用于卷对卷膜制造的装置和方法与流程

本公开涉及连续卷对卷工艺和系统。
背景技术：
：以下段落不是承认其中所讨论的任何内容都是现有技术或本领域技术人员的知识的一部分。诸如离子交换膜或亲水膜的膜的生产在使用分批工艺时可能导致性能的变化。例如，通过分批酸浸工艺将聚丙烯腈聚合物膜功能化为亲水的。所得的亲水膜可以用于将油与水分离。然而，使用分批浸泡工艺用酸处理聚丙烯酰胺聚合物膜会导致批次之间非期望的性能变化。与使用分批工艺生产的膜相比生产具有更少(fewer)性能变化的膜是期望的。技术实现要素：以下介绍旨在向读者介绍本说明书，但不限制或限定任何要求保护的发明。一个或多个发明可以以在下面或在本文件的其它部分中描述的装置元件或方法步骤的组合或子组合存在。本发明人并不放弃或否认其在本说明书中公开的任何一个或多个发明的权利，只是不通过在权利要求中描述这样的一个或多个其它发明。由于使用分批工艺可能导致批次之间非期望的性能变化，因此期望用连续卷对卷工艺替换这样的分批工艺。为了提供期望的反应时间，在给定的反应溶液中需要延长反应时间的连续卷对卷工艺可以使用在较小反应区域中的较慢的线性行进速率(英尺/分钟)，或在较大反应区域中的较快的线性行进速率。然而，减小的线性行进速率也可能影响卷对卷工艺中的其它步骤的反应时间。较大反应区域可能需要较大的物理占地面积(footprints)。一般而言，本公开提供了一种用于在多种处理溶液中对膜基材进行连续卷对卷加工的方法和系统，其中通过在两个卷之间多次卷绕膜基材积累至少一种处理溶液中的总反应时间。在两个卷之间多次卷绕膜基材允许用处理溶液多次处理膜基材。例如，在正方向上并且然后在反方向上加工膜基材导致总反应时间是单程反应时间的两倍长。在另一示例中，在正方向上加工膜基材，将膜卷回到第一卷，并且再次在正方向上加工膜基材，导致总反应时间是单程反应时间的两倍长。膜基材可以积累反应时间，而不会以影响该工艺中的其它步骤的线性速度行进，并且不需要增加反应区域尺寸。该方法和系统可以优选地用于处理多孔膜或多孔膜层压件，如离子交换膜。根据本公开的装置具有第一卷和第二卷。第一卷和第二卷两者均可卷绕和可解绕。以该方式，膜基材可以从第一卷解卷到第二卷上，或者从第二卷解卷到第一卷上。为了方便，在本公开中，将膜基材从第一卷解卷到第二卷上并用至少一种处理溶液处理它被称为“正向加工”或“在正方向上加工”，并且将膜基材从第二卷解卷到第一卷上并用至少一种处理溶液处理它被称为“反向加工”或“在反方向上加工”。在特定示例中，当膜基材在两个卷之间转移时用多种处理溶液中的至少一种处理膜基材。一旦膜基材已从一个卷卷绕到另一卷上，可以反转膜基材的加工方向，并且然后将膜基材再卷到原卷上，同时用多种处理溶液中的至少一种进行处理。替代地，一旦膜基材已从一个卷卷绕到另一卷上，经处理的膜基材可以在不进行处理的情况下再卷到原卷上。膜基材能够在正方向上被加工，仅用多种处理溶液的子集进行处理。膜基材也能够在反方向上被加工，仅用多种处理溶液的不同子集进行处理。膜基材也能够在两个方向上用多种处理溶液的又一不同子集进行加工。以该方式，膜基材在正方向上被加工时与其在反方向上被加工时相比，可以用不同的处理溶液或处理溶液的不同顺序处理膜基材。应当理解处理溶液的子集可以包括来自其它子集的处理溶液。例如，一个子集可以由处理溶液a、b、c和d组成，而不同子集可以由处理溶液c、d、e和f组成，而又一不同子集可以由处理溶液b组成。在这样的示例中，这些全部是多种处理溶液a、b、c、d、e和f的不同子集。在根据本公开的示例性方法中，当正向加工膜基材时，该方法包括用处理溶液的第一子集处理膜基材，并且不用处理溶液的第二子集处理膜基材。当反向加工膜基材时，该方法包括用处理溶液的第二子集处理膜基材，并且不用处理溶液的第一子集处理膜基材。示例性方法也包括当正向加工和反向加工时用处理溶液的第三子集处理膜基材。处理溶液的序列优选地经考虑在正方向上时和经考虑在反方向上时是相同的，从而每次加工膜基材时允许膜基材在至少一种处理溶液中积累反应时间。在根据本公开的另一示例性方法中，首先通过用处理溶液的第一子集和处理溶液的第二子集进行正向加工来处理膜基材。通过用处理溶液的第二子集进行重复反向加工和/或正向加工来处理膜基材足够的时间以导致(resultin)处理溶液的第二子集的期望总反应时间。然后可以通过用处理溶液的至少第三子集进行正向或反向加工来处理膜基材。在根据本公开的装置的另一示例中，该装置包括第一卷和第二卷，其中膜基材在第一卷和第二卷两者上可卷绕和可解绕。当膜基材在正方向上、在反方向上或在正和反两个方向上被加工时，膜基材用至少一种处理溶液可处理。在根据本公开的方法的另一示例中，该方法包括：在将膜基材从第一卷解绕到第二卷时通过用处理溶液处理膜基材在正方向上加工膜基材；将经处理的膜基材从第二卷回卷到第一卷；以及在将经处理的膜基材从第一卷解绕到第二卷时通过用处理溶液处理经处理的膜基材在正方向上加工经处理的膜基材。附图说明现在将参考附图仅通过示例的方式描述本公开的实施例。图1示出了根据本公开的装置的示例的一个配置。图2示出了图1中所示的装置的另一配置。图3示出了根据本公开的装置的另一示例的一个配置。图4示出了图3中所示的装置的另一配置。具体实施方式图1示出了卷对卷加工装置10。装置10是浸没处理装置的示例。装置10包括第一卷12和第二卷14。膜基材16从第一卷卷绕到第二卷，围绕可浸没在处理溶液20a-f中的辊18a-f通过。辊18a-f在处理布置和非处理布置之间可移动，但是可以理解每个辊可以独立地可移动，并且图1和2中所示的配置不是装置10的唯一可能的配置。在一个示例中，如图1中所示，辊18a、18c和18d以处理布置定位以将膜基材16暴露于处理溶液20a、20c和20d。辊18b、18e和18f以非处理布置定位，其允许膜基材被加工而不用处理溶液20b、20e和20f处理。一旦已使用图1中所示的配置在正方向上处理膜基材，由此将膜基材暴露于处理溶液20a、20c和20d，通过将膜基材从第二卷14解绕到第一卷12上在反方向上处理膜基材，如图2中所示。以该方式，膜基材依次暴露于处理溶液20e、20c和20b。在图2中所示的配置中，辊18f保持在非处理布置中。在一些示例中，处理溶液20a和20e具有相同的化学组成，并且处理溶液20b和20d具有相同的化学组成。在这样的情况下，在图1和2中用处理溶液的相同序列处理膜基材16。例如，当处理溶液20a和20e是乙醇溶液时，当处理溶液20b和20d是碱性溶液时，并且当处理溶液20c是酸性溶液时，在图1的正向加工方向和图2的反向加工方向两者上，按照以下顺序处理膜基材：乙醇，酸，然后是碱。用处理溶液20c处理膜基材16持续总时间，该总时间通过膜基材接触处理溶液20c的距离除以膜基材的线性速度(英尺每分钟)乘以膜基材在正或反方向上被加工的次数被计算。在一个具体示例中，使用表1中所示的方案处理膜基材16，其中溶液20a和20e具有相同的化学组成，并且其中溶液20b和20d具有相同的化学组成：表1加工方向18a位置18b位置18c位置18d位置18e位置18f位置正向处理未处理处理处理未处理未处理反向未处理处理处理未处理处理未处理正向处理未处理处理处理未处理未处理反向未处理处理处理未处理处理未处理正向处理未处理处理处理未处理处理使用表1中的方案，将膜基材16用处理溶液20c处理五次。以2英尺每分钟的线性速度和120英尺的反应距离，将膜基材16处理总共120/2*5＝300分钟或5小时。为了仅使用单程卷对卷工艺获得相同的300分钟反应时间，如果距离保持在120英尺，则必须以0.4英尺每分钟的线性速度处理膜基材，或者如果线性速度保持在2英尺每分钟，则必须将距离增加到600英尺。装置10可以具有附加的辊和处理溶液。例如，该装置可以包括在辊/处理溶液18e/20e和辊/处理溶液18f/20f之间的辊和处理溶液。该附加处理溶液可以是使多孔膜达到期望ph的缓冲溶液。在示例性工艺中，将具有0.01微米的孔隙和约20,000至50,000道尔顿(daltons)的截留分子量的聚丙烯腈膜用酸处理以生成亲水膜。使用表1中所示的方案处理聚丙烯腈膜，其中：处理溶液20a是溶剂交换溶液，处理溶液20b是碱性溶液，处理溶液20c是酸性溶液，处理溶液20d是碱性溶液，处理溶液20e是溶剂交换溶液，并且处理溶液20f是保湿剂溶液。溶剂交换溶液(如乙醇溶液)通过将水换成乙醇从膜去除水分。保湿剂溶液(例如约20％甘油在水中的溶液)使多孔膜能够被干燥，同时保持膜形态的稳定性。以2英尺每分钟的线性速度，在提供120英尺的反应距离和五个加工方向的反应罐中，聚丙烯腈膜用酸处理总共5小时，在每次酸处理后用碱溶液漂洗，并且在最后酸处理后在保湿剂溶液中漂洗。可以将酸浴加热至例如达到41℃的温度。加热酸浴增加反应速率，并且允许减少总反应时间，例如通过增加膜的线性速度，减小反应距离，或减少加工膜的次数。将温度从21℃升高到31℃使反应速率加倍，并且允许线性速度从2英尺每分钟增加到4英尺每分钟，由此使每单位时间产生的亲水膜的量加倍。将温度从31℃升高至41℃再次使反应速度加倍，并且允许线性速度增加到8英尺每分钟，再次使每单位时间产生的亲水膜的量加倍。任何加工步骤的线性速度可以独立地与其它加工步骤的线性速度不同。改变加工步骤的线性速度改变了在该加工步骤中使用的处理溶液的反应时间。例如，方法可以包括以第一线性速度用处理溶液的第一子集处理膜基材的第一处理步骤。然后可以在以第二线性速度用处理溶液的第二子集处理膜基材的第二处理步骤中处理膜基材。如果期望增加在处理溶液的第二子集中的膜基材的反应时间，则与第一线性速度相比可以减小第二线性速度。装置10可以以与图1和2中所示的那些不同的替代配置被使用。例如，在示例性方法中辊18a和18c首先以处理布置被定位以将膜基材16暴露于处理溶液20a和20c。一旦膜16已在正方向上被处理，改变辊配置以将膜基材16暴露于处理溶液20c。在一个或多个正和/或反方向上的处理之后，为了将膜16暴露于用于处理溶液20c的期望总反应时间，改变辊配置以将膜基材16暴露于一种或多种其它处理溶液。在表2中示出了这样的方法的示例性方案。在该方案中，膜16暴露于处理溶液20c五次，并且在最后暴露于处理溶液20c之后暴露于处理溶液20d和20f。在这样的示例性方案中，可以省略处理溶液20b和20e。使用这样的方案，如果处理溶液20a是乙醇溶液，则处理溶液20c是酸性溶液，处理溶液20d是碱性溶液，处理溶液20f是乙二醇(glycol)溶液，首先用乙醇处理膜以从膜去除水分，然后用酸处理五次。然后用碱性溶液处理酸性膜以使其中和，并且然后用乙二醇溶液处理。方案可以包括在碱性溶液和乙二醇溶液之间用缓冲溶液处理膜。表2加工方向18a位置18c位置18d位置18f位置正向处理处理未处理未处理反向未处理处理未处理未处理正向未处理处理未处理未处理反向未处理处理未处理未处理正向未处理处理处理处理如果方案导致方法结束于膜在反向加工方向上行进，则装置可以包括辊18b而不是辊18d，并且辊18f可以定位在辊18b之后。以这样的方式，膜16可以在最后反向加工步骤中依次暴露于处理溶液20c、20b和20f。图3和4示出了用于处理膜基材的替代装置110的两个配置。装置110的部件与上面关于装置10所讨论的部件相同，并且因此具有相似的附图标记并且不详细讨论。相比于装置10，装置110包括可移动的处理浴120a-f，但是固定的辊118a-f。图3示出了处理布置中的处理浴120a、120c和120d，以及非处理布置中的处理浴120b、120e和120f。图4示出了处理布置中的处理浴120b、120c和120e，以及非处理布置中的处理浴120a、120d和120f。装置110能够根据表1和2中所示的方案处理膜基材。如上所述，处理序列在正方向上考虑时和在反方向上考虑时可以是相同的。例如，膜基材可以在正向加工方向上按照a、b、c和然后d的顺序用溶液处理，并且在反向加工方向上按照a、b、c和然后d的相同顺序用溶液处理。由于膜基材正在第一卷和第二卷之间转移，因此溶液可以按照以下顺序物理地设置：[第一卷]-a'，b'，c'，d'，d”，c”，b”，a”-[第二卷]，其中“底物(prime)”指示在正向加工方向上使用的处理溶液的子集，“双底物(doubleprime)”指示在反向加工方向中使用的处理溶液的子集。在正向和反向加工方向两者上共用没有底物或双底物的处理溶液。在正向和反向加工两者中共用处理溶液是有益的，从而避免处理溶液的重复。鉴于上述，应当理解用于处理膜基材的处理溶液的化学组成可以相同，而不管加工方向如何。也就是说，正方向上的加工可以包括用相同溶液或者用在反方向上加工时使用的相同化学组成的独立溶液处理膜。例如，处理溶液a'和a”具有相同的化学组成。可以使用其它顺序用处理溶液a，b，c然后d在正向和反向加工方向两者上处理膜基材。例如：[第一卷]-a'，d”，b'，c，b”，d'，a”-[第二卷]；[第一卷]-a'，d”，c”，b，c'，d'，a”-[第二卷]；[第一卷]-d”，c”，b”，a，b'，c'，d'-[第二卷]；或[第一卷]-d”，c”，a'，b，c'，d'，a”-[第二卷]都导致膜基材按照顺序a、b、c然后d在正和反两个方向上用处理溶液处理。根据本公开的装置可以使用本领域中已知的用处理溶液处理膜基材的任何方法、技术或部件。可以使用各种方法、技术或组件以加工膜基材而不用一种或多种处理溶液进行处理。取决于正用于处理膜基材的卷对卷工艺，通过将膜基材与一种或多种处理溶液分离，或者通过不将一种或多种处理溶液施加到膜基材，可以实现加工膜基材而不用一种或多种处理溶液进行处理。通过将膜基材从处理布置改变为非处理布置，膜基材可以与处理溶液分离，或者可以不施加处理溶液。例如，该装置可以包括包含处理溶液的一个或多个浸没处理浴。在这样的装置中，辊可以至少部分地浸没在处理溶液中，使得接触辊的膜基材暴露于处理溶液。非处理布置可以包括自处理溶液完全远离的辊，使得接触辊的膜基材不暴露于处理溶液。可以使用在处理布置和非处理布置之间独立地可移动的辊将膜基材与处理溶液分离，如图1和2中所示。替代地，可以使用在处理布置和非处理布置之间独立地可移动的处理浴将膜基材与处理溶液分离，如图3和4中所示。在另一替代方案中，可以使用可排出到相应的储存罐中的处理溶液将膜基材与处理溶液分离。在这样的替代方案中，当处理溶液被包含在处理浴中时，膜基材处于处理布置中。当处理溶液排出到储存罐中时，膜基材处于非处理布置。在又一替代方案中，该装置可以包括一个或多个涂覆辊以将处理溶液施加到膜基材。在这样的装置中，非处理布置可以包括与膜基材分离的涂覆辊，与处理溶液分离的涂覆辊，与涂覆辊或与处理溶液分离的拾取辊，从涂覆辊或从拾取辊去除基本上所有处理溶液的计量叶片，或其任何组合。在又一替代方案中，该装置可以包括喷雾处理以将处理溶液施加到膜基材。在这样的装置中，非处理布置可以包括关闭的喷雾器。根据本公开的装置可以附加地包括用于在已用处理溶液中的一种处理膜之后干燥膜的一个或多个干燥器。例如，该装置可以包括用于在已用乙醇处理膜之后干燥膜的干燥器。在用例如酸性溶液处理膜之前，这样的干燥器可以去除基本上所有乙醇。在用后续处理溶液处理膜之前去除处理溶液可以增强后续处理溶液的效果，或者可以减少后续处理溶液中使用的化学品的量。替代地或附加地，该装置可以包括用于在已用保湿剂溶液处理膜之后干燥膜的干燥器。在膜被卷起以例如用于储存或过滤组件之前，这样的干燥器可以去除基本上所有保湿剂。干燥的多孔膜与湿多孔膜相比可以被储存更长时间而不降解。可以在该装置中使用的干燥器尺寸确定成并且成形为适应膜沿其宽度的进入，并且包括在打开和关闭位置之间可移动的底衬(under-skirt)，以及在干燥位置和非干燥位置之间可移动的辊。在干燥位置，辊将膜定位在干燥器的长度内并且底衬处于关闭位置，在由干燥器干燥时产生膜穿过的通道。在非干燥位置，膜在干燥器的外部。可以在装置中使用的替代的干燥器尺寸确定成并且成形为适应膜沿其宽度的进入。膜行进通过干燥器，并且如果膜要被干燥，则干燥器被打开，并且如果膜不需要干燥，则干燥器被关闭。在前面的描述中，为了解释的目的，阐述了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，本领域技术人员将显而易见不需要这些具体细节。因此，已描述的只是说明所描述的实施例的应用，并且根据以上教导，许多修改和变化是可能的。由于以上描述提供了示例实施例，将可以了解本领域技术人员可以对特定实施例实现修改和变化。因此，权利要求的范围不应当由本文中阐述的特定实施例限制，而是应当以与整个说明书一致的方式被解释。当前第1页12