DE102011079778A1 - Membrane useful for nano-filtration and for separating higher molecular weight compounds of an organic solvent, comprises a photochemically crosslinked polyimide prepared by e.g. reacting imide group of the polyimide with a primary amine - Google Patents
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Abstract
Description
Membranprozesse sind vor allem im Bereich der Separation bekannt. Sie besitzen damit ein breites Anwendungsspektrum, wie beispielsweise die selektive Abtrennung von Stoffen fast aller Molekulargewichte aus flüssigen oder gasförmigen Gemischen (
Der Membranprozess der Nanofiltration wird oft sehr allgemein definiert: diese Definition umfasst dabei die Anwendung von Membranen, die Poren kleiner 2 nm aufweisen und dadurch einen „Molecular Weight Cut-Off” (MWCO) von 200 bis 2000 g/mol besitzen. Der MWCO bezeichnet dabei die Molmasse eines Stoffes, welcher zu 90% durch die Membran zurückgehalten wird. Solche Membranen weisen eine Schicht auf, die auch als porenfrei bezeichnet wird.The membrane process of nanofiltration is often defined in a very general way: this definition encompasses the use of membranes that have pores smaller than 2 nm and thus have a "molecular weight cut-off" (MWCO) of 200 to 2000 g / mol. The MWCO refers to the molecular weight of a substance, which is retained by 90% through the membrane. Such membranes have a layer which is also referred to as free of pores.
Die Nanofiltration ist in weiten Bereichen der Filtration und Separation in wässrigen Medien verbreitet. Jedoch liegt ein sehr hohes Potential auch in der Anwendung in organischen Medien. Prozesse wie die Lösungsmittelreinigung oder -trennung, die Katalysatorrückgewinnung, sowie die Aufkonzentrierung gelöster Stoffe oder auch die Durchführung eines Lösungsmittelaustausches für solche Stoffe können durch kontinuierliche Membranprozesse erheblich effizienter und meist auch kostengünstiger umgesetzt werden. Gerade im Bereich der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe könnten diese Prozesse zur Gewinnung der Zwischen- und Endprodukt effektiv ausgenutzt werden. Es besteht daher ein großes Interesse, die „Organic Solvent Nanofiltration” (OSN) auch im großen Maßstab anzuwenden.Nanofiltration is widely used in filtration and separation in aqueous media. However, a very high potential also lies in the application in organic media. Processes such as solvent purification or separation, catalyst recovery, and the concentration of dissolved substances or the implementation of a solvent exchange for such substances can be implemented by continuous membrane processes considerably more efficient and usually more cost-effective. Precisely in the area of the production of active pharmaceutical ingredients, these processes could be effectively utilized for obtaining the intermediate and end product. There is therefore a great deal of interest in applying Organic Solvent Nanofiltration (OSN) on a large scale.
Jedoch liegen gerade bei der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe oft extreme Bedingungen vor, denen eine Membran ausgesetzt wird. Vor allem das Vorhandensein organischer Lösungsmittel in den einzelnen Stufen einer Wirkstoffsynthese limitiert den Anwendungsbereich von organischen Membranen. Organischen Membranen – das heißt Membranen auf Polymerbasis – ist auf Grund ihrer Natur ebenfalls eine Tendenz zur Lösung oder zumindest zur Aufquellung in organischen Lösungsmitteln eigen. Durch diesen Vorgang verlieren die Membranen ihre Trenneigenschaften und mechanische Stabilität.However, especially in the production of pharmaceutical agents, there are often extreme conditions to which a membrane is exposed. Above all, the presence of organic solvents in the individual stages of a drug synthesis limits the scope of organic membranes. Organic membranes - that is, polymer-based membranes - inherently have a tendency to dissolve or at least to swell in organic solvents. Through this process, the membranes lose their separation properties and mechanical stability.
Daher liegt der Fokus der OSN-Forschung vor allem darauf, leistungsfähigere Membranen, das heißt, Membranen, deren Quellung in organischen Lösungsmitteln minimiert ist und die dadurch auch unter solchen Bedingungen eine hohe Selektivität bei gleichzeitig hohem Fluss aufweisen, bereitzustellen. Hier ist vor allem die Stoffklasse der Polyimide für die Herstellung der Membranen von besonderem Interesse, da diese an sich eine hohe mechanische, thermische und auch chemische Stabilität aufweisen, Polyimide sind vor allem für Gasseparationsprozesse bekannt, finden aber immer mehr Anwendung in der OSN.Therefore, the main focus of OSN research is to provide more efficient membranes, that is, membranes whose swelling in organic solvents is minimized and thereby provide high selectivity and high flux even under such conditions. Here, especially the class of polyimides for the production of the membranes of particular interest, since these have a high mechanical, thermal and chemical stability, polyimides are known especially for gas separation processes, but are finding more and more application in the OSN.
Die
Neuere Strategien zielen darauf ab, Membranen basierend auf Polyimid chemisch stärker zu vernetzen, um die Quellungsneigung der Membran zu minimieren, Beispielsweise beschreibt die
Eine sehr schnelle und einfache Methode zur Vernetzung von Polyimiden wird beispielsweise in den Patenten
In einem anderen Konzept werden die Polyimide durch UV-Bestrahlung vernetzt. Beispielsweise beschreibt die
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Membran bereitzustellen, welche vorzugsweise mindestens einen der vorstehend diskutierten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Membranen behebt.Starting from this prior art, the object of the present invention is to provide a membrane which preferably eliminates at least one of the above-discussed disadvantages of the membranes known from the prior art.
Dabei soll die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine Membran bereitstellen, die im Wesentlichen stabil ist in den Lösungsmitteln, in denen das die Membran bildende Polymer löslich ist.In this case, the present invention should preferably provide a membrane which is substantially stable in the solvents in which the polymer forming the membrane is soluble.
Ebenso soll die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine Membran bereitstellen, deren Mikro- und Makrostruktur sich gezielt kontrollieren lässt.Likewise, the present invention is preferably intended to provide a membrane whose microstructure and macrostructure can be selectively controlled.
Gelöst wird diese Aufgabe zunächst durch die Bereitstellung einer durch Phaseninversion gebildeten Membran.This object is initially achieved by providing a membrane formed by phase inversion.
Die erfindungsgemäße Membran ist dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Polyimid umfasst, welches hergestellt wird durch ein Verfahren, umfassend die Schritte
- (a) Umsetzung der mindestens einen im Polyimid enthaltenen Imidgruppe mit mindestens einem primären Amin der allgemeinen Formel (I)
NH2-R-A (I) - (b) Umsetzung des Produktes aus Schritt (a) mit mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)
B-R'-D (II)
- (a) Reaction of the at least one imide group contained in the polyimide with at least one primary amine of the general formula (I)
NH 2 -RA (I) - (b) reaction of the product from step (a) with at least one compound of the general formula (II)
B-R'-D (II)
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Amin der allgemeinen Formel (I)
R steht für ein gegebenenfalls substituiertes C1-C12-Alkylen, C1-C12-Oxyalkylen, C1-C12-Carboxyalkylen. Diese Gruppen können mindestens einen Substituenten aufweisen, der ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff, linearem oder verzweigtem C1-C6-Alkyl, C3-C7-Cycloalkyl, C1-C4-Alkoxy, C1-C4-Alkoxycarbonyl und gegebenenfalls substituiertem Phenyl. Dabei ist das Phenyl bevorzugt substituiert mit einer Gruppe A1.In a preferred embodiment, the amine of general formula (I)
R is an optionally substituted C 1 -C 12 alkylene, C 1 -C 12 oxyalkylene, C 1 -C 12 carboxyalkylene. These groups may have at least one substituent selected from the group consisting of hydrogen, linear or branched C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 7 -cycloalkyl, C 1 -C 4 -alkoxy, C 1 -C 4- alkoxycarbonyl and optionally substituted phenyl. In this case, the phenyl is preferably substituted by a group A1.
R wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Methylen, Ethylen, n-Propylen, i-Propylen, n-Butylen, tert-Butylen, n-Pentylen, n-Hexylen, n-Heptylen, n-Octylen, n-Nonylen, n-Decylen, n-Undecylen, n-Dodecylen, Oxymethylen, Oxyethylen, Oxypropylen, Oxybutylen, Oxypentylen, Oxyhexylen, Oxyheptylen, Oxyoctylen, Oxynonylen, Oxydecylen, Oxyundecylen, Oxydodecylen, Carboxymetylen, Carboxyethylen, Carboxypropylen, Carboxybutylen, Carboxypentylen, Carboxyhexylen, Carboxyheptylen, Carboxyoctylen, Carboxynonylen, Carboxydecylen, Carboxyundecylen und Carboxydodecylen, wobei R gegebenenfalls mit den vorstehend genannten Resten subsituiert sein kann. R steht besonders bevorzugt für Ethylen.R is preferably selected from the group consisting of methylene, ethylene, n-propylene, i-propylene, n-butylene, tert-butylene, n-pentylene, n-hexylene, n-heptylene, n-octylene, n-nonylene, n-decylene, n-undecylene, n-dodecylene, oxymethylene, oxyethylene, oxypropylene, oxybutylene, oxypentylene, oxyhexylene, oxyheptylene, oxyoctylene, oxynonylene, oxydecylene, oxyundecylene, oxydodecylene, carboxymethylene, carboxyethylene, carboxypropylene, carboxybutylene, carboxypentylene, carboxyhexylene, carboxyheptylene, Carboxyoctylen, carboxynonylene, carboxydecylen, carboxyundecylene and carboxydodecylene, wherein R may optionally be substituted with the abovementioned radicals. R is particularly preferably ethylene.
In einer Ausführungsform stellt der Rest A einen Rest A1 dar, der dazu geeignet ist, ein Radikal in dem Rest R der Verbindung der allgemeinen Formel (I) zu stabilisieren. Besonders bevorzugt entsteht dieses Radikal unter UV-Bestrahlung durch Wasserstoffabstraktion am Rest R der allgemeinen Formel (I). Dabei kann A1 weiter bevorzugt an sich auch ein Radikal durch UV-Bestrahlung bilden.In one embodiment, the radical A represents a radical A1 which is suitable for stabilizing a radical in the radical R of the compound of the general formula (I). This radical is particularly preferably formed under UV irradiation by hydrogen abstraction at the radical R of the general formula (I). In this case, more preferably, A1 can also form a radical by UV irradiation.
Bevorzugt handelt es sich bei A1 um einen Rest, der zur Hyperkonjugation geeignet ist.A1 is preferably a radical which is suitable for hyperconjugation.
Ebenso ist die Substitution durch Reste mit einem +I-Effekt (induktiven Effekt) wie unten aufgeführt besonders bevorzugt. Weiterhin bevorzugt handelt es sich bei A1 um einen Rest, der einen +M-Effekt (mesomeren Effekt) aufweist.Likewise, substitution by radicals having a + I effect (inductive effect) as listed below is particularly preferred. Further preferably, A1 is a radical which has a + M effect (mesomeric effect).
Bevorzugt handelt es sich bei A1 um Reste, die ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus gegebenenfalls substituiertem Benzyl, gegebenenfalls substituiertem Allyl, -OH, -O–, -NR1R2, -OR1, -NHC=OR1, -OC=OR1, -Aryl, -Br, -Cl, -I, -F, tert-Butyl, iso-Propyl, -Alkyl, besonders bevorzugt C1-C4-Alkyl, Methyl, Ethyl, n-Propyl und n-Butyl.It is preferable that at A1 to residues which are selected from the group consisting of optionally substituted benzyl, optionally substituted allyl, -OH, -O -, -NR 1 R 2, -OR 1, -NHC = OR 1, - OC = OR 1 , -aryl, -Br, -Cl, -I, -F, tert-butyl, iso-propyl, -alkyl, particularly preferably C 1 -C 4 -alkyl, methyl, ethyl, n-propyl and n butyl.
Besonders bevorzugt ist für A1 der Rest -NR1R2, wobei R1 und R2 jeweils unabhängig voneinander Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, tert-Butyl, Phenyl, C1-C4-Alkoxycarbonyl, C1-C4-Alkoxy, C1-C4-Carbonyl sein können oder zusammen mit dem Stickstoffatom, an welches sie gebunden sind, einen 5 bis 7-gliedrigen gegebenenfalls substituierten Kohlenstoffring bilden können, in dem gegebenenfalls 1 bis 3 Kohlenstoffe unabhängig voneinander durch Heteroatome wie Stickstoff, Sauerstoff und/oder Schwefel ersetzt sein können und die bevorzugt durch einen der oben genannten Reste mit +I-Effekt (induktiven Effekt) substituiert sein können.Particularly preferred for A1 is the radical -NR 1 R 2 , wherein R 1 and R 2 are each independently methyl, ethyl, n-propyl, i-propyl, tert-butyl, phenyl, C 1 -C 4 alkoxycarbonyl, C 1 -C 4 alkoxy, C 1 -C 4 carbonyl or together with the nitrogen atom to which they are attached, can form a 5 to 7-membered optionally substituted carbon ring in which optionally 1 to 3 carbons independently by hetero atoms such as nitrogen, oxygen and / or sulfur may be replaced and which may preferably be substituted by one of the above-mentioned radicals with + I effect (inductive effect).
Besonders bevorzugt sind die Reste R1 und R2 gleiche Substituenten.The radicals R 1 and R 2 are particularly preferably identical substituents.
Besonders bevorzugt sind die Reste R1 und R2 gleich Methyl.The radicals R 1 and R 2 are particularly preferably methyl.
Weiterhin bevorzugt sind die Reste R1 und R2 gleich Ethyl.Further preferably, the radicals R 1 and R 2 are ethyl.
Weiterhin bevorzugt sind die Reste R1 und R2 gleich iso-Propyl.Further preferably, the radicals R 1 and R 2 are isopropyl.
Weiterhin bevorzugt bilden R1 und R2, zusammen mit dem Stickstoffatom, an welches sie gebunden sind, einen sechsgliedrigen Ring. Besonders bevorzugt ist in diesem Hexylring eine CH2-Gruppe durch eine NH-Gruppe ersetzt.Further preferably, R 1 and R 2 , together with the nitrogen atom to which they are attached, form a six-membered ring. Particularly preferably, in this hexyl ring, a CH 2 group is replaced by an NH group.
In einer anderen Ausführungsform steht der Rest A für einen Rest A2, der dazu geeignet ist, unter UV-Bestrahlung und/oder Wärme Radikale zu erzeugen. In another embodiment, the radical A is a radical A2 which is suitable for generating radicals under UV irradiation and / or heat.
Besonders bevorzugt wird Wärme dabei durch UV-Bestrahlung erzeugt.Heat is particularly preferably generated by UV irradiation.
In einer weiteren Ausführungsform wird während der UV-Bestrahlung der gerakelte Film, aus dem die erfindungsgemäße Membran hergestellt wird, zusätzlich erhitzt.In a further embodiment, during the UV irradiation, the doctored film from which the membrane according to the invention is produced is additionally heated.
Der Rest A2 umfasst bevorzugt eine funktionelle Gruppe, die ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus gegebenenfalls substituierten Kohlenstoff-Doppelbindungen, gegebenenfalls substituierten Peroxiden, gegebenenfalls substituierten Azoverbindungen, wobei die optionalen Substituenten dieser Gruppen so ausgewählt werden, dass sie ein Radikal stabilisieren können. Bevorzugt sind die Reste A2 mit mindestens einem Rest A1 substituiert. Dabei stellt die allgemeine Formel (I) bevorzugt eine Verbindung der Formel NH2-R-A2-A1 dar.The radical A2 preferably comprises a functional group selected from the group consisting of optionally substituted carbon double bonds, optionally substituted peroxides, optionally substituted azo compounds, wherein the optional substituents of these groups are selected so that they can stabilize a radical. The radicals A2 are preferably substituted by at least one radical A1. In this case, the general formula (I) is preferably a compound of the formula NH 2 -R-A2-Al.
Besonders bevorzugt ist der Rest A2 eine C-C-Doppelbindung.Most preferably, the radical A2 is a C-C double bond.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Verbindung der allgemeinen Formel (II)
B ist eine funktionelle Gruppe, die dazu geeignet ist, mit einem primären Amin unter Ausbildung einer kovalenten Bindung zu reagieren. Der Rest B wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Carbonsäuregruppen, aktivierten Carbonsäuregruppen wie Halogencarbonsäuren, Carbonylgruppen, Aldehydgruppen und Alkoholgruppen. Bevorzugt ist B eine gegebenenfalls substituierte, aktivierte Carbonsäuregruppe.In a particularly preferred embodiment, the compound of the general formula (II)
B is a functional group capable of reacting with a primary amine to form a covalent bond. The radical B is preferably selected from the group consisting of carboxylic acid groups, activated carboxylic acid groups such as halocarboxylic acids, carbonyl groups, aldehyde groups and alcohol groups. B is preferably an optionally substituted, activated carboxylic acid group.
R' steht für ein gegebenenfalls substituiertes C1-C12-Alkylen, C1-C12-Oxyalkylen, C1-C12-Carboxyalkylen.R 'is an optionally substituted C 1 -C 12 alkylene, C 1 -C 12 oxyalkylene, C 1 -C 12 carboxyalkylene.
Wenn diese Reste substituiert sind, so wird der Substituent vorzugsweise ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff, linearem oder verzweigtem C1-C6-Alkyl, C3-C7-Cycloalkyl, C1-C4-Alkoxy, C1-C4-Alkoxycarbonyl, gegebenenfalls substituiertem Phenyl. Dabei ist das Phenyl bevorzugt substituiert mit einer Gruppe A1.When these radicals are substituted, the substituent is preferably selected from the group consisting of hydrogen, linear or branched C 1 -C 6 -alkyl, C 3 -C 7 -cycloalkyl, C 1 -C 4 -alkoxy, C 1 C 4 alkoxycarbonyl, optionally substituted phenyl. In this case, the phenyl is preferably substituted by a group A1.
R' wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methylen, Ethylen, n-Propylen, i-Propylen, n-Butylen, tert-Butylen, n-Pentylen, n-Hexylen, n-Heptylen, n-Octylen, n-Nonylen, n-Decylen, n-Undecylen, n-Dodecylen, Oxymethylen, Oxyethylen, Oxypropylen, Oxybutylen, Oxypentylen, Oxyhexylen, Oxyheptylen, Oxyoctylen, Oxynonylen, Oxydecylen, Oxyundecylen, Oxydodecylen, Carboxymetylen, Carboxyethylen, Carboxypropylen, Carboxybutylen, Carboxypentylen, Carboxyhexylen, Carboxyheptylen, Carboxyoctylen, Carboxynonylen, Carboxydeclyen, Carboxyundecylen und Carboxydodecylen, wobei R' gegebenenfalls mit den vorstehend genannten Resten subsituiert sein kann. R' steht besonders bevorzugt für n-Propylen.R 'is preferably selected from the group consisting of methylene, ethylene, n-propylene, i-propylene, n-butylene, tert-butylene, n-pentylene, n-hexylene, n-heptylene, n-octylene, n-nonylene, n-decylene, n-undecylene, n-dodecylene, oxymethylene, oxyethylene, oxypropylene, oxybutylene, oxypentylene, oxyhexylene, oxyheptylene, oxyoctylene, oxynonylene, oxydecylene, oxyundecylene, oxydodecylene, carboxymethylene, carboxyethylene, carboxypropylene, carboxybutylene, carboxypentylene, carboxyhexylene, carboxyheptylene, Carboxyoctylen, carboxynonylene, carboxydeclyene, carboxyundecylene and carboxydodecylene, wherein R 'may optionally be substituted with the abovementioned radicals. R 'is particularly preferably n-propylene.
D steht für einen Rest, der nicht mit einem Amin unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagiert. Besonders bevorzugt ist dabei Wasserstoff. Weiterhin bevorzugt stellt D einen Rest A1 dar, der dazu geeignet ist, ein Radikal in dem Rest R' der Verbindung der allgemeinen Formel (II) zu stabilisieren oder einen Rest A2, der dazu geeignet ist, unter UV-Bestrahlung und/oder Wärme Radikale zu erzeugen. Hinsichtlich besonderer Ausgestaltungen der Reste A1 und A2 wird auf obige Ausführungen verwiesen.D is a radical that does not react with an amine to form a covalent bond. Particularly preferred is hydrogen. Further preferably, D represents a radical A1 which is suitable for stabilizing a radical in the radical R 'of the compound of the general formula (II) or a radical A2 which is suitable for generating radicals under UV irradiation and / or heat to create. With regard to special embodiments of the radicals A1 and A2, reference is made to the above statements.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die erfindungsgemäße Membran, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt (a) eingesetzte Polyimid mindestens eine Wiederholungseinheit der allgemeinen Formel (III) oder mindestens zwei Wiederholungseinheiten der allgemeinen Formel (III), welche verschieden sind, aufweist,
wobei
Ar1 eine tetravalente organische Gruppe darstellt, die ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus wobei
Z ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Ar2 eine aromatische Gruppe darstellt, die ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus wobei Z die gleiche Bedeutung wie oben hat;
X, X1, X2, und X3 unabhängig voneinander ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus Wasserstoff, Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, Alkoxygruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen, Phenylgruppen, substituierte Phenylgruppen, Phenoxygruppen und substituierte Phenoxygruppen; und
wobei das Polyimid mindestens eine photoaktive Gruppe aufweist.In a further aspect of the present invention, the membrane according to the invention is characterized in that the polyimide used in step (a) comprises at least one repeat unit of the general formula (III) or at least two repeat units of the general formula (III) which are different,
in which
Ar 1 represents a tetravalent organic group selected from the group consisting of in which
Z is selected from the group consisting of Ar 2 represents an aromatic group selected from the group consisting of where Z has the same meaning as above;
X, X 1 , X 2 , and X 3 are independently selected from the group consisting of hydrogen, alkyl groups of 1 to 5 carbon atoms, alkoxy groups of 1 to 5 carbon atoms, phenyl groups, substituted phenyl groups, phenoxy groups, and substituted phenoxy groups; and
wherein the polyimide has at least one photoactive group.
Im Rahmen dieser Erfindung wird im Folgenden der Begriff Ausgangspolyimid für das Polyimid verwendet, welches im Schritt (a) eingesetzt wird.In the context of this invention, the term starting polyimide is used below for the polyimide which is used in step (a).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Membran dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangspolyimid mindestens eine Wiederholungseinheit der allgemeinen Formel (III) oder mindestens zwei Wiederholungseinheiten der allgemeinen Formel (III), welche verschieden sind, aufweist,
wobei
Ar1 die Gruppe mit Z als
darstellt
und Ar2 eine aromatische Gruppe darstellt, die ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus mit Z als -CH2-.In a preferred embodiment, the membrane according to the invention is characterized in that the starting polyimide has at least one repeat unit of the general formula (III) or at least two repeat units of the general formula (III) which are different,
in which
Ar 1 is the group with Z as
represents
and Ar 2 represents an aromatic group selected from the group consisting of with Z as -CH 2 -.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Membran dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangspolyimid mindestens eine der folgenden Wiederholungseinheiten aufweist: In another preferred embodiment, the membrane according to the invention is characterized in that the starting polyimide has at least one of the following repeat units:
Besonders bevorzugt wird als Ausgangspolyimid das kommerziell erhältliche Polymer Lenzing P84 von HP Polymers GmbH, Österreich. Dieses Polyimid ist ein Copolymer aus einer Cokondensation aus Benzophenon mit 3,3',4,4'-Tetracarbonsäuredianhydrid (BTDA) und einer Mischung aus Di-(4-Aminophenyl)methan und Toluoldiamin oder entsprechenden Diioscyanaten, 4,4'-Methylenbis(phenylisocyanat) und Toluoldiisocyanat. Das resultierende Copolyimid weist 10–90% der Wiederholungseinheiten mit der folgenden Strukturformel auf die über Imidverknüpfungen mit 90–10% der folgenden Wiederholungseinheiten in einem Copolymer verknüpft sind Particularly preferred as starting polyimide is the commercially available polymer Lenzing P84 from HP Polymers GmbH, Austria. This polyimide is a copolymer of a cocondensation of benzophenone with 3,3 ', 4,4'-tetracarboxylic dianhydride (BTDA) and a mixture of di- (4-aminophenyl) methane and toluenediamine or corresponding diioscyanates, 4,4'-methylenebis ( phenylisocyanate) and toluene diisocyanate. The resulting copolyimide has 10-90% of the repeating units having the following structural formula which are linked via imide linkages with 90-10% of the following repeating units in a copolymer
Besonders bevorzugt ist ein Copolymer mit der folgenden Struktur und einem Verhältnis der Wiederholungseinheiten von 20% und 80%.Particularly preferred is a copolymer having the following structure and a ratio of repeating units of 20% and 80%.
Weiterhin bevorzugt wird als Ausgangspolyimid das kommerziell erhältliche Matrimid® (CAS 62929-02-6, erhältlich von Huntsman) verwendet, welches 1(oder 3)-(4-Aminopheyl)-2,3-dihydro-1,3,3(oder 1,1,3)-trimethyl-1H-inden-5-amin und 5,5'-Carbonyl-bis-1,3-isobenzofurandion enthält.The commercially available Matrimid ® (CAS 62929-02-6, available from Huntsman) is also preferred as Ausgangspolyimid used which 1 (or 3) - (4-Aminopheyl) -2,3-dihydro-1,3,3 (or 1,1,3) -trimethyl-1H-inden-5-amine and 5,5'-carbonyl-bis-1,3-isobenzofuranedione.
Weiterhin bevorzugt wird als Ausgangspolyimid ein kommerziell erhältliches Polyetherimid von Sigma Aldrich verwendet (700193, CAS 61128-46-9). Dieses Polyetherimid wird auch als Poly(Bisphenol A anhydrid-co-1,3-phenylendiamin) oder Poly[2,2'-bis(4-(3,4-dicarboxyphenoxy)phenylpropan)-1,3-phenylenbisimid] bezeichnet.Further preferred as starting polyimide is a commercially available polyetherimide from Sigma Aldrich used (700193, CAS 61128-46-9). This polyetherimide is also referred to as poly (bisphenol A anhydride-co-1,3-phenylenediamine) or poly [2,2'-bis (4- (3,4-dicarboxyphenoxy) phenylpropane) -1,3-phenylenebisimide].
Weiterhin bevorzugt wird als Ausgangspolyimid das kommerziell erhältliche Torlon®, wie beispielsweise Torlon® 4000F, verwendet (erhältlich von Solvay, Belgien). Dabei handelt es sich um ein Polyamid-imid, welches Amidverknüpfungen alternierend mit Imidverknüpfungen umfasst. Es ist das Produkt der Reaktion von Trimellitsäureanhydrid mit aromatischen Diaminen.The commercially available Torlon, is also preferred as Ausgangspolyimid ® such as Torlon ® 4000F used (available from Solvay, Belgium). This is a polyamide-imide which comprises amide linkages alternating with imide linkages. It is the product of the reaction of trimellitic anhydride with aromatic diamines.
Erfindungsgemäßes PolyimidInventive polyimide
In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Polyimid, das geeignet ist, eine kontrollierte Vernetzungsreaktion unter UV-Bestrahlung einzugehen.In a further aspect, the present invention relates to a novel polyimide suitable for undergoing a controlled crosslinking reaction under UV irradiation.
Dieses Polyimid sollte vorzugsweise in Lösung chemisch stabil sein, so dass Gießlösungen zur Bereitstellung von Membranen aus diesem Polyimid hergestellt werden können, die über längere Zeit gelagert werden können.This polyimide should preferably be chemically stable in solution, so that casting solutions can be prepared to provide membranes of this polyimide which can be stored for a long time.
Das erfindungsgemäße Polyimid ist dadurch gekennzeichnet, dass es durch ein Verfahren hergestellt wird, welches die folgenden Schritte umfasst:
- (a) Umsetzung der mindestens einen im Polyimid enthaltenen Imidgruppe mit mindestens einem primären Amin der allgemeinen Formel (I)
NH2-R-A (I) - (b) Umsetzung des Produktes aus Schritt (a) mit mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)
B-R'-D (II)
- (a) Reaction of the at least one imide group contained in the polyimide with at least one primary amine of the general formula (I)
NH 2 -RA (I) - (b) reaction of the product from step (a) with at least one compound of the general formula (II)
B-R'-D (II)
Bei der Durchführung des Reaktionsschrittes (a) zur Herstellung des erfindungsgemäßen Polyimids wurde beobachtet, dass die Reaktion des Ausgangspolyimids mit mindestens einer der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) zu einer Kettendegradation des Ausgangspolyimids führt. Diese Degradation kann gezielt durch die Konzentration der Verbindung der allgemeinen Formel (I) und/oder die Reaktionszeit des Schrittes (a) eingestellt werden (siehe hierzu beispielhaft Tabelle 1 und 2). Die Degradation ist auch immer mit einem Modifizierungsgrad des Ausgangspolyimids verbunden. Es wird davon ausgegangen, dass immer zwei Verbindungen der allgemeinen Formel (I) zu einer Degradation in der Polyimidkette führen. Der Modifizierungsgrad ist dabei der Grad an eingeführten Gruppen A der Verbindung der allgemeinen Formel (I) im Verhältnis zu der Anzahl der Polyimidwiederholungseinheiten im Polymer. Dabei wird von einer 1 zu 1 Reaktion ausgegangen, dies bedeutet, dass pro Wiederholungseinheit von den 2 immanenten Imidgruppen nur 1 mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) reagiert hat. Durch den Modifizierungsgrad kann die Photoaktivität des erfindungsgemäßen Polyimids eingeschätzt werden. Ein hoher Modifizierungsgrad bedeutet dabei, dass viele Gruppen A der allgemeinen Formel (I) in das Polyimid eingeführt wurden, dadurch aber eine starke Kettendegradation aufgetreten ist. Es konnte beobachtet werden, dass, wenn beispielsweise das Polymer Lenzing P84 als Ausgangspolyimid verwendet wird, bei einem Modifizierungsgrad von 100% eine Molmasse der degradierten Ketten von 2000 bis 3000 g/mol, gemessen über Gelpermeationschromatographie mit einer universellen Kalibrierung, resultiert.In carrying out reaction step (a) to prepare the polyimide of the present invention, it has been observed that reaction of the starting polyimide with at least one of the compounds of general formula (I) results in chain degradation of the starting polyimide. This degradation can be adjusted in a targeted manner by the concentration of the compound of the general formula (I) and / or the reaction time of step (a) (see, by way of example, Tables 1 and 2). The degradation is always associated with a degree of modification of the starting polyimide. It is assumed that always two compounds of the general formula (I) lead to a degradation in the polyimide chain. The degree of modification is the degree of introduced groups A of the compound of the general formula (I) in relation to the number of polyimide repeating units in the polymer. It is assumed that a 1 to 1 reaction, this means that per repeat unit of the 2 immanent imide imide groups only 1 has reacted with a compound of general formula (I). By the degree of modification, the photoactivity of the polyimide according to the invention can be estimated. A high degree of modification here means that many groups A of the general formula (I) have been introduced into the polyimide, but that a strong chain degradation has occurred. It has been observed that when, for example, the polymer Lenzing P84 is used as the starting polyimide, at a degree of modification of 100%, a molecular weight of the degraded chains of 2000 to 3000 g / mol, as measured by gel permeation chromatography with universal calibration, results.
Ebenso konnte beobachtet werden, dass die Reste R und/oder A der allgemeinen Formel (I) einen Einfluss auf die resultierende Molmasse des Polyimids besitzen. Sterisch anspruchsvollere Reste R und/oder A degradieren das Ausgangspolyimid weniger. Dies könnte auf die Tatsache zurückgeführt werden, dass die Degradation immer mit einem Angriff von zwei Verbindungen der allgemeinen Formel (I) auf eine Polyimidgruppe verbunden ist. Hat eine Verbindung der allgemeinen Formel (I) bereits mit einer Polyimidgruppe reagiert, so ist die Wahrscheinlichkeit für einen weiteren Angriff durch eine gegebenenfalls gleiche Verbindung der allgemeinen Formel (I) mit gegebenenfalls dem gleichen sterischen Anspruch wesentlich geringer. Ebenso führt die Verwendung des Restes A2 der allgemeinen Formel (I) überraschenderweise zu einem noch stärker unterdrückten Degradierungseffekt.It has likewise been possible to observe that the radicals R and / or A of the general formula (I) have an influence on the resulting molar mass of the polyimide. More sterically demanding radicals R and / or A degrade the starting polyimide less. This could be attributed to the fact that the degradation is always associated with an attack of two compounds of general formula (I) on a polyimide group. If a compound of the general formula (I) has already reacted with a polyimide group, the probability of a further attack by an optionally identical compound of the general formula (I) with, if appropriate, the same steric requirement is considerably lower. Likewise, the use of the radical A2 of the general formula (I) surprisingly leads to an even more suppressed degradation effect.
In Bezug auf die Degradationsreaktion konnte ein kontinuierlicher Effekt beobachtet werden. Dies bedeutet, dass, je sterisch anspruchsvoller die Reste R und/oder A der allgemeinen Formel (I) sind, desto geringer ist die Degradation des Ausgangspolyimids. Wird beispielsweise das Polymer Lenzing P84 mit einer Molmasse von 34000 g/mol als Ausgangspolyimid verwendet und mit Dimethylaminoethyldiamin (beispielhafte Verbindung der allgemeinen Formel (I) mit Rest A1) zu einem Modifizierungsgrad von 100% umgesetzt, so hat das Produkt eine Molmasse von 2000 g/mol. Unter Verwendung von Aminoethylmethacrylat (beispielhafte Verbindung der allgemeinen Formel (I) mit Rest A2) unter ansonsten gleichen Bedingungen, resultiert eine Molmasse von 23000 g/mol.With respect to the degradation reaction, a continuous effect could be observed. This means that the more sterically demanding the radicals R and / or A are of the general formula (I), the lower the degradation of the starting polyimide. If, for example, the polymer Lenzing P84 with a molar mass of 34000 g / mol is used as starting polyimide and reacted with dimethylaminoethyldiamine (exemplary compound of general formula (I) with radical A1) to a degree of modification of 100%, the product has a molecular weight of 2000 g / mol. Using aminoethyl methacrylate (exemplary compound of general formula (I) with radical A2) under otherwise identical conditions, results in a molecular weight of 23,000 g / mol.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird nur eine Sorte der Verbindung der allgemeinen Formel (I) für den Schritt (a) verwendet.In a preferred embodiment, only one kind of the compound of general formula (I) is used for step (a).
In einer anderen Ausführungsform werden zwei unterschiedliche Verbindungen der Formel (I) für den Schritt (a) eingesetzt. Dabei werden bevorzugt unterschiedliche Reste A1 eingesetzt. Weiterhin bevorzugt werden unterschiedliche Reste A2 verwendet. Besonders bevorzugt wird eine Kombination der Reste A1 und A2 verwendet.In another embodiment, two different compounds of formula (I) are used for step (a). In this case, different radicals A1 are preferably used. Further preferably, different radicals A2 are used. Particular preference is given to using a combination of the radicals A1 and A2.
Die Reaktion des Ausgangspolyimids mit Verbindung der allgemeinen Formel (I) kann heterogen oder homogen durchgeführt werden.The reaction of the starting polyimide with compound of the general formula (I) can be carried out heterogeneously or homogeneously.
Bei der heterogenen Reaktion wird ein Lösungsmittel verwendet, in dem das Ausgangspolyimid nicht löslich ist. Bevorzugt kann das Lösungsmittel ein Alkohol sein, besonders bevorzugt Ethanol, Methanol und/oder Mischungen daraus. In dieser Ausführungsform wird die Verbindung der allgemeinen Formel (I) in diesem Lösungsmittel gelöst und das Ausgangspolyimid zu diesem geben. Die heterogene Mischung sollte bevorzugt während der Reaktion gerührt werden.The heterogeneous reaction uses a solvent in which the starting polyimide is insoluble. Preferably, the solvent may be an alcohol, more preferably ethanol, methanol and / or mixtures thereof. In this embodiment, the compound of the general formula (I) in this Dissolved solvent and give the starting polyimide to this. The heterogeneous mixture should preferably be stirred during the reaction.
Es hat sich herausgestellt, dass sich die Kettendegradation des Ausgangspolyimids durch eine heterogene Reaktion minimieren lässt. Daraus folgt, dass das Verhältnis zwischen gewünschtem Modifizierungsgrad zu unerwünschten Kettenbrüchen steigt. Des Weiteren spielt bei der heterogenen Reaktion die Größe der Verbindung der allgemeinen Formel (I), das heißt ihr sterischer Anspruch eine wesentlich größere Rolle als bei der vergleichbaren homogenen Reaktion. Auch hier kann die Kettendegradation durch die Wahl eines sterisch anspruchsvolleren Substituenten A der Verbindung der allgemeinen Formel (I) weiter minimiert werden.It has been found that the chain degradation of the starting polyimide can be minimized by a heterogeneous reaction. It follows that the ratio between the desired degree of modification increases to undesirable continued fractions. Furthermore, in the case of the heterogeneous reaction, the size of the compound of the general formula (I), ie its steric demand, plays a much greater role than in the comparable homogeneous reaction. Again, the chain degradation by the choice of a sterically more demanding substituent A of the compound of general formula (I) can be further minimized.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Reaktion des Ausgangspolyimids mit einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) homogen durchgeführt. Dazu wird das Polyimid in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst. Die Verbindung der allgemeinen Formel (I) wird zu dieser Lösung gegeben.In a further embodiment, the reaction of the starting polyimide with a compound of general formula (I) is carried out homogeneously. For this purpose, the polyimide is dissolved in a suitable solvent. The compound of the general formula (I) is added to this solution.
Bevorzugt wird der Syntheseschritt (a) unter Lichtausschluss durchgeführt.Preferably, the synthesis step (a) is carried out with exclusion of light.
Die Durchführung des Reaktionsschrittes (b) zur Herstellung des erfindungsgemäßen Polyimids wird bevorzugt mit nur einer Sorte der Verbindung der allgemeinen Formel (II) durchgeführt. Besonders bevorzugt werden zwei unterschiedliche Verbindungen der Formel (II) verwendet.The implementation of the reaction step (b) for the preparation of the polyimide according to the invention is preferably carried out with only one kind of the compound of the general formula (II). Particularly preferably, two different compounds of the formula (II) are used.
Die Aufarbeitung der Schritte (a) und (b) ist besonders effizient, kostengünstig und ressourceneinsparend.The processing of steps (a) and (b) is particularly efficient, inexpensive and resource-saving.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung soll ein Verfahren bereitgestellt werden, durch das eine Membran erhalten werden kann, welche vorzugsweise lösungsmittelstabil ist.In a further aspect of the present invention, a process is to be provided by which a membrane can be obtained, which is preferably solvent-stable.
Dieses Verfahren soll vorzugsweise keinen zusätzlichen Verfahrensschritt zu dem üblichen Membranherstellungsverfahren umfassen.This process should preferably not comprise any additional process step to the usual membrane production process.
Ebenso soll das Verfahren vorzugsweise ermöglichen, durch die Verwendung spezieller Polyimidblends gezielt die Eigenschaften der resultierenden Membran einstellen zu können.Likewise, the method should preferably make it possible by the use of special Polyimidblends targeted to adjust the properties of the resulting membrane can.
Weiterhin soll das Verfahren vorzugsweise eine einfache, das heißt effiziente, kostengünstige und ressourceneinsparende Aufreinigung eines Polyimids umfassen.Furthermore, the method should preferably comprise a simple, that is efficient, cost-effective and resource-saving purification of a polyimide.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch ein Verfahren zur Herstellung einer Membran, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- (1) Bereitstellung eines Polyimids durch ein Verfahren, umfassend die Schritte:
(a) Umsetzung der mindestens einen im Polyimid enthaltenen Imidgruppe mit mindestens einem primären Amin der allgemeinen Formel (I)
NH2-R-A (I) - (b) Umsetzung des Produktes aus Schritt (a) mit mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II)
B-R'-D (II) - (2) Bereitstellung einer Gießlösung, welche im Wesentlichen umfasst: (i) das unter Schritt (1) synthetisierte Polyimid; (ii) gegebenenfalls mindestens ein weiteres Polyimid, wobei das Polyimid gleich oder verschieden sein kann zu dem Polyimid, welches als Edukt für die Herstellung des unter Schritt (1) synthetisierten Polyimids verwendet wurde; (iii) ein Lösungsmittelsystem, welches geeignet ist, das Polyimid (i) und gegebenenfalls auch das mindestens eine weitere Polyimid (ii) zu lösen; (iv) gegebenenfalls ein Additiv, welches dazu geeignet ist, die Viskosität der Gießlösung zu erhöhen; (v) gegebenenfalls ein Additiv, welches dazu geeignet ist, die Bildung von Makroporen zu unterdrücken; (vi) gegebenenfalls ein Tensid;
- (3) Rakeln eines Films aus der Gießlösung auf ein Substrat, welches gegebenenfalls ein Trägermaterial ist;
- (4) UV-Bestrahlen des Films vor und/oder nach dem Ausfällen der Membran in einem Koagulationsbad
- (5) Eintragen des Films in ein Koagulationsbad, wobei der Film vor und/oder nach dem Eintragen in das Koagulationsbad UV-bestrahlt wird;
- (5) gegebenenfalls Waschen der Membran.
- (1) providing a polyimide by a process comprising the steps: (a) reacting the at least one imide group contained in the polyimide with at least one primary amine of the general formula (I)
NH 2 -RA (I) - (b) reaction of the product from step (a) with at least one compound of the general formula (II)
B-R'-D (II) - (2) providing a casting solution which essentially comprises: (i) the polyimide synthesized in step (1); (ii) optionally at least one further polyimide, which polyimide may be the same or different from the polyimide used as starting material for the preparation of the polyimide synthesized under step (1); (iii) a solvent system suitable for dissolving the polyimide (i) and optionally also the at least one further polyimide (ii); (iv) optionally, an additive which is capable of increasing the viscosity of the casting solution; (v) optionally, an additive which is capable of suppressing the formation of macropores; (vi) optionally a surfactant;
- (3) knife coating a film of the casting solution onto a substrate which is optionally a carrier material;
- (4) UV irradiation of the film before and / or after precipitation of the membrane in a coagulation bath
- (5) introducing the film into a coagulation bath, wherein the film is UV irradiated before and / or after being introduced into the coagulation bath;
- (5) optionally washing the membrane.
Gießlösungcasting solution
In einer Ausführungsform wird die Gießlösung hergestellt, indem das erfindungsgemäße Polyimid in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst wird. Dabei ist es besonders bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Polyimid einen geringen Anteil an Degradation, aber eine hohe Photoaktivität, also einen hohen Modifizierungsgrad aufweist. Besonders bevorzugt ist hier ein Modifizierungsgrad von 100%.In one embodiment, the casting solution is prepared by dissolving the polyimide of the invention in a suitable solvent. It is particularly preferred that the polyimide according to the invention has a low proportion of degradation but high photoactivity, ie a high degree of modification. Particularly preferred here is a degree of modification of 100%.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gießlösung hergestellt, indem 1 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 9 Gew.-%, besonders bevorzugt 1 bis 3 Gew.-% des erfindungsgemäßen Polyimids, welches durch die Verfahrensschritte (a) und (b) hergestellt wurde, mit entsprechenden Gewichtsprozenten eines Ausgangspolyimids, welches nicht zwangsläufig chemisch identisch mit dem Ausgangspolyimid aus Verfahrensschritt (1) sein muss, in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst wird (die Gew.-% beziehen sich auf das Gesamtgewicht der Gießlösung). Dabei ist die Gesamtkonzentration der Polyimide in der Gesamtlösung 15 bis 35 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 24 bis 26 Gew.-% und es wird so viel Ausgangspolyimid hinzugegeben, bis diese Gesamtkonzentration erreicht wird.In a preferred embodiment, the casting solution is prepared by adding 1 to 15 wt .-%, preferably 1 to 9 wt .-%, particularly preferably 1 to 3 wt .-% of the polyimide according to the invention, which by the process steps (a) and (b ) having corresponding weight percent of starting polyimide, which need not necessarily be chemically identical to the starting polyimide of step (1), dissolved in a suitable solvent (the weight percentages are based on the total weight of the casting solution). The total concentration of the polyimides in the total solution is 15 to 35 wt .-%, preferably 20 to 30 wt .-%, particularly preferably 24 to 26 wt .-% and it is added as much starting polyimide until this total concentration is reached.
Das Ausgangspolyimid kann dabei bevorzugt die gleiche chemische Struktur aufweisen, wie das Ausgangspolyimid, welches für die Syntheseschritte (a) und (b) verwendet wurde.The starting polyimide may preferably have the same chemical structure as the starting polyimide which was used for the synthesis steps (a) and (b).
In einer anderen Ausführungsform weist das Ausgangspolyimid eine andere chemische Struktur auf als das Polyimid, welches als Ausgangspolyimid für die Syntheseschritte (a) und (b) verwendet wurde.In another embodiment, the starting polyimide has a different chemical structure than the polyimide used as the starting polyimide for the synthesis steps (a) and (b).
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Gemisch aus unterschiedlichen Ausgangspolyimiden verwendet.In a further embodiment, a mixture of different starting polyimides is used.
Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung eines Blends aus dem erfindungsgemäßen Polyimid und dem Ausgangspolyimid vorteilhafte Auswirkungen auf die resultierende Membran hat. Es kann gleichzeitig von der mechanischen Stabilität des Ausgangspolyimids und der erhöhten Photoaktivität erfindungsgemäßen Polyimids profitiert werden. Daraus resultiert eine Membran mit Eigenschaften, die überadditiv sind als die von Membranen aus den jeweils einzelnen Polyimiden.It has been found that the use of a blend of the polyimide of the present invention and the starting polyimide has beneficial effects on the resulting membrane. At the same time, it is possible to profit from the mechanical stability of the starting polyimide and the increased photoactivity of the polyimide according to the invention. This results in a membrane with properties that are superadditive than those of membranes from the individual polyimides.
Bevorzugte Lösungsmittel zur Herstellung der Gießlösung können ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus N-Methylpyrrolidon (NMP), Tetrahydrofuran (THF), N,N-Diemthylformamid (DMF), Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylacetamid (DMAc), 1,4-Dioxan, γ-Butyrolacton und Mischungen davon. Besonders geeignet ist NMP als Lösungsmittel.Preferred solvents for the preparation of the casting solution can be selected from the group consisting of N-methylpyrrolidone (NMP), tetrahydrofuran (THF), N, N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylacetamide (DMAc), 1,4-dioxane, γ-butyrolactone and mixtures thereof. Particularly suitable is NMP as a solvent.
Der Gesamtanteil der Polyimide oder, wenn nur das erfindungsgemäße Polyimid verwendet wird, des erfindungsgemäßen Polyimids allein in der gesamten Gießlösung beträgt 15 bis 35 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 30 Gew.-%, besonders bevorzugt 24 bis 26 Gew.-%.The total amount of the polyimides or, if only the polyimide of the invention is used, of the polyimide according to the invention alone in the entire casting solution is 15 to 35 wt .-%, preferably 20 to 30 wt .-%, particularly preferably 24 to 26 wt .-%.
Die resultierende Gießlösung weist bevorzugt eine Viskosität von 13 bis 25 Pa·s, bevorzugt von 14 bis 24 Pa·s, besonders bevorzugt von 16 bis 22 Pa·s auf. The resulting casting solution preferably has a viscosity of 13 to 25 Pa · s, preferably 14 to 24 Pa · s, more preferably 16 to 22 Pa · s.
Die Gießlösung kann optional weitere Bestandteile enthalten, die Einfluss auf die Makro- und/oder Mikrostruktur der resultierenden Membran haben können.The casting solution may optionally contain other ingredients which may affect the macro- and / or microstructure of the resulting membrane.
Bevorzugt enthält die Gießlösung ein weiteres Additiv, welches die Viskosität der Gießlösung erhöht. Bevorzugt umfasst die Gießlösung diese Additive in einer Konzentration von 0 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 10 Gew.-%. Die Additive werden bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polyvinylpyrrolidonen, Polyethylenglykolen und/oder Polyurethanen.The casting solution preferably contains a further additive which increases the viscosity of the casting solution. Preferably, the casting solution comprises these additives in a concentration of 0 to 10 wt .-%, particularly preferably 5 to 10 wt .-%. The additives are preferably selected from the group consisting of polyvinylpyrrolidones, polyethylene glycols and / or polyurethanes.
Weiterhin bevorzugt enthält die Gießlösung ein Additiv, welches dazu geeignet ist, die Bildung von Makroporen zu unterdrücken. Bevorzugt umfasst die Gießlösung diese Additive in einer Konzentration von 0 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt 5 bis 10 Gew.-%. Das Additiv ist bevorzugt Maleinsäure.Further preferably, the casting solution contains an additive which is suitable for suppressing the formation of macropores. Preferably, the casting solution comprises these additives in a concentration of 0 to 10 wt .-%, particularly preferably 5 to 10 wt .-%. The additive is preferably maleic acid.
Weiterhin bevorzugt enthält die Gießlösung ein Tensid, welches die Porenstruktur der Membran beeinflussen kann. Bevorzugt umfasst die Gießlösung das Tensid in einer Konzentration von weniger als 7 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, Das Tensid ist vorzugsweise Triton X-100 (erhältlich von Sigma-Aldrich UK Ltd).Further preferably, the casting solution contains a surfactant which can influence the pore structure of the membrane. Preferably, the casting solution comprises the surfactant in a concentration of less than 7% by weight, more preferably less than 5% by weight. The surfactant is preferably Triton X-100 (available from Sigma-Aldrich UK Ltd).
Die Gießlösung kann gegebenenfalls erhitzt werden. Dabei sollte die Temperatur der Lösung vorzugsweise 100°C nicht überschreiten. Besonders bevorzugt ist eine Temperatur von 60 C. Die resultierende Lösung wird vorzugsweise über einen Tiefenfilter filtriert. Vorzugsweise kann die Lösung im Vakuum entgast werden, um Luftblasen aus der hochviskosen Lösung zu entfernen.The casting solution may optionally be heated. The temperature of the solution should preferably not exceed 100 ° C. Particularly preferred is a temperature of 60 C. The resulting solution is preferably filtered through a depth filter. Preferably, the solution may be degassed in vacuo to remove air bubbles from the high viscosity solution.
In einer Ausführungsform umfasst die Gießlösung im Wesentlichen:
- (i) 1–3 Gew.-% des unter Schritt (1) synthetisierten Polyimids;
- (ii) 23–25 Gew.-% mindestens eines weiteren Polyimids, wobei dieses Polyimid gleich oder verschieden sein kann zu dem Polyimid, welches als Edukt für die Herstellung des unter Schritt (1) synthetisierten Polyimids verwendet wurde,
- (iii) NMP; wobei die Polyimidgesamtkonzentration im NMP 24 bis 26 Gew.-%, bezogen auf die gesamte Gießlösung, beträgt.
- (i) 1-3% by weight of the polyimide synthesized under step (1);
- (ii) 23-25% by weight of at least one further polyimide, which polyimide may be identical or different from the polyimide used as starting material for the preparation of the polyimide synthesized under step (1),
- (iii) NMP; wherein the total polyimide concentration in the NMP is 24 to 26% by weight, based on the total casting solution.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass ein Polyimid, welches nur durch die Reaktion (a) mit mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (I) modifiziert wurde und welches in einem geeigneten Lösungsmittel aufgelöst wurde, um eine Gießlösung herzustellen, weiter degradiert wird. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die freien primären Aminogruppen, die durch den Schritt (a) am Ausgangspolyimid eingeführt wurden, die Polyimidketten weiter spalten können. Dabei spalten sie zum einen das Produkt des Schritts (a) weiter auf, so dass die Molmasse dieser Polyimide geringer wird. Wird optional zu dieser Gießlösung auch noch ein Ausgangspolyimid hinzugemischt, so kann auch dieses Ausgangspolyimid aufgespalten werden. Diese zeitabhängige Kettendegradation lässt sich mit Gelpermeationschromatographie- oder Viskositätmessungen nachweisen. Daher muss eine Gießlösung, die das Produkt des Schrittes (a) umfasst und gegebenenfalls auch ein Ausgangspolyimid möglichst schnell verarbeitet werden, da eine zu stark ausgeprägte Kettendegradation auch eine Eigenschaftsverschlechterung der resultierenden Membran mit sich bringt. Solche Membranen sind vor allem mechanisch instabil und weisen Defekte bzw. Risse auf.It has surprisingly been found that a polyimide which has been modified only by the reaction (a) with at least one compound of the general formula (I) and which has been dissolved in a suitable solvent to prepare a casting solution is further degraded. Without wishing to be bound by theory, it is believed that the free primary amino groups introduced by step (a) on the starting polyimide can further cleave the polyimide chains. They split on the one hand, the product of step (a) on, so that the molecular weight of these polyimides is lower. If, optionally, a starting polyimide is added to this casting solution, this starting polyimide can also be split. This time-dependent chain degradation can be detected by gel permeation chromatography or viscosity measurements. Therefore, a casting solution which comprises the product of step (a) and optionally also a starting polyimide must be processed as quickly as possible, since too pronounced chain degradation also brings about a deterioration in the properties of the resulting membrane. Above all, such membranes are mechanically unstable and have defects or cracks.
Eine zeitnahe Verwendung der Gießlösung ist aber vor allem für industrielle Anwendungen nicht geeignet. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Gießlösung, welche das erfindungsgemäße Polyimid umfasst, chemisch stabil ist. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die Durchführung des zweiten Schrittes (b), um das erfindungsgemäße Polyimid zu erhalten, alle primären Aminogruppen, die durch den Schritt (a) entstanden sind, abfängt. Dies bedeutet, dass die primären Aminogruppen durch die kovalente Bindung mit mindestens einer Verbindung der allgemeinen Formel (II) in eine Form überführt werden, die nicht geeignet ist, Polyimidketten zu degradieren. Besonders bevorzugt ist dafür der Rest D der allgemeinen Formel (II) als ein Rest, der nicht mit einem Amin unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagiert.However, a timely use of the casting solution is not suitable especially for industrial applications. Surprisingly, it has been found that a casting solution comprising the polyimide according to the invention is chemically stable. Without wishing to be bound by theory, it is believed that carrying out the second step (b) to obtain the polyimide of the present invention captures all the primary amino groups resulting from step (a). This means that the primary amino groups are converted by the covalent bond with at least one compound of general formula (II) into a form which is not suitable to degrade polyimide chains. Particularly preferred is the radical D of the general formula (II) as a radical which does not react with an amine to form a covalent bond.
Daraus resultiert, dass die Gießlösung, welche das erfindungsgemäße Polyimid umfasst, stabil in dem Sinne ist, dass keine Kettendegradation des erfindungsgemäßen Polyimids und auch nicht des optional zugegebenen Ausgangspolyimids auftrifft. Eine solche Gießlösung ist bevorzugt für mindestens 3 Monate, besonders bevorzugt mindestens 1 Monat, ganz besonders bevorzugt mindestens 1 Woche stabil.As a result, the casting solution comprising the polyimide of the present invention is stable in the sense that no chain degradation of the polyimide of the invention and also the optional added starting polyimide does not occur. Such a casting solution is preferably stable for at least 3 months, more preferably at least 1 month, most preferably at least 1 week.
Besonders bevorzugt können durch den Schritt (b) zusätzlich zum Abfangen der primären Aminogruppen durch die Verbindung der allgemeinen Formel (II) auch weitere Gruppen D in das erfindungsgemäße Polyimid eingeführt werden, welche entweder dazu geeignet sind, ein Radikal in dem Rest R' der Verbindung der allgemeinen Formel (H) zu stabilisieren oder dazu geeignet sind, unter UV-Bestrahlung und/oder Wärme Radikale zu erzeugen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Resten D um einen der Reste A1 und/oder A2. Durch diese zusätzliche Möglichkeit der Erhöhung der Photoaktivität des erfindungsgemäßen Polyimids lassen sich die resultierenden Membraneigenschaften kontrollieren und vorzugsweise auch verbessern. Vorzugsweise lassen sich vor allem die Vernetzungseigenschaften der resultierenden Membran verbessern. Particularly preferably, in addition to the interception of the primary amino groups by the compound of general formula (II), further groups D can also be introduced into the polyimide of the invention, which are either suitable for generating a radical in the radical R 'of the compound of the general formula (H) or are capable of generating radicals under UV irradiation and / or heat. The radicals D are particularly preferably one of the radicals A1 and / or A2. This additional possibility of increasing the photoactivity of the polyimide according to the invention allows the resulting membrane properties to be controlled and, preferably, also improved. Preferably, especially the crosslinking properties of the resulting membrane can be improved.
Phaseninversionphase inversion
Die erfindungsgemäße Membran wird durch Phaseninversion hergestellt. Diese stellt einen aus der Literatur bereits bekannten Prozess dar, der beispielsweise in
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Phaseninversionsprozess ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus ”Non-solvent induced phase separation” (NIPS), „temperature induced phase separation” (TIPS), „evaporation induced phase separation” (EIPS), „vapor induced phase separation” (VIPS) und Hybride aus diesen Prozessen. Besonders bevorzugt wird in der vorliegenden Erfindung das NIPS Verfahren angewendet.In one embodiment of the present invention, the phase inversion process is selected from the group consisting of non-solvent induced phase separation (NIPS), temperature induced phase separation (TIPS), evaporation induced phase separation (EIPS), vapor induced phase separation "(VIPS) and hybrids from these processes. Particularly preferred in the present invention, the NIPS method is used.
Bevorzugt wird die Gießlösung, bevor sie zum Rakeln verwendet wird, auf eine Temperatur von 25 bis 100°C, bevorzugt 30 bis 90°C, besonders bevorzugt 50 bis 70°C aufgeheizt. Im Anschluss wird die Gießlösung auf Raumtemperatur abgekühlt.The casting solution is preferably heated to a temperature of from 25 to 100 ° C., preferably from 30 to 90 ° C., particularly preferably from 50 to 70 ° C., before it is used for doctoring. Subsequently, the casting solution is cooled to room temperature.
In einer Ausführungsform wird die Gießlösung, wie sie oben beschrieben wurde, bevorzugt auf ein geeignetes Substrat aufgerakelt. Dabei werden die Materialen, die die geeigneten Substrate im Wesentlichen umfassen, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Glas, Metall, Papier und Kunststoff. Die resultierende Membran sollte vorzugsweise von diesem Substrat anschließend wieder abgelöst werden können.In one embodiment, the casting solution as described above is preferably doctored onto a suitable substrate. In this case, the materials which substantially comprise the suitable substrates are preferably selected from the group consisting of glass, metal, paper and plastic. The resulting membrane should preferably be able to be detached from this substrate afterwards.
In einer anderen Ausführungsform wird die Gießlösung, wie sie oben beschrieben wurde, bevorzugt auf einen geeigneten Träger aufgerakelt. Vorzugsweise ist dieser geeignete Träger eine Trägermembran. In einer anderen Ausführungsform ist die resultierende Membran vorzugsweise eine Kompositmembran.In another embodiment, the casting solution as described above is preferably doctored onto a suitable carrier. Preferably, this suitable carrier is a carrier membrane. In another embodiment, the resulting membrane is preferably a composite membrane.
In einer Ausführungsform kann auch ein gerakelter Polyimidfilm, umfassend das erfindungsgemäße Polyimid auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Es wurde beobachtet, dass bei der Verwendung des Lösungsmittels DMF für die Gießlösung und anschließender UV-Bestrahlung, dieser Film bereits vor Kontakt mit einem Koagulationsbad ausfiel. Das Polyimid ist in diesem Fall so stark vernetzt, dass es bereits aus dem verdampfenden DMF ausfällt. Der Grad der Vernetzung kann sowohl über die UV-Bestrahlungszeit als auch über die Art des erfindungsgemäßen Polyimids eingestellt werden.In one embodiment, a scintered polyimide film comprising the polyimide of the invention may also be applied to a support material. It was observed that when using the solvent DMF for the casting solution and subsequent UV irradiation, this film precipitated even before contact with a coagulation bath. In this case, the polyimide is so strongly crosslinked that it already precipitates out of the evaporating DMF. The degree of crosslinking can be adjusted both via the UV irradiation time and via the type of polyimide according to the invention.
Der geeignete Träger ist vorzugsweise porös. Besonders bevorzugt ist der Träger derart gestaltet, dass er im Wesentlichen ein inertes poröses Material umfasst und den Fluss durch die Membran nicht beeinträchtigt. Vorzugsweise reagiert das Trägermaterial nicht mit dem Lösungsmittel, welches zur Filtration durch die Membran verwendet wird.The suitable carrier is preferably porous. Particularly preferably, the support is designed such that it essentially comprises an inert porous material and does not affect the flow through the membrane. Preferably, the carrier material does not react with the solvent used for filtration through the membrane.
In einer Ausführungsform reagiert das Trägermaterial mit dem aufgerakelten erfindungsgemäßen Polyimid, so dass eine kovalente Bindung zwischen der aufgerakelten Schicht und dem Trägermaterial entsteht. Besonders bevorzugt entsteht diese kovalente Bindung unter UV-Bestrahlung. Dazu kann das Trägermaterial bevorzugt selbst Gruppen aufweisen, die dazu geeignet sind, mit dem Polyimid unter UV-Bestrahlung zu reagieren. Bevorzugt umfasst das Trägermaterial Gruppen mit den Resten A1 und/oder A2.In one embodiment, the carrier material reacts with the scrape-on polyimide of the invention so that a covalent bond is formed between the scrape-coated layer and the carrier material. This covalent bond is particularly preferably formed under UV irradiation. For this purpose, the support material may preferably itself have groups which are suitable for reacting with the polyimide under UV irradiation. The support material preferably comprises groups having the radicals A1 and / or A2.
In einer anderen Ausführungsform ist das Trägermaterial inert gegenüber der Reaktionen, die das erfindungsgemäße Polyimid unter UV-Bestrahlung eingeht.In another embodiment, the support material is inert to the reactions which the polyimide of the invention undergoes under UV irradiation.
Bevorzugt degradiert das Trägermaterial nicht unter UV-Bestrahlung. Desweiteren bevorzugt reagiert das Trägermaterial nicht mit den anderen Substanzen der Gießlösung außer gegebenenfalls dem erfindungsgemäßen Polyimid. Besonders bevorzugt reagiert das Trägermaterial nicht mit dem Lösungsmittel des Koagulationsbades.The support material preferably does not degrade under UV irradiation. Furthermore, preferably, the carrier material does not react with the other substances of the casting solution except, if appropriate, the polyimide according to the invention. Particularly preferably, the carrier material does not react with the solvent of the coagulation bath.
Solche porösen Trägermaterialien werden vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Vliesstoffen oder gewebten Trägern. Diese umfassen im Wesentlichen ein Material, welches vorzugsweise ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Zellulose, Polyethylen, Polypropylen, Nylon, Homo- und/oder Copolymer umfassend Vinylchlorid, Polystyrol, Polyester wie beispielsweise Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluoroethylen, Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherketone (PEEK), Polyphenylenoxid, Polyphenylinsulphid, Ethylen-(R)-chlorotrifluorethylen (Halar® ECTFE), Glaswolle, Metallgitter, gesintertes Metall, poröse Keramiken, gesintertem Glas, porösem Kohlenstoff- oder Carbonfasermaterial, Graphit, anorganischen Membranen auf Basis von Aluminium und/oder Silica, welche gegebenenfalls mit Zirkoniumoxid und/oder anderen Oxiden beschichtet sind und/oder Kombinationen der Materialien.Such porous support materials are preferably selected from the group consisting of nonwovens or woven supports. These essentially comprise a material which is preferably selected from the group consisting of cellulose, polyethylene, polypropylene, nylon, homopolymer and / or copolymer comprising vinyl chloride, polystyrene, polyesters such as polyethylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polysulfones, polyether sulfones, polyether ketones (PEEK), polyphenylene oxide, Polyphenylinsulphid, ethylene (R) -chlorotrifluorethylen (Halar ® ECTFE), glass wool, metal mesh, sintered metal, porous ceramics, sintered glass, porous carbon or carbon fiber material, graphite, inorganic membranes based on aluminum and / or silica optionally coated with zirconia and / or other oxides and / or combinations of the materials.
Die oben definierten Trägermaterialien können vorzugsweise auch als Träger zur Herstellung einer Kompositmembran umfassend die erfindungsgemäße Membran ausgewählt werden.The carrier materials defined above may also be selected preferably as carrier for producing a composite membrane comprising the membrane according to the invention.
Die Gießlösung kann so auf das geeignete Substrat oder den geeigneten Träger aufgebracht werden, dass die resultierende Membran vorzugsweise eine Form erhält, welche ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Flachmembran, Hohlfasermembran, Kapillarmembran und/oder Röhrenmembran. In einer anderen Ausführungsform besitzt der geeignete Träger vorzugsweise bereits die Form, damit eine Kompositmembran mit einer der oben genannten Formen entsteht.The casting solution may be applied to the appropriate substrate or carrier such that the resulting membrane preferably has a shape selected from the group consisting of flat membrane, hollow fiber membrane, capillary membrane, and / or tubular membrane. In another embodiment, the suitable support preferably already has the shape to form a composite membrane having one of the abovementioned forms.
Während des Rakelvorganges kann gegebenenfalls ein Teil des für die Gießlösung verwendeten Lösungsmittels oder Lösungsmittelgemisches verdampfen.During the doctoring process, if appropriate, part of the solvent or solvent mixture used for the casting solution may evaporate.
Der Rakelvorgang kann mit gängigen bekannten Methoden vorgenommen werden. Bevorzugt wird ein Rakelmesser mit einem Schlitz von 50 μm bis zu 1000 μm, bevorzugt 75 μm bis 500 μm, besonders bevorzugt 100 μm bis 300 μm verwendet. Die Dicke des resultierenden Films kann gegebenenfalls auch durch die Vorschubgeschwindigkeit, mit der das Rakelmesser bewegt wird, beeinflusst werden. Vorzugsweise wird eine Vorzugsgeschwindigkeit von 5 bis 50 mm/s, besonders bevorzugt 10 bis 40 mm/s, ganz besonders bevorzugt 15 bis 25 mm/s verwendet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gießlösung dabei Raumtemperatur auf.The doctoring process can be carried out by conventional methods. Preferably, a doctor blade is used with a slot of 50 microns to 1000 microns, preferably 75 microns to 500 microns, more preferably 100 microns to 300 microns. The thickness of the resulting film may also be affected by the feed rate at which the doctor blade is moved. Preferably, a preferred speed of 5 to 50 mm / s, more preferably 10 to 40 mm / s, most preferably 15 to 25 mm / s is used. In a preferred embodiment, the casting solution at room temperature.
Die UV-Bestrahlung zur Vernetzung der photoaktiven Gruppen kann vor und/oder nach Ausfällen der Membran im Koagulationsbad erfolgen.The UV irradiation for crosslinking of the photoactive groups can be carried out before and / or after precipitation of the membrane in the coagulation bath.
In einer Ausführungsform erfolgt die UV-Bestrahlung direkt nach dem Rakeln, das heißt, vor dem Ausfällen im Koagulationsbad. Dabei wird der gerakelte Film einer Strahlung, die im Wesentlichen im UV-Bereich ist, ausgesetzt. Dabei werden bevorzugt Wellenlängen im Bereich von 100 bis 800 nm, besonders bevorzugt 200 im Bereich von bis 400 nm verwendet. Bevorzugt wird eine Quecksilberdampflampe verwendet. Der Wellenlängenbereich kann gegebenenfalls durch geeignete Filter gezielt eingestellt werden. Besonders bevorzugt wird ein Filter verwendet, welcher die IR-Strahlung herausfiltert. Bevorzugt wird eine UV-Bestrahlung mit einer Energiedichte von 5 bis 50 mW/cm2, besonders bevorzugt von 10 bis 45 mW/cm2, ganz besonders bevorzugt von 20 bis 40 mW/cm2 verwendet.In one embodiment, the UV irradiation takes place directly after doctoring, that is, before precipitation in the coagulation bath. In this case, the gerakelte film of radiation that is substantially in the UV range exposed. In this case, wavelengths in the range of 100 to 800 nm, more preferably 200 in the range of up to 400 nm are preferably used. Preferably, a mercury vapor lamp is used. If necessary, the wavelength range can be adjusted in a targeted manner by means of suitable filters. Particularly preferred is a filter is used, which filters out the IR radiation. Preferably, a UV irradiation with an energy density of 5 to 50 mW / cm 2 , more preferably from 10 to 45 mW / cm 2 , most preferably from 20 to 40 mW / cm 2 is used.
Die Bestrahlungszeit kann bevorzugt zwischen 10 s und 30 h liegen, besonders bevorzugt zwischen 1 min und 1 h, ganz besonders bevorzugt zwischen 1,5 min und 30 min. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass gerade kurze Bestrahlungszeiten von 2 min ausreichend sind, um eine Membran mit den gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Dieser kurze Bestrahlungszeitraum ist vor allem für die Produktion der erfindungsgemäßen Membran im großen Maßstab besonders geeignet.The irradiation time may preferably be between 10 s and 30 h, more preferably between 1 min and 1 h, most preferably between 1.5 min and 30 min. It has surprisingly been found that just short irradiation times of 2 minutes are sufficient to achieve a membrane with the desired properties. This short irradiation period is especially suitable for the large-scale production of the membrane of the invention.
In einer Ausführungsform wird der gerakelte Film gleichzeitig zur UV-Bestrahlung auch zusätzlich extern beheizt. Dies kann bevorzugt durch Über- und/oder Unterströmen des Filmes/der sich bildenden Membran mit erhitzter Luft ausgeführt werden. Die Temperatur ist dabei bevorzugt in einem Bereich, der geeignet ist, den Rest A2 zu aktivieren, so dass eine zusätzliche Vernetzung erfolgt.In one embodiment, the doctored film is also additionally heated externally for UV irradiation. This can preferably be carried out by overflow and / or underflow of the film / the forming membrane with heated air. The temperature is preferably in a range which is suitable for activating the remainder A2, so that additional crosslinking takes place.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die UV-Bestrahlung nach dem Ausfällen der Membran im Koagulationsbad. Die Bestrahlung wird dabei bevorzugt auf die gleiche Weise durchgeführt wie beschrieben für die Bestrahlung vor dem Ausfällen der Membran im Koagulationsbad. In a further embodiment, the UV irradiation takes place after precipitation of the membrane in the coagulation bath. The irradiation is preferably carried out in the same way as described for the irradiation before precipitation of the membrane in the coagulation bath.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die UV-Bestrahlung vor und nach dem Ausfällen der Membran im Koagulationsbad.In a further embodiment, the UV irradiation takes place before and after precipitation of the membrane in the coagulation bath.
Das verwendete Koagulationsbad, unabhängig davon, wann die UV-Bestrahlung erfolgt, umfasst ein Nichtlösungsmittel für das Ausgangspolyimid. Es dient dazu, die sich bildende Membran vollständig auszufällen. Durch die Eintauchgeschwindigkeit der sich bildenden Membran kann vorzugsweise die Struktur der Membran weiter beeinflusst werden. Des Weiteren kann auch durch die Zusammensetzung des Koagulationsbades vorzugsweise die Struktur der Membran weiter beeinflusst werden. Das Koagulationsbad umfasst Lösungsmittel, die vorzugsweise ausgewählt werden aus der Gruppe, bestehend aus Wasser, mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmitteln wie Glycerin, NMP, THF, DMF, DMAc, DMS; 1,4-Dioxan, γ-Butyrolacton, Alkohole, Ketone oder Formamide und Mischungen daraus. In einer Ausführungsform umfasst das Koagulationsbad weitere Additive wie Tenside.The coagulation bath used, regardless of when the UV irradiation occurs, comprises a non-solvent for the starting polyimide. It serves to completely precipitate the forming membrane. By the immersion rate of the forming membrane, the structure of the membrane can preferably be further influenced. Furthermore, the composition of the coagulation bath preferably further influences the structure of the membrane. The coagulation bath comprises solvents which are preferably selected from the group consisting of water, water-miscible organic solvents such as glycerol, NMP, THF, DMF, DMAc, DMS; 1,4-dioxane, γ-butyrolactone, alcohols, ketones or formamides and mixtures thereof. In one embodiment, the coagulation bath comprises further additives such as surfactants.
Dem Fachmann sind die Methoden bekannt, den hier beschriebenen NIPS-Prozess so zu modifizieren, um einen der anderen Phaseninversionprozesse und/oder Hybride aus mehreren dieser Prozesse zu erhalten.The person skilled in the art knows the methods of modifying the NIPS process described here in such a way as to obtain one of the other phase inversion processes and / or hybrids from several of these processes.
In einer Ausführungsform wird die Membran nach dem Koagulieren gewaschen. Dazu wird die Membran bevorzugt einem Wasserbad ausgesetzt. Dadurch können Reste des verwendeten Lösungsmittels der Gießlösung aus der Membran entfernt werden. Bevorzugt können dadurch aber auch weitere Additive, die der Gießlösung zugesetzt wurden, ausgewaschen werden. Weiterhin bevorzugt können auch Additive, die dem Koagulationsbad zugesetzt wurden, ausgewaschen werden.In one embodiment, the membrane is washed after coagulation. For this purpose, the membrane is preferably exposed to a water bath. As a result, residues of the solvent used in the casting solution can be removed from the membrane. Preferably, however, other additives which have been added to the casting solution can also be washed out. Further preferably, additives which have been added to the coagulation bath can also be washed out.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Membran ist, dass keine weiteren Additive aus der Membran herausgewaschen werden müssen. In einer Ausführungsform muss nur das für die Gießlösung verwendete Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch aus der Membran ausgewaschen werden. Dies ist vor allem für die spätere Anwendung der Membran von großer Bedeutung. Auf Grund der Tatsache, dass keine weiteren Additive verwendet wurden, können diese bei Anwendung der Membran auch nicht während des Separationsprozesses ausbluten. Damit werden weder das Retentat noch das Permeat mit ausblutenden Additiven verunreinigt. Die erfindungsgemäße Membran weist somit ein gesteigertes Potential für die Anwendung auf. Des Weiteren ist für den Waschprozess der Membran die Verwendung von Wasser ausreichend. In gängigen Prozessen müssen dem Waschbad organische Lösungsmittel zugesetzt werden, damit die auszuwaschenden Additive sich in dem Bad lösen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher wirtschaftlicher und spart Ressourcen ein.A particular advantage of the method according to the invention for producing the membrane according to the invention is that no further additives have to be washed out of the membrane. In one embodiment, only the solvent or solvent mixture used for the casting solution needs to be washed out of the membrane. This is especially important for the later use of the membrane. Due to the fact that no further additives were used, they can not bleed out during the separation process when using the membrane. Thus, neither the retentate nor the permeate are contaminated with bleeding additives. The membrane according to the invention thus has an increased potential for use. Furthermore, the use of water is sufficient for the washing process of the membrane. In common processes, organic solvents must be added to the wash bath so that the additives to be washed out dissolve in the bath. The inventive method is therefore more economical and saves resources.
In einer Ausführungsform wird die Membran, nachdem sie dem Koagulationsbad ausgesetzt wurde und/oder nachdem sie gewaschen wurde, zusätzlich getrocknet.In one embodiment, after exposure to the coagulation bath and / or after being washed, the membrane is additionally dried.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen weiteren Schritt, in dem die als Flachmembran oder Hohlfasermembran erhaltene erfindungsgemäße Membran, jeweils optional als Kompositmembran, in einem Rohrmodul, Kapillarmodul, Platten-Membran-Modul, Wickelmodul, gegebenenfalls plissiert in Filterkerzen oder in zu diesen verwandten Modulen eingebaut wird.In a further embodiment, the method according to the invention comprises a further step in which the membrane according to the invention obtained as flat membrane or hollow fiber membrane, optionally as composite membrane, in a tube module, capillary module, plate membrane module, wound module, optionally pleated in filter cartridges or in to them built-in related modules.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass eine Membran hergestellt werden kann, ohne weitere Additive in der Rakellösung und/oder im Fällungsbad und/oder in einem der Fällung nachgeschalteten Verfahrensschritt. Dadurch wird eine effizientere Membranherstellung erzielt, bei der weniger Abfälle produziert werden.The particular advantage of the method according to the invention is that a membrane can be produced without further additives in the squeegee solution and / or in the precipitation bath and / or in a subsequent process step of the precipitation. This will result in more efficient membrane production, producing less waste.
Erfindungsgemäße MembranInvention membrane
Weiterhin soll die vorliegende Erfindung eine Membran bereitstellen, welche im Wesentlichen eine Schwammstruktur aufweist.Furthermore, the present invention is intended to provide a membrane which has substantially a sponge structure.
Ebenso soll die vorliegende Erfindung eine Membran bereitstellen, die vorzugsweise zur ONS-Anwendung geeignet ist.Likewise, the present invention is intended to provide a membrane which is preferably suitable for ONS application.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung eine Membran bereit, die erhältlich ist durch das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfahren.To achieve this object, the present invention provides a membrane which is obtainable by the method according to the invention described above.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Membran bereitgestellt, welche vorzugsweise im Wesentlichen eine asymmetrische Struktur aufweist. Asymmetrische Membranen sind aus der Literatur bekannt und dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine Schicht aufweisen, welche eine geringere Porengröße aufweist als der Rest der Membran. Diese Schicht weist eine Mikrostruktur auf und wirkt als Barriereschicht. Solche Membranen sind in der Literatur vor allem durch unterschiedliche Phaseninversionsprozesse erhältlich.In one aspect of the present invention, a membrane is provided which preferably has substantially an asymmetric structure. Asymmetric membranes are from the literature known and characterized in that they have at least one layer which has a smaller pore size than the rest of the membrane. This layer has a microstructure and acts as a barrier layer. Such membranes are available in the literature mainly through different phase inversion processes.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist Barriereschicht porenfrei. Der Begriff porenfrei bedeutet, dass sie Poren aufweist, die bevorzugt kleiner als 2 nm, besonders bevorzugt kleiner als 1 nm sind. Diese Schicht ist bevorzugt oberhalb einer dickeren Unterstruktur, welche größere Poren als die dichte Schicht aufweist. Die Unterstruktur weist eine Makrostruktur auf. In einer Ausführungsform kann die im Wesentlichen dichte Schicht auch auf ein geeignetes Trägermaterial gegen werden, um eine Kompositmembran zu erhalten. Dabei werden Trägermaterialien verwendet, wie oben beschrieben.In a preferred embodiment of this invention, barrier layer is non-porous. The term pore-free means that it has pores which are preferably less than 2 nm, more preferably less than 1 nm. This layer is preferably above a thicker substructure having larger pores than the dense layer. The substructure has a macrostructure. In one embodiment, the substantially dense layer may also be coated onto a suitable substrate to obtain a composite membrane. In this case, carrier materials are used, as described above.
In einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Membran bereitgestellt welche eine dichte symmetrische Struktur aufweist. Symmetrisch heißt, dass die Porengröße über die gesamte Dicke der Membran im Wesentlichen gleichbleibend ist. Solche Membranen sind in der Literatur im Wesentlichen ebenfalls durch Phaseninversionsprozesse erhältlich.In another aspect of the present invention, a membrane is provided which has a dense symmetric structure. Symmetrically means that the pore size over the entire thickness of the membrane is substantially constant. Such membranes are also available in the literature essentially by phase inversion processes.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Membran bereitgestellt, die porös ist. Porös bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Membran Poren aufweist, welche einen Porendurchmesser von größer als 2 nm aufweist. Bevorzugt ist diese Membran symmetrisch. Weiterhin bevorzugt ist diese Membran asymmetrisch.In another aspect of the present invention, a membrane is provided which is porous. Porous in this context means that the membrane has pores having a pore diameter greater than 2 nm. Preferably, this membrane is symmetrical. Further preferred, this membrane is asymmetric.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Membran im Wesentlichen eine Schwammstruktur auf. Eine Schwammstruktur ist durch ein interkonnektierendes Porenvolumen gekennzeichnet. Diese Schwammstruktur führt dazu, dass die erfindungsgemäße Membran mechanisch sehr stabil ist. Ein Kompaktionseffekt kann dadurch minimiert werden. Des Weiteren führt eine bevorzugt asymmetrische Schwammstruktur dazu, dass gleichzeitig auch ein hoher Fluss durch die Membran gewährleistet werden kann.In a preferred embodiment, the membrane according to the invention essentially has a sponge structure. A sponge structure is characterized by an interconnecting pore volume. This sponge structure causes the membrane of the invention is mechanically very stable. A compaction effect can thereby be minimized. Furthermore, a preferably asymmetric sponge structure means that at the same time a high flow through the membrane can be ensured.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die erfindungsgemäße Membran dadurch gekennzeichnet, dass die Membran in den Lösungsmitteln resistent ist, in denen das Ausgangspolyimid löslich ist Diese Lösungsmittel werden bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus NMP, THF, DMAc, DMF, DMSO, 1,4-Dioxan, Toluol, Benzol, Xylol, Methylethylketon, Methylisobutylketon, γ-Butyrolocton, iso-Propanol, n-Hexan, chlorierten Lösungsmitteln und deren Mischungen. Der Begriff lösungsmittelresistent bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Membran, welche für mindestens 2 Monate in einem der oben genannten Lösungsmittel eingelegt wurde, nur einen geringen Massenverlust aufweist. Der durch Differenzwägung bestimmte Massenverlust beträgt dabei höchstens 20%, bevorzugt höchstens 10%, besonders bevorzugt höchstens 5% und ganz besonders bevorzugt höchstens 1%.In one aspect of the present invention, the membrane according to the invention is characterized in that the membrane is resistant in the solvents in which the starting polyimide is soluble. These solvents are preferably selected from the group consisting of NMP, THF, DMAc, DMF, DMSO, 1 , 4-dioxane, toluene, benzene, xylene, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, γ-butyrolactone, iso-propanol, n-hexane, chlorinated solvents and mixtures thereof. The term solvent-resistant in the context of the present invention means that the membrane, which has been inserted for at least 2 months in one of the abovementioned solvents, has only a small mass loss. The mass loss determined by differential weighing is at most 20%, preferably at most 10%, particularly preferably at most 5% and very particularly preferably at most 1%.
In einem Aspekt der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Membran mindestens ein photovernetztes erfindungsgemäßes Polyimid. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird vermutet, dass die Lösungsmittelresistenz der erfindungsgemäßen Membran durch die hohe Photoaktivität des erfindungsgemäßen Polyimid erzeugt wird, welche zu einem hohen Vernetzungsgrad führt.In one aspect of the invention, the membrane according to the invention comprises at least one photocrosslinked polyimide according to the invention. Without wishing to be bound by theory, it is believed that the solvent resistance of the membrane according to the invention is produced by the high photoactivity of the polyimide according to the invention, which leads to a high degree of crosslinking.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die erfindungsgemäße Membran aus mindestens einem Polyimid hergestellt, welches eine geringere Molmasse aufweist als das Ausgangspolyimid. Dabei wird die Membran vorzugsweise aus mindestens einem Polyimid, welches eine geringere Molmasse aufweist als das Ausgangspolyimid, und zusätzlich einem Ausgangspolyimid hergestellt.In a further aspect of the invention, the membrane according to the invention is produced from at least one polyimide which has a lower molecular weight than the starting polyimide. In this case, the membrane is preferably made of at least one polyimide, which has a lower molecular weight than the starting polyimide, and additionally a starting polyimide.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch die UV-Bestrahlung vor dem Ausfällen der Membran im Koagulationsbad eine Kontrolle sowohl der Mikrostruktur als auch der Makrostruktur der Membran erlaubt. Durch die Wahl des Modifizierungsgrads des erfindungsgemäßen Polyimids und die Länge und/oder Intensität der UV-Belichtung ist es möglich, die Mikrostruktur auch ohne weitere Additive zu kontrollieren. Die Kontrolle über die Dicke und Dichte der Mikrostruktur führt zu einer gezielten Kontrolle über die Trenneigenschaften der Membran. Durch die Wahl des Modifizierungsgrads des erfindungsgemäßen Polyimids und die Länge und/oder Intensität der UV-Belichtung ist es zusätzlich möglich, die Makrostruktur auch ohne weitere Additive zu kontrollieren. Die Kontrolle über die Makrostruktur erzeugt eine verbesserte mechanische Stabilität der Membran. Dadurch kann eine höhere Selektivität bei hohem Fluss durch die vernetzte, porenfreie Barriereschicht mit kontrollierter Lösungsmittelquellung resultieren. Durch die UV-Belichtung des gerakelten Films, also vor dem Ausfällen der Membran im Koagulationsbad kann eine Membran, welche im Wesentlichen eine Schwammstruktur aufweist, bereitgestellt werden. Die so erhaltenen erfindungsgemäßen Membranen sind im Wesentlichen lösungsmittelresistent. Dies kann vor allem darauf zurückgeführt werden, dass auch die Makrostruktur einen gewissen Anteil an Vernetzung aufweist. Die Stärke dieses Effektes kann durch geeignete Auswahl der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) und den Modifizierungsgrad des erfindungsgemäßen Polyimids beeinflusst werden. Je höher die Photoaktivität des erfindungsgemäßen Effektes, desto stärker vernetzt ist die Barriereschicht.Surprisingly, it was found that the UV irradiation before the precipitation of the membrane in the coagulation allows control of both the microstructure and the macrostructure of the membrane. By choosing the degree of modification of the polyimide according to the invention and the length and / or intensity of the UV exposure, it is possible to control the microstructure without further additives. The control over the thickness and density of the microstructure leads to a specific control over the separation properties of the membrane. By choosing the degree of modification of the polyimide according to the invention and the length and / or intensity of the UV exposure, it is additionally possible to control the macrostructure without further additives. Control over the macrostructure produces improved mechanical stability of the membrane. This may result in higher selectivity at high flux through the cross-linked, nonporous barrier layer with controlled solvent swelling. By the UV exposure of the gerakelten film, so before the precipitation of the membrane in the coagulation bath, a membrane which has a substantially sponge structure can be provided. The resulting membranes according to the invention are in Essentially solvent resistant. This can mainly be attributed to the fact that the macrostructure also has a certain amount of cross-linking. The strength of this effect can be influenced by suitable selection of the compounds of the general formula (I) and the degree of modification of the polyimide according to the invention. The higher the photoactivity of the effect according to the invention, the more crosslinked is the barrier layer.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass durch die UV-Bestrahlung der erfindungsgemäßen Membran nach dem Ausfällen im Koagulationsbad die Mikrostruktur so kontrollieren lässt, dass der Rückhalt erhöht und der Fluss erniedrigt wird. Die Makrostruktur bleibt bei dieser Ausführungsform gleich zu der einer Membran aus dem Ausgangspolyimid. Die resultierende erfindungsgemäße Membran ist zwar nicht vollständig lösungsmittelresistent, jedoch ist die Barriereschicht so vernetzt, dass zumindest diese Schicht lösungsmittelresistent ist. Dadurch tritt im Wesentlichen keine Quellung der Barriereschicht auf, wodurch ein hoher Rückhalt entsteht. Die Stärke der Effekte kann durch geeignete Auswahl der Verbindungen der allgemeinen Formel (I) und den Modifizierungsgrad des erfindungsgemäßen Polyimids beeinflusst werden. Je höher die Photoaktivität des erfindungsgemäßen Effektes, desto stärker vernetzt ist die Barriereschicht.Surprisingly, it has been found that by UV irradiation of the membrane according to the invention after precipitation in the coagulation bath, the microstructure can be controlled so that the retention is increased and the flow is lowered. The macrostructure in this embodiment remains the same as that of a membrane of the starting polyimide. Although the resulting membrane according to the invention is not completely solvent-resistant, the barrier layer is so crosslinked that at least this layer is solvent-resistant. As a result, essentially no swelling of the barrier layer occurs, resulting in a high retention. The strength of the effects can be influenced by suitable selection of the compounds of the general formula (I) and the degree of modification of the polyimide according to the invention. The higher the photoactivity of the effect according to the invention, the more crosslinked is the barrier layer.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Membran bereitgestellt, wobei diese Membranen ausgewählt wird aus der Gruppe, bestehend aus Gasseparationsmembran, Nanofiltrationsmembran, Nanofiltrationsmembran zur Separation in organischen Lösungsmittel, Ultrafiltrationsmembran, Mikrofiltrationsmembran, Umkehrosmosemembran und Pervaporationsmembran. Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Membran eine Nanofiltrationsmembran. Weiterhin bevorzugt ist die erfindungsgemäße Membran eine Nanofiltrationsmembran zur Separation in organischen Lösungsmitteln.In one aspect of the present invention, there is provided a membrane wherein said membranes are selected from the group consisting of gas separation membrane, nanofiltration membrane, nanofiltration membrane for separation into organic solvents, ultrafiltration membrane, microfiltration membrane, reverse osmosis membrane and pervaporation membrane. The membrane according to the invention is preferably a nanofiltration membrane. Furthermore, the membrane according to the invention is preferably a nanofiltration membrane for separation in organic solvents.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Membran zur Nanofiltration verwendet. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Membran für einen Separationsprozess zur Trennung von Verbindungen mit Molmassen zwischen 200 und 2000 g/mol aus einer Lösung, die diese Verbindung umfasst, verwendet. Besonders bevorzugt umfasst diese Lösung ein organisches Lösungsmittel. Weiterhin bevorzugt ist dieses organische Lösungsmittel ein aprotisches organisches Lösungsmittel. Besonders bevorzugt wird dieses organische Lösungsmittel ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus NMP, THF, DMAc, DMF, DMSO, 1,4-Dioxan, Toluol, Benzol, Xylol, Methylethylketon, Methylisobutylketon, γ-Butyrolacton, chlorierte Lösungsmittel, iso-Propanol, n-Hexan und Mischungen davon. Die erfindungsgemäße Membran weist dabei bevorzugt einen Permeabilität von 0,5 bis 12 L/hm2bar, bevorzugt 0,5 bis 5 L/hm2bar, besonders bevorzugt von 0,5 bis 2,5 L/hm2bar auf.In one aspect of the present invention, the membrane is used for nanofiltration. The membrane of the invention is preferably used for a separation process for the separation of compounds having molecular weights between 200 and 2000 g / mol from a solution comprising this compound. Most preferably, this solution comprises an organic solvent. Further preferably, this organic solvent is an aprotic organic solvent. This organic solvent is particularly preferably selected from the group consisting of NMP, THF, DMAc, DMF, DMSO, 1,4-dioxane, toluene, benzene, xylene, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, γ-butyrolactone, chlorinated solvents, isopropanol, n-hexane and mixtures thereof. The membrane according to the invention preferably has a permeability of 0.5 to 12 L / hm 2 bar, preferably 0.5 to 5 L / hm 2 bar, more preferably from 0.5 to 2.5 L / hm 2 bar.
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Eingang für KühlungskreislaufInput for cooling circuit
- 22
- Eingang für FiltrationslösungInput for filtration solution
- 33
- Druckmessfühler; Druck wird während gesamter Filtration konstant gehalten, Regelung des Drucks erfolgt über Pumpenfluss, Pumpen werden durch Druckmessfühler geregeltPressure sensor; Pressure is kept constant during the entire filtration process, the pressure is regulated via the pump flow, pumps are controlled by pressure sensors
- 44
- Temperaturfühler; Temperatur wird während gesamter Filtration konstant gehalten, Regelung der Temperature erfolgt über Kühlungskreislauf (1 und 6), Kryostat wird durch Temperaturfühler geregeltTemperature sensor; Temperature is kept constant during the entire filtration, the temperature is controlled by the cooling circuit (1 and 6), the cryostat is controlled by temperature sensors
- 55
- Ausgang für Filtrationslösung; bei Dead-End-Filtration geschlossen; bei Cross-Flow-Filtration geöffnet (hier Entnahme Retentat)Output for filtration solution; closed during dead-end filtration; opened during cross-flow filtration (withdrawal of retentate here)
- 66
- Ausgang für KühlungskreislaufOutput for cooling circuit
- 77
- Rührerstirrer
- 88th
- Membranmembrane
- 99
- Edelstahlgeflecht mit durchlöcherter EdelstahlunterplatteStainless steel mesh with perforated stainless steel base plate
- 1010
- Ausgang für Filtrationslösung; hier Entnahme PermeatOutput for filtration solution; here removal permeate
BeispieleExamples
I. Herstellung eines erfindungsgemäßen PolyimidsI. Preparation of a Polyimide According to the Invention
I.1 Schritt (a) – homogene ReaktionI.1 step (a) - homogeneous reaction
30 g Lenzing P84 (0,0705 mol) wurden in 150 mL DMF gelöst. Für einen Modifizierungsgrad von 100% wurden 7,047 mL (0,0705 mol) N,N'-Diisopropylethylendiamin (DIPEDA) zugegeben und 14 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Reaktionslösung wurde im Ölpumpenvakuum eingeengt, um die Viskosität zu erhöhen. Anschließend wurde das Produkt in 1 L destilliertem Wasser ausgefällt. Nach 30 min im Fällungsbad wurde das Wasser gewechselt und nach weiteren 30 min über einen Faltenfilter abfiltriert. Das modifizierte Polymer wurde im Trockenschrank bei 40°C und 180 mbar über 70 h getrocknet.30 g of Lenzing P84 (0.0705 mol) were dissolved in 150 ml of DMF. For a degree of modification of 100%, 7.047 mL (0.0705 mol) of N, N'-diisopropylethylenediamine (DIPEDA) was added and stirred at room temperature for 14 h. The reaction solution was concentrated in an oil pump vacuum to increase the viscosity. Subsequently, the product was precipitated in 1 L of distilled water. After 30 minutes in the precipitation bath, the water was changed and after a further 30 minutes filtered through a pleated filter. The modified polymer was dried in a drying oven at 40 ° C and 180 mbar for 70 h.
I.2 Schritt (a) – homogene ReaktionI.2 step (a) - homogeneous reaction
30 g Lenzing P84 wurden in 500 mL DMF gelöst. Für einen resultierenden Modifizierungsgrad von 10% wurden 1,29364 g 2-Aminoetyhlmethacrylat-hydrochlorid (AEMA) in weiteren 15 mL DMF gelöst und zusammen mit 1,077 g K2CO3 zur Polymerlösung gegeben. Für einen Modifizierungsgrad von 5% wurden 0,645 g AEMA in weiteren 15 mL DMF gelöst und zusammen mit 0,5385 g K2CO3 zur Polymerlösung gegeben. Für einen Modifizierungsgrad von 1% wurden 0,129 g AEMA in weiteren 15 mL DMF gelöst und zusammen mit 0,1077 g K2CO3 zur Polymerlösung gegeben. Das jeweilige Reaktionsgemisch wurde 18 h über Nacht unter Lichtausschluss gerührt und anschließend um etwa 200 ml im Vakuum eingeengt. Die viskose Polymerlösung wurde in 11 destilliertes Wasser gegeben. Zur vollständigen Fällung wurde das Wasser über zwei bis drei Stunden mehrmals gegen frisches Wasser ausgetauscht. Anschließend wurde das ausgefallene Polymer bei 60°C für mehrere Tage bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Die Lagerung des Polymers erfolgt unter Lichtausschluss.30 g Lenzing P84 were dissolved in 500 mL DMF. For a resulting 10% degree of modification, 1.29364 g of 2-aminoethyl methacrylate hydrochloride (AEMA) was dissolved in another 15 mL of DMF and added to the polymer solution along with 1.077 g of K 2 CO 3 . For a degree of modification of 5%, 0.645 g AEMA were dissolved in another 15 mL DMF and added to the polymer solution together with 0.5385 g K 2 CO 3 . For a degree of modification of 1%, 0.129 g AEMA was dissolved in another 15 mL DMF and added to the polymer solution together with 0.1077 g K 2 CO 3 . The respective reaction mixture was stirred for 18 h overnight with the exclusion of light and then concentrated by about 200 ml in vacuo. The viscous polymer solution was added to 11 distilled water. For complete precipitation, the water was exchanged for fresh water for two to three hours several times. Subsequently, the precipitated polymer was dried at 60 ° C for several days to constant weight. The polymer is stored under the exclusion of light.
I.3 Schritt (a) – heterogene ReaktionI.3 step (a) - heterogeneous reaction
Für einen theoretischen Modifizierungsgrad von 40% wurden 2 g Lenzing P84 mit einer Lösung aus 0,338 g AEMA in 15 mL Ethanol oder Methanol versetzt und gerührt. Zum Abbruch der Reaktion wurde das Polymer jeweils nach unterschiedlichen Zeiten (5 min bis 7 Tage) abgefiltert und mit 300 mL Ethanol oder Methanol gewaschen. Die Trocknung des Polymers erfolgte bei 60°C für 18 h. Das trockene Polymer wurde unter Lichtausschluss gelagert.For a theoretical degree of modification of 40%, 2 g of Lenzing P84 were added to a solution of 0.338 g of AEMA in 15 ml of ethanol or methanol and stirred. To terminate the reaction, the polymer was filtered off at different times (5 min to 7 days) and washed with 300 ml of ethanol or methanol. The drying of the polymer was carried out at 60 ° C for 18 h. The dry polymer was stored under exclusion of light.
I.4 Schritt (a) – ModifizierungsgradI.4 step (a) - degree of modification
Tabelle 1: Modifizierungsgrade am Beispiel eines Lenzing P84 mit N,N-Dimethylethylendiamin
I.5 Schritt (b) – heterogene ReaktionI.5 step (b) - heterogeneous reaction
Zum Abfangen der freien Aminogruppen wurde eine Reaktion mit einem Säurechlorid mittels Eintopfmethode durchgeführt. Dazu wurden unter Argon an der Kälte (–18°C) 1,2 mL (14 mmol) Oxalylchlorid zu 3,2 mL DMF in 50 mL Acetonitril gegeben und 15 min gerührt. Anschließend wurden 2,2 g (12,1 mmol) Diemthylaminopropionsäure zugegeben und weitere 15 min gerührt. Als nächstes wurden 10 g des mit DIPEDA modifizierten Polyimids zugegen, um in einer heterogenen Reaktion die primären Aminogruppen abzufangen. Nach 60 min Reaktionszeit wurde ein Teil des Lösungsmittels im Ölpumpenvakuum abgezogen und anschließend 100 mL Wasser zugegeben, um die Reaktion zu stoppen. Das Reaktionsprodukt fiel dabei nicht aus, sondern ging vollständig in Lösung. Der geringe Bodensatz wurde abzentrifugiert und der Überstand im Ölpumpenvakkum getrocknet. Das getrocknete Produkt konnte nicht wieder in Wasser gelöst werden und wurde zweimal mit 150 mL Wasser gewaschen. Anschließend wurde das Produkt im Trockenschrank bei 40°C und 180 mbar getrocknet.To trap the free amino groups, a reaction with an acid chloride was carried out by one-pot method. To this was added 1.2 mL (14 mmol) of oxalyl chloride to 3.2 mL of DMF in 50 mL of acetonitrile under argon in the cold (-18 ° C) and stirred for 15 min. Subsequently, 2.2 g (12.1 mmol) of dimethylamino-propionic acid were added and the mixture was stirred for a further 15 minutes. Next, 10 grams of the DIPEDA-modified polyimide was added to trap the primary amino groups in a heterogeneous reaction. After a reaction time of 60 minutes, part of the solvent was removed in an oil pump vacuum, and then 100 ml of water were added to stop the reaction. The reaction product did not precipitate, but went completely into solution. The low sediment was removed by centrifuging and the supernatant was dried in an oil pump vacuum. The dried product could not be redissolved in water and was washed twice with 150 mL of water. Subsequently, the product was dried in a drying oven at 40 ° C and 180 mbar.
II. Herstellung der erfindungsgemäßen MembranII. Production of the Membrane of the Invention
II.1 Herstellen einer Gießlösung – erfindungsgemäßII.1 Preparation of a casting solution - according to the invention
4,5 g des in I.5 hergestellten Produktes wurden mit 29 g Lenzing P84 mit 115 mL NMP zusammengegen und 6 h bei 60°C gerührt. Anschließend wurde weitere 72 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Lösung wurde mit Argonüberdruck (6 bar) über einen Tiefenfilter filtriert. Sie wurde anschließend 6 Minuten im Ölpumpenvakuum entgast. Die Lösung wurde zur späteren Anwendung luftdicht und unter Lichtausschluss verschlossen,4.5 g of the product prepared in I.5 were mixed with 29 g Lenzing P84 with 115 mL NMP and stirred at 60 ° C for 6 h. The mixture was then stirred at room temperature for a further 72 h. The solution was filtered with argon overpressure (6 bar) through a depth filter. It was then degassed for 6 minutes in an oil pump vacuum. The solution was airtight for later use and sealed with the exclusion of light,
II.2 Herstellen einer GießlösungII.2 Preparation of a casting solution
4,5 g des in I.1 hergestellten Produktes wurden mit 29 g Lenzing P84 mit 115 ml NMP zusammengegen und 6 h bei 60°C gerührt. Anschließend wurde weitere 72 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Lösung wurde mit Argonüberdruck (6 bar) über einen Tiefenfilter filtriert. Sie wurde anschließend 6 Minuten im Ölpumpenvakuum entgast. Die Lösung wurde zur späteren Anwendung luftdicht und unter Lichtausschluss verschlossen.4.5 g of the product prepared in I.1 were combined with 29 g of Lenzing P84 with 115 ml of NMP and stirred at 60 ° C. for 6 hours. The mixture was then stirred at room temperature for a further 72 h. The solution was filtered with argon overpressure (6 bar) through a depth filter. It was then degassed for 6 minutes in an oil pump vacuum. The solution was airtight for later use and sealed with the exclusion of light.
II.3 Herstellen einer GießlösungII.3 Preparation of a casting solution
23,5 g Lenzing P84 wurden in 115 ml NMP gelöst und 6 h bei 60°C gerührt. Anschließend wurde weitere 72 h bei Raumtemperatur gerührt. Die Lösung wurde mit Argonüberdruck (6 bar) über einen Tiefenfilter filtriert. Sie wurde anschließend 6 Minuten im Ölpumpenvakuum entgast. Die Lösung wurde zur späteren Anwendung luftdicht und unter Lichtausschluss verschlossen.23.5 g of Lenzing P84 were dissolved in 115 ml of NMP and stirred at 60 ° C. for 6 hours. The mixture was then stirred at room temperature for a further 72 h. The solution was filtered with argon overpressure (6 bar) through a depth filter. It was then degassed for 6 minutes in an oil pump vacuum. The solution was airtight for later use and sealed with the exclusion of light.
II.4 Herstellen einer MembranII.4 Making a membrane
Zunächst wurden die Gießlösungen aus Schritt II.1 bis II.3 für 2 h auf 60 C erhitzt, um eine homogene Lösung zu erhalten und wieder auf Raumtemperatur abgekühlt. Dann wurde die jeweilige Lösung in ein Rakelmesser mit einem 300 μm Schlitz auf eine gereinigte Glasplatte mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 20 m/s aufgetragen. Nach dem Auftragen auf die Glasplatte wurde diese gegebenenfalls sofort in eine UV-Box (Hönle, UV-Cube) gelegt und bestrahlt. Die UV-Bestrahlung erfolgte für 2 min mit einer Hg-Lampe bei einer Energiedichte von 29 ± 2 mW/cm2. Unmittelbar nach der Bestrahlung wurde der jeweilige Film mit der Glasplatte in ein 4 L Wasserbad gegeben, um durch NIPS endgültig die Membranstruktur zu erhalten. Nach dem Ablösen von der Gasplatte wurde die Membran zum Aushärten in ein weiteres Wasserbad gegeben. Hier verblieb die Membran mindestens 24 h. Zum Vergleich wurden identische Membranen ohne Bestrahlung hergestellt.First, the casting solutions from step II.1 to II.3 were heated to 60 C for 2 h to obtain a homogeneous solution and cooled again to room temperature. Then the respective solution was applied in a doctor blade with a 300 micron slot on a cleaned glass plate at a feed rate of 20 m / s. After application to the glass plate, this was optionally immediately placed in a UV box (Hönle, UV Cube) and irradiated. The UV irradiation was carried out for 2 min with a Hg lamp at an energy density of 29 ± 2 mW / cm 2 . Immediately after the irradiation, the respective film with the glass plate was put in a 4 L water bath to finally obtain the membrane structure by NIPS. After detachment from the gas plate, the membrane was placed in a further water bath for curing. Here the membrane remained at least 24 h. For comparison, identical membranes were prepared without irradiation.
III. MembrancharakterisierungIII. membrane characterization
Die hergestellte Membran wurde zunächst auf eine entsprechende Größe ausgestochen und für 1 h in iso-Propanol äquilibriert. Die Membranen wiesen nun einen Fluss von unter 7 L/hm2bar auf. Anschließend wurden die Membranen für weitere 24 h in iso-Propanol eingelegt. Die Membranproben wurden in einer kontinuierlichen Dead-End-Filtrationsanlage (siehe
Der Rückhalt wurde mit den Farbstoffen Unisol Blue (Molmasse: 322 g/mol) und Rose Bengal (Molmasse: 1100 g/mol) in einer Konzentration von 0.01 g/L durchgeführt.The retention was carried out with the dyes Unisol Blue (molecular weight: 322 g / mol) and Rose Bengal (molecular weight: 1100 g / mol) in a concentration of 0.01 g / l.
Dabei ist wurde der Rückhalt R berechnet über die folgende Formel wobei cp für die Konzentration der Verbindung i im Permeat steht, wobei das Permeat die Lösung ist, die durch die Membran gegangen ist und cR für die Konzentration der Verbindung i im Retentat steht, wobei das Retentat die Lösung ist, die nicht durch die Membran geflossen ist.In this case, the retention R was calculated by the following formula where c p is the concentration of compound i in the permeate, the permeate being the solution that has passed through the membrane and c R is the concentration of compound i in the retentate, the retentate being the solution that is not affected by the Membrane has flowed.
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