な高温に維持し、脱気されたポリマーの溶融プールが生じるに十分な時間、オーブン中に保持する。オーブンでの加熱の代わりに、容器にヒーター・バンドのような加熱手段を取り付け、あるいは熱した液浴中に部分的に浸漬して容器を熱することもできる。約２６０℃〜約２９０℃の温度範囲が好ましく、約２７０℃〜約２８０℃の温度範囲がより好ましく、２７５℃前後が最も好ましい。温度は、ポッティングすべき中空繊維の溶融温度より低くなければならない。溶融ポッティング材料の保持には１６〜７２時間で十分であり、２４〜４８時間が好ましい。
【００２８】
フィルター要素は様々な方法で準備することができる。好ましい態様の１つは以下の工程を含むものである。
a) ある程度の長さ連続する繊維を矩形のフレームに互いに重ならないように巻き付ける。矩形のフレームは長さと幅で規定され、幅は最終的なフィルター要素の長さにほぼ等しい。繊維はフレームの幅方向に巻き付けられ、例えば、長さ方向の一方の側に沿ってテープで固定する。
【００２９】
b) 繊維を巻き付けたフレームを約２７０℃〜約２８０℃、好ましくは２７５℃の温度のオーブンに入れ、約１６時間〜約２４時間保持して繊維を硬化させる。
c) 熱硬化処理後、繊維を冷まし、テープを切って繊維をフレームから切り離し余分なテープを切断除去する。これにより、開いた２端を有する多数のＵ字型繊維ループがそれぞれ分離した状態で得られる。
【００３０】
d) ループを２７５℃のオーブン中で１６〜２４時間加熱して熱緩和させる。熱緩和は、繊維の変形を防ぐために繊維を水平に置いて行う。あるいは、繊維を他の部分と接触しないように垂直に掛けてもよい。
【００３１】
e) 熱緩和工程の後に、繊維を冷まし、次いで、ループを両端の開いたリンダーの中に入れる。以下の工程において、シリンダーは一方の端が上に他方の端が下にくるように、溶融ポッティング材料のプール中に垂直に配置する。最終製品に求められる条件によっては、他の中空体を使用することもできる。中空体は、流体が流れるための穿孔を有してもよい。中空体は、好ましくは、ポッティング材料と同じ材料で作られているが、冷却後に溶融ポッティング材料が不透過性の結合を形成する限り、どのような材料でもよい。また、中空体は、最終的なフィルター要素のハウジング用部品として設計することができる。
【００３２】
f) 繊維は、ループがシリンダーの底近くに、開いた２端がシリンダーの頂部近くに位置するように装入され、上端近くで束ねて固定される。固定方法の一例としては、ある程度の長さのテフロン(登録商標)パイプ・テープを用いて繊維をその上端付近で結束することである。繊維を傷付けず、ポッティングプロセスで使用される温度で劣化しない限り、他の結束手段または締め留め手段を使用することができる。
【００３３】
g) 細い棒を結束位置のすぐ下に繊維の長さ方向に対して垂直に通す。この棒は、浸漬工程において繊維束が溶融ポッティング材料に沈み込まないように、束をシリンダー中の固定位置に支持するために使用される。図１は、繊維ループ１１を有する繊維束、結束手段１３、および結束手段の下の位置で繊維を貫き通る細棒１５を示す。棒はシリンダーに対向して設けられた穿孔を通り当該穿孔により支持される。あるいは、シリンダーの上縁にこの棒を置いてもよい。図２は、中空シリンダー１７内に置かれた繊維束の上面図を表わし、細棒が結束手段によって繊維束を支持する状態を示す。図３は図２の１−１ラインに沿った断面図であり、ループ１１が細棒１５により中空シリンダー１７内に支持されている様子を示す。
【００３４】
h) 一時的凹部はポッティング材料の溶融プール中に形成される。図４は、ポッティング材料２１の溶融プールを保持する容器１９の上面図を表わす。図５は、図４の２−２ラインに沿った断面図である。図６は、溶融プール内に一時的凹部２３が形成された容器の上面図を表わす。図７は図６の３−３ラインに沿った断面図である。繊維を含むシリンダーよりも直径が大きく、所望のポット長さより深い円筒状の凹部が最も便利である。この一時的凹部は、ポッティング材料の溶融プールの温度に耐えることができる材料で作られ溶融ポッティング材料に付着しない、所望の直径の固体のシリンダーで形成される。テフロン(登録商標)樹脂は好ましい材料である。
【００３５】
i) 繊維を含むシリンダーは、溶融ポッティング材料のプール中の一時的凹部に入れられ、支持構造手段（図示していない。）によってその位置に保持される。図８は、繊維束ループ１１からなる支持された繊維を有する中空シリンダー１７が、ポッティング材料の溶融プール２１の一時的凹部２３に置かれている状態を表わす。中空シリンダー１７の位置を維持する支持手段は図示していない。繊維束内にポッティング材料が流入させる穴が中空シリンダーに開いている場合、中空シリンダーは、一時的凹部の床に接触させてもよいし、あるいは、一時的凹部２３の床に置いてもよい。ポッティング材料は、繊維を含むシリンダーを適切な位置に置くことが可能な程度に十分な時間、一時的凹部を維持し得るものでなければならないが、同時に、シリンダー内へおよび繊維の周りや上を流れ得る能力を持っていなければならないということが理解できるであろう。
さらに、ポッティング材料は、ポッティング操作の間に溶融したり劣化しないように、中空繊維膜が半結晶性ポリマーで作られている場合はこのポリマーの融点より低い温度、あるいは、繊維がガラス質のポリマーで作られている場合はこのポリマーの軟化点より低い温度で溶融状態で維持されなければならない。ここで、軟化点とは、ガラス質ポリマーのガラス推移温度である。
【００３６】
j) 繊維を含むシリンダーは、ポッティング材料が、シリンダー内および繊維の周りや上部に完全に流れるように十分な時間溶融するような温度に保持される。好ましい時間は、２４〜４８時間の範囲である。
k) 中空繊維膜を備えた中空シリンダーは、溶融ポッティング材料でカプセル封入された後、ポッティング材料の溶融プールから取り出され冷やされる。あるいは、ポッティング材料および繊維を含むシリンダーを冷やした後、繊維を含むシリンダーとポッティング材料を容器から取り出す。いずれの場合も、余分なポッティング材料は、繊維を含むシリンダーの外径から切除その他の方法により取り除く。
【００３７】
l) ポッティングされた端部は、ループ端部の上の位置でシリンダーおよびポッティング材料を切断して、流体が流れるように開放される。図9は図２の１−１ラインに沿って切断した断面図であり、工程ａ〜ｋのポッティングプロセス後の繊維束を備えた中空シリンダーを表わす。結束手段および細棒は取り除かれ、固体のポット２５が示されている。計画的に切断された部位２７は、中空シリンダー、固形ポット、およびポッティングされた繊維を通る典型的な切断位置を表わす。計画的に切断された部位２７は、ループより上の位置にある。
【００３８】
m) 上端部で繊維を束ねる結束手段を取り除き、細棒も取り除く。工程ｈ〜ｋに記載したようにして、上端部のポッティングが完了する。これらの繊維端部は前工程で密閉されていないので、ポッティング材料は繊維に侵入し密閉するであろう。そこで、ポットは、シリンダーごと密封した端部を通るように切断され、一方の端部が開いた繊維を備えたフィルター要素が製作される。
【００３９】
ポッティングプロセスに使用するポッティング材料の調製方法は他の方法を取ることも可能である。例えば、溶融または加熱したポッティング材料を、例えば、押し出しにより容器内に導入し、次いで、溶融プールを形成するには十分な温度だが、ポッティングすべき中空繊維の溶融温度よりは低い温度に維持または加熱する。必要であれば、繊維束を配置する間は、溶融プール中の一時的凹部を形成し得るような低い温度に維持し、次いで、ポッティング材料および繊維束を備えた容器を加熱して（但し、繊維の溶融温度以下）、ポッティング材料の流動率を増加させる。別の方法では、射出成形その他の方法によってポッティング材料から容器中の凹部を形成し、ポッティング材料を冷却固化して凹部を保持し、上述のように凹部に繊維束を入れ、次いで、加熱工程およびそれに引き続く工程を続行する。但し、この方法では、おそらくより長い加熱時間が必要になるであろう。さらに別の方法は、穴の底部で可動なピストンを使用するもので、一時的凹部を形成する前あるいは形成する間にこれを引き上げ、繊維が凹部に挿入された後、それを繊維に向けて移動させる方法である。これによりプラグ流れ(plug flow)が形成され、その結果、特に大きな束では、繊維間に溶融材料がより均一に満たされる。また、繊維間あるいは溶融材料中に捕捉された空気の排除(displacement)が可能となる。必要であれば、いずれの方法においても、溶融ポリマーの表面近くを減圧して気泡除去を促進するとともに、かつポッティング領域への材料のより速い流れを引き起こす。さらに、所望であれば、ホットエアガン、放射加熱器のような１以上の加熱装置を用いて繊維を加熱して、繊維がヒートシンクの役割を果たして系から熱が失われるという可能性を低減することもできる。繊維の表面温度は、繊維の溶融または軟化温度以下でなければならない。この他、プロセス効率を制御、最適化あるいは改善するために同様な方法を使用してもよい。
【００４０】
上述した基本的な方法は、異なる設計のフィルター要素を生産したり、あるいは製造上の便宜のために修正することができる。例えば、両端が開いたフィルター要素の生産が望まれる場合には、前記ｄ）段のループの開放端部分を、個々に、あるいは対としてヒートシーラーによって封止する。加熱バーおよび加圧バーを２ミル（50.8μｍ）のKapton(登録商標)ポリイミドテープで被覆することにより変更を加えたアキュシール(Accu-Seal)５３０ヒートシーラー（Accu-Seal Corporation, カリフォルニア州サンディエゴ）や同様なヒートシーラーを使用することができる。ポリ(テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）)で作られた中空繊維膜についての典型的な条件は６５０℃〜７００℃の温度で、１平方インチ（6.5ｃｍ２）当たり３０〜５０ポンド（13.6〜22.7ｋｇ）のジョープレッシャーで７〜９秒の範囲である。開いた端部の長さをポッティング長さより短くするには、上述したポッティングと同じ方法でちょうどその長さだけをポッティングすることにより封止できる。前記ｍ）で述べたような第２ポッティングにより、ポットをシリンダーごと熱封止部分の上の位置または上記の短いポッティング長の上の位置で切断し、開放端が形成されることになる。
【００４１】
端部を熱封止する代わりに、工程ｂ）で巻いた繊維からフレームを除くことにより両端がループとなった矩形状コイルとして繊維を生産することもできる。これは、両端がループ状である繊維を組にして接続したものと等価である。矩形状コイルは、最終切断工程で繊維の両端が開いたフィルター要素を生産するという点を除いて、工程ｄ）〜ｍ）に記載したのと同様に処理する。
【００４２】
別の態様では、工程ｂ）の熱硬化繊維を冷やし、矩形フレームの長辺に沿って繊維ループをテープで固定し切断することにより２枚の矩形繊維マットを形成する。切断した端部は、隣接する繊維端部を融着することにより熱封止し、テープを除く。マットは工程ｄ）におけると同様に熱緩和する。冷却後、繊維長に垂直な方向にマットを巻いて繊維束を形成する。マットは、中実な芯若しくは穿孔された中空芯の周りに、あるいはそれ自体に重ねてロール状に巻く。中空芯の端部（一方または両方）を流体の通路に利用しようとする場合は、繊維とともにそれらを封止しポッティングする。これを開けば、芯はフィルター要素内への流体通路の役割を果たす。次いで、最終切断工程で繊維の両端が開いたフィルター要素を生産するという点を除いて、工程ｅ）〜ｍ）に記載した方法と同様のやり方で束をポッティングする。
【００４３】
矩形フレームの代わりに他の形状を使用して繊維レイを作製することもできる。例えば、中実の矩形のシートを用いてもよい。繊維をシリンダー上に巻き付け熱硬化することもできる。３次元のフレーム、例えば、平行六面体のフレームを使用してもよい。例えば、中空繊維膜を横糸としスペーサ用のフィラメントを縦糸に用いた織物のように、繊維を等間隔で配置した繊維レイ形成法も考えることできる。但し、この場合、縦糸はポッティング材料の流れに干渉しないように配置する。
【００４４】
さらに、繊維をシリンダーその他の中空体内に装入せずに、自立繊維束としてポッティングする態様も可能である。
繊維束作成方法は、ここに記載した方法が成功するかどうかにおいて重要である。例えば、繊維は互いに交差しないようにする。交差すると、熱可塑性のポッティング材料の流れが妨げられ完全に繊維を包み込むことができなくなるからである。ポッティング材料の流れは、プロセスの初めに数センチメートルだけ存在する圧力ヘッドによって駆動される。プロセスが進行するにつれ、ポッティング材料が一時的凹部に流れ込み、圧力ヘッドが低下するにつれてこの流れは減少する。流路中に何らかの乱れがあると、流れが分岐し、ポット中に好ましくない閉塞を引き起こす。したがって、繊維は実質的に平行な配列となるように束ねることが重要である。
【００４５】
繊維はほぼ同じ長さであることが好ましいが、他の態様とすることも可能である。例えば、溶融ポッティング材料の流れをコントロールするために、繊維束の中心から束の外端に向けて長さの勾配を付けてもよいであろう。実施上の必要に応じて、中心に最長の繊維を配置し、あるいは束の中心に最短の繊維を配して勾配を作ることができる。個別の製品ニーズを満たすために他の態様を採ってもよい。
【００４６】
同様の理由で、繊維は、中空体中に充填する場合もあるいは自立した束とする場合もあまり堅く締めてはいけない。さもなくば、繊維間の流れが妨げられて、ポッティングが不完全になる。パッキング密度がポッティングしようとする特定の繊維に対して正しく選ばれると、流動性のポッティング材料は繊維の間に割って入ることになる。パッキング密度は、束ねられた繊維全体の断面積を中空体内側の断面積で割った比率を百分率で表わして定義される。中空体内に装入せずにポッティングした繊維束では、ポッティングされた繊維束の最終的な断面積に対する束ねられた繊維全体の断面積の比である。「堅く締めすぎ」かどうかは、パッキング密度、最終的なポッティング長、および繊維の固さと関係している。当業者は、特定の中空繊維膜についての好ましいパッキング密度を決定することができる。ポリ(テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）)で作られ外径がおよそ８００〜１０００ミクロン、壁厚がおよそ２００ミクロン、長さ約１０センチメートルの多孔性の中空繊維膜については、少なくとも７０％未満、好ましくは６５％未満のパッキング密度で、満足の行くポッティングがなされた繊維が得られた。
【００４７】
同様の理由で、繊維は、中空体中に充填する場合もあるいは自立した束とする場合もあまり堅く締めてはいけない。さもなくば、繊維間の流れが妨げられて、ポッティングが不完全になる。パッキング密度がポッティングしようとする特定の繊維に対して正しく選ばれると、流動性のポッティング材料は繊維の間に割って入ることになる。パッキング密度は、束ねられた繊維全体の断面積を中空体内側の断面積で割った比率を百分率で表わして定義される。中空体内に装入せずにポッティングした繊維束では、ポッティングされた繊維束の最終的な断面積に対しての束ねられた繊維全体の断面積の比である。「堅く締めすぎ」かどうかは、パッキング密度、最終的なポッティング長、および繊維の固さと関係している。当業者は、特定の中空繊維膜についての好ましいパッキング密度を決定することができる。ポリ(テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）)で作られ外径がおよそ８００〜１０００ミクロン、壁厚がおよそ２００ミクロン、長さ約１０センチメートルの多孔性の中空繊維膜については、少なくとも７０％未満、好ましくは６５％未満のパッキング密度で、満足の行くポッティングがなされた繊維が得られた。
【００４８】
ポッティング材料の選択は本発明の成否を左右する。ポッティング材料として使用される、ペルフルオロ化された熱可塑性のポリマーは、重力圧力ヘッド数センチメートルの条件で流動性を有するものでなければならない。ポリマーの粘性および降伏応力特性は、ポリマーがポッティング温度で流動するように十分に低いものでなければならない。しかし、ポッティング材料は一時的凹部を、繊維束を置いて固定することができる程度に十分に長い時間、維持しなければならない。好ましい方法では、ポッティング材料の溶融プールを備えた容器を、２７５℃のオーブンから取り出し、一時的凹部を形成し、シリンダーに入れた繊維束をこの一時的凹部に置き支持構造によってその場に固定する。これらの操作中は、繊維束がその最終位置に来るまで、繊維が流動性ポッティング材料と接触しないように、一時的凹部はほとんど形を変えないものである必要がある。
【００４９】
その後、繊維束を備えた容器をオーブンに戻す。ポッティング材料が繊維束へあまりに急速に流れて空気を気泡として捕捉することがないようにすること、および同様の理由で、流れが束の底から主として上昇して来ることがさらに重要である。ポッティング材料は、さらに中空繊維膜の融点あるいは軟化点未満の溶融温度あるいは軟化温度を有しなければならない。好ましいポリマーはHyflon 940AX（米国ニュージアージー州ソロフェアの米国アウジモント(Ausimont USA)社製）である。これは約２５６℃の融点を有する。
【００５０】
下表は、何種類かのペルフルオロ化された熱可塑性ポリマーについて、その物理的性質および本発明におけるポッティング材料としての適合性をまとめたものである。
【００５１】
【表１】
0004514959.tif 000002
【００５２】
融点はパーキン−エルマー(Perkin-Elmer)社ＤＳＣ-７を用いて２０℃／分の加熱速度で測定した。溶融発熱線が温度ベースラインに復帰した温度を溶融終了温度とした。
【００５３】
Ｈｙｆｌｏｎ(登録商標)９４０ＡＸおよびＦＥＰ４１００の粘度および降伏応力はRheologica(スウェーデン、ルンド)社製ヴィスコテック(Viscotech)レオメーターを用い２７５℃で測定した。どの分析も平行板装置を用い0.1Ｈｚで測定した。クリープ回復試験は、これらの試料について、それらの試料のうちいずれかが降伏応力を有するかどうかを２７５℃で測定して行った。なお、本発明において、降伏応力とは、与えられた温度で、それ以上の応力を掛けなければ流動が起きない応力を意味する。クリープ回復力は所定の応力プロファイルを加え、所定の応力レベルを維持するのに必要な歪みを測ることにより測定される。応力は最初は零であるが、与えられた時間内に与えられた値に上げられ、次いで零に戻される。コンプライアンスの挙動は、歪みを初期の負荷応力で割った比率として定義され試料が固体に近いか液体に近いに関係がある。固体に近い挙動とは、応力を掛けることによって生じた歪みが、応力が除かれたときに実質的に回復されることを意味する。液体に近い挙動を示す試料では、応力を掛けることによって生じた歪みから回復することがない。応力レベルを増加させることで固体に近い挙動から液体に近い挙動に移行する試料は、その移行の起こる時点で降伏応力を有するものと考えられる。ＦＥＰ４１００と９４０ＡＸ＃４はおよそ１０Ｐａの見掛け降伏応力を有することが判明した。
【００５４】
以下の議論は、実施例１〜４で示したアウジモント(Ausimont)社のHyflon(登録商標)６２０、実施例５で示したデュポン(DuPont)社のTeflon(登録商標)ＰＦＡで作られた中空繊維膜に関するものである。本発明の原理を例証するものであって、本発明を制限するものではない。
【００５５】
Hyflon(登録商標)ＭＦＡ６２０で作られた繊維は、溶融温度がおよそ２９０℃であり、溶融プールを維持するのに必要な温度（それは少なくとも溶融ピーク温度である。）では同一材料の繊維の溶融を招くおそれがあり、また、ペルフルオロ化された熱可塑性中空繊維膜の融点以下の温度では粘度が高すぎるため、ＭＦＡＣ６２０はポッティング材料としては適さなかった。ＦＥＰ４１００は、溶融温度は実施例１〜４の繊維の溶融温度未満であるが、粘度が高すぎ、また、流動を妨げる見掛け降伏応力を有するので適当でない。９４０ＡＸ＃２は、ピーク溶融温度は実施例１〜４の繊維のそれ未満であり、粘度も低いが、ポッティングすべき繊維の溶融温度未満では、実際的な時間で十分に流れることがないため、辛うじて適するというレベルである。９４０ＡＸ＃４は実施例１〜４の繊維については適当ではなかった。これは２７５℃で流れを妨げる降伏応力および粘性を有するためである。＃２と＃４の流動特性は、溶融終了温度が溶融プールの流動を起こすために保持すべき温度より上である。この温度では未溶融の結晶領域が流れを遅らせる可能性がある。９４０ＡＸ＃３および＃５は、実施例１〜４の繊維については、溶融温度と粘度とが適切なバランスを持つとともに、降伏応力を有しないため適している。
【００５６】
実施例５では９４０ＡＸ＃４を使用してデュポン社のTeflon（登録商標）ＰＦＡでつくった中空繊維膜をポッティングするのに成功した。Teflon（登録商標） ＰＦＡはおよそ３１０℃のより高い融点を有している。このポッティングは、この試料の終端溶融温度より高い２９０℃で行われ、２７５℃での粘度よりも低い粘度を示した。
【００５７】
本発明の方法は、ポッティング材料が繊維間およびその上部を妨げられることなく流動するように繊維束を適切に製造すること、ポッティング材料中に一時的な凹部を形成すること、繊維束を前記凹部に適切に装入すること、および適切な融点と粘性の組み合わせを有するポッティング材料、これらを組み合わせることにより成り立つものである。これらのいずれの要素が欠けても、本発明の方法により、高度に一体化したポッティングされた繊維やポッティングされたフィルター要素の製造は期待できない。
【００５８】
本発明の方法によって製造されたフィルター要素は、高度な化学的抵抗性が必要であったり、ろ過しようとする材料が汚染される可能性が非常に低いことが要求される利用場面に適している。本発明のフィルター要素は、高度の結合性を有することになる。実際に、多孔性膜の孔にポッティング材料が侵入し、これにより、優れた接着性や繊維ポッティング材料の完全な結合が達成されることが観察された。
【００５９】
同定方法
視認可能泡点
ポッティングした繊維要素を泡点試験(bubble point test)用ホルダーに装着する。ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を入れたガラス容器にループを浸漬する。繊維ルーメン中の空気圧をゆっくりと増加させる。繊維の外表面に最初の泡が現れた圧力をもって視認可能泡点として記録する。
【００６０】
実施例１
直径５７ミリメートル（ｍｍ）、深さ２５ｍｍの大きさの容器を、融点２５６℃、メルトインデックス（５ｋｇ、３７３℃）３７３であるポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））４５ｇで部分的に満たした。この容器をおよそ２４時間２７５℃のオーブンに置き、ポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））の溶融プールを生ぜしめた。一方、３０本の中空繊維膜の繊維束を作成した。繊維は、外径８５０ミクロン、壁厚２２５ミクロンで長さ8センチメートルのものである。繊維は溶融温度がおよそ２８５℃であるポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））で作成された。繊維束は、一方の端部近くをTeflon(登録商標)製のパイプ・テープで結んだ。内径およそ6.4ミリメートルのポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（プロピルビニルエーテル））(ＰＦＡ)製中空シリンダー内に繊維を装入した。結束位置の下で繊維に細棒を通し、この細棒を中空シリンダーの縁に掛けることにより繊維を適所に保持した。繊維パッキング密度はおよそ６０％であった。ポッティング材料の溶融プールが形成された容器をオーブンから取り出し、直径12.75ｍｍのTeflon(登録商標)棒を用いてこのプールに深さおよそ１２ｍｍの一時的凹部を形成した。中空シリンダーをこの一時的凹部内に入れ、クランプで適所に支持した。容器と繊維束を収めた中空シリンダーを２７５℃のオーブンに戻し、オーブン内に２７５℃でおよそ２日間保持した。２日後に容器および繊維束を収めた中空シリンダーをオーブンから取り出し、繊維がカプセル封入(encapsulation)された中空シリンダーを溶融ポッティング材料から引き抜き冷却固化させた。繊維束のループ端部の上の位置でポットごと中空シリンダーを切断した。繊維の反対側の端部も、上記ポッティング方法と同様の方法により封止した。ポットが溶けるのを防ぐため、ポッティング材料の溶融プールを有する容器を２７５℃に維持したヒーターブロック内に保持し、封止しようとする端部のみが加熱されるようにした。中空シリンダーの反対側の端部は、溶融プール中に形成された一時的凹部内に置かれて適所にクランプで保持された。繊維端部に短い長さだけ溶融材料が侵入し得るようにおよそ２時間保った後、繊維束を収めた中空シリンダーを溶融ポッティング材料から引き抜き、冷却固化させた。余分なポッティング材料は取り除いた。
【００６１】
ポットの断面を光学顕微鏡で検査した。ポッティング材料が繊維間の空隙を完全に満たしていることが観察された。また、ポッティング材料は膜表面の孔内に入り込んでいたが、繊維とポッティング材料との間の界面は明瞭であった。束をイソプロピルアルコールに浸し、開いている繊維端部に空気圧を掛けた。フィルター要素は、１平方インチ当たり約４５ポンドの視認可能泡点を有しており、一体化した要素となっていることが示された。
【００６２】
実施例２
およそ２８５℃の融点を有する（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））中空繊維膜ループおよそ１７５本を束ね、実施例１で述べたのと同様の方法でポッティングを行った。繊維のパッキング密度はおよそ６０％であった。ポッティング材料の流れによってこのより大きな束が圧縮される可能性を減らすために、ワイヤーグリッドを使用し、繊維束をほぼ等しい４つのグループに分割した。実施例１と同様の方法により、ポッティングおよび反対側の繊維端部の封止を行った。イソプロピルアルコールの泡点試験の結果、フィルター要素が一体化していることが示された。
【００６３】
実施例３
１６本の（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））中空繊維膜ループを直径およそ6.4ｍｍのＰＦＡシリンダー内に装入し、実施例１に記載した方法を使用してポッティングを行った。ポッティング材料は、Teflon(登録商標)ＦＥＰ４１００グレード樹脂(デュポン)にガンマ線照射（7.5Mrads）を施したものである。この処理により、ＦＥＰポリマーの分子量が低減した。２８０℃で測定した粘度は、未照射ポリマーにおける約350,000ポアズと比較しておよそ18,000ポアズまで減少した（0.1毎秒剪断速度）。脱気したポッティング材料の形成およびその後のポッティングは２８０℃で行った。ポッティングした最終的な膜要素は約３５ポンド／平方インチ（2.46ｋｇ／ｃｍ２）の視認可能IPA泡点を有しており、一体的な要素となっていることを示した。
【００６４】
実施例４
およそ５００本の（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））中空繊維膜ループの束（長さ：およそ7.6センチメートル）を1インチ(2.54ｃｍ)のＰＦＡパイプ内に装入した。ポッティング材料(Ausimont Hyflon(登録商標)９４０ＡＸ樹脂)は２７５℃オーブン中の容器中で、溶融脱気するまで加熱した。容器をオーブンから取り出し、ポッティング材料の溶融プール中にTeflon(登録商標)棒で一時的凹部を形成し、一夜かけて容器と溶融材料を室温まで冷却した。繊維束を含むＰＦＡパイプを、ループ端を下にして凹部内に垂直に置いた。固化したポッティング材料と繊維束を収めたＰＦＡパイプとを含む容器を、オーブンに戻し、２７５℃でおよそ７２時間保持した。封じられた繊維を含むＰＦＡパイプを溶融ポッティング材料から引き抜き、冷却固化させた。繊維束のループ端の上の位置でポットごと直径方向に中空シリンダーを切断した。反対側の繊維端部は、実施例１に記載したのと同様のポッティング方法に用いて封止した。イソプロピルアルコールの泡点試験の結果は、要素が一体化されていることを示した。
【００６５】
実施例５
およそ４８本のテトラフルオロエチレン−ｃｏ−ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル））中空繊維膜ループの束（長さ：およそ7.6センチメートル）を外径１／２インチ(1.27ｃｍ)、内径３／８インチ(0.95ｃｍ)のＰＦＡパイプ内に装入した。中空繊維膜は、およそ３１０℃の融点を有するデュポン社製Teflon(登録商標)ＰＦＡで製作された。繊維は外径９００ミクロン、内径４００ミクロンである。２７５℃オーブン中の容器内で、ポッティング材料（Hyflon(登録商標)９４０ＡＸ樹脂(表１の試料４)）を溶融脱気するまで加熱した。容器をオーブンから取り出し、ポッティング材料の溶融プールにTeflon(登録商標)の棒で一時的凹部を作った。繊維束を収めたＰＦＡパイプを、ループ端を下にして凹部内に垂直に置いた。ポッティング材料と繊維束を収めたＰＦＡパイプを含む容器を、オーブンに戻し、２９０℃でおよそ７２時間保持した。封じられた繊維を含むＰＦＡパイプを溶融ポッティング材料から引き抜き、冷却固化させた。中空シリンダーは、繊維束のループ端の上の位置でポットごと直径方向に切断した。反対側の繊維端部は、実施例１に記載したのと同様のポッティング方法に用いて封止した。イソプロピルアルコールの泡点試験の結果は、要素が一体化されていることを示した。
【００６６】
フィルター要素の開発および製造に熟練した当業者は、本発明の利点を認識することができるであろう。本願における発明の説明は、可能なすべての組み合わせ、置換あるいは変更を網羅的に示す意図ではなく、当業者に教示をなす目的で代表的な方法を示したものである。実施例は発明を実施に移すために例示として示したものであり、本発明の範囲を限定するものと理解すべきではない。本発明者は、特許請求の範囲が作成された時点における最も広範囲の方法により本発明の広汎な内容をカバーすることを求めるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  結束手段を備えた中空繊維膜の束、および繊維束を貫く細棒を表わす模式図。
【図２】  中空シリンダー内に保持された繊維束の上面図。
【図３】  図２の１−１ラインに沿った断面図。
【図４】  ポッティング材料の溶融プールを含む容器の上面図。
【図５】  図４の２−２ラインに沿った断面図。
【図６】  ポッティング材料の溶融プール中に一時的凹部を有する容器の上面図。
【図７】  図６の３−３ラインに沿った断面図。
【図８】  図４のポッティング材料の溶融プールを備えた容器の断面図、および、内部に中空繊維膜束を保持した中空シリンダー（図２に示すもの）の２−２ラインに沿った断面図。
【図９】  ポッティング後の固化ポットを、典型的な切断面とともに表わす、内部に中空繊維膜束を保持した中空シリンダー（図２に示すもの）の２−２ラインに沿った断面図。
【符号の説明】
１１  繊維ループ
１３  結束手段
１５  細棒
１７  中空シリンダー
１９  容器
２１  ポッティング材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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