DE10148768A1

DE10148768A1 - Hohlfaser aus einem anorganischen, sinterbaren Material und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10148768A1
Application number: DE10148768A
Authority: DE
Inventors: Stefan Tudyka; Michael Micke; Arndt Urbahn; Karin Gerlach
Original assignee: Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2003-04-10
Also published as: WO2003031696A1

Abstract

Hohlfaser mit hohen Anforderungen an die Geradheit sowie die Rundheit und Verfahren zu deren wirtschaftlichen Herstellung. Eine Herstellung mittels einem Formkörper (13) mit Rillen (14), welcher in einem Fällbad (12) untergebracht ist, ermöglicht Toleranzabweichung der Hohlfaser hinsichtlich der Geradheit von weniger als 0,5 mm auf 350 mm und hinsichtlich der Rundheit von weniger als 3% vom mittleren Radius. Diese Hohlfasern eignen sich besonders zur Herstellung von Membranfiltern, da sie sich unproblematisch beschichten lassen und eine gleichmäßige Wandstärke aufweisen, so dass keine Fehlstellen in der Wandung der Hohlfaser zu einer Beeinträchtigung des Filterergebnisses führen. Die Hohlfasern werden mit Hilfe eines Düsenkopfes (17) ersponnen, der über einen Schlauch (16) an einen Vorratsbehälter (15) angeschlossen ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Hohlfaser, aus einem anorganischen, sinterbaren Material, nach der Gattung des Patenanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der genannten Hohlfaser nach dem Oberbegriff des Anspruches 4. Zuletzt betrifft die Erfindung einen in diesem Verfahren verwendeten Formkörper nach der Gattung des Patentanspruches 6.
Ein Verfahren, keramische Hohlfasern mittels Phaseninversion herzustellen, ist beispielsweise aus DE 199 10 012 C1 bekannt. Die in diesem Dokument offenbarten Hohlfasern werden mittels einer Ringdüse ersponnen und ausgehend von der Düse in ein Fällbad eingeleitet. Dort wird das Extrudat ausgefällt, wodurch der Hohlfaden, der in diesem Verfahrensstadium noch biegeschlaff ist, stabilisiert wird.
Die Hohlfaser kann z. B. aus einem Polymer bestehen, das aus der Gruppe der Polysacharide, Polysacharidderivate oder Polyvinylalkohole ausgewählt werden kann. Weiterhin ist ein beliebiger Zusatzstoff hinzugegeben, der insbesondere keramisch sein kann. Als Lösungsmittel für das Polymer wird Amin-N-Oxyd verwendet, mit dessen Hilfe gleichzeitig die Suspension mit dem Zusatzstoff hergestellt wird.
Gemäß dem aufgeführten Dokument lässt sich mit dem beschriebenen Verfahren eine Hohlfaser herstellen, deren Außendurchmesser ca. 1 mm beträgt und die extrem dünne Wandstärken aufweist. Allerdings ist die Herstellung der beschriebenen Fasern bisher nur im Labormaßstab gelungen. Hierbei hat eine kontinuierliche Herstellung der Hohlfaser stattgefunden, die entsprechend der Herstellungsgeschwindigkeit durch das Fällbad geführt und anschließend aufgewickelt wurde. Jedoch sind die Hohlfasern auch nach Durchlaufen des Fällbades noch außerordentlich instabil, so dass durch das Aufwickeln eine Verformung stattfinden kann. Hierdurch lässt sich keine gleich bleibende Qualität der Hohlfaser erreichen, welche jedoch insbesondere für Filtrationsaufgaben von hervorragender Bedeutung ist. Weiterhin bereitet die extreme Schrumpfung von bis zu 30% der Hohlfaser während des Trocknungsvorganges Probleme, insbesondere durch die unkoordinierte Formveränderungen. Hierbei ist eine Herstellung von Fasern mit gleichbleibend guter Qualität nahezu unmöglich. Die Hohlfasern kommen hierbei insbesondere für Aufgaben der sog. Mikro-, Ultra- und Nanofiltration, sowie der Gastrennung zum Einsatz, d. h. dass die Hohlfaserwand, welche Poren bestimmter Größe aufweist lediglich für Atome, Moleküle oder Partikel mit bestimmten Eigenschaften durchlässig ist. Hierbei können geringste Qualitätsabweichungen bereits zu einem Versagen der Hohlfaser hinsichtlich ihrer Filtrationsaufgabe führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Hohlfasern zu schaffen, welche die qualitativen Anforderungen insbesondere für Filtrationsaufgaben erfüllen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1, 4 sowie 6 gelöst.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Hohlfasern können z. B. zur Filtration von Fluiden, zur Bildung von Emulsionen, zur Stoff- bzw. Energieübertragung oder Kathalyse eingesetzt werden. Die Hohlfaser muss zur Erreichung der eingangs geforderten Eigenschaften eine genügend gleichmäßige Geometrie aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass hinsichtlich der Geradheit der Fasern eine Toleranzabweichung von 0,5 mm auf eine Länge von 350 mm ausreicht. Diese Toleranzabweichung wird ermittelt durch eine Abweichung von weniger als 0,5 mm von einer gedachten Geraden als Symmetrielinie durch die Hohlfaser.
Die Geradheit ist von außerordentlicher Bedeutung für die Qualität der Hohlfaser. Dies lässt sich damit begründen, dass bei einem ungleichmäßigen Verlauf der Hohlfaser sofort Schwankungen in der Wandstärke auftreten, welche zu Schwachstellen bzw. Fehlstellen in der Wandung der Hohlfaser führen können. Diese beeinträchtigen sowohl das Filtrationsergebnis negativ, als auch die mechanische Stabilität weswegen die Qualitätsanforderungen an das Filtrat nicht erfüllt werden können. Durch gerade Hohlfasern lassen sich die genannten Probleme jedoch vollständig vermeiden. Weiterhin kann die Packungsdichte durch gerade Hohlfasern bei vergleichbarem Faserquerschnitt in einem Gehäuse deutlich erhöht werden.
Ein weiteres Qualitätsmerkmal, welches zu einer gleichmäßigen Wandstärke, insbesondere einer konzentrischen Anordnung der Außenkontur zu der Innenkontur der Hohlfaser führt, ist die Rundheit der Faser. Durch eine Toleranzabweichung bezüglich der Rundheit von weniger als 3% bezogen auf den mittleren Radius der Außenkontur der Hohlfaser lassen sich die Hohlfasern ebenfalls mit gleich bleibenden Wandstärken herstellen, wodurch die genannten Anforderungen an Filtrationsaufgaben erfüllt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung lassen sich die beschriebenen Hohlfasern durch ihre gleich bleibende Qualität hervorragend beschichten. Hierbei kann auf geraden Hohlfasern z. B. bei einem Tauchbeschichtungsverfahren eine gleichmäßigere Schicht ohne Tropfen- oder Schlierenbildung aufgebracht werden. Durch die Beschichtung lassen sich weitere vorteilhafte Wirkungen erzielen, die das Filtrationsergebnis positiv beeinflussen können.
Sowohl für die Lösung mit den fein dispergierten Teilchen als auch für die Teilchen, die mit Hilfe der Beschichtung aufgebracht werden, können unterschiedliche Substanzen zur Anwendung kommen. Insbesondere lassen sich die genannten Vorteile der Erfindung jedoch bei keramischen Substanzen nutzen. Alternative Werkstoffe können z. B. Gläser, Oxyde oder auch Metalle sein. Im Unterschied z. B. zu reinen Polymerhohlfasern ergeben Hohlfasern aus einem anorganischen, sinterbaren Material nach der Trocknung bzw. Kühlung sehr spröde Strukturen, so dass die Wickeltechnik zur Lagerung und Weiterverarbeitung der Hohlfaser nicht geeignet ist.
Daher wird zur Herstellung der Hohlfasern mit den oben aufgeführten Qualitätsmerkmalen hinsichtlich ihrer Geometrie ein Verfahren vorgestellt, mit dessen Hilfe sich die Hohlfasern auch im großtechnischen Maßstab herstellen lassen.
Die Hohlfasern können durch unterschiedliche Verfahren hergestellt werden. Hierbei können Hohlfasern aus einer Polymerlösung mit fein dispergierten, anorganischen, sinterbaren Teilchenmittels Phaseninversion hergestellt werden. Die Polymerlösung besteht aus einem Lösungsmittel wie z. B. N-Methyl-Morpholin-N-Oxid oder N-Methyl-Pyrrolidon mit einer darin gelösten Trägersubstanz wie z. B. Zellulose und fein verteilten anorganischen, sinterbaren Teilchen wie z. B. Aluminiumoxid. Bei diesem Verfahren wird die Polymerlösung aus einer Düse, welche z. B. als Ringdüse oder Profildüse mit einem beliebigen Querschnitt ausgebildet ist, entsprechend ihrer Viskosität extrudiert oder gesponnen. Bei hochviskosen Polymerlösungen wird vorzugsweise extrudiert und bei Polymerlösungen mit einer niedrigen Viskosität kann gesponnen werden. Die aus der Düse ausgebrachte Hohlfaser ist zunächst ein biegeschlaffer Schlauch, welcher zur Stabilisierung in ein Fällbad geführt wird, wobei das Fällbad z. B. Wasser sein kann. Durch den Kontakt der ausgebrachten Polymerlösung mit dem Fällbad fällt die Trägersubstanz aus. Weiterhin übernimmt das Fällbad eine gewisse Stützfunktion, damit die Geometrie der Hohlfaser bestehen bleibt und kollabiert. Zur besseren Stabilisierung der Hohlfaser kann beim Austritt der Hohlfaser aus der Düse ein flüssiger Leitstrahl, welcher insbesondere aus dem gleichen Medium wie das Fällbad besteht, in das Innere der Hohlfaser eingespritzt werden. Dadurch ist die Hohlfaser, sowohl durch den, durch das Medium erzeugten Innendruck, als auch durch das Ausfällen der Trägersubstanz, von Innen stabilisiert. Die in das Fällbad eingebrachten Hohlfasern sind mechanisch sehr instabil und verformen sich bereits bei geringsten mechanischen Beanspruchungen. Daher ist darauf zu Achten, dass die Hohlfasern in diesem sogenannten Grünzustand nicht geknickt, gefaltet oder gestreckt werden. Die Hohlfaser kann anschließend auf einem Formkörper abgelegt werden.
Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung von Hohlfasern kann eine Lösung mit fein dispergierten, anorganischen Teilchen verwendet werden, wobei das Lösungsmittel nach dem Austritt der Hohlfaser aus der Düse verdampft wird. Die Lösung kann, wie oben bereits beschrieben, aus der Düse extrudiert oder gesponnen werden. Nach dem Austritt der Hohlfaser aus der Düse wird sie durch eine Heizzone geführt, wobei die Heizzone durch unterschiedlichste bekannte Bauteile wie z. B. eine Heizspirale gebildet werden kann. Die von der Heizzone erzeugte Temperatur reicht aus, die Hohlfaser derart zu erhitzen, dass das Lösungsmittel verdampft und die Hohlfaser dadurch verfestigt wird. Die verfestigte Hohlfaser kann auf einem Formkörper abgelegt werden.
Als weiteres Verfahren kann die Hohlfaser aus einer anorganischen Schmelze gebildet werden, welche aus einer Düse mit beliebigem Querschnitt ausgebracht wird. Ob die Schmelze extrudiert oder gesponnen wird, hängt von den Eigenschaften der Schmelze ab. Die aus der Düse ausgebrachte Hohlfaser wird durch eine Kühlzone geführt, wobei die Schmelze erstarrt. Die Kühlzone kann durch beliebige bekannte Kühlvorrichtungen gebildet werden, wobei auch unterschiedliche Kühlmedien wie z. B. Luft, Wasser oder Trockeneis verwendet werden können. Nach dem Erkalten kann die Hohlfaser auf einem Formkörper abgelegt werden.
Bei einem alternativen Verfahren zur Herstellung von Hohlfasern wird die Hohlfaser aus einer Lösung mit einem UV-reaktiven (ultraviolett-reaktiven) Polymer, welches anorganische, sinterbare Teilchen in chemisch gebundener Form enthält, gebildet. Die Lösung wird aus einer beliebigen Düse, insbesondere einer Ringdüse, entsprechend den Eigenschaften der Lösung extrudiert oder gesponnen. Die aus der Düse ausgebrachte Hohlfaser wird zur Stabilisierung durch eine UV-Zone geführt, in welcher sich das UV-reaktive Polymer durch den Einfluss von UV-Strahlung vernetzt und dadurch die Hohlfaser stabilisiert. Nach dem Stabilisieren kann die Hohlfaser auf einem Formkörper abgelegt werden.
Die genannten Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass zur Handhabung der Hohlfaser ein Formkörper zum Einsatz kommt, der eine Oberflächenstruktur aufweist, die sich zu einer in Formbringung der insbesondere in das Fällbad eingeleiteten Hohlfaser eignet. Zu diesem Zweck wird der Formkörper relativ zur Düse bewegt. Alternativ kann selbstverständlich auch die Düse bewegt werden, wobei der Formkörper ortsfest bleibt. Selbstverständlich ist auch eine Bewegung beider Bauteile denkbar. Aufgrund der Relativbewegung wird ein planmäßiges Ablegen der Hohlfaser möglich, so dass die gewünschte Geradheit der Hohlfaser durch eine entsprechende Verfahrensführung erzeugt werden kann. Im Prinzip ist jedoch auch jegliche anderweitige planmäßige Gestaltung der Hohlfaser denkbar. Zum Beispiel könnte diese spiralförmig auf dem Formkörper abgelegt werden, wodurch sich eine besonders große Länge der Hohlfaser auf beschränktem Raum verwirklichen ließe.
Weiterer wesentlicher Verfahrensschritt entsprechend des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Trocknung der Hohlfaser, welche ebenfalls auf dem Formkörper erfolgt. Hierdurch wird die makroskopische Gestalt der Hohlfaser weitgehend stabilisiert, wobei ein Einfallen der Hohlfaser auf Grund von Aufwickeln oder ähnlicher Handhabungsmaßnahmen vollständig vermieden wird. Die getrocknete Hohlfaser kann nun weiter verarbeitet werden und genügt in ihrer Gestalt höchsten Anforderungen an eine gleichmäßige Geometrie. Hiermit ist insbesondere eine gleichmäßige Dicke der Wandstärke und des Ausendurchmessers gemeint, die durch eine gleichmäßige Rundheit bzw. eine geringe Abweichung von der geometrisch geplanten Symmetrielinie, die gerade oder auch in Kurven verlaufen kann, erreicht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Formkörper temperaturbeständig bis ca. 1.600°C ausgeführt ist. Dies ermöglicht eine Weiterverarbeitung der Hohlfaser insbesondere durch eine Wärmebehandlung, wie diese z. B. während eines Sinterprozesses notwendig wird. Bei besagtem Sinterprozess, welcher z. B. zwischen 5 und 20 Stunden dauern kann und dabei Temperaturen von 1.300 bis 1.600°C erreicht werden können, kann die Trägersubstanz wie insbesondere die Zellulose des Hohlfaserkörpers vollständig entfernt werden, wobei die dispergierten Teilchen der Lösung zu einem porösen Verband zusammenbacken, der die für Filtrationsaufgaben notwendigen Poren aufweist.
Der erfindungsgemäße Formkörper kann insbesondere derart ausgeführt werden, dass die Oberflächenstruktur durch Rillen gebildet ist, welche die Hohlfaser aufnehmen. Diese Rillen sind von oben leicht zugänglich, so dass die durch die Düse gebildete Hohlfaser ohne weiteres durch eine Relativbewegung zwischen Formkörper und Düse lediglich in horizontaler Richtung abgelegt werden kann. Beim Trocknungsvorgang, wenn die Hohlfasern sich verziehen oder krümmen wollen, werden sie durch den Formkörper in ihrer Bewegung eingeschränkt. Die Trocknung der Hohlfasern erfolgt in der durch den Formkörper vorgegebenen Lage und Kontur. Dadurch kann die erforderliche Geradheit erzielt werden.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung sind die genannten Rillen geradlinig und parallel zueinander angeordnet. Dieser Formkörper eignet sich daher zur Herstellung von Hohlfasern mit gerader Ausrichtung, welche im Vergleich zu anderen Geometrien technisch die größte Bedeutung haben. Durch die genannte Ausbildung der Rillen sind weiterhin die Relativbewegungen zwischen Formkörper und Spinndüse einfach zu realisieren. Hierbei handelt es sich um geradlinige Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit, wobei die optimalen Werte durch Versuche einfach zu ermitteln sind. Zu den genannten Rillen, in welchen die Hohlfasern abgelegt werden, können auch Querrillen vorgesehen sein, entlang welchen überstehende Enden oder Schlaufen abgeschnitten werden können. Bei einem kontinuierlichen Herstellungsprozess können Schlaufen beim Übergang von einer Rille zu der parallel angeordneten Rille entstehen. Bei einem getakteten Prozess entstehen keine Schlaufen an den Hohlfaserenden. Die Enden der Hohlfasern können jedoch eingefallen sein, so dass dieser, möglicherweise defekte Bereich von der Hohlfaser abgetrennt werden muss. Durch das Abtrennen der Endbereiche erhält man gleichmäßige qualitativ hochwertige Hohlfasern.
Weiterhin kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Rillengrund der Rillen im Formkörper der Außenkontur der Hohlfaser angepasst werden. Hiermit ist insbesondere ein abgerundeter Rillengrund gemeint, der genau der gewünschten Außenkontur der Hohlfaser entspricht. Der Rillengrund kann jedoch auch eckig, für z. B. drei oder mehreckig ausgebildete Hohlfasern, ausgebildet sein. Durch diesen Rillengrund lässt sich eine optimale Abstützung der Hohlfaser nach der Erspinnung erreichen. Weiterhin wird durch die Unterstützung der Außenkontur in einem größeren Bereich eine Stabilisierung des runden Querschnitts erreicht, so dass eine optimale innere und äußere Geometrie, insbesondere eine große Innengeometrie der Hohlfaser erhalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Formkörper stapelbar ausgeführt. Nach Erspinnung der Fasern können diese also zu mehreren zur Trocknung gestapelt werden, wobei die Tiefe der Rille insbesondere so ausgestaltet werden kann, dass der jeweils benachbarte Formkörper ebenfalls zur Stützung der Hohlfaser beiträgt. Der benachbarte Formkörper verhindert somit, dass sich die Hohlfasern nach oben zu der offenen Seite der Rille hin krümmen können. Durch spezielle Ausgestaltungen der übereinander gestapelten Formkörper bilden die benachbarten Formkörper eine Kammer, wobei der untere Formkörper die untere Hälfte und der obere Formkörper die obere Hälfte der Kammer bildet. Zur optimalen Ausrichtung der beiden übereinander angeordneten Formkörper zueinander können bei besonderen Ausgestaltungen Führungen und Aufnahmen vorgesehen sein, welche ineinander greifen. Hierdurch ist das Ergebnis der Rundheit der Hohlfaser noch verbesserbar.
Um die Handhabung der Formkörper nach der Erspinnung der Fasern zu vereinfachen, können diese gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit Ablauflöchern versehen werden. Die Ablauflöcher können eine beliebige Geometrie aufweisen, hierbei sind kreis- oder schlitzförmige Ablauflöcher vorteilhafte Ausgestaltungen. Da die Formkörper im wesentlichen plattenförmig ausgeführt sind, kann durch die Ablauflöcher das Fällbad schneller zurück fließen, sobald der Formkörper aus dem Fällbad herausgehoben wird.
Mittels der beschriebenen Vorrichtungen und dem beschriebenen Verfahren lässt sich ohne weiteres eine großtechnische Umsetzung eines Fertigungsverfahrens für die eingangs genannten Hohlfasern erreichen. Dieses Verfahren kann in großtechnischer Hinsicht weiter optimiert werden, indem beliebig viele Spinndüsen parallel angeordnet werden. Diese können auf einem gemeinsamen Schlitten befestigt werden, der einmalig über die beschriebenen Formkörper hinüberfährt und dabei die Herstellung mehrerer Hohlfasern gleichzeitig ermöglichen. Auf diese Weise lassen sich die von der Vorrichtung zur Herstellung der Hohlfaser zurückzulegenden Wege minimieren, was zu kürzeren Durchlaufzeiten führt.
Weiterhin können Rationalisierungseffekte erreicht werden, wenn die Anlage zur Herstellung der Hohlfasermembran optimal auf die anfallenden Herstellungsmengen angepasst wird. Neben der Düsenanzahl lässt sich die Anlage auch hinsichtlich anderer Aspekte variieren. Zum Beispiel können unterschiedlich lange Hohlfasern hergestellt werden. Die Formkörper können in unterschiedlicher Größe konzipiert werden. Insbesondere lässt sich die Anzahl der nebeneinander liegenden Rillen variieren.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.

Zeichnung

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in der Zeichnung anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt
Fig. 1 schematisch die Herstellung der Hohlfasern mit einer Spinndüse in einem Fällbad,
Fig. 2 einen Stapel mehrerer Formkörper,
Fig. 3 die Trocknung eines Plattenstapels,
Fig. 4 zwei Plattenstapel in einem Sinterofen,
Fig. 5 einen Ausschnitt aus den Formkörpern mit eingelegten Hohlfasern,
Fig. 6 schematisch den Schnitt durch eine Ringdüse,
Fig. 7 schematisch den Schnitt durch ein Hohlfaserfilterelement,
Fig. 8 eine schematische Vorrichtung zu Herstellung von Hohlfasern,
Fig. 9 eine Variante zur Herstellung von Hohlfasern,
Fig. 10 eine weitere Variante zur Herstellung von Hohlfasern,
Fig. 11 eine weitere Variante zur Herstellung von Hohlfasern und
Fig. 12 eine weitere Variante zur Herstellung von Hohlfasern.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die schematisch, perspektivisch dargestellte Vorrichtung gemäß Fig. 1 weist einen Tisch 11 mit einem Behälter 12 für ein Fällbad auf. In diesem befindet sich ein Formkörper 13 mit geradlinigen Rillen 14, der durch das Fällbad vollständig umschlossen ist.
Aus einem unter Druck stehenden Vorratsbehälter 15 wird über einen beheizten Schlauch 16 die Suspension zu einem Düsenkopf 17 mit einer nicht näher dargestellten Ringdüse transportiert. Entsprechend der angedeuteten durchgezogenen Pfeile lässt sich der Düsenkopf 17 auf einer Traverse 18 horizontal bewegen. Die Traverse 18 wiederum lässt sich ebenfalls rechtwinklig zum Düsenkopf horizontal auf dem Tisch 11 bewegen.
Mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung lässt sich daher die Hohlfaser aus der Suspension verspinnen. Im Düsenkopf können dafür auch mehrere Ringspaltdüsen angeordnet sein, um ein paralleles Herstellen von Hohlfasern bei einem Arbeitsgang zu ermöglichen. Typische geometrische Kenndaten könnten beispielsweise 120 bis 150 Rillen im Formkörper mit je einer Breite von 1 mm sein, wobei selbstverständlich auch andere Zahlenverhältnisse realisiert werden können. Die Länge des Formkörpers kann 400 bis 600 mm betragen. Damit lässt sich eine Hohlfaseroberfläche pro Formkörper von 0,08 bis 0,14 m² erzeugen. Diese Fläche ist auf 40 bis 75 lfd. m Hohlfaserlänge pro Formkörper verteilt. Die Größe der Formkörper kann selbstverständlich auch größer oder kleiner gewählt werden. Nach dem Befüllen wird der Formkörper 13 aus dem Fällbad entfernt und gemäß Fig. 2 mit weiteren Formkörpern zu einem Stapel 19 zusammengefasst.
Der Stapel 19 gemäß Fig. 2 besteht aus fünf übereinander gestapelten Formkörper 13, welche zur besseren Wärmeverteilung durch Abstandshalter (nicht dargestellt) beabstandet sind. Die Abstandshalter erzeugen einen Spalt zwischen den Formkörpern 13, wodurch die heiße Luft zirkulieren und somit einen gleichmäßigeren Sinterprozess schaffen kann. Bei einer besonderen Variante sind die mit den Hohlfasern gefüllten Formkörper 13 mit einer Abdeckung (nicht dargestellt) abgedeckt, wobei die Abdeckung insbesondere aus dem gleichen Material besteht wie der Formkörper 13. Das Material der Abdeckung sollte über eine ähnliche Wärmeübertragung verfügen, wie der Formkörper, wodurch eine gleichmäßige Erwärmung des Hohlkörpers gewährleistet und unnötige Spannungen vermieden werden. Die Abdeckung verfügt über eine Rillenstruktur, welche die Abstützung der Hohlfaser unterstützt. Die Abstandshalter können auf der Abdeckung aufgelegt, oder fest mit der Abdeckung verbunden sein.
Gemäß Fig. 3 kann ein solcher Stapel 19 anschließend in einen Klimaschrank 20 verbracht werden, in dem die Trocknung erfolgt. Hier kann beispielsweise eine Temperaturbehandlung während einer Zeit von 3 Stunden bei 40 bis 50°C erfolgen, wobei die Luftfeuchtigkeit mit ca. 30% konstant gehalten wird. Während dieser Zeit ergibt sich eine Längenschrumpfung der Hohlfasern je nach verwendeten Materialien um ca. 30%.
Die getrockneten Fasern können in einem Ofen 21 einer Sinterbehandlung zugeführt erden. Hier findet die Keramisierung in einem Zeitraum von ca. 6 Stunden statt, wobei dabei Temperaturen von 1.300 bis 1.600°C erreicht werden.
Der Aufbau der Formkörper ist in Fig. 5 detailliert dargestellt. Die Rillen 14 weisen einen Rillengrund 22 auf, der einem Kreisabschnitt gleicht. Damit passt sich der Rillengrund optimal, wie dargestellt, an eine Außenkontur 23 der Hohlfaser 24 an. Werden die Formkörper aufeinander gestapelt, so werden die Rillen derart abgedeckt, dass durch eine Unterseite 25 des Formkörpers eine zusätzliche Stützung der Außenkontur 23 der Hohlfasern erfolgt. Um die Handhabung der Formkörper zu vereinfachen, sind vorzugsweise in regelmäßigen Abständen Ablauflöcher 26 vorgesehen. Beim Ausheben des Formkörpers aus dem Fällbad kann durch diese Ablauflöcher das Fällbad schnell von der Oberfläche des Formkörpers entfernt werden.
Zuletzt ist in Fig. 6 ein Düsenkopf 17 mit einer Ringdüse 27 dargestellt. Der Düsenkopf 17 besteht aus einem Grundkörper 28 und einem Deckel 29, wobei ein Dorn 30 zur Bildung der Ringsdüse 27 in den Düsenkopf 17 eingebracht ist. In dem Düsenkopf 17 ist eine Zuführung 31 für die zu verspinnende Dispersion vorgesehen. Über diese Zuführung 31 wird die Dispersion in Pfeilrichtung einem Ringraum 33 zugeführt. Der Dorn 30 verfügt in seinem Inneren über einen Kanal 32, durch welchen Wasser hindurchströmen kann. Selbstverständlich können auch andere Fluide durch den Dorn 30 geleitet werden. Das Wasser wird bei der Herstellung von Hohlfasern in das Innere der Hohlfaser eingespritzt, wodurch diese von Innen Stabilisiert werden. Bei der Anordnung des Dornes 30 ist jedoch darauf zu Achten, dass das durch den Dorn 30 zugeführte Wasser erst außerhalb des Düsenkopfes 17 mit der versponnenen Dispersion in Kontakt kommt. Daher muss der Dorn 30 zumindest bündig mit dem Düsenkopf 17 enden. Bei anderen Ausführungen, welche nicht dargestellt sind, ragt der Dorn 30 aus dem Düsenkopf 17 heraus, wodurch die versponnene Dispersion erst nach dem Düsenkopf 17 mit dem Wasser in Kontakt kommt. Dadurch wird ein Verstopfen der Ringdüse 27 zuverlässig verhindert. Der beschriebene Düsenkopf 17 lässt sich beispielsweise in einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 verwenden.
Mit der dargestellten Vorrichtung und dem dargestellten Verfahren lassen sich gerade Fasern herstellen, die höchsten Anforderungen an ihre geometrische Gleichmäßigkeit hinsichtlich Rundheit und Geradheit erfüllen. Hierdurch lässt sich eine konstante Wandstärke erreichen, welche für Filtrationsaufgaben eine notwendige Voraussetzung ist. Weiterhin können mit der Vorrichtung und diesem Verfahren auch hohe Geschwindigkeiten bis zu ca. 1,5 m/s erreicht werden.
Die geraden Hohlfasern 24 können, wie in Fig. 7 dargestellt, in Filtermodulen 34 zusammengefasst werden, wobei deren Enden in Filterköpfen 35 gehalten sein können. Durch diese Anordnung kann eine Abdichtung zwischen einem Reinraum 36 und Rohraum 37 gelingt. Die Fasern können z. B. mit einem hochtemperaturbeständigen Kleber 38 in diese Filterköpfe 35 beispielsweise eingegossen werden.
Zur Reinigung eines Fluides strömt dieses in Pfeilrichtung A in den Rohraum 37 des Filtermoduls 34 ein. Von dort wird es durch die Hohlfasern 24 geleitet. Die Hohlfasern 24 sind für bestimmte in dem Fluid enthaltene Bestandteile wie z. B. Sauerstoff, durchlässig, wodurch die übrigen Bestandteile des Fluides nicht durch die Hohlfaser 24 hindurchströmen können. Um ein Hindurchtreten des Filtrats zu ermöglichen, ist ein Auslass 39 vorgesehen, an welchem geringere Drücke herrschen, als in dem Rohraum 37. Dadurch tritt das Filtrat in Pfeilrichtung B aus dem Filtermodul 34 aus. Das Fluid strömt weiter durch die Hohlfasern 24 hindurch und tritt in Pfeilrichtung C aus dem Filtermodul 34 aus, wobei dem austretenden Fluid gewisse Bestandteile entzogen wurden. Da das Fluid kontinuierlich durch die Hohlfasern 24 strömt, werden diese ständig abgereinigt und können sich nicht so schnell zusetzen.
Die Geradheit der Fasern bewirkt auch bei der Herstellung dieser Filtermodule enorme Vorteile. Diese können dadurch dichter gepackt werden, wodurch sich ein optimales Verhältnis zwischen Filterfläche und Volumen einstellen lässt. Berührung zwischen den einzelnen Hohlfasern lassen sich vollständig vermeiden, wodurch die Filterfläche nicht durch Kontaktflächen zu benachbarten Hohlfasern verringert wird.
Zuletzt lassen sich gerade Fasern auch besser weiter verarbeiten. Hierbei ist insbesondere an eine Beschichtung gedacht. Durch die Geradheit und die konstant runde Querschnittsform kann eine Beschichtung in einer gleichmäßigen Schichtdicke auf die Faser aufgebracht werden, so dass auch der Effekt, der durch die Beschichtung erzielt werden soll, ein konstantes Ergebnis liefert. Normalerweise werden die Beschichtungen zur Verringerung der Porengröße der Hohlfaser bzw. zur Erzeugung physikalischer oder chemischer Effekte auf der Oberfläche der Filterporen der Hohlfaser aufgebracht.
In Fig. 8 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Hohlfasern dargestellt. Der Fig. 1 entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Vorrichtung verfügt über einen Behälter 12 für ein Fällbad 40. Durch den Behälter 12 wird ein endloses Transportband 41 geführt, welches von einer Antriebsrolle 42 angetrieben wird. Damit das Transportband 41 über eine ausreichende Führung in dem Fällbad 40 verfügt, ist eine Umlenkrolle 43 vorgesehen. Anstelle des Transportbandes 41 kann selbstverständlich auch jedes andere Transportmittel verwendet werden. Hierbei können z. B. Schienensysteme oder Palettentransportsysteme verwendet werden. Auf das, durch das Fällbad 40 geführte Transportband 41 werden die Formkörper 13 einzeln aufgelegt, wobei die Rillen 14 gemäß Fig. 5 parallel zur Transportrichtung des Formkörpers ausgerichtet sind. Der Formkörper 13 wird durch das Transportband 41 zu dem Düsenkopf 17 befördert, wo die Hohlfaser erzeugt und auf dem Formkörper 13 abgelegt wird. Die Formkörper 13 sind zueinander beabstandet auf das Transportband 41 aufgebracht, weshalb der eigentliche Prozess zur Erzeugung der Hohlfasern gestoppt wird, wenn der Formkörper gefüllt ist. Nach dem Ablegen der Hohlfaser auf dem Formkörper 13 wird die Hohlfaser von einer Schneideinheit 44 abgeschnitten. Diese Schneideinheit kann z. B. als Fallmesser oder Rotationsmesser ausgebildet sein. Andere Schneideinheiten wie z. B. Wasserstrahl oder Laser können selbstverständlich auch verwendet werden. Auf den Formkörper 13 wird nach dem Aufbringen der Hohlfaser eine Abdeckung 45 aufgelegt, welche die Hohlfaser von oben stabilisiert. Dieser Verband aus Formkörper 13 und Abdeckung 45 mit der stabilisierten Hohlfaser wird durch das Transportband 41 aus dem Fällbad 40 herausbefördert und durch eine Trocknungszone 46 geführt. In der Trocknungszone 46 wird die Hohlfaser einer Temperatur ausgesetzt, welche das Lösungsmittel verdampft. Die Temperatur und Verweilzeit der Hohlfaser in der Trocknungszone 46 ist derart gewählt, dass die flüssigen Bestandteile der Hohlfaser verdunstet sind. Dieser Vorgang kann z. B. zwischen wenigen Minuten und mehreren Stunden Dauern. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Formkörper 13 mit der Hohlfaser und der Abdeckung 45 kontinuierlich durch die Trocknungszone 46 hindurchgefördert. Nach der Trocknungszone 46 werden die Formkörper 13 mit den Abdeckungen 45 und den Hohlfasern in einer Stapelvorrichtung 47 gestapelt. Die in der Stapelvorrichtung 47 gestapelten Formkörper 13 werden mitsamt der Stapelvorrichtung 47 in einen Sinterofen 48 befördert. Das Transportband 41, welches den Formkörper 13 transportiert hat endet vor dem Sinterofen 48. In dem Sinterofen 48 werden die Hohlfasern der Wärmebehandlung unterzogen, welche letztendlich die Eigenschaft der Hohlfasern definieren.
In Fig. 9 ist eine Variante der Vorrichtung zur Herstellung von Hohlfasern dargestellt. Der Fig. 8 entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die in Fig. 9 dargestellte Vorrichtung unterscheiden sich dadurch von der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung, dass die Formkörper 13 nach dem Entfernen aus dem Fällbad 40 zuerst in der Stapelvorrichtung 47 gestapelt werden und anschließend mit der Stapelvorrichtung 46 in die Trocknungszone 46 eingebracht werden. Von der Trocknungszone 46 wird dann die Stapelvorrichtung 47 in den Sinterofen 48 gebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel endet das Transportband 41 vor der Trocknungszone 46.
In Fig. 10 ist eine weitere Variante einer Vorrichtung zur Herstellung von Hohlfasern dargestellt. Der Fig. 9 entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zwischen der in Fig. 10 dargestellten Vorrichtung und der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung besteht darin, dass die Trocknungszone 46 in den Sinterofen 48 integriert ist. Hierbei werden in dem Sinterofen 48 zunächst die Bedingungen für die Trocknungszone 46 eingestellt und nach erfolgter Trocknung der Hohlfasern auf die Sinterbedingungen umgestellt. Dadurch müssen keine unterschiedlichen Bereiche temperiert werden. Außerdem entfällt der Arbeitsgang der Beförderung der Stapelvorrichtung 47 in den Sinterofen 48.
Die in Fig. 11 dargestellte Vorrichtung zur Herstellung von Hohlfasern ist eine weitere Variante, wobei die Bauteile, welche der Fig. 10 entsprechen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Bei dieser in Fig. 11 dargestellten Variante erstreckt sich das Transportband 41 über die gesamte Vorrichtung und endet erst in dem Sinterofen 48. Der Sinterofen 48 ist derart aufgebaut, dass zwei Kammern 49 gebildet sind. In der ersten Kammer 49 ist die Trocknungszone 46 enthalten und in der zweiten Kammer 49 werden die Sinterbedingungen geschaffen. Die gestapelten Formkörper 13 werden als Stapel von dem Transportband 41 durch die Kammern 49 des Sinterofens 48 hindurchbefördert. Als weiterer Unterschied zu den vorangehenden Vorrichtungen der Fig. 8 bis 10 werden die Formkörper 13 beim Auflegen auf das Transportband 41 direkt aneinander angelegt, so dass der Spinnprozess der Hohlfaser als kontinuierlicher Prozess ausgestaltet ist. Die Hohlfasern werden abgeschnitten, bevor die Abdeckung 45 aufgelegt wird.
In Fig. 12 ist eine weitere Variante zur Herstellung von Hohlfasern dargestellt. Der Fig. 8 entsprechende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Formkörper 13 unter den Düsenkopf 17 befördert und arretiert. Der Düsenkopf 17 legt die Hohlfasern auf dem Formkörper 13 ab, wobei der Düsenkopf 17 relativ zu dem Formkörper 13 bewegt wird. Nach dem Abschneiden der Hohlfasern wird die Abdeckung 45 auf den Formkörper 13 aufgebracht. Erst nachdem die Abdeckung 45 auf dem Formkörper 13 fixiert ist, wird dieser weiterbefördert. Die weitere Behandlung der Hohlfasern kann entsprechend den vorsehend beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgen. Weitere Kombinationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind selbstverständlich auch denkbar.

Claims

1. Hohlfaser (24) bestehend aus einem anorganischen, sinterbaren Material mit einem Außendurchmesser kleiner 5 mm und einer Wandstärke kleiner 0,5 mm, dadurch gekennzeichnet, dass diese Faser über eine Länge von 350 mm eine Toleranzabweichung hinsichtlich der Geradheit von weniger als 0,5 mm bezogen auf die als Gerade ausgeführte Symmetrielinie aufweist.

2. Hohlfaser (24) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Faser eine Toleranzabweichung bezüglich der Rundheit von weniger als 3% von dem mittleren Radius der Außenkontur (23) der Hohlfaser aufweist.

3. Hohlfaser (24) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese Faser beschichtet ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Hohlfaser (24) aus einer Polymerlösung mit fein dispergierten anorganischen, sinterbaren Teilchen mittels Phaseninversion, wobei die Lösung aus einer Düse (27) extrudiert oder gesponnen und zur Stabilisierung in ein Fällbad (12) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (13) zum Einsatz kommt,
welcher auf Grund seiner Oberflächenstruktur eine Abstützung der in das Fällbad eingeleiteten Hohlfaser (24) bewirkt, wobei zwischen Formkörper (13) und Düse (27) eine Relativbewegung stattfindet, die ein planmäßiges Ablegen der Hohlfaser im Formkörper bewirkt,
in welchem die Hohlfaser getrocknet wird, wodurch ihre makroskopische Gestalt erhalten wird.

5. Verfahren zur Herstellung einer Hohlfaser (24) aus einer Lösung mit fein dispergierten anorganischen, sinterbaren Teilchen mittels Verdampfen eines Lösungsmittels, wobei die Lösung aus einer Düse (27) extrudiert oder gesponnen und zur Stabilisierung durch eine Heizzone geführt wird, wobei das Lösungsmittel verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (13) zum Einsatz kommt,
welcher auf Grund seiner Oberflächenstruktur eine Abstützung der durch die Heizzone geführten Hohlfaser (24) bewirkt, wobei zwischen Formkörper (13) und Düse (27) eine Relativbewegung stattfindet, die ein planmäßiges Ablegen der Hohlfaser im Formkörper bewirkt,
in welchem die Hohlfaser getrocknet wird, wodurch ihre makroskopische Gestalt erhalten wird.

6. Verfahren zur Herstellung einer Hohlfaser (24) aus einer anorganischen Schmelze, wobei die Schmelze aus einer Düse (27) extrudiert oder gesponnen und zur Stabilisierung durch eine Kühlzone geführt wird, wobei die Schmelze erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (13) zum Einsatz kommt,
welcher auf Grund seiner Oberflächenstruktur eine Abstützung der durch die Kühlzone geleiteten Hohlfaser (24) bewirkt, wobei zwischen Formkörper (13) und Düse (27) eine Relativbewegung stattfindet, die ein planmäßiges Ablegen der Hohlfaser im Formkörper bewirkt,
in welchem die Hohlfaser getrocknet wird, wodurch ihre makroskopische Gestalt erhalten wird.

7. Verfahren zur Herstellung einer Hohlfaser (24) aus einer Lösung mit einem UVreaktiven Polymer, wobei das UV-reaktive Polymer anorganische, sinterbare Teilchen in chemisch gebundener Form enthält, wobei die Lösung aus einer Düse (27) extrudiert oder gesponnen und zur Stabilisierung durch eine UV-Zone geführt wird, wobei da enthaltene Polymer vernetzt und die Hohlfaser (24) dadurch stabilisiert wird dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (13) zum Einsatz kommt,
welcher auf Grund seiner Oberflächenstruktur eine Abstützung der durch die UV- Zone geleiteten Hohlfaser (24) bewirkt, wobei zwischen Formkörper (13) und Düse (27) eine Relativbewegung stattfindet, die ein planmäßiges Ablegen der Hohlfaser im Formkörper bewirkt,
in welchem die Hohlfaser getrocknet wird, wodurch ihre makroskopische Gestalt erhalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper temperaturbeständig ausgeführt ist, in der Weise, dass die Hohlfaser im Formkörper einer Wärmebehandlung, insbesondere einem Sinterprozess, ausgesetzt werden kann.

9. Formkörper zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Oberflächenstruktur durch Rillen (14) gebildet ist, welche die Hohlfaser (24) aufnehmen.

10. Formkörper nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen geradlinig parallel zueinander angeordnet sind.

11. Formkörper nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rillengrund (22) der Rillen einer Außenkontur (23) der Hohlfaser angepasst ist.

12. Formkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit gleichartigen Formkörpern stapelbar ausgeführt ist.

13. Formkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Formkörper Ablauflöcher (26) für das Fällbad vorgesehen sind.